[논문]세탁기 브레이크 밴드소음 고장분석 사례

이재혁; 함선일; 박상득

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이재혁 (삼성전자 CS경영센터 전문기술그룹) , 함선일 (삼성전자 CS경영센터 전문기술그룹) , 박상득 (삼성전자 CS경영센터 전문기술그룹)

세탁기의 Shaft Ass'y는 모터로부터 동력을 전달 받아 세탁 및 탈수행정의 제어 기능을 수행하는 세탁기의 핵심부품으로 사용 중 브레이크 밴드소음을 유발하여 소비자의 불만족 요소로 작용하고 있다. 그러나 드럼과 브레이크 페드의 정확한 마찰소음 현상 규명이 안되어 불량 개선에 많은 어려움이 있다. 이를 해결하고자 소음, 진동, 소재 분석 및 ESPI(Electronic Speckle Pattern Interferometry) 분석을 통해 고장원인을 규명하였다. 특히 ESPI는 비접촉, Full Field 정밀 변형 가시화 장치로 Shaft Ass'y의 동작 중 공진소음 발생 부위를 변형 가시화를 통해 정확하게 찾을 수 있었다. 밴드소음 원인은 브레이크 Lever의 공진에 의해 발생하였고 브레이크 밴드 패드의 접촉면적 불균일로 인한 국부적 마찰력 증대가 소음원으로 작용하였다. 밴드소음의 정확한 고장 메커니즘 규명을 통해 개선안을 도출하여 적용하였고 밴드소음 개선효과를 얻을 수 있었다.

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문제 정의

본 연구에서는 ESPI 기술을 이용하여 Shaft Ass' y에서 발생하는 브레이크 밴드 소음의 원인을 규명하고 소음을 개선하기 위한 방법을 제안하고자 한다.

제안 방법

ESPI 측정결과 소음발생이 없는 정상시료의 경우에는 Fig. 6과 같이 변형이 발생하지 않았지만 소음 불량시료는 Fig. 7과같이 브레이크 Lever 끝단 에서 진동이 가장 크게 발생하였고 브레이크 Lever와 브레이크 밴드에도 변형이 발생하는 것을 측정하였다. Shaft Ass' y의 진동 기여도를 보면 Lever 끝단이 가장 큰 것으로 나타났고 다음이 Lever에서 발생하였고 이 결과는 Fig.
Shaft Ass, y의 정확한 소음원인 분석을 위해 Pulse ESPI 이용하여 정상시료와 밴드소음 시료의 동작 중 진동을 가시화하여 분석을 실시하였다. 정확한 진동거동 측정을 위해 Fig.
브레이크 Lever 공진을 유발하는 원인 규명을 위해 Shaft Ass' y 브레이크 밴드패드를 3개 부분으로 나누어서 드럼을 CCW 동작 중 ESPI를 이용한 변형분석을 실시하였다. ( Fig.
3. 실험결과

실험심에서 밴드소음을 검출 분석 가능하도록 Shaft Ass' y 구동 시험장치에 장착한 후 소음, 진동, 변형 측정 및 재료 분석을 통해 고장 메커니즘을 규명하였다.
Shaft Ass' y의 밴드소음 방지를 위해서는 밴드의 마찰이 균일하게 발생시켜 국부적으로 과도한 마찰력이 발생하지 않도록 하는 것이다. 이를 위해 브레이크 밴드의 형상을 개선하고 과도한 마찰력이 작용하지 않도록 적절하게 브레이크 Torque를 조절하여 밴드 소음을 개선할 수 있었다.
필수적이다. 이를 위해 정상시료와 소음시료의 밴드 패드 재료 구조분석을 실시하였다. 재질 표면 구조분석 결과 정상패드 표면은 Fig.
정확한 Shaft Ass' y의 공진 소음 기여도 분석을 위해 정상시료와 소음시료에 대해 Fig. 3의 5개 부위에 대해 진동을 측정하여 Shaft Ass, y의 어느 부분에서 소음이 크게 발생하는지를 측정하였다. 진동 측정 결과 Fig.

성능/효과

3의 1, 2, 5 부위의 진폭이 정상 시료 대비 크게 증가하는 것으로 측정되었다. Fig. 4 측정 결과에서 보면 정상 시료에 비해 소음발생 시료의 진동 진폭이 100 배 이상 증가되는 것을 검출하였다. 밴드 소음 원인은 브레이크 Lever와 Lever 끝단 공진에 의해 발생하는 과도한 진동에 의한 것으로 확인되었다.
특히, 공진발생 부위인 Lever 형상을 변경하여 공진주파수 변경을 통해 공진을 회피하여 개선하더라도 밴드 마찰 진동 주파수가 1, 200~1, 500Hz 로 광대역이므로 다시 공진이 발생하는 경향이 있다. 그리므로 Lever 공진회피를 통한 개선보다는 소음발생 Source인 브레이크 밴드에서 개선안을 도출하는 것이 효과적이다. 브레이크 밴드소음의 고장 메커니즘은 브레이크 밴드패드의 좌우측면에서 마찰 면적이 불균일하여 국부적으로 큰 마찰력이 발생하고 이것이 지속적으로 발생 시 밴드 패드 마찰재의 영구 손상을 유발하고 손상된 마찰재 부위에서 발생한 미세한 진동이 브레이크 Lever의 공진을 유발하여 소음이 발생하는 것으로 나타났다.
밴드소음 재현 시료에 대해 주파수 분석을 한 결과 Fig.2와 같이 1, 262Hz에서 공진에 의한 밴드소음 발생하였고 모터 동작 시간, 대기온도, 습도 등의 환경 조건과 측정 시료에 따라 주파수가 1, 200 ~1, 500Hz 에서 가변 하는 특성을 나타냈고 소음 크기도 차이가 발생하였다. 이는 마찰원인 밴드 패드의 진동 특성이 주위 환경 및 사용조건에 따라 쉽게 변경될 수 있다는 것을 나타낸다.
그리므로 Lever 공진회피를 통한 개선보다는 소음발생 Source인 브레이크 밴드에서 개선안을 도출하는 것이 효과적이다. 브레이크 밴드소음의 고장 메커니즘은 브레이크 밴드패드의 좌우측면에서 마찰 면적이 불균일하여 국부적으로 큰 마찰력이 발생하고 이것이 지속적으로 발생 시 밴드 패드 마찰재의 영구 손상을 유발하고 손상된 마찰재 부위에서 발생한 미세한 진동이 브레이크 Lever의 공진을 유발하여 소음이 발생하는 것으로 나타났다. Shaft Ass' y의 밴드소음 방지를 위해서는 밴드의 마찰이 균일하게 발생시켜 국부적으로 과도한 마찰력이 발생하지 않도록 하는 것이다.
이를 위해 정상시료와 소음시료의 밴드 패드 재료 구조분석을 실시하였다. 재질 표면 구조분석 결과 정상패드 표면은 Fig. 11과 같이 입자상태로 되어 있고 Ti, As, Sr, W, Pb의 마찰재 성분이 검출되었지만 소음발생 시료의 경우에는 Fig. 12와 같이 표면이 탄화 손상되어 매끈하고 패드 표면 Crack이 발생하였고 마찰재 성분이 검출되지 않았다. 이와 같이 소음 발생 시료의 브레이크 패드는 지속적인 과도한 국부적 마찰력으로 인해 마찰재 표면 손상으로 특성이 변경되어 밴드 소음을 유발하는 Source로 작용하는 것으로 관찰되 었다
7의 드럼과 브레이크 패드의 변형을 보면 사선의 뒤틀림 변형을 관찰할 수 있는데 이는 드럼과 브레이크 밴드 패드의 마찰력이 불균일 하여 국부적 과도한 마찰력에 의해 발생하는 것으로 판단되며 이것이 소음 Source로 미세한 진동을 유발하고 밴드패드의 특정 주파수가Lever 공진주파수와 일치할 때 공진을 유발하여 밴드 소음이 발생하는 것으로 관찰되었다. 진동 및 ESPI 측정을 통해 Shaft Ass, y의 전체적인 공진 거동을 알 수 있었다.

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