[논문]실험적 방법을 이용한 자동차 부품의 고장신호 분석, Part 2. 부품별 이상 신호 분석

이해진; 박원식; 이유엽; 오재응

문제 정의

본 연구에서는 자동차 정비 전문가 시스템 구축을 위한 기초 연구로 한 차종에 대해 이상 증상별 진동·소음 데이터를 측정하여 통계분석 및 기여도 분석을 수행하였다. 전체 이상 증상 중 점화플러그, 타이밍벨트, 허브베어링, 배기계에 대한 실험 및 데이터 분석 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
우선 베어링을 허브에 장착 시 유격이 전혀 없는 상태로 세게 조여있을 경우, 둘째로 베어링에 수분이 혼입되어 구리스가 변질 또는 말라붙는 현상, 마지막으로 휠 부분의 충격 또는 사고에 기인하여 베어링 또는 스핀들이 변형되거나 베어링이 찌그러지는 경우이다. 본 연구의 실험에서는 정상상태의 허브 베어링과 충격이 가해져 파손이 일어난 허브 베어링의 소음과 진동을 측정하였다.
본 절에서는 자동차의 부품 중 점화플러그, 타이밍벨트 차축베어링, 머플러의 이상 증상에 대한증상 원인 및 측정 방법에 설명하고자 한다. 이들의 이상 신호 측정을 위한 시험 모드는 첫째, 점화플러그 고장 모드, 둘째로 벨트의 고장유무, 셋째 차축베어링의 고장유무, 마지막으로 머플러의 고장 여부에 따른 시험특성 및 발생하는 현상에 대해 수행하였다.

제안 방법

Part 1에서 언급한 바와 같이 정비 전문가의 조언에 따라 시험 모드를 구축 하였고, 시험 환경은 배경소음이 작은 밤 11시부터 정비 회사 주차장에서, 측정 차량은 국내에서 생산된 1300cc 급 승용차로 주행 거리는 약 16 만 km 이다. 각 지점에 소음 측정을 위한 마이크로폰(B&K 4189)과 진동 측정을 위한 가속도 센서 (B&K 4517)를 부착하여 근접 신호를 측정하였고, 자동차 실내 운전석의 귀 높이에 마이크로 폰 (B&K 4189)를 설치하여 실내 소음을 측정하였다. 모드 별 시험은 상호 독립적으로 수행하였다.
또한 엔진의 공회전 상태가 불안하고 출력이 떨어지며, 가속할 때 차량에 진동이 생기기도 한다. 따라서 점화플러그의 고장을 가정하기 위하여1개의 점화플러그를 제거, 2개의 점화플러그를 제거하여 실험을 수행하였다.
배기계의 경우 높은 온도로 인하여 진동을 측정하지 않고 실내소음과 근접소음만을 측정하였다. 그 결과로서 배기계의 결함 발생시 근접소음의 오버올 레벨은 모두 증가하지만, 실내소음은 중간소음기의 결함을 제외한 나머지 부분에서는 감소하는 것을 알 수 있다.
토출구의 방사음 및 배기계표면의 방사음이 배기소음의 주요원인이며, 배기관의 지지점을 통한 진동전달로 차체의 실내소음에 악영향을 끼칠 수 있다. 본 연구의 실험에서는 Fig 와 같이 각각의 보조소음기와 주소음기에 물리적인 손상을 가하여 정상상태와 이상상태의 외부소음과 실내소음을 측정하였다.
이들의 이상 신호 측정을 위한 시험 모드는 첫째, 점화플러그 고장 모드, 둘째로 벨트의 고장유무, 셋째 차축베어링의 고장유무, 마지막으로 머플러의 고장 여부에 따른 시험특성 및 발생하는 현상에 대해 수행하였다. Part 1에서 언급한 바와 같이 정비 전문가의 조언에 따라 시험 모드를 구축 하였고, 시험 환경은 배경소음이 작은 밤 11시부터 정비 회사 주차장에서, 측정 차량은 국내에서 생산된 1300cc 급 승용차로 주행 거리는 약 16 만 km 이다.
점화플러그, 타이밍벨트, 허브베어링, 배기 계에서 발생하여 차실내로 전달되는 실내소음과 각 부품의 근접 진동 및 소음을 측정하여 이상 및 정상 상태의 데이터를 분석하였다, Part1과 마찬가지로 RMS 와 CREST FACTOR 를 이용하여 시험 모드 별 데이터간 크기 변화율을 분석하였고, 기여도 분석 및 스펙트럼상의 주파수 특성을 규명하여 이상증상 원인 별 관심주파수 대역을 선정하였다.
정상엔진에서 4번 점화플러그의 고장을 가정하여 점화플러그를 제거하였을 때, 2, 4 번 점화플러그를 제거하여 각 정상상태를 기준으로 오버올 레벨 변화 성향과 Crest Factor의 성향을 분석하였다. 그 결과 오버올 레벨 성향은 Fig.
벨트가 노후화되면서 느슨해지면 점화 시기가 부정확해지고, 엔진 출력이 저하된다. 특히 벨트에서 발생되는 소음특성은 음질이 특이하며, 본 연구의 실험에서는 정상적인 타이밍 벨트와 손상된 벨트의 경우에 대하여 수행하였다.

대상 데이터

이들의 이상 신호 측정을 위한 시험 모드는 첫째, 점화플러그 고장 모드, 둘째로 벨트의 고장유무, 셋째 차축베어링의 고장유무, 마지막으로 머플러의 고장 여부에 따른 시험특성 및 발생하는 현상에 대해 수행하였다. Part 1에서 언급한 바와 같이 정비 전문가의 조언에 따라 시험 모드를 구축 하였고, 시험 환경은 배경소음이 작은 밤 11시부터 정비 회사 주차장에서, 측정 차량은 국내에서 생산된 1300cc 급 승용차로 주행 거리는 약 16 만 km 이다. 각 지점에 소음 측정을 위한 마이크로폰(B&K 4189)과 진동 측정을 위한 가속도 센서 (B&K 4517)를 부착하여 근접 신호를 측정하였고, 자동차 실내 운전석의 귀 높이에 마이크로 폰 (B&K 4189)를 설치하여 실내 소음을 측정하였다.

성능/효과

(1) 엔진의 점화플러그 제거시험에서 플러그를 제거할수록 소음 및 진동이 감소하였으나, Crest Factor의 성향은 반대의 결과를 나타내었다. 특히, 실내소음과 근접소음의 Coherence 의 고찰결과, 약0~100Hz의 저주파영역에서 기여도가 높은 것을 확인하였으며, 근접소음이 실내소음에 영향 미치는 것으로 예상할 수 있었다.
(2) 타이밍 벨트와 허브베어링의 결함에 따른 시험 결과 각 부품 별 회전주파수에 따른 결함 특성을 보였다.
(3) 배기계의 결함에 따른 시험 결과, 근접 소음이 모두 증가함에도 불구하고, 실내소음에는 크게 영향을 미치지 않았다.
반면 Crest Factor 의 경향은 근접 소음 및 진동은 증가하였지만, 실내소음은 감소하였다. 결과적으로 벨트의 결함 시 진동은 커지지만 소음은 감소하며, 근접소음 및 진동의 신호가 충격이 심해지지만 실내에서는 오히려 충격음이 감소하는 결과를 나타내었다. 그리고 실내소음과 근접진동의 Coherence 분석결과, 벨트의 작동주파수의 하모닉 성분에서 높은 값을 나타내었다.
그 결과 오버올 레벨 성향은 Fig.3과 같이 플러그를 제거할수록 소음 및 진동이 감소하는 것을 확인하였다. 반면Crest Factor의 성향은 반대의 결과를 나타내었다.
측정하였다. 그 결과로서 배기계의 결함 발생시 근접소음의 오버올 레벨은 모두 증가하지만, 실내소음은 중간소음기의 결함을 제외한 나머지 부분에서는 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 실내소음의 경향은 오버올 레벨과 Crest Factor의 경향과 반대로 나타났다.
이는 차축 베어링의 결함에 의한 진동이 실내소음의 오버올 레벨 및 Crest Factor 에 영향을 미쳤음을 확인 할 수 있다. 그리고 살내소음과 근접진동의 Coherence의 결과는 벨트의 결과와 같이 베어링의 회전주파수의 하모닉 성분 값이 높게 나타났다. 실내소음의 Crest Factor 의 변화율이 큰 이유는 결함 베어링의 회전주파수(약22.
결과적으로 벨트의 결함 시 진동은 커지지만 소음은 감소하며, 근접소음 및 진동의 신호가 충격이 심해지지만 실내에서는 오히려 충격음이 감소하는 결과를 나타내었다. 그리고 실내소음과 근접진동의 Coherence 분석결과, 벨트의 작동주파수의 하모닉 성분에서 높은 값을 나타내었다. 이는 벨트의 회전주파수에 따른 진동이 실내소음에 영향을 미치는 것임을 알 수 있다.
즉 전체적인 오버올 레벨은 감소하였지만 충격음이 발생하였음을 알 수 있다. 또한 실내소음과 근접소음의 Coherence 의 고찰 결과, 약0~100Hz의 저주파영역에서 기여도가 높은 것을 확인 가능하다. Coherence 와 Crest Factor 의 성향에 근거하여 근접소음이 실내소음에 영향 미치는 것으로 예상할 수 있다.
특히, 실내소음과 근접소음의 Coherence 의 고찰결과, 약0~100Hz의 저주파영역에서 기여도가 높은 것을 확인하였으며, 근접소음이 실내소음에 영향 미치는 것으로 예상할 수 있었다.

후속연구

수행하였다. 본 연구를 통해 자동차 고장진단을 위한 데이터 처리 과정 및 이상 증상 별 경향을 파악함으로써, 추후 다양한 차량에 대해 시험을 수행하여 데이터 베이스가 구축 된다면, 보다 쉽고 객관적인 정비가 이루어질 것으로 사료된다.

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