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가설 설정
- (1)의 마이크로 모션은 차량의 각종 진동에 기인하며, 암·수 커넥터간 유격 및 하우징과 단자간 유격, 접압력 등에 좌우된다. (2)의 상대 부품간 하중은 단자 스프링 탄성에 의한 단자 접압력이다.
제안 방법
- 단자 접촉부의 마모 정도가 차량의 주행거리에 따라 차이를 발생하는지 파악하고자, Fig.4 와 같이 주행거리별 단자 표면의 마모 정도를 비교하였다. 그림에서 보는 바와 같이 커넥터 단자의 마모 경향은 주행거리의 증가에 따라 마모 면적이 증가하고, 그 윤곽이 뚜렷해지는 것을 경향을 보인다.
- 따라서 본 연구에서는 전술한 각각의 고장 메커니즘을 순차적으로 명확히 분석, 재현 하도록 우선적으로 필드 사용품에 대한 열화 분석을 실시한다. 상기 분석 결과를 토대로 커넥터 접촉 불량의 발생 메커니즘을 분석한다.
- 기계적 방식의 단자 프렛팅 마모 시험에 의해 재현된 전기적 접촉불량은 간헐적으로 발생될 뿐 아니라 단락 시간이 수 µs 에서 수천 µs 수준으로 무작위적이다. 따라서 상기의 간헐적이고 무작위적인 파형을 실차 적용시 그 영향을 명확히 분석하기 힘들기 때문에 전자적으로 단락시간을 제어할 수 있는 접촉불량 시뮬레이터를 새로이 개발하였다. 이 시뮬레이터는 센서의 전원 회로를 전자 스위칭 소자를 이용하여 1µs 에서 1,000µs 까지 임의적으로 단락 시킬 수 있도록 제작 되었다.
- 필드에서의 고품은 상대적으로 열악한 환경에서 사용된 것이고, 분석 대상인 필드 사용품은 평균적인 사용품이다. 따라서 열화 상태 및 인자를 명확히 분석하고자 필드에서 장시간 사용한 부품을 우선 대상으로 분석을 실시한다. 또한 상기의 열화 경향이 그보다 적은 사용 기간의 부품에서도 발생되는지를 분석한다.
- 따라서 열화 상태 및 인자를 명확히 분석하고자 필드에서 장시간 사용한 부품을 우선 대상으로 분석을 실시한다. 또한 상기의 열화 경향이 그보다 적은 사용 기간의 부품에서도 발생되는지를 분석한다.
- 암·수단자간 마이크로 모션을 재현한 커넥터 단자 프렛팅 마모시험기를 통해 필드 사용품과 동일한 단자 접촉부의 프렛팅 마모를 재현하였다. 또한 상기의 프렛팅 마모에 의해 급격한 접촉저항 변화 및 전압 강하와 같은 전기적 접촉불량을 재현하였다.
- 상기 분석 결과를 토대로 커넥터 접촉 불량의 발생 메커니즘을 분석한다. 또한 커넥터 접촉불량으로 인한 센서 신호의 왜곡을 파악함으로서 커넥터 접촉 불량의 고장을 재현한다.
- 따라서 본 연구에서는 전술한 각각의 고장 메커니즘을 순차적으로 명확히 분석, 재현 하도록 우선적으로 필드 사용품에 대한 열화 분석을 실시한다. 상기 분석 결과를 토대로 커넥터 접촉 불량의 발생 메커니즘을 분석한다. 또한 커넥터 접촉불량으로 인한 센서 신호의 왜곡을 파악함으로서 커넥터 접촉 불량의 고장을 재현한다.
- 상기와 같은 단자의 접촉저항 변화에 의한 단자 접촉부 전압강하 특성을 동적 상태에서 파악하기 위하여 7 만 사이클 이후에 저항 변화가 발생되기 시작한 시료에 대해 DC 5V 의 순간 단락 검증 회로를 통해 전압강하를 측정하였다. Fig.
- 상기와 같은 필드 사용품 단자의 접촉 저항 증가 원인을 파악하고자 해당 커넥터의 단자에 대한 SEM 분석을 실시하였으며, 그 결과를 Fig.2 에 나타낸다. 그림에서 보는 바와 같이 저배율의 사진에서는 단자 접촉부의 국부적으로 도금막이 파손된 것을 볼 수 있다.
- 암·수단자간 마이크로 모션을 재현한 커넥터 단자 프렛팅 마모시험기를 통해 필드 사용품과 동일한 단자 접촉부의 프렛팅 마모를 재현하였다.
- 암단자와 수단자간의 프렛팅 마모에 의해 접촉불량이 발생하는지를 파악하기 위하여 Fig.6 과 같은 단자 프렛팅 마모 시험기를 개발하였다. 이 시험기는 크게 마이크로 모션에 의한 프렛팅 마모 발생기, 온습도 챔버, 제어 및 측정부로 구성된다.
- 이 시뮬레이터는 센서의 전원 회로를 전자 스위칭 소자를 이용하여 1µs 에서 1,000µs 까지 임의적으로 단락 시킬 수 있도록 제작 되었다.
- 상기와 같이 커넥터의 접촉불량에 의해 센서 신호의 왜곡이 발생됨이 접촉불량 시뮬레이터에 의해 해석 되었다. 이것이 실차 엔진 이상현상을 발생 시킬 수 있는지를 파악하기 위하여 공회전(idling) 상태의 실차 조건에서 중요 센서에 대해 검증하였다. 센서의 전원을 단락 시켰을 때 특정 시간에 센서 신호의 왜곡이 생기며, 이것이 반복되면 엔진 공회전이 불안정 해지는 현상을 보이고, 단락 시간이 더 늘어나면 엔진 시동이 꺼지는 현상도 볼 수 있다.
- 프렛팅 마모 시험을 통해 재현된 전압강하 및 단락시간의 수준이 차량에서 사용하는 센서에 영향을 미치는지를 파악하였다. 기계적 방식의 단자 프렛팅 마모 시험에 의해 재현된 전기적 접촉불량은 간헐적으로 발생될 뿐 아니라 단락 시간이 수 µs 에서 수천 µs 수준으로 무작위적이다.
대상 데이터
- 설사 확보하더라도 전술한 바와 같이 고장 현상의 확인 과정에서 커넥터 분리 및 조립에 의해 고장 원인이 제거되기 때문에 온전한 필드 고품을 확보한다는 것은 거의 불가능하다. 그러므로 고장은 특정 열화의 결과물이라는 점에 착안하여 필드 사용품을 대상으로 분석한다. 필드에서의 고품은 상대적으로 열악한 환경에서 사용된 것이고, 분석 대상인 필드 사용품은 평균적인 사용품이다.
- 6 과 같은 단자 프렛팅 마모 시험기를 개발하였다. 이 시험기는 크게 마이크로 모션에 의한 프렛팅 마모 발생기, 온습도 챔버, 제어 및 측정부로 구성된다. 프렛팅 마모 발생기는 전자식 리니어 액추에이터에 의해 작동되며, 변위 센서에 의해 피드벡 제어됨으로서 변위 가변의 마이크로 모션을 실현한다.
성능/효과
- 커넥터 단자에서 금속간에 µm 단위의 상대운동에 의한 국부적인 마모 및 부식에 의한 고장 메커니즘이 프렛팅 마모 및 부식(fretting wear and corrosion)이론이다.1) 상기의 이론은 금속간 접촉에 의한 피로파괴 이론이나 최근 커넥터 단자의 접촉불량 발생 메커니즘을 설명하는데 있어 적절한 것으로 평가되고 있다.2) 상기의 프렛팅 마모는 (1) 구성 부품간 마이크로 모션의 상대운동, (2) 상대운동 부품간 작용하중에 의해 발생된다.
- 1) 필드 사용품에 대한 고장 분석 결과, 커넥터 접촉 불량은 진동에 의한 암·수단자간 상대 운동을 갖는 동적 상태에서 크게 발생되며, 근본 원인은 프렛팅 마모·부식에 의한 단자 접촉부의 안정성 저하이다.
- 2) 상기의 암·수 단자간 프렛팅 마모에 의한 전기적 접촉불량의 크기는 수μs 수준에서 수천 μs 에 이름이 파악되었다.
- 3) 단자간 상대 운동이 없는 정적 상태에서의 접촉저항의 변화 및 전압강하는 작으나, 단자간 상대운동을 갖는 동적 상태에서는 접촉저항은 크고 불연속적임이 밝혀졌다. 이는 커넥터 접촉불량의 문제가 진동 하에서 주로 발생되므로 이에 기초한 신뢰성 검증 방안이 필요함을 보이는 것이다.
- 4) 상기의 프렛팅 마모 시 발생되는 수준의 접촉 불량을 실차 상태에서 커넥터 단자 부에 발생 시켰을 때 센서 신호의 왜곡이 발생되며, 이로 인해 엔진의 시동 꺼짐과 같은 이상현상이 발생될 수 있다.
- 상기와 같이 필드 사용품 분석 결과를 토대로 커넥터의 접촉불량 현상을 파악한 결과, 커넥터의 접촉불량은 급격한 저항 변화로 인한 순간단락 및 이로 인한 신호 또는 전원의 왜곡임이 파악되었다. 커넥터 접촉불량의 발생원인은 프렛팅 마모 및 부식 등에 의한 단자 접촉부의 내구 안정성 저하에 기인한다.
- 대상 부품은 엔진 와이어링의 센서 측 커넥터로 그림에서 보는 바와 같이 필드 사용품의 접촉저항은 신품 대비 최대 30% 정도 증가하는 경향이다. 필드에서 커넥터 단자의 전기적 특성인 접촉저항의 열화 경향은 전반적으로 증가하는 경향을 보이나, 그 열화 정도는 커넥터 단자의 종류 및 장착 위치에 따라 차이를 보였다.
후속연구
- 5) 추후 프렛팅 마모에 대한 단자 자체 및 커넥터 어셈블리 상태의 신뢰성 검증 및 설계 개선 대책에 대한 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
- 이것이 필드에서 프렛팅 마모가 발생하더라도 발생빈도가 상대적으로 적은 이유이다. Fig.4 에서와 같은 마모면의 부식 생성을 재현하기 위해서는 추후 연구가 진행되어야 할 것으로 보인다.
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