Transcript Bearing

엔진부품의 마멸고장 분석사례
신뢰성평가센터
책임연구원 오창선
2005.11.09
www.cpr.co.kr
1
Table of Contents
•
•
•
•
•
•
Tribology
Engine Tribology
Breakdown of Engine Frictional Loss
Influence of Engine Tribology Failure
Chemomechanical Tribology
Piston System
– Piston Ring and Cylinder Liner
• Valve Train
– Cam and Tappet
• Bearing
– Journal Bearing
• Conclusion
www.cpr.co.kr
2
Tribology
• Science and Engineering of
Interactive Surfaces in Relative
Motion
• The study of Friction, Wear and
Lubrication
Wear
Friction
Relative
Motion
Lubrication
www.cpr.co.kr
3
Engine Tribology
•
•
•
•
•
Piston System
Valve Train
Bearings
Gears
Seals
•
•
•
•
Material and Coating
Roughness and Surface Texture
Lubricant and Additives
Debris
www.cpr.co.kr
4
Breakdown of Engine Frictional Loss
Crank Shaft
System
20%
1000rpm
3500rpm
Piston
System
32%
Crank Shaft
System
28%
6000rpm
Piston
System
33%
Crank Shaft
System
32%
Oil Pump
System
5%
Piston
System
37%
Cam Drive
System
7%
Oil Pump
System
18%
Valve Train
36%
Cam Drive
System 4%
Valve Train
17%
Oil Pump
System
20%
Valve Train
Cam Drive 8%
System 3%
(인용) 高橋輝夫 : 月刊Tribology(2003.5) p.26-27
www.cpr.co.kr
5
Influence of Engine Tribology Failure
• Increased
–
–
–
–
Fuel/Oil Consumption
Emission
Noise
Vibration
• Decreased
– Service Life of Parts and Engine
• 엔진 보링 주기 결정 ; 1 000 000 km
www.cpr.co.kr
6
Chemomechanical Tribology
• Combined Mechanism of Chemical Activity and Mechanical
Stresses at Surfaces
Adhesive Wear
Abrasive Wear
Corrosive Wear
Scuffing (Seizure)
Surface Fatigue
–
–
–
–
Hydrodynamic Lubrication
0.001
EHL
Speed × Viscosity / Load
Mixed Lubrication
Boundary Lubrication ; ZnDTP 등 극압첨가제 사용
www.cpr.co.kr
Coefficient of Friction
–
–
–
–
–
0.1
0.01
7
Piston System
•
•
•
•
•
Piston Ring & Cylinder Liner
Piston
Piston Pin Bush
Connecting Rod Bush
Connecting Rod Bearing
www.cpr.co.kr
8
Piston Ring & Cylinder Liner
• Boundary Lubrication at TDC and BDC
where High Pressure and Zero Speed
• Lateral Movement of Piston
TDC
BDC
– Friction at Piston Top Land and Skirt in
Thrust or Anti-thrust Direction
• Hard Carbon
Reciprocating motion and
lateral movements of piston
• Cylinder Liner : 고인/보론주철, Plateau
Honing, 고주파경화 등
• Piston Ring : 표면처리(크롬 도금, 세라
믹 도금, 용사 등), 배럴형 프로파일
• Piston : 표면처리(주석도금, 산화철 피막
등), 배럴형 프로파일
www.cpr.co.kr
9
Piston Ring & Cylinder Liner
• 청소차용 6기통 디젤 엔진
• 현상
– 오일 소모 증대 및 매연 과다 발생
– Piston Ring, Cylinder Liner 과다 마멸 및 경면화 진행
www.cpr.co.kr
10
Piston Ring & Cylinder Liner
• Cylinder Liner 마멸면
– 연삭마멸 : Si-O계 입자에 의한 스
크래치
– Plateau Honing 가공흔 소실
www.cpr.co.kr
11
Piston Ring & Cylinder Liner
• Piston Ring 마멸면
– 연삭마멸 : Si-O계 입자에 의한 스크래치
– 과다 마멸부위 : 크롬 도금층 소실
www.cpr.co.kr
12
Piston Ring & Cylinder Liner
• 재료 품질
– Cylinder Liner : 보론주철
성분, 경도, 조직 양호
Plateau Honing 가공흔 양호
– Piston Ring : 구상흑연주철 + 크롬 도금
성분, 경도, 조직 양호
도금 상태 양호
스테다이트 또는
보론 탄화물
마멸 단차
흑연
제 1 마찰면
제 2 마찰면
펄라이트 기지
www.cpr.co.kr
13
Piston Ring & Cylinder Liner
• Plateau Honing
– Abbot Bearing Curve : Oil Pocket과
Bearing Area의 적절한 구성
– Sharp and Clean Cutting
– 호닝 스코어, 각도, 거스러미, 소성유
동, 뜯김 등의 품질이 중요
www.cpr.co.kr
14
Piston Ring & Cylinder Liner
• 결론
– 외부 이물질(모래성분) 혼입으로 인한 Cylinder Liner와 Piston Ring
의 연삭 마멸
– 내경 확대 및 기밀성 저하로 인해 오일 소모 증대 및 매연 과다 발생
– 환경적으로 사막지역에서 운행되어 흡입공기에 대한 Filtering 보강
이 요구되므로 복식 Air Cleaner를 적용
www.cpr.co.kr
15
Valve Train
•
•
•
•
•
•
Valve Seat and Seat Insert (Ring)
Valve Stem and Valve Guide
Cam and Tappet
Cam Shaft Bearing
Rocker Arm
Rocker Arm Bush
www.cpr.co.kr
16
Cam & Tappet
• Rolling & Sliding Contact ⇒ High Friction
• Non-conformal Contact ⇒ Hertzian Stress
• Boundary/Mixed Lubrication at Idling/Low Speed
• Cam : 고주파경화, 침탄경화, 질화 등
• Tappet : 칠 주물, 초경, 세라믹, DLC 코팅 등
Tappet
Crown
Cam
www.cpr.co.kr
17
Cam & Tappet
• 중장비용 8기통 디젤엔진
• 현상
– 보링 후 엔진 출력저하
– Tappet : 약 1mm 정도의 과다 마멸
마멸면 조사 불가능
– Cam : Nose 마모 및 피팅
www.cpr.co.kr
18
Cam & Tappet
• Tappet 품질
–
–
–
–
하자품
칠 타펫
흑연량 : 내피팅성에 영향
카바이드량 : 내마모성에 영향
하자품의 흑연량 과다
• Cam 품질
정상품
– 침탄+질화
– 경도, 침탄층, 질화층 품질 양호
www.cpr.co.kr
19
Cam & Tappet
•
칠 타펫에서 흑연조직이 마찰면에 미치는 영향
– 크라우닝이 존재하는 초기 마멸 상태 : 약 11㎛ 마멸
– 마찰면상의 흑연조직에서 피팅 발생
시험품
신품
www.cpr.co.kr
20
Cam & Tappet
• 결론
– 칠 타펫의 흑연량 과다로 인한 조기 과다 마멸
– 칠 타펫에서 흑연량은 타펫의 내 피팅성과 밀접한 관계가 있으므
로 적정 수준 이하로 관리되어야 함
www.cpr.co.kr
21
Bearing
• 각종 회전축의 지지 및 연결 부위 : Crank Shaft, Cam Shaft,
Connecting Rod, Gear Shaft 등
• Journal Bearing (Bush)
• Ball Bearing
• Roller Bearing
www.cpr.co.kr
22
Journal Bearing
• 탄성유체윤활(Elasto-hydrodynamic Lubrication)
•
•
•
•
•
•
•
이물질
오일 고갈
캐비테이션
피팅과 피로
부식
가공 및 Misalignment
재료 :
Bearing
Lubricant flow
Journal
Wedge effect
Oil film pressure
– PV 값에 의해 선정
– 3층구조 : Back Steel(이금)+Kelmet(구리와 납의 합금)/연청동/알
루미늄과 주석 합금+Overlay(납과 주석의 합금)
– Surface Texture
www.cpr.co.kr
23
Journal Bearing
• 버스용 6기통 디젤 엔진
• Connecting Rod Bush 이상마모
– Lower : 경면화 및 변형
– Upper : 변색
www.cpr.co.kr
24
Journal Bearing
• Lower Part 마찰면 및 단면 미세조직
– 정상 마멸 ; Polishing & Scratch
– Pb 손실
www.cpr.co.kr
25
Journal Bearing
• Upper Part 마찰면 및 단면 미세조직
– Sn-Pb-O 층 덮힘
www.cpr.co.kr
26
Journal Bearing
• Lower Part 외주면(Backsteel) 관찰
– Press 압입 시 형성된 것으로 보이는 Burr의 발생 확인
– Burr주위의 융기로 인한 Bush 외주면과 Connecting Rod 내주면
의 접촉불량 관찰
www.cpr.co.kr
27
Journal Bearing
• 결론
– Bush의 Lower부에서 Press 압입 시 Burr 발생
⇒ Bush와 Connecting Rod의 밀착이 불완전하게 되어 국부적인
온도 상승으로 저융점 금속인 Pb, Sn 소실
⇒ Upper부에서는 Lower부에서 전이된 Pb, Sn 산화물로 덮혀 변
색됨
– Press 압입에서 Burr가 발생되지 않도록 조립 공정의 개선 필요
www.cpr.co.kr
28
Conclusion
• 엔진 부품의 마멸 고장 분석 ⇔ 엔진 트라이볼로지 분석
– 마찰, 마멸, 윤활에 대한 종합적인 사고 및 분석
Wear
Friction
www.cpr.co.kr
Lubrication
29