[논문]연속오일공급 형태의 크랭크샤프트 베어링 설계

윤정의

doi:10.9725/kstle.2004.20.2.084

[국내논문] 연속오일공급 형태의 크랭크샤프트 베어링 설계
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윤정의 (삼척대학교 메카트로닉스공학부)

It is very important to improve the durability and reliability of crankshaft because of conflicting demands for lower fuel consumption and higher power output. In this study, for the crankshaft bearing design, analyses were conducted to determine the lubrication characteristics such as oil flow rate, minimum oil film thickness, friction force and increase of oil temperature at main bearing and connecting rod bearing. Additionally, supplied oil pressure and temperature effects on the bearings were simulated to figure out lubrication characteristics on the bearings. Finally the effects of increasing the bearing width and clearance were introduced on the lubrication characteristics.

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문제 정의

본 연구에서는 연속오일공급 형태의 크랭크 샤프트 시스템을 채택한 엔진의 메인 베어링 및 커넥팅 로드 베어링의 설계를 위해 다양한 운전 조건의 변화(오일 온도, 회전수, 메인 갤러리 공급 압력)와 베어링의 중요 설계 변수에 변화에 따른 유량 및 온도 상승의 효과를 해석하였다.
본 연구에서는 연속오일공급 형태의 크랭크 샤프트 시스템을 채택한 엔진의 메인 베어링 및 커넥팅 로드 베어링의 설계를 위해 다양한 운전 조건의 변화(오일 온도, 회전수, 메인 갤러리 공급 압력) 및 베어링의 중요 설계 변수에 변화에 따른 유량과 온도 상승의 효과를 해석하였다. 이러한 일련의 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

유로 해석은 상용 유로 해석 프로그램인 Howmaster 2를 사용하였으며, 해석 시 오일 그루브에서 커넥팅 로드 대단부 베어링 쪽으로 연결된 통로를 통해 흐르는 오일은 통로의 회전에 의한 원심력의 효과(centrifugal force)를 고려하여 해석하였다 (#113, #107). 그리고 그루브 내의 정체된 오일이 빠른 원운동을 하는 오일 통로 쪽으로 이동할 수 있도록 해주는 가속력(acceleration force), 그리고 각 통로 상에서 발생하는 마찰 손실 (friction force) 효과 또한 본 해석에서 고려하였다 [6, 7].
그림에서처럼 커넥팅 로드 대단부 베어링은 직경 54 mm의 상하 모두 평 베어링을 사용하였다. 그러나 직경 65 mm인 메인 베어링의 경우에는 위쪽 부분은 3 mm의 폭을 가진 그루브형 베어링을 사용하였으며, 아래쪽 부분은 지 지하 중력 향상을 위해 평 베어링을 채택하였다.

데이터처리

1과 같이 연속적인 오일공급 형태의 크랭크 샤프트를 채택한 엔진에서 메인 베어링 및 커넥팅 로드 베어링의 설계를 위해 각 베어링으로 공급되는 오일의 압력 해석하기 위한 유로 해석 모델이다. 유로 해석은 상용 유로 해석 프로그램인 Howmaster 2를 사용하였으며, 해석 시 오일 그루브에서 커넥팅 로드 대단부 베어링 쪽으로 연결된 통로를 통해 흐르는 오일은 통로의 회전에 의한 원심력의 효과(centrifugal force)를 고려하여 해석하였다 (#113, #107). 그리고 그루브 내의 정체된 오일이 빠른 원운동을 하는 오일 통로 쪽으로 이동할 수 있도록 해주는 가속력(acceleration force), 그리고 각 통로 상에서 발생하는 마찰 손실 (friction force) 효과 또한 본 해석에서 고려하였다 [6, 7].

성능/효과

4는 엔진의 운전조건 변화에 대한 베어링 윤활 특성 변화를 알아보기 위해 공급되는 엔진오일(SAE15W40)의 온도를 바꾸어 가면서 각 베어링으로 공급되는 유량 및 마찰력과 공급 오일의 온도 상승효과를 계산한 결과이다. 먼저 각각의 베어링으로 공급되는 유량의 변화를 살펴보면 공급 오일의 온도 증가에 따라 급격히 증가히는 경향을 보인다. 이는 온도 증가에 따라 윤활유의 점도가 지수적으로 감소하는 특성에 기인하는 것이다.
이는 온도 증가에 따라 윤활유의 점도가 지수적으로 감소하는 특성에 기인하는 것이다. 또한 엔진 회전수의 증가에 따라 각각의 베어링에 공급되는 유량 또한 증가하는 경향을 보여주고 있으며, 특히 커넥팅 로드 베어링의 경우에는 엔진 회전수가 증가함에 따라 공급 유량이 급격히 증가하는 경향을 보여주고 있다. 이러한 원인은 Fig.
이러한 원인은 커넥팅 로드 베어링을 메인 베어링과 비교하였을 때 약 83%의 상대적으로 작은 베어링 반경 및 폭으로 약 125%의 높은 하중을 지지하기 때문이다. 최종적으로 각 베어링에 공급된 유량과 베어링에서 발생하는 마찰력 값으로부터 계산한 공급 오일의 마찰력에 의한 온도 상승효과는 주어진 조건에서 최대 약 20℃까지 상승하는 결과를 보여주고 있으며, 고온으로 공급하는 것에 비해 저온의 경우가 두드러지게 큰 값을 갖게 됨을 알 수 있다. 이러한 원인은 저온으로 공급되는 오일의 경우에는 저점도에 의해 마찰력이 큰 값을 갖게 되어 발생 열이 증가하지만 각 베어링으로 공급되는 유량은 오히려 마찰 저항으로 인해 감소하기 때문이다.
일반적으로 엔진의 출력 향상이 있을 시 나타나는 베어링의 파손은 대부분 베어링의 부하 하중 증대에 기인하는 것으로 이를 위해 설계자는 최종적으로 베어링의 폭을 증대하는 방향으로 설계를 변경한다. 해석 결과를 살펴보면 베어링 폭의 증대는 최소유막 두께의 증대를 가져와 베어링의 파손은 막을 수 있지만 넓어진 폭에 의한 저항 증대로 오히려 공급 유량은 감소하게 되며 이로 인해 약간의 오일 온도 상승을 초래할 수 있다는 것을 보여준다.
이와 같은 펌프의 공급 오일 압력 증대는 그림에서처럼 각 베어링의 유량 증대와 함께 베어링의 냉각 효과에 기여를 하게 된다. 해석 결과를 살펴보면 주어진 조건에서 오일의 공급 압력을 4 bar에서 8 bar로 2배로 증대하였을 때 유량의 증대로 베어링을 통한 오일은 최대 4℃ 정도 감소하는 효과를 보여준다.
(1) 공급 윤활유의 온도가 90℃에서 150℃까지 변함에 따라 메인 베어링의 경우에는 공급되는 유량이 1.5에서 4.5[I/min], 커넥팅 로드 베어링의 경우에는 1에서 3[I/min] 로 약 3배가량 증대한다.
(2) 베어링 폭의 증대는 최소유막 두께의 증대에 효과가 있지만 오히려 공급 유량은 감소하게 되며 이로 인해 약간의 오일 온도 상승효과를 초래한다.
(3) 베어링 간극이 넓어질 경우 급격한 유량 증대로 인해 열 방출 특성이 증대하므로 베어링의 냉각 성능 향상 측면에서는 베어링 간극의 증대가 가장 효과적이다.

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