[논문]자동차용 등속 조인트의 내부 마찰 모델 개발

이철희; 장민규

doi:10.9725/kstle.2008.24.5.215

문제 정의

그러나 이러한 경험적 모델은 등속조인트의 동적인 세부 운전 조건에 대하여 고려되고 있지 않다. 따라서, 본 논문의 주요 목표는 새로운 차량개발을 하는데 있어서 즉시 적용 가능한 트라이팟 등속 조인트의 물리학을 기반으로 하는 조인트 내부 마찰 계수 모델을 개발하는 것이다. 이러한 조인트 마찰모델을 개발하기 위하여 등속 조인트 시험기를 실제 개발하여 등속 조인트 내부의 마찰을 측정하는데 사용하였다.
본 연구에서는 볼 타입의 조인트에 비해 낮은 플런징(plunging) 저항을 가져서 널리 이용되고 있는 트라이팟 (tripod) 등속 조인트의 플런징에 의한 내부 마찰 모델을 유도하고자 힌다[1, 2]. 종래의 등속 조인트모델링에 관한 연구에서는 경험적이고 실험적인 마찰 상수 값을 사용하여 구동축 및 차량 성능을 해석하는데 사용하였다[3].

제안 방법

다음 단계로 등속 조인트가 플런징 운동을 하는 동안 일어나는 마찰 변동 현상을 포착하기 위하여 운동마찰 모델이 개발 되었다. 다양한 관절각, 위상각과 접촉 조건하에 행해진 실제 운동 실험 데이터를 기반으로 운동(또는 변동) 부분의 데이터는 다음의 마찰 계수 모델로 표현이 가능하다.
등속 조인트의 내부 마찰 계수 모델은 실험적인 결과를 바탕으로 다양한 등속 조인트 운전 파라미터들의 함수로 제시되었다. 등속조인트의 내부 마찰력을 즉정하기 위하여 삼축 힘 센서를 등속조인트 안에 부착하여 실제 실험을 수행하였다.
제시되었다. 등속조인트의 내부 마찰력을 즉정하기 위하여 삼축 힘 센서를 등속조인트 안에 부착하여 실제 실험을 수행하였다. 마찰 특성은 등속 조인트에서 얻어진 마찰 메커니즘을 연구하는데 의미가 있다.
이는 평균 운동 마찰 계수는 정지 마찰 작용보다 동적 플런징 운동에 더 관계가 있다는 것을 의미한다. 따라서 평균 운동 마찰 계수를 표현하기 위하여 정지 마찰 계수 µsip를 사용하여 평균 마찰 계수 µ를 표현하였다. 또한, 평균 마찰 계수는 회전 위상각에 대하여 사인(sine) 곡선파 형태를 띄게 되므로 이러한 현상을 표현하기 위하여 간단한 사인 (sine) 함수를 사용하여 정지 마찰 모델을 표현하였다.
따라서 평균 운동 마찰 계수를 표현하기 위하여 정지 마찰 계수 µsip를 사용하여 평균 마찰 계수 µ를 표현하였다. 또한, 평균 마찰 계수는 회전 위상각에 대하여 사인(sine) 곡선파 형태를 띄게 되므로 이러한 현상을 표현하기 위하여 간단한 사인 (sine) 함수를 사용하여 정지 마찰 모델을 표현하였다. 실험적 조건 계수인 <p, β와 미끄럼 마찰 계수 µsip에 의한 경험적 데이터들의 곡선적합(curve-fitting)에의하여 평균 마찰 모델 방정식을 다음과 같이 나타낼 수 있다.
마찰 실험 장비와 사용법은 직접적으로 등속 조인트 내부 마찰을 측정할 수 있도록 설계 및 제작 되었다. 기본적으로 개발된 시험기는 실제 트라이팟 등속조인트를 포함하는 자동차 구동축을 사용하였으며 플런징운동 및 높이 조절 메커니즘과 정지 토크 발생기(Static Torque Generator)로 구성되어있다.
등속 조인트가 플런징 운동을 할 때 실제 미끄럼 대구름 비가 측정되었다. 마찰 측정기(tribometer)를 이용하여 실제 롤러와 하우징 파트에서의 미끄럼 마찰을 다양한 윤활조건에서 측정하였다. 또한 구름 마찰 계수를 등속 조인트의 접촉 조건에 대하여 계산 되어졌으며 구름 저항은 순수 미끄럼 마찰 계수의 약 10% 값을 가짐을 확인하였다.
물리학적 해석뿐만 아니라 곡선적합(cuwe-fitting)실험을 통하여 두 개의 다른 마찰모델의 요소를 개발함으로써 통합 마찰 계수 모델은 정지 마찰 모델을 포함하는 평균 마찰 모델과 운동 마찰 모델의 합으로 다음과 같이 나타낼 수 있다. 여기에 3.
순수 미끄럼 마찰 계수의 측정은 현재 북미 지역 등속 조인트에서 사용중인 그리스(grease) 타입 A (첨가제: Organo-molybdenum)와 그리스 타입 B (첨가제: Solid EP)로 두 가지 다른 그리스 타입에 대하여 수행하였으며, 다용도 핀온디스크(pin-on-disk) 마찰 측정 장치를 이용하여 측정하였다. 실험을 위하여 등속 조인트 접촉에 관한 실제 운전 조건을 전형적인 중급 (mid-size) 차량 제원으로부터 추정하였으며 롤러 볼과 하우징 트랙의 재질은 실제 부품에서와 같은 표면 처리 상태로 측정을 수행하였다.
또한 구름 마찰 계수를 등속 조인트의 접촉 조건에 대하여 계산 되어졌으며 구름 저항은 순수 미끄럼 마찰 계수의 약 10% 값을 가짐을 확인하였다. 실험 중 정지 및 운동 마찰 요소가 존재함을 확인하고, 통합 마찰 계수 모델을 정지마찰과 운동 마찰 부분으로 나누어서 유도 하였다. 정지 마찰 모델은 정적 토크가 가해지는 동안 등속 조인트의 기구학적 요소 때문에 나타나며 이는 조인트 설계 시 강도와 수명을 추정하는데 중요한 역할을 한다.
이용하여 측정하였다. 실험을 위하여 등속 조인트 접촉에 관한 실제 운전 조건을 전형적인 중급 (mid-size) 차량 제원으로부터 추정하였으며 롤러 볼과 하우징 트랙의 재질은 실제 부품에서와 같은 표면 처리 상태로 측정을 수행하였다.
따라서, 본 논문의 주요 목표는 새로운 차량개발을 하는데 있어서 즉시 적용 가능한 트라이팟 등속 조인트의 물리학을 기반으로 하는 조인트 내부 마찰 계수 모델을 개발하는 것이다. 이러한 조인트 마찰모델을 개발하기 위하여 등속 조인트 시험기를 실제 개발하여 등속 조인트 내부의 마찰을 측정하는데 사용하였다. 이때 개발된 시험기는 변동하는 속도에 대한 다양한 차량의 운전 조건 변화와 등속 조인트의 관절 각도, 토크 변화와 같은 성능 변수 변화에 대한 마찰 및 마모를 측정할 수 있도록 제작되었다.

대상 데이터

되었다. 기본적으로 개발된 시험기는 실제 트라이팟 등속조인트를 포함하는 자동차 구동축을 사용하였으며 플런징운동 및 높이 조절 메커니즘과 정지 토크 발생기(Static Torque Generator)로 구성되어있다. 이러한 실험 장치는 등속 조인트의 내부 마찰력과 같은 주요 성능 변수를 측정할 수 있도록 되어 있고 실제 등속 조인트를 사용했을 때의 운전 조건을 만들 수 있다[4].

이론/모형

따라서 롤러의 접촉점에서는 주위와 다른 회전 속도를 가지게 되므로 마이크로 슬립현상을 발생시키게 된다. 이러한 마이크로 슬립현상에 의해 발생되는 마찰 저항은 Heathcote 슬립 이론을 이용하여 다음과 같은 식으로 구할 수 있다[5].

성능/효과

4와 식 (2), 식 (3)으로부터 측정 및 계산되었다. 결과로부터 제안된 모델은 건조 표면 조건에서든 그리스 윤활 조건에서든 관계없이 관절각의 변화에 대한 실험결과를 잘 예측함을 알 수 있다.
마찰 측정기(tribometer)를 이용하여 실제 롤러와 하우징 파트에서의 미끄럼 마찰을 다양한 윤활조건에서 측정하였다. 또한 구름 마찰 계수를 등속 조인트의 접촉 조건에 대하여 계산 되어졌으며 구름 저항은 순수 미끄럼 마찰 계수의 약 10% 값을 가짐을 확인하였다. 실험 중 정지 및 운동 마찰 요소가 존재함을 확인하고, 통합 마찰 계수 모델을 정지마찰과 운동 마찰 부분으로 나누어서 유도 하였다.
순수 구름 및 미끄럼 마찰 계수와 곡선적합(curve-fitting) 파라미터와 같은 물리학적파라미터를 기반으로 한 제안된 마찰 모델은 그리스 윤활 상태 및 건조 조건에서도 실험결과와 거의 일치한다. 제안된 모델을 사용하여 다양한 차량의 운전 조건에서 등속 조인트 내부 마찰에 의한 진동 발생을 예측 할 수 있다.
이때 실험 결과는 정지 마찰과, 두 개의 다른 관절각(β=0°, β=15º)에서의 통합 마찰 모델과 실험적 결과의 비교를 묘사하고 있다. 제안된 통합 마찰 모델은 β=0º일 때 결과 값이 매우 비슷하지만 #=15º일 때 특히 낮은 토크일 때는 잘 예측하지 못함을. 알 수 있다.
2와 같다. 측정된 결과는 수직 접촉압력이 높아짐에 따라 미끄럼 마찰 계수가 모든 영역에서 낮음을 보여준다.
알 수 있다. 하지만, 제안된 모델은 실제 차량에서 현실적으로 중요한 구간인 높은 토오크 영역에서는 정확하게 예측함을 알 수 있다.

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