[논문]기계적 및 열적 물성을 고려한 클러치 압력판의 거동해석

허만대; 이상욱; 김국용; 강성수

doi:10.5916/jkosme.2009.33.4.524

기계적 및 열적 물성을 고려한 클러치 압력판의 거동해석
Analysis of Pressure Plate Behavior of a Clutch Including Thermal and Mechanical Material Properties 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.33 no.4, 2009년, pp.524 - 532

허만대 ((주)평화발레오 기술연구소) , 이상욱 (부산대학교 기계공학부) , 김국용 (부산대학교 기계공학부) , 강성수 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In the mechanical clutches, the pressure plate is one of the important parts for transferring the power and reducing the vibration. Instead of gray and ductile irons, CGI(Compacted Graphite Cast Iron) is concerned to be the replacement recently. A thermo-mechanical coupled analysis was performed to investigate the behavior of the pressure plate for manual clutches. Thermal and mechanical properties of three kinds of cast irons were obtained from the mechanical experiments and referred other technical reports. The results of FEM analysis, were well match with the experimental ones. In this designated FEM method, temperature distribution, stress distribution and thermal deformation were successfully gained and these results will help to design the pressure plate which was made by cast irons including CGI.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

기존의 연구들은 주철로 된 부품의 상온거동에 대한 것이 많고 실제 작동 시 문제가 되는 열변형에 대한 연구는 많지 않은 실정이다. [6][7] 따라서본 연구에서는 압력판 주철 재질 3종에 대하여 유한요소 해석을 시현하고, 실험데이터와 검증을 통해서 결과들을 비교해보고자 한다.

가설 설정

1 사이클은 총 78 sec이며 클러치 결속 후 슬립 마찰이 2 sec 간 일어난다고 가정하고, 60 사이클 (4,680 sec) 동안 해석하였다. 플라이휠과 압력판이 받는 열에너지는 각각 41 kJ로 열손실 없이 82 kJ의 모든 에너지가 마찰열로 바뀌었다고 가정하였다.
1 사이클은 총 78 sec이며 클러치 결속 후 슬립 마찰이 2 sec 간 일어난다고 가정하고, 60 사이클 (4,680 sec) 동안 해석하였다. 플라이휠과 압력판이 받는 열에너지는 각각 41 kJ로 열손실 없이 82 kJ의 모든 에너지가 마찰열로 바뀌었다고 가정하였다. 이렇게 하여 산출한 열 플럭스 값은 0.
실험값의 최고 온도 데이터는 압력판의 미끌림 직후 불안정한 상태에서 읽어진 값임을 감안하고, 최저 온도에서 실험과 시뮬레이션을 비교해 볼 때 온도거동이 실험값과 유사하게 따라가는 것으로 시뮬레이션의 타당성이 검증되었다. 해석 시 사용된 h 값은 경계조건과 형상이 동일하므로 온도의 함수로 가정하고 3가지 재질에 동일하게 적용하였다.

제안 방법

20과 같다. 각 사이클 에서 최고 온도일 때와 최저 온도일 때의 변형량을 나타내기 위하여 변형이 가장 많을 것으로 예상할 수 있는 러그부에서 가장 멀리 떨어진 지점의 폭방향 두 절점에서의 변화량을 출력하였다.
본 연구에서는 상용 해석 프로그램인 Marc [10] 를 사용하여 완전 연성해석을 수행하였다. 경계조건으로는 초기 온도 20℃를 주고, 러그 부의 구멍에 x, y, z 방향 변위 구속을 하였으며, 열 하중으로 클러치 패드와의 마찰표면에 열 플럭스를 주었다. 압력판 온도 측정 시험과 유사한 환경을 조성하기 위해 한 사이클에서 클러치의 결속과 단속 상태에서의 가열과 냉각을 다음 Fig.
5), 센서가 회전에 영향을 받지 않도록 장착하였다. 모터 구동에 의해 관성차(inertia weight plate)를 원하는 에너지 레벨로 만들고, 이 에너지를 일순간에 클러치 장치가 흡수하도록 하였다. 클러치가 작동할 때 플라이휠과 디스크패드, 디스크패드와 압력판 사이에서 미끌림이 발생하며 약 1~2 sec만에 정지된다.
일반적으로 섬광법에 의한 열전도율(λ)는 레이저 플래시에 의해 확산(a), DSC에 의한 비열(C_p), 아르키메데스의 원리를 이용한 용적 밀도(p)로부터 열전도율 (λ=a • C_p• p)이 결정된다. 본 측정은 레이저 플래시를 광원으로 하여 시료 표면에 투사된 광원에 의해 전달되는 열이 반대편으로 전달될 때의 시간을 측정하는 방법으로 열전도도를 측정, 계산하게 된다. 이 때 관계되는 시료의 열저항(thermal resistance) 값을 측정하여 매개 변수로 사용한다.
회전하는 물체의 온도를 측정하는 일은 센서의 부착은 물론 측정값을 불러들이는데도 어려움이 있다. 실제 차량에서 구동되는 압력판과 거의 유사하게 리그 테스터기를 구성하고(Fig. 5), 센서가 회전에 영향을 받지 않도록 장착하였다. 모터 구동에 의해 관성차(inertia weight plate)를 원하는 에너지 레벨로 만들고, 이 에너지를 일순간에 클러치 장치가 흡수하도록 하였다.
압력판 온도 측정 시험 시 열전대가 있던 지점과 동일한 위치에 해당하는 절점(3,435)에서의 온도값을 출력 하여 GCD500에 대하여 각 사이클의 최저 온도와 최고 온도를 실험값과 비교하였다(Fig. 16, Fig. 17).
압력판의 형상을 고려하여 3차원 Cyclic symmetric 문제로 간주하여, 1/3 상을 취하여 요소(element)당 절점(node) 4개를 가지는 Tetra mesh를 생성 후 대칭조건을 주어 전체 모델과 동일한 결과를 얻도록 하였다(Fig. 12).
2) 국부적이고 반복적인 마찰 열하중을 받는 압력판을 연성해석을 통해 거동을 시현하였고, 실험 데이터와 비교한 결과 타당성이 검증되었다. 이를 통해 압력판 거동 시 온도분포, 응력분포, 열변형량을 예측하였다.

대상 데이터

1) 클러치 압력판 원재료로 사용되는 주철재 (GC250, GC350, GCD500)에 대한 온도기반의 기계적 및 열적 물성값을 실험과 문헌을 통하여 획득하였다.
3.43 kg • m2의 질량관성 모멘트를 가지는 관성 차의 82 kJ에 해당하는 모터의 회전수 2,089 RPM을 산출하여 시험 조건으로 사용하였다.
압력판에 주로 사용되고 있는 회주철(GC250, GC350)과 구상흑연주철(GCD500)에 대한 열적 물성을 시험하였다.
압력판의 열변형 형상을 예측하기 위해 압력판 온도 측정 실험에 사용된 동일 모델을 선정하였다. 클러치 커버와 볼트 체결되는 러그(lug)부, 다이어프램 스프링(diaphragm spring)을 지지하는 지점(fulcrum)부 그리고 클러치 디스크와의 미끌림 마찰열이 전달되는 마찰면을 확인할 수 있다(Fig.
총 60 사이클 동안 온도를 실시간으로 측정하였으며, 직경 235 mm인 동일 모델의 압력판을 사용 하였다. 현재 자동차 압력판으로 가장 많이 사용되는 재질인 GC250, GC350, GCD500의 3가지 샘플에 대하여 실험을 수행하였다.
총 60 사이클 동안 온도를 실시간으로 측정하였으며, 직경 235 mm인 동일 모델의 압력판을 사용 하였다. 현재 자동차 압력판으로 가장 많이 사용되는 재질인 GC250, GC350, GCD500의 3가지 샘플에 대하여 실험을 수행하였다.

이론/모형

냉각 시의 대류 열전달 계수를 결정하기 위하여 Fig. 14와 같은 절차로 Inverse heat transfer method를 사용하였다. 압력판 온도 측정 실험값을 이용하여 온도 기반의 h 값을 도출하였다(Fig.
이러한 해석은 열전달 해석 수행 후 열전달 결과를 이용하여 응력해석을 수행하는 개별 연성(separately coupled) 방식과 열전달과 응력 해석을 동시에 수행하는 완전 연성(fully coupled) 방법이 있다. 본 연구에서는 상용 해석 프로그램인 Marc [10] 를 사용하여 완전 연성해석을 수행하였다. 경계조건으로는 초기 온도 20℃를 주고, 러그 부의 구멍에 x, y, z 방향 변위 구속을 하였으며, 열 하중으로 클러치 패드와의 마찰표면에 열 플럭스를 주었다.
열적 물성을 획득하기 위해서 레이저 플래시 (laser flash)법 [8] 을 사용하였다. 레이저 플래시 법은 기존의 열전도 측정 시 문제가 되었던 정상상태에서의 접촉저항을 제거하기 위한 방법으로 열확산 측정을 위해 개발되었다.
열팽창계수는 열팽창계수 측정 시스템인 Dilatometer (DIL 402C)를 사용하여 측정하였으며, 탄성계수 및 프아송비(0.27)는 주조공정 전문 해석 프로그램인 MAGMASOFT의 물성 값^[9]를 참조하였다.

성능/효과

2) 국부적이고 반복적인 마찰 열하중을 받는 압력판을 연성해석을 통해 거동을 시현하였고, 실험 데이터와 비교한 결과 타당성이 검증되었다. 이를 통해 압력판 거동 시 온도분포, 응력분포, 열변형량을 예측하였다.
3) 압력판 거동 시 우산형 변형을 확인할 수 있었으며, 마지막 사이클에서 최대 변형량 차이 값이 GCD500, GC350, GC250 순으로 작아 열변형 측면에서 GC250이 뛰어난 것으로 판단된다.
모든 재질에서 우산형 변형 거동을 확인할 수 있었으며, 특히 열 플럭스가 들어올 때(최고온도시)는 안쪽 절점과 바깥쪽 절점의 변형 방향이 달라 우산형 변형이 더 심해지는 것을 확인할 수 있다. 최종 사이클에서 각 재질에 대한 최대 변형량 차를 구해보면 GCD500 (0.
사이클 후반부에 도달하게 되는 최종온도의 크기순서는 GCD500 > GC350 > GC250 순으로 나타났다.
실험값의 최고 온도 데이터는 압력판의 미끌림 직후 불안정한 상태에서 읽어진 값임을 감안하고, 최저 온도에서 실험과 시뮬레이션을 비교해 볼 때 온도거동이 실험값과 유사하게 따라가는 것으로 시뮬레이션의 타당성이 검증되었다. 해석 시 사용된 h 값은 경계조건과 형상이 동일하므로 온도의 함수로 가정하고 3가지 재질에 동일하게 적용하였다.
유한요소해석 결과 중 마지막 사이클에서의 온도 분포에서 재질 별 최고 도달 온도는 GC250 (280.4℃), GC350(281.0℃), GCD500(295.6℃)로 구상흑연주철보다는 회주철의 열전달이 더 잘 일어남을 확인할 수 있다. 최고 온도 도달 시온도 편차는 GC250(97.
마지막 사이클의 응력 분포는 열에 의한 자유팽창을 하는 압력판에 러그부에만 구속되어 있으므로 이 부위에 응력 집중이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 최고 온도 도달 시의 최대 응력 값은 GC250(1046MPa), GC350(1327MPa), GCD500 (1406MPa)로 계산되었다. Fig.
모든 재질에서 우산형 변형 거동을 확인할 수 있었으며, 특히 열 플럭스가 들어올 때(최고온도시)는 안쪽 절점과 바깥쪽 절점의 변형 방향이 달라 우산형 변형이 더 심해지는 것을 확인할 수 있다. 최종 사이클에서 각 재질에 대한 최대 변형량 차를 구해보면 GCD500 (0.189mm), GC350 (0.176mm), GC250(0.161mm)로 나타났다. 이수치가 클수록 압력판은 우산형 변형이 커지며, 이로 인해서 클러치 결속 시 동력전달효율이 떨어지게 된다.

후속연구

본 논문에서 제시하고 있는 온도기반의 주철 물성값과 연성해석 모델을 이용하면 압력판과 연계되어 있는 다른 주철 부품의 유한요소 해석에 확대 적용할 수 있을 것으로 판단되며, 압력판의 열변형 예측량은 형상설계의 기초자료로 사용 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마찰 클러치에 상당한 마찰열이 발생하는 이유는 무엇인가?	엔진에서 발생하는 동력을 트랜스미션으로 전달하는 부품인 클러치는 원판 마찰 클러치가 사용된다. 이 마찰 클러치는 동력 전달 시 슬립을 허용하도록 설계되어 있어, 사용 중 상당한 마찰열이 발생한다. 클러치에서 마찰판의 상대부품으로 압력판을 사용하는데 이 부품의 재질로 진동감쇠능과 마찰 특성 등으로 주철을 주로 사용한다.
	클러치에서 마찰판의 상대부품으로 사용하는 압력판의 재질은 무엇인가?	이 마찰 클러치는 동력 전달 시 슬립을 허용하도록 설계되어 있어, 사용 중 상당한 마찰열이 발생한다. 클러치에서 마찰판의 상대부품으로 압력판을 사용하는데 이 부품의 재질로 진동감쇠능과 마찰 특성 등으로 주철을 주로 사용한다. 압력판은 동력 착탈 시 상대운동에 의한 마찰에 의해 상당한 열이 발생하게 된다.
	압력판 주철 재질 3종에 대해 실험한 결과는 무엇인가?	1) 클러치 압력판 원재료로 사용되는 주철재 (GC250, GC350, GCD500)에 대한 온도기반의 기계적 및 열적 물성값을 실험과 문헌을 통하여 획득하였다. 2) 국부적이고 반복적인 마찰 열하중을 받는 압력판을 연성해석을 통해 거동을 시현하였고, 실험 데이터와 비교한 결과 타당성이 검증되었다. 이를 통해 압력판 거동 시 온도분포, 응력분포, 열변형 량을 예측하였다. 3) 압력판 거동 시 우산형 변형을 확인할 수 있었으며, 마지막 사이클에서 최대 변형량 차이 값이 GCD500, GC350, GC250 순으로 작아 열변형 측면에서 GC250이 뛰어난 것으로 판단된다.

참고문헌 (10)

R.D. Adams, "The damping characteristics of certain steels, cast irons and other metals", Journal of Sound and Vibration, Vol. 23, pp. 199, 1972

상세보기
D. W. Han, J. C. Kim, Y. C. Son and S. H. Baik, 'Effect of austempering treatment on damping capacity and mechanical properties in gray cast iron', Journal of Korean Society for Heat treatment, Vol. 12, No. 2, pp. 108-116, 1999
M. Hatate, T. Shiota, N. Takahashi and K. Shimizu, "Influences of graphite shapes on wear characteristics of austempered cast iron", Wear, Vol. 251, Issues 1-12, pp. 885-889, 2001

상세보기
Xin Tong, Hong Zhou, Lu-quan Ren, Zhi-hui Zhang, Wei Zhang and Ren-dong Cui, "Effects of graphite shape on thermal fatigue resistance of cast iron with biomimetic non-smooth surface", International Journal of Fatigue, In Press, Corrected Proof, Available online , 2008
Casting, ASM Handbook, 9th edition, vol. 15, 2002
김용직, 김윤회, "노멀라이징 열처리한 구상흑연 주철의 마찰 . 마모특성 평가에 관한 연구", 한국마린엔지니어링학회지, 제23권, 제3호, pp. 440-446, 1999
김종호, 김태형, "열소성변형공정을 시행한 회주철제 실린더 라이너의 재료물성에 관한 연구", 한국마린엔지니어링학회지, 제29권, 제6호, pp. 671-677, 2005
Frank P. Incropera and David P. DeWitt, "Introduction to heat transfer", 4th edition, John Wiley & Sons, 2001
MAGMASOFT User's Tutorial Manual v4.4, MAGMA Gißereitechnologie Gmbh, 2007
Marc ${\circledR}$ 2007 r1 User's Guide, MSC Software Corporation, 2007

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증