[논문]자동차 파워스트어링 오일씰 내구성 향상에 관한 연구

최현진; 최성대

자동차 파워스트어링 오일씰 내구성 향상에 관한 연구
A Study on the Enhancement of Durability for the Power Steering Oil Seal of Automotive

This study aimed to enhance the durability by distributing the stress concentration at the contact and increasing the mechanical characteristics, as well as by changing the surface shape for LIP in the low-pressure seal among oil seals installed to the power steering of automotive. Accordingly, results were derived from comparisons and reviews with oil seals under the existing mass production by carrying out the performance tests after designs and productions are done with the addition of embo shapes on the surface of LIP in the low-pressure seal. As a result of this study, it has been identified that the durability of oil seals with the addition of embo shapes was enhanced with higher radial force and less variation in the internal diameter for the LIP. In addition, it was seen that the sealing ability for those oil seals is superior to the existing oil seals as their rotational torque values are less than those of the existing oil seals.

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문제 정의

특히 자동차가 점차 고급화됨에 따라 저압 타이어의 이용, 대형차량의 자동화 등으로 전륜의 접지 저항이 증대하여 조향핸들의 조작력도 커져야 하는 이유로 조향장치의 기구적 개량이 요구되나 기계식 조향장치는 한계가 있기 때문에 조향장치에 유압동력원을 설치하여 조향핸들의 조작력을 보조하는데, 이 장치의 내구성과 기능은 유압을 밀봉하는 씰링부품에 의해 좌우되며, 이를 위해 부품의 고기능화가 절실히 요구된다. 따라서 본 연구에서는 자동차 파워스트어링에 장착되어지는 오일씰 중 저압씰의 Lip부 표면형상을 변경하여 접촉 부위의 응력집중을 분산하여 기계적 특성을 강화하여 내구성을 향상시키고자 하였다.

제안 방법

측정하였다. LIP의 내경 변화량은 시험 전, 후를 3차원 측정기로 측정하였으며 긴박력은 오일씰의 축 치수에 대응되는 분할된 치구의한 방향에서 가해지는 힘을 로드셀에서 측정하여 그 값을 원주율로 계산하였다. 또한 각 오일씰을 마주보게 조립하고 정압을 10kg/E 씩 증가하여 3분간 유지한 후 오일누유를 확인하였다.
해석을 수행하였다. 경계조건은 Fig. 3과 같이오일씰의 내측부는 샤프트에 압입된 형태로 구속하였으며 경계조건을 모델링 하기 위해 CONTACT 요소를 사용하여 샤프트, 스틸, 스프링은 강체로 고무부는 변형체로 하였으며 샤프트는 2mm 변위를 주고 해석 시오일씰 LIP부로 2mm 변위를 구속하여 실제 조립상태를 구현하였다. 또한 오일씰 스프링 하중은 스프링 권경지름의 원형형상에 부여하였으며 내압은 압력 부여 위치의 노드를 캐비티로 정의하여 0~7bar의 압력을 부여하였다.
기존 자동차 파워스트어링에 장착되어지는 양산품저압씰과 돌기형상을 추가한 저압씰의 접촉부 압력증가에 따른 응력해석을 씰형상 설계 디자인을 바탕으로 수행하였으며 해석은 유한요소법을 기반으로 하는 상용프로그램 인 Marc를 사용하여 비선형해석을 하였다.
LIP의 내경 변화량은 시험 전, 후를 3차원 측정기로 측정하였으며 긴박력은 오일씰의 축 치수에 대응되는 분할된 치구의한 방향에서 가해지는 힘을 로드셀에서 측정하여 그 값을 원주율로 계산하였다. 또한 각 오일씰을 마주보게 조립하고 정압을 10kg/E 씩 증가하여 3분간 유지한 후 오일누유를 확인하였다. Fig.
본 연구에서는 자동차 파워스트어링에 장착되어지는 오일씰 중 저압씰 LIP부의 표면에 돌기형상 추가설계 및 응력해석을 통하여 시제품을 제작하였다. 또한 성능시험을 통하여 기존 오일씰과 비교검토를 한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
상대부 샤프트와 직접적으로 접촉되어지는 저압씰 LIP부의 기존 양산품의 형상구조에서 Fig. 2와 같이 LIP 표면에 돌기(Embo)형상을 추가하여 형상 설계를 하였다.
오일씰의 내마모 성능의 중요 인자인 회전토르크는 -20℃와 135℃의 온도와 15~180rpm의 시험 조건에서 측정하였다. Fig.
제작 금형은 저압씰의 스틸, 고무 일체 성형 구조로 제작하였으며, 2단 Transfer 고무금형, 스틸의 드로잉블랭킹과 피어싱을 위한 프레스금형을 제작하여 돌기형상를 추가한 저압씰의 시작품을 제작하였다. Fig.
13520kg/E의 Surge압력, 720。회전각의 시험 조건으로 20만회 구동 후 LIP의 내경 변화량과 긴박력 (Kgf)을 측정하였다. LIP의 내경 변화량은 시험 전, 후를 3차원 측정기로 측정하였으며 긴박력은 오일씰의 축 치수에 대응되는 분할된 치구의한 방향에서 가해지는 힘을 로드셀에서 측정하여 그 값을 원주율로 계산하였다.

이론/모형

오일씰의 기본물성을 확보하기 위하여 ASTM D6381 Type 인장시편으로 UTM(WL2100)측정기기를 활용하였으며 인장시험으로 얻은 재료 물성데이터를 Marc에 입력하여 해석을 수행하였다. 경계조건은 Fig.

성능/효과

(1) 응력해석결과 샤프트 접촉량은 돌기사양이 0.05 ~ 0.1mm 수준으로 낮게 나타나 돌기 돌출로 인하여 샤프트 지지력 발생 및 접촉응력분산에 영향을 준 것을 알 수 있었다.
(2) 샤프트 접촉응력은 돌기사양이 수치적으로 높은 수준이며 LIP부 총웅력값 또한 기존 사양보다 높아씰링력이 우수함을 알 수 있었다.
(3) 내구시험 결과 접촉응력해석 결과와 같이 긴 박력 또한 돌기형상을 추가한 오일씰이 높았고 LIP부의내경변화량은 상대적으로 낮아 내구성이 우수함을 알 수 있었으며 회전토르크 또한 기존 양산품 보다 낮아 씰링력이 높다는 것을 알 수 있었다.
내구시험 결과 접촉응력해석 결과와 같이 긴박력 또한 기존 양산품보다 돌기형상을 추가한 오일씰이 높았고 LIP부의 내경변화량 또한 적어 돌기형상를 추가한 저압씰의 내구성이 우수함을 알 수 있었다. 정압시험은 기존양산품 및 돌기형상을 추가한 오일씰 모두 오일 누유는 없었다.
시험결과 회전토르크는 두 Type 저압씰 모두 유사한 수준이 었으나 돌기형상을 추가한 저압씰이 기존 양산품 보다 작아 전체적인 오일씰의 씰링력 이 높다는 것을 알 수 있었다.
해석 결과 기존 양산품 및 돌기형상을 추가한 오일씰모두 압력증가에 따라 PEAK값, 접촉량, 접촉응력이선형적으로 증가하였으나 샤프트 접촉량은 Ibar 수준까지는 모두 유사한 수준으로 확인되었으나 2bar 부터 7bar까지는 돌기사양이 0.05~0.1mm 수준으로 작게 나타났다. 이는 돌기사양이 돌기 돌출로 인하여 샤프트 지지력 발생 및 접촉응력분산에 영향을 준 것을 알 수 있었다.

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