[논문]클러치 드래그 토크에 미치는 마찰재 면적 및 클리어런스의 영향

류진석; 성인하

doi:10.9725/kstle.2014.30.6.337

Abstract ▼ AI-Helper

The reduction of drag torque is an important research issue in terms of improving transmission efficiency. Drag torque in a wet clutch occurs because of the viscous drag generated by the transmission fluid in a narrow gap (clearance) between the friction plate and a separate plate. The objective of ...

The reduction of drag torque is an important research issue in terms of improving transmission efficiency. Drag torque in a wet clutch occurs because of the viscous drag generated by the transmission fluid in a narrow gap (clearance) between the friction plate and a separate plate. The objective of this paper is to observe the effects of the friction plate area and the clearance on the drag torque using finite element simulation. The two-phase flow of air and oil fluid is considered and modeled for the simulation. The simulation analysis reveals that as the rotational speed increases, the drag torque generally increases to a critical point and then decreases sharply at a high speed regime. The clearance between the two plates plays an important role in controlling drag torque peak. An increase in the clearance causes a decrease in shear stress; thus, the drag torque also decreases according to Newton's law of viscosity. An observation of the effect of the area of contact between transmission fluid and friction plate shows that the drag torque increases with the contact area. The flow vectors inside the flow channel present clear evidence that the velocity of the fluid flows is faster with a larger friction plate, that is, in the case of a larger contact area. Therefore, the optimum size of the friction plate should be determined carefully, considering both the clutch performance and drag reduction. It is expected that the results from this study can be very useful as a database for clutch design and to predict the drag torque for the initial design with respect to various clutch parameters.

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AI 본문요약
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문제 정의

이러한 배경으로부터, 본 연구에서는 이상 유동을 고려한 유한요소 해석을 이용하여 plate의 면적, friction plate와 separate plate 사이의 틈새와 같은 작동 조건 변화가 드래그 토크에 어떤 영향을 미치는지에 대해 고찰하고자 한다.

가설 설정

ATF의 물성은 일반적으로 사용되는 자동변속기 오일의 물성을 사용하였으며, ATF 유동은 좁은 틈새 내에서의 유동이므로 층류로 가정하였고, 해석은 상온에서 수행되며 열전달 및 ATF와 공기 사이의 표면장력은 무시하였다.
공기와 ATF의 2가지 상의 혼합상황에 대한 이상 유동(two-phase flow)을 구현하기 위해 유체 체적법(volume of fluid, VOF)을 사용했으며, 초기 채널 내부는 공기로 가득 차 있고 해석이 진행되면서 입구를 통해 일정한 유량으로 분사된 ATF가 채널 내부를 가득 채우게 된다. ATF 유량은 일정 속도로 일정 시간 분사되는 것으로 가정하여 조절하였다[13]. 채널 내부를 가득 채운 ATF는 플레이트의 회전에 의한 원심력 및 중력에 의해 출구로 빠져나가게 되고 이에 따라 채널 내부로 공기가 유입된다.

제안 방법

Mesh 생성, 해석, 후처리 과정을 진행하는데 상용 소프트웨어인 ADINA(automatic dynamic incremental nonlinear analysis)가 사용되었으며, 실제와 유사한 연구 결과를 도출하기 위해서 각 plate는 세로 방향으로 세워져 있으며 –z축 방향으로 중력이 가해진다. 대칭 모델의 클러치를 사용함에 따라 본 연구에서는 전체 모델의 1/24(15°)만 모델링 했으며, 회전 방향의 절단면에는 주기 경계 조건(periodic boundary condition)이 부여되었다.
Fig. 5에서 볼 수 있듯이, plate의 면적을 변화시키기 위해 내경(R₁)을 고정시키고 외경(R₂)을 변화시키며 해석을 진행하였고, friction plate와 separate plate 사이의 틈새는 0.1 mm부터 0.3 mm까지 변화시키며 드래그 토크에 미치는 영향을 해석을 통해 고찰하였다. 이 때, 해석에 사용된 그루브(groove) 모델은 본 연구진의 그루브 각도가 미치는 영향에 대한 선행 연구에서 최저 드래그 토크 값을 나타낸 40도(deg.
실제 다판의 클러치가 작동함에 있어서 friction plate와 separate plate가 일정하게 배열이 되어 있는 것이 아니라, ATF분사 홀 위치, 점성 및 유량 등에 의해 배열이 시시각각 변화함에 따라 각 plate 사이의 틈새도 변화하게 된다. 이 때, 변화하는 틈새의 크기에 따라 드래그 토크도 변화하게 되는데, 이를 확인하기 위해 본 연구에서는 틈새를 0.1, 0.2, 0.3 (mm)로 변화시키며 해석을 진행하였다.
본 연구에서는 드래그 토크에 영향을 미치는 다양한 변수들 중 일정한 ATF 분사 조건에서 friction plate 면적, friction plate와 separate plate 사이의 틈새의 변화에 따른 드래그 토크의 변화를 이상유동 해석을 통해 정량적으로 고찰하였다.

대상 데이터

3 mm까지 변화시키며 드래그 토크에 미치는 영향을 해석을 통해 고찰하였다. 이 때, 해석에 사용된 그루브(groove) 모델은 본 연구진의 그루브 각도가 미치는 영향에 대한 선행 연구에서 최저 드래그 토크 값을 나타낸 40도(deg.) 모델을 선정하였다[13]. 그루브 각도는 회전축 중심에서 부터 plate의 원주에 내린 수직선의 방향을 0도로 정의한 것이다.

이론/모형

Mesh 생성, 해석, 후처리 과정을 진행하는데 상용 소프트웨어인 ADINA(automatic dynamic incremental nonlinear analysis)가 사용되었으며, 실제와 유사한 연구 결과를 도출하기 위해서 각 plate는 세로 방향으로 세워져 있으며 –z축 방향으로 중력이 가해진다. 대칭 모델의 클러치를 사용함에 따라 본 연구에서는 전체 모델의 1/24(15°)만 모델링 했으며, 회전 방향의 절단면에는 주기 경계 조건(periodic boundary condition)이 부여되었다.
공기와 ATF의 2가지 상의 혼합상황에 대한 이상 유동(two-phase flow)을 구현하기 위해 유체 체적법(volume of fluid, VOF)을 사용했으며, 초기 채널 내부는 공기로 가득 차 있고 해석이 진행되면서 입구를 통해 일정한 유량으로 분사된 ATF가 채널 내부를 가득 채우게 된다. ATF 유량은 일정 속도로 일정 시간 분사되는 것으로 가정하여 조절하였다[13].

성능/효과

Friction plate면적 변화에 의해 ATF-plate간 접촉면적이 변화하는 경우, 해석 결과로부터 접촉 면적이 각 모델에 따라 약 25%씩 선형적으로 증가함에도 불구하고 드래그 토크는 비선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 클러치의 원래 기능인 동력 전달 측면에서 볼 때, 드래그 토크를 감소시키기 위해 접촉면적을 무한히 줄일 수는 없으므로 설계 단계에서 적절한 범위를 고려해야 할 것이다.
또한, Friction plate와 separate plate 사이의 틈새가 미치는 영향은 틈새가 커짐에 따라 전단응력이 감소하여 드래그 토크가 감소하는 것으로 나타났다.

후속연구

Friction plate면적 변화에 의해 ATF-plate간 접촉면적이 변화하는 경우, 해석 결과로부터 접촉 면적이 각 모델에 따라 약 25%씩 선형적으로 증가함에도 불구하고 드래그 토크는 비선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 클러치의 원래 기능인 동력 전달 측면에서 볼 때, 드래그 토크를 감소시키기 위해 접촉면적을 무한히 줄일 수는 없으므로 설계 단계에서 적절한 범위를 고려해야 할 것이다.
실제 실험 결과와 유사한 정량적인 드래그 토크 값을 예측하기 위해 수행된 본 해석 결과를 통해 마찰재의 크기, 형상 및 방향과 배열 설계뿐만 아니라 클러치 팩 전체 설계의 기초자료가 되므로 드래그 토크를 제어하는데 설계 단계에서 각 변수의 영향을 예측하는데 중요하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	드래그 토크의 발생 원인은 무엇인가?	1과 같이 평행한 두 평판 사이에 유체가 채워져 있고 한 판이 움직일 때 전단 응력이 발생하게 되는데, 이 전단 응력으로 인해 정지되어 있는 다른 쪽 판이 움직일 수 있게 되는 유체에 의한 토크를 의미한다. 이러한 드래그 토크는 자동변속기 차량의 습식 클러치 내부에서 friction plate와 separate plate 사이의 클리어런스(틈새)에서 자동변속기 오일(automatic transmission fluid, ATF)의 유동에 의해 발생된다고 알려져 있으며, 이는 클러치 팩 내부의 동력 손실 중 약 1/3을 차지할 만큼 중요한 요소이다.
	드래그 토크란 무엇인가?	드래그 토크는 Fig. 1과 같이 평행한 두 평판 사이에 유체가 채워져 있고 한 판이 움직일 때 전단 응력이 발생하게 되는데, 이 전단 응력으로 인해 정지되어 있는 다른 쪽 판이 움직일 수 있게 되는 유체에 의한 토크를 의미한다. 이러한 드래그 토크는 자동변속기 차량의 습식 클러치 내부에서 friction plate와 separate plate 사이의 클리어런스(틈새)에서 자동변속기 오일(automatic transmission fluid, ATF)의 유동에 의해 발생된다고 알려져 있으며, 이는 클러치 팩 내부의 동력 손실 중 약 1/3을 차지할 만큼 중요한 요소이다.
	높은 연비의 신차 개발 수요가 증가한 원인은 무엇인가?	현재 자동차 산업에서는 경제적 측면에서 뿐만 아니라 지구 온난화 대책과 환경 보호를 위해서 에너지 효율 및 연비 향상에 대한 요구가 갈수록 증가하고 있다. 다수의 보고서에 따르면, 자동차 산업에서 승용차의 경우, 연비가 우수한 차량에 대한 투자와 개발, 바이오연료 사용의 확대, 도로 인프라 확충, 대중교통의 이용 확대 및 친환경적인 운전 습관 등 여러 통합적인 노력을 통하여 2030년까지 약 49%까지 CO2 배출을 저감 시킬 수 있을 것이라 예측하고 있다.

참고문헌 (13)

Mckinsey and Company, "Roads toward a low-carbon future", Published March, 2009.
Gillis, J., Cooper, M., "On the road to 54 mpg : A progress report on achievability", Published April, 2013 by Consumer Federation of America.
Ryu, J. S., Sung, I.-H., "Change in the drag torque at an automotive clutch with respect to transmission oil flow rate and rotational speed", Proc. Fall Conference of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, October 2013.
Madhavan, J., Pandit, G., Barnholt, M., Suppiger, R., "Application of simulation based methods in development of wet clutch system", SAE Technical Paper, No.2012-28-0022, 2012.
Kitabayashi, H., Li, C. Y., Hiraki, H., "Analysis of the various factors affecting drag torque in multipleplate wet clutches", JSAE/SAE International Spring Fuels & Lubricants Meeting, Yokohama, Japan, 2003.
Hu, J.-B., Jing, C.-B., Peng, Z.-X., Wang, B., "Research on drag torque prediction model for the wet clutches", J. Beijing Inst. Technol., Vol. 17, No. 4, 405-409, 2008.
Yuan, Y., Attibele, P., Dong, Y., "CFD Simulation of the Flows Within Disengaged Wet Clutches of an Automatic Transmission", SAE Technical Paper, No. 2003-01-0320, 2003.
Yang, Y., Lam, R. C., Fujii, T., "Prediction of torque response during the engagement of wet friction clutch", SAE Trans., Vol. 107, No. 6, pp. 1625-1635, 1998.
Lee, H.-Y., Kim, G.-Y., Hur, M.-D., "Analysis of sliding friction and wear properties of clutch facing for automobile (Part 2)", J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 21, No. 2, pp. 77-82, 2005.
Kim, C. K., Lee, I. K., "Failure study for tribological characteristic analysis of a clutch system in passenger cars", J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 22, No. 4, pp. 196-202, 2006.
Takagi, Y., Nakata, H., Okano, Y., Miyagawa, M., Katayama, N., "Effect of two-phase flow on drag torque in a wet clutch", J. Adv. Res. Phys., Vol. 2, No. 2, 021108, 2011.
Shihua, Y., Peng, Z.-X., Jing, C.-B., "Experimental research and mathematical model of drag torque in single-plate wet clutch", Chin. J. Mech. Eng. (Engl. Ed.), Vol. 23, pp. 1-8, 2011.
Ryu, J. S., Sung, I. H., "Effect of angle and density of grooves between friction plate segments on drag torque in wet clutch of automatic transmission", J. Korean Soc. Tribol. Lubr. Eng., Vol. 30, No. 2, pp. 71-76, 2014.

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