[논문]마찰재 그루브에 따른 습식 클러치 드래그 토크 변화 연구

류진석; 성인하

doi:10.9725/kstle.2014.30.2.71

[국내논문] 마찰재 그루브에 따른 습식 클러치 드래그 토크 변화 연구
Effect of Angle and Density of Grooves between Friction Plate Segments on Drag Torque in Wet Clutch of Automatic Transmission 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.30 no.2, 2014년, pp.71 - 76

류진석 (한남대학교 대학원 기계공학과) , 성인하 (한남대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

As the importance of transmission efficiency to reducing fuel consumption and conserving the environment rapidly increases, reducing the drag torque in an automotive wet clutch is emerging as an important issue in the automotive industry. The drag torque in a clutch occurs from viscous drag generated by automatic transmission fluid in the narrow gap between separate friction plates. In this study, the drag torques in an automotive wet clutch are investigated with respect to the angle and density of the grooves between separate friction plates by three-dimensional finite element simulation of a single set of wet clutch disks considering the two-phase flow of air and oil. The simulation results shows that the drag torque generally increases with the rotational speed to a critical point and then decreases at the high-speed regime. The grooves between the plates plays an important role in reducing the drag peak, and the inclined angle of the grooves affects the oil flow. The grooves with an angle of $50^{\circ}$ shows the lowest drag torques at both low and high speeds. The flow vectors inside the $50^{\circ}$ grooves shows clear evidence that the fluid flows out more easily from the grooves compared with the flow vectors inside grooves with lower angles. The simulation results shows that increasing the number of grooves (density of grooves) decreases the drag torque.

주제어

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문제 정의

4에서 볼 수 있듯이, 그루브 각도(그림에서 θ)는 회전축 중심에서부터 plate의 원주에 내린 수직선의 방향을 0도로 정의하였다. 본 연구에서는 그루브가 존재하지 않는 경우 및 0~50도까지 그루브 각도를 변화시키면서 드래그 토크에 미치는 영향을 해석을 통해 고찰하였다.
본 연구에서는 드래그 토크에 영향을 미치는 다양한 변수들 중 일정한 ATF 분사 조건에서 그루브의 각도와 밀도에 따른 드래그 토크의 변화에 대해 고찰하였다.
이러한 배경으로부터, 본 연구에서는 유한요소 해석을 이용하여 friction plate의 그루브의 각도와 밀도의 변화가 드래그 토크에 어떤 영향을 미치는지에 대해 고찰하고자 한다.

가설 설정

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[9]. 채널 내부를 가득 채운 ATF는 플레이트의 회전에 의한 원심력 및 중력에 의해 출구로 빠져나가게 되고 이에 따라 채널 내부로 공기가 유입된다.
ATF의 물성은 일반적으로 사용되는 자동변속기 오일의 물성을 사용하였으며, ATF 유동은 좁은 틈새 내에서의 유동이므로 층류로 가정하였고, 해석은 상온에서 수행되어 열전달 및 ATF와 공기 사이의 표면장력은 무시하였다.

제안 방법

는 외경, h는 friction plate와 separate plate 사이의 틈새를 의미하며, friction plate는 core plate에 부착되어 있고 해석이 시작되면 정지상태에서 5000 rpm까지 회전속도가 선형적으로 증가하게 된다. Separate plate는 모든 방향에 대해 고정되어 있고, friction plate와 separate plate 사이의 간격(그림에서 h)을 변화를 주어 해석을 수행하였다. 입구와 출구는 열려있으며 입구에서는 일정 유량의 ATF 가 분사되며, 분사된 ATF는 friction plate와 separate plate 사이의 간격을 통해 흐르며 원심력에 의해 반경 방향으로 빠져나가게 된다.
Takaki의 연구[8]에 따르면, 드래그 토크는 ATF 단일 유동에서 공기가 섞이기 시작하면서 감소된다고 알려져 있으며, friction plate의 그루브는 드래그 토크를 제어하는데 중요한 변수 중 하나라는 것을 밝혀냈다. 그루브의 경우 개수에 무관하게 동일한 면적을 가질 수 있도록 적절한 각도를 유지하며 생성해 실험을 진행했으며, 원주 방향의 그루브를 추가해 경향을 살펴보았다. 연구 결과에 따르면, 그루브의 개수가 증가할수록 드래그 토크가 감소하는 경향을 보였으며, 원주 방향의 그루브는 드래그 토크가 감소하는 것을 방해하는 역할을 함을 밝혀냈다.
그루브의 밀도에 따른 드래그 토크의 변화를 살펴보기 위하여 그루브 개수를 1~3개로 변화시켜 해석을 수행하였다.
Mesh 생성, 해석, 후처리 과정을 진행하는데 상용 소프트웨어인 ADINA가 사용되었으며, 실제와 유사한 연구 결과를 도출하기 위해서 각 plate는 세로 방향으로 세워져 있으며 –z축 방향으로 중력이 가해진다. 대칭모델의 클러치를 사용함에 따라 본 연구에서는 전체 모델의 1/24만 모델링했으며, 회전 방향의 면에는 주기 경계 조건(periodic boundary condition)이 부여되었다.

이론/모형

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[9].

성능/효과

고속영역에서 가장 낮은 드래그 토크는 그루브의 방향 각도가 50°인 모델에서 나타났다. ATF가 분사됨에 따라 드래그 토크가 거의 선형적으로 증가하다가 최대점에 이른 후 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
5는 그루브가 없는 모델(non-groove model)에서의 회전속도에 따른 드래그 토크 변화이다. 결과에서 확인할 수 있듯이, 저속영역에서는 ATF가 채널 내부를 채우며 드래그 토크가 거의 선형적으로 급격히 증가하게 되고, 고속영역에서는 ATF가 plate간 간격의 유체 채널에서 빠져나가면서 공기가 유입되고 이에 따라 ATF에 의한 드래그 토크가 급격하게 감소함을 확인할 수 있다.
그루브 각도의 경우 본 연구에서는 50° 에서 가장 작은 값의 드래그 토크가 발생하며 이러한 결과는 속도 벡터 분석결과 유동의 방향과 그루브의 방향이 잘 일치하여 유동의 배출이 용이하기 때문임을 확인할 수 있었다.
이로부터 적절한 그루브 각도의 선정이 드래그 토크를 저감하는데 큰 역할을 할 수 있을 것이라 예측할 수 있었다. 또한, 그루브의 밀도가 증가함에 따라 두 plate간 간격이 증가하고 유동의 배출이 용이해져 드래그 토크는 감소하게 됨을 확인할 수 있었다. 이러한 해석결과는 마찰재의 그루브 형상 및 방향과 배열 설계의 기초자료가 되므로 설계단계에서 드래그 토크를 제어하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
그루브의 경우 개수에 무관하게 동일한 면적을 가질 수 있도록 적절한 각도를 유지하며 생성해 실험을 진행했으며, 원주 방향의 그루브를 추가해 경향을 살펴보았다. 연구 결과에 따르면, 그루브의 개수가 증가할수록 드래그 토크가 감소하는 경향을 보였으며, 원주 방향의 그루브는 드래그 토크가 감소하는 것을 방해하는 역할을 함을 밝혀냈다.
연구 결과에 따르면, 드래그 토크는 저속 영역과 고속 영역에서 다른 양상을 보이는데, 저속 영역에서는 회전속도가 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 보이다가 최대값에 도달한 후 급격하게 감소하여 고속영역에서 일정하게 낮은 값을 유지함을 확인할 수 있었다. 고속 영역에서는 클러치 내부를 가득 채웠던 ATF가 빠져나가면서 공기와 섞이게 되고 이에 따라 드래그 토크가 감소하는 경향을 보였다.
우선 그루브 각도가 0°인 경우, 회전 속도가 증가함에 따라 드래그 토크가 피크 값에 도달한 후에도 다시 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 해석 결과를 통해, 그루브의 각도에 의해 ATF가 외부로 잘 배출되지 못한다는 것을 예상할 수 있다.
그루브 각도의 경우 본 연구에서는 50° 에서 가장 작은 값의 드래그 토크가 발생하며 이러한 결과는 속도 벡터 분석결과 유동의 방향과 그루브의 방향이 잘 일치하여 유동의 배출이 용이하기 때문임을 확인할 수 있었다. 이로부터 적절한 그루브 각도의 선정이 드래그 토크를 저감하는데 큰 역할을 할 수 있을 것이라 예측할 수 있었다. 또한, 그루브의 밀도가 증가함에 따라 두 plate간 간격이 증가하고 유동의 배출이 용이해져 드래그 토크는 감소하게 됨을 확인할 수 있었다.
0° 그루브 모델의 경우 유동이 그루브의 각도와 거의 수직 방향으로 흐르는 것을 볼 수 있는 반면, 50° 그루브 모델에서는 유동이 그루브의 각도를 따라 형성됨을 확인할 수 있다. 이를 통해, 유동 방향과 유사한 각도의 그루브를 선정했을 때, ATF가 출구 방향으로 잘 흐를 수 있을 뿐 아니라 드래그 토크를 최소화 할 수 있음을 예측할 수 있다.
이상의 해석결과들을 종합 분석해보면, 그루브가 없는 경우 그루브가 존재할 경우에 비해 드래그 토크의 최대값이 더 크다는 것을 확인할 수 있으며, 그루브 방향에 따라 ATF의 배출이 크게 영향받아 드래그 토크의 차이를 유발시킴을 알 수 있다.
이상의 해석결과들을 종합 분석해보면, 그루브가 없는 경우 그루브가 존재할 경우에 비해 드래그 토크의 최대값이 더 크다는 것을 확인할 수 있으며, 이는 각도와는 무관하게 그루브의 존재만으로도 ATF의 배출에 도움을 줄 수 있음을 예상할 수 있게 해줄 뿐만 아니라 그루브 방향에 따라 ATF의 배출이 크게 영향을 받아 드래그 토크의 차이를 유발시킴을 알 수 있다.

후속연구

또한, 그루브의 밀도가 증가함에 따라 두 plate간 간격이 증가하고 유동의 배출이 용이해져 드래그 토크는 감소하게 됨을 확인할 수 있었다. 이러한 해석결과는 마찰재의 그루브 형상 및 방향과 배열 설계의 기초자료가 되므로 설계단계에서 드래그 토크를 제어하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	드래그 토크란 무엇인가?	일반적으로 드래그 토크는 자동변속기 차량의 습식클러치 내부에서 friction plate와 separate plate 사이에서 자동변속기 오일(automatic transmission fluid, ATF)의 유동에 의해 발생된다고 알려져 있으며, 이는 클러치팩 내부의 동력 손실 중 약 1/3을 차지할 만큼 중요한 요소이다.
	드래그 토크는 저속 영역과 고속 영역에서 다른 양상을 보이는데 고속영역에서의 특징은?	연구 결과에 따르면, 드래그 토크는 저속 영역과 고속 영역에서 다른 양상을 보이는데, 저속 영역에서는 회전속도가 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 보이다가 최대값에 도달한 후 급격하게 감소하여 고속영역에서 일정하게 낮은 값을 유지함을 확인할 수 있었다. 고속 영역에서는 클러치 내부를 가득 채웠던 ATF가 빠져나가면서 공기와 섞이게 되고 이에 따라 드래그 토크가 감소하는 경향을 보였다.
	일반적인 자동변속기 차량의 습식 클러치 시스템의 작동방식은?	일반적인 자동변속기 차량의 습식 클러치 시스템에서는 ATF는 축으로부터 분사되고, 분사된 ATF는 manifold를 거쳐 여러 장의 friction plate와 separate plate의 틈새로 유입된다. Fig.

참고문헌 (10)

Madhavan, J., Pandit, G., Barnholt, M. and 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. and 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. and 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. and 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. and 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. and 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. and 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. and 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.
Ryu, J. S. and 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.
Shihua, Y., Peng, Z.-X. and 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.

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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].

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