[논문]습식클러치 마찰재의 체결 거동에 의한 마찰열 해석

김해용; 장시열; 김우정

doi:10.9725/kstle.2014.30.5.265

[국내논문] 습식클러치 마찰재의 체결 거동에 의한 마찰열 해석
Frictional Heat Generation in Wet Clutch Engagement according to Groove Pattern on Clutch Pad 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.30 no.5, 2014년, pp.265 - 270

김해용 (국민대학교 자동차공학전문대학원) , 장시열 (국민대학교 자동차공학과) , 김우정 (현대파워텍(주))

Abstract ▼ AI-Helper

Frictional heat greatly influences the friction behaviors during clutch engagement. Therefore, the engagement of a wet or dry clutch is frequently not under control by the frictional heat. In a wet clutch, the frictional temperature also specially needs to be controlled, and in many cases, the clutch material is selected to prevent a temperature rise from the friction between friction pad and separator. However, only the selection of the clutch material cannot ensure sufficient control of the temperature rise by the friction. The groove pattern on a friction pad is designed for more flow rates of transmission fluid between the contact gap of clutch pad and separator for the cooling effect. In this work, grove patterns are designed for more flow rates out of the contact gap between friction pad and separator plate. Selected groove design shows the improvement flow rates of transmission fluid through both inner and outer radius, where most of the transmission fluid flows through the outer radius when the clutch is engaged due to the centrifugal force in conventional wet clutch groove. Several comparisons of the amounts of frictional heat generated on clutch pads are made in order to verify the decrease of the temperature rise according to the flow rates along the groove patterns.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

패턴 B는 내경방향으로도 패턴 그루브가 설계되어 있어 패턴 A 보다는 원활한 변속기 유출을 도모한다. 그러나 패턴 C는 보다 많은 배출 유량을 위해 내경에 많은 그루브가 만들어져 있으며, 이를 이용한 충분한 냉각효과를 도모하고자 설계 되었다.
본 논문은 엔진과 동력전달시스템의 동력을 동기화시키는 과정에 중요한 역할을 하는 습식클러치의 접촉 틈새내에서 변속기유의 유막거동에 따른 클러치 패드의 마찰열 분포에 대한 해석을 수행하였다. 특히 고출력화된 엔진 동력을 전달하기 위해 습식클러치의 체결 과정에서 발생하는 마찰열을 제어하는 것이 매우 중요하다.
본 연구는 습식클러치의 체결과정에서 클러치 패드를 구성하는 마찰재 표면 그루브 패턴에 따른 마찰열 발생 현상과 이에 따른 습식클러치 패드에서의 열전달 현상을 해석 하였다. 습식클러치에서 클러치 패드의 열 발생 현상을 분석함으로써 효과적인 습식 클러치의 체결 기능을 유지하기 위한 클러치 패드의 그루브 패턴 설계 기법을 증진하고자 한다.
3은 마찰열 발생에 대한 해석 조건을 나타내고 있다. 본 연구는 클러치 패드와 세파레이터 사이의 변속기 오일의 두께에(h_f) 변화를 주어 마찰열 발생에 대한 해석을 하였다. 해석 모델의 기본적 개념은 클러치 체결시 변속기 오일의 유막두께가 시간에 따라 선형적으로 변화하고, 상대회전 접촉속도와 유막두께에 따라 마찰열 발생에 대한 해석을 수행한다.

제안 방법

구체적 방법으로는 전달동력의 고출력화 및 고내구성을 위해 습식클러치에서 발생하는 마찰열을 효과적으로 저감시키기 위한 클러치 패드의 패턴그루브의 형태에 따라 해석하였다.
5는 1500 rpm일 때의 마찰열에 대한 해석 결과이다. 선정된 유막두께의 크기는 0.1~0.2 mm 사이에서 유막두께의 크기가 작은 방향에 관심을 두어 비교적 일정한 간격으로 선정하였다. 유막두께가 작아짐에 따라 마찰열 발생은 어느 경우든지 커지며, 또한 상대회전속도가 커짐에 따라 전체적으로 마찰열은 크게 나타난다.
본 연구는 습식클러치의 체결과정에서 클러치 패드를 구성하는 마찰재 표면 그루브 패턴에 따른 마찰열 발생 현상과 이에 따른 습식클러치 패드에서의 열전달 현상을 해석 하였다. 습식클러치에서 클러치 패드의 열 발생 현상을 분석함으로써 효과적인 습식 클러치의 체결 기능을 유지하기 위한 클러치 패드의 그루브 패턴 설계 기법을 증진하고자 한다.
1은 클러치와 세파레이터(separator)의 체결과정을 나타내고 있는데, 엔진의 회전속도와 클러치의 회전속도가 다른 상태에서 체결과정을 통해 동기화되는 과정을 나타내고 있다. 엔진과 클러치의 체결과정은 상대회전속도 개념을 이용하여 클러치패드와 세파레이터의 상대회전속도를 각각 500 rpm과 1500 rpm으로 설정하여 해석하였다.
이러한 습식클러치에서 형성되는 마찰열과 대류유동의 수식 모델(식 1-3)의 정보를 ADINA 해석프로그램에 유체요소의 유한요소 모델에 입력하여 해석을 수행한다.
이러한 원리를 기반으로 본 연구는 냉각효과를 최적화 시키는 방법으로 클러치 마찰패드의 그루브 패턴을 고려하여[7-13] 상대회전속도와 변속기유의 유막두께에 따른 클러치 패드의 마찰열 발생에 대한 해석을 수행하였다.
즉, 변속기 오일의 두께에 따라 발생하는 마찰열 발생이 다르게 형성되기 때문에 변속기 오일의 유막두께를 변수로 하여 마찰열 해석을 한다. 이러한 이유로 변속기유의 냉각 기능이 있는 습식클러치는 건식클러치의 마찰열 발생의 경우와 매우 다르고 고출력화를 이룰 수 있다.
해석 모델의 기본적 개념은 클러치 체결시 변속기 오일의 유막두께가 시간에 따라 선형적으로 변화하고, 상대회전 접촉속도와 유막두께에 따라 마찰열 발생에 대한 해석을 수행한다. 클러치 패드 및 세파레이터의 마찰열 해석에 대한 경계조건으로 유체에 의한 대류, 마찰패드와 디스크 플레이트에 의한 전도 및 세파레이터 플레이트 주변으로의 복사조건을 적용하였다. 관련된 클러치 마찰 패드, 세파레이터 플레이트 및 변속기유의 물성치는 Table 1에 나타내었다.
본 연구는 클러치 패드와 세파레이터 사이의 변속기 오일의 두께에(h_f) 변화를 주어 마찰열 발생에 대한 해석을 하였다. 해석 모델의 기본적 개념은 클러치 체결시 변속기 오일의 유막두께가 시간에 따라 선형적으로 변화하고, 상대회전 접촉속도와 유막두께에 따라 마찰열 발생에 대한 해석을 수행한다. 클러치 패드 및 세파레이터의 마찰열 해석에 대한 경계조건으로 유체에 의한 대류, 마찰패드와 디스크 플레이트에 의한 전도 및 세파레이터 플레이트 주변으로의 복사조건을 적용하였다.
2는 해석에 사용된 클러치 패드의 그루브 패턴의 모델 형상을 나타내고 있다. 해석에 적용한 클러치 패드의 그루브(groove) 형상을 Type A, B, C로 구분하여 모델링 하였다. Type A 모델에서 Type C 모델로 변하면서 클러치 패드의 내경방향 그루브가 증가하도록 한다.

성능/효과

이상과 같은 해석 결과를 분석하면 패턴 그루브 이외의 접촉 영역에서는 상대적으로 유막의 두께가 작기 때문에 상대회전속도가 증가할수록 전단유동에 의해 더 많은 마찰열이 발생하는 것을 알 수 있다. 마찬가지로 상대회전속도가 높을수록 마찰열이 더 발생한다.

후속연구

이러한 마찰열 해석 결과를 통해 변속기유의 원활한 배출성능이 엔진과 클러치의 체결과정에서 발생하는 열적인 문제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 예상한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마찰열의 특성은 무엇인가?	습식클러치의 체결과정에서 많은 양의 마찰열이 발생한다. 이때 발생하는 마찰열은 상대회전속도와 토크 및 체결시간에 비례하고, 마찰열에 의해 마찰재의 표면 박리나 핫 스팟(hot spot) 현상이 발생한다[3, 5]. 이러한 현상은 습식클러치 마찰재의 내구성을 저하시킬 뿐만 아니라 마찰계수의 급격한 변화로 클러치의 체결성능에 영향을 미친다.
	자동차의 엔진 동력을 차량으로 전달하는 과정 중 동력의 단속은 무엇에 의해 진행되는가?	자동차의 엔진 동력을 차량으로 전달하는 과정 중에 동력의 단속은 주로 클러치 작동에 의해 진행된다. 그러나 큰 전달동력과 내구성을 요구하는 클러치는 주로 습식클러치가 적용된다.
	습식클러치의 안정적 동력 전달을 위해 중요한 것은 무엇인가?	그러나 큰 전달동력과 내구성을 요구하는 클러치는 주로 습식클러치가 적용된다. 습식 또는 건식 클러치는 전달동력을 안정적으로 전달하기 위해 클러치의 마찰계수를 운전 조건 등과 상관없이 정상상태로 하는 것이 중요하다. 이러한 마찰계수는 접촉하중 및 접촉속도에 따라 변하기도 하지만 마찰열 발생에 의해 급격히 변화되는 것이 많은 실험 연구를 통해 알려지고 있다[1, 2].

참고문헌 (13)

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상세보기
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상세보기
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원문보기 상세보기
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Jang, S and J. Jeon, "Analysis of ATF Behavior Characteristic in Friction Clearance by Friction Plate Modeling of Automatic Transmission Wet clutch", Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference, pp. 292-299, 2008.

저자의 다른 논문 :

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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