[논문]베어링 예압 및 오일양에 따른 반작용 휠 성능 분석

김지철; 윤진혁; 이준용; 오화석

doi:10.20910/jase.2016.10.1.35

베어링 예압 및 오일양에 따른 반작용 휠 성능 분석
Performance Analysis of Reaction Wheel according to Bearing Preload and Oil Quantity 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.10 no.1, 2016년, pp.35 - 42

김지철 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 윤진혁 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 이준용 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 오화석 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Bearing friction and disturbance are the important parameters in control spacecraft using reaction wheel. In this paper, those parameters are estimated by preload and oil quantity. In order to determine the bearing preload's impact on performance, measure the disturbance and the bearing friction coefficient with increasing the preload to the allowed amount. And, find the relationship between oil quantity and bearing friction coefficient, measure it with increasing the oil amount in the bearing. With these results as a reference, find the appropriate amount of preload and oil quantity.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

베어링의 성능 여부에 영향을 미치는 요인으로는 크게 마찰계수와 외란의 크기를 들 수 있으며, 외란의 크기에 영향을 미치는 요인으로는 용도에 따른 여러 가지 효과를 목적으로 베어링을 장착한 상태에서 억지 끼워 맞춤을 하여, 의도된 내부응력을 발생시키는 예압이 가장 중요하고, 마찰계수의 크기에 영향을 미치는 요인으로는, 베어링 내부에 주입하는 오일의 양이 가장 중요하다. 본 논문에서는, 베어링에 가해지는 예압의 크기와 베어링 내부 볼에 주입되는 오일의 양에 따른 반작용 휠의 성능변화에 대하여 연구하였다.

제안 방법

이러한 외란은 반작용 휠의 성능에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 나아가 수명에도 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 예압의 크기 변화에 의한 외란을 추정하기 위하여 외란 측정 장치를 사용하였다. 외란 측정 장치는, 다음 그림과 같이 3축의 힘을 동시에 측정할 수 있는 다축 로드셀 4개로 구성되어, X축, Y축, Z축의 힘 및 토크를 동시에 측정할 수 있도록 설계되었다.
그리스 윤활은 구조를 간략화 할 수 있다는 장점이 있지만, 오일윤활에 비해 윤활제의 유동성 및 교체, 그리고 먼지의 여과 여부에 있어서 그 성능이 떨어진다는 단점이 있다. 따라서, 본 연구에서는 정밀한 자세제어를 위한 베어링 성능의 향상 및 유동적인 오일 양 변화 실험을 위하여 그리스 윤활 대신 오일 윤활을 사용하였다.
본 논문에서는 베어링에 예압을 가했을 때와 베어링 내부의 오일의 양을 변화시켰을 때, 베어링의 마찰계수와 베어링에 작용되는 외란의 크기 변화를 추정하였다. 우선, 예압을 가했을 때 마찰계수는 예압이 증가할수록 증가하는 경향을 보이는데, 이는 예압이 증가할수록 베어링 볼과 궤도륜의 접촉각이 커지고, 그에 따라 접촉면이 넓어지기 때문이다.
본 연구에서는, 베어링 2기에 각각 오일을 4~12mg까지 2mg씩 추가하며 실험을 진행하였고, 신뢰성을 높이기 위하여 4가지 베어링 세트를 각 10회 반복 수행하여 그 결과를 도출하였다.

데이터처리

Run-down Test와 같이 예압을 2~9N 까지 1N 단위로 변화시키면서 휠을 구동했을 때의 외란을 측정하였으며, 신뢰성을 높이기 위하여 10회 반복한 후 평균을 내어 그 결과를 확인하였다.
위의 실험 장치에서 락킹 너트를 이용하여 예압을 2N부터 9N까지 증가시키면서 Run-down Test를 진행하였으며, 그 신뢰도를 높이기 위하여 각 예압 당 10회 반복 실험한 후, 그 결과를 평균하여 도출한 베어링의 마찰계수는 다음과 같다.

이론/모형

따라서, 최대 허용 예압보다 낮은 예압을 순차적으로 늘리면서 Run-down Test를 실행하여 베어링의 마찰계수를 측정하였다.
적정 오일 양은 사용되는 베어링과 오일에 따라 다르기 때문에, 실험적으로 EHD 영역이 되는 양을 도출할 수 있다. 본 연구에서는, 베어링의 오일의 양을 점차적으로 증가시켜, Run-down Test를 통해 베어링의 마찰계수를 추정하는 방식으로 진행하였다.
예압 또는 오일 양에 따른 베어링의 마찰계수는, 반작용 휠의 Run-down Test를 이용하여 추정할 수 있다. Run-down Test는 반작용 휠을 최대 RPM까지 구동시킨 후, 코일에 흐르는 전류를 전원을 차단시켜 휠에서 발생되는 토크를 억제시키는 실험으로써, 베어링이 고유의 마찰력으로만 휠을 정지시켜 베어링 고유의 마찰계수를 추정할 수 있다.

성능/효과

베어링의 마찰계수와 외란크기는 반작용 휠의 성능 여부에 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라, 나아가 반작용 휠 자체의 수명에 영향을 미치게 된다. 따라서, 본 논문의 결과는 반작용 휠의 설계 과정에 있어서 그 성능을 최대한으로 향상시킬 수 있다는 것을 보여준다.
실험 결과, Fig.14와 같이 4번의 실험과정에서 마찰계수가 가장 적은 최적의 오일의 양에는 베어링마다 차이를 보이나, 4~8mg 일 경우에 앞서 설명했던 EHD 조건을 만족하는 그래프 경향을 보이며, 그 이상의 오일을 주입했을 때에는 오히려 마찰계수가 증가하는 경향을 보였다.
실험 결과, 예압이 증가함에 따라 외란이 감소하는 경향을 보이며, 휠의 축 방향은 F_Z와 T_Z를 제외한 나머지 방향의 외란은 예압이 7N일 때 가장 작은 값을 가지고, 그보다 큰 예압을 가하였을 때 다시 증가하는 것을 확인 하였다.
위의 실험 결과는 Load Torque라는 Noise도 포함하고 있기 때문에, 이를 수치화하여 예압에 대한 일차식으로 나타내면, 다음의 그래프와 같이 예압이 증가하면, 마찰계수가 선형적으로 증가하는 경향을 나타낸다.

후속연구

그러나, 현재 보유한 기술로는 베어링의 수명향상에 큰 영향을 미치진 못하며, 앞으로 Reservoir 등에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	베어링의 예압을 주는 방법 중 정위치 예압과 정압 예압 두 가지를 설명하시오.	예압을 주는 방법에는 크게 정위치 예압, 정압 예압의 두 가지가 있다. 정위치 예압에는, 짝 맞춘 베어링은 사용되지 않고 적정한 예압량을 얻을 수 있도록 스페이서나 시임 치수를 조정해서 사용하는 방법과 스페이서나 시임을 사용하지 않고 적정한 예압을 기동 마찰 모멘트의 측정에 의한 관리를 통해 적정 조임량을 결정해 사용하는 방법 등이 있다. 이 정위치 예압은 베어링의 상대적인 위치가 사용 중에도 변화하지 않고, 일정하게 되는 예압 방법이다. 정압 예압은 코일 스프링, 접시 스프링 및 판 스프링 등을 이용해서 적정한 예압을 베어링에 주는 방법이며, 예압 스프링의 강성은 베어링의 강성에 비해서 통상적으로 충분히 작기 때문에 예압된 베어링의 상대적인 위치는 사용 중에 변화하지만 예압은 거의 일정하게 되는 예압 방법이다.[2]
	반작용 휠은 무엇인가?	2도 이하의 매우 정밀한 자세 명령 추종 성능 및 안정성을 갖추는 것이 매우 중요하며[1], 이러한 정밀 자세제어를 위하여 주구동기로써 Thrust, Magnetic Torquer, 반작용 휠등이 사용되고 있다. 그 중 반작용 휠은 반작용 토크를 이용하여 위성의 자세를 제어하는 구동기로써, 전기에너지를 사용하기 때문에 Thrust처럼 별도의 연료를 필요로 하지 않을 뿐만 아니라, Magnetic Torquer 보다 높은 모멘텀을 발생시키기 때문에 그 활용도가 높다. 이러한 반작용 휠을 설계함에 있어서, 회전 운동의 핵심 부품인 베어링의 성능 여부가 전체 시스템의 성능을 크게 좌우할 수 있다.
	베어링의 성능 여부에 영향을 미치는 요인은 무엇인가?	이러한 반작용 휠을 설계함에 있어서, 회전 운동의 핵심 부품인 베어링의 성능 여부가 전체 시스템의 성능을 크게 좌우할 수 있다. 베어링의 성능 여부에 영향을 미치는 요인으로는 크게 마찰계수와 외란의 크기를 들 수 있으며, 외란의 크기에 영향을 미치는 요인으로는 용도에 따른 여러 가지 효과를 목적으로 베어링을 장착한 상태에서 억지 끼워 맞춤을 하여, 의도된 내부응력을 발생시키는 예압이 가장 중요하고, 마찰계수의 크기에 영향을 미치는 요인으로는, 베어링 내부에 주입하는 오일의 양이 가장 중요하다. 본 논문에서는, 베어링에 가해지는 예압의 크기와 베어링 내부 볼에 주입되는 오일의 양에 따른 반작용 휠의 성능변화에 대하여 연구하였다.

참고문헌 (7)

H. G. Lee, "Reaction Wheel Friction Compensation Scheme and Its Performance Verification in Space Operations," Journal of Aerospace System Engineering, pp. 966-969, Nov. 2009.
NSK Bearing Catalog, "Rolling bearing 1,"
C. H. Kim and D. H. Choi, "A Study of the Determination of the Optimal Perload about the Miniature Ball Bearing for the VHS VTR Head Drum Assembly," The Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 703-710, 1991.
T. A. Harris, Roller bearings analysis, John Willey & Sons, Chichester, 1984.
J. S. Lee, Y. H. Choi, J. C. Kim, D. I. Cheon and H. S. Oh, "Estimation of friction Due to Temperature Change for FM Reaction wheel of STSAT-2C," Journal of Aerospace System Engineering, 2013
V. Carrara, A. G. Silva, H. K. Kuga, "A Dynamic Friction Model for Reaction Wheels," IAA-AAS-DyCoSS1-04-06
University-Industry Cooperation Foundation of Korea Aerospace University, "Development of Prerequisite Elementary Technologies for Spacecraft Momentum Wheel," Space Core Technology Development program, pp. 124-144, 2014

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