자동차용 휠 베어링은 회전운동을 전달하고 차량의 무게를 지지해주는 중요한 부품이다. 최근 $CO_2$ 배출가스 저감과 연비 규제에 따라서 자동차 경량화 및 소형화 요구는 점점 증가하고 있고, 이에 부응하여 베어링의 수명 평가기술은 더욱 그 필요성이 증가하고 있다. 휠 베어링의 내구수명은 고려해야 할 인자들이 매우 다양하며 이들이 서로 복잡하게 연관되어 있으므로 수명을 예측하는 것이 쉽지 않다. 본 논문에서는 자동차용 휠 베어링의 수명에 영향을 끼치는 많은 인자들 중에서 작동하중과 회전속도를 변화시키면서 수명을 시험하였고, 이를 ISO국제표준에서 제안하는 이론수명인 기본정격수명과 보정정격수명 결과와 비교하였다. 이들 수명을 비교한 결과, 기본정격수명과 보정정격수명 모두 시험수명과 차이가 존재하며, 기본정격수명 보다 보정정격수명이 시험수명을 상대적으로 잘 예측함을 알 수 있었다.
자동차용 휠 베어링은 회전운동을 전달하고 차량의 무게를 지지해주는 중요한 부품이다. 최근 $CO_2$ 배출가스 저감과 연비 규제에 따라서 자동차 경량화 및 소형화 요구는 점점 증가하고 있고, 이에 부응하여 베어링의 수명 평가기술은 더욱 그 필요성이 증가하고 있다. 휠 베어링의 내구수명은 고려해야 할 인자들이 매우 다양하며 이들이 서로 복잡하게 연관되어 있으므로 수명을 예측하는 것이 쉽지 않다. 본 논문에서는 자동차용 휠 베어링의 수명에 영향을 끼치는 많은 인자들 중에서 작동하중과 회전속도를 변화시키면서 수명을 시험하였고, 이를 ISO 국제표준에서 제안하는 이론수명인 기본정격수명과 보정정격수명 결과와 비교하였다. 이들 수명을 비교한 결과, 기본정격수명과 보정정격수명 모두 시험수명과 차이가 존재하며, 기본정격수명 보다 보정정격수명이 시험수명을 상대적으로 잘 예측함을 알 수 있었다.
An automotive wheel bearing is important part that translates rotating motion and bears vehicle weight. Recently, in accordance with the demands for $CO_2$ emission reduction and fuel economy regulation, the requirements for the weight reduction and miniaturization of vehicles has increas...
An automotive wheel bearing is important part that translates rotating motion and bears vehicle weight. Recently, in accordance with the demands for $CO_2$ emission reduction and fuel economy regulation, the requirements for the weight reduction and miniaturization of vehicles has increased. Therefore, life evaluation technology of the bearings has increased in necessity. Since the bearing life is affected by many parameters such as bearing geometry, bearing specifications, and vehicle specifications, it is difficult to predict. In this paper, the bearing life was tested by varying the applied load and rotation speed and comparing them with the basic rating life and modified rating life that were suggested in ISO standards. From the results, it was found that there was a difference between the test life and theoretical life and modified rating life than basic rating life was to be relatively well predicted by test life.
An automotive wheel bearing is important part that translates rotating motion and bears vehicle weight. Recently, in accordance with the demands for $CO_2$ emission reduction and fuel economy regulation, the requirements for the weight reduction and miniaturization of vehicles has increased. Therefore, life evaluation technology of the bearings has increased in necessity. Since the bearing life is affected by many parameters such as bearing geometry, bearing specifications, and vehicle specifications, it is difficult to predict. In this paper, the bearing life was tested by varying the applied load and rotation speed and comparing them with the basic rating life and modified rating life that were suggested in ISO standards. From the results, it was found that there was a difference between the test life and theoretical life and modified rating life than basic rating life was to be relatively well predicted by test life.
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문제 정의
4와 같고 베어링의 내부제원은 Table 2와 같다. 본 논문에서는 베어링의 수명에 영향을 끼치는 많은 인자들 중에서 가장 지배적인 영향을 끼치는 작동하중과 회전속도를 변화시키면서 베어링의 수명을 시험하였다. 작동하중은 Table 3에서 알 수 있듯이 하중비(load ratio)를 선회가속도(cornering acceleration) 0.
본 논문에서는 자동차용 휠 베어링의 수명평가를 수행하였다. 베어링의 수명에 영향을 끼치는 많은 인자들 중에서 작동하중과 회전속도를 변화시키면서 베어링의 수명을 시험하였고, 이를 ISO 국제표준에서 제안하는 이론수명인 기본정격수명과 보정정격수명 결과와 비교하였다.
본 논문에서는 자동차용 휠 베어링의 이론수명과 시험수명을 평가하였다. 먼저, 베어링의 수명에 영향을 끼치는 많은 인자들 중에서 가장 지배적인 영향을 끼치는 작동하중과 회전속도를 변화시키면서 베어링의 수명을 시험하였다.
제안 방법
2.1장과 2.2장에서 언급한 방법에 근거하여 기본 정격수명과 보정정격수명을 계산할 수 있는 프로그램을 개발하였고, 프로그램의 사용언어는 Visual Basic이다. Fig.
이와 같이 제정된 베어링 수명 예측 이론은 최근 들어 생산기술이 발전하여 베어링의 수명이 길어짐에 따라 보다 정확한 수명 계산이 필요하게 되었으며, 이에 따라서 국제 표준이 개정(ISO 281:2007)(10)되었다. 개정된 국제 표준은 기본정격 수명뿐만 아니라 보정정격수명(modified rating life of rolling bearings, Lnm )을 예측할 수 있는 방법을 제시하였다. ( 11,12) 그러나, 개정된 보정정격 수명은 계산방법이 기본정격수명에 비하여 상대적으로 복잡하여 이에 대한 연구가 거의 없는 실정이다.
즉, 휠 베어링용 내구시험기를 이용하여 수명시험을 수행하였고, 그 결과를 Weibull 이론에 근거하여 신뢰도에 따른 수명을 계산하였다. 또한, ISO 국제표준에서 제안하는 베어링 수명 계산 방법에 근거하여 기본정격수명과 보정정격수명을 계산하기 위한 전용 프로그램을 개발하였다. 이를 이용하여 기본 정격수명과 보정정격수명을 계산하였고, 그 결과를 시험수명의 결과와 비교하면서 작동하중과 회 전속도의 영향을 평가하였다.
먼저, 베어링의 수명에 영향을 끼치는 많은 인자들 중에서 가장 지배적인 영향을 끼치는 작동하중과 회전속도를 변화시키면서 베어링의 수명을 시험하였다.
본 논문에서는 자동차용 휠 베어링의 수명평가를 수행하였다. 베어링의 수명에 영향을 끼치는 많은 인자들 중에서 작동하중과 회전속도를 변화시키면서 베어링의 수명을 시험하였고, 이를 ISO 국제표준에서 제안하는 이론수명인 기본정격수명과 보정정격수명 결과와 비교하였다. 이에 얻어진 결과는 다음과 같다.
위에서 언급한 방법으로 베어링의 작동하중과 회전속도를 변화시키면서 베어링의 시험수명을 측정하였다. 시험은 베어링 궤도부의 이상 진동이 발생할 경우 중단되었고, 그때까지 회전한 회전수를 이용하여 신뢰도 90%의 베어링 시험수명( B10 )을 계산하였다. 시험이 종료된 베어링의 궤도부를 살펴보면 Fig.
위에서 언급한 방법으로 베어링의 작동하중과 회전속도를 변화시키면서 베어링의 시험수명을 측정하였다. 시험은 베어링 궤도부의 이상 진동이 발생할 경우 중단되었고, 그때까지 회전한 회전수를 이용하여 신뢰도 90%의 베어링 시험수명( B10 )을 계산하였다.
보정정격수명을 계산하기 위해서 작동하중, 회전속도, 윤활유의 종류, 베어링이 설치된 장소의 청정도, 베어링 재료의 피로한 도뿐만 아니라 온도 값이 필요하다. 이를 위하여 회전속도를 변화시키면서 베어링의 온도를 측정하였다. 측정하지 못한 온도는 Microsoft EXCEL의 추세선을 이용하여 예측 하였다.
또한, ISO 국제표준에서 제안하는 베어링 수명 계산 방법에 근거하여 기본정격수명과 보정정격수명을 계산하기 위한 전용 프로그램을 개발하였다. 이를 이용하여 기본 정격수명과 보정정격수명을 계산하였고, 그 결과를 시험수명의 결과와 비교하면서 작동하중과 회 전속도의 영향을 평가하였다.
작동하중은 Table 3에서 알 수 있듯이 하중비(load ratio)를 선회가속도(cornering acceleration) 0.6G의 100%, 120%로 변화시키면서 시험을 실시하였고, 회전속도는 500rpm, 1000rpm에 대하여 시험을 수행하였다.
대상 데이터
기본정격수명은 식 (1)~(3)으로부터 계산하였고, 보정정격수명은 식 (4), (5)로부터 계산하였다. 본 논문에서는 보정정격수명으로 신뢰도 90%인 L10m 을 사용하였다. 보정정격수명을 계산하기 위해서 작동하중, 회전속도, 윤활유의 종류, 베어링이 설치된 장소의 청정도, 베어링 재료의 피로한 도뿐만 아니라 온도 값이 필요하다.
3과 같다. 이 시험기는 실제 자동차의 주행상황을 묘사할 수 있도록 1개의 회전축과 2개의 유압실린더로 구성되어 있다. 즉, 차량이 직진, 좌선회, 우선회함에 따라서 타이어 접지 면으로부터 베어링에 가해지는 힘이 변화하는데 이를 축 방향 하중과 반경 반향 하중으로 나누어서 각각의 하중이 베어링에 가해지도록 형성되어 있다.
데이터처리
이를 위하여 회전속도를 변화시키면서 베어링의 온도를 측정하였다. 측정하지 못한 온도는 Microsoft EXCEL의 추세선을 이용하여 예측 하였다. Fig.
이론/모형
5와 같이 박리(spalling)가 존재하였다. 신뢰도 90%의 베어링의 시험 수명은 Weibull 이론에 의하여 계산되었고, 이를 위하여 Minitap을 사용하였다. Fig.
먼저, 베어링의 수명에 영향을 끼치는 많은 인자들 중에서 가장 지배적인 영향을 끼치는 작동하중과 회전속도를 변화시키면서 베어링의 수명을 시험하였다. 즉, 휠 베어링용 내구시험기를 이용하여 수명시험을 수행하였고, 그 결과를 Weibull 이론에 근거하여 신뢰도에 따른 수명을 계산하였다. 또한, ISO 국제표준에서 제안하는 베어링 수명 계산 방법에 근거하여 기본정격수명과 보정정격수명을 계산하기 위한 전용 프로그램을 개발하였다.
성능/효과
(1) 베어링 수명에서 작동하중의 영향을 검토한 결과, 기본정격수명, 보정정격수명, 시험수명 모두 하중비 100%에서 120%로 증가함에 따라서 수명이 감소하며, 시험수명 대비 기본정격수명의 오차보다 보정정격수명의 오차가 더 적음을 알 수 있었다.
(2) 베어링 수명에서 회전속도의 영향을 검토한 결과, 회전속도가 500rpm에서 1000rpm으로 증가함에 따라서 기본정격수명은 일정하며, 보정정격수명은 하중비 100%의 경우는 감소하며 120%의 경우는 일정함을 알 수 있었다.
(3) 결론적으로, 기본정격수명과 보정정격수명 모두 시험수명과 차이가 존재하며, 기본정격수명 보다 보정정격수명이 시험수명을 상대적으로 잘 예측함을 알 수 있었다.
기본정격수명, 보정정격수명, 시험수명 모두 하중 비가 100%에서 120%로 증가함에 따라서 수명이 감소함을 알 수 있다. 시험수명과 이론수명을 비교하면, 시험수명 대비 기본정격수명의 오차보다 보정정격수명의 오차가 더 적음을 알 수 있다.
9에 나타내었다. 먼저, Fig. 9(a)에서 알 수 있듯이 보정정격수명과 시험수명은 500rpm에서 1000rpm으로 회전속도가 증가함에 따라서 수명이 감소하는데 반하여 기본정격수명은 회전속도가 증가해도 수명은 동일하다. 이는 기본정격수명은 수명 계산 시 회전속도의 영향을 고려하지 않기 때문이다.
하중비가 100 %에서 120 %로 증가함에 따라서 500 rpm의 수명은 48 %~58 %로 감소하고 1000rpm의 수명은 58%~75%로 감소한다. 즉, 500rpm, 1000rpm 모두 수명이 대략 1/2 정도 감소하는데, 500rpm 보다는 1000rpm에서 수명이 상대적으로 덜 감소함을 알 수 있다. 또한, Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자동차용 휠 베어링의 역할은 무엇인가?
자동차용 휠 베어링(automotive wheel bearing)은 차량의 무게를 지지하고 회전운동을 전달하는 중요한 부품이다. 휠 베어링은 1960년대 전륜 구동형 자동차의 개발로 인한 경량화 요구로 유닛(unit)화가 급속히 진행되었다.
휠 베어링이 경량화, 소형화 됨에 따라 필요해진 기술은?
(1,2) 이로 인하여 휠 베어링의 구조는 단품 베어링으로 구성된 1세대 휠 베어링에서 허브(hub)와 외륜(outer ring)에 각각 플랜지(flange)를 설치한 3세대 휠 베어링의 복잡한 형태로 발전하였다. 베어링이 경량화, 소형화, 복잡화 됨에 따라서 정확한 수명 예측 및 평가 기술이 필요하게 되었다. 특히, 최근들어 CO2 배출가스 저감과 연비 규제에 따라서 자동차 경량화 및 소형화의 요구는 점점 증가하고 있고, 이에 부응하여 자동차의 보안부품 중 하나인 휠 베어링의 수명 평가기술은 더욱 더 그 필요성이 증가하고 있다.
휠 베어링의 유닛화는 어떤 계기로 급속히 진행되었는가
자동차용 휠 베어링(automotive wheel bearing)은 차량의 무게를 지지하고 회전운동을 전달하는 중요한 부품이다. 휠 베어링은 1960년대 전륜 구동형 자동차의 개발로 인한 경량화 요구로 유닛(unit)화가 급속히 진행되었다. (1,2) 이로 인하여 휠 베어링의 구조는 단품 베어링으로 구성된 1세대 휠 베어링에서 허브(hub)와 외륜(outer ring)에 각각 플랜지(flange)를 설치한 3세대 휠 베어링의 복잡한 형태로 발전하였다.
참고문헌 (13)
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Kim, B. C., Lee, I. H., Kim, K. N., Lee, W. Y. and Lee, S. P., 2011, "Development of Stiffness Analysis Model of Automotive Wheel Bearing due to Ball Contact Angle," Proceedings KSAE Fall conference, pp. 1019-1020.
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Kim, T. W., 2014, "A Study on the Verification of ISO 281:2007 Modified Rating Life and the Lifetime Optimization of the Automotive Wheel Bearing Through Tests," Ph.D Thesis, Pusan National University, pp. 20-33.
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