[논문]모터링 시동 및 시동정지 사이클에서 경사진 축을 갖는 저어널 베어링의 마모 해석 - Part I: 마모발생 가능영역에서의 유막 변화 연구

전상명

doi:10.9725/kstle.2017.33.4.153

[국내논문] 모터링 시동 및 시동정지 사이클에서 경사진 축을 갖는 저어널 베어링의 마모 해석 - Part I: 마모발생 가능영역에서의 유막 변화 연구
Wear Analysis of Journal Bearings in a Misaligned Shaft During Motoring Start-up and Coast-down Cycles - Part I: Study on the Change in Oil Film Thickness at Potential Wear Regions 원문보기

윤활학회지 = Journal of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers, v.33 no.4, 2017년, pp.153 - 167

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this study is to find the change in trend in the eccentricities of two journal bearings supporting the crankshaft of a single cylinder engine and the degree of misalignment of the shaft. We analyze the change in oil film thickness considering the wear scar under mixed-elasto-hydrodynamic lubrication regime at potential wear regions. For this, we first calculate the central eccentricities of the two journal bearings by using the mobility method. Then we calculate the outer end eccentricity by using the geometry of the bearings. Further, the tilting angle and degree of misalignment of the shaft are calculated by using the eccentricities of the two bearings. We show that the eccentricity of bearing #1, on which higher load is applied, increases at the beginning of the start-up cycle and during the coast-down cycle. However, the eccentricity of bearing #2, on which lower load is applied, decreases at the beginning of the start-up cycle and increases during the coast-down cycle. From the results of the analysis of oil film thickness, we show that the mixed-elasto-hydrodynamic lubrication regime for a misaligned shaft is at the initial stages of the start-up cycle for both bearing #1 and #2 and at the final stage of the coast-down cycle for only bearing #1.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 조건하에서는 저어널베어링과 축 사이의 두 표면의 윤활 상태는 순수 유체윤활상태가 아닐 수 있으며 혼합탄성유체윤활 혹은 심지어 경계윤활영역으로 전이된다. 본 연구에서는 시동 및 시동정지 시의 축이 기울어진 경우에 발생하는 마모에 대하여 연구하기 위해 우선 각 베어링에서의 축 편심량 변화를 계산하고, 축의 경사각(β) 및 비정렬도(D_m)를 파악하여, 마모를 고려한 유막 두께의 변화 상태를 분석하고자 한다.
여기서 저자들은 수평으로 잘 정렬된 축과 정 하중 조건에서 마모 자국을 고려한 저어널베어링의 수정 유막 두께 방정식을 공식화하였다. 또한 정상적인 운전 상태 하에서 시동 조건과 시동정지 조건에서의 저어널베어링의 마모해석을 위한 절차를 개발하였다.
본 연구에서는, Chun 등이 발표한 논문[1]과 같은 베어링 시스템과 운전조건에서 시동 초기에 크랭크축이 양쪽 베어링의 한쪽 끝 단이 닿은 상태에 있을 때, 엔진 시동 스위치의 일회 시동 및 시동정지 동안에 발생할 수 있는 마모를 연구하는 것이 궁극적인 목적이다. 본 논문은 본 연구의 Part I으로서, 축이 경사졌을 경우, 시동 및 시동정지 조건에서 단기통 엔진 내 경사진 저어널베어링의 마모해석을 진행하기 앞서, 선행으로 필요한 혼합윤활영역을 판단하는 리프트-오프(lift-off) 속도, 크랭크축을 지지하는 양쪽 베어링의 편심량 변화를 계산하고, 이들 편심량을 이용하여 크랭크축에 대한 경사각(tilting angle) 및 비정렬도(degree of misalignment)의 변화상태를 파악하여, 유막의 변화상태를 분석하고자 한다.
본 연구에서는, Chun 등이 발표한 논문[1]과 같은 베어링 시스템과 운전조건에서 시동 초기에 크랭크축이 양쪽 베어링의 한쪽 끝 단이 닿은 상태에 있을 때, 엔진 시동 스위치의 일회 시동 및 시동정지 동안에 발생할 수 있는 마모를 연구하는 것이 궁극적인 목적이다. 본 논문은 본 연구의 Part I으로서, 축이 경사졌을 경우, 시동 및 시동정지 조건에서 단기통 엔진 내 경사진 저어널베어링의 마모해석을 진행하기 앞서, 선행으로 필요한 혼합윤활영역을 판단하는 리프트-오프(lift-off) 속도, 크랭크축을 지지하는 양쪽 베어링의 편심량 변화를 계산하고, 이들 편심량을 이용하여 크랭크축에 대한 경사각(tilting angle) 및 비정렬도(degree of misalignment)의 변화상태를 파악하여, 유막의 변화상태를 분석하고자 한다. 본 Part I에서의 유막 두께 계산시 마모이론을 적용하여 동시에 해석을 하였으나 마모 부분은 본 연구의 Part II[18]에서 이론 및 해석 결과를 별도로 설명하고자 한다.

가설 설정

3 ^oC로 일정하였다. 따라서 베어링 내 오일 온도는 등온상태로 가정하였다. 한편 베어링에 작용하는 하중은 축 회전에 의해 발생하는 원심력을 고려한 변동하중으로 보았다.
3) 축은 탄성변형 및 휘어짐 현상은 없는 것으로 보았다.
다만 평균 레이놀즈 방정식을 사용할 수는 없다. 그래프의 중심부위에 증가한 유막은 514.02 ^oCA에서 일어난 마모에 의한 것이다. 514.

제안 방법

최근 Chun 등[1]은 단기통 엔진에 대한 모터링 시동 및 시동정지 시 동안에 일어나는 두 개의 저어널베어링에 대한 마모 연구를 발표하였다. 여기서 저자들은 수평으로 잘 정렬된 축과 정 하중 조건에서 마모 자국을 고려한 저어널베어링의 수정 유막 두께 방정식을 공식화하였다. 또한 정상적인 운전 상태 하에서 시동 조건과 시동정지 조건에서의 저어널베어링의 마모해석을 위한 절차를 개발하였다.
위와 같이 각 크랭크 각에서 편심량을 계산한 후, 리프트-오프 속도를 계산하여, 각 크랭크 각에서 유막이 혼합윤활영역 혹은 유체윤활 영역에 해당하는지를 파악하고자 한다. 이때 우선 유막 두께가 안정적으로 구해지는 수평축인 경우에서 혼합윤활영역에 들어서는 가장 큰 유막 두께(MOFT: most oil film thickness)를 리프트오프 속도 이내에서 얻은 유막 두께로부터 구했으며, 경사진 축에서는 각 경우의 리프트오프 속도와 MOFT를 모두 만족할 경우에 마모가 발생한 것으로 판단하고자 한다.
또한 각 베어링의 편심율 변화와 축 경사각 및 축의 비정렬도를 도시하였다. 다음으로, 마모로 인하여 자국이 난 표면에 의하여 변화되는 두 표면 사이의 유막 두께가 여전히 혼합윤활영역의 경계 내에 있는지를 확인하기 위하여 유막 두께와 등가표면 거칠기의 비 (h/σ)인 무차원 유막 두께를 도시하였다. 또한 마모 자국이 발생한 부위의 변화된 유막 형상을 파악하기 위해 실 유막 두께를 그림으로 도시하였다.
따라서 시동 초기에 국부적인 축과 베어링의 밀착 상태가 어느 정도 유지되는 지를 파악하기 위하여 축의 편심량의 변화와 이로 인한 유막 두께의 변화 상태를 알아야 한다. 따라서 본 논문 (PartI)에서는 단기통 크랭크축의 양 단에서 지지하는 두 베어링에 대하여, 축이 경사졌을 경우의 편심량과 마모 자국을 고려한 저어널베어링의 유막 두께를 계산하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 논문에서, 모터링 운전 시 시동 조건 및 시동정지 조건에서 저어널베어링의 혼합윤활영역에 대한 해석을 하기 위하여, Fig. 1에 도시한 단기통 엔진으로 구성된 저어널베어링 시스템으로부터 얻은 축 각속도의 측정 데이터[2, 3]를 사용하였다.
본 연구에서 마모 해석을 위해 실제로 고려한 사이클과 크랭크 각도 (CA)는 시동(start-up) 시에는 사이클#1의 초기인 514^o~515 ^oCA이고, 시동정지(coast-down) 시에는 사이클 #122의 말미인 527^o~528^oCA이다. 이때 마모 해석을 위해 각각 0.

이론/모형

위 논문에서 저자들은 시동 시 와 시동정지 시 동안 측정한 저어널베어링의 축에 대한 각속도[2, 3]와 계산한 베어링 하중을 이용하여 모빌리티(mobility) 방법[1, 2, 4-5]에 의해서 베어링 편심율의 변화를 계산하였다. 그 다음으로 두 대면하는 표면이 혼합윤활영역에 있는 지를 판단하기 위하여 저어널베어링 축에 대한 리프트-오프(lift-off) 속도[6]를 구하였다.
그 다음으로 두 대면하는 표면이 혼합윤활영역에 있는 지를 판단하기 위하여 저어널베어링 축에 대한 리프트-오프(lift-off) 속도[6]를 구하였다. 나아가 저어널베어링의 일반적인 유막 두께 형상[7, 8]을 기초로 하여 마모 자국을 고려한 수정 유막 두께를 계산하기 위해 그들이 개발한 방정식을 사용하였다. 또한 Ligterink 등[9]이 제안한 그래프로 제시된 저어널베어링의 실험적 마모율(k)을 사용하였다.
측정된 각속도 및 계산된 변동하중 하에서 모빌리티(mobility) 방법[1-2, 4-5]을 적용하여, 각 크랭크 각에서의 편심율을 계산하였다.

성능/효과

저 하중을 받는 베어링 #2의 중심 편심량은 시동 사이클에서는 감소하였고, 시동정지 사이클에서도 증가하였다. 두 베어링의 편심율 변화로부터 얻은 축 경사각과 비정렬도는 시동 사이클에서는 감소하고, 시동정지 사이클에서는 증가하였다.
3. 저 하중을 받는 베어링 #2에서의 베어링 가장자리에서의 유막 두께는 시동 초기에만 514.02 ^oC일 때 180^oBA에서 혼합탄성유체윤활 상태에 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저어널베어링의 마모는 어떠한 상황에서 발생되는가?	일반적으로 저어널베어링에서의 마모는 시동 시작 시 및 시동정지 직후의 짧은 기간 동안, 축이 기울어져서 작동할 때, 혹은 베어링 틈새에 마모파편과 같은 오염물이 있을 때, 또는 과부하나 고온상태에서 일어난다. 이러한 조건하에서는 저어널베어링과 축 사이의 두 표면의 윤활 상태는 순수 유체윤활상태가 아닐 수 있으며 혼합탄성유체윤활 혹은 심지어 경계윤활영역으로 전이된다.
	베어링 축이 경사진 상태에서 운전될시 발생하는 문제점은 무엇인가?	즉 조립 여건 및 다양한 하중과 속도로 인해 베어링 축이 경사진 상태에서 운전되기가 쉽다. 특히 초기 운전 시 베어링 하중의 불균형으로 베어링 축이 한 쪽으로 기울어져 베어링 부시와 밀착된 상태에서 시동될 때, 국부적으로 유막이 매우 얇은 상태가 잠시 동안 유지되면서 마모가 발생한다.
	자동으로 시동을 끄고 켜는 스위치의 문제점은 무엇인가?	나아가 연구결과로부터 최근 차량 운전 중 브레이크 작동에 의하여 일시적으로 차량을 정지할 때 연료 소모를 줄이기 위하여 자동으로 시동을 끄고 켜는 스위치를 신차에 부착하는데, 이는 잦은 정지 및 출발로 인하여 발생되는 마모가 엔진내구성에 부정적인 효과를 낳을 수 있으므로 조심스러운 고려가 요구된다고 지적하였다.

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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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