고하중 회전축의 윤활성능 향상을 위한 마찰저감기구에 관한...

항공우주시스템공학회 2017년도 추계학술대회 SASE 2017 Fall Conference

1. 서 론

일반적으로 횡하중이 작용하는 회전축은 하중을 지

지하고 윤활성능을 확보하기 위해 회전축 양단에 구름

베어링이 장착된다. 구름 베어링은 고속 회전에 유리

하고 우수한 윤활 성능을 가지므로 마찰 손실이 거의

없다는 장점을 가진다. 하지만 회전축에 가해지는 횡

하중의 크기에 따라 구름 베어링의 크기도 커지기 때

문에 높은 횡하중을 견디기 위해서는 그에 상응하는

크기의 베어링이 필요하다. 따라서 높은 횡하중을 견

뎌야 하는 회전축에 구름 베어링을 적용할 경우 전체

시스템의 크기가 커지는 단점이 있다. 이러한 회전축

시스템은 내부 공간 및 중량이 제한되는 시스템에 적

용하는데 한계가 있다.

이와 같이 작용 하중은 크지만 장착 공간 및 무게가

제한된 회전 시스템에는 주로 미끄럼 베어링이 사용된

다. 미끄럼 베어링은 회전속도는 느리지만 면 접촉에

의해 하중이 지지되므로 높은 횡하중을 견딜 수 있으

며, 상당히 높은 온도에서 운용할 수 있다 [1-2]. 반

면에 이러한 미끄럼 베어링은 구름 베어링에 비해 윤

활성능이 좋지 않다는 단점이 있다. 이에 따라 미끄럼

베어링의 윤활성능 향상을 위한 연구가 꾸준히 진행되

었으나 회전축 또는 베어링의 표면 텍스쳐링에 대한

연구가 주를 이루었다 [3-7].

본 논문에서는 매우 높은 횡하중을 받는 회전축의

윤활 성능을 향상시키기 위한 방안으로 와셔를 적용한

회전축 설계 안을 제시하였다. 높은 횡하중을 받는 회

전축은 스트리벡 곡선의 혼합윤활 또는 경계윤활 영역

에 위치한다. 이 영역에서는 회전축과 하우징의 표면

이 고체마찰에 의해 손상 될 수 있으며, 이 손상에 의

해 윤활성능이 급격히 감소할 수 있다. 본 연구에서는

회전축과 하우징 사이의 고체마찰에 의한 윤활성능 저

하를 방지하기 위해 회전축과 하우징 사이에 와셔를

적용하였다. 합금공구강으로 제작된 일반 단일 와셔,

딤플형 단일 와셔, 딤플형 2중 와셔 등 3종의 와셔를

시험하여 윤활특성을 실험적으로 비교, 검증하였다.

고하중 회전축의 윤활성능 향상을 위한 마찰저감기구에 관한연구

김용대1,†· 최현영2· 성호용2· 최종수3

1경일대학교2국방과학연구소

3두산모트롤

Study on Friction Reducing Mechanism Using Washers for Application to Rotating Shaft Subjected to Very High Side Load

Yongdae Kim1,†, Hyun Young Choi2, Ho Yong Sung2 and Jong Su Choi2 1Kyungil Univ.

2Agency for Defense Development3Doosan Mottrol

Abstract : 본 논문에서는 베어링이 적용되지 않은 고하중 회전축의 윤활 성능을 향상시키기 위한 설계 방안이 기술되어 있다. 횡방향으로 큰 힘이 작용하는 회전축의 윤활성능을 향상시키기 위해 일반적으로 레이디얼 베어링이 장착된다. 하지만 횡하중의 크기에 따라 레이디얼 베어링의 크기도 비례하여 커지기 때문에 높은 횡하중을 견디기 위해서는 그에 상응하는 크기의 베어링이 필요하다. 이러한 회전축은 소형시스템과 같이 내부공간이 제한된 경우 적용하는데 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 베어링을 적용하지 않고 윤활성능을 향상시킬 수 있는 다양한 설계방안을 제안하였으며, 각각의 실험 결과를 기술하였다.

Key Words : Dimple(딤플), High load(고하중), Lubrication performance(윤활성능), Rotating shaft(회전축), Side load(횡하중), Washer(와셔)

†교신저자 ( Corresponding Author )E-mail: [email protected] Ⓒ The Society for Aerospace System

Engineering

FB2-1

249


Fig. 1 Schematic of rotating shaft

assembly

Fig. 2 Cross section of rotating shaft

assembly without washer

2. 회전축 설계

본 논문에서 제안한 회전축 조립체는 그림 1과 같이

회전축, 하우징, 토크암, 러그, 너트, 돌출보로 구성된

다. 횡하중 (P)이 돌출보 끝단에 가해진 후 토크암의

끝단에 작동력(FACT)이 가해지면 회전축이 횡하중을 받

으면서 회전을 하게 된다.

그림 2와 3은 각각 미끄럼 베어링 형태의 기존 회

전축 설계 안과 와셔가 장착된 신규 설계 안의 단면을

보여주고 있다. 회전축은 STS630으로 제작된 후 표면

경도를 향상시키기 위해 CrN으로 코팅이 되었다. 회전

축 하우징은 STD11로 제작 되었고, 열처리를 통해 표

면 경도를 향상시켰다. 회전축과 하우징 사이의 마찰

을 줄이기 위해 회전축과 하우징 모두 건식윤활제

(Dicronite, LSI) 로 코팅을 하였다. 또한 회전축과 하

Fig. 3 Cross section of rotating shaft

assembly in which washers are

installed

Washer type

Surface texturing

Number of pieces

Thickness

ATSW 1 Plain-plain Single 2.5 mm

ATSW 2 Dimpled-plain Single 2.5 mm

ATSW 3 Dimpled-plain Dual 1.25 mm

Table 1 Geometries of washers

우징 사이에 윤활유 (DSF-5000, Superior Industries)

를 주입하여 회전축 조립체의 윤활 성능을 향상시켰

다.

그림 3에서 보는 바와 같이 본 연구에서 제시한 설

계 안은 회전축의 양쪽 끝에 와셔가 설치된 형태이다.

본 연구에서는 표 1과 같이 3종의 와셔가 제작되었다.

ATSW 1은 일반형 단일 와셔를 의미하며, ATSW 2는

와셔 한쪽 면에만 딤플이 형성되어 있는 딤플형 단일

와셔를 의미하고, ATSW 3는 와셔 한쪽 면에만 딤플이

형성되어 있는 2중 와셔를 의미한다. 단일 와셔 회전

축은 그림 3과 같이 회전축 양 끝단에 와셔가 한 개씩

장착이 되어 있는 형태를 가지며, 2중 와셔 회전축은

회전축 양 끝단에 와셔가 두 개씩 장착이 되는 형태를

가진다. 와셔는 회전축 하우징과 동일한 재질인

STD11로 제작되었다. 그림 4 (a), (b)는 각각 일반형

와셔, 딤플형 와셔를 보여주고 있다. 딤플의 형상은 그

림 4 (b)에서 보듯이 직경이 1.3 mm이고 깊이가 0.4

mm 인 구형이며, 표면 밀도는 약 15 %이다.

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(a) (b)

Fig. 4 Geometries of the washers; (a) alloy

tool steel washer without dimple, (b)

alloy tool steel washer with dimples

Fig. 5 Experimental setup for side-load test

3. 실험

그림 5의 시험장치를 이용하여 회전축 조립체의 윤

활성능을 평가하였다. 시험장치는 회전축 조립체를 고

정하기 위한 지지구조물, 돌출보 끝에 횡하중을 가하

기 위한 유압실린더, 횡하중 측정을 위한 로드셀, 회전

량을 측정하기 위한 엔코더로 이루어져 있다. 구동력

(FACT)측정이 가능한 구동시스템을 이용하여 토크암 끝

부분에 힘을 가함으로써 회전축을 구동시켰다. 횡하중

값은 유압 펌프에 조립된 로드셀 (YC60-500K,

Setech)을 사용하여 측정했다. 로드셀과 돌출보 사이

의 마찰을 줄이기 위해 돌출보 끝 부분에 볼 베어링

(6205, FAG)을 설치했다.

본 연구에서는 각 와셔의 윤활성능을 상호 비교하기

위해 식 (1)과 같이 등가마찰계수 μeq를 정의하였다.

∙

(1)

식 (1)에서 K는 회전축 조립체의 전체형상계수를 의미

하며 107 mm의 값을 가진다.

Fig. 6 Comparison of equivalent friction

coefficient of rotating shaft as a

function of side load (1st test)



function of side load (2nd test)

4. 결과 및 고찰본 연구에서는 각 회전축 조립체에 대하여 동일 시

험을 3 번 반복하여 시험 횟수에 따른 마찰특성을 조

사하였다. 첫 번째 시험에서 회전축의 횡하중에 따른

등가마찰계수를 비교 한 결과 그림 6과 같다. 와셔가

장착된 회전축의 윤활성능은 와셔가 장착되지 않은 회

전축 대비 약 2배가량 향상되었다. 이는 와셔가 높은

횡하중을 받는 회전축의 마찰성능을 향상시키는 데 효

과적이었음을 나타낸다.

그림 7 및 8은 각각 두 번째, 세 번째 시험 결과를

보여주고 있다. 그림 6, 7, 8에서 ASTW 1과 ASTW 2

를 비교함으로써 딤플이 윤활성능에 미치를 영향을 파

251




function of side load (3rd test)

악할 수 있다. 첫 번째 두 번째 시험에서 딤플형 단일

와셔의 윤활성능이 일반형 단일 와셔의 윤활성능보다

낮은 것으로 나타났다. 이전 연구 [7-10]에서 딤플이

미끄럼 베어링의 마찰을 줄이는 데 효과적이라는 것이

보고되었기 때문에 딤플형 와셔의 윤활 성능이 일반형

와셔보다 우수 할 것으로 예상되었다. 그러나 첫 번째,

두 번째 시험에서 반대의 결과가 나타났다. 이것은 고

하중 조건에서 딤플형 와셔의 접촉압력 (contact

pressure)이 증가했기 때문이다. 유체윤활 영역에서는

고체마찰이 발생하지 않기 때문에 와셔와 하우징이 직

접 접촉을 하지 않는다. 따라서 이 영역에서는 이전

연구의 결과대로 딤플이 윤활성능 향상에 도움을 줄

수 있다. 하지만 본 연구에서는 큰 횡하중으로 인해

회전축과 하우징의 표면이 직접 접촉하는 고체마찰이

발생한다. 이 경우 딤플형 와셔는 딤플이 15%의 면적

을 점유하기 때문에 그만큼 접촉면적 (contact area)

이 줄어들고, 이로 인해 접촉압력이 증가하게 된다. 따

라서 고하중 조건에서는 딤플이 오히려 윤활 성능을

저하시키는 것으로 판단한다. 하지만 세 번째 시험 (그

림 8)에서 일반형 와셔(ATSW 1)의 등가마찰계수가 급

격히 증가하여 딤플형 와셔보다 큰 값을 나타내었다.

이를 통해 운용 초기에는 일반형 와셔의 윤활성능이

딤플형 와셔보다 우수하지만 시간이 지남에 따라 딤플

형 와셔의 안정성이 더 우수하다는 것을 알 수 있었

다.

딤플형 2중 와셔에 대한 시험 결과를 보면, 첫 번째

시험에서 횡하중이 380 kgf 보다 작을 경우 가장 우수

한 윤활성능을 나타내었으나 380 kgf 보다 큰 횡하중

에서 일반형 단일 와셔보다 윤활성능이 낮은 특성을

나타냈다. 하지만 시험을 거듭할수록 딤플형 2중 와셔

의 윤활성능이 향상되었으며, 세 번째 시험에서는 모

든 횡하중 조건에서 가장 우수한 윤활성능을 나타내었

다. 따라서 딤플형 2중 와셔가 고하중을 받는 회전축

의 윤활성능을 향상시키는데 가장 적합함을 알 수 있

었다.

5. 결론미끄럼 베어링의 윤활성능 향상을 위한 기존 연구에

서는 회전축 또는 베어링의 마이크로 딤플 등 표면 텍

스쳐링에 대한 연구가 주로 수행되었다. 본 연구에서

는 고하중 조건에서 작동하는 회전축의 윤활성능을 향

상시키기 위해 와셔를 적용한 설계 안을 제시하였다.

합금공구강으로 제작된 일반형 단일 와셔, 딤플형 단

일 와셔, 딤플형 2중 와셔 등 총 3종의 와셔가 제작된

후 시험을 통하여 윤활특성이 비교, 검증되었다. 시험

은 같은 조건에서 총 3회 실시하였다.

시험 결과 와셔를 적용한 회전축 조립체의 윤활성능

이 기존 회전축 설계에 비해 최대 2배까지 향상되었

다. 이를 통해 와셔가 고하중 회전축의 윤활성능 향상

에 매우 효과적이었음을 알 수 있었다.

3종의 와셔 중 딤플형 2중 와셔의 윤활성능이 전체

적으로 양호한 결과를 나타내었으며, 시험을 거듭할수

록 상향 안정화되었다. 이를 통해 높은 횡하중을 받는

회전축의 윤활성능을 향상시키는데 딤플형 2중 와셔가

가장 적합하다고 판단한다.

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