A Study on Friction Force Reduction of Moving Parts of Engine Generator for Range Extended Electric Vehicle

(1)

< 기 술 논 문 >

RE-EV용 엔진 발전기의 구동 부품의 마찰력 저감에 관한 연구

나 완 용

^*

신성대학교 자동차공학과

A Study on Friction Force Reduction of Moving Parts of Engine Generator for Range Extended Electric Vehicle

Wan Yong Rha

^*

Department of Automotive Engineering, Shinsung University, Chungnam 343-861, Korea (Received 6 January 2014 / Revised 20 January 2014 / Accepted 14 March 2014)

Abstract : Recently, there has been an active study about friction force of moving parts for automotive. This study is development and evaluation of oil pockets for journal bearing and tappet valve for range extended electric vehicle.

Specially , oil pockets are effect on friction force depend on pitch, size, depth. In this study, fine oil pocket was formed using by etched texturing on the journal bearing and tappet valve. And oil pocket analyzed by SEM and friction force test was carried out by tensile tester. Finally, in this study, it was suggested by round and plane part which journal besring and tappet valve.

Key words : Micro texturing(마이크로 텍스처링), Etching(에칭), Friction force(마찰력), Oil pocket(오일 포켓), Rang extended electric vehicle(주행거리연장형 전기자동차), Engine generator(엔진 발전기)

1. 서 론

¹⁾

유럽의 배출가스 규제와 이산화탄소 배출량 저감 에 따라서 친환경자동차 개발이 이루어지고 있으며 특히, 전기자동차가 급속도로 개발 보급을 추진하 고 있다.

본 논문에서는 전기자동차의 주행거리를 연장시키 는 기술 중의 하나인 레인지 익스텐디드(range extended) 전기 자동차용 엔진 발전기의 핵심 요소 부품인 태 핏밸브(tappet valve)와 저널 베어링(journal bearing) 의 마찰저감을 위한 마이크로 텍스처링 가능성, 방 법 및 공정을 개발하고 이에 따른 마찰계수의 저감 정도를 파악하여 본 엔진에 적용하고자 하였다.

구동 부품에 대한 마찰 계수 저감을 위한 연구는 많은 연구자들

^1-3)

에게 의하여 연구가 진행되었으며

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

DLC 코팅 방법,

⁴⁾

코팅 방법 등 다양하게 적용 대상 부품

^5-7)

을 선정하여 연구를 해왔다.

특히, 엔진의 구동 부품 중 실린더 라이너는 주로 레이저 호닝을 활용하여 적용하고 있으나 원가 상 승 등의 문제점과 원활한 딤플(dimple) 또는 오일 포 켓(oil pocket) 형성이 어려워 본 논문에서는 레이저 호닝에 비해 제조원가가 저렴한 오일 포켓 생성 방 법, 과정, 포켓 공정을 개발하여 주행거리 연장형 전 기자동차 엔진 발전기의 구동 부품인 태핏, 저널 베 어링에 적용하고자 하였다.

본 공정을 개발하여 향후에는 단실린더용 캠 노 브(cam nobe)에도 적용할 예정이다.

주행거리 연장형 엔진발전기용 엔진은 OHV형태

로 엔진이 중고부하영역에서 운전을 하기 때문에

내마모성이 요구되며 엔진 구동계의 마찰저항 감소

로 엔진의 효율행상과 구동 부품의 마찰마모를 저

(2)

RE-EV용 엔진 발전기의 구동 부품의 마찰력 저감에 관한 연구

Fig. 1 Schematic design of etching apparatus

감하는 역할이 매우 중요하다고 사료된다.

따라서, 본 논문에서는 구동 부품인 저널 베어링 과 테핏 밸브를 대상으로 딤플을 형성하여 마찰에 대한 평가하여 그 영향을 파악하고자 하였다.

2. 연구 내용 및 결과

2.1 공정 설계

오일 포켓을 형성하기 위한 기술은 호닝, 레이저 호닝, 에칭(etching) 또는 마이크로 텍스처링(micro texturing)등의 기술이 있으나 본 연구에서는 원가 등 을 고려하여 에칭 공법을 개발 적용하고자 하였으며

Photo. 1 Types, size of oil pocket

Fig. 1은 에칭의 주요 공정 장치를 나타낸 것이며 주 된 공정은 탈지공정, PR도포 공정, 필름 부착 후 UV 를 조사하여 현상액을 투입한 후 에칭, 박리를 거쳐 서 원하는 오일 포켓 형상을 Photo. 1과 같이 얻었다.

2.2 저널 베어링 에칭

RE-EV용 엔진 발전기에서 가장 많이 부하를 받 는 것으로 예상되는 저널 베어링에 대하여 에칭을 실시하여 마찰력을 평가하였다.

Photo. 2는 에칭 전, 후의 시료를 나타낸 것이며 Photo. 3은 에칭한 오일 포켓의 형상을 상세하게 나 타낸 것이다.

2.2.1 저널 베어링 마찰력 평가

Photo. 4는 저널 베어링의 마찰력 평가를 위한 시 험 평가 장비를 나타낸 것이며 Table 1은 에칭 전과 후의 마찰력 평가를 나타낸 것이다.

시료 5개에 대하여 에칭 전후 비교 평가한 결과 에 칭 전의 마찰력은 4.322N, 에칭 후의 마찰력은 3.695N으로 에칭 후가 양호하다는 것을 확인하였다.

2.3 태핏 밸브 에칭

태핏 밸브의 에칭 전,후의 마찰력을 비교 평가하

기 위하여 Photo. 5와 같이 에칭을 실시하였다.

(3)

Wan Yong Rha

(a) Before etching

(b) After etching

Photo. 2 Comparisions of etching of journal bearing

Photo. 3 Details of oil pocket for journal bearing

Table 1 Test results of sample between non-etching and etching for journal bearing

Sample no. Maximum friction

force (N) Average(N)

Non-etching of bearing

Sample no. 1 4.214

4.322 Sample no. 2 4.361

Sample no. 3 4.312 Sample no. 4 4.273 Sample no. 5 4.361

Etching of bearing

Sample no. 1 3.606

3.695 Sample no. 2 3.332

Sample no. 3 3.646 Sample no. 4 3.910 Sample no. 5 3.979

Photo. 4 Test equipments of friction force

Photo. 5 Oil pocket of etching for tappet valve

Photo. 5는 Photo. 4의 장비를 이용하여 에칭을 실 시하였으며 에칭 전후의 마찰력 평가는 Table 2와 같으며 저널 베어링과 같이 미에칭한 밸브는 3.459N, 에칭한 밸브는 2.911N으로 에칭한 태핏 밸브가 마 찰력이 저감됨을 알 수 있었다.

Table 2 Test results of sample between non-etching and etching for tappet valve

Sample no. Maximum friction

force (N) Average (N) Non-etching of

bearing

Sample no. 1 3.724

3.459 Sample no. 2 3.234

Sample no. 3 3.430 Etching of

bearing

Sample no. 1 3.234

2.911 Sample no. 2 2.744

Sample no. 3 2.744

(4)

A Study on Friction Force Reduction of Moving Parts of Engine Generator for Range Extended Electric Vehicle

(a) SEM photography of tappet valve

(b) SEM photography of journal bearing

Photo. 6 SEM photography of tappet valve and journal bearing

Table 3 SEM analysis of oil pocket size (unit:μm) Parts Sample Area 1

point 2 point

3 point

4 point

5 point

6 point 평균

Tappet valve

#1

1 1032 1019 1032 1040 1023 1048 1032.3 2 911 894 903 907 890 886 898.5

3 1531 1465 - - - - 1498

4 112 110 116 100 100 - 107.6

#2

1 1028 1023 1032 1015 1044 1036 1029.7 2 903 890 894 890 907 903 897.8

3 1516 1491 - - - - 1503

4 102 102 114 119 104 114 109.2

Journal bearing

#1

1 490 452 521 505 474 443 480.8 2 427 378 406 381 402 399 398.8 3 547 512 515 583 578 571 551 4 130 123 132 123 127 127 127

#2

1 646 449 568 643 428 571 550.8 2 421 356 399 396 359 374 384.2 3 519 351 567 551 562 554 517.3 4 164 103 143 146 146 136 139.7

Sample Point X30 (scale) X60 (scale)

1 1

2

2 1

2

(a) Oil pocket size of tappet valve Sample Point X30 (scale) X60 (scale)

1 1

2

Sample Point X30 (scale) X60 (scale)

2 1

2

(b) Oil pocket size of journal bearing

Photo. 7 SEM photography of oil pocket for tappet valve and journal bearing

Photo. 6과 Photo. 7은 저널 베어링과 태핏 밸브의

오일 포켓 형상을 SEM 분석을 실시하여 포켓의 피

치, 형상, 크기를 비교한 것이다.

(5)

나완용

이러한 오일 포켓 형상은 마찰계수 저감에 큰 영 향을 주기 때문에 포켓의 형상과 크기, 깊이 등은 아 주 중요하지만 본 연구에서는 오일 포켓의 형상에 따른 마찰력 저감만을 고려하여 평가하였다.

Table 3은 각 측정 영역에서의 측정한 값을 나타 낸 것으로서 각각 시료마다의 크기가 상이하나 이 는 수작업에 의한 것으로 향후 자동화로 에칭을 할 경우에는 각 시료마다의 크기 편차가 줄어들 것으 로 사료된다.

3. 결 론

RE-EV용 엔진 발전기용 구동계 부품인 저널 베 어링과 태핏 밸브에 대하여 마찰계수 저감을 위한 연구로 오일 포텟을 위한 에칭 공정을 개발하여 마 찰력 평가를 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 평면 형상뿐만 아니라 곡면 형상을 가진 저널 베 어링과 같은 부품에도 오일 포켓 제작이 가능함 을 확인하였으며 특히, 곡면 형상의 경우는 에칭을 위한 특수 장치의 제작이 필요함을 파악하였다.

2) 저널 베어링(메탈 베어링)의 경우 에칭 전후 마 찰력을 측정한 결과 에칭한 경우 마찰력이 저감 됨을 알 수 있었으며 태핏 밸브의 경우도 에칭한 경우 마찰력이 저감됨을 알 수 있었다.

3) 저널 베어링과 태핏 밸브를 선정하여 에칭을 실 시한 결과 에칭 크기, 피치, 깊이 등이 마찰력 저 감에 영향을 미치는 것을 재확인함이 가능하였 으며 향후에는 마찰력 저감에 중요한 요인이 되 는 변수에 대하여 마찰계수 저감 평가가 필요함 을 파악하였다.

4) 본 기술개발 결과에 의하여 RE-EV용 엔진 발전 기의 구동부품인 캠 샤프트, 실린더 라이더 등에 도 적용 가능함을 제시할 수 있었다.

후 기

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)의 재원으로 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행한

“그린 전기자동차(RE-EV) 실용화 연구기반 구축사 업” 과제입니다.

References

1) S. Cho, S. Choi and C. Bae, “The Frictional Modea of Baerrel Ahaped Piaton Ring under Flooded Lubrication,” Transactions of KSAE, Vol.8, No.3, pp.56-64, 2000.

2) S. M. Kim, D. H. Kim, C. K. Lee and S. H. Noh,

“Development of Hinge Bearings Adoptable Wear Resistance Multi-layer Coating Techno- logy,” KSAE Annual Conference Proceedings, pp.1169-1172, 2013.

3) J. Seo, B. Na, J. Kim, S. Park, Y. Lee and D.

Lim, “A Study of Cam & Tappet by Low Fric- tion/Wear Coating,” KSAE07-F0008, 2007.

4) S. Yoo, Y. Ahn and K. Kim, “Effect of DLC Coating-layer on Engine Wear Characteristics for Improving Fuel Consumption of Automo- tive Engine,” KSAE Annual Conference Pro- ceedings, KSAE08-A0118, 2008.

5) R. L. Fusaro, “Lubrication of Space System,” J.

of the Society of Tribologists and Lubrication Engineers, Vol.51, pp182-194, 1995.

6) H. Kong, H. G. Han, E. S. Yoon, O. K. Kwon and N. K. Mysshkin, “Evaluation of the Wear Life of MoS2-bonded-films in Tribo-testers with Different Contact Configuration,” Wear, Vol.215, pp.25-33, 1998.

A Study on Friction Force Reduction of Moving Parts of Engine Generator for Range Extended Electric Vehicle

< 기 술 논 문 >

RE-EV용 엔진 발전기의 구동 부품의 마찰력 저감에 관한 연구

나 완 용

A Study on Friction Force Reduction of Moving Parts of Engine Generator for Range Extended Electric Vehicle

Wan Yong Rha

1. 서 론

유럽의 배출가스 규제와 이산화탄소 배출량 저감 에 따라서 친환경자동차 개발이 이루어지고 있으며 특히, 전기자동차가 급속도로 개발 보급을 추진하 고 있다.

구동 부품에 대한 마찰 계수 저감을 위한 연구는 많은 연구자들

에게 의하여 연구가 진행되었으며

DLC 코팅 방법,

코팅 방법 등 다양하게 적용 대상 부품

을 선정하여 연구를 해왔다.

본 공정을 개발하여 향후에는 단실린더용 캠 노 브(cam nobe)에도 적용할 예정이다.

주행거리 연장형 엔진발전기용 엔진은 OHV형태

로 엔진이 중고부하영역에서 운전을 하기 때문에

내마모성이 요구되며 엔진 구동계의 마찰저항 감소

로 엔진의 효율행상과 구동 부품의 마찰마모를 저

감하는 역할이 매우 중요하다고 사료된다.

따라서, 본 논문에서는 구동 부품인 저널 베어링 과 테핏 밸브를 대상으로 딤플을 형성하여 마찰에 대한 평가하여 그 영향을 파악하고자 하였다.

2. 연구 내용 및 결과

오일 포켓을 형성하기 위한 기술은 호닝, 레이저 호닝, 에칭(etching) 또는 마이크로 텍스처링(micro texturing)등의 기술이 있으나 본 연구에서는 원가 등 을 고려하여 에칭 공법을 개발 적용하고자 하였으며

Fig. 1은 에칭의 주요 공정 장치를 나타낸 것이며 주 된 공정은 탈지공정, PR도포 공정, 필름 부착 후 UV 를 조사하여 현상액을 투입한 후 에칭, 박리를 거쳐 서 원하는 오일 포켓 형상을 Photo. 1과 같이 얻었다.

RE-EV용 엔진 발전기에서 가장 많이 부하를 받 는 것으로 예상되는 저널 베어링에 대하여 에칭을 실시하여 마찰력을 평가하였다.

Photo. 2는 에칭 전, 후의 시료를 나타낸 것이며 Photo. 3은 에칭한 오일 포켓의 형상을 상세하게 나 타낸 것이다.

Photo. 4는 저널 베어링의 마찰력 평가를 위한 시 험 평가 장비를 나타낸 것이며 Table 1은 에칭 전과 후의 마찰력 평가를 나타낸 것이다.

시료 5개에 대하여 에칭 전후 비교 평가한 결과 에 칭 전의 마찰력은 4.322N, 에칭 후의 마찰력은 3.695N으로 에칭 후가 양호하다는 것을 확인하였다.

태핏 밸브의 에칭 전,후의 마찰력을 비교 평가하

기 위하여 Photo. 5와 같이 에칭을 실시하였다.

Photo. 5는 Photo. 4의 장비를 이용하여 에칭을 실 시하였으며 에칭 전후의 마찰력 평가는 Table 2와 같으며 저널 베어링과 같이 미에칭한 밸브는 3.459N, 에칭한 밸브는 2.911N으로 에칭한 태핏 밸브가 마 찰력이 저감됨을 알 수 있었다.

Photo. 6과 Photo. 7은 저널 베어링과 태핏 밸브의

오일 포켓 형상을 SEM 분석을 실시하여 포켓의 피

치, 형상, 크기를 비교한 것이다.

이러한 오일 포켓 형상은 마찰계수 저감에 큰 영 향을 주기 때문에 포켓의 형상과 크기, 깊이 등은 아 주 중요하지만 본 연구에서는 오일 포켓의 형상에 따른 마찰력 저감만을 고려하여 평가하였다.

Table 3은 각 측정 영역에서의 측정한 값을 나타 낸 것으로서 각각 시료마다의 크기가 상이하나 이 는 수작업에 의한 것으로 향후 자동화로 에칭을 할 경우에는 각 시료마다의 크기 편차가 줄어들 것으 로 사료된다.

3. 결 론

RE-EV용 엔진 발전기용 구동계 부품인 저널 베 어링과 태핏 밸브에 대하여 마찰계수 저감을 위한 연구로 오일 포텟을 위한 에칭 공정을 개발하여 마 찰력 평가를 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 평면 형상뿐만 아니라 곡면 형상을 가진 저널 베 어링과 같은 부품에도 오일 포켓 제작이 가능함 을 확인하였으며 특히, 곡면 형상의 경우는 에칭을 위한 특수 장치의 제작이 필요함을 파악하였다.

2) 저널 베어링(메탈 베어링)의 경우 에칭 전후 마 찰력을 측정한 결과 에칭한 경우 마찰력이 저감 됨을 알 수 있었으며 태핏 밸브의 경우도 에칭한 경우 마찰력이 저감됨을 알 수 있었다.

4) 본 기술개발 결과에 의하여 RE-EV용 엔진 발전 기의 구동부품인 캠 샤프트, 실린더 라이더 등에 도 적용 가능함을 제시할 수 있었다.

후 기

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)의 재원으로 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행한

“그린 전기자동차(RE-EV) 실용화 연구기반 구축사 업” 과제입니다.

References

1) S. Cho, S. Choi and C. Bae, “The Frictional Modea of Baerrel Ahaped Piaton Ring under Flooded Lubrication,” Transactions of KSAE, Vol.8, No.3, pp.56-64, 2000.

2) S. M. Kim, D. H. Kim, C. K. Lee and S. H. Noh,

“Development of Hinge Bearings Adoptable Wear Resistance Multi-layer Coating Techno- logy,” KSAE Annual Conference Proceedings, pp.1169-1172, 2013.

3) J. Seo, B. Na, J. Kim, S. Park, Y. Lee and D.

Lim, “A Study of Cam & Tappet by Low Fric- tion/Wear Coating,” KSAE07-F0008, 2007.

4) S. Yoo, Y. Ahn and K. Kim, “Effect of DLC Coating-layer on Engine Wear Characteristics for Improving Fuel Consumption of Automo- tive Engine,” KSAE Annual Conference Pro- ceedings, KSAE08-A0118, 2008.

5) R. L. Fusaro, “Lubrication of Space System,” J.

of the Society of Tribologists and Lubrication Engineers, Vol.51, pp182-194, 1995.

6) H. Kong, H. G. Han, E. S. Yoon, O. K. Kwon and N. K. Mysshkin, “Evaluation of the Wear Life of MoS2-bonded-films in Tribo-testers with Different Contact Configuration,” Wear, Vol.215, pp.25-33, 1998.

7) H. F. Barry, “Factors Relating to the Performance

of MoS2 as a Lubricant,” Lubrication Enginee-

ring, Vol.33, pp.475-480, 1997.