Experimental Study on the Friction Characteristics of Pin-Bush Bearing Metals for Diesel Engine

Bearing Metals for Diesel Engine

Chung Kyun Kim

and Kyung Seob Kim

Research Center for Tribology, Mechatronics and Energy Technology Center, Hongik University

(Received September 2, 2009; Revised November 13, 2009; Accepted November 30, 2009)

Abstract − This paper presents the hardness and friction characteristics of pb-free pin-bush bearing metal, which is manufactured by a centrifugal casting technology. A bronze metal with a high hardness and low friction prop- erties is usually used for Diesel engine pin-bush bearing and high pressure cylinder. Pb-free metal for pin-bush bearings shows a little high hardness of 120 Hv compared with that of a conventional Pb bearing metal of 100~110 Hv. In general, the friction coefficient of pin-bush bearings is affected by a rotating speed and a load for various rubbing contact modes. But a contact load is more influential parameter when the contact rubbing mode transits from a mixed lubrication to a dry friction contact. The experimental result shows that the friction coefficient is more unstable at the dry contact mode compared with that of other two rubbing modes such as oil film contact and mixed friction conditions.

Keywords − pin-bush bearing( 핀부시 베어링 ), hardness( 경도 ), friction characteristics( 마찰특성 ), friction coefficient( 마찰계수 ), diesel engine( 디젤엔진 )

1. 서 론

자동차에서 디젤엔진은 고출력과 고효율에 따른 폭 발압력이 높고 , 고속회전에 따른 윤활접촉 마찰조건이 열악하여 점도가 높은 오일을 사용한다 . 연소과정에 발 생하는 폭발압력과 연소온도가 엔진의 피스톤 헤드에 가해지면서 전달되는 충격압력과 전도열은 1 차적으로 커넥팅로드의 소단부 (small end) ^{에 삽입된 핀부시} (pin-

bush) 에 영향을 미치게 된다 . 피스톤핀에 조립된 핀부

시는 전달된 충격력을 피스톤핀과 핀부시 사이에 형성 된 유막과 핀부시 자체의 기계적 강도로 지지한다 [1].

디젤엔진용 핀부시는 기계적 강도와 트라이볼로지 마 찰거동 특성이 우수해야 충격하중과 커넥팅로드의 진자 회전운동에 따른 윤활유막 형성이 원활하게 진행되어 피스톤 - 실린더 사이의 안정된 왕복운동을 보장하고 , 미 끄럼 마찰접촉부에서 발생되는 마찰손실의 저감과 블루 바이 현상 차단에 의한 출력증대에 기여하게 된다 [2].

디젤엔진의 핀부시는 피스톤의 헤드표면에 의해 공급 되는 폭발압력을 커넥팅로드의 소단부 구조물에 전달하 고 , 핀부시의 강도와 조립성을 확보할 수 있도록 하기 위해 백메탈 소재로 강재를 사용한다 . 또한 , 백메탈의 내 경부에는 베어링 역할을 담당할 인청동 계열의 합금소재 로 피스톤핀과의 원활한 윤활작용 , 저마찰 및 내마멸 특

성을 감당할 핀부시를 복합소재 형태로 제작한다 [3-5].

†주저자·책임저자

: [email protected]

410 김청균·김경섭

최근에는 자동차의 부품에 친환경 소재를 사용하여 유해물질이나 유해금속, 환경오염을 유발하는 물질은 모두 사용할 수 없도록 규제하고 있다[6]. 따라서 자동 차 용품으로 중요한 부품인 베어링을 포함하여 윤활유, 브레이크 등에 납, 카드늄, 석면 등을 사용한 제품은 더 이상 사용할 수 없다.

자동차 부품에 대한 환경규제에 맞추어 본 연구에서 는 유해성분으로 사용이 금지된 납(Pb)을 배제하고, 비 스무트(Bi)를 혼합한 핀부시 베어링을 새롭게 제작하 여 마찰거동 특성에 대한 기초적인 실험적 연구를 수 행하였다.

2. 핀부시 및 실험방법

2-1. 핀부시 시편

본 실험에서 사용한 핀부시 시편은 동 82~92%, 주 석 7~13%, 비스무트 1~5% 정도를 혼합하여 원심주조 로 제작한 인청동 계열의 친환경 소재이다. 이것은 기

존의 핀부시가 납을 혼합하기 때문에 윤활성과 내하중 성이 우수하지만, 현재는 유럽국가를 중심으로 납을 혼 입한 자동차 부품은 2008년부터 더 이상 사용할 수 없게 되었으므로 우리나라도 불가피하게 무연 베어링 을 사용할 수밖에 없다.

Fig. 1(a)는 본 실험에 사용한 무연 핀부시 베어링 시편소재이고, Fig. 1(b)는 디젤엔진의 피스톤핀으로 사 용하고 있는 고강도 내마멸 소재를 상대시편으로 제작 하여 마찰실험을 수행한 것이다.

2-2. 실험방법

마찰특성에 대한 실험은 Fig. 2에서 보여준 실험장 치로 수행하였다. 이때의 마찰접촉 운동모드는 링과 링 의 미끄럼마찰에 오일을 공급한 상태 또는 건조마찰 상태이다.

미끄럼 마찰작용을 하는 접촉표면에 디젤엔진용 엔 진오일(SAE 10W-30)의 원활한 공급을 위해 오일배스 (oil bath)를 Fig. 2의 우하단에서 보여주는 것처럼 설 치하고, 여기에 시험편을 담가서 실험하였다.

마찰특성 실험에서 핀부시와 피스톤핀 시편이 서로

Fig. 1. Specimens of pin-bush bearing and piston pin for a friction test.

Fig. 2. Test equipment for ring-on-ring rubbing contact

mode between a piston pin and a pin-bush metal.

접촉하는 곳에 상단부의 스프링 하중장치를 통해 가해

지는 정하중은 10~100 kgf 으로 핀부시의 모든 접촉하중

영역에 대한 실험이 가능하다 . 또한 , 핀부시 시편에는

1,816~8,254 rpm(180~900 mm/s) 의 회전속도를 임의로 설정할 수 있으므로 , ^{하중조건과 속도의 변화에 따른 마}

찰특성을 고찰할 수 있다 . 여기서 확보한 실험자료는

PC 로 전송되어 마찰계수를 계산하는데 사용된다 .

또한 , 미끄럼마찰 접촉표면에 대한 윤활조건은 윤활 마찰 , 혼합마찰 , 건조마찰로 나누어 실험을 수행하였다 .

즉 , ^{오일을 충분히 공급하기 위한 윤활조건을 만족하}

기 위해 오일배스로 접촉조건을 유지하고 , 혼합윤활 마 찰조건을 만족하기 위해서는 미끄럼마찰 접촉면에 오 일을 간헐적으로 공급하고 , 건조마찰 접촉조건을 만족 하기 위해서는 오일을 공급하지 않고 마찰실험을 각각 수행하였다 .

3. 실험결과 및 고찰

3-1. 경도시험

원심주조로 제조한 핀부시 베어링 소재에 대한 경도 는 비커스 경도계를 사용하여 측정하였다 . 이때 사용 한 시험하중은 500 gf 이고 , 시편은 5 개를 사용하였지만 수많은 반복시험을 통해 경도의 평균값을 산출하였다 .

Fig. 3 에서 제시한 핀부시 시험편의 비커스 경도값은

최고 138, ^최저 110 ^{정도이지만} , ^평균값은 120 ^{을 약간}

넘는 것으로 기존의 유연 핀부시에서 제시하는

100~110 보다는 높다 . 여기서 제시한 경도는 핀부시 소

재로 제작한 시편의 기계적 강도와 내마멸성이 기존의

유연소재에 비해 우수한 트라이볼로지적 특성을 제시 할 것이라는 유용한 데이터이다 .

3-2. 윤활마찰특성

Fig. 4 ^{는 핀부시와 피스톤핀 사이의 미끄럼마찰 접}

촉운동부에 엔진오일을 충분히 공급할 수 있도록 오일 배스를 사용하여 윤활마찰 접촉조건을 유지하면서 최 저속도 1,815 rpm, 즉 180 mm/s 의 속도에서 작동한 경우에 대한 마찰특성을 제시하고 있다 . 실험결과에 의 하면 , ^{접촉하중이 증가함에 따라 마찰계수는 낮은 하}

중지역에서 급격하게 증가하지만 , 접촉하중이 30 kgf

전후에서는 0.07~0.08 ^{정도로 수렴하여 안정된 마찰특}

성을 보여주고 있다 . 여기서 제시한 실험데이터는 마 찰접촉 운동표면에 유막이 형성될 경우 나타나는 우수 한 마찰특성을 보여주는 시례이다 .

Fig. 5 는 100 kgf 의 높은 접촉하중을 시편에 가한

상태에서 회전속도를 점차적으로 올려가면서 실험을 수행한 마찰특성 결과로 , 마찰속도가 낮을 때는 높은

마찰계수 0.07~0.08 을 유지하다가 속도가 서서히 높아

지면서 마찰계수가 떨어지는 것을 확인할 수 있다 . ^즉 , 1,816 rpm 과 100 kgf 에서 마찰계수는 0.08 정도이자만 , 8,254 rpm 의 높은 속도에서는 0.06 으로 25% 나 줄어든 마찰저감 효과가 있다 . 결국 , 핀부시에 작용하는 회전 속도가 상대적으로 낮은 1,816 rpm 정도에서는 유막형 성이 충분하게 형성되지 않아 마찰력이 증가되지만 , ^높

은 회전속도인 8,254 rpm 에서는 윤활유 공급과 점도특 성에 의한 윤활박막 형성이 잘 되어 마찰손실이 줄어 드는 윤활효과를 유지하는 것으로 판단된다 . Fig. 3. Vickers hardness of pb-free pin-bush bearing

metal. Fig. 4. Coefficient of friction at the speed of 1,816 rpm

for oil rubbing contact mode.

412 김청균·김경섭

Fig. 6은 본 실험에서 대표적으로 제시한 윤활마찰 접촉조건에 대한 결과이다. 다양한 접촉하중에 대해 마 찰실험을 수행하면, 약 100초 정도에서 정상상태의 안 정된 마찰접촉 운동모드를 형성한다. 마찰실험에서 측 정한 마찰특성을 보면, 하중이 10 kgf로 낮게 유지된 경우는 마찰계수가 0.02 정도로 낮게 유지되지만, 50~100 kgf의 하중에서는 0.065~0.083으로 다소 높게 나타났다. 이것은 미끄럼마찰 접촉표면에 작용하는 하 중증가로 인한 접촉모드가 달라지기 때문에 발생하는 마찰손실로 기인한 것이다.

3-3. 혼합마찰특성

Fig. 7은 마찰접촉면에 혼합마찰을 유지한 상태에서 접촉하중과 회전속도를 변화하면서 계측한 마찰계수 데이터이다. 혼합마찰 접촉조건에서는 회전속도보다 접

촉하중의 크기에 의해 마찰계수의 크기와 그 편차가 더 많은 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 즉, 접촉하 중이 높은 지역에서 회전속도가 증가함에 따라 마찰계 수는 증가하는 불안정 경향을 나타내지만, 접촉하중이 낮아지면 안정된 마찰특성을 유지하는 패턴을 보여준 다. 높은 하중지역에서는 마찰접촉 운동표면에 유막형 성이 원활하지 못하지만, 저하중에서는 어느 정도의 윤 활박막 접촉거동과 준고체마찰의 평형형태를 유지하기 때문이다. 고하중 지역에서는 윤활박막을 형성하기보 다 준고체마찰 접촉조건이 우세하게 유지되면서 마찰 계수가 상승하는 경향을 나타내는 것으로 판단된다.

3-4. 건조마찰특성

Fig. 8은 건조마찰 접촉모드에서 작동하는 핀부시 베 어링 시편에 접촉하중 2.5 kgf을 가할 때 계측되는 마

Fig. 5. Coefficient of friction at the load of 100kgf for oil rubbing contact mode.

Fig. 6. Coefficient of friction at oil rubbing contact mode for various loads.

Fig. 7. Coefficient of friction at mixed friction contact mode for various loads.

Fig. 8. Coefficient of friction at the load of 2.5 kgf for

dry friction contact mode.

심한 마찰거동 현상에 의해 또 다른 접촉거동 특성을 나타내는 것이 일반적이다.

4. 결 론

본 연구에서는 유해성분으로 분류된 납(Pb)을 제거 한 핀부시 베어링 시편을 원심주조로 제작하여 수행한 마찰거동 실험에서 다음과 같은 결과를 얻었다.

(1) 핀부시 베어링 소재로 널리 사용하는 인청동의 평균 경도값을 120 Hv 이상 확보함으로써 디젤엔진용 베어링 소재로 사용하기에 적합하였다.

2. ^김청균 , “자동차 엔진공학 , ” 북두출판사 , 2004.

3. ^김도현 , ^심종현 , ^김청균 , ^{“윤활형태에 따른 커넥팅로}

드 핀 부시의 유막 거동에 관한 수치적 연구 , ” 한국 윤활학회 추계학술대회 논문집 , pp. 323-328, 2007.

4. ^정남인 , ^심종현 , ^김청균 , “마이크로 그루브를 통한 커 넥팅로드 핀 부시의 윤활 특성에 관한 연구 , ^{” 한국윤}

활학회 추계학술대회 논문집 , pp. 304-308, 2007.

5. 김청균 , “자동차 엔진용 핀부싱 베어링의 SEM/

EDX ^{이용 성분 결함분석에 관한 연구} , ” 한국윤활학 회지 , Vol. 23, No. 5, pp. 195-200, 2007.

6. Council Decision of 20 September 2005, pp. 245/69-

245/70, Official Journal of the European Union.