Saint-Gobain은 자체 시험과 분석을 통해 고객들과 긴밀하게 협력하여 제품에 대한 확신을 가질 수 있도록 맞춤형 솔루션을 제공하는 회사이다. 아래는 그 동안 Saint-Gobain에서 자체 연구한 NORGLIDE® 조향 기어 요크 베어링에 대한 내용이다.

지난 수 년 동안의 엄격한 차량 소음 규제 및 전기 자동차, 하이브리드 자동차와 ICEs (Internal Combustion Engines), Start and stop engine 기술 개발로 기존 대비 소음이 작은 친환경 차량들이 보급되고 있다. 정숙한 주행을 원하는 운전자에게 조용한 엔진 기술이 반가운 소식이지만, 이러한 차량에서는 기타 작동부의 작은 소리, 덜거덕(Rattle), 끽끽(Squeak) 소리가 운전자에게 더 분명하게 들릴 수 있다. 더불어 타이어와 현가 기술 (suspension technology) 개발 및 도로 상황 개선에 따라 차량의 주행 소음은 개선되고 있지만 기존에는 느끼지 못했던 소음을 운전자가 더 명확하게 듣게 될 수 있다.

Saint-Gobain은 운전자가 인지하는 소음에 대한 시험과 분석 및 결과에 따른 제품 개발을 진행 하였으며, 실제 조향 기어를 통해서 성능 개선을 확인했다.

그림 1의 조향 기어 요크 베어링은 랙바와 피니언 기어 사이의 치물림을 보정하는 기능을 하며, 보통 300N 수준의 배면 스프링에 의해 랙바를 지지한다. 이러한 부품으로 치물림이 보정되지 않으면 조향력 저하 및 상실로 연결될 수 있다. 일반적인 요크 베어링은 PTFE로 이루어진 마찰면과 성형을 위한 금속 층으로 구성되며, 조향 기어에 조립되어 교체 없이 사용되기 때문에 자동차의 수명 주기 동안 사용자 요구를 만족하는 성능을 유지해야 한다.

조타 시 요크 베어링과 랙바 사이의 마찰력은 운전자가 느끼는 조향감과 연결되며 이러한 조향감은 원통의 랙바를 지지하는 요크 베어링 설계에 따라 개선될 수 있다.

일반적인 요크 베어링은 랙바를 지지하며 마찰 면은 선 접촉으로 작동하도록 설계하는데 이는 마찰 면적을 줄여 마찰력을 줄일 수 있으나, 접촉면에 높은 압력이 발생하여 과다 마모가 발생할 수 있다. 이러한 마모는 요크 베어링이 보정하는 랙바와 피니언 치물림을 헐겁게 하기 때문에 조향 기어의 덜거덕 소음(Rattle noise)이 발생할 수 있다.

line contact과 랙바 접촉 면적을 키운 greater contact의 2가지 요크 베어링 형상에서 표면 압력 분포에 대한 유한 요소 해석 결과를 그림 2에 표시 하였다. Greater contact 형상의 요크베어링은 압력이 분산되어 부품의 마모를 감소시켜 조향 기어에서 덜거덕 소음(Rattle Noise)를 감소 시킬 수 있다.

과다 마모로 인한 또 다른 문제는 작동 중 마찰력 증가이다. 일반적으로 동과 PTFE를 소결 제작하는 제품은 순수 PTFE의 두께가 얇아 마모 진행에 따라 동이 표면으로 드러나면 랙바와 접촉하여 마찰력이 증가하지만, 마모를 줄인 greater contact 형상의 요크 베어링은 작동 기간 동안 마찰력 증가량이 상대적으로 작다. 또한 NORGLIDE® 요크 베어링은 조향 기어의 고 하중을 견디기 위해 특수 배합된 PTFE 마찰 면을 적용 하였다.

그림 3은 Line Contact 형상으로 제작된 기존 요크 베어링 제품과 Greater contact 형상으로 제작된 NORGLIDE® 제품 2개 요크 베어링의 내구 시험 중 마찰 및 stick slip 결과이다. 기존 PTFE 기반 요크 베어링은 수명 주기 동안 마찰력이 크게 증가하지만 NORGLIDE® 요크 베어링은 일정한 마찰 및 Stick slip 값을 유지하는 것을 결과 그래프를 통해 알 수 있다.

(Dynamic friction과 Stick-slip force을 측정하여 나타내었으며 Stick-slip은 수식으로 측정)