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[오토저널] 자동차 변속기와 베어링 기술 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2017-01-21 10:32:44

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지구온난화에 따른 사회 전반의 변화는 현재 풀어야 할 과제로, 산업계뿐만 아니라 각 방면에서 적극적으로 대응하고 있는 추세이다. 이에 따라 자동차에서도 환경 친화적인 차량의 개발은 당연한 방향이며, 친환경 차량은 기존 차량에 비해 경량화를 통한 연비향상과 CO2 배출 저감 등의 변화뿐만 아니라 동력 성능의 향상, 주행성능 및 안정성도 함께 요구되고 있는 실정이다.

 

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자동차의 변속기에 사용되는 베어링 분야에서도 기존 베어링에 비해 고효율, 장수명의 기술적인 요구 외에 차량의 소형/경량화에 따라 높은 안전성 및 신뢰성을 요구하고 있다. 현재 베어링 기술은 고효율을 위한 마찰 토크 저감, 장수명 및 소형/경량화를 위해 신소재(고청정강 등) 적용, 해석을 통한 최적 설계 및 특수 열처리 기술 등을 적용하여 자동차의 요구 특성에 대응하고 있다.

 

현재 일부에서는 변속기용으로 적용되는 베어링의 마찰토크 저감을 위하여 기존에 사용하던 부하용량 및 강성이 큰 테이퍼 롤러 베어링 대신, 볼 베어링의 적용을 검토하거나 사용하고 있다. 일반적으로 볼 베어링은 부하용량 및 수명 그리고 강성적인 측면에서 테이퍼 롤러 베어링에 비해 낮기 때문에 테이퍼 롤러 베어링과 동일한 성능을 가지기 위하여 큰 사이즈가 적용되어야 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 베어링 업계에서는 동일한 성능을 유지하면서 장수명, 저토크 테이퍼 롤러 베어링의 개발 및 테이퍼 롤러 베어링을 대체할 수 있는 볼 베어링 개발에 노력하고 있다.

 

자동차 변속기용 베어링
앞에서 살펴 본 바와 같이 현재 자동차에서 변속기의 개발 방향은 소형화, 경량화 및 효율 향상이 주 목적이다. 따라서 변속기의 효율 향상을 위한 볼 베어링의 적용은 대부분 자동차업체의 변속기에서 커다란 추세이며, 테이퍼 롤러 베어링 대체를 위한 고부하 및 소형화된 볼 베어링이 현재 다양한 형태로 개발되어 변속기용 베어링으로 적용이 진행되고 있다.

 

이러한 개발 방향은 국내의 경우도 동일한 추세이며, 자동변속기 Input Shaft용 베어링은 기존 테이퍼 롤러 베어링에서 볼 베어링으로 변경되어 적용되고 있다. 그리고 부하를 많이 받는 Output Shaft용 베어링도 또한 기존 테이퍼 롤러 베어링에서 볼 베어링으로 변경되어 적용되고 있다. 또한 후륜구동용 Rear Axle의 Pinion Shaft용 베어링 또한 테이퍼 롤러 베어링과 동등한 하중을 지지하며 토크를 저감하기 위하여 다양한 형태의 볼 베어링 적용을 검토하고 있다.

 

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<그림 2>에서 변속기용 베어링으로 기존의 복열 테이퍼 베어링에서 복열 볼 베어링으로 변화가 되고 있음을 알 수 있다. 베어링의 내부 최적설계, 최신 열처리 기술 및 신소재 등의 적용을 통하여 기존의 베어링 부하 용량 및 수명을 만족하면서도 토크는 저감시켰다.

 

기존 DCT(Dual Clutch Transmission)의 Input 및 Output Shaft 또한 기존 대비 더 높은 효율을 얻기 위하여 테이퍼 롤러 베어링과 같은 부하를 견디고, 수명을 만족할 수 있는 성능이 향상된 볼 베어링으로 교체 적용이 검토되고 있다.

 

<그림 3>은 DCT용 베어링 적용 검토의 일례를 나타내고 있다.

 

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자동차의 Rear Axle 또한 Transmission의 베어링 동향

과 동일하게 테이퍼 롤러 베어링에서 볼 베어링으로의 적용을 검토 중이며, 테이퍼 롤러 베어링의 장점인 축방향 허용 하중을 볼 베어링에서도 동일하게 적용할 수 있도록 베어링 내부의 설계를 변경하는 형태로 검토되고 있다. 이러한 자동차 Power Train용 베어링의 변화 추세는 앞으로도 계속 진행될 것이며, 볼베어링으로의 변경뿐만 아니라 테이퍼 롤러 베어링 또한 저토크화를 위해 지속적으로 베어링의 성능 개선이 진행되고 있다.

 

테이퍼 롤러 베어링의 저토크화

변속기에 사용되는 테이퍼 롤러 베어링의 경우 신소재 및 열처리 기술, 그리고 최적 설계 적용을 통하여 기존 테이퍼롤러와 동일한 성능을 가지면서도 요구 수명의 향상과 베어링에서 토크 감소를 위한 개발이 진행되고 있다. 신소재 적용의 경우 기존 베어링강 대비 고청정강을 적용함으로써 구름 접촉 피로에 의한 베어링의 내부 기점 파손을 방지하고, 표면의 특수 열처리 기술을 통하여 이물에 대한 저항성을 높여 압흔에 의한 파손을 방지하고 있다. 또한 잔류 오스테나이트량을 최적화하여 기존 베어링 대비 장수명화를 실현하고 있다.

 

한편, 테이퍼 롤러 베어링에서 마찰 토크 인자를 확인하여 이를 베어링 내부 설계 및 가공에 적용함으로써 기존 베어링 대비 동일한 성능을 가지면서 베어링의 토크 저감을 실현하고 있다.

 

현재 테이퍼 롤러 베어링에서 토크 발생의 대부분은 유막의 점성 저항과 내륜 큰 턱과 전동체 대단면의 미끄럼 마찰에 의한 토크이다. 변속기의 경우 오일이 채워져 있어 윤활유의 교반저항도 고려되어야 한다. 이를 상세히 구분하면 다음과 같다.

 

• 내륜 큰 턱과 전동체 대단면 사이의 미끄럼 마찰에 의한 토크 증가
• 내륜 및 외륜과 전동체 사이의 EHL(탄성유체윤활) 유막의 점성 저항에 의한 토크 증가
• Cage와 전동체 사이의 미끄럼 마찰 및 윤활유 유입에 따른 교반 저항에 의한 토크 증가

 

<그림 5>에서 위의 사항에 대한 토크와 베어링 내부 인자와의 관계를 나타냈다. 이상의 사항을 개선하기 위해 베어링 업체는 베어링의 내부 인자 해석과 설계 변경, 최신 가공 기술 적용, 새로운 소재의 적용을 통하여 해결하고 있다.

 

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볼 베어링의 고속화
또 다른 자동차의 변화로서는 친환경 차량의 개발 증가 및 급속한 시장 변화이다. 이로 인하여 친환경차에 적용되고 있는 모터 및 감속기 등의 고속에 적합한 볼 베어링 개발이 진행되고 있으며, 이러한 볼 베어링의 특징은 고속에서의 베어링 발열(윤활), 케이지 변형, 진동(NVH) 및 Skidding의 영향을 고려한 베어링 설계 및 제작에 있다.

 

고속에 적합한 폴리머(Polymer) 케이지 최적 설계, 크립(Creep) 방지 기술 및 저토크 접촉 씰 개발 등을 통하여 기존 볼 베어링 대비 발열을 낮추고 고속에 적합한 볼 베어링설계에 집중하고 있으며, 베어링 정밀도 및 전동체의 정밀도를 높이고, 전동체 재질 등의 변경을 통하여 고속에 대응하고 있다. 이를 검증하기 위한 방법으로도 기존의 내구수명시험 뿐만 아니라, 윤활 특성을 고려한 고속내구시험, 발열 및 진동 시험 등을 통하여 베어링 검증을 실시하고 있다. 이 중 초고속 회전에 적합한 세라믹 전동체 적용 볼 베어링의 경우 기존 볼 베어링 대비 경량화, 고온에서의 낮은 열팽창 계수로 내발열성 및 고속에서의 적은 Skidding 현상 등으로 기존 볼 베어링 대비 고속 및 저토크에 유리하다.

 

 

글 / 정효진 (베어링아트)
출처 / 오토저널 16년 8월호 (http://www.ksae.org) 
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