습식 클러치 시스템의 작동환경 조건별 드래그토크 특성 연구

2.1 드래그토크 측정 시험 장치 구성

SAE No#2 습식 클러치 시험기는 SAE(Society of automotive engineers, 자동차 기술자 협회)에서 제시하는 마찰 시험기 규격인 SAE J286에 따라 제작된 시험 장치이다.⁷⁾ 일반적인 정적 및 동적(Static, Dynamic) 마찰 토크 계측이 가능한 1,000 Nm 용량의 로드셀(Load cell)뿐만 아니라 낮은 드래그토크를 계측할 수 있는 별도의 100 Nm 용량의 로드 셀을 장착하여, 스틸 플레이트가 고정된 리테이너(Retainer)와 시험기 챔버(Chamber)로 전달되는 발생된 토크를 계측한다.

드래그토크 측정 시험 중 윤활 조건은 실제 변속기 습식 클러치 시스템에서 사용되는 윤활 조건인 축심 강제 윤활(Forced flow) 방식을 채택하며, 마찰판이 조립되는 시험기의 허브(Hub)로부터 조정 가능한 일정량의 변속기유가 공급되도록 구성한다.^2,8,9) 이때 변속기유의 온도 및 윤활 유량은 SAE No#2 습식 클러치 시험기로부터 제어가 가능하며, Fig. 1에 이를 설명하는 시험 구성도를 표시하였다. 마찰판이 조립된 허브는 회전속도 제어가 가능한 시험기 모터와 체결되어 회전하게 되고, 시험기 챔버내 적재된 마찰판과 스틸 플레이트의 무부하 접촉을 위해 시험기의 압력판(Piston)은 전진 작동하지 않는다. 마찰 패드와 스틸 플레이트 사이의 간격 틈새는 적재된 마찰판과 스틸 플레이트 모두를 시험기의 압력판 방향으로 밀착시킨 후 시험기 커버(Cover)와 최종 스틸 플레이트 사이의 접합면 간의 틈새 길이로 측정한다.

Fig. 1

Test schematic diagram12)

2.2 드래그토크 측정 시험 조건

마찰 패드의 오일 홈 형상별 드래그토크 비교를 위하여, 패턴이 없는 경우와 기본적인 Waffle 패턴과 이를 기본으로 성능 개선을 위한 패턴을 변형한 형상들이다(Fig. 2).⁶⁾

Fig. 2

Friction plates & Steel plate test samples (Quarter view, ϕin=142.5 mm, ϕout=168.5 mm)

마찰판의 마찰 패드는 코어 플레이트를 중심으로 양면에 접착되었다.

• (a) Steel plate: 두께 1.0 mm의 탄소강(S45C)으로 제작.
• (b) Plain friction plate(P): 접착 두께 0.85 mm인 마찰 패드 표면에 오일 홈이 없는 상태로 코어 플레이트 양면에 마찰 패드를 접착하여 제작.
• (c) Waffle friction plate(W): 접착 두께 0.85 mm인 마찰 패드에 깊이 0.4 mm, 1.8 mm 폭의 방사형 오일 홈을 성형하여 코어 플레이트 양면에 마찰 패드를 접착하여 제작.
• (d) Waffle parallel friction plate(WP): 홈 폭 2.2 mm, 17.2 mm 간격으로 가로, 세로 방향의 각각 6개의 홈을 형성하도록 조각으로 나뉘어 접착된 마찰 패드에 (W)와 동일 사양의 방사형 오일 홈을 성형하여 제작. 마찰 패드 조각들의 사이의 홈 깊이는 마찰 패드 접착 두께인 0.85 mm로 코어 플레이트 양면에 접착하여 제작.
• (e) 10 pcs. Waffle friction plate(W10): 10조각으로 나뉘어 접착된 마찰 패드에 (c)와 동일 사양의 방사형 오일 홈을 성형하여 오일 홈을 제작. 마찰 패드 조각들 사이의 홈 폭은 1.6 mm, 홈 깊이는 마찰 패드 접착 두께인 0.85 mm로 코어 플레이트 양면에 접착하여 제작.
• (f) 24 pcs. Waffle friction plate(W24): 24조각으로 나뉘어 접착된 마찰 패드에 (W)사양의 방사형 오일 홈을 성형하여 제작. 마찰 패드 조각들 사이의 홈 폭은 2.2 mm, 홈 깊이는 마찰 패드 접착 두께인 0.85 mm로 코어 플레이트 양면에 접착하여 제작.

마찰 패드의 오일 홈 형상과 더불어 드래그토크 확인을 위하여 시험기에서 모사된 습식 클러치 시스템의 환경적 변수로는 변속기유의 공급 유량과 온도를 변수로 하였으며, Table 2에서 표시한 조건별로 시험을 실시하였다.¹²⁾

마찰판의 회전은 시험기의 전기 모터로 제어된다. 이때의 회전 속도는 500~3,000 rpm까지 100 rpm 간격으로 증속하며, 각 회전수마다 15초간 회전수를 유지하여 발생되는 드래그토크를 계측 후 토크 데이터를 저장하였다. 각 조건의 시험은 5회씩 반복 실시하였으며, 5회 마다 계측된 드래그토크 값의 산술 평균 값으로 조건별 드래그토크를 기록하여 비교하였다.

Table 1

Friction plate dimensions

Table 2

Test oil conditions

3.1 윤활 유량 및 온도별 비교 결과

윤활 유량 및 온도별 드래그토크 측정 결과는 마찰 패드의 오일 홈이 전혀 없는 (P) 시험품의 결과를 기준으로 드래그토크 측정치를 비교한다. (P) 마찰판의 드래그 토크는 윤활유 공급량이 증가함에 따라 계측된 드래그토크의 크기는 증가한다. 반면 윤활유의 온도가 증가함에 따라 계측된 드래그토크의 크기는 감소하는 양상을 확인할 수 있었다. 윤활 유량의 증가는 마찰판, 스틸 플레이트 사이로 유입되는 유체의 양이 증가함에 따라 마찰판과 변속기유와의 전단력 역시 증가함으로써, 마찰판의 회전을 방해하는 요소로서 드래그 토크양도 증가되는 것으로 판단된다. 변속기유의 온도 증가에 대한 드래그토크 차이는 변속기유의 온도가 증가함에 따라 낮아지는 점도 변화로부터, 드래그토크 역시 낮아지는 경향을 확인할 수 있었다.^2,11) 드래그토크 측정 결과 가장 큰 드래그토크가 확인된 시험품은 Table 3과 같이 마찰 패드의 오일 홈이 없는 (P)이다. 변속기유의 온도 및 유량 조건별 측정된 드래그토크는 변속기유 온도 50 °C, 변속기유 윤활량 1.5 ℓ/min 조건에서 최대 10.90 Nm로 확인하였다. 반대로 측정된 시험품들의 드래그토크의 최대 크기가 가장 작은 시험품은 (W24)이다. 변속기유의 온도 및 유량 조건별 측정된 드래그토크는 변속기유 온도 50, 100 °C, 변속기유 윤활량 0.5, 1.0 ℓ/min 각각의 조건에서 2.30 Nm로 확인되었다. 이는 틈새(0.4 mm)에서 패턴 그루부 형상으로 더 많은 변속기유가 유출되는 것으로 판단된다.¹⁾

Table 3

Drag torque measurement results

3.2 마찰 패드 오일 홈 형상별 드래그 토크 비교 결과

Fig. 3과 같이 시험품별 드래그토크 측정 결과는 마찰판의 오일 홈 형상 유무와 형상에 따라 드래그토크 차이가 있다. 마찰 패드의 오일 홈은 (P)와 (WP)의 경우 마찰 패드를 코어 플레이트 중심으로 양면에 링(Ring) 형태로 단면의 마찰 패드를 양쪽에 접착하여 제작하였다. (WP), (W10), (W24)의 경우 마찰 패드를 각각 Parallel 형태와 10개, 24개의 마찰 패드 조각으로 분할하여 접착하였다. 분할하여 접착한 마찰 패드 조각 사이에는 마찰 패드의 조각과 조각 사이의 추가적인 오일 홈이 형성되었다. (P)시험품을 제외한 나머지 시험품들은 모두 동일한 Waffle 형태의 오일 홈을 공유하며 (WP), (W10), (W24)의 경우 Waffle 형태의 오일 홈뿐만 아니라 마찰 패드 조각들 사이의 분할로 인한 홈들을 통하여 추가적인 오일 홈 효과를 기대할 수 있었다.

Fig. 3

Drag torque measurement graph

드래그토크 측정시험에 따라 오일 홈의 형상 및 종류에 따라서 발생되는 드래그토크의 크기 및 형태에 있어서 큰 차이가 있는 것이 확인되며, 오일 홈 형상으로 인한 마찰 패드 마찰면의 유효 면적 차이에 의한 경향도 확인된다. Fig. 3의 측정 결과와 같이 마찰 패드의 오일 홈이 없는 (P) 마찰면의 유효 면적은 60.87㎠로 시험품들 중 가장 넓었으며, 측정된 드래그토크의 크기가 가장 크다. (P) 이외의 시험품들은 모두 마찰 패드에 Waffle 형태의 오일 홈 형상을 공유하고 있으며, (P) 마찰 패드 마찰면의 유호 면적과는 평균적으로 약 42 %의 차이를 갖는다.

오일 홈은 변속기유가 빠르게 대량으로 유출될 수 있는 역할을 하는 것으로 판단된다. 이러한 마찰 패드의 유효 면적은 시험 조건인 자동변속기유 윤활 유량, 온도 및 마찰판의 회전속도의 조건과 더불어 측정된 드래그토크에 영향을 나타내었으며, 각 조건에 따라 의미 있는 결과 형태를 보여 준다. (P)의 조건별 드래그토크는 변속기유 윤활 유량 및 온도에 따라 상대적으로 큰 산포의 측정 결과를 나타내었으며, 마찰판 회전속도에 따른 측정 결과 또한 상대적으로 큰 폭의 측정 결과 차이를 나타낸다.

이와는 반대로 Waffle 형태의 오일 홈 형상을 공유하고 있는 이외의 샘플은 드래그토크 측정 결과는 변속기유 윤활 유량, 온도 및 마찰판의 회전 속도에 따라 (P) 시험품의 드래그토크 측정 결과와 다르게 상대적으로 작은 드래그토크 차이들을 나타낸다.

최대 드래그토크가 측정된 (P) 시험품의 변속기유 온도 및 유량 조건별 최대, 최소 드래그토크의 차이는 약 4.57 Nm이었으며, 최소 드래그토크가 측정된 (W24)의 변속기유 온도 및 유량 조건별 최대, 최소 드래그토크 차이는 약 0.9 Nm로 마찰 패드의 오일 홈 유무에 따라 드래그토크의 발생 산포 차이 또한 확인할 수 있었다. 클러치 드래그토크 발생에 대해서 마찰 패드의 오일 홈 형상이 변속기유의 유량, 온도 및 마찰판의 회전속도에 의한 반응을 감소시키는 영향을 미치는 것으로 확인된다. 따라서 마찰 패드 마찰판의 오일 홈 형상은 마찰 패드의 유효 면적 및 구조적 차이에 직접적인 영향과 더불어, 드래그토크의 크기 및 양상에도 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.

3.3 마찰판 회전 속도별 드래그 토크 비교 결과

Fig. 3 및 Table 3에 나타낸 것과 같이 여러 가지 클러치 패드 오일 홈 형상에 따른 시험 결과, 시험품별 드래그토크 측정 결과는 마찰판의 회전 속도에 따라 그 크기의 변화 형태에 차이가 있다.

(P) 시험품의 드래그토크는 마찰판의 회전수 1,500~2,000 rpm까지 변속기유의 유량 및 온도 조건에 따라 드래그토크가 상승하는 추세를 나타낸다. 이후 마찰판의 회전수가 3,000 rpm까지 증가하는 동안 측정된 드래그토크는 점차 낮아지는 양상이다.

그러나 (P) 시험품을 제외한 마찰 패드의 오일 홈이 있는 이외의 다른 시험품들의 마찰판 회전수에 대한 드래그토크 측정값은 마찰판의 회전수 1,500 rpm까지 구간에서는 대부분 드래그토크의 증감보다는 유지되는 추이를 나타낸다. 그리고 측정값은 1,500 rpm 이후 구간에서 드래그토크 측정 결과가 다소 상승 양상을 나타낸 후에 2,500 rpm부터 점차 감소하는 추이를 나타낸다. 마찰 패드의 유효 면적이 가장 작은 (W24)의 측정값은 1,800 rpm 부근까지 드래그토크 측정 결과가 소폭 상승하는 양상 이후 점차 낮아지는 특징을 나타낸다. 이는 클러치 드래그토크 발생에 대해서 마찰 패드의 오일 홈 유무에 따라 특정 회전속도 구간에서 드래그토크 증감 추이 또한 다르게 나타남을 확인하였다.

모든 시험품의 드래그토크 추이 결과, 2,500 rpm 구간 이후로는 드래그토크가 감소하는 추이를 나타냄에 따라 마찰판의 회전 속도가 일정 속도를 초과하면 드래그토크 또한 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는 마찰판의 회전속도가 증가하며 발생되는 원심력으로 인한 변속기유의 유막층 미형성 때문으로 판단된다. 속도가 높아짐에 따라 원심력으로 인하여 변속기유는 마찰판의 외경방향으로 대부분 유출되고 클러치 틈새에는 공동(Cavitation)이 형성되어 드래그토크의 감소가 나타나는 것으로 판단된다.^1,2,10) 습식 클러치 시험기는 변속기유가 시험기 챔버 내에 머무르지 않고 챔버 외부의 오일 저장탱크로 강제 순환된다.