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기존 주축의 오일 홀 형상을 기준으로 가혹한 조건에 지속적으로 노출되는 부위의 윤활유 공급을 담당하는 오일 홀을 목표로, 해당 오일 홀에 대하여 크게 3가지 설계 변경 인자를 적용한 주축을 모델링 한다. 3가지 설계 변경 인자 적용 후 목표 오일 홀로 송출되는 유량을 확인하고 각 인자가 공급 유량에 미치는 영향을 비교 분석한다.

a) 설계기준 01(지름 변경)

설계기준 01은 지름 변경 인자로서 기존 오일 홀 지름 3 mm를 기준으로 4 mm로 1 mm를 증가시킨 지름 확장 설계 방법이다. 주축의 종류와 형태에 따라 오일 홀 지름 확장 한계치 마다 차이가 존재하지만, 이는 기존 오일 홀 대비 1 mm의 지름 확장이 송출 유량에 미치는 영향을 알아보기 위한 설계이므로 추가적인 지름 확장 치수에 대한 경우는 고려하지 않는다.

Fig. 6 
Oil hole design criteria 01

b) 설계기준 02(반경방향 각도 변경)

설계기준 02는 반경방향 각도 변경 인자로서 주축을 기준으로 수직 관통 가공되어 있던 오일 홀을 반경 방향으로 30°적용시킨 설계 방법이다. 일직선 상으로 배열되어 있던 오일 홀에 θ_Y=30°가 적용된 오일 홀로 변경됨으로서 주축 내부 유체 거동이 변동하게 되며, 회전 방향으로 각도가 적용된 해당 설계 인자 적용이 유동에 미치는 영향에 대해 파악한다.

Fig. 7 
Oil hole design criteria 02

c) 설계기준 03(축방향 각도 변경)

설계기준 03은 축 방향 각도 변경 인자로서 주축을 기준으로 수직 관통 가공되어 있던 오일 홀을 축 방향으로 30°적용시킨 설계 방법이다. 수직으로 가공되어 있는 오일 홀은 중공축 유로를 따라 흐르는 윤활유에 유로 저항을 발생시킨다. 발생하는 유로 저항을 감소시키기 위해 유체의 진로 방향인 Z축을 기준으로 θ_Z=30°를 적용하여 유체 거동을 파악한다.

Fig. 8 
Oil hole design criteria 03

목표 오일 홀에 대하여 설계 변경 인자 3가지를 2가지씩 조합하여 적용한 총 3개의 주축을 추가적으로 모델링한다. 동일한 해석 조건에서 설계 변경 인자가 조합된 모델 3가지 Model A, Model B, Model C의 유동 해석 결과를 통해 송출 유량을 확인하고 유체의 내부 거동에 대해 비교 분석한다. 또한 유동 해석 결과를 통해 공급 유량 집중 분배가 가능하기 위한 필요 설계 변경 인자를 비교하여 확인한다.

a) Model A

설계기준 01과 설계기준 03을 조합하여 오일 홀 지름이 4 mm, 축 방향 각도 θ_Z=30°가 목표 오일 홀(H_i2, H_i3)에 적용된 모델이다.

Fig. 9 
Design criteria combination of oil hole Model A

b) Model B

설계기준 02와 설계기준 03을 조합하여 반경 방향 각 θ_Y=30°, 축 방향 각도 θ_Z=30°가 목표 오일 홀(H_i2, H_i3)에 적용된 모델이다.

Fig. 10 
Design criteria combination of oil hole Model B

c) Model C

설계기준 01과 설계기준 02를 조합하여 오일 홀 지름이 4 mm, 반경 방향 각도 θ_Y=30°가 목표 오일 홀(H_i2, H_i3)에 적용된 모델이다.

Fig. 11 
Design criteria combination of oil hole Model C

기존 모델 및 설계 변경 인자 3가지 모델의 목표 오일 홀 송출 유량을 비교한다. 동일한 공급유량임에도 적용된 설계 인자에 따라 송출되는 유량에서 차이를 보였다.

a) 설계기준 01(지름 변경)

목표 오일 홀(H_i2, H_i3)에서 송출 유량이 기존 모델 대비 미세하게 증가하였다. 타 오일 홀 대비 약간의 유량 증대를 위한 목적으로는 적용이 가능하겠지만, 미미한 증가량으로 인해 공급 유량 집중 분배 측면에서 가혹한 영역으로 다량의 윤활유를 공급하기 위한 목적으로는 적절하지 않으며, 효과적인 유량 증대를 위해서는 타 설계 변경 인자와 조합이 필요하다.

b) 설계기준 02(반경 방향 각도 변경)

기존 모델 오일 홀 대비 목표 오일 홀(H_i2, H_i3)의 송출 유량이 오히려 감소하였으며 공급 유량 집중 분배 측면에서 효율 증대를 위한 방법으로 단일 설계 인자로 적용된다면 무의미한 수준의 설계 방법임을 확인하였다. 설계기준 01과 마찬가지로 타 설계 변경 인자와 조합을 통해 유량 증대를 도모해야한다.

c) 설계기준 03(축 방향 각도 변경)

기존 모델 오일 홀 대비 목표 오일 홀(H_i2, H_i3)의 송출 유량이 각각 약 2배정도 증가함을 보였고, 3개의 모델 중에서 공급 유량 집중 분배 측면에서 가장 효율적인 설계 변경 인자임을 확인하였다.

Fig. 14 
Fluid flow analysis result

3가지 설계 변경 인자를 2가지씩 조합하여 모델링한 Model A, Model B, Model C 유동 해석 결과이다. 각 모델 별 Streamline을 통해 윤활유가 주축 내부 유로에서 형성하고 있는 유동 형태를 파악 할 수 있다. 기존 주축 오일 홀 형상을 기준으로 설계 변경 인자의 조합에 따라 목표 오일 홀에서 송출되는 유량을 정량적으로 비교 분석하였다. 목표 오일 홀에서 송출되는 유량의 변화는 타 오일 홀의 송출 유량과 유기적으로 관련되어 있다. 집중 분배 측면뿐만 아니라 주축 전체 균등 분배 측면에서도 충분히 활용 될 수 있다. 마지막으로 3가지 모델을 동시에 비교함으로서 공급 유량 분배 측면에서 효율적인 인자를 확인하였다.

Model A는 지름 변경(설계기준 01), 축 방향 각도 변경(설계기준 03)이 조합된 모델로 유체의 진행 방향으로 가공된 축 방향 각이 적용되어 원활하게 오일 홀을 따라 송출되는 유체 거동을 확인 할 수 있다. 목표 오일 홀 송출 유량은 기존 모델 오일 홀 대비 H_i2가 1.7배, H_i3가 1.9배 증가함을 확인 할 수 있다.

Fig. 15 
Fluid flow analysis result of Model A

Model B는 반경 방향 각도 변경(설계기준 02), 축 방향 각도 변경(설계기준 03)이 조합된 모델로 Model A와 비슷한 유체 거동을 확인 할 수 있다. 다만, 홀 자체의 지름과 깊이가 다르기 때문에 목표 오일 홀 송출 유량은 기존 모델 대비 H_i2가 1.8배, H_i3가 1.8배로 미세한 차이를 확인 할 수 있다.

Fig. 16 
Fluid flow analysis result of Model B

Model C는 지름 변경(설계기준 01), 반경 방향 각도 변경(설계기준 02)이 조합된 모델로 수직 유로 구조 때문에 오일 홀 내부에서 편향된 유동이 형성되는 것을 확인 할 수 있다. 송출 유량은 H_i3가 1.15배로 미세하게 증가하였으나 H_i2가 0.96배로 감소하였다.

Fig. 17 
Fluid flow analysis result of Model C

Fig. 18은 위의 3가지 모델을 기존 모델과 함께 비교한 것이다. Model A와 Model B는 설계 변경 인자가 적용된 목표 오일 홀에서 송출 유량이 평균 1.8배로 증가하여 공급 유량 측면에서 효과적인 것을 확인 할 수 있다. Model C의 경우 H_i3홀의 송출 유량이 1.15배로 증가 하였으나 그 양도 미미할 뿐만아니라 H_i2의 송출 유량의 감소로 설계 인자 적용 전 모델과 큰 차이를 확인 할 수 없다. 따라서 설계기준 02는 단일 설계 인자로 적용 시 큰 효과를 볼 수 없으며, 다른 인자와 조합할 경우에도 그 효과는 미약한 것을 알 수 있다. 반면, 설계기준 03이 적용된 모델들은 모두 송출 유량이 증가함을 알 수 있었고 해당 설계 인자는 공급 유량 증대 측면에서 설계 시 필수적으로 적용되어야 효과적인 것을 확인하였다.

Fig. 18 
Fluid flow analysis result