Ansys Motion을 활용한 EHD 저널 베어링 해석 방법

 

서론

이번 호에서는 Ansys Motion의 Drivetrain Toolkit에서 지원하는 EHD Bearing의 기능을 통해 EHD Journal bearing을 모델링 및 해석 후 평가할 수 있는 지표에 대해서 알아보자.  

 

1. 베어링이란

베어링은 기계장치에서 축에 걸리는 하중을 지지하며 고정시키고 회전을 돕는 기계적 요소이다. 베어링은 회전기기의 부품 간의 마찰을 방지하여 소음과 마모 방지를 위해 사용된다.  베어링은 구르거나 미끄러지거나 둘 다 동시에 할 수 있다. 이러한 베어링은 하중을 지지하는 방법에 따라 크게 미끄럼 베어링(Sliding Bearing)과 구름 베어링(Rolling bearing)으로 나뉘어진다.

먼저 미끄럼 베어링은 베어링과 저널(베어링과 접촉하는 축의 부분) 사이에 윤활제가 생성한 유막의 압력으로 하중을 지지하는 베어링으로 윤활제로 마찰을 감소시키는 베어링이다. 다음의 구름 베어링은 축과 베어링 사이에 볼, 롤러, 니들롤러 등 구름 접촉을 유도하여 이들의 접촉 압력에 의해 하중을 지지하는 베어링이다. 
이번 호에서는 미끄럼 베어링인 저널 베어링에 대해서 좀 더 자세히 알아보자.

[그림 1] Bearing 종류

Based on a taxonomy originally developed by Hindhede, U., Zimmerman, J.R., Hopkins, R.B., Erisman, R.J, Hull, W.C., Lang, J.D. Machine Design Fundamentals. 

A Practical Approach. Wiley, 1983

 

 [그림 2] 미끄럼 베어링과 구름 베어링의 대표적인 예_좌)미끄럼 베어링과 우)구름 베어링

Journal bearings. Mechanical Design Engineering Handbook, 167?230.

 

2. 저널 베어링

미끄럼 베어링은 구름 접촉의 장점이 없이 두 표면이 서로 상대적으로 움직이는 베어링을 의미한다. 저널(베어링과 접촉하는 축의 부분)과 베어링의 두 표면이 서로 하중에 의해 압착되었다가 분리되면서 미끄러지는 움직임에는 두 표면을 분리하기에 충분한 압력을 생성할 수 있는 윤활제를 통해 베어링 성능이 촉진될 수 있다.

미끄럼 베어링의 일반적인 적용은 하중 전달 샤프트의 회전을 허용하는 것이다. 하중을 지지하는 고정 부분을 베어링이라고 하고 베어링과 접촉하는 축을 저널이라고 한다[그림 3]. 엄밀하게는 미끄럼 베어링과 저널 베어링은 차이가 있지만 통상적으로 통용하여 사용하고 있다. 저널 베어링은 두 부품사이에 유체 윤활(Hydrodynamic Lubrication)이 얇은 유체막을 형성하여 직접 접촉하지 않도록 한다. 다양한 윤활조건 중 유체 윤활 베어링(hydrodynamic bearing)은 마찰표면에 얇은 유막을 형성하여 운동을 원활하게 한다. 접촉면 사이의 유막은 고압의 하중을 유발하며, 유체 윤활 해석을 더욱 정교하게 하기 위해서는 하중에 의한 변형을 고려한 해석이 필요하고, 이를 탄성유체윤활 베어링 (EHD bearing, elasto-hydrodynamic bearing)이라고 한다.

EHD는 Reynolds 방정식을 실시간으로 계산하는 보다 상세한 기법으로서 Bearing Surface의 Local Elastic Deformation 까지도 구현 가능하다.

 

[그림 3] Sliding or Journal bearing의 구조

Journal bearings. Mechanical Design Engineering Handbook, 167?230

 

회전체가 축에서 회전을 하면 저널 베어링에 있던 윤활제가 Converging Wedge에서 동역학적 유체 압력이 형성되어 회전축을 유지하게 된다. [그림 4]의 저널 베어링은 유막 내에서 생성된 비대칭 압력분포에 의해 양태각이 생성된다. 이는 하중에 따른 유체의 반력 성분으로 이로 인하여 교차연성이 발생한다. 여러 요인에 의하여 윤활제가 형성한 유막은 회전체의 정적중량을 지지하고 진동을 감쇠시키며 회전운동에 에너지(관성력)를 공급하는 역할을 하게 된다.

[그림 4] 저널 베어링의 동역학적 유압분포

Analysis of rough ellipitic bore journal bearing using expectancy model of surface roughness by Prakash Chandra Mishra

 

이러한 저널 베어링은 매우 단순한 구조를 가지면서 기능적으로 안정된 성능을 보이기 때문에 다양한 산업에 전반적으로 적용된다. 예를 들면, 고온고압 고속으로 회전하는 터빈, 내연기관 엔진의 커넥팅 로드, 초고속으로 회전하는 하드디스크드라이브(HDD)등 에도 사용된다. 

 

Ansys motion EHD Journal Bearing 해석 및 tutorial

Ansys motion은 움직이는 물체의 동적 거동 및 연결부의 반력과 토크, 접촉부 반력, 유연체의 변형량과 응력 등 다양한 동역학 해석을 할 수 있는 프로그램이다. EHD 저널 베어링의 기능을 사용하기 위해선 추가로 Drivetrain이라는 Toolkit이 필요하며, 이는 Ansys motion에서 Gearbox를 전문적으로 해석하는데 사용되는 도구이다. Ansys motion Drivetrain이라는 Toolkit에 탑재된 EHD Bearing 기능을 통해 이러한 윤활제의 이심률와 회전속도에 따른 film 두께와 거칠기, 유동의 압력분포와 같은 유체의 특성들을 확인할 수 있다. [그림 5], [그림 6]
따라서 동적 거동에 대한 해석을 할 때 이러한 힘들을 반영된 시스템을 구현하고 실제 시스템이 회전체에서 받는 진동을 해석하기에 유리한 기능이다.

 

[그림 5] Ansys motion 모델링 및 해석 결과 - Film 두께

 

[그림 6] Ansys motion 해석 결과 : 압력 분포에 따른 Force, Stress contour

 

이번 호에서는 Ansys motion Standalone 환경으로 간단하게 저널 베어링의 형태를 생성하고 작동할 수 있는 구동 조건을 주는 방법 그리고 결과를 보는 방법까지 알아보자.

 

저널 베어링 모사 모델링

저널 베어링에 대한 모델이 있다면 상관없지만 없다면 해석 모델을 생성해야 한다. Ansys Motion은 간단하게 실린더 2개를 생성하여 저널 베어링 모델을 만들 수 있다.

 

▶ Step 1(Drivetrain 생성하기)

:  File>New file>Drivetrain>Drivetrain>OK

 

 

▶Step 2(단위계 설정하기)

: MMKS>Customize>z: “0”>Icon Size:“1” >Finish

 

 

▶ Step 3(모델 생성하기)

 : Body > Cylinder 

 

▶ Step 4(저널 부 생성하기)

: Body>Subtract: Target body-BD_01/ Tool body-BD_03>OK 

 

 

 

▶ Step 5(Faceset 생성)

:  Body>Faceset 

 

 

▶ Step 6(EHD 베어링 설정)

: Drivetrain>EHD Bearing

 

▶ Step 7(EHD 베어링 설정 변경)

: Characteristic>EHD Bearing>Property>Dynamic Viscosity: “6e-9”

:Geometry>EHD Solver Mesh>Circumferential: “48” / Axial: “11”

 

 

 

**Dynamic Viscosity는 유체의 흐름에서 발생되는 점성도를 의미하며 이는 저널 베어링의 압력과 film 두께에 영향을 미치는 인자이다. (식 1), (식 2)

 

 

▶ Step 8(Constraints 생성)

: Fixed Joint (Ground ? BD_01)

: Revolute Joint (Ground ? BD_02)

▶ Step 9(구동조건 입력)

 : RJ Property>Motion Function>Velocity >Name: “Vel_RJ”>Function Input: 

“1000*2*pi/60+2000*2*pi/60*time”>OK

 

 

▶ Step 10(해석)

 : Simulation>Run(아래 화살표)>modify>Show advanced option>Solver >Number of threads: “2^2=4” 확인>Simulation

 

3.2 해석 결과 분석하기

EHD 유압 분포 확인하기

Animation>Vector Display>EHD Bearing>”+”>scale 조정 

 

 

맺음말

이번 호에서는 Ansys motion의 Drivetrain toolkit의 EHD Bearing이라는 기능을 통하여 저널 베어링의 시스템을 구현하고 해석을 수행하는 방법에 대해서 알아보았다. 기계의 동적 거동을 해석함에 있어서 진동이 매우 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 기계의 진동은 힘과 움직임의 변하는 상황에서 생성되고 이는 사전에 알기가 쉽지 않다. 따라서, 시스템을 보다 정확하게 구현하는 것이 중요하다. 

그러한 면에서 Ansys motion Drivetrain의 EHD Bearing 기능은 시스템을 보다 정확하게 구현하도록 하는 기능이다. 본 기능을 활용하면 보다 정확한 시스템의 하중을 전달하는 역할을 할 것이다.