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가설 설정
- 모델링된 자동변속기 차량은 1,600cc 급 직렬형 4 기통 엔진을 장착하고 있고, 이중 쌍 댐퍼 시스템이 적용된 체결클러치를 장착하고 있다고 가정하였다. 차량 전체 무게는 1,600kgf 이고, 엔진 최대토크는 156,000N･mm 이다.
- 판에 부착되는 스프링들은 ADAMS 의 토션 스프링요소로 등가로 치환하여 사용하였으며, 3 개의 서로 다른 스프링(S1∼S3)을 스프링상수 400,000 N・mm/rad 기준으로 상하로 20,000 N・mm/rad 만큼 동시에 변화시키며 총 16 회의 해석이 수행되었다. 스프링의 감쇄계수는 스프링상수의 0.8%로 가정하였다. 해석 수행 후 Fig.
제안 방법
- 클러치에 부착되는 댐퍼스프링을 최적설계하기 위해서 어닐링모사(Simulated Annealing)법에 의거하여 스프링 최적설계코드를 개발하였고, 결정된 스프링상수 및 최대 충격토크, 수축각도, 스프링개수 등을 입력하여 압축 스프링의 사양을 최적화하였다.(3,4) 스프링의 수, 스프링 부착 반경에 따른 고유진동수 변화 양상을 파악하기 위하여 스프링이 부착된 세 개의 동력 전달용 판을 모델링한 후 스프링요소를 각 상황별로 나누어 부착시키고 진동 특성을 파악하였다. 또한 세 개의 판 구조물에 대하여 위상최적화를 수행하여 초기형상을 결정하였으며, 최적화된 구조를 바탕으로 모델링된 판에 대해 강도해석을 하여 구조안전성을 확인하였다.
- (5) 클러치 부품의 위상 최적화를 통해 부피를 감소시키며 강성을 증가시키는 모델을 구현하였고 강도해석을 통해 모델의 타당성을 검증하였다.
- (6) 이와 같은 설계기법을 통해, 입력되는 충격 및 공진에 안전하고 강성을 최대화 시키며 부피감소를 이룬 신개념의 클러치 시스템 설계모델을 제시하였다.
- 1 단 스프링 와이어 직경 d1, 1 단 스프링 직경 D1, 2 단 스프링 와이어 직경 d2, 2 단 스프링 직경 D2를 최적화 설계변수로 설정하였다.
- 차량 전체 무게는 1,600kgf 이고, 엔진 최대토크는 156,000N･mm 이다. 각 부품들에는 기존의 실제 부품들을 바탕으로 질량 및 회전관성이 적용되었다. 또한 체결 시 시스템의 응답을 계산하기 위해 실차 상황을 바탕으로 클러치가 체결되도록 로직을 구성하였다.
- 고유진동수 해석에서 사용했던 클러치 스프링 부착판의 초기 모델에 대해 부피를 감소시키며 강성을 최대화 시키도록 OPTISTRUCT 를 사용하여 위상최적화를 수행하였다. 재료로는 SPHC 를 적용하였다.
- 드리븐 플레이트, 드라이브 플레이트의 스프링 개수(3∼6 개)를 변화시킬 때에는 스프링 반경을 80mm 로 고정하였으며, 스프링 반경(75∼90mm)을 변화시킬 때에는 스프링 개수를 4 개로 고정하여 해석하였다.
- 판에 스프링이 부착되는 방식에 따라 진동특성이 변화한다면 그 경향을 파악하여 스프링 진동특성을 조절할 수 있을 것이고 이는 클러치 설계에 유용한 방법이 될 수 있을 것이라고 판단하였다. 때문에 이들 판에 스프링이 부착되는 방식에 따라 진동특성이 어떻게 변화하는지 확인하기 위해서 해석 OPTISTRUCT 를 이용하여 고유진동수 해석을 수행하였다. 스프링의 개수, 스프링 부착 반경에 따른 고유진동수의 변화 양상을 파악하기 위하여 드리븐 플레이트와 드라이브 플레이트의 스프링 부착 상황을 동일하게 변화시켰으며 리테이닝 플레이트에 부착되는 스프링은 개수 6 개, 반경 50mm 로 고정하였다.
- (3,4) 스프링의 수, 스프링 부착 반경에 따른 고유진동수 변화 양상을 파악하기 위하여 스프링이 부착된 세 개의 동력 전달용 판을 모델링한 후 스프링요소를 각 상황별로 나누어 부착시키고 진동 특성을 파악하였다. 또한 세 개의 판 구조물에 대하여 위상최적화를 수행하여 초기형상을 결정하였으며, 최적화된 구조를 바탕으로 모델링된 판에 대해 강도해석을 하여 구조안전성을 확인하였다.
- 자동변속기의 이중댐퍼장착 체결클러치 최적화 방법으로 먼저 다물체 동역학 모델을 구성하고 시스템의 동특성을 해석하였으며 SA 알고리즘을 이용하여 스프링 부착 위치 및 구속조건에 따라 설계변수를 최적화하는 스프링의 최적설계코드를 개발하였다. 또한 앞서 수행한 동적해석 및 스프링 최적화를 바탕으로 고유진동수 해석을 수행하여 스프링 부착 상황에 따른 고유진동수를 해석하였으며, 스프링 부착판의 위상최적화 및 강도해석을 수행하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 각 부품들에는 기존의 실제 부품들을 바탕으로 질량 및 회전관성이 적용되었다. 또한 체결 시 시스템의 응답을 계산하기 위해 실차 상황을 바탕으로 클러치가 체결되도록 로직을 구성하였다.
- 본 연구에서는 체결클러치 중 신개념인 이중 쌍댐퍼 시스템(Double Twin Damper System)에 대하여 ADAMS를 이용하여 클러치의 각 부품들이 포함된 자동차의 동력전달시스템을 구성하였고, 실 주행상황을 모사하여 동력전달 특성을 파악하였다. 또한, 전체 시스템의 유한요소 고유진동수 해석을 통해 엔진의 작동영역에서 공진을 회피하도록 스프링상수를 결정하였다. 클러치에 부착되는 댐퍼스프링을 최적설계하기 위해서 어닐링모사(Simulated Annealing)법에 의거하여 스프링 최적설계코드를 개발하였고, 결정된 스프링상수 및 최대 충격토크, 수축각도, 스프링개수 등을 입력하여 압축 스프링의 사양을 최적화하였다.
- 추가된 댐퍼 요소는 동일한 반경에서 한 쌍의 커버 안에 조립되어 있으므로 댐퍼 요소 추가 시에도 토크컨버터의 전장은 동일하게 유지되도록 고안되었다. 본 연구는 토크컨버터의 이중 쌍 댐퍼 시스템이 장착된 체결클러치에 초점을 맞추어 진행되었다.
- 본 연구에서는 체결클러치 중 신개념인 이중 쌍댐퍼 시스템(Double Twin Damper System)에 대하여 ADAMS를 이용하여 클러치의 각 부품들이 포함된 자동차의 동력전달시스템을 구성하였고, 실 주행상황을 모사하여 동력전달 특성을 파악하였다. 또한, 전체 시스템의 유한요소 고유진동수 해석을 통해 엔진의 작동영역에서 공진을 회피하도록 스프링상수를 결정하였다.
- 때문에 이들 판에 스프링이 부착되는 방식에 따라 진동특성이 어떻게 변화하는지 확인하기 위해서 해석 OPTISTRUCT 를 이용하여 고유진동수 해석을 수행하였다. 스프링의 개수, 스프링 부착 반경에 따른 고유진동수의 변화 양상을 파악하기 위하여 드리븐 플레이트와 드라이브 플레이트의 스프링 부착 상황을 동일하게 변화시켰으며 리테이닝 플레이트에 부착되는 스프링은 개수 6 개, 반경 50mm 로 고정하였다.
- 어닐링모사에 기반을 둔 스프링 최적설계코드를 개발하고 앞서 결정된 스프링상수 및 최대충격토크, 수축각도, 스프링개수 등을 입력하여 압축 스프링의 사양을 최적화하였다. 스프링 설계 시 반복하중에 의한 스프링의 전단응력이 허용응력을 초과하지 않도록 설계하는 것이 중요하기 때문에 식 (5)과 같이 설계변수에 따라 변하는 피로 및 항복에 대한 안전계수를 목적함수로 정의하고, 스프링 부착 공간의 기하학적 상황을 고려하여 구속조건을 결정하였다.
- 엔진 클러치 체결 시 스프링에 작용하는 최대 토크를 확인하기 위해 동력학 해석을 수행하였다. 클러치 체결 순간의 갑작스런 충격으로, 입력된 엔진토크 156,000N mm 보다 35∼53% 높은 210,000N mm∼240,000N mm 의 토크가 스프링에 전달됨을 알 수 있었다.
- 자동변속기의 이중댐퍼장착 체결클러치 최적화 방법으로 먼저 다물체 동역학 모델을 구성하고 시스템의 동특성을 해석하였으며 SA 알고리즘을 이용하여 스프링 부착 위치 및 구속조건에 따라 설계변수를 최적화하는 스프링의 최적설계코드를 개발하였다. 또한 앞서 수행한 동적해석 및 스프링 최적화를 바탕으로 고유진동수 해석을 수행하여 스프링 부착 상황에 따른 고유진동수를 해석하였으며, 스프링 부착판의 위상최적화 및 강도해석을 수행하였다.
- 좀더 구체적인 형상을 구현하고자, 대표적으로 드리븐 플레이트에 대하여 위상최적화 결과를 바탕으로 구현한 형상을 다듬어 Fig. 7 와 같이 새로운 판을 모델링하고 강도해석 및 고유진동수 해석을 수행하였다. Fig.
- 체결 순간의 최대 토크 작용 시 판의 회전을 20° 이하로 제한하고 동시에 스프링 상수를 공진 회피 범위 안에 있도록 700,000Nmm/rad 로 결정하여 해석을 다시 하였다.
- 체결클러치와 연결된 엔진, 변속기, 구동축 및 휠, 차체질량 등 주요 부품들을 모두 포함하고 그 사이를 연결하는 등가 강성과 등가 스프링 등을 추가해서 정의하는 방법으로 동역학 해석 프로그램인 ADAMS 를 이용하여 Fig. 3 과 같이 다물체 동역학모델을 구성하였고, 차량 동력 전달 시스템의 동력전달 특성 및 비틀림진동 특성을 해석하였다.(8,9) 동력전달 모델은 Fig.
- 또한, 전체 시스템의 유한요소 고유진동수 해석을 통해 엔진의 작동영역에서 공진을 회피하도록 스프링상수를 결정하였다. 클러치에 부착되는 댐퍼스프링을 최적설계하기 위해서 어닐링모사(Simulated Annealing)법에 의거하여 스프링 최적설계코드를 개발하였고, 결정된 스프링상수 및 최대 충격토크, 수축각도, 스프링개수 등을 입력하여 압축 스프링의 사양을 최적화하였다.(3,4) 스프링의 수, 스프링 부착 반경에 따른 고유진동수 변화 양상을 파악하기 위하여 스프링이 부착된 세 개의 동력 전달용 판을 모델링한 후 스프링요소를 각 상황별로 나누어 부착시키고 진동 특성을 파악하였다.
- 판에 부착되는 스프링들은 ADAMS 의 토션 스프링요소로 등가로 치환하여 사용하였으며, 3 개의 서로 다른 스프링(S1∼S3)을 스프링상수 400,000 N・mm/rad 기준으로 상하로 20,000 N・mm/rad 만큼 동시에 변화시키며 총 16 회의 해석이 수행되었다.
- 3 이하로 제한하고, 응력은 항복강도 385MPa 이하로 구속시켰으며 목적함수로 컴플라이언스(Compliance)를 최소화시켜 구조물의 강성을 최대화하였다. 하중은 동적 해석을 통해 계산된 최대 토크 210,100, 232,800, 241,800(N-mm)을 부착반경 및 스프링개수로 나누어 드라이브 플레이트, 드리븐 플레이트, 리테이닝 플레이트에 각각 656.56N, 727.50N, 806.00N 의 값을 스프링에 의한 힘 전달부위에 적용하였고, 각 판에서 다음 부품으로 동력이 전달되는 접촉 부분은 완전 구속시켰다.
대상 데이터
- 고유진동수 해석에서 사용했던 클러치 스프링 부착판의 초기 모델에 대해 부피를 감소시키며 강성을 최대화 시키도록 OPTISTRUCT 를 사용하여 위상최적화를 수행하였다. 재료로는 SPHC 를 적용하였다. 식 (27)과 같이 구속조건으로 체적비를 0.
- 모델링된 자동변속기 차량은 1,600cc 급 직렬형 4 기통 엔진을 장착하고 있고, 이중 쌍 댐퍼 시스템이 적용된 체결클러치를 장착하고 있다고 가정하였다. 차량 전체 무게는 1,600kgf 이고, 엔진 최대토크는 156,000N･mm 이다. 각 부품들에는 기존의 실제 부품들을 바탕으로 질량 및 회전관성이 적용되었다.
성능/효과
- (2) 등가모델을 통해 클러치 체결 시 스프링에 발생하는 최대 토크를 계산할 수 있고 스프링 최적 설계 수행 시 입력 값으로 사용할 수 있다.
- (3) 개발된 스프링 최적설계 코드를 통해 스프링상수 및 최대충격토크와 수축각도, 스프링개수등 설계 구속 조건들을 입력하여 압축 스프링의 사양을 최적화하고 서징주파수 및 좌굴하중을 계산하여 스프링의 안전성을 판단할 수 있다.
- (4) 클러치의 고유진동수를 최소화하기 위해서는 스프링 개수를 줄이고 그에 따라 각각의 스프링 강성은 높여야 하며 스프링 부착 반경을 최대한 줄이는 방향으로 설계해야 함을 확인하였다.
- 2% 증가함을 확인하였다. 또한 스프링 부착 반경을 증가시킬수록 클러치의 고유진동수가 전체적으로 증가하는 양상을 볼 수 있었고, 반경을 75mm 에서 90mm 로 증가시켰을 때 1차 고유진동수의 경우 13.14Hz 에서 13.35Hz 로 약 1.6% 증가함을 알 수 있었다. 해석을 통한 결과를 살펴보면 1 차 고유진동수가 13.
- (11) 어닐링 모사법은 외부와 내부 루프로 구성된다. 먼저 초기 값들이 설정된 후 외부루프에서 우선 임의의 해 T 값을 고정시키고 내부루프에서 적절한 방법으로 현재의 해와 근접한 새로운 해를 만들어서 새로운 해의 목적함수의 값이 현재 해의 값보다 작으면 무조건 새로운 해를 현재 해로 받아들이고, 그렇지 않을 경우에도 무조건 버리지 않고 정한 확률로 나쁜 해를 현재 해로 받아들이는 과정을 임의의 횟수만큼 반복한다. 그 후 외부루프에서 T 값을 약간 낮추고 내부루프 횟수를 적절히 수정하여 다시 내부루프의 과정을 반복하게 된다.
- 01MPa 이 발생하였다. 부피의 감소로 인하여 응력이 최적화 전 모델의 최대응력(123.52MPa)에 비해 22.25% 증가하였으나 강도적인 측면에서 항복응력의 절반 정도로 구조물이 안전함을 확인하였다.
- 스프링 개수를 증가시킨 결과 클러치의 고유진동수가 전체적으로 증가하는 양상을 볼 수 있고, 스프링 개수를 3 개에서 6 개로 증가시켰을 때 대표적으로 1 차 고유진동수의 경우 13.11 Hz 에서 13.40 Hz 로 약 2.2% 증가함을 확인하였다. 또한 스프링 부착 반경을 증가시킬수록 클러치의 고유진동수가 전체적으로 증가하는 양상을 볼 수 있었고, 반경을 75mm 에서 90mm 로 증가시켰을 때 1차 고유진동수의 경우 13.
- 위상최적화를 수행한 결과 총 12 회의 반복을 통해 최적해를 얻을 수 있었다. 초기 컴플라이언스 값은 293.
- 좌굴 임계하중은 각각 4,540.37N, 7,538.32N 이고, 서징 주파수는 각각 570.98Hz (34,258.8rpm), 1,492.77Hz (89,566.2 rpm)으로서 스프링에 작용하는 하중 (656.56N)과 공진영역(900∼2,000rpm)을 고려 할 때 스프링이 좌굴 및 서징에 대해 안전하게 설계되었음을 확인할 수 있다.
- 클러치 체결 순간의 갑작스런 충격으로, 입력된 엔진토크 156,000N mm 보다 35∼53% 높은 210,000N mm∼240,000N mm 의 토크가 스프링에 전달됨을 알 수 있었다.
- 이런 경우 공진에서 안전하기 위해 클러치의 고유진동수를 최대한 낮추는 방향으로 설계해야 한다. 클러치의 주파수를 최소화하기 위해서는 스프링 개수를 줄이고 그에 따라 스프링 강성은 높여야 하며 스프링 부착 반경을 최대한 줄이는 방향으로 설계해야 함을 확인하였다.
- 해석을 통한 결과를 살펴보면 1 차 고유진동수가 13.11Hz∼13.40Hz 즉 393.3∼402 rpm 정도의 낮은 주파수를 갖는다는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 동력이 전달되는 경로에서 충력 및 진동을 흡수하기 위해 댐퍼 스프링이 부착되는데 댐퍼 스프링이 부착되는 클러치 부품으로는 드리븐 플레이트, 드라이브 플레이트, 리테이닝 플레이트가 있다. 판에 스프링이 부착되는 방식에 따라 진동특성이 변화한다면 그 경향을 파악하여 스프링 진동특성을 조절할 수 있을 것이고 이는 클러치 설계에 유용한 방법이 될 수 있을 것이라고 판단하였다. 때문에 이들 판에 스프링이 부착되는 방식에 따라 진동특성이 어떻게 변화하는지 확인하기 위해서 해석 OPTISTRUCT 를 이용하여 고유진동수 해석을 수행하였다.
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