[논문]트로코이드 펌프 설계방법 및 내부 유동 해석연구

정승원; 정원지; 김명식; 전주열

doi:10.7735/ksmte.2014.23.1.087

트로코이드 펌프 설계방법 및 내부 유동 해석연구
Internal flow Analysis Research Design and Methodology for Trochoid Pump 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.23 no.1, 2014년, pp.87 - 93

정승원 (ChangWon National university Mechanical Design Engineering) , 정원지 (ChangWon National university Mechanical Engineering) , 김명식 (Flutek) , 전주열

Abstract ▼ AI-Helper

This paper provides a methodology for extracting design data from the three-dimensional design software SolidWorks$^{(R)}$, which is based on the existing trochoid pump design equations that are used by hydraulic field engineers. The data extracted from the SolidWorks$^{(R)}$ model are input to a hydraulic analysis software AMESim model to determine the design factors that can influence the properties of a trochoid pump. On the basis of the simulation results, this paper proposes a method to reduce the flow loss by adjusting the outlet angle of the trochoid pump. This proposal was verified by using actual experimental results, which confirmed that adjusting the outlet angle can increase the flow rate. Hence, the results presented in this paper can contribute to the prototyping of a trochoid pump by reducing the cost associated with a trial-and-error design.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

유압해석 전문 프로그램인 AMESim®을 사용하는 목적은 눈으로 확인 불가능한 트로코이드 펌프 흐름을 자료 값으로 확인하고 펌프윤활 유체 제어를 제어하여 그 흐름 손실을 시뮬레이션으로 확인하는 것이다.
하지만 윤활유의 특징으로 자체 흡입력이 떨어져 중저속에서도 일부 Cavitation이 발생한다. 하지만 고속회전에 의한 연구를 하기 위해 이번 연구에는 시뮬레이션을 통한 방법과 실제 구동을 통한 사례를 비교하여 비교한 사례가 오차범위 이내라면 실제 실험 전에 미리 예측을 통해 실험 비를 줄이는 것을 목표로 하고 있다. 시뮬레이션의 결과로 Fig.

제안 방법

각도마다의 특정 형태에서는 내부 로터와 외부 로터의 입구/출구 스케치를 이용하여 SolidWorks® 의 BLOCK 기술(BASE로 SolidWorks®의 PAD 기술)을 이용하여 면적을 확인한다.
엔진의 출력동력은 25∼30%가량 윤활장치에 사용된다. 본 논문에서 연구하고자 하는 윤활장치인 내접기어 펌프는 현재 시판되고 있는 종류를 크게 나누어 분할편(Partition Piece)형과 제로터(Gerotor)형으로 구분된다. 일반적으로 흔히 사용되고 있는 정용량형 유압 펌프인 내접 기어 펌프는 내접 기어의 치형 형태에 대한 결합으로 생성된 평기어나 원의 곡선을 변형하여 사용하고 있다.
본 논문에서는 현장 설계 엔지니어가 트로코이드 곡선을 사용하여, 펌프의 설계에 접근할 때 기존의 설계식을 토대로 3D 설계 프로그램인 SolidWorks^®를 통하여 설계 데이터를 추출하는 방법을 제안한다. 유압해석 전문 프로그램인 AMESim^®을 이용하여 SolidWorks^®를 통하여 추출된 데이터를 AMESim^®을 해석 모델에 입력하여 특성에 영향을 주는 인자를 정해 시뮬레이션을 진행한다.
실험은 KIMS에서 지정해준 항목에 맞게 조사를 진행하였고 실험환경으로는 1500 RPM의 회전에 온도는 55∼60℃를 유지하고 전체 총진행시간은 1500시간으로 정하였다.
유량손실을 줄이기 위해 외부로터의 송출 각도가 0°에서 1°간격으로 1°, 2°, 3°, 4°, 5°으로 변화 시켜 보았다.
를 통하여 설계 데이터를 추출하는 방법을 제안한다. 유압해석 전문 프로그램인 AMESim^®을 이용하여 SolidWorks^®를 통하여 추출된 데이터를 AMESim^®을 해석 모델에 입력하여 특성에 영향을 주는 인자를 정해 시뮬레이션을 진행한다. 트로코이드 펌프의 출구의 각도 조절을 통한 해석내용을 토대로 유량 손실을 줄이는 방안에 도움을 주고 이를 토대로 유량상승이 생기는 펌프커버와 로터사이의 최적화 설계를 지원한다.
이번 실험은 Y업체에서 같이 진행한 것으로 시뮬레이션을 통한 4° 변경 했을 경우의 결과 값을 확인하기 위해 펌프 커버와 로터의 접하는 각도를 변경전의 실제 측정치를 비교한 것이다.

대상 데이터

본 논문에서 다루고자 하는 제로터(Gerotor)펌프는 펌프의 치형이 트로코이드 치형인 점과 관련지어 트로코이드 펌프(Trochoiod pump)라 불리우기도 하는데 그 모습은 다음 Fig. 1과 같다.

데이터처리

전체 흐름에서 작동유의 점성 변화에 따라 효율에 영향을 끼치는 것도 Fig. 12를 이용하여 AMESim®으로 해석해 보았다.
그래서 이 순간을 손실을 의미하는 역류 현상으로 판단한다. 회전 하는 순간의 내부로터와 외부로터 사이의 관계를 앞선 두 그래프와 확인 한 결과로 유량 비교를 통해 실험의 계측 치와 비교를 진행한다.

성능/효과

트로코이드 펌프의 출구의 각도 조절을 통한 해석내용을 토대로 유량 손실을 줄이는 방안에 도움을 주고 이를 토대로 유량상승이 생기는 펌프커버와 로터사이의 최적화 설계를 지원한다. 실제 실험결과에서도 출구의 각도 조절을 통해 기존의 설계보다 출구의 각도를 조절한 설계가 유량이 소폭 상승한 것을 확인하였다. 따라서 이와 같은 프로토타입의 최적설계는 통해 설계 시행착오를 줄여 만드는 비용을 줄이는데 기여를 할 것이다.
Table 2는 프로토 타입(Proto Type)의 트로코이드 펌프가 1500시간 실험 이후의 결과를 KIMM의 펌프 합격 기준량과 비교한 것이다. 전체적으로 트로코이드 펌프의 유량효율이 시간이 지남에 따라 감소를 하였지만 기준치에 비교해서는 효율이 6%가 높고 소음도 기준치에 비해 6 dB차이로 합격수준을 넘어 설계에서는 안정적으로 설계되었다고 판단할 수 있다.
유량에는 괄호의 숫자가 있는데 이 숫자는 실험 때 유량이 탱크로 연결되어 유로가 열려있는 상태의 실험결과이다. 출구의 각도 변화를 준 결과로는 시간이 지날수록 효율변화를 차이를 보였다. 750시간 이후로 유량이 1%가량 소폭 상승하였다.

후속연구

실제 실험결과에서도 출구의 각도 조절을 통해 기존의 설계보다 출구의 각도를 조절한 설계가 유량이 소폭 상승한 것을 확인하였다. 따라서 이와 같은 프로토타입의 최적설계는 통해 설계 시행착오를 줄여 만드는 비용을 줄이는데 기여를 할 것이다.
또한 전체 체적에 비하여 베인이나 기어 펌프보다 1회전당의 토출량이 많은 것을 장점으로 가지고 있다^[1]. 본 논문에서 연구하고자 하는 트로코이드 펌프는 가공 기술의 발달과 함께 급격하게 응용성이 확대되어 가는 실정이라 트로코이드 펌프의 치형 설계와 관련된 많은 연구가 수행중이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	엔진과 변속기의 정상적인 기능과 수명을 유지하기 위해 필수적인 것은 무엇인가?	안정적인 주행을 하면서 연료 효율을 지속시키기 위한 방법으로 엔진과 변속기 관리는 필수적이다. 엔진과 변속기의 정상적인 기능과 수명을 유지하려면 과열이 생기는 내부마찰을 막는 윤활 장치는 필수이다.
	안정적인 주행을 하면서 연료 효율을 지속시키기 위한 방법으로 필수적인 것은 무엇인가?	최근 수송기계 연구개발 분야에서 환경문제를 생각하여 연료 효율이 높게 나오는 방향으로 연구되고 있다. 안정적인 주행을 하면서 연료 효율을 지속시키기 위한 방법으로 엔진과 변속기 관리는 필수적이다. 엔진과 변속기의 정상적인 기능과 수명을 유지하려면 과열이 생기는 내부마찰을 막는 윤활 장치는 필수이다.
	트로코이드 펌프의 장점은 무엇인가?	외부로터(Outer Rotor)와 내부로터(Inner Rotor)사이에 상대운동이 적으므로 장기간 사용하여도 효율의 변화가 적으며 흡입 성능이 우수하여 널리 사용되고 있다. 특히 다른 펌프에 비하여 소음이 적어 엔진 윤활을 위한 윤활유의 공급원이나 자동변속기의 유압원으로 널리 사용되고 있다. 또한 전체 체적에 비하여 베인이나 기어 펌프보다 1회전당의 토출량이 많은 것을 장점으로 가지고 있다[1]. 본 논문에서 연구하고자 하는 트로코이드 펌프는 가공 기술의 발달과 함께 급격하게 응용성이 확대되어 가는 실정이라 트로코이드 펌프의 치형 설계와 관련된 많은 연구가 수행중이다.

참고문헌 (8)

Jang, J. S., Lee, J. W., Han, D. C., Jo, M. R., 1996, A Study on Tooth Design Program Development of Gerotor Pump/Motor, Journal of the KSTLE, 12:3 100-106.
Kim, J. H., Park, J. H., Jung, S. Y., Soon, J. H., Kim, C., 2005, Optimal Design of Tooth Profile for High-Efficiency Gerotor Oil Pump, Journal of the KSPE, 22:5 28-36.
Yoshida, K., Uozumi, M., Shimada, Y., Kosuge, T., 2012, Development of High Efficiency Internal Gear Pump Rotor "Geocloid Rotor", Jurrnal of the JTEKT Engineering, 4:74 43-47.
Kim, C. H., Kim, D. I., Ahn, H. S., Chong, T. H., Lee, S. C., 1999, On the Design Parameters of Gerotor Hydraulic Motors, Journal of the KSTLE, 15:1 17-23.
Kim, M. S., Chung, W. J., Jeong, S. W., Jeon, J. Y., 2013, Methodology for Simulation of Trochoid Pump, Journal of the KSMTE, 22:3 465-471.

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Lee, I. Y., 2012, Hydraulic Engineering, Munundang, Korea.
Kim, B. J., Seung, S. H., Yoon, S. H., 2005, Flow Analysis and Port Optimization of Gerotor Pump using Commercial CFD Code ,Journal of KSME, 60:11 709-714.
Won, C. S., Hur, N. G., Kwon, S. H., 2003, Flow Analysis of Automotive Oil Pump of Gerotor Type, Journal of KSFM, 6:4 7-13.

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