내접형 기어펌프의 경우 내구성과 소형화의 장점을 가지고 있으나, 유량증대 및 소음저감의 성능개선이 요구되고 있다. 본 논문에서는 외부로브 형상이 다양한 곡선 조합(타원 1-인볼루트-타원 2)인 경우에 대하여 기구학적 치형 형상 관계식을 유도하고, 창성된 치형에 대해 소음에 관계된 성능인자(압력각, 유량맥동과 미끄럼률)를 예측하여 소음정도를 수치적으로 비교하였다. 또한 이론 해석을 통해 구한 치형형상과 성능인자 예측 알고리즘을 통하여 설계변수와 성능인자간의 영향도를 분석하였고, 분석 결과를 바탕으로 일정한 유량성능을 유지하면서 소음이 저감된 치형의 최적설계를 수행하였다. 해석결과를 바탕으로 제시된 치형의 최적설계에 대한 시제품 제작 및 소음 시험을 통해 설계의 타당성을 검증하였다.
내접형 기어펌프의 경우 내구성과 소형화의 장점을 가지고 있으나, 유량증대 및 소음저감의 성능개선이 요구되고 있다. 본 논문에서는 외부로브 형상이 다양한 곡선 조합(타원 1-인볼루트-타원 2)인 경우에 대하여 기구학적 치형 형상 관계식을 유도하고, 창성된 치형에 대해 소음에 관계된 성능인자(압력각, 유량맥동과 미끄럼률)를 예측하여 소음정도를 수치적으로 비교하였다. 또한 이론 해석을 통해 구한 치형형상과 성능인자 예측 알고리즘을 통하여 설계변수와 성능인자간의 영향도를 분석하였고, 분석 결과를 바탕으로 일정한 유량성능을 유지하면서 소음이 저감된 치형의 최적설계를 수행하였다. 해석결과를 바탕으로 제시된 치형의 최적설계에 대한 시제품 제작 및 소음 시험을 통해 설계의 타당성을 검증하였다.
An internal gear pump is required to improve the flow rate and noise. Furthermore, such pumps are durable and small in size. In this study, equations of the rotor shape with multiple profiles (ellipse 1-involute-ellipse 2) were derived, and relevant performance parameters (pressure angle, irregulari...
An internal gear pump is required to improve the flow rate and noise. Furthermore, such pumps are durable and small in size. In this study, equations of the rotor shape with multiple profiles (ellipse 1-involute-ellipse 2) were derived, and relevant performance parameters (pressure angle, irregularity, and specific sliding) of the internal gear pump to noise were predicted and compared. Rotor profiles and performance parameters were obtained by a prediction algorithm for theoretical analysis, and the effects between the design parameters and the performance parameters were analyzed. Based on the analysis results of the effects, an optimal design of the rotor profile was proposed, and a noise test of the prototype was performed to evaluate the reliability of the design.
An internal gear pump is required to improve the flow rate and noise. Furthermore, such pumps are durable and small in size. In this study, equations of the rotor shape with multiple profiles (ellipse 1-involute-ellipse 2) were derived, and relevant performance parameters (pressure angle, irregularity, and specific sliding) of the internal gear pump to noise were predicted and compared. Rotor profiles and performance parameters were obtained by a prediction algorithm for theoretical analysis, and the effects between the design parameters and the performance parameters were analyzed. Based on the analysis results of the effects, an optimal design of the rotor profile was proposed, and a noise test of the prototype was performed to evaluate the reliability of the design.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 일정 유량성능을 유지하면서 저소음을 가지는 내접형 기어펌프용 로터를 개발하기 위하여 설계변수가 다양한 형상의 치형 창출이 가능한 조합된 외부로브형상(타원 1-인벌루트-타원 2)에 대하여 유량 및 소음관련 성능인자인 압력각, 유량맥동, 미끄럼률 관계식을 이용한 성능예측을 수행하였다. 이론적 해석 알고리즘을 통하여 치형 설계 자동화 프로그램을 개발하고 이를 통해 설계변수와 유량 및 소음관련 성능인자간의 영향도 분석을 수행하였으며, 해석결과를 바탕으로 치형 최적설계를 수행하였다.
제안 방법
이론적 계산을 통하여 구해진 치형 정보 및 성능인자 관계식을 이용하여 타원 및 인벌루트의 조합된 외부로브 형상을 갖는 로터의 치형을 자동으로 창출하기 위하여 MATLAB 프로그램 환경 하에서의 통합적 설계 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 설계변수를 입력하는 입력모듈, 치형형상 창출모듈, 성능인자 계산모듈 및 계산결과를 화면에 출력하는 출력 모듈로 구성되어있다.
이론적 해석 알고리즘을 통하여 치형 설계 자동화 프로그램을 개발하고 이를 통해 설계변수와 유량 및 소음관련 성능인자간의 영향도 분석을 수행하였으며, 해석결과를 바탕으로 치형 최적설계를 수행하였다. 또한 최적설계된 치형의 시제품 제작 및 소음 시험을 통해 연구의 신뢰성을 검증하였다.
본 연구에서는 외부로브형상이 타원 1-인벌루트-타원 2 로 조합된 치형형상을 가지는 내·외부로터의 유량 및 소음에 관련된 성능인자 관계식을 이용하여 치형설계 자동화 프로그램을 개발하였으며, 이를 이용하여 최적설계를 수행하였다. 또한 최적설계에 대한 시제품제작 및 성능테스트를 통하여 신뢰성을 검증하였다.
로터의 설계인자 중 로터의 내∙외부 로터잇수(9/10 개), 외부로터 폭(w=10.5mm), 외경(Φ=90mm), 외부로터의 최외경과 치저경 사이의 거리(t=4.3375mm)를 자동차에 적용되기 위해 기존 제품과 동일하게 고정하였다.
본 연구에서는 외부로브형상이 타원 1-인벌루트-타원 2 로 조합된 치형형상을 가지는 내·외부로터의 유량 및 소음에 관련된 성능인자 관계식을 이용하여 치형설계 자동화 프로그램을 개발하였으며, 이를 이용하여 최적설계를 수행하였다.
오일의 온도는 85℃ ± 5℃, 압력은 1.569MPa로 동일하게 유지하였으며, 운행조건을 고려하여 RPM 의 경우 1000 ~ 2500rpm 범위에서 시험을 수행하였다.
이론적 계산을 통하여 구해진 치형 정보 및 성능인자 관계식을 이용하여 타원 및 인벌루트의 조합된 외부로브 형상을 갖는 로터의 치형을 자동으로 창출하기 위하여 MATLAB 프로그램 환경 하에서의 통합적 설계 시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 설계변수를 입력하는 입력모듈, 치형형상 창출모듈, 성능인자 계산모듈 및 계산결과를 화면에 출력하는 출력 모듈로 구성되어있다.
이에 본 연구에서는 일정 유량성능을 유지하면서 저소음을 가지는 내접형 기어펌프용 로터를 개발하기 위하여 설계변수가 다양한 형상의 치형 창출이 가능한 조합된 외부로브형상(타원 1-인벌루트-타원 2)에 대하여 유량 및 소음관련 성능인자인 압력각, 유량맥동, 미끄럼률 관계식을 이용한 성능예측을 수행하였다. 이론적 해석 알고리즘을 통하여 치형 설계 자동화 프로그램을 개발하고 이를 통해 설계변수와 유량 및 소음관련 성능인자간의 영향도 분석을 수행하였으며, 해석결과를 바탕으로 치형 최적설계를 수행하였다. 또한 최적설계된 치형의 시제품 제작 및 소음 시험을 통해 연구의 신뢰성을 검증하였다.
최적의 초기구간 및 증분값을 선정하기 위하여 허용 이끝 폭 이상이면서 첨점 혹은 루프가 발생되지 않은 범위 내에서 타원형상 설계 변수 (e, d, k)와 인볼루트 설계 변수 (γ, η, factor)의 변화에 대하여 각각 설계 데이터를 추출한 후 이를 비교하여 설계변수와 성능인자의 영향도을 파악하였다.
해석결과를 바탕으로 선정된 4 가지 치형 중 현장비 테스트기에 적용이 가능한 기존 치형과 동일한 편심량(e=3.421mm)을 가지는 사양 4 와 기존치형(AT)에 대한 유량 및 소음 시험을 수행하여 결과를 비교하였다. 기존 치형 및 사양 4 에 치형에 대한 시제품을 Fig.
데이터처리
8~Fig. 9 에서와 같이 Origin 프로그램을 이용하여 성능인자에 대한 영향도 분석을 수행하였다.
이론/모형
따라서 피치점 P 를 시계방향(CW)으로 각도 α 만큼 회전시킨 점 P'와 타원 또는 인벌루트 형상 위의 점을 연결하면서 식 (12)~(13)을 만족시키는 θinv 를 Newton-Rhapson 법을 이용하여 찾고, 접촉점 A'[xp, yp]i를 구한다.
성능/효과
(1) 타원구간 설계변수 및 인벌루트 구간 설계 변수와 성능인자에 대한 영향도 분석결과, 편심량이 증가함에 따라 유량도 함께 증가하지만 소음관련 성능인자인 압력각과 미끄럼률 성능은 감소함을 알 수 있었다. 또한, 첨점과 루프가 발생하지 않는 영역에서의 최대 편심량은 최대 3.
(2) 각 설계변수에 따른 성능인자에 대한 영향도 분석 결과를 바탕으로 최적의 설계범위를 결정하고, 설계 범위 내에서 가장 성능이 우수한 최적치형을 선정하였다. 기존 제품의 치형형상(AT)에 대한 소음 관련 성능인자와 비교하였을 때 최적치형의 유량맥동은 AT 보다 약 3% 증가하였지만, 미끄럼률에서 약 30%, 압력각에서는 약 13% 우수함을 보였다.
(3) 제안된 최적치형과 기존제품(AT)에 대하여 유량 및 소음 Test 를 수행하였으며, 측정결과 최적치형의 경우 기존제품에 비해 약 5%의 소음감소를 나타내었으며, 유량의 경우 약 0.5%의 미세한 증가를 나타내었다.
(2) 각 설계변수에 따른 성능인자에 대한 영향도 분석 결과를 바탕으로 최적의 설계범위를 결정하고, 설계 범위 내에서 가장 성능이 우수한 최적치형을 선정하였다. 기존 제품의 치형형상(AT)에 대한 소음 관련 성능인자와 비교하였을 때 최적치형의 유량맥동은 AT 보다 약 3% 증가하였지만, 미끄럼률에서 약 30%, 압력각에서는 약 13% 우수함을 보였다.
유량맥동은 γ 가 커질수록 좋아지며, 미끄럼률은 γ 가 작을수록 감소하였다. 또한, 유량 및 압력각은 최대값과 최소값의 차이가 거의 없음으로 보아 인벌루트 계수에 영향을 받지 않는 것으로 알 수 있었다.
(1) 타원구간 설계변수 및 인벌루트 구간 설계 변수와 성능인자에 대한 영향도 분석결과, 편심량이 증가함에 따라 유량도 함께 증가하지만 소음관련 성능인자인 압력각과 미끄럼률 성능은 감소함을 알 수 있었다. 또한, 첨점과 루프가 발생하지 않는 영역에서의 최대 편심량은 최대 3.71mm 으로 나타났다.
사양 1 치형은 기존 치형(AT)보다 유량이 10%, 유량맥동이 13%, 압력각이 28%가량 감소하였지만 미끄럼률의 경우 23% 가량 높은 결과를 보였고 사양 2 는 치폭, 유량, 유량맥동, 미끄럼률, 압력각 모두 AT 보다 우수하였다. 사양 3 과 사양 4 는 유량맥동은 AT 보다 약 3%증가하였지만, 미끄럼률에서 약 30%, 압력각 에서는 약 13% 우수함을 보였다.
사양 1 치형은 기존 치형(AT)보다 유량이 10%, 유량맥동이 13%, 압력각이 28%가량 감소하였지만 미끄럼률의 경우 23% 가량 높은 결과를 보였고 사양 2 는 치폭, 유량, 유량맥동, 미끄럼률, 압력각 모두 AT 보다 우수하였다. 사양 3 과 사양 4 는 유량맥동은 AT 보다 약 3%증가하였지만, 미끄럼률에서 약 30%, 압력각 에서는 약 13% 우수함을 보였다.
유량맥동은 e 가 커질수록, k 가 작아질수록 낮아지며, 압력각은 e 가 커질수록, d 가 작아질수록, k 가 커질수록 낮아지며, 미끄럼률은 e 가 낮을수록, d 가 커질수록 낮아짐을 알 수 있다. 편심량이 커질수록 유량 및 유량특성이 좋아지지만 어느 한계값 이상으로 커지면 첨점과 루프가 발생하기 때문에 첨점과 루프가 발생하지 않는 영역에서의 최대 편심량은 최대 3.71mm 으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
내접형 기어펌프의 장점은 무엇인가?
내접형 기어펌프는 내구성 및 소형화의 장점을 가지고 있으며, 자동차의 엔진 및 변속기 오일펌프, 디젤차량의 연료펌프 등에 사용되고 있다. 또한, 하이브리드 자동차의 경우 정차시 엔진을 정지시키고 가속페달을 밟아 출발하면 전기모터를 이용해 엔진을 다시 구동시키는 IS&G(Idle-Stop & Go) 장치 및 전기모터 구동부에도 적용되고 있다.
IS&G(Idle-Stop & Go) 장치는 무엇인가?
내접형 기어펌프는 내구성 및 소형화의 장점을 가지고 있으며, 자동차의 엔진 및 변속기 오일펌프, 디젤차량의 연료펌프 등에 사용되고 있다. 또한, 하이브리드 자동차의 경우 정차시 엔진을 정지시키고 가속페달을 밟아 출발하면 전기모터를 이용해 엔진을 다시 구동시키는 IS&G(Idle-Stop & Go) 장치 및 전기모터 구동부에도 적용되고 있다. 현재 자동차의 경우 평균 연비향상을 위한 가솔린 엔진 연소효율 증대, 차체 경량화 및 저마찰 오일펌프 개발 등의 연구가 진행되고 있으며, 내접형 기어펌프의 핵심부품인 로터의 경우 치형설계 및 포트형상 설계 및 보완을 통하여 유량증대 및 소음저감을 추구하고 있다.
타원구간 설계변수 및 인벌루트 구간 설계 변수와 성능인자에 대한 영향도 분석결과 첨점과 루프가 발생하지 않는 영역에서의 최대 편심량은 무엇인가?
(1) 타원구간 설계변수 및 인벌루트 구간 설계 변수와 성능인자에 대한 영향도 분석결과, 편심량이 증가함에 따라 유량도 함께 증가하지만 소음관련 성능인자인 압력각과 미끄럼률 성능은 감소함을 알 수 있었다. 또한, 첨점과 루프가 발생하지 않는 영역에서의 최대 편심량은 최대 3.71mm 으로 나타났다.
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