[논문]자전거용 크랭크 일체형 자동변속기에 대한 특성 해석

백승엽

doi:10.5762/kais.2015.16.2.963

자전거용 크랭크 일체형 자동변속기에 대한 특성 해석
Characteristics Analysis of CVT with Built-in Crank for Bicycle 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.2, 2015년, pp.963 - 969

초록
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자전거는 환경공해 능력과 웰빙에 대한 관심증가 때문에 가장 유망한 미래 교통수단 중의 하나이다. 실제 자전거에 적용될 무단변속기를 제작하기 전에 신뢰성이 확보된 시뮬레이션 프로그램을 통하여 문제점을 초기에 확인하고, 각 링크의 소재 및 두께 등의 설계인자 최적화와 능력을 평가할 필요가 있다. 이 같은 과정을 통하여 무단 변속기 시스템 설계 과정에서의 소요비용을 줄일 수 있다. 본 논문에서는 설계인자를 확정하기 위해 응력해석을 수행되었으며. 전체 모델링 중에서 각 링크와 조인트 부분을 주요 설계인자로 가정하고 각각의 링크 및 조인트의 영향도 및 작동 시 받은 응력들을 CAE를 통해 확인하였다. 또한, 해석 영역에 대하여 적절한 수학적 모델링을 통해 맥동 현상을 계산할 수 있는 전용 code를 개발하였으며, 이를 Matlab에 적용하여 해석 결과를 graphic화하여 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Bicycle is one of the most popular mode of transport due to the increase of interest in the well-being and environment pollution. Before fabricating a continuously variable transmission that is applied to the actual bicycle, for reducing the problems in the early stage, the reliable simulation program has been applied and the financial problem can be solved. In this paper, in order to confirm the design factor, the stress analysis has been applied. In all models, each link and the joint portion are assumed to be a major design factors, and impact of each link and joints received stress during the operation and it is confirmed by using the CAE. Also, for the analysis region, the special code has been developed to calculate pulsation phenomenon through appropriate mathematical modeling.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 드레일러 방식과 내장기어 허브 방식의 장점을 골고루 갖추고 있는 크랭크 일체형 변속기 방식을 채택하고, 개발을 위해 선행 해석을 진행하였다. 각 링크의 소재 및 두께 등의 설계인자 등을 확정하기 위하여 수행되었으며, 전체 모델링 중에서 각 링크와 조인트 부분을 주요 설계인자로 가정하고 해석을 수행하였다
본 논문에서는 자전거에 사용될 무단 변속기 개발을 위해 선행 해석을 진행하여 응력해석을 수행 하였다. 작동 시 받은 응력들을 CAE를 통해 확인하였다.

가설 설정

본 논문에서는 드레일러 방식과 내장기어 허브 방식의 장점을 골고루 갖추고 있는 크랭크 일체형 변속기 방식을 채택하고, 개발을 위해 선행 해석을 진행하였다. 각 링크의 소재 및 두께 등의 설계인자 등을 확정하기 위하여 수행되었으며, 전체 모델링 중에서 각 링크와 조인트 부분을 주요 설계인자로 가정하고 해석을 수행하였다
3에서는 속도 경계조건이 나타나있다. 입력으로 작용되는 회전 속도는 link 1 에 부과되었고, 회전속도는 10 Rad/sec를 가정하였다. 작용시간은 1 sec 동안에 작용하는 응력을 해석하였다.

제안 방법

유한요소해석에 사용된 flexible parts는 메시로 잘게 나누어 각 요소별로 응력해석을 수행하였으며, flexible parts의 구성은 Link 3, Link 5 그리고 Rigid parts의 경우는 Link 1, Link 2, Link 4 이다. Rigid parts의 경우는 따로 mesh를 나누지 않았으며 강체로 해석을 수행하였다.
개발 모델인 무단변속기(CVT)의 특성을 설계 단계에서 파악하고, 그 결과를 토대로 구조를 개선하기 위해 유한 요소 기법을 이용하여 구조 해석을 수행하였다. 무단변속기의 경우, 자전거의 체인을 대신하여 페달부위에 장착되어야 하기 때문에 크기에 제한을 받게 된다.
무단변속기를 통해 자전거 바퀴가 회전할 때 변속링크의 맥동현상을 막기 위해서는 링크 시스템에 대한 기구학적 분석을 통해 가속도의 변화 즉, jerk의 양상을 분석해야 한다. 본 연구에서는 유한요소 해석을 통한 동적 변형 및 응력 해석과 더불어 해석적 접근을 통해 jerk를 계산할 수 있는 식을 이론적으로 구했고, 이를 통해 맥동 현상이 최소화가 되는 링크 구조를 결정하였다.
1은 해석에 사용한 모델링의 영역이며, 무단변속기 작동에 따라 응력을 받는 부위와 단순 동력을 전달해주는 부분으로 구분되어질 수 있다. 여기서 해석을 수행하는 파트와 단순동력을 전달해 주는 파트로 정의하고 구분하여 해석을 수행하였다. 유한요소해석에 사용된 flexible parts는 메시로 잘게 나누어 각 요소별로 응력해석을 수행하였으며, flexible parts의 구성은 Link 3, Link 5 그리고 Rigid parts의 경우는 Link 1, Link 2, Link 4 이다.
크랭크 일체형 변속기 개발을 위한 응력해석을 수행하기 위하여, Ansys 해석 프로그램을 사용하였다. 유한요소 해석을 수행하는데 있어서, 전체 모델에 대한 응력해석을 수행하지는 않았으며 주요설계인자로 가정한 링크 부위에 대해서만 독립적으로 경계조건을 세우고 모델링하여 해석을 수행하였다.
여기서 해석을 수행하는 파트와 단순동력을 전달해 주는 파트로 정의하고 구분하여 해석을 수행하였다. 유한요소해석에 사용된 flexible parts는 메시로 잘게 나누어 각 요소별로 응력해석을 수행하였으며, flexible parts의 구성은 Link 3, Link 5 그리고 Rigid parts의 경우는 Link 1, Link 2, Link 4 이다. Rigid parts의 경우는 따로 mesh를 나누지 않았으며 강체로 해석을 수행하였다.
이를 통하여 절점3에 대한 jerk량과 링크 23에 대한 상대 jerk량, 그리고 절점4에 대한 jerk량과 링크 34에 대한상대 jerk량을 구하였다
따라서 무단변속기 금속 소재는 콤팩트한 사이즈가되어야 하며 경량화하면서 구조 강성을 갖는 소재를 선택하는 것이 중요하다. 자전거 무단변속기 링크에 사용될 소재 선정을 위해 steel, Al2024-T3, 그리고 Ti-5Al-2.5Sn 에 대해서 응력해석을 수행하였다. Table 1은 재료 물성치에 대해서 보여주고 있다.
본 논문에서는 자전거에 사용될 무단 변속기 개발을 위해 선행 해석을 진행하여 응력해석을 수행 하였다. 작동 시 받은 응력들을 CAE를 통해 확인하였다. link3 과 link5 에 대해 거동 및 응력 상태를 확인하였으며, 재료별로 응력해석을 진행하여, Ti-5Al-2.
주동링크인 링크 a에서 각도에 대한 시간에 따른 속도는 T0까지 sine함수로 증가하면서 T0이후에는 일정한 각속도로 유지하도록 결정하였다. 이를 기준으로 다음과 같은 각도 3, 4, 5, 6에 대한 이론식을 도출하였다.
5Sn의 최대응력의 값이 steel의 값의 절반임을 알 수 있었다. 해석적 접근을 통해 jerk를 계산할 수 있는 식을 이론적으로 구했고, 이를 통하여 속도 변속에 따른 jerk의 유무를 판단하였다. 조인트 3의 jerk의 값은 약 500mm/sec³으로 나타났다.

데이터처리

공학계산 상용프로그램인 MATLAB을 이용하여 코딩하였고, 모델에 대한 움직임을 분석하기위해 입력 각도, 각속도, 각가속도를 Fig. 8과 같이 나타낼 수 있다. 맨 위의 그래프부터 주동링크에 대한 각도 변화량과 각속도의 변화량 그리고 각가속도의 변화량을 나타낸다.

이론/모형

크랭크 일체형 변속기 개발을 위한 응력해석을 수행하기 위하여, Ansys 해석 프로그램을 사용하였다. 유한요소 해석을 수행하는데 있어서, 전체 모델에 대한 응력해석을 수행하지는 않았으며 주요설계인자로 가정한 링크 부위에 대해서만 독립적으로 경계조건을 세우고 모델링하여 해석을 수행하였다.

성능/효과

작동 시 받은 응력들을 CAE를 통해 확인하였다. link3 과 link5 에 대해 거동 및 응력 상태를 확인하였으며, 재료별로 응력해석을 진행하여, Ti-5Al-2.5Sn의 최대응력의 값이 steel의 값의 절반임을 알 수 있었다. 해석적 접근을 통해 jerk를 계산할 수 있는 식을 이론적으로 구했고, 이를 통하여 속도 변속에 따른 jerk의 유무를 판단하였다.
또한 그 크기는 탄성계수의 크기와 비례하여 작아짐을 알 수 있다. 즉, Ti-5Al-2.5Sn의 탄성계수가 steel의 탄성계수의 절반임을 볼 때 최대응력의 값도 steel의 값보다 Ti-5Al-2.5Sn 재료의 값이 절반임을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자전거가 가장 유망한 미래 교통수단 중의 하나인 이유는?	자전거는 환경공해 능력과 웰빙에 대한 관심증가 때문에 가장 유망한 미래 교통수단 중의 하나이다. 실제 자전거에 적용될 무단변속기를 제작하기 전에 신뢰성이 확보된 시뮬레이션 프로그램을 통하여 문제점을 초기에 확인하고, 각 링크의 소재 및 두께 등의 설계인자 최적화와 능력을 평가할 필요가 있다.
	자전거의 내장기어 허브방식의 단점은?	또한, 작동부위가 외부로 노출되지 않아 충격에 강하고 체인트러블 발생이 없어서 변속이 빠르고 부드럽다. 단점으로는 구조 특성상 무게가 증가하며, 드레일러 방식에 비하여고가이다. 또한, 변속기 문제발생시 수리의 어려움이 있다[3].
	자전거란?	자전거는 사람의 힘으로 바퀴를 회전시켜 움직이는 탈것으로서, 일반적으로 발로 밟는 힘을 페달, 크랭크 기구, 체인을 거쳐 뒷바퀴에 전달하여 앞으로 나아가며 핸들과 브레이크로 조종하는 구조로 되어 있다. 주로 이동수단으로 사용되는 자전거는 그 동력원이 한정되어 있기 때문에 최대의 효과를 내기위해 무게감량 및 효율적인 동력전달장치가 핵심기술이다[1].

참고문헌 (6)

S. Y. Baek, H. G. Choi, C. W. Kim, Y. S. Jeong, "Analysis of the optimal design of CVT for bicycle", The korea academia industrial cooperation society conference 2011, pp. 977-980, 2011.
H. J. Ju, C. J. Kim, S. Y. Shin, B. H. Lee, "A study on the evaluation method for crank built-in bicycle CVT", The korean society for noise and vibration engineering conference 2011, pp.781-782, 2011.
K. S. You, M. L. Kim, "Conceptual design of a continuously variable hydrostatic transmission for bicycles", Institute of control, robotics and system Vol. 8, pp. 162-166, 2010.
M. H. Lee, J. H. Choi and K. S. Lee, "The Development of the Automatic Transmission for Bicycle Using Internally Geared Hub", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 38, No. 4, pp. 393-400, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.3795/KSME-A.2014.38.4.393

원문보기 상세보기
Bathe, K. J., "Finite Element Procedures, "Prestice Hall, pp. 780-784, 1996.
Beachley, N.H. and Frank, A.A., "Principles and Definition for Continuously Variable Transmissions with Emphasis on Automotive Application," ASME, 80, C2/DET-95, 1980.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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