[논문]자동변속기 유성기어 소음을 고려한 시스템 분석용 프로그램 개발 및 적용에 관한 연구

이현구; 이상화; 김무석; 홍사만; 김시웅; 유동규; 권현식; 아멧칼만

doi:10.5050/ksnve.2015.25.7.487

[국내논문] 자동변속기 유성기어 소음을 고려한 시스템 분석용 프로그램 개발 및 적용에 관한 연구
Development of a Design and Analysis Program for Automatic Transmission Applications to Consider the Planetary Gear Noise and Its Adaptation 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.25 no.7, 2015년, pp.487 - 495

이현구 (Hyundai Motor Company) , 이상화 (Hyundai Motor Company) , 김무석 (Hyundai Motor Company) , 홍사만 (Hyundai Motor Company) , 김시웅 (Hyundai Motor Company) , 유동규 (Hyundai Motor Company) , 권현식 (Hyundai Motor Company) , 아멧칼만 (Ohio State University)

Abstract ▼ AI-Helper

A generalized special program called planetary transmission analysis(here in after PTA) is developed to improve planetary gear noise in automatic transmission. PTA is capable of analyzing any typical one-degree-of-freedom automatic transmission gear train containing any number of simple, compound or complex-compound planetary gear sets. The kinematics module in PTA can compute the rotational speeds of gears and carriers and calculate the order frequencies to predict the planetary noise components. The power flow analysis module performs a complete static force analysis providing forces, moments, or torques of gears, bearings, clutches and connections. Based on the given type and number of planetary gear sets, the search algorithm determines all possible kinematic configurations and gear tooth combinations in a required set of gear ratios, while eliminating whole kinematic redundancies and unfavorable clutching sequences. By using PTA program, planetary internal speeds of new developed automatic transmission are early obtained; therefore, possibility of the noise problem could be predicted in early design stage. As implementing PTA in planetary gear NVH development procedure, planetary gear noise was successfully reduced by 10 dBA.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이 연구는 자동변속기 구성이 가능한 모든 레이아웃과 각 부분에 걸리는 속도, 발생주파수, 토크 및 방향 등을 계산하고 분석할 수 있는 P.T.A.(planetary transmission analysis) 프로그램을 개발한 것으로 다음과 같은 목적을 달성하였다.

가설 설정

두 요소 사이의 강체 연결은 두 요소가 같은 각속도로 회전하게 된다는 것과, 고정 요소의 회전속도는 ‘0’을 부여한다. 그리고 마지막으로 입력 요소의 값은 무조건 정의되어 알고있다고 가정하였다.
자동변속기의 토크와 힘을 계산하기 위해서는 우선적으로 외부와 연결된 토크 값을 계산하고, 이 값으로 유성기어 세트 각각에 걸리는 힘을 풀어야 한다. 이 접근법에서 다른 기어세트와 몇 개의 연결관계를 가지는 j번째 싱글 또는 더블플레너터리 유성기어 세트의 총 외부 모멘트는 평형을 이룬다는 것을 가정하여 계산한다. 각각의 유성기어 세트에 대한 모멘트 평형식은 식 (7)과 같다.

데이터처리

PTA 프로그램을 이용하여 새로 개발되는 자동변속기에 대하여 내부 회전 요소 분석을 하였다. Table 1은 각단 기어들의 내부 회전속도를 분석한 것이다.

성능/효과

변속기 유성기어 성분과 정확하게 일치하지 않는 성분의 소음이 발생하였다. PTA 프로그램을 이용하여 분석하니, 해당 소음을 유발하는 성분이 피니언 기어의 로어 사이드 밴드(lower side band)에 의한 것으로 확인되어 피니언 기어의 리드 치형을 수정하여 변속기 단품 대상 및 차량 장착 운행조건의 문제구간에서 유성기어 소음을 각각 10 dBA 이상 개선하였다. Fig.
(1) PTA 프로그램은 초기 컨셉 설계 시, 소음부분을 고려하여 자동변속기 레이아웃을 도출하거나, 유성기어소음의 발생 원인 요소를 구별하고, 레이아웃상 고속으로 회전하거나, 주파수가 차량 공진과 만나는 요소 등을 사전에 예측하고, 경쟁사 변속기를 분석할 때, 유용하게 사용할 수 있는 프로그램이다.
(2) 동력흐름에 따른 모든 기어, 베어링, 그리고 클러치 등의 정적 힘 분석 등이 가능하여 제한된 여건 속에서 최적 사양 설계가 가능하고, 요청되는 기어비와 클러치, 브레이크 등의 조합의 결과를 통하여 최적의 레이아웃을 선정하여 설계할 수 있다. 특히 기 양산중인 경쟁 변속기를 대상으로 분석하여 PTA 프로그램의 정확성과 효용성을 확인하였다.
(2) 동력흐름에 따른 모든 기어, 베어링, 그리고 클러치 등의 정적 힘 분석 등이 가능하여 제한된 여건 속에서 최적 사양 설계가 가능하고, 요청되는 기어비와 클러치, 브레이크 등의 조합의 결과를 통하여 최적의 레이아웃을 선정하여 설계할 수 있다. 특히 기 양산중인 경쟁 변속기를 대상으로 분석하여 PTA 프로그램의 정확성과 효용성을 확인하였다.
(3) 주어진 자동변속기 기어트레인의 속도 계산 및 기어 치합주파수 분석 등을 할 수 있으며, 이를 통하여 문제 요소인 피니언 기어를 정확하게 찾고 조사하여 유성기어 소음을 10 dBA 이상 개선하였다.
(4) 고속회전요소의 문제점을 사전에 예측할 수 있고, 이를 극복하기 위한 레이아웃상의 구조 강건설계를 통하여 회전요소인 링 기어의 거동 변위량을 90 % 이상 개선하여 래틀성 소음을 10 dBA이상 개선하였다.
(5) 특히 이 프로그램은 교과서적인 이론을 배경으로 하여 입력과 결과 처리에 대한 시스템의 시각적 전개를 위한 GUI방식을 구성하여 사용하기 편리하다.

참고문헌 (9)

Lee, H. K., Kim, M. S., Hwang, S. Y., Kwon, O. J. and Kang, K. T., 2010, A Research for the Noise of the FF 6th Speed Automatic Transmission, KSAE10-A0259, pp. 1518-1523.
Lee, H. K., Kim, M. S., Hur, J. W. and Kang, K. T., 2011, A Research For the Planetary Gear Noise Development in FF 6th Speed Automatic Transmission, ASME, DETC 2011-PTG 47129.
Lee, H. K., Kim, M. S., Suh, H. S., Kim, J. H., Kahraman, H., Harianto, J. and Kwon, H. S., 2013, Research for the Development of a pRMC Program for the Planetary Gear Noise, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 23, No. 7, pp. 669-674.

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Lee, H. K., Kim, M. S., Lee, S. H., Suh, H. S., Baek, S. B. and Kahraman, A., 2013, Development of a pRMC Program for Developing the Planetary Gear Noise in the Concept Design Stage, Proceedings of the KSAE Spring Conference, pp. 150-155.
Lee, H. K., Kang, S. C., Hur, J. W., Bae, D. H. and Kang, K. T., 2008, An Experimental Study for Predicting the Planetary Gear Noise in the Vehicle, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 18, No. 5, pp. 503-508.

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Benford, H. L. and Leising, M. B., 1981, The Lever Analogy : A New Tool in Transmission Analysis, SAE810102.
Maruyama, S., 1982, An Easy Way to Know the Gear Ratio of Automatic Transmission by Using the Relative Speed Diagram, SAE820459.
Park, J. S. and Oh, J. S., 2000, Analysis of Automatic Transmission Power Train by R-R CHART, KSAE Spring Conferance, 2000-03-2060, pp. 387-394.
Kwon, H. S., Kahraman, A., Lee, H. K. and Suh, H. S., 2014, An Automated Design Search for Single and Double-planet Planetary Gear Sets, Journal of Mechanical Design, Vol. 136, No. 6, pp. 061004-1-13.

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