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문제 정의
- 이 연구에서는 국내 최초로 개발된 전륜 8속 자동변속기의 회전하는 구성 요소들이 만들어 내는 기본적인 소음 현상들에 대하여 양산성을 고려하여 최적화 개발을 진행하고, 각각의 요소들이 가질 수 있는 품질 산포를 최소화할 수 있도록 단계별, 항목별 분석, 평가, 개발한 것을 기술한 것으로 내용을 간단히 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 2.2절에서 분석된 예상 문제점인 리어유성기어 세트의 강건 설계를 위하여 당사에서 2012년 개발한 pRMC(planetary run many cases)프로그램으로 전달오차가 작은 유성기어 상세 제원을 설계하였다.
- 이는 6속과 라인을 공유하는 장점도 가지게 된다. 그러나, 전달효율 증대를 위해 기어의 지지베어링을 기존의 테이퍼 롤러 타입에서 볼베어링 타입으로 변경하여, 구름체 접촉면적을 축소하였다. 이러한 변경은 기어 지지강성의 변화를 유발한다.
- (2) 파이널 기어는 수백만 대를 생산하면서 검증된 6속 자동변속기 제원을 공용하여 개발하였다. 그리고 테이퍼 롤러에서 볼 베어링 사양으로 변경되어 치 접촉 변형이 발생되는 문제를 최소화하기 위해 베어링 간극을 기존사양대비 30 μm 축소하여 개발하였다.
- 다섯째, 생산품질의 안정화를 위하여 이오엘(EOL, end of line) 검증 시스템을 도입하여 공장 출하품의 품질 안정화를 실시하였다(8,9).
- 이러한 추세는 각 회사들이 기존의 6단 자동변속기로는 경쟁력이 부족하다는 판단하에 8단, 9단 등으로 변속기를 다단화하여 연비와 기술경쟁력의 우위를 선점하기 위한 생존경쟁의 일환으로 볼 수 있다. 당사도 연비 경쟁력과 상품성 향상을 위하여 후륜 8속에 이어 전륜 8속 변속기를 국내 최초로 독자 개발하여 ALL NEW K7 차량에 탑재하였다.
- 둘째, 수백만 대가 제작, 판매된 전륜 6속 자동 변속기에서 검증된 파이널(final) 기어를 전륜 8속 공용 제원으로 선정하여 개발하였다. 이는 6속과 라인을 공유하는 장점도 가지게 된다.
- 이러한 변경은 기어 지지강성의 변화를 유발한다. 따라서 전달하중의 변화를 받은 기어는 치 접촉에 변화가 발생하고 이로 인한 소음이 유발될 수 있어, 베어링을 구성하는 제원 중 베어링과 케이지의 공차 스펙 등을 축소하여 개발하였다.
- 새로운 전륜 8속 자동변속기는 기존 양산품인 전륜 6속 자동변속기의 단점을 보완하였다.
- 셋째, 케이스(case)부 국부 강성 평가 결과를 통하여 방사소음이 상대적으로 취약한 부위의 표면 진동을 개선하는 개발 기법을 적용하였고, 고체 전달음(structure borne noise)을 최소화하기 위해 쉬프트 케이블(shift cable) 장착위치를 진동이 상대적으로 작은 곳으로 변경하고 마운트 브라케트 강성을 보강하여 개발하였다.
- 첫째, 8속을 구현한 레이아웃 분석을 컨셉단계에서 실시하고 특정한 유성기어세트의 성분이 운전 시 인지될 가능성이 높음을 예측하였다. 이를 극복하기 위하여, pRMC프로그램을 이용하여 유성기어 제원을 최적화 설계하여 개발하였다(4~6).
- 첫째, 8속을 구현한 레이아웃 분석을 컨셉단계에서 실시하고 특정한 유성기어세트의 성분이 운전 시 인지될 가능성이 높음을 예측하였다. 이를 극복하기 위하여, pRMC프로그램을 이용하여 유성기어 제원을 최적화 설계하여 개발하였다(4~6).
- 넷째, 변속기의 전달효율 증대를 위해 사이즈가 작고 공급효율이 약 10 % 정도 우수한 메가플로이드 사양의 로터를 가진 오일펌프를 개발하였다(7). 회전하는 로터수를 변경하여 구동엔진과 중첩되는 소음 현상을 회피하도록 설계하였다.
대상 데이터
- 당사가 개발한 전륜 8속은 싱글 피니언 유성기어 2세트와 더블피니언 유성기어 1세트, 클러치 4개, 브레이크 2개를 사용하여 구현하였다. 원웨이 클러치(OWC)가 없으며, 격층형 클러치 구조를 적용하였다.
- 전륜 8속 자동변속기가 최초로 탑재되는 ALL NEW K7차량으로 실차 검증을 실시하였다. Fig.
- 총 8 648 127개 후보군 중 유성기어세트가 작동할 수 있는 조건을 선별하여 758개 후보군을 초반에 추출하였다. 그리고 일정수준 이상의 내구 강도를 만족하는 제원과 전달오차 값이 일정 기준 이하로 소음에 유리할 것으로 판단되는 제원들의 교집합 등을 형성하여 최종제원을 선정하였다.
데이터처리
- Fig. 1과 같이 전륜 8속 자동변속기의 구조도와 기어 잇수가 도출되었을 때, 당사가 2012년에 개발한 PTA(planetary transmission analysis) 프로그램을 이용하여 각 요소에 걸리는 속도, 발생주파수, 토크 및 방향 등을 계산하고 분석하였다(10). Table 1은 PTA를 통한 유성기어 요소들의 주파수성분 분석 결과를 보인 것이다.
성능/효과
- (2) 파이널 기어는 수백만 대를 생산하면서 검증된 6속 자동변속기 제원을 공용하여 개발하였다. 그리고 테이퍼 롤러에서 볼 베어링 사양으로 변경되어 치 접촉 변형이 발생되는 문제를 최소화하기 위해 베어링 간극을 기존사양대비 30 μm 축소하여 개발하였다.
- (3) 초기 컨셉단계부터 해석을 통하여 케이스 및 전달계를 개발하고, 케이스부 국부 강성과 전달계 체결 위치 변경 실험 개발을 통하여 초기 개발품 대비 10 dB 이상 강건하게 개발하였다. 또한 마운트 브라케트 강성 보강을 통하여 차량상태에서 초기 대비 5 dB 이상 개선하였다.
- (4) 신규 메가플로이드 오일펌프의 잇수 변경을 통하여 엔진과 중첩되는 것을 회피하고 최적화하여 기존 파라코이드 사양 대비 10 dBA 이상 강건하게 개발하였다.
- (5) 차량에서 변속기 소음이 문제없음을 확인하고 각 항목별 개발된 기법들이 품질에 안정적인지 EOL을 통해 검증하고 품질 관리를 하였다.
- 8속 자동변속기 생산품 5000대분의 유성기어 성분 진동 수준이 기존 생산품인 6속 대비 최댓값 기준으로 15 dB 정도의 안정적인 품질을 유지하고 평균적으로도 구간에 따라 6 dB에서 13 dB 정도 우세한 것을 확인할 수 있다. 이는 컨셉단계부터 진행된 체계적인 강건화 개발에 따른 결과라고 할 수 있다.
- 5는 Table 2에 제시된 두 제원을 각각 제작하여 대상에서 평가한 소음 결과를 비교한 것이다. pRMC로 설계한 유성기어 제원의 소음이 기존 설계 방식으로 설계한 제원 대비 10 dBA 정도 우세한 것을 확인할 수 있다.
- (3) 초기 컨셉단계부터 해석을 통하여 케이스 및 전달계를 개발하고, 케이스부 국부 강성과 전달계 체결 위치 변경 실험 개발을 통하여 초기 개발품 대비 10 dB 이상 강건하게 개발하였다. 또한 마운트 브라케트 강성 보강을 통하여 차량상태에서 초기 대비 5 dB 이상 개선하였다.
- 13은 8속 탑재 차량의 가/감속 주행 평가 시 실내소음을 보인 것이다. 변속기 관련 소음은 전반적으로 모든 조건에서 양호한 수준으로 확인되었다.
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