고온에서 맞물려 회전하는 토크컨버터 부품간 열 및 토크를 고려한 치형상의 최적설계 Optimum Design of Teeth Shapes of Rotating Serration and Spline-type Torque Converter Parts Operating in a High Temperature Fluids원문보기
$170^{\circ}C$의 고온에서 작동하는 자동변속기토크컨버터의 리액터와 끝단 레이스 두 부품간 이빨이 서로 맞닿는 부분의 응력을 분산시키고, 수명을 증가시키기 위하여 치(이빨), 스플라인 두 형태의 리액터의 치형상을 FEM 최적화하였다. 최적화에 선행하여 서로 다른 재료로 된 두 부품의 열팽창에 의한 간격을 해석하였으며, 그 결과 열팽창 후에 치형 리액터는 약 0.1 mm, 스플라인형 리액터는 약 0.08 mm의 추가 간격이 발생한다는 것을 확인하였다. 형상최적화 결과 두 가지 형태의 리액터 치가 모두 비대칭 사다리꼴 형상으로 최적화 되었다. 이로 인해 치형 리액터의 경우 기존 비최적화 모델 대비, 최대등가응력이 24.5 % 감소하였으며, 스플라인형 리액터는 기존 비최적화 모델 대비 최대등가응력은 9.3 % 감소하였으며, 축 방향 두께는 13 % 감소하였다.
$170^{\circ}C$의 고온에서 작동하는 자동변속기 토크컨버터의 리액터와 끝단 레이스 두 부품간 이빨이 서로 맞닿는 부분의 응력을 분산시키고, 수명을 증가시키기 위하여 치(이빨), 스플라인 두 형태의 리액터의 치형상을 FEM 최적화하였다. 최적화에 선행하여 서로 다른 재료로 된 두 부품의 열팽창에 의한 간격을 해석하였으며, 그 결과 열팽창 후에 치형 리액터는 약 0.1 mm, 스플라인형 리액터는 약 0.08 mm의 추가 간격이 발생한다는 것을 확인하였다. 형상최적화 결과 두 가지 형태의 리액터 치가 모두 비대칭 사다리꼴 형상으로 최적화 되었다. 이로 인해 치형 리액터의 경우 기존 비최적화 모델 대비, 최대등가응력이 24.5 % 감소하였으며, 스플라인형 리액터는 기존 비최적화 모델 대비 최대등가응력은 9.3 % 감소하였으며, 축 방향 두께는 13 % 감소하였다.
The tooth shapes of serration-type and spline-type reactors are optimized using finite element methods to improve the working life of the part and to lower the stress concentration during rotation resulting from contact with the outer race for a reactor operating with $170^{\circ}C$ trans...
The tooth shapes of serration-type and spline-type reactors are optimized using finite element methods to improve the working life of the part and to lower the stress concentration during rotation resulting from contact with the outer race for a reactor operating with $170^{\circ}C$ transmission oil. The results of thermal expansion analyses between an Al reactor and the steel outer race indicate that, before optimization, the gap between the two parts increases further as the serration-type reactor expands by 0.1 mm and the spline-type one strains by 0.08 mm. Because of shape optimization, a trapezoidal shape is obtained from the initial triangular serration and the rectangular spline of the two reactors. The maximum von Mises stress of the serration-type convertor decreased by 24.5 ％, and by 9.3 ％ for the spline-type convertor. In addition, there is a 13 ％ reduction in the axial thickness, as compared to the initially designed model.
The tooth shapes of serration-type and spline-type reactors are optimized using finite element methods to improve the working life of the part and to lower the stress concentration during rotation resulting from contact with the outer race for a reactor operating with $170^{\circ}C$ transmission oil. The results of thermal expansion analyses between an Al reactor and the steel outer race indicate that, before optimization, the gap between the two parts increases further as the serration-type reactor expands by 0.1 mm and the spline-type one strains by 0.08 mm. Because of shape optimization, a trapezoidal shape is obtained from the initial triangular serration and the rectangular spline of the two reactors. The maximum von Mises stress of the serration-type convertor decreased by 24.5 ％, and by 9.3 ％ for the spline-type convertor. In addition, there is a 13 ％ reduction in the axial thickness, as compared to the initially designed model.
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문제 정의
본 연구에서는 Fig. 1에 나타난 바와 같이 치형 및 스플라인 형에 대해서 강으로 된 끝단 레이스와 알루미늄으로 된 리액터의 맞닿는 부문에 대해 열팽창을 고려하여 3D 유한요소해석을 수행하였으며, 이를 바탕으로 치형 리액터의 경우 하중작용으로 인한 최대 von Mises 응력을 최소화를 목적으로, 스플라인 형 리액터의 경우 스플라인 축 방향 두께를 최소화하는 목적으로 형상을 최적화 하였다. 피로파손은 주로 강도가 약한 알루미늄 리액터에서 발생하기 때문이다
따라서 회전 시 끝단 레이스와 리액터 간 접촉 면적이 줄어들게 되며 이로 인해 열 팽창전과 비교하여 더 높은 등가응력이 발생한다. 이러한 이유로 본 연구에서는 강도해석에 앞서 리액터와 끝단 레이스의 자유 열팽창 해석을 수행하여 그 결과를 바탕으로 후속 연구를 수행하였다.
제안 방법
170℃에서 작동하는 토크컨버터의 리액터(알루미늄합금)와 끝단 레이스(강)의 이빨이 서로 맞닿는 부분의 응력을 분산시키고, 수명을 증가시키기 위하여 각 이빨의 형상을 FEM 최적화하였다. 최적화에 선행하여 맞닿는 두 부품이 열팽창으로 틈새가 벌어지는데, 열팽창 해석결과, 치형 리액터는 약 0.
스플라인형 리액터의 경우 최적화에 3D 요소를 사용하여 1/6 모델을 구성하였다. 가공의 용이성을 위해 요구되는 스플라인의 축 방향두께 최소화를 목적함수로 설정하였으며, 주변 부품과 간섭을 고려하여 스플라인 형상이 변할 수 있는 범위를 제한하였다. Fig.
치형 리액터는 단면을 2D 요소로 구성하여 질량 최소화를 목적함수로 설정하였다. 각 단계별로 계산되는 최대 등가응력은 재료의 피로한도 100 MPa에 충격계수 3을 고려하여 30 MPa을 초과하지 않도록 하였으며, 또한 주변 부품과의 간섭으로 인해 치의 형상이 변할 수 있는 범위를 제한하였다. Fig.
7의 최적화 초기 모델은 앞서 계산된 열팽창이 반영된 상태이다. 또한 각 단계별 계산되는 최대 등가응력이 재료의 항복강도 150 MPa에 충격계수 2를 고려한 75 MPa을 초과하지 않도록 설정하였다. 이러한 형상최적설계 문제를 정식화하면 아래와 같다.
여기서 T는 토크, N은 치의 개수, r은 내경중심에서부터 치까지의 길이이다. 또한 치형 리액터의 경우 치의 바닥면을 고정하였고 스플라인형 리액터는 내경을 완전 구속하였고 절단면에 대칭 경계조건을 사용하였다. 이에 대한 내용은 Fig.
2와 같이 구속조건을 부여하였다. 리액터와 끝단 레이스의 한 평면에 있는 모든 절점을 완전 구속하였으며, A점에서 자유 열팽창량의 변화를 비교하였다.
열팽창해석을 위해서 변속기 오일의 초기와 최고 온도 차이 ∆T=150℃를 적용하였고, 생 베낭트 원리(St. Venant's principle)에 따라 Fig. 2와 같이 구속조건을 부여하였다.
4에 도시하였다. 위에서 설명한 경계조건을 적용하여 열팽창을 고려한 모델뿐 아니라 고려하지 않은 초기모델을 대상으로 강도해석을 수행하였다. 열팽창 유/무에 따라 나타난 응력분포의 경향은 동일하였으며, 치형 리액터의 최대 등가응력은 열팽창 전 32.
3 % 감소하였으며, 축 방향 두께는 13 % 감소하였다. 최적 설계를 통하여 응력을 낮추고, 경량화를 달성하였다.
강으로 된 끝단 레이스 구조는 기존 형상에서도 강도상의 문제는 없었기 때문이다. 치형 리액터는 단면을 2D 요소로 구성하여 질량 최소화를 목적함수로 설정하였다. 각 단계별로 계산되는 최대 등가응력은 재료의 피로한도 100 MPa에 충격계수 3을 고려하여 30 MPa을 초과하지 않도록 하였으며, 또한 주변 부품과의 간섭으로 인해 치의 형상이 변할 수 있는 범위를 제한하였다.
하중을 지지하면서도 대상모델에 파손이 일어나지 않으며, 요구조건을 만족할 수 있는 알루미늄 리액터의 형상을 최적화하였다. 강으로 된 끝단 레이스 구조는 기존 형상에서도 강도상의 문제는 없었기 때문이다.
2.3 강도 해석
해석시간 단축을 위해서 치형 리액터의 경우 총 272개로 이루어진 치에서 1개에 해당하는 영역에 대해, 스플라인 리액터는 1/6로 절단모델로 해석을 진행하였고 중앙에 있는 스플라인의 결과값을 읽어 들였다. 치형 리액터에 작용하는 500 Nm, 스플라인형 리액터의 경우 765 Nm으로 토크 하중이 적용되었다.
성능/효과
형상최적화 결과로서, 두 종류의 이빨형상 모두 비대칭 사다리꼴로 형상최적화 되었다. 이로 인해, 치형 리액터는 초기모델 대비하여 최대등가응력이 24.5 %, 스플라인형 리액터는 초기모델 대비 9.3 % 감소하였으며, 축 방향 두께는 13 % 감소하였다. 최적 설계를 통하여 응력을 낮추고, 경량화를 달성하였다.
형상최적화 결과, 치형 리액터의 경우 최대 등가응력은 30.2 MPa로 초기형상에서 발생한 40MPa 대비하여 24.5 % 감소하였다. 스플라인 형 리액터의 경우 스플라인이 축 방향 두께가 4.
08mm의 추가적 간격이 더 발생하였다. 형상최적화 결과로서, 두 종류의 이빨형상 모두 비대칭 사다리꼴로 형상최적화 되었다. 이로 인해, 치형 리액터는 초기모델 대비하여 최대등가응력이 24.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토크 컨버터는 어떤 역할을 수행하는가
크컨버터(torque converter)는 자동변속기 차량에서 엔진에서 발생하는 동력을 자동변속기로 전달해주는 유체기계이다. 토크 컨버터는 크게 임펠러(impeller), 터빈(turbine), 리액터(reactor)로 구성되어 있으며 유체 가속, 토크 증대, 연속적인 변속 및 정지 시 엔진시동 꺼짐 방지, 자동차의 부드러운 출발 등의 역할을 수행한다.
절삭가공 공정을 거쳐 제작되는 스플라인형 리액터의 재질에 알루미늄 다이캐스트 합금을 사용하는 이유는 무엇인가
대조적으로 스플라인형 리액터의 널링 부는 절삭가공 공정을 거쳐 제작된다. 리액터에 사용되는 ADC12는 알루미늄 다이캐스트 합금이며 주조성, 절삭성 및 기계적 성질이 우수하여 자동차용 부품에 널리 사용된다. 또한 끝단 레이스에 사용되는 SCM420H는 크롬, 몰리브덴 합금 강재로써 침탄 열처리하여 고강도 및 고경도의 특성을 가진다.
토크 컨버터란 무엇인가
크컨버터(torque converter)는 자동변속기 차량에서 엔진에서 발생하는 동력을 자동변속기로 전달해주는 유체기계이다. 토크 컨버터는 크게 임펠러(impeller), 터빈(turbine), 리액터(reactor)로 구성되어 있으며 유체 가속, 토크 증대, 연속적인 변속 및 정지 시 엔진시동 꺼짐 방지, 자동차의 부드러운 출발 등의 역할을 수행한다.
참고문헌 (8)
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