[논문]Balancing 모듈 설계를 위한 Differential Gear System의 구조해석에 관한 연구

장태환; 김동준; 문창호; 이성재; 김태규

doi:10.12656/jksht.2019.32.6.270

Balancing 모듈 설계를 위한 Differential Gear System의 구조해석에 관한 연구
Structural Analysis of Differential Gear System for Balancing Module Design 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.32 no.6, 2019년, pp.270 - 274

장태환 (부산대학교 나노융합기술학과) , 김동준 (부산대학교 나노융합기술학과) , 문창호 ((주)스맥 메카연구소) , 이성재 ((주)스맥 메카연구소) , 김태규 (부산대학교 나노메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, simulation structure analysis was performed for the differential gear system for passenger cars as a prerequisite for the design of the balancing module. The differential gear system was modeled by using CATIA and simulation structure analysis was performed using ANSYS software. The material of the modeled differential gear system uses the mechanical properties of S45C (Q&T). In the structural analysis of the differential gear, the areas where the maximum stress and the maximum strain occurred can be identified. The maximum stress and maximum strain occurred in the pitch circle of the bevel gear. In evaluating the safety factor, it was found that sufficient safety factor was secured. Based on the analysis results for the differential gear, it is expected that it will be a good reference if we design the balancing module device.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Bevel gear of each part before assembling differential gear system.
그림 Fig. 2. Assembled differential gear system.
표 Table 1. Mechanical Property of S45C
그림 Fig. 3. Mesh generation of differential gear system.
그림 Fig. 4. Mesh Configuration of differential gear system.
그림 Fig. 5. Loading Condition of differential gear.
그림 Fig. 6. Equivalent Von-Mises stress at structural analysis of differential gear system.
그림 Fig. 7. Equivalent von-Mises stress at structural analysis of differential side gear.
그림 Fig. 9. Strain rate at structural analysis of differential side gear.
그림 Fig. 8. Strain rate at structural analysis of differential gear.
표 Table 2. Maximum allowable stress and safety factor of differential gear

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Balancing 모듈 설계에 앞서 Balancing 모듈 실제 구동환경 조건을 확립하고자 실제 차량에 사용되고 있는 차량의 Differential gear를 CATIA를 이용하여 모델링을 간편화 시킨 후 ANSYS를 이용한 해석을 진행하였다. Differential gear의 Input shaft에 토크를 주어서 Differential gear에 발생하는 응력, 변형률 및 안전율을 구하였다.
본 연구에서는 현재 승용차에 적용되고있는 Differential gear 장치에 대해서 Modeling으로 진행 후 유한요소법 ANSYS 프로그램을 이용하여 각 토크와 출력을 고려하여 시뮬레이션을 통한 구조해석을 진행 하였다. 이 결과를 이용하여 각 경계조건에 나온 해석 결과 값을 참고 하여 Differential gear 구동 시 가장 영향을 많이 받는 부분을 확인하고, Balancing 모듈의 구동 변수를 구하고 설계 시 적용하기 위한 연구를 수행하였다.

제안 방법

본 연구에서는 Balancing 모듈 설계에 앞서 Balancing 모듈 실제 구동환경 조건을 확립하고자 실제 차량에 사용되고 있는 차량의 Differential gear를 CATIA를 이용하여 모델링을 간편화 시킨 후 ANSYS를 이용한 해석을 진행하였다. Differential gear의 Input shaft에 토크를 주어서 Differential gear에 발생하는 응력, 변형률 및 안전율을 구하였다. Table 1은 모델링에 사용된 구조용 강재로서 물성값을 나타낸 것이며, 사용된 재료는 S45C에 대해서 담금질과 뜨임 열처리(Q&T)를 실시하여 기계적 강도를 향상시킨 소재이다.
4은 Differential gear에 대한 Mesh 그림이다. Fig. 3과 Fig. 4에서 볼 수 있듯이 설계한 Differential gear을 유한요소법으로 정밀한 해석하기 위하여 많은 절점으로 분할하여 해석 하였다.
본 연구에서는 승용차용 Differential gear를 모델링 하고, 해석 프로그램을 이용하여 기어가 받는 응력과 변형률에 대한 결과와 등가응력에 따른 안전율을 해석하였고, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 현재 승용차에 적용되고있는 Differential gear 장치에 대해서 Modeling으로 진행 후 유한요소법 ANSYS 프로그램을 이용하여 각 토크와 출력을 고려하여 시뮬레이션을 통한 구조해석을 진행 하였다. 이 결과를 이용하여 각 경계조건에 나온 해석 결과 값을 참고 하여 Differential gear 구동 시 가장 영향을 많이 받는 부분을 확인하고, Balancing 모듈의 구동 변수를 구하고 설계 시 적용하기 위한 연구를 수행하였다.

대상 데이터

Table 1은 모델링에 사용된 구조용 강재로서 물성값을 나타낸 것이며, 사용된 재료는 S45C에 대해서 담금질과 뜨임 열처리(Q&T)를 실시하여 기계적 강도를 향상시킨 소재이다.

이론/모형

Mesh 형상은 Hex Dominant method를 사용하였으며[4, 5], Mesh 사이즈는 각각 1.3 mm로 하였고, 절점수(nod)는 1,173,651개로 하였으며, 이때의 요소수(element)는 352,854개 이다.

성능/효과

1. Input shaft가 토크를 전달 받아 구동 할 경우 최대응력 664.4 MPa이 발생함을 해석할 수 있었다.
2. Input shaft가 토크를 전달 받아 구동 할 경우 최대변형률 0.38%이 발생함을 해석할 수 있었다.
3. 차동 기어의 경우 토크를 전달 받아 구동할 경우 Differential side gear 이의 피치원(Pitch circle) 부분에서 최대 응력과 변형률이 발생함을 알 수 있었다.
4. S45C(Q&T)를 기준으로 Differential gear에 발생하는 최대응력과 변형률이 가장 큰 부분에 대해서 고려하면, 2.1의 안전율로서 강도상 충분함을 확인할 수 있었다.

후속연구

5. 이상의 Differential gear에 대한 유한요소법 해석결과를 참고하여 Balancing 모듈 장치에 대한 설계가 가능 할 것으로 기대된다.
해석결과 기어와 피니언 접촉면에 가장 큰 응력과 변형률이 발생하였으며, 그 외에 다른 부분은 작용하는 토크에 영향을 거의 받지 않는 것을 확인할 수 있었다, 이 해석결과를 참고하여 Balancing 모듈의 설계 및 제작 시 참고하여 설계를 진행 한다면 Differential gear에 무리가 가지 않으면서 안전한 Balancing 모듈을 제작 할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Balancing이 맞지 않으면 어떤 일이 발생하는가?	Differential gear system의 조립 시 가장 중요한 것이 Balancing 작업이다. Differential gear의 균형은 주물로 제작될 때 기공이나 불균질로 인해서 동력전달 회전 시 기계부품의 회전축과 부품의 무게중심과 일치하지 않는 즉, Balancing이 맞지 않게 되며, 이러한 경우 심한 진동과 소음이 발생하여 에너지 손실 및 수명 저하를 초래한다. 최근에는 정밀주조기술 및 초정밀 가공 기술의 발달로 인하여 Blancing으로 인한 소음 및 진동현상은 많이 감소된 실정이다.
	자동차에서 두 축이 서로 교차하는 기어를 사용 하는 이유는 무엇인가?	Differential gear는 차동기어 장치라고도 하며, 자동차가 선회할 때 양쪽 바퀴가 미끄러지지 않고 원활하게 선회하려면 바깥쪽 바퀴가 안쪽바퀴보다 더 많은 회전을 해야 하고, 또 요철 구간에서도 양쪽 바퀴의 회전 속도가 달라져야 하며, 이때 양쪽 바퀴는 회전속도를 다르게 만들어 주는 장치이다. 자동차의 동력 전달 과정은 기관 → 클러치 → 변속기 → 종감속기어 → Differential gear→ 액슬축 → 바퀴로 이어지는 동력전달 장치로 구성되어 있다.
	Differential gear는 무엇인가?	Differential gear는 차동기어 장치라고도 하며, 자동차가 선회할 때 양쪽 바퀴가 미끄러지지 않고 원활하게 선회하려면 바깥쪽 바퀴가 안쪽바퀴보다 더 많은 회전을 해야 하고, 또 요철 구간에서도 양쪽 바퀴의 회전 속도가 달라져야 하며, 이때 양쪽 바퀴는 회전속도를 다르게 만들어 주는 장치이다. 자동차의 동력 전달 과정은 기관 → 클러치 → 변속기 → 종감속기어 → Differential gear→ 액슬축 → 바퀴로 이어지는 동력전달 장치로 구성되어 있다.

참고문헌 (5)

이일권, 문학훈, 염광욱 : 윤활학회지, 29(6) (2013) 397-402.

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노치성, 정윤수, 이경일, 김재열 : 윤활학회지, 32(4) (2016) 113-118.

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조재웅, 한문식. 한국생산제조학회지, 18(3) (2009) 279-284.
J. Venkatesh and M. P. Murthy : International journal of engineering research and applications, 2(3) (2014) 215-232.
S. Ghosh, R. Ghosh, B. Patel, T. Srivastava and D. R. N. Barman : International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET), 7(6) (2016) 132-141.

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