In recent times, fuel economy enhancement and environmental regulation compliance have become the main topics of interest in the automobile industry. Electric vehicles are desirable alternatives to the existing cars that employ internal combustion engines. Specifically, electric vehicles are equippe...
In recent times, fuel economy enhancement and environmental regulation compliance have become the main topics of interest in the automobile industry. Electric vehicles are desirable alternatives to the existing cars that employ internal combustion engines. Specifically, electric vehicles are equipped with inverters, motors, and a gearbox instead of engines and transmission mechanisms. The gearbox is a key component, used to transmit power from the electric motor to the wheel. Therefore, the design of the gearbox is critical. However, most engineers design gears based only on their experience because no standards pertaining to the design factor exist, other than those for the gear ratios. To overcome this problem, the structural stabilities must be examined considering the design factors of the gears. In this study, we considered the module and number of teeth as the main factors. The constraints corresponded to the final gear ratio and fixed distance between each axle of the shafts. Moreover, a structural analysis was conducted, and the variation trend of the maximum equivalent stress against changes in the gear module and number of teeth was examined. By performing such an analysis, the structural stability in the design of a gear system could be effectively investigated.
In recent times, fuel economy enhancement and environmental regulation compliance have become the main topics of interest in the automobile industry. Electric vehicles are desirable alternatives to the existing cars that employ internal combustion engines. Specifically, electric vehicles are equipped with inverters, motors, and a gearbox instead of engines and transmission mechanisms. The gearbox is a key component, used to transmit power from the electric motor to the wheel. Therefore, the design of the gearbox is critical. However, most engineers design gears based only on their experience because no standards pertaining to the design factor exist, other than those for the gear ratios. To overcome this problem, the structural stabilities must be examined considering the design factors of the gears. In this study, we considered the module and number of teeth as the main factors. The constraints corresponded to the final gear ratio and fixed distance between each axle of the shafts. Moreover, a structural analysis was conducted, and the variation trend of the maximum equivalent stress against changes in the gear module and number of teeth was examined. By performing such an analysis, the structural stability in the design of a gear system could be effectively investigated.
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문제 정의
본 연구에서는 기어에 대한 구조해석을 통해 기어의 형상 설계 시 주로 고려되는 설계 인자가 구조적 안정성에 미치는 영향에 대해 파악하고자 한다. 일반적으로 기어는 감속기의 장착 크기와 목표 기어비가 정해진 상태에서 설계되는 경우가 많다.
본 연구에서는 소형 전기자동차에 장착되어 모터의 동력을 감속시켜 토크를 증대시키는 감속기 기어에 대한 구조해석을 수행하였다. 본 연구에 대상인 감속기는 3개의 축과 2개의 기어쌍으로 구성되어 있다.
이에 따라 본 연구에서의 설계 변수를 모듈과 각 기어쌍의 기어비를 고려하여 감속기 구동 간 기어에 발생하는 응력 경향을 확인하고 이에 따른 감속기 기어의 구조적 안정성을 분석하고자 한다.
제안 방법
먼저 모듈을 고려할 경우, 첫 번째 기어쌍의 조건을 고정한 상태에서 두 번째 기어쌍의 모듈 변화에 따른 응력 발생 경향을 분석하였다. 그리고 기어비에 따른 응력 발생 경향은 첫 번째 기어쌍의 기어비를 고정시킨 상태에서 두 번째 기어쌍의 기어비에 따른 등가응력을 분석하였다. 일반적인 기어 설계 시, 맞물리는 두 기어의 잇수는 서로소가 되도록 하는 것이 바람직하다.
본 연구에 대상인 감속기는 3개의 축과 2개의 기어쌍으로 구성되어 있다. 동력을 전달하는 과정에서 축 간 거리에서 기어의 설계 변경에 따른 안정성 추이를 분석하여 기어 설계의 구조적 안정성에 대하여 검토하였다. 기어 모듈과 잇수를 설계 변수로 총 9가지 기어쌍에 대한 구조해석을 수행한 결과, 축 간 거리가 동일한 경우 모듈이 커질수록 안전율이 증가하지만, 최댓값을 가지는 모듈값이 존재했다.
모멘트는 베어링 결합부에 설정하였으며 구동 기어 및 피동 기어의 베어링 결합부에 레볼루트 조인트(Revolute joint) 조건을 설정하였다. 또한, 기어 접촉 조건은 비선형 마찰 조건을 부여하였으며, 마찰계수는 0.3으로 설정하였다.
모듈에 따른 경향과 기어비에 따른 경향을 파악하기 위해 크게 2개 경우로 나눠 해석을 수행하였다. 먼저 모듈을 고려할 경우, 첫 번째 기어쌍의 조건을 고정한 상태에서 두 번째 기어쌍의 모듈 변화에 따른 응력 발생 경향을 분석하였다. 그리고 기어비에 따른 응력 발생 경향은 첫 번째 기어쌍의 기어비를 고정시킨 상태에서 두 번째 기어쌍의 기어비에 따른 등가응력을 분석하였다.
모듈에 따른 경향과 기어비에 따른 경향을 파악하기 위해 크게 2개 경우로 나눠 해석을 수행하였다. 먼저 모듈을 고려할 경우, 첫 번째 기어쌍의 조건을 고정한 상태에서 두 번째 기어쌍의 모듈 변화에 따른 응력 발생 경향을 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 소형 전기자동차에 장착되어 모터의 동력을 감속시켜 토크를 증대시키는 감속기 기어에 대한 구조해석을 수행하였다. 본 연구에 대상인 감속기는 3개의 축과 2개의 기어쌍으로 구성되어 있다. 동력을 전달하는 과정에서 축 간 거리에서 기어의 설계 변경에 따른 안정성 추이를 분석하여 기어 설계의 구조적 안정성에 대하여 검토하였다.
성능/효과
또한, 첫 번째 기어쌍의 등가응력 변동 폭은 두 번째 기어쌍에 비해 크다는 것을 확인할 수 있다. 구조해석 결과를 토대로 9가지 경우 중 최적 기어 조건은 G-case 4로 도출되었다.
동력을 전달하는 과정에서 축 간 거리에서 기어의 설계 변경에 따른 안정성 추이를 분석하여 기어 설계의 구조적 안정성에 대하여 검토하였다. 기어 모듈과 잇수를 설계 변수로 총 9가지 기어쌍에 대한 구조해석을 수행한 결과, 축 간 거리가 동일한 경우 모듈이 커질수록 안전율이 증가하지만, 최댓값을 가지는 모듈값이 존재했다. 또한, 축간 거리가 동일할 경우 첫 번째 기어쌍의 기어비가 감소할수록 첫 번째 기어쌍의 안전율은 증가하지만 두 번째 기어쌍의 안전율은 감소한다.
44일 때 최댓값을 가지고 다시 감소하였다. 또한, 첫 번째 기어쌍의 등가응력 변동 폭은 두 번째 기어쌍에 비해 크다는 것을 확인할 수 있다. 구조해석 결과를 토대로 9가지 경우 중 최적 기어 조건은 G-case 4로 도출되었다.
또한, 축간 거리가 동일할 경우 첫 번째 기어쌍의 기어비가 감소할수록 첫 번째 기어쌍의 안전율은 증가하지만 두 번째 기어쌍의 안전율은 감소한다. 본 연구에서는 첫 번째 기어쌍과 두 번째 기어쌍의 안전율을 모두 고려했을 때 G-case 4 조건이 최적의 기어 조건으로 판단된다.
후속연구
일반적으로 기어는 감속기의 장착 크기와 목표 기어비가 정해진 상태에서 설계되는 경우가 많다. 따라서, 감속기의 최종 감속비가 선정된 경우, 동력 전달 과정에서 기어의 설계 인자에 따른 등가응력 경향을 분석하여 기어의 구조적 안정성에 대해 효율적으로 제시할 수 있을 것으로 사료된다.
차후 연구에서는 기어의 잇수를 서로소로 제한하고 축간 각도를 고려한 연구를 진행하여 실제 산업에 적용 가능한 최적의 감속기를 설계할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구에서 모듈에 따른 경향과 기어비에 따른 경향을 파악하기 위해 어떻게 해석을 수행했나?
모듈에 따른 경향과 기어비에 따른 경향을 파악하기 위해 크게 2개 경우로 나눠 해석을 수행하였다. 먼저 모듈을 고려할 경우, 첫 번째 기어쌍의 조건을 고정한 상태에서 두 번째 기어쌍의 모듈 변화에 따른 응력 발생 경향을 분석하였다. 그리고 기어비에 따른 응력 발생 경향은 첫 번째 기어쌍의 기어비를 고정시킨 상태에서 두 번째 기어쌍의 기어비에 따른 등가응력을 분석하였다. 일반적인 기어 설계 시, 맞물리는 두 기어의 잇수는 서로소가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 설계의 이유는 서로 동일한 기어 이에만 물리는 것을 피하기 위함이다. 하지만 본 연구에서는 기어의 구조적 안정성 경향에 대해서만 파악하고자 하여 서로소를 고려하지 않았다. 설계 변수에 관한 내용은 Table 2, 3과 같다.
피치원은 어떻게 계산되나?
헬리컬 기어 치형의 주요 설계인자로는 모듈, 잇수, 압력각, 피치원(pitch circle) 등이 있다. 피치원은 기어가 맞물리는 위치를 정하는 기준으로 모듈과 잇수의 곱으로 계산된다. 따라서 피치원은 기어의 맞물림과 기어간 거리를 결정짓는 요소로써 기어 설계에 지대한 영향을 미친다.
헬리컬 기어 치형의 주요 설계인자는?
헬리컬 기어 치형의 주요 설계인자로는 모듈, 잇수, 압력각, 피치원(pitch circle) 등이 있다. 피치원은 기어가 맞물리는 위치를 정하는 기준으로 모듈과 잇수의 곱으로 계산된다.
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