[논문]Differential gear case와 피니언 샤프트 체결을 위한 핀 압입 장치설계 및 측정에 관한 연구

장태환; 권진욱; 엄지현; 김정아; 김태규

doi:10.12656/jksht.2021.34.1.25

Differential gear case와 피니언 샤프트 체결을 위한 핀 압입 장치설계 및 측정에 관한 연구
A Study on the Design and Measurement of Pin Press-Fit Device for Fastening Differential Gear Case and Pinion Shaft 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.34 no.1, 2021년, pp.25 - 30

장태환 (부산대학교 나노메카트로닉스공학과) , 권진욱 (부산대학교 나노메카트로닉스공학과) , 엄지현 ((주) SMEC 융복합사업부) , 김정아 ((주) SMEC 융복합사업부) , 김태규 (부산대학교 나노메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The differential gear system is a device designed to distribute the driving force of both vehicle wheels and control the rotational speed when the vehicle turns on a curve. The differential device consists of a differential gear case, a ring gear, and a pressure ring. A differential pinion gear and side gear are mounted on the differential pinion shaft inside the differential gear case. In this study, a pin press-fitting device that mounts the pinier gear and side gear to the differential pinion shaft in the differential gear case was designed, and a jig device for pin press-fitting using servo press was developed. In addition, by precisely measuring the pin press-in load and press-in distance according to the pin hole diameter of the differential gear shaft, the optimization of the pin pressin process was established.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Schematic diagram and device photo of pin press-in machine for fastening differential gear case and pinion shaft.
그림 Fig. 2. Configuration diagram of pin pressing device.
그림 Fig. 3. Configuration diagram of Servo press.
그림 Fig. 4. Differential gear case dimensions and shape.
그림 Fig. 5. Pinion shaft dimension.
그림 Fig. 6. Spring pin dimension.
그림 Fig. 7. Pin press-in process diagram.
그림 Fig. 8. Press-in load and distance according to the diameter of pinion shaft.
표 Table 1. Comparison of pin press test results

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 차동기어 케이스 조립 시 피니언 샤프트에 체결되는 핀의 압입조건은 중요한 공정변수이기 때문에 Pin hole 직경에 따른 최적의 압입하중과 압입거리를 측정하고자 하였다.
본 연구에서는 자동차용 차동기어 케이스의 위치를 고정하고 핀 압입을 위한 장치를 설계하고 핀 압입 전용 지그 장비를 제작하였다. 차동기어의 피니언 샤프트에 체결되는 핀의 압입량은 중요한 공정변수이다.
본 연구에서는 차동기어 케이스의 위치를 고정하고 핀 압입을 위한 장치를 설계하였으며, Servo press를 이용한 핀 압입 전용지그 장비를 개발하였다. 그리고 차동기어 케이스 조립 시 피니언 샤프트에 체결되는 핀의 압입조건은 중요한 공정변수이기 때문에 Pin hole 직경에 따른 최적의 압입하중과 압입거리를 측정하고자 하였다.

제안 방법

차동기어의 피니언 샤프트에 체결되는 핀의 압입량은 중요한 공정변수이다. Pin hole 직경에 따른 최적의 압입하중과 압입 거리를 측정하여 조립공정에서 중요변수인 압입량 범위를 도출하였다. 피니언 샤프트의 체결은 Servo press를 사용하였고, 피니언 샤프트의 hole size에 따른 압입하중과 압입거리를 정밀 측정할 수 있는 장비를 개발하였다.
또한, 압입공정 시 실시간으로 압입하중과 압입 거리를 측정할 수 있고, 압입변수에 따른 품질관리가 가능한 구조이다. Servo motor의 회전속도와 토크를 제어하기 위하여 감속기를 장착하였다. Screw를 회전시키기 위하여 풀리에 Timing belt를 설치하여 회전력을 전달하고, 회전력은 Screw와 Ball screw nut 에 의하여 회전운동이 직선운동으로 변환되어 압입 하중이 작용하는 구조이다.
3은 핀 압입장치 설계를 위하여 사용된 Servo press의 구성도이다. 높은 생산성과 저소음 및 에너지 효율이 큰 장점이 있는 구조로 설계하였다. 또한, 압입공정 시 실시간으로 압입하중과 압입 거리를 측정할 수 있고, 압입변수에 따른 품질관리가 가능한 구조이다.
핀의 압입 하중은 0~400kgf로 지정하였으며, 압입거리는핀의 최초 위치를 고려하여 225mm로 지정하였다. 동일한 직경의 차동기어 케이스의 Pin hole을 기준으로 Pin hole의 직경이 다른 Pinion shaft를 장착하여 압입 공정 중 실시간 압입하중과 압입 거리를 도출할 수 있도록 하였다. 피니언 샤프트 Pin hole 의 직경에 따른 압입 하중과 압입거리를 측정하여 조립공정에서 중요변수인 압입량 범위를 도출하였다.
핀 압입공정은 차동기어 케이스에 장착된 피니언 기어의 구동 시 소음과 진동을 유발하는 원인이 된다. 따라서 장착된 피니언기어 장치에 최적의 핀 압입공정 변수를 확립하여 향후 자동조립라인에서 적용할 수 있도록 설계하였다. 핀 압입을 위한 차동기어 케이스의 위치고정을 위한 전용 지그를 제작 하였으며, 포토센서를 통하여 차동기어 케이스의 장착 유무를 판단할 수 있도록 하였다.
Table 1은 핀 압입하중과 압입거리의 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 압입 대상의 품질 상태에 따라 압입하중과 압입거리에 변수가 생기므로 Fig. 5와 같이 피니언 샤프트의 Pin hole 직경을 다르게 제작하여 동일한 조건으로 핀 압입 시험을 진행 후 압입 하중과 압입거리 간의 관계를 도출하였다. 핀 압입 시험은 체결대상인 차동기어 케이스에 피니언 샤프트를 삽입 후 핀 압입장치에 제작된 차동기어 케이스의 전용 지그에 장착하여, 스프링 핀을 수직 방향으로 하중을 가하여 압입하중과 압입거리를 측정하였다.
핀 압입을 위한 차동기어 케이스의 위치고정을 위한 전용 지그를 제작 하였으며, 포토센서를 통하여 차동기어 케이스의 장착 유무를 판단할 수 있도록 하였다. 차동기어 케이스의 Pin hole 위치를 감안하여수직방향의 하중이 작용되는 수직형 Pin 압입 장치로 설계하였다.
동일한 직경의 차동기어 케이스의 Pin hole을 기준으로 Pin hole의 직경이 다른 Pinion shaft를 장착하여 압입 공정 중 실시간 압입하중과 압입 거리를 도출할 수 있도록 하였다. 피니언 샤프트 Pin hole 의 직경에 따른 압입 하중과 압입거리를 측정하여 조립공정에서 중요변수인 압입량 범위를 도출하였다.
Pin hole 직경에 따른 최적의 압입하중과 압입 거리를 측정하여 조립공정에서 중요변수인 압입량 범위를 도출하였다. 피니언 샤프트의 체결은 Servo press를 사용하였고, 피니언 샤프트의 hole size에 따른 압입하중과 압입거리를 정밀 측정할 수 있는 장비를 개발하였다. 피니언 샤프트의 hole 직경을 Ø3.
5와 같이 피니언 샤프트의 Pin hole 직경을 다르게 제작하여 동일한 조건으로 핀 압입 시험을 진행 후 압입 하중과 압입거리 간의 관계를 도출하였다. 핀 압입 시험은 체결대상인 차동기어 케이스에 피니언 샤프트를 삽입 후 핀 압입장치에 제작된 차동기어 케이스의 전용 지그에 장착하여, 스프링 핀을 수직 방향으로 하중을 가하여 압입하중과 압입거리를 측정하였다.
따라서 장착된 피니언기어 장치에 최적의 핀 압입공정 변수를 확립하여 향후 자동조립라인에서 적용할 수 있도록 설계하였다. 핀 압입을 위한 차동기어 케이스의 위치고정을 위한 전용 지그를 제작 하였으며, 포토센서를 통하여 차동기어 케이스의 장착 유무를 판단할 수 있도록 하였다. 차동기어 케이스의 Pin hole 위치를 감안하여수직방향의 하중이 작용되는 수직형 Pin 압입 장치로 설계하였다.

대상 데이터

2은 Pressing station을 비롯한 Pin pressing 장비의 구성도를 나타내었다. 본 모델은 가동하중 40~1, 000kgf, 램 스트로크 0~200mm, 램 스피드 0.01~250mm/s, 정격전압 220V의 사양이다. Servo press는 PC 제어기를 통해 제어하고, PC 제어기에는 Motion control board와 Load cell과 A/DC Con- verter가 탑재되며, 터치스크린을 통해 메인프로그램 제어가 가능한 구조이다.
실제 제품에 사용되는 피니언 샤프트의 Pin hole 의 직경은 Ø4.3이며 Pin hole 직경에 따른 압입 하중 시험을 위해 Pin hole의 직경을 Ø3.9, Ø4.1, Ø4.3 Ø4.5, Ø4.7로 제작하였다.
피니언 샤프트는 차동기어 케이스 내부에 조립되는 차동 피니언 기어와 사이드 기어를 지지하는 역할을 한다. 피니언 샤프트는 S45C 재질이고, 직경 Ø17, 길이는 87mm이다.

성능/효과

7에서는 죔새 미달 압입하중 범위에 해당한다. 따라서 피니언 샤프트의 조립공저에서는 Pin hole의 직경의 적정한 죔새를 가져야 하기때문에 Ø4.3이 최적의 죔새가 됨을 관찰할 수 있었다.
8은 핀 압입 공정에 있어 스프링 핀 이동 구간에 따른 압입하중과 압입거리를 그래프로 나타낸 결과이다. 핀 압입공정에서 Spring pin이 차동기어 케이스의 Pin hole 구간에서는 유사한 경향성을 보였으며, 피니언 샤프트의 Pin hole 구간에서 압입 공정이 진행된 경우는 직경에 따른 그래프의 경향성이 큰 차이가 보이는 것을 확인할 수 있다.
7로 제작하였으며, 측정 결과 피니언 샤프트의 hole 직경이 커질수록 핀압입거리는 설정 값인 225mm를 달성하였다. 하지만 hole 직경이 Ø3.9mm인 경우에는 압입 시작점부터 하중이 급격히 상승하는 경향을 나타내었고, 압입거리도 206.9mm로 설정 값에 미달하는 결과를 나타냄을 확인할 수 있었다.

참고문헌 (7)

Mizoguchi, Norihiro, Susumu Okada : U.S. Patent No.10,167,945 (2019).
Patrick Adebisi Olusegun Adegbuyi, Opeyemi Lukuman : International Journal of Science, Technology and Society 5(3) (2017) 41-45.

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장태환 외 4인 : 열처리공학회지, 32(6) (2019) 270-274.

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장태환 외 4인 : 열처리공학회지, 33(6) (2020) 303-309.

원문보기 상세보기
정성훈 외 4인 : 한국자동차공학회 학술발표대회, (2009) 2705-2710.
K. Mori, K. Akita and Y. Abe : International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47(2) (2007) 321-325.

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K. Osakada, K. Mori, T. Altan and P. Groche : CIRP Annals, 60(2) (2011) 651-672.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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