초록 ▼

차량용 자동변속장치는 고도의 설계 및 제작기술을 요하는 기계로서 기계공학의 거의 모든분야와 연관이 있다. 본 연구에서는 차량용 자동변속장치의 주요 성능인 경량화, 조밀화, 고내구화, 고신뢰화, 서비스의 용이성, 저진동, 저소음과 및 원활한 변속특성을 보장하는 주요설계기술, 즉 1) 동력전달 요소의 기구학적 해석 및 설계, 2) 변속장치의 내구성 향상과 저소음화를 위한 치차의 가공 및 보정, 3) 변속장치의 동적성능 해석, 4) 유압변속기구의 자동화, 5) V-벨트 무단변속장치의 동력전달과 풀리 축력 특성 해석에 대하여 중점적으로

차량용 자동변속장치는 고도의 설계 및 제작기술을 요하는 기계로서 기계공학의 거의 모든분야와 연관이 있다. 본 연구에서는 차량용 자동변속장치의 주요 성능인 경량화, 조밀화, 고내구화, 고신뢰화, 서비스의 용이성, 저진동, 저소음과 및 원활한 변속특성을 보장하는 주요설계기술, 즉 1) 동력전달 요소의 기구학적 해석 및 설계, 2) 변속장치의 내구성 향상과 저소음화를 위한 치차의 가공 및 보정, 3) 변속장치의 동적성능 해석, 4) 유압변속기구의 자동화, 5) V-벨트 무단변속장치의 동력전달과 풀리 축력 특성 해석에 대하여 중점적으로 연구하였다. 제 1 세부과제에서는 차량용 변속기의 기구학적 해석 및 설계에 주안점을 두고 연구를 수행 하였다. 변속기의 기어열의 설계는 그동안 주로 경험적인 방법에 의하여 설계되어 왔으며 따라서 운전중에 발생하는 여러가지 취약점을 예측하기 힘들뿐 아니라 경량화, 조밀화등 요구조건을 만족시키는 설계는 미비한 상태이다. 따라서 변속기의 성능향상을 위한 기어 설계를 이론적으로 규명하고 이를 바탕으로 최적화 기법을 이용하여 기어열을 체계적으로 설계 함으로써 보다 향상된 변속기 설계의 기초 자료 제시가 필요하다. 본 세부 과제로서 변속기의 경량화, 조밀화 및 내구화를 위한 변속장치의 동력전달 요소의 기구학적 해석 및 설계에 주안점을 두었다. 기어의 형상은 매우 복잡한 기하학적 형상을 가지고 있는 바 이의 기하학적 형상을 컴퓨터의 그래픽 기법을 이용하여 정확한 기어 형상을 창출하고 이의 기어 응력을 경계요소 해석 방법을 통하여 조사하였으며 전산화된 기어설계를 위하여 기어의 형상 계수를 구하는 방법을 제시하였다. 두번째 과제로서는 변속기의 감속비의 결정과 변속 패턴에 관한 연구를 수행하였다. 동력성능 평가를 위한 시뮬레이션을 통하여 엔진 특성과 동력전달장치의 주요 구성 요소인 변속장치의 특성이 차량의 성능에 미치는 영향을 연구하고 그 결과로 차량의 초기설계시 변속기의 특성을 미리 예측함으로써 기존의 경험적인 방법에 의한 변속비결정 방식을 지양하고 보다 향상된 차량성능을 위한 변속기의 감속비 결정과 이를 바탕으로하여 차량의 동력성능의 향상을 위한 자동 변속기의 변속 패턴에 관한 연구를 수행하였다. 제 2 세부과제에서는 이론적인 해석과 소음스펙트럼을 통하여, 가공오차를 갖는 치차의 정규물림음이 치차의 연속운동으로 인한 주파수변조(FM)와 치면 하중의 변동으로 인한 진폭변조(AM)를 동시에 받고 있음을 보이고, 그 주파수 스펙트럼에서 측대파(Sideband)의 레벨이 중심주파수에 대하여 좌우 비대칭적으로 되는 것을 보인다. 그리고, 평치차 및 내치차에 편심오차가 있을 경우, 각 치차의 구동기어와 종동기어에 피치오차가 있을 경우에 있어서의 축대파 스펙트럼 레벨을 결정하는 변조지수의 값을 이론적으로 구하고, 편심오차량, 피치오차량과 변조지수와의 관계를 밝힌다. 이를 통하여 치차의 소음모델을 제시하여 각 치차에 대하여 편심오차와 피치오차에 의한 소음 스펙트럼의 양상을 시뮬레이션하여 분석하고 이것을 유성치차 해석의 기초로 삼는다. 내치차의 절삭가공에서 발생하는 치형오차를 대상으로 이에 영향을 미치는 제반 조건 중, 커터의 이론적인 인벌류트 치형으로 부터의 편차, 커터와 내치차의 잇수에 의한 간섭, 창성과정(generating process) 중 원주방향 이송(circular feed), 커터와 기어의 편심 등을 고려하여 치형오차를 구하는 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 그리고 이 프로그램을 이용하여, 커터의 경사각, 커터의 재연삭으로 인한 전위계수의 변화, 커터와 기어의 잇수 및 편심 등과같은 기하학적 조건 및 원주방향 이송과 같은 가공조건이 기어의 치형오차에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 그리고 시뮬레이션 결과를 가공한 내치차의 측정 데이타와 비교하여 시뮬레이션 절차의 타당성을 밝히고자 한다. 제 3 세부과제에서는 자동변속장치에 대한 연구로 이는 외부 부하조건의 변화에 대한 변속장치의 동적성능, 변속기구의 작동조건 등이 이론적으로?? 자동화 대상을 파악하고 제어량을 결정함으로써 이루어질 수 있다. 자동변속장치에 대한 연구는 미국의 SAE에 의해 보고된 바 있으며, 그 후에도 미국, 독일, 일본 등에서 자동변속장치의 각종 성능향상과 관련된 연구가 주로 제조회사를 중심으로 행해져 왔다. 그러나, 상세한 핵심기술이 보고되지 않고 있으며 변속장치의 정숙한 운전 및 원활한 변속특성과 관련하여 변속메카니즘의 분석 및 실험, 변속의 수치해석, 유성기어계의 동특성 및 진동, 클러치의 동특성 등 단편적인 연구들이 보고되고 있으나 변속 과도 기간중의 동적 모델링 이론은 확립되어 있지 않다. 본 연구에서는 자동변속장치에 대한 기초연구로서 자동화 대상인 Merrit-Wilson 기어계를 가진 차량용 유압 변속장치를 중심으로 엔진-변속장치-차량-주행부하의 복합 시스템에 대한 동적모델링을 한 후 동적 성능 해석 전용 전산 프로그램 패키지를 개발하여 변속중의 과도특성을 관찰하였다. 또한 수치해석 시뮬레이션을 통하여 각종 설계변수 및 제어변수의 영향을 파악하고 변속성능을 적정화 하기 위한 기초자료를 도출하였다. 제 4 세부과제에서는 HST (Hydro-static Transmission)은 기계식 변속기에 대응되는 유압식 변소기이다. 유압 펌프와 유압 모터를 근간으로 이루어져 펌프 또는 모터의 용량을 변화시킴에 따라 출력단의 속도와 토크가 제어된다. HST는 유압의 특성상 무단 변속이 가능하고 기동특성이 우수하며 중량당 출력이 커서 중장비의 구동장치에 널리 이용된다. 본 연구에서는 2개의 HST System을 대상으로 하였다. 먼저 System을 분석하여 수학적 모델링을 한 후 Simulation 프로그램을 개발하였다. Simulation의 결과를 검증하기 위하여 TEST BENCH를 제작하였고 펌프, 모터 및 밸브의 솔레노이드 전류의 제어와 data의 수집 및 processing을 위하여 별도로 P/C를 이용한 amp control 및 DAS (data acquisition system)을 구축하였다. TEST BENCH의 부하회로는 유압식 수동부하 장치로 유압 펌프, 모터 그리고 proportional relief valve로 구성하여 HST에 가해지는 실제의 부하를 모의 구현하도록 하였다. Computer Simulation 결과와 TEST BENCH의 결과로 부터 HST의 동적특성은 실험과 simulation에서 서로 일치함을 알 수 있었다. 또 한가지 simulation 기법으로서 software ENPORT-7을 이용하여 bond-graph 모델링 기법으로 해석을 시도하였고 이 기법이 HST 설계에 있어서 유용하며 상당히 시간-경제적임을 확인하였다. 제 5 세부과제에서는 고무 및 금속 V-벨트 CVT의 동력전달 특성과 변속비-부하토오크-축력식은 대수적인 해석이 가능하고 간단하고 정확하여 V-벨트 CVT의 기초설계자료로서 사용될수 있다. 또한 각 변속비에서 축력에 대한 전달부하토오크 용량을 실험적으로 구하고 고무 및 금속 V-벨트 CVT의 성능을 벨트강도에 의한 전달토오크 용량, 축력면에서 비교 검토 하였다. 본 연구 결과는 V-벨트 CVT설계의 핵심으로서 앞으로 수동 및 자동변속기에 이어 제 3세대의 첨단 변속기로 기대되는 V-벨트 CVT의 연구개발에 기초자료로서 사용될 수 있다.

Abstract ▼

The Design of automatic transmission of vehicle is a difficult part that requires high design and fabrication technology and the design reflects knowledge from almost every branch of the field of engineering. In this study, we investigate the key design technologies, i.e., 1) kinematic analysis and

The Design of automatic transmission of vehicle is a difficult part that requires high design and fabrication technology and the design reflects knowledge from almost every branch of the field of engineering. In this study, we investigate the key design technologies, i.e., 1) kinematic analysis and design of transmission elements, 2) gear fabrication and compensation for durability and quiet operation, 3) analysis of dynamic performance transmissions, 4) automation of hydraulic shifting mechanism and 5) analysis of the characteristics of power transmission to be light weight, compact, durable, easy to service, quiet in operation and smooth shifting.
In the 1st sub-project, the kinematic analysis and synthesis of transmission elements has been mainly investigated. Because the gear trains of transmission were designed experientially. It is hard to forecast the various faults which will occur in operating and to design the transmissions withc satisfy the various conditions. It is necessary and the design the transmissions withc satisfy the various conditions. It is necessary to examine the design of transmission theoretically for approvement of performance. The design of gear and shaft of transmission was investigated. Because of the very complex geometric shape of gear, the computer graphic technique is used for design of gear shape. And the stress analysis of gear using boundary element method was investigated. The power flow performance of vehicles depends mainly on engine performance, transmission gear ratio and shifting patterns. In this study, determination method of ear ratios for vehicles with manual and automatic transminssion has been proposed. Computer programs for gear ratio determination and shifting pattern decision using optimal design technique have been developed for the purpose of increasing vehicle dynamic performance. The design of gear trains which satisfy the given gear ratio were investigated. Though these result, the kinematic design of transmission can be designed more effectively and simply.
In the 2nd sub-project, in gears which have machining errors it is shown by theoretical analysis and noise spectrum that tooth-meshing noise in subjected to both AM (amplitude modulation) and FM (frequency modulation) simultaneously and that the level of sidebands of actual meshing noise is assymetric about the tooth-meshing frequency. and the coefficient of modulation which determines the level of sidebands is dervied for spur gears and internal gears with eccentric errors or pitch errors in driving gear or following gear and the relation of the coefficient of modulation with the ammount of eccentricities or pitch errors is given theoretically. Through these results, the noise model of gears is suggested and the noise spectrum by the eccentric errors and pitch errors is simulated and the results is used for the basis of the analysis of planet gears. In this study, the simulation program is developed where the tooth profile error in internal gear shaping is calculated considering the circular feed of the pinion cutter, the interference by the geometric conditions of the cutter and the internal gear, the deviation from the theoretical involute profile of the cutter and the eccentricity of the cutter and the internal gear. With this program, the effects are investigated which the geometric conditions and the cutting conditions in internal gear shaping have on the tooth profile error of the internal gear, and the condition for the minimization of it is derived and then the internal gears cut by a pinion cutter.
In the 3rd sub-project, the study on the automatic transmission is to be preceded by the study on the dynamic performance of the transmission due to the change of external load and the operating condition theoretically. That is, the automation of the transmission is accomplished by finding the target fo the automation and determining the control parameters. The study on the automatic transmission design was reported by SAE in U.S.A. and extensive studies on the improvement of the performance of the automatic Transmission have been carried out mainly by the manufacturing companies in many countries. The essential Technology was not yet reported and the some piecemeal studies on the goal shift quality were reported as following : Basic analysis and experiment of the gear changing mechanism, the Numerical analysis of the gear changing, the dynamic characteristics and vibration of the planetary gear train and the dynamic characteristics of the clutch. however, the dynamic modeling theory for the transient period is not well established yet. In this study, a dynamic modeling and a simulation procedure was proposed for slightly characteristics of a specific hydraulic power transmission with merrit - wilson gear train. Through the result of the simulation with the transmission design parameters and the hydraulic control parameters criteria for the good shift quality were derived. It can be compared with convensional mechanical transmission. It is composed of hydraulic pump and motor. The velocity and torque at the output is controlled according to the control voltage of displacement of pump, motor. It has merits of stepless velocity shift and high power density per weight. So it is widely adapted instead of mechanical T/M in heavy duty vehicle.
In the 4th sub-project, two HST systems were studied in this report. At first all the components were modeled mathematically and computer-programmed in FORTRAN. In order to check the Result of the simulation, test bench was constructed and amp control system & DAS(data acquisition system) was implemented for the control of the displacement of pump, motor and load pressure based on P/C. Loading circuit is a hydraulic passive loading device and is made up of pump, motor and proportional relief valve so that the semi-actual load acts on the HST. It is verified out of the results of simulation and experiment that dynamic behaviors correspond to each other favorably in both. As another simulation technique bond graph method was used with software ENPORT-7 to conclude that it is efficient and time-economic in engineering design of the HST.
In the 5th sub-project, power transmission characteristics and speed ratio-torque load-axial force relationships for a rubber and a mental V-belt CVT were investigated analytically and experimentally. The simple analytical equations derived for the axial forces of V-belt CVT were in good agreement with the experimental results and are suggested as basic design materials due to their simplicity and accuracy. Also, torque load capacities at specific speed ratios were determined experimentically and performance of the rubber and the metal V-belt CVT were compared and evaluated each other based on the torque capacity and the axial force required. The results of this study can be used as fundamental data for the future research and development of V-belt CVT, which is expected to be the 3rd generation of automative power Transmission after the manual and automatic transmission.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론...25
• 제 1 절 차량용 변속기의 기구학적 해석 및 설계...25
• 제 2 절 변속장치의 내구성 향상과 저소음화를 위한 치차의 가공 및 보정...29
• 1. 치차장치의 발생음...29
• 2. 내치차 절삭시의 치형오차 보정...30
• 제 3 절 변속장치의 동적성능 해석...32
• 제 4 절 동력전달 장치의 유압구동 변속기구의 자동화...34
• 제 5 절 Y-벨트 무단변속장치의 동력전달과 풀리 축력 특성의 해석...35
• 제 2 장 연 구 방 법...37
• 제 1 절 변속기 기본 요소의 설계...37
• 제 2 절 최적변속비 및 변속패턴의 결정...39
• 제 3 절 일정감속비를 위한 기어열의 설계...43
• 제 4 절 치차장치의 발생음...44
• 제 5 절 내치차 절삭시의 치형 오차 보정...52
• 제 6 절 변속장치의 동적성능 해석...55
• 제 7 절 동력전달 장치의 유압구동 변속기구의 자동화...59
• 제 8 절 고무 V-벨트 CVT의 동력전달 특성과 변속비-부하토크...76
• 제 9 절 금속 V-벨트 CVT의 동력전달 특성과 변속비-부하토크-축력관계...79
• 제 10 절 고무벨트 CVT와 금속벨트 CVT의 성능비교...82
• 제 3 장 결과...84
• 제 1 절 변속장치의 동력전달 요소의 기구학적 해석 및 설계...84
• 제 2 절 치차장치의 발생음...90
• 제 3 절 내치차 절삭시의 치형 오차 보정...90
• 제 4 절 변속장치의 동적성능 해석...93
• 제 5 절 유압식 변속장치...95
• 제 6 절 V-벨트 무단변속장치의 동력전달자 풀리축력 특성의 해석...99
• 제 4 장 고찰...101
• 제 1 절 변속장치의 동력전달 요소의 기구학적 해석 및 설계...101
• 제 2 절 치차장치의 발생음...102
• 제 3 절 내치차 절삭시의 치형 오차 보정...104
• 제 4 절 변속장치의 동적성능 해석...107
• 제 5 절 유압변속 시스템...108
• 제 6 절 기계식 변속장치...110
• 제 8 절 금속 V-벨트 CVT의 동력전달 특성과 변속비-부하토오크 -축력관계...112
• 제 9 절 고무밸트 CVT와 금속밸트 CVT의 성능비교 및 V-벨트 CVT의 전망...113
• 제 5 장 결론...115
• 제 1 절 변속장치의 동력전달 요소의 기구학적 해석 및 설계...115
• 제 2 절 치차장치의 발생음...116
• 제 3 절 내치차 절삭시의 치형 오차 보정...117
• 제 4 절 변속장치의 동적성능 해석...118
• 제 5 절 동력전달 장치의 유압구동 변속기구의 자동화...120
• 제 6 절 V-벨트 무단변속장치의 동력전달과 풀리 축력 특성의 해석...120
• 제 6 장 참고문헌...123
• 제 1 세 부 목 차...135
• 제 1 장 서 론...143
• 제 1 절 연구배경...143
• 제 2 절 연구목적 및 기대효과...147
• 제 2 장 연 구 방 법...149
• 제 1 절 변속기 기본 요소의 설계...149
• 제 2 절 최적 변속비 및 변속 패턴의 결정...163
• 제 3 절 일정 감속비를 위한 기어열의 설계...187
• 제 3 장 결과...201
• 제 1 절 변속기의 기본 요소의 설계...201
• 제 2 절 최적 변속비 및 변속 패턴의 결정...205
• 제 3 절 유성 치차열의 설계...220
• 제 4 장 고찰...226
• 제 5 장 결론...227
• 제 6 장 참고 문헌...229
• 제 2 세 부 목 차...233
• 제 1 장 서론...241
• 제 1 절 치차장치의 발생음 해석...241
• 제 2 절 내치차 절삭시의 치형오차 보정...242
• 제 2 장 연구 방법...244
• 제 1 절 치차장치의 발생음 해석...244
• 제 2 절 내치차 절삭시의 치형오차 보정...264
• 제 3 장 결 과...283
• 제 1 절 치차장치의 발생음 해석...283
• 제 2 절 내치차 절삭시의 치형오차 보정...284
• 제 4 장 고 찰...287
• 제 1 절 치차장치의 발생음 해석...287
• 제 2 절 내치차 절삭시의 치형오차 보정...297
• 제 5 장 결 론...330
• 제 1 절 치차장치의 발생음 해석...330
• 제 2 절 내치차 절삭시의 치형오차 보정...330
• 제 6 장 참고 문헌...333
• 제 1 절 치차장치의 발생음 해석...333
• 제 2 절 내치차 절삭시의 치형오차 보정...334
• 제 3 세 부 목 차...337
• 제 1 장 서 론...345
• 제 2 장 연구방법...353
• 제 1 절 강성효과를 무시한 모델링...353
• 1. 엔진 - 변속장치 - 차량계의 모델링...353
• 2. 변속상태 변화에 입각한 모델링...355
• 3. 수치해석...358
• 제 2 절 강성효과를 고려한 동적모델링...362
• 1. 기본 운동방정식...362
• 2. 엔진의 상세 모델링에 대한 진동해석...363
• 3. 변속상태 변화에 입각한 모델링...368
• 제 3절 자동화 프로그램에 의한 실제주행 시뮬레이션...371
• 제 3 장 연구결과...376
• 제 1 절 강성 효과를 무시한 모델링에 의한 수치해석 결과...376
• 제 2 절 강성 효과를 무시한 모델링에 의한 수치해석 결과...385
• 제 4 장 고 찰...396
• 제 1 절 실증실험...396
• 제 5 장 결 론...421
• 제 6 장 참고문헌...424
• 부 록...432
• 제 4 세 부 목 차...443
• 제 1 장 서론...451
• 제 2 장 연구방법...453
• 제 1 절 유압 번속 장치...453
• 제 2 절 기계식 변속 장치...496
• 제 3 장 결과...501
• 제 1 절 유압 번속 장치...501
• 제 4 장 고찰...515
• 제 1 절 유압 변속 장치...515
• 제 2 절 기계식 변속 장치...523
• 제 5 장 결론...524
• 제 6 장 참고문헌...525
• 제 5 세 부 목 차...529
• 제 1 장 서론...537
• 제 1 절 연구배경...537
• 제 2 절 연구목적과 기대효과...540
• 제 2 장 연구방법...543
• 제 1 절 V-벨트 CVT의 동력전달과 변속비-부하토크-축력에 관한기존 연구검토...543
• 제 2 절 고무 V-벨트 CVT의 동력전달과 변속비-부하토크-축력에 대한 연구...549
• 제 3 절 금속 V-벨트 CVT의 동력전달 특성과 변속비-부하토크-축력에 대한 연구...570
• 제 4 절 고무 V-밸트 CVT와 금속 V-벨트 CVT의 성능비교...586
• 제 3 장 결 과...593
• 제 1 절 고무 V-벨트 CVT의 동력전달과 변속비-부하토크-축력에 대한 연구...593
• 제 2 절 고무 V-벨트 CVT의 동력전달과 변속비-부하토크-축력에 대한 연구...605
• 제 3 절 고무 V-벨트 CVT와 금속 V-벨트 CVT의 성능비교...615
• 제 4 장 고찰...619
• 제 1 절 고무 V-벨트 CVT의 동력전달과 변속비-부하토크-축력에 대한 연구...619
• 제 2 절 고무 V-벨트 CVT의 동력전달과 변속비-부하토크-축력에 대한 연구...622
• 제 3 절 고무 V-벨트 CVT와 금속 V-벨트 CVT의 성능비교...625
• 제 4 절 V-벨트 CVT의 장래전망 및 연구방향...625
• 제 5 장 결론...627
• 제 6 장 참고문헌...630