Powertrain system
- Concept design & Optimization
기어, 베어링 등 동력 전달계를 구성하는 기계요소에 대한 설계 방법 및 소프트웨어를 개발한다. 설계 범위 내에서 다양한 설계 조건을 만족하는 최적 설계 제원을 도출하기 위해 유전 알고리즘, Particle swarm optimization 등 gradient free 방법과 지도 학습, 강화 학습 등 gradient-based 방법을 사용한다.
[Gradient free 방법(NGSA) 활용 기어 최적 설계 예시]
[Gradient based 방법 (인공신경망) 활용 기어 최적 설계 프레임워크]
- Development of Accelerated Life Test Code
시스템의 수명 평가, 설계 상의 문제 및 고장 위험 파악, 신뢰성 평가를 위해 실제 사용 조건 보다 가혹한 조건(하중, 속도 및 온도)으로 시험 시간을 단축하여 실시하는 시험을 가속수명시험(Accelerated Life Test, ALT)이라고 한다. 유전 알고리즘을 활용하여 기어박스의 내구성 (목표 수명) 등의 신뢰성 평가를 목적으로 하는 가속수명 시험코드를 개발하고 있다.
[가속수명시험코드 개발과정]
[유전알고리즘(NSGA-III)을 활용한
가속수명시험코드 최적화 진행과정]
[가속수명시험코드 최적화 결과비교 예시]
- Plastic gear Design & Rating
플라스틱 기어는 경량화와 비용 절감 측면에서 널리 사용되고 있다. 플라스틱 기어는 작동 온도에 따라 강도가 달라지는 특성이 있어, 온도 고려가 필수적이다. 이를 위해 다양한 실험과 시뮬레이션을 통해 플라스틱 기어의 강도를 평가하고 최적화된 설계에 대한 연구를 수행하고 있다.
[플라스틱 기어 시험 레이아웃
[플라스틱 기어 온도계측 데이터]
[온도에 따른 플라스틱 기어(POM) S-N 커브]
- Gear stress Measurement & Analysis for Lightweight Design
기어 경량화를 위해 일반적으로 림과 웹 두께를 줄이거나 홀을 뚫는 방식을 사용한다. 기어 경량화 과정에서 기어의 강도와 내구성이 저하될 위험이 있다. 이를 방지하고 신뢰성 확보를 위해, 기어에 스트레인 게이지를 부착하여 굽힘 시험 및 회전 시험을 통해 응력 계측을 수행한다. 계측된 시험 데이터와 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 활용하여 기어 경량화에 따른 구조적 안전성을 평가하고 있다. 이를 통해 최적의 경량화 기어 설계 기초 자료를 제공하고, 기어의 강도와 내구성을 유지하면서도 효율적인 경량화 방안을 도출하고 있다.
[굽힘 시험을 통한 스퍼기어 응력계측 및 유한요소 해석 결과]
[회전시험을 통한 헬리컬기어 응력 계측 및 유한요소 해석 결과]
- Mesh stiffness and transmission error analysis
시변 물림 강성(Time varying mesh stiffness, TVMS)과 전달오차(Transmission error, TE)는 기어 시스템의 주요 가진원이다. 새로운 이론을 적용하여 기어의 TVMS와 TE를 계산하는 해석 모델을 개발한다. TVMS와 TE 해석 결과는 설계 개선, 고장 진단, NVH 분석 등에 사용된다.
[헬리컬 기어의 접촉선과 slice theory를 이용한 해석 방법]
[기존 해석 모델과 개선된 해석 모델을 통한 시변 물림강성 및 전달오차 해석 결과]
- CFD-based bearing power loss analysis
베어링의 회전 손실(load-independent loss)은 윤활유에 의해 발생하며 베어링 회전 속도가 높아짐에 따라 크게 증가한다. 실험식을 통해 손실을 예측하던 기존 방식과는 달리 Computational fluid dynamics(CFD)를 통해 다양한 조건(내외륜 형상 변화, 케이지 형상 변화 등)에서의 베어링 회전 손실을 해석한다.
[케이지 형상에 따른 압력 및 전단 응력 CFD 해석 결과]
[케이지 형상에 따른 베어링 회전 손실 해석 결과]
- Gear transmission error measurement
기어 쌍의 전달 오차는 기어 화인 소음의 주 가진원으로 맞물리는 두 기어 쌍에서 발생하는 각 변위 오차를 의미하며 line of action 상의 변위 가진으로 고려할 수 있다. 기어 쌍의 전달 오차는 두 기어의 각 속도를 측정하고 시간 동기화 평균(TSA), 고속 푸리에 변환(FFT), 밴드패스필터 등과 같은 신호처리를 통해 계산될 수 있다.
[전달오차 측정 및 신호처리 과정]
- EHL-based gear power loss analysis
기어 쌍의 부하 동력 손실은 유활막 내 발생하는 마찰 저항에 의해 발생하며 기어 박스의 주된 동력 손실원이다. Elastohydrodynamic Lubrication (EHL) 해석을 통해 정확한 부하 동력 손실을 해석할 수 있으며, 기어 쌍의 하중 분할, 기하학적 특성, 표면 속도 등과 같은 접촉 파라미터에 대한 정보가 필요하다. LTCA 해석을 통해 기어 쌍의 하중 분할을 해석하고 물림 이론을 통해 기하학적 특성과 표면 속도를 계산할 수 있다.
[EHL 기반 기어 부하 동력 손실 해석]