[Simcenter 3D] 조용한 변속을 위한 베벨 기어 접촉 시뮬레이션 발전

자동차 전기화는 자동차 설계 프로세스의 진화를 촉발합니다.

전기화의 급속한 성장은 차량 파워트레인 개발의 기반을 급격하게 바꾸고 있습니다. 자동차 산업은 더 이상 내연 기관(ICE) 파워트레인 개발에서 1세기 이상 축적한 경험을 활용할 수 없습니다. 게다가, 규정이 바뀌고 많은 신규 업체가 시장에 진입하면서 시장 환경이 빠르게 변하고 있습니다. 이제 과제는 경쟁에서 앞서 나가고 전기 구동을 차별화하는 것입니다.

소음과 진동은 차량의 전반적인 편안함에 필수적인 역할을 합니다.전기 자동차(EV)는 기어박스가 전체 소음 특성에 미치는 영향을 더욱 두드러지게 합니다[1].평면 기어(동일한 평면에서 회전 에너지를 전달) 외에도 베벨 기어는 회전 에너지를 다른 회전 방향(예: 차량 차동 장치)으로 전달하는 데 사용됩니다.베벨 기어 동역학 성능에 대한 중요한 이해는 베벨 기어 성능에 대한 시스템 수준의 이해를 제공하는 초석이며, 이는 이 기사와 새로운 백서[6]에서 자세히 설명합니다.

베벨기어 동적 시뮬레이션 과제 해결

베벨 기어는 차량의 기계 설계 및 작동에 중요한 역할을 하지만, 동적 시뮬레이션 성능과 소음 및 진동 성능을 예측하고 최적화하기가 어렵기 때문에 설계 엔지니어에게는 어려움이 됩니다.

기계식 변속기의 시스템 수준 설계 프로세스에 통합되는 정확한 기어 모델에 대한 필요성이 커짐에 따라 베벨 기어에 대한 명확한 시뮬레이션 기술 격차가 확인되었습니다. 스퍼 및 나선형 기어에 대한 시뮬레이션 방법은 유연한 멀티바디 시뮬레이션 내에서 경량 기어를 정확하게 예측할 수 있도록 발전했지만, 베벨 기어 접촉 동역학의 수치적 예측은 종종 접촉 감지 및 접촉력 계산의 어려움으로 인해 방해를 받습니다.

조용한 변속기에 대한 베벨 기어 진동 문제를 해결하기 위해 Siemens Digital Industries Software는 베벨 기어 변속기 음향 방출을 위한 혁신적인 수치 해석 솔루션을 개발했습니다[3]. 여기에는 Simcenter 3D 다중 본체 시스템 동역학 시뮬레이션 환경[4] 내에서 3D 기어 접촉력 모델을 사용하는 것이 포함되며, 이를 통해 자동차 제조업체는 성장하는 EV 차량군 내에서 미래의 조용한 변속기를 설계하고 제공할 수 있습니다.

베벨 기어를 위한 새로운 고급 접촉 시뮬레이션 솔루션

Simcenter 3D의 새로운 베벨 기어 접촉 요소는 정확한 치면 설명, 빠른 3D 접촉 감지 및 다양한 수준의 정확도를 갖춘 접촉력 계산[4]과 시스템 수준의 동역학 및 음향 계산[5] 간의 격차를 메우는 베벨 기어 시뮬레이션에 대한 모듈식 접근 방식을 제공합니다.

최근 연구 및 기술 혁신 노력 덕분에 달성된 새로운 베벨 기어 접촉 요소에는 강성 기어 접촉력, 점성 감쇠 기어 접촉력, 쿨롱 기반 마찰력[2][3]의 세 가지 유형의 접촉력이 포함되며 Simcenter 3D Motion의 다중 물체 시뮬레이션 환경 내에서 직선 및 나선형 베벨 기어 동역학을 모두 분석하는 데 사용할 수 있습니다[4].

그림 1: 베벨 기어 기하 모델링, FE 모델 생성 및 강성 계산을 위한 프로세스 개요.

새로운 백서: 베벨 기어 접촉 동역학 시뮬레이션 발전

이 블로그 게시물에서 제공하는 소개 외에도 새로운 고급 베벨 기어 접촉 동역학 시뮬레이션 접근 방식과 응용 프로그램에 대한 가치에 대한 자세한 설명이 있는 새로운 백서 [6]를 확인해 보시기 바랍니다. 이 백서는 매우 정확하고 효율적인 시뮬레이션 결과를 위한 새로운 반해석적 베벨 기어 접촉 강성 모델을 포함할 수 있는 솔루션을 제안하여 베벨 기어 접촉 동역학의 수치 예측에서 발생하는 주요 과제를 다룹니다. 이 새로운 강성 모델은 유한 요소(FE) 기반 모델의 모델 순서 감소를 사용하여 베벨 기어 톱니와 블랭크 변형을 설명하고, 해석적 모델링을 사용하여 톱니 접촉 변형을 예측합니다. 전체 프로세스 흐름은 그림 1에 나와 있습니다.

제안된 방법론은 백서에서 고충실도 비선형 유한 요소 분석(NLFEA) 기반 접촉 시뮬레이션에 대해 추가로 검증되어 예측된 전달 오류, 접촉 패턴 및 접촉 압력 분포를 평가합니다.그림 2는 이러한 검증 사례 중 하나인 휠에 경량 기어 블랭크 설계가 있는 스파이럴 베벨 기어 세트의 분석에 대한 결과를 보여줍니다.FE-해석적 베벨 기어 접촉 강성 공식을 사용한 Simcenter 3D Motion 기어 접촉 요소는 변조(기어 블랭크에 3개의 구멍이 있기 때문에 3차)를 올바르게 포착할 뿐만 아니라 이 새로운 기어 접촉 요소가 기존 NLFEA 기반 접촉 시뮬레이션보다 여러 차수 더 빠르면서도 (예: 몇 분 대 며칠) 유사한 정확도 수준을 달성하는 것으로 나타났습니다 .마지막으로, 이 방법론이 스파이럴 베벨 기어박스 동역학 및 NVH 성능에 대한 새로운 통찰력을 어떻게 제공하는지 보여주는 두 가지 사용 사례가 제시됩니다.이 모든 것에 대한 자세한 내용은 백서에서 찾을 수 있습니다.

그림 2: 나선형 베벨 기어 쌍의 왼쪽 이빨 측면이 접촉할 때 "경량" 블랭크 설계를 적용한 나선형 베벨 기어 쌍의 전달 오류(TE) 비교. TE 곡선은 Simcenter 3D Motion의 베벨 기어 접촉 요소(MB-GCFE)와 NLFEA 기반 LTCA 참조 접근 방식을 사용하여 다양한 하중에 대해 계산됩니다.

Simcenter 3D의 이러한 새로운 기능은 2024년 6월에 출시되었으며, 자동차 제조업체(및 베벨 기어를 기계 설계의 핵심 구성 요소로 사용하는 기타 제조업체)는 설계 단계에서 베벨 기어의 소음 및 진동 동작을 예측할 수 있게 되었으며, 이는 조용한 변속 장치를 달성하는 데 중요합니다.

[출처] https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/advancing-bevel-gear-contact-simulation-towards-quiet-transmissions/