KR101616644B1 - 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법 - Google Patents

차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 차량 주행 시 구동축에 의해 발생되는 동특성을 사전에 예측하여 소음 진동 발생을 최소화할 수 있는 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 차량용 구동축의 축경 및 제원을 입력하는 단계; 축경 및 제원을 이용하여 구동축의 질량 행렬, 감쇠 행렬 및 강성 행렬을 구하여 단순화 및 이산화하는 단계; 질량 행렬, 감쇠 행렬 및 강성 행렬을 조화가진응답해석 방정식에 대입하여 구동축의 동특성을 해석하는 단계; 및 해석된 동특성이 미리 설정된 목표 성능을 만족하는지 판단하는 단계로 이루어진 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법을 개시한다.

Description

차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법{Drive shaft design method via dynamic prediction of drive shaft for vehicle }
본 발명의 일 실시예는 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법에 관한 것이다.
차량용 구동축(drive shaft 또는 half shaft)은 회전 중심축이 일치하지 않는 종감속 장치와 휠 사이에 위치하여 회전 동력을 전달하는 역할을 하는 부품으로 동력 전달 시 발생되는 소음과 진동은 승차감을 저하시키는 요인이 된다.
구동축에 의한 진동 소음 현상을 차량 운전 상태에 따라 구분하면, 정차 중 공회전 상태에서 발생하는 차체 진동 소음, 급격한 출발 시 차량 횡 방향의 진동인 셔더(shudder), 차량 주행 시 발생하는 엔진과 구동축의 회전에 의한 비트(beat) 현상과 구동축 자체의 굽힘 및 비틀림으로 인한 부밍 소음(booming noise)으로 나눌 수 있다.
부밍 소음을 발생시키는 원인은 주로 엔진의 가진력이며, 구동계나 배기계 또는 차체가 엔진의 가진력에 의해서 공진함으로써 소음이 더욱 크게 발생되기도 한다.
차량 주행 시 구동축 진동에 의해 발생하는 진동 소음을 감소시키기 위해 구동축의 축경을 변경하거나, 특정 주파수를 갖는 질량-스프링계를 부가하여 진동을 줄이는 동흡진기(dynamic vibration absorber, DVA)를 구동축에 장착하거나, 또는 중공축을 적용하는 방법을 적용할 수 있다.
그러나, 축경 변경과 동흡진기는 비용과 중량의 상승을 유발하고, 중공축은 벽 두께를 얇게 할수록 최저 공진 주파수를 증가시킬 수 있으나, 내구성, 강도 및 비틀림 강성 측면에서 취약한 단점이 있다.
종래에는 명확한 구동축의 동특성 예측 방법이 설정되어 있지 않기 때문에, 차량 개발 시 여러 가지 사양의 구동축을 장착하여 실차 평가를 수행한 후에 최종 결정하는 절차를 수행하였다. 이러한 절차는 개발 비용과 시간의 증대를 초래하게 된다.
본 발명의 일 실시예는 차량 주행 시 구동축에 의해 발생되는 동특성을 사전에 예측하여 소음 진동 발생을 최소화할 수 있는 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법은 차량용 구동축의 축경 및 제원을 입력하는 단계; 상기 축경 및 제원을 이용하여 상기 구동축의 질량 행렬, 감쇠 행렬 및 강성 행렬을 구하고 이를 단순화 및 이산화하는 단계; 상기 질량 행렬, 감쇠 행렬 및 강성 행렬을 조화가진응답해석 방정식에 대입하여 상기 구동축의 동특성을 해석하는 단계; 및, 상기 해석된 동특성이 미리 설정된 목표 성능을 만족하는지 판단하는 단계를 포함한다.
상기 단순화 및 이산화 단계는 상기 구동축을 구성하는 아웃터 레이스, 샤프트 및 하우징에 대한 질량 행렬과 강성 행렬을 1차원 빔 요소(beam elements)의 행렬식으로 구하고, 상기 아웃터 레이스와 상기 구동축의 연결부, 상기 구동축과 기어 박스의 연결부에 대한 질량 행렬, 강성 행렬 및 감쇠 행렬과, 상기 구동축에 결합되는 휠, 상기 구동축에 결합되는 기어 박스의 강성 행렬 및 감쇠 행렬을, 상기 1차원 빔 요소의 행렬식에 결합하여 이루어질 수 있다.
상기 구동축의 동특성 해석 단계에 이용된 조화가진응답해석 방정식은 아래의 수학식 1과 같이 이루어질 수 있다.
수학식 1
Figure 112014115860291-pat00001
여기서,
Figure 112014115860291-pat00002
는 엔진에서 발생된 주기적 하중 함수이고,
Figure 112014115860291-pat00003
는 상기 질량 행렬과 상기 구동축의 2차 미분 변위값의 곱,
Figure 112014115860291-pat00004
는 상기 감쇠 행렬과 상기 구동축의 1차 미분 변위값의 곱,
Figure 112014115860291-pat00005
는 상기 강성 행렬과 상기 구동축의 변위값의 곱이다.
상기 구동축에 동흡진기(dynamic vibration absorber, DVA)가 없는 경우
Figure 112014115860291-pat00006
으로 정의되고,
상기 구동축에 동흡진기(dynamic vibration absorber, DVA)가 있는 경우
Figure 112014115860291-pat00007
로 정의되어,
아래의 수학식 2와 수학식 3으로 조화가진응답해석 방정식이 계산될 수 있다.
수학식 2
Figure 112014115860291-pat00008
수학식 3
Figure 112014115860291-pat00009
여기서,
Figure 112015127016579-pat00038
,
Figure 112015127016579-pat00039
, ω는 조화진동주파수, P는 입력된 엔진의 가진력, μ는 출력된 변위, Z는 동적강성행렬, H는 전달함수이다.
상기 판단 단계에서 상기 해석된 동특성이 미리 설정된 목표 성능을 만족하지 않는 경우, 상기 구동축의 축경을 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 변경된 구동축의 축경이 미리 설정된 허용 축경을 벗어날 경우, 동흡진기를 부가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 차량 주행 시 구동축에 의해 발생되는 동특성을 사전에 예측하여 소음 진동 발생을 최소화할 수 있는 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법을 제공한다. 즉, 본 발명은 단품뿐만 아니라 차량 장착 상태에서 구동축의 고유 진동수와 주파수 응답 특성을 예측하도록 하며, 구동축의 축경에 따른 차량 소음 진동 발생 영역을 사전에 파악하도록 하여, 이의 억제를 위한 동흡진기 장착 시 소음 진동 변화를 예측할 수 있도록 한다. 또한, 본 발명은 차량의 소음 진동을 최소화 할 수 있는 구동축의 축경과 동흡진기의 사양을 사전에 결정할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법 중에서 구동축(등속 조인트)의 단순화 및 이산화를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법 중에서 지배 방정식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법 중에서 기본 치수 입력과 결과 출력을 도시한 캡쳐 화면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 "연결된다"라는 의미는 A 부재와 B 부재가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, A 부재와 B 부재의 사이에 C 부재가 개재되어 A 부재와 B 부재가 간접 연결되는 경우도 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법을 도시한 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법은 입력 단계(S1), 단순화 및 이산화 단계(S2), 동특성 해석 단계(S3) 및 목표 성능 만족 여부 판단 단계(S4)를 포함한다.
또한, 본 발명은 축경 변경 단계(S5), 허용 축경 여부 판단 단계(S6) 및 동흡진기 부착 단계(S7)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 본 발명은 중앙처리장치, 그래픽처리장치, 하드디스크 또는 고체상태디스크와 같은 저장부, DDR 또는 DDR-2와 같은 메모리, 마우스 및 키보드와 같은 입력 장치, 모니터와 같은 출력 장치를 포함하는 컴퓨터에서 소프트웨어 또는 프로그램의 형태로 구현될 수 있으나, 이로서 본 발명이 한정되지 않는다.
입력 단계(S1)에서는, 차량용 구동축의 축경 및 다양한 제원이 입력된다.
여기서, 구동축의 제원이란 축경을 포함하는 개념으로서, 구동축의 크기, 길이, 폭, 질량 등을 의미한다. 입력 항목중에서 구동축의 동특성은 축경과 가장 관련이 크므로, 축경은 반드시 입력되어야 한다.
단순화 및 이산화 단계(S2)에서는, 상술한 축경 및 제원을 이용하여 구동축의 질량 행렬, 감쇠 행렬 및 강성 행렬이 구해지고, 이들이 단순화 및 이산화된다.
일례로, 구동축(즉, 등속 조인트)을 구성하는 주요 부품인 아웃터 레이스(outer race), 샤프트(shaft), 하우징(housing) 및/또는 IDS(Intermediate Drive Shaft)의 질량 행렬(Mbeam)과 강성 행렬(Kbeam)은 각 부품의 단면 형상 변화를 고려하여 1차원 빔 요소(beam elements)로 분할하여 구해질 수 있다. 이러한 1차원 빔 요소는 본 명세서를 읽어본 당업자에게 자명한 것이므로, 이의 계산 방법은 설명을 생략한다.
또한, 본 발명에서 아웃터 레이스와 구동축의 연결부에 대한 질량 행렬, 강성 행렬 및 감쇠 행렬이 구해지고, 구동축과 기어 박스의 연결부에 대한 질량 행렬, 강성 행렬 및 감쇠 행렬이이 구해진다. 이러한, 질량 행렬, 강성 행렬 및 감쇠 행렬 역시 본 명세서를 읽어본 당업자에게 자명한 것이므로, 이의 계산 방법은 설명을 생략한다.
더불어, 본 발명에서 구동축에 결합되는 휠과 기어 박스에 대한 강성 행렬 및 감쇠 행렬이 구해진다. 마찬가지로, 이러한 강성 행렬 및 감쇠 행렬 역시 본 명세서를 읽어본 당업자에게 자명한 것이므로, 이의 계산 방법은 설명을 생략한다.
이와 같이 연결부에 대한 질량 행렬, 강성 행렬 및 감쇠 행렬과, 휠과 기어 박스에 대한 강성 행결 및 감쇠 행렬은 상술한 1차원 빔 요소의 행렬식에 결합됨으로써 조화가진응답해석 방정식이 세워질 수 있다. 이러한 결합 역시 본 명세서를 읽어본 당업자에게 자명한 것이므로, 이의 계산 방법은 설명을 생략한다.
동특성 해석 단계(S3)에서는, 상술한 바와 같이 구해진 질량 행렬, 감쇠 행렬 및 강성 행렬이 조화가진응답해석 방정식에 대입되어 구동축의 동특성이 해석된다.
일례로, 구동축의 동특성 해석 단계에 이용된 조화가진응답해석 방정식은 아래의 수학식 1과 같이 이루어질 수 있다.
수학식 1
Figure 112014115860291-pat00012
여기서,
Figure 112014115860291-pat00013
는 엔진에서 발생된 주기적 하중 함수,
Figure 112014115860291-pat00014
는 상기 질량 행렬과 구동축의 2차 미분 변위값의 곱,
Figure 112014115860291-pat00015
는 상기 감쇠 행렬과 구동축의 1차 미분 변위값의 곱,
Figure 112014115860291-pat00016
는 상기 강성 행렬과 구동축의 변위값의 곱이다.
또한, 여기서 구동축에 동흡진기(dynamic vibration absorber, DVA)가 없는 경우,
Figure 112014115860291-pat00017
으로 정의되고,
구동축에 동흡진기(dynamic vibration absorber, DVA)가 있는 경우,
Figure 112014115860291-pat00018
로 정의되며,
아래의 수학식 2와 수학식 3으로 조화가진응답해석 방정식이 계산된다.
수학식 2
Figure 112014115860291-pat00019
수학식 3
Figure 112014115860291-pat00020
여기서,
Figure 112015127016579-pat00040
,
Figure 112015127016579-pat00041
로 볼 수 있으며, ω는 조화진동주파수, P는 엔진의 가진력(입력), μ는 변위(출력), Z는 동적강성행렬(dynamic stiffness matrix), H는 전달함수(transfer function)이다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 조화가진응답해석 방정식을 통하여, 입력된 구동축의 축경과 엔진의 가진력에 따른 출력된 변위(동특성)를 알수 있게 된다.
목표 성능 만족 판단 단계(S4)에서는, 상술한 바와 같이 해석된 동특성이 미리 설정된 목표 성능을 만족하는지 판단된다. 만약, 해석된 동특성이 미리 설정된 목표 성능을 만족하면 본 발명을 종료하고, 해석된 동특성이 미리 설정된 목표 성능을 만족하지 못하면 축경 변경 단계(S5)가 수행된다.
축경 변경 단계(S5)에서는, 해석된 동특성에 관련된 축경을 변경하여 다른 축경이 선택된다.
허용 축경 여부 판단 단계(S6)에서는, 변경된 구동축의 축경이 미리 설정된 허용 축경 범위 이내인지 판단된다. 만약, 변경된 구동축의 축경이 미리 설정된 허용 축경 범위 이내이면, 입력 단계(S1)부터 다시 시작된다. 만약, 변경된 구동축의 축경이 미리 설정된 허용 축경 범위를 벗어나면 동흡진기 부착 단계(S7)가 수행된 후, 입력 단계(S1)부터 다시 시작된다.
이와 같이 하여, 본 발명은 차량 주행 시 구동축에 의해 발생되는 동특성을 사전에 예측하여 소음 진동 발생을 최소화할 수 있는 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법을 제공한다. 즉, 본 발명은 단품뿐만 아니라 차량 장착 상태에서 구동축의 고유 진동수와 주파수 응답 특성을 예측하도록 하며, 구동축의 축경에 따른 차량 소음 진동 발생 영역을 사전에 파악하도록 하여, 이의 억제를 위한 동흡진기 장착 시 소음 진동 변화를 예측할 수 있도록 한다. 또한, 본 발명은 차량의 소음 진동을 최소화 할 수 있는 구동축의 축경과 동흡진기의 사양을 사전에 결정할 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법 중에서 구동축(등속 조인트)의 단순화 및 이산화를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 구동축(즉, 등속 조인트)(10)은 주로 아웃터 레이스(11), 샤프트(12), 하우징(13)을 포함하며, 단순화 및 이산화를 위한 이들의 질량 행렬(Mbeam)과 강성 행렬(Kbeam)은 각 부품의 단면 형상 변화를 고려하여 1차원 빔 요소(beam elements)로 분할하여 구할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법 중에서 지배 방정식을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 구동축의 질량 행렬(Mbeam)과 강성 행렬(Kbeam) 외에, 아웃터 레이스와 구동축의 연결부에 대한 질량 행렬(Mjoint), 강성 행렬(Kjoint) 및 감쇠 행렬(Cjoint)이 구해지고, 또한 구동축과 기어 박스의 연결부에 대한 질량 행렬(Mjoint), 강성 행렬(Kjoint) 및 감쇠 행렬(Cjoint)이 구해진다.
더불어, 본 발명에서 구동축에 결합되는 휠과 기어 박스에 대한 강성 행렬(Kgear, Kwheel) 및 감쇠 행렬(Cgear, Cwheel)이 각각 구해진다.
이와 같이 연결부에 대한 질량 행렬, 강성 행렬 및 감쇠 행렬과, 휠과 기어 박스에 대한 강성 행결 및 감쇠 행렬은 상술한 1차원 빔 요소의 행렬식에 결합됨으로써 조화가진응답해석 방정식이 세워질 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법 중에서 기본 치수 입력과 결과 출력을 도시한 캡쳐 화면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 입력 단계에서는 구동축의 축경을 포함하여 각종 구성 부품의 기본 치수(크기, 길이, 질량 등)가 입력된다.
또한, 출력 단계에서는 동흡진기가 없는 상태로 또는 동흡진기가 있는 상태로 결과를 파악할 수 있다. 더불어, 결과는 주파수별 데시벨의 형태로 파악할 수 있으며, 특히 동흡진기가 없는 경우와 동흡진기가 있는 경우를 바로 비교해 볼 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10; 구동축 11; 아웃터 레이스
12; 샤프트 13; 하우징

Claims (6)

  1. 컴퓨터에 설치된 소프트웨어에 의해 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법에 있어서,
    차량용 구동축의 축경 및 제원을 입력하는 단계;
    상기 축경 및 제원을 이용하여 상기 구동축의 질량 행렬, 감쇠 행렬 및 강성 행렬을 구하고 이를 단순화 및 이산화하는 단계;
    상기 질량 행렬, 감쇠 행렬 및 강성 행렬을 조화가진응답해석 방정식에 대입하여 상기 구동축의 동특성을 해석하는 단계; 및,
    상기 해석된 동특성이 미리 설정된 목표 성능을 만족하는지 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 판단 단계에서 상기 해석된 동특성이 미리 설정된 목표 성능을 만족하지 않는 경우, 상기 구동축의 축경을 변경하는 단계와,
    상기 변경된 구동축의 축경이 미리 설정된 허용 축경을 벗어날 경우, 동흡진기를 부가하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단순화 및 이산화 단계는
    상기 구동축을 구성하는 아웃터 레이스, 샤프트 및 하우징에 대한 질량 행렬과 강성 행렬을 1차원 빔 요소(beam elements)의 행렬식으로 구하고,
    상기 아웃터 레이스와 상기 구동축의 연결부, 상기 구동축과 기어 박스의 연결부에 대한 질량 행렬, 강성 행렬 및 감쇠 행렬과,
    상기 구동축에 결합되는 휠, 상기 구동축에 결합되는 기어 박스의 강성 행렬 및 감쇠 행렬을,
    상기 1차원 빔 요소의 행렬식에 결합하여 이루어짐을 특징으로 하는 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 구동축의 동특성 해석 단계에 이용된 조화가진응답해석 방정식은 아래의 수학식 1과 같이 이루어짐을 특징으로 하는 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법.
    수학식 1
    Figure 112014115860291-pat00023

    여기서,
    Figure 112014115860291-pat00024
    는 엔진에서 발생된 주기적 하중 함수이고,
    Figure 112014115860291-pat00025
    는 상기 질량 행렬과 상기 구동축의 2차 미분 변위값의 곱,
    Figure 112014115860291-pat00026
    는 상기 감쇠 행렬과 상기 구동축의 1차 미분 변위값의 곱,
    Figure 112014115860291-pat00027
    는 상기 강성 행렬과 상기 구동축의 변위값의 곱이다.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 구동축에 동흡진기(dynamic vibration absorber, DVA)가 없는 경우
    Figure 112015127016579-pat00028
    으로 정의되고,
    상기 구동축에 동흡진기(dynamic vibration absorber, DVA)가 있는 경우
    Figure 112015127016579-pat00029
    로 정의되어,
    아래의 수학식 2와 수학식 3으로 조화가진응답해석 방정식이 계산됨을 특징으로 하는 차량용 구동축의 동특성 예측을 통한 구동축 설계 방법.
    수학식 2
    Figure 112015127016579-pat00030

    수학식 3
    Figure 112015127016579-pat00031

    여기서,
    Figure 112015127016579-pat00042
    ,
    Figure 112015127016579-pat00043
    , ω는 조화진동주파수, P는 입력된 엔진의 가진력, μ는 출력된 변위, Z는 동적강성행렬, H는 전달함수이다.
  5. 삭제
  6. 삭제
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