KR102193254B1 - 구동계 모델러 - Google Patents

Abstract

구동계를 설계하기 위한 컴퓨터 이용 공학(computer aided engineering)의 방법은 구동계의 단일 파라미터 설명을 생성하는 단계; 하나 이상의 실패 모드를 이용하여 성능에 대한 파라미터 설명을 분석하는 단계; 및 파라미터 설명을 수정하고 분석 단계를 반복함으로써 성능을 최적화하는 단계를 포함한다.

Description

구동계 모델러{DRIVELINE MODELLER}

본 발명은 컴퓨터 이용 공학(computer-aided engineering)(CAE)을 이용한 구동계의 설계에 관한 것으로서, 상기 구동계는 내연 기관, 기어박스, 발전기, 모터, 플라이휠, 배터리, 연료 탱크, 슈퍼커패시터, 클러치, 펌프, 샤프트, 팬용 블레이드, 헬리콥터, 비행기 및 풍력 발전용 터빈, 차량 등을 포함하는 서브어셈블리(sub-assembly)로 구성된 시스템을 포함하고, 상기 서브어셈브리는 샤프트, 하우징, 피스톤, 블레이드, 기어, 베어링, 클러치, 회전자, 고정자 등으로 이루어진다. 본 발명은 또한 구동계를 구성하는 어셈블리들의 설계에 관한 것이다. 용어 "구동계"는 용어 "구동트레인(drivetrain)"과 "파워트레인(powertrain)"을 포함한다.

구동계를 설계하는 것은 복잡하고 시간이 소요된다. 엔지니어는 구동계가 제조되기 전에 그것이 목적에 적합하다는 것을 알아야 하고, 이 다양한 분석 방법이 제품 성능을 최대화하기 위해 제품 정의를 변경하는 최적화에 의해 이어지는 성능(performance) 또는 실패(failure) 가능성을 판단 결정하는데 사용된다는 것을 결정해야 한다. 수학적 시뮬레이션 또는 벤치마킹(유사 제품들과의 비교)과 같은 다른 방법에 의한 분석이 일반적으로 컴퓨터 프로그램에서 수행되고, 컴퓨터 이용 공학(CAE)의 영역은 이러한 의도에 기초하여 성장해 왔다.

소정의 실패 모드 또는 성능의 태양에 대한 분석을 설정하는 프로세스는 시스템, 서브어셈블리들 및 구성요소들의 모델을 생성하는 것을 요구한다. 따라서 프로세스는 (i) 모형화, (ⅱ)분석, 및 (iii) 최적화 중 하나가 된다. 실패 모드(failure mode)는 성능면에서 실패로 여겨지는 것을 포함한다.

제품 성능의 여러 가지 태양들이 설계 프로세스에서 고려되어야 하는데, 이 태양들은 다음을 포함한다(그러나 이에 한정되지 않는다): 차량/제품 성능, 에너지/연료 효율/절약, 배기 가스 배출, 공간 제약 내 포장, 비용, 중량, 구조적 결함 및 스트레스, 내구성 및 피로, 제조능력, 열적 성능, 가청 소음의 발생, 동적 입력 하중에 의한 기계적 파손, 사용자 및/또는 환경에 불리한 동적 하중의 발생, 속도 및 비율의 변화 및 제어 시스템과의 양호한 상호작용.

이러한 여러 가지 실패 모드들 및 성능의 태양들을 평가하기 위해, 여러 가지 수학적 분석 방법들이 사용되며, 이것들은 여러 가지 데이터로 이루어진 시스템의 여러 가지 모델들을 필요로 한다. 그 결과, 각 실패 모드를 위한 CAE 모델들이 그 실패 모드를 위해 특별히 구축되는 것이 일반적이다. 이것은 도 1에 예시된다. 실제로, 종종 CAE 패키지가 소정의 실패 모드를 평가하기 위한 목적으로 특별히 개발된다.

각 구성요소 또는 서브시스템의 성능을 예측하는 것은 종종 여러 가지 연산 알고리즘을 필요로 한다. 또한, 구성요소 또는 서브시스템은 종종 다른 부서 또는 기업에 의해 설계 및 제조된다. 따라서, 종종 그 구성요소 또는 서브시스템의 시뮬레이션은 구성요소 또는 서브시스템 단독에 초점을 맞추고, 다른 구성요소 또는 서브시스템과 발생하는 상호작용을 무시하거나 단순화한다. 그 결과는 제품 성능의 부정확한 예측일 수 있다.

시스템의 설계는 창작의 즉각적인 순간을 겪는 것과 반대로, 프로세스의 결과로서 진전된다. 설계를 정의하는 일부 파라미터들은 프로세스의 초반에 정의된다; 다른 것들은 종료시까지 정의되지 않는다.

그 결과, 제품 성능의 여러 가지 분석들이 설계 프로세스의 여러 가지 단계들에서 수행된다. 모든 방법들이 초기에 가능한 것은 아니다. 일반적으로, 제품 정의가 적을 때는 오직 비교적 간단한 분석만이 가능하고, 더 복잡한 분석이 가능한 것은 오직 설계 프로세스의 종료 무렵이다.

또한, 동일한 실패 모드에 대해, 간단한 분석이 설계 프로세스에서 초기에 수행될 수 있고, 그 다음 더 복잡한 분석이 동일한 실패 모드에 대해 나중에 수행될 수 있는데, 왜냐하면 제품 정의가 더 성숙하고 더 큰 충실도(fidelity)를 포함하기 때문이다.

그러므로 여러 가지 모델들이 여러 가지 목적들을 가지며, 설계 프로세스의 여러 가지 단계들에서 사용되는 것을 알 수 있다. 단일 모델 정의는 구동계의 전체 설계 및 최적화에 사용될 수 없고, 각각이 서로 다른 특징과 서로 다른 강점 및 약점을 갖는 여러 가지 모델들이 설계 프로세스의 서로 다른 단계들에서 그리고 서로 다른 엔지니어링 전문가들에 의해 사용된다.

이것은 설계자팀이 구동계의 성능을 분석하기 위한 다수의 별도의 애플리케이션을 사용할 것이라는 것을 의미한다. 복잡도의 여러 가지 수준에서 모델을 분석하기 위해, 그들은 동일한 성능 측정을 위해 별개의 애플리케이션들을 사용해야 할 것이다. 또한, 하나의 성능 측정을 위한 수학적 분석에 적합한 모델은 다른 것에는 적합하지 않을 것이다. 설계팀의 각 구성원은 (ⅰ)어떤 애플리케이션을 선택하고, (ⅱ)어떤 모델 및 정확성의 수준을 사용하며, (ⅲ)어떤 분석이 원하는 결과를 얻는데 필요한지를 알기 위해 자신의 지식과 경험을 발휘해야 할 것이다.

또한, 회전 기계 어셈블리를 설명하는 정보(입력 데이터)가 단지 간단한 분석만을 받을 만할 경우 사용자는 상세 분석을 사용한 위험이 있지만; 이것은 분석에서 오류로 이어질 수 있다, 사용자는 알 수 없을 수 있다.

또한, 모델은 수동으로 그리고 여러 가지 애플리케이션들에서 생성되기 때문에, 회전 기계 어셈블리를 설명하는 정보에서의 변경(제품 정의)은 여러 가지 애플리케이션들에서 다른 분석 실행에 캐스캐이딩(cascading)되지 않고, 그리고 종종 캐스캐이딩될 수 없다.

이것은 설계 및 분석 사이에서의, 제품의 생성 동안 일어나는 엔지니어링 활동에서 특정 분할을 고려할 때 특히 심각하다. 적어도 기계 엔지니어를 위한 설계는 종종 제품의 기하학적 형상의 정의와 관련되는 것으로 고려되고, 반면 분석은 그것이 성능의 태양 또는 실패 모드에 대해 어떻게 기능하는지 면에서 제품을 연구한다. 사실, 설계에서 고려되는 기하학적 형상은 단지 성능의 또 다른 태양일 뿐이다 - 이것은 제품이 가용 포장 공간에 얼마나 맞는지의 문제를 처리한다. 그러나 성능의 이러한 태양은 일반적으로 완전히 다른 컴퓨터 프로그램, CAD(컴퓨터 이용 설계(Computer Aided Design))에 의해 처리되는데, 이것은 제품 성능의 다른 태양을 예측하기 위한 계산 능력을 거의 또는 전혀 갖지 않고 수행하는 분석 패키지로의 불량 또는 비존재 링크를 갖는다. CAD 패키지는 일반적으로 설계 엔지니어 및 분석 엔지니어에 의한 분석 패키지에 의해 작동된다. 그 결과는 설계 프로세스에서의 단절, 불량한 생산성, 최적미달의(sub-optimal) 제품 및 낭비되는 경제 활동이다.

복잡한 분석에는 또 다른 문제가 있다. 임의의 분석의 목적은 제품의 설계를 안내하고, 그래서 분석값은 분석 결과가 엔지니어링 팀에 의해 정확하게 해석/이해될 때 나오고, 대응하는 설계 결정이 이루어진다. 이해되는 결과를 위해서는, 그것이 엔지니어에게 "타당(make sense)"해야 하고, 엔지니어가 수행하는 시스템을 이해하는 방식에 대응해야 한다. 그러나 분석이 매우 복잡해지면, 결과는 이해되기에 너무 복잡할 수 있거나 또는 그것이 그 성능에 대한 엔지니어의 기본적인 이해와 일치하지 않을 수 있다. 따라서, 분석 결과가 가능한 가장 정확한 분석일 수 있다 하더라도, 그것은 시스템에 관한 엔지니어링 결정에서 폐기될 것이다.

시스템 성능에 대한 엔지니어의 기본적인 이해가 설계 프로세스의 초반에 수행되었을 수 있는 간단한 분석에 매우 밀접하게 관련된다는 것은 아이러니이다. 따라서, 긴장(tension)이 존재한다 - 이것은 정확성 및 제품 성능을 증가시키는 것으로 가정되기 때문에 복잡성을 증가시키려는 욕구가 있지만, 이것은 너무 지나치게 되고, 복잡한 분석이 사용되는 것은 중단된다.

이러한 분석의 목적은 실패 모드를 피하는 것이다. 설계가 설계 프로세스를 통해 성숙됨에 따라, 데이터 정의의 증가는 설계로의 금전적 투자의 증가를 나타내고, 그래서 실패 모드의 어떤 식별도 가장 빠른 가능한 기회에 달성되어야 하고, 그럼으로써 반복적인 재작업의 재정 비용을 최소화해야 한다.

이것은 프로세스에서 최종적인 긴장을 가리킨다. 프로세스는 생산성을 제공하기 위해 모델링 및 분석의 속도를 제공할 필요가 있지만, 정확도를 제공하기 위해 모든 시스템 영향을 포함할 필요가 있다. 모든 시스템 영향을 갖는 더 큰 시스템을 분석하는 것은 더 복잡한 분석으로 이어지는 경향이 있지만, 논의된 바와 같이 이것은 모델링 및 분석의 속도와 함께 그리고 데이터 해석에서 문제로 이어지게 된다.

많은 것을 위한 이에 대한 해결책으로, 모델링 및 분석 기능이 소정의 유형의 제품 또는 애플리케이션에 위해 사전정의되는 특정 용도 소프트웨어 패키지(application specific software packages)의 개발이 있어 왔다. 이것은 모델링 및 분석의 원하는 정확도가 모든 제품이 최초 원리로부터 설명될 필요없이 달성되는 것을 가능하게 하며, 그럼으로써 생산성을 유지할 수 있다.

제품 설계를 위해 설명되었던 현 프로세스는 다양한 실패 모드를 분석하기 위해 구동계의 모델들을 생성하는 것 중 하나이다. 설계 파라미터가 정의되는 주문의 고유 체계 및 각 분석에 대한 여러 가지 요구로 인해, 여러 가지 분석들이 설계 프로세스의 여러 가지 단계에서 수행된다. 따라서, 설계 프로세스는 여러 가지 분석 목적을 위해 여러 가지 단계에서 생성되는 동일한 구동계의 여러 가지 표현들로 구성된다.

구동계의 중요한 성능 기준 중 하나는 차량 성능으로 지칭될 수 있으며, 이것은 "블록 다이어그램"으로 지칭될 수 있는 간단한 모델을 이용하여, 설계 프로세스에서 매우 일찍 평가될 수 있다.

이것은 주요 서브어셈블리들로 구성된다: 엔진, 기어박스, 모터, 배터리, 연료 탱크 및 차량. 라인은 서브어셈블리를 연결하고, 동력이 하나의 서브어셈블리로부터 다른 것으로 전달되는 기능적 연결을 나타낸다. 이 동력은 회전 기계적 동력(엔진, 모터, 기어박스 및 차량 사이), 전기적 동력(배터리와 모터 사이) 또는 화학적 동력(연료 탱크와 엔진 사이)의 형태일 수 있다. 예가 도 2에 제시되어 있다.

시스템의 물리적인 실시형태는 회전 기계적 동력이 회전 샤프트, 전선에 의한 전기적 동력 및 연료 라인에 의한 화학적 동력에 의해 전송된다는 것을 의미한다. 그러나 이 상세함이 간단히 구동계 내의 동력 및 에너지의 흐름을 보고 이해하기를 원하는 엔지니어에게 요구되는 것은 아니다. 기하학적 상세함은 시스템의 물리적 부분 또는 서로에 대한 그것들의 근접도를 설명하기 위해 존재하는 것은 아니라는 것에 유의한다.

추가 속성이 서브어셈블리에 할당될 수 있다. 예를 들어, 엔진 및 모터용 속도에 대한 토크 및 동력의 그래프, 기어박스 및 질량을 위한 기어비 세트, 항력 계수, 구름 저항, 차량용 정면 면적 및 타이어 롤링 반경. 이러한 데이터로부터, 시뮬레이션 또는 분석이 차량 성능(속도 대 시간, 최고 속도 등)을 유도하기 위해 수행될 수 있다.

더 많은 기능적 속성이 서브어셈블리에 할당될 수 있다. 모터, 기어박스 및 엔진의 효율은 상수 또는 속도 및 토크에 대한 효율의 그래프로 정의될 수 있고(더 복잡한 관계 또한 다른 파라미터에 따라 정의될 수 있다), 차량은 일정 구동 주기(속도 대 시간 프로파일) 주위에서 사실상 "구동"될 수 있다.

소정의 구동 주기, 구동 스타일 등에 대한 차량의 연비 및 배기 가스 배출, 을 위한 값을 유도할 수 있다. 이것은 저탄소 차량에 대한 증가된 요구를 고려할 때, 특히 일반적이고, 이것은 평가될 필요가 있는 또 다른 실패 모드이다. 이 작업은 전 세계에 걸쳐 많은 다른 기업에서 수행되며, 이것은 많은 다른 CAE 패키지에서 구체화된다. 이러한 CAE 패키지들은 일반적으로 범용 CAE 패키지(예를 들어 Simulink, Dymola, Modellica)와 AVL Cruise 및 GT-Suite와 같은 특정 용도 차량 시뮬레이션 패키지의 두 개의 하위 범주로 나뉠 수 있는 멀티 도메인 동적 시뮬레이션(Multi-domain dynamic simulation)이다. GB2470385A에서는, 시뮬레이션 모델이 또한 "가상 구성요소"라 지칭되는 구성요소에 좌우되고, 각각은 시스템 내의 회전 기계의 구성요소를 나타내고 알고리즘을 포함하는 모델이다. 각 모델은 입력 데이터의 스트림에서 판독되고, 그 모델 알고리즘을 사용하여 출력 데이터의 스트림으로 그것을 변환한다. 모델의 속성들은 값의 하한 및 상한, 선형 또는 비선형 관계, 미분 방정식의 초기치 및 모델의 알고리즘에 의한 분석의 복잡성의 정도가 있는 것으로 예시된다.

언급한 바와 같이, 제품 성능의 중요한 태양은 포장 즉, 제품이 물리적으로 가용 공간 내에 맞아야 한다. 이를 위해, 시스템, 서브어셈블리 및 구성요소들은 그것들의 3D 형상(3D geometry)이 정의될 필요가 있고, 이것은 일반적으로 Wildfire, Solid Works, Catia, Unigraphics등과 같은 3D CAD 패키지에서 수행된다.

그러한 3D CAD 정의를 위해서 사용되는 재료의 밀도가 추가될 수 있고, 이것은 시스템, 서브어셈블리 및 구성요소의 중량이 계산될 수 있게 한다. 이것은 제품의 성능의 또 다른 태양, 중량이 계산될 수 있게 한다.

3D 형상, 포장 및 중량을 고려하는 것들로부터 별도의 제품에 있는 엔지니어링 성능(차량 성능, 효율, 연비)을 평가하기 위한 함수들을 포함하는 것이 현 소프트웨어 제품의 중요한 태양이다. 기어박스의 특정 예를 살펴보면, 차량 성능, 효율 및 연비를 평가하는 소프트웨어 제품은 기어박스가 그 비율 및 아마도 관성 및 어쩌면 기어박스 및 그 샤프트의 비틀림 강성에 관해서만 표현되는 것을 요구한다. 사실상, 기어박스에는 3D 공간을 차지하지 않고, 단지 동력을 전달하는 축 또는 축들에 대한 회전과 관련된 속성을 가진다.

엔지니어링 성능의 다른 태양은 또 다른 소프트웨어 패키지에서 고려된다. 엔지니어링 성능의 이러한 태양은 구조적 편향 및 스트레스, 내구성 및 피로, 제조능력, 열적 성능, 가청 소음의 발생, 동적 입력 하중으로 인한 기계적 파손, 사용자 및/또는 환경에 불리한 동적 하중의 발생, 속도 및 비율 변화, 및 제어 시스템과의 양호한 상호작용을 포함한다. 이것들은 다음 단락에서 논의된다.

기계적 동력 전달은 과부하, 피로 파괴 또는 마모로 인한 치명적인 손상을 야기할 수 있는 구성요소의 스트레스를 유도하는 것을 포함한다. 또한, 시스템 내의 작동 하중을 계산하고, 구성요소의 편향 및 스트레스 그리고 이에 따른 구성요소 및 따라서 전체 시스템의 내구성을 계산하는 것이 일반적이다. 그러한 시뮬레이션은 일반적으로 Nastran, Ansys 또는 Abaqus과 같은 범용 유한 요소(Finite Element) 패키지 또는 RomaxDesigner, KissSoft(기어박스용) 및 AVL Excite(엔진용)과 같은 특정 용도 패키지(application specific packages)에서 구현된다.

다른 특정 용도 패키지는 Opera, SPEED 및 JMAG 과 같은 패키지의 대상이 되는, 모터 및 발전기와 같은 다른 서브시스템용으로 개발된다.

기어 박스 내에서, 기어는 내구성 있고 조용하고 효율적이며, 동시에 가용 공간 내에 맞고, 또한 제조가능할 것이 요구되는 중요 구성요소이다. 기어에 대한 스트레스(내구성에 대한), 효율 및 발생 진동을 계산하는 것이 일반적이지만, 때때로 이것은 기어의 제조능력에 관계없이 행해진다. 중요한 태양은 기어용 절삭툴의 형상과 특히 호브, 셰이퍼 또는 밀링 커터의 돌기가 기어의 형상 및 이에 따른 내구성, 소음 및 효율에 대한 결과에 어떠한 영향을 미치는가이다. 제조능력의 이러한 태양을 고려하지 않으면 부정확한 결과가 발생할 수 있다.

동적 분석과 관련하여, 수학적 표현의 복잡도는 검토되는 실패 모드에 따라 크게 달라진다. 예들이 아래에서 제시된다:

"구동 주기 시뮬레이션"은 예를 들어 속도 변화로 이루어진 일정 경로를 따라 구동되는 도로 주행 차량이 시뮬레이션 되는 동적 분석이다. 이것은 "블록 다이어그램 모델링"과 관련하여 전술된 바 있다. 이 시뮬레이션에 대해, 실패 모드/성능 기준은 연비 및 CO2 배출이다.

"음향 시뮬레이션"에서는 구동계의 구조물이 엔진 점화(내연 기관으로부터), 토크 리플(모터로부터) 또는 변속 오류(기어 맞물림(gear mesh)으로부터)와 같은 일부 주기적으로 반복하는 강제(forcing)에 의해 여기된다(excite). 구동계 구조물(샤프트 및 기어와 같은 회전 구성요소 및 하우징, 케이싱 등과 같은 구조용 구성요소를 포함하는)은 이러한 여기(excitation)에 반응하여 진동한다. 이 강제된 반응이 계산되고, 관심의 결과는 구동계 탑재 위치에서의 진동(예를 들어 이것은 차량의 구조물로 전달되게 된다) 또는 외부 하우징의 표면에서의 진동(이것은 방사된 음향 신호로 전환될 수 있다)이다. 그러한 시뮬레이션은 일반적으로 Nastran, Ansys 및 Abaqus 와 같은 범용 FE 패키지 또는 ADAMS 또는 Simpack과 같은 범용 멀티 바디 패키지에서 구현된다. 이러한 시뮬레이션에 대해, 실패 모드/성능 기준은 소음, 진동 및 하시니스(harshness)이다.

회전 구성요소들로 이루어진 동력 전달 구동계가 구동 토크 또는 속도에서 급격한 변경을 받게 되는 현상을 살피는 다양한 "구동계 천이 시뮬레이션(Driveline transient simulations)"이 수행된다.

한 예에서, 구동계의 반응은 백래시(backlash) 영역에 걸쳐 이동하고 충격 하중을 겪는 기어 및 스플라인과 같은 백래시를 갖는 구성요소에 이르는 토크 싸인의 반전을 포함할 수 있다. 그러한 시뮬레이션은 일반적으로 ADAMS 또는 Simpack와 같은 범용 멀티 바디 패키지에서 구현된다. 이 시뮬레이션에 대해, 실패 모드/성능 기준은 시스템 내의 높은 충격 하중 또는 운전자가 듣거나 느낄 수 있는 충격이다.

또 다른 예에서, 토크의 변화는 범프 위를 주행하는 차량 또는 그리드 결함(grid fault) 또는 전기적 단락을 겪는 전기 모터로부터 온다. 구동계의 반응은 중요 구성요소 상의 높은 하중(내구성 문제로 이어지는) 또는 차량의 가속/감속(탑승자에게 불쾌한)을 포함할 수 있다. 그러한 시뮬레이션은 일반적으로 ADAMS 또는 Simpack와 같은 범용 멀티 바디 패키지에서 구현된다. 이 시뮬레이션에 대해, 실패 모드/성능 기준은 시스템 내의 높은 충격 하중 또는 운전자가 느끼는 가속 변화이다.

구동계를 위한 여러 가지 동적 시뮬레이션의 3가지 예가 설명되었다. 기어 덜걱거림(rattle), 팁-인/팁-아웃(tip-in/tip-out), 불균형, 기어 변속 품질 및 풍력 터빈에서 2단 변속 발전기의 결합을 포함하는 다른 예들이 설명될 수 있다.

이러한 동적 현상 중 일부는 서브시스템과 관련되고, 일부는 전체 구동계 시스템과 관련된다. 이와 같이, 그것들은 구성요소 공급자(예를 들어 베어링 및 싱크로나이저 공급자), 서브시스템 공급자(예를 들어 기어박스, 엔진, 모터, 구동샤프트 공급자) 및 차량 제조자에게 관심이 되고 영향을 받는다.

많은 경우에, 서브시스템의 거동은 구성요소의 세부 특성에 의해 영향을 받고, 구동계의 거동은 서브시스템이 세부 특성에 의해 영향을 받는다. 따라서 세부 설계 정보는 구성요소 공급자로부터 서브시스템 공급자에게 그리고 서브시스템 공급자로부터 차량 제조자에게 전달될 필요가 있다. 그러나 종종 구성요소 및 서브시스템 공급자가 비밀유지를 이유로 그들 제품의 세부 설계 정보를 공개하기를 꺼리기 때문에, 이러한 프로세스는 방해된다.

서브시스템의 동적 모델이 서브-모델로 패키징될 수 있다. 이것들은 때때로 "S-functions"(Simulink와 같은 멀티 도메인 시뮬레이션 패키지의 경우) 또는 super-elements(유한 요소 및 멀티 바디 동적 패키지의 경우)로 지칭된다.

어떤 경우에는 그러한 모델의 상세함이 숨겨져 있기 때문에, 그것들이 소정의 동적 현상 또는 실패 모드의 시뮬레이션을 위한 상세함의 정확한 수준을 갖는 것이 필수적이다. 모델의 수령인은 획득될 시뮬레이션 결과의 정확도가 정확한 모델 포뮬레이션에 좌우되지만, 종종 동적 모델은 최적미달의 방식으로 설정된다.

제품 및 서브시스템의 설계가 진행됨에 따라, 추가 분석이 수행된다. 전기 모터 또는 발전기는 모터/발전기 전문가 또는 기업에 의해 설계되는 것이 일반적이고, 기어박스도 마찬가지이다. 유혹은 2개의 서브시스템이 문제없이 함께 조립되고, 나머지 서브시스템은 회전 동력의 양호한 수신기 또는 송신기라고 가정하는 것이다. 따라서 서브시스템은 원활하고 변화없는 토크 전달이 완벽하게 정렬된 샤프트를 통해 전달된다는 가정과 함께 별도의 수학적 모델에서 설계 및 분석된다.

실제로, 동력이 기어박스를 통해 전송되면, 기어에서의 분리력(separating force)은 샤프트가 굽혀지고, 베어링이 편향되며, 하우징이 편향되게 한다. 동력이 모터에서 발생되면, 회전자는 불균형 자기력(unbalanced magnetic pull)을 받고, 임의의 샤프트 편향 또는 이탈(run out)은 회전자가 중심으로부터 당겨지게 될 것이다. 이러한 힘(모멘트 포함) 및 편향(오정렬 포함)은 베어링 상의 하중 및 이에 따른 베어링 수명과 기어 스트레스, 수명, 소음 및 효율을 계산하는데 중요하다. 또한, 모터 효율에 영향을 주는 모터의 에어 갭도 또한 영향을 받는다.

기어박스 내의 하중 및 편향의 영향 및 기어박스 시뮬레이션 내의 기어박스 성능 상의 그것들의 영향을 계산할 수 있다. 마찬가지로, 모터 시뮬레이션을 사용하여 모터에서의 불균형 자기력을 계산할 수 있다. 그러나 두 서브시스템 간의 상호작용은 고려되지 않는다.

소형 전기-기계식 구동계의 설계가 모터 및 기어박스가 더욱더 통합되어 질 것을 요구함에 따라 이것은 점점 더 중요해지고, 그래서 그러한 상호작용이 더욱 중요해지고 있다.

임의 제품의 동적 거동을 이해하는 것은 종종 고유 주파수 및 모드 형상이 유도될 수 있는 수학적 모델을 생성하는 것을 포함한다. 이것은 제품이 선형 또는 주로 선형 방식으로 거동할 때 가장 효과적인 시작점이다.

유한 요소 해석(예를 들어 Ansys, Nastran) 또는 멀티 바디 동역학(예를 들어 ADAMS)과 같은 범용 툴 또는 RomaxDesigner 또는 MASTA와 같은 전문가용 툴을 사용하여 기어박스의 고유 주파수 및 모드 형상을 계산할 수 있다. 마찬가지로, 동일한 툴을 사용하여 모터의 구조용(기계적) 부품들의 고유 주파수 및 모드 형상을 계산할 수 있다. 그러나 전체 어셈블리의 고유 주파수 및 모드 형상은 두 서브시스템 간의 상호작용이 고려되는 것을 요구한다.

다시, 소형 전기-기계식 구동계의 설계가 모터 및 기어박스가 더욱더 통합되어 질 것을 요구함에 따라 이것은 점점 더 중요해지고, 그래서 그러한 상호작용이 더욱 중요해지고 있다.

또한, 시스템의 고유 주파수 및 모드 형상의 정의는 시스템의 모든 관련 질량 및 강성이 정확하게 포함되는 것을 요구한다. 종종, 기계 시스템의 강성은 기계 구성요소의 접촉 및 인장 강성과 전적으로 관련된다. 그러나 모터의 경우, 전자기력으로부터 발생하는 회전자 상의 불균형 자기력은 또한 강성, 사실 부정적인 강성을 구성한다. 이것은 시스템의 고유 주파수 및 모드 형상에 영향을 주지만, 현재 고려하지 않는다.

동력이 모터에 의해 발생되고 기어박스에 의해 전송되면, 동적 여기가 토크 리플과 모터에서 변화하는 전자기력과 기어박스에서의 기어 변속 오류 및 이탈의 형태로 발생된다. 이러한 여기가 구동계를 통해 전파되고, 소음 방사를 가져온다.

Coustyx와 같은 음향 시뮬레이션 툴과 결합된, 유한 요소 해석(예를 들어 Ansys, Nastran) 또는 멀티 바디 동역학(예를 들어 ADAMS)과 같은 범용 툴 또는 RomaxDesigner 또는 MASTA 와 같은 전문가용 툴을 사용하여 동적 반응 및 음향 방사를 계산할 수 있다. 마찬가지로, 동일한 툴을 사용하여 모터의 구조용(기계적) 부품들의 동적 반응 및 음향 방사를 계산할 수 있다.

그러나 전체 어셈블리의 동적 반응 및 음향 방사는 두 서브시스템 간의 상호작용이 고려될 것을 요구한다. 토크 리플, 변속 오류 및 전자기력은 전체 기어박스/모터 구조물을 여기시킨다. 이것은 두 서브시스템이 별도의 수학적 모델에서 시뮬레이팅된다면 발생되지 않는다.

또한, 모터 효율에 영향을 주는 모터에서의 에어 갭 또한 균형 질량, 회전자 샤프트의 편향 및 구성요소 제조 공차로부터 불균형적인 자기력에 대한 시스템의 동적 반응에 의해 영향을 받지만, 이것은 계산되지 않고, 대신 에어 갭을 위한 값이 이전 설계로부터 추정 및 수행된다.

이전 단락은 동적 반응 및 음향 방사를 평가하기 위한 목적으로 기어박스 및/또는 모터 시스템의 정확하고 복잡한 수학적 모델을 위한 요구에 대해 설명한다. 음향 방사의 소스는 기어박스/모터 하우징이며, 그래서 음향 방사를 계산하기 위해 하우징은 실질적으로 상세히 모델화될 필요가 있으므로 이것은 시스템의 시뮬레이션에 포함될 수 있다.

그러나 개념 설계 단계에서는 엔지니어가 베어링 및 기어 위치, 샤프트 중심 거리, 심지어 샤프트의 수를 변경하는 것과 같은 레이아웃의 주된 변화에 관심이 있기 때문에, 제품의 실제 설계에 상기 방법을 적용할 때에 이것은 문제가 있다. 따라서, 하우징 설계는 존재하지 않는다. 기술 조사는 모터, 기어박스 또는 전기-기계식 구동계 시스템의 계산된 동적 반응이 개념 모델이 (롤러 베어링의 외륜이 견고하게 지지되는데) 사용되거나 또는 상세 모델이 (롤러 베어링의 외륜이 하우징의 질량/강성 표현에 부착되는데) 사용되는지 여부에 따라 매우 다르다는 것을 보여준다.

따라서, 설계 엔지니어는 개념 설계가 토크 리플 및 변속 오류에 대한 동적 반응에 관한 한 최고 또는 최악으로 실행될 가능성이 큰 시뮬레이션에 의해 결정할 수 없다. 현재, 엔지니어는 임의의 그러한 시뮬레이션이 수행될 수 있기 전 하우징 설계에서 그러한 지식 없이 개념을 선택하고, 시간 및 돈을 투자할 필요가 있다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 구동계 모델러를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1 태양에 따르면, 구동계를 위한 설계를 생산하기 위한 컴퓨터 이용 공학의 방법이 제공된다. 상기 방법은 구동계 설계의 파라미터 설명을 제공하는 단계; 분석을 위한 하나 이상의 실패 모드의 사용자 선택을 수신하는 단계; 분석의 복잡도에 적합한 파라미터 설명으로부터 데이터를 선택하는 단계; 선택된 데이터를 분석하는 단계; 및 성능 정보를 사용자에게 제공하는 단계를 포함한다. 이것은 사용자가 설계가 성능 목표를 얼마나 잘 충족하는지를 평가할 수 있다는 것을 의미한다. 장점은 파라미터 설명이 구동계 또는 그것의 구성요소의 형상(form), 기능(function), 속성(properties) 및 작동 조건(operating conditions)에 관한 데이터를 포함한다는 것이다. 다른 장점은 파라미터 설명이 모든 분석을 위한 데이터의 단일 공통 소스라는 것이다. 추가 단계에서, 성능은 파라미터 설명을 수정하고 분석 단계를 반복함으로써 최적화된다.

바람직하게는, 분석 단계는 분석하는 단계는 파라미터 설명으로부터 하나 이상의 수학적 모델을 유도하는 단계를 포함한다. 이것은 다수의 여러 가지 실패 모드를 분석하기 위한 수학적 모델을 유도하는데 사용된 데이터가 단일 공통 데이터 소스로부터 유도된다는 것을 의미한다.

바람직하게는, 구동계가 하나 이상의 서브시스템을 포함하고 서브시스템은 하나 이상의 구성요소를 포함하며, 분석 단계는 동적 분석을 포함하고, 구성요소 또는 서브시스템의 수학적 모델을 유도하는 단계는 이산화된 모델(discretised model)을 형성하는 것을 포함한다. 이것은 구성요소 또는 서브시스템의 동적 분석으로부터 주파수 범위를 결정하는 것을 포함할 수 있으며, 분석 단계는 주파수 범위에서 구성요소 또는 서브시스템의 수학적 모델을 분석하는 것을 포함하고, 그럼으로써 분석 단계는 빠르고 정확해진다. 이것은 동적 분석, 실패 모드 또는 제품 성능의 태양의 사용자 선택을 수신하는 단계; 및 주파수 범위, 적절한 선형 및 비선형 특징 및/또는 1 자유도 및 6 자유도 거동에 적합한 설정을 자동으로 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이것은 파라미터 설명으로부터 선택된 데이터가 수행되는 분석과 관련되는 것을 의미한다.

바람직하게는, 하나 이상이 실패 모드의 사용자 선택은 일 구동 주기 또는 구동 주기의 집합(population)에 대한 구동계의 효율을 포함하고, 분석 단계는 속도 대 시간 이력을 지속기간 대 속도 대 가속도의 레지던시 히스토그램(residency histogram)으로 전환하는 단계; 및 효율을 제공하기 위해 레지던시 히스토그램을 효율 맵(map)과 곱하는 단계를 포함한다. 소프트웨어 패키지는 사용자에 의해 선택이 이루어짐으로써 시간 영역 시뮬레이션 또는 지속기간 대 속도 대 가속도 (또는 토크 대 회전 속도)의 레지던시 히스토그램을 이용하여 구동계의 효율, 연비 또는 배기 가스 방출을 계산할 수 있다.

바람직하게는, 하나 이상의 실패 모드의 사용자 선택은 기어의 스트레스, 내구성, 소음 및/또는 효율을 포함하고, 분석 단계는 호브, 셰이퍼 또는 밀링 커터의 돌기의 영향을 포함하는, 기어를 위한 절삭툴의 형상의 영향을 위해 분석하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 구동계는 전기 모터/발전기 및 기어박스를 포함하고, 하나 이상의 실패 모드의 사용자 선택은 구성요소 수명을 포함하며, 분석 단계는 전기 모터 또는 발전기 내의 불균형 자기력 및 기어 분리력을 포함함으로써 전기 모터 또는 발전기의 시스템 편향을 분석하는 단계를 포함한다. 실패 모드는 제조 및 조립 공차를 포함한다. 바람직하게는, 모델은 전기-기계식 구동계의 동적 모델이며, (ⅰ)기어로부터 변속 오류; (ⅱ)모터/발전기로부터 토크 리플; (ⅲ)모터/발전기로부터 방사형 전기-기계적 하중의 소스들 중 하나 이상에 의해 여기된다.

바람직하게는, 하나 이상의 실패 모드의 사용자 선택은 기어박스 및/또는 모터 또는 발전기를 포함하는 구동계 시스템을 위한 모드 형상 및 고유 주파수를 포함하고, 소정의 속도 및 하중 작동점에서 기어 맞물림 강성, 롤러 베어링 강성 및/또는 불균형 자기력의 비선형 거동을 선형화한다.

바람직하게는, 하나 이상의 실패 모드의 사용자 선택은 전기 모터 또는 발전기의 에어 갭을 포함하고, 분석 단계는 준정적(quasi-static) 또는 동적 조건에서 시스템 편향을 분석하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 하나 이상의 실패 모드의 사용자 선택은 개념 단계에서 모터, 기어박스, 구동계 또는 전기-기계식 구동계의 동적 거동을 포함하고, 분석 단계는 토크 리플 및/또는 변속 오류에 반응하여 베어링 외측 링으로부터 하우징으로 전달되는 진동 동력을 제공하기 위해 모든 베어링의 외륜에 일반 하우징 강성을 적용하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 하나 이상의 실패 모드의 사용자 선택은 구동계의 포장을 더 포함하고, 사용자가 그래픽 사용자 인터페이스에서 구동계 또는 그 구성요소의 기하학적 치수를 평가하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 성능을 위한 파라미터 설명을 분석하는 단계는 컴퓨터 판독가능한 제품에 의해 수행된다. 기하학적 치수를 평가하고, 기어박스 및/또는 모터/발전기의 포장하는 단계는 동일한 컴퓨터 판독가능한 제품에 의해 수행될 수 있다. 실패 모드에 대한 분석은 동일한 컴퓨터 판독가능한 제품에 의해 수행될 수 있다. 성능은 엔지니어링 성능일 수 있다. 엔지니어링 성능은 다음 주 하나 이상을 포함한다: 차량/제품 성능, 에너지/연료 효율/경제, 배기 가스 배출, 비용, 구조적 편향 및 스트레스, 내구성 및 피로, 제조능력, 열적 성능, 가청 소음의 발생, 동적 입력 하중으로 인한 기계적 파손, 사용자 및/또는 환경에 불리한 동적 하중의 발생, 속도 및 비율 변경, 및 제어 시스템과의 양호한 상호작용.

바람직하게는, 파라미터 설명을 제공하는 단계 또는 업데이트 하는 단계는, 구동계를 위한 구성요소의 사용자 선택을 수신하는 단계; 선택된 구성요소를 위치시키는 단계; 및 선택된 구성요소 간에 연계(association)를 생성하는 단계에 따라, 구동계의 레이아웃을 컴퓨터 시스템의 그래픽 사용자 인터페이스 내에 생성하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 연계, 선택된 구성요소의 상대 위치, 선택된 구성요소의 속성 및 연계의 속성에 기초한 단일 파라미터 설명이 형성된다.

바람직하게는, 사용자는 구동계를 위한 그래픽 사용자 인터페이스로부터 기어박스를 위한 그래픽 사용자 인터페이스로 천이할 수 있고(transition), 기어박스를 위한 그래픽 사용자 인터페이스는 기어박스 비율, 기능적 레이아웃, 기하학적 치수, 구성요소 하중, 편향 및 내구성의 정의, 변경, 및 분석을 가능하게 한다. 이것은 기어박스를 위한 그래픽 사용자 인터페이스에서 만들어진 변화가 파라미터 설명을 수정할 수 있고, 분석이 구동계를 위한 그래픽 사용자 인터페이스에서 수행된다는 것을 의미한다.

다른 태양에 따르면, 본 발명은 구동계의 컴퓨터 이용 공학 설계를 위한 컴퓨터 판독가능한 제품을 제공하고, 상기 제품은 상술된 방법의 단계를 구현하기 위한 코드 수단을 포함한다.

다른 태양에 따르면, 본 발명은 회전 기계 어셈블리의 컴퓨터 이용 공학 설계를 위한 컴퓨터 시스템을 제공하고, 상기 시스템은 상술된 방법의 단계를 구현하기 위해 설계된 수단을 포함한다.

본 발명은 또한 스트레스, 내구성, 소음 및 효율에 대해 기어를 분석하는 가능성을 제공한다. 동시에 그것들은 가용 공간에 맞아야 하고, 또한 제조가능해야 한다. 기어에 대한 스트레스(내구성에 대한), 효율 및 발생 진동을 계산할 때, 이것은 또한 기어의 제조능력을 고려한다. 구체적으로는, 기어용 절삭툴의 형상 및 특히 호브, 셰이퍼 또는 밀링 커터의 돌기는 패키지에 포함되며, 이것은 엔지니어가 단일 환경에서 포장, 중량, 효율, 내구성, 소음과 함께 이들의 영향을 평가하는 것을 가능하게 한다.

본 발명은 전기-기계식 구동계의 기계구조(mechanical)의 엔지니어링 성능의 많은 태양의 평가를 가능하게 한다. 이것들은 다음을 포함한다: 차량/제품 성능, 에너지/연료 효율/경제, 배기 가스 배출, 비용, 구조적 편향과 스트레스, 내구성과 피로, 제조능력, 열적 성능, 가청 소음의 발생, 동적 입력 하중으로 인한 기계적인 결함, 사용자 및/또는 환경에 불리한 동적 하중의 발생, 속도와 비율 변경 및 제어 시스템을 갖는 양호한 상호작용.

근본적인 혁신은 시뮬레이션의 이러한 태양의 전부가 구성요소, 서브시스템 및 구동계의 포장 및 중량 계산을 검사하기 위해 사용될 수 있는 구성요소 및 서브시스템의 3차원 형상(3D geometry)의 평가로서 동시에 그리고 동일 패키지에서 수행된다는 것이다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 여기에서 설명될 것이며, 도면에서:
도 1은 여러 가지 데이터로 이루어진 시스템의 여러 가지 모델들을 이용하여, 여러 가지 실패 모드 및 성능의 태양을 평가하기 위한 종래 기술의 접근법을 도시하고;
도 2는 구동계의 블록 다이어그램 표현을 도시하며;
도 3 및 도 9는 변경이 만들어지면 모든 분석 및 모델에 걸쳐 데이터의 캐스캐이딩(cascading)을 용이하게 하여, 데이터의 공통 소스가 모든 분석에 어떻게 사용될 수 있는지를 도시하고,
도 4는 병렬 하이브리드 구성을 도시하며, 그리고
도 5는 도 4의 서브어셈블리의 정의에 추가된 데이터를 도시하고,
도 6 및 도 7은 사용자에게 표시되며 사용자가 본 발명의 방법과 상호작용할 수 있게 하는 그래픽 사용자 인터페이스를 도시하며; 그리고
도 8은 네 개의 비중첩된 데이터 세트들로 형성된 파라미터 설명의 표현을 도시한다.

이러한 문제를 해결하고 구동계, 어셈블리 또는 구성요소의 모델이 제작되게 하는 통합된 접근방법으로서, 성능을 판단하는 분석이 이어지고, 제품 성능을 최대화하기 위해 제품 정의를 변경하는 최적화가 이어지는 통합된 접근방법에 대한 필요성이 존재하며, 이 접근방법은 엔지니어를 위한 우수한 사용성 및 생산성을 제공하여 설계에 관련된 모든 다른 기술 전문가들에 의해 사용될 수 있고, 여기에는 모델링, 분석 및 최적화의 세 가지 태양이 통합된다.

본 발명의 문맥에서, 용어 "구동계(driveline)"는 에너지가 또 다른 형태(선형 운동, 화학, 전기, 유압 등)에서 회전 운동 및 탄성 에너지로 변환되는 포인트로부터 회전 운동 및 탄성 에너지가 또 다른 형태(전기, 유압, 선형 운동 등)로 변환되는 포인트까지의 전체 시스템을 지칭한다고 이해되어야 한다. 전자의 포인트는 "원동기(prime mover)"로서 지칭될 수 있고, 후자의 포인트는 "소비자(consumer)"로서 지칭될 수 있다. 따라서 용어 "구동계"는 용어 "구동 트레인(drive train)", "파워 트레인(power train)", "변속기(transmission)", "파워 변속기 시스템" 및 상기 언급된 "전체 시스템"과 관련된 임의의 다른 용어를 포함한다는 것이 명백할 것이다. 용어 "어셈블리"는 "서브어셈블리", "서브시스템", "어레인지먼트(arrangement)" 및 상기 언급된 종류의 부품들의 어레인지먼트에 관한 임의의 다른 용어를 포함한다. 구동트레인의 구성요소들은 터빈, 주축대(headstock), 스핀들, 스플라인 및 프로펠러를 포함한다.

엔지니어들은 다양한 성능 목표를 충족시키고 다양한 실패 모드를 방지하는 방식으로 이러한 시스템, 서브어셈블리 및 구성요소를 설계하는 일을 담당한다. 용어 "성능 목표(performance target)" 및 "실패 모드(failure mode)"는 어셈블리 또는 구동계의 거동 방식의 반대되는 태양으로 이해될 것이다: 그것이 하나 이상의 실패 모드를 나타낸다면, 이때 이것은 대응하는 성능 목표를 충족하지 않았다. 사용되는 다른 용어는 "성능의 태양(aspect of performance)", "제품 성능의 태양" 및 "성능 기준"을 포함한다. 본 발명의 맥락은 그것이 많은 다음의 사안들을 다루기 위한 것으로 보인다는 것이다: (ⅰ)수행된 여러 가지 분석들은 동일한 데이터 소스를 갖는다 (ⅱ)데이터가 하나의 목적의 위한 입력이라면, 그것은 다른 목적들을 위해 재사용된다 (ⅲ)제품 데이터의 공통 소스로 인해, 데이터 정의의 변경이 모든 분석을 업데이트하기 위해 캐스캐이딩(cascading)된다 (ⅳ)소정의 분석이 필요한 제품 데이터 및 분석의 복잡도 면에서 상세함의 가장 적절한 수준을 이용하여 수행되어야 한다 (ⅴ)제품 데이터 및 분석의 복잡도 모두는 조정가능한 수준이다. 이것은 복잡한 분석이 수행되었을 때라도, 분석의 복잡성은 복잡성을 제거하고 제품이 어떻게 작용하는지에 대한 엔지니어의 기본적인 이해와 가장 가깝게 일치하는 간단한 분석으로 되돌림으로써 단계적으로 바뀔 수 있음을 의미한다 (ⅵ)제품의 전체에 걸쳐 발생하는 구성요소 및 서브시스템 간의 상호작용이 그것들이 적절한 곳은 어디서든지 고려될 수 있다 (ⅶ)실패 모드에 대한 분석이 가장 빠른 기회에 수행되어야 한다; 다수의 실패 모드가 동일한 소프트웨어 환경 내에 의해 평가된다 (ⅷ) 특히 제품이 가용 공간에 맞는지 여부의 문제는 제품 성능의 다른 태양들과 함께 고려되는 제품 성능의 한 태양이다 (ⅸ)소프트웨어 기능은 사용자에게 모델링 및 분석의 생산성과 적절하게 복잡한 제품 정의의 최적의 조합을 제공하는 특정 용도 인터페이스(application specific interface)로 개발된다.

본 발명의 주요 특징은 시스템의 단일 파라미터 설명(Parametric Description)에 있고, 이로부터 다수의 실패 모드 분석을 위한 다수의 모델들이 도출된다는 것이다.

용어 "파라미터 설명"은 그 형상(form), 기능(function), 속성(properties) 및 작동 조건(operating conditions) 면에서 제품을 정의하는 데이터 수집에 적용된 레이블이다. 형태는 기하학적 형상(geometry)에 관한 데이터를 포함한다; 속성은 구성요소의 재료 속성뿐만 아니라 베어링의 동적 용량, 기어 톱니 플랭크면의 표면 조도, 윤활유의 점도, 샤프트 재료의 내구선도(Goodman diagram), 전기 모터 권선의 저항률 등과 같은 구성요소의 특정 속성을 포함한다; 작동 조건은 주로 시간 이력 또는 레지던시 히스토그램(residency histogram)에 따른 동력, 속도, 회전 기계의 토크를 포함하고, 뿐만 아니라 온도, 습도 등도 포함한다; 기능은 제품, 서브시스템 및 구성요소가 그것들의 주요 기능을 수행하는 방법을 정의하는데, 예를 들어 롤러 베어링의 기능은 그것이 회전을 가능하게 하는 동안 샤프트에 대한 지지를 제공하고 샤프트와 베어링을 함께 조립하는 것이고, 결합된 기능은 하중이 인가될 수 있는 회전 샤프트를 제공하고 샤프트에 기어를 장착하며, 그것이 마찬가지로 장착된 기어와 맞물리는 것이며, 결합된 기능은 속도 및 토크(즉, 기어박스)를 변경하는 것이다.

표 1 분석-특정 데이터 선택 및 파라미터 설명

표 1의 첫 번째 열은 네 개의 데이터 세트(기능(802), 형상(804), 속성(806), 및 작동 조건(808))로 형성된 파라미터 설명(800)의 표시를 도시한다. 도 8은 네 개의 비중복 데이터 세트(기능(802), 형상(804), 속성(806), 및 작동 조건(808))로 형성된 파라미터 설명(800)의 또 다른 표시를 도시한다. 사용되는 분석 패키지(810, 812, 814)가 사용됨에 따라, 엔지니어는 분석을 수행하기에 적합한 분석 모델을 생성하기 위해 네 개의 데이터 세트 중 하나 이상으로부터 데이터를 선택해야 한다. 도 1을 참조하면, 현재 실무는 일반적으로 각 실패 모드에 대해 별도의 분석 모델들을 구축해왔다.

전통적인 소프트웨어 패키지에서, CAD는 형상(form)(기하학적 형상(geometry)) 및 일부 속성의 태양(재료 밀도 다만 영률(Young's Modulus)은 제외)를 제공하지만, 그것은 작동 조건 또는 기능을 포함하지는 않는다. 멀티 바디 동역학(Multi-Body Dynamics) 및 유한 요소 패키지(Finite Element packages)에서 모델들은 형상, 기능, 속성 및 작동 조건의 일정한 태양들, 그러나 오직 시뮬레이션되는 특정 실패 모드와 관련되는 것들만을 포함한다(도 1 참조). 멀티 도메인 동적 시뮬레이션(Multi-domain dynamic simulation)에서 모델들은 또한 시뮬레이션되는 특정 실패 모드와 관련되는 기능, 속성 및 작동 조건의 태양들을 이용하지만(도 1 참조), 형상은 이용하지 않는다. 특정 용도 차량 시뮬레이션 패키지(예를 들면 AVL Cruise)에서 모델들은 그것들이 시뮬레이션되는 특정 실패 모드와 관련되는 기능, 속성 및 작동 조건의 태양들을 이용하지만(도 1 참조), 형상은 이용하지 않는다는 점에서, 멀티 도메인 동적 시뮬레이션 패키지에서의 모델들과 유사하다.

이것은 도 8에 도시되는데, 도 8에는 분석을 위한 관련 데이터 세트(810)가 형상 세트(804), 속성 세트(806) 및 작동 조건 세트(808)의 일부를 중첩시킨 삼각형 세트에 의해 표현되고, 이 예에서는 멀티 바디 동역학 또는 유한 요소 패키지를 위한 데이터를 제공한다. 마찬가지로, 분석을 위한 관련 데이터 세터(812)가 기능 세트(802), 속성 세트(806) 및 작동 조건 세트(808)의 일부를 중첩시킨 삼각형 세트에 의해 표현되고, 이 실시예에서는 멀티 도메인 동적 시뮬레이션 또는 특정 용도 차량 성능 패키지를 위한 데이터를 제공한다. 마찬가지로, 분석을 위한 관련 데이터(814)가 형상 세트(804) 및 속성 세트(806)의 일부를 중첩시킨 삼각형 세트에 의해 나타내어지고, CAD를 위한 데이터를 제공한다.

전통적인 소프트웨어 패키지에서는, 데이터의 네 가지 유형이 모두 존재하지 않는 것은 설계 프로세스 내의 작업 흐름에서 불연속성으로 이어진다. 도 8은 본 발명이 제거하는 이 불연속성이 어떠한지를 도시한다.

이는 도 3에 추가하여 도시되며, 도 1에서 사용된 접근법과 대조를 보인다. 제 1 단계(32)에서는, 시스템의 파라미터 설명이 제공된다. 이 파라미터 설명은 후술하는 바와 같이 형성될 수 있거나 또는 그것이 이전에 개발되었던 파라미터 설명일 수 있다. 단계(34)에서는, 사용자 또는 사용자들이 설계되는 제품을 위한 실패 모드를 정의하고, 설계는 그것이 선택된 실패 모드에 대해 어떻게 수행되는지를 결정하기 위해 분석된다. 상술된 바와 같이, 분석은 파라미터 설명을 포함하는 단일 데이터 세트에 대한 수학적 분석이다. 분석은 제 3 단계(36)에서 사용자가 설계가 어떻게 성능 기준을 만족하지 못하는지에 대한 통찰력(insight)을 갖는 것을 의미한다. 제 4 단계(38)에서는, 사용자가 설계 및 그에 따라 파라미터 설명을 변경 및 업데이트하고, 프로세스를 반복할 수 있다. 최종적으로, 제 5 단계(39)에서, 최종 설계가 도출된다.

이는 일단 변경이 이루어지면 모든 분석 및 모델에 걸쳐 데이터의 캐스캐이딩을 용이하게 하는, 모든 분석을 위한 데이터의 공통 소스가 존재한다는 것을 의미한다.

모델링은 필요한 목적을 위해 가능한 한 간단하며, 실패 모드의 분석은 가능한 한 일찍 수행된다. 따라서 구동계의 가장 간단한 정의는 순전히 구동계 구성에 의해 설명되는 구동계의 주요 기능(차량을 구동하기 위한 동력의 전송)으로 후술되는 바대로 시작한다.

도 4는 병렬 하이브리드 구성을 도시한다. 전기 모터 및 배터리가 제거되면, 이때 종래의 내연 기관 구동 차량이 설명된다. 엔진이 제거되면, 이때 전기 자동차가 설명된다. 동력흐름을 위한 연결은 간단하지만, 구동계의 기능을 분명하게 설명한다.

여기서부터는 데이터가 도 5에 도시된 바와 같이 서브어셈블리의 정의에 부가될 수 있다. 몇몇 파라미터의 부가는 제 1 차량 성능 계산이 수행될 수 있도록 하고, 이때 연비 계산(fuel economy calculation)이 수행될 수 있도록 한다. 효율성은 연비 또는 배기 가스 배출을 포함한다.

연비와 배기 가스 배출의 계산에 대해, JC08, NEDC 및 FTP와 같은 소정의 "구동 주기(drive cycle)"를 입력으로 사용하는 것이 일반적이다. 이것들은 사전정의된 속도 대 차량이 (가상적으로) "주행"하는 시간 이력을 설정하고, 이에 대해 총 연료 소비 또는 배기 가스 배출이 계산된다.

언급된 바와 같이, 구동 주기 분석의 일반적인 구현은 멀티 도메인 동적 시뮬레이션 패키지를 사용하고, 그것으로는 범용 CAE 패키지(예를 들면 Simulink, Dymola, Modellica) 또는 AVL Cruise와 GT-Suite와 같은 특정 용도 차량 성능 패키지가 있다. 모든 이러한 경우에 계산은 "시간-단계 적분(time-step integration)"에 의해 진행되고, 이에 의해 소정의 시간 인스턴스(t)에서의 속도(V(t))는 소정의 시간에서 차량의 추진력과 항력을 계산하는데 사용되며, 미분(difference)은 가속도를 생기게 하고, 시간 인스턴스(t+1)에서의 새로운 속도(V(t+1)) 등을 제공하기 위해 짧은 시간 주기에 걸쳐 적분된다. 전향(forward)과 후향(backward) 적분 간에 차이가 있지만, 방법은 본질적으로 동일하다.

사전정의된 구동 주기(예를 들어 NEDC)를 이용하고, 구동계의 설계 및 최적화를 위해 이것을 반복적으로 이용하는 것이 일반적인 관행이라는 점에서 문제가 발생한다. 구동계는 선택된 구동 주기에 의해 표현되는 구동 스타일에 매우 최적화되지만, 실제 구동이 적용되는 경우 연비는 목표로부터 실질적으로 벗어난다.

기업은 실제 소스로부터 여러 가지 구동 스타일에 대한 데이터를 획득하고, 구동계의 분석 및 최적화에 입력으로서 이것들을 포함할 수 있다. 그러나, 시간 영역 분석의 본질(nature)은 1000 구동 주기를 분석하는 것은 1 구동 주기를 분석하는 것의 거의 1000 배가 걸리는 것을 의미한다. 따라서, 이것은 현실적인 설계 프로젝트 동안 사용에 장애를 준다.

이에 대한 대안은 시간 단계 적분보다 약간 더 간단(그리고 덜 정확)하지만 훨씬 더 빠르고 시간 패널티 없이 다수의 구동 주기의 포함을 가능하게 하는 구동계의 효율의 단순화된 분석을 수행하는 것이다.

속도 대 시간 이력은 지속시간 또는 주기의 수 대 속도(차량 속도 또는 시스템 입력/출력) 대 가속도 또는 토크(양 및 음)의 레지던시 히스토그램으로 단순화된다. 이것은 구동 주기에 대해 고정되고, 차량과 독립적이다. 속도 대 가속도 표면 상의 각 지점에 대해, 구동계 효율이 엔진, 기어박스, 모터 등의 결합된 효율 맵으로부터 계산된다. 이 효율 맵은 구동 주기와 독립적이다.

구동 주기를 위한 구동계의 효율의 계산은 간단히 레지던시 히스토그램을 효율 맵과 곱하는 일이다.

장점은 다음과 같다: 계산이 시간 영역 시뮬레이션보다 훨씬 빠르다. 더욱 중요하게, 구동계의 변경(기어비, 기어 시프트 전략, 차량 질량 등)이 이루어진 경우 이때 필요한 모든 것은 구동 주기가 불변이기 때문에 구동계 효율 맵의 재 계산이다. 가장 중요하게, 고려 중인 모든 구동 주기가 더 넒은 범위의 구동 스타일을 나타내지만 분석 시간 면에서 어떤 패널티도 없는 레지던시 히스토그램으로 함께 "스택"될 수 있다. 환언하면, 구동 주기 데이터가 준비되면, 1000 구동 주기를 분석하는 것은 1 구동 주기를 분석하는 것과 거의 동일한 시간이 걸린다.

따라서 기업이 지역, 위치, 운전자 속성(적극적/수동적, 시티/어번(urban), 차량의 종류 등), 심지어 통계 평가(1 %, 10 %, 평균, 90 %, 99 %)로 구동 주기를 분류하고, 다른 시장 구역에 대한 제품 설계의 감도를 조사하기 위해 "만약의 경우(what-if)"를 분석하는 것을 수행할 가능성이 있다.

소프트웨어 패키지 내에서 추가 데이터가 엔진, 모터, 배터리 및 기어박스의 정의에 추가된다. 차량 성능 및 구동 주기 도면은 엔진 및 모터에 의해 전달되고, 기어박스에 의해 전송되는 토크/동력에 대한 정보를 제공한다. 이로부터, 서브 시스템의 크기 및 그에 따른 포장 요건 및 중량을 도출하기 위한 계산 방법이 도출될 수 있다. 따라서, 여러 태양의 구동계 성능(포장, 중량, 차량 성능, 효율, 연비)의 평가는 동일 소프트웨어 패키지 내에서 평가될 수 있다.

특히, 기어박스에 대해, 보다 상세한 표현으로의 전환은 특정 특징을 갖는다. 기어박스의 초기 표현은 그것을 일련의 기어비로서 정의한다(이전 다이어그램 참조). 이것은 구동 주기 시뮬레이션이 수행되게 하고, 따라서 차량의 연비와 배기 가스 배출이 계산될 수 있다. 그러나 기어박스의 물리적 실시형태는 샤프트, 베어링, 클러치 및 기어 어레인지먼트가 정의될 것을 요구하고, 적합한 비율이 이전에 확인된 비율을 달성하기 위해 기어에 할당된다.

설계자들은 종종 기어박스 설계의 예비 단계에서 "스틱 다이어그램(stick diagram)"과 같은 개념적 모델을 사용하고, 이것은 구성요소들 사이의 기능적 관계를 볼 수 있는 쉬운 방법을 제공한다. 그러한 다이어그램은 기어박스의 설계자가 심층 구조 분석 또는 상세한 기술 도면으로 변환하지 않고 설계를 개념화하는데 도움이 된다. 초기에 그것들은 구성요소들의 크기 및 포장 관한 정보를 정의할 필요없이 이러한 기능적 관계를 정의할 수 있다.

소정의 기어박스에 대한 개념 또는 개념들의 기본 기능이 고정되었다면, 어레인지먼트는 더 많은 계산을 받게 되고, 이에 의해 각 기어 세트에 인가된 토크와 그 기어 세트의 비율은 기어의 피치원 직경, 이폭 및 중심 거리를 예측함으로써 기어 세트의 필요한 포장을 추정하는데 사용된다. 이것은 기어에 대한 내구성 분석의 가장 단순한 형태이고, 입력의 가장 간단한 세트로 수행될 수 있다. 또한, 그것은 기어박스의 포장 및 또한 기어박스 무게를 정의하는 주요 파라미터를 정의한다.

본 발명의 구체적인 특징은 그것이 다이어그램 구동계 모델링을 위한 그래픽 사용자 인터페이스의 기어박스(비율만)의 하나의 표현에서 동일 소프트웨어 패키지 내의 기어박스 모델링을 위한 그래픽 사용자 인터페이스의 다른 표현(샤프트, 베어링, 기어 및 클러치의 기능적 연결로 이루어진 스틱 다이어그램)으로의 전환을 가능하게 한다는 것이다. 실무상, 이것은 기억 박스에 나타나는 아이콘 상에서 수행되는, 더블 클릭 등과 같은 구동계 모델링 그래픽 사용자 인터페이스에서 사용자 정의된 명령에 의해 수행된다.

도 6에서, 사용자는 평행한 샤프트에 장착된 다수의 기어를 갖는 기어박스의 스틱 다이어그램을 생성했다. 베어링은 간단한 지지대로 정의되고, 기어는 비율만으로 정의된다. 하우징은 정의되지 않고, 경질인 것으로 가정된다. 샤프트 부분은 정의되지 않았으며, 그래서 샤프트 강성이 가정된다. 동력흐름 분석이 수행될 수 있고, 기어에 대한 토크 용량과 권장 중심 거리, 뿐만 아니라 베어링과 하우징 하중이 계산될 수 있다.

도 7은 사용자에게 디스플레이되고 사용자가 도 6에 도시된 종류의 개략도를 생성하기 위해 본 발명의 프로세스와 상호작용하는 것을 가능하게 하는 그래픽 사용자 인터페이스의 실시예를 도시한다. 도 7에서, 회전 기계의 개략도는 회전 기계 자체의 기능 모델이다.

작업 영역은 하나 이상의 뷰(302, 304)를 포함한다. 그러한 두 개의 뷰는 설계되는 회전 기계의 측면 뷰(302) 및 단면 뷰(304)에 대응하는 도 6에 도시된다. 측면 뷰는 소정의 축을 따라 보이는 바와 같이 회전 기계의 뷰의 실표현(true representation)일 수도 있거나 또는 그것이 하나 이상의 절단면을 통해 회전 기계의 접힌 표현일 수 있다. 도 7의 회전 기계는 일반적으로 사용되는 바와 같은 "스틱 다이어그램" 형태를 사용하여 도시되고, 여기에서 기어는 직사각형으로 표현된다. 그러나 기어가 일반적으로 "I"-형상의 요소에 의해 표현되는 "스틱 다이어그램"을 포함하는 회전 기계 구성요소들의 다른 도식적 표현이 사용될 수 있다.

도 7에 도시된 실시예에서, 두 개의 기어(310, 312)는 두 개의 샤프트(320, 322)에 각각 장착된다. 샤프트(320)는 동심 샤프트(340)에 클러치(330)를 통해 연결된다. 이 실시예에서, 샤프트는 일반적으로 수평 방향으로 배치되는 것으로 도시되지만, 샤프트는 수직, 사선 등과 같은 임의의 방향으로 정렬될 수 있고, 직각 샤프트를 갖는 기계가 정의 및 분석될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 샤프트(320, 322, 340)는 베어링(350, 352, 354, 356, 358)에 지지된다. 초기에, 베어링은 반경방향, 축방향, 또는 경사 강성에 대한 사용자 정의 정보가 없는 매우 간단한 샤프트 지지체이다. 모델이 성숙함에 따라, 추가적인 강성 데이터가 사용자에 의해 정의되거나 계산될 수 있다.

입력(362)과 출력(364) 간의 동력 흐름(360)의 예가 도시된다.

엔지니어가 기어박스 모델링 인터페이스의 스틱 다이어그램 상에서 작업중이면, 소프트웨어 인터페이스 내에서 중심 거리, 변화율, 이폭 등을 변경할 수 있고, 이것은 기어박스의 파라미터를 변경한다.

이는 변속기의 그래픽 표현일뿐만 아니라 회전 기계 어셈블리의 기능의 작업 모델이고, 여기서 회전 기계 어셈블리의 기능 및 성능을 예측하도록 계산이 수행될 수 있다.

"스틱 다이어그램"은 외부 기어 세트로 이루어진 변속기를 표현하는 매우 효율적이고 논리적인 방식이다. 샤프트는 그 중심선을 따라 그려진다. 그러나 유성 기어 세트가 포함되거나 많은 동심 축을 갖는 시스템이 포함되는 곳에서는, 중심선보다는 샤프트의 외경면에서 또는 외경 및 내경 면에서 샤프트를 표현하는 것이 필요하다. 다른 개선형태는 사용자가 뷰들 사이에서 자동으로 전환할 수 있다는 것이다.

사용자 인터페이스 및 파라미터 설명 간의 상호작용은 데이터의 공통 소스가 사용자 인터페이스 또는 모델링을 통해 변경이 이루어지면 모든 분석 및 모델에 걸쳐 데이터의 캐스캐이딩을 용이하게 하는 모든 분석에 어떻게 사용될 수 있는지를 도시하는 도 9를 참조함으로써 더욱 이해될 수 있다. 제 1 단계(32)에서, 파라미터 설명은 레이아웃 GUI(902)와 상호작용하는 사용자에 의해 설정될 수 있고, 일반적으로 이것은 파라미터 설명 내에 유지되는 형상(802) 및 기능(804) 데이터를 생성한다. 또한, 사용자는 데이터 입력(904)을 통해 속성(806) 및 작동 조건(808) 데이터를 추가할 수 있다. 따라서 사용자에 의해 개발된 설계는 후속 작동을 위한 단일 데이터 소스가 된다. 단계(34)에서, 사용자는 설계가 제품에 요구되는 성능 기준을 어떻게 충족시키는지를 평가할 수 있다. 이 단계에서, 모델과 분석은 필요한 성능 정보를 단계(36)에서 사용자에게 제공하기 위해 파라미터 설명에 유지된 관련 데이터를 사용한다. 이것은 사용자가 단계(31)에서 설계를 업데이트할 수 있도록 하고, 프로세스는 설계가 단계(39)에서 제품의 요건을 충족할 때까지 반복된다.

따라서 기어박스 모델러 내의 기어 비율을 변경하는 것은 기어박스가 일부인 구동계의 거동을 변경한다. 기어박스 모델러 인터페이스에서의 이러한 변경은 구동계 시스템 수준에서 분석까지 캐스캐이딩되는 것이 본 발명의 특징이다.

이것의 또 다른 실시예는 변경이 기어박스 서브시스템에 이루어지면, 기어박스의 동적 거동이 변경되고, 이것은 자동으로 구동계 모델까지 캐스캐이딩된다. 이러한 변경은 기어의 중심 거리를 변경하는 것(따라서 기어박스의 관성을 변경하는 것)만큼 간단할 수 있거나, 베어링의 예압을 변경하는 것(따라서 소정의 하중 조건에서 기어박스 서브어셈블리의 선형화된 베어링 강성 및 이에 따른 모드 형상 및 고유 진동수를 변경하는 것)만큼 상세할 수 있다.

전체 구동계 및 서브 어셈블리가 초기 평가에 따라 포장, 중량, 성능, 효율 등에 대한 차량의 요건에 맞는다는 것이 설정되었다면, 추가 세부사항이 시스템에 추가될 수 있으며, 보다 상세한 분석이 이루어질 수 있다.

효율성과 연비는 "시간 단계 적분법"의 방법을 사용하여 재계산될 수 있다. 이것은 토크/속도 레지던시의 방법보다 더 정확하고, 배터리 내의 충전 상태, 플라이휠 내의 운동 에너지 포화, 및 열적 효과와 같은 태양을 검사하는데 사용될 수 있다. 그러나 그것은 더 많은 시간이 소모되고, 다수의 구동 주기를 평가하기 위한 시간 페널티가 있다.

이것은 AVL Cruise 등의 산업 표준 툴에 의해 사용되는 방법이다. 특유 특징은 소프트웨어 패키지가 동일한 패키지에서 시간 영역과 간단 토크/속도 레지던시 방법을 모두 갖는다는 점, 사용자가 각각의 장점을 얻기 위해 그것들 사이를 전환할 수 있다는 점, 그리고 효율 및 연비 방법과 함께 포장 및 중량과 같은 성능의 다른 태양에 대한 통찰력이 존재한다는 점에 있다.

추가 세부사항이, 다양한 동적 해석이 음향 소음 (예를 들어 엔진 점화, 기어 울림(whine), 토크 리플(ripple), 모터 내 전자기력 등에 대응하는), 기어 덜걱거림(rattle), 션트(shunt), 팁-인/팁-아웃(tip-in/tip-out), 쿵소리(clonk), 충격 하중, 기어 변속 품질, 파워트레인 굽힘, 구동계 비틀림 모델 등과 같은 태양에 대한 구동계 성능을 평가하기 위해 수행될 수 있을 정도로, 시스템 정의에 추가될 수 있다.

이러한 다양한 현상과 실패 모드는 여러 가지 물리적 속성을 갖는다. 음향-기반의 현상은 20 - 50 Hz의 주파수에서 시작하여 15000 Hz 정도까지 간다. 느낄 수 있는 또는 구성요소 파손에 이르는 진동은 20 - 50 Hz 이하이다. 고주파 진동은 더 짧은 파장을 갖고 따라서 더 많은 노드와 더 많은 자유도의 총수를 갖는 더 높은 충실도 모델을 필요로 하고, 이것은 더 큰 계산 수고가 필요하다.

유사하게, 현상의 일부는 그 거동에서 근본적으로 선형이고 다른 것들은 매우 비선형이다. 최종적으로, 현상의 일부는 단지 비틀리는 수학적 모델에 의해 설명될 수 있으며, 다시 말해 모델이 소정의 노드에서 단지 1 자유도를 갖는다. 다른 것들에 대해서는, 모두 6 자유도가 요구된다.

따라서, 구성요소, 서브시스템 및 전체 시스템의 적절한 수학적 모델이 소정의 분석을 위해 생성될 필요가 있다. 시스템은 노드의 집합(a collection of nodes), 연속 모델 및 방정식을 이산의 대응물(discrete counterparts)로 전환하는 프로세스인 이산화(discretisation)로 알려진 프로세스에 의해 표현된다. 노드는 분석의 목적과 관련된 특정 속성(자유도)을 지닌다. 예를 들어, 비틀림 진동이 검토되었다면, 이후 노드는 비틀림 자유도를 가져야 한다. 병진 운동이 검토되면, 이후 그것들은 병진 자유도를 가져야 한다. 노드는 또한 해당 자유도와 관련된 관성을 가지며, 동적 모델을 완성하기 위해 강성 및 댐핑 조건에 의해 이웃 노드에 접속된다.

노드는 결과가 유도되는 모델에서의 지점이므로, 노드가 관심 있는 위치에 배치되는 것이 중요하다. 또한, 노드는 시스템의 거동이 충분히 설명되도록 충분한 양으로 배치되어야 한다. 예를 들어, 진동 파형은 그 형상을 설명하기 위해 그 파장에 따라 적어도 4개의 노드들이 필요하다. 따라서 노드가 0.25 센티미터 이상까지 분리되면 1 센티미터의 파장을 갖는 진동이 설명될 수 없다. 연속 고체에서 진동의 속도는 거의 일정하고 영률 및 밀도와 관련된다는 점을 고려하면, 더 높은 주파수 진동은 비례하여 더 짧은 파장을 갖고, 대응하는 더 미세한 이산화를 요구한다.

종래의 접근법에서는 실패 모드가 다른 패키지에서 평가되기 때문에 수학적 모델이 각 실패 모드에 대해 생성되는 것이 일반적이다. 모델은 소프트웨어 패키지에 의해 자동으로 생성되거나 사용자에 의해 정의될 수 있다.

그러나 모델이 수행되는 분석에 적합한지 여부에 관한 검사가 없다. 모델은 분석 시간에서 결과에 따른 패널티를 가져 불합리하게 상세해지거나 결과가 부정확할 수 있다는 의미에서 불충분하게 상세해지는 일이 있을 수 있다. 모델은 느린 연산 및 부정확성으로 이어져, 다른 영역에서 필요한 충실도를 상실하는 동안 과도한 한 영역에서의 상세함을 포함할 수 있다.

엔지니어들은 모델을 개량하고 이산화의 레벨이 변함에 따라 분석 결과가 어떻게 변하는지 여부를 알도록 검사하는 유한 요소 및 멀티 바디 동역학 패키지에서 동적 모델을 재구축 및 개량하는데 시간을 할애하는 것은 잘 알려져 있다. 그들은 모델이 지나치게 상세하지 않으면서 모델이 적절하게 정확하다는 확신을 추구하는 것을 목표로 하지만, 프로세스는 느리고 시간 소모적이며 일반적으로 조직 내에서 가장 높은 자격을 갖춘 따라서 고비용의 엔지니어에 의해 수행되는 것으로 끝나고, 이는 비용에 부정적인 영향을 가져온다.

본 발명은 소정의 실패 모드 또는 제품 성능의 태양을 위한 최적의 정확도 및 계산 효율을 제공하기 위하여 구성요소, 서브시스템 및/또는 시스템의 수학적 모델이 구체적으로 생성되는 기능을 제공한다. 소프트웨어 패키지는 평가될 필요가 있는 시스템의 동적 거동과 필요한 주파수 범위를 고려한다. 그것은 이때, 수학적 모델이 제한 주파수 범위 이하의 임의의 분석에 대해 정확하고, 관심 있는 현상 및 실패 모드를 분석하기 위해 적절한 특징(노드 위치, 구성요소의 접속, 경계 조건 등) 및 비선형도(degrees of non-linearity)를 갖도록, 분석의 속도 및 정확성을 위해 최적화된 수학적 모델을 생성하는 분석 포뮬레이션을 사용한다. 검토되는 물리적 현상(실패 모드)을 설명하는데 필수적인 모델의 지점에서의 노드를 유지하기 위하여, 모델의 이산화는 자동으로 수행된다.

또 다른 특징으로, 사용자 인터페이스는 엔지니어가 평가되는 현상 또는 실패 모드를 선택할 수 있게 하고, 소프트웨어 패키지는 주파수 범위, 비선형의 태양 및 포함될 자유도에 대한 적절한 설정을 자동으로 생성하는 것이 있을 수 있다. 이 방법으로, 시스템의 정확하면서도 계산적으로 효율적인 수학적 모델이 분석의 소정의 분야에서 비전문가 전문지식을 가진 엔지니어에 의해 생성될 수 있다.

수학적 모델이 소정의 동적 현상 또는 실패 모드에 대해 최적화된 방식으로 설정되는 것을 보장하는 것은 또 다른 장점이 있다. 그것은 구성요소 및 서브시스템 모델이 서브모델(또한, S-function 또는 superelement로 알려진)로의 패키지인 것을 가능하게 하고, 설계의 세부사항이 지적 재산권을 보호할 목적으로 숨겨질 수 있게 하며, 그러나 시물레이션이 모든 관련 설계 데이터를 사용하고 이에 따라 가능한 한 정확해 지는 것을 가능하게 한다.

본 발명은 서브시스템 간의 상호작용을 계산함으로써, 현재 툴의 사용이 불가능하도록 제품으로 확대되어 있는 영향을 고려하고자 한다. 전기-기계식 구동계는 고집적된 전기 모터와 기어박스와 함께, 점차 일반화되고 있다. 동력이 모터에서 발생되면, 회전자는 불균형 자기력(magnetic pull)을 받고, 임의의 샤프트 편향 또는 이탈(run out)은 회전자를 중심 밖으로 당겨지는 것으로 이어질 것이다. 이러한 힘(모멘트 포함) 및 편향(오정렬 포함)은 베어링 상의 하중 및 이에 따른 베어링 수명, 및 기어 스트레스, 수명, 소음 및 효율을 계산하는데 중요하다. 또한, 모터 효율에 영향을 미치는 모터의 에어 갭도 영향을 받는다.

본 발명은 모터 및 기어박스가 이러한 실패 모드가 조사될 수 있는 단일 시스템으로 정의될 수 있다. 적절한 수학적 모델이 모든 힘과 편향을 계산하기 위해 유도될 수 있다. 기어 분리력, 베어링 및 하우징 강성, 및 회전자 불균형 자기력이 베어링 하중과 오정렬, 기어 오정렬, 축 편향, 하우징 편향 및 에어 갭의 감소의 계산에 이르는 단일 시스템 계산에 모두 결합된다.

하나 이상의 실패 모드는 별개의 서브어셈블리들보다는 오히려 완성 기어박스와 모터 시스템에 대해 계산되는 고유 주파수와 모드 형상(고유 벡터와 고유 주파수)을 포함하며, 이것은 모터의 소정의 속도 및 토크 조건에 대한 네거티브 강성으로 선형화되고 표현되는 회전자 상의 불평형 자기력을 포함한다. 다른 비선형 태양은 또한 선형화된다 - 기어 맞물림 강성 및 롤러 베어링의 강성은 소정의 하중 조건에 대하여 계산되고, 선형인 것으로 가정된다. 이들 모두는 단일 시스템 계산에 포함된다

이로부터, 동적 반응 및 음향 방사(radiation)가 완성 기어박스와 모터 시스템을 위해 계산되고, 기어 변속 오류, 모터 토크 리플 및 전자기력을 설명하며, 이전 단락에서 설명한 바와 같은 고유 벡터와 고유 주파수 포뮬레이션의 반응을 계산한다.

본 발명은 또한 작동 조건에서 모터 내 에어 갭의 감소를 계산하기 위하여, 밸런스 질량, 회전자 샤프트의 편향 및 구성요소 제조 공차로부터 불균형 자기력에 따라 기어박스와 모터 시스템의 동적 시뮬레이션을 사용할 수 있다. 이것은 모터를 위한 가장 적합한 에어 갭을 정의하는데 사용될 수 있고, 따라서 모터의 효율을 최적화한다.

본 발명은 또한 모터, 기어박스 또는 전기-기계식 구동계의 개념 선택 단계를 고려하고, 개념이 하우징 설계가 없는 단계에서 토크 리플이나 변속 오류로부터의 여기(excitation)에 거의 반응할 것이라는 것에 대한 통찰력(insight)을 제공한다.

기술 조사는 모터, 기어박스 또는 전기-기계식 구동계 시스템의 계산된 동적 반응이 개념 모델이 (롤러 베어링의 외륜이 견고하게 지지되는데에) 사용되거나 상세 모델이 (롤러 베어링의 외륜이 하우징의 질량/강성 표현에 첨부되는데에) 사용되는지 여부에 따라 매우 다르다는 것을 보였다.

본 발명은 추가 하우징 유연성이 각각의 롤러 베어링의 외륜에 적용되는 기능을 제공하고, 전체 하우징 설계의 유연성의 근사 표현을 준다. 이러한 유연성의 계수는 일반적으로 다른 유사한 제품으로부터 완성 하우징 설계의 유한 요소 표현의 강성 매트릭스들의 선두 대각선 항을 검사하는 것으로부터 유도된다.

시스템이 토크 리플 및/또는 변속 오류로부터의 여진에 반응하여, 동적 시뮬레이션은 이때 실행된다. 기술 조사는 이러한 변형 모델의 계산된 동적 반응이 롤러 베어링의 외륜이 강성 유지되는 종래 개념 모델에 대해서보다 완성된 상세 모델의 것에 훨씬 더 가깝다는 것을 보였다.

그러나 이 시뮬레이션은 소음을 방사하는 하우징 구조가 없기 때문에 음향 방사의 값을 제공하지 않는다. 따라서 본 발명은 시스템이 토크 리플 및/또는 변속 오류로부터의 여기에 대한 최대/최소 동적 반응을 갖는 지시를 제공하기 위하여 베어링 상의 동하중이 이때 베어링 외륜을 통해 전달되는 진동 동력을 계산하는데 사용된다는 혁신적인 분석을 사용한다.

이것은 각 베어링에 대해 개별적으로 수행될 수 있고, 또는 동력은 모든 베어링에 걸쳐 합산될 수 있다. 동력은 개별 속도 및 하중에서 평가될 수 있거나 또는 모든 작동 지점에 걸쳐 합산될 수 있다. 동력은 계산된(예측된) 값 또는 토크 리플 또는 변속 오류에 반응하여 또는 토크 리플 또는 변속 오류의 공칭, 단위 값에 반응하여 계산될 수 있다.

Claims (27)

1. 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학(computer aided engineering)의 방법으로서, 상기 방법은,
   a) 사용자가 구동계의 하나 이상의 구성요소들의 다수의 실패 모드 분석들을 위한 단일 공통 데이터 소스로서 구동계 설계의 파라미터 설명을 제공하는 단계로서, 파라미터 설명은 구동계 또는 그것의 구성요소들의 형상, 기능, 속성 및 작동 조건과 관련된 데이터 셋트들을 포함하며, 구동계는 단일 시스템으로 정의되는 전기 모터/발전기 및 기어박스를 포함하는, 단계;
   b) 컴퓨터 프로그램이 구동계의 구성요소의 하나 이상의 실패 모드의 사용자 선택을 수신하는 단계로서, 실패 모드는 구동계가 성능 목표를 충족하지 않았다는 표시를 제공하는, 단계;
   c) 컴퓨터 프로그램이, 선택된 실패 모드의 분석의 복잡도에 적합한 파라미터 설명으로부터, 데이터를 선택하는 단계;
   d) 컴퓨터 프로그램이 구동계의 성능 정보를 얻기 위하여 선택된 데이터를 분석하는 단계; 및
   e) 컴퓨터 프로그램이 성능 정보를 사용자에게 제공하는 단계; 및
   f) 다수의 실패 모드 구성요소 분석들로부터 구동계의 성능 정보를 얻기 위하여 적어도 하나의 추가 사용자 선택 실패 모드를 위해 단계 b) 내지 e)를 반복하는 단계로서, 적어도 하나의 추가 사용자 선택 실패 모드 분석들을 위해 데이터를 선택하는 것은 데이터가 선택된 실패 모드를 위해 선택되는 이들 데이터 셋트들과는 상이한 데이터 셋트들로부터의 데이터를 선택하는 것을 포함하는, 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
2. 제1항에 있어서,
   g) 컴퓨터 프로그램이 사용자로부터 설계의 변경을 수신하는 단계;
   h) 컴퓨터 프로그램이 파라미터 설명을 업데이트하고, 단계 c) 내지 e)를 반복하는 단계; 및
   i) 설계가 성능 목표를 충족할 때까지 단계 g) 및 h)를 반복하는 단계
   의 추가 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   분석 단계는 컴퓨터 프로그램이 파라미터 설명으로부터 하나 이상의 수학적 모델을 유도하는 것을 포함하고, 다수의 실패 모드를 위한 수학적 모델을 유도하는데 사용된 데이터가 단일 공통 데이터 소스로부터 유도되는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
4. 제3항에 있어서,
   구동계는 하나 이상의 서브시스템을 포함하고 서브시스템은 상기 하나 이상의 구성요소를 포함하며, 분석 단계는 동적 분석을 포함하고, 구성요소 또는 서브시스템의 상기 수학적 모델을 유도하는 단계는 컴퓨터 프로그램이 이산화된 모델(discretised model)을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
5. 제4항에 있어서,
   이산화된 모델은 노드를 포함하고, 노드 당 자유도는 실패 모드에 적절한 선형 또는 비선형 특징을 갖는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
6. 제4항에 있어서,
   주파수 범위 및/또는 노드 당 1 자유도 및 노드 당 6 자유도 면에서 설명될 수 있는 거동을 위한 적합한 설정들을 컴퓨터 프로그램이 자동으로 선택하는 단계를 더 포함하고, 자동으로 선택하는 단계는 컴퓨터 프로그램이 동적 분석에 관련된 설정을 선택하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 실패 모드의 사용자 선택은 일 구동 주기 또는 구동 주기의 집합에 대한 구동계의 효율을 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
8. 제7항에 있어서,
   컴퓨터 프로그램이 분석의 사용자 선택을 수신하는 추가 단계를 포함하고, 분석의 선택은 시간 영역 시뮬레이션에 의해 효율을 계산하고 단계 a) 내지 e)를 반복하며, 사용자는 분석들을 비교할 수 있는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 실패 모드의 사용자 선택은 기어의 스트레스, 내구성, 소음 및/또는 효율을 포함하고, 분석 단계는 호브, 셰이퍼 또는 밀링 커터의 돌기의 영향을 포함하는, 기어용 절삭툴의 형상의 영향에 대해 컴퓨터 프로그램이 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
10. 제3항에 있어서,
    상기 실패 모드의 사용자 선택은 구성요소 수명을 포함하며, 분석 단계는 컴퓨터 프로그램이 전기 모터/발전기 내의 불균형 자기력 또는 회전자 샤프트 편향과 기어박스 내의 기어 분리력을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
11. 제10항에 있어서,
    실패 모드는 제조 및 조립 공차를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
12. 제3항에 있어서,
    수학적 모델은 전기-기계식 구동계의 동적 모델이며, (ⅰ) 기어로부터 변속 오류; (ⅱ) 상기 전기 모터/발전기로부터 토크 리플; (ⅲ) 상기 전기 모터/발전기로부터 방사상 전기-기계적 하중의 소스들 중 하나 이상에 의해 여기되는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 실패 모드의 사용자 선택은 모드 형상 및 고유 주파수를 포함하며, 분석 단계는 컴퓨터 프로그램이 소정의 속도 및 하중 작동점에서 기어 맞물림 강성, 롤러 베어링 강성 및/또는 불균형 자기력의 비선형 거동을 선형화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
14. 제1항에 있어서,
    상기 실패 모드의 사용자 선택은 상기 전기 모터/발전기의 에어 갭을 포함하고, 분석 단계는 컴퓨터 프로그램이 준정적 또는 동적 조건에서 시스템 편향을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 실패 모드의 사용자 선택은 개념 단계에서 상기 전기 모터/발전기, 상기 기어박스, 상기 구동계 또는 전기-기계식 구동계의 동적 거동을 포함하고, 분석 단계는 토크 리플 및/또는 변속 오류에 반응하여 베어링 외측 링으로부터 하우징으로 전달되는 진동 동력을 제공하기 위해 컴퓨터 프로그램이 모든 베어링의 외륜에 일반 하우징 강성을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
16. 제4항에 있어서,
    상기 실패 모드의 사용자 선택은 구동계의 포장을 더 포함하고, 설계가 상기 성능 목표를 어떻게 충족하는지를 사용자가 평가하는 것은 사용자가 그래픽 사용자 인터페이스에서 구동계 또는 그것의 구성요소의 기하학적 치수를 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
17. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    선택된 데이터를 분석하고, 사용자에게 성능 정보를 제공하는 단계는 컴퓨터 판독가능한 기록매체에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
18. 제17항에 있어서,
    분석을 위한 하나 이상의 실패 모드의 사용자 선택을 수신하는 단계는 동일한 컴퓨터 판독가능한 기록매체에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
19. 제17항에 있어서,
    실패 모드는 엔지니어링 성능인 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
20. 제19항에 있어서,
    엔지니어링 성능은 다음을 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법: 차량/제품 성능, 에너지/연료 효율/절약, 배기 가스 배출, 비용, 구조적 편향 및 스트레스, 내구성 및 피로, 제조능력, 열적 성능, 가청 소음의 발생, 동적 입력 하중으로 인한 기계적 파손, 사용자 및/또는 환경에 불리한 동적 하중의 발생, 속도 및 비율 변경, 및 제어 시스템과의 양호한 상호작용.
21. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    파라미터 설명을 제공하는 단계 또는 업데이트 하는 단계는,
    구동계를 위한 구성요소의 사용자 선택을 컴퓨터 프로그램이 수신하는 단계;
    선택된 구성요소를 사용자가 위치시키는 단계;
    선택된 구성요소 간에 연계(association)를 사용자가 생성하는 단계; 및
    하나 이상의 연계, 선택된 구성요소의 상대 위치, 선택된 구성요소의 속성 및 연계의 속성에 기초한 단일 파라미터 설명을 컴퓨터 프로그램이 형성하는 단계에 따라,
    컴퓨터 프로그램이 구동계의 레이아웃을 컴퓨터 시스템의 그래픽 사용자 인터페이스 내에 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
22. 제21항에 있어서,
    사용자 지시에 따라 컴퓨터 프로그램이 구동계를 위한 그래픽 사용자 인터페이스에서 기어박스를 위한 그래픽 사용자 인터페이스로 천이하는 단계;
    기어박스를 위한 그래픽 사용자 인터페이스는 기어박스 비율, 기능적 레이아웃, 기하학적 치수, 구성요소 하중, 편향 또는 내구성을 사용자가 정의, 사용자가 변경, 또는 컴퓨터 프로그램이 분석하는 것을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
23. 제22항에 있어서,
    천이 단계는 동일한 그래픽 사용자 인터페이스에서 일어나는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
24. 제22항에 있어서,
    정의 또는 변경 단계는 컴퓨터 프로그램이 파라미터 설명을 수정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
25. 제22항에 있어서,
    분석 단계는 컴퓨터 프로그램이 파라미터 설명을 수정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법.
26. 구동계의 컴퓨터 이용 공학 설계를 위한 컴퓨터 판독가능한 기록매체로서, 상기 컴퓨터 판독가능한 기록매체는 제1항 또는 제2항에 따른 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법의 단계들을 구현하기 위한 코드 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 구동계의 컴퓨터 이용 공학 설계를 위한 컴퓨터 판독가능한 기록매체.
27. 회전 기계 어셈블리의 컴퓨터 이용 공학 설계를 위한 컴퓨터 시스템으로서, 상기 시스템은 제1항 또는 제2항에 따른 구동계를 위한 설계를 생성하기 위한 컴퓨터 프로그램에서 구현되는 컴퓨터 이용 공학의 방법의 단계들을 구현하기 위해 설계된 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 회전 기계 어셈블리의 컴퓨터 이용 공학 설계를 위한 컴퓨터 시스템.

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