KR20050055652A - 지로터 오일 펌프용 통합적 설계 자동화 시스템 및 설계방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지로터 펌프의 통합적 설계 자동화 시스템과 그 설계 방법에 관한 것으로, 설계 변수 값들을 입력하는 입력 모듈과, 상기 설계 변수 값들로부터 치형 방정식에 의해 내부 로터의 궤적과 외부 로터의 궤적을 계산하고, 상기 내부 및 외부 로터 사이의 오프 셋을 보정한 후 상기 계산에 의한 치형의 유량과 맥동을 계산하는 설계 모듈과, 상기 내부 및 외부 로터의 궤적을 이용하여 상기 외부 로터 끝단부의 곡률, 상기 내/외부 로터 간의 거리, 상기 내부 로터의 옵셋 량 및 상기 내부 로터의 회전 각도를 입력받아 회전 각도에 따른 치형을 표시하는 출력 모듈을 포함함을 특징으로 한다.

Description

지로터 오일 펌프용 통합적 설계 자동화 시스템 및 설계 방법{DEVELOPMENT OF AN INTEGRATED SYSTEM FOR AUTOMATED DESIGN OF GEROTOR OIL PUMP AND THEREOF METHOD}

본 발명은 오일 펌프 등에 사용되는 지로터 펌프에 관한 것으로, 특히 지로터 오일 펌프를 통합적으로 설계하기 위한 자동화 시스템 및 설계 방법에 관한 것이다.

통상적으로 오일 펌프(Oil Pump)는 자동차의 엔진 등에 장착되어 구동되는 엔진의 필수 기능 부품으로 엔진으로부터 공급받는 기계적인 에너지를 엔진 오일의 압력 에너지 및 속도 에너지로 변환시켜 엔진 내부의 각 습동부에 윤활 오일을 공급하여 부품의 이상 마모, 소착 등이 발생하지 않도록 하는 부품이다. 상기 오일 펌프를 구성하는 부품은 전기적인 모터(Electric motor), 키(key), 로터리 샤프트 실(rotary shaft seal), 베어링 쉘(Bearing shell), 플렌지(Flange), 외부 로터(Outer rotor), 내부 로터(Inner rotor), 로터 케이스(Rotor case), 오링(O-ring), 스크류(Screw) 등으로 구성된다. 상기 오일 펌프에서 기타 표준 제품 이외에 상기 로터 케이스는 오일 펌프의 사양에 따라 다이캐스팅으로 생산되고 있으며, 상기 외부 로터 및 내부 로터는 분말 단조로 생산되고 있다.

일반적으로 흔히 사용되고 있는 정용량형 유압 내접 기어 펌프 및 모터는 내접 기어의 치형 형태에 대한 결합으로 생성된 스퍼어 기어나 원의 곡선을 변형하여 사용하고 있다.

임의적으로 생성한 로터를 가지는 지로터(Gerotor) 펌프 및 모터는 내부 로터와 외부 로터로 구성되어 있어 구조가 간단하고 소결 제품의 제작 기술 발달로 가공의 정밀도가 높아짐에 따라 형상이 복잡하더라도 가공이 용이하며 조립이 쉬고 두 치형 사이에 상대 운동이 적으므로 장기간 사용하여도 효율의 변화가 적으며 흡입 성능이 우수하다. 또한, 피스톤 펌프와 결합된 2연 펌프(Tandeum pump)의 흡입 및 저항을 주는 펌프로 널리 사용되고 있으며, 특히 다른 펌프에 비하여 소음이 적어 엔진 윤활을 위한 윤활유의 공급원이나 자동 변속기의 유압원으로 널리 사용되고 있다. 또한, 전체 체적에 비하여 베인이나 기어 펌프보다 1회전당의 토출량이 많은 것을 장점으로 가지고 있다. 이러한 이유로 유압 시스템에 널리 사용되고 있으며 최근 가공 기술의 발달과 함께 급격하게 응용성이 점차 확대되어 가고 있는 실정이 있다.

따라서, 지로터형 펌프/모터의 치형 설계와 관련하여 많은 연구가 수행되어 왔다. Colbourne("Gear Shape and Theoretical Flow Rate in Internal Gear Pumps," Trans. of the CSME, Vol. 3, No. 4 pp. 215-223, 1975)은 내부 로터와 외부 로터의 접촉을 시뮬레이션하여 내부 로터 치형의 좌표를 구하고 내부 로터와 외부 로터의 치형 곡선으로 폐쇄되는 챔버에서의 면적을 계산하였다. Sae-gusa("Development of Oil-Pump Rotor with a Trochoidal Tooth Shape," Tran. SAE, 840454. pp. 359-364, 1984) 등은 내부 로터를 고정시키고 외부 로터를 회전시켜 외부 로터의 치형인 원호의 중심에 대한 궤적을 구하고, 내부 로터와 외부 로터의 물림 특성으로부터 내부 로터의 치형을 구하는 식을 유도하여 내부 로터의 치형을 구하는 식을 유도하였다. 또한, Beard("Hypotrochoidal versus Epitrochoidal Gerotor Type Pumps with Special Attention to Volume Change Ratio and Size," ASME Proceedings, Design Automation conferance, Boston, Mass,. Sep. 1987) 등은 하이포트로코이드(Hypotrochoidal)와 에피트로코이드(Epitrochoidal) 사이의 유량 변화를 비교하고 수학적인 관계를 나타냈다. Tsay("Gerotor Pumps-Design Simulation And Contact Analysis," pp. 349-356. 1992)는 절삭과정을 시뮬레이션 하여 내부 로터의 치형을 구하는 방법을 발표하였다. 한편, 이성철("Journal of KSTLE, Vol. 11, No 2, pp 63-70. 1995) 등은 곡선족(family of curves)을 이용하여 내부 로터의 치형에 대한 식을 유도하고 유압 모터를 대상으로 유량 및 토크 계산 등의 특성 해석을 실시하였다.

그러나, 현재까지 발표된 내용들은 이론적 해석에 치중하였고, 더구나 이것을 전산화하여 쉽게 활용한 예는 없어서 실제 설계시 많은 문제점이 있었다. 또한, 오일 펌프 설계 기술에서 가장 중요한 로터 형상의 설계에 대한 연구가 필요하며, 고성능, 고효율, 저소음, 저진동의 새로운 치형에 대한 연구가 절실한 실정이다. 특히, 오일 펌프의 성능, 진동, 효율에 관련된 인자를 분석하여 치형의 기하학적(geometry), 유체역학적(CFD; Computational Fluid Dynamics), 시스템적(System sumulation) 접근이 요구된다.

본 발명은 최적이 치형을 가지는 지로터 오일 펌프의 설계를 위한 통합적 설계 자동화 시스템 및 그에 따른 설계 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 기하학적, 운동학적으로 분석하여 트로코이드 치형에 관한 구형 방정식에 의한 통합적 설계 자동화 시스템 및 그에 따른 설계 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 입력 변수 값에 의하여 치형을 창출시키고 외부로부터의 회전 각도에 따른 순간 유동 및 맥동을 자동으로 계산하는 통합적 설계 자동화 시스템 및 그에 따른 설계 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 기존의 실차에 적용되고 있는 치형보다 좋은 유량 및 맥동의 값을 갖는 치형을 얻도록 하는 통합적 설계 자동화 시스템 및 그에 따른 설계 방법을 제공한다.

상기한 바를 달성하기 위한 본 발명은, 설계 변수 값들을 입력하는 입력 모듈과, 상기 설계 변수 값들로부터 치형 방정식에 의해 내부 로터의 궤적과 외부 로터의 궤적을 계산하고, 상기 내부 및 외부 로터 사이의 오프 셋을 보정한 후 상기 계산에 의한 치형의 유량과 맥동을 계산하는 설계 모듈과, 상기 내부 및 외부 로터의 궤적을 이용하여 상기 외부 로터 끝단부의 곡률, 상기 내/외부 로터 간의 거리, 상기 내부 로터의 옵셋 량 및 상기 내부 로터의 회전 각도를 입력받아 회전 각도에 따른 치형을 표시하는 출력 모듈을 포함하는 지로터 펌프의 통합적 설계 자동화 시스템을 제안한다.

상기한 바를 달성하기 위한 본 발명은, 설계 변수 값들을 입력하는 과정과, 상기 설계 변수 값들로부터 치형 방정식에 의해 내부 로터의 궤적과 외부 로터의 궤적을 계산하고, 상기 내부 및 외부 로터 사이의 오프 셋을 보정한 후 상기 계산에 의한 치형의 유량과 맥동을 계산하는 과정과, 상기 내부 및 외부 로터의 궤적을 이용하여 상기 외부 로터 끝단부의 곡률, 상기 내/외부 로터 간의 거리, 상기 내부 로터의 옵셋 량 및 상기 내부 로터의 회전 각도를 입력받아 회전 각도에 따른 치형을 표시하는 과정에 의한 지로터 펌프의 통합적 설계 방법을 제안한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다. 하기에는 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명은 지로터 치형에 대한 효율적인 완전 형식 방정식(Closed-form equation)을 유도하고, 설계 자동화 프로그램에 의해 보다 용이하게 지로터 치형을 생성한다.

먼저, 본 발명에 있어서의 지로트 치형 설계에서 대해 살펴보면 다음과 같다.

소정의 고정원(Basic Circle)의 원주를 따라 구름원(Rolling Circle)을 회전시킬 때 구름원의 원주상의 한 점이 그리는 궤적을 사이클로이드(cycloid) 곡선이라 하고 다음과 같이 분류한다.

- 애피사이클로이드(Epi-cycloid) 곡선 : 구름원이 고정원 바깥쪽에 접하여 있을 때 구름원의 원주상 한 점이 그리는 곡선을 말한다.

- 하이퍼사이클로이드(Hyper-cycloid) 곡선 : 구름원이 고정원 아래쪽에 접하여 있을 때 구름원의 원주상 한 점에 그리는 곡선을 말한다.

트로코이드 곡선이란 고정원에 접하고 있는 구름원의 반경상의 한 점이 그리는 궤적을 말하며 사이클로이드 곡선보다 일반적인 형태의 곡선임을 알 수 있다. 트로코이드 곡선의 양점은 구름원의 반경 a와 구름원과 동심원 원의 반경 b의 비율에 따라 여러 형태의 곡선이 얻어진다.

앞에서도 밝힌 바와 같이 지로트 펌프는 내부 로터와 외부 로터로 구성된다. 따라서 후술 될 지로트 치형 설계에 대한 설명은 내부 로터에 대한 치형 설계와 외부 로터에 대한 치형 설계를 구분하여 설명하도록 한다.

본 발명에서는 내부 로터의 치형 설계를 위해 내외부 로터의 피치원이 교차되는 피치점을 고정시키고, 곡률반경의 중심을 회전시켜 치형 방정식을 유도한다.

도 1에서는 일반적인 트로코이드 펌프 곡선의 프로파일을 보이고 있는 도면이다. 상기 도 1에서는 외부 로터 피치원의 중심(O₂), 내부 로터 피치원의 중심(O₁), O₂와 O₁ 사이의 편심량(e), 외부 로터가 원의 일부분일 때의 곡률 반경(r_l2) 등을 도시하고 있다.

도 2는 회전된 위치에서의 곡률 중심 좌표를 보이고 있는 도면이다. 상기 도 2에서 외부 로터가 α만큼 회전할 때 곡률 반경의 중심 좌표는 하기 <수학식 1>을 가정할 때, 하기 <수학식 2>와 같다.

이때, 접촉점(P)은 하기 <수학식 3>으로부터 구할 수 있다.

외부 로터의 회전량에 따른 기하학적 변수들을 위의 과정을 통하여 계산한 후 접촉점의 궤적을 구한다. 그리고 상기 구하여진 접속점의 궤적으로부터 내부 로터의 궤적을 구할 수 있다. 상기 내부 로터의 궤적 상에 존재하는 한 점, P_in(X_in, Y_in)은 도 3으로부터 하기 <수학식 4>로 표현된다.

여기서, 은 하기 <수학식 5>로부터 구한다.

상기 내부 로터의 곡률 반경은 하기 <수학식 6>으로 정의될 수 있다.

한편 외부 로터가 회전할 때, 내부 로터의 회전 각도(φ)는 도 4로부터 하기 <수학식 7>로 표현된다.

다음으로 외부 로터의 궤적은 내부 로터의 궤적과 마찬가지로 접촉점의 궤적으로부터 유도하여 구할 수 있다.

상기 외부 로터의 궤적 상에 존재하는 한 점, P_out(X_out, Y_out)은 하기 <수학식 8>로 표현된다.

그리고 상기 외부 로터의 곡률 반경은 하기 <수학식 9>와 같다.

한편 외부 로터의 최대 곡률 반경은 하기 <수학식 10>에 의해 정의된다.

외부 로터의 곡률 반경인 r_l2가 상기 <수학식 10>에 의해 계산된 r_l2,max보다 작으면 작을수록 예각점(sharp point)과 첨점(cusp)을 발생시키지 않는 치형을 구할 수 있다.

다음으로 지로터 펌프에서의 유량 및 맥동을 계산하기 위한 구체적인 방안에 대해 살펴보도록 한다.

도 5와 도 6은 흡입 포트와 토출 포트의 구조를 보이고 있는 도면이다. 상기 도 5에서는 외부로터가 홀수개일 때의 포트 형상을 보이고 있으며, 상기 도 6에서는 외부로터가 짝수개 일때의 포트형상을 보이고 있다.

상기 도 5에서 보이고 있는 바와 같이 흡입포트 및 토출 포트는 각 로터의 중심점에서 최대로 팽창시와 수축시의 챔버의 접촉점을 이어 설계할 수 있다. 이는 흡입포트와 토출포트의 사이 간격이 하나의 챔버가 완전하게 채워지는 공간으로 설계 되어져야 한다는 것을 의미한다.

상기 흡입 및 토출 포트의 간격이 이보다 작아지면, 흡입포트와 토출포트가 오버랩(overlab) 상태에 있게 되므로 토출포트에서 흡입포트로 토출 유량 손실이 발생하게 된다. 한편 상기 흡입 및 토출 포트의 간격이 커지면, 작동 유체의 체적탄성계수의 영향으로 인해 챔버의 압력이 급격히 증가하여 기구가 파손되거나 펌프의 운전을 방해하게 된다.

상기 지로터 펌프의 순간 유량과 맥동은 접촉점 및 내외부 로터의 치형에 관한 정보를 이용하여 계산할 수 있다. 이때 작동 유체는 비압축성 유체로써 체적의 변화가 발생하지 않는다고 가정한다.

도 7에서 해칭된 챔버(chamber)는 내외부 로터가 만나는 두개의 접촉점을 경계로 닫혀진 폐구간 영역이다. 각 챔버는 로터가 일정한 간격으로 미소 각도만큼 회전함으로써 도 8과 같이 측면의 길이가 변화되어 체적이 증감한다. 이 때, 챔버가 유량의 변화에 기여하는 정도를 나타내는 것을 순간유량으로 정의한다.

상기 도 8에서 “+”로 나타난 영역에서는 작동유체의 흡입이 일어나고, “-”로 나타난 영역에서는 토출이 일어난다. 이 영역이 나타내는 면적들은 각각의 중심으로부터 접촉점 사이의 거리의 제곱에 비례한다. 따라서 순간 유량(instantaneous flow rate)은 하기 <수학식 11>에 의해 구할 수 있다.

여기서 이다.

각속도의 비는 내/외로터의 치차의 개수에 비례한다. 이를 일반화하면 하기 <수학식 12>와 같다.

도 9에서 내부 및 외부 로터의 중심점에서 i번째 챔버의 시작 접촉점 (A)까지의 거리는 하기 <수학식 13>에 의해 구할 수 있다.

그리고 도 9에서 내부 및 외부 로터의 중심점에서 i번째 챔버의 끝 접촉점 (B)까지 거리는 하기 <수학식 14>에 의해 구할 수 있다.

여기서 이다.

상기 내부 및 외부 로터의 중심에서 두 접촉점(A, B)의 사잇각은 하기 <수학식 15>와 하기 <수학식 16>에 의해 계산된다.

따라서 챔버의 체적이 증가될 때 순간 유량(q)의 값은 음수가 되어 지로터 펌프는 작동 유체를 흡입시킨다. 반대로 챔버의 체적이 감소될 때는 순간 유량(q)의 값은 양수가 되어 지로터 펌프는 작동 유체를 토출시킨다.

한번의 회전당 유량은 하기 <수학식 17>로써 정의된다.

이하 앞에서 살펴본 바를 참조하여 본 발명에서 제안하고자 하는 통합적 설계 자동화 시스템 및 설계 방법에 대해 설명하도록 한다.

도 10에서는 본 발명에서 제안하는 통합적 설계 자동화 시스템을 개략적으로 보이고 있다. 상기 도 10에서 보이고 있는 바와 같이 통합적 설계 자동화 시스템은 입력 모듈, 설계 모듈 및 출력 모듈로 구성되어 있다.

입력모듈

입력모듈은 치형 설계 및 유량, 유량맥동 계산의 자동화를 위하여 설계 변수 값들을 입력하는 모듈이다. 상기 설계 변수는 외부로터의 치차의 개수(z₂), 내외부 로터 중심간의 거리, 즉 편심량(e), 곡률반경(r_l2), 곡률반경의 중심과 외부로터 중심간의 거리(d)이다.

설계모듈

설계 모듈에서는 입력 모듈을 통해 입력된 설계 변수 값으로 부터 치형 방정식에 의하여 내부 로터의 궤적과 외부 로터의 궤적을 창출한다. 그리고 내부 로터와 외부 로터 사이의 오프셋 량을 보정한 후, 창출된 치형의 유량과 맥동을 계산한다. 상기 내부 및 외부 로터의 궤적을 창출하는 알고리즘은 도 11에서 보이고 있으며, 순간 유량 및 맥동 계산을 위한 알고리즘은 도 12에서 보이고 있다.

상기 도 11을 참조하면, 1100단계에서 입력 모듈부터의 설계 변수 값을 입력한다. 상기 설계 변수는 외부로터의 치차의 개수(z₂), 편심량(e), 곡률반경(r_l2), 곡률반경의 중심과 외부로터 중심간의 거리(d)이다. 그리고 상기 1100단계에서는 반복 동작 횟수를 카운트하기 위한 파라미터 를 0으로 설정한다.

1102단계에서는 외부로터의 치차의 개수 z₂와 내부로터의 반지름 r_l 및 외부로터의 반지름 r₂을 계산한다. 이는 상기 <수학식 1>에 의해 계산될 수 있다. 1104단계에서는 외부로터가 만큼 회전할 때 곡률 반경의 중심 좌표 o₁₂와 접속점 P를 계산한다. 상기 외부로터가 만큼 회전할 때 곡률 반경의 중심 좌표 o₁₂는 상기<수학식 2>에 의해 계산될 수 있다. 그리고 상기 접속점 P는 상기 <수학식 3>에 의해 계산된다.

1106단계에서는 내부 로터의 곡률 반경 과 외부 로터의 곡률 반경 를 계산한다. 상기 내부 로터의 곡률 반경 은 상기 <수학식 6>에 의해 얻을 수 있으며, 상기 외부 로터의 곡률 반경 는 상기 <수학식 9>에 의해 얻을 수 있다.

1108단계에서는 앞에서 구하여진 파라미터들에 의해 γ, δ, θ, φ를 계산한다. 그리고 1110단계에서 내부 로터 궤적 상의 한점 P_in(X_in, Y_in)와, 외부 로터 궤적 상의 한점 P_out(X_out, Y_out)을 계산한다. 상기 내부 로터 궤적 상의 한점 P_in(X_in, Y_in)은 도 3으로부터 <수학식 4>에 의해 계산될 수 있다. 그리고 상기 외부 로터 궤적 상의 한점 P_out(X_out, Y_out)은 <수학식 8>에 의해 계산될 수 있다.

1112단계에서는 상기 를 1 증가시킨 후 1114단계로 진행한다. 상기 1114단계에서는 상기 가 2π에 도달하였는 지를 판단한다. 상기 가 2π에 도달하였다면 내부 및 외부 로터의 궤적을 창출하는 알고리즘을 종료한다.

하지만 상기 가 2π에 도달하지 않았다면, 상기 1102단계로 진행한다. 그리고 상기 1102단계 내지 1114단계를 반복하여 수행한다.

상기 도 12를 참조하면, 1200단계에서 b, ω를 입력하고, 카운트를 위한 파라미터 i와 를 0으로 설정한다. 1202단계에서는 P를 계산한 후 1204단계에서 을 계산한다.

1204단계에서는 상기 를 증가시키고(int_), 1206단계로 진행한다. 1206단계에서는 를 +2π/에 의해 변경한다. 1208단계에서는 카운트를 위한 파라미터 i를 1 증가시킨다. 1210단계에서는 상기 i가 까지 도달하였는 지를 판단한다.

상기 i가 에 도달하지 못하였다면, 상기 1202단계 내지 1210단계를 반복하여 수행한다. 하지만 상기 i가 에 도달하였다면, 1212단계로 진행하여 를 계산한다. 상기 는 <수학식 11>에 의해 계산될 수 있다.

1214단계에서는 상기 를 int_로 설정한 후 1216단계로 진행한다. 상기 1216단계에서는 상기 카운트 파라미터 를 1 증가시킨다. 1218단계에서는 상기 가 2π/를 만족하는 지를 판단한다.

상기 가 2π/를 만족한다면, 1220단계로 진행하여 <수학식 17>에 의한 q를 계산한 후 순간 유량 및 맥동 계산을 위한 알고리즘에 따른 동작을 종료한다. 하지만 상기 가 2π/를 만족하지 못한다면, 상기 1202단계 내지 상기 1218단계를 반복하여 수행하게 된다.

출력모듈

출력모듈에서는 치형 모델링, 회전시뮬레이션, 순간유량 곡선 및 데이터 파일의 저장을 수행한다. 상기 출력모듈의 치형 모델링에서는 설계모듈에서 구한 내외부 로터의 궤적을 이용하여, 외부 로터 끝단부의 곡률, 내외부 로터간의 거리, 내부 로터의 옵셋량, 내부로터의 회전 각도를 입력받아 회전 각도에 따른 치형을 창출시킨다.

회전 시뮬레이션에서는 실제 내부 및 외부 로터가 회전하는 모습을 시뮬레이션함으로서 챔버의 모양 및 크기, 회전시 간섭체크 등을 관찰하여 사용자가 오류를 미리 방지할 수 있도록 하였다. 상기 출력 모듈에서는 외부로터가 α만큼 회전될 시 출력포트의 순간유량을 그래프로 자동 출력한다. 또한 각종 데이터를 데이터 파일로 저장하고, VBA 및 ActiveX 기법을 이용하여 엑셀 파일에 직접 연결하여 PLM 시스템 구축이 용이하도록 한다.

이하 본 발명에서 제안한 통합적 설계 자동화 시스템의 적용 예를 살펴보면 다음과 같다.

후술 될 적용 예에서는 입력 변수값으로 z₂(5개), e(3.8), r_l2(15.048), d(32.1)을 사용한다. 상기 설계 변수 값들을 도 13에서 보이고 있는 입력 모듈을 통해 입력한 후 수행된 결과를 고찰한다.

곡률반경 원의 중심이 미소각도 회전시 곡률반경 원의 중심, 치차개수에 따른 접촉점의 궤적, 내부 및 외부의 궤적, 순간유량, 유량 맥동 등의 계산이 설계모듈에서 수행한다. 이를 도 14에서 나타내었다.

설계 모듈에서 계산된 결과를 바탕으로 도 15a와 같이 치형 형상의 창출에 필요한 입력값을 사용자로부터 입력받아 내부 및 외부 로터의 치형을 자동적으로 창출시킨다. 그 결과는 도 15b에서 나타내었다.

또한 회전시뮬레이션을 수행한 결과를 도 16에 나타내었으며, 도 17a와 같이 창출된 로터 치형의 두께값을 입력받아 외부로터의 회전각도에 따른 순간유량 및 맥동을 자동으로 계산한 결과를 도 17b에 나타내었다.

개발된 시스템에서 자동으로 계산하여 출력시키는 유량 및 맥동의 값을 검증하기 위하여 개발된 시스템에 적용한 결과를 상용프로그램인 AEMSim 시뮬레이션 및 실험 결과와 비교하여 그 결과를 고찰했다.

내외부 로터의 치차 개수, 곡률반경, 거리등의 입력값을 개발된 시스템 및 AEMSim 소프트웨어에 서 변화시켜 시뮬레이션을 수행하였고 이들 가운데 최고의 유량과 최적의 유량맥동을 가지는 경우를 하기 <표 1>에 나타내었다.

피치원(mm)	잇수(내/외부)	Outer의곡률반경(mm)	거리(d)(mm)	맥동(S)	유량(S)	맥동(A)	유량(A)	비고
19	4/5	14.7	31.4	12.781	16.754	11.725	16.66	(a)실차제품
19	4/5	15.048	32.1	12.519	17.09	11.493	16.99	(b)제품
22.8	5/6	11	28.8	8.042	17.65	6.93	17.41	(c)제품
22.8	5/6	10	28	8.283	17.83	7.13	17.65	(d)제품

상기 <표 1>에서 S는 개발된 시스템이며, A는 AEMSim 소프트웨어이다. 개발된 시스템의 순간 유량 및 유량 맥동의 결과는 상기 <표 1>에 나타난 것과 같이 AEMSim 시뮬레이션의 결과와 매우 잘 일치하였다.

내외부 로터 잇수가 5/6개인 경우가 4/5개인 경우보다 유량 및 유량 맥동이 더 우수하며, 로터 잇수가 4/5개인 경우에는 곡률반경(r_l2)과 거리(d)가 클수록 유량 및 유량 맥동이 우수함을 보였다. 그리고 로터 잇수가 5/6개인 경우에는 곡률반경(r_l2)과 거리(d)가 작을수록 유량이 개선되었다.

실험결과와 비교하기 위하여 최고의 유량과 최저의 유량 맥동을 가지는 제품(b), (c), (d)를 분말단조로 생산하였으며, 이를 도 18에 나타내었다.

실차에 적용되고 있는 로터 제품 (a)와 개발된 시스템에서 좋은 결과를 보여주는 로터 제품 (b)와 로터 제품 (d)에 대하여 rpm에 따른 유량 측정 결과를 도 19와 도 20에 나타내었다.

통합적 자동 설계 프로그램을 통하여 개발된 로터는 980, 1220, 2400, 3600rpm 에서 실차에 적용되고 있는 로터 보다 유량과 유량 맥동면에서 성능이 향상된 결과를 나타내었다.

본 발명에서는 오일 펌프의 성능, 진동, 효율에 관련된 인자를 분석하여 치형의 기하학적, 시스템적 접근을 통한 구성방정식을 제안하여 트로코이드 치형을 창출하고 내외부 로터체적과 유량 및 유량 맥동 계산시에 수반되는 복잡한 계산 과정을 전산화한 지로터 오일펌프용 통합적 설계 자동화 시스템을 개발했다.

이로써, 출력 모듈에서는 입력 변수값에 의하여 치형을 창출시키고 외부로터의 회전각도에 따른 순간유동 및 맥동을 자동으로 계산하여 그 결과를 그래프로 출력시킬 수 있다. 또한 개발된 치형은 기존의 실차에 적용되고 있는 치형보다 좋은 유량 및 맥동의 값을 가짐을 알 수 있으며, 로터가 회전하는 모습을 시뮬레이션함으로서 설계 오류를 사전에 방지할 수 있다. 그리고 완성차 업체의 사양에 따른 제조업체들의 적절한 치형 형태의 결정법을 제시할 수 있다.

도 1은 일반적인 트로코이드 펌프 곡선의 프로파일을 보이고 있는 도면.

도 2는 회전된 위치에서의 곡률 중심 좌표를 보이고 있는 도면.

도 3은 내부 로터의 프로파일 트래킹을 보이고 있는 도면.

도 4는 내부 로터의 회전 각도를 표현하기 위한 도면.

도 5는 외부 로터가 홀수 개일 때의 포트 형상을 보이고 있는 도면.

도 6은 외부 로터가 짝수 개일 때의 포트 형상을 보이고 있는 도면.

도 7은 내/외부 로터가 만나는 접속점들에 의해 나타나는 폐구간 영역을 보이고 있는 도면.

도 8은 로터의 회전으로 인해 측면 길이의 변화를 보이고 있는 도면.

도 9는 내부 및 외부 로터의 회전에 의해 변화되는 접촉점을 표현하고 있는 도면.

도 10은 본 발명에서 제안하는 통합적 설계 자동화 시스템의 구조를 보이고 있는 도면.

도 11은 내/외부 로터의 궤적을 획득하기 위한 알고리즘을 보이고 있는 도면.

도 12는 순간 유량 및 맥동 게산을 위한 알고리즘을 보이고 있는 도면.

도 13은 설계 변수 값을 입력하기 위한 입력 모듈의 일 예를 보이고 있는 도면.

도 14는 설계 변수에 의한 설계 모듈의 동작 예를 보이고 있는 도면.

도 15a와 도 15b는 출력 모듈에 의해 출력되는 결과 데이터를 보이고 있는 도면.

도 16은 회전 시뮬레이션을 수행한 결과를 보이고 있는 도면.

도 17a와 도 17b는 순간 유량 및 맥동을 자동으로 계산한 결과를 보이고 있는 도면.

도 18은 최고의 유량과 최저의 유량 맥동을 가지는 제품을 대비하여 보이고 있는 도면.

도 19와 20은 잇수를 달리하여 유량 측정을 수행한 결과를 보이고 있는 도면.

Claims (6)

1. 지로터 펌프의 통합적 설계 자동화 시스템에 있어서,

   설계 변수 값들을 입력하는 입력 모듈과,

   상기 설계 변수 값들로부터 치형 방정식에 의해 내부 로터의 궤적과 외부 로터의 궤적을 계산하고, 상기 내부 및 외부 로터 사이의 오프 셋을 보정한 후 상기 계산에 의한 치형의 유량과 맥동을 계산하는 설계 모듈과,

   상기 내부 및 외부 로터의 궤적을 이용하여 상기 외부 로터 끝단부의 곡률, 상기 내/외부 로터 간의 거리, 상기 내부 로터의 옵셋 량 및 상기 내부 로터의 회전 각도를 입력받아 회전 각도에 따른 치형을 표시하는 출력 모듈을 포함함을 특징으로 하는 상기 통합적 설계 자동화 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 설계 변수 값들은, 외부 로터의 치차의 개수, 내/외부 로터 중심 간의 거리임을 특징으로 하는 상기 통합적 설계 자동화 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 내/외부 로터 중심 간의 거리는, 편심량, 곡률 반경, 곡률 반경의 중심과 외부 로터 중심 간의 거리임을 특징으로 하는 상기 통합적 설계 자동화 시스템.
4. 지로터 펌프의 통합적 설계 방법에 있어서,

   설계 변수 값들을 입력하는 과정과,

   상기 설계 변수 값들로부터 치형 방정식에 의해 내부 로터의 궤적과 외부 로터의 궤적을 계산하고, 상기 내부 및 외부 로터 사이의 오프 셋을 보정한 후 상기 계산에 의한 치형의 유량과 맥동을 계산하는 과정과,

   상기 내부 및 외부 로터의 궤적을 이용하여 상기 외부 로터 끝단부의 곡률, 상기 내/외부 로터 간의 거리, 상기 내부 로터의 옵셋 량 및 상기 내부 로터의 회전 각도를 입력받아 회전 각도에 따른 치형을 표시하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 통합적 설계 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 설계 변수 값들은, 외부 로터의 치차의 개수, 내/외부 로터 중심 간의 거리임을 특징으로 하는 상기 통합적 설계 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 내/외부 로터 중심 간의 거리는, 편심량, 곡률 반경, 곡률 반경의 중심과 외부 로터 중심 간의 거리임을 특징으로 하는 상기 통합적 설계 방법.