Development of system dynamic and NVH simulation models for chain CVT

Abstract

코로나-19의 팬데믹과 반도체 공급난으로 인한 2020년 전세계 자동차 판매량은 감소하였으나 지속적으로 증가하는 추세에 있다. 반면 한국 시장에서는 그런 영향과는 큰 관련없이 등록 차량의 숫자는 증가하고 있다. 각국의 배기가스 규제가 강화되고 있으며, 이에 따라 차량 구동시스템의 패러다임이 전동화 추세로 변화하는 과도기에 있다. 차량 판매 전망 자료를 보면 2040년경에는 엔진이 탑재된 차량보다는 모터의 비중이 높다. 하지만, 여기에는 개선해야 할 문제가 몇 가지 존재한다. 전기자동차로 전환하기 위해서는 지금 화석 연료로 구동하고 있는 차량들에 공급할 충분한 전기 에너지가 있어야 하지만, 그러기에는 전력이 부족한 국가들이 아직은 지구 상에 많으며, 설령 전기가 확보되어도 그것을 충전하는 배터리의 공급량이 원할 하여야 한다. 하지만 전기 자동차 시스템은 아직 배터리의 단가가 비싼 단점이 존재하며, 주행 거리 역시 아직까지는 짧은 편이다. 아울러, 배터리의 문제까지 해결하더라도, 한 가지 문제가 더 있다. 그것은 바로 배터리의 충전 시간이다. 많은 운전자들은 기름을 주유하는 것에 익숙해져 있으며, 주유 시간에 비해 배터리 충전 속도는 아직 느린 편이고, 충전하는 장소도 적은 편이다. 이러한 인프라들이 전부 해결되지 않으면, 현재 모든 차량을 전기차로 전환하는 것은 불가능하다. 결국 전기차의 시대는 도래할 것이지만, 그것이 현재의 전망보다는 좀 더 시간이 필요할 것으로 예상한다. 따라서 그 시대가 도래하기 전의 과도기에는 하이브리드 시스템이 가장 이상적이다. 내연기관 및 하이브리드 방식의 자동차에는 이러한 변속 시스템이 여러가지 타입이 존재한다. 가장 많은 숫자의 변속 시스템은 MT(Manual transmission)라고 불리우며, 직접 운전자가 변속을 수행한다. 점점 기술의 발전과 함께, 사람들은 편리함을 추구한다. 따라서 이러한 변속 시스템도 자동 변속기의 탑재량이 증가하는 추세에 있다. 이 자동변속기의 일반적인 타입은 다수의 유성기어 시스템의 조합에 의해 4~10단으로 구동하는 타입이다. 유럽시장 같은 경우는 MT 기반의 변속 시스템들이 있다. 기본 구조는 MT와 동일하지만, 변속은 자동으로 수행하는 AMT (Automated Manual Transmissions) 타입, 그리고 MT를 2개 이어서 하나의 변속 시스템으로 합쳐 둔 DCT (Dual Clutch Transmissions) 시스템이다. 이러한 타입들의 공통점은 정해진 기어 단수가 있다는 것이다. 따라서 엔진이나 모터의 최적 효율 영역을 사용하는데 있어서 제한이 있다. 반면 CVT (Continuously Variable Transmissions) 라고 하는 변속 시스템은, 이론적으로 정해진 기어 비가 없으며, 무한한 기어 단수를 만들어 낼 수 있다. 따라서 이 시스템을 적용하면 엔진이나 모터의 최대 효율 지점을 최대한 사용할 수 있는 장점이 존재한다. 많은 연구자들은 chain CVT 시스템에 대해 주로 체인 배리에이터의 제어에 관한 연구가 다수를 차지하고 있다. 다양한 구동 조건에 알맞는 변속 조건을 찾기 위해 제어 전략이나 알고리즘을 통해 개선하는 경향 이다. 제어를 제외하면 체인 배리에이터에 대한 연구는 주로 이론이나 시험에 의한 경우가 많다. 몇몇 연구자들은 해석기법에 대해서도 연구를 해 오고 있으나, 본 논문과 같이 전체 시스템을 구축한 사례는 드문 편이다. 특히, 체인 정밀 모델링을 구성하는 것은 매우 어려운 작업이다. 체인이 전달하는 토크와 속도의 범위가 넓기 때문에, 많은 공진 주파수를 회피하기 위해 랜덤 배열을 적용해야 한다. 또한 체인을 조립하면서 엔지니어의 오류를 범할 가능성이 높다. 만약에 체인 모델을 작성하더라도, 이 체인은 다수의 접촉 요소를 가지고 있으며, 미소 변형을 고려 하여야 한다. 따라서 기존의 유연체 모델(flexible body)을 적용하면, 해석 시간이 매우 오래 걸리는 문제가 있다. 이 점을 해결하기 위해 유연체 모델을 사용하지 않고 강체 모델을 이용하면서 체인 접촉 요소를 등가 부싱 모델을 통해 적용하였다. 이 방법을 적용하면 해석시간을 절약하면서도 결과의 정확성을 확보할 수 있다. 따라서 이 작업을 수행하기 위한 자동화 툴킷의 활용은 필수적이다. 마찬가지로 체인의 핀과 풀리의 변형, 그리고 핀 풀리 접촉에 대한 등가 모델을 적용한다. 조립된 체인을 실제 조립 구동 조건으로 정의하기 위해서 Saito의 논문의 아이디어를 활용하였다. 이 방법을 수행하면, 체인 배리에이터의 초기 위치를 설정하는데 매우 효과적인 방법이다. 개발된 체인 배리에이터의 동적 거동 특성을 확인하기 위해 여러 연구자의 논문을 참고하였으며, 체인 장력, 핀-풀리 접촉력 그리고 두 풀리 간에 발생하는 축간력을 선정하였다. 체인 배리에이터에서 이러한 특성들이 기존 연구와 유사한 경향성을 나타내었다. 체인 CVT의 시스템 NVH 특성을 확인하기 위해서는 전체 시스템의 구축이 필요하다. 엔진으로부터 바퀴까지 동력을 전달하는 서브시스템들을 구성하여야 한다. 앞에 개발한 체인 배리에이터, 토크 컨버터 그리고 유성기어 시스템이 필요하다. 그리고 아이들 기어, 디퍼런셜 기어 뿐만 아니라 각 샤프트 요소들, 베어링 요소들을 합쳐 기어트레인 시스템이라고 정의한다. 4개의 서브 시스템을 CVT의 하우징에 조립하여 체인 CVT의 전체 모델을 개발하였다. 본 논문에서는 체인에 의한 시스템 가진 영향도를 확인하기 위한 분석을 수행한 결과, 체인의 현진동 성분 및 핀과 풀리의 충돌에 의해 발생하는 임팩트 성분의 주파수들이 발생하는 것을 확인 하였다. 따라서 체인 CVT 시스템에서 가장 큰 가진원은 체인이라고 할 수 있다. 체인 CVT의 해석 모델 검증을 위해 시험과 동일한 구동 시나리오를 적용하여 비교하였으며, 해석과 시험 동일 위치에서 가속도 성분을 측정하였다. 이 데이터를 SFTF로 후처리하여 컬러 맵을 도출하였으며, 그 결과 해석 결과에서 시험과 유사한 체인의 1~4차 현진동 및 임팩트 주파수가 나타나는 것을 확인하였다. 따라서 이 해석 모델에 제어, 발열, 유체 해석과 연계한 해석 기법을 개발한다면, 다양한 시험에서 수행되고 있는 것을 해석을 통해 대체가 가능할 수 있으리라 예상한다. |Jooyeon KIM Department of Mechanical Design Engineering Graduate School of Hanyang University

Global car sales in 2020 decreased due to the COVID-19 pandemic and semiconductor supply shortage, but they are on a continuous increase. On the other hand, in the Korean market, the number of registered vehicles is increasing regardless of the impact. Exhaust gas regulations are being strengthened, and accordingly, the paradigm of the vehicle driving system is in a transition period that changes to the trend of electricity. According to the vehicle sales forecast data, the proportion of motors is higher than that of vehicles equipped with engines around 2040. However, there are some problems that need to be improved. In order to convert into electric vehicles, it is necessary to have sufficient electric energy to supply vehicles currently driven by fossil fuels, but there are still many countries that lack of power, and even if electricity is ensured, the battery supply to charge, it should be also needed. However, electric vehicles system still has a disadvantage in that the unit price of a battery is high, and the driving distance is still short. In addition, even if the problem of the battery is solved, there is one more problem. That is the charging time of the battery. Many drivers are accustomed to refueling, but the battery charging speed is still slow compared to the filling time, and there are fewer places to charge. If all of these infrastructures are not solved, it is currently impossible to convert all vehicles into electric vehicles. Eventually, the era of electric cars will come, but it will take more time than the current outlook. Therefore, in the transition period before the advent of that era, hybrid systems are the most ideal. There are various types of such shift systems in internal combustion engines and hybrid vehicles. The largest number of shift systems are called MT (Manual transmission), the direct driver performs the shift. With increasing advances in technology, people seek convenience. Therefore, this shifting system also tends to have an increasing number of automatic transmissions. A general type of this automatic transmission is a type driven in 4 ~10 gears by a combination of a number of planetary gear systems. In the European market, there are mainly MT-based shifting systems. The basic structure is the same as that of the MT, but it is an AMT (Automated Manual Transmissions) type that shifts automatically, and a DCT (Dual Clutch Transmissions) system that combines two MTs into one shifting system. What these types have in common is that they have a fixed number of gears. Therefore, there is a limitation in using the optimum efficiency area of the engine or motor. On the other hand, a shift system called CVT (Continuously Variable Transmissions) does not have a theoretically determined gear ratio and can produce an infinite number of gears. Therefore, the application of this system has the advantage of using widely the maximum efficiency area of the engine or motor. Many researchers mainly study the chain CVT system on the control of chain variator. It is a tendency to improve through control strategies or algorithms to find shift conditions suitable for various driving conditions. Except for control, research on chain variator is often based on theory or testing. Some researchers have also been studying simulation methods, but there are few cases in which the full system has been built as in this paper. In particular, constructing chain precision modeling is a very difficult work. Since the range of torque and speed transmitted by the chain is wide, a random arrangement should be applied to avoid many natural frequencies. It is also likely that engineers will make errors while assembling chains. Even if you create a chain model, this chain has a number of contact elements, deformation of bodies should be considered. Moreover, when the existing flexible body is applied, there is a problem that the analysis time takes a very long time. To solve this problem, the chain contact element was applied through the equivalent bushing model while using the rigid body without using the flexible body. Applying this method can save simulation time and ensure the accuracy of the results. Therefore, the utilization of the automation toolkit to perform this task is essential. Likewise, applying equivalent models for deformation of pins and pulleys of chains, and pin to pulley contact. The idea of Saito's paper was used to define the assembled chain as an actual assembly driving condition. When this method is performed, it is a very effective method for setting the initial position of the chain variator. To confirm the dynamic behavior characteristics of the developed chain variator, several research papers were referenced, and chain tension, pin to pulley contact force, axial force generated between the two pulleys were selected. In the chain variator, these characteristics represented a similar tendency to previous studies. In order to check the system NVH characteristics of the chain CVT, it is necessary to build the full system. It consists of necessary subsystems through which power is transmitted from the engine to the wheel. This includes a chain variator, a torque converter, and a planetary gear system. In addition, it is defined as a gear train system by combining not only idle gear and differential gear, but also each shaft element and bearing element. To combine these four subsystems into the housing of the CVT to complete the full system model of the chain CVT. This paper conducted an analysis to verify the effect of the system by the chain, and it was confirmed that frequencies of the Hyun vibration component of the chain and the impact component caused by the collision of the pin and pulley are generated. Therefore, the largest excitation source in the chain CVT system can be said to be a chain. To verify the simulation model of the chain CVT, the same driving scenario as the test was applied and compared. Acceleration components were measured at the same position as the simulation and test. This data was post-processed with SFTF method to derive a color map, it was confirmed that the 1st to 4th string vibration and impact frequency of the chain similar to the test appeared in the simulation results. Therefore, developing simulation techniques associated with control, heat generation, and fluid simulation in this analytical model is expected to enable replacement through simulation of what is being performed in various tests.