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ㆍ제품: 스쿠터 엔진 밸브

ㆍ해석목적: 엔진 흡입 포트 주위에 누적되는 카본 찌꺼기의 감소를 위한 밸브의 디자인 개선

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 한 스쿠터 제조사는 엔진의 흡기 포트 주위에 누적되는 카본 찌꺼기에 의한 엔진 고장 문제를 개선하기 위한 방법으로 밸브 형상에 주목하였다.

 캠샤프트가 고속으로 회전하면 이로 인해 밸브도 회전 운동을 하게 되고 이 회전으로 인해 흡기 포트 주위의 카본 찌꺼기가 제거된다. 하지만, 캠샤프트가 느리게 회전할 경우, 밸브가 거의 회전하지 않아 흡기 포트 주위에 카본 찌꺼기가 누적되며 이는 엔진에 문제를 야기할 수 있다.

 본 사례에서는 RecurDyn을 이용하여 밸브 접촉부의 형상이 밸브 회전에 영향을 미치는 주요 요소라는 것을 확인하였다. 또, 캠샤프트가 느리게 회전하는 경우에도 카본 찌꺼기를 제거할 수 있는 최소한의 속도로 회전이 가능한 밸브 형상을 디자인하고 검증하였다.

주요 작업 프로세스

① 밸브의 회전 여부를 검증하기 위해 접촉과 스프링, 캠 등을 포함한 동역학 모델 구현

② 다양한 회전 속도에 대한 동역학 시뮬레이션 수행

③ 회전속도에 따른 밸브의 회전 운동 분석

④ 다양한 밸브 형상에 따른 밸브의 회전 운동 분석

주요 해석 기술

• 다양한 형상 및 회전 조건에 따른 반복 계산을 빠르게 수행하기 위한 강체 기반 다물체 동역학

• 복잡한 형상 간의 접촉을 빠르게 해석할 수 있는 접촉 알고리즘

• 밸브의 회전 운동을 시각적으로 확인하기 위한 궤적 표시 기능

관련 제품

• RecurDyn/Professional

고객에게 주어진 과제 및 이슈

• 시제품을 이용한 trial & error 방식으로는 설계 개선에 반년 이상 소요

• 실험을 통한 밸브 거동의 측정과 확인의 어려움

• 합리적인 시간과 비용을 통한 밸브 설계 개선에 대한 요구

• 사용 중인 CAD에 내장된 동역학 해석 기능으로는 접촉을 제대로 처리하지 못함

해결

• 동역학 시뮬레이션 전용 소프트웨어의 활용을 통한 빠른 모델링

• 강력한 접촉 알고리즘을 이용한 빠른 시뮬레이션

• 번거로운 실험 측정 및 모니터링에 비해 쉽고 편리한 결과 확인

• 밸브 형상이 밸브 회전에 미치는 영향을 정량적으로 표시하고 밸브의 궤적 표시 기능을 통해 시각적으로 확인

성과

• 현재 제품의 캠샤프트의 회전 속도에 따른 밸브의 회전을 성공적으로 재현

• 캠샤프트의 설계 개선안을 시뮬레이션을 통해 검증

• 가상 모델을 이용한 시뮬레이션을 통해 보다 다양한 설계안을 검증하여 제품 개선이 가능해짐

활용 및 해석사례

◀ 기어트레인 해석

ㆍ유연체로 모델링 된 기어의 동역학 분석

ㆍ기어 치형에 따른 접촉력을 시각적으로 확인

◀ 트랜스미션 시뮬레이션

ㆍ다수의 기어로 이루어진 트랜스미션의 동역학 시뮬레이션

ㆍ기어 변속 시의 기어 거동 분석

◀ 엔진 밸브 애니메이션