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ㆍ제품: 파동 기어 (Strain wave gearing)
ㆍ해석목적: 파동 기어 설계를 위한 성능 평가
파동 기어는 하모닉 기어(Harmonic Gear)라고도 많이 알려져 있다. 파동 기어는 타원형으로 변형된 Flex Spline과 원형으로 이루어진 Circular Spline 간의 이빨 수 차이를 이용하여 소형, 경량의 구조로도 높은 감속비를 구현할 수 있어 로봇과 같은 소형, 고정밀 제품에 많이 사용된다.
파동 기어는 고속으로 동작하면서 Flex Spline이 타원형으로 변형되고 이를 통해 기어 이빨 간에 접촉이 발생하는 메커니즘이기 때문에 기존의 유한요소해석(FEA)을 통해 문제를 재현하는 것이 쉽지 않았다. 이러한 이유로 본 사례에서는 RecurDyn의 MFBD 기술을 이용하여 파동 기어 감속기를 모델링 하였고, 이를 통해 파동 기어의 동적인 거동과 여러 특성을 파악하고 설계를 개선할 수 있었다.
주요 작업 프로세스
① Circular Spline과 Wave Generator는 강체로 모델링
② Flex Spline의 형상 변형을 고려하기 위해 유연체로 모델링
③ Flex Spline의 국소 변형 및 응력을 정확하게 예측하기 위해 FFlex를 이용
④ Flex Spline과 Circular Spline 간에는 Geo Contact을 사용
⑤ 해석 속도 개선을 위해 Flex Spline과 Wave Generator 간에는 Geo-Cylinder을 사용
⑥ Prestress가 고려된 변형된 mesh를 Flex Spline의 초기 상태로 사용
⑦ 전체 바디가 아닌 실제 접촉이 일어날 면에 대해서만 접촉을 정의하여 해석 시간 단축
주요 해석 기술
• 고속으로 회전하는 Flex Spline의 변형을 정확하게 재현할 수 있는 MFBD 기술
• 빠르고 정확한 접촉 알고리즘
- 강체와 유연체 간의 접촉 지원
- 많은 수의 기어 이빨 간의 접촉을 효율적으로 처리
• 실린더나 구형 형상에 최적화된 전용 접촉 요소
• 기어 이빨 간의 접촉에 따른 접촉력의 분포 및 압력의 가시화 기능
관련 제품
• RecurDyn/Professional
• RecurDyn/FFlex
고객에게 주어진 과제 및 이슈
• 설계 변경에 따른 성능 변화 평가
• 공차 범위 내 치수 차이에 따른 진동 및 전달 오차의 변화 예측
• 부하 하중 및 속도 변화가 Flex Spline의 거동에 미치는 영향 예측
• Flex Spline의 비틀림이 성능에 미치는 영향 평가
• Wave generator에 발생하는 반력 예측• 세탁기 진동 평가를 위한 정확한 시뮬레이션 모델이 필요
해결
• MFBD 기술을 이용한 모델링 및 시뮬레이션 시간 절감
• 비선형 유연체와 접촉 알고리즘을 이용한 Flex Spline의 거동 재현
• Flex Spline의 변형 및 접촉에 의한 응력 계산
• 수정된 설계/동작 조건 및 공차에 따른 성능 변화를 시뮬레이션으로 예측
성과
• 수정한 치형에 대한 성능을 평가하고 이를 설계에 반영
• 가상 모델을 통해서, 다양한 설계 조건에 대한 효율과 오차를 예측하고 최적의 제원을 결정
• 가상 모델을 이용한 정량적인 평가를 통해 시험에 소요되는 시간과 비용 절감
활용 및 해석사례
ㆍ다수의 기어로 이루어진 트랜스미션의 동역학 시뮬레이션
ㆍ기어 변속 시의 기어 거동 분석
ㆍ기존에는 눈으로 확인할 수 없었던 오일의 윤활 스프레이 시각화
ㆍ오일 점성 부하에 따른 기어 출력 영향을 보다 현실에 근접하게 설계 가능
