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ㆍ제품: HEV, EV의 변속기 시스템

ㆍ해석목적: HEV, EV 변속기 내부 오일의 효율적 거동(윤활과 냉각)을 위한 오일 경로 최적화

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변속기 내의 오일은 고속 회전 부품의 마모 진행을 최소로 하기 위한 윤활 작용과 함께 각 부품의 발열 현상에 대응하는 적절한 냉각제의 역할도 가지고 있다. 하지만, 오일의 양이 필요 이상으로 많을 경우 각 회전 부품에 대한 저항 요소로 작용하며, 이는 차량의 연비에 악영향을 미칠 수 있다. 이에 모델 가시화와 수치화 과정을 통해 최상의 윤활 및 냉각 효율을 얻기 위한 변속기 내부의 오일 윤활 경로를 최적화하고 최적의 오일량을 결정하였다.

Process

① 변속기 전체 모델을 이용하여 회전 및 기타 모션이 포함된 동역학 모델을 구성

② 구성된 동역학 모델을 기반으로 변속기 내부에 오일 모델(오일 특성을 고려)을 연계한 통합 해석(Co-Simulation)을 진행

③ 실제 변속기를 이용한 벤치 테스트를 진행 (오일의 정성적 거동을 확인)

④ 실제 시험 결과와 해석 결과의 비교 및 세부 파라미터 튜닝

⑤ 세부 파라미터 튜닝이 완료된 기본 가상 모델을 이용하여 설계 요소 변경에 따른 오일 거동 효과를 가시적, 수치적으로 비교 분석

⑥ 다양한 운전 조건 변화(차량의 가속/감속 및 회전 등)에 따른 결과 분석

주요 해석 기술(Technical Description)

ㆍ변속기 내부 부품에 관한 동역학 모델링 (RecurDyn Professional)

ㆍ고속 회전 부품과 오일 사이의 양방향 필수 물리량 교환 (Co-Simulation)

ㆍGPGPU를 통한 고속 입자 해석 기술 (Particleworks GPU Solver)

ㆍ오일 특성에 따른 고정도 유체 모델링 (Particleworks)

ㆍ오일과 연계 부품 간 고정도의 압력 및 속도 계산

Images: Courtesy of Hyundai Motors (From the presentation of “Churning oil path optimization process development” by Chulmin Ahn at VDI Dritev 2018)

Toolkits

ㆍRecurDyn/Professional

ㆍRecurDyn/Gear

ㆍRecurDyn/Bearing

ㆍParticleworks Interface

고객이 직면한 문제점

•비효율적인 오일 윤활로 변속기의 성능 하락

•기존 제품 대비 향상된 윤활 성능에 대한 요구

•변속기 내부의 윤활유 거동을 볼 수 없어 윤활 성능을 평가하기 어려움.

•다양한 디자인과 여러 동작 조건을 시제품을 통해 검토하는데 과도한 시간과 비용 소요

해결

RecurDyn과 Particleworks를 이용하여 보이지 않는 변속기 내부를 가시화함으로써 다양한 디자인과 동작조건(부하 토크, 유량)에 대한 정량적인 평가를 통해 시간과 비용 절감

성과

•변속기 내부 오일 유동의 고정도 가시화 및 수치화를 통하여 변속기 설계 초기 단계에 필요한 오일 경로의 형상 최적화를 실현

•시험과 일치하는 각 회전 부품의 오일에 의한 저항력(Drag)을 사전에 예측할 수 있었으며, 이를 기반으로 한 최적의 변속기 오일량 제안

활용 및 해석사례

◀ 윤활유 온도차이에 따른 부하 토크 변화 해석

ㆍ엔진 입력토크 OFF 이후, 윤활유의 온도에 따른 점성 상태와 부하 토크의 관계

ㆍ서로 다른 온도(점성)를 가진 윤활 상태에 따른 속도 감쇠 차이 해석

◀ 윤활유의 점성을 고려한 감속 기어 트레인 해석

ㆍ기존에는 눈으로 확인할 수 없었던 오일의 윤활 스프레이 시각화

ㆍ오일 점성 부하에 따른 기어 출력 영향을 보다 현실에 근접하게 설계 가능

◀ 차동 기어 박스 내의 윤활유 스프레이 거동 해석

ㆍ차동 기어 트레인에 점성을 가진 유체(윤활유)가 첨가된 상태에서 부하토크 해석