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RecurDyn/DriveTrain이란?

RecurDyn/DriveTrain은 기어, 베어링 샤프트 등으로 이루어진 드라이브 트레인의 여러 요소들을 손쉽게 모델링하고, 시뮬레이션 할 수 있게 해주는 RecurDyn 기반의 솔루션입니다.

RecurDyn/DriveTrain은 기어(GearKS), 베어링(BearingKS), 샤프트(Shaft), 이렇게 총 3개의 툴킷으로 구성되어 있습니다. 기어, 베어링, 샤프트를 손쉽게 생성할 수 있는 모델러와 이에 특화된 솔버, 그리고 전용 후처리 기능을 이용하여 사용자는 손쉽게 드라이브 트레인 시스템을 시뮬레이션하고 분석할 수 있습니다.

특히 GearKS와 BearingKS의 경우, Gleason사의 KISSsoft와의 기술제휴를 통해 개발되었으며, 이를 통해 RecurDyn의 동역학 해석 솔버와 KISSsoft의 Gear Analytic Contact 및 풍부한 베어링 라이브러리를 활용하여 소음, 진동 평가에 필요한 기어 트레인의 Transmission Error를 비롯한 다양한 결과를 빠르고 정확하게 계산할 수 있습니다.

RecurDyn/DriveTrain에서 주로 사용되는 접촉 요소

이 글에서는 RecurDyn/DriveTrain 중에서도 GearKS에서 사용하는 접촉 요소에 대한 내용을 다룹니다.

특히 GearKS를 사용하게 되면, 가장 많이 사용하게 될 GMM (Gear Meta Model)을 이용한 접촉에 대해 설명을 하도록 하겠습니다.

기어 시뮬레이션의 경우, 기어쌍의 접촉이 대단히 중요합니다. GearKS를 이용하여 모델링한 기어는 여러 방법으로 접촉을 정의할 수 있습니다. 그 중에서 GearKS의 다이얼로그에서는 3가지 타입의 옵션을 제공하고 있습니다.

3가지 타입의 Gear Force Type (Gear Contact)

1. Inactivate

• KISSsoft를 이용한 접촉 계산을 하지 않음
• Gear Involute Contact이나 Geo Contact과 같은 별도의 접촉 정의 필요

2. KISSsoft Force

• KISSsoft와 Direct Co-simulation을 통해 기어의 접촉을 고려.
• 매 타임스텝마다 RecurDyn에서 업데이트된 기어의 위치/자세를 KISSsoft로 전달하고, RecurDyn에 내장된 KISSsoft 솔버가 이로부터 기어 접촉을 계산한 후, 기어의 반력을 RecurDyn쪽으로 다시 전달하는 과정을 반복

3. KISSsoft Force (Meta Model) *추천*

• 매 타임스텝마다 KISSsoft 솔버와 데이터를 주고받는 KISSsoft Force와 달리, 사전에 기어 메타 모델(Gear Meta Model)을 생성하고, 이를 이용하여 기어의 접촉을 빠르게 계산하는 방법
• 시뮬레이션 전, 기어쌍의 위치/자세와 관련된 6가지 파라미터의 조합에 대한 기어 접촉을 계산하고 이를 이용하여 Gear Meta Model (GMM 파일)을 생성
• 실제 동역학 해석 시에는 KISSsoft 솔버가 아닌, GMM파일을 사용하여 빠른 시뮬레이션이 가능
• 기어 메타 모델을 생성하는 데, 수 분 ~ 수 시간의 시간 소요 E. 기어 메타 모델은 재사용 가능

기어 메타 모델(Gear Meta Model)이란 무엇인가?

*메타 모델은 서로게이트 모델(Surrogate Model), 근사 모델 등으로도 불립니다.

메타 모델이란 여러 설계변수들로 이루어진 다양한 조합에 대해 계산 혹은 측정한 결과와 보간 모델을 이용하여, 실제로 계산/측정하지 않은 조합에 대한 값을 예측할 수 있게 해주는 모델을 말합니다.

RecurDyn/DriveTrain의 KISSsoft Force (Meta Model) 방법은 2~6개의 설계변수에 대한 Gear Force를 미리 계산하고, 이 결과를 이용하여 Gear Force에 대한 메타 모델을 생성합니다. 그리고 실제 시뮬레이션에서는 이 메타 모델(기어 메타 모델)을 사용함으로써, 기어 해석 시간을 획기적으로 단축하였습니다.

Gear Meta Model 생성에 사용되는 6가지 파라미터

• Rotational Angle, Penetration, Distance Error, Axial Offset, Twist, Tilt
• 기본 설정은 2가지 파라미터만을 이용하여 기어 메타 모델을 생성
• Rotational Angle, Penetration
• 두 기어를 모두 회전 조인트로 고정했을 경우, Distance Error, Twist, Tilt는 고려할 필요가 없으며, 기어의 구속조건에 따라 Axial Offset도 불필요한 경우가 많음
• 보다 정확한 결과를 위해서는 6가지 파라미터를 모두 고려하는 것을 추천
• 기어 메타 모델 생성 시간 (시스템 성능 등에 따라 달라질 수 있음
• 2가지 파라미터만 고려할 경우: 수 분 소요
• 6가지 파라미터를 모두 고려할 경우: 수 시간 소요

기어 메타 모델 (Gear Meta Model) 사용법 요약

GearKS에서 자주 사용하는 3가지 타입의 접촉의 비교

접촉 타입 선택 가이드

1. KISSsoft Force (Meta Model)을 가장 추천

일반적으로 KISSsoft Force (Meta Model)이 KISSsoft Force (Direct)에 비해 훨씬 유용합니다.

• KISSsoft Force (Direct)가 조금 더 정확하다고 볼 수 있으나, 시뮬레이션 시간의 차이를 고려하면, 정확도의 차이는 무시할 수 있는 정도
• 단순 기어쌍의 해석의 경우,
• Direct 방식은 수십 분~수 시간 소요
• Meta Model 방식은 수 초~수십 초 소요

한두번만 시뮬레이션을 한다면 KISSsoft Force (Direct)가 나을 수 있지만, 실제로는 그보다 많은 수의 시뮬레이션을 하게 되므로, KISSsoft Force (Meta Model)을 추천

기어 메타 모델을 생성하는 시간이 필요하지만, 한번 만들어 두면 재활용 가능합니다.

• 동일한 사양의 기어쌍이라면, 다른 기어트레인 모델이나 동일한 모델 내의 다른 기어쌍에도 사용 가능
• 퇴근 전에 생성 버튼을 눌러 둔 후, 다음날부터 사용하는 방식이 유용

Guide to choosing the right Contact Type 다음과 같은 부분을 고려해야할 경우에는 Gear Involute Contact이 아닌 KISSsoft Force (Meta Model) 사용을 추천합니다.

• 정확한 Transmission Error의 계산
• 기어의 상세형상 (미소형상)을 고려한 계산
• 기어 이빨의 변형 고려

또한 KISSsoft Force (Meta Model)이 Gear Involute contact보다 일반적으로 더 정확

2. Gear Involute Contact

• Transmission Error를 확인하고자 하거나 기어의 미소 형상에 의한 영향에 관심이 있는 것이 아니라, 거시적인 시스템의 거동을 보고자 할 경우라면 Gear Involute Contact을 추천
• 미소 형상에 따른 영향을 고려하지 않아도 되는 경우에 쓰기에 충분히 빠르고 정확
• 기어의 정확하고 상세한 결과보다는 기어가 포함된 시스템의 거시적인 거동이 주관심사일 경우
• 하지만 기어의 사양이 이미 정해져 있다면 KISSsoft Force (Meta Model)을 추천
• 별도의 사전 해석이 필요하지 않기 때문에 편리하게 사용 가능
• Gear Involute Contact을 사용하기 위해서는 Gear Force Type을 Inactivate으로 설정한 후, 별도로 정의해야 함
• Gear 툴킷 필요 – GearKS와는 다른 별도의 툴킷
  

3. 그 외의 경우

만일 유연체 기어를 사용해야 한다면, 그 때는 Geo Surface Contact을 써야 합니다. 

• KISSsoft Force와 Gear Involute Contact은 유연체를 지원하지 않음