전기차용 드라이브 샤프트의 열 구조 연동 해석
Thermal Structural Coupled Analysis of Electric Vehicle Drive Shafts
- 주제(키워드) 전기자동차 , 드라이브 샤프트 , 볼 스플라인 조인트 , 유한 요소 해석법 , 열 구조 연동 해석
- 주제(DDC) 621.8
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 이문구
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034226
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
전 세계적으로 탄소 저감 요구가 높아지면서 항공기, 선박, 자동차 등 다양한 교 통수단에서 해결책이 필요하게 되었다. 특히 자동차 산업은 전 세계적으로 사용 대수 가 많고, 운행 중 지속적인 탄소 배출이 발생하므로 이러한 문제에 매우 민감하다. 이에 따라 매연이 없는 친환경 전기자동차에 대한 수요가 증가하면서 많은 연구가 이 루어지고 있다. 특히 전기자동차는 기존 내연기관과 달리 모터를 사용하여, 구동 즉시 최대 토크(Torque)가 부여되는 상황과 같이 토크 변동성이 커서 여러 부품의 내구성 이 문제가 된다. 버스, 트럭, 전차와 같은 대형 차량도 전기자동차로 개발되는 추세에 따라 다양한 운전 조건에서도 안정적인 성능을 가지는 부품 개발이 필요하다. 전기자 동차에 적용되는 부품에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 브레이크 디스크, 드라 이브 샤프트 등 구동 특성으로 인한 피로파괴, 파손에 대한 연구가 증가하고 있다. 본 연구에서는 먼저 볼 스플라인 (Ball spline) 구조가 적용된 볼 타입 조인트 (Joint)에서 고절각(高折角, Deflection angle), 고토크(High torque) 상황에서도 안정 적인 성능을 구현할 수 있는 드라이브 샤프트(軸, Shaft)를 개발하는 데 있어, 마찰과 발열이 발생하는 부품의 열 구조 연성 해석을 통해 효율적인 설계 방법을 제시하고자 한다. 드라이브 샤프트는 모터의 출력을 변속기로 전달하는 부품으로써, 앞서 밝힌 토 크 변동성과 고절각을 겪게 된다. 따라서, 이러한 시제품을 이용한 시험의 한계와 제 품 개발 시간의 효율화를 위해 해석적인 방법을 이용해 해결 방안을 모색하고자 하였 다. 볼 스플라인 구조가 적용되면서 내부 구성품의 개수가 늘어나고, 주행 시 고절각 상황 등에 있어 각 부품들이 구동하는 좌표계가 각각 다르다. 이에 따라 해석적으로 구현에 많은 어려움이 있다. 먼저, 변속기(變速器) 측에서 토크를 전달하는 조인트에 Ansys 사의 LS-Dyna를 사용하여 유한요소해석 법을 적용 후 실제 구동 상태를 모 사하였다. 토크를 전달하는 효율을 높이기 위해 사용된 볼 스플라인 조인트 (Ball Spline joint, BSJ)를 대상으로 회전에 따른 마찰, 발열 해석 모델을 구성하였다. 모 터에서 입력되는 토크에 의해 드라이브 샤프트가 장시간 회전할 때 조인트 내부에서 일어나는 거동을 확인하고자 열 해석 모델을 Ansys Mechanical을 사용하여 구성하 였다. 조인트 내부의 볼(Steel ball, 强球)들은 비선형적인 변형과 거동을 겪게 되며, 회 전 시 일어나는 마찰에 의하여 발열이 일어난다. 그러나, 드라이브 샤프트를 시험할 때는 외부에서 하우징(Housing)의 온도만 측정 가능하므로, 각 부품의 내부 발열량과 누적되는 입열량(Heat flux)을 예측하기 어렵다. 본 연구에서는 음해법(Implicit method) 및 양해법(Explicit method) 해석 프로그램을 사용하여 마찰과 발열 거동을 모사했다. 이 모델에서도 온도변화에 집중하였고, 시험에서 측정하는 측정부의 온도변 화 대비 해석 모델의 해당 부분 온도가 10% 이하의 오차를 가지고 일치하는 것을 확 인하였고 결과에 대하여 신뢰할 수 있다고 판단하였다. 전기자동차가 주행할 때 드라 이브 샤프트는 모터로부터 고토크를 받는다. 특히 고절각이 요구되는 경우 안정적으 로 회전 및 병진 운동이 가능하도록 볼 스플라인 구조를 도입하고자 하였다. 해당 구 조는 다수의 강구가 순환 및 회전을 하면서 토크를 전달할 뿐만 아니라 직선 운동이 허용된다는 장점이 있다. 따라서 실제 드라이브 샤프트에 적용하기 유리하다. 본 연구 에서는 볼 스플라인이 적용된 조인트 모델에 대한 해석 모델을 개발하였다. 앞서 볼 타입 조인트를 해석했던 방법과 같이 진행하였다. 해당 시뮬레이션을 이용하여 해석을 통해 입열량을 예측하면 볼 스플라인 드라이 브 샤프트의 모든 부품에 온도 상승뿐만 아니라 동적 거동을 유추할 수 있다. 특히 마찰을 크게 겪는 볼, 리테이너, 내륜과 외륜이 받는 온도 상승과 응력 변화도 면밀 히 알 수 있다. 이를 통해 실제 드라이브 샤프트의 시험을 최소화하여 개발 시간의 단축과 비용 절감을 기대할 수 있다. 더불어, 본 논문에서 제안하는 방법론은 드라이 브 샤프트뿐만 아니라 브레이크디스크, 서스펜션 등에 있어 전기자동차에 적용되는 부품들의 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대한다. 주제어 : 전기자동차, 드라이브 샤프트, 볼 스플라인 조인트, 유한 요소 해석법, 열 구 조 연동 해석
more목차
제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 선행 연구 사례 7
1.3 연구 목표 12
제 2 장 수치해석 모델의 필요성 15
2.1 실험적 방법의 한계 15
2.2 해석 연구의 필요성 17
2.3 열 구조 연동 해석의 필요성 19
제 3 장 해석을 위한 유한요소 모델 22
3.1 해석을 위한 이론적 배경 22
3.2 해석의 구성 25
3.3 해석의 순서 29
3.4.1 모델링 및 경계조건 30
3.4.2 좌표계 설정 35
3.4.3 경계조건 38
가. 물성 38
나. Mesh의 중요성과 격자 구성 40
다. 접촉 특성과 조건 44
라. Solver 설정 47
제 4 장 열 구조 연동 해석 결과 및 후처리 49
4.1 해석 결과 분석 49
4.1.1 부품들 간의 응력 49
4.1.2 온도 상승 정도에 대한 비교와 열유속 확인 53
4.1.3 해석 결과 요약 및 열 해석의 필요성 64
4.2 열 해석 66
4.2.1 열 해석 모델에 대한 이론 66
4.2.2 열 전도 모델 67
4.2.3 열 해석의 구성 및 결과 69
제 5 장 결론 및 향후 계획 82
참고문헌 84
