Transcript 무단변속장치 - ResearchGate

Method of Vibration
Suppression
2008.12.8
Division of Mechanical Engineering
PUSAN NATIONAL UNIVERSITY
Prof. No Gill Park
CONTENTS

Reformation of Structures

Isolators

Dynamic Absorber

Balancing Techniques
Reformation of Structures

RULE OF THUMB
Single DOF system
Mass element
Spring element
Damping element
Reformation of Structures
Reformation of Structures

Is it reasonable that the machines are assumed to be 1 DOF
system ?
Reformation of Structures

Vibration by harmonic excitations
Reformation of Structures

In case that the operating speed of the machine is
smaller than the critical one.
Reformation of Structures

In case that the operating speed of the machine is
larger than the critical one.
Reformation of Structures

In case that the operating speed of the machine is
larger than the critical one.
Reformation of Structures

summary
Vibration Isolation

Isolation the machine from the vibration
source using isolators
Vibration Isolation

Principle of vibration isolation
Vibration Isolation

Transmissibility
Vibration Isolation




Design of Fan Mount
speed : 1000 RPM
mass : 40kg
TR ; 20%
Dynamic Absorber

Principle of dynamic absorber
Dynamic Absorber(DA)



signal analysis to
search the main
frequency
tuning the natural
frequency of the DA as
same with the main
frequency
attach the DA on the
machine
Dynamic Absorber
<case study>
before
before
before
after
after
after
Operating speed
OS < CS
Operating speed
OS = CS
Operating speed
OS > CS
Balancing Technique

Unbalanced rotors
static unbalance
couple unbalance
dynamic unbalance
Balancing Technique

-
Basic concepts
Linearity b/w whirl motion and unbalance excitation
Measurement ; P-t-P value and the phase angle
Calibration process ; as is / added mass
Algorithm ; find the location of the unbalance
Compensation with the attachment of the mass
* Main feature : not necessary any math. Model / practically useful
Balancing Techniques

Single balancing : compensate the statuc unbalance.
one measuring plane
one compensating plane

Two plane balancing : compensate the dynamic
balancing
two measuring planes
two compensating planes

Modal balancing : flexible rotor
multiple measuring/compensating planes
Balancing Techniques

Measurement of whirl motion

sensors : gap/photo sensors
Reflection tape
oscilloscope
Frequency analyzer :
band pass filter



Balancing Techniques

P-t-p / phase angle
Balancing Techniques






Calibration Process for SPB
Step
Step
Step
Step
1:
2:
3:
4:
measure the whirl motion in ‘as is’
measure the whirl motion in ‘trial weight #1’
calculate the unbalance by influence coefficient method(ICM)
compensate the mass
Calibration Process for TPB

Step
Step
Step
Step

Step 4: compensate the mass. (two installation planes)



1:
2:
3:
3:
measure the whirl motion in ‘as is (2 measuring planes)
measure the whirl motion in ‘trial weight #1’
measure the whirl motion in ‘trial weight #2’
calculate the unbalances by influence coefficient method(ICM)
WIKOV Wind Gearbox
특성 분석
2009.4.25.
부산대학교 차량동역학실험실; 510-2325
박 노 길 교수([email protected])
차례
유압형 무단변속식 wind turbine 특성
 동력분기식 변속장치 일반이론
 WIKOV Wind Gearbox
- 속도 분석
- 동력흐름 분석
- 성능 최적화 설계를 위한 제언

1.0

유압형 무단변속식 wind turbine 특성
-1
rotor
synchronous
generator
constant speed
generator
WinDrive [email protected]
2006-05-05
variable speed
windrotor
WinDrive

유압형 무단변속식 wind turbine 특성2
VFD
gear box
f = fNetz
generator
converter
f = fNetz
WinDrive
Synchronious
Generator
Gearbox
Rotor
WinDrive
gear box
generator
f = fNetz
WinDrive
= fNetz
f =f fNetz
f = fNetz
synchronous
f = fNetz f = fNetzf = fNetz
f = fNetz
WinDrive
Gearbox
WinDrive
Synchronious
WinDrive
WinDrive
Synchronious
Gearbox
Synchronious
Gearbox Generator
Gearbox
Synchronious
Generator
Generator
Generator
Rotor
Rotor
Rotor
Rotor
WinDrive
[email protected]
m 2006-05-05
동력분기식 변속장치 일반이론

유성기어유닛-1

유성기어유닛-2
동력분기식 변속장
치 종류
 Input-coupled shunt(ICS)
동력분기식 변속장
치 종류
 Output-coupled shunt(OCS)
동력분기식 변속장
치 종류
 Variable-bridge(VB)
PGU1
PGU2
Ψ
1.0
PGU1
PGU2
δ
B
A

WIKOV Wind Gearbox 특성
분석
변속기속도비~ 유압펌프속도비
n

계산 결과-1
기어 잇수 기어 잇수
Zs1
70
Zs5
58
Zr1
152
Zr5
96
Zs2
50
Z6
76
Zr2
150
Z7
36
Z3
150
Z8
36
Z4
30
Z9
76
-117.6 101.7
1.0
-89.5
-1.0
-7.38
ζ1 = 1.50
R1=0.314
α1=-5.0
A=-101.7
ζ2 = 2.00
R2=0.250
α2= 2.11
β0=4.45
ζ3 = 1.33
R3=0.624
α3= 2.11
δ =750/(n+7.38)
n =0.0432+4.41/δ
δ

계산 결과-2
12%
100%
Ψ
100%
1.0
88%
0.12
-117.6 -101.7
-89.5
-0.156
15.6%
100%
100%
115.6
%
Ψ =1+δ/101.7
δ

속도 제어 영역
Target
control
range
4706 rpm
3580 rpm
1764rpm
40 rpm
1340 rpm
15 rpm
Rotor speed
generator
speed

결과 분석 및 토의
• WIKOV는 OCS형 동력분기형 유압식 무단변속장치이다.
• 속도제어영역이 1764 ~ 3580 rpm 이다.
• 유압펌프에 흐르는 동력은 전체의 15% 이내이다.
• 유압펌프는 기어비, -1 ~ 1.0 의 IVT(infinitely variable transmission)
이다.
• 전체 속도비는 89 ~ 117 이다.
• 속도비 102에서 유압펌프는 neutral position이다.
• 속도비 102 ~ 117 (중고속영역)에서 power circulation 발생(과부하
115%).

개선 방향
• 평균 속도비 102 범위 내에서 최적의 기어 제원 설계가 요
망됨.
• 속도제어영역을 좁히기 위한 layout의 재검토가 필요함
• power circulation 을 없애기 위해 layout의 재검토가 필요
함.
차세대 무단변속장치 소개
제안자 : 박노길 교수
부산대학교 차량동역학 실험실
[email protected]
010-8788-9126
무단변속장치란?

무단변속장치(Continuously Variable Transmission ;
CVT)
speed ratio
Speed ratio
time
Step variable
transmission (SVT)

time
Continuously variable
transmission (CVT)
무단변속장치의 장단점
- 장점
* 우수한 제어성
* 진동소음이 적음
* 유연한 운전성능
- 단점
* 신뢰성이 떨어진다.
* 동력밀도가 작도
무단변속장치 적용례

자동차 적용례
- 니산 토로이달식 CVT
- 아우디 벨트식 CVT

자전거 적용례
- 누빈치의 허브내장용
발명(내구면무단변속장치)의 특징

내구면 마찰 구동방식(Inner spherical traction drive)

내구면무단변속장치(ISCVT)의 특징(장점)
- 변속범위가 넓다 : IVT 구현도 가능함
- 토크용량이 크다 : 토로이달 CVT보다 우수함
- 동력밀도가 크다 : compactness가 탁월함
- 가압 및 변속장치가 간단하다 : 기계식
ISCVT 성능 분석
Practicability analysis
효율 (%)
42
ISCVT 성능 분석
Practicability analysis
최대전단응력 [MPa]
43
ISCVT 성능 분석
Practicability analysis
수명시간 (Hour)
44
ISCVT 성능 분석
Relative Excellence with Toroidal CVT
최대전단응력 [MPa]
효율 (%)
수명시간 (Hour)
45
발명의 적용가능분야

차세대 그린카 변속장치에 유리하다.
* 진동소음이 적음 : 탁월한 운전성능 및 승차감
* 제어성이 뛰어남 : 연비 최적화에 유리함
* 경량화에 유리 : 토크컨버터를 생략할 수 있음(IVT)

오토바이 변속장치에 유리하다.
* 후진모드 가능

자전거 변속장치에 유리하다.
* 뛰어난 packageability : 허브형/측면형

소형 풍력발전기의 변속장치로 사용될 수 있다.
* 증속 및 일정속도출력방식에 활용 가능
발명의 연구진척사항
실용가능성 기초연구 : 논문 실적 4편

- “DEVELOPMENT OF THE INNER SPHERICAL CVT FOR A MOTORCYCLE,” IJAT Vol.10, No.3,Jun.
2009,pp341-346.
- “단일 모드를 갖는 동력분기식 무단변속기의 실용성에 관한 연구,” 한국마린엔지니어링학회 제31권 1호,
2007년 pp34-43.
- “DEVELOPMENT OF INNER-SPHERICAL CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION FOR
BICYCLES,” IJAT Vol.8, No.5,Oct. 2007,pp593-598.
- “DESIGN OF A SINGLE MODE VARIABLE BRIDGE TYPE SPLIT-POWERED CVT WITH AN INNERSPHERICAL CONTINUOUSLY VARIABLE UNIT,” IJAT Vol.8, No.6,Dec. 2007,pp799-806.
- “An Inner-spherical Continuously Variable Transmission for Electric Bicycles,” IJAT Vol.9, No.1,Jan.
2008,pp7-11

동력 효율 성능 실험용 시제품 제작
- 자전거 CVT : 동력효율 70~80% 확인
- 오토바이 CVT : 75~80% 확인

개념설계용 프로그램 개발
- 설계요수조건에 적합한 기본 치수 계산
* 접촉응력 계산
* 마찰부 동력손실 계산
* 수명시간 계산

IVT 설계 진행중
오토바이용 CVT 시제품
Engine
CVT
Dynamometer
오토바이용 CVT 시제품
동력효율
자전거용 CVT CAD 구축

Mechanism layout
RC lever
pedal
ISCVT
Rear
sprocket
RC wire
chain
Front
sprocket
자전거용 CVT CAD 구축

ISCVT 조립체
Counter Rotor Ass’y
Driving Shaft
Rear Sprocket
Rear Wheel Hub
Driven Rotor
Driving Rotor
Pressure Device
Ratio Changer
자전거용 CVT CAD 구축

BiCVT의 속도비 조정 장치 구조
Ratio Changer Lever
Ratio Changer
Ratio Changer Wire
Spring
자전거용 CVT 시제품

시제품의 구성품

시제품의 조립 장착
자동차용 IVT 설계

무한변속기(Infinitely Variable Transmissio ; IVT)란 ?
- 클러치(토크 컨버터) 없이 차량의 전진/후진/중립을 구현하는 무단변속장치

IVT의 장점
- 경량화 : 각종 클러치 , 토크컨버터, 및 별도의 중립/후진장치 생략
- 연비 향상 : 토크컨버터에서 손실되는 동력을 절감시킴
- 운전 편이성 제고 : 하나의 조정레버로 전/후진 중립 조작

극복해야할 기술들
- spin loss로 인한 발열을 최소화 : 강제윤활방식 채택
- 수명시간 강화로 신뢰성을 높이는 문제 : 표면강화 기술 도입

-
예비연구
소형자동차에 적용하여 실용의 가능성을 타진한다.
자동차용 IVT 예비설계(1)
최대 토크
• 8.8kg∙m/86.2N∙m
• 4,500rpm
변속 범위
최대 출력
• 엔진~추진축
• 0.343~1.38
• 종속도비 : 0.251
설계사양
• 61PS/44.9kW
• 5,600rpm
• 1,000cc 소형차량
• 0.5~2.0
CVT ratio 범위
 메커니즘 레이아웃
전진모드
0.7
Engine
4500rpm
86.2Nm
전체 변속비
전진모드 0.35~1.4
후진모드 0.2~0.8
차동기어
ISCVT
0.251
0.5~2.0
후진모드
0.4
자동차용 IVT 예비설계(2)
Layout
ISCVT
나사식
슬라이더
이송장치
입력축
출력축
가압장치
커넥팅로드
변각장치
변각장치
구동모터
자동차용 IVT 예비설계(3)
ISCVT
Input rotor
• 접촉점 각도
Counter rotor
Output
• 카운터로터
직경
rotor
 취약부 응력해석
70.312mm
• Driving Rotor
53.4°
• Driven Rotor
31MPa
23.3MPa
17.3MPa
13.2MPa
3.49MPa
3.1MPa
shaft
• Driving Counter Rotor
• 입출력로터 반경
• Driven Counter Rotor
23.3MPa
23.3MPa
13.2MPa
13.2MPa
3.1MPa
3.1MPa
103.4mm
Frame
자동차용 IVT 예비설계(4)
기계식 가압장치
전방가압장치
 가압장치 테이퍼롤러 응력해석결과
후방가압장치
자동차용 IVT 예비설계(5)
성능해석
동력효율
후진모드
전진모드
중립모드
전후진 및 중립모드에서의 동력효율
정격 운전영역에서의 동력효율
자동차용 IVT 예비설계(6)
성능해석
접촉응력(MPa)
수명시간(Mhour)
자동차용 IVT 예비설계(7)
도면화
기타 보유기술








스크류 압축기 엔드밀 설계기술
초정밀 밸런싱 기술
풍력발전기용 기어박스 설계기술
발전소/선박용 기어커플링 설계기술
인볼류트 베벨기어 가공기술
하이포이드기어 치형설계기술
하이브리드자동차용 변속기 설계기술
초감속기 설계기술
감사합니다.