농업용 전기차 기어박스의 방사 소음 저감을 위한 하우징 형상 설계 최적화 연구

Abstract

본 연구에서는 농업용 전기차 기어박스 하우징의 방사 소음 저감을 위 한 하우징의 형상 설계 최적화를 연구하였다. 기존의 엔진식 차량과 달 리, 전동기를 동력원으로 하는 차량에서 발생하는 소음의 경우 고주파 순음 특성을 나타내는 기어 와인 소음이 탑승자에게 불쾌감을 준다. 농 업기계 산업에서도 파워트레인의 전동화를 통한 친환경 차량의 개발이 활발해짐에 따라 소음 문제 해결을 통해 탑승자의 작업 환경 개선을 위 한 연구가 진행되고 있다. 전기차 기어박스의 소음 특성을 고려하여, 기어박스의 소음과 진동을 측정하고, 입력축의 회전 속도에 따라 변화하는 기어 물림 주파수 성분 의 소음과 전체 소음을 비교하였다. 소음과 진동 측정 결과로부터 기어 박스 하우징의 구조 진동으로 인한 방사 소음을 발생시키는 주 소음원을 분석하였다. 모델의 동적 거동은 고유진동수, 모드 형상, 댐핑과 같은 고유한 동특 성에 의해 결정이 되며, 유한요소 해석을 통해 신뢰성 있는 결과를 얻기 위해서는 이러한 동특성을 잘 나타내는지 확인하는 과정이 필요하다. 실 험적인 모드 해석을 통해 실제 하우징의 동특성을 분석하였으며, 해석적 인 결과의 신뢰성을 검증하기 위하여 하우징 구성 요소 수준에서 조립품 수준까지, 단계별로 재료의 물성치와 요소 간 접촉 방법을 변수로 하여 유한요소모델을 개선하고 검증하였다. 기어, 베어링 및 축과 같은 내부 기계요소의 경우 축소 모델 기법을 통해 부분 구조로 모델링하여 해석 시간을 단축하고, 하우징 형상 변화에 따른 베어링 반력이 변화하더라도 일정한 가진력이 가해질 수 있도록 하였다. 하우징의 소음과 진동 취약부를 분석하기 위하여 유한요소모델을 이용 하여 등가 방사 파워를 해석하였다. 입력축의 회전 방향에 따라 해석 모 델에서 작동 중 변형 형상과 탄성 변형 에너지 해석을 통해 취약부를 분 석하였으며, 취약부 보강을 위한 설계 영역을 지정하였다. 방사 소음을 저감 할 수 있는 설계 영역의 최적화된 재료 분포를 얻기 위하여 위상 최적화 기법을 도입하였다. 최적화 전과 후 등가 방사 파워 최댓값은 감 소하는 경향을 나타내었으며, 정격 속도를 기준으로 최소 약 2.7 dB에서 최대 약 9.7 dB까지 감소하였다.

In this study, a process to optimize the shape design of the housing was conducted for radiated noise reduction of agricultural electric vehicle gearbox. Unlike conventional engine driven vehicles, in the case of noise generated from vehicles powered by an electric motor, gear whine noise, which includes high-frequency factor and pure tone noise characteristics, is more annoying to operators. In the agricultural machinery industry, the development of eco-friendly vehicles through the electrification of powertrain is becoming and active area of research to solve the noise problem for improving the working environment of operators. The noise and vibration of the gearbox were measured in consideration of the noise characteristics of the electric vehicle gearbox, and the noise of the gear mesh frequency that varies with the rotational speed of the input shaft was compared with the overall noise. From the noise and vibration measurement results, the main noise source that generates radiated noise due to the structural vibration of the gearbox housing was analyzed. 61 The dynamic behavior of the model is determined by dynamic properties such as natural frequency, mode shape, and damping. To obtain reliable results through finite element analysis, it is necessary to make sure that these dynamic propertied are represented. Through the experimental modal analysis, the dynamic properties of the actual housing were obtained. In order to verify the reliability of the analytical results, the finite element model was updated and validated with the variables of the material properties and the contact method between the components from the housing component level to the assembly level. Internal mechanical parts, such as gears, bearings, and shafts, were modeled as a substructure through a reduced-order modelling method to reduce the analysis time and to apply a constant excitation force even if the bearing reaction force changes due to the change of housing shape. Equivalent radiated power was analyzed using finite element model to analyze the noise and vibration weak part of housing. According to the rotational direction of the input shaft, the weak part was analyzed by the operating deflection shape and the elastic strain energy analysis, and the design area was determined for the high rigidity design by reinforcing the weak part. In order to obtain the optimized material distribution in the design area to reduce the radiated noise, the topology optimization technique was used. Maximum value of equivalent radiated power tended to decrease under driving conditions and decreased from about 2.7 dB to 9.7 dB at the rated speed.