구조-음향 연성 해석을 이용한 농업용 UTV 기어박스 하우징의 형상 최적화

Abstract

최근 친환경 농업 기계의 개발 및 보급에 대한 요구가 증가함에 따라 농업기계 파워트레인의 전동화가 빠르게 진행되고 있다. 전동화 된 농업용 UTV의 기어박스에서 발생하는 기어 물림으로 인한 고주파 순음은 탑승자 및 작업자에게 불쾌감을 주므로, 농업용 UTV의 진동과 소음의 성능 개선을 위해서는 기어박스에서 발생하는 방사 소음을 감소시켜야 한다. 본 연구에서는 하우징의 최적 설계를 통해 기어박스의 방사 소음을 저감하였다. 먼저 연구 대상인 농업용 UTV 기어박스에 대해 랩 테스트를 수행하여 기어박스의 진동/소음 성능과 기어박스의 주요 가진원을 파악하였다. 시험 결과로부터 기어박스 하우징의 진동 및 방사 소음 수준을 파악하였으며, 기어박스를 가진하는 주요 성분이 1단 기어 쌍에서 발생하는 기어의 전달 오차의 1차 하모닉 성분임을 확인하였다. 기어박스 하우징의 최적화를 수행하기 위하여 기어 시스템의 동역학 해석 모델과 구조-음향 연성 해석 모델을 개발하였다. 진동 및 소음 해석 결과, 주요 영역에서 시험 및 해석 결과가 진동은 0.1 dB 이내, 소음은 0.2 dB(A) 이내의 오차를 보여 모델이 신뢰성을 갖는다고 판단하였다. 개발된 구조-음향 연성 해석 모델을 바탕으로 위상 최적화를 수행하여 하우징을 최적 설계하였다. 하우징 주변의 음압 레벨을 목적 함수로 사용하여 위상 최적화를 수행하였으며, 방사 소음을 저감할 수 있는 하우징의 최적 형상을 도출하였다. 최적화 결과를 토대로 하우징 리브를 설계하였으며, 운행 영역에서 약 2.43 dB(A)의 방사 소음 개선 효과를 확인하였다.

Recently, as the demand for the development and dissemination of eco-friendly agricultural machines increases, the electrification of agricultural machine powertrains is progressing. Since the high-frequency pure sound caused by gear meshing generated from the reducer of an electrified agricultural UTV causes discomfort to passengers and workers, it is necessary to reduce the radiated noise generated by the reducer in order to improve the NVH performance of the agricultural UTV. In this study, radiated noise of the gearbox was reduced through the optimal design of housing. First, a rig test was performed on the agricultural UTV reducer to estimate the NVH performance of the reducer and identify the main components with the reducer. As a result of the test, the vibration and radiated noise of the reducer housing were measured, and it was confirmed that the main component which excites the reducer is the first harmonic of the first gear pair. Afterwards, a gear system dynamic analysis model and a structural-acoustic coupled analysis model were developed for the optimization. As a result of the vibration and noise analysis, the test and analysis results in the main areas showed an error within 0.1 dB for the vibration and 0.2 dB(A) for the noise. Therefore, it was judged that the model had reliability. Finally, the housing was optimally designed by performing topology optimization based on the developed structural-acoustic coupled analysis model. As a result of performing topology optimization using the sound pressure level around the housing as an objective function, the material arrangement of the housing was found to reduce radiated noise. As a result of designing the housing ribs based on the optimization results, the effect of improving radiated noise by about 2.43 dB(A) was confirmed in the operation area.