발명의 배경 및 필요성

기어 시스템의 중요성과 기술 발전

• 자동차 산업에서 기어 시스템의 간극 문제는 오랫동안 중요한 연구 주제로, 변속기는 차량의 성능과 운전자의 안전에 직접적인 영향을 미침
• 기술 발전으로 수동 변속기에서 자동 변속기, 그리고 전자 제어 변속기로 발전하였으며, 컴퓨터 시뮬레이션, 모델링 기술과 재료 과학의 진보가 기어 시스템의 정확한 동작 예측과 내구성 있는 기어 제작에 기여함

기어 시스템 개선의 필요성

• 제조 과정의 미세한 오차, 재료의 열팽창, 장기간 사용으로 인한 마모 등으로 기어 시스템에서 간극이 발생하며, 이는 기어의 정확한 맞물림을 방해하고 소음이나 진동을 증가시키며 기어의 손상이나 파손으로 이어질 수 있음
• 전기차와 자율 주행 차량의 개발로 자동차 산업이 큰 변화를 겪고 있으며, 고속 회전 모터와 같은 새로운 도전을 제시하는 전기차는 기존 내연 기관 차량과 다른 기어 시스템을 사용할 수 있어 새로운 접근 방식이 필요함
• 차량의 성능과 안전성에 직접적인 영향을 미치는 기어 시스템의 간극 문제 해결을 위해 지속적인 연구와 개발이 필요함

구현방법

기술의 원리 및 구현

• 자동차 드라이브라인에서 엔진의 동력을 바퀴로 전달하는 중요한 부분에 초점을 맞추고, 기어 맞물림 부분에서 발생하는 간극으로 인한 비선형 동작을 분석
• 비선형 동작은 시스템의 반응이 예측하기 어려운 방식으로 변화하는 것임
• '평활함수(smoothing function)'와 n차 다항식 함수를 사용하는 새로운 평활함수 모델을 제안하여 간극으로 인한 동작의 불연속성을 연속적으로 표현하고, 비선형 동작을 더 정확하게 표현
• 하모닉 균형 방법(Harmonic Balance Method, HBM)을 기반으로 실제 드라이브라인 시스템에 적용하여 모델의 효과와 유용성 검증하며, 짝수 차수의 다항식 사용하여 기어 메쉬 힘을 계산하여 실제 시스템에서 발생하지 않는 음수의 힘 값을 피함

기술의 장점

• 기어 시스템의 충돌과 관련된 동적 거동을 더 정확하게 분석 및 예측 가능하며, 기존 모델들과 비교하여 오류가 적음
• 특정 조건에서의 기어 충격을 더 잘 이해할 수 있게 하여 자동차 엔지니어들이 기어 시스템의 성능을 개선하고 더 안정적인 차량을 설계할 수 있게 함

실험 및 결과

실험 목적 및 방법

• 새로운 평활함수 모델을 사용하여 기어 시스템의 비선형 동작을 분석하고 예측하는 것을 목표로 하며, 하모닉 균형 방법(HBM)을 기반으로 기어 충격 조건에 초점을 맞추어 시뮬레이션 수행
• 평활함수 계수를 특정 범위 내에서 검증하여 모델의 정확성을 크게 향상시킴

실험 결과

• 새로운 평활함수 모델은 기존의 수치해석 방법보다 더 정확한 기어 시스템의 동적 거동 분석 결과를 제공하며, 기어 메쉬 힘의 변화를 더 정확하게 예측할 수 있어 기어 시스템의 충돌과 관련된 동적 거동을 분석하는 데 유용함

활용 방안 및 기대효과

자동차 기어 시스템의 혁신적 개선

• 비선형 동작 분석 및 예측을 위한 새로운 방법과 '평활 함수 모델'을 사용한 기어 메쉬의 강성 예측으로 기어 시스템의 성능 및 안정성 향상
• 자동차 엔지니어가 안정적인 차량 운행을 위한 설계 기준을 마련할 수 있게 함
• 기어 시스템의 정밀한 분석 및 설계를 가능하게 하여 자동차 설계 및 분석 방법에 중요한 변화를 가져올 것으로 예상
• 더 안정적이고 효율적인 차량 운행을 가능하게 하여 운전자의 운행 경험 개선 및 자동차 산업의 기술적 진보에 기여

시장 동향

자동차 산업 시장 동향

• 국내 자동차 산업이 생산, 내수시장, 수출 모두 부진하여 역대급 '위기'를 겪고 있으며, 내년에도 불황이 계속될 것으로 전망됨
• 올해 국내 자동차 생산량은 328만여대로 지난해보다 4.8% 감소했으며, 수출 물량은 6% 가량 줄어듦
• 한국지엠은 올해 10월까지 내수 시장에서 지난해 같은 기간보다 32.3% 가량 감소한 7만4595대를 판매했음
• 2022년 자동차 수출이 지난해보다 11.7% 증가한 228만대, 수출액은 14.1% 늘어난 530억 달러로 역대 최대액을 기록할 것으로 예측됨. 내년 수출 규모는 235만 대로 올해 예상치보다 3.1% 증가하고, 수출액 역시 올해 예상치보다 7.5% 늘어난 570억 달러에 이를 것으로 전망됨