1. 서 론
2. 부품 설계
2.1. 기어박스 마운팅 브라켓 설계 조건
2.2. 기어박스 마운팅 브라켓 해석 방법
3. 해석결과 및 고찰
3.1. 기어박스 마운팅 브라켓 강도해석 결과
4. 결 론
1. 서 론
EV(전기자동차, Electric vehicle)용 자동차의 기어박스마운팅(gear box mounting)은 장착 시 공정상의 효율성을 높이기 위하여 마운팅 브라켓의 형상변경이 요구되고 있다. 또한 기어박스를 차량과 부착하는 마운팅 부위의 접촉면이 불연속적으로 이루어져 있기 때문에 이 부분에 응력집중이 발생하여 국부적인 강도가 취약할 수 있다.(1~(9)
본 연구에서는 EV(전기자동차, Electric Vehicle)용 기어박스 마운팅 브라켓의 설계에 대하여 구조해석을 통해 다루었다. 기어박스 마운팅 브라켓의 해석을 수행하여 안전성을 평가하고, 취약 부위에 대한 개선안을 찾아 설계에 반영하였다. 또한 안전성 평가를 위해 기어박스 마운팅의 형상 분석을 실시하였고, 취약한 부분에 대한 개선 방안을 발굴하여 설계에 반영하였다. 이들 형상에 대하여 각각 강도해석을 수행하였고, 해석결과를 설계에 반영하였다. 다양한 설계변경을 통한 분석결과, 적절한 기어박스 마운팅 브라켓의 형상 제시가 가능하였다. 또한, 보강재(reinforcement)와 마운팅 브라켓(mounting bracket)의 형상변화가 기어 박스 마운팅 브라켓에 미치는 강성 및 강도적인 영향을 조사하였다. 아울러 해석결과를 이용하여 기어박스와 주변 장치의 다양한 설계변경을 실시하여 개선된 설계안을 제시하고자 한다.
2. 부품 설계
2.1. 기어박스 마운팅 브라켓 설계 조건
EV용 기어박스는 주위 전선(wiring harness) 등이 통과하는 여유를 갖도록 설계변경하는 등, 기어박스 마운팅 브라켓의 설계자유도를 높일 수 있도록 다양한 형태의 브라켓 형상변경이 요구되고 있다. 본 해석에서는 이러한 설계 자유도를 높이기 위하여 마운팅 브라켓의 형상변경에 따른 강성, 강도적인 안전성을 평가하고 이를 설계에 반영하고자 한다.
2.2. 기어박스 마운팅 브라켓 해석 방법
해석을 위한 소프트웨어는 상용 프로그램인 Abaqus를 활용하였으며 선형 정적해석을 수행하였다. 강도해석은 마운팅 주변의 강도 보강을 위하여 해석을 수행하였으며 이를 설계에 반영하고자 하였다.
해석에 사용한 SCP1 소재의 재료물성을 Table 1에 나타내었다.
Table 1.
Material properties of SCP1
| Young’s Modulus | Poison ratio | Density | Yield Strength | Tensile Strength |
| 207 GPa | 0.29 | 7.82E-6 kg/mm3 | 140 MPa | 280 MPa |
해석을 위한 경계조건은 기어박스 마운팅 브라켓 하단 좌면에 6자유도를 구속하여 해석을 수행하였으며 이 때 가하는 하중은 10,000 N 이었다. 하중을 10,000 N으로 한 이유는 동일한 단위하중(100 N, 혹은 10 N을 부여하여 단순비교해도 동일한 상대비교가 가능)을 부여하여 설계변경 전후를 상호비교하기 위함이다. Fig. 1에 기어박스 마운팅 브라켓의 강도해석을 위한 4가지 설계안을 나타내었다. Case 1은 3개의 보강재(reinforcement A, B, C)를 지닌 기본 모델이며 case 2는 기본모델의 보강재 A, B를 제거한 모델이다. 또한 case 3는 보강재 B의 형상을 변경한 모델이며 case 4는 case 3 모델에서 보강재 C의 형상을 제거한 모델이다.
3. 해석결과 및 고찰
3.1. 기어박스 마운팅 브라켓 강도해석 결과
Fig. 2에 본 연구에서 해석한 기어박스 마운팅 브라켓의 강도해석 결과를 나타내었다. Fig. 3에 Fig. 2에서 얻은 각각의 해석결과를 정리해 나타내었으며 이들 해석결과를 정량적으로 정리하여 해석 시 도출된 최대 응력값을 Table 2에 나타내었다.
Table 2.
Summary of stress analysis results
| Case 1 | Case 2 | Case 3 | Case 4 | |
| Stress (von Mises) | 78.4 MPa | 117.2 MPa | 83.3 MPa | 83.4 MPa |
| 100% | +49.5% | +6.3% | +6.32% |
Fig. 2, Fig. 3 및 Table 2에서 알 수 있듯이 강도해석 결과 보강재 B의 변경과 보강재 C의 제거는 기어박스 마운팅 브라켓의 최대응력 감소에 영향을 크게 미치지 않았다. 특히 case 2 모델의 경우 case 1(기존 모델)에 비하여 최대응력값이 49.2% 증가하였으며 case 3 및 case 4모델의 경우 기존 설계모델 대비 최대응력값의 증가가 6.3%로 미미한 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 4에 본 연구에서 해석한 기어박스 마운팅 브라켓의 강도해석 결과 중 변형량을 정리하여 나타내었으며 이들 해석결과를 정량적으로 정리하여 해석 시 도출된 변형량을 Table 3에 나타내었다.
Table 3.
Summary of displacement analysis results
| Case 1 | Case 2 | Case 3 | Case 4 | |
| Displ. (mm) | 0.098 mm | 0.128 mm | 0.102 mm | 0.1024 mm |
| 100% | +30% | +4.1% | +4.1% |
Fig. 4 및 Table 3에서 알 수 있듯이 강도해석 결과 보강재 B의 변경과 보강재 C의 제거는 기어박스 마운팅 브라켓의 최대변위 감소에 영향을 크게 미치지 않았다. 특히 case 2 모델의 경우 case 1 (기존 모델)에 비하여 최대변형량이 30% 증가하였으며 case 3 및 case 4모델의 경우 기존 설계모델 대비 최대 변형량의 증가가 4.1%로 미미한 것을 확인할 수 있었다.
4. 결 론
1) 기어박스 마운팅 브라켓의 강도해석 결과, 최대응력이 발생하는 위치는 마운팅 브라켓의 하단 좌면 부위임을 알 수 있었다.
2) 강도해석 결과 보강재 A가 마운팅 브라켓의 강성에 가장 큰 영향을 미친다고 평가되었다.
3) 보강재 B의 형상변경과 보강재 C를 제거한 case 해석 결과 강성 강조적인 영향은 미미하였다.
4) 주위 전선(wiring harness) 등이 통과하는 여유를 갖도록 설계변경하여 기어박스 마운팅 브라켓의 설계자유도를 개선한 모델인 case 2 모델의 경우 case 1(기존 모델)에 비하여 최대응력값이 49.2% 증가하였으며 case 3 및 case 4모델의 경우 기존 설계모델 대비 최대응력값의 증가가 6.3%로 미미한 것을 확인할 수 있었다. 그러므로 case 2의 경우 최대응력값이 높아 기존 설계 대비 안전하지 않아 설계안으로 채택할 수 없었으며 형상 변경에는 case 3 및 case 4 모델이 적절하다.
6) case 2 모델의 경우 case 1(기존 모델)에 비하여 최대변형량이 30% 증가하였으며 case 3 및 case 4모델의 경우 기존 설계모델 대비 최대 변형량의 증가가 4.1%로 미미한 것을 확인할 수 있었다.
