A Research for the Noise Development of the FF 8th Speed Automatic Transmission

전륜 8속 자동변속기 소음 개발에 대한 연구

Abstract

This study shows a development procedure and results of noise reduction for a new developed FF 8th speed automatic transmission. Based on planetary gear operating frequency analysis using PTA(planetary transmission analysis) program developed in 2012, It is expected that gear noise of the rear planetary gear set could be recognized easily in the concept design stage. Therefore, pRMC (planetary run many cases) analysis program that is developed in 2012 was applied to minimize the planetary gear noise level and noise distributions versus torque. To minimize noises coming from oil pump and final gears of a new transmission, several changes were applied, such as changing the clearance of double angular ball bearing, the oil pump rotor tooth number from 9 to 11 and the oil pump type from parachoid to megafloid and so on. Besides, stiffness values of the transmission case and the mount bracket were measured and reinforced properly. Finally, The total noise of the new FF 8th speed automatic transmission was developed successfully. Furthermore, E.O.L. testers also have been adapted to control the noise quality of automatic transmission assembly in the manufacturing factory. This paper could provide practical solutions to the automatic transmission NVH problems.

1. 서 론

자동차에 탑재되는 자동변속기 개발에 있어서 세계적인 추세는 고연비, 고성능을 동시에 만족시키는 다단화에 있다. 변속기생산 전문 업체인 일본의 아이신(AISIN)과 독일의 젯에프(ZF)는 8속과 9속 자동변속기를 개발하였고, 후발주자인 중국의 슝루이(SHENGRUI)도 8속 자동변속기를 출시하였다(1~3).

이러한 추세는 각 회사들이 기존의 6단 자동변속기로는 경쟁력이 부족하다는 판단하에 8단, 9단 등으로 변속기를 다단화하여 연비와 기술경쟁력의 우위를 선점하기 위한 생존경쟁의 일환으로 볼 수 있다. 당사도 연비 경쟁력과 상품성 향상을 위하여 후륜 8속에 이어 전륜 8속 변속기를 국내 최초로 독자 개발하여 ALL NEW K7 차량에 탑재하였다.

새로운 전륜 8속 자동변속기는 기존 양산품인 전륜 6속 자동변속기의 단점을 보완하였다.

이 연구에서는 국내 최초로 개발된 전륜 8속 자동변속기의 회전하는 구성 요소들이 만들어 내는 기본적인 소음 현상들에 대하여 양산성을 고려하여 최적화 개발을 진행하고, 각각의 요소들이 가질 수 있는 품질 산포를 최소화할 수 있도록 단계별, 항목별 분석, 평가, 개발한 것을 기술한 것으로 내용을 간단히 요약하면 다음과 같다.

첫째, 8속을 구현한 레이아웃 분석을 컨셉단계에서 실시하고 특정한 유성기어세트의 성분이 운전 시 인지될 가능성이 높음을 예측하였다. 이를 극복하기 위하여, pRMC프로그램을 이용하여 유성기어 제원을 최적화 설계하여 개발하였다(4~6).

둘째, 수백만 대가 제작, 판매된 전륜 6속 자동 변속기에서 검증된 파이널(final) 기어를 전륜 8속 공용 제원으로 선정하여 개발하였다. 이는 6속과 라인을 공유하는 장점도 가지게 된다. 그러나, 전달효율 증대를 위해 기어의 지지베어링을 기존의 테이퍼 롤러 타입에서 볼베어링 타입으로 변경하여, 구름체 접촉면적을 축소하였다. 이러한 변경은 기어 지지강성의 변화를 유발한다. 따라서 전달하중의 변화를 받은 기어는 치 접촉에 변화가 발생하고 이로 인한 소음이 유발될 수 있어, 베어링을 구성하는 제원 중 베어링과 케이지의 공차 스펙 등을 축소하여 개발하였다.

셋째, 케이스(case)부 국부 강성 평가 결과를 통하여 방사소음이 상대적으로 취약한 부위의 표면 진동을 개선하는 개발 기법을 적용하였고, 고체 전달음(structure borne noise)을 최소화하기 위해 쉬프트 케이블(shift cable) 장착위치를 진동이 상대적으로 작은 곳으로 변경하고 마운트 브라케트 강성을 보강하여 개발하였다.

넷째, 변속기의 전달효율 증대를 위해 사이즈가 작고 공급효율이 약 10 % 정도 우수한 메가플로이드 사양의 로터를 가진 오일펌프를 개발하였다(7). 회전하는 로터수를 변경하여 구동엔진과 중첩되는 소음 현상을 회피하도록 설계하였다.

다섯째, 생산품질의 안정화를 위하여 이오엘(EOL, end of line) 검증 시스템을 도입하여 공장 출하품의 품질 안정화를 실시하였다(8,9).

 

2. 본 론

2.1 전륜 8속 자동변속기

당사가 개발한 전륜 8속은 싱글 피니언 유성기어 2세트와 더블피니언 유성기어 1세트, 클러치 4개, 브레이크 2개를 사용하여 구현하였다. 원웨이 클러치(OWC)가 없으며, 격층형 클러치 구조를 적용하였다. 동급 전륜 6속 대비 약 4.1 kg 중량 절감을 이루었고 복합연비도 7.3 %의 향상을 달성하였다.

Fig. 1은 당사가 개발한 전륜 8속 자동변속기의 작동도와 구조도이고 Fig. 2는 단면도를 보인 것이다. 저단에서는 리어유성기어로 동력이 전달되고 6~8단의 고단에서는 프론트 유성기어로 동력이 전달되도록 구성되었다. 변속기를 제어하는 밸브바디의 솔레노이드 제어밸브는 직접제어방식을 적용하여 솔레노이드 제어밸브 수를 40 % 축소하였고, 이로 인한 누설 유량도 약 40 % 개선하였다.

Fig. 1A schematic diagram of the new FF 8th AT and shift control diagram

Fig. 2A layout of the new FF 8th speed automatic transmission

2.2 컨셉 단계 소음 발생 예상도 점검

Fig. 1과 같이 전륜 8속 자동변속기의 구조도와 기어 잇수가 도출되었을 때, 당사가 2012년에 개발한 PTA(planetary transmission analysis) 프로그램을 이용하여 각 요소에 걸리는 속도, 발생주파수, 토크 및 방향 등을 계산하고 분석하였다(10). Table 1은 PTA를 통한 유성기어 요소들의 주파수성분 분석 결과를 보인 것이다.

Table 1A planetary gear operating frequency analysis by using the PTA program

1단, 2단, 3단 등 저단에서 리어유성기어(rear planetary gear) 성분의 발생 주파수가 높아 저속 운전 구간에서 주변소리(background noise)에 묻히지 않고, 엔진으로부터 처음 동력을 전달받아 토크 변동량이 커서 기어의 거동 변화량이 다른 기어들에 비하여 상대적으로 커져 소음발생 변화폭이 큼을 예상할 수 있다. 이러한 컨셉 분석을 통하여 리어유성기어의 소음을 강건하게 개발하기 위한 노력이 투입되었다.

2.3 유성기어 소음 개발

2.2절에서 분석된 예상 문제점인 리어유성기어 세트의 강건 설계를 위하여 당사에서 2012년 개발한 pRMC(planetary run many cases)프로그램으로 전달오차가 작은 유성기어 상세 제원을 설계하였다.

Fig. 3은 pRMC 프로그램을 이용하여 적용 가능한 전륜 8속 유성기어 세트 후보군을 분석한 것이다.

Fig. 3A pRMC program analysis for 8th AT rear planetary gear sets

총 8 648 127개 후보군 중 유성기어세트가 작동할 수 있는 조건을 선별하여 758개 후보군을 초반에 추출하였다. 그리고 일정수준 이상의 내구 강도를 만족하는 제원과 전달오차 값이 일정 기준 이하로 소음에 유리할 것으로 판단되는 제원들의 교집합 등을 형성하여 최종제원을 선정하였다.

Table 2는 pRMC를 이용하여 설계한 제원과 이전 설계기법을 이용하여 설계한 제원을 비교한 것으로 pRMC 설계제원이 모듈은 작지만 리드앵글(헬릭스각)과 접촉비(contact ratio) 등이 큰 것을 알 수 있다.

Table 2a, b, c, d : arbitrary value

Fig. 4는 Table 2에 제시된 제원들의 전달오차 해석 결과를 비교한 것으로 모든 토크 영역 조건에서 pRMC설계 제원의 전달오차 값이 약 50 % 정도 우세한 것을 확인할 수 있다. Fig. 5는 Table 2에 제시된 두 제원을 각각 제작하여 대상에서 평가한 소음 결과를 비교한 것이다. pRMC로 설계한 유성기어 제원의 소음이 기존 설계 방식으로 설계한 제원 대비 10 dBA 정도 우세한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 4Transmission error analysis comparisons between the pRMC design and former design

Fig. 5Planetary gear noise comparisons between the pRMC design and former design

2.4 베어링 및 파이널 기어 소음 개발

전륜 8속 변속기의 파이널 기어는 기존 6속 제원을 그대로 사용하였으나, 치폭을 2.5 mm 축소하여 중량을 절감하였다. 6속의 파이널 기어 제원은 2009년 6속 양산 이후 수백만 대를 생산, 판매하면서 공장의 가공, 생산과 시장의 검증을 충분히 받았다. 공용제원 선택으로 개발 기간을 단축할 수 있었으나 효율 증대를 위하여 기어를 지지하는 베어링을 기존의 더블롤러베어링에서 볼베어링으로 변경하였다.

베어링 타입의 변경은 베어링의 간극 공차의 변화로 인한 기어의 치형 변경이 수반될 수 있다. 따라서 현재 생산되는 6속 변속기와 공장 생산라인과 가공 툴을 공유하기 위해서는 기어의 치형 수정이 없도록 베어링이 개발되어야 한다. 이에 동일한 수준의 NVH 성능을 가지도록 베어링 간극을 최적화하였다. Table 3은 더블롤러베어링과 볼베어링의 형상과 설정된 간극을 보인 것으로 테이퍼 롤러 베어링 대비 전체적으로 30 μm 정도의 관리 구간을 축소하였다.

Table 3*A : arbitrary value

2.5 케이스(Case) 강성 개발

해석을 통하여 사전 검증되고 제작된 변속기 케이스도 실제운전 조건에서는 해석결과와 상이한 결과를 가져온다. 이것은 내부 구성 요소가 미치는 가진력의 차이와 조립 강성의 차이, 제작부품들의 공차 차이와 품질 등의 차이 때문이다. 따라서 변속기가 차량에 장착되었을 때, 방사 소음 및 진동 문제가 없도록 강건화할 필요가 있다. 케이스에 약 350여개의 국부(local)강성 평가를 통해 방사소음 및 진동에 상대적으로 취약한 위치를 찾고 전달계 특성을 파악하고 보강하였다.

Fig. 6은 전륜 8속 변속기 초품의 케이스 국부 강성 평가 결과이다. 변속기 표면의 모든 부위를 격자로 구성하여 강성 평가를 진행하였다.

Fig. 6Results of the 8th AT case FRF

플라스틱으로 구성된 밸브바디커버를 제외하고는 쉬프트 케이블 장착 위치부가 상대적으로 취약함을 파악하여, 해당 부위의 강성개선이 적극적으로 이루어졌다. 뿐만 아니라, 운전 조건하에서 쉬프트 케이블이 장착되는 위치의 진동수준 조사를 통하여 레이아웃상 진동이 작은 최적의 쉬프트 케이블 고정브라케트 보스(boss)부 위치를 선택하였다. Fig. 7은 쉬프트 케이블 고정브라케트 보스부의 진동 측정 위치와 수준을 보인 것으로 체결 위치를 기존 4번에서 6번으로 이동하여 전체 진동 수준이 최대 10 dB 개선되었다.

Fig. 7Shift cable connect positions on 8th speed transmission

Fig. 8은 6속과 8속 자동변속기의 TM 마운트 체결부 형상을 비교한 것이다. 기존의 6속은 4개의 볼트에 의한 포인트(point) 체결 방식이었으나, 8속은 면 전체가 체결되는 방식으로 변경하여 파워트레인 하중에 의해 파워트레인 축방향으로 걸리는 체결강성을 보강하였다.

Fig. 8Mount bracket positions' shapes comparisons between 6th AT and 8th AT

2.6 마운트 브라케트 개발

차체로 전달되는 진동 특성을 저감하기 위해 마운트 브라케트의 살두께를 초기 개발품 대비 부분적으로 2 mm에서 3 mm 증대하고 형상을 변경, 보강하여 강성을 높였다. 브라케트 단품의 해석 공진주파수도 1st를 10 %, 2nd는 48 %로 상승시켰다.

Fig. 9는 그 과정과 결과를 보인 것이고 Fig. 10은 8속 변속기의 차량 장착상태에서의 동강성 평가 결과를 보인 것으로 최종보강품은 초기 개발품 대비 5 dB 이상 개선되었다.

Fig. 9TM mounting bracket analysis and reinforce

Fig. 10TM mounting bracket’s stiffness comparisons between former design and reinforced design in the vehicle

2.7 오일펌프 개발

전륜 8속 오일펌프는 컨셉단계부터 구동효율 개선을 위해 사이즈를 축소하여 회전당 토출유량을 약 37 % 저감하였다. 이러한 축소는 2.1절에 언급된 솔레노이드 갯수를 축소하여 개선한 누설유량 축소에 의해 가능하였다. 특히 개발된 메가플로이드(megafloid) 치형은 파라코이드(parachoid) 치형에 비해 이론적으로 10 % 이상 토출량이 많아 오일 공급의 문제점없이 개발할 수 있었다. 또한 로터의 잇수는 엔진에서 발생되는 동일한 차수(order) 성분의 중첩을 피하기 위해 기존에 사용하던 9개에서 11개로 변경하였다. Fig. 11은 오일펌프 로터의 형상을 보인 것으로 메가플로이드에서는 오일이 압축되는 포켓부의 공간이 거의 형성되지 않는 것을 확인할 수 있다. Fig. 12는 실제 제작된 오일펌프의 대상 평가 결과를 비교한 것으로 기존의 파라코이드 대비 메가플로이드 사양으로 전구간에서 약 10 dBA 정도 낮게 안정적으로 개발된 것을 확인할 수 있다.

Fig. 11Oil-pump type comparisons between parachoid rotor and megafloid rotor

Fig. 12Oil-pump noise results comparisons between 6th AT and 8th AT

2.8 실차 평가

전륜 8속 자동변속기가 최초로 탑재되는 ALL NEW K7차량으로 실차 검증을 실시하였다. Fig. 13은 8속 탑재 차량의 가/감속 주행 평가 시 실내소음을 보인 것이다. 변속기 관련 소음은 전반적으로 모든 조건에서 양호한 수준으로 확인되었다.

Fig. 13An interior noise of ALL NEW K7 equipped 8th AT while driving

2.9 품질 관리

이오엘을 통한 자동변속기 생산 품질관리를 통하여 변속기의 품질 안정화를 실시하였다. Fig. 14는 이오엘에서 측정한 유성기어 성분의 측정 결과를 보인 것으로 6속 자동변속기의 유성기어 성분 1000대분과 8속 자동변속기 5000대분의 분포를 비교 도시한 것이다.

Fig. 14Planetary gear vibration level comparisons between the 6th AT and 8th AT in the EOL

8속 자동변속기 생산품 5000대분의 유성기어 성분 진동 수준이 기존 생산품인 6속 대비 최댓값 기준으로 15 dB 정도의 안정적인 품질을 유지하고 평균적으로도 구간에 따라 6 dB에서 13 dB 정도 우세한 것을 확인할 수 있다. 이는 컨셉단계부터 진행된 체계적인 강건화 개발에 따른 결과라고 할 수 있다.

 

3. 결 론

이 연구는 국내 최초로 개발된 전륜 8속 자동변속기의 소음 개발에 대한 것을 기술한 것으로 결론은 다음과 같다.

(1) PTA 프로그램을 이용하여 8속 자동변속기 레이아웃에서 특정 유성기어 성분이 불리할 것을 예측, 분석하였고, pRMC 프로그램을 이용하여 컨셉단계부터 품질에 강건하도록 유성기어 제원을 설계하여 개발하였다. 해석적으로 기존 설계 기법대비 50 % 이상 전달오차 값이 개선됨을 확인하고, 단품에서 10 dBA 이상 우세하게 개발되었다. 뿐만 아니라, EOL을 통한 양산품 품질 점검 결과, 기존 6속 대비 최대 15 dB 이상의 품질 안정화가 이루어졌음을 확인하였다

(2) 파이널 기어는 수백만 대를 생산하면서 검증된 6속 자동변속기 제원을 공용하여 개발하였다. 그리고 테이퍼 롤러에서 볼 베어링 사양으로 변경되어 치 접촉 변형이 발생되는 문제를 최소화하기 위해 베어링 간극을 기존사양대비 30 μm 축소하여 개발하였다.

(3) 초기 컨셉단계부터 해석을 통하여 케이스 및 전달계를 개발하고, 케이스부 국부 강성과 전달계 체결 위치 변경 실험 개발을 통하여 초기 개발품 대비 10 dB 이상 강건하게 개발하였다. 또한 마운트 브라케트 강성 보강을 통하여 차량상태에서 초기 대비 5 dB 이상 개선하였다.

(4) 신규 메가플로이드 오일펌프의 잇수 변경을 통하여 엔진과 중첩되는 것을 회피하고 최적화하여 기존 파라코이드 사양 대비 10 dBA 이상 강건하게 개발하였다.

(5) 차량에서 변속기 소음이 문제없음을 확인하고 각 항목별 개발된 기법들이 품질에 안정적인지 EOL을 통해 검증하고 품질 관리를 하였다.