인공지능 알고리즘을 활용한 밸런스 샤프트 최적 설계

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확장요약문

내연기관의 고효율화 및 소형·경량화에 따라 엔진의 진동 및 소음 특성은 차량의 NVH 성능을 결정하는 주요 설계 요소로 고려되고 있다. 특히 엔진의 피스톤과 커넥팅로드의 왕복운동에 의해 발생하는 관성력은 엔진의 주요 가진원으로 작용한다. 이러한 엔진의 불평형성을 저감하기 위해 밸런스 샤프트가 널리 적용되고 있다. 그러나 밸런스 샤프트는 고속으로 회전하는 기계 요소로서 진동 저감 성능뿐만 아니라 구조적 안정성과 동력 효율을 함께 고려한 설계가 요구된다. 크랭크샤프트 설계 최적화 연구(Khasnis et al., 2015)에서 동적 밸런싱 성능 개선을 위한 카운터웨이트 형상 변경 이후 응력 집중에 의한 조기 피로파손이 확인되었다. 또한 로터-샤프트 시스템의 불평형에 따른 에너지 손실(Bulsara et al., 2016)에서 회전체의 불평형량 증가에 따라 진동과 소비동력이 증가함을 실험적으로 확인하였다. 위 사례들은 밸런스 샤프트 설계에서도 진동 저감 성능과 함께 구조적 안정성 및 에너지 효율을 종합적으로 고려할 필요가 있음을 시사한다.

본 연구에서는 밸런스 샤프트의 장착 위치에 따른 운동에너지 및 탄성 변형에너지를 수학적으로 모델링하고, 에너지 특성과 구조적 안정성을 고려한 최적의 설계 조건을 도출하고자 한다. 이를 위해 설계 파라미터 분석 소프트웨어를 구축하였으며, 이를 통해 밸런스 샤프트의 장착 위치와 편심 질량 등 주요 설계 변수가 밸런싱 특성에 미치는 영향을 분석할 수 있도록 하였다. 향후 밸런스 샤프트와 왕복운동 기구를 포함하는 실험 환경을 구축하여 편심 질량 및 지지 베어링의 위치 변화에 따른 진동 특성을 측정할 예정이다. 측정 결과와 수학적 모델의 예측값을 비교하여 모델의 타당성을 검증하고, 설계 파라미터와 진동 응답 사이의 상관관계를 분석하고자 한다.

본 연구를 통해 밸런스 샤프트의 장착 위치 및 주요 설계 파라미터가 에너지 특성과 구조적 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 에너지 관점에서 효율적인 설계 조건을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 수학적 모델과 실험 데이터를 연계함으로써, 밸런스 샤프트의 설계 효율성 및 개발 과정의 경제성을 향상시킬 수 있는 데이터 기반 설계 방법론으로 발전될 수 있을 것으로 기대된다.