Gear mesh stiffness estimation based on potential energy method incorporating load-dependent tooth deformation = 하중-의존 치 변형을 반영한 잠재 에너지법 기반 기어 물림 강성 추정 기법

국문 초록 (Abstract)

기어 물림 강성(gear mesh stiffness)은 기어 시스템의 동적 거동을 예측하는 데 핵심적인 역할을 한다. 그러나 기존의 해석적 방법들은 플라스틱 기어에서 두드러지는 하중 의존적 변형을 충분히 반영하지 못한다. 본 연구에서는 탄성 치 변형과 비선형 접촉 거동을 고려하여, 현실적인 하중 민감 물림 강성을 계산할 수 있는 개선된 잠재에너지 기반 접근법을 제안한다. 제안 기법은 기존 PEM(Potential Energy Method)의 계산 효율을 유지하면서, 작용 하중에 따라 접촉 강성을 반복적으로 갱신하는 방식으로 물림 강성을 산출한다. 제안 기법으로 얻은 물림 강성은 유한요소해석(FEM) 결과와 높은 일치도를 보였으며, 기존 방법들은 하중 증가에 따른 비선형 강성 변화를 재현하는 데 한계를 보였다. 또한 제안된 강성 함수를 시간영역 기어 동적 모델에 적용한 결과, 동적 전달 오차와 물림력을 정확하게 예측하였고 FEM 기반 결과와도 강한 정합성을 확인하였다. 이러한 결과는 제안 기법이 플라스틱 기어의 하중 의존적 물림 강성을 효과적으로 추정하고 기어 시스템의 동특성 예측 정확도를 향상시키는 데 유효함을 보여준다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Gear mesh stiffness plays a critical role in predicting the dynamic behavior of gear systems, yet conventional analytical methods do not adequately reflect the load-dependent deformation that becomes prominent in plastic gears. This study proposes an improved potential-energy-based approach that incorporates elastic tooth deformation and nonlinear contact behavior to compute realistic, load-sensitive mesh stiffness. The method iteratively updates contact stiffness based on the applied load while maintaining the computational efficiency of the original PEM(Potential Energy Method). Mesh stiffness obtained with the proposed approach closely matches finite element analysis, while original methods fail to reproduce the nonlinear variation under increasing load. When implemented in a time-domain gear dynamic model, the proposed stiffness function accurately predicts dynamic transmission error and meshing force, showing strong agreement with FEM results. These findings demonstrate that the proposed method effectively captures load-dependent behavior of mesh stiffness and offers a reliable tool for the dynamic analysis and design of plastic gear systems.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents ii
• List of Tables iii
• List of Figures iv
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Research background and present work 1
• 1.2. Limitations of the present approach 2
• 1.3. Objectives and outlines 3
• Chapter 2. Potential Energy Method 5
• 2.1. Bending, shear, and axial deformation stiffness 5
• 2.2. Hertzian contact stiffness 7
• 2.3. Fillet foundation stiffness 7
• Chapter 3. Improved Potential Energy Method 11
• 3.1. Gear meshing angle correction 11
• 3.2. Nonlinear Hertzian contact stiffness 13
• 3.3. Load sharing ratio 13
• Chapter 4. Model validation and comparative analysis 17
• 4.1. Comparison of mesh stiffness for plastic gears 17
• 4.2. Stiffness variation with load 18
• 4.3. Dynamic modeling and simulation results 19
• Chapter 5. Conclusions 24
• Bibliography 26
• 국문 초록 28