[논문]트랙터용 토로이달식 무단변속기 개발(1): 변속기 메커니즘

김의한; 이재천

트랙터용 토로이달식 무단변속기 개발(1): 변속기 메커니즘
Development of Toroidal Type Continuously Variable-Speed Transmission for Agricultural Tractor(1): Transmission Mechanism 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.10 no.3, 2002년, pp.218 - 226

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This study was carried out to develop continuously variable-speed transmission(CVT) fur an agricultural tractor. The full-toroidal variator mechanism with flour discs and six rollers was utilized as a device fur changing speed ratio continuously. In system layout design, the sizes of the roller cylinders and the end-load cylinder, which were critical factors for controlling the variator, were designed. The planetary gear unit and six pairs of the gear assemblies were designed to establish the maximum speed of the vehicle at 30 ㎞/hr. In addition, the hydraulic clutch, the silent chain, the hydraulic manifold and the electronic controller were designed. Based on the design, a prototype CVT was developed and tested. Test results show that the CVT developed in this study could successfully provide variable speed of the tractor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

국내에서 가장 많이 공급되고 있는 트랙터의엔진 출력 범위는 30〜45 마력인데, 본 연구에서는 개발에 소요되는 비용을 고려 하여 35 마력 급트랙터의 무단변속기 개발을 목표로 하였다.
따라서, 본 연구에서는 이러한 필요성에 적합한 무단변속기를 생산하기 위한 선행 연구로써 트랙터용 무단변속기의 메커니즘을 설계, 제작하고성능을 검증코자 하였다. 무단변속 방식으로는 HMT(Hydro-Mechanical Transmission), 1, 2) HST, 3, 4, 기어식 무단변속기, ' 벨트식 무단변속기,^6-9⁾토로이달 무단변속기 ^10-13) 등 다양한 방식 에 대 한검토 결과, 저속(0~5km/hr) 구간에서 트랙터에필요한 고토크를 출력 할 수 있으며, 효율이 가장높은 방식 인 토로이 달 방식 을 채 택 하였다.
본 연구는 농업용 트랙터에 적용하기 위한 무단변속기를 개발하기 위해 수행하였다, 트랙터에 적합한 무단변속 방식으로써 영국 도로트락사의 토로이달 방식을 선정하였고, 시스템 설계 및 요소부품 설계 후 무단변속기 시작품을 독자적으로 완성하였다.
본 연구에서 개발한 트랙터용 무단변속기는아직까지 세계적으로 실용화된 바가 없기 때문에, 작업시 발생할 수 있는 여 러 문제점을 시험용모델을 통하여 파악하고, 이를 해결하여 향후 제품 설계시 필요한 설계 기준을 정 립하기 위한 시작품이다.

제안 방법

검증코자 하였다. 무단변속 방식으로는 HMT(Hydro-Mechanical Transmission), 1, 2) HST, 3, 4, 기어식 무단변속기, ' 벨트식 무단변속기,^6-9⁾토로이달 무단변속기 ^10-13) 등 다양한 방식 에 대 한검토 결과, 저속(0~5km/hr) 구간에서 트랙터에필요한 고토크를 출력 할 수 있으며, 효율이 가장높은 방식 인 토로이 달 방식 을 채 택 하였다.
무단변속 트랙터의 차량 속도는 이론적으로트랙터의 엔진 회전속도가 2, 500rpm일 때 RT 변화와 모드 변경을 통해 최 대 50km/hr가 되도록 결정하였으며, 실제 사용 범위는 제어기에 의해 30 km/h 이내로 제한하였다.
무단변속기 장착 트랙터의 대표적인 특징으로 로 일정 엔진 속도에서 무단 변속에 의 해 차량 속도를 점차 증가하게 할 수 있는 기능을 들 수 있으므로, 입력 축 속도를 l, 000rpm으로 일정하게유지한 상태에서 변속 유압밸브 조절에 의해 차량의 속도가 실제 무단 변속하여 원하는 속도까지 변화시키는 시 험 을 수 행 하였다.
무단변속기를 장착한 트랙터의 중요한 이점은 변속을 자동화 할 수 있는 것으로, 본 연구에서 개발하는 시 작품에서는 최 고 속도 설정 레 버만을 두어, 속도 범위를 0〜30km/h 내에서 선택하게 함으로써 작업자가 원하는 최대 속도 이내에서 작업 이 가능하도록 하였다. 전, 후진 변속은 자동 변속 자동차의 변속 레버를 적용하여, 전, 후진 변속을 수행할 수 있도록 하였다.
본 연구에서 개발한 무단변속기의 가변 기는 영 국 토로트락(Torotrak)사의 기술⑵을 적 용하였으나 농업용 트랙터로서의 기능을 구현하기 위한 변속기 시스템의 구성은 독자적 지적자산에 속한 것으로써 주요 내용은 다음과 같다.
본 연구에서 트랙터용 무단변속기의 가변기만으로 얻을 수 있는 변속비 범위가 제한되어 있으므로 세 개의 속도 구간(모드)을 두어 전체 속도 범 위 를 운용하도록 하였는데, 이 속도 구간 사이의 변경을 위해 유압 클러치를 이용하였다. 본연구에서 설계된 유압 클러치는 모두 3개의 습식마찰 클러치로써 구조가 단순하고, 수명 이 길며, 토크 전달에 효과적 일 뿐 아니라 빠른 응답성을 가지고 있다.
본 연구에서는 주요 설계인자에 대한 설계를수행한후 변속기 케 이스의 크기 및 각 부품의 강도를 고려하여 각 축과 가변기, 그리고 기어류와저소음 체 인을 최 적으로 배치 하였고, 중간 축 상에 유압 클러치를 설치하였다. Fig.
본 연구의 무단변속기 시스템은 3개의 축, 6개의 기어, 유압클러치, 구동체인, 유성기어, 가변 기로 구성된다. 유성 치차부와 토로이달 변속 부에 의해 트랙터의 무단변속이 가능하게 되며, 이외 에 구동장치로서 의 유압시스템 및 각 요소의 기어, 축류의 설계는 트랙터의 작업 부하에 따른 강도 설 계 방법 에 의 하여 이루어진다.
시동 초기 혹은 시 동이 꺼졌을 때, 유압 시스템의 시스템 압력이 아직 작은 상태에서는 실린더 내에 충분한 압력이 형성되지 않기 때문에 종부하 실린더의 기능을 보조하기 위해서 판 스프링을 추가 설치할 수 있도록 설계하였다.
즉, 3가지 요소 중 1요소를 일정한 속도로 회전시키고, 다른 1요소의 속도를 변화시키면, 나머지 1요소의 회전을 연속적으로(시계방향에서 시계반대방향까지) 변화시킬 수 있다. 이러한 특징을 이용하여 초기 출발시 요구되는 큰 토크를 별도의 장치 없이 전달할 수 있도록 하였다.Fig.
이외에도 무단변속기의 원활한 작동을 위해주요 부품 이외에 변속기 케이스, 롤러 캐리지(roll er carriage) 커 버, 각종 축 및 기 어 류, 베 어 링 , 씰등을 설겨], 제작하였다.
일반적인 수동변속기는 변속 단수가 단계적이기 때문에 차량의 증속을 위해 엔진의 회전 속도를 반복적으로 증감시 켜 야 하나, 개발된 무단변속기는 일정한 엔진 회전 속도 상태에서 무단변속만을 통해 차속의 증, 감속을 구현할 수 있도록 하였다.
작업 이 가능하도록 하였다. 전, 후진 변속은 자동 변속 자동차의 변속 레버를 적용하여, 전, 후진 변속을 수행할 수 있도록 하였다.
제작된 무단변속기에 회 전수를 조절할 수 있는 직류 전동기를 연결하여, 무단변속 시험을 수행하였다.
주행속도에 있어서는, 일반적으로 트랙터의최고 주행 속도가 20〜30km/h 범위이고, 도로 주행 시 무단변속기의 이 점을 살리기 위하여 평지주행 시 엔진 회전속도 1500rpm에서 30km/hr가되는 것을 목표로 하였으나, 고속 주행시 시작품변속기 내부의 실제 효율이 낮아지고, 주행 저항도 크게 증가하게 되므로, 더 높은 엔진 회전 속도에서 최고 속도 30km/hr를 얻을 수 있도록 하였다. 후진 속도는 전진 속도와 같은 범위를 얻을 수 있으나, 위험성을 감안하여 12km/hr로 제한하였다.
22) 이들 부품의 표면 가공에 설계의 초점을 맞추었다. 즉, 가변기 디스크의 구면 반경과 가변기 롤러 외경의 비를 변경하며, 견인 실험을 수행하여이에 대한 최적비를 구하였고, 표면 조도는 높은견인계수를 제공하면서도 윤활류가 잘 퍼질 수있는 적정 조도를 실험적으로 구하였다.

대상 데이터

24) 그러나, 실제적 인 기 계 요소로써, 다양한 가변기 구동환경에서의 EHL 이론은 아직 완전히 정립되지못한 상태이 다. 본 연구에서는 영국 쉘(Shell)사에서 가변기의 구동환경에 적합하게 개발한 윤활유를 지 원 받아 사용하였다.

이론/모형

우선 유성 치차 방식을 이용하여 통합부를 구성하였고, 전-토로이달(full toroidal) 메커니즘^15,16) 을 이용하여 가변기를 구성하였다. 본 연구에서적용한 전-토로이달 무단변속 방식은 현재 상용화된 스틸-벨트 혹은 반-토로이달(half-toroidal) 방식mm에 비해 구조적으로 제작이 쉽고 제어가간편하다는 이점이 있으며, 토크-컨버터와 같은별도의 발진기구(starting device)를 사용하지 않아도 되는 장점도 가지 고 있다.

성능/효과

또한 무단변속 기능의 확인을 위해 개발된 시작품을 이용하여 다양한 실험실 시험을 수행하였으며, 이를 통해 트랙터 변속기에 적용된 전- 토로이달 방식 무단변속기의 속도비 제어 성능이 우수한 것을 확인하였다.
이용하여 가변기를 구성하였다. 본 연구에서적용한 전-토로이달 무단변속 방식은 현재 상용화된 스틸-벨트 혹은 반-토로이달(half-toroidal) 방식mm에 비해 구조적으로 제작이 쉽고 제어가간편하다는 이점이 있으며, 토크-컨버터와 같은별도의 발진기구(starting device)를 사용하지 않아도 되는 장점도 가지 고 있다.
본연구에서 설계된 유압 클러치는 모두 3개의 습식마찰 클러치로써 구조가 단순하고, 수명 이 길며, 토크 전달에 효과적 일 뿐 아니라 빠른 응답성을 가지고 있다. Fig.

후속연구

수 있다.국내 트랙터 업계의 기술 수준은구미 업체 수준에는 못 미치나 지난 10년간 많은 발전을 이루어온 것이 사실이며, 앞으로도 농업용 트랙터에 대한 많은 연구들이 수행될 것으로 판단된다. 특히 트랙터의 기능 중 가장 핵심이 되는 변속기기술은 지속적으로 개선, 발전될 전망이다.
현재 본 연구에서 개발된 변속기를 트랙터에 탑재하여 포장시험 및 내구성 시험을수행중이다.

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김현석，김현수, '토크 캠 장착 건식 CVT 차량의 성능 해석,' 한국자동차공학회논문집，제9권 제4호，pp.131-138, 2001

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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