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문제 정의
- 본 연구는 트랙터의 동기식 전후진 변속기를 파워시프트 변속기로 대체하였을 때 트랙터와 파워시프트 변속기의 주요 변수가 변속 특성에 미치는 영향을 구명하기 위하여 수행되었다. EASY5를 이용하여 전후진 파워시 프트 변속기 와 유압 제어 시스템을 모형화하고 변속기 시험 장치를 이용하여 이를 검증하였으며, 검증된 전후진 파워시프트 변속기와 트랙터의 전동 라인을 결합하여 트랙터 통합 모델을 개발하고, 변속 툭성을 시뮬레이션 하였다.
- 변속 과정에서 일어나는 클러치의 유압 변화와 변속기의 설계 변수가 이러한 유압 변화에 미치는 영향 등을 구명하여야 한다. 본 연구는 파워시프트 변속기에 대한 시스템 해석 기술을 개발하기 위하여 시도되었으며, 구체적인 목적은 다음과 같다.
제안 방법
- (2) 전후진 변속시험 장치를 구성하고 변속 시험의 결과와 모형을 이용한 시뮬레이션 결과를 비교하여 모형의 유효성을 검정한다.
- 구명하기 위하여 수행되었다. EASY5를 이용하여 전후진 파워시 프트 변속기 와 유압 제어 시스템을 모형화하고 변속기 시험 장치를 이용하여 이를 검증하였으며, 검증된 전후진 파워시프트 변속기와 트랙터의 전동 라인을 결합하여 트랙터 통합 모델을 개발하고, 변속 툭성을 시뮬레이션 하였다.
- 오일 온도는 변속기에서 오일 냉각기로 토출되는 출구에 온도 센서를 부착하여 측정하였다. 동력계는 변속기에 부하를 가하기 위하여 사용하였으며, 작용 부하는 동력계에 부착된 로드 셀을 이용하여 측정하였다. 모터는 속도 조정이 가능한 7.
- 이때 오일의 온도는 45℃를 유지하였다. 또한, 변속기 모형을 이용하여 같은 조건에서 시뮬레이션으로 이를 예측하고, 그 결과를 측정치와 비교하였다. 그림 7과 8은 각각 질량관성모멘트가 0.
- 변속기 시험 장치에서 질량관성모멘트를 0.019, 0.070, 0.115, 0.166 kg - m2 4수준으로 하고, 입력축의 속도를 800 rpm으로 하여 전진 출발 및 전진에서 후진으로 변속할 때, 입력축 토크, 출력축 토크, 출력축 속도, 클러치 유압을 측정하였다. 이때 오일의 온도는 45℃를 유지하였다.
- 이용하여 모형화하였다. 변속기의 유압 클러치, 축, 기어, 모터 특성, 질량관성모멘트, 오일 특성, 클러치 압력 곡선 등 각 요소는 EASY5에서 제공하는 기본 요소를 사용하였으며, 각 요소의 입력 제원은 실제 측정치와 제작사에서 제공한 도면과 데이터를 이용하여 결정하였다 (김, 2002). 그림 5 는 EASY5를 이용하여 모형화한 전후진 파워시프트 변속기를 나타낸 것이다.
- 변속기의 입력축 속도는 입력축에 광테이프 2개를 180° 간격으로 부착하고 광센서를 이용하여 측정하였으며, 출력축 속도는 출력축에 잇수가 60인 기어를 설치하고 마그네틱 픽업을 이용하여 계측하였다. 입력축 토크는 모터와 변속기 사이에 토크 미터를 설치하여 측정하였으며, 출력축 토크는 출력축에 축 방향과 45° 경사로 4개의 스트레인 게이지를 부착하고 휘스톤 브리지 회로를 구성하여 측정하였다.
- 14로 설정하였다 (김, 2002). 본연구에서는 접속시의 마찰계수를 슬립의 함수로 표현하여 클러치의 마찰 특성을 모형화하였다.
- 시험장치를 설계 제작하였다. 시험장치는 모터, 변속기, 등가 관성질량, 직류 동력계로 구성하였으며, 변속기의 입력축 속도와 토크, 출력축 속도와 토크, 유압 회로의 라인 압력, 전후진 클러치 압력, 오일 온도를 측정할 수 있도록 계측 장치를 설치하였다.
- 트랙터 모형에는 파워시프트 전후진 변속 모형의 기본 요소 외에 엔진, 비틀림 댐퍼, 차동장치, 유성기어, 타이어, 차체가 추가되었다. 엔진은 각각 공회전할 때의 속도와 토크, 최대 토크점에서의 속도와 토크, 정격 속노에서의 속도와 토크를 이용하여 작성한 토크 맵 으로써 모형 화하였다. 트랙 터 의 전 후륜에 작용하는 하중은 전방 로더가 부착된 상태를 기준으로 하였다.
- 유압 제어 시스템의 라인 압력과 전 후진 클러치 압력은 압력 센서를 부착하여 측정하였다. 오일 온도는 변속기에서 오일 냉각기로 토출되는 출구에 온도 센서를 부착하여 측정하였다. 동력계는 변속기에 부하를 가하기 위하여 사용하였으며, 작용 부하는 동력계에 부착된 로드 셀을 이용하여 측정하였다.
- 같이 모형화하였다. 유압 제어 시스템에서 EASY5가 제공하는 요소는 이를 입력하여 시스템의 특성에 따라 입축력 포트를 연결하였으며, EASY5가 제공하지 않는 요소는 EASY5의 사용자 코드를 이용하여 Fortran 언어로 모형화하였다. 유압 제어 시스템의 주요 요소는 펌프, 릴리프 밸브, 오일 탱크, 피스톤, 스프링, 방향 제어 밸브, 오리피스 등으로서 각 요소의 제원은 실제 측정치와 제작사에서 제공한 도면과 데이터를 이용하여 결정하였다.
- 토크 측정에 사용된 토크 미터와 스트레인 게이지를 이용한 토크 변환기의 신호는 모두 선형 측도 설정식을 유도하여 토크값으로 변환하였다. 유압 제어 시스템의 라인 압력과 전 후진 클러치 압력은 압력 센서를 부착하여 측정하였다. 오일 온도는 변속기에서 오일 냉각기로 토출되는 출구에 온도 센서를 부착하여 측정하였다.
- 유압 제어 시스템에서 EASY5가 제공하는 요소는 이를 입력하여 시스템의 특성에 따라 입축력 포트를 연결하였으며, EASY5가 제공하지 않는 요소는 EASY5의 사용자 코드를 이용하여 Fortran 언어로 모형화하였다. 유압 제어 시스템의 주요 요소는 펌프, 릴리프 밸브, 오일 탱크, 피스톤, 스프링, 방향 제어 밸브, 오리피스 등으로서 각 요소의 제원은 실제 측정치와 제작사에서 제공한 도면과 데이터를 이용하여 결정하였다.
- 향상되는 것으로 나타났다. 이 결과에 따라모듈레 이팅 종료점 의 압력 을 6 bar, 모듈레 이팅 시간을 1.5초로 설정하고 이후의 시뮬레이션을 수행하였다.
- 4륜 구동 트랙터로 하였다. 이 트랙터의 전 후진 변속기는 동기 물림식이나 이를 파워시프트 전 후진 변속기로 대체하여 시뮬레이션을 수행하였다. 표 4는 시뮬레이션에 사용된 트랙터의 주요제원을 나타낸 것이다.
- 입력축 토크는 모터와 변속기 사이에 토크 미터를 설치하여 측정하였으며, 출력축 토크는 출력축에 축 방향과 45° 경사로 4개의 스트레인 게이지를 부착하고 휘스톤 브리지 회로를 구성하여 측정하였다. 스트레인 게이지의 출력 신호는 슬립링을 통하여 자료 수집 장치 의 스트레 인 증폭기로 입력하였다.
- 전후진 변속시 발생되는 과도 특성을 실험적으로 구명하기 위하여 그림 1어서와 같이 전후진 변속 시험장치를 설계 제작하였다. 시험장치는 모터, 변속기, 등가 관성질량, 직류 동력계로 구성하였으며, 변속기의 입력축 속도와 토크, 출력축 속도와 토크, 유압 회로의 라인 압력, 전후진 클러치 압력, 오일 온도를 측정할 수 있도록 계측 장치를 설치하였다.
- 전후진 파워시프트 변속기를 모형화하기 위하여 먼저 유압 클러치의 마찰계수을 실험으로 결정하였다. 그림 4는 클러치가 접속될 때와 해제될 때 실험으로 결정한 클러치의 마찰계수를 나타낸 것이다.
- 타이어의 슬립, 견인력, 구름 저항의 관계는 죤 디어사에서 개발한 식(Anderson, 2000) 을 이용하였다. 차체는 가속도에 의한 하중 전이와 직진 주행을 고려하여 모형화하였다. 트랙터 모델에 포함된 회전체의 질량관성모멘트, 비틀림 강성, 댐핑 등은 치수와 물성치를 이용하여 EASY5에서 자동으로 계산된 값을 사용하였다.
- 차체는 가속도에 의한 하중 전이와 직진 주행을 고려하여 모형화하였다. 트랙터 모델에 포함된 회전체의 질량관성모멘트, 비틀림 강성, 댐핑 등은 치수와 물성치를 이용하여 EASY5에서 자동으로 계산된 값을 사용하였다.
- 트랙터 통합 모형을 이용하여 다음과 같이 유압 제어 변수와 설계 변수를 변화시키며, 각 변수가 직진 출발 및 전후진 변속 상태에서 과도 토크 특성에 미치는 영향을 시뮬레이션하였다.
- 트랙터에 전후진 파워시프트 변속기를 채택하였욜 때 트랙터의 엔진 속도, 주행 속도, 중량, 전 후진 속노비, 변속기의 비틀림 댐퍼 등이 변속기 입력축과 차축의 과도 토크 및 클러치의 단위 면적당 전달 동력에 미치는 영향을 구명하기 위하여 변속기와 트랙터의 통합 시뮬레이션을 실시하였다. 변속기 입력축과 차축의 과도 토크 및 클러치의 단위 면적당 전달 동력은 변속 품질을 결정하는 주요한 값으로서 과도 토크의 최대값과 클러치의 전달 동력이 작을수록 변속 품질은 우수한 것으로 알려져 있다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 전후진 파워시프트 변속기는 그림 2에서와 같이 전후진 각각 1단 변속기로서 클러치팩, 기어, 축으로 구성되어 있으며, 변속 비는 전진이 0.9423이고 후진이 0.9242이었다.
- 시뮬레이션 대상 트랙터는 국내에서 생산된 40 kW, 4륜 구동 트랙터로 하였다. 이 트랙터의 전 후진 변속기는 동기 물림식이나 이를 파워시프트 전 후진 변속기로 대체하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 시뮬레이션을 위한 트랙터의 EASY5 모형은 주 변속과 부변속을 포함한 주변속부, 차동장치와 최종 감속장치를 포함한 후차축부, 감속기어, 차동장치, 유성기어를 포함한 전륜 구동부 모형과 이미 개발한 파워시프트 전후진 변속부 모형을 결합하여 그림 11에서와 같이 구성하였다. 트랙터 모형에는 파워시프트 전후진 변속 모형의 기본 요소 외에 엔진, 비틀림 댐퍼, 차동장치, 유성기어, 타이어, 차체가 추가되었다.
- 5 kW 변속 모터를 사용하였다. 자료수집 장치는 AD 변환기, 스트레인 증폭기, F/V 변환기, 온도변환기가 내장된 것으로서, 자체 컴퓨터에 의하여 측정 데이터의 분석이 가능한 것을 사용하였다. 표 1은 시험장치에 사용된 계측 장치의 주요 제원을 나타낸 것이다.
이론/모형
- 트랙 터 의 전 후륜에 작용하는 하중은 전방 로더가 부착된 상태를 기준으로 하였다. 타이어의 슬립, 견인력, 구름 저항의 관계는 죤 디어사에서 개발한 식(Anderson, 2000) 을 이용하였다. 차체는 가속도에 의한 하중 전이와 직진 주행을 고려하여 모형화하였다.
성능/효과
- (1) 전후진 파워시프트의 변속 과정을 컴퓨터로 시 뮬레 이 션할 수 있는 동력학적 모델을 개 발한다.
- (3) 유효한 모형을 이용하여 전후진 변속기와 트랙터를 포함한 통합 시뮬레이션을 실시하고, 전 후진 파워시프트 변속기의 유압 제어 변수와 설계변수가 변속 품질 및 트랙터의 동적 특성에 미치는 영향을 구명한다.
- 1) 변속 시간, 변속기 입력축과 전후륜으로 전달되는 차축 토크의 변동, 클러치의 최대 전달 동력 등 변속 특성에 가장 큰 영향을 미치는 변수는 유압 클러치의 모듈레이팅 압력과 시간인 것으로 나타났다.
- 2) 트랙터의 주행 속도와 전후진 변속비가 증가할수록 클러치의 전달 동력과 변속기의 입력축 토크는 증가하였으나, 타이어 슬립으로 인하여 출력축 토크는 그 경향이 일정하지 않았다.
- 3) 트랙터 중량은 차축의 토크 증가에는 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으나 클러치의 전달 동력에는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 4) 엔진과 변속기 입력축 사이의 비틀림 댐퍼는 변속 직후 발생되는 과도 토크를 크게 감소시키는 것으로 나타났으나 댐팽 계수가 토크를 전달하는데 미치는 영향은 없는 것으로 나타났다.
- 2로 증가시켰을 때 10% 감소하였으며 전달시간은 85% 증가되었다. 따라서, 후진 속도를 전진 속도보다 빠르게 하는 것이 전후진 변속 성능을 높이는 데 유리한 것으로 판단된다.
- 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하면 피크값, 피크값의 발생 시간 등 토크, 속도, 유압의 정성적인 변화 경향은 모두 일치하였다. 또한, 출력축의 최대 토크에 대한 예측값의 %오차는 3.4%이었으며, 입력축의 최대 토크에 대한 %오차는 13.7%이었다.
- 트랙터 속도가 5 km/h에서 10 km/h로 증속될 경우, 입력축 토크는 35% 증가하였으며, 차축 토크는 45% 감소하였다. 또한, 클러치의 단위면적당 최대 전달 동력은 그림 19에서와 같이 10% 증가되었으며, 전달 시간은 2배 증가되었다. 전달 시간에 비하여 토크는 크게 증가되지 않았다.
- 4%이었다. 모델 검증을 위한 변속시험 결과에 의하면 질량관성모멘트의 변화에 따른 속도 및 토크의 변화 특성은 모형에서도 같게 나타났으며, 최대 토크에 대한 모형 예측치의 평균 % 오차는 6.0%이었다. 일반적으로 예측치의 평균 % 오차가 10% 이하이면 모형의 유효성을 인정할 수 있는 수준이므로, 전후진 파워시프트 변속기의 모형은 변속기의 출력축 토크와 클러치의 압력 변화를 예측할 수 있는 타당한 정도의 것으로 판단하였다.
- 모듈레이팅 시간이 변화되었을 때 입력축과 전후 차축 토크는 그림 16에서와 같이 변화되었다. 모듈레이팅 시간이 1초일 때 입력축 토크의 최대값은 2초일 때에 비하여 10% 증가하였다. 단위 면적당 클러치의 최대 전달 동력도 그림 17에 시 와 같이 모듈레 이팅 시간이 1초일 때 가 2초일 때보다 컸다.
- 압력이 10 bar일 때의 입력축 토크는 6 bar 일 때에 비하여 20% 증가하였으며, 앞차축 토크는 2.5배, 후차축 토크는 30% 증가하였다. 특히, 앞차축 토크는 타이어의 슬립으로 인하여 변화 폭이 상대적으로 크게 나타났다.
- 유압을 6 bar에서 10 bar로 증가시켰을 때 클러치의 단위 면적당 최대 전달 동력은 그림 14에서와 같이 10% 증가하였으며 전달 시간은 오히려 55% 감소하였다. 그러나, 모듈레 이팅 종료점 의 압력이 엔진과 트랙터의 속도 및 가속도에 미치는 영향은 나타나지 않았다.
- 이상의 시 뮬레 이 션 결과에서 와 같이 모듈레 이텅종료 시점의 압력은 압력이 낮을수록, 모듈레팅시간은 시간이 길수록 토크 변동이 감소되고 클러치의 단위 면적당 전달 동력이 감소되어 변속 품질이 향상되는 것으로 나타났다. 이 결과에 따라모듈레 이팅 종료점 의 압력 을 6 bar, 모듈레 이팅 시간을 1.
- 2로 변화시켰을 때, 입력축과 전후륜으로 전달되는 차 축 토크의 변화를 나타낸 것이다. 입력축 토크는 전후진 속도비가 클수록 증가되었으나, 차축 토크 는 속도비가 적을수록 증가되었다. 이는 속도비가 적을 때 타이어의 슬립이 크게 일어나기 때문인 것으로 판단된다.
- 5초로 설정하고, 트랙터의 속도를 5, 7, 10 km/h로 변화시켰을 때 후진 변속시 입력축과 전후륜으로 전달된 차축 토크를 시뮬레이션한 결과이다. 입력축 토크는 트랙터가 고속일수록 증가되었으나, 차륜 토크는 저속일수록 증가되었다. 저속에서는 타이어 슬립이 크기 때문인 것으로 판단된다.
- 이는 속도비가 적을 때 타이어의 슬립이 크게 일어나기 때문인 것으로 판단된다. 전후진 속도비가 1:0.8에서 1:1.2 로 증가하였을 때, 입력축 토크의 최대값은 30% 증가하였으나 차축의 최대값은 오히려 80% 감소 하였다.
- 1 kN으로 증가시켰을 때, 클러치의 단위 면적당 최대 전달 동력은 그림 21에서와 같이 변화가 나타나지 않았으나 전달 시간은 40% 증가되었다. 즉, 트랙터 중량은 클러치의 단위 면적당 전달 동력에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이는 트랙터의 중량이 증가되면 전후진 변속시 엔진 속도가 감속되어 충분한 동력을 전달할 수 없기 때문인 것으로 판단된다.
- 1 kN으로 증가되었을 때 최대 입력축 토크는 20% 증가하였으며, 차축 토크는 80% 증가하였다. 즉, 트랙터의 중량은 차축 토크에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 트랙터 중량을 22.
- 최대 입력축 토크에 대한 예측값의 %오차는 전진 출발의 경우 0.5~9.6%, 후진 변속의 경우 1.2 ~21.4%이었으며, 최대 출력축에 대한 예측값의 %오차는 전진 출발의 경우 0.0~6.8%, 후진 변속의 경우 3.4~7.2%이었다. 후진 변속할 때의 % 오차가 전진 출발할 때보다 컸으며, 출력축보다는 입력축에서 오차가 컸다.
- 그림 8에서 후진 속도가 양의 값으로 표시된 것은 측정 센서가 방향을 인식할 수 없었기 때문이었다. 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하면 피크값, 피크값의 발생 시간 등 토크, 속도, 유압의 정성적인 변화 경향은 모두 일치하였다. 또한, 출력축의 최대 토크에 대한 예측값의 %오차는 3.
- 측정값과 예측값은 같은 변화의 경향을 나타내었으며 특히, 접속 클러 치의 초기 압력과 모듈레 이팅 기 간의 압력변화는 일치하였다. 측정 클러치 압력에 대한 예측 압력의 %오차는 초기압력을 제외하면 최대 30%이었으며, 라인 압력은 특정 지점에서 47.1% 로 나타났다. 그러나 측정값과 예측값의 실제 압력 차이는 0.
- 압력 변화를 나타낸 것이다. 측정값과 예측값은 같은 변화의 경향을 나타내었으며 특히, 접속 클러 치의 초기 압력과 모듈레 이팅 기 간의 압력변화는 일치하였다. 측정 클러치 압력에 대한 예측 압력의 %오차는 초기압력을 제외하면 최대 30%이었으며, 라인 압력은 특정 지점에서 47.
- 클러치 모델, 파워시프트 시뮬레이션 모델 등에 대한 연구 결과와 문헌을 종합적으로 정리하였으며, 파워시프트 변속기에 대한 모형화와 시뮬레이션을 위한 일반적인 지침을 제시하였다. 최근에는, Ciesla (1995)와 Tumer(1998)가 상용 유압 시뮬레이션 프로그램 EASY5를 이용하여 파워시프트 변속기와 기계 유압식 변속기에 대한 동적 부하 특성, 변속 품질 등을 연구한 바 있다.
- 클러치의 단위 면적당 최대 전달 동력은 그림 23 에서와 같이 전후진 속도비를 1:0.8에서 1:1.2로 증가시켰을 때 10% 감소하였으며 전달시간은 85% 증가되었다. 따라서, 후진 속도를 전진 속도보다 빠르게 하는 것이 전후진 변속 성능을 높이는 데 유리한 것으로 판단된다.
- 즉, 트랙터의 중량은 차축 토크에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 트랙터 중량을 22.5 kN에서 42.1 kN으로 증가시켰을 때, 클러치의 단위 면적당 최대 전달 동력은 그림 21에서와 같이 변화가 나타나지 않았으나 전달 시간은 40% 증가되었다. 즉, 트랙터 중량은 클러치의 단위 면적당 전달 동력에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 1 kN으로 증가시켰을 때 입력축과 전후륜으로 전달된 차축 토크는 그림 20에서와 같다. 트랙터 중량이 22.5 kN에서 42.1 kN으로 증가되었을 때 최대 입력축 토크는 20% 증가하였으며, 차축 토크는 80% 증가하였다. 즉, 트랙터의 중량은 차축 토크에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 2%이었다. 후진 변속할 때의 % 오차가 전진 출발할 때보다 컸으며, 출력축보다는 입력축에서 오차가 컸다. 전체적으로 %오차의 범위는 0~21.
후속연구
- 트랙터용 전후진 파워 시프트 변속기를 개발하기 위해서는 트랙터의 사용 조건과 설계 조건에 적합한 유압 제어 시스템을 개발하여야 하며, 이를 위해서는 해석적 방법을 통하여 변속시 발생되는 클러치의 전달 동력과 입출력 토크에 대한 특징을 구명해야 할 것으로 판단된다.
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