[논문]4방식 조향장치를 적용한 관리 작업차 개발 I(동력전달 시스템 개발)

조현덕

문제 정의

제조업과 마찬가지로 농업도 기계화 및 자동화 추세에 있으며, 이를 위해 기존 수작업을 대체할 수 있는 기계가 요구되고 있다. 그래서 본 연구는 전방에 고부하가 걸리는 밭농사 작업과 측면 작업이 필요한 수초제거 작업과 논두렁조성 작업 등이 가능한 새로운 기종의 관리 작업차를 개발하였다. 트랙터는 후방에 작업기를 장착하기 용이한 구조와 하중 분포로 이루어져 일반적으로 논농사를 위한 작동 모체로 이용되고 엔진이 전방에 장착되어 있다.
본 연구에서는 기존 후륜 구동형 자동차 미션을 사용하고 출력 측에 전진과 후진을 할 수 있는 전후진변속기를 별도 개발하여 관리 작업차의 사양에 적합한 4륜 구동용 변속기를 개발한다. 그런데, 기존 자동차 미션과의 연결방법은 기존 연구^⑴와는 달리 Fig.
.본 연구에서는 후방에 장착된 엔진의 구성에 맞추고 선회반경을 줄이기 위해 차축간의 거리를 최소화시킬 수 있는 새로 운 동력전달장치인 변속기와 차축의 개발에 대하여 연구하였다. 변속기는 제작의 편리를 위해 다단변속기와 전후진변 속기로 분리하였는데, 다단변속기는 기존 후륜 구동형 세렉스(기아 자동차) 변속기를 사용하였고^⑴, 전진과 후진을 위한 전후진변속기는 차축과의 연결을 위해 별도로 개발하였다.

제안 방법

각 변속부는 세렉스의 신크로나이저 부품을 그대로 사용하며, 헬리컬 기어는 SNCM21을 침탄 열처리하여 제작하였고, 모든 축은 SCM45를 침탄 열처리하여 결합부는 모두 연삭하였으며, 베어링은 니들(needle), 볼(ball), 테이퍼 롤러 (taper roller) 베어링을 사용하였다. 기어의 강도는 굽힘강 도와 면압강도에 대하여 엔진 최대 토크를 견디도록 설계하였고, 니들 베어링의 윤활은 축이나 기어에 작은 구멍을 뚫어 해결하였고 케이싱에 고정되는 베어링은 자연윤활이 되도록 하였다.
기어의 강도는 굽힘강 도와 면압강도에 대하여 엔진 최대 토크를 견디도록 설계하였고, 니들 베어링의 윤활은 축이나 기어에 작은 구멍을 뚫어 해결하였고 케이싱에 고정되는 베어링은 자연윤활이 되도록 하였다. 그리고 기어의 헬릭스 각(helix angle)의 방향을 서로 어긋나게 하여 베어링에 작용하는 추력을 최소화시켰으며, 구동 기어와 피동 기어 간의 감속비가 무한 소수가 발생하도록 모듈(module) 및 이수를 조정하여 기어 회전에 대하여 계속적으로 서로 다른 치(tooth)끼리 맞물리게 하여 치형 마모가 균일하게 되도록 하였다^⑴.
각 변속부는 세렉스의 신크로나이저 부품을 그대로 사용하며, 헬리컬 기어는 SNCM21을 침탄 열처리하여 제작하였고, 모든 축은 SCM45를 침탄 열처리하여 결합부는 모두 연삭하였으며, 베어링은 니들(needle), 볼(ball), 테이퍼 롤러 (taper roller) 베어링을 사용하였다. 기어의 강도는 굽힘강 도와 면압강도에 대하여 엔진 최대 토크를 견디도록 설계하였고, 니들 베어링의 윤활은 축이나 기어에 작은 구멍을 뚫어 해결하였고 케이싱에 고정되는 베어링은 자연윤활이 되도록 하였다. 그리고 기어의 헬릭스 각(helix angle)의 방향을 서로 어긋나게 하여 베어링에 작용하는 추력을 최소화시켰으며, 구동 기어와 피동 기어 간의 감속비가 무한 소수가 발생하도록 모듈(module) 및 이수를 조정하여 기어 회전에 대하여 계속적으로 서로 다른 치(tooth)끼리 맞물리게 하여 치형 마모가 균일하게 되도록 하였다^⑴.
변속 방법과 내부부품의 구성은 기존 자동차 변속기의 구성과 동일하며, 본 연구에서는 앞차축과 일체형으로 조립될 수 있도록 케이스를 별도 설계하였고 엔진의 출력축과 차축의 입력축 간의 높이가 맞도록 전후진변속기의 크기를 결정하였다. 개발된 전후진변속기의 조립도와 변속원리는 Fig.
본 연구에서는 후방에 장착된 엔진의 구성에 맞추고 선회반경을 줄이기 위해 차축간의 거리를 최소화시킬 수 있는 새로 운 동력전달장치인 변속기와 차축의 개발에 대하여 연구하였다. 변속기는 제작의 편리를 위해 다단변속기와 전후진변 속기로 분리하였는데, 다단변속기는 기존 후륜 구동형 세렉스(기아 자동차) 변속기를 사용하였고^⑴, 전진과 후진을 위한 전후진변속기는 차축과의 연결을 위해 별도로 개발하였다. 차축은 조향과 구동이 동시에 가능한 구조로 개발되었으며, 제작의 편의와 성능향상 및 제조원가 절감을 위하여 현대자동차의 포터(porter) 트럭용 차동장치(9:39 감속)를 사용하였고 4륜 접지를 위하여 별도의 커버(cover)를 설치하여 전후진변속기 케이스와 체결이 가능하도록 하였다.
일반적으로 차축은 동력전달 및 하중지탱 구성에 따라 반부동식(semi-fixed type), 전부동식 (fixed type), 3/4 부동식 (3/4-fixed type)으로 나누어지며, 반부동식은 차의 하중과 선회할 때 발생하는 수평하중은 구동축에 전달되는 타입이며, 전부동식은 차축 하우징이 차의 하중을 지지하고 구동 축은 구동력만 전달하는 타입이며, 3/4 부동식은 대부분의 차제 하중은 하우징이 지지하고 선회할 때의 수평하중은 구 동축이 받는 타입을 의미한다. 본 연구에서 개발된 차축은 전부동식 타입이다.
본 연구의 차축 개발에 있어서도 변속기 개발과 같이 평범한 장비를 보유한 중소기업의 특성에 맞게 원가측면이나 기술측면을 고려하여 자체제작에 대한 사업성을 검토하여 제작이 어려운 장치(unit)는 자동차에 사용되는 장치를 구입하여 제작할 수 있도록 하였다. 양산체제를 갖추지 않은 일반 가공공장에서 높은 제작비용이 소요되는 차동장치는 현대자동차의 포터용 차동장치를 사용할 수 있도록 하였으며 차동장치 외부에는 별도의 커버를 부착하여 강성을 높였다.
후방에서 작업기를 장착할 수 있으나 부하가 작게 걸리는 작업을 주로 할 수 있으며 역시 엔진은 전방에 장착되어 있다⁽³⁾그러나 본 연구에서 개발된 관리 작업차는 전방에 고부하가 걸리는 작업과 측면 작업이 용이하도록 엔진이 후방에 장착되어 있고, 좁은 농로나 수로 둑에서의 조향을 용이하게 하기 위하여 전륜조향, 후륜조향, 역위상 4륜 조향, 동위상 4륜 조향을 운전 작업자가 선택할 수 있도록 4방식 조향 시스템을 개발하여 장착하였으며, 구동력을 강화시키기 위해 기계식 4륜 구동 시스템으로 이루어졌다. 엔진이 후방에 장착된 기존 농기계의 로더(loader) 기계는 본연구의 관리 작업차와 사양이 다르기 때문에 변속기와 차축의 사양 및 설치위치 등에서 차이가 있고, 조향장치에 있어서도 본 연구의 관리 작업차는 기계식 구성에 의한 상시 4륜 조향이 아닌 유압 시스템과 전자장치로 구성되어 4종류의 조향을 선택할 수 있도록 구성되어 있다^(1,2).
엑슬 샤프트(axle shaft)를 감싸는 엑슬 하우징(axle housing)은 굽힘 하중과 전단력을 받으며 최대하중을 받는 작업에서 안전한가를 판정하여야 한다. 차체에 걸리는 최대 외력은 무부하 상태, 수직부하 상태, 수평부하 상태에 대하여 각각 계산하여 비교하여야 하는데, 본 연구에서는 수직 부하 상태에서 최대하중이 작용하였다. 본 관리 작업차의 수직부하 상태에서 작용 외력은 Fig.
승용 관리기는 전.후방에서 작업기를 장착할 수 있으나 부하가 작게 걸리는 작업을 주로 할 수 있으며 역시 엔진은 전방에 장착되어 있다⁽³⁾그러나 본 연구에서 개발된 관리 작업차는 전방에 고부하가 걸리는 작업과 측면 작업이 용이하도록 엔진이 후방에 장착되어 있고, 좁은 농로나 수로 둑에서의 조향을 용이하게 하기 위하여 전륜조향, 후륜조향, 역위상 4륜 조향, 동위상 4륜 조향을 운전 작업자가 선택할 수 있도록 4방식 조향 시스템을 개발하여 장착하였으며, 구동력을 강화시키기 위해 기계식 4륜 구동 시스템으로 이루어졌다. 엔진이 후방에 장착된 기존 농기계의 로더(loader) 기계는 본연구의 관리 작업차와 사양이 다르기 때문에 변속기와 차축의 사양 및 설치위치 등에서 차이가 있고, 조향장치에 있어서도 본 연구의 관리 작업차는 기계식 구성에 의한 상시 4륜 조향이 아닌 유압 시스템과 전자장치로 구성되어 4종류의 조향을 선택할 수 있도록 구성되어 있다^(1,2).

대상 데이터

본 연구에서의 엔진 파워는 2, 600rpm에서 최대 60HP이 걸리며 토크 T_c로 환산하면 135N · m이다. 그리고 마찰 클러치를 사용하여 100% 동력을 전달할 수 있으므로 토크 컨버트 스톨 토크비(torque convert stroll torque ratio) CTR는 1 이며, 총 감속비 I_t는 163.8, 차축의 내부 부품재료는 SCM415이고 항복응력 σ_ay는 8.33 x l0⁸N/m², 전동 기계효율 n은 0.85로 설정하였고, 엔진으로부터의 동력전달에 따른 감속비는 Table 2와 같다.
전부동식 차축은 엔진으로부터 회전력만을 전달하므로 엔진 파워를 기준으로 차축의 내부부품에 걸리는 최대 토크를 각각 구하여 설계해석을 하여야 한다. 본 연구에서의 엔진 파워는 2, 600rpm에서 최대 60HP이 걸리며 토크 T_c로 환산하면 135N · m이다. 그리고 마찰 클러치를 사용하여 100% 동력을 전달할 수 있으므로 토크 컨버트 스톨 토크비(torque convert stroll torque ratio) CTR는 1 이며, 총 감속비 I_t는 163.
1kN을 적용하였다. 여기서, 엑슬하우징 플랜지 재료는 FCD 60이며 파괴응력 σ₁는 5.88 x 10⁸N/m²이고 항복응력 σ_y는 0.6#인 3.53 X 10⁸N/m² 이다. 해석 결과 최대 응력은 볼트의 체결 위치에서 발생하나 와셔(washer)의 사용으로 충분히 극복할 수 있는 상태이며 Fig.
변속기는 제작의 편리를 위해 다단변속기와 전후진변 속기로 분리하였는데, 다단변속기는 기존 후륜 구동형 세렉스(기아 자동차) 변속기를 사용하였고^⑴, 전진과 후진을 위한 전후진변속기는 차축과의 연결을 위해 별도로 개발하였다. 차축은 조향과 구동이 동시에 가능한 구조로 개발되었으며, 제작의 편의와 성능향상 및 제조원가 절감을 위하여 현대자동차의 포터(porter) 트럭용 차동장치(9:39 감속)를 사용하였고 4륜 접지를 위하여 별도의 커버(cover)를 설치하여 전후진변속기 케이스와 체결이 가능하도록 하였다.

성능/효과

(1) 관리 작업차의 새로운 사양에 맞는 변속기 및 차축을 개발하였고, 기존 부품을 응용하는 설계기법은 새로운 설비투자와 고도의 제작기술을 요하지 않기 때문에 제작이 용이하였다.
(2) 엑슬하우징 플랜지의 해석절차를 통하여 차축의 하우징 설계 방법을 정립하였고, 차축의 경우 관리 작업차에 작용하는 외력을 기준으로 계산하여야 하며 내부 부품의 경우 엔진의 출력 토크를 기준으로 계산하여야함을 알 수 있었다.
(3) 엑슬하우징 플랜지의 해석절차를 통하여 끼워 맞춤에서의 작용력의 적용방법과 끼워 맞춤의 역할 및 공차의 중요성을 알 수 있었다.
그리고 내부 부품의 설계 사양은 전부동식 구동차축과 변속기는 엔진으로부터 회전력만 전달하므로 운전 시 발생하는 충격하중 등은 의미가 없어 자동차의 설계방법에 주로 사용되는 엔진에 의해 전달되는 토크를 설계에 적용할 수 있다. 기어의 강도 해석은 면압강도와 굽힘응력에 대한 최대 전달력을 산출하여 실제 전달력과 비교함으로써 안전성 여부를 판정할 수 있었다.
10(b)의 경우 하우징과 볼트에서 안전율이 모두 2 이상이 되어 매우 안전함을 알 수 있었다. 따라서 본 해석 결과로 끼워 맞춤에서 모멘트의 지탱은 공차에 의한 하우징이 샤프트의 한 점에서 회전하여 빠지지 않는다면 소성변형이 발생하기 전까지는 더 큰 모멘트를 작용시킬 수 있음을 알 수 있다.
4 m일 때 구동에 필요한 마찰력을 극복하기 위한 앞차축의 최대 토크는 μN_fR_w로 계산할 수 있으며 9, 436N · m가 된다. 따라서 엔진 구동 토크와 마찰력에 의한 토크를 비교하면 엔진 토크가 더 작아 바퀴를 움직일 수 없는 상태가 되지만 실제 설계안전을 위하여 충격하중을 2.5로 설정하였고 뒤 차축에 작용하는 토크는 더 작아도 되기 때문에 앞 차축에 더 큰 토크가 작용할 수 있기 때문에 최대하중이 작용하는 작업에서 구동이 가능하고 엔진 토크는 충분함을 알 수 있다. 그리고 내부 부품의 설계 사양은 전부동식 구동차축과 변속기는 엔진으로부터 회전력만 전달하므로 운전 시 발생하는 충격하중 등은 의미가 없어 자동차의 설계방법에 주로 사용되는 엔진에 의해 전달되는 토크를 설계에 적용할 수 있다.
시작품을 제작한 결과, 차축의 크기는 비록 대형이지만 조립품들로 이루어져 있고 차동장치의 공용화에 의하여 하우징과 내부부품은 모두 일반 가공공장에서 제작할 수 있었다. 그리고 전방과 후방에 두 세트가 장착되고 좌/우 대칭으로 관리 작업차 1대에 대하여 동일 부품이 4개씩 되어 생산 수량 측면에서도 장점이 있음을 알 수 있었다.

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