[논문]지게차용 기계유압식 무단변속기의 기어류에 대한 강도해석

배명호; 배태열; 최성광

doi:10.7839/ksfc.2016.13.4.045

지게차용 기계유압식 무단변속기의 기어류에 대한 강도해석
The Strength Analysis of Gears on Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission for Forklift 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.13 no.4, 2016년, pp.45 - 51

배명호 (Dept. of Aviation Maintenance, Changwon Moonsung University) , 배태열 (Dept. of Mechatronics, Changwon Moonsung University) , 최성광 (R. & D. Dept., DIC)

Abstract ▼ AI-Helper

The power train of a hydro-mechanical, continuously variable transmission for forklifts makes use of hydro-static units, hydraulic multi-wet disc brakes & clutches, and complex helical & planetary gears. The complex helical & planetary gears are very important parts of the transmission because of a strength problem. In the present study, we calculated the specifications of the complex helical & planetary gear train, and analyzed the gear bending and compressive stresses of the gears. It is necessary to analyze the gear bending and compressive stresses thoroughly for optimal design of the complex helical & planetary gears with respect to cost and reliability. In this paper, we analyze the actual gear bending and compressive stresses of complex helical & planetary gears using the Lewes & Hertz equation, and we also verify the calculated specifications of the complex helical & planetary gears by evaluating the results of the data of allowable bending and compressive stress using the Stress vrs Number of Cycles curves of gears.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

(1) 본 연구에서는 지게차용 기계유압식 무단변속기의 기어 트레인인 헬리컬 기어류, 선기어류, 피니언기어류 및 링기어류에 대한 굽힘 및 면압 응력을 Lewes & Hertz Equation 및 D. W. Dudley의 Gear Handbook 방식의 계산식을 기반으로 프로그램을 작성하여 실제 굽힘 및 면압 응력을 계산하고 S/N 곡선에서 산출된각 기어별 허용 굽힘 및 면압 응력을 고려한 안전율을 산출하였다.
본 연구에서는 주력 산업차량인 8톤급 지게차용 기계유압식 무단변속기 개발과 관련하여 무단변속기의 핵심 기어트레인인 각종 헬리컬 및 유성기어류에 대한 극한 조건에서의 요구 수명을 만족시키는 강도 해석을 수행하였는데, D. W. Dudley의 Gear Handbook10)를 근거로 기어류 제원 계산 프로그램을 개발하고, 무단변속기용 기어류에 대한 제원을 산출한 뒤, Lewes6),12) & Hertz식7),10)을 근거로 개발한 기어 강도 해석 프로그램을 활용하여 무단변속기용 기어류의 강도를 해석하였다.
지게차용 기계유압식 무단변속기의 요구 수명은 국내 D사의 기존 지게차용 자동변속기의 설계 내구 수명인 10,000시간을 기준으로 한국기계연구원의 RS-KIMM-2010-0038 표준13)인 “소형 지게차용 반자동 변속기” 시험 규격을 준용하여 Table 4에 해석 대상 지게차용 무단변속기의 작동 모드를 설정하였다.

성능/효과

(2) 지게차용 기계유압식 무단변속기의 각 기어류에 대한 안전율 산출 결과 강도상 안전하다고 판단되며 개발된 기어류 제원 산출 및 강도 해석 프로그램 출력 결과 산출된 기어류의 제원은 타당한 것으로 검증되었다고 판단된다.
산업용 차량인 지게차 동력전달장치의 특성을 고려한 무단변속기용 기어류의 굽힘 응력 안전율은 2.25∼3.375, 면압 응력 안전율은 1∼2의 안전율 기준을 고려 할 때, 지게차용 기계유압식 무단변속기의 기어 시스템의 구성부품인 헬리컬 기어류, 선 기어류, 피니언 기어류 및 링 기어류의 굽힘 및 면압 강도 안전율 산출 결과 안전하다고 판단되며, 개발된 기어류 제원산출 및 강도 해석 프로그램 출력 결과 산정된 기어 류의 제원은 타당한 것으로 검증되었다.
Dudley의 Gear Handbook 방식의 계산식을 기반으로 프로그램을 작성하여 실제 굽힘 및 면압 응력을 계산하고 S/N 곡선에서 산출된각 기어별 허용 굽힘 및 면압 응력을 고려한 안전율을 산출하였다. 산출결과 1, 2열 유성기어류의 굽힘 강도 안전율이 다소 크게 되었는데, 피니언 기어의 면압 강도 안전율을 만족시키는 필요조건으로 판단된다.

후속연구

(3) 향후 관련 산업체에서 유사 건설 및 산업기계용 동력전달장치의 핵심 구성부품인 기어류의 품질 신뢰성 향상에 의한 제품 경쟁력 강화의 일환으로서 본 연구에서 개발된 “기어류 제원 산출 및 강도 해석 프로그램”의 효과적인 활용이 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 세계 산업차량 산업의 기술 트렌드는 무엇인가?	최근 세계 산업차량 산업의 기술 트렌드는 산업차량 완성품 및 주요 핵심부품의 경량화, 환경 규제 관련 기술 개발, 성능 및 내구성 향상 기술 등이다. 특히 산업차량용 핵심부품인 동력전달장치 분야는 유압모터 및 펌프로 구성된 정유압장치(HSU, Hydrostatic unit)를 변속기에 포함시켜 차량의 작업 조건에 맞는 최적의 기어비로 연속적으로 변환시켜 우수한 동력성능과 획기적인 연비 향상을 달성할 수 있는 기계 유압식 무단변속기의 개발이 필요한 실정이다.
	변속기내의 동력을 결합하는 장치들의 단점은 무엇인가?	변속기내의 동력을 결합하는 장치의 종류는 토크컨버터를 사용하는 동유압(Hydro dynamic)식과 유압 모터 및 펌프로 구성된 정유압식 및 정유압장치와 각종 기어 트레인을 같이 사용하는 기계 유압식 (Hydro mechanical)으로 구분된다. 이러한 장치와 결합된 벨트/풀리 방식의 무단변속기는 낮은 변속비와 전달 토크의 한계 때문에 중대형에는 적용할 수 없는 단점이 있고, 트랙션구동(Traction drive) 방식의 무단변속기는 윤활유 개발문제로 실용화에 어려움이 있다. 그러나 기계 유압식 무단변속기는 높은 출력 밀도와 발진 및 저속 구간에서 무단변속제어의 효율이 높아 군용, 중대형 차량, 건설 중장비, 농업용 트랙터의 적용이 활발히 진행되고 있다.
	기계유압식 무단변속기란 무엇인가?	기계유압식 무단변속기(HMCVT, Hydro-mechanical continuously variable transmission)는 엔진의 동력과 정 유압장치의 동력을 전자 무단변속 제어로써 각종 헬리컬기어와 유성기어로 구성된 기어 트레인(Gear train)을 통하여 최적의 작업 조건에 맞게 출력하는 동력전달장치인데, 엔진의 동력을 두 가지 전달 경로를 통해 분기하고 이를 기어 트레인를 통해 결합하는 과정에서 무단 변속이 가능하도록 고안된 장치이다. 변속기내의 동력을 결합하는 장치의 종류는 토크컨버터를 사용하는 동유압(Hydro dynamic)식과 유압 모터 및 펌프로 구성된 정유압식 및 정유압장치와 각종 기어 트레인을 같이 사용하는 기계 유압식 (Hydro mechanical)으로 구분된다.

참고문헌 (13)

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Myung Ho Bae, Tae Yeol Bae, Yon Sang Cho, Ho Yeon Son and Dang Ju Kim, "The Stress Analysis of Planetary Gear System of Mixer Reducer for Concrete Mixer Truck", Journal of Drive and Control, Vol. 12 No. 4, pp. 77-81, December 2015.

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M. H. Bae, S. K. Jang and S. Y. Lee. Automotive & Continuously Variable Transmission, 2nd Edition, Sun Hak publication, Incheon, pp. 37-44, 2009.
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KIMM, Semi Auto Transmission for Small Size Forklift, RS-KIMM-2010-0038, 2011.

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