[논문]농업용 트랙터 PTO 전동라인의 래틀 소음 분석

안다빈; 신인경; 한현우; 손관희; 박영준

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.6.045

농업용 트랙터 PTO 전동라인의 래틀 소음 분석
Analysis of the PTO Driveline Rattle Noise on an Agricultural Tractor 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.6, 2019년, pp.45 - 54

안다빈 (서울대학교 바이오시스템.소재학부) , 신인경 (대동공업 기술연구소) , 한현우 (서울대학교 바이오시스템.소재학부) , 손관희 (서울대학교 바이오시스템.소재학부) , 박영준 (서울대학교 바이오시스템.소재학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we analyze the rattle noise of a power takeoff (PTO) driveline and develop a PTO driveline resonance model. We measured the rattle noise of the PTO driveline on the output shaft and, by analyzing the rattle noise in the time domain, we determine that the engine expansion stroke period matches the sound pressure of rattle noise. This finding helped us demonstrate that the rattle noise is caused by the collision between the PTO driving gear and the gear driven by the engine expansion stroke; the torsional vibration caused by this collision is affected by the angular velocity fluctuation of the PTO drive shaft. By measuring the angular velocity of the PTO drive shaft, we confirm that the angular velocity fluctuation of the engine flywheel tends to excessively amplify the PTO drive shaft angular velocity fluctuation. We conclude that the resonance, which occurs when the operating frequency of the engine is close to the natural frequency of the tractor power transmission system, causes the excessive angular velocity fluctuation of the PTO drive shaft. We performed a modal analysis of the PTO driveline resonance and, using the characteristic equation, we show that the resonance occurs when the engine rotation speed is close to 850 rpm, which matches the natural frequency of the PTO driveline.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 트랙터 PTO 전동라인의 래틀 소음을 평가하기 위한 시험과 비틀림 진동을 분석하기 위한 각속도 시험을 수행하였다. 또한, 공진 현상을 확인하기 위하여 트랙터 PTO 전동라인의 시뮬레이션 모형을 개발하였고, 개발된 모형을 이용한 모드 해석(modal analysis)으로 PTO 전동라인의 공진 유무를 확인하였다.
본 연구의 목적은 트랙터 PTO 전동라인의 래틀소음의 특성과 공진 현상을 분석하고 공진 현상을 확인하기 위한 PTO 전동라인 모형을 개발하는 것이다.

제안 방법

PTO 전동라인의 각속도는 엔진 플라이휠과 PTO 구동축에서 측정하였다. 엔진 플라이휠의 각속도는 마그네틱 픽업 센서를 사용하여 측정하였다.
PTO 전동라인의 비틀림 진동이 래틀 소음에 미치는 영향을 분석하기 위하여 각속도 시험을 수행하였다. 엔진 플라이휠의 각속도 변동 대비 PTO 구동축의 각속도 변동인 비틀림 진동은 래틀 소음의 주요 원인 중의 하나이다.
PTO 전동라인의 회전 운동에 영향을 미치는 요소는 질량관성모멘트, 비틀림 강성 및 비틀림 감쇠 계수이며, 이 값들은 PTO 전동라인 구성품의 형상, 크기, 재질을 이용하여 도출하였다. 부품들의 질량 관성모멘트와 비틀림 강성은 3차원 모델링 소프트웨어(3D CAD)를 이용하여 도출하였다.
공진 확인을 위해 PTO 전동라인을 모형화하여 모드 해석을 수행하였다. 특성방정식을 이용하여 모드 해석을 진행한 결과, PTO 전동라인의 고유 진동수는 강체 모드인 0 Hz를 제외한 첫 번째 고유 진동수인 26.
등가 질량관성모멘트를 적용한 PTO 전동라인 모형은 엔진 플라이휠, PTO 클러치, 4개의 축으로 이루어진 6 자유도(degree of freedom, DOF) 시스템으로 구성하였으며, 전동라인의 고유 진동수 해석에 비틀림 감쇠계수는 크게 영향을 미치지 않으므로 각 요소들은 비틀림 강성만으로 연결하였다.
본 연구에서는 트랙터 PTO 전동라인의 래틀 소음을 평가하기 위한 시험과 비틀림 진동을 분석하기 위한 각속도 시험을 수행하였다. 또한, 공진 현상을 확인하기 위하여 트랙터 PTO 전동라인의 시뮬레이션 모형을 개발하였고, 개발된 모형을 이용한 모드 해석(modal analysis)으로 PTO 전동라인의 공진 유무를 확인하였다.
엔진 공회전 속도인 850 rpm에서의 PTO 구동축의 과도한 각속도 변동이 공진 현상에 의한 것인가를 판단하기 위하여 모드 해석을 통한 PTO 전동라인의 고유 진동수를 계산하였으며, 이를 엔진의 가진 주파수와 비교하였다.
래틀 소음 측정은 엔진 공회전 속도인 (idle) 850 rpm에서 수행되었다. 엔진의 팽창 행정 주기 (엔진의 가진 주파수)와 래틀 소음의 관계를 구명하기 위하여 그림 2와 같이 PTO 변속부 주변 하우징에 가속도계를 설치하여 진동을 측정하였으며, PTO 출력축 중심에서 수평 후방으로 1 m, 지면에서 1.6 m 떨어진 곳에 마이크로폰을 설치하여 소음을 측정하였다.

대상 데이터

PTO 전동라인은 그림 8과 같이 엔진 플라이휠, 비틀림 댐퍼(메인 댐퍼), 4개의 PTO 전동축, PTO 클러치, PTO 변속부로 구성된다. 엔진의 입력 토크는 비틀림 댐퍼를 거쳐 클러치로 전달된다.
시험에 사용된 트랙터는 출력 75 kW(101 hp), 정격 회전수 2200 rpm인 디젤 엔진을 탑재하고 전·후진 파워셔틀(power shuttle)을 장착한 중형 트랙터이다. 시험 트랙터의 동력전달계는 엔진 클러치, 변속기, 차동장치, 최종 감속기어, 최종 구동축으로 구성된다.

이론/모형

모형화의 목적이 PTO 전동라인의 고유 진동수를 예측하는 것이기 때문에 모형을 단순화하기 위하여 그림 9와 같이 출력축의 기어부를 단순화시켰다. 이때 물려있는 구동 기어(driving gear)와 피동 기어(driven gear)쌍 1, 2, 3은 등가 질량관 성모멘트 이론을 적용하였다^[20] .

성능/효과

PTO 구동 기어(driving gear) 및 피동 기어 (driven gear)의 충돌에 원인이 되는 비틀림 진동인 PTO 구동축의 각속도를 측정한 결과, PTO 구동축의 각속도 변동은 엔진 플라이휠의 각속도 변동 보다 과도하게 증폭되는 것을 확인할 수 있었다. 엔진의 가진 주파수가 트랙터 동력전달계의 고유 진동수에 근접하여 공진 현상이 발생하였고, 공진현상에 의해 PTO 구동축의 각속도 변동이 과도하게 증폭된 것으로 판단되었다.
PTO 전동라인의 고유 진동수 해석 결과 엔진, 회전속도가 850 rpm일 때의 가진 주파수인 28.33 Hz는 강체 모드(rigid mode)인 0 Hz를 제외한 첫 번째 고유 진동수인 26.37 Hz와 매우 근접해 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 PTO 전동라인에서 공진이 발생하여 PTO 구동축 기어에서 과도한 각속도 변동이 발생한 것으로 판단된다.
PTO 전동라인의 래틀 소음은 그림 3에서 보는 것과 같이 음압의 피크값이 주기적으로 나타났고, 주기( Δt_m)는 0.035초이며, 주파수는 28.57 Hz이었다. PTO 변속부 주변 하우징에서 측정된 진동의 피크값은 래틀 소음과 마찬가지로 주기적인 특성을 보였고, 그림 4 와 같이 진동 주기(Δt_a )는 0.
래틀 소음을 엔진 플라이휠과 PTO 출력축에서 측정한 결과, 엔진의 팽창 주기와 래틀 소음의 주기가 일치하였다. 따라서 래틀 소음의 원인은 엔진의 팽창 행정에 의해 PTO 구동 기어(driving gear) 및 피동 기어(driven gear)가 충돌하는 것이라 판단된다.
빨간 실선이 엔진 플라이휠의 각속도 변동을, 파란 점선이 구동축의 각속도 변동을 나타낸다. 시험 결과, 850 rpm에서 엔진 플라이휠의 각속도 변동 대비 구동축의 각속도 변동이 다른 엔진 회전속도에 비하여 과도하게 증폭된 것을 확인할 수 있었다. 그림 7은 엔진 플라이휠의 각속도에 대한 구동축 기어의 각속도의 비(ratio), 즉 입력 대비 출력의 진폭비를 그래프로 나타낸 것이다.
공진 확인을 위해 PTO 전동라인을 모형화하여 모드 해석을 수행하였다. 특성방정식을 이용하여 모드 해석을 진행한 결과, PTO 전동라인의 고유 진동수는 강체 모드인 0 Hz를 제외한 첫 번째 고유 진동수인 26.4 Hz로 계산되었다. 엔진 회전속도 850 rpm일 때의 가진 주파수가 28.

후속연구

추후 연구에서는 공진이 발생한 PTO 전동라인의 래틀 소음 저감과 공진 영역 회피를 위한 방안을 제시할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비틀림 진동의 원인은 무엇이며, 무엇을 유발하는가?	트랙터 동력전달계에서의 소음은 주로 기어의 물림 강성(mesh stiffness)의 변화로 인한 소음과 기어의 충돌에 의한 소음으로 구분할 수 있다. 특히 엔진의 토크 변동은 PTO 전동라인 비틀림 진동을 유발시키며, 비틀림 진동은 PTO 전동라인의 구동 기어(driving gear)와 피동 기어(driven gear)에 연속적인 충돌을 야기하여 심한 진동과 소음의 원인이 된다. 이러한 토크 변동에 의하여 기어가 연속적으로 충돌할 때 발생하는 소음을 기어의 래틀 소음(rattle noise)이라고 한다[2].
	트랙터의 운전자가 유해한 환경에 노출될 수 밖에 없는 이유는 무엇인가?	농업용 트랙터는 주로 부하 변동이 심한 쟁기, 로터리 등의 농작업과 로더, 사료 이송 등의 축산작업에 사용되는 다목적 기계이다 그러므로 트랙터의 운전자는 작업 중 여러 가지 유해한 환경 뿐 아니라 높은 수준의 진동과 소음에 노출되게 된다. 이러한 진동과 소음은 운전자의 작업 능률을 저하시킬 뿐 아니라 청력 저하, 두통 등의 건강에 도 치명적인 영향을 미칠 수 있다[1].
	래틀 소음의 원인이 엔진의 팽창 행정에 의해 구동/피동 기어가 충돌하는 것임을 뒷받침하는 근거는?	래틀 소음을 엔진 플라이휠과 PTO 출력축에서 측정한 결과, 엔진의 팽창 주기와 래틀 소음의 주기가 일치하였다. 따라서 래틀 소음의 원인은 엔진의 팽창 행정에 의해 PTO 구동 기어(driving gear) 및 피동 기어(driven gear)가 충돌하는 것이라 판단된다.

참고문헌 (22)

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저자의 다른 논문 :

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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