[논문]55kW급 농업용 트랙터 정유압 기계식 변속기 설계

백승민; 김완수; 김연수; 백승윤; 김용주

doi:10.7839/ksfc.2020.17.2.019

55kW급 농업용 트랙터 정유압 기계식 변속기 설계
Design of the Hydro-Mechanical Transmission for a 55kW-Class Agricultural Tractor 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.17 no.2, 2020년, pp.19 - 27

백승민 (Department of Biosystems Machinery Engineering, Chungnam National University) , 김완수 (Department of Biosystems Machinery Engineering, Chungnam National University) , 김연수 (Department of Biosystems Machinery Engineering, Chungnam National University) , 백승윤 (Department of Biosystems Machinery Engineering, Chungnam National University) , 김용주 (Department of Biosystems Machinery Engineering, Chungnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to suggest design criteria for the HMT (hydro-mechanical transmission) of a 55 kW-class agricultural tractor, develop a simulation model, and evaluate its performance such as axle rotational speed, tractor speed, and power transmission efficiency. In this study, the HMT comprised a compound planetary gear and a HSU (hydro-static unit), and the compound planetary gear comprised two planetary gear sets. The HMT has three gear stages, and the maximum tractor speed was selected as 40 km/h. The simulation time was set at 2736 hours considering the lifetime of the tractor, and the simulation was performed for each gear stage at the engine-rated power conditions. As a result of the simulation, the axle rotational speeds for each gear stage were 39, 77, and 158 rpm, respectively. The range of tractor speed for each gear stage were 1.05-10.22 km/h, 10.74-20.17 km/h, and 20.70-41.40 km/h, respectively. The APE (absolute percentage gear) for the tractor's maximum speed between target value and simulation results were 2.20%, 0.85%, and 3.50%, respectively. Also, the power transmission efficiency for each gear stage were 0-75%, 72-81%, and 69-81%, respectively. The simulation results for the power transmission efficiency of the HMT were similar with the results of the previous research. This was a basic study on the development of the HMT for an agricultural tractor. In future studies, it is necessary to develop a tractor platform and evaluate the performance. The comparison between the simulation model and the HMT tractor should be performed.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 Schematic diagram of Hydro-mechanical
그림 Fig. 2 Type of HMT: (a) Input coupled transmission (b) Output coupled transmission
그림 Fig. 3 Power flow for HMT of 55 kw-class agricultural tractor used in this study
그림 Fig. 4 Schematic configuration of compound planetary gear used in this study
그림 Fig. 5 Power flow of compound planetary gear according to gear stage used in this study
표 Table 1 Results of axle rotational speed and required transmission ratio according to maximum speed
표 Table 2 Specification of compound planetary gear for HMT used in this study
표 Table 3 Specifications of engine and HSU for 55 kW-class agricultural tractor used in this study
그림 Fig. 6 Simulation model for HMT of 55 kW-class agricultural tractor used in this study
표 Table 4 Comparison of axle rotational speed between target value and simulation results according to gear stage
그림 Fig. 7 Simulation results for tractor speed according to hydraulic pump swash plate angle
그림 Fig. 8 Simulation results for power transmission efficiency of HMT according to tractor speed
표 Table 5 Comparison of tractor speed between target value and simulation results according to gear stage

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 55 kw급 농업용 트랙터용 정유압 기계식 변속기 설계에 대한 기초 연구로써 정유압 기계식 변속기 설계 기준을 제시하였으며, 이를 바탕으로 시뮬레이션 모델 개발 및 해석을 통해 선정 부품의 성능 평가를 확인하였다. 변속비 선정을 위해 동일마력대 트랙터의 최고속도, 타이어 반지름 등을 이용하였으며, 변속 단수는 총 3단으로 설정하였다.

제안 방법

정유압 기계식 변속기의 개발을 위해서는 시스템 설계 및 해석, 제어 알고리즘 개발, 작동 및 내구성능 평가 등 다양한 기계공학 기술을 종합적으로 요구한다. 그러나, 본 연구에서 제시한 농업용 트랙터용 정유압 기계식 변속기는 단순히 동일 마력대 트랙터 제원을 이용하여 정유압 기계식 변속기의 변속 비를 산정하고, 선진사의 엔진과 정유압 장치 제원을 이용하여 시뮬레이션 모델 개발 및 해석을 수행하였다. 이에 따라, 설계 목표 값인 차축 회전속도와 주행 속도에 5% 미만의 오차가 발생하였으며, 시뮬레이션 모델의 신뢰성을 확보하고 정유압 기계식 변속기 개발에 적용되기 위해서는 실차 플랫폼을 이용하여 시뮬레이션 모델의 검증 및 보완이 필요할 것으로 판단된다
본 연구에서는 기어 해석 상용 소프트웨어인 Romax DESIGNER (R18, Romax technology, UK)를 이용하여정유압 기계식 변속기의 시뮬레이션 모델을 개발하였다. Romax DESGINER는 축, 기어, 베어링과 같은 기계요소를 모델링하여 전체 시스템 및 각 요소들을 해석할 수 있으며, AGMA (American Gear Manufacturers Association, USA), ISO (International Organization for Standardization, Switzerland), DIN (Deutsches Insitut forNormung, Germany) 등의 규격을 포함하고 있어 자동차 및 건설기계 분야에서 변속기 개발에 활용되고 있다.
본 연구에서는 기존에 개발된 동일 마력대 트랙터를 기준으로 최고 주행 속도를 40 km/h로 설정하였으며, 55 kW급 엔진(TCD 2.2, Deutz, Germany) 제원을 이용하여 요구 변속비를 계산하였다. 정유압 기계식 변속기는 전진 3단, 후진 1단으로 구성하였으며, 1단은 0~10 km/h, 2단은 10~20 km/h, 3단은 20~40km/h로 설정하였다.
¹¹⁾ 동력전달 효율은 식 (6)을 이용하여 계산하였다. 시뮬레이션 내에서 정유압 장치의 효율은 제원의 효율맵을 입력하였으며, 복합유성기어에서 선기어와 유성기어, 유성기어와 링기어 물림 효율은 각각 98.5%, 스퍼 또는 헬리컬 기어의 물림 효율은 각각 98.0%, 베벨기어의 물림 효율은 97%로 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다^25-26).
복합유성기어는 두 개의 유성기어 세트로 구성하였다. 제시한 정유압 기계식 변속기 설계 기준을 이용하여 시뮬레이션 모델을 개발하였으며, 차축 회전속도, 트랙터 주행 속도 및 동력전달 효율에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과, 차축 회전속도의 설계 목표값과 시뮬레이션 결과값의 오차는 1단에서 2.

대상 데이터

주변속 0:3:1~1.3:1의 요구 변속비를 만족시키기 위하여 Fig. 4와 같이 두 개의 SPPG (Single pinion planetary gear)를 사용하였으며, 각각 선기어, 링기어, 유성기어로 구성하였다.

데이터처리

이때, 유압 펌프의 사판각의 각도는 –21°~21°로 설정하였다. 시뮬레이션의 정확도는 식 (5)와 같이 APE (Absolute Percentage Error)를 이용하여 설계 목표값과 시뮬레이션 결과값을 비교하였다.

성능/효과

50%로 나타났다. 동력전달 효율은 1단에서 약 0~75%의 범위, 2단에서 약 72~81%의 범위, 3단에서 약 69~81%의 범위로 나타나, 선행 연구 결과에서 제시한 정유압 기계식 변속기의 동력전달 효율을 만족한 것으로 판단된다.
9%로 가장 높은 효율이 나타났으며, 1단에서 효율이 낮게 나타난 것은 저속 구간에서 효율이 저하되는 IPCT 형식의 특징 때문인 것으로 판단된다. 선행 연구에서 개발한 지게차용 정유압 기계식 변속기의 동력전달 효율은 1단에서 최대 65%, 2단에서 최대 88%로 나타났다. 이는 1단의 경우, 정유압 장치를 통해서 동력이 전달되기 때문에 효율이 낮아졌으며, 2단의 경우 정유압 장치와 기어의 병렬 경로로 동력이 전달되기 때문에 효율이 상승한 것으로 판단하였다.
50%로 나타났다. 시뮬레이션 결과, 사판각에 따른 트랙터 주행속도는 모든 단수에서 설계 목표값과 5% 이내의 오차로 나타났으며, 차축 회전속도의 오차가 발생함에 따라 주행속도에도 영향을 받은 것으로 판단된다.
제시한 정유압 기계식 변속기 설계 기준을 이용하여 시뮬레이션 모델을 개발하였으며, 차축 회전속도, 트랙터 주행 속도 및 동력전달 효율에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과, 차축 회전속도의 설계 목표값과 시뮬레이션 결과값의 오차는 1단에서 2.63%, 2단에서 1.32%, 3단에서 3.27%로 나타났으며, 트랙터 주행 속도의 설계 목표값과 시뮬레이션결과값의 오차는 1단에서 2.20%, 2단에서 0.85%, 3단에서 3.50%로 나타났다. 동력전달 효율은 1단에서 약 0~75%의 범위, 2단에서 약 72~81%의 범위, 3단에서 약 69~81%의 범위로 나타나, 선행 연구 결과에서 제시한 정유압 기계식 변속기의 동력전달 효율을 만족한 것으로 판단된다.
27%로 나타났다. 시뮬레이션 결과, 트랙터 차축 회전속도는 모든 단수에서 설계 목표값과 5% 이내의 오차로 나타났으며, 이는 시뮬레이션 모델에서 HSU 유압 펌프 사판각에 따른 스트로크 제어가 정확하게 이루어지지 않아 오차가 발생한 것으로 판단된다.

후속연구

그러나, 본 연구에서 제시한 농업용 트랙터용 정유압 기계식 변속기는 단순히 동일 마력대 트랙터 제원을 이용하여 정유압 기계식 변속기의 변속 비를 산정하고, 선진사의 엔진과 정유압 장치 제원을 이용하여 시뮬레이션 모델 개발 및 해석을 수행하였다. 이에 따라, 설계 목표 값인 차축 회전속도와 주행 속도에 5% 미만의 오차가 발생하였으며, 시뮬레이션 모델의 신뢰성을 확보하고 정유압 기계식 변속기 개발에 적용되기 위해서는 실차 플랫폼을 이용하여 시뮬레이션 모델의 검증 및 보완이 필요할 것으로 판단된다
정유압 기계식 변속기의 개발을 위해서는 시스템 설계 및 해석, 제어 알고리즘 개발, 작동 및 내구성능 평가 등 다양한 기계공학 기술을 종합적으로 요구한다. 그러나, 본 연구에서 제시한 농업용 트랙터용 정유압 기계식 변속기는 단순히 동일 마력대 트랙터 제원을 이용하여 정유압 기계식 변속기의 변속 비를 산정하고, 선진사의 엔진과 정유압 장치 제원을 이용하여 시뮬레이션 모델 개발 및 해석을 수행하였다.

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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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