[논문]HST Unit의 부하특성을 고려한 HST 트랙터 페달 장치의 최적 설계

한종규; 김태영; 강영선; 남상일

문제 정의

따라서 본 연구의 목적은 HST의 부하 특성을 고려한 트랙터의 페달 장치에 요구되는 답력 해석에 대하여, 다구찌 기법을 이용한 설계 인자가 시스템에 미치는 영향을 분석하고, 이를 토대로 설계 인자에 대한 기구 해석을 하고, 시험을 통한 해석에 대한 검증 및 분석함으로써 제한된 설계 조건하의 일련된 최적 설계 방법을 제시하고, 이를 토대로 사용자의 편리성 및 편안함을 고려한 HST 트랙터의 페달 장치를 설계함에 있다.
본 논문에서 이용하는 목적함수는 페달 답력이 작을수록 유리한 망소특성이다. 직교배열 표에 나열한 조건에 따른 해석 결과를 이용하여 각 인자별 시스템에 미치는 영향을 분석한 SN비를 Fig.

제안 방법

5) 다구찌 기법을 이용하여 각 설계 인자가 전체 시스템에 미치는 영향을 분석하고 이를 이용하여 제약 조건을 고려한 제품에 대한 최적 설계를 할 수 있는 방법을 제시하였다.
HST 유닛의 부하 특성은 위 Table 1에서 살펴본 바와 같이 엔진 속도 및 HST 유닛의 내부압력에 따라 다르므로, 엔진 속도 및 HST 유닛의 내부 압력 변화 따르는 답력을 측정하였다. HST 유닛의 전후진 테스트 포트에 압력센서를 부착하고, 전후진 페달에 답력 센서를 부착하였다.
따라서 본 논문에서는 페달 답력과 관련한 설계 인자에 대하여 캠의 형상과 관련된 형상 (X, Y)과 형상 라운드(R)를 인자로 결정하였으며, 3수준을 설정하였다. 수준을 너무 낮으면 수준사이의 경향을 쉽게 예측할 수 없는 단점이 있고, 수준이 너무 높으면 수준과 수준 사이의 경향 예측은 쉬우나 실험 회수가 너무 많아진다는 단점이 있다.
따라서 캠 설계시 수준별 영향이 큰 X인자는 1수준을 선택하는 것이 좋으며, 영향이 작은 Y와 R 인자는 1수준을 선택하되 설계 조건을 고려하여 다른 수준을 선택해도 무방하다. 본 논문에서는 페달 장치의 정확한 중립 복귀 위치와 복귀 시간을 고려하여 X인자는 1수준을 Y와 R인자는 2수준을 선정하였다.
빈번한 변속 및 전후진 방향 전환을 요구하는 작업에 필요한 HST 트랙터에 대하여 장착 된 HST 유닛에 대한 부하특성을 고려한 페달 장치 설계시 다구찌 기법을 이용하여 설계 인자가 시스템에 미치는 영향을 파악한 후, 해석 프로그램을 이용한 최적설계를 통하여 설계하였으며, 시험을 통한 검증을 하였으며 다음과 같이 요약할 수 있다.
HST 유닛의 전후진 테스트 포트에 압력센서를 부착하고, 전후진 페달에 답력 센서를 부착하였다. 시험 조건은 엔진 속도가 각각 2000, 2850(max)rpm인 상태에서 HST 유닛의 내부 압력이 1000, 2000, 3000psi가 되도록 Dynamometer에 장착하여 휠에 부하를 가하여 HST 유닛의 압력을 변화시켰다. HST 유닛의 내부 압력이 3000 psi 이상 올라가면 장착된 엔진의 성능 특성상 때문에 동작하지 못하고 정지한다.
스프링 계수 설정시 고려 사항은 스프링 작용력으로 HST의 부하를 극복하고 중립으로 복귀할 수 있어야 한다. 엔진 속도가 800 rpm이고, HST 내부 유압이 5000psi일 경우에 최대 스트로크로 가려는 힘이 가장 크게 작용하나, 장착 엔진의 성능상 엔진 회전속도는 2850rpm이며, HST 압력이 lOOOpsi의 경우의 부하에 대하여 스프링 계수를 설정하였다.
트랙터 주행시 페달에서 발을 제거하면 HST 유닛이 중립으로 복귀하여 브레이크를 밟지 않아도 트랙터가 정지한다. 이러한 자동중립복귀 기능을 구현하기 위하여 캠과 스프링 및 댐퍼를 사용하였으며, 캠의 형상과 스프링 및 댐퍼의 작용력에 따라 페달 답력이 결정된다.
또한 장시간 사용시의 운전자 피로 감소를 위하여 페달의 적절한 답력 제공, 정속 주행을 위한 크루즈 기능, 그리고 사판의 떨림이 발에 전달되는 것을 방지하는 기능을 포함해야 한다. 이를 구현하기 위하여 HST 트랙터의 페달 장치는 Fig. 2와 같이 주행을 위한 전후진 페달, 스프링, 댐퍼 및 정속 주행을 할 수 있는 전자석으로 구성하였다.
직교배열표에 나열한 조건에 따른 실험 결과에 대하여 특성치 분석을 하는데 목적에 따라 망소특성 (Smaller-the-Better Type), 망목특성 (Nominal-the-Best Type), 망대특성 (Larger-the- Better Type)의 세가지 형태로 나누어진다. 망소특성은 구하고자 하는 성능 특성치가 작을수록 유리하고, 망목특성은 목표치에 근접할수록 좋다.

대상 데이터

이 때의 HST 트랙터는 단지 로더를 장착하여 작업하는 수준이었다. 1967년 John Deere 사에서 Lawn & Garden 트랙터에 HST를 장착하여 출시하였다. 이후 간편한 조작성으로 인하여 소형 트랙터에 적용되기 시작하였다.

이론/모형

페달 답력은 링크 길이가 길수록 작지만, 제품 설계시 공간적, 비용적, 기술적인 제약을 받으므로 최적 설계 시 이러한 제약적인 요소를 만족시켜야 한다. 따라서, 각 설계 인자가 시스템에 미치는 영향을 파악하고, 각 인자의 제약 조건하에서 최적 설계를 하는 과정을 거쳐야 하는데, 이러한 일련된 과정을 위해서 다구찌 기법을 이용하였다.
페달 장치를 설계함에 있어서, 위와 같은 기능과 특성을 고려한 최적 설계를 위하여 기구 해석 프로그램 중 Pro/Engineer에서 제공하는 Pro/Mechanica Motion을 사용하였으며, 각 설계 인자가 전체 시스템에 미치는 영향에 대해서 파악하기 위하여 다구찌 방법을 이용하였다. 다구찌 방법을 사용하기 위해서는 설계 인자(Factor, 설계 변수) 및 수준(Level, 설계치수)을 설정해야 하며, 인자의 개수와 수준에 따라 해석 회수가 정해진다.

성능/효과

1) HST 유닛에 대한 부하특성을 고려한 페달 장치의 최적 설계를 하여 트랙터 주행에 필요한 페달 답력을 줄임으로써 사용자의 피로감을 덜 수 있었다.
2) 사용자가 페달을 밟지 않았을 때 HST 유닛이 중립으로 자동 복귀하므로써, 돌발 상태를 제외한 트랙터 정지시 별도의 브레이크를 밟지 않아도 되지 않는다.
3) 댐퍼를 사용하여 급발진 및 급정지를 방지하고, HST 유닛 특성상 사판의 떨림을 사용자의 발에 전달되지 않도록 방지하였다.
4) 전자석을 이용한 크루즈 컨트롤 시스템을 제공함으로써, 일정 속도로 운전시 운전자가 편리하게 조작할 수 있다.
직교배열표에 나열한 조건에 따른 실험 결과에 대하여 특성치 분석을 하는데 목적에 따라 망소특성 (Smaller-the-Better Type), 망목특성 (Nominal-the-Best Type), 망대특성 (Larger-the- Better Type)의 세가지 형태로 나누어진다. 망소특성은 구하고자 하는 성능 특성치가 작을수록 유리하고, 망목특성은 목표치에 근접할수록 좋다. 또한 망대특성은 성능 특성치가 클수록 유리하다.
4에 나타내었다. 인자별 수준에 대한 경향을 살펴보면, 캠 형상의 X와 라운드 R 인자는 1수준일수록, Y는 3수준일수록 SN비가 높다. 또한 인자별 시스템에 미치는 영향은 X가 67%, Y는 13%, R이 15%이다.

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