Strength Analysis on the Compound Planetary Gear of the Hydro-Mechanical Transmission for an Agricultural Tractor

Introduction

트랙터는 논과 밭에서 다양한 농작업을 수행하기 때문에 알맞은 기어 변속을 요구한다(Kim et al., 2011). 이는 작업자에게 피로감을 주고 작업능률을 저하시킬 수 있다. 그러므로 농업용 트랙터에 무단변속기 탑재가 필요한 실정이다(Park et al., 2015). 최근에는 농작업 편의성과 효율 향상이 가능한 트랙터 무단변속기에 관한 연구가 활발히 진행 중이며, 다양한 국책사업을 통해 연구개발이 시도되고 있다(Jung and Mun, 2018). 특히 농업기계분야에서는 무단변속기 중 유압 펌프 및 모터로 구성된 정유압장치(Hydrostatic Unit, HSU)와 복합유성기어를 포함한 정유압 기계식 변속기(Hydro-Mechanical Transmission, HMT)의 개발이 필요하다(Park et al., 2018). 정유압 기계식 변속기는 저속영역에서는 높은 토크에 유리한 유압동력을 대부분 활용하여 기동력을 높이고, 고속영역에서는 기계동력을 활용하여 높은 동력전달 효율을 특징으로 한다(Seong et al., 2001).

Kim et al. (2018)은 건설기계와 농기계의 주요 핵심 부품인 HSU를 트랙터와 지게차 무단변속기에 공용으로 활용할 수 있는 방안과 사용자의 편의성을 높이기 위하여, 전자-유압 시스템 변속제어에 관한 기술을 제시하였다. Ahn et al. (2015)은 정유압 기계식 변속기를 사용한 트랙터의 효율적인 운전을 위하여 엔진 열효율이 높인 OOL (Optimal operating line) 제어를 제시하였으며, 개발한 제어 전략을 검증하기 위하여 AMESim과 MATLAB/Simulink 기반 Co-simulator를 개발하였다. Sung et al(2002)은 정유압 기계식 변속기의 조향 시 동력 순환 특성을 분석하기 위하여, 조향 시 견인력 해석과 Network 해석기법을 결합하여 조향 Network 모델을 수립하고 HMT 각 요소의 토크, 회전속도, 동력전달 방향, 손실 등을 구할 수 있는 시뮬레이션 프로그램을 제시하였다. 기존의 정유압 기계식 변속기에 관한 연구는 주로 동력 순환 특성과 제어 전략에 대해서 수행되었다. 정유압 기계식 변속기 설계 시 요구 수명을 만족시키기 위해 핵심 부품인 복합유성기어의 강도를 고려하는 것이 중요하다(Gong et al., 2016).

Kang and Song (2011)은 기어 해석 프로그램을 이용하여 다축차동장치(Multi-axial differential system)를 대상으로 기어 강도해석을 수행하였으며, 설계자가 원하는 기어트레인의 특성을 예측 및 개선할 수 있는 방안을 제시하였다. Kong et al(2011)은 일반 차량에 많이 사용되는 9단 변속기어장치를 각 단수에 따른 기어의 굽힘 응력 및 접촉 응력 해석을 수행하여 안전성을 검토하였으며, 기어 강도가 높거나 낮은 경우 최적 설계 방향성을 제시하였다. Noh et al. (2017)은 2톤급 차량에 사용되는 유성기어 주행 감속기를 3차원 모델링 후 시뮬레이션을 통해 기어 강도 해석을 수행하였으며, 치형 수정 시뮬레이션을 반복하여 최적의 Micro geometry 값을 제시하였다. 기어 해석 프로그램을 이용한 기어 강도에 대한 시뮬레이션 해석은 자동차 분야 및 건설기계 분야에서 활발하게 이루어지고 있으나, 농업기계 분야에서는 부족한 실정이다.

따라서 본 연구는 농업용 트랙터에 적용할 수 있는 정유압 기계식 변속기의 최적 설계를 위한 기초 연구로써, 기어트레인 해석 상용 소프트웨어를 이용하여 정유압 기계식 변속기의 핵심 부품인 복합유성기어의 시뮬레이션 모델을 개발하고, 복합유성기어의 안전율을 분석하고자 수행되었다.

Materials and Methods

본 연구에서 사용한 HMT는 55 kW급 트랙터용으로 동력 전달 흐름도는 Fig. 1과 같다. HMT의 시뮬레이션 모델은 Fig. 2와 같이 복합유성기어, 정유압 장치, 부변속부, 최종감속부로 구성하였다. 복합유성기어는 Fig. 3과 같이 유성기어 세트 2개가 결합된 형태이며, 두 개의 유성기어 세트 사이의 유성기어 쌍을 통하여 동력이 전달된다. 또한 각각의 유성기어 세트는 3개의 Planet gear로 구성 되어있다. 시뮬레이션 모델 개발 및 해석은 자동차 분야 및 건설기계 분야에서 활용도가 높은 기어 해석 소프트웨어인 Romax DESIGNER (R18, Romax Technology, UK)를 사용하였다. 시뮬레이션 항목은 기계의 내구성을 판단하기 위해 안전율을 해석 요소로 선정하였으며, 시뮬레이션 해석은 ISO 6336:2006 규격을 이용하여 실시하였다. 시뮬레이션 시간은 트랙터 연 이용시간인 342시간과 트랙터 내구연한 8년을 고려하여 2,736시간으로 설정하였다. 변속기 내부의 평균온도는 70℃로 설정하였으며, 윤활유는 ISO VG 46으로 설정하였다. 시뮬레이션 입력조건은 엔진의 정격 출력 조건(205 Nm @2,600 rpm)과 최대 토크 조건(255 Nm @1,800 rpm)에서 실시하였으며, HSU의 사판각 각도는 실제 모델과 동일하게 -21 ~ 21°로 설정하였다. 유압 펌프는 가변용량형으로 토출량은 0 ~ 42.4 cc/rev, 유압 모터는 고정용량형으로 토출량은 42.4 cc/rev로 입력하였다. 최고 회전속도은 3,000 rpm, 릴리프 압력은 39.2 MPa로 설정하였다.

Results and Discussion

정격 출력 조건에서 시뮬레이션 해석 결과는 Fig. 4와 같이 가장 높은 접촉 안전율은 첫 번째 유성기어 세트의 Ring gear에서 3.069로 나타났으며, 가장 낮은 접촉 안전율은 입력축의 Pinion에서 1.549로 나타났다. 가장 높은 굽힘 안전율은 두 번째 유성기어세트의 Sun gear에서 13.124로 나타났으며, 가장 낮은 굽힘 안전율은 두 번째 유성기어 세트의 Planet gear에서 2.726으로 나타났다. 최대 토크 조건에서 시뮬레이션 해석 결과는 Fig. 5와 같이 가장 높은 접촉 안전율은 첫 번째 유성기어 세트의 Ring gear에서 3.141로 나타났으며, 가장 낮은 접촉 안전율은 입력축의 Pinion에서 1.587로 나타났다. 가장 높은 굽힘 안전율은 두 번째 유성기어 세트의 Sun gear에서 13.239로 나타났으며, 가장 낮은 굽힘 안전율은 두 번째 유성기어 세트의 Planet gear에서 2.800으로 나타났다. 정격 출력 조건과 최대 토크 조건의 안전율 비교한 결과, 굽힘 안전율과 접촉 안전율 모두 정격 출력 조건에서 모두 높게 나타났다. 이는 현재 국내 농업기계분야에서는 기어 설계 시, 엔진의 정격 출력 조건에서의 토크와 회전속도를 기준으로 설계가 진행되기 때문인 것으로 판단된다. 본 연구 결과를 설계에 반영한다면 기존 모델 보다 경량화와 소형화가 가능할 것으로 고려된다.

Conclusion

본 연구는 정유압 기계식 변속기의 구성요소인 복합유성기어의 최적 설계를 위한 기초 연구로써, 55 kW급 트랙터 정유압 기계식 변속기의 복합유성기어를 기어트레인 해석 상용 해석 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션 모델을 개발 및 강도 해석을 실시하였다. 시뮬레이션 해석 결과, 정격 출력조건과 최대 토크 조건에서 모두 안전율 1 이상을 만족하고 있어 강도 설계의 안전성이 확보되었다고 판단된다. 그러나, 최적화를 위해서는 치면 하중 분포, 기어 물림 미스얼라인먼트에 대한 추가적인 해석이 필요할 것으로 판단된다.