Gearbox Design & Analysis

설계된 동력전달시스템이 설계 목적에 부합하는지 검증하기 위하여 시뮬레이션 모델 개발 및 검증을 수행한다. 시뮬레이션 모델 개발 시 동력 전달 시스템의 구성 요소들의 강성을 정의하기 위해 다음과 같은 사항들이 고려된다. 기어의 강성을 정의하기 위해 기어 잇수, 모듈, 압력각 등의 매크로 제원(macro-geometry)과 크라우닝, 리드 슬로프 등의 마이크로 제원(micro-geometry)이 고려된다. 베어링의 비선형 강성을 정의하기 위해 볼 또는 롤러의 개수, 지름 등과 같은 내부 형상 치수, 베어링 내∙외륜의 지름 및 곡률 등이 고려된다. 또한 웹(web) 기어, 유성기어세트의 캐리어, 하우징 등과 같이 복잡한 형상의 요소들은 FE(finite element) 모델로 강성을 정의한다.

시뮬레이션 모델 검증 시 해석 범위는 다음과 같다.

• Tractor transmission simulation model
• S-N diagram for bending
• S-N diagram for contact

Development of Accelerated Life Test Code

시스템의 수명 평가, 설계 상의 문제 및 고장 위험 파악, 신뢰성 평가를 위해 실제 사용 조건 보다 가혹한 조건(하중, 속도 및 온도)으로 시험 시간을 단축하여 실시하는 시험을 가속수명시험(accelerated life test, ALT)이라고 한다.

본 연구실에서는 트랙터 변속기 및 일반 산업용 기어박스의 성능(효율, 진동/소음, 온도포화), 내환경성(고온/저온, 습도, 먼지, 염분 등), 내구성 (목표 수명) 등의 신뢰성 평가를 목적으로 하는 가속수명 시험코드를 개발하고 있다.

Concept for ALT code development

• Principle for ALT code
• Development of ZFALT code

Gear Whine/Rattle Noise

기어 설계 시 NVH(Noise, Vibration, and Hardness)는 기어의 강도, 수명, 효율과 더불어 매우 중요한 고려 대상이다. 대표적인 기어 소음 으로는 기어 와인 소음(gear whine noise)와 기어 래틀 소음(gear rattle noise)이 있다. 기어 와인 소음은 기어가 물려 돌아갈 때 기어의 물림 강성(mesh stiffness)이 변동하면서 진동이 발생하기 때문에 기어의 물림 주파수(gear mesh frequency)와 그의 하모닉 성분(harmonics) 분석이 중요하다. 기어 래틀 소음은 엔진의 연소 행정에 따른 토크 변동에 의해 맞물린 기어의 연속적인 충돌이 발생하여 나타나는 소음 현상으로 대개 시간 영역에서의 분석을 수행한다.

본 연구실에서는 기어박스 해석 프로그램을 이용하여 전달 오차에 의한 하우징의 방사 소음 예측에 관한 연구와 스프링을 매개체로 하는 비틀림 댐퍼를 이용한 비틀림 진동 저감에 관한 연구를 수행하고 있다.

▶ Whine Noise

기어 물림의 전달 오차(gear transmission error)에 의한 진동이 축과 베어링을 통해 하우징으로 전달되어 하우징 방사 소음을 발생시킨다. 엔진식 지게차의 경우, 엔진 소음과 비교하여 기어 와인 소음이 크지 않아 문제가 되지 않았지만, 배기 가스 문제로 인해 최근 전동식 지게차를 많이 사용하게 되면서 기어 와인 소음이 크게 부각되고 있다.

• Cut away view of gearbox
• Response nodes for analyzing the whine noise

• 3D Vibration response at each response node
• 2D Vibration response at each response node

▶ Rattle Noise

엔진의 토크 변동으로 인해 발생한 동력전달계의 비틀림 진동이 맞물린 기어 쌍에 전달되면 기어의 연속적인 충돌을 일으켜 소음을 발생시킨다. 특히 농업용 트랙터의 경우, 엔진 직결식 PTO 전동라인에서 기어 래틀 소음이 많이 발생한다. 비틀림 진동 저감 장치 중 하나인 비틀림 댐퍼(torsional damper)는 엔진과 변속기 사이에 동력을 연결 및 차단해주는 클러치에 장착되어 엔진의 토크 변동에 의한 비틀림 진동을 감소시키기 위해 사용된다. 본 연구실에서는 스프링을 매개체로 하는 비틀림 댐퍼를 이용한 비틀림 진동 저감에 관한 연구를 수행하고 있다.

• Torsional Damper
  
  
• Increased angular velocity of the output
  shaft compared to the input shaft

Simulation model for the study on the torsional vibration reduction of PTO driveline for agricultural tractors

Comparison of amplitude of FFT results

Structural Vibration & Radiation Noise of Gearbox Housing

기어 물림으로 인한 가진은 베어링을 통해 하우징으로 전달되어 최종적으로 하우징에서 발생하는 진동과 방사되는 소음이 운전자에게 전달된다. 소음 저감을 위해서는 기어 구동계에서 발생하는 가진력을 감소시키는 방법과 하우징의 고강성 설계를 통한 구조 진동 및 방사 소음을 저감하는 방법이 있다.
하우징의 고강성 설계는 기어 구동계의 재설계 보다 제조 시스템의 변경에 따른 비용이 낮아 소음 진동 문제를 해결할 때 효과적이다. 소재를 변경하거 나 형상을 수정하는 등을 통해 고강성 설계가 진행되고 있으며 제조 비용 저감을 위해 해석적으로 진동 특성을 미리 예측하고자 하는 연구가 필요하다.

본 연구실에서는 회전체 가진원 베이스인 기어박스 하우징의 구조 진동 및 방사소음 저감을 위해 Run-Up/Down test를 통한 구조 진동 / 방사 소음 측정 및 가진원 분석 기어박스 하우징 FEA와 EMA의 Correlation Analysis를 통한 FE Model Update 진동(modal) 해석을 통한 문제 주파수 대역의 모드 분석 국부(local) 강성 평가를 통한 진동 전달 특성 분석 기어박스 하우징의 형상 최적화를 통한 진동/소음 저감에 대한 연구를 진행하고 있다.

• Noise & Vibration measurement test layout
• Noise & Vibration measurement process

• Comparison of mode analysis results
• Modal assurance criterion(MAC)

• Local stiffness measurement
• Driving point FRF

Evaluation of ride vibration of agricultural tractors

농업용 트랙터에 대한 연구는 작업 편의성의 증대, 노동력 절감을 통한 생산효율 증대, 농용트랙터의 인간공학적 설계 등의 주제로 수행되고 있다. 이에 농업용 트랙터의 각 부문에서 소비자의 요구를 만족시키기 위한 다양한 기술 개발이 수행되고 있으며, 이들 중 운전자의 건강과 안전 및 쾌적한 작업 환경을 제공하는 기능을 위한 연구는 무엇보다 중요하다. 트랙터 작업은 논, 밭 또는 비포장도로에서 수행되므로 운전자는 소음, 진동 등 유해한 환경에 노출되기 쉽다. 그렇기 때문에 운전자의 쾌적한 작업 환경을 제공하기 위해서는 승차 진동에 대한 평가 및 감소 방안이 필요하다.

본 연구실에서는 트랙터의 서스펜션 유무에 따른 승차 진동에 대해 평가하였고, 트랙터 승차 진동 저감을 위한 캐빈 서스펜션 시스템의 최적화 및 제어 로직 개발에 관한 연구를 진행하고 있다. 또한 TPA를 통하여 얻은 Source-Transfer-Receiver 모델을 이용하여 NVH 성능을 최적화하는 연구를 진행하고 있다.

▶ 트랙터의 서스펜션 유무에 따른 승차 진동 평가

고무 마운트가 장착된 트랙터와 캐빈 서스펜션 시스템이 장착된 트랙터 승차 진동 비교 3축 가속도계를 이용하여 가속도를 측정한 후 승차 진동에 대해 비교 평가

▶ TPA를 통한 트랙터 캐빈의 진동 경로 전달 모델 개발 및 작업별 하중 분포 특성 분석화

TPA(Transfer Path Analysis)란 기계 시스템의 진동 또는 소음의 전달 경로를 이해하기 위해 Source에서 Receiver까지의 에너지 전달을 정량화하고 상관관계를 규명하는 방식이다. 이를 통하여 다양한 Source와 전달 경로를 파악하고 Receiver의 진동 또는 소음에 가장 영향을 미치는 Source를 선별할 수 있다.

캐빈 마운트 지점(Source)과 시트(Receiver)의 FRF를 통한 TPA 모델 개발 작업에 따른 각 지점의 가속도 측정 TPA 분석을 통한 작업에 따른 각 지점의 하중 분포 특성 분석

Summary of vibration transfer path analysis

• Schematic of vibration transfer path analysis
• Result of vibration transfer path analysis

MBD(Multi-Body Dynamics) Simulation

다물체동역학 시뮬레이션은 여러 강체들로 이루어진 기계시스템의 거동(위치, 변위, 속도, 가속도)과 힘을 예측하기 위하여 수행된다. 실제 기계 시스템을 가상의 모델로 만들고 해석함으로써, 제품 개발 단계에서 시제품 제작 및 시험에 소요되는 시간적, 경제적 비용을 절감할 수 있다. 목적에 따라 강체가 아닌 유연체(MFBD, Multi-Flexible-Body Dynamics)로 모델링하여 변형 및 응력을 해석할 수도 있다.

본 연구실에서는 다물체동역학 시뮬레이션을 활용하여 노외기계시스템의 동적 거동, 작용력, 변형, 응력 등을 예측하는 연구를 수행하고 있다. 현재 수행 중인 연구는 아래와 같다.

▶ 트랙터 승차 진동 저감을 위한 캐빈 서스펜션 시스템의 설계 최적화

승차 진동 최소화를 위한 최적의 캐빈 서스펜션 시스템을 개발하기 위한 동역학 모델 개발 동역학 해석을 통해 주행 속도에 따른 최적의 유압 서스펜션 파라미터 도출

• 
  
  Hydraulic suspension modeling applied variable damping coefficient
• 
  
  Simulation model

• 
  
  Result of bump test (Z-direc. Seat Acc.)
• 
  
  Simulation result (animation)

▶ 트랙터 파워시프트 변속기용 싱크로나이저의 특성 해석

변속 시 필요한 축 방향 하중 예측 DC 모터(변속 Actuator)의 용량 선정

Components of synchronizer

Simulation model of shifting system

Shifting actuator torque test

Result of shifting actuator torque test

CFD(Computational Fluid Dynamics) Simulation

트랙터에서 다양한 작업이 가능해지면서 1일 트랙터 사용 시간이 점점 증가하고 있다. 이에 따라 트랙터 캐빈 내부의 실내 환경의 질(indoor environmental quality) 향상에 대한 관심이 증가하고 있으며, 온열 쾌적성(thermal comfort)에 관련한 문제 역시 주요 개선 사항으로 주목받고 있다. 트랙터의 캐빈은 외부에 노출되어 있어 단열성이 좋지 않고, 유리 면적이 넓어 태양복사 에너지의 입사량이 많다. 따라서 트랙터 캐빈의 온열 쾌적성을 향상시키기 위한 연구가 수행되어야 한다.

본 연구실에서는 트랙터를 대상으로 캐빈 내부의 열환경을 개선하기 위하여 시험을 통해 계측하고 CFD 시뮬레이션 해석을 통해 이를 분석하고 개선하기 위한 연구를 수행하고 있다.

수치 해석을 이용한 3차원 열유동 해석 모델 개발 트랙터 캐빈에 대한 온열 쾌적성 평가(thermal comfort analysis)

• 
  
  Volume mesh for tractor cabin
• 
  
  CFD analysis (temperature plot)

CFD analysis (vector plot)

Experimental and Simulation Analysis for Hydraulic System

유압시스템은 작은 부피로 큰 동력을 전달할 수 있어 대형 작업기에 많이 사용된다. 트랙터에서는 작업기의 높이를 조절하는 3점 히치, 전방의 물체를 들어올리는 로더, 조향시스템 등 큰 힘이 필요한 부분에 사용되고 있다. 유압펌프와 유압모터를 연결하고 토출/흡입 유량을 연속적으로 바꾸어 무단 변속기로도 사용할 수 있으며, 습식다판클러치의 빠르고 정확한 변속 제어에도 유압시스템이 사용된다.

본 연구실에서는 트랙터를 대상으로 유압식 변속기의 성능 해석 및 제어로직 개발과 운전자의 승차감을 개선하는 유공압식 반능동 서스펜션의 시험 및 해석 연구를 수행하고 있다.

▶ Hydromechanical Transmission(HMT) Simulation

시뮬레이션을 통한 트랙터용 유압-기계식 변속기의 동력 순환 해석 Statechart를 이용한 클러치 변속용 EPPR밸브 제어

Simulation model of hydromechanical transmission tractor

Hydromechanical transmission schematic and statechart controller

▶ Hydro-pneumatic Semi-active Suspension Characteristic Test & Simulation

유공압 반능동 서스펜션의 특성 시험 유공압 캐빈 서스펜션이 적용된 트랙터 모델링 및 해석

Equipment setting for suspension characteristic test and semi-active suspension characteristic curve

Tractor simulation model with hydro-pneumatic cabin suspension