이종복합소재 기어를 이용한 트랙터 동력전달계의 축 전달오차 저감

Abstract

기어는 트랙터 동력전달계의 주된 소음원 중 하나이다. 기어 물림으로 인한 대표적인 소음 중 하나인 화인 소음(whine noise)은 기어의 전달오차(gear transmission error)가 주된 가진원으로, 기어의 전달오차는 주로 변동하는 기어 물림 힘(gear mesh force)에 의해 발생한다. 본 연구에서는 기어 물림으로 인한 가진력의 전달 경로 중 하나인 기어 블랭크를 복합소재로 대체함으로 인해 전달오차의 크기가 변화하는 양상을 확인함으로써 진동•소음 성능 개선을 위한 이종복합소재 기어 적용의 타당성을 타진하고자 하였다. 기어의 전달오차는 토크 부하의 크기와 회전 속도에 따라 영향을 받는다. 가령 인가되는 부하 토크의 증가에 따라 탄성 변형에 의해 전달오차의 크기가 증가 혹은 감소하거나, 특정 회전 속도에서 전달오차가 급격히 증폭되는 현상이 발생하기도 한다. 이러한 특성에 근거하여 낮은 회전 속도에서 토크를 변동시키며 로터리 엔코더를 이용하여 정적 전달오차를 계측하거나 높은 회전 속도에서의 공진 현상을 확인하기 위해 단축 가속도계를 이용해 동적 전달오차를 계측하고, 전달오차와 진동•소음을 비교하는 연구들이 수행되어 왔다. 따라서 본 연구에서는 전달오차로 대변되는 이종복합소재 기어의 진동•소음 성능 특성을 확인하기 위해 기어 블랭크의 재료와 형상을 제외하면 동일한 제원을 가진 강철 피니언 – 강철 휠 기어쌍과 강철 피니언 – 이종복합소재 휠 기어쌍에 대해 엔코더와 가속도계를 이용하여 축의 정적 및 동적 전달오차를 계측하고 비교함으로써 이종복합소재 기어가 갖는 전달오차의 특성을 구명하였다. 분석 결과, 이종복합소재 기어 사용 시 정적 전달오차가 비슷하거나 소량 감소하였으며, 동적 전달오차는 특히 공진 영역에서 현저히 감소하는 것을 시험적으로 확인하였다. 정적 전달오차는 기어 시스템의 강성 변화가 미미하여 큰 변화가 나타나지 않았으며, 동적 전달오차는 기어 블랭크를 이루는 복합소재의 감쇠 효과(damping effect)로 인해 공진점에서의 전달오차가 효과적으로 저감된 것으로 판단된다. 이종복합소재 기어에 관한 기존의 연구는 경량화와 내구성에 초점이 맞추어져 있었던 것에 반해 본 연구는 진동•소음 성능의 지표인 전달오차 개선에 초점을 맞춰 수행되었다는 데에 의의가 있다. 부가적으로, 로터리 엔코더를 이용해 얻은 동적 전달오차 계측 결과와 가속도계를 이용해 얻은 동적 전달오차 계측 결과를 기반으로 고속 조건에서의 로터리 엔코더 기반 전달오차 계측 가능성과 그 결과에 대한 타당성을 평가하였다. 가속도계 기반 전달오차 계측 방법은 축에 가속도계 장착 플랜지를 가공 혹은 장착해주어야 하며, 슬립링이라는 추가적인 장치를 사용해야 하기 때문에 다소 까다롭다. 따라서 비교적 간단하게 전달오차를 계측할 수 있는 로터리 엔코더를 이용해 전달오차를 계측할 수 있다면 향후 관련 연구가 한 층 용이해질 것으로 기대된다.

Gear is one of the major noise sources of tractors driveline. The gear transmission error is the main source of whine noise, which is the representative noise caused by the gear mesh, and is mainly resulted from the gear mesh force fluctuation. In this study, the validity of applying hybrid metal – composite gears, whose gear blank was replaced by the composite material, for improving noise and vibration performance was evaluated by obtaining the transmission error and comparing it with the steel gear. The transmission error of gear is affected by the loaded torque and rotating speed. For instance, the magnitude of transmission error is increased or decreased with the increment of torque level, inducing the elastic deformation, or is soared at the specific rotating speeds. Based on these characteristics, the static transmission error and the dynamic transmission error have been measured by rotary encoder and accelerometer respectively and studied about the relationship with noise and vibration. In order to validate the noise and vibration performance of hybrid metal – composite gear by measuring the transmission error, the equivalent steel gear was arranged. The geometries of steel gear and hybrid metal – composite gear were identical except the material and shape of gear blank. Then, static and dynamic transmission error of steel pinion – steel wheel gearset and steel pinion – hybrid metal composite wheel were measured and compared by rotary encoder and accelerometer. Thereby, the characteristic of transmission error of hybrid metal – composite gear was investigated. As a result of measurements, the static transmission error was at similar level or slightly lowered level and the dynamic transmission error was lower at overall test conditions and remarkably reduced at the resonance speeds when hybrid – metal composite gear was utilized. It was determined that the static transmission error did not show a significant difference between the two gearsets due to the marginal deviation of the system stiffnesses, and that the dynamic transmission error at resonance speed was effectively reduced by the damping effect of composite material of the hybrid metal – composite gear blank. Whilst the existing studies of hybrid metal – composite gear have been focused on the weight reduction and durability, this study is meaningful in that the hybrid metal – composite gear was focused on improving transmission error, which is the indicator of noise and vibration performance of the vehicle driveline. Additionally, the potentiality of utilizing the rotary encoder for the dynamic transmission error measurement was evaluated by comparing the results with the accelerometer-based measurement results. The accelerometer-based measurement method is somewhat tricky because the shaft flange to mount the accelerometers are needed to be manufactured and fitted on the shaft and the slip ring is needed to be mounted at the end of the shaft. Thus, if the dynamic transmission error could be measured feasibly by the rotary encoder-based method, the related studies are expected to be much simpler in the future.