농업용 트랙터 동력전달계의 기어 래틀 및 치합 소음 저감에 관한 연구

Abstract

농업용 트랙터는 엔진, 변속기, 유압시스템 등 다양한 소음원이 존재하며, 전통적으로 엔진이 가장 큰 소음원이라고 알려져 있다. 그러나 엔진 설계 기술이 발전에 따라 상대적으로 가려져 있던 변속기 동력전달계의 소음이 이슈가 되고 있다. 농업용 트랙터 변속기의 동력전달계는 PTO 전동라인과 구동륜으로 동력을 전달하는 주행 변속부로 구분된다. 최근 주로 채택되는 독립형 PTO 시스템은 엔진과 직접 연결되어 동력전달 효율은 좋으나 진동/소음에 취약한 구조임에도 이에 대한 연구가 부족하다. 또한 구동륜으로 전달되는 주행 변속부는 기어 전달오차에 의해 발생하는 기어 치합 소음이 주요 이슈이다. 그러나 기어 전달오차를 고려한 저소음 주행 변속부 설계를 위한 체계적인 연구는 미비하다. 본 연구에서는 농업용 트랙터의 동력전달계 소음 개선을 위해 PTO 전동라인의 기어 래틀 소음과 주행 변속부의 기어 치합 소음을 저감을 목적으로 연구를 수행하였다. 기어 래틀 소음과 기어 치합 소음은 발생 원인 및 메커니즘이 서로 다르므로 크게 두개 파트로 구분하여 연구를 수행하였다. 첫번째 파트인 PTO 전동라인의 기어 래틀 저감을 위해 영향인자를 분석하여, 백래시를 갖는 스플라인 체결부, 비틀림 댐퍼 등과 같은 비선형 강성 요소는 회전계에 동적 거동에 급격한 변화를 일으킬 수 있는 요소임을 확인하였다. PTO 전동라인의 기어 래틀 소음 저감을 위하여 비선형 거동을 야기하는 스플라인 백래시가 전체 동적 거동에 미치는 영향을 시험을 통해 확인하였다. 실내시험은 기어 래틀 소음을 제외한 다른 소음이 제거된 환경에서 수행하였고, 엔진 모사가 가능한 모터제어 시스템을 구축하였다. 변속기 입력축과 다수의 스플라인 체결부를 거쳐 회전 진동이 전달되는 PTO 구동기어 회전속도 응답을 계측하여 동적거동 변화를 확인하였으며, 동시에 기어 래틀 소음도 계측하였다. 엔진 아이들 회전속도 구간인 700 ~ 1,000 rpm에서 수행된 실내시험을 통해 920 rpm에서 급격한 동적 거동 변화인 점핑 현상이 발생하였으며, 동시에 기어 래틀 소음도 10.9 dBA 감소하였다. 시험을 통해 엔진 아이들 회전속도 구간에서 PTO 전동라인의 동적 거동 특성은 크게 3개 구간으로 구분되었다. 첫번째 구간은 입력축 대비 PTO 구동기어의 회전속도 변동량이 증폭하는 과응답 구간이며, 두번째 구간은 점핑 현상이 발생하는 순간의 과도응답 구간이었다. 세번째 구간은 회전속도 변동량의 증폭 수준이 낮게 유지되는 저응답 구간으로 기어 래틀 소음 또한 낮은 수준을 유지하였다. 점핑 현상의 주요 인자 분석을 위해 스플라인 백래시를 반영한 1D 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 통해 과응답 구간에서는 스플라인 내외측 치가 양방향 충돌을 하였으며 PTO 구동기어의 회전속도 변동량이 증폭되었다. 반면에, 저응답 구간에서는 스플라인 내외측 치가 단방향 충돌을 하였으며, 회전속도 변동량이 증폭되는 현상은 나타나지 않았다. 또한 점핑 현상의 발생 원인인 스플라인 백래시의 크기 변화에 따른 영향을 시뮬레이션을 통해 추가적으로 검토하였다. 시뮬레이션 모델에 반영된 스플라인 중 가장 큰 백래시 크기를 갖는 PTO 클러치의 허브축과 마찰판 사이의 스플라인 백래시를 변경하였으며, 기본 백래시 크기인 0.50 mm를 기준으로 제작 가능한 크기인 0.1 mm와 0.9 mm에 대해 동적 거동을 확인하였다. 스플라인 백래시가 0.10 mm, 0.50 mm인 경우에는 양방향 충돌이 발생하였고, 0.90 mm인 경우는 엔진 가진의 2차 성분이 증가하지않았으며, 저응답 구간의 충돌 거동인 단방향 충돌이 나타났다. 스플라인 백래시 크기에 따른 PTO 전동라인의 동적 거동 변화를 시험을 통해 확인하였다. 스플라인 백래시 수준은 PTO 클러치의 마찰판과 허브축 사이의 스플라인 체결부의 백래시의 크기를 0.10 mm(Type A), 0.50 mm(Type B), 0.90 mm(Type C), 1.30 mm(Type D) 로 제작하여 시험을 수행하였다. Type A를 적용한 시험에서는 점핑 현상이 발생하지 않았으며, 스플라인 백래시 수준이 커질수록 점핑 현상이 발생하는 회전속도가 점점 낮아졌다. 스플라인 백래시 크기에 따라 기어 래틀 소음이 급격히 감소하는 회전속도 또한 낮아졌다. 첫번째 파트의 연구를 통해 농업용 트랙터의 엔진 아이들 회전속도는 저응답 구간에 설정되어야 정숙성을 유지할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 기어 래틀 소음을 감소시키기 위해서는 PTO 전동라인의 진동 전달 경로 상의 스플라인 백래시 크기를 증가시켜, 설정할 수 있는 엔진 아이들 회전속도를 낮출 수 있었다. 두번째 파트인 주행 변속부의 기어 치합 소음 저감을 위해서 주요 원인인 기어 전달오차를 최소화할 수 있는 기어 설계 기법에 대해 연구하였다. 기어 전달오차를 저감하기 위해 농업용 트랙터 변속기에 인가되는 부하 특성 및 차량 제조 환경을 고려하여 기어 매크로 제원 최적화 기법을 이용하였다. 본 연구 대상 트랙터의 전/후진부의 전진 기어, 주변속부의 1단, 2단, 4단 기어를 대상으로 최적화를 수행하였다. 기어 매크로 제원 최적화의 목적함수는 기어 전달오차와 동력전달 효율로 설정하였고, 유전알고리즘(NSGAⅢ)을 이용하였다. 최적화를 통해 동력전달 효율은 기존 수준으로 유지하며, 기어 전달오차를 최소화할 수 있는 기어 매크로 제원을 도출하였다. 기어 매크로 제원 최적화를 통해 도출된 기어 사양이 실제로 소음 저감 정도를 확인하기 위해 시험 장비를 구축하였다. 시험은 3축 다이나모미터를 이용하여 엔진 및 유압 소음 등 다른 소음원을 통제하였고, 사용 비율이 높은 변속 단수인 10단, 11단, 16단에서 엔진 정격 토크의 20 %와 50 %의 부하수준을 고려하여 시험을 수행하였다. 소음 측정 결과, 엔진 운전 회전속도 구간에서 엔진 정격 토크의 50%의 부하가 변속기로 입력되었을 때 10단, 11단, 16단에서 변속기 전체 소음은 각각 2.99 dBA, 3.90 dBA, 3.31 dBA 개선되었다. 변속기로 인가되는 부하수준이 엔진 정격 토크의 20 %인 경우, 10단, 11단, 16단에서 각각 3.30 dBA, 2.21 dBA, 2.42 dBA 소음이 개선되었다. 결과적으로 기어 매크로 제원 최적화를 통해 2개 부하 조건에 대해 기어 치합 소음이 저감되는 것을 확인하였다. 기어 성분의 소음 수준을 비교하기 위해 차수 분석을 수행하였고, 소음 저감 정도를 확인하였다. 전진기어의 하모닉 성분 중에서 2차 하모닉 성분의 소음 수준이 가장 높았고 최적화를 통해 5.13 dBA 저감되었다. 또한 주변속 1단, 2단, 4단 기어의 기어 치합 소음은 각각 8.52 dBA(2차 하모닉), 4.52 dBA(1차 하모닉), 9.95 dBA(1차 하모닉) 개선되었다. 또한 변속기 시스템 공진점과 기어 성분의 교차할 때의 소음수준을 비교한 결과, 최적화 대상기어의 소음이 효과적으로 저감되는 것을 확인하였다. 따라서 기어 매크로 제원 최적화를 통해 여러 기어 성분이 복합적으로 기여한 변속기 전체소음과 기어 하모닉 성분의 소음 모두 효과적으로 저감됨을 확인하였다. 따라서 부하가 빈번하게 변동하며, 작업에 따라 다양한 부하 수준이 인가되는 농업용 트랙터 변속기의 소음 저감을 위해 기어 매크로 제원 최적화 기법이 유효함을 본 연구를 통해 확인하였다.

Agricultural tractors have various noise sources such as engines, transmissions, and hydraulic systems, and it was traditionally known that the engine was the biggest noise source. However, the transmission noise that had been relatively masked by the development of engine design technology has become an issue. The power transmission system of the agricultural tractor transmission was divided into a PTO driveline and a transmission that transmits power to the driving wheel. The engine-direct PTO system, which is mainly applied recently, has good power transmission efficiency because it is directly connected to the engine, but research on this is insufficient even though it was a structure that was vulnerable to vibration/noise. In addition, gear whine noise generated by transmission errors was a major issue in the transmission that was transmitted to the drive wheels. However, systematic research for the design of low-noise transmission considering gear transmission errors was insufficient. In this study, the purpose of this study was to reduce the gear rattle noise of the PTO driveline and the gear whine noise of the transmission to improve the noise of the transmission of the agricultural tractor. Since gear rattle noise and gear meshing noise have different causes and mechanisms, the study was conducted by dividing them into two parts. The first part of the study, the factors affecting the gear rattle noise were analyzed to reduce noise of the PTO driveline. Among the various influencing factors, it was confirmed that non-linear stiffness components such as spline coupling with backlash and torsional dampers were components that can cause sudden changes in the dynamic behavior of the rotation system. A test was conducted to determine the effect of non-linear stiffness components on dynamic behavior and gear rattle noise in a PTO driveline composed of several spline couplings. The test was constructed in an environment in which other noises except for the gear rattle noise were removed, and a motor control system capable of imitating an engine was composed. The change in dynamic behavior was confirmed by measuring the rotation speed of the PTO driving gear to which rotational vibration was transmitted through the input shaft and several spline couplings, and at the same time, the gear rattle noise was also measured. Through a lab. test performed at 700 ~ 1,000 rpm, which was the engine idle rotation speed range, jumping phenomenon, which was a sudden change in dynamic behavior at 920 rpm, was occurred, and the gear rattle noise was also reduced by 10.9 dBA. Through the lab. test, the dynamic behavior characteristics of the PTO driveline in the engine idle rotation speed range were largely divided into three range. The first range was an over-response range in which the rotational speed fluctuation of the PTO driving gear relative to the input shaft was amplified, and the second range was a transient-response range at the moment when a jumping phenomenon occurs. The third range was a low-response range in which the amplification level of the rotational speed fluctuation was kept low, and the gear rattle noise was also maintained at a relatively low level. A 1D simulation reflecting the spline backlash was performed to analyze the cause of the jumping phenomenon. It was confirmed through simulation that the rotation speed fluctuation value of the inner and outer teeth of the spline was amplified by two-way collision in the over-response range. On the other hand, in the low-response range, the inner and outer teeth of the spline had a one-way collision, and the phenomenon of amplification of the rotational speed fluctuation did not appear. In addition, the effect of the change in the level of the spline backlash, which is the cause of the jumping phenomenon, was additionally reviewed through simulation. Among the splines applied in the simulation model, the spline backlash between the hub shaft and the friction plate of the PTO clutch, which has the largest backlash level, was changed, and 0.1 mm and 0.9 mm, which were manufacturable levels, were selected based on the basic backlash level of 0.50 mm. When the spline backlash was 0.10 mm and 0.50 mm, a two-way collision occurred, and when the spline backlash was 0.90 mm, the 2nd component due to engine excitation did not increase, and a one-way collision, which is the collision behavior of the low-response range, appeared. An additional experimental investigation was performed to experimentally confirm the simulation results in which the dynamic behavior changes according to the level of spline backlash. A lab. test was performed by adjusting the backlash of the spline coupling between the friction plate of the PTO clutch and the hub shaft by 0.10 mm (Type A), 0.50 mm (Type B), 0.90 mm (Type C), and 1.30 mm (Type D). In the Lab. test where Type A was applied, no jumping phenomenon occurred, and as the spline backlash level increased, the rotation speed at which the jumping phenomenon occurred gradually decreased. The rotation speed at which the gear rattle noise was rapidly reduced by the dynamic behavior change due to the spline backlash level was also lowered. Through the study of the first part, it was found that the engine idle rotational speed should be set in the low-response range where the noise level was kept relatively low in order to reduce the PTO gear rattle noise. In addition, by increasing the level of the spline backlash on the vibration transfer path of the PTO driveline in order to reduce the gear rattle noise, the rotational speed at which the engine idle rotational speed can be set was also lowered. In the second part on the study, a gear design technique that can minimize the transmission error, which was the main cause, was studied in order to reduce the gear whine noise of the transmission. In order to reduce the gear transmission error, the gear macro-geometry optimization technique was used in consideration of the load characteristics and the manufacturing environment applied to the transmission. The gear macro-geometry optimization was performed on the F gear pair of the forward/reverse shift part of the tractor subject to this study, and the main 1st, 2nd and 4th gear pairs of main shift part. The objective function of gear macro-geometry optimization was set as gear transmission error and efficiency, and a genetic algorithm (NSGAⅢ) was used. A test equipment was built to confirm the noise reduction level of the gear specifications derived through gear macro-geometry optimization. In the test, other noise sources such as hydraulic noise were controlled using a 3-axis dynamometer, and the test was performed in consideration of load levels of 20% and 50% of the rated engine torque in the 10th, 11th, and 16th gears, which are the most frequently used gears was performed. As a result of the noise measurement, when a load of 50% of the engine rated torque was input to the transmission, the overall noise level of the transmission was improved by 2.99 dBA, 3.90 dBA, and 3.31 dBA in the 10th, 11th, and 16th gears, respectively. When the load level applied to the transmission was 20% of the engine rated torque, overall noise level was reduced by 3.30 dBA, 2.21 dBA, and 2.42 dBA in the 10th, 11th, and 16th gears, respectively. As a result, it was confirmed that gear whine noise was reduced for the two load conditions through gear macro-geometry optimization. Order tracking analysis was performed to compare the noise level of gear harmonic components, and the level of noise reduction was confirmed in the engine operating rotation speed range. Among the harmonic components of the forward gear, the noise level of the 2nd harmonic component was the highest and was reduced by 5.13 dBA through optimization. Also, the noise level of the 1st, 2nd, and 4th gear pairs of main shift part was improved by 8.52 dBA (2nd harmonic), 4.52 dBA (1st harmonic), and 9.95 dBA (1st harmonic), respectively. In addition, as a result of comparing the noise level at the intersection of the resonance region of the transmission system and the gear component in the test, it was confirmed that noise was effectively reduced through optimization. Therefore, it was confirmed that through the gear macro-geometry optimization, not only the overall noise of the transmission, which was contributed by various gear components, but also the noise of the gear harmonic component was effectively reduced. Therefore, it was confirmed through this study that the gear macro-geometry optimization technique was effective to reduce the noise of the agricultural tractor transmission, which has severe load fluctuations and various load levels are applied according to agricultural operation.