트랙터 PTO 전동라인에 대한 비틀림 댐퍼의 최적 설계

Abstract

엔진 직결식 PTO 전동라인을 채택한 국내 농업용 트랙터는 무부하 공회전 시 PTO 변속부에서 기어 이의 충돌에 의한 래틀 소음이 발생하였다. 이러한 래틀 소음은 엔진의 주기적인 폭발 행정으로 발생하는 토크 변동에 의한 비틀림 진동이 원인이며, 이를 저감하기 위한 방법으로 비틀림 댐퍼에 대한 많은 연구가 진행 되어왔다. 그러나 비틀림 댐퍼에 대한 종래의 연구는 승용 또는 상용 차량에서 주로 수행되었으며, 비틀림 댐퍼를 농업용 트랙터에 적용한 연구는 많지 않았다. 본 연구는 PTO 변속부에 래틀 소음을 유발하는 비틀림 진동을 저감하기 위한 비틀림 댐퍼의 최적 설계를 목적으로 수행되었다. 본 연구의 결과를 정리하면 다음과 같다. 트랙터 PTO 전동라인에 비틀림 진동을 분석하기 위하여 플라이휠과 PTO 구동축에서 각속도를 계측하였으며, 계측한 각속도를 시간 영역과 주파수 영역에서 비교분석하였다. 엔진의 회전 속도가 990 rpm 미만일 때 PTO 전동라인의 시스템 공진이 발생하여 PTO 구동축의 각속도 변동폭이 증가된 것을 확인하였으며, 990 rpm 이상부터는 공진을 벗어나 입력대비 출력 각속도 변동폭이 감소한 것을 확인하였다. 이와 같은 현상은 시간 영역 및 주파수 영역 분석에서 동일하게 나타났다. 비틀림 진동을 예측하기 위하여 상용 소프트웨어를 이용한 PTO 전동라인의 시뮬레이션 모형을 개발하였다. 이 모형은 엔진, 비틀림 댐퍼, PTO 전동라인, PTO 변속부로 구성되었다. 계측한 플라이휠의 각속도와 PID 제어기를 이용하여 엔진의 토크 변동을 구현하였고, 비틀림 댐퍼, PTO 전동라인, PTO 변속부는 대상 트랙터의 제원을 이용하여 구현하였다. 또한, PTO 전동라인의 모형은 PTO 구동축에서 계측된 각속도를 이용하여 시간 영역 및 주파수 영역에서 검증하였다. 검증된 모형을 이용하여 비틀림 댐퍼의 최적 설계를 수행하였다. 최적화의 목적 함수는 PTO 전동라인의 시스템 공진을 회피하고, 각속도 변동폭을 최소화하는 것이다. 최적화의 설계 변수는 비틀림 댐퍼의 1단 영역의 강성 및 히스테리시스 토크로 선정하였다. 비틀림 댐퍼의 최적설계 결과, 강성이 462.78 Nm/rad, 히스테리시스 토크가 1.75 Nm일 때 모든 운전 영역에서 공진을 회피하였고, PTO 구동축의 각속도 변동폭이 최소임을 확인하였다.