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. 실내 시험은 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 증가하지 않았으며, 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.