DOI http://dx.doi.org/10.9725/kstle-2013.29.1.001
휠 굴삭기용 변속기의 클러치 마찰특성 분석
이용범†· 김광민* 한국기계연구원 시스템신뢰성연구실
*우림기계(주) 기술연구소
Analysis of the Friction Characteristics of Transmission Clutch of a Wheel Excavator
Yong Bum Lee† and Kwang Min*
Department of system Reliability, Korea Institute of Machinery & Materials
*Woorim Machinery Co., Ltd.
(Received September 25, 2012 ; Revised November 2, 2012 ; Accepted November 10, 2012)
Abstract − Hydraulic transmission is the main component delivering power to the drive wheels of an excavator during forward and backward movement, and it has low speed, high torque and high speed, low torque gear change ratios as a forward/backward two-speed main function. It also has additional function of ensuring that the excavator is stably fixed on the ground with the built-in parking brake during excavation operations. In this study, optimal design specifications are determined by modeling and simulating about the multi-disc-type friction clutch, which is the main component improving the reliability of the hydraulic transmission for a 14-ton wheel excavator, and the friction properties of the transmission clutch are analyzed by performing sample tests.
Keywords − multi disc clutch(다판식 디스크 클러치), transmission(변속기), wheel-type excavator(휠 굴삭기), friction characteristics(마찰 특성)
1. 서 론
휠 형식의 굴삭기(wheel type excavator)는 유압식 변속기를 사용하는데 이는 고속-저속 변속과 후진 기 능은 물론 주차브레이크(parking break)기능을 포함하 고 있으며, 출력밀도(kw/kg)가 높아서 널리 사용되고 있다.
유압식 변속기는 굴삭기가 전진 및 후진 주행을 할 때 유압모터의 동력을 주행 휠에 전달하는 핵심부품으 로서 효율을 향상시키기 위해서 저속 고 토크(low speed high torque)와 고속 저 토크(high speed low torque) 2단 변속의 주 기능과 굴삭작업을 할 때 내장
된 주차브레이크(parking brake)에 의해서 굴삭기차체를 지면에 견고하게 고정되도록 하는 기능이 있다.
유압식 변속기의 동력전달과 주차 브레이크 기능은 변속기 내부에 다판식(multi disc) 마찰 클러치와 다판 식 브레이크의 조합에 의해 이루어지고 있다.
Jeong[1] 등은 휠 굴삭기 시뮬레이터를 위한 실시간 동역학 해석 프로그램을 개발에 관한 연구를 하였으며, Cho[2] 등은 중형 휠 굴삭기에 사용되는 습식 다판식 브레이크의 성능에 대해 시험 연구하였다.
본 연구에서는 차체 중량 14톤급 휠 굴삭기용 유압 식 변속기의 신뢰성 향상을 위해 핵심 부품인 다판식 마찰 클러치와 다판식 마찰 브레이크에 대하여 모델링 하고 시뮬레이션 통하여 최적의 설계사양을 결정하고 시제품에 대한 시험을 통하여 마찰 특성에 대해 분석 하였다.
†Corresponding Author: [email protected]
◎이 논문은 한국윤활학회 2012년도 추계학술대회 (2012.10.17~19. 제주) 발표논문임.
2. 변속기의 구조 및 특징
Fig. 1은 본 연구에서 이용한 14톤급 휠 굴삭기의 변속기를 나타낸 것이다. 2단 파워 쉬프트 트랜스미션 (transmission)은 유성기어세트, 전 차축 및 후 차축에 연결되는 출력 플랜지가 부착된 2단 구동기어로 구성 되어 있다.
유성 구동을 위한 파워 쉬프트 장치는 하우징에 단단하게 연결되는 멀티 디스크 브레이크와 내부에 회전 멀티 클러치로 구성되어 있다. 이 두 장치는 스프링의 힘에 의해 물리고 유압에 의해 해제된다.
샤프트인터로크는 고속에서 저속으로 변속하는 것을 차단하고 주행모터의 과도한 회전을 방지한다. 만약 입력 속도가 약 1000 rpm 이상이고 고속기어로 물려 져 있는 상태에서 저속을 선택하여도 저속으로 기어
변속을 할 수 없고 입력 속도가 제한속도 이하일 때 만 작동하게 된다.
저속 작동에서 유성기어의 내측기어는 닫혀서 케이 스에 고정되어 브레이크가 된다. 이 속도에서 브레이 크 피스톤은 가압되지 않기 때문에 탄성력과 추가적인 클러치 피스톤의 유압이 디스크에 작용하게 된다. 이 때 유압에 의해 클러치가 해제된다.
고속단의 작동은 클러치가 스프링 압력에 의해 맞물 린 상태이고 브레이크는 유압력에 의해 맞물리지 않게 되어있다. 기어 변속 시 오일은 브레이크 피스톤 스페 이스로부터 브레이크 피스톤에 작용하는 스프링의 힘 으로 인해 탱크로 빠져나간다. 동시에 클러치는 유압 에 의해 해제된다.
3. 이론적 고찰
저속에서는 브레이크의 마찰력으로 동력을 전달하게 되고 고속에서는 클러치의 마찰력으로 동력을 전달하 게 된다. 14톤급 휠 굴삭기의 요구되는 클러치의 마찰 토크는 고속에서 요구되는 전달토크로서 주행능력이 22,798N이고, 저속에서 요구되는 주행능력은 87740 N 이다. 따라서 클러치와 브레이크에서 요구되는 마찰토 크는 다음식과 같다.
(1)
(2) 여기서 휠 굴삭기에 트랜스 액슬의 기어 비(13.7)를 나눠주면 변속기에서 요구하는 출력축의 전달토크가 나오게 된다. 따라서 변속기의 고속에서 요구되는 입 력축의 마찰토크는 고속단의 기어 비 1.2를 나눠주면 670Nm이고, 저속에서 요구되는 입력축의 마찰토크는 1300Nm이다.
마찰토크는 접시 스프링(disc spring)의 힘에 의해 토크가 달라진다. Fig. 2와 Table 1은 본 연구에 사용 된 스프링의 개략도와 사양을 나타낸 것이다.
Tc=F r× =22798 0.5029× =11 465Nm,
Tb=F r× =87740 0.5029× =44 124Nm, Fig. 1. Transmission of wheel excavator.
Fig. 2. Schematic diagram of disc spring.
접시 스프링이 클러치와 브레이크에 작용하는 힘은 하중과 휨의 관계식, 하중과 응력에 관한 식에 대해서 는 일반적으로 Almen-Laszlo의 식이라 부르는 형태가 자주 사용되며 식(1)과 같다[3].
(3)
여기서, ,
Clutch : Brake :
따라서, 본 연구에 사용된 클러치 및 브레이크에 작 용하는 접시 스프링의 힘은 다음과 같다.
클러치 및 브레이크에 작용하는 마찰토크는 스프 링의 힘과 마찰계수, 마찰면의 수, 마찰면의 유료 반경으로 표시되며, Fig. 3은 연구에 사용된 클러치 의 도면이고, Table 2는 클러치 및 브레이크의 사 양을 나타내었다. 따라서 식을 정리하면 다음식과 같 다[4].
(4)
4. 모델링 및 시뮬레이션
모델링을 통해 트랜스미션에 적용될 최적의 설계사 양을 선정하기 위해 마찰 판의 수와 마찰계수 변화에 따른 마찰토크를 확인하였다. Fig. 4는 시뮬레이션을 하기위한 모델링이며 입력 축에 토크를 가하고 앞서 선정한 스프링 힘을 입력해 마찰 을 누르는 힘을 입력 하고 출력축은 고정하여 마찰토크의 결과 값을 확인하 F 4EδC
1–ν2 ( )Do2
--- (h δ– ) h δ 2---
⎝ – ⎠
⎛ ⎞t t+3
⎩ ⎭
⎨ ⎬
⎧ ⎫
=
C α 1+ α 1– --- 2
α ---ln
⎝ – ⎠
⎛ ⎞π α
α 1– ---
⎝ ⎠
⎛ ⎞2
=
1.421 Clutch( )
=
2.286 Brake( )
=
α D= o⁄Di=125 61⁄ =2.049 α D= o⁄Di=199.5 146.5⁄ =1.362
Fc 4 206000 1.745 1.421× × × 1 0.3– 2
( ) 125× 2 ---
=
4.5 1.745–
( ) 4.5 1.745 ---2
⎝ – ⎠
⎛ ⎞ 3.5×
⎩ ⎭
⎨ ⎬
⎧ ⎫
3.53
⎩ + ⎭
⎨ ⎬
⎧ ⎫=11187N
Fb 4 206000 2.381 2.286× × × 1 0.3– 2
( ) 199.5× 2 ---
=
4.5 2.381–
( ) 4.5 2.381 ---2
⎝ – ⎠
⎛ ⎞ 4×
⎩ ⎭
⎨ ⎬
⎧ ⎫
43
⎩ + ⎭
⎨ ⎬
⎧ ⎫
11399N
=
T µFr= mn
Tc=0.1 11187 0.0413 16× × × =739[Nm] 670>
Tb=0.1 11399 0.082× × ×16=1496[Nm] 1300>
Table 1. Specification of disc spring
Specification Clutch Brake Disc Spring Outer
Diameter ( ) 125 mm 199.5 mm Disc Spring Inner
Diameter ( ) 61 mm 146.5 mm Disc Spring
Thickness (t) 3.5 mm 4.0 mm Free Length ( ) 8 mm 8.5 mm Free Height ( ) 4.5 mm 4.5 mm Modulus of Longitudinal
Elasticity ( ) 206000 N/ mm Displacement ( ) 1.745 mm 2.381 mm Poisson's ratio ( ) 0.3
Do
Di
l0
h
E δ
ν
Fig. 3. Design of clutch disc & brake disc.
Table 2. Specification of clutch disc
Specification Clutch Brake Number of Clutch Disc ( ) 8 EA 8 EA
Clutch Outer Radius ( ) 52 mm 93.5 mm Clutch Inner Radius ( ) 30.5 mm 70.5 mm Clutch Effective Radius ( ) 41.3 mm 82 mm
Coefficient of Friction (µ) 0.1 n 2⁄
( ) ro
ri
rm
였다.
다판식 마찰 클러치의 사양을 마찰면의 외경, 내경, 두께 등을 설계사양과 같이 입력하고 마찰 판의 개수 와 마찰계수를 Table 3과 같이 파라메타를 변경하여 시뮬레이션을 통해 요구하는 토크와 안전율을 고려하 여 마찰면의 수 및 마찰계수를 선정했다 [5,6].
Fig. 6, Fig. 7과 같이 최대 마찰토크와 슬립이 일어 나면서 회전속도의 변화를 시뮬레이션 결과로 나타냈 다. 14톤 휠 굴삭기용 변속기에 요구되는 마찰토크를
충족하며 최적의 마찰 판의 조건은 Case 3으로 판단 된다.
Fig. 4. Modeling & simulation of multi disc clutch &
brake.
Fig. 5. Model of variable friction disc.
Table 3. Parameter of multi disc clutch & brake Specification Case 1 Case 2 Case 3 Number of
Clutch Disc (n/2) 8 EA 9 EA 8 EA Coefficient of
Friction (µ) 0.13 0.10 0.10
Fig. 6. Simulation result of multi disc clutch.
Fig. 7. Simulation result of multi disc brake.
5. 시험장치 및 결과 분석
5-1. 시험장치 구축
트랜스미션의 제작한 클러치와 브레이크를 시험하기 위해 입력 축에는 320 cc/rev 유압모터를 연결하고 입 력토크를 측정할 수 있는 2000 Nm 토크센서를 부착하 였다. 또한 출력축에는 출력토크를 측정을 위해 5000Nm의 토크센서를 장착하고 출력축의 부하를 가 하기 위해 캘리퍼(calliper) 브레이크로 잡아 출력축이 회전을 하지 못하게 만들었다. Fig. 8은 시험장비 실제 모습을 나타낸 것이다.
따라서 입력 축에 토크를 서서히 증가시키면 클러치 와 브레이크가 견디지 못하는 구간에서 슬립(slip)이 일 어나게 된다.
본 시험에서는 저속인 경우 다판식 마찰 브레이크의 힘으로 출력축에 동력을 전달하며 고속인 경우 다판식 마찰 클러치의 힘으로 출력축에 동력을 전달하므로 저 속단과 고속단의 상황에서 출력축을 캘리퍼 브레이크 를 이용해 고정하고 입력 축에 14톤급 휠 굴삭기용 변속기에 요구되는 토크를 입력하고 슬립이 일어나는 지 유무를 판단하였다.
5-2. 시험결과 분석
시뮬레이션에서 선정한 Case 3을 제작하여 시험한
결과 고속에서 다판식 마찰 클러치에 입력토크가 1014 Nm에서도 슬립이 발생하지 않았으며 시뮬레이션 결과보다 높은 성능을 나타냈다. 이는 기어, 베어링 및 실 등의 마찰이 더해져서 클러치의 동력전달 토크가 높게나온 것으로 판단된다.
저속단인 경우 다판식 마찰 브레이크에 입력되는 토 크가 960.7 Nm에서 슬립이 일어나지 않았으며 출력축 토크는 4617 Nm 결과를 나타냈다.
6. 결 론
14톤급 휠 굴삭기용 유압식 변속기의 핵심 부품인 다판식 마찰 클러치와 다판식 마찰 브레이크에 대하여 동력 전달에 대한 모델링과 시뮬레이션 통하여 최적의 설계사양으로 마찰 판의 수량(8~9개)과 종이마찰 재의 마찰계수 0.1~0.13을 선정하였다.
시뮬레이션 결과를 반영하여 제작된 시제품 3종에 Fig. 8. Photo of test mechanism for transmission.
Fig. 9. Test result of multi disc clutch for transmission.
Fig. 10. Test result of multi disc brake for transmission.
대해서 각각 마찰 특성시험과 분석을 통해 성능이 우 수한 Case 3의 마찰클러치와 마찰 브레이크를 최적으 로 제품으로 확정하였다.
다판식 마찰 클러치의 출력토크가 1014 Nm로 14 톤 굴삭기에서 요구되는 마찰토크 670 Nm 보다 151%
높아 제품의 안전성을 확보하였다.
감사의 글
본 연구는 “14톤 중형 유압 굴삭기용 유압식 변속기 개발” 연구비(과제번호: MI-3670) 일부지원에 의하여 수행되었습니다.
기호설명
: Disc Spring Outer Diameter [mm]
: Disc Spring Inner Diameter [mm]
: Modulus of Longitudinal Elasticity [N/mm2] : Free Height [mm]
: Free Length [mm]
: Number of Friction Surface : Clutch Effective Radius : Disc Spring Thickness [mm]
: Displacement [mm]
: Poisson's ratio : Coefficient of Friction
참고문헌
1. M. S. Jeong, O. J. Kim, K. S. Kim and W. S. Yoo,
“Development of Real-time Dynamic Analysis Pro- gram for Wheel-type Excavator,” Conference of The Korean Society for Automotive Engineers, pp. 760- 765, 1997.
2. Y. S. Cho, H. S. Park, S. J. Hong and M. H. Bae,
“Estimation of Friction Characteristics of Wet-type Multiple Disc Brakes for Axle of 14 Ton Class Wheel Excavator,” Journal of the Korean Society of Tribologist and Lubrication Engineers, Vol. 23, No.
6, pp. 312-317, 2007.
3. J. P. Hong, “Fundamentals of Machine Component Design,” Fifth Edition, Books hill, pp. 511-542, 2007.
4. Y. B. Lee and K. M. Kim, “Test Analysis of Parking Brake for the Track Drive Unit of Excavator,” Trans of The Korean Society Mechanical Engineers (B), pp. 1157-1162, 2011.
5. Y. J. Park, J. Y. Oh, G. H. Lee and M. S. Sin, “Mod- eling and Analysis of Hydraulic System for Con- struction Equipment A/T,” Conference of The Korean Society Mechanical Engineers, pp. 518-519, 2009.
6. J. S. Jang, Y. H. Yoon, “Analysis Model Develop- ment for Designing of Hydraulic Power Steering System,” Trans of Korean Society for Automotive Engineers, Vol 16, No. 1, pp. 158-165, 2008.
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