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임동우 ( Dongu Im ),이유진 ( You-jin Lee ),김재현 ( Jae-hyun Kim ),문동주 ( Dong-joo Moon ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2
상용차와 더불어 농업용 주행체의 전동화가 가속됨에 따라 기어 기인 소음에 대한 관심이 커지고 있다. 특히, 엔진 폭발의 masking effect에 의해 문제가 되지 않았던 기어물림주파수 영역의 소음에 대한 문제가 제기되고 있다. 기어물림주파수 영역의 소음은 기어 쌍의 전달오차에 의해 발생하며, 이는 기어 치의 탄성변형과 인볼루트 치형으로부터의 기하학적인 편차에 의해서 발생한다. 이를 예측하기 위해서는 시험적인 방법, 유한요소법, 해석적인 방법이 있다. 시험적 방법은 이론적으로는 가장 정확한 방법이라고 여겨지나, 실제로는 제작 및 조립 오차에 의한 영향 때문에 순수하게 기어에 의해 발생한 전달오차를 확인하는데 어려움이 있다. 유한요소방법은 실제 기어 쌍의 형상을 모델링하여 접촉해석을 통해 전달오차를 도출할 수 있기 때문에 제작 및 조립 오차와 치형 오차 등을 정확하게 반영하여 기어를 해석할 수 있다는 장점이 있지만 많은 계산 시간이 필요하다는 단점을 가지고 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위해서 본 연구에서는 해석적 방법과 부분적으로 유한요소를 적용하여 전달오차를 예측하였다. 기어물림주파수 영역에서의 전달오차 특성을 예측하기 위해 기어의 블랭크, 굽힘 강성에 대해서는 유한요소기법을, 접촉강성을 위해서는 Hertzain 접촉이론을 기반한 해석적 기법을 적용하였다. 또한 헬리컬 기어의 제작오차를 해석모델에 반영하기 위해 CNC 장비를 이용하여 실제 기어의 3차원 치형을 측정하고 이를 해석 모델에 반영하였다.
임동우(Dongu Im),이영수(Young-Su Lee),임흥혁(Heoung-Hyeok Yim),조희제(Hui-Je Cho),박영준(Young-Jun Park) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
전기구동시스템은 내연기관에 비하여 대체로 소음 수준이 낮은 것이 특징이다. 하지만 전기차에서는 엔진의 폭발음에 의해 마스킹(masking)되던 고주파 영역의 기어 와인 소음이 두드러지며, 전자기력 불평형으로부터 추가적인 진동 및 소음이 발생한다. 이러한 고주파 영역의 소음은 낮은 수준임에도 불구하고 탑승자에게 불쾌감을 초래한다. 본 연구에서는 다물체 동역학 전용 소프트웨어인 ANSYS Motion을 이용하여 전기차 감속기의 NVH 시뮬레이션 모델을 개발하였으며, 시간 영역에서의 조건별(구동 조건, 설계 조건, 해석 조건) NVH 해석 결과를 비교 평가하였다. 또한 전자기력 해석을 통해 모터 회전속도에 따른 가진 정보를 도출하여 모델에 반영하였다. 전기구동시스템의 감속기 시뮬레이션 모델은 두 쌍의 평행축 기어, 기어를 지지하는 축과 베어링 및 하우징으로 구성되어 있다. 베어링 모델은 하중에 따른 비선형 강성을 반영하였으며, 기어와 하우징은 유연체로 모델링 하였다. 또한, 축은 Timoshenko beam theory를 기반 모델을 사용하였다. 본 연구에서는 불평형 전자기력을 반영한 감속기 NVH 분석과 더불어 구동 조건, 설계 조건, 해석 조건에 따른 결과를 비교하였다. 구동 조건은 Output 축의 부하를 변경해가며 기어의 Rattle 가진에 대한 시스템의 응답을 관찰하였다. 설계 조건은 베어링의 강성, 베어링 Clearance, 하우징의 형상, 기어 치면 형상을 변경하여 해석을 수행하였다. 해석을 통해 각 설계 인자가 감속기의 NVH 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 마지막으로 해석 조건은 하우징을 유연체와 강체로 모델링하여 유연체 모델의 NVH 특성을 확인할 수 있었으며, 전자기력 반영 여부에 따른 결과를 비교하였다. 비교를 통해 전자기력을 반영할 경우 감속기의 NVH를 더욱 잘 평가할 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서 개발한 모델은 해석적 모델로 감속기 설계 단계에 적용하여 시제품 제작 비용을 절약할 수 있을 것으로 생각된다.
차량의 자갈로 주행성능 예측을 위한 자갈의 이산요소모델
임동우 ( Dongu Im ),김지태 ( Ji-tae Kim ),한현우 ( Hyun-woo Han ),최혁진 ( Hyuek-jin Choi ),오재원 ( Jae-won Oh ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1
자갈로는 아스팔트 포장 도로에 비해 낮은 수준의 마찰 특성을 가진다고 보고되고 있다. 특히, 경사로에서 자갈은 구름 운동이 발생하게 되며 그에 따라 주행 중 슬립이 발생하게 된다. 이는 차량의 동력손실과 더불어 안정성(stability)에 악영향을 미친다. 본 연구에서는 차량의 자갈로 주행성능을 예측하기 위해 자갈의 이산요소모델을 개발하였다. 이산요소법(discrete element method)은 접촉 이론을 바탕으로 입자와 입자, 입자와 기계장치와의 접촉력을 계산하는 수치해석법이다. 실제와 유사한 입자의 역학적 특성을 시뮬레이션 모델에 반영하기 위해서는 입자의 형상, 밀도, 크기 등의 macro parameters와 Young’s modulus, Poisson’s ratio, 마찰계수 등의 micro parameters를 정확하게 정의해야 한다. 따라서 본 연구에서는 자갈의 밀도와 크기를 측정하였으며, 실제 자갈과 유사한 형상을 반영하기 위해 자갈의 sphericity를 측정하였다. 또한, 일축 압축 시험을 통해 자갈의 Young’s modulus와 Poisson’s ratio를 측정하였으며, 안식각(repose angle) 시험을 통해 자갈의 마찰계수를 도출하였다. 마지막으로 자갈의 이산요소모델을 검증하기 위해 단일 그라우저의 추진력 시험을 수행하였으며 시험 결과를 시뮬레이션 결과와 비교하였다.
다물체동역학을 이용한 마늘파종기 배종부의 버킷 크기 최적화
임동우 ( Dongu Im ),김재현 ( Jae-hyun Kim ),문동주 ( Dong-joo Moon ),문태익 ( Tae Ick Moon ),최승렬 ( Seung Ryul Choi ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
마늘파종기의 배종장치는 호퍼에서 씨 마늘을 한 개씩 선별하여 파종부로 공급하는 역할을 하며, 마늘파종기의 중요한 성능지표인 결주율과 밀접한 관련이 있다. 결주는 배종부에서 마늘을 선별하지 못하는 것을 의미하며 농민들의 경제적 손실로 이어지게 된다. 현재 개발 중인 마늘파종기의 배종부는 핸들을 이용하여 버킷의 크기를 연속적으로 조절할 수 있다. 버킷의 크기를 키워 결주율을 줄일 수 있으나 불필요하게 큰 버킷은 마늘을 두 개 이상 배종하여 낮은 대구율로 이어질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 통계적 방법으로 마늘의 대표 3D CAD 모델을 개발하고 다물체동역학을 이용하여 개발 중인 마늘파종기의 최적 버킷 크기를 결정하였다. 마늘의 인편은 우리나라의 대표 재래종인 의성 마늘을 사용하였으며, 크기별로 네 개의 그룹을 나누어 160개 인편에 대해 길이, 너비, 두께, 각도를 측정하였다. 그 후 통계적 방법을 이용하여 그룹별 대표 3D CAD 모델을 개발하였다. 개발된 3D CAD 모델과 다물체동역학 상용소프트웨어를 이용하여 마늘파종기의 배종부를 모사하였다. 실제 마늘파종기와 기구학적으로 동일한 모델을 개발하기 위해 실제 운동 조건을 모델에 반영하였으며, 마늘과의 상호작용은 접촉모델을 사용하였다. 본 연구에서 개발한 다물체동역학 모델을 이용하여 마늘의 그룹별 최적 버킷 크기를 선정할 수 있었다.
임동우 ( Dongu Im ),김재현 ( Jae-hyun Kim ),문동주 ( Dong-joo Moon ),문태익 ( Tae Ick Moon ),유승화 ( Seung-hwa Yu ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2
마늘파종기의 중요한 성능지표인 결주율은 마늘이 정상적으로 경작지에 파종되지 않는 비율을 의미하며, 배종부와 파종부의 설계 변수에 밀접한 영향을 받는다. 높은 결주율은 경작지 내 전체 생산량을 감소시킬 뿐만 아니라 파종되지 않은 영역에 대한 추가적인 파종 작업을 요구한다. 따라서 파종기 설계 시 결주 회피 설계가 요구된다. 본 연구에서는 이산요소법을 이용하여 마늘의 크기에 따른 배종부의 최적 버킷 크기를 결정하였다. 마늘의 인편은 우리나라의 대표 재래종인 의성 마늘을 사용하였으며, 크기별로 네 개의 그룹을 나누어 그룹별 대표 3D CAD 모델을 개발하였다. 개발된 3D CAD 모델과 이산요소법 상용소프트웨어를 이용하여 마늘파종기의 배종부를 모사하였다. 개발된 모델을 이용하여 각 그룹별 최적 버킷 크기를 결정하였다.
토양의 역학적 특성을 이용한 콤바인의 주행성능 예측 모델 개발
김지태 ( Ji-tae Kim ),임동우 ( Dongu Im ),김경대 ( Kyeong-dae Kim ),조승제 ( Seung-je Cho ),최혁진 ( Hyuek-jin Choi ),오재원 ( Jae-won Oh ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2
노외를 주행하는 차량의 주행성능을 예측하는 것은 농업, 군방, 건설, 탐사 등 다양한 분야에서 연구 중이다. 차량의 주행성능은 지반의 강도와 차량의 동력원 중 더 작은 것에 의해 결정되기 때문에 차량의 주행성능 예측을 위해서는 지반의 강도를 측정하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 농업용 콤바인의 주행성능 예측 모델을 개발하기 위해 bevameter를 이용하여 지반의 강도를 측정하였으며, 측정된 토양의 강도를 통해 차량의 주행성능과 관련이 있는 토양의 역학적 특성을 도출하였다. 또한, 토양의 역학적 특성과 이론적 수식을 이용하여 콤바인의 주행성능 예측 모델을 개발하였다. 최종적으로 개발된 예측 모델의 검증을 수행하기 위하여 강도를 측정한 토양에서 콤바인의 견인시험을 수행하였으며, 견인시험 수행결과와 예측 모델의 비교·분석을 수행하였다.
Measurement and analysis of soil mechanical properties: according to grouser effects
김지태 ( Ji-tae Kim ),임동우 ( Dongu Im ),최혁진 ( Hyuek-jin Choi ),오재원 ( Jae-won Oh ),박영준 ( Young-jun Park ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1
노외차량(Off-road vehicle)은 주행 시 토양에 수직응력과 전단응력을 가하게 된다. 수직응력은 차량의 자체 하중과 접지면적에 의해 결정되며, 차량의 운동저항(Motion resistance)으로 발생한다. 전단응력은 수직응력과 주행장치-토양의 역학적 상호작용에 의해 결정되며, 차량의 추진력(Thrust)으로 발생한다. 발생한 추진력과 운동저항의 차이를 통해 차량의 주행성능을 평가할 수 있다. 따라서, 노외차량의 주행성능을 예측하기 위해선 노외차량으로부터 수직응력과 전단응력을 받는 토양의 강도 및 주행성능에 영향을 미치는 역학적 특성을 측정해야 한다. 본 연구에서는 해안가에서 주행하는 차량의 주행장치-토양의 역학적 상호작용을 분석하기 위해 bevameter 전단시험을 수행하였다. 또한, 그라우저(Grouser)가 전단응력에 미치는 영향을 확인하기 위해 그라우저의 개수와 높이를 변화시켜가며 전단응력의 변화를 분석하였다. 전단시험 결과, 그라우저의 개수는 전단응력에 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었으며, 그라우저의 높이는 전단응력에 영향을 미치는 것으로 확인되었다.