This paper aims to improve the critical speed of power-take-off (PTO) shafts by using carbon fiber reinforced plastics (CFRPs). The PTO shaft was designed with titanium-CFRPs hybrid structure in order to compensate the low shear strength of CFRPs. Based on the requirements for PTO shafts, the dimensions of PTO shafts were determined through a parametric study. To evaluate the performance of the PTO shaft, a vibration test, a static torsion test, and a torsion durability test were performed. In the vibration test, the critical speed of PTO shafts was 20570 rpm, which was 7.5% higher than that of titanium shafts. Additionally, it was confirmed that the maximum allowable torque of the PTO shaft was 2300 N·m. Finally, under repeated load in the range of 11.3 to 113 N·m, the fatigue failure in the PTO shaft did not occur up to 10⁶ cycles.

본 연구에서는 탄소섬유 강화 복합재료를 적용하여 PTO 샤프트의 임계 속도를 향상시키는 연구를 진행하였다. 탄소섬유 강화 복합재료의 경우 전단 강도가 낮은 단점이 있어, 이를 보완하기 위해 티타늄-탄소섬유 강화 복합재료 하이브리드 구조로 설계하는 것을 제안하였다. PTO 샤프트에서 요구하는 최대 허용 토크, 임계 속도, 비틀림 고유진동수 기준을 충족시키는 최적의 구조를 설계하고 제작하였다. 제작한 PTO 샤프트의 성능 평가를 위해 진동 시험, 정적 비틀림 시험, 비틀림 내구성 시험이 수행되었고, 진동 시험에서 PTO 샤프트의 임계 속도는 20570 rpm로 티타늄 샤프트 대비하여 7.5% 향상된 것을 확인하였다. 또한 정적 비틀림 시험을 통해 PTO 샤프트의 최대 허용 토크가 2300 N·m로 해당 기준을 충족시키는 것을 확인하였다. 최종적으로 11.3~113 N·m 범위의 하중을 반복하는 비틀림 내구성 시험에서도 10⁶ 사이클 동안 피로파괴가 발생하지 않는 것으로 평가되었다.

Keywords: PTO 샤프트(Power take off shaft), 금속 복합재료 샤프트(Metal-CFRP shaft), 임계 속도(Critical speed), 비틀림 내구성 시험(Torsion durability test)