[논문]농업용 트랙터 변속기의 가속 수명 시험법의 사례연구

김대철; 강영선

doi:10.5307/jbe.2009.34.5.325

농업용 트랙터 변속기의 가속 수명 시험법의 사례연구
Case Study of Accelerated Life Test Method for Agricultural Tractor Transmission 원문보기

바이오시스템공학 = Journal of biosystems engineering, v.34 no.5, 2009년, pp.325 - 330

김대철 (Tongyang Moolsan Co., LTD.) , 강영선 (Tongyang Moolsan Co., LTD.)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was performed to develop accelerated life test methods for agricultural tractor transmission receiving variable load. To acquire parameters for calculation of accelerated life test, endurance tests were performed under different torque conditions. Test results showed that the shape factor of Weibull distribution was 1.5 and fatigue damage exponent was 5.4. The calculated test time was 5,877 hours under the conditions of average life (MTBF) 3,000 hours and 90% reliability for one test sample. According to the linear cumulative damage rule, test time could be reduced using increased test load. Test time could be reduced by 252 hours when 1.2 times of the rated load compared with 0.67 times of the rated equivalent load calculated by load spectrum of the agricultural tractor. Calculated acceleration coefficient was 23.3.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 트랙터 변속기의 가속 수명 시험 계산에 적합한 파라미터를 시험을 통해 추출하고 가속 수명 시험 방법을 계산 예를 기준으로 제시하고자 수행되었다.
본 연구는 트랙터 변속기의 수명 시험 시간 단축을 위한 가속 수명 시험 방법을 개발하기 위하여 주요 파라미터를 시험을 통해 추출하고 가속 시험 시간 계산 예를 제시하였다.
본 연구에서는 22 Kw 트랙터 변속기를 대상으로 시험을 통하여 파라미터를 추출하고, 누적 손상 이론에 근거한 선형누적손상법의 이론을 근거로 하여 단축된 가속 수명 시험 시간을 계산함으로써 가속 수명 시험법 사례를 제시하고자 하였다.

가설 설정

이 방법은 어떤 응력 수준에서 부품의 총 수명 시간에 대한 사용 시간의 비는 같은 응력 수준에서 부품이 파괴될 때까지 기대되는 총 반복수에 대한 작용 반복수의 비와 같다는 이론에 근거한 것이며, 이 이론에 따라 등가 평균 토크를 계산하면 식 (7)에서 같다. 단, 트랙터의 경우 경운 작업시 엔진 입력축 회전속도를 정격속도에 두고 작업을 하기 때문에 등가 속도는 일정하다고 가정하였다.
본 연구에서는 무고장 가속 시험의 시험 시간은 변속기 수명이 와이블 분포를 따르고, 수명-하중 관계를 역승모형(Inverse power model)로 가정하여 계산하였다. 이러한 방법은 기계류 부품의 가속 수명 시험에 널리 사용되고 있다.

제안 방법

수명 시험은 정격 토크의 1.2배 토크로 3대의 변속기로 실시하였으며, 2개의 샘플이 고장난 후 마지막 샘플은 시험 장비의 이상으로 186시간이 되었을 때 시험을 중지하였다.
시험 도중 1초 간격으로 입력축 토크와 회전수, 출력축 토크와 회전수를 측정하였으며, 시험 도중 파손 유무 뿐 아니라 이상 진동, 소음 및 효율 저하 등을 감시하기 위하여 1시간 간격으로 시험 상태를 점검하였다.
시험은 DC 모터의 회전 속도를 트랙터 입력축 정격 회전수로 일정하게 유지한 상태에서 출력축에 동력계를 이용하여 원하는 토크를 가하여 수명 시험을 실시하였다.
이러한 가속 시험 시간 계산을 위해서는 필드의 사용 조건에서의 평균 등가 토크를 알아야 하는데, 본 연구에서는 그림 5의 트랙터 변속기의 차축에 걸리는 부하 스펙트럼(Renius, 1976)을 이용하여 평균 토크를 계산하였다.
부하에 따른 응력과 사이클과의 관계를 나타내는 S-N 선도를 작성하여 피로 수명 지수를 구하기 위해서는 수명 시험에서와 다른 부하에서 시험한 시험 결과가 필요하다. 피로 수명 지수 파악을 위하여 예비 시험 결과 파손 모드가 변경되지 않고 가할 수 있는 최대 토크인 정격 토크의 1.4배로 시험하였으며, 시험한 결과는 표 3에서와 같다.

대상 데이터

변속 단수는 견인부하가 가장 크게 작용하는 단수인 M3단을 설정하였고, 수명 시험 토크는 일반적으로 엔진의 최대 토크인 정격 토크의 1.2배를 선정하였다.
5%이고, 측정 범위는 입력축 토크 500 Nm, 출력축 토크 15 kNm, 입력축 회전수 3000 rpm, 출력축 회전수 200 rpm이다. 본 시험에 사용된 트랙터 변속기의 주요 제원은 표 1에서와 같으며, 사용된 샘플 변속기는 생산 라인에서 임의로 발취하였다.
본 연구에서는 트랙터 변속기에 대한 수명 시험을 통하여 형태 모수값과 피로 수명 지수를 파악하기 위하여 그림 1에서와 같이 모터, 대상 변속기, 동력계로 이루어진 시험 장치를 구성하였으며, 그림 2는 실제 동력계에 변속기가 장착된 모습을 나타낸 사진이다.
사용된 모터는 100마력의 DC모터이며, 동력계는 최대 15 kN･m의 토크를 가할 수 있는 공압식 디스크 브레이크 형식으로서 공압 레귤레이터를 이용하여 원하는 토크를 제어할 수 있다.

이론/모형

따라서, 기계류 부품의 수명은 일반적으로 기운 분포를 따르기 때문에 본 연구에서는 메디아 순위법 따라 추정하였다.

성능/효과

(1) 트랙터 변속기에 대한 수명 시험 결과 Weibull 분포의 형태 모수 값은 1.5이고 피로 수명 지수 값은 5.4가 추출되었다.
(2) 추출된 형태 모수 값을 이용하여 계산한 결과, 시료가 한 개일 경우 신뢰 수준 90%의 합격 기준으로 평균수명(MTBF) 3,000시간을 보증하려면 5,877시간의 시험이 요구된다.
(3) 추출된 피로 수명 지수와 선형 누적 손상법에 따라 부하 스펙트럼을 분석하여 얻은 등가 토크 0.67을 적용하여 정격 토크 1.2배로 가속 시험을 실시할 경우 가속지수가 23.3로 계산되어 시험 시간이 252시간으로 단축된다.
트럭이 실제 사용환경에서 사용되는 조건을 모사하기 위해 진동시험, 가속 환경시험과 다양한 시험을 조합한 실내 시험 방법 등에 대하여 설명하였다. 결과에 따르면 가속시험을 통해 트럭 개발 사이클 시간을 2～5배 단축시킬 수 있으며, 이것은 개발 비용 측면에서 1.5～4.0배 감소 효과를 나타낼 수 있다.
결론적으로, 트랙터의 국내 연간 사용 시간은 대규모 농가의 경우를 고려하여 평균 300시간(Lee, 2007)으로 하여 10년간 무고장을 보장하기 위하여 보증 수명을 평균 수명(MTBF) 3000시간으로 하면, 신뢰 수준 90%, 샘플수 1로 하여 필요한 무고장 시험 시간이 5,877시간이 된다.
따라서 트랙터 변속기의 경우, 신뢰수준 90 %에서 3,000 시간 평균 수명(MTBF)은 수명 시험 5,877 시간을 부하 스펙트럼과 정격토크의 1.2배의 시험 토크로 시험 하는 경우의 가속 계수 23.3을 적용하여 252 시간의 가속 수명 시험함으로 보장되어 질 수 있다.
분석 결과 Weibull 분포의 형태 모수 값은 1.7이고, 척도 모수 값은 70이였다.

후속연구

본 연구에서 파라미터 추출을 위한 시험에 있어서 시험 시간과 시험 비용, 샘플 확보 등의 현실적인 문제가 크게 작용하여 샘플 사이즈가 다소 작은 점이 아쉬운 점이나, 가속 수명 시험 방법 정립에는 기여할 것으로 판단된다. 차후 샘플 사이즈를 확대 적용하여 보다 신뢰성 있는 시험 방법 확립이 필요할 것으로 사료된다.
본 연구에서 파라미터 추출을 위한 시험에 있어서 시험 시간과 시험 비용, 샘플 확보 등의 현실적인 문제가 크게 작용하여 샘플 사이즈가 다소 작은 점이 아쉬운 점이나, 가속 수명 시험 방법 정립에는 기여할 것으로 판단된다. 차후 샘플 사이즈를 확대 적용하여 보다 신뢰성 있는 시험 방법 확립이 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주행 위주가 아닌 작업을 위주로 하는 트랙터의 특성을 고려한 선행연구로는 어떤 것이 있는가?	트랙터의 경우 주행을 위주로 하는 자동차와 달리 작업을 위주로 하기 때문에 이에 대한 고려가 필요하다. Renius(1976)은 유럽 표준 트랙터 트랜스밋션 계측 자료를 토대로한 하중 및 주행 속도 스펙트럼을 작성하였다. 또한, Renius(1977)은 농업용 트랙터 부품 설계에 누적 손상 이론을 적용한 예를 설명하였으며, 부하 스펙트럼 획득과 평가, 임의 부하 피로 해석의 기초, 임의 부하 피로 계산 예를 로울러 베어링, 주물케이스, 스퍼어 기어 등을 통하여 제시하였다. 국내의 경우, Kim 등(1998a)과 Kim(1998)은 변속기 설계와 수명 시험에 적용하기 위하여, 국내 실정에 맞는 경운작업의 부하 스펙트럼을 개발하였으며, 유럽 부하스펙트럼과 비교하였다. 그래프 비교 결과 유럽의 트랙터의 부하 스펙트럼이 같은 빈도수에서 부하 크기가 더 크게 나타났다.
	대부분의 기계류 부품의 수명은 어떤 분포를 따르는 것으로 조사되었는가?	부품의 수명 시험 시간 계산을 위해서는 각 부품의 수명분포 형태를 알아야하는데, 대부분의 기계류 부품의 수명은 와이블(Weibull) 분포를 따르는 것으로 조사되었다. 와이블 분포는 형태 모수(β), 척도 모수(α) 값에 따라 다양한 분포를 표현할 수 있어 신뢰성 테이터 분석에 가장 널리 사용된다(KATS, 2003).
	트랙터 변속기에 대한 신뢰성을 확보를 위해 어떤 것이 요구되는가?	다양한 형태의 작업을 수행 하는 트랙터 변속기에 대한 신뢰성을 확보하기 위해서는 효율, 내환경, 수명시험 등 다양한 시험이 요구된다. 그중에서도 수명 시험은 실제 필드 조건을 그대로 반영하기 위해서는 장기간의 시험이 요구된다.

참고문헌 (11)

Bolla, G. A. 2002. Accelerated useful life testing and field correlation methods. SAE Technical Paper Series 2002-01-1175, SAE, Michigan, USA.
Jung, H. S. 2005. Reliability Test, Analysis and Verification. pp. 54-55. Yeongji Munwhasa, Seoul, Korea. (In Korean)
Kapur, K. C. and L. R. Lamberson. 1977. Reliability in Engineering Design. John Wiley & Sons Inc., New York, NY, USA.
KATS. 2003. Reliability Terms Handbook. pp. 43-101. Korean Agency for Technology and Standards, Seoul, Korea.
Kim, D. C. 1998. Analysis of Load Spectrum of Tractor Drive Line. Unpublished MS thesis. Seoul National University, Seoul, Korea. (In Korean)
Kim, D. C., K. U. Kim and J. W. Lee. 1998a. Development of a load spectrum of tractor transmission. Journal of the Korean Society for Agricultural Machinery 23(6):539-548. (In Korean).
Klyatis, L. M. 1999. Principles of trucks accelerated reliability testing. SAE Technical Paper Series 1999-01-1086, SAE, Michigan, USA.
Lechner, G. and H. Naunheimer. 1999. Automotive Transmissions. pp. 184-194. Springer, Verlag Berlin Heidelberg, Germany.
Lee, W, O. 2007. Research on the actual using condition of agricultural machine and agricultural mechanization rate. Department of Agricultural Engineering, Rural Development Administration, Suwon, Korea. (In Korean)
Renius, K. Th. 1976. Last- und fahrgeschwindigkeitskollektive als dimensionierungsgrundlagen fur die fahrgetriebe von ackerschleppern. fortschr.-ber. VDI-Z, Reihe 1, Nr.49. Dusseldorf, VDI-Verlag 1976
Renius, K. Th. 1977. Application of cumulative damage theory to agricultural tractor design elements. KONSTRUKTION 29(3):85-93

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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