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문제 정의
- 본 연구에서는 계측형 트랙터를 구성하여 실제 필드에서 다양한 농작업 부하를 계측 및 분석하였다 . 계측된 부하를 적용한 시뮬레이션 모델을 통해 변속기 구성 부품의 강도 및 수명을 해석하였다.
- 본 연구에서는 실제 필드에서 부하를 계측하기 위한 계측형 트랙터를 구축하고 , 다양한 농작업( 쟁기 , 로터리 , 수확) 에 대한 부하를 계측 후 이를 분석하였다 . 이 결과를 변속기 시뮬레이션 모델에 적용하여 구성 부품의 강도 및 수명을 해석하였다.
제안 방법
- 3. 부하 데이터를 활용하여 주변속 3 단 , 부변속 2 단으로 구성된 트랙터 변속기의 강도 및 수명을 해석하였으며 , 요구조건을 만족시키는 설계 변경을 수행하였다
- . 계측된 부하를 적용한 시뮬레이션 모델을 통해 변속기 구성 부품의 강도 및 수명을 해석하였다. 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
- 7 kW 이며 , 크기는 3, 010(L) ⨯ 1, 390(W) ⨯ 2, 560(H) mm, 공차 중량은 1, 445 kg 의 4 륜 구동형 트랙터를 사용하였다 . 계측형 트랙터에서 엔진의 소요 동력은 토크와 회전수를 CAN 신호를 이용하여 측정하였으며 , 차축 동력은 구동축인 후차축에 스트레인게이지를 부착하여 계측한 토크와 후차축 휠 볼트 근처에 근접 센서를 설치하여 측정한 회전수를 이용하여 도출하였다. 작업속도는 트랙터 전방에 레이다 센서를 부착하여 측정하였다 .
- 작업속도는 트랙터 전방에 레이다 센서를 부착하여 측정하였다 . 또한 로터리와 수확 작업 시에는 트랙터의 동력취출축 (Power Take-Off, PTO) 에 토크 미터를 설치하여 작업기에서 소요되는 토크와 회전수를 측정하였으며 , 쟁기 작업 시에는 트랙터의 3 점 히치부에 육분력계를 장착하여 작업기에서 소요되는 견인력을 측정하였다 . 계측형 트랙터 및 부속 작업기의 상세 제원은 Table 1, 계측형 트랙터의 계측 장비 구성은 Fig.
- 설계 변경을 위하여 기존 베어링 ( 품번 6305) 과 유사한 제원을 가지며 , 정정격하중과 동정격하중이 기존 베어링보다 높은 베어링을 선정하였다 . 반복적인 해석을 통하여 B11과 B12 베어링은 품번 30205 로 변경하였으며 , 배면 조합으로 구성하였다 . 설계변경 후의 해석 결과는 Table 5 에 나타나 있으며 , 부변속축 S5 와 연결된 베어링 B10, B11, B12 의수명 변화가 크게 나타났다 .
- 이를 통해 도출된 해석 조건은 Table 2 에 나타내었다 . 변속기의 후진 (R) 조건에서의 부하는 작업 시 ( 전진 조건 ) 의 부하에 비해 상대적으로 작고 , 사용 빈도도 낮으므로 본 해석 시에는 후진 조건은 고려하지 않고 전진 조건만을 기준으로 설계 요구 수명 B10 3500 시간을 만족하는지 확인하였다.
- 기어 , 베어링과 같은 회전수에 영향을 받는 부품은 하중 , 회전수 , 시간 데이터를 이용하여 설계하며 , 하중 지속 분포 (Load Duration Distribution) 방법을 사용하여 부하 데이터를 도출한다 [9, 10]. 본 연구에서는 변속기 구성 부품 중 기어 , 베어링 등을 해석하기 위한 목적이므로 하중 지속 분포 방법을 활용하여 부하 분석을 수행하였다 . 쟁기 , 로터리 , 수확 작업에 대한 부하 분석 시사용 한 수식은 아래와 같다.
- 베어링 B11 의 피로 수명은 변속기의 설계 수명인 3, 500 시간보다 작은 것으로 나타나 설계 변경이 요구된다. 설계 변경을 위하여 기존 베어링 ( 품번 6305) 과 유사한 제원을 가지며 , 정정격하중과 동정격하중이 기존 베어링보다 높은 베어링을 선정하였다 . 반복적인 해석을 통하여 B11과 B12 베어링은 품번 30205 로 변경하였으며 , 배면 조합으로 구성하였다 .
- 5 는 변속기 시뮬레이션 모델로 기어 , 축 , 베어링 및 변속 단수 변화에 따른 동력 흐름의 변화를 반영하기 위하여 가상의 클러치를 고려하여 모형화하였다 변. 속기의 설계 요구 수명은 B10 3500 시간 , 기어 재질은 SCM420, SCM 822H 를 고려하였으며 , 오일의 점도 지수는 ISO VG-150, 기어 정밀도 등급은 ISO 1328 기준으로 9 급을 적용하였다 . Fig.
- . 이 결과를 변속기 시뮬레이션 모델에 적용하여 구성 부품의 강도 및 수명을 해석하였다.
- 포장에서 수행하였다 . 작업 조건은 현지 농민이 쟁기 , 로터리 , 수확 작업 시 주로 사용하는 변속 단수와 PTO 단수를 고려하여 선정하였다 . 쟁기 작업은 변속 단수 L4, M1, M2, M3 조건에서 , 로터리 작업은 변속 단수 L4, M1 에서는 PTO 단수 1, 2, 3 으로 하고 변속 단수 M2 에서는 PTO 단수 1, 2 로 하였으며 , 수확 작업은 변속 단수 M1, M2 에서 PTO 단수 1, 2 로 설정하여 시험을 수행하였다 .
- 작업 조건은 현지 농민이 쟁기 , 로터리 , 수확 작업 시 주로 사용하는 변속 단수와 PTO 단수를 고려하여 선정하였다 . 쟁기 작업은 변속 단수 L4, M1, M2, M3 조건에서 , 로터리 작업은 변속 단수 L4, M1 에서는 PTO 단수 1, 2, 3 으로 하고 변속 단수 M2 에서는 PTO 단수 1, 2 로 하였으며 , 수확 작업은 변속 단수 M1, M2 에서 PTO 단수 1, 2 로 설정하여 시험을 수행하였다 . Fig.
- . 즉 , 유성캐리어 , 하우징과 같은 구조물은 하중 , 사이클 , 진폭 데이터를 이용하여 설계하며 , 레인플로우 카운팅 방법을 사용하여 부하 데이터를 도출한다 . 기어 , 베어링과 같은 회전수에 영향을 받는 부품은 하중 , 회전수 , 시간 데이터를 이용하여 설계하며 , 하중 지속 분포 (Load Duration Distribution) 방법을 사용하여 부하 데이터를 도출한다 [9, 10].
- 필드 부하 분석 결과와 해석대상 트랙터 엔진의 성능 곡선 데이터를 활용하여 변속기 각 단별 설계하중을 산출하였으며 , 문헌 조사를 통해 조사된 작업별 사용빈도와 속도별 사용빈도 자료를 활용하여 단수별 사용 빈도( 시간) 를 도출하였다 [12] . 이를 통해 도출된 해석 조건은 Table 2 에 나타내었다 .
대상 데이터
- 계측형 트랙터는 정격 출력 23.7 kW 이며 , 크기는 3, 010(L) ⨯ 1, 390(W) ⨯ 2, 560(H) mm, 공차 중량은 1, 445 kg 의 4 륜 구동형 트랙터를 사용하였다 . 계측형 트랙터에서 엔진의 소요 동력은 토크와 회전수를 CAN 신호를 이용하여 측정하였으며 , 차축 동력은 구동축인 후차축에 스트레인게이지를 부착하여 계측한 토크와 후차축 휠 볼트 근처에 근접 센서를 설치하여 측정한 회전수를 이용하여 도출하였다.
- 필드 부하 계측은 강원도 춘천시 서면 신매리의 감자재배 포장에서 수행하였다 . 작업 조건은 현지 농민이 쟁기 , 로터리 , 수확 작업 시 주로 사용하는 변속 단수와 PTO 단수를 고려하여 선정하였다 .
- 해석대상 트랙터 변속기는 주변속 3 단 , 부변속 2 단 , 전/ 후진 변속단으로 구성되어 있다. Fig.
이론/모형
- 변속기 구성 부품의 해석은 관련 규격을 활용하여 스퍼 기어와 헬리컬 기어는 ISO 6336 의 Method B, 베벨 기어는 ISO 10300 의 Method B, 축은 DIN 743, 베어링은 ISO/TS 16281에 따라 강도 및 수명해석을 수행하였다[10, 13-15].
성능/효과
- 1. 농작업 부하의 크기는 로터리 , 쟁기 , 수확 작업 순으로 나타났으며 , 변속 단수 및 PTO 단수가 증가함에 따라 엔진 부하율이 증가하는 경향성을 보였다.
- 2. 엔진동력 대비 각 농작업의 부하율은 쟁기 작업의 경우 최소 42.6%, 최대 87.2%, 로터리 작업의 경우 최소 75.1%, 최대 97%, 수확 작업의 경우 최소 26.5%, 최대 59.2% 로 나타났다 .
- 설계변경 후의 해석 결과는 Table 5 에 나타나 있으며 , 부변속축 S5 와 연결된 베어링 B10, B11, B12 의수명 변화가 크게 나타났다 . 설계 변경 후의 수명은 B10 은 274, 202 시간 , B11은 1,000, 000 시간 , B12 는 11, 470 시간으로 나타났으며 , 최소 수명은 축 S6 의 베어링 B13 에서 3, 625 시간으로 나타났다 . 최소 수명이 3500 시간을 초과하므로 설계 요구조건을 만족시킨다.
- 이는 엔진에서 변속기로 전달되는 토크와 PTO 토크는 유사한 경향성을 보이나 , PTO 단수가 증가함에 따라 PTO 축의 회전수가 증가하여 엔진과 PTO 소요동력이 증가하는 것으로 판단된다 . 소요 동력 측면에서 로터리 작업의 소요 동력이 가장 컸으며 다음으로는 쟁기 , 수확 작업 순으로 나타났다 . 엔진동력 대비 각 농작업의 부하율은 쟁기 작업의 경우 최소 42.
- 소요 동력 측면에서 로터리 작업의 소요 동력이 가장 컸으며 다음으로는 쟁기 , 수확 작업 순으로 나타났다 . 엔진동력 대비 각 농작업의 부하율은 쟁기 작업의 경우 최소 42.6%, 최대 87.2%, 로터리 작업의 경우 최소 75.1%, 최대 97%, 수확 작업의 경우 최소 26.5%, 최대 59.2% 로 나타났다 .
- 4 는 농작업에 따른 부하 분석 결과이다 . 쟁기 작업은 변속 단수가 증가함에 따라 엔진의 출력 , 후차축의 출력이 증가하는 경향성을 보이며 , 견인력은 변속 단수 M3 를 제외하고 변속 단수가 증가함에 따라 견인력이 소폭 감소하는 경향성을 보였다 . 이는 변속 단수가 증가함에 따라 주행 속도가 증가하여 엔진과 후차축의 소요동력이 증가하며 , 속도에 따른 바퀴의 슬립도 증가하여 운동 저항이 커져서 견인력은 감소되는 것으로 판단된다.
- 로. 터리 작업과 수확 작업은 변속 단수와 PTO 단수가 증가함에 따라 엔진 출력 , PTO 출력이 증가하는 경향성을 나타내었다 . 이는 엔진에서 변속기로 전달되는 토크와 PTO 토크는 유사한 경향성을 보이나 , PTO 단수가 증가함에 따라 PTO 축의 회전수가 증가하여 엔진과 PTO 소요동력이 증가하는 것으로 판단된다 .
후속연구
- 4. 계측된 부하를 활용하여 변속기를 해석함으로써보다 신뢰성 있는 변속기 개발이 가능할 것으로 판단되며 , 향후 실부하 데이터 축적을 통해 변속기 설계 , 성능 및 내구 시험 시의 기초 자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 또한 베어링의 피로 수명은 부변속축 S5에 위치한 B11에서 최소였으며 , 크기는 1, 758 시간이다 . 기어의 면압강도에 대한 최소 안전 계수가 1.0 보다 작으나 실 하중 조건을 고려하였으며 , 시스템에 따라서는 설계 기준 안전 계수가 0.6 인 경우도 있으므로 [16] 향후 시험을 통한 검증이 필요할 것으로 판단된다. .
- 향후 설계 변경된 모델을 제작하여 피로시험을 통해 내구성을 확인할 예정이다.
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