초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과 및 활용에 대한 건의
1. 연구결과
가. 시작기 설계
1) 개발방향 설정을 통한 시스템 설계
트랙터용 전동식 조향 제어시스템은 조향 휠을 조작했을 때, 조향 입력에 따른 전압 신호를 발생시키는 조향 센서에서 조작력을 검출하여 제어장치에 의해 모터의 전류를 제어하여 적절한 보조 동력을 발생시키도록 설계하였다. 그리고 기존의 특허 회피 및 저가형 개발을 고려하여 조향 센서는 워엄 기어 방식으로 한 포텐쇼미터로 구성하였으며, 트랙터 조향 기구부의 동력 전달 구조에서 기존 트랙터 기구부의 링크에서 피

Ⅳ. 연구개발결과 및 활용에 대한 건의
1. 연구결과
가. 시작기 설계
1) 개발방향 설정을 통한 시스템 설계
트랙터용 전동식 조향 제어시스템은 조향 휠을 조작했을 때, 조향 입력에 따른 전압 신호를 발생시키는 조향 센서에서 조작력을 검출하여 제어장치에 의해 모터의 전류를 제어하여 적절한 보조 동력을 발생시키도록 설계하였다. 그리고 기존의 특허 회피 및 저가형 개발을 고려하여 조향 센서는 워엄 기어 방식으로 한 포텐쇼미터로 구성하였으며, 트랙터 조향 기구부의 동력 전달 구조에서 기존 트랙터 기구부의 링크에서 피트암 하단 구조는 변경하지 않았다.
2) 모터 선정 및 실험을 통한 방향 설정 및 설계
모터의 선정은 이론적 예측모델의 수식에 의해 결정된 사양을 바탕으로 결정하였다. 그러나 선정 단계에서 많은 어려움이 발생하였지만 원하는 사양과 비슷한 모터를 구입하고, 실험 장치를 구성하여 원하는 모터를 결정할 수가 있었다.
나. 요소 설계, 개발 및 실험
1) 실험 장치 구성 및 제작
조향 장치의 모터의 선정을 위한 성능실험 장치를 제작하고 시스템에 적용여부를 조기에 파악하기 위하여 실내 실험 장치를 구성하였다. 실험장비는 크게 계측장비, 조향 조립체 및 모형장치로 구성되어 있다. 그리고 실험 장치는 트랙터와 동일한 모형으로 제작하였다.
2) 제어시스템의 설계 및 제작
조향 휠을 포함하는 조작부, 트랙터 밧데리, 정전압 전원부, 모터구동회로, 마이콤, 입출력 보드, 전류/전압감지회로가 포함된 전자제어부로 이루어진 제어부와, 제어부의 조작부와 연결되고 상기 조작부의 조타 입력에 따른 조작력을 검출하기 위한 포텐쇼미터가 설치된 검출부와, 전자제어부의 모터구동회로와 연결된 모터부 및 모터부와 연결된 기구부가 포함되어 구성된 제어시스템으로 이루어져 있다.
3) 전자제어부 설계 및 제작
전자제어부는 운전자의 동작에 의한 센서로부터의 신호를 입력 포트(A/D보드)를 통해 읽어 들여 각종 연산처리를 수행한다. 그리고 프로그램으로 구성된 알고리즘으로 원하는 만큼 모터 드라이버에 신호를 주어서 좌, 우 조향이 되도록 작동한다. 드라이버 회로는 FET 소자를 4개로 구성하여 모터를 전진, 후진이 가능하도록 구성하였다.
다. 실내 조향력 측정 장치 구성 및 요인 분석
1) 조향력 실내실험 장치 구성
조향력 측정장치는 국내 D사의 22마력 트랙터의 조향기구부를 이용하여 인공토조시스템용 단일 타이어 조향력 측정 장치로 개량 설계, 제작하였다. 단일 타이어 조향력 측정장치는 인공토조시스템의 측정대차에 장착된 차륜 프레임에 부착되고, 조향력 측정장치가 부착된 차륜프레임은 웜기어와 미끄럼 베어링에 의해 좌․우 및 상․하 방향으로 자유롭게 이동할 수 있다.
그리고 단일 타이어 조향력 측정 장치의 구동은 측정대차에 장착된 1.5 kW 용량의 유압 모터에 의해 컬럼축(핸들축)에 회전토크가 전달되고, 컬럼축의 회전토크는 18.3:1의 기어비를 갖는 볼스크류 타입의 감속기어를 통해 감속되어 피트만암에 회전토크를 전달한다. 피트만 암의 회전토크는 푸시바를 통해 직선운동으로 변환되어 푸시바에 압축력(좌조향시) 또는 인장력(우조향시)을 전달한다. 푸시바의 압축력(인장력)은 푸시바의 끝 단에 핀으로 연결된 트랙암에 회전토크를 전달하며, 킹핀축을 중심으로 한 트랙암의 회전토크는 타이어를 킹핀축에 대해 좌회전(우회전)시켜 타이어를 좌조향(우조향)하게 된다. 조향력 측정 장치의 주요 측정 요소는 컬럼축 토크(핸들 토크), 컬럼축 회전각, 푸시바의 압축 및 인장력, 킹핀축 조향 각 등이다.
2) 토양특성을 고려한 조향력 요인별 분석
타이어의 축하중의 증가는 실험이 수행된 모든 토양조건에서 타이어의 조향력을 증가시키는 것으로 나타났다. 조향력은 모든 축하중과 공기압 조건에서 off-road의 경우가 on-road에 비해 크게 나타났다. 또한 토양상태에 따른 조향력의 크기는 축하중이 1470 N일 경우에는 Ground-Ⅰ에서 가장 크게 나타났지만, 축하중이 2940 N으로 증가했을 경우에는 Ground-Ⅲ에서 조향력이 가장 크게 나타났다. 즉, off-road에서 토양조건에 따른 조향력은 본 실험에 설정된 인자들의 범위 내에서 축하중이 작을 경우에는 연약한 토양에서 조향력이 크게 나타나지만, 축하중이 일정수준 이상으로 증가했을 경우에는 단단한 토양에서 더 큰 조향력이 필요한 것으로 나타났다. 그리고 타이어공기압의 변화에 따른 조향력은 on-road에서는 공기압이 낮을수록 증가하였지만 off-road에서는 명확한 경향이 없었다.
라. 시작기 제작 및 실내외 실험
1) 제어 소프트웨어 개발
트랙터에 전원이 들어가면 마이크로 컴퓨터는 초기화 작업을 수행한 후 시스템의 이상 유무를 점검한다. 그리고 검출부에서 방향과 속도를 감지하여 모터가 원하는 속도만큼 계산하여 모터의 회전수를 제어하는 동시에 방향의 좌, 우도 감지하여 운전자가 원하는 만큼의 제어가 되도록 수행한다.
2) 시작기 설계 및 제작
시작기의 제어시스템은 조향휠의 방향을 감지하는 좌, 우 방향 감지 센서가 마이콤에 신호를 보내고, 상기 마이콤에서 위치와 속도를 계산하여 모터를 좌측 및 우측으로 작동시킨다. 이러한 모터의 보조 작동으로 조향휠을 원활하게 작동하도록 하였다. 그리고 시작기 제작을 위한 기본 제품은 국내 D사의 L2202-4WD 모델을 사용하였다.
3) 시작기의 실내외 시험
off-road에서는 조향휠의 토션바에서 작용하는 힘은 최저속에서 최고 약 16.5 N·m 나타났으며 최고속에서는 약 8.5 N·m으로 나타났다. 따라서 모터의 보조동력을 고려한다면 충분히 사람이 돌릴 수 있는 결과를 알 수가 있다. 이 때 사람이 돌릴 수 있는 최대 토크는 7.5 N·m이고, 보조동력이 없는 상태의 최대 토크는 16.5 Nㆍm이고, 보조동력은 약 9 N·m이다.
on-road에서는 정지 상태에서 최고 푸시바 힘은 약 165 kg으로 나타났다. 왼쪽과 오른쪽 조향에서 속도별 힘 분포는 비슷한 경향을 보였다.
마. 조향력 예측 모델 평가
1) 국내 주요 토양의 물리적 특성 측정 및 분석
우리나라의 주요 논 및 밭토양인 여주, 평택, 충주, 당진, 수원 지역 등에서 토양의 물리적 특성을 측정하였다. 토양의 물리적 특성은 토양의 점착력, 내부마찰각, 부착력, 토양 금속 마찰각과 토양의 압력-침하 변수 등을 측정하였으며, 그 외에 토성과 토양의 수분 함량 등을 측정하였다. 그리고 측정 결과, 전체 21개 측정지역의 토성은 양토(L)가 9곳, 사질양토(SL)가 7곳, 미사질양토(SiL)가 3곳, 미사질식양토(SiCL)가 1곳으로 조사지역의 대부분의 토양은 양토 계통이었다. 또한 수분함량은 주로 14∼38% 범위로 나타났다. 한편, 조향력에 직접적으로 영향을 미치는 인자인 토양의 점착력과 내부마찰각은 각각 1.8∼9.4 kPa 범위와 29∼42° 범위로서 넓은 범위에 걸쳐 다양하게 나타났고, 또한 토양의 압력-침하 특성변수인 지역별로 넓은 분포를 나타내었다. 이러한 결과로부터 트랙터의 조향력은 지역별, 토양별로 다르게 나타날 것으로 판단되므로 조향력 예측모델은 토양특성을 고려하여 개발해야 하는 것으로 나타났다.
2) 조향력 예측 모델 개발
트랙터의 조향력은 조향시 핸들에서부터 타이어까지 전달되는 조향기구부의 특성과 조향시 발생하는 타이어의 회전저항에 영향을 받으며 타이어의 회전에 요구되는 힘은 주로 타이어와 노면간의 마찰력에 크게 영향을 받는다. 그러나 타이어와 노면간의 마찰력은 도로조건(on-road)과 비도로조건(off-road)에서 각각 다르게 나타나며, 특히 비도로조건에서는 동일한 차량 조건에 대해서도 토양상태에 따라 타이어의 침하량이 다르고, 타이어-토양간의 접지면적도 다르게 나타난다. 따라서 비도로조건에서는 토양상태에 따라 타이어-토양간의 마찰력이 다르게 되어 동일한 트랙터 제원에 대해서도 토양상태에 따라 조향력이 다르게 나타난다. 즉, 비도로조건에서의 조향력은 트랙터의 조향기구부의 특성뿐만 아니라 트랙터가 운용되는 토양타이어-토양간의 역학적 상호관계에 크게 영향을 받는다.
따라서 본 연구에서는 트랙터의 조향기구부의 특성뿐만 아니라 트랙터가 운용되는 토양특성을 고려하여 조향력 예측 모델을 개발하였다. 해석에 고려된 조향기구부의 변수로는 타이어의 축하중, 타이어의 직경과 폭, 피트만암의 길이, 킹핀축과 타이어 중심축간의 거리, 트랙암의 길이 등이고, 토양변수로는 토양의 전단응력 및 압력-침하 특성 등이다. 따라서 본 연구에서 개발된 조향력 예측 모델은 다양한 토양조건에서 조향기구부의 특성에 따른 조향력을 예측할 수 있다.
3) 조향력 예측 모델 시뮬레이션 프로그램 개발
개발한 조향력 예측 모델을 이용하여 트랙터가 운용되는 노면상태의 특성을 나타내는 토양변수들과 트랙터 조향시스템의 제원을 입력변수로 하여 조향력을 예측할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 시뮬레이션 프로그램은 토양변수와 조향장치의 기구부 설계변수에 대한 입력 자료로부터 조향 타이어의 침하량, 푸시바에 작용하는 힘, 핸들 토크등을 조향각의 함수로서 예측할 수 있다.
4) 조향력 측정 및 예측모델 검증
본 연구에서 개발된 조향력 예측 모델은 타이어의 침하가 크게 발생하는 연약한 노면에서는 조향력을 잘 예측할 수 있는 것으로 나타났으나 상대적으로 노면이 단단한 지역에서는 예측치의 신뢰성이 떨어지는 것으로 나타났다. 그러나 실제의 경우에 있어, 트랙터는 일반적으로 노면이 연약한 지역에서 운용되기 때문에 본 연구에서 개발한 조향력 예측 모델은 트랙터의 조향력을 예측하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
2. 활용에 관한 건의
본 연구에서는 트랙터의 조향을 원활하게 하기 위한 전동식 보조동력을 이용한 트랙터용 조향시스템을 개발하였다.
개발된 조향시스템은 성능시험에서 100%의 원하는 결과는 나오지 않았지만, 완전 적용이 가능한 시스템으로서의 시작기는 개발되었다. 그러므로 각 요소 부품에 대한 생산성 및 신뢰성 문제를 조속한 시일내에 마무리 하여 상품화가 재빠르게 이루어지도록 할 예정이다.
또한 원가에서도 경쟁력을 충분히 확보되었다고 판단되므로 수출 경쟁력도 상당히 높은 것으로 판단된다.

Abstract ▼

The purpose of the electronic power steering control system project was the design and construction of the control software and hardware. It was engineered cost and new trend system of electronic power steering control system for tractor.
A control algorithm and a prediction model of steering for

The purpose of the electronic power steering control system project was the design and construction of the control software and hardware. It was engineered cost and new trend system of electronic power steering control system for tractor.
A control algorithm and a prediction model of steering force for the electronic power steering control system for tractor is developed and analyzed. In order to realize test for a tractor, indoor tester and prototype is also designed and developed.
For the verification of the control algorithm, a tester is constructed to indoor and outdoor. The basic driving algorithm which operates according to the steering direction and position is calculated.
A prediction model is developed that a series of soil bin experiment was carried to investigate the effects of tire inflation pressure and axle load on the tire steering torque for the off-road condition. Soil was processed using the soil processing carriage and three levels of ground conditions(soft, hard, very hard) was acquired. Experiment was performed for the three levels of soil conditions and on-road conditions, and four levels of tire inflation pressure with the value of 120kPa, 170kPa, 220kPa and 270kPa and four levels of axle load with the value of 1470 N, 1960 N, 2450 N, 2940 N.
The results are summarized as follows. 1)Steering torque on the off-road conditions were higher than that on he on-road conditions for all levels of tire inflation pressure and axle load. 2) As the axle load increased, steering torque also increased for the all experimental soil conditions. 3) For the 1470 N of axle load, the biggest steering torque was measured on the ground Ⅰ, but as the axle load increased to the value of 300kgf, the biggest steering torque was measured on the ground Ⅲ. From the above results, it was found that for the low axle load, steering torque gets higher on the soft soil condition, but for the high axle load, steering torque gets higher on hard soil conditions for whole range of experimental condition. 4) As the tire inflation pressure decreased, steering torque increased on on-road conditions, but no specific trends was not found on the off-road conditions.
For the further research, the product ability and reliability of steering system is assured to a control hardware and software. And, a large size tractor, planter, excavator etc should be developed to apply the electronic power steering control system.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 3
• SUMMARY ... 10
• CONTENTS ... 12
• 목차 ... 14
• 제1장 서 론 ... 16
• 제1절 연구배경 ... 16
• 제2절 연구목적 ... 16
• 제2장 국내외 기술개발 현황 및 원가 분석 ... 17
• 제1절 기술개발 조사 목적 ... 17
• 제2절 기술개발 동향 ... 17
• 제3절 기술개발 조사 및 분석 ... 18
• 제4절 원가 분석 ... 32
• 제3장 실내 조향력 측정 장치 구성 및 요인 분석 ... 34
• 제1절 실내 조향력 측정 장치의 구성 ... 34
• 제2절 조향력 실험 ... 45
• 제3절 조향력 실험 결과 및 분석 ... 49
• 제4장 토양 특성을 고려한 조향력 예측 모델 개발 ... 62
• 제1절 조향력 예측 모델 개발의 필요성 ... 62
• 제2절 국내 주요 토양의 물리적 특성 측정 및 분석 ... 64
• 제3절 조향력 예측 모델 개발 ... 66
• 제4절 조향력 예측 시뮬레이션 프로그램 개발 ... 75
• 제5절 조향력 예측 모델의 검증 ... 77
• 제5장 시작기 시스템 및 요소 설계와 제작 ... 81
• 제1절 개발방향 설정 및 시스템 설계 ... 81
• 제2절 실내 실험장치 구성 및 모터 선정 ... 82
• 제3절 요소 설계 및 제작 ... 85
• 제4절 시작기 구성 및 제작 ... 93
• 제6장 트랙터 성능 시험 ... 96
• 제1절 성능시험 장치 ... 96
• 제2절 성능시험 방법 및 결과 ... 97
• 제7장 결론 ... 101
• 제8장 참고문헌 ... 104
• 끝페이지 ... 107