초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과 및 활용계획

1. 트랙터 자동화 수동변속 시스템 개발 프로세스
농업인의 작업 편의성과 에너지 효율 증대에 따른 경제적 부담을 감소하기 위해 자동화 수동변속 시스템의 트랙터 적용 기술을 개발 방향으로 설정하였다. 트랙터 자동화 수동변속 시스템은 저비용·고효율의 요소 부품 설계, 실내시험장치를 통한 내구성 평가를 통한 자동화 수동변속기의 요소 부품의 개발과 자동화 수동변속기 시작품 개발 및 트랙터 적용, 자동화 수동변속 시스템의 성능 평가 및 실용화 연구의 과정으로 개발되었다. 인간공학 기반의 트랙터

Ⅳ. 연구개발결과 및 활용계획

1. 트랙터 자동화 수동변속 시스템 개발 프로세스
농업인의 작업 편의성과 에너지 효율 증대에 따른 경제적 부담을 감소하기 위해 자동화 수동변속 시스템의 트랙터 적용 기술을 개발 방향으로 설정하였다. 트랙터 자동화 수동변속 시스템은 저비용·고효율의 요소 부품 설계, 실내시험장치를 통한 내구성 평가를 통한 자동화 수동변속기의 요소 부품의 개발과 자동화 수동변속기 시작품 개발 및 트랙터 적용, 자동화 수동변속 시스템의 성능 평가 및 실용화 연구의 과정으로 개발되었다. 인간공학 기반의 트랙터 변속 레버는 변속레버의 최적 위치 시뮬레이션과 3D 디자인을 통한 설계를 수행하고 편의성 분석을 통해 시작품을 개발한 뒤 내구성 및 편의성의 성능평가와 실용화를 위한 상세 설계의 과정을 통해 개발되었다. 자동화 수동변속기의 고장진단 시스템 개발은 자동화 수동변속기의 고장진단을 위한 CAN 설계 및 개발, 고장진단 시스템의 알고리즘 개발 및 신호 분석을 통한 고장진단 시스템 개발, 고장진단 기준 작성 및 사용자 영역의 고장 조치 방법 제시를 통한 자동화 수동 변속기의 실용화를 위한 고장진단 기술 개발의 과정으로 수행되었다.

2. 고효율 자동화 수동변속기 요소부품 및 시스템 개발
자동화 수동변속기(Automated Manual Transmission, AMT)의 시작품 개발을 위해 개발 적용 대상 트랙터의 사양에 맞는 클러치 액추에이터, 전후진 액추에이터, 주변속 액추에이터, 부변속 액추에이터를 설계하고 개발하였다. 여기에 개발된 AMT 핵심요소인 액추에이터를 실내 시험장치를 이용하여 성능평가가 가능하도록 하였다. 실내 시험장치는 성균관대학교에 설치되었으며 농업용 트랙터의 파워트레인, 트랙터 엔진을 대신할 모터, 모터의 속도제어를 위한 3상 인버터, 전후진 및 클러치 액추에이터, 데이터 입출력 모듈로 구성되었다. 각 액추에이터의 제어는 액추에이터 내의 포텐시오미터와 모터의 회전수, 변속기 회전수를 측정하여 수행하였다.
성능평가가 수행된 액추에이터를 기반으로 자동화 수동변속 시스템에 적용될 파워트레인을 설계하고 구성요소를 개발하였다. 파워트레인의 전체적인 레이아웃은 기존 트랙터 내 파워트레인의 변경을 최소화하며 ADD-ON 방식으로 장착하는 것을 목적으로 하여 개발되었다. AMT 트랙터에 적용될 파워트레인의 성능평가는 개발된 실내시험장치를 이용하여 실시하였으며 목표 제어성능을 모두 만족하였다.
AMT 시스템의 핵심요소인 액추에이터의 구동을 위한 제어 알고리즘을 설계하고 이를 기반으로 시뮬레이션 프로그램을 개발하여 설계된 파워트레인의 제어성능을 측정하고 분석하였다. 또한 자동화수동변속기의 파워트레인 제어를 위해 TCU (transmission control unit) 시작품을 설계하고 개발하였으며, TCU 컨트롤러의 내환경성 평가는 과도전압시험, 과전압시험, 내수성 시험, 내진성 시험, 온도 시험, 통상전원전 시험을 통해 실시하였다.
자동화수동변속기의 실용화 및 제품화를 위해 클러치, 전후진, 주변속 및 부변속 액추에이터를 실제 트랙터에 각각 장착하였고 전체 통합 시스템을 구축하였다. 또한 변속 최적화를 위해 포장작업 시험을 이용하여 TCU의 제어 성능을 분석을 분석하고 TCU 회로에 대한 보완을 실시하였다. 자동화수동변속기의 핵심부품 및 전체 시스템에 대해 내구성 평가를 실시하였으며 트랙터 포장 작업의 효율 및 에너지 절감 효과를 동급마력대의 다른 트랙터 제품과 비교, 분석한 결과 상대적으로 작업 효율 및 에너지 절감 효과가 높게 나타났다.

3. 인간공학 기반의 트랙터 변속레버 개발
변속레버는 조작성, 시계성, 접근성의 인간공학기준에 따라 평가 후 최적 설계하였으며, 조작성 평가결과 ISO기준을 이용하였으며 시계성은 유효시야 영역 내에 들어가 시계가 확보되는 정도를 정량적으로 분석하였다. 또한 접근성은 인체의 불편도 함수를 이용하여 변속레버의 길이 및 위치에 대한 최적화 시뮬레이션을 수행을 통해 평가하였다.
인간공학적 변속레버 개발을 위해 기존 상용 자동변속 차량의 레버, AMT 차량의 레버, 타사 트랙터의 변속레버를 비교․분석 하였으며 자동화수동변속 시스템에 적합하도록 각 레버의 장점들을 취합하여 전후진, 주변속, 부변속이 포함된 통합레버 형태로 제작하였다. 개발 시 시작품에 대해 결정된 사양에 맞춰 인간공학적 디자인 설계를 수행하였으며 설계도면에 따라 하드 Mock-up을 제작하여 동작 구현과 미비한 부분에 대한 보완사항을 평가하였다. 변속레버의 검증을 위해 인간공학적 기준에 따라 평가를 실시하였으며 조작성 평가 결과 ISO기준을 모두 만족하였고 시계성 평가결과는 유도시야 영역 내로 기준치를 만족하였으며 평가점수가 기존에 비해 상당히 향상됨을 알 수 있었다. 변속레버의 실용화를 위해 트랙터에 장착하여 내구성 및 편의성을 평가하였으며 실제 트랙터 캐빈의 내부 공간 제약 및 기존 콘솔과의 상호 연관성을 고려하고, 고장으로 인한 정비 및 수리가 용이하도록 개발된 변속레버의 추가적인 설계 보완 및 최적 배치를 수행하였다.

4. 자동화 수동변속기 고장진단 알고리즘 및 시스템 개발
트랙터의 주요 고장진단 부위를 선정하여 각각에 적합한 고장진단 센서를 장착하였으며 신호 측정을 위한 I/O 인터페이스 및 FPGA (Field Programmable Gate Array)와 RT (Real Time) 모듈을 이용하여 자동화 수동변속기 파워트레인의 고장진단 시스템 및 실시간 고장진단이 가능한 고장진단 모니터링 프로그램을 개발하였다. 또한 트랙터 적용이 가능한 고장 진단기를 PC, 단말기의 두 가지 형태로 개발하였으며 이를 통해 안전사고 예방 및 고장 발생 후 조치가 용이하도록 하였다.
고장진단을 위한 신호처리 알고리즘 개발을 위해 이동평균 필터, 웨이블릿 필터, 칼만 필터, 적응 필터의 잡음제거 성능을 트랙터의 주행 속도에 따른 신호대잡음비를 비교하여 평가하였다. 신호처리 알고리즘 개발 후 파워트레인의 고장진단 알고리즘을 개발하였으며 이는 고장진단 항목을 선정하고 수동/자동 진단 항목으로 분류한 후 각각에 대해 고장 원인과 현상에 따른 진단 방법을 개발하였다. 개발된 고장진단 알고리즘을 고장진단 시스템 회로에 추가 적용하고 이를 이용하여 고장진단 항목의 신호를 측정하고 분석하였다.
AMT 파워트레인의 실용화를 위해 요소 부품인 클러치 액추에이터, 클러치 액추에이터 포텐시오미터, 전후진 액추에이터, 전후진 액추에이터 포텐시오미터, 전자 브레이크, 엔진 회전수 측정 센서, 변속기 회전수 측정 센서에 대한 고장진단 기준을 작성하고 포장실험 중 발생한 파워트레인의 고장의 원인을 분석하여 조치 방법을 제시하였다. 또한 계기판의 고장진단 표시창, 휴대용 고장진단기를 개발하여 사용자가 고장의 원인 파악 및 조치가 용이하도록 하였다.

(출처 : 요약문 6p)

Abstract ▼

A shuttle shifting actuator and a clutch actuator were used to shift transmission AMT of farm tractor. A shuttle shifting actuator and a clutch actuator were used to shift transmission gears. PID position control algorithm and simulation program were developed to control the actuators. The transmssi

A shuttle shifting actuator and a clutch actuator were used to shift transmission AMT of farm tractor. A shuttle shifting actuator and a clutch actuator were used to shift transmission gears. PID position control algorithm and simulation program were developed to control the actuators. The transmssion control algorithm was developed and experimental tests were conducted to evaluate the performance of the algorithms. PID position control algorithm and simulation program for a shuttle shifting actuator and a clutch actuator were developed. The initial PID gains were found by Zigler-Nichols open-loop method and the simulation program was used to select the optimal PID gains by analyzing response and stability of the system performance. The step response of the actuators were analyzed to evaluate the performance of the PID control algorithm and to validate the simulation program. Seven levels of the loads were applied to test the performance of the clutch actuator by considering the tractor operating conditions. The experimental data and the simulation results were compared. The results showed that the actuators were controlled properly at given conditions.
The experimental test-bed was constructed at Sungkyunkwan University for laboratory tests. The test-bed consisted of a power train of farm tractor, an electric motor instead of a tractor engine, a three-phase inverter to control the motor speed, the shuttle shifting and the clutch actuators, and I/O interface modules. The potentiometer signals of the actuators and the RPMs of the motor and the transmission axle were measured and used to control the actuators.
The transmission of the experimental test-bed was shifted in oder of neutral, forward, neutral, reverse, and neutral ranges to evaluate the control performance of the shuttle shifting actuator. Maximum overshoot, settling time, and steady-state error were analyzed to evaluate the control performance. The results showed that the shuttle shifting actuator was controlled properly to achieve the maximum overshoot of less than 5%, the settling time of less than 0.5 seconds, and the steady-state error of less than 1% at the all range levels. To evaluate the control performance of the clutch actuator, the clutch of the experimental test-bed was operated from disengaging position to engaging position at sixteen-speed levels, 4 levels of main shift lever and 4 levels of auxiliary shift lever. The settling time was considered divided into two stages from disengaging position to initial contact position and from initial contact position to clutch engaging position. The clutch actuator was controlled with the maximum overshoot of 0% and the steady-state error of less than 1% at the all speed levels. The settling time was slightly greater than 1.5 seconds at the second and the third main shift levels of the fourth auxiliary shift level.
The transmission of the experimental test-bed was shifted from neutral to forward range and from neutral to reverse range to evaluate the control performance of the shuttle shifting transmission. Total duration time was analyzed to evaluate the performance. The total duration time was sum of the clutch disengaging time, the shuttle shifting time, and the clutch engaging time when the ranges were changed. The tests were conducted at the second and the third auxiliary shift levels of all main shift levels by considering the field operation of farm tractor. The total duration times of all speed levels were less than 2.5 seconds and the speed of transmission axle was reached at the designed speed within 3 seconds. The results showed that the developed shuttle shifting transmission control algorithm could be useful for the automated manual transmission AMT of farm tractor.
The test of power requirements of tractor for field operation was conducted to evaluate endurance and operating efficiency of AMT powertrain. A power measurement system was developed and installed at the 38 kW AMT tractor. The strain-gages with telemetry system were used to measure torques of transmission input shaft and PTO input shaft. The engine tachometers were used to measure rotational speed of transmission input shaft and PTO input shaft. Strain-gages with slip ring were used to measure torques of driving axles, and encoders were used to measure rotational speeds of driving axles. The measurement system also included pressure sensors to measure pressure of hydraulic pumps, flow meter to measure fuel consumption, radar sensor to measure traveling speed of tractor, thermocouples to measure temperature (fuel, transmission oil, outdoor), an I/O interface to acquire the sensor signals, and an embedded system to determine power requirements. The power requirements of the tractor for plowing and rotary tillage operation were 35.4 and 48.5 kW, respectively. The results showed that rotary tillage required more tractor power among the operations. Fuel consumption ratios for plowing and rotary tillage operation were 0.59 and 0.40ℓ/h·kW, respectively.

(출처 : SUMMARY 14p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 3
• SUMMARY ... 14
• CONTENTS ... 17
• 목차 ... 18
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 19
• 제1절 연구개발 필요성 ... 19
• 1. 경제적·산업적 중요성 ... 19
• 2. 연구개발의 필요성 ... 23
• 제2절 연구개발 목표 및 범위 ... 26
• 1. 연구개발 목표 ... 26
• 2. 연구개발 범위 ... 27
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 28
• 제1절 국내 기술개발 현황 ... 28
• 제2절 국외 기술개발 현황 ... 29
• 제3절 국내외 특허 현황 ... 30
• 1. 특허 동향 ... 30
• 2. 특허 분석 내용 ... 31
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 33
• 제1절 트랙터 자동화 수동변속 시스템 개발 ... 33
• 1. 고성능 자동화 수동변속기의 요소 부품 설계 및 개발 ... 33
• 2. 고성능 자동화 수동변속기의 시작품 개발 및 트랙터 적용 ... 62
• 3. 자동화 수동변속 시스템의 성능 평가 및 실용화 연구 ... 118
• 제2절 인간공학 기반의 트랙터 변속레버 개발 ... 159
• 1. 인간공학 기반의 트랙터 변속레버 설계 ... 159
• 2. 인간공학 기반의 트랙터 변속레버 시작품 개발 ... 184
• 3. 트랙터 변속레버의 성능평가 및 실용화를 위한 상세 설계 ... 212
• 제3절 자동화 수동변속기의 고장진단 시스템 개발 ... 226
• 1. 자동화 수동변속기의 고장진단을 위한 CAN 설계 및 개발 ... 226
• 2. 자동화 수동변속기의 고장진단 시스템 개발 ... 252
• 3. 자동화 수동변속기의 실용화를 위한 고장진단 기술 개발 ... 282
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 304
• 제1절 연도별 연구목표 및 달성도 ... 304
• 제2절 관련분야 기여도 ... 307
• 1. 자동화수동변속 핵심부품 및 요소기술 ... 307
• 2. 인간공학적 레버 설계 ... 307
• 3. 변속제어 기술 ... 308
• 4. 고장진단 시스템 ... 308
• 5. 기대효과 ... 309
• 제5장 연구개발성과 및 성과활용 계획 ... 311
• 제1절 연구개발 성과 ... 311
• 1. 지적재산권 ... 311
• 2. 인력양성효과 ... 340
• 제2절 산업화 추진 및 기술확산 방안 ... 341
• 1. 판매실적 ... 342
• 2. 홍보 및 전시회 ... 347
• 3. 수상 내역 ... 348
• 제3절 지적재산권 확보 계획 ... 353
• 제4절 타분야 활용 및 추가연구 필요성 ... 355
• 1. 전자식 액추에이터의 활용 ... 355
• 2. 인간공학적 변속 레버 개발 기술 활용 ... 355
• 3. 변속 제어 기술의 활용 ... 356
• 4. 고장진단 시스템 개발 기술 활용 ... 356
• 5. 제품 개발 프로세스의 활용 ... 356
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 358
• 제1절 학술논문 ... 358
• 제2절 관련특허 ... 361
• 제7장 참고문헌 ... 364
• 끝페이지 ... 371