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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.19 No.11 pp.42-48
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2020.19.11.042

Analysis of Agricultural Tractor Transmission using Actual Farm Workload

Jeong-Gil Kim*, Jin-Sun Park*, Kyu-Jeong Choi*, Dong-Keun Lee*, Min-Seok Shin**, Joo-Young Oh**, Ju-Seok Nam***#
*Smart Agricultural Machinery R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology
**Safety System R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology
***Department of Biosystems Engineering, Kangwon National University
#Corresponding Author : njsg1218@kangwon.ac.kr Tel: +82-33-250-6497, Fax: +82-33-259-5561
27/05/2020 09/06/2020 10/06/2020

Abstract


The agricultural tractor is a multi-purpose vehicle, which is frequently used in the agricultural field. It must be highly reliable in terms of human safety. Design and analysis of agricultural tractors must be performed using actual agricultural workload to maintain high reliability. Additionally, the frequency with which various components and systems are used must also be taken into consideration. In this study, a tractor is built to measure its workload in the actual field. Further, the measured load was analyzed for various farming tasks. The range of ratios of consumed power to engine power was measured to be 42.6%– 87.2%, 75.1%–97%, 26.5%–59.2% for a plow, rotary, and harvest tasks, respectively. The results were fed into a transmission simulation model to analyze the strength and life of the transmission components. We conclude that a more reliable product can be constructed by incorporating the transmission analyses using the actual load.



실부하 적용을 통한 농용 트랙터 변속기 해석

김 정길*, 박 진선*, 최 규정*, 이 동근*, 신 민석**, 오 주영**, 남 주석***#
*한국생산기술연구원 지능형농기계연구그룹
**한국생산기술연구원 안전시스템연구그룹
***강원대학교 바이오시스템기계공학전공

초록


    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs
    716001-7
    319041-03

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    농용 트랙터는 작업기를 장착하고 주행하면서 농 작업을 수행하는 다목적 차량으로 농업 분야에서는 사용 빈도가 높으며, 수행하는 농작업의 특성상 고 신뢰성이 요구된다. 높은 신뢰성 조건을 만족시키 기 위해서는 부품과 시스템의 설계 단계에서부터 실제 농작업 부하 및 사용빈도를 고려해야 한다. 그러나 실제 농작업 부하 및 사용빈도를 도출하기 위해서는 많은 시간과 비용이 소요되므로 기존 설 계 단계에서는 이를 충실하게 반영해 주지 못하고 있는 실정이다.

    Gerlach (1966)는 다양한 농작업 상태에서 변속기 입력축의 속도와 토크를 측정하여 농작업별 변속기 에 전달되는 엔진의 토크 특성을 확인하였다[1]. Lee 등 (2014)은 개발품의 설계, 내구 시험 수행을 위한 부하 스펙트럼을 도출하기 위하여 계측형 트랙터를 구축하고 쟁기 작업 시의 부하를 측정하였다[2]. Kim 등 (1998)은 농작업 시의 작업 조건을 변화시 켜 변속기 입력축이 받는 부분 손상합을 구하고 주 요 농작업의 상대 가혹도를 도출하였다[3]. Kim과 park (2012)은 전기트랙터용 변속기 설계를 위하여 다양한 농작업 부하를 계측하였으며, 이를 바탕으 로 기존 주변속부와 부변속부로 분리된 총 6단 변 속기를 2단 변속기로 설계 변경이 가능함을 보였다 [4].

    Park 등 (2012)은 시뮬레이션 모델을 활용하여 유 성기어트레인에서 캐리어 지지 구조 변화 및 유연 핀 적용에 따른 유성기어열의 수명 변화를 확인하 였다[5]. Kim 등 (2014)Park 등 (2014)은 감속기 시뮬레이션 모델을 활용하여 출력축 베어링의 종류 및 예압량 변화에 따른 베어링의 수명 변화를 확인 하였다[6, 7]. Cho 등 (2015)은 감속기 시뮬레이션 모 델을 활용하여 유성기어트레인의 유성핀에 작용하 는 하중을 계산하고, 이 하중을 활용하여 유성캐리 어의 수명을 예측하였다[8].

    선행 연구에서는 필드 부하를 계측하기 위한 계 측형 트랙터 구성, 다양한 농작업 조건에서의 부하 계측 및 분석 등을 수행하였으며, 기어박스의 시뮬 레이션 모델을 활용하여 지지 구조 변화에 따른 수 명 변화를 연구하였다[1-8]. 그러나 이러한 연구들에 서는 필드에서 계측된 부하를 활용하여 기어박스의 설계, 해석에 직접 적용한 사례는 거의 없었다.

    본 연구에서는 실제 필드에서 부하를 계측하기 위한 계측형 트랙터를 구축하고, 다양한 농작업(쟁 기, 로터리, 수확)에 대한 부하를 계측 후 이를 분 석하였다. 이 결과를 변속기 시뮬레이션 모델에 적 용하여 구성 부품의 강도 및 수명을 해석하였다.

    2. 필드 부하 계측 및 분석

    2.1 계측형 트랙터 구성

    계측형 트랙터는 정격 출력 23.7 kW이며, 크기는 3,010(L)⨯1,390(W)⨯2,560(H) mm, 공차 중량은 1,445 kg의 4륜 구동형 트랙터를 사용하였다. 계측 형 트랙터에서 엔진의 소요 동력은 토크와 회전수 를 CAN 신호를 이용하여 측정하였으며, 차축동력 은 구동축인 후차축에 스트레인게이지를 부착하여 계측한 토크와 후차축 휠 볼트 근처에 근접센서를 설치하여 측정한 회전수를 이용하여 도출하였다. 작업속도는 트랙터 전방에 레이다 센서를 부착하여 측정하였다. 또한 로터리와 수확 작업 시에는 트랙 터의 동력취출축 (Power Take-Off, PTO)에 토크미터 를 설치하여 작업기에서 소요되는 토크와 회전수를 측정하였으며, 쟁기 작업 시에는 트랙터의 3점 히 치부에 육분력계를 장착하여 작업기에서 소요되는 견인력을 측정하였다. 계측형 트랙터 및 부속 작업 기의 상세 제원은 Table 1, 계측형 트랙터의 계측장 비 구성은 Fig. 1에 나타내었다.

    2.2 농작업 부하 계측 및 분석

    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. 쟁 기 작업은 변속 단수 L4, M1, M2, M3 조건에서, 로터리 작업은 변속 단수 L4, M1에서는 PTO 단수 1, 2, 3으로 하고 변속 단수 M2에서는 PTO 단수 1, 2로 하였으며, 수확 작업은 변속 단수 M1, M2에서 PTO 단수 1, 2로 설정하여 시험을 수행하였다. Fig. 2는 필드 부하 계측 시의 실제 쟁기, 로터리, 수확 작업 모습을 보여주며, Fig. 3은 로터리 작업 시 변 속 단수 M1, PTO 단수 1에서의 엔진 토크 부하 측 정 결과 그래프이다.

    필드 부하 분석은 대상 부품에 따라 분석 방법이 다르다. 즉, 유성캐리어, 하우징과 같은 구조물은 하중, 사이클, 진폭 데이터를 이용하여 설계하며, 레인플로우 카운팅 방법을 사용하여 부하 데이터를 도출한다. 기어, 베어링과 같은 회전수에 영향을 받 는 부품은 하중, 회전수, 시간 데이터를 이용하여 설계하며, 하중 지속 분포(Load Duration Distribution) 방법을 사용하여 부하 데이터를 도출한 다[9, 10]. 본 연구에서는 변속기 구성 부품 중 기 어, 베어링 등을 해석하기 위한 목적이므로 하중 지속 분포 방법을 활용하여 부하 분석을 수행하였 다. 쟁기, 로터리, 수확 작업에 대한 부하 분석 시 사용한 수식은 아래와 같다.

    T e q = T i p × n i N p N e q = 1 T e q p h i n i T i p
    (1)

    여기서, Teq는 등가 토크, Neq는 등가 회전수, Ti 는 부품에 작용하는 i번째 토크, hi는 i번째 토크의 시간, ni는 i번째 토크의 회전수, N은 회전수에 대 한 총합, p는 Wohler curve의 기울기(가속지수)이다.

    Fig. 4는 농작업에 따른 부하 분석 결과이다. 쟁 기 작업은 변속 단수가 증가함에 따라 엔진의 출 력, 후차축의 출력이 증가하는 경향성을 보이며, 견 인력은 변속 단수 M3를 제외하고 변속 단수가 증 가함에 따라 견인력이 소폭 감소하는 경향성을 보 였다. 이는 변속 단수가 증가함에 따라 주행 속도 가 증가하여 엔진과 후차축의 소요동력이 증가하 며, 속도에 따른 바퀴의 슬립도 증가하여 운동저항 이 커져서 견인력은 감소되는 것으로 판단된다. 로 터리 작업과 수확 작업은 변속 단수와 PTO 단수가 증가함에 따라 엔진 출력, PTO 출력이 증가하는 경 향성을 나타내었다. 이는 엔진에서 변속기로 전달 되는 토크와 PTO 토크는 유사한 경향성을 보이나, PTO 단수가 증가함에 따라 PTO 축의 회전수가 증 가하여 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 부하 율은 쟁기 작업의 경우 최소 42.6%, 최대 87.2%, 로 터리 작업의 경우 최소 75.1%, 최대 97%, 수확 작 업의 경우 최소 26.5%, 최대 59.2%로 나타났다.

    3. 계측된 부하를 적용한 변속기 해석

    3.1 변속기 시뮬레이션 모델

    해석대상 트랙터 변속기는 주변속 3단, 부변속 2 단, 전/후진 변속단으로 구성되어 있다. Fig. 5는 변 속기 시뮬레이션 모델로 기어, 축, 베어링 및 변속 단수 변화에 따른 동력 흐름의 변화를 반영하기 위 하여 가상의 클러치를 고려하여 모형화하였다. 변 속기의 설계 요구 수명은 B10 3500시간, 기어 재질 은 SCM420, SCM 822H를 고려하였으며, 오일의 점 도 지수는 ISO VG-150, 기어 정밀도 등급은 ISO 1328기준으로 9급을 적용하였다[11]. Fig. 6은 변속기 의 부변속 단수 L, 주변속 단수 1의 동력 흐름도와 구성 부품의 해석 시 기어, 축, 베어링의 위치 번호 를 나타낸 것이다. 여기서, S1~7은 축, z1~18은 스 퍼 또는 헬리컬 기어, be1~2는 베벨기어, B1~16은 베어링을 의미한다. L1단의 동력 흐름은 엔진(Input) 에서 전달된 동력이 S1축의 z4기어, S3축의 z10기 어, z6기어, S4축의 z11기어, z12기어, S5축의 z15기 어, be1기어, S6축의 be2기어, z17기어, S7축의 z18 기어를 통하여 바퀴(Output)로 전달된다.

    3.2 변속기 강도 및 수명 해석

    필드 부하 분석 결과와 해석대상 트랙터 엔진의 성능 곡선 데이터를 활용하여 변속기 각 단별 설계 하중을 산출하였으며, 문헌 조사를 통해 조사된 작 업별 사용빈도와 속도별 사용빈도 자료를 활용하여 단수별 사용 빈도(시간)를 도출하였다[12]. 이를 통해 도출된 해석 조건은 Table 2에 나타내었다. 변속기 의 후진(R) 조건에서의 부하는 작업 시 (전진 조건) 의 부하에 비해 상대적으로 작고, 사용 빈도도 낮 으므로 본 해석 시에는 후진 조건은 고려하지 않고 전진 조건만을 기준으로 설계 요구 수명 B10 3500 시간을 만족하는지 확인하였다.

    변속기 구성 부품의 해석은 관련 규격을 활용하 여 스퍼 기어와 헬리컬 기어는 ISO 6336의 Method B, 베벨 기어는 ISO 10300의 Method B, 축은 DIN 743, 베어링은 ISO/TS 16281에 따라 강도 및 수명 해석을 수행하였다[10, 13-15].

    변속기 구성 부품의 해석 결과는 Tables 3 - 5에 나타내었다. 기어의 굽힘강도와 면압강도에 대한 안전 계수는 be1-be2(베벨 기어 물림)에서 최소였으 며, 크기는 각각 1.459, 0.867이다. 축의 피로파괴와 정하중에 대한 안전 계수는 출력축인 S7에서 최소 였으며, 크기는 각각 2.011, 1.662이다. 또한 베어링 의 피로 수명은 부변속축 S5에 위치한 B11에서 최 소였으며, 크기는 1,758시간이다. 기어의 면압강도 에 대한 최소 안전 계수가 1.0보다 작으나 실 하중 조건을 고려하였으며, 시스템에 따라서는 설계 기 준 안전 계수가 0.6인 경우도 있으므로[16] 향후 시 험을 통한 검증이 필요할 것으로 판단된다. 베어링 B11의 피로 수명은 변속기의 설계 수명인 3,500시 간보다 작은 것으로 나타나 설계 변경이 요구된다. 설계 변경을 위하여 기존 베어링 (품번 6305)과 유 사한 제원을 가지며, 정정격하중과 동정격하중이 기존 베어링보다 높은 베어링을 선정하였다. 반복 적인 해석을 통하여 B11과 B12 베어링은 품번 30205로 변경하였으며, 배면 조합으로 구성하였다. 설계변경 후의 해석 결과는 Table 5에 나타나 있으 며, 부변속축 S5와 연결된 베어링 B10, B11, B12의 수명 변화가 크게 나타났다. 설계 변경 후의 수명 은 B10은 274,202시간, B11은 1,000,000시간, B12는 11,470시간으로 나타났으며, 최소 수명은 축 S6의 베어링 B13에서 3,625시간으로 나타났다. 최소 수명 이 3500시간을 초과하므로 설계 요구조건을 만족시 킨다.

    향후 설계 변경된 모델을 제작하여 피로시험을 통해 내구성을 확인할 예정이다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 계측형 트랙터를 구성하여 실제 필드에서 다양한 농작업 부하를 계측 및 분석하였 다. 계측된 부하를 적용한 시뮬레이션 모델을 통해 변속기 구성 부품의 강도 및 수명을 해석하였다. 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

    • 1. 농작업 부하의 크기는 로터리, 쟁기, 수확 작업 순으로 나타났으며, 변속 단수 및 PTO 단수가 증가함에 따라 엔진 부하율이 증가하는 경향성 을 보였다.

    • 2. 엔진동력 대비 각 농작업의 부하율은 쟁기 작업 의 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.

    • 3. 부하 데이터를 활용하여 주변속 3단, 부변속 2단 으로 구성된 트랙터 변속기의 강도 및 수명을 해석하였으며, 요구조건을 만족시키는 설계 변경 을 수행하였다

    • 4. 계측된 부하를 활용하여 변속기를 해석함으로써 보다 신뢰성 있는 변속기 개발이 가능할 것으로 판단되며, 향후 실부하 데이터 축적을 통해 변속 기 설계, 성능 및 내구 시험 시의 기초 자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

    후 기

    “본 결과물은 농림축산식품부의 재원으로 농림식 품기술기획평가원의 농식품기술융합창의인재양성사 업(716001-7)과 첨단생산기술개발사업(319041-03)의 지원을 받아 연구되었음.”

    Figure

    KSMPE-19-11-42_F1.gif
    Measuring equipments of the tractor
    KSMPE-19-11-42_F2.gif
    A view of actual field experiment
    KSMPE-19-11-42_F3.gif
    Measured engine torque during rotary tillage operation at transmission gear stage M1 and PTO stage 1
    KSMPE-19-11-42_F4.gif
    Load analysis result according to farm work
    KSMPE-19-11-42_F5.gif
    Simulation model of the target transmission
    KSMPE-19-11-42_F6.gif
    Position and numbering of transmission components

    Table

    Specifications of tractor and implements
    Analysis load conditions of transmission
    Safety factor of gears
    Safety factor of shafts
    Fatigue life of bearings

    Reference

    1. Gerlach, A., “Field Measurement of Tractor Transmission Forces,” Transactions of ASAE, Vol. 9, No. 5, pp. 707-712, 1966.
    2. Lee, J. S., Yu, H. Y., Lee, G. T. and Kim, D. C., “Analysis of Load Spectrum of 70kW class Tractor for Plowing Operation,” Journal of Agriculture and Life Sciences, Vol. 45, No. 1, pp. 18~22, 2014.
    3. Kim, J. H., Kim, K. U., Choi, C. W. and Wu, Y. G., “Severeness of Transmission Loads of Agricultural Tractors,” Journal of Biosystems Engineering, Vol. 23, No. 5, pp. 417-426, 1998.
    4. Kim, J. Y. and Park, Y. I., “Analysis of Agricultural Working Load Experiments for Reduction Gear Ratio Design of an Electric Tractor Powertrain,” Transactions of KSAE, Vol. 20, No. 5, pp. 138-144, 2012.
    5. Park, Y. J., Lee, G. H., Nam, Y. Y. and Kim J. G., “Influence of Flexible Pin for Planets on Service Life of Wind Turbine Gearboxes,” Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineerings-A, Vol. 36, No. 9, pp. 953-960, 2012.
    6. Kim, J. G., Park, Y. J., Lee, G. H. and Kim, J. H., “Effects of Bearing Characteristic on the Gear Load Distribution in the Slewing Reducer for Excavator,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 13, No. 5, pp. 8-14, 2014.
    7. Park, Y. J., Kim, J. G., Lee, G. H., Kim, Y. J. and Oh, J. Y., “Effects of Bearing Characteristic on Load Distribution and Sharing of Pitch Reducer for Wind Turbine,” International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, Vol. 3, No. 1, pp. 55-65, 2016.
    8. Cho, S. J., Park, Y. J., Han, J. W. and Lee, G. H., “Fatigue Life Prediction of the Carrier of Slewing Reducer for Tower Crane,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 3, pp. 131-140, 2015.
    9. International Electrotechnical Commission (IEC), “Wind Turbines-Part 4: Design Requirements for Wind Turbine Gearboxes,” IEC 61400-4, 2012.
    10. International Organization for Standardization (ISO), “Calculation of load capacity of spur and helical gears,” ISO 6336, 2007.
    11. International Organization for Standardization (ISO), “Cylindrical gears - ISO system of accuracy,” ISO 1328, 1995.
    12. KIMM, “HST for agricultural tractor transmission,” RS B 0045, 2008.
    13. International Organization for Standardization (ISO), “Calculation of Load Capacity of Bevel Gears,” ISO 10300, 2001.
    14. German Institute for Standardization(DIN), “Shafts and axles, calculation of load capacity,” DIN 743, 2012.
    15. International Organization for Standardization (ISO), “Rolling bearings - Methods for calculating the modified reference rating life for universally loaded bearings,” ISO/TS 16281, 2008.
    16. Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH(GL), “Guideline for the Certification of Wind Turbines”, GL Wind 2003, 2003.