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80마력 트랙터의 엔진 출력에 따른 주행 변속 기어 강도 분석
김남혁 ( Nam-hyeok Kim ),김택진 ( Taek-jin Kim ),박성운 ( Seong-un Park ),최창현 ( Chang-hyun Choi ),김용주 ( Yong-joo Kim ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2
트랙터 작업은 일반적으로 부하의 변동이 크기 때문에 잦은 변속이 요구되며, 적합한 작업 속도를 얻기 위한 많은 변속 단수가 요구된다. 트랙터 개발 기간의 단축과 시험 비용 절감을 위해서는 기어 강도 시험 시간의 단축이 필요하다. 시뮬레이션 소프트웨어를 이용한 변속기 개발은 시간과 비용을 절약하면서 설계자가 원하는 기어장치의 특성을 예측 및 개선할 수 있다. 본 연구에서는 트랙터 변속기에 대한 기어 강도 분석을 위하여 80마력 트랙터 모델을 선정하였으며, 실제 필드에서 부변속 기어의 파손이 가장 많이 발생하기 때문에 본 연구에서는 부변속 기어열 6쌍에 대하여 강도분석을 시행하였다. 기어 강도 분석을 수행하기 위하여 사용된 기어 해석 소프트웨어는 기어, 축 등 기계요소를 모델링하고 시뮬레이션이 가능한 KISSsoft를 사용하였다. 시뮬레이션 조건은 연간사용 빈도에 따른 비율을 각 속도단수에 적용하여 토크를 입력하였다. 재질은 단조 재질로 많이 사용되고 있는 기계 구조용 합금강 재질인 SCM420에 해당되는 ISO 규격의 18CrMo4로 선정하였다. 시뮬레이션은 부변속 기어의 굽힘 응력과 접촉 응력을 계산하여 안전율을 대상으로 수행하였다. 기어 재질에 대한 허용응력을 기준으로 굽힘 응력의 안전율은 최소 0.52, 최대 3.42로 부변속 기어열 3쌍에서는 안전율 1 이하의 해석 결과를 나타냈다. 접촉 응력의 안전율은 경우 최소 0.42, 최대 0.9로 부변속 5쌍이 안전율 1 이하로 나타냈다. 결과적으로, 초저속 같이 변속사용 빈도가 낮은 기어열에서 안전율이 가장 낮게 나타내고 있다. 이는 기어가 부러지거나 치면이 마모되어 트랙터 주행과 작업 시 큰 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 모듈, 치폭, 재질 변경 등을 통해 기어의 굽힘 응력과 접촉 응력의 안전율을 높여 트랙터 변속기가 파손되지 않도록 강도 보강을 해야 된다고 판단된다.
다물체 동역학 시뮬레이션 프로그램을 활용한 농작업에 따른 동역학 시뮬레이션 모델 개발
전현호 ( Hyeon-ho Jeon ),김남혁 ( Nam-hyeok Kim ),최창현 ( Chang-hyun Choi ),김용주 ( Yong-joo Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2
농업용 트랙터는 다양한 작업기를 부착하여 작업을 수행한다. 작업기에 따라 다양한 형태의 부하가 차량에 나타나며, 이는 차량의 슬립 및 동역학적 거동에 영향을 미친다. 이러한 동역학적 거동은 작업 안정성에 영향을 미치게 되기 때문에, 작업에 따른 부하 및 동역학적 거동을 예측하는 것은 매우중요하다. 따라서, 본연구에서는 농업용 트랙터의 동역학 모델 개발의 기초연구로써, 동역학 모델을 개발하여 작업에 따라 차축에 나타나는 부하를 예측하였다. 시뮬레이션 모델은 Recurdyn(V9R2, Fuctionbay, Korea)을 활용하여 모델을 구성하였다. 시뮬레이션 모델은 차축, 변속기 및 차체, 타이어로 구성되어 있다. 타이어와 지면과의 관계는 UA 타이어 모델을 활용하여 계산하였다. 모델구성 및 검증을 위해 계측시험을 실시하였다. 입력 값으로는 차축의 회전속도 및 견인력으로 선정하였으며, 검증 값으로는 각 차축의 토크로 선정하였다. 계측결과, 쟁기작업의 경우 전차축 및 후차축에 평균 회전속도는 각각 32 rpm, 23 rpm이며, 평균 견인력은 25kN 으로 나타났다. 로타리작업의 경우 전 차축 및 후차축의 평균 회전속도는 각각 평균 12 rpm, 8rpm이며, 평균 견인력은 7 kN으로 나타났다. 시뮬레이션 해석결과와 계측된 차착토크에 대한 비교 분석결과, 결과값 차이는 10% 이내의 값을 보이는 것으로 나타났다. 차후 연구에서는 개발된 모델 및 조향제어 알고리즘을 활용하여 주행 및 작업 안정성에 대한 분석을 진행할 예정이다.
78kW급 트랙터의 쟁기작업 부하에 따른 기어 강도 분석
김택진 ( Taek-jin Kim ),김남혁 ( Nam-hyeok Kim ),최창현 ( Chang-hyun Choi ),김용주 ( Yong-joo Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1
국내에서는 대규모 영농 확대와 대체수요의 선호도 변화, 밭농업기계화 확대정책으로 70kW급 이상의 대형트랙터 수요가 늘어나고 있다. 농업용 트랙터의 보편화, 대형화 및 자동화로 많은 연구들이 수행될 것으로 판단되며, 특히 트랙터의 기능 중 가장 핵심이 되는 변속기 기술은 지속적으로 개선, 발전될 전망이다. 이에 본 연구에서는 78kW 트랙터의 변속기에 대한 주변속 기어 분석을 위하여 트랙터에 계측시스템을 구성하였고, 농작업 중 부하가 가장 높게 나타나는 쟁기 작업을 실시하여 실제 발생하는 부하를 계측하였다. 기어 해석 소프트웨어인 KISSsoft와 ISO 6336 규격을 사용하여 계측된 등가토크와 등가회전수 대비하여 트랙터 엔진의 최대 토크시 기어에 발생하는 응력을 비교 연구 수행하였다. 주변속은 4쌍의 헬리컬 기어로 구성되어 있으며, 4쌍에 대한 굽힘 응력과 접촉 응력의 안전율을 대상으로 수행하였다. 기어 재질에 대한 허용응력을 기준으로 굽힘 응력과 접촉 응력의 안전율은 실제 농작업 시 발생하는 등가부하 조건에서 최대 토크 조건 대비하여 높게 나타났으며, 최대 토크 조건에서는 접촉 응력 안전율이 주변속 기어 3쌍에서 1 이하의 결과가 발생하였다. 트랙터 설계 시 실제 농작업에 대한 부하를 반영을 한다면 보다 신뢰성 있는 부품 개발이 가능할 것으로 판단된다.