본 연구는 농업용 50kW급 트랙터 변속기의 기어 설계를 위한 기초 연구로써, 본 연구에서는 부하데이터를 계측하기 위하여 82kW 트랙터를 사용하였으며, 부하 계측 시스템은 주요 구성 요소인 엔진, 차축, PTO의 회전속도, 토크 등을 측정할 수 있도록 구성하였다. 이때 엔진은 회전속도를 측정할 수 있도록 구성하였으며, 차축은 농작업에 따른 회전속도와 토크를 측정하기 위하여 텔레메트리 시스템의 토크미터와 근접센서를 이용하였다. 또한, PTO의 회전속도와 토크는 텔레메트리 시스템을 이용하여 측정할 수 있도록 하였다. 총 13개의 채널로 정의 및 데이터를 저장할 수 있도록 하였다. 엔진 소요동력은 포장시험 작업에 따른 측정된 차축, PTO축, 유압펌프 소요동력의 합과 엔진 회전수를 이용하여 엔진 소요동력을 분석하였다.
포장시험은 충남대학교 농업생명과학대학 필드 시험지에서 수행하였다. 포장시험의 농작업으로는 트랙터 후방에 쟁기를 장착하여 가장 많은 비중을 차지하고 있는 경운 작업을 실시하였다. 작업은 전진 High 2단, 5단, 7단, 8단에서 정격회전수 조건에서 실시하였으며, 트랙터 구동은 실제 작업자가 많이 사용하고 견인력이 높은 4륜 구동 모드로 실시하였다. 시험 방법으로는 C형 선회 패턴으로 실시하였다.
본 연구에서 기어 강도 분석을 하고자 하는 50kW급 트랙터의 주변속 기어의 변속 단수는 총 4단으로 헬리컬 기어 4쌍으로 이루어져 있다. 주변속 기어 강도 분석을 수행하기 위하여 사용된 기어 해석 소프트웨어는 자동차 및 다양한 분야의 기어 해석에 사용되는 KISSsoft를 사용하였다. KISSsoft는 ISO, AGMA, DIN 등 다양한 규격을 이용하여 기어를 최적 설계 및 해석할 수 있는 장점을 가지고 있다. ISO 6336:2006 Method B 규격을 사용하였다.
실제 필드 조건에 맞게 기어 강도 분석을 위해 가장 높게 나타나는 High 8단의 부하 데이터를 기어 강도 계산에 이용하였다. High 8단의 등가 토크와 등가 회전속도를 계산한 결과, 등가 토크는 411.1 N·m, 등가 회전속도는 1,995 rpm으로 나타났으며 50kW급 트랙터의 등가 부하로 환산하기 위하여 엔진 출력비(52.2/82)를 곱한 토크와 회전속도는 각각 261.6 N·m, 1,269 rpm이다.
본 연구에 50kW급 트랙터는 전진 16단(주변속 4단×부변속 4단)으로, 작업별로 사용하는 속도에 따라 시간을 분배하여 사용 비율을 계산하였으며, 최대 토크와 사용 빈도에 따른 비율을 적용한 토크는 기어 강도 해석 소프트웨어인 KISSsoft에 입력하여 기어 강도를 비교하였다.
기어 강도 해석 결과, 최대 토크 조건에서 주변속 단수의 사용 빈도에 따른 토크 대비하여 굽힘 응력은 약 1.3∼1.5배, 접촉 응력은 약 1.1∼1.3배 더 높게 발생하였다.
안전율의 해석 결과 비교 시에는 최대 토크 조건에서 주변속 단수의 사용 빈도에 따른 토크 대비하여 낮게 나타났다. 굽힘 응력에서는 2가지 조건 모든 기어에서 안전율 1 이상의 해석 결과를 나타났지만, 접촉 응력에서 주변속 단수의 사용빈도에 따른 토크는 안전율 1 이상, 최대 토크 조건에서는 1 이하의 결과가 발생했다. 최대 토크 조건으로 해석 시 기어의 치면에서 파손이나 손상이 일어나 가능성이 높다.
본 연구에서 제시한 방법은 기존의 최대 토크를 이용한 방법 보다 전체적으로 낮은 응력과 높은 안전율을 보여 주었다. 이는 실제 작업한 데이터를 반영한 값으로 현재 국내 트랙터 설계 시 일반적으로 사용되고 있는 최대 토크가 실제 작업 보다는 높은 토크로 과설계를 유발 할 수 있음을 알 수 있다. 그러므로, 트랙터 설계 시 최대 토크가 아닌 실제 작업 토크를 반영한다면 보다 신뢰성 있는 제품 개발이 가능할 것으로 판단된다.

This study is a basic research for the driving shift gears design of agricultural tractors. In this study, a 82 kW tractor was used to measure the load data. The load measuring system was composed of measure the torque and speed of the main components such as engine, axle, and PTO. The engine was configured to measure the rotational speed, the torque and the rotation speed are measured by telemetry system of torque meter and proximity sensor installed on wheels during the agricultural operation. Torque and rotational speed of PTO were also measured by the telemetry system. It is possible to define and store in total 13 channels of data. The required power of the engine was analyzed by using the sum of the measured power of the axle, PTO shaft, hydraulic pump and the engine speed according to the field test.
The field test was carried out the most commonly plow tillage at the experimental site of Chungnam National University. The 8-row plow was mounted at rear of the tractor as an implements for field test. The plow tillage was performed under the rated speed of 2, 5, 7, and 8 stages, and the tractor was driven in the 4 wheel driving mode, which was mostly used by the actual worker to get high traction. The test method was a C-shaped turning pattern.
The driving gear stages of the 50 kW class tractor were composed of four stages in four pairs of helical gears. KISSsoft, the simulation software, was used for analyzing the gear strength. KISSsoft has the advantage of optimally designing and analyzing gears using various standards such as ISO, AGMA and DIN. ISO 6336: 2006 Method B standard was used for strength analysis of the driving gears.
The 8-stage load data, which is the highest for gear strength analysis, was used at gear strength calculation. As a result of calculating of equivalent torque and the equivalent rotation speed for the 8-stage, the equivalent torque was 411.1 Nm and the equivalent rotational speed was 1,995 rpm. The torque and rotational speed of the 50 kW class tractor applied to ratio(52.2/82) by engine torque were 261.6 Nm and 1,269 rpm.
The 50 kW class tractor has 16 speed stages (driving shift 4 stages, range shift 4 stages). Usage ratio of gear stage was calculated according to the annual usage hours of field operation. This study was compared the gear strength between torque according to usage ratio and maximum torque using KISSsoft.
As a result of gear strength analysis, the bending stress of maximum torque was about 1.3~1.5 times higher than torque according to usage ratio. And the contact stress of maximum torque was about 1.1~1.3 times higher than torque according to usage ratio.
In the comparison of the analysis results for the safety factor, it was lower the maximum torque than the torque according to usage ratio. In the bending stress, the results of analysis for safety factor 1 and above were obtained for all gears. However, the torque according to usage ratio in the contact stress has a safety factor of 1 or more and a maximum torque condition of 1 or less. It was highly probable that breakage or damage occurs at the tooth surface of the gear when it was analyzed under the maximum torque condition.
The proposed method in this study showed lower stress and higher safety factor than method using maximum torque. Therefore, when designing the tractor by applying the actual working torque, it is considered that more reliable product development will be possible.