2. 통합 조정 시스템 구성
2.2. 요소 조정 기술
2.2.1. 밸래스트 조정
트랙터는 구동 형식 즉, 2WD이냐, 4WD이냐에 따라, 부착 작업기의 형태에 따라, 중량을 앞차축과 뒷차축에 적절히 배분하여야 한다. 이는 트랙터의 견인력을 안정적 으로 지면에 전달하고, 차륜의 슬립을 조정하기 위한 것이다. 그러나 작업기를 부착하 거나, 수평 견인력 혹은 지면의 수직 반력 등이 발생한 경우에는 트랙터의 중량이 앞 차축 혹은 뒷차축으로 전이되는 하중 전이 현상이 발생한다. 따라서 트랙터의 구동 형식과 부착 작업기의 형태에 따라 최대 견인 효율을 얻기 위해서는 이러한 하중 전 이 현상을 보완할 수 있도록 밸래스트를 조정 하여야 한다. 밸래스트 조정은 트랙터 전후 차축의 중량 분포를 조절하여 구동륜의 슬립을 최적 상태로 유지하며 구동륜으 로 부터의 동력이 지면으로 잘 전달 될 수 있도록 하기 위한 것이다. 트랙터의 출력 은 항상 타이어 슬립으로 일부분이 손실되기 때문에, 밸래스트를 조정하여 차륜 슬립 에 의한 동력 손실을 최소화하여야 한다. 과도한 밸래스트는 토양 다짐과 차륜의 침 하를 증가시켜 동력 손실을 초래하고. 반대로 밸래스트가 부족한 경우에는 차륜에서 토양으로 전달되는 추진력이 약화되어 슬립에 의한 동력 손실이 발생한다.
밸래스트를 조정하기 위해서는 일반적으로 부가 중량이 사용된다. 부가 중량은 일 정 중량의 무게 추를 차륜, 트랙터 앞 뒤 등에 부착하여 전체적인 중량 증가뿐만 아 니라 앞 뒤 차축으로의 하중 이동을 가능케 하여 적절한 하중 분배가 가능하도록 한 다. 아래의 Fig. 2.2는 견인력, 부가중량 등의 외력에 의해 차축 중량이 어떻게 이동하 게 되는지를 보여주는 자유체 선도이며 식 2.1 ~ 2.3 을 통해 계산할 수 있다. 밸래스 트 조정 시스템은 부가 중량을 작업 형태와 구동 형식, 작업기에 따라 규격화된 조정 알고리즘을 이용하여 농작업 시작 전에 미리 조정하는 방법을 택하며 밸래스트 조정 은 기본 적으로 트랙터에 앞부분에 부가 중량을 부착하는 방식으로 조정하도록 한다.
Fig. 2.2 Free body diagram for weight distribution of tractor
(2.1)
(2.2)
×
× (2.3)여기서,
= 후륜 수직 반력 (N)
= 전륜 수직 반력 (N)
= 트랙터 중량 (N)
= 뒤 차축 중심점과 작업기 저항 중심 사이의 수평 거리 (m)
= 뒤 차축 중심점과 트랙터 무게 중심점 사이의 수평 거리 (m)
= 앞 차축 중심선과 트랙터 무게 중심점 사이의 수평 거리 (m)
= 앞 차축 중심선과 부가 중량 부착 점 사이의 수평 거리 (m)
= 부가 중량 (N)
= 장착형 작업기의 경우 작업기 중량 (N) 견인형 작업기의 경우 수직 반력 (N) = 전륜 지면 반력 작용점과 전륜 차축 사이의 수평 거리 (m)
= 후륜 지면 반력 작용점과 후륜 차축 사이의 수평 거리 (m)
= 작업기 저항 중심과 지면 사이의 수직 거리 (m)
= 전륜의 차륜 저항 계수
= 후륜의 차륜 저항 계수 = 전륜의 동반경 (m)
= 후륜의 동반경 (m)
= 작업기의 견인 부하 (N)위식을 통해 원하는 중량 분포를 계산할 수 있으며, 작업기를 부착한 상태에서 계 산하는 것도 가능하다. Fig. 2.3 은 차축 중량분포를 측정한 그림이다. 이때 밸래스트 부착 정도와 하중 분포의 기준은 부착 작업기와 트랙터의 구동 형태에 따라 Table 2.1에서와 같이 조정한다.
Tractor design/Implement type Front axle(%) Rear axle(%) 2WD-Trailing implement 25 75 2WD-Semi-mounted implement 30 70
2WD-Mounted implement 35 65
FWA-Trailing implement 40 60
FWA-Mounted implement 45 55
4WD-Trailing implement 55 45
4WD-mounted implement 60 40
Table 2.1 Weight distribution according to ballast adjustment (Casady, 1997)
Fig. 2.3 Measurement for weight distribution
2.2.2. 타이어 공기압
적절한 타이어 공기압은 트랙터의 견인 성능과 승차감을 향상시키며, 토양 다짐과 타이어 마모를 감소시킨다. 트랙터 타이어의 적정 공기압은 트랙터의 동적 중량을 지 지할 수 있고, 접지 면적을 최대화하는 최소 압력이다. 타이어 공기압은 실시간으로 조정하기 쉽지 않은 변수이다. 이에 따라 작업 전 하중 전이를 고려한 중량 분포에 맞추어 타이어 공기압을 미리 조정 하는 것이 바람직하다. 미리 하중에 따른 공기압 대응표를 작성하여 계산된 하중에 맞추어 타이어 공기압을 조절하도록 하며 조절된 공기압이 작업 중 큰 변동이 없는지 확인하기 위한 타이어 공기압 모니터링 시스템을 갖추도록 한다. 타이어 공기압 모니터링 시스템은 이미 자동차에는 보편화된 기술로 타이어 공기압 수준을 운전자가 확인할 수 있도록 하는 시스템이다.
타이어 공기압은 타이어 제조업체가 제공하거나 혹은 KS M 6752 규격에 맞추어 Table 2.2에서와 같은 공기압-하중 표를 이용하여 타이어에 작용하는 수직 하중에 따 라 적정 수준으로 조정한다. 타이어에 작용하는 수직 하중은 하중 전이를 포함한 하 중이다. 제조업체가 제공한 공기압-하중표가 없는 경우에는 다음 식을 이용하여 적정 공기압을 결정한다(JIS B 9202, JIS D 6401).
-9.5-22-6PR(AG) 500 565 630 690 745 800 850 900 9.5-24-4PR(AG) 530 605 675 740 - - - - -9.5-24-6PR(AG) 530 605 675 740 795 855 905 940 11.2-24-4PR(AG) 650 740 845 - - - -11.2-24-6PR(AG) 650 740 845 900 975 1045
11.2-26-4PR(AG) 670 765 850 - - - -11.2-28-4PR(AG) 695 790 900 - - - -11.2-28-6PR(AG) 695 790 900 960 1040 1115 - - -12.4-16-4PR(AG) 595 675 720 - - - -Table 2.2 Example for tire inflation pressure – weight corresponding table (KS M 6752) [Unit : kgf]
Tire types Steering wheel Driving wheel Implement wheel Garden tractor
K 1.1 1.1 1.48 1.90
Table 2.3 Tire weight coefficient (JIS B 9202)
Rim designation W1(mm) Rim designation W1(mm) 16
Rim designation S1(mm) Rim designation S1(mm) Rim designation S1(mm) 6 Table 2.5 Codes for bias-ply tire rim width (JATMA)
하중 계수는 Table 2.3 에서와 같고, 림의 직경은 Table 2.4 에서와 같이 결정한다.
표준 림의 폭은 림의 폭 코드를 25.4로 곱한 값이며, 타이어 단면 폭은 설계 폭을 사 용한다. 림의 폭 코드에 따른 타이어 단면의 설계 폭은 Table 2.5 에서와 같이 결정한 다(JATMA, The Japanese Automobile Tires Manufacturers Association).
2.2.3. 엔진 속도 및 변속 단수 제어
연료 소모량을 줄이기 위해서는 가능한 한 엔진 속도를 저속으로 유지하여야 한다.
그러나 엔진 속도를 너무 저속으로 유지 할 경우에는 차속이 낮아짐에 따라 작업 효 율이 떨어지게 된다. 뿐만 아니라 부하 변동에 대한 응답 폭이 줄어 갑작스런 부하 변동이 발생할 경우 기관 정지와 같은 문제점이 발생할 수도 있다. 따라서 작업 효율 을 높이고 부하 변동에 대한 강건성을 높일 뿐만 아니라 연료 효율 최대화를 위해서 는 변속 단수를 고속으로 유지하고 엔진 속도는 저속으로 유지하되 어느 정도 여유 토크를 남겨둔 범위에서 엔진 속도를 조정하여야 한다. 즉, 주어진 변속 단수에서 엔 진 속도는 엔진 특성 곡선에서 연료 효율이 가장 높은 속도를 유지하도록 조정한다.
연료 효율이 최대인 엔진 속도는 최대 토크점과 최대 출력점 사이의 속도이다. 일 반적으로 엔진 운영 범위 또한 최대 토크점과 최대 출력점 사이이며 그 범위를 벗어 난 경우에는 연료 효율이 급격히 감소하는 경향이 있어 범위 내에서 유지하도록 하여 야 한다. 최대 출력점의 오른쪽 영역을 governed 영역이라 하고 왼쪽을 un-governed 영역이라고 하며, governed 영역은 거버너에 의해 제어 되는 영역을 나타내며 ungoverned 영역은 스로틀에 의해 제어되는 영역이다. 연료 효율은 일반적으로 ungovered 영역에서 제일 높으며 이 영역을 벗어나게 될 경우 급격하게 감소하게 된 다. 연료 소비가 최저인 점은 일반적으로 un-governed 영역에서 출력이 최대 출력의 80%인 지점으로 알려져 있다. 엔진 속도를 조절하기 위해서는 ungoverned 영역 내에 엔진 속도가 위치하도록 하여야 하며 범위 내에서는 스로틀 레버를 이용해 엔진 속도 를 조정할 수 있다. Fig. 2.4 는 위의 원리를 나타낸 그림이다.
Fig. 2.4 Engine performance curve for control engine speed
이 원리에 따라 엔진 속도는 다음과 같은 방법으로 조정한다.
이면 변속 단수를 저단으로
이면 변속 단수를 고단으로
이면 가속
이면 감속 여기서,
= 엔진 속도
= 최대 토크점에서 엔진 속도
= 최대 출력점에서 엔진 속도
= 최소 연료 소모점에서 엔진 속도
엔진 속도는 기본적으로 위의 원리를 따라 조정한다. 엔진 속도는 스로틀 레버를 이용해 실시간으로 조정이 가능하며 변속단수는 자동 변속기의 경우엔 실시간 조정이 가능하며 수동 변속기의 경우 액추에이터를 설치하여 변속 레버를 움직여 주거나 혹 은 운전자를 안내하는 방식으로 변속하도록 한다.
2.2.4. 구동륜 슬립 조정
타이어 슬립이 너무 많으면 구동륜이 헛돌아 엔진 출력이 지면으로 충분히 전달되 지 않아 동력 손실이 발생한다. 반대로 타이어 슬립이 너무 적으면 타이어와 지면 사 이에 구름 마찰력이 증가하여 동력 손실이 발생한다. 즉 적정한 슬립이 유지되지 않 으면 동력 손실이 발생하여 연료 소모가 증가한다. 따라서 연료 소모를 최소화하기 위해서는 트랙터의 견인 효율을 최대화 할 수 있는 슬립을 유지하여야 한다. Fig. 2.5 는 각종 토양 조건에서 슬립에 따른 견인 효율을 나타낸 것이다. 음영 부분은 슬립이 적어 운동 저항에 의한 동력 손실이 일어나는 부분이고, 흰색 부분은 슬립에 의한 동 력 손실이 일어나는 부분이다.
구동륜의 슬립은 2륜구동 트랙터의 경우 10-15%, 4륜구동 트랙터의 경우 8-12%가 되도록 조정한다. 구동륜의 슬립은 다음 식으로 계산한다(남주석, 2009).
× (2.5) 여기서,
= 슬립 (%)
= 트랙터의 주행 속도 (m/s)
= 구동륜의 동반경 (m)
= 구동륜의 회전 속도 (rpm)구동륜의 슬립은 엔진 속도, 변속단수 그리고 부하 수준을 통합적으로 고려하여 제어해야 하며 이는 매우 어려운 기술이다. 만일 슬립이 너무 높을 경우에는 부하를 낮춰 주거나, 엔진 속도를 낮추는 등의 방법을 취해야 하며 슬립이 너무 적을 경우에 는 반대의 방법을 취해 적정한 슬립을 유지하여야 한다. 만일 슬립이 적정 범위에 들 지 않을 경우에는 작업기 교체와 같은 극단 적인 방법을 취해야 하며 슬립과 작업 속 도 그리고 작업 수준 까지 통합적으로 고려하여 제어해야 한다. 부하를 낮추는 방법 은 경심을 제어하거나 작업기를 교체 하는 방법이 있으며 부가 중량을 추가하여 더
구동륜의 슬립은 엔진 속도, 변속단수 그리고 부하 수준을 통합적으로 고려하여 제어해야 하며 이는 매우 어려운 기술이다. 만일 슬립이 너무 높을 경우에는 부하를 낮춰 주거나, 엔진 속도를 낮추는 등의 방법을 취해야 하며 슬립이 너무 적을 경우에 는 반대의 방법을 취해 적정한 슬립을 유지하여야 한다. 만일 슬립이 적정 범위에 들 지 않을 경우에는 작업기 교체와 같은 극단 적인 방법을 취해야 하며 슬립과 작업 속 도 그리고 작업 수준 까지 통합적으로 고려하여 제어해야 한다. 부하를 낮추는 방법 은 경심을 제어하거나 작업기를 교체 하는 방법이 있으며 부가 중량을 추가하여 더