Introduction of a direct engine-PTO driveline to agricultural tractors has reduced production cost and increased transmission efficiency of the PTO driveline. However, this type of PTO driveline has caused a severe rattle noise in the PTO gearbox under idle conditions. This study was conducted to investigate the causes of the rattle noise and the effects of driveline parameters on it. A mathematical model was developed for a direct engine-PTO driveline. The model was proved experimentally to be accurate enough to simulate the dynamic characteristics of the PTO driveline motions. The simulation study showed that the rattle noise was caused by collisions between the driving and driven gears in the PTO gearbox due to velocity variation of the gears, which was induced by torque fluctuations from the engine. It was also found that the rattle noise decreased with the drag torque and mass moment of inertia of the engine flywheel. Smaller mass moment of inertia of the driven gears and backlash also reduced the rattle noise. However, increasing the drag torque and mass moment of the engine flywheel or decreasing the backlash and mass moment of inertia of the driven gears were limited practically by their detrimental effects on transmission efficiency, gear strength and smooth meshing of the gears.
The purpose of this study was to analyze the load distribution and contact safety factor for the power take off (PTO) gear of a 71 kW class agricultural tractor. In this study, a simulation model of the PTO gear-train was developed using Romax DESGINER. The face load factor and contact safety factor were calculated using ISO 6336:2006. The simulation time was set at 2,736 hours considering the lifetime of the tractor, and the simulation was performed for each PTO gear stage at the engine rated power conditions. As a result of the simulation, the face load factors for the driving gear at the PTO 1st, 2nd and 3rd stages were 1.644, 1.632, and 1.341, respectively. The contact safety factors for the driving gear at the PTO 1st, 2nd and 3rd stages were 1.185, 1.216, and 1.458, respectively. As the PTO gear stage was increased, the face load factor decreased, and the contact safety factor increased. The load distributions for all the PTO gears were concentrated to the right of the tooth width. This causes stress concentrations and shortens the lifespan of the gears. Therefore, it is necessary to improve the face load factor and the contact safety factor with macro-geometry and micro-geometry.
A torsional damper comprised of two stage pre-dampers was used to reduce the rattle noise generated in the PTO gear box of a direct engine-PTO driveline of agricultural tractors. It was designed and mounted to the engine flywheel to reduce the torque fluctuation-induced speed variations at the driving gears in the PTO gearbox, which were found to be main cause of the rattle noise. The effects of a hysteresis torque and a torsional stiffness of the damper on the speed variation were analyzed using an 11 degree of freedom non-linear model of the damped PTO driveline. The torsional damper was represented by a single degree of freedom model with 7 parameters. Under a constant hysteresis torque, velocity variation was reduced with decrease in the torsional stiffness of the damper. The velocity variation was also decreased with decrease in the hysteresis torque under a constant torsional stiffness. Optimum values of the torsional stiffness and hysteresis torque were obtained by the model simulation for the PTO driveline under the study. When the optimum values of the damper were used, the sound pressure level of the rattle noise was reduced by 81%, resulting in a reduction of 15dB(A). The optimum damper also reduced the engine speed variation, resulting in a reduction of 80% at the driving gears in the PTO gearbox. The torsional damper showed a good performance in reducing the rattle noise caused by the speed variation in the direct engine-PTO driveline.
Proceedings of the Korean Society for Agricultural Machinery Conference
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2017.04a
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pp.11-11
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2017
지속적인 고령화 추세에 따라 여성과 고령층의 노동력이 차지하는 비율이 높아지고 있어, 사용하기 편리한 소형농기계의 요구가 증가하고 있는 실정이다. 본 연구에서 사용한 소형 관리기는 정식 작업 전 경운, 정지 등 다양한 작업이 가능한 농기계이다. 본 연구에서는 소형 관리기에 토크 측정 시스템을 구성하였으며, 작업 중 가장 큰 부하를 받는 구굴 작업 부하를 측정하였다. 또한, 작업 시 가장 직접적으로 영향을 받는 PTO (Power Take Off) 기어의 부하 용량(load capacity)을 기어 해석 소프트웨어를 이용하여 분석하였다. PTO 기어의 부하 용량은 안전율, 피로수명을 대상으로 평가하였다. 측정된 부하 데이터는 변동 하중이므로, 부하 크기와 빈도수의 규칙적인 신호로 단순화하기 위하여 레인플로우 카운팅 방법을 사용하였으며, SWT (Smith-Watson-Topper) 방법을 이용하여 공칭 토크를 계산하였다. PTO 기어의 안전율은 ISO 6336, 피로 수명은 마이너 법칙(Miner rule)을 이용하여 계산하였다. PTO의 변속 단수 총 2단이며, 5개의 스퍼 기어로 구성되어 있다. 시뮬레이션 결과, 소형 관리기의 주행 속도 또는 PTO의 회전속도 증가에 따라 PTO에서 발생하는 평균 부하가 크게 나타났다. 또한 주행 단수 및 PTO 기어 단수가 증가할수록 기어의 안전율과 피로 수명이 감소하였으며, 특히 PTO 기어의 안전율은 접촉 응력에서의 안전율보다 굽힘 응력에서의 안전율이 급격하게 감소하였다. 소형 관리기의 PTO 수명은 주행 단수 2단, PTO 단수 2단 일 때 가장 적게 나타났다. 따라서 소형 관리기의 주행 속도와 PTO 회전 속도를 저속으로 작업하는 것이 PTO 기어의 수명에 더 유리할 것으로 판단된다.
An anti-backlash gear was developed to reduce the rattle noise generated from the gearbox of a direct-engine PTO driveline of agricultural tractors under idling. A pair of gears using the anti-backlash gear as driven part was modeled and verified. Using the verified model, a computer simulation was conducted to investigate the effects of design parameters of the anti-backlash gear on the reduction of rattle noise. The optimum values of the design parameters were also determined by the computer simulation. The optimized anti-backlash gear was then manufactured and installed on the experimental PTO driveline for the performance test. Measurement of rattle noise was made to evaluate its performance before and after the driven gear of the PTO gearbox was replaced by the optimized anti-backlash gear. Results of the study were as follows: The optimum values of the design parameters, spring constant and deformation, may be determined by a relationship: $$k{\ge}\frac{4364.7}{150{\delta}-23.564}$$ The optimized anti-backlash gear reduced the rattle noise maximally by 16.9 dBA. This concluded that it would be most effective to use the optimized anti-backlash gear to eliminate the rattle noise in the PTO driveline.
This study was conducted to identify the characteristics of PTO rattle noise of a direct engine-PTO driveline for agricultural tractors. In order to reduce production costs of agricultural tractors, a direct engine-PTO driveline was recently introduced to the tractors produced in Korea. This simplified drive line reduced a number of gears and counter shafts in previous one. However, it caused a severe rattle noise under an idle condition, which was perceived as intolerable by many tractor operators. PTO rattle noise was measured at two locations: one 3 em apart radially from the centerline of the PTO shaft and another 100 em apart backward from the PTO end and 160 em high from the ground. Characteristics of the rattle was analyzed using the data measured near the PTO shaft. It was found that the period of rattle noise was same as the explosion stroke of engine and its peak level was about 123 dB (A) with PTO engaged at an idle engine speed of 880 rpm. As the engine speed increased, the rattle noise decreased. The frequency band of the rattle was 0.5-2.0 kHz and the frequency of peak sound pressure was 1.4 kHz. When compared the rattle noise between the locally produced and imported tractors of the same type of PTO driveline, the former generated louder rattle noise than the imported one by 7 dB (A). It was suggested that the rattle noise of local tractors must be reduced at least by 7 dB (A) to meet the international level.
Agricultural tractors are designed using the empirical method due to the difficulty of measuring precise load cycles under various working conditions and soil types. Especially, directly drives various tractor implements, the power take off (PTO) gear. Therefore, alternative design methods using gear design software are needed for the optimal design of tractors. The objective of this study is to simulate fatigue life of the PTO gear according to the operating point of the tractor engine. The PTO gear was made with SCr415 alloy steel with carburizing and quenching treatments. The fatigue life of the PTO gear was simulated by using bending and contact stress according to the torque of the load levels. The PTO gear simulation was conducted by the KISSsoft commercial software for gear analysis. Bending and contact stress were calculated by the ISO 6336:2006 Method A and B. The simulation of fatigue life was calculated by the Miner's cumulative damage law. The total fatigue life of tractors can be estimated to 3,420 hours; thus, 3,420 hours of fatigue life were used in the simulation of the PTO gear of tractors. The main simulation results showed that the maximum fatigue life of the PTO gear was infinite fatigue life at maximum engine power. Minimum fatigue life of the PTO gear was 19.61 hours at 70% of the maximum engine power. Fatigue life of the PTO gear changed according to load of tractor. Therefore, tractor work data is needed for optimal design of the PTO gear.
Gears are components of transmission which transmit the power of an engine to a machine and offer numerous speed ratios, a compact structure, and high efficiency of power transmission. Gear train design in the automotive industry uses simulation software. However, PTO (Power Take-Off) gear design for agricultural applications uses the empirical method because of the wide range of load fluctuations in agricultural fields. The PTO is an important part of agricultural tractors which transmits the power to various tractor implements. Therefore, a simulation was essential to the optimal design of the PTO. When the PTO gear is optimally designed, there are many advantages such as low cost, reduced size, and light weight. In this study, we conducted the bending and contact safety factor simulation for the PTO gear of an agricultural tractor. The bending and contact safety factors were calculated on ISO 6336 : 2006 by decreasing the face widths of the PTO pinion and wheel gear from 18 mm at an interval of 1 mm. The safety factor of the PTO gear decreased as the face width decreased. The contact safety factors of the pinion and wheel gear were 1.45 and 1.53, respectively, when the face width was 18 mm. The simulation results showed that the face width of the PTO gear should be greater than 9 mm to maintain the bending and contact safety factors higher than 1. It would be possible to reduce the weight of the PTO gear for different uses and working conditions. This study suggests that the possibility of designing an optimal PTO gear decreases as its face width decreases.
Kim, Jeong-Gil;Kim, Young-Joo;Kim, Jung-Hun;Shin, Beom-Soo;Nam, Ju-Seok
Journal of Biosystems Engineering
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v.43
no.2
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pp.83-93
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2018
Purpose: This study derived the consumed power and load characteristics of a tillage operation performed in an upland field located in Seomyeon, Chuncheon, Rep. Korea, where potatoes and cabbages were cultivated in two crops. Methods: A plow and rotavator were mounted on a tractor with 23.7 kW of rated power to perform the tillage operation. The work conditions were determined, considering the actual working speed of the tillage operation performed by the local farmers. The power consumption of the rear axle, engine, and power take-off (PTO), PTO torque, and tractive force were measured under each work condition. The consumed power and load characteristics were analyzed using their average values. Results: The rotary-tillage operation consumed more engine power than the plow operation for the same tractor-transmission gear condition. The PTO in the rotary-tillage operation and the rear axle in the plow operation consumed the most power. The power consumption of the engine and the PTO for the rotary-tillage operation tended to increase as the transmission gears of the tractor and the PTO became higher. In contrast, the rear-axle power consumption was insignificant. In addition, the PTO torque tended to rise as the tilling pitch increased. For the plow operation, the drawbar power and the rear axle power accounted for 68-90% of the engine power. The engine and rear axle power, drawbar power, and tractive force tended to rise as the working speed increased. Conclusions: The power consumption and load characteristics differed for the plow and rotary-tillage operations. They may also differ depending on the soil conditions. Therefore, the power consumption and load characteristics in various work environments and regions should be analyzed, and reflected in the design of tractors and working implements. The results derived from this study can be used as a reference for such designs.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.15
no.5
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pp.80-85
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2016
In recent years, work to improve the power of a tractor has been in development. This study, using the mid-PTO power of a compact tractor, attempted to develop a high-speed mid-mower by setting the rotation to more than 3,000 RPM designed/manufactured major components of the high speed mid-mower. The performance of high-speed mid-mower was evaluated by the precision of straight bevel gears, and durability, the noise of the gearbox, the gearbox internal temperature, the maximum rotation speed of the mid-mowers, and the grass cutting test. Through the performance test results, the maximum number of revolutions of the mid-mower was measured over 3,000RPM, the gearbox noise and gearbox internal temperature satisfied the performance requirements of a high speed mid-mower.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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