[현장보고] LS엠트론(주) 트랙터사업부

<연속기획>

4차 산업혁명 대비 기술개발 현장보고 - LS엠트론(주) 트랙터사업부

자동변속·하이브리드 등 신기술 선제적 도입

40여개국 수출쾌거…‘글로벌 콤팩트 트랙터 탑5’정조준

4차 산업혁명이 산업 전 분야의 핵심 키워드로 부상하고 있다. 농축산기계 업체들도 이러한 기술적 흐름을 예측하고 주도적으로 기술개발에 나서고 있다. 이들 업체들의 연구소 운영상황, 핵심원천기술, R&D 발굴사례 등을 살펴봄으로써 농축산기계 업계의 ‘미래상’을 예측하고자 연속기획 ‘4차산업혁명 대비 기술개발현장 보고’시리즈를 마련했다. LS엠트론(주) 중앙연구소를 찾아 기술개발 현장을 돌아봤다.

LS엠트론은 1977년 트랙터 사업을 시작한 이래 2012년 국내 트랙터 판매 1위 달성과 미국 판매법인, 중국 생산법인, 2013년 브라질 생산법인을 설립하는 등 글로벌 농업기계 기업으로 거듭나고 있다. 현재 전세계 40개국 이상에 트랙터를 공급하고 있으며, 지속적인 마케팅을 통해 세계적인 브랜드로 성장 중이다. 이를 바탕으로 LS엠트론은 4차 산업혁명에 발맞춰 ICT(Information & Communication Technology) 기술을 접목한 친환경, 고효율 농기계 개발에 주력하고 있다. 이미 사전·사후차량 관리서비스와 농기계용 텔레매틱스시스템 및 종합 농업정보시스템 개발을 준비 중이며, 사용자 편의성을 극대화한 자동변속시스템(Power Shift, DCT, HMT), 환경문제에 대응하기 위한 하이브리드 트랙터를 개발하는 등 기존 농기계에 ICT 기술을 더해 통합제어가 가능한 농기계 개발에 매진하고 있다.

북미 서브 콤팩트 트랙터 시장에 대응하기 위한 전략모델 MT1

파워시프트 변속기는 순수 국산기술로 개발돼 동력전달효율 90% 이상, PTO효율 83% 이상, 변속충격 0.2G 이하의 변속 성능을 가진다.

71kW급 하이브리드 트랙터는 세계 최초로 내연기관과 전기모터 두 가지 동력원을 이용하는 농업용 트랙터로 하이브리드시스템의 핵심부품은 순수 국내기술로 개발했다. 그림은 71kW 하이브리드 트랙터 레이아웃

LS엠트론은 자동화된 시험설비를 구축해 개발단계에서 발생할 수 있는 문제를 사전검증하는 프로세스를 적극 도입하고 있다.

◇Be the ONE*

LS엠트론은 ‘Be the ONE*’이란 경영비전을 가지고 있다. ‘Be the ONE*’은 최고의 인재와 1등 제품, 승리하는 파트너십을 의미한다. LS엠트론 구성원은 주인의식(Ownership)과 청년정신(New-thinking), 기술선도(Excellence)란 핵심가치를 가지고 업무에 매진하고 있다. 트랙터사업부는 독자적으로 ‘글로벌 콤팩트 트랙터 탑5’란 경영목표를 세워 글로벌 종합 농기계 메이커로 도약하기 위해 노력하고 있다.

◇차별화 기술력

△우수 연구인력 및 높은 CAE 활용도
2008년 LS엠트론은 LS전선에서 독립 후 기존 농기계 개발팀을 연구소로 승격함은 물론, 선행연구를 수행하는 중앙연구소, 제품개발을 담당하는 트랙터연구소로 분리해 연구개발에 중점을 두고 있다. 연구소에는 100여명의 연구인력이 농기계 첨단화를 위한 기술개발에 매진하고 있다.

기술연구소는 내수 및 수출용 트랙터를 설계·개발하고, 중국법인 등 해외법인 R&D인력의 헤드센터로서 역할을 수행하고 있다. 특히 개발단계에서 CAE(Computer Aided Engineering) 기술을 이용한 구조강도, 진동소음, 동적거동 시뮬레이션 기법을 활용한 사전검증을 통해 사용조건에 최적화한 제품설계와 인간공학을 접목한 사용자 편의성 중심의 제품개발에 주력하고 있다. 또 제어모델링 기법을 도입해 시스템 성능을 사전예측하고 최적화해 개발단계에서 발생할 수 있는 오류를 최소화함으로써 개발기간을 단축하는 등 프론트 로딩 프로세스(Front Loading Process)를 적극적으로 도입해 DT(Digital Transformation) 시대에 대응하는 R&D 역량강화를 도모하고 있다. 나아가 완주에 첨단시설의 엔진공장을 건설해 2014년 4월부터 Tier4 엔진 생산라인을 가동하며 친환경 엔진을 자체 생산 중이다.

△최신기술 적용…모델 다변화 추진

LS엠트론은 전략 모델인 MT1을 개발해 북미 서브 콤팩트 트랙터시장에 대응한다는 방침이다. MT1은 철저한 북미 현지 시장조사 및 CNHi와의 협업을 통해 개발한 모델로 개발단계부터 CAE 등 전산해석 기법을 적용해 핵심이 되는 변속기의 구조·부품에 대한 강도해석을 진행, 제품의 신뢰성을 향상했다. 또 국내 최초로 서브 콤팩트 및 콤팩트형에 사용할 수 있는 HST 일체형 변속기를 설계·개발해 적용했다. 핵심 원천기술은 9건의 국내외 특허를 획득하며 기술적 성과를 이뤄내기도 했다.

LS엠트론은 트랙터 단일사업의 한계와 계절성을 극복하고, 성장 동력을 확보하기 위해 다양한 작물(△벼 △소맥 △콩 △귀리 △율무 △유채) 수확이 가능한 범용콤바인을 국내 최초로 개발했다. 범용콤바인은 국내 처음으로 정부형식인증을 획득함은 물론, 양산기술 내재화로 글로벌향 콤바인의 중국 출시 및 동남아국가에 출시 테스트 중이다. LS엠트론에 따르면 범용콤바인 시장 후발주자임에도 불구, 선도업체 대비 작업능률과 수확성능 등이 우수했다. 또 개발단계에서 해외특허 5건, 실용신안 4건을 출원하는 등 괄목할 만한 성과를 도출했다.

이와 함께 LS엠트론은 최근 국내 밭농업 및 축산업과 같은 영농형태가 점차 증가함에 따라 차체중량 및 견인력, 양력이 증대된 고부하(Heavy Duty) 작업에 적합한 유틸리티 트랙터 MT5를 개발·출시했다. MT5는 국내 최초로 4주식 캐빈을 적용해 작업시야를 확장했으며, 동급최대 유압양력(3000kgf)/견인력 확보로 복합작업기 사용에 유리하다. 또 메인펌프 용량(LPM) 증대를 통한 작업기 속도개선 및 편브레이크 선회(3.4m), 배속턴(Quick Turn)을 적용하는 등 사용자 편의성 및 작업성 증대를 우선해 설계됐다.

◇R&D 성과

△EPA Tier4 대응 CRDI 엔진

미국 EPA 최신 배기가스 규제인 Tier4에 대응하는 농기계용 디젤엔진 개발을 진행했다. 고압연료분사방식의 CRDI시스템을 신규 개발해 기존 엔진의 효율 및 연비를 개선했다. 새로운 CRDI시스템에는 배기가스 규제에 대응하기 위한 DPF 및 SCR 등 배기가스 후처리 장치를 장착해 NOX, CO, PM 등 배출량을 줄여 친환경 성능을 강화했다. 특히 2015년에는 LS의 자체 기술로 완성한 Tier4 엔진이 탑재된 트랙터가 북미시장에 성공적으로 안착했다. LS엠트론의 Tier4 모델이 북미시장에서 차지하는 비중은 70% 이상이다.

△파워시프트 자동변속시스템

국내외 농기계 시장은 노동인력의 고령화, 여성 사용자의 증가 등 사용자 편의성이 향상된 제품수요가 증가하고 있다. 이러한 시장변화에 LS엠트론은 클러치 조작 없이 단순버튼 조작으로 변속할 수 있는 파워시프트(Power Shift) 변속기를 순수 국산기술로 개발했다. 파워시프트 변속기는 동력전달효율 90% 이상, PTO효율 83% 이상, 변속충격 0.2G 이하의 변속 성능을 가진다. 이 시스템은 상시 구동되는 유압펌프 크기를 소형화해 동력손실을 최소화하고, 동력전달 효율이 우수하다. 사용자가 체감할 수 있는 변속성능(충격, 시간) 향상을 위해 전후진 변속 혹은 주행속도 변경 시 유압클러치를 모듈레이션할 수 있도록 유압제어시스템을 구성해 선도업체 제품과 동등한 수준의 변속성능을 가진다. LS엠트론은 75kW급 트랙터에 장착할 수 있는 파워시프트 변속기 모듈을 확보함에 따라 해당 마력대 트랙터의 시장경쟁력을 확보하는 계기를 마련했다.

△100kW급 트랙터용 HMT 무단변속시스템

최근 100마력 이상 대형 트랙터의 필요성이 증가함에 따라 다수업체가 대형 트랙터의 핵심기술인 자동변속기(Power shift, HMT 등) 개발을 위해 노력하고 있다. 이에 발맞춰 LS엠트론은 복합유성기어 및 HST를 이용한 HMT(Hydraulic Mechanical Transmission)방식의 무단변속기를 개발해 20kN 이상의 견인력을 확보함과 동시에 40km/h까지 무단변속할 수 있는 시스템을 순수 국산기술로 개발했다. 이 시스템을 개발하는 동안 무단변속기 관련 특허출원 및 등록(출원 13건, 등록 4건)해 선도업체의 특허회피 및 자체기술 장벽을 공고히 하는 성과를 거뒀다. 또 기술적 성과를 인정받아 2016년 국가 우수과제 100선에 선정되는 등 국가적으로 개발기술의 우수성을 인정받았다. LS엠트론은 대형 트랙터용 무단변속기시스템의 국산화 개발에 성공함에 따라 선도업체가 선점한 글로벌 대형 프리미엄 트랙터 시장공략을 위한 전기를 마련했다.

△71kW급 트랙터용 마일드 하이브리드시스템

71kW급 하이브리드 트랙터는 세계 최초로 내연기관과 전기모터 두 가지 동력원을 이용하는 친환경, 고효율 기술이 접목된 농업용 트랙터이다. 하이브리드시스템은 주행 또는 작업상황에 따라 내연기관과 모터의 동력 분배를 최적화해 작업효율 증대 및 에너지 절감을 가능하게 하는 첨단시스템으로써 농업기술실용화재단 공인 인증시험을 통해 성능을 검증받았다. 또 에너지 절감효과 및 동력분배 최적화 기술에 대한 성과도 인정받아 국내 최초로 농림축산식품부 신기술 인증 획득 및 농촌진흥청 선정 신기술 농기계로 지정받았다. 또 전기에너지 재생을 위한 발전기와 동시에 엔진의 동력을 증대하는 모터 증폭기(Motor-generator), 이를 제어하는 인버터/컨버터, 각각의 구성요소에 대한 전원공급 및 저장을 위한 배터리, 배터리를 관리하는 BMS(Battery Management System) 및 최적 동력 제어를 위해 엔진, 모터, 트랙터 작업기를 컨트롤하는 상위 제어기인 HCU(Hybrid Control Unit)로 구성된 하이브리드시스템의 핵심부품은 트랙터 운전특성에 맞춰 순수 국내기술로 개발했다.

◇R&D 인프라

LS엠트론은 제품의 신뢰성 및 품질향상을 위해 최신시험 인프라 구축에도 노력을 기울이고 있다. 특히 자동화된 시험설비를 구축해 개발단계에서 발생할 수 있는 문제를 사전검증하는 프로세스를 적극 도입 중이다. 이를 위해 전자제어가 가능한 Tier4 엔진성능을 측정할 수 있는 동력계와 EPA/EEC 인증 및 강화되고 있는 배기가스 규제에 대응하기 위한 배가가스 성분 분석시스템, PM 분석시스템을 통합·운영할 수 있는 엔진환경 시험실 등을 구축했다. 또 농기계의 핵심부품에 해당하는 변속기의 성능·수명시험을 진행할 수 있는 자동화된 3, 4축 변속기 시험기(동력계)가 다수 완비된 변속기 성능시험실 및 클러치팩, 유압부품의 내구수명 시험을 위한 부품신뢰성 평가시험실 등의 첨단시험시설을 운용하고 있다. 특히 KOLAS 인증을 받은 소재 신뢰성 센터를 자체 운영하는 등 제품·개발품의 신뢰성 향상을 위한 지속적인 시설·장비투자를 진행하고 있다. 연구개발 단계에서 농기계 실사용 조건 하의 제품성능·신뢰성 평가를 진행하기 위한 ISO규격의 험로시험장 및 필드시험장도 동시에 운영하고 있다.

◇기술개발 추진방향

LS엠트론은 우수품질과 디자인으로 미국에 1억달러 계약을 수주하는 등 북미시장과 유럽에서 주목받고 있으며, 해외시장에서 매년 30% 이상의 성장을 지속하고 있다. 글로벌 농기계 선도업체에 주문자 생산방식(OEM)의 트랙터 공급과 자체 브랜드로 전세계 40여 개국에도 수출 중이다. 최근 우즈베키스탄에서는 고상형 트랙터의 설계부터 현지에서 생산까지 할 수 있도록 엔지니어링도 수행하고 있다.

김창수 csk@alnews.co.kr

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