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본 논문에서는 미래 전투체계의 요소 중 하나인 Unmanned Ground Vehicle(UGV)에 적용된 기존 공압 및 무공압 타이어의 단점을 개선하며, 주행 시 스포크에 발생하는 변형 에너지를 전기 에너지로 전환, 타이어의 상태를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 무공압 타이어를 제안한다. 또한 제안된 타이어의 설계 인자들을 분석하고 중요 요소들 간의 상관 관계를 실험으로 증명함으로써, ...

본 논문에서는 미래 전투체계의 요소 중 하나인 Unmanned Ground Vehicle(UGV)에 적용된 기존 공압 및 무공압 타이어의 단점을 개선하며, 주행 시 스포크에 발생하는 변형 에너지를 전기 에너지로 전환, 타이어의 상태를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 무공압 타이어를 제안한다. 또한 제안된 타이어의 설계 인자들을 분석하고 중요 요소들 간의 상관 관계를 실험으로 증명함으로써, 압전을 활용한 무공압 타이어의 설계 기초를 마련하는데 목표가 있다.
형상 선정을 위해 네 가지 유형의 스포크형 무공압 타이어에 대한 분석을 실시하였다. 무게에 따른 거동 특성 확인을 통해 스포크의 형상을 결정하였으며, 해석 결과, 타이어로서의 역할을 수행하며 압전 소자의 전력 발생이 가능한 변형률을 가지는 직선형 형상을 선정하였다.
다음으로, 압전 소자를 선정하였다. 변위를 통한 발전이 목표이기 때문에 타이어의 변형에 따라 밴딩이 발생하여야 하고, 순간적인 충격에 강해야 한다. 이에 Soft PZT 계열의 압전 소자와 탄성만으로 타이어의 역할을 수행할 수 있는 폴리우레탄 플라스틱을 외형 소재로 선정하였다.
결과 데이터를 바탕으로 다물리 해석을 진행하였으며, 이를 바탕으로 무공압 타이어 제작을 위한 요소 인자들을 파악하였다. 또한 실험을 위해 제작한 전기자동차에 무공압 타이어를 장착하여 주행해봄으로써, 설계 문제점을 파악하고 이를 보완한 최종 모델을 도출하였다.
실험은 공개된 UGV의 구조 조건과 유사한 환경을 구축하고자 단일 바퀴에 인가되는 하중을 동일하게 하고, 자체 제작한 전기 자동차의 좌측 뒷바퀴에 장착하여 진행하였다. 스포크의 두께/위치/속도 별 전압 발전량을 확인하고 최종적으로 전력 수확 정도를 확인하여 압전 발전 무공압 타이어의 가능성을 확인하였다. 스포크의 두께 별 전압 발생량 실험 결과, 7 mm에서 15.9 V 의 Vpp 가 발생되는 것을 확인하였다. 10, 9, 8 mm에서 각각의 발전량은 14.7 V, 5.95 V, 2.97 V 로 나타났으며, 이는 10 mm 이상의 두께를 가지게 되면 스포크의 변위 및 발전량이 극미하다는 것을 의미한다. 다음으로 모듈 내 스포크의 위치 별 전압 발생량을 실험을 통해 확인하였다. 스포크 위치는 총 5 곳에, 각각을 1 ~ 5 번으로 명명하고, 위치에 따른 전압 발생량을 확인하였다. 실험 결과, 3번 위치에서의 전압 발생량이 33.5 V 로 가장 높게 확인 되었으며, 1, 2, 4, 5 번 스포크는 각각 9.44, 12, 10.9, 8.45 V로 평균 10 V의 전압이 발생되었다.
다음으로 센서로서의 활용 가능성을 타진하기 위해 차량 회전 시 스포크의 변형에 따른 전압 발생량을 확인하였다. 코너 구간에서는 일시적인 차량의 무게중심 이동이 발생하므로, 타이어에 가해지는 하중이 변화하므로 발전되는 전압이 달라지게 된다. 무공압 타이어를 좌측 후방에 장착하고 좌회전 구간에서의 전압 발생량을 확인한 결과, 전기자동차의 무게 이동은 1번 코너와 2번 코너 각각 기존 무게에서 66 %, 35 % 감소하였고, 이 때의 전압차는 각각 5.45 V, 2.385 V 로 도출되었다. 테스트 중 제작된 무공압 타이어의 파손은 없었으나, 파손을 가정한 상황을 부여하고 이에 따른 파손 감지 여부를 실험하였다. 테스트 베드를 제작하고 각 스포크의 파손 상황을 부여하였을 때, 각 스포크에 해당하는 경고등이 점등되는 것을 확인하였다. 이를 통해 안정적으로 타이어의 역할을 수행함과 동시에 압전을 이용한 스포크의 상태를 실시간으로 모니터링 할 수 있음을 확인하였다.
최종적으로 1개의 모듈에서 발전된 전력의 수확 여부에 대해 실험을 진행하였다. 개방 회로의 전력 및 정류된 전력의 두 가지를 모두 수확하여 충전 여부를 확인하였다. 개방 회로에서 수확되는 전력의 경우 1 ~ 5번 스포크 각각 87.2, 146.4, 1,204, 129.9, 83.53 μW가 발생하였다.
결론적으로, 제안된 무공압 타이어에서 단일 스포크 및 모듈의 1회전 당 생산 전력은 1.2 mW, 0.15 W이며, 단일 타이어에서 발생하는 생산 전력은 1회전 당 0.6 W라고 할 수 있다. 이는 UGV에서 사용되는 센서들 중 이미지 처리 센서를 제외한 거리 측정, 초음파, 온도, 속도 등의 데이터 검출 센서에서, 별도의 배터리를 사용하지 않고 차량 내의 센서를 동작시킬 수 있는 전력이다.

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