[논문]로외에서 운용되는 휠형차량의 견인성능 예측

박원엽; 이규승

문제 정의

따라서 본 연구는 국내의 농업기겨), 건설중장비, 군사용차량 등과 같은 휠형 로외차량의 현장투입 및 운용뿐만 아니라 설계개선에 활용하기 위하여 토양특성 뿐만 아니라 휠형차량의 주요 설계변수, 그리고 토양-휠간의 역학적 상호작용을 분석하여 로외용 휠형차량(off-road wheeled vehicle)의 견인성능을 예측할 수 있는 수학적 모델을 개발하고, 모델로부터 견인성능을 평가할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램을 개발하기 위해 수행되었다.
본 연구에서는 연약지에서 주로 운용되고 있는휠형 로외차량의 견인성능을 예측할 수 있는 수학적 모델을 개발하고, 모델로부터 휠 형 차량의 견인성능을 평가할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션프로그램(TPPMWV)을 개발하였다. 개발된 모델의 유효성은 실제 토양조건에서 휠형차량을 이용하여 두 가지 구동방식 (4WD, 2WD) 에 대해 측정된 견인력과 수학적 모델로부터 개발된 TPPMWV에 의해 예측된 결과를 비교함으로서검증하였다.
본 연구에서는 휠형차량의 견인성능 예측 모델을 개발하는데 있어, 휠형차량의 주요 설계변수뿐만 아니라 토양변수를 해석에 고려하였다.

제안 방법

견인력 측정은 시험차량의 후미 견인고리와 하중 차량의 전면 견인고리에 각각 강선을 연결하고 그 사이에 하중변환기를 부착한 후, 시험 차량을 구동하여 하중변환기에 나타나는 인장력을 측정하여 구하였다. 또한 슬립과 견인력 관계를 구하기 위해 시험차량의 후륜에 부착된 로타리엔코더로부터 측정한 이론주행거리와 시험차량의 후부에 장착된 5륜(fifth wheel)으로부터 측정한 실제 주행거리를 이용하여 슬립을 측정하였다.
따라서 비교의 편의를 위해, 측정결과를 Janosi and Hanamoto'가 제안한 식을 수정한 식 (7)에 적용하여 슬립의 함수로서 모형화하여 측정치에 대한 실험식을 유도하였고, 실험식으로부터의 결과를 예측된 결과와 비교하였다.
그러나 견인력은 일반적으로 차량의 무게가 증가하면 함께 증가하기 때문에 전술한 견인력만으로는 차량의 절대적인 성능을 평가할 수 없다. 따라서 식 (8)과 (9)와 같이 로외차량의성능을 평가하는데 있어 일반적인 척도로서 사용되고 있는 견인계수(tractive coefficient ; Ct) 와견인효율(tractive efficiency ; TE)을 이용하여 두 가지 구동방식에 따른 견인성능을 비교 분석하였다.
개발된 모델의 유효성은 실제 토양조건에서 휠형차량을 이용하여 두 가지 구동방식 (4WD, 2WD) 에 대해 측정된 견인력과 수학적 모델로부터 개발된 TPPMWV에 의해 예측된 결과를 비교함으로서검증하였다. 또한 검증된 TPPMWV를 이용하여두 가지 구동방식에 따른 견인성능을 비교하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
구하였다. 또한 슬립과 견인력 관계를 구하기 위해 시험차량의 후륜에 부착된 로타리엔코더로부터 측정한 이론주행거리와 시험차량의 후부에 장착된 5륜(fifth wheel)으로부터 측정한 실제 주행거리를 이용하여 슬립을 측정하였다. 한편, 견인려실험은 4WD와 2WD의 두 가지 구동 방식에 대해 각각 5회반복으로 수행되었다.
수학적 모델로부터 개발된 컴퓨터 시뮬레이션프로그램의 유효성을 검증하기 위하여 수분함량이 15.59%인 양토(loam)에서 토양의 물리적 특성을 측정한 후 견인력 실험을 수행하였다.
전 절에서 개발된 견인성능 예측 모델을 이용하여 토양변수와 휠형차량에 대한 입력변수로부터 휠형차량의 견인성능을 예측할 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램(Tractive Performance Prediction Model for Wheeled Vehicles ; TPPMWV)을 개발하였다.
전체 차량의 해석을 위한 첫번째 단계로서 임의의 차량경사 <5에 대해 전륜의 침하량 z°를 임의로 가정한 후, 휠-토양 접지면에서 작용하는 수직 응력과 전단응력에 의해 계산된 수직반력과실제 차량무게에 대한 수직방향의 평형조건이 만족될 때까지 침하량을 증감시킨다. 수직 방향의 평형 조건이 만족되었을 때, 두 번째 단계로서 전체 차량에 작용하는 모멘트를 취하여 모멘트의 평형 조건이 만족될 때까지 차량의 경사를 증감시켜가며 첫 번째 단계를 반복 수행한다.
토양의 물리적 특성은 성균관대학교 생물 기전공학과에서 제작한 베바메타&를 이용하여 식 (1), (2), (3)에서 언급한 토양의 전단웅력-전단 변위 특성, 토양의 압력-침하특성, 반복하중에 대한 반응 특성 등을 측정하였다. Table 1은 견인력 실험이 수행된 토양에서 베바메타를 이용하여 즉 정한값으로부터 유도된 토양변수를 보여주고 있다.
또한 슬립과 견인력 관계를 구하기 위해 시험차량의 후륜에 부착된 로타리엔코더로부터 측정한 이론주행거리와 시험차량의 후부에 장착된 5륜(fifth wheel)으로부터 측정한 실제 주행거리를 이용하여 슬립을 측정하였다. 한편, 견인려실험은 4WD와 2WD의 두 가지 구동 방식에 대해 각각 5회반복으로 수행되었다. Fig.
한편, 본 연구에서는 TPPMWV를 이용하여두 가지 구동방식에 따른 휠형차량의 견인성능을 비교하였다. 그러나 견인력은 일반적으로 차량의 무게가 증가하면 함께 증가하기 때문에 전술한 견인력만으로는 차량의 절대적인 성능을 평가할 수 없다.
후륜 축 거리 (wheelbase), 구동방식 등을 고려하였다.

데이터처리

개발하였다. 개발된 모델의 유효성은 실제 토양조건에서 휠형차량을 이용하여 두 가지 구동방식 (4WD, 2WD) 에 대해 측정된 견인력과 수학적 모델로부터 개발된 TPPMWV에 의해 예측된 결과를 비교함으로서검증하였다. 또한 검증된 TPPMWV를 이용하여두 가지 구동방식에 따른 견인성능을 비교하였다.
본 연구에서 개발한 견인성능 예측 모델의 유효성을 검증하기 위해 모델로부터 개발된 시뮬레이션 프로그램(TPPMWV)에 의해 예측된 견인력을 실험에 의해 측정된 견인력과 비교하였다.

성능/효과

1) 두 가지 구동방식에 따른 휠형차량의 견인력 측정치와 예측치의 비교 결과, 측정치에 대한예측치의 최대오차는 4WD의 경우는 5.25%, 2WD의 경우는 9.42%로서 최대 10% 이내로 나타났다. 따라서 본 연구에서 개발한 견인력 예즉모델은 주어진 토양상태에서 휠형차량의 견인력을 잘 예측할 수 있는 것으로 판단된다.
2) TPPMWV를 이용하여 구동방식에 따른 견인성능을 비교한 결과는 4WD가 2WD에 비해 전체 슬립구간에 걸쳐 견인계수와 견인효율이 모두 크게 나타났고, 4WD와 2WD의 최대 견인계수는 각각 0.524, 0.361, 최대 견인효율은 각각 0.585, 0.429로서 4WD 의 경우가 2WD 에 비해 견인계수는 약 0.163 (45.15%), 견인효율은 약 0.156(36.29%) 크게 나타났다. 따라서 4WD의 경우가 2WD에 비해 높은 견인성능을 발휘할 수 있는 것으로 나타났다.
4WD 상태에서 측정치와 예측치를 비교한 결과, 예측치는 전체 슬립구간에서 측정치와 유사한 경향을 보였고, 측정치로부터 유도된 실험식과 예측치간의 최대오차는 슬립 26.57%에서 0.34kN(5.25%)으로서 측정치와 예측치는 잘 일치하는 것으로 나타났다. 또한 2WD 상태에서 전체 슬립구간에 따른 예즉치와 측정치간의 비교 결과는 4WD의 경우에 비해 상대적으로 덜 일치하는 경향은 나타냈으나, 최대오차는 슬립 49.
42%) 로 매우 작게 나타났다. 따라서 Fig 9와 Fig.10의 결과로부터 본 연구에서 개발한 견인성능 예측모델은 주어진 토양 상태에서 휠형차량의 견인력을 두 가지 구동방식 모두에 대해 최대 10%이내의 오차범위내에서 잘 예측할 수 있는 것으로 나타났다.
42%로서 최대 10% 이내로 나타났다. 따라서 본 연구에서 개발한 견인력 예즉모델은 주어진 토양상태에서 휠형차량의 견인력을 잘 예측할 수 있는 것으로 판단된다.
25%)으로서 측정치와 예측치는 잘 일치하는 것으로 나타났다. 또한 2WD 상태에서 전체 슬립구간에 따른 예즉치와 측정치간의 비교 결과는 4WD의 경우에 비해 상대적으로 덜 일치하는 경향은 나타냈으나, 최대오차는 슬립 49.16% 에서 0.40kN(9.42%) 로 매우 작게 나타났다. 따라서 Fig 9와 Fig.
비교 결과 두 가지 구동방식(2WD, 4WD) 에따른 측정치는 슬립이 증가함에 따라 어떤 일정한 경향을 나타내었으나, 일정 슬립에 대한 견인력 측정치의 넓은 분포로 인해 두 가지 구동 방식에 대해 측정된 견인력을 예측치와 직접 비교하여 차이를 구명하기에는 어려움이 많았다. 따라서 비교의 편의를 위해, 측정결과를 Janosi and Hanamoto'가 제안한 식을 수정한 식 (7)에 적용하여 슬립의 함수로서 모형화하여 측정치에 대한 실험식을 유도하였고, 실험식으로부터의 결과를 예측된 결과와 비교하였다.
위의 결과를 종합해 볼때, 주어진 토양 조건과 차량 조건에 대해서 4WD의 경우가 2WD에 비해 높은 견인성능을 나타내는 것으로 나타났다.

후속연구

특히 건설중장비나 농업기계, 군사용차량 등과 같은 로외차량은이러한 휠의 기능 중에서도 주행 및 견인 작업 시 발휘할 수 있는 토양 추진력(soil thrust)과 운동 저항(motion resistance)의 효율적인 발휘가 가장 중요하며, 이로 부터 차량의 주행 및 견인 성능(tractive performance)0] 결정된다고 할 수 있다.2)따라서 로외차량의 설계변형에 따른 상대적인 성능비교나 성능향상을 위한 설계개선을 위해서는 차량의 설계변수 뿐만 아니라 차량이 운용되고 있는 토양의 특성과 차량의 운용조건, 그리고 휠-토양간의 역학적 상호작용에 대한 연구가 필수적이다.45, 6)

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