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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 offroad에서 운용되는 트랙터의 조향력 예측 모델을 개발하기 위한 기초 연구로서 ofBroad에서 타이어의 조향력에 영향을 미치는 요인으로 판단되는 노면상태, 타이어의 축하중 및 타이어 공기압에 따른 조향력 관계를 실험적으로 구명하는데 있다.
- 본 연구는 off-road에서 운용되는 트랙터의 조향력 예측 모델을 개발하기 위한 기초 연구로서 of&road와 on-road에서 타이어의 공기압과 축하중이 조향력에 미치는 영향을 실험적으로 구명하였다. 실험은 인공토조용 단일 타이어 조향시스템을 설계, 제작하여 인공토조에서 수행하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
- 노면상태에 따른 타이어의 조향 특성을 조사하기 위해 인공토조내의 토양을 총 4 종류의 노면상태 즉, 비도로 노면(off road) 3 종류와 도로노면(on road) 1 종류로 가공하였다. 비도로노면은 토양가공대차의 로타리틸러, 균평기, 표면다짐롤러를 이용하여 노면을 다짐정도가 다른 3 종류의 노면상태(Ground-I, Ground-II, Ground-III)로 가공하였다.
- 조향력 측정 장치는 국내 D사의 22마력 트랙터의 조향시스템을 이용하여 인공토조시스템용 단일 타이어 조향력 측정 장치로 개량 설계, 제작하였다. 단일 타이어 조향력 측정장치는 인공토조시스템의 측정대차에 장착된 차륜프레임에 부착되고, 조향력 측정 장치가 부착된 차륜프레임은 웜기어와 미끄럼 베어링에 의해 좌 · 우 및 상 · 하 방향으로 자유롭게 이동할 수 있도록 제작하였다. 한편, 조향력 측정장치에 사용된 타이어는 러그 간섭을 배제하기 위해 러그가 없는 승용차용 타이어(P155/80R13)를 사용하였다.
- 단일 타이어에 대한 조향력 실험은 전술한 4 가지 노면상태(Ground-1 ~ IV)에서 4 수준의 타이어 축하중과 4 수준의 타이어 공기압에 대해 각각 수행하였다(Table 4).
- 노면상태에 따른 타이어의 조향 특성을 조사하기 위해 인공토조내의 토양을 총 4 종류의 노면상태 즉, 비도로 노면(off road) 3 종류와 도로노면(on road) 1 종류로 가공하였다. 비도로노면은 토양가공대차의 로타리틸러, 균평기, 표면다짐롤러를 이용하여 노면을 다짐정도가 다른 3 종류의 노면상태(Ground-I, Ground-II, Ground-III)로 가공하였다. 한편, 도로 노면(Ground-IV)은 토양 가공 후 토양 위에 시멘트 블록을 올려 놓아 구성하였다.
- 본 연구는 off-road에서 운용되는 트랙터의 조향력 예측 모델을 개발하기 위한 기초 연구로서 of&road와 on-road에서 타이어의 공기압과 축하중이 조향력에 미치는 영향을 실험적으로 구명하였다. 실험은 인공토조용 단일 타이어 조향시스템을 설계, 제작하여 인공토조에서 수행하였으며, 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 조향력 실험은 다양한 노면상태에서 조향력 변화를 측정하고, 동일 실험조건의 재현 및 신뢰성 있는 데이터를 얻기 위해 인공토조시스템(soil bin system) 에서 수행하였다. 인공토조시스템은 토양조 및 레일 시스템, 대차구동시스템, 작업대차, 토양가공대차 등으로 구성되어 있으며, 인공토조내의 토양은 미농무성분류법(USDA)상의 사질양토(sandy loam)로서 Table 1에 실험토양의 조성 및 분류를 나타내었다.
- 조향력 측정 장치는 국내 D사의 22마력 트랙터의 조향시스템을 이용하여 인공토조시스템용 단일 타이어 조향력 측정 장치로 개량 설계, 제작하였다. 단일 타이어 조향력 측정장치는 인공토조시스템의 측정대차에 장착된 차륜프레임에 부착되고, 조향력 측정 장치가 부착된 차륜프레임은 웜기어와 미끄럼 베어링에 의해 좌 · 우 및 상 · 하 방향으로 자유롭게 이동할 수 있도록 제작하였다.
- 컬럼축 토크는 컬럼축에 four-element full-bridge 타입의 스트레인 게이지(CEA-06-250US-350)를 부착하여 핸들 조향시 컬럼축의 비틀림에 따른 스트레인 게이지의 출력 관계로부터 측정하였다. 푸시바의 압축력(인장력)은 푸시바의 중간을 절단한 후 그 사이에 로드셀을 부착하여 푸시바의 압축력(인장력)과 로드셀의 출력 관계를 이용하여 측정하였다.
- 컬럼축 토크는 컬럼축에 four-element full-bridge 타입의 스트레인 게이지(CEA-06-250US-350)를 부착하여 핸들 조향시 컬럼축의 비틀림에 따른 스트레인 게이지의 출력 관계로부터 측정하였다. 푸시바의 압축력(인장력)은 푸시바의 중간을 절단한 후 그 사이에 로드셀을 부착하여 푸시바의 압축력(인장력)과 로드셀의 출력 관계를 이용하여 측정하였다. 한편, 컬럼축의 회전각, 타이어 조향각 등은 모두 회전축에 로타리엔코더를 부착하여 로타리엔코더의 펄스 신호를 회전각으로 변환하여 측정하였다.
- 핸들 조향은 타이어의 정렬상태를 기준으로 제자리에서 핸들 축을 우로 2회전, 좌로 4회전, 다시 우로 2회전하여 조향 시작점까지를 한 사이클로 조향 실험(제자리조향력 시험방법, JASO C705)을 실시하였다. 한 사이클의 조향이 이루어지는 동안 컬럼축 (핸들축)에 부착된 스트레인 게이지는 조향력(steering torque)을, 킹핀축에 부착된 엔코더는 타이어의 조향각(steering angle)을 측정하며 조향각에 따른 조향력 변화를 실시간으로 수집하였다.
- 푸시바의 압축력(인장력)은 푸시바의 중간을 절단한 후 그 사이에 로드셀을 부착하여 푸시바의 압축력(인장력)과 로드셀의 출력 관계를 이용하여 측정하였다. 한편, 컬럼축의 회전각, 타이어 조향각 등은 모두 회전축에 로타리엔코더를 부착하여 로타리엔코더의 펄스 신호를 회전각으로 변환하여 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- 단일 타이어 조향력 측정장치는 인공토조시스템의 측정대차에 장착된 차륜프레임에 부착되고, 조향력 측정 장치가 부착된 차륜프레임은 웜기어와 미끄럼 베어링에 의해 좌 · 우 및 상 · 하 방향으로 자유롭게 이동할 수 있도록 제작하였다. 한편, 조향력 측정장치에 사용된 타이어는 러그 간섭을 배제하기 위해 러그가 없는 승용차용 타이어(P155/80R13)를 사용하였다.
이론/모형
- 핸들 조향은 타이어의 정렬상태를 기준으로 제자리에서 핸들 축을 우로 2회전, 좌로 4회전, 다시 우로 2회전하여 조향 시작점까지를 한 사이클로 조향 실험(제자리조향력 시험방법, JASO C705)을 실시하였다. 한 사이클의 조향이 이루어지는 동안 컬럼축 (핸들축)에 부착된 스트레인 게이지는 조향력(steering torque)을, 킹핀축에 부착된 엔코더는 타이어의 조향각(steering angle)을 측정하며 조향각에 따른 조향력 변화를 실시간으로 수집하였다.
성능/효과
- (1) 타이어의 축하중의 증가는 실험이 수행된 모든 토양조건에서 타이어의 조향력을 증가시키는 것으로 나타났다.
- (2) 조향력은 모든 축하중과 공기압 조건에서 off-road의 경우가 on-road에 비해 크게 나타났다.
- (3) 토양상태에 따른 조향력의 크기는 축하중이 1470 N일 경우에는 Ground-I 에서 가장 크게 나타났지만, 축하중이 2940 N 으로 증가했을 경우에는 Ground-III에서 조향력이 가장 크게 나타났다. 즉, offroad에서 토양조건에 따른 조향력은 본 실험에 설정된 인자들의 범위 내에서 축하중이 작을 경우에는 연약한 토양에서 조향력이 크게 나타나지만, 축하중이 일정수준 이상으로 증가했을 경우에는 단단한 토양에서 더 큰 조향력이 필요한 것으로 나타났다.
- (4) 타이어 공기압의 변화에 따른 조향력은 on-road에서는 공기압이 낮을수록 증가하였지만 of&road에서는 명확한 경향이 없었다.
- 4의 (a)는 1470 N의 축하중 조건에서 4 수준의 노면조건에 대해 측정한 조향각-조향력 관계를 나타낸 결과로서, 노면조건에 따른 조향력의 크기는 on-road 노면보다는 off-road 노면에서 크게 나타났다. 또한 세 가지 off-road 노면간의 조향력의 크기는 Ground- I, Ground-II, Ground-III의 순으로서 노면이 연약할수록 조향력이 증가하는 것으로 나타났다.
- (3) 토양상태에 따른 조향력의 크기는 축하중이 1470 N일 경우에는 Ground-I 에서 가장 크게 나타났지만, 축하중이 2940 N 으로 증가했을 경우에는 Ground-III에서 조향력이 가장 크게 나타났다. 즉, offroad에서 토양조건에 따른 조향력은 본 실험에 설정된 인자들의 범위 내에서 축하중이 작을 경우에는 연약한 토양에서 조향력이 크게 나타나지만, 축하중이 일정수준 이상으로 증가했을 경우에는 단단한 토양에서 더 큰 조향력이 필요한 것으로 나타났다.
- 타이어 공기압의 변화에 따라 off-road 노면과 on-road 노면에서의 조향력의 크기를 살펴보면, on- road 노면인 Ground-IV의 경우에는 공기압이 낮을수록 전체 조향각 구간에서 조향력이 크게 나타났지만, offroad 노면인 Ground-I, Ground- II, Ground-III 의 경우에는 타이어 공기압에 따른 조향력의 차이가 명확하게 나타나지 않았다.
- 한편, 축하중에 따른 조향력의 크기는 축하중이 증가함에 따라 전체 조향각 구간에서 조향력이 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 결국 본 실험 범위 내에서는 Off-road 조향시 조향력의 크기는 차량이 가벼울 경우에는 연약한 토양에서 크게 나타나나, 차량의 무게가 일정 수준 이상일 경우에는 단단한 토양에서 더 큰 조향력이 요구될 것으로 사료된다.
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