KR102024195B1 - 궤도-지반 상호작용을 고려한 야지궤도차량의 구동성능 평가방법 및 평가시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 건설중장비, 군사용 차량 등에 활용되는 야지궤도차량에 대하여 슬립율을 고려한 궤도-지반 상호작용을 바탕으로 하여 지반 및 야지궤도차량의 특성에 따른 지반추력과 구동저항력을 분석함으로써, 견인력, 등판능력 등의 평가요소를 야지궤도차량의 구동성능을 평가할 수 있는 지표(평가요소)로서 제시하게 되는 "궤도-지반 상호작용을 고려한 야지궤도차량의 구동성능 평가방법 및 평가시스템"에 관한 것이다.
본 발명에서는 영향요소 입력모듈(1); 기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈(2); 곡선 변환모듈(3); 및 평가요소 산출모듈(4)을 포함하며; <견인력>, <등판능력>,<야지궤도차량의 최대 이동가능 속도>, <시간-야지궤도차량의 이동속도 곡선> 및 <구동효율 곡선>으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 것을 야지궤도차량의 구동성능을 평가하기 위한 평가요소로서 제시하는 것을 특징으로 하는 야지궤도차량의 구동성능 평가시스템과, 이를 이용한 야지궤도차량의 구동성능 평가방법이 제공된다.

Description

궤도-지반 상호작용을 고려한 야지궤도차량의 구동성능 평가방법 및 평가시스템{Method and System for Evaluating Tractive Performance of Off-road Tracked Vehicle}
본 발명은 야지(野地) 위를 구동하는 야지궤도차량(野地軌道車輛)의 구동성능을 정량적으로 평가하는 방법과 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 건설중장비, 군사용 차량 등에 활용되는 야지궤도차량에 대하여 슬립율을 고려한 궤도-지반 상호작용을 바탕으로 하여 지반 및 야지궤도차량의 특성에 따른 지반추력과 구동저항력을 분석함으로써, 견인력, 등판능력 등의 평가요소를 야지궤도차량의 구동성능을 평가할 수 있는 정량적인 지표(평가요소)로서 제시하게 되는 "궤도-지반 상호작용을 고려한 야지궤도차량의 구동성능 평가방법 및 평가시스템"에 관한 것이다.
표면에 그라우저(grouser)가 구비된 궤도를 이용하여 주행하는 궤도차량이 포장도로를 주행할 경우, 궤도차량의 구동력은 궤도와 지면의 마찰에 의해 발생되며 차량의 엔진성능에 따라 구동성능이 결정된다. 반면에 궤도차량이 포장되지 않은 야지(野地) 또는 비교적 연약한 지반 위를 주행할 경우, 즉 야지궤도차량의 경우에는 지반과 궤도가 맞닿는 접지면("궤도-지반 접지면")에서 지반 전단현상 및 지반 침하현상이 발생하게 되며, 이로 인하여 궤도차량의 엔진에서 발생되는 추력의 전부를 유용한 구동력으로 전환시킬 수 없는 경우가 많다.
특히 야지궤도차량이 연약한 지반을 구동할 경우, 과도한 지반 침하 발생으로 인한 지반 저항력 증가로 야지궤도차량의 구동이 제한될 수 있으며, 차량 구동에 필요한 충분한 추진력(지반추력)을 확보하지 못할 경우에도 야지궤도차량의 구동이 제한되며 작업 수행이 불가능하게 된다. 특히, 해저에서 작업을 수행하는 해저궤도차량의 경우에는 부력에 의해 지반 추력이 감소하며 해수 항력저항에 의해 구동 저항력이 증가하므로 이를 고려한 구동성능 평가가 필수적이다. 따라서 해저궤도차량을 포함한 야지궤도차량의 효율적 활용을 위해서는 궤도-지반 상호작용을 고려한 야지궤도차량의 구동성능 평가가 필수적이다.
대한민국 등록특허 제10-1658895호에서는 궤도-지반 상호작용을 고려한 야지궤도차량의 구동성능 평가를 위한 방안으로서, 야지궤도차량의 궤도에 장착되어 있는 그라우저를 축소 모사한 모형체에 대해 야지궤도차량의 주행상황에 대응되는 지반 조건에서 그 성능을 시험할 수 있게 하는 시험장치 및 시험방법이 제시되었다. 위 대한민국 등록특허 제10-1658895호에서 제시된 기술은 모형체에 대한 실물 실험으로서, 지반의 전단강도특성 및 그라우저의 형상이 야지궤도차량의 구동성능에 미치는 영향을 정확히 분석하여 지반추력-슬립변위 관계를 도출하는데 매우 유용한 기술이지만, 궁극적으로는 최적의 그라우저 형상을 도출하는데 도움을 주는 것에 한정되고 있는 바, 야지궤도차량의 구동성능을 나타내는 견인력, 등판능력 등의 평가요소를 정량적으로 평가할 수 있는 구체적이고 현실적인 방안까지는 제시하고 있지 못하다.
대한민국 등록특허공보 제10-1658895호(2016. 09. 22. 공고).
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 야지궤도차량의 구동 메커니즘 및 궤도-지반 상호작용을 바탕으로 지반 및 야지궤도차량 특성에 따른 지반추력과 구동 저항력을 평가하고, 이를 통해서 야지궤도차량의 구동성능을 평가할 수 있는 견인력, 등판능력 등의 다양한 평가요소를 제시할 수 있으며, 이를 통해서 운영하고자 하는 야지궤도차량의 구동가능조건을 결정하고, 목표 지반에서 야지궤도차량의 구동효율성을 분석할 수 있도록 하여 야지궤도차량을 효율적으로 활용하는데 유용한 정보를 제공할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 프로그램 저장매체에 인코딩되어 실행되는 소프트웨어로 구현되는 모듈을 포함하여 구성된 평가시스템을 이용하여 야지궤도차량의 구동성능을 평가하는 방법으로서, 영향요소 입력모듈을 통한 영향요소 입력 단계; 기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈에 의해서 엔진추력과 궤도의 회전속도 간의 수학적 관계를 나타내는 <제1힘-속도 관계 곡선>을 도출하고, 최대 지반추력과 궤도의 회전속도 간의 수학적 관계를 나타내는 <제2힘-속도 관계 곡선>을 도출하며, 구동저항력(R)과 야지궤도차량의 이동속도 간의 수학적 관계를 나타내는 <제3힘-속도 관계 곡선>을 도출하는 단계(단계S1); 곡선 변환모듈에 의해서 <제1힘-속도 관계 곡선>을 엔진추력과 야지궤도차량의 이동속도 간의 수학적 관계를 나타내는 <제4힘-속도 관계 곡선>으로 변환시키는 단계(단계S2); 및 야지궤도차량의 구동성능을 평가하기 위하여 제시되는 평가요소를 산출하게 되는 평가요소 산출 단계(단계S3)를 포함하며; 상기 평가요소는 <견인력>, <등판능력>, <야지궤도차량의 최대 이동가능 속도>, <시간-야지궤도차량의 이동속도 곡선> 및 <구동효율 곡선>으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 것임을 특징으로 하는 야지궤도차량의 구동성능 평가방법이 제공된다.
또한 본 발명에서는 상기한 목적을 달성하기 위하여, 프로그램 저장매체에 인코딩되어 실행되는 소프트웨어로 구현되는 모듈을 포함하는 평가시스템으로서, 사용자가 영향요소를 입력하게 되는 영향요소 입력모듈; 엔진추력과 궤도의 회전속도 간의 수학적 관계를 나타내는 <제1힘-속도 관계 곡선>을 도출하고, 최대 지반추력과 궤도의 회전속도 간의 수학적 관계를 나타내는 <제2힘-속도 관계 곡선>을 도출하며, 구동저항력과 야지궤도차량의 이동속도 간의 수학적 관계를 나타내는 <제3힘-속도 관계 곡선>을 도출하는 기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈; <제1힘-속도 관계 곡선>을 엔진추력과 야지궤도차량의 이동속도 간의 수학적 관계를 나타내는 <제4힘-속도 관계 곡선>으로 변환시키는 곡선 변환모듈; 및 야지궤도차량의 구동성능을 평가하기 위하여 제시되는 평가요소를 산출하는 평가요소 산출모듈을 포함하며; <견인력>, <등판능력>, <야지궤도차량의 최대 이동가능 속도>, <시간-야지궤도차량의 이동속도 곡선> 및 <구동효율 곡선>으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 것이 상기한 평가요소로서 제시되는 것을 특징으로 하는 야지궤도차량의 구동성능 평가시스템이 제공된다.
본 발명에 의하면, 야지궤도차량의 구동성능을 평가할 수 있는 정량적인 평가요소가 제시된다. 따라서 본 발명을 이용하면 사용자는 제시된 평가요소를 통해서, 야지궤도차량을 더욱 효율적으로 활용할 수 있게 된다.
특히, 본 발명에서는 평가요소를 산출하여 제시함에 있어서, 슬립을 고려하게 되므로 실제 현장 상황을 반영한 평가요소를 제시할 수 있게 되는 장점이 있다. 즉, 본 발명에서는 곡선 변환모듈을 이용하여, 실제 야지궤도차량이 구동하게 될 지반의 슬립율을 반영하여 궤도의 회전속도를 야지궤도차량의 이동속도로 변환시키고, 이를 이용하여 엔진추력과 궤도의 회전속도의 수학적 관계를 나타내는 <제1힘-속도 관계 곡선>을 엔진추력과 엔지궤도차량의 이동속도의 수학적 관계를 나타내는 <제4힘-속도 관계 곡선>으로 변환시킨 후, 상기 <제4힘-속도 관계 곡선>을 이용하여 평가요소들을 정량적으로 산출하게 된다. 따라서 본 발명에 의하면, 야지궤도차량이 구동하게 될 실제 현장 상황을 반영한 현실적이고 정확한 평가요소를 제시할 수 있게 되는 장점이 발휘된다.
도 1은 본 발명에 따른 야지궤도차량 구동성능 평가시스템에 대한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 야지궤도차량 구동성능 평가방법에 대한 개략적인 흐름도
도 3은 기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈에 대한 개략적인 구성도이다.
도 4는 제1힘-속도 관계 곡선을 보여주는 개략적인 그래프도이다.
도 5는 제2힘-속도 관계 곡선을 보여주는 개략적인 그래프도이다.
도 6은 제3힘-속도 관계 곡선을 보여주는 개략적인 그래프도이다.
도 7은 슬립율, 지반추력 및 최대 지반추력 간의 관계를 보여주는 개략적인 그래프도이다.
도 8은 제4힘-속도 관계 곡선, 제3힘-속도 관계 곡선 및 제2힘-속도 관계 곡선이 함께 도시된 통합 야지궤도차량 이동속도 관계 그래프도이다.
도 9는 평가요소 산출모듈에 대한 개략적인 구성도이다.
도 10은 야지궤도차량이 구배지를 등판할 때 작용하는 힘관계를 보여주는 개략적인 자유물체도이다.
도 11은 시간-야지궤도차량 이동속도 곡선을 보여주는 개략적인 그래프도이다.
도 12는 야지궤도차량의 구동효율과 슬립율 간의 수학적 관계를 나타내는 구동효율 곡선을 보여주는 개략적인 그래프도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
야지궤도차량이 야지 위에서 구동할 때에는, 야지궤도차량의 엔진에서 발생하는 추진력("엔진추력")에 의해 궤도가 회전하면서 지반과 궤도가 맞닿는 접지면("궤도-지반 접지면")에는 전단하중과 야지궤도차량의 자중(自重)이 가해지게 되고, 그에 따라 궤도-지반 접지면에는 지반 전단현상 및 침하현상이 발생하게 된다. 아무리 큰 엔진추력이 지반에 가해지더라도 지반이 이를 지지하지 못하는 경우에는 전단현상(전단파괴)이 발생하게 되고 침하현상이 발생하게 되어 엔진추력이 모두 야지궤도차량의 유용한 추진력으로 전환될 수 없다는 것이다.
이와 같이 야지궤도차량이 야지 위로 구동할 때 궤도의 회전에 의해 궤도-지반 접지면에서는 전단현상과 침하현상이 발생하는 바, 전단현상으로 인하여 야기되는 전단력의 반력을 "지반추력(soil thrust)"이라고 하고, 침하현상으로 인하여 야기되는 힘은 "지반저항력(soil resistance)"라고 한다. 수학적으로는 야지궤도차량의 주행으로 인하여 궤도-지반 접지면에서 발생하는 전단응력을 전단력이 작용하는 전단면적에 대하여 적분함으로써 지반추력을 산출할 수 있다.
지반저항력은 야지궤도차량이 야지를 구동할 때 작용하게 되는 저항의 하나이며, 이러한 지반저항력 이외에도 유체에 의해 야지궤도차량의 전면에는 또다른 저항이 작용하게 되는데, 이러한 저항은 "유체항력"이다. 정리하면, 야지궤도차량이 야지를 구동할 때 작용하게 되는 저항력을 "구동저항력"이라고 부르게 되는데 구동저항력은 앞서 언급한 것처럼 지반의 침하현상으로 인한 <지반저항력>과 유체로 인하여 발생하는 <유체항력>으로 구분할 수 있는 것이다.
지반저항력은 다시 "다짐저항력(drag resistance)"과 "불도징저항력(bulldozing resistance)"으로 구분된다. 다짐저항력은 엔진추력의 일부가 지반을 침하시키는데 사용되기 때문에 발생하는 것이고, 불도징저항력은 야지궤도차량의 전면에 쌓인 지반으로부터 작용하는 수동토압에 의해 발생되는 것이다.
유체항력은 야지궤도차량이 야지 위에서 구동할 때 유체에 의해 야지궤도차량의 전면에 작용하는 힘으로써, 야지궤도차량이 운행되는 조건에 따라서는 공기 또는 해수에 의해 발생한다. 특히, 해수에 의한 유체항력은 공기에 비해 매우 크므로 해저에서 운행하게 되는 해저궤도차량의 경우에는, 야지궤도차량의 구동성능을 평가함에 있어서 반드시 해수에 의한 유체항력을 고려하여야 한다.
도 1에는 본 발명에 따른 야지궤도차량 구동성능 평가시스템에 대한 개략적인 구성도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에 따른 야지궤도차량 구동성능 평가방법에 대한 개략적인 흐름도가 도시되어 있다.
도면에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 야지궤도차량 구동성능 평가시스템(100)은, 야지궤도차량이 구동되는 조건(조건값), 야지궤도차량의 제원, 야지궤도차량이 주행하게 되는 지반의 각종 물성값 등을 영향요소로서 사용자가 입력하게 되는 영향요소 입력모듈(1), 기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈(2), 곡선 변환모듈(3) 및 평가요소 산출모듈(4)을 포함하여 구성된다.
<영향요소 입력모듈(1)>은 사용자가 "평가요소"를 산출하기 위하여 필요한 "영향요소"에 해당하는 각종 물성값 및 조건값을 설정하여 입력하기 위한 모듈이다.
<기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈(2)>은 입력된 영향요소를 이용하여 후술하는 <제1힘-속도 관계 곡선>, <제2힘-속도 관계 곡선> 및 <제3힘-속도 관계 곡선>을 도출하기 위한 모듈이다.
<곡선 변환모듈(3)>은, <제1힘-속도 관계 곡선>을 후술하는 <제4힘-속도 관계 곡선>으로 변환시키기 위한 모듈이다.
<평가요소 산출모듈(4)>은 <기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈(2)>에 의해 도출된 곡선들을 이용하여 사전에 정해진 다양한 평가요소를 연산하여 산출하는 모듈이다. 본 발명에서 상기한 여러 가지 <모듈>은 프로그램 저장매체(예를 들어 컴퓨터)에 인코딩되어 실행되는 소프트웨어로 구현될 수 있다.
본 발명에서는 <기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈(2)>에 의해, 야지궤도차량의 평가요소 산출에 기본이 되는 힘-속도 관계 곡선 즉, <제1힘-속도 관계 곡선>, <제2힘-속도 관계 곡선> 및 <제3힘-속도 관계 곡선>을 각각 도출하는 단계를 수행하게 된다(단계S1).
도 3에는 <기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈(2)>에 대한 개략적인 구성도가 도시되어 있는데, 본 발명에서 <기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈(2)>에는 <제1힘-속도 관계 곡선 도출모듈(21)>이 포함되어 있으며, <제1힘-속도 관계 곡선 도출모듈(21)>에서는 영향요소로서 입력된 각종 물성값 및 조건값을 이용하여, 엔진추력(FE)과 궤도의 회전속도(vT) 간의 수학적 관계를 나타내는 <제1힘-속도 관계 곡선>을 도출한다(단계 S1-1).
엔진추력(FE)은 야지궤도차량에 구비된 엔진이 궤도를 회전시키는 힘이며, 궤도의 회전속도(vT)는, 타원형을 이루고 있는 궤도의 전체 길이를, 야지궤도차량의 궤도에 구비된 그라우저가 특정 위치(초기 위치)에서 출발하여 궤도를 따라 한 번 순회한 후 다시 초기 위치로 돌아올 때까지 소요된 시간으로 나눈 값으로 정의된다.
엔진추력(FE)과 궤도의 회전속도(vT) 간의 관계는 기본적으로 야지궤도차량에 탑재된 엔진의 파워(P/일률)에 의해 결정된다. 파워는 힘과 속도의 곱이므로, 평가대상이 되는 야지궤도차량이 정해지면 그에 탑재된 엔진의 파워가 결정되고, 그에 따라 엔진추력(FE)와 궤도의 회전속도(vT)는 서로 반비례하는 관계를 가지게 된다. 이러한 엔진추력(FE)과 궤도의 회전속도(vT) 간의 구체적인 수학적 관계는 <제1힘-속도 관계 곡선>으로 표현될 수 있는데, 도 4에는 <제1힘-속도 관계 곡선>의 일예를 보여주는 개략적인 그래프도가 도시되어 있다. 도 4에서 가로축은 궤도의 회전속도(vT)를 나타내고, 세로축은 궤도의 회전속도에 따른 엔진추력(FE)을 나타낸다.
파워는 힘과 속도의 곱으로 표현된다. 따라서 야지궤도차량에 탑재된 엔진의 파워(Pmax)는 엔진추력과 궤도의 회전속도의 곱이 되며, 결국 엔진추력과 궤도의 회전속도는 반비례하는 관계 즉, 궤도의 회전속도가 증가함에 따라 엔진추력이 감소하게 되어 도 4에 도시된 도면부호 C1으로 표시된 <제1힘-속도 관계 곡선> 형태의 관계를 가진다. 따라서 사용자가 영향요소 입력모듈(1)을 통해서 영향요소로서 엔진의 파워 등의 각종 물성값 및 조건값을 입력하게 되면, <제1힘-속도 관계 곡선 도출모듈(21)>에서는 "야지궤도차량에 탑재된 엔진의 파워(Pmax)는 엔진추력과 궤도의 회전속도의 곱"이라는 수학적 관계에 의해 도 4의 C1과 같은 <제1힘-속도 관계 곡선>을 도출하게 된다.
한편, 본 발명에서 <기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈(2)>에는 <제2힘-속도 관계 곡선 도출모듈(22)>이 포함되어 있으며, 제2힘-속도 관계 곡선 도출모듈(22)에서는 영향요소로서 입력된 각종 물성값 및 조건값을 이용하여, 최대 지반추력(Fsmax)과 궤도의 회전속도(vT) 간의 수학적 관계를 나타내는 <제2힘-속도 관계 곡선>을 도출한다(단계 S1-2).
앞서 언급한 것처럼 지반추력은, 궤도의 회전에 의해 궤도-지반 접지면에서 발생하는 전단현상으로 인하여 야기되는 <전단력의 반력>에 해당한다. 이러한 지반추력은 궤도-지반 접지면에서 궤도로 인하여 발생하는 전단응력을 전단면적에 대해 적분함으로써 산출할 수 있다. 지반추력은 "저면 지반추력"와 "측면 지반추력"으로 구분할 수 있다. 따라서 "최대 지반추력(Fsmax)"은 아래의 수학식 1에 의해 산출할 수 있다.
Figure 112018036616487-pat00001
여기서, Fb는 최대 저면 지반추력이고, Fs는 최대 측면 지반추력이며, τb는 궤도 저면에서의 지반 전단강도(저면전단강도)이고, τs는 궤도 측면에서의 지반 전단강도(측면전단강도)이다. Ab는 궤도 저면에서의 전단파괴면적이고, As는 궤도의 한쪽 측면(궤도의 일측면)에서의 전단파괴면적인데, 궤도 폭(w), 궤도의 접지길이(L)(궤도가 지면에 접하는 길이), 및 궤도에 구비된 그라우저의 돌출높이(h)에 의해 Ab와 As를 각각 산출할 수 있다. 즉, 궤도 저면에서의 전단파괴면적 Ab는 지반에 궤도 저면이 투영된 면적에 해당하므로 궤도의 폭과 궤도의 접지길이의 곱(Ab = wㅧL)으로 산출되며, 궤도 일측면 전단파괴면적 As는 지반에 궤도 일측면이 투영된 면적에 해당하므로 그라우저의 돌출높이와 궤도의 접지길이의 곱(As = hㅧL)으로 산출된다.
여기서, 지반의 전단강도 τb, τs는 지반에서 발현될 수 있는 전단응력 중 가장 큰 값이고, 지반의 전단응력은 지반의 전단력을 면적으로 나눈 것인데, 지반의 전단강도는 다양한 공지의 수학모델(수학식)을 통해서 구할 수 있다. 아래의 수학식 2는 지반의 저면 전단강도를 산출하기 위한 공지의 수학식에 대한 일예이며, 아래의 수학식 3 내지 수학식 6은 각각 지반의 측면 전단강도를 산출하기 위한 공지의 수학식에 대한 일예이다.
Figure 112018036616487-pat00002
Figure 112018036616487-pat00003
Figure 112018036616487-pat00004
Figure 112018036616487-pat00005
Figure 112018036616487-pat00006
위의 수학식 2 내지 수학식 6에서, c는 지반의 점착력을 의미하며, Φ는 지반의 마찰각을 의미하고, Ka는 지반의 주동토압계수를 의미하며, Kp는 지반의 관입전단계수를 의미하고, σv '는 지반의 연직유효응력을 의미한다. 앞서 설명한 것처럼 L은 궤도의 접지길이를 의미하며, h는 궤도에 구비된 그라우저의 돌출높이를 의미한다.
따라서 사용자가 영향요소 입력모듈(1)을 통해서 영향요소로서 물성값 및 조건값을 입력하면 즉, 야지궤도차량의 제원 즉, 궤도 폭(w), 궤도의 접지길이(L) 및 궤도에 구비된 그라우저의 돌출높이(h)를 입력하고, 사전 실험 등에 의하여 파악하고 있는 지반의 물성값 즉, 지반의 점착력(c), 지반의 마찰각(Φ), 지반의 주동토압계수(Ka), 지반의 관입전단계수(Kp) 및 지반의 연직유효응력(σv ')을 입력하면, 제2힘-속도 관계 곡선 도출모듈(22)에서는 수학식 2에 의해 지반의 저면전단강도를 산출하고, 수학식 3 내지 수학식 6 중의 어느 하나에 의해 지반의 측면전단강도를 각각 산출한다. 또한 궤도 저면에서의 전단파괴면적 Ab 및 궤도 일측면 전단파괴면적 As을 앞서 설명한 바에 따라 산출한다.
이와 같이 지반의 저면전단강도 τb, 지반의 측면전단강도 τs, 궤도 저면에서의 전단파괴면적 Ab 및 궤도 일측면 전단파괴면적 As이 산출되면, 제2힘-속도 관계 곡선 도출모듈(22)는 앞서 설명한 수학식 1에 의하여 "최대 지반추력(Fsmax)"을 산출한다. 이와 같이 산출된 "최대 지반추력(Fsmax)"은 궤도의 회전속도(vT)의 변화와 무관한 값이 된다.
도 5에는 <제2힘-속도 관계 곡선>의 일예를 보여주는 개략적인 그래프도가 도시되어 있는데, 도 5에서 가로축은 궤도의 회전속도(vT)를 나타내고, 세로축은 궤도의 회전속도에 따른 최대 지반추력(Fsmax)을 나타낸다. 앞서 언급한 것처럼 최대 지반추력(Fsmax)은 궤도의 회전속도(vT)의 변화와 무관하므로, 도 5에서 도면부호 C2로 표시된 것처럼 최대 지반추력(Fsmax)과 궤도의 회전속도(vT) 간의 수학적 관계를 나타내는 <제2힘-속도 관계 곡선>은 비록 곡선이라는 이름을 가지지만 실질적으로는 수평한 직선으로 표현된다. 따라서 사용자가 영향요소로서 각종 물성값 및 조건값을 입력하게 되면, <제2힘-속도 관계 곡선 도출모듈(22)>은 상기한 과정을 통해서 도 5의 C2와 같은 <제2힘-속도 관계 곡선>을 도출한다.
앞서 언급한 것처럼, 야지궤도차량이 야지를 구동할 때 궤도의 회전에 의해 궤도-지반 접지면에서는 침하현상이 발생하게 되고, 이로 인하여 지반저항력(soil resistance)이 야기되며, 이는 야지궤도차량의 이동속도와 중요한 관계를 가진다. 지반저항력은 유체항력과 합하여 구동저항력이 된다. 따라서 본 발명에 있어서 <기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈(2)>에는 <제3힘-속도 관계 곡선 도출모듈(23)>이 포함되어 있으며, <제3힘-속도 관계 곡선 도출모듈(23)>에서는 위의 단계 S1-1 및 단계 S1-2와 병행하여 또는 이들 단계에 후속하여, 영향요소로서 입력된 각종 물성값 및 조건값을 이용하여, 구동저항력(R)과 야지궤도차량의 이동속도(vv) 간의 수학적 관계를 나타내는 <제3힘-속도 관계 곡선>을 도출한다(단계 S1-3).
구동저항력(R)은 앞서 언급한 것처럼 "지반저항력"과 "유체항력(Rd)"의 합으로 산출되는데, 이 때 지반저항력은 "다짐저항력(Rc)"과 "불도징저항력(Rb)"의 합으로 산출된다. 다짐저항력(Rc)은 지반을 침하시키는데 필요한 일(work)과 다짐저항력이 한 일(work)이 동일하다는 원리를 통해서 산출될 수 있는데, 이러한 다짐저항력(Rc)을 산출하기 위한 수학식은 다양한 형태로 공지되어 있으며 그 일예가 아래의 수학식 7로 기재되어 있다. 불도징저항력(Rb)은 궤도와 동일한 폭의 판을 이용하여 지반을 밀 때 소요되는 힘을 측정하여 반(半)경험적으로 산출될 수 있는데, 아래의 수학식 8의 형태로 불도징저항력(Rb)을 산출할 수 있는 공지의 수학식이 제안되어 있다.
유체항력(Rd)의 경우는 차원해석을 통해서 유도할 수 있는데, 유체항력(Rd)을 구할 수 있는 수학식이 아래의 수학식 9의 형태로 공지되어 있는 바, 이를 이용하여 유체항력(Rd)을 산출할 수 있다.
Figure 112018036616487-pat00007
Figure 112018036616487-pat00008
Figure 112018036616487-pat00009
여기서, n은 지반의 토양지수이고, kc는 점성에 의한 지반의 토양 변형상수이며, kΦ는 마찰에 의한 지반의 토양 변형상수이다. W는 야지궤도차량의 중량이고, γ는 지반의 흙 단위중량이며, Nc과 Nγ은 각각 지반의 마찰각에 의해 결정되는 "지지력 상수"이다. ρ는 야지궤도차량이 운행되는 환경에서 유체항력을 발휘하게 될 유체의 단위중량이고, Cd는 상기 유체의 항력계수이다. Af는 야지궤도차량의 전방투영면적이며, vv는 야지궤도차량의 이동속도이다. z는 지반침하량으로서, 지반에 대한 평판재하시험을 통해서 실험적으로 구하여 제시될 수도 있지만, 공지의 수학모델인 수학식 10에 의해 산출될 수도 있다.
Figure 112018036616487-pat00010
위 수학식 10에서 대문자 W는 야지궤도차량의 중량이고, 소문자 w는 야지궤도차량의 궤도 폭이며, L은 야지궤도차량의 궤도 접지길이이다. kc와 kΦ는 각각 점성 및 마찰에 의한 지반의 토양 변형상수이다.
따라서 사용자가 영향요소 입력모듈(1)을 통해서 야지궤도차량의 제원과, 사전 실험 등에 의하여 파악하고 있는 지반 및 유체의 각종 물성값들 즉, 지반의 토양지수(n), 점성에 의한 지반의 토양 변형상수(kc), 마찰에 의한 지반의 토양 변형상수(kΦ), 흙 단위중량(γ), 지반의 지지력 상수(Nc과 Nγ), 유체의 단위중량(ρ), 유체의 항력계수(Cd) 및 야지궤도차량의 전방투영면적(Af), 그리고 조건값을 영향요소로서 입력하면, 제3힘-속도 관계 곡선 도출모듈(23)에서는 입력정보를 이용하여 상기한 방법에 의해 다짐저항력(Rc), 불도징저항력(Rb) 및 유체항력(Rd)을 각각 산출하고, 아래의 수학식 11에 의해 구동저항력을 산출한다. 야지궤도차량이 해저면에서 운행된다면, 유체의 단위중량(ρ)과 유체의 항력계수(Cd)은 각각 해수(海水)의 단위중량과 해수의 항력계수가 된다.
Figure 112018036616487-pat00011
도 6에는 <제3힘-속도 관계 곡선>의 일예를 보여주는 개략적인 그래프도가 도시되어 있는데, 도 6에서 가로축은 야지궤도차량의 이동속도를 나타내고, 세로축은 야지궤도차량의 이동속도에 따른 구동저항력을 나타낸다. 위의 수학식 9에서 알 수 있듯이, 유체항력(Rd)은 야지궤도차량 이동속도(vv)의 함수이므로, 결국 수학식 11로 표현되는 구동저항력(R)은 야지궤도차량 이동속도(vv)의 함수가 된다. 따라서 <제3힘-속도 관계 곡선>은 도 6에서 도면부호 C3로 표시된 것과 같은 형태의 곡선이 된다. 사용자가 영향요소로서 각종 물성값 및 조건값을 입력하게 되면, <제3힘-속도 관계 곡선 도출모듈(23)>에서는 입력된 영향요소를 이용하여 상기한 과정을 통해서 도 5의 C3와 같은 <제3힘-속도 관계 곡선>을 도출한다.
위의 설명에서는 <제1힘-속도 관계 곡선>을 도출하는 것과, <제2힘-속도 관계 곡선>을 도출하는 것과, <제3힘-속도 관계 곡선>을 도출하는 것을 순차적으로 서술하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며 각각의 곡선 도출은 어느 것을 우선으로 수행하여도 무방하며, 동시에 병행하여 수행하여도 무방하다.
야지궤도차량의 경우에는, 궤도-지반 접지면에서 슬립(slip/전단현상)이 발생하게 되므로, 궤도 회전의 전부가 유용한 야지궤도차량의 이동으로 전환될 수 없으며, 따라서 이론적인 궤도의 회전속도와 실제 야지궤도차량의 이동속도는 서로 다르다. 본 발명에서는 이러한 점을 고려하여 <곡선 변환모듈(3)>을 구비하고 있으며, <곡선 변환모듈(3)>에서는 아래의 과정을 수행함으로써, 슬립율을 반영하여 궤도의 회전속도를 야지궤도차량의 이동속도로 변환시켜서, 이미 도출해놓은 <제1힘-속도 관계 곡선>을 <제4힘-속도 관계 곡선>으로 변환시키게 된다(곡선 변환 단계/ 단계 S2).
구체적으로 <곡선 변환모듈(3)>에서는, 단계 S1-1을 통해서 도출해놓은 엔진추력(FE)과 궤도의 회전속도(vT) 간의 관계를 나타내는 <제1힘-속도 관계 곡선>으로부터 엔진추력(FE)과 야지궤도차량 이동속도(vv) 간의 수학적 관계를 나타내는 <제4힘-속도 관계 곡선>을 도출하게 되는데, <제1힘-속도 관계 곡선>을 변환시켜서 <제4힘-속도 관계 곡선>을 도출하기 위해서는 우선 궤도의 회전속도(vT)와 슬립율(i) 간의 관계를 도출한다(단계 S2-1).
이론적으로 야지궤도차량의 이동속도(vv)와 궤도의 회전속도(vT)는 아래의 수학식 12와 같은 관계를 가진다. 아래의 수학식 12에서 i는 슬립율로서 0에서 1까지의 값이다.
Figure 112018036616487-pat00012
한편, 슬립율(i)는 지반추력(Fs)과 최대 지반추력(Fsmax) 간의 관계에도 영향을 미치는데, 지반추력(Fs)은 슬립율(i)이 증가함에 따라 함께 증가하지만 결국에는 최대 지반추력(Fsmax)에 수렴하게 된다. 도 7에는 슬립율(i), 지반추력(Fs) 및 최대 지반추력(Fsmax) 간의 이러한 관계를 보여주는 개략적인 그래프도가 도시되어 있으며, 슬립율(i), 지반추력(Fs) 및 최대 지반추력(Fsmax) 간의 관계는 아래의 수학식 13으로 표현된다. 아래의 수학식 13에서 K는 영향요소로서 입력되는 지반의 강성계수이고, L은 궤도의 접지길이이다.
Figure 112018036616487-pat00013
야지궤도차량에 있어서 엔진추력(FE)에 의해 지반추력(Fs)이 발현된다. 따라서 상기 수학식 13에서 지반추력(Fs)은 엔진추력(FE)으로 대체할 수 있다. 이미 도출해놓은 <제1힘-속도 관계 곡선>을 통해서 엔진추력(FE)과 궤도의 회전속도(vT) 간의 관계를 파악하고 있고, 상기한 수학식 13을 통해서 슬립율(i), 지반추력(Fs) 및 최대 지반추력(Fsmax) 간의 관계를 파악하고 있으며, 수학식 13에서 지반추력(Fs)을 엔진추력(FE)으로 대체할 수 있으므로, 이를 통해서 궤도의 회전속도(vT)와 슬립율(i) 간의 관계를 도출할 수 있다.
다만, 엔진추력(FE)은 최대 지반추력(Fsmax)에 의해 지배를 받는다. 엔진추력이 아무리 크더라도, 이러한 엔진추력에 의해 발현되는 지반추력은 최대 지반추력을 넘지 못하기 때문이다. 따라서 곡선 변환모듈(3)에서는 위와 같이 <제1힘-속도 관계 곡선>을 통해서 파악된 <엔진추력(FE)과 궤도의 회전속도(vT) 간의 관계>와 수학식 13으로 표현되는 <슬립율(i), 지반추력(Fs) 및 최대 지반추력(Fsmax) 간의 관계>를 이용하여 궤도의 회전속도(vT)와 슬립율(i) 간의 관계를 도출하되, 엔진추력(FE)의 값이 최대 지반추력(Fsmax) 이하인 경우에는, 위 수학식 13에서 지반추력(Fs)을 엔진추력(FE)으로 대체하여 수학식 13을 사용하게 되고, 엔진추력(FE)의 값이 최대 지반추력(Fsmax) 초과인 경우에는 최대 지반추력(Fsmax)을 지반추력의 값으로 사용하여 최종적으로 <궤도의 회전속도(vT)와 슬립율(i) 간의 관계>를 도출하게 된다.
아래에서는 <궤도의 회전속도(vT)와 슬립율(i) 간의 관계>를 도출하는 과정을 좀더 상세히 설명한다.
<제1힘-속도 관계 곡선>을 통해서 엔진추력(FE)과 궤도의 회전속도(vT) 간의 관계를 파악하고 있으므로, 소정 속도 간격마다 각각의 궤도의 회전속도에 대응하는 엔진추력을 산출할 수 있다. 즉, vT1일 때의 FE1을 알 수 있고, vT2일 때의 FE2을 알 수 있으며, vT3일 때의 FE3을 알 수 있는 것이다. 이렇게 궤도의 회전속도 vT1, vT2, vT3,...vTn일 때의 엔진추력 FE1, FE2, FE3,...FEn을 각각 도출할 수 있는데, 도출된 엔진추력 FE1, FE2, FE3,...FEn을 수학식 13의 지반추력(Fs)의 값으로 각각 대입하게 되면, 궤도의 회전속도 vT1, vT2, vT3,...vTn일 때의 슬립율 i1, i2, i3,...i1n을 알 수 있게 되어, 결국 궤도의 회전속도(vT)와 슬립율(i) 간의 관계를 도출하게 되는 것이다.
엔진추력(FE)의 값이 최대 지반추력(Fsmax) 이하인 경우에는, 위와 같이 궤도의 회전속도 vT1, vT2, vT3,...vTn일 때의 엔진추력 FE1, FE2, FE3,...FEn을 수학식 13의 지반추력(Fs)의 값으로 각각 대입하여 슬립율 i1, i2, i3,...i1n을 산출하면 되지만, 엔진추력(FE)의 값이 최대 지반추력(Fsmax) 초과인 경우에는 슬립율 i는 1의 값을 갖는 것으로 본다.
엔진추력(FE)의 값이 최대 지반추력(Fsmax) 초과인 경우, 수학식 13에서 지반추력(Fs)은 최대 지반추력(Fsmax)이 되는데, 그에 따라 수학식 13은 아래의 수학식 14로 바뀌게 된다.
Figure 112018036616487-pat00014
상기한 수학식 14가 성립하려면 iL/K가 무한대가 되어야 하는데, K는 영향요소로서 입력되는 지반의 강성계수 K는 궤도의 접지길이 L에 비하여 매우 작은 값이므로, 수학식 14가 성립하려면 결국 습립율 i은 1의 값을 가져야 하는 것이다. 이 때 슬립율 i의 값이 1이라는 것은, 지반에서 최대 지반추력이 발휘되어 궤도의 회전이 야지궤도차량의 이동으로 전환되지 못하고 미끄러져서 궤도가 헛돌고 있는 상태를 의미한다.
따라서 위에서 언급한 것처럼, 엔진추력(FE)의 값이 최대 지반추력(Fsmax) 이하인 경우에는, 수학식 13에서 궤도의 회전속도 vT1, vT2, vT3,...vTn일 때의 엔진추력 FE1, FE2, FE3,...FEn을 지반추력(Fs)의 값으로 각각 대입하여 슬립율 i1, i2, i3,...i1n을 산출하게 되고, 엔진추력(FE)의 값이 최대 지반추력(Fsmax) 초과하는 경우에는 슬립율 i는 1의 값을 갖는 것으로 보아서, 궤도의 회전속도(vT)와 슬립율(i) 간의 관계를 도출하는 것이다.
이와 같이 궤도의 회전속도(vT)와 슬립율(i) 간의 관계가 도출되면, 후속하여 곡선 변환모듈(3)에서는 기(旣)도출된 궤도의 회전속도(vT)와 슬립율(i) 간의 관계를 이용함으로써, 슬립율을 고려한 궤도의 회전속도(vT)와 야지궤도차량의 이동속도(vv)와의 수학적 관계를 도출한다(단계 S2-2).
앞서 설명한 것처럼 이론적으로 야지궤도차량의 이동속도(vv)와 궤도의 회전속도(vT)는 수학식 12와 같은 관계를 가진다. 따라서 단계 S2-1에서 궤도의 회전속도(vT)와 슬립율(i) 간의 관계가 도출되면, 수학식 12에 의해 궤도의 회전속도(vT)와 야지궤도차량의 이동속도(vv)와의 관계가 도출된다. 즉, 단계 S2-1을 통해서 궤도의 회전속도 vT1, vT2, vT3,...vTn일 때의 슬립율 i1, i2, i3,...i1n을 알고 있으므로, 이를 수학식 12에 대입하면, 궤도의 회전속도 vT1, vT2, vT3,...vTn일때의 야지궤도차량의 이동속도 vv1, vv2, vv3,...vvn을 알게 되어, 슬립율을 고려한 궤도의 회전속도(vT)와 야지궤도차량의 이동속도(vv)와의 관계가 도출되는 것이다.
궤도의 회전속도(vT)와 야지궤도차량의 이동속도(vv) 간의 수학적 관계가 도출되었으므로, 곡선 변환모듈(3)에서는 단계S1-1에 의해 <제1힘-속도 관계 곡선>의 형태로 도출해놓은 "엔진추력(FE)과 궤도의 회전속도(vT) 간의 관계"와, 단계S2-2에 의해 도출한 "궤도의 회전속도(vT)와 야지궤도차량의 이동속도(vv)와의 관계"를 함께 이용하여 엔진추력(FE)과 야지궤도차량의 이동속도(vv) 간의 수학적 관계를 나타내는 <제4힘-속도 관계 곡선>을 도출하게 된다(단계 S2-3). <제1힘-속도 관계 곡선>을 도출해놓은 상태이므로 궤도의 회전속도 vT1, vT2, vT3,...vTn일 때의 엔진추력 FE1, FE2, FE3,...FEn을 알고 있다. 그리고 궤도의 회전속도(vT)와 야지궤도차량의 이동속도(vv)와의 관계를 도출해놓은 상태이므로 궤도의 회전속도 vT1, vT2, vT3,...vTn일 때의 야지궤도차량의 이동속도 vv1, vv2, vv3,...vvn을 알고 있다. 따라서 이 두 관계에 의해 야지궤도차량의 이동속도 vv1, vv2, vv3,...vvn일 때의 엔진추력 FE1, FE2, FE3,...FEn을 알게 되는 것이고, 이는 엔진추력(FE)과 야지궤도차량의 이동속도(vv) 간의 수학적 관계이며, 이를 통해서 <제4힘-속도 관계 곡선>을 도출하게 되는 것이다.
도 4에서는 가로축을 "궤도 회전속도"로 하여 단계S1-1에 의해 도출된 <제1힘-속도 관계 곡선>만을 도시하였지만, 이제 위의 단계S2-3을 통해서 <제4힘-속도 관계 곡선>이 도출되었으므로, 이를 단계S1-3에서 도출된 <제3힘-속도 관계 곡선>과 함께 동일한 스케일로 도 8과 같이 표현할 수 있게 된다. 도 8에서 가로축은 속도 단위로서 "야지궤도차량의 이동속도"를 의미하며, 세로축은 힘을 의미한다. 단계S1-2에서 도출한 <제2힘-속도 관계 곡선>은 속도와 무관하므로, <제2힘-속도 관계 곡선>은 별도의 변환없이 그대로 수평한 직선의 그래프(도면부호 C2)로 표시할 수 있다.
<제1힘-속도 관계 곡선>은 도 8에서 도면부호 C1-1로 표시된 <제4힘-속도 관계 곡선>의 형태로 변환하여 <제2힘-속도 관계 곡선>(도면부호 C2)과 함께 동일한 스케일로 표현할 수 있다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이 가로축을 "야지궤도차량의 이동속도"로 하고 세로축을 "힘"으로 하여, 동일한 스케일로 <제4힘-속도 관계 곡선>, <제3힘-속도 관계 곡선> 및 <제2힘-속도 관계 곡선>이 함께 도시된 <통합 야지궤도차량 이동속도 관계 그래프>를 도출할 수 있는 것이다.
이와 같이 <제4힘-속도 관계 곡선>, <제3힘-속도 관계 곡선> 및 <제2힘-속도 관계 곡선>이 도출되면, 평가요소 산출모듈(4)에서는 도출된 결과로부터 야지궤도차량의 구동성능을 평가하는 지표가 되는 <평가요소>를 산출하게 된다(단계 S3).
본 발명에서 야지궤도차량의 구동성능을 평가하는 지표가 되는 <평가요소>는 아래와 같다.
(1) 견인력(Drawbar-pull)
야지궤도차량을 움직이게 하는 "순(純) 구동력"은 "견인력(牽引力)(DP/Drawbar-pull)"이라고 표현할 수 있는데, 수학적으로 견인력은, 야지궤도차량의 엔진추력과 최대 지반추력 중에서 작은 값에서 야지궤도차량이 구동하게 될 지반에서 발현될 구동저항력의 값을 뺀 값으로 산출되는데, 도 8에 도시된 <통합 야지궤도차량 이동속도 관계 그래프>에서는 <제4힘-속도 관계 곡선>과 <제3힘-속도 관계 곡선> 간의 <힘의 차이값>으로 견인력이 산출된다. <제4힘-속도 관계 곡선>에서 산출되는 특정 야지궤도차량 이동속도일 때의 엔진추력 값에서, <제3힘-속도 관계 곡선>에서 산출되는 특정 야지궤도차량 이동속도일 때의 구동저항력 값을 뺀 값이 해당 야지궤도차량 이동속도에서의 견인력이 되는 것이다.
도 9에는 평가요소 산출모듈(4)에 대한 개략적인 구성도가 도시되어 있는데, 본 발명에서 <평가요소 산출모듈(4)>에는 <견인력 산출모듈(41)>이 포함되어 있다. <견인력 산출모듈(41)>에서는, 기(旣)도출된 <제4힘-속도 관계 곡선>, <제3힘-속도 관계 곡선> 및 <제2힘-속도 관계 곡선>을 이용하여, 야지궤도차량 이동속도에 따른 견인력을 산출하여, 이를 야지궤도차량의 구동성능을 평가하는 <평가요소>의 하나로 사용자에게 제시하게 된다(단계S3-1).
(2) 야지궤도차량의 최대 이동가능 속도
야지궤도차량은 견인력이 0(zero)보다 큰 경우에만 이동할 수 있으므로, 구동저항력이 엔진추력보다 커지게 되면 야지궤도차량은 지반 위로 이동할 수 없게 된다. 즉, 구동저항력이 엔진추력보다 커지기 시작할 때의 야지궤도차량의 이동속도가 "야지궤도차량의 최대 이동가능 속도"가 되는 것이다.
따라서 본 발명에서 <평가요소 산출모듈(4)>에는 <차량 최대 이동가능 속도 산출모듈(42)>이 포함되어 있으며, <차량 최대 이동가능 속도 산출모듈(42)>에서는, 기(旣)도출된 힘-속도 관계 곡선을 이용하여 <통합 야지궤도차량 이동속도 관계 그래프>를 그렸을 때, <제4힘-속도 관계 곡선> 및 <제3힘-속도 관계 곡선>이 교차하여 엔진추력과 구동저항력이 역전되기 시작할 때의 야지궤도차량 이동속도를 산출하여, 이를 야지궤도차량의 구동성능을 평가하는 지표 중의 하나인 <야지궤도차량의 최대 구동가능 속도>로 제시하게 된다(단계S3-2).
(3) 등판능력(slope climbing ability)
등판능력은 야지궤도차량이 구배지를 등판할 수 있는 능력을 의미하는 것이다. 일반적으로 야지궤도차량은 평탄하지 않으며 구배가 존재하는 지반(구배지) 위를 구동한다. 따라서 야지궤도차량이 야지에서 원활하게 작업을 수행할 수 있으려면 충분한 등판능력을 확보하는 것이 필수적이다.
도 10에는 야지궤도차량이 구배지를 등판할 때 작용하는 힘관계를 보여주는 개략적인 자유물체도가 도시되어 있다. 임의의 각도 α의 경사를 가지는 구배를 등판하는 야지에 작용하는 힘 W는 아래의 수학식 15로 표현되는 수학적인 관계를 가진다.
Figure 112018036616487-pat00015
여기서, FH는 궤도-지반 접지면에 가해지는 수평력이고, FN는 궤도-지반 접지면에 가해지는 연직력이다.
야지궤도차량의 구동 시, 궤도-지반 접지면에서 발현될 수 있는 최대 수평력(FH(max))은 견인력과 같으므로, 야지궤도차량이 등판할 수 있는 최대각도(최대등판각도)(
Figure 112018036616487-pat00016
)는 아래의 수학식 16과 같이 견인력(DP)과 연직력(FN)의 비(단위 연직력 당 발현되는 견인력의 크기)로 나타낼 수 있다.
Figure 112018036616487-pat00017
위의 수학식 16에서 Fs는 지반추력을 의미하며, R은 구동저항력을 의미한다. 연직력 FN는 실질적으로 야지궤도차량의 중량과 동일하다.
야지궤도차량이 평탄하지 않은 해저지반 위를 자유롭게 구동하면서 원활하게 작업을 수행하기 위해서는 작업목표에 따라서 야지궤도차량의 이동속도마다 충분한 최대 등판각도를 확보할 필요가 있다. 따라서 본 발명에 있어서 <평가요소 산출모듈(4)>에는 <등판능력 산출모듈(43)>이 포함되어 있으며, <등판능력 산출모듈(43)>에서는 위와 같은 과정에 의해 야지궤도차량의 최대등판각도를 산출하여 야지궤도차량의 구동성능을 평가하는 지표 중의 하나인 <등판능력>으로 제시하게 된다(단계S3-3).
예를 들어, 야지궤도차량에 대해 산출되어 제시된 등판능력이, 해당 지반에서 야지궤도차량을 구동시키고 필요한 작업을 수행하는데 필요한 요구 정도에 미치지 못할 경우에는 견인력을 증가시키고 침하를 제한하여 구동 저항력을 감소시킬 수 있도록, 추진기 및 부력 장치 등의 추가적인 장비를 야지궤도차량과 함께 사용하는 등의 적절한 보완조치를 취하게 된다.
(4) 시간-야지궤도차량의 이동속도 곡선
야지궤도차량의 이동속도의 변화는 야지궤도차량의 구동성능을 평가하는데 매우 유용한 지표가 될 수 있다. 따라서 본 발명에서 <평가요소 산출모듈(4)>에는 <차량 이동속도 곡선 도출모듈(44)>이 포함되어 있으며, <차량 이동속도 곡선 도출모듈(44)>에서는 시간에 따른 야지궤도차량의 이동속도를 산출하고, 산출된 결과를 그래프로 표현한 <시간-야지궤도차량 이동속도 곡선>을 도출함으로써, 이를 야지궤도차량의 구동성능 평가요소로 제시하게 된다(단계S3-4).
위에서 설명한 것처럼, 야지궤도차량의 견인력은 야지궤도차량을 움직이게 하는 "순(純) 구동력"을 의미한다. 따라서 도 8에 도시된 <제4힘-속도 관계 곡선>과 <제3힘-속도 관계 곡선> 관계에서 연직한 화살표 V1으로 표시된 것이 "견인력"에 해당하게 된다. 야지궤도차량의 질량은 기지의 값이므로, 야지궤도차량의 견인력을 알게 되면 야지궤도차량에 작용하는 "가속도"를 알게 된다.
그런데 도 8에 도시된 것처럼 야지궤도차량의 견인력은 야지궤도차량의 이동속도에 따라 변하기 때문에, 야지궤도차량 이동속도의 최초값 즉, 야지궤도차량의 최초 이동속도(일반적으로는 0(zero))에서부터 야지궤도차량의 최대 구동가능 속도에 이르기까지의 "가속도" 역시 가변적이다. 특히, 야지궤도차량의 가속도는 야지궤도차량의 이동속도가 증가함에 따라 점차 감소하므로, 시간에 따른 야지궤도차량의 이동속도는 위의 설명을 통해서 제시된 "야지궤도차량의 최대 구동가능 속도"에 수렴하게 되고, 그에 따라 시간에 따른 야지궤도차량의 이동속도의 관계를 나타내는 <시간-야지궤도차량 이동속도 곡선>은 도 11에 예시된 형태의 곡선이 된다. 따라서 평가요소 산출모듈(4)에 구비된 <차량 이동속도 곡선 도출모듈(44)>에서는 아래와 같은 구체적인 과정을 수행함으로써, <시간-야지궤도차량 이동속도 곡선>을 도출하여, 이를 야지궤도차량의 구동성능을 평가하는 지표 중의 하나로 제시하게 된다.
<시간-야지궤도차량 이동속도 곡선>을 도출하기 위해서, 우선 기(旣)도출한 <제4힘-속도 관계 곡선>과 <제3힘-속도 관계 곡선>, 그리고 <제2힘-속도 관계 곡선>을 이용하여 야지궤도차량의 최초 이동속도 vv1에서의 견인력을 연산하고, 기지의 야지궤도차량 중량을 이용하여 야지궤도차량의 최초 이동속도 vv1에서의 최초 가속도 a1을 연산한다. 연산된 야지궤도차량의 최초 이동속도 vv1와 최초 가속도 a1을 이용하여 단위 시간 후 즉, t1후의 야지궤도차량의 이동속도 vv2를 연산하고 이와 병행하여 야지궤도차량의 이동속도 vv2에서의 견인력을 연산하고 기지의 야지궤도차량 중량을 이용하여 이때의 가속도 a2를 연산한다. 후속하여 야지궤도차량의 이동속도 vv2와 야지궤도차량의 가속도 a2를 이용하여 다음 단위 시간 후의 야지궤도차량의 이동속도 vv3를 연산하고 야지궤도차량의 이동속도 vv3에서의 견인력을 연산하여 기지의 야지궤도차량 중량을 이용하여 이때의 야지궤도차량의 가속도 a3을 연산한다. 이와 같은 방식으로 단위 시간마다 야지궤도차량의 이동속도와 그때의 가속도를 연산하는 과정을 반복 수행함으로써 <시간-야지궤도차량 이동속도 곡선>을 도출하고, 이렇게 도출된 <시간-야지궤도차량 이동속도 곡선>을 야지궤도차량의 구동성능을 평가하는 지표로서 제시하는 것이다.
(5) 구동효율 곡선
앞서 살펴본 것처럼, 야지궤도차량이 구동할 때 궤도-지반 접지면에서는 전단현상(슬립)이 발생하는데, 이러한 슬립은 아래의 두 가지의 상반된 효과를 가져온다.
- 슬립 발생 → 지반의 전단응력 발현 → 지반추력 발현
- 슬립 발생 → 궤도-지반간의 상대변위 발생 → 궤도가 헛도는 현상 발생
구동효율은 아래의 수학식 17로 정의할 수 있다. 아래의 수학식 17에서 i는 슬립율이다.
Figure 112018036616487-pat00018
위 수학식 17에서 [(지반추력-구동저항력)/지반추력] 항목은 슬립율(i)이 증가할수록 함께 증가한다. 슬립율이 증가하면 위 수학식 17의 [(지반추력-구동저항력)/지반추력]에서 분자에 해당하는 지반추력과 구동저항력이 모두 증가하지만, 지반추력이 더 빠르게 증가하기 때문이다. 반면에 수학식 17에서 (1-i) 항목은 슬립율(i)이 증가할수록 당연히 감소한다.
따라서 야지궤도차량의 구동효율과 슬립율은 볼록한 곡선으로 표현되는 수학적 관계를 가진다. 도 12에는 이러한 야지궤도차량의 구동효율과 슬립율 간의 수학적 관계를 나타내는 <구동효율 곡선>의 일예가 도시되어 있다.
본 발명에서 <평가요소 산출모듈(4)>에는 <구동효율 곡선 도출모듈(45)>이 포함되어 있다. 위에서 설명한 단계에서 슬립율에 따른 지반추력 및 슬립율에 따른 구동저항력을 구하는 관계는 설명되었는 바, <구동효율 곡선 도출모듈(45)>에서는 상기한 관계 및 과정을 통해서 슬립율 i를 0에서부터 1까지 사전에 정해진 증분으로 점차 증가시켜가면서 상술한 관계를 통해서 수학식 17로로 정의되는 구동효율을 산정하여 <구동효율 곡선>을 도출함으로써 이를 야지궤도차량의 구동성능을 평가하는 요소(평가요소)로서 제시한다(단계S3-5). 구동효율이 최대일 때의 슬립율을 가지도록 야지궤도차량의 초기 주행환경을 설정하게 되면 야지궤도차량의 효율적인 운용이 가능하게 된다.
위의 설명에서는 평가요소로서 견인력, 차량 최대 이동가능 속도, 등판능력, 차량 이동속도 곡선, 및 구동효율 곡선 각각을 도출하는 것을 순차적으로 서술하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며 상기한 평가요소 각각은 어느 것을 우선으로 수행하여도 무방하며, 동시에 병행하여 수행하여도 무방하다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 야지궤도차량의 구동성능을 평가할 수 있는 평가요소가 제시되고, 이러한 평가요소는 정량적인 것이므로, 사용자는 제시된 평가요소를 통해서, 야지궤도차량을 더욱 효율적으로 활용할 수 있게 된다. 예를 들어, 야지궤도차량에 대해 산출되어 제시된 등판능력이, 해당 지반에서 야지궤도차량을 구동시키고 필요한 작업을 수행하는데 필요한 요구 정도에 미치지 못할 경우에는 견인력을 증가시키고 침하를 제한하여 구동 저항력을 감소시킬 수 있도록, 추진기 및 부력 장치 등의 추가적인 장비를 야지궤도차량과 함께 사용하는 등의 적절한 보완조치를 취할 수 있으며, 이를 통해서 야지궤도차량을 이용한 작업을 효율적으로 수행할 수 있게 되는 것이다.
특히, 본 발명에서는 평가요소를 산출하여 제시함에 있어서, 슬립을 고려하게 되므로 실제 현장 상황을 반영한 평가요소를 제시할 수 있게 되는 장점이 있다. 앞서 언급한 것처럼, 야지궤도차량의 경우에는, 궤도-지반 접지면에서 슬립(slip/전단현상)이 발생하게 되므로, 궤도의 회전 전부가 유용한 야지궤도차량의 이동으로 전환될 수 없다. 따라서 야지궤도차량의 구동성능을 평가함에 있어서, 이러한 슬립을 고려하지 않는 경우에는 야지궤도차량의 구동성능을 과대평가하게 되는 문제점이 발생하게 된다.
그러나 본 발명에서는 곡선 변환모듈(3)을 이용하여, 실제 야지궤도차량이 구동하게 될 지반의 슬립율을 반영하여 궤도의 회전속도를 야지궤도차량의 이동속도로 변환시키고, 이를 이용하여 <제1힘-속도 관계 곡선>을 <제4힘-속도 관계 곡선>으로 변환시킨 후, 상기 <제4힘-속도 관계 곡선>을 이용하여 상술한 평가요소들을 정량적으로 산출하게 된다. 따라서 본 발명에서는 야지궤도차량이 구동하게 될 실제 현장 상황을 반영한 현실적이고 정확한 평가요소를 제시할 수 있게 되는 장점이 발휘된다.
1: 영향요소 입력모듈
2: 기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈
3: 곡선 변환모듈
4: 평가요소 산출모듈

Claims (8)

  1. 영향요소 입력모듈을 통한 영향요소 입력 단계;
    기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈에 의해서 야지궤도차량의 엔진추력 FE과 궤도의 회전속도 vT 간의 수학적 관계를 나타내는 "제1힘-속도 관계 곡선"을 도출하고, 야지궤도차량의 최대 지반추력 Fsmax과 궤도의 회전속도 vT 간의 수학적 관계를 나타내는 "제2힘-속도 관계 곡선"을 도출하며, 구동저항력 R과 야지궤도차량의 이동속도 vv 간의 수학적 관계를 나타내는 "제3힘-속도 관계 곡선"을 도출하는 단계;
    곡선 변환모듈에 의해서 "제1힘-속도 관계 곡선"을 야지궤도차량의 엔진추력 FE과 야지궤도차량의 이동속도 vv 간의 수학적 관계를 나타내는 "제4힘-속도 관계 곡선"으로 변환하는 단계; 및
    평가요소 산출모듈에 의해서, 상기 "제2힘-속도 관계 곡선", 상기 "제3힘-속도 관계 곡선" 및 상기 "제4힘-속도 관계 곡선"으로부터, 평가요소로서 야지궤도차량의 구동효율과 슬립율 간의 수학적 관계를 나타내는 <구동효율 곡선>을 산출하고, 추가적으로 <견인력>, <등판능력>, <야지궤도차량의 최대 이동가능 속도>, 및 시간과 야지궤도차량의 이동속도 간의 수학적 관계를 나타내는 <시간-야지궤도차량의 이동속도 곡선>으로 이루어진 평가요소 그룹에서 선택된 하나 이상의 것을 더 산출하여, 산출된 결과를 야지궤도차량의 구동성능 평가를 위한 평가요소로서 제시하는 단계를 포함하는데;
    상기 곡선 변환모듈에서는, 상기 "제1힘-속도 관계 곡선"을 상기 "제4힘-속도 관계 곡선"으로 변환시키기 위하여, 엔진추력 FE과 궤도의 회전속도 vT 간의 관계를 나타내는 "제1힘-속도 관계 곡선"을 이용하여, 사전에 정해진 속도 간격마다 각각의 궤도의 회전속도에 대응하는 엔진추력을 산출하고, 산출된 엔진추력의 값이 최대 지반추력 Fsmax 이하일 경우에는 산출된 엔진추력의 값을 지반추력의 값으로 하여 수학식 13을 이용하고, 산출된 엔진추력의 값이 최대 지반추력 Fsmax을 초과하는 경우에는 슬립율 i이 1의 값을 갖는 것으로 함으로써, <궤도의 회전속도 vT와 슬립율 i 간의 수학적 관계>를 도출하고;
    수학식 12에 의해 궤도의 회전속도 vT와 야지궤도차량의 이동속도 vv 간의 슬립율을 고려한 수학적 관계를 도출하고;
    도출된 <궤도의 회전속도와 야지궤도차량의 이동속도의 수학적 관계> 및 이미 도출해놓은 상기 "제1힘-속도 관계 곡선"으로 표현되는 <엔진추력과 궤도의 회전속도 간의 수학적 관계>를 이용하여, 야지궤도차량의 엔진추력 FE과 야지궤도차량의 이동속도 vv 간의 수학적 관계를 나타내는 상기 "제4힘-속도 관계 곡선"을 도출하게 되며;
    평가요소로서 상기 <구동효율 곡선>은, 상기 평가요소 산출모듈에 포함된 구동효율 곡선 도출모듈에 의해 도출되는데,
    구동효율 곡선 도출모듈에서는, 수학식 13으로 표현되는 슬립율 i와 지반추력 FS과 최대지반추력 Fsmax 간의 수학적 관계, 및 구동저항력 R을 이용하여, 슬립율 i를 0에서부터 1까지 사전에 정해진 증분으로 점차 증가시켜가면서 수학식 17로 정의되는 구동효율을 산정하여 <구동효율 곡선>을 도출하여 제시하는 것을 특징으로 하는 야지궤도차량의 구동성능 평가방법.
    (수학식 12)
    Figure 112019053246217-pat00031

    (수학식 13)
    Figure 112019053246217-pat00032

    (수학식 17)
    Figure 112019053246217-pat00033

    (수학식 12, 수학식 13 및 수학식 17에서, vv는 야지궤도차량의 이동속도이고, vT는 궤도의 회전속도이며, i는 슬립율이고, K는 영향요소로서 입력되는 지반의 강성계수이며, L은 궤도의 접지길이이다.)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 "제2힘-속도 관계 곡선"을 도출하기 위하여, 상기 기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈에 구비된 제2힘-속도 관계 곡선 도출모듈에서는, 상기 영향요소 입력모듈을 통해서 입력된 영향요소를 이용하여 지반의 저면전단강도를 산출하여 궤도 저면에서의 지반 전단응력을 산출하고, 지반의 측면전단강도를 산출하여 궤도 측면에서의 지반 전단응력을 산출하여, 궤도 저면에서의 지반 전단응력을 궤도 저면의 면적에 대해 적분하고, 궤도 측면에서의 지반 전단응력을 궤도 양측면의 면적에 대해 적분하여 합산함으로써, 최대 지반추력 값을 산출하며;
    상기 "제3힘-속도 관계 곡선"을 도출하기 위하여, 상기 기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈에 구비된 제3힘-속도 관계 곡선 도출모듈에서는, 상기 영향요소 입력모듈을 통해서 입력된 영향요소를 이용하여 다짐저항력, 불도징저항력 및 유체항력을 각각 산출하고, 이를 합산하여 구동저항력을 산출하는 것을 특징으로 하는 야지궤도차량의 구동성능 평가방법.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    평가요소로서 상기 <견인력>은, 상기 평가요소 산출모듈에 포함된 견인력 산출모듈에 의해 산출되는데,
    상기 견인력 산출모듈에서는, 상기 "제4힘-속도 관계 곡선"과 상기 "제3힘-속도 관계 곡선" 간의 "힘의 차이값"을 상기 <견인력>으로 산출하는 것을 특징으로 하는 야지궤도차량의 구동성능 평가방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    평가요소로서 상기 <야지궤도차량의 최대 이동가능 속도>는, 상기 평가요소 산출모듈에 포함된 차량 최대 이동가능 속도 산출모듈에 의해 산출되는데,
    상기 차량 최대 이동가능 속도 산출모듈에서는, 상기 "제4힘-속도 관계 곡선" 및 상기 "제3힘-속도 관계 곡선"이 교차하여 엔진추력과 구동저항력이 역전되기 시작할 때의 야지궤도차량 이동속도를 상기 <야지궤도차량의 최대 이동가능 속도>로서 산출하는 것을 특징으로 하는 야지궤도차량의 구동성능 평가방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    평가요소로서 상기 <등판능력>은, 상기 평가요소 산출모듈에 포함된 등판능력 산출모듈에 의해 산출되는데,
    상기 등판능력 산출모듈에서는, 궤도-지반 접지면에 가해지는 연직력과 이때의 견인력에 의해 산출된 "야지궤도차량의 최대등판각도 값"을 산출하여 이를 상기 <등판능력>으로 제시하는 것을 특징으로 하는 야지궤도차량의 구동성능 평가방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    평가요소로서 상기 <시간-야지궤도차량의 이동속도 곡선>은, 상기 평가요소 산출모듈에 포함된 차량 이동속도 곡선 도출모듈에 의해 도출되는데,
    상기 차량 이동속도 곡선 도출모듈에서는, 상기 "제4힘-속도 관계 곡선", 상기 "제3힘-속도 관계 곡선", 및 상기 "제2힘-속도 관계 곡선"을 이용하여 야지궤도차량의 최초 이동속도에서의 견인력을 연산하고, 기지의 야지궤도차량 중량을 이용하여 야지궤도차량의 최초 이동속도에서의 최초 가속도를 연산한 후, 연산된 야지궤도차량의 최초 이동속도와 최초 가속도를 이용하여 단위 시간 후의 야지궤도차량의 이동속도를 연산하고 이와 병행하여 야지궤도차량의 이동속도에서의 견인력을 연산하고 기지의 야지궤도차량 중량을 이용하여 이때의 가속도를 연산하며, 후속하여 상기 단위 시간 후의 야지궤도차량의 이동속도와 야지궤도차량의 가속도를 이용하여 다음 단위 시간 후의 야지궤도차량의 이동속도를 연산하고 이때의 야지궤도차량의 이동속도에서의 견인력을 연산하여 기지의 야지궤도차량 중량을 이용하여 이때의 야지궤도차량의 가속도를 연산하는 것을, 단위 시간마다 반복 수행함으로써 상기 <시간-야지궤도차량 이동속도 곡선>을 도출하는 것을 특징으로 하는 야지궤도차량의 구동성능 평가방법.
  8. 프로그램 저장매체에 인코딩되어 실행되는 소프트웨어로 구현되는 모듈을 포함하는데,
    사용자가 영향요소를 입력하게 되는 영향요소 입력모듈;
    엔진추력 FE과 궤도의 회전속도 vT 간의 수학적 관계를 나타내는 "제1힘-속도 관계 곡선"을 도출하고, 야지궤도차량의 최대 지반추력 Fsmax과 궤도의 회전속도 vT 간의 수학적 관계를 나타내는 "제2힘-속도 관계 곡선"을 도출하며, 구동저항력 R과 야지궤도차량의 이동속도 vv 간의 수학적 관계를 나타내는 "제3힘-속도 관계 곡선"을 도출하는 기본 힘-속도 관계 곡선 도출모듈;
    상기 "제1힘-속도 관계 곡선"을 야지궤도차량의 엔진추력과 야지궤도차량 이동속도 간의 수학적 관계를 나타내는 "제4힘-속도 관계 곡선"으로 변환시키는 곡선 변환모듈; 및
    상기 "제2힘-속도 관계 곡선", 상기 "제3힘-속도 관계 곡선" 및 상기 "제4힘-속도 관계 곡선"으로부터, <견인력>, <등판능력>, <야지궤도차량의 최대 이동가능 속도>, 시간과 야지궤도차량의 이동속도 간의 수학적 관계를 나타내는 <시간-야지궤도차량의 이동속도 곡선>, 및 야지궤도차량의 구동효율과 슬립율 간의 수학적 관계를 나타내는 <구동효율 곡선>으로 이루어진 평가요소 그룹에서 선택된 하나 이상의 것을 산출하여, 산출된 결과를 야지궤도차량의 구동성능 평가를 위한 평가요소로서 제시하는 평가요소 산출모듈을 포함하여 구성되며;
    상기 곡선 변환모듈에서는, 상기 "제1힘-속도 관계 곡선"을 상기 "제4힘-속도 관계 곡선"으로 변환시키기 위하여, 엔진추력 FE과 궤도의 회전속도 vT 간의 관계를 나타내는 "제1힘-속도 관계 곡선"을 이용하여, 사전에 정해진 속도 간격마다 각각의 궤도의 회전속도에 대응하는 엔진추력을 산출하고, 산출된 엔진추력의 값이 최대 지반추력 Fsmax 이하일 경우에는 산출된 엔진추력의 값을 지반추력의 값으로 하여 수학식 13을 이용하고, 산출된 엔진추력의 값이 최대 지반추력 Fsmax을 초과하는 경우에는 슬립율 i이 1의 값을 갖는 것으로 함으로써, <궤도의 회전속도 vT와 슬립율 i 간의 수학적 관계>를 도출하고;
    수학식 12에 의해 궤도의 회전속도 vT와 야지궤도차량의 이동속도 vv 간의 슬립율을 고려한 수학적 관계를 도출하고;
    도출된 <궤도의 회전속도와 야지궤도차량의 이동속도의 수학적 관계> 및 이미 도출해놓은 상기 "제1힘-속도 관계 곡선"으로 표현되는 <엔진추력과 궤도의 회전속도 간의 수학적 관계>를 이용하여, 야지궤도차량의 엔진추력 FE과 야지궤도차량의 이동속도 vv 간의 수학적 관계를 나타내는 상기 "제4힘-속도 관계 곡선"을 도출하며;
    상기 평가요소 산출모듈에는, 평가요소로서 상기 <구동효율 곡선>을 도출하는 구동효율 곡선 도출모듈이 포함되어 있는데,
    구동효율 곡선 도출모듈에서는, 수학식 13으로 표현되는 슬립율 i와 지반추력 FS과 최대지반추력 Fsmax 간의 수학적 관계, 및 구동저항력 R을 이용하여, 슬립율 i를 0에서부터 1까지 사전에 정해진 증분으로 점차 증가시켜가면서 수학식 17로 정의되는 구동효율을 산정하여 <구동효율 곡선>을 도출하여 제시하는 것을 특징으로 하는 야지궤도차량의 구동성능 평가시스템.
    (수학식 12)
    Figure 112019053246217-pat00034

    (수학식 13)
    Figure 112019053246217-pat00035

    (수학식 17)
    Figure 112019053246217-pat00036


    (수학식 12, 수학식 13 및 수학식 17에서, vv는 야지궤도차량의 이동속도이고, vT는 궤도의 회전속도이며, i는 슬립율이고, K는 영향요소로서 입력되는 지반의 강성계수이며, L은 궤도의 접지길이이다.)


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