Evaluation of an Off-Road Tracked Vehicle Performance Based on Soil-Track Interaction

Abstract

궤도차량의 종류로는 군용 탱크, 건설용, 농업용 기계 등이 있으며 최근에는 해양건설시장의 확대로 인해 수중건설시장이 커짐에 따라 수요가 증가한 수중건설로봇 또한 궤도차량이 이용된다. 20tonf 이상의 높은 중량을 가지고 비교적 연약한 지반을 구동하는 궤도차량의 경우 충분한 구동성능을 확보하기 위하여 접지압을 낮추고 일정량 이하로 침하를 제한하는 것이 중요하다. 일반적으로 포장도로 또는 단단한 지반에서 주행하는 궤도차량의 구동력은 궤도와 지면의 마찰에 의해 발생되며, 차량의 엔진성능에 따라 구동성능이 결정된다. 하지만 비교적 연약한 지반에서 운용되는 야지구동 궤도차량의 구동력은 궤도-지반의 interaction에 의해 결정되고, 차량의 엔진성능이 우수하더라도 궤도와 지반의 접지면에서 발생하는 지반의 침하 및 파괴현상에 의해 엔진의 출력을 모두 유용한 구동력으로 전화할 수 없는 경우가 많다. 즉 야지구동 궤도차량의 구동성능은 엔진성능뿐 아니라 차량이 주행하는 지반의 특성과 궤도 및 그라우져의 형상에 따라 결정된다. 하지만 기존의 연구에서는 야지구동 궤도차량의 구동성능을 평가하는데 있어 궤도-지반의 interaction을 적절히 고려하지 못하였으며, 구동성능을 평가하는데 중요한 지반추력-슬립변위 관계에서 필수적인 지반강도정수, 트랙시스템 형상을 적절히 고려하지 못하였다는 한계점이 있다. 특히 지반추력으로 활용되는 구동력은 트랙의 저면과 측면에서 모두 발생되어 두 값이 모두 구동성능평가에 활용되어지기 때문에 명확히 규명하는 것이 중요하다. 그럼에도 불구하고 그라우져에 의해 발생되는 측면지반추력은 그 길이에 길어짐에 따라 그 값이 지배적임에도 불구하고 이론적으로 명확히 규명되어 있지 않다는 한계점이 존재한다. 본 연구에서는 야지구동 궤도차량의 구동성능을 평가하기 위하여 궤도모형시험을 수행할 수 있는 궤도모형시험장치를 설계 및 제작 하였으며, 특히 기존에 명확히 규명되지 않은 측면지반추력을 평가하는데 초점을 맞추었다. 측면지반추력은 실험에서 구한 전체지반추력에서 저면 지반추력을 분리함으로써 그 값을 구하였으며, 실험값을 이론적인 값과 비교하였다.

Off-road vehicles are widely used in the military, construction, and agriculture industries, and the demand especially for off-road tracked vehicles is increasing due to the recent expansion of the subsea construction market. Low ground contact pressure and settlement are necessary to realize sufficient traction for heavy (up to 20-ton) tracked vehicles. Generally, the displacement of a vehicle running on a paved road equals the track displacement. As such, the vehicles tractive performance relies mainly on its engine power. The displacement of a vehicle running off-road, however, equals the difference between the track displacement and the slip displacement. As such, the vehicles tractive performance does not solely rely on its engine power. From this perspective, the tractive performance potential of an off-road tracked vehicle is limited by the soil thrust determined from the soil-track interaction. Most of the relevant studies that have been carried out, however, did not take soil-track interaction into consideration. Further, the existing theoretical models (e.g., thrust-slip displacement) do not sufficiently consider important parameters, including the shear strength parameters and the track system configuration. Especially, as the soil thrust is the traction force induced on the bottom and sides of the track, both thrusts need to be investigated for the prediction of the tractive performance. Nevertheless, the side thrust generated by the grouser, which becomes more significant with the increase of the grouser height, was not fully understood and theoretically defined in the previous theoretical models for the soil thrust-slip displacement relationship. In this study, a model track test was designed and then verified through a track model test to evaluate the off-road tracked vehicle performance. A series of model track tests were performed on a model track made of stainless steel to examine its side thrust. Gwan-ak weathered residual soil with a 40% relative density was trimmed into both a soil channel and a soil block to separate the side thrust from the total soil thrust. A model track was placed on the soil channel or soil block, and it was subjected to a surcharge mass and a lateral load corresponding to the vehicle weight and soil thrust, respectively. Based on the test results, the side thrust-slip displacement relationship and the failure surface on the side were evaluated and compared with the previous theoretical models.