[논문]ABS 유압 장치의 유충 현상에 관한 연구

김병우; 송창섭

문제 정의

본 연구를 통하여 유압 배관에서 발생되는 맥동의 원인을 분석하였고 이를 저감시킬 수 있는 방안을 확인하였다.
본 연구에서는 특성곡선(Characteristic curve) 법을 이용하여 ABS 유압 배관에서 발생되는 유충현상을 수학적으로 모델링하였다. 이를 통하여 밸브의 급격한 상태 변화에 따른 유충 현상을 정량적으로 해석할 수 있는 방안을 제시하였다.
본 연구에서는 특성곡선(Characteristic curve) 법을 이용하여 ABS 유압 배관에서 발생되는 유충현상을 수학적으로 모델링하였다. 이를 통하여 밸브의 급격한 상태 변화에 따른 유충 현상을 정량적으로 해석할 수 있는 방안을 제시하였다. 또한, ABS 유압장치를 구성하고 있는 유압라인 등의 하드웨어 구성요소를 변화시켜 유충 저감에 끼치는 영향평가와 저감방 안을 확인할 수 있었다.

제안 방법

일반적으로 유압관로에서 발생되는 유충현상을 해석하기 위한 방법으로 Laplace 변환법과 특성 곡선법이 많이 이용되었 다「)특히, 특성 곡선법은 복수관로로 구성된 유압회로의 과도 현상 해석에 적합한 것으로 알려져 있다.2) 유충 현상과 관련하여 기존에 수행한 연구 내용은 유압관로의 끝부분이 개방된 대기압 또는 저 압 상태에서 실시하였다. 그러나, 폐쇠계로 구성된 ABS 장치에서 발생되는 유충 현상에 대한 연구는 해석의 복잡성 때문에 실시하지 않았다.
ABS 유압장치에서 발생되는 유충현상 해석을 위하여 유압관로의 과도적인 압력, 유량에 대한 해석이 가능한 특성 곡선법을 적용하였다. 유압관로의 과도적인 유동해석을 위하여 운동방정식과 연속 방정식을 일차원적으로 표현하였다.
ABS 유압장치에서 발생하는 유충현상을 해석하기 위하여 Fig. 2와 같이 l, 800CC 승용차에 적용되는 유압 배관을 이용하여 테스트 벤치(test bench)를 제작하였다. 유압 배관은 마스터 실린더에서 차륜 실린더로 압력이 균일하게 공급되도록 하는 교차형이다.
ABS 장치에서 발생되는 유충 현상을 해석하기 위하여 계단 형태의 미세중압 역할을 담당하는 유압 모듈레이터의 H/W 및 PWM 제어 사양을 가변하였다.
둘째, 입구 밸브에 대한 PWM 제어조건이 유충 현상에 미치는 영향을 평가하였다. 이때, 입구 밸브에 대하여 인가주파수 100Hz, 듀티 비율 30~60%를 적용하였다.
이때, 입구 밸브에 대하여 주파수 100 Hz, 듀티 비율 50%의 PWM 제어를 실시하였다. 마지막으로, 자동차 전륜에 장착되는 점탄성 배관이 유압맥동 저감과 응답성에 끼치는 영향을 평가하기 위하여 점탄성 배관길이를 가변하였다. 이를 위하여 전체 관로 대비 점탄성 관로 비율을 7~38%까지 가 변하였다.
이를 위하여 전체 관로 대비 점탄성 관로 비율을 7~38%까지 가 변하였다. 맥동변화에 대한 계측의 신뢰성 확보를 위하여 동일 조건에서 5회 반복 실험을 실시하였다.
이때, 입구 밸브에 대하여 인가주파수 100Hz, 듀티 비율 30~60%를 적용하였다. 셋째, 유압 배관길이가 맥동현상에 미치는 영향을 평가하기 위하여 유압 모듈레이터에서 차륜 실린더까지의 배관길이를 1.30, 1.80, 2.30, 2.80m로 가변시켰다. 이때, 입구 밸브에 대하여 주파수 100 Hz, 듀티 비율 50%의 PWM 제어를 실시하였다.
이를 위하여 공급 압력을 180bar로 일정하게 유지한 후, 주파수 100 hz, 듀티 비율 50%로 입구 밸브에 대한 PWM 제어를 실시하였다. 실제 ABS장치에서 발생될 수 있는 제동 압력을 고려하여 차륜 실린 더 압력이 30에서 80bar가 될 때까지 유충 현상(맥동 : Pi, P2, 맥동주기 : Ti, T, 을 계측하였다.
유압관로가 폐쇠계로 구성된 ABS 유압 모듈 레이터에서 발생되는 유충현상에 대하여 수치 및 실험 해석을 실시하였다.
ABS 유압장치에서 발생되는 유충현상 해석을 위하여 유압관로의 과도적인 압력, 유량에 대한 해석이 가능한 특성 곡선법을 적용하였다. 유압관로의 과도적인 유동해석을 위하여 운동방정식과 연속 방정식을 일차원적으로 표현하였다. 이때, 적용한 가정은 다음과 같다.
유압모듈레이터와 차륜 실린더 사이에서 발생되는 유충 현상을 검지하기 위하여 유압 모듈레이터에서 400mm 위치한 곳에 반도체 압력 센서를 설치하였다.
둘째, 입구 밸브에 대한 PWM 제어조건이 유충 현상에 미치는 영향을 평가하였다. 이때, 입구 밸브에 대하여 인가주파수 100Hz, 듀티 비율 30~60%를 적용하였다. 셋째, 유압 배관길이가 맥동현상에 미치는 영향을 평가하기 위하여 유압 모듈레이터에서 차륜 실린더까지의 배관길이를 1.
첫째, 마스터 실린더에서 공급되는 압력(180 bar)이 가변되었을 때, 차륜 실린더에서 발생되는 유충 현상을 해석하였다. 이를 위하여 공급 압력을 180bar로 일정하게 유지한 후, 주파수 100 hz, 듀티 비율 50%로 입구 밸브에 대한 PWM 제어를 실시하였다. 실제 ABS장치에서 발생될 수 있는 제동 압력을 고려하여 차륜 실린 더 압력이 30에서 80bar가 될 때까지 유충 현상(맥동 : Pi, P2, 맥동주기 : Ti, T, 을 계측하였다.
마지막으로, 자동차 전륜에 장착되는 점탄성 배관이 유압맥동 저감과 응답성에 끼치는 영향을 평가하기 위하여 점탄성 배관길이를 가변하였다. 이를 위하여 전체 관로 대비 점탄성 관로 비율을 7~38%까지 가 변하였다. 맥동변화에 대한 계측의 신뢰성 확보를 위하여 동일 조건에서 5회 반복 실험을 실시하였다.
첫째, 마스터 실린더에서 공급되는 압력(180 bar)이 가변되었을 때, 차륜 실린더에서 발생되는 유충 현상을 해석하였다. 이를 위하여 공급 압력을 180bar로 일정하게 유지한 후, 주파수 100 hz, 듀티 비율 50%로 입구 밸브에 대한 PWM 제어를 실시하였다.

성능/효과

1) 파동 방정식에 기초한 특성곡선법(CCM)을 이용하여 밀폐계로 구성된 ABS 유압장에서 발생되는 맥동현상을 정량적으로 해석할 수 있었다.
2) 유압 배관을 구성하는 H/W(배관 길이, 점탄성 배관길이 비율), PWM 제어조건이 맥동 크기와 주기에 미치는 상관관계를 규명하였다
3) 맥동 압력 크기(Pi, P2)는 마스터 실린더에서 공급되는 유체에너지, 맥동 압력주기(Ti, T2)는 유압 배관사양에 큰 영향을 받는다.
4) 맥동 저감에 가장 큰 영향을 끼치는 인자 는 점탄성배관임을 확인하였는바, 응답성을 고려할 때, 25%대역의 점탄성 배관 비율이 가장 적합하였다.
ABS 유압 H/W 및 PWM 사양 변화를 통한: 맥동저감에 가장 큰 영향을 끼치고 있는 것은 점탄성 배관임을 확인할 수 있었다. 따라서, ABS 유압 배관을 설계할 때, 점탄성 배관의 영향을 우선적으로 고려해야 할 것이다.
이를 통하여 밸브의 급격한 상태 변화에 따른 유충 현상을 정량적으로 해석할 수 있는 방안을 제시하였다. 또한, ABS 유압장치를 구성하고 있는 유압라인 등의 하드웨어 구성요소를 변화시켜 유충 저감에 끼치는 영향평가와 저감방 안을 확인할 수 있었다.
이를 통하여, 밀폐계로 구성된 ABS 유압장치 의 맥동현상을 정량적으로 해석할 수 있음을 확인하였다.

후속연구

이는 두 번째 맥맥동(P2)에서 언급한 바와 같이, 듀티 비율 축소에 따라서 역류에 소요되는 가속시간이 간이 증가하기 때문이다. 따라서, 맥동 저감 측면에서 듀티 비율은 가능한 높게 적용해야 할 것이다.
따라서, 향후에는 맥동을 근본적으로 저감시킬 수 있는 방법으로서 고속 PWM 제어법에 관한 연구가 필요하다.

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