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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 8X4 상용차량의 수학적 차량 모델을 구성하여 동특성 연구를 수행하고, 차량의 제동장치 설계에 직접적으로 활용할 수 있는 시뮬레이션 프로그램을 개발하여 다양한 운전조건에서의 차량의 제동 특성을 해석하고자 한다.
가설 설정
- 이러한 현상을 해결하기 위한 방법으로 저마 찰 노면의 슬립률을 기준으로 좌우를 동일하게 제어 하는 SL(Select Low) 제어 방법 이 이 용되 고 있으며, 본 논문에서도 이러한 특성을 알아보고 자 IC/IC, IC/SL, SL/SL의 세 가지 ABS 제어 시 스 템을 적용하였다. 그리고 노면의 마찰계수는 좌 측은 건조 아스팔트 노면 인 0.8로 가정 하였고 우 측의 노면은 마찰계수가 0.4인 빗길 노면으로 가 정하여 시뮬레 이 션을 수행하였다.
제안 방법
- 차량의 운동시 동특성을 해석하기 위하여 차량의 종방향, 횡방향, 차량 수직축 방향 회전운 동(Yaw) 및 각 차륜의 회전운동에 대한 11자유 도 차량모델을 수립하였고, 각 차륜 및 탠덤 축 (Tandem Axle)에 관한 차량의 하중이동을 고려 하였다. 본 연구에서 구성 한 차량의 수학적 모델 을 Fig.
- 8X4 차량의 조향축 2축은 독립 서스펜션에 의하여 지지되고, 나머지 2축은 탠덤 축(Tandem Axle)으로 구성되어 있다. 본 연구에서는 감속 도에 의한 하중이동 방정식을 구성하기 위하여 먼저 조향죽 2죽을 하나의 죽으로 단순화하여 하중이동 방정식을 구성 한 후 다시 조향축 2축 에서의 하중이동을 다음과 같은 방법으로 재분 배하였다.
- 대형 상용차량의 제동시 브레이크 압력은 공 압을 사용하게 되며, 여러 가지 밸브의 사용유무 에 의하여 브레이크 챔버에 가해지는 압력의 응 답속도는 차량에 따라 모델링하는 것이 현실적 으로 불가능하다. 이를 위해 챔버 브레이크 압력 이 제동 시작 시간으로부터 최대 제동압력의 86.5 %에 도달하는 시간을 압력상승시간(Build Up Time)으로 프로그램에서 입력변수로 받아 들였 다. 또한 챔버 브레 이크 압력은 압력상승시 간의 2배후에 최대 제동압력의 93.
- ABS 장착 차량에 대한 적용성을 보여주기 위해서 Fig. 5와 같은 비교적 간단한 형식의 ABS 제어 모듈을 적용 예로 하였다. 즉, 목표 슬립율을 임의의 구간으로 정하여 목표슬립률 구간보다 슬립률이 낮으면 빠른 증압, 목표 슬립률 구간보다 슬립률이 높으면 빠른 감압, 목표 슬립률 구간 이내에서는 브레이크 압력을 유지하는 세 가지의 모드로 구성하였고, 시뮬레이션 프로그램 상에서는 목표 슬립률과 증압 및 감압시 압력 제어 의 기 울기(bar/sec)를 입 력 값으로 받아 슬립 률에 따른 브레이크 압력을 제어하였다.
- 5와 같은 비교적 간단한 형식의 ABS 제어 모듈을 적용 예로 하였다. 즉, 목표 슬립율을 임의의 구간으로 정하여 목표슬립률 구간보다 슬립률이 낮으면 빠른 증압, 목표 슬립률 구간보다 슬립률이 높으면 빠른 감압, 목표 슬립률 구간 이내에서는 브레이크 압력을 유지하는 세 가지의 모드로 구성하였고, 시뮬레이션 프로그램 상에서는 목표 슬립률과 증압 및 감압시 압력 제어 의 기 울기(bar/sec)를 입 력 값으로 받아 슬립 률에 따른 브레이크 압력을 제어하였다.
- 특히 슬립률 변화에 따른 타이어와 노면사이 의 마찰계수가 다르기 때문에 본 연구에서는 타 이어의 힘을 슬립률, 슬립각과 타이어의 수직하 중으로 표현하는 파세카(Pacejka/에 의해 제안 된 승용차 타이 어 모델을 이 용하였다. 그리고 승용차에 사용되는 파세카 타이어 모델을 대형 상 용차에 적용하기 위해서는 승용차에 비해 상용차의 타이어 수직하중이 매우 큰 값을 가지므로 타이어 모델의 변수를 변환하여야 했다.
- 해석부에서는 입력부에서 설정된 각각의 변수를 인식하고, 읽어들인 변수에 따른 시뮬레 이 션을 수행한다. 차량의 직진주행 및 선회주행 (J-tum)에 대한 해석을 수행할 수 있으며, CBS (Conventional Brake System) 및 ABS 적용 선택, ABS 제어 방법의 선택에 따른 차량의 제동특성 을 해석할 수 있도록 구성되었다. 또한 임의의 차륜의 제동불능(Brake Failure)에 따른 차량의 제동특성도 해석할 수 있다.
- 11과 같다. 또한, 차량의 정상상태 유지시의 제동특성을 알아보고자 시뮬레이 션 시작 후 3초에서 제동을 가하였다. 시뮬레이 션에 사용된 차량의 ABS 시스템은 다음의 세 가 지 제어 기준을 적 용하였다.
- 도로노면의 마찰계수가 다른 이면도로 상황 에서 차량이 급제동하는 경 우, 마찰계수가 높은 방향으로 차량이 이탈하거나 스핀(Spin)현상이 발생하여 차량은매우위험한상태에 이를 수 있 다. 이러한 현상을 해결하기 위한 방법으로 저마 찰 노면의 슬립률을 기준으로 좌우를 동일하게 제어 하는 SL(Select Low) 제어 방법 이 이 용되 고 있으며, 본 논문에서도 이러한 특성을 알아보고 자 IC/IC, IC/SL, SL/SL의 세 가지 ABS 제어 시 스 템을 적용하였다. 그리고 노면의 마찰계수는 좌 측은 건조 아스팔트 노면 인 0.
- 본 연구에서는 8X4 차량에 대하여 11자유도 수학적 차량 모델을 구성하였고, 브레이크 시스 템 모델 및 ABS 제어 모델을 포함한 전 차량 모델을 구성 하여 각 차량의 입력 데 이 터 에 따른 단 일노면과 이면도로시의 제동, 직진과 선회시의 제동, 임의의 바퀴의 제동불능에 따른 제동시 차량의 거동 및 상태를 분석할 수 있도록 하였다. 또한 입력 및 출력 데이터의 저장을 위한 데이터 베이스 프로그램을 구축하였으며, 모든 상태량 의 출력 및 그래프 출력 이 가능한 출력 프로그램 을 개발하였다.
- 본 연구에서는 8X4 차량에 대하여 11자유도 수학적 차량 모델을 구성하였고, 브레이크 시스 템 모델 및 ABS 제어 모델을 포함한 전 차량 모델을 구성 하여 각 차량의 입력 데 이 터 에 따른 단 일노면과 이면도로시의 제동, 직진과 선회시의 제동, 임의의 바퀴의 제동불능에 따른 제동시 차량의 거동 및 상태를 분석할 수 있도록 하였다. 또한 입력 및 출력 데이터의 저장을 위한 데이터 베이스 프로그램을 구축하였으며, 모든 상태량 의 출력 및 그래프 출력 이 가능한 출력 프로그램 을 개발하였다. 본 시뮬레이션 프로그램을 이용 하면 차량데이터의 입력, 시뮬레이션, 결과분석 의 순차적 인 작업으로 다양한 설계변수에 따른 제동결과를 해석하는 것이 가능하며 이를 차량의 설계에 직접적으로 이용한다면 실차 실험의 부담을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
- 또한 본 연구에서는 8X4 차량의 이면도로 직 진주행시 제동과 이면도로 선회주행시 제동에 관한 차량 동특성의 해석을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 시뮬레이션이 끝난 후 출력부에서는 Fig. 10 과 같이 다양한 데이터의 분석이 이루어수 있도 록 출력 데이터를 그래프화하여 시간에 따른 제 동압력, 제동토크, 종가속도, 횡가속도, 타이어 수직 하중, 조향각, 제동력, 횡 력, 슬립각, 슬립률, 각 차륜속도, 차체속도, 요율, 제동거 리의 변화 를 분석 할 수 있도록 구성 하였다. 또한 사용자가 결과를 프로그램 상에서 확인하는 방법 이외에 출력(Print)하여 확인할 수 있는 모듈도 개발되 었다.
대상 데이터
- 입 력부에서는 시뮬레이션 하고자 하는 차량의 데이터(무게중심의 높이, 휠베이스, 차량 요 잉 관성 모멘트, 차륜 관성 모멘트, 타이어 구름반경, 축하중), 차량의 탠덤 축 데이터(비현가 하 중, 탠덤 축 제원), 브레이크 데이터(챔버 면적, 브레이크 효력 계수, 최대 제동압력, 압력상승시 간), ABS 데이터(목표 슬립율 범위, 증감압시 압 력 기울기) 및 선회 데이터(조향 시작 시간, 조향 각 기울기, 최종 조향 각도)를 입력할 수 있도록 Fig. 9와 같이 구성하였다. 그리고 시뮬레이션 환경 데 이터(초기 차량 속도, 노면 마찰계수, 제 동 시작 시간, 시뮬레이션 시간)를 설정할 수 있 도록 하였다.
- 제동특성 해석의 유용성을 확인하기 위해 시 뮬레이션 프로그램을 이용하여 Table 1의 제원 을 갖는 차량에 적용하였다. 시뮬레이션은 이면 도로(Split-“) 직진제동시와 이면도로 선회제동 시의 환경에 대하여 수행하였으며, 선회 조향각 의 입력은 Fig. 11과 같다. 또한, 차량의 정상상태 유지시의 제동특성을 알아보고자 시뮬레이 션 시작 후 3초에서 제동을 가하였다.
데이터처리
- 8과 같이 구성되었다. 다양한 설계 변수의 입력과 해석 결과의 분석이 용이하도록 차량의 운동방정식을 컴퓨터 프로그램으로 구 성 하였으며 사용한 컴 파일 러 는 Microsoft Visual C++ 6.0이다. 프로그램은 크게 입력부, 해석부, 출력부 세 부분으로 나누어지며 각각의 역할 및 기 능은 다음과 같다.
이론/모형
- 시뮬레이션은 차량 동역학 모델과 브레이크 모델로 구성된 프로그램의 내부적 모듈에서 이루어지 게 된다. 그리고 시간에 대한 변수의 적분 방법으로는 시뮬레이션시 보편적인 방법인 룬 지-쿠타(Runge-Kutta) 4차 시 간적 분법을 이용하 였다.
성능/효과
- 그리고 승용차에 사용되는 파세카 타이어 모델을 대형 상 용차에 적용하기 위해서는 승용차에 비해 상용차의 타이어 수직하중이 매우 큰 값을 가지므로 타이어 모델의 변수를 변환하여야 했다. 또한 타이어 모델의 검증을 위하여 종방향 및 횡방향 타이어 힘을 Mercedes-Benz사의 실험치'와 비교하여 일치하는 결과를 얻었다. 상용차에 적용한 타이어 모델을 이용하여 슬립률에 따른 종방향 타이어 힘을 Fig.
- 1) 이면도로에서 ABS 시스템을 장착하지 않은 8X4 차량은 스핀현상과 같은 매우 위 험한 상 황에 이를 수 있음을 시뮬레이션을 통하여 확인 하였다.
- 2) 이면도로에서 세 가지 ABS 제어방식을 각 각 시뮬레이션 하였으며 저마찰 노면 기준 제어 방식은 차량의 주행 안전성 향상에 크게 기여함을 알 수 있었다.
후속연구
- 또한 입력 및 출력 데이터의 저장을 위한 데이터 베이스 프로그램을 구축하였으며, 모든 상태량 의 출력 및 그래프 출력 이 가능한 출력 프로그램 을 개발하였다. 본 시뮬레이션 프로그램을 이용 하면 차량데이터의 입력, 시뮬레이션, 결과분석 의 순차적 인 작업으로 다양한 설계변수에 따른 제동결과를 해석하는 것이 가능하며 이를 차량의 설계에 직접적으로 이용한다면 실차 실험의 부담을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
- 3) 향후 ABS보다 세 밀 한 제어 기 능을 갖는 ESP (Electronic Stability Program) 및 VDC 의 제어 기능을 부가하여 제어모델을 구성한다면 더욱 안정적이고 효율적인 제어가 이루어질 수 있을 것 으로 기 대된다.
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