[논문]브레이크 저더 개선을 위한 시스템 모드분석 및 민감도해석

황인진; 박경진

문제 정의

본 연구에서는 맥퍼슨 타입의 현가계가 장착된 차량에서 발생하는 저더의 원인을 차량의 모드특성을 이용하여 확인하고자 한다. 그리고 저더에 민감한 설계인자를 해석적으로 파악하여 개선하고 설계 방향을 제시하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 먼저, 실차 제동시험을 통해 저더 현상을 파악하였다.
여기서 type2의 새로운 형상은 부시의 내부 형상을 개선하여 기존 경도 에서도 높은 강성이 나오도록 한 사양이다. 그리고 필로우볼(pillow ball)은 전후방향을 강체결합 시킨 것으로 A부시의 강성을 최대한 증가시켰을 때의 영향도를 확인하고자 평가하였다.
본 연구에서는 맥퍼슨 타입의 현가계가 장착된 차량에서 발생하는 저더의 원인을 차량의 모드특성을 이용하여 확인하고자 한다. 그리고 저더에 민감한 설계인자를 해석적으로 파악하여 개선하고 설계 방향을 제시하는 것을 목적으로 한다.
현가계 의 전후 모드 및 회전모드가 저더에 영향을 주는 주요모드인 것을 시험과 해석을 통해 확인하였다. 본 연구에서는 맥퍼슨 타입의 현가계를 장착한 차량에서 저더에 영향을 주는 인자들을 확인하기 위하여 저더민감도를 수행하였다. 저더 구간에서 핸들에 발생하는 가속도의 RMS(root mean square)값을 목적함수로 하였다.
본 연구에서는 모드제어 방법을 이용하기 위해 실차시험과 해석을 통한 원인분석 및 시스템 특성 분석을 수행하였다. 그리고 민감도 해석을 수행하였다.
이 중 승차감과 같은 다른 성능에 영향을 주지 않으면서 설계변경이 용이한 안을 설정하여 개선 정도를 확인하고자 한다. 본 연구에서는 타 성능에 영향을 주지 않으면서 저더를 개선할 수 있는 로어암 A점의 전후강성을 평가대상으로 선정하여 영향도 파악을 수행하였다.
이상의 맥퍼슨 타입의 현가계가 장착된 차량에 대한 저더 민감도를 수행한 결과를 정리하면 Table 7과 같다. 이 중 승차감과 같은 다른 성능에 영향을 주지 않으면서 설계변경이 용이한 안을 설정하여 개선 정도를 확인하고자 한다. 본 연구에서는 타 성능에 영향을 주지 않으면서 저더를 개선할 수 있는 로어암 A점의 전후강성을 평가대상으로 선정하여 영향도 파악을 수행하였다.
본 연구에서는 맥퍼슨 타입의 현가계를 장착한 차량에서 저더에 영향을 주는 인자들을 확인하기 위하여 저더민감도를 수행하였다. 저더 구간에서 핸들에 발생하는 가속도의 RMS(root mean square)값을 목적함수로 하였다. 그리고 현 가계의 기하형 상(geometry)과 강성을 설계 변수로 사용하였다.

제안 방법

그리고 저더 개선 및 설계가이드 확보 를 위해 유한요소모델을 이용한 설계민감도해석을 수행하였다.14) 마지막으로 민감도해석을 토대로 타 성능에 영향을 주지 않으면서 설계 변경이 가능한 개선안에 대한 확인시험을 수행하여 개선정도를 확 인하였다.
가진 시 차량조건은 구동상태와 제동상태에서 각각 수행하였다. 전후 및 좌우가진에 대한 시스템의 특성곡선eFig.
그리고시스템적으로저더 현상을분석하기 위해4 포스터(4 poster)를 이용한 상하 가진시험 과 마그네틱 가진기(magnetic exciter)를 이용한 전후 가진시험 을 수행하였다. 가진시험을 토대로 차량의 모드특성을 파악하고 저더에 영향을 주는 주요 모드들을 확인하였다. 그리고 저더 개선 및 설계가이드 확보 를 위해 유한요소모델을 이용한 설계민감도해석을 수행하였다.
기하형상 민감도를 수행하기 위하여 각 위치의 X 와 z는 양의 방향으로 그리고 y는 차량 중심 에서 밖으로 이동시켰다. 각각의 경우에 대하여 수행한 주파수응답해석을 토대로 기하형상에 대한 민감도를 계산하였다.
본 연구에서는 모드제어 방법을 이용하기 위해 실차시험과 해석을 통한 원인분석 및 시스템 특성 분석을 수행하였다. 그리고 민감도 해석을 수행하였다.
가진시험을 토대로 차량의 모드특성을 파악하고 저더에 영향을 주는 주요 모드들을 확인하였다. 그리고 저더 개선 및 설계가이드 확보 를 위해 유한요소모델을 이용한 설계민감도해석을 수행하였다.14) 마지막으로 민감도해석을 토대로 타 성능에 영향을 주지 않으면서 설계 변경이 가능한 개선안에 대한 확인시험을 수행하여 개선정도를 확 인하였다.
7mm변위 및 100mm/s 정속조건 에서 사인파형으로 좌, 우 바퀴를 동상과 역상으로 각각 가진하였다. 그리고 제동상태를 구현하기 위하여 브레이크는 제동상태에서 시험하였다. 그리고 응답은 차량의 모드 형상을 파악할 수 있도록 차체 좌우에 각각 5개씩 모두 10개의 가속도계를 장착하였다.
시험조건은 저더를 인위적으로 발생시키기 위하여 디스크의 두께변동을 15/m으로 가공하여 장착 하였다. 그리고 제동시험은 160kph에서 80kph까지 (k4g로 총 5 회 를 반복제동하여 핸들 상단에서 의 좌우 방향 가속도 크기를 비 교하였다.
부시 강성을 20% 증가 시 켰을 때 핸들의 횡방향 가속도를 목적 함수로 하여 식 (1)과 같이 저더 민감도를 계산하였다. 그리고 해석구간은 저더가 발생하는 구간을 포함하는 7hz~30hz 범위에서 민감도 해석을 수행하였다.
저더 구간에서 핸들에 발생하는 가속도의 RMS(root mean square)값을 목적함수로 하였다. 그리고 현 가계의 기하형 상(geometry)과 강성을 설계 변수로 사용하였다. 기하형상에 대한 설계변수는 Fig.
이를 위해 먼저, 실차 제동시험을 통해 저더 현상을 파악하였다. 그리고시스템적으로저더 현상을분석하기 위해4 포스터(4 poster)를 이용한 상하 가진시험 과 마그네틱 가진기(magnetic exciter)를 이용한 전후 가진시험 을 수행하였다. 가진시험을 토대로 차량의 모드특성을 파악하고 저더에 영향을 주는 주요 모드들을 확인하였다.
현 시스템의 A점 부시 강성은 경도가 HS56로 비교적 낮게 설정되어 있다. 따라서 경도를 키워가면 서 개선 정도를 확인하였다. 본 시험에 사용된 부시 종류 및 강성은 Table 8과 같다.
본 차량의 모드특성을 파악하기 위해서는 모드특성이 잘 반영될 수 있도록 각 방향으로 충분히 가진 해 주어 야 한다. 따라서 먼저 상하방향 가진을 위해 4포스터를 이용한 상하 가진시험 을 수행하였다.
민감도 결과는 설계변수를 증가 시켰을 때 양의 값을 가지면 목적함수의 응답이 커짐을 나타내고, 음의 값을 가지면 응답이 감소함을 나타낸다. 따라서 본 연구에서는 음의 민감도를 갖는 설계변수를 취하였다.
저더는 일반적으로 140kph이상으로 고속주행을 하다가 급제동을 하게 될 때 속도가 감소하면서 현 가계의 모드와 공진이 발생하는 특정 속도구간에서 발생하게 된다. 따라서 본 연구에서는 저더 현상을 재현하기 위해 두께변동이 15㎛인 디스크를 장착 하고 160kph 에서 급제동을 하였다. 이때 핸들 상단에 장착된 가속도의 좌우방향 가속도를 계즉하였다.
엔진에는 3개를 그리고 현가계에는 10개의 가 속도계를 장착하였다 각각의 가속도계는 3축의 응답을 측정 한다. 따라서 총 69개의 채널을 사용하여 모드시험을 수행하였다. 4포스터 가진시험 결과 본 차량의 시스템모드는 Table 2와 같다.
4포스터와 같은 상하가진을 통해서는 상하 관련 모드는 잘 나타나지만 전후 및 회전모드는 분명하지 않다. 따라서 현 가계의 전후 및 회전 모드를 확인 하기 위하여 마그네틱 가진기를 이용하여 타이어를 전후 및 좌우로 가진하는 시험을 수행하였다.
맥퍼슨 타입의 현가계가 장착된 차량에서 발생하는 저더 현상을 시험과 해석을 통해 확인하였고 그 원인을 시스템적으로 접근하였다. 이를 위해 4포스터와 마그네틱 가진기를 이용한 가진시험, 그리고 실차 주행진동 측정 등을 통하여 시스템의 모드특성을 규명하였다.
민감도결과를 확인하기 위해 핸들링 이나 승차감 과 같은 다른 성능에 영향을 주지 '않으면서 실제 차 량에서 변경이 가능한 로어암 A부시의 전후강성을 증대시킨 개선품에 대하여 확인시험을 수행하였다. 시험을 통해 A부시의 전후강성이 증가할수록 저더에 둔감한 시스템이 된다는 것을 알 수 있었다.
저 더 에 영향을 주는 설계 인자들을 파악하기 위하여 유한요소모델을 이용한 민감도 해석을 수행하였다. 설계변수는 현 가계의 기구학적 연결위치와 부 시의 각 방향강성을 사용하였고 핸들의 횡가속도 RMS를 목적함수로 사용하였다. 민감도해석 결과 로어암의 A 부시 강성, A점과 G점 사이의 거리, 그리고 기어박스 마운트 위치등이 현가계의 전후 모드 와 회전모드에 영향을 주는 주된 인자로 확인되었다.
실차 제동시험을 통해 파악된 저더의 원인을 규명하기 위해 맥퍼슨 타입의 현가계가 장착된 차량의 모드특성시험을 수행하였다. 본 차량의 모드특성을 파악하기 위해서는 모드특성이 잘 반영될 수 있도록 각 방향으로 충분히 가진 해 주어 야 한다.
맥퍼슨 타입의 현가계가 장착된 차량에서 발생하는 저더 현상을 시험과 해석을 통해 확인하였고 그 원인을 시스템적으로 접근하였다. 이를 위해 4포스터와 마그네틱 가진기를 이용한 가진시험, 그리고 실차 주행진동 측정 등을 통하여 시스템의 모드특성을 규명하였다. 실차시험 및 시스템모드를 통해 현가계 의 전후모드와 회전모드가 저더 의 주요 발생 모드임을 확인 하였다.
그리고 저더에 민감한 설계인자를 해석적으로 파악하여 개선하고 설계 방향을 제시하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 먼저, 실차 제동시험을 통해 저더 현상을 파악하였다. 그리고시스템적으로저더 현상을분석하기 위해4 포스터(4 poster)를 이용한 상하 가진시험 과 마그네틱 가진기(magnetic exciter)를 이용한 전후 가진시험 을 수행하였다.
저 더 에 영향을 주는 설계 인자들을 파악하기 위하여 유한요소모델을 이용한 민감도 해석을 수행하였다. 설계변수는 현 가계의 기구학적 연결위치와 부 시의 각 방향강성을 사용하였고 핸들의 횡가속도 RMS를 목적함수로 사용하였다.
제동시 핸들에서의 가속도를 묘사하기 위하여 타이어 중심을 전후방향을 가진 하고 핸들의 좌우방향 가속도를 응답으로 한 주파수 응답특성 해석을 수행하였다. 해석은0.
현가계 의 전후 모드 및 회전모드가 저더에 영향을 주는 주요모드인 것을 시험과 해석을 통해 확인하였다. 본 연구에서는 맥퍼슨 타입의 현가계를 장착한 차량에서 저더에 영향을 주는 인자들을 확인하기 위하여 저더민감도를 수행하였다.

대상 데이터

4포스터 상하 가진시험을 위해 Fig. 4와 같이 Saginomiya에서 제작한 로드시뮬레이터를 이용하였다. 가진 조건은 0.
주파수응답해석 및 민감도 해석을 위해 전륜 현 가장치시스템을 Fig. 9와 같이 간략화 된 유한요소 모델로 구성하였다. 제동에 의한 저더는 전륜 현가 계에서 주로 발생하기 때문에 전륜 현가장치와 조향 시스템으로 모델을 국한 시켰다.

이론/모형

제동에 의한 저더는 전륜 현가 계에서 주로 발생하기 때문에 전륜 현가장치와 조향 시스템으로 모델을 국한 시켰다. 또한 저더는 현 가계의 전후 모드 및 회전 모드와 같은 시스템의 강체모드에 영향을 받기 때문에 집중질량을 이용한 강체모델과 빔요소를 사용하여 모델링 하였다 타이어는 스프링과 댐퍼의 리지드링(rigid ring)모델을 사용하였다.
민감도 해석은 유한 차분법을 이용하여 수행하였고 식 (1)과 같이 설계변수의 변화량에 대한 응답변 화의 기울기로 표현된다.

성능/효과

전후 및 좌우 가진시험과 4포스터 가진시험을 통해 저더에 직접적으로 영향을 주는 모드가 현가계 의 전후 및 회전모드인 것을 확인할 수 있다. 그리고 본 시험을 통해 실제 제동 시 발생하는 공진 주파수 (15hz)와 가진시험시 나타나는 공진 주파수(21hz)가 다르다는 것을 확인하였다. 이것은 시스템에 주어지는 가진력에 따라 시스템 특성이 비선형적으로 변하기 때문이다.
4포스터 상하 가진 시험은 현 가계의 상하동상 및 역상 모드 그리고 엔진의 롤, 피치모드와 같은 상하방향과 관련된 모드를 잘 표현해 준다. 그리고 본 시험을 통해 현 가계의 전후모드가21hz대역에 존재하는 것을 확인할 수 있었다.
민감도해석 결과 로어암의 A 부시 강성, A점과 G점 사이의 거리, 그리고 기어박스 마운트 위치등이 현가계의 전후 모드 와 회전모드에 영향을 주는 주된 인자로 확인되었다. 그리고 킹핀 및 휠센타 옵셋과 관련된 인자인 로 어암의 볼 조인트 위치와 현가계 스트럿 마운트 위치 그리고 타이어 휠 센타등이 민감하게 나타났다.
둘째, 현가계의 차체 마운트 위치와 타이어 휠센타의 위치는 Fig. 14에 나타낸 것과 같이 기존 시스템에 비해 차체마운트 위치는 밖으로, 그리고 휠센 타는 안쪽에 위치하는 것이 저더에 좋은 민감도를 갖게 한다. 이것은 로어암의 B점과 같이 킹핀옵셋 및 휠센타 옵셋이 줄어드는 방향으로 가기 때문이다.
민감도 결과는 설계변수를 증가 시켰을 때 양의 값을 가지면 목적함수의 응답이 커짐을 나타내고, 음의 값을 가지면 응답이 감소함을 나타낸다. 따라서 본 연구에서는 음의 민감도를 갖는 설계변수를 취하였다.
설계변수는 현 가계의 기구학적 연결위치와 부 시의 각 방향강성을 사용하였고 핸들의 횡가속도 RMS를 목적함수로 사용하였다. 민감도해석 결과 로어암의 A 부시 강성, A점과 G점 사이의 거리, 그리고 기어박스 마운트 위치등이 현가계의 전후 모드 와 회전모드에 영향을 주는 주된 인자로 확인되었다. 그리고 킹핀 및 휠센타 옵셋과 관련된 인자인 로 어암의 볼 조인트 위치와 현가계 스트럿 마운트 위치 그리고 타이어 휠 센타등이 민감하게 나타났다.
본 시험을 통해 Fig. 25과 같이 제동 횟수가 증가할수록 진동크기가 증가하다가 3회제동시 진동이 급격히 커짐을 알 수 있다. Fig.
셋째, 타이로드는 너클에 붙어 타이어와 일체로 움직이기 때문에 타이어가 회전을 하거나 전후로 움직이게 되면 그 이동 거리만큼 기구학적으로 기 어박스의 랙을 좌우로 이동시켜 핸들을 회전시키 게 된다. 특히 랙의 이송은 현 가계의 전후모드가 좌우 역상으로 움직 일 때 크게 나타난다.
민감도결과를 확인하기 위해 핸들링 이나 승차감 과 같은 다른 성능에 영향을 주지 '않으면서 실제 차 량에서 변경이 가능한 로어암 A부시의 전후강성을 증대시킨 개선품에 대하여 확인시험을 수행하였다. 시험을 통해 A부시의 전후강성이 증가할수록 저더에 둔감한 시스템이 된다는 것을 알 수 있었다.
이를 위해 4포스터와 마그네틱 가진기를 이용한 가진시험, 그리고 실차 주행진동 측정 등을 통하여 시스템의 모드특성을 규명하였다. 실차시험 및 시스템모드를 통해 현가계 의 전후모드와 회전모드가 저더 의 주요 발생 모드임을 확인 하였다.
전후 및 좌우 가진시험과 4포스터 가진시험을 통해 저더에 직접적으로 영향을 주는 모드가 현가계 의 전후 및 회전모드인 것을 확인할 수 있다. 그리고 본 시험을 통해 실제 제동 시 발생하는 공진 주파수 (15hz)와 가진시험시 나타나는 공진 주파수(21hz)가 다르다는 것을 확인하였다.
제동시험을 통해 15hz 대역에서 핸들의 좌우 방향 진동이 저더의 주 원인임을 확인할 수 있었다. 그리고 30hz 대역의 상하진동은 부분적으로 15hz대역 에 영향을 준다.
11과 같다. 주파수 응답해석결과저더 발생구간인 10hz에서 25hz 사이에의 시스템 공진모 드는 15hz대역의 회전모드와 21hz대역의 전후 모드 가 주요하게 작용하고 있음을 확인할 수 있다.
이와 반대로 로어암 G부시의 강성을 높게 설정 하면 회 전모드는 감소하고 전후모드는 상승하는 경향을 나타낸다. 즉, 로어암의 G부시 강성은 설계 방향에 따라 시스템모드 및 저더 발생 주파수 대역 에 민감한 영향을 준다.
본 연구를 통해 맥퍼슨 타입의 현가계가 장착된 .차량의 모드특성을 파악하고 이것을 효율적으로 제 어하는 것이 저더를 개선하는 효과적인 방법임을 확인할 수 있었다. 그리고 시스템모드를 효율적으로 제어하기 위해서는 부시 강성뿐만 아니라 현가 계의 기하형상 또한 최적화가 되어야 한다.
총30개의 설계변수에 대하여 민감도해석을수행 한 결과 로어암의 A, G점 부시, 타이어 그리고 서브 프레임의 마운트 부시가 저더에 영향을 주는 인자들로 나타났다. Table 6은 30개의 설계 변수중 민감도가 크게 나타난 9개의 변수에 대한 민감도 값을 보여준다.
그리고 전후방향의 강성이 증가할수록 Table 9와 같이 진동 크기가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 특히, 필로우 볼을 사용한 경우 약 70%의 개선효과가 나타남을 확인할 수 있었다.

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