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문제 정의
- 본 논문에서는 대형트럭 진동특성 해석을 위해 개발한 대형트럭 유연체 컴퓨터 모델의 신뢰성 검 증을 위해 비포장 노면 위를 주행하는 실차 주행 시험 결과와 비교하였다. 실차 주행시험은 공차 상태로 수행하였으며, 20km/h 속도로 비포장 노면 위를 주행하였다.
- 본 논문에서는 불규칙 가진 입력에 대한 대형 트럭의 진동특성 평가를 위한 유연체 컴퓨터 모델 (flexible body computational model)개 발하였다. 대 영트럭 유연체 컴퓨터 모델은 전방, 후방 현가장 치 , 농릭 전달계(power-train), 데邑 캡 시스템 등으로 이루어지고, MSC.
- 본 논문에서는 불규칙 가진 입력에 따른 대형 트럭의 진동특성을 분석하고자 하였다. 전방, 후방 샤시 현가장치, 캡 등으로 구성된 컴퓨터 모델에 유한요소법을 이용하여 유연체로 모델링한 프레임 을 인터페이스함으로써 유연체 컴퓨터 모델을 개 발하였다.
- 본 논문에서는 주행시 노면으로부터 발생하는 불규칙 노면 파형(irregular road profile)에 의한 대형트럭의 진동특성을 평가하기 위하여 프레임을 유연체(flexible body)로 고려한 유연체 컴퓨터 모델을 개발한다. 유연체 컴퓨터 모델의 신뢰성을 검 증하기 위하여 실차 주행시험을 수행한다.
가설 설정
- 일반적으로 4Hz 미만 주파수 대역은 캡 현가장치를 포함한 캡 시스템에 의하여 주도적인 영향을 받는 주파수 대역이다.(1。)이와 같이 2.5~3.5Hz 대역에서 크기의 차이를 보이는 이유는 본 논문에서 개발 한 유연체 컴퓨터 모델은 캡 시스템을 강체로 가정 하고 모델링하였기 때문으로 생각한다. 따라서 컴퓨터 모델의 캡 시스템을 유연체로 고려한 컴퓨터 모델을 이용하여 모의시험을 수행하 면 2.
- 다판 스프링과 테이퍼 판스프링 모델링에 필요한 입력 데이터를 구하기 위하여 다판 스프링과 테이퍼 판스프링의 정적 단품시험을 수행하였다. 정적 단품시험은 공차상태에서 사다리꼴 형태의 하중을 0.1 Hz 사이클 타임으로 가하였다. Fig.
제안 방법
- 프레임의 크로스 멤버와 사이드 멤버의 체결 방식은 대형트럭 동특성에 많은 영향을 미 친다.(7) 일반적으로 플랜지 (flange) 체결방식과 웨브(web) 처］결 방식이 쓰이는더］, 본 논문에 사용된 프레임은 크로스 멤버를 사이드 멤버의 플 랜지면에 체결하는 방식을 사용하였다. 그리고 사이드 멤버와 크로스 멤버의 체결은 강체요소, 즉 MSC.
- 또한 타이어와 더미 2 사이는 병진 스프링을 이용하여 타이어 수직강성(vertical stiffhess : Km盘을 모델링하였다. 그리고 더미 2와 더미 1사이는 병진 스프링을 이용하여 타이어의 종강성 (longitudinal stif&ess : 血血』)을 모델링하였다. 더미 1과 액추에이터 사이는 병진 조인트를 이용하여 타이어 횡강성(lateral stiffiiess : K|ateral)을 모델링하였다.
- (7) 일반적으로 플랜지 (flange) 체결방식과 웨브(web) 처］결 방식이 쓰이는더］, 본 논문에 사용된 프레임은 크로스 멤버를 사이드 멤버의 플 랜지면에 체결하는 방식을 사용하였다. 그리고 사이드 멤버와 크로스 멤버의 체결은 강체요소, 즉 MSC.PATRAN에서 MPC(multi-point constraint) 요소 중에서 RBE 2 요소를 이용하여 모델링하였다. Fig.
- 대형트럭 현가장치에 사용되는 판스프링은 차 량의 진동특성 및 중량 절감측면에서 어느 부품보 다도 큰 비중을 차지하고 있으며 이 부품의 경량 화는 적재량의 증가에 그대로 기여할 수 있다. 그리고 이 부품의 동특성 (dynamic characteristics) 개 271 대형트럭 다판 스프링과 테이퍼 판스프링의 진동특성 비교선에 따른 성능 향상은 운전자의 피로를 경감시키 로 이루어지고, MSC.ADAMS(4)를 이용하여 개발한 고 화물의 안전운송에 크게 기여할 수 있으므로 대형트럭 컴퓨터 모델°, 에 강체가 아닌 유연체로 판스프링에 관한 연구가 활발하게 수행되고 있 모델링한 프레임 모델을 인터페이스하여 개발하였다.2
- 다판 스프링과 테이퍼 판스프링 모델링에 필요한 입력 데이터를 구하기 위하여 다판 스프링과 테이퍼 판스프링의 정적 단품시험을 수행하였다. 정적 단품시험은 공차상태에서 사다리꼴 형태의 하중을 0.
- 본 논문에서는 불규칙 가진 입력에 대한 대형 트럭의 진동특성 평가를 위한 유연체 컴퓨터 모델 (flexible body computational model)개 발하였다. 대 영트럭 유연체 컴퓨터 모델은 전방, 후방 현가장 치 , 농릭 전달계(power-train), 데邑 캡 시스템 등으로 이루어지고, MSC.ADAMS(4)를 이용하여 개발한 대형트럭 컴퓨터 모델°,에 강체가 아닌 유연체로 모델링한 프레임 모델을 인터페이스하여 개발하였다.
- 대형트럭 프레임의 유연체 특성을 구현 하기 위하여 프레임의 강체 모드 외에 처음 세 개의 비틀림 모드(torsion이 mode)와 처음 세 개의 굽 힘 모드(bending mode)를 고려하였다. 이와 같은 정보를 MSC.
- 그리고 더미 2와 더미 1사이는 병진 스프링을 이용하여 타이어의 종강성 (longitudinal stif&ess : 血血』)을 모델링하였다. 더미 1과 액추에이터 사이는 병진 조인트를 이용하여 타이어 횡강성(lateral stiffiiess : K|ateral)을 모델링하였다. 이 같은 모델링을 위해 필요한 타이어의 수직강성, 횡강성, 종강성은 단품시험을 통하여 구한 결과를 이용하였다.
- ADAMS에서 모델링한 강체 차량 모델 사이에 더미 모델을 추가하여 연 결하였다. 더미 모델과 유한요소 프레임은 고정 조인트(fixed joint)를 이용하여 구속하였고 강체 요 소들과 더미 모델은 각각의 운동 조건에 맞는 조 인트를 이용하여 모델링하였다. Fig.
- 본 절에서는 실차 주행시험 결과와 비교를 통해 신뢰성을 검증한 유연체 컴퓨터 모델을 이용하여 대형트럭의 전방 현가장치를 구성하는 판스프 링으로 다판 스프링을 장착한 경우와 테이퍼 판스 프링을 장착한 경우의 진동특성을 비교하였다. 따라서 두 모의시험에 사용된 유연체 컴퓨터 모델은 모든 시스템은 동일하고 단지 전방 현가장치에 다 판 스프링을 사용하는 것과 테이퍼 판스프링을 사용하는 것만을 달리 하였다.
- 컴퓨터 모델을 이용하여 노면 가진 모의시험을 수행하는 경우와 같이 액추에이터를 이용하여 가진 입력을 가하여 진동특성을 해석하는 모의시험 을 수행할 때 컴퓨터 모델에서는 롤 운동 (roll motion), 피치 운동 (pitch motion), 요 운동 (yaw motion)이 발생한다. 따라서 본 논문에서는 실제 차량에 장착된 타이어와 같이 컴퓨터 모델의 타이 어도 액추에이터 위에서 자유로운 거동 즉, 6 자유 도 운동(X, Y, Z, Q W, €))이 가능하도록 Fig. 3과 같은 타이어 좌표계를 이용하여 모델링을 수행하였다.
- 4에서 Cyl_J2)는 컴퓨터 모델에서 한 점에 모델링하여 타이어와 노면의 접촉을 묘사하였다. 또한 타이어와 더미 2 사이는 병진 스프링을 이용하여 타이어 수직강성(vertical stiffhess : Km盘을 모델링하였다. 그리고 더미 2와 더미 1사이는 병진 스프링을 이용하여 타이어의 종강성 (longitudinal stif&ess : 血血』)을 모델링하였다.
- 본 논문에서 이용한 대형트럭 프레임은 사다 리 형상을 가지고 있으며 전후 방향의 사이드 멤 버(side member)와 좌우 방향의 크로스 멤버 (cross member)로 구성되었다. 프레임의 탄성을 고려하기 위하여 유한요소법(Finite Element Method)을 이용하여 모델링하였으며, 유한요소 모델링에는 MSC.
- 본 절에서는 실차 주행시험 결과와 비교를 통해 신뢰성을 검증한 유연체 컴퓨터 모델을 이용하여 대형트럭의 전방 현가장치를 구성하는 판스프 링으로 다판 스프링을 장착한 경우와 테이퍼 판스 프링을 장착한 경우의 진동특성을 비교하였다. 따라서 두 모의시험에 사용된 유연체 컴퓨터 모델은 모든 시스템은 동일하고 단지 전방 현가장치에 다 판 스프링을 사용하는 것과 테이퍼 판스프링을 사용하는 것만을 달리 하였다.
- 유연체 프레임 모델은 처음 세 개의 비 틀림 모드와 처음 세 개의 굽힘 모드를 고려하였다. 비포장 노면 위에서 20km血의 속도로 공차 상태에서 실차 주행시험을 수행하여 캡과 전방 차축 에서의 수직가속도와 컴퓨터 모델의 모의시험 결 과로부터 신뢰성을 검증하였다. 프레임을 유연체 로 모델링한 컴퓨터 모델은 실차 주행시험 결과와 매우 유사한 경향을 보여주었으며 피크주파수 값을 정확하게 예측하였다.
- 신뢰성이 검증된 유연체 컴퓨터 모델을 이용하 여, 전방 현가장치를 구성하는 판스프링을 각각 다 판 스프링과 테이퍼 판스프링으로 장착한 경우에 대해서 모의시험을 수행하였다. 모의시험 결과 캡 과 전방차축에서 피크주파수 및 경향이 거의 유사 하였다.
- 실차 주행시험은 공차 상태로 수행하였으며, 20km/h 속도로 비포장 노면 위를 주행하였다. 실차 주행시험에서는 가속도계 를 캡과 전방 차축에 부착하여 각각의 위치에서 수직가속도를 측정하였다.
- 공차상태에서 20km/h의 속도로 비포장 노면 위를 주행 하는 실차시험에서 캡과 전방 차축의 수직가속도(vertical acceleration)를 즉정한다. 실차 주행시험으로부터 신뢰성이 검증된 컴퓨터 모델을 이용하여 전방 현가장치를 구성하고 있는 판스프링을 다판 스프링과 테이퍼 판스프링으로 각각 고려한 경우에 대해서 불규칙 가진 모의시험을 수행하여 진동 특성을 비교하였다.
- 실차 주행시험으로부터 측정한 결과를 본 논문 에서 개발한 유연체 컴퓨터 모델의 모의시험 결과와 비교하여 유연체 컴퓨터 모델의 신뢰성을 검증 하였다. 유연체 컴퓨터 모델을 이용한 모의시험을 실차 주행시험과 최대한 동일한 시험 조건을 부여 하기 위하여 타이어와 노면 사이의 접촉점에서 불 규칙 가진 입력을 액추에이터를 통해 가하였다. 그리고 ISO에서는 노면의 거칠기에 따라 노면 파 형을 8등급으로 구분하고 있는데 그 중에서 "very poor" 노면으로 분류되는 E 등급 불규칙 노면 파 형(9)을 실차 주행시험의 노면 상태를 모사하는 불 규칙 가진 입력으로 이용하였다.
- 본 논문에서는 주행시 노면으로부터 발생하는 불규칙 노면 파형(irregular road profile)에 의한 대형트럭의 진동특성을 평가하기 위하여 프레임을 유연체(flexible body)로 고려한 유연체 컴퓨터 모델을 개발한다. 유연체 컴퓨터 모델의 신뢰성을 검 증하기 위하여 실차 주행시험을 수행한다. 공차상태에서 20km/h의 속도로 비포장 노면 위를 주행 하는 실차시험에서 캡과 전방 차축의 수직가속도(vertical acceleration)를 즉정한다.
- 변환된 유연체 프 레임 모델을 대형트럭 모델과 인터페이스하였다. 유연체 프레임 모델과 MSC.ADAMS에서 모델링한 강체 차량 모델 사이에 더미 모델을 추가하여 연 결하였다. 더미 모델과 유한요소 프레임은 고정 조인트(fixed joint)를 이용하여 구속하였고 강체 요 소들과 더미 모델은 각각의 운동 조건에 맞는 조 인트를 이용하여 모델링하였다.
- 더미 1과 액추에이터 사이는 병진 조인트를 이용하여 타이어 횡강성(lateral stiffiiess : K|ateral)을 모델링하였다. 이 같은 모델링을 위해 필요한 타이어의 수직강성, 횡강성, 종강성은 단품시험을 통하여 구한 결과를 이용하였다.
- 대형트럭 프레임의 유연체 특성을 구현 하기 위하여 프레임의 강체 모드 외에 처음 세 개의 비틀림 모드(torsion이 mode)와 처음 세 개의 굽 힘 모드(bending mode)를 고려하였다. 이와 같은 정보를 MSC.ADAMS에서 제공하는 FLEX 모듈을 이용하여 MSC.ADAMS 모델에 인터페이스 할 수 있는 포멧 형태로 변환하였다. 변환된 유연체 프 레임 모델을 대형트럭 모델과 인터페이스하였다.
- 본 논문에서는 불규칙 가진 입력에 따른 대형 트럭의 진동특성을 분석하고자 하였다. 전방, 후방 샤시 현가장치, 캡 등으로 구성된 컴퓨터 모델에 유한요소법을 이용하여 유연체로 모델링한 프레임 을 인터페이스함으로써 유연체 컴퓨터 모델을 개 발하였다. 유연체 프레임 모델은 처음 세 개의 비 틀림 모드와 처음 세 개의 굽힘 모드를 고려하였다.
- 액추에이터는 대형트럭에 불 규칙한 가진 입력을 가하는데 사용된다. 즉, 불규 칙 가진 입력은 타이어와 노면의 접촉점에서 액추 에이터 모델을 이용하여 가해지도록 모델링하였다.
- 타이어의 X방향 운동과 e 방향 운동을 정의하기 위하여 더미 1과 더미 2 사 이를 원통 조인트로 연결하였으며 타이어의 Z-방 향 운동과 ®방향 운동을 정의하기 위하여 더미 2와 타이어 사이를 원통 조인트로 연결하였다. 타 이어의 W방향 운동을 정의하기 위하여 타이어와 너클 사이를 회전 조인트를 이용하여 연결하여 모델을 구성하였다. 특히 타이어-액추에이터 모델에서 병진 조인트 l(Fig.
- 타이어-액추에이터 모델은 Fig. 3에서 보는 바와 같이 액추에이터의 Z-방향 운동을 정의하기 위하여 그라운드(ground)와 액추에이터 사이를 병진 조 인트로 연결하였으며, 타이어의 Y방향 운동을 정 의하기 위하여 액추에이터와 더미 1 사이를 병진 조인트로 연결하였다. 타이어의 X방향 운동과 e 방향 운동을 정의하기 위하여 더미 1과 더미 2 사 이를 원통 조인트로 연결하였으며 타이어의 Z-방 향 운동과 ®방향 운동을 정의하기 위하여 더미 2와 타이어 사이를 원통 조인트로 연결하였다.
- 3에서 보는 바와 같이 액추에이터의 Z-방향 운동을 정의하기 위하여 그라운드(ground)와 액추에이터 사이를 병진 조 인트로 연결하였으며, 타이어의 Y방향 운동을 정 의하기 위하여 액추에이터와 더미 1 사이를 병진 조인트로 연결하였다. 타이어의 X방향 운동과 e 방향 운동을 정의하기 위하여 더미 1과 더미 2 사 이를 원통 조인트로 연결하였으며 타이어의 Z-방 향 운동과 ®방향 운동을 정의하기 위하여 더미 2와 타이어 사이를 원통 조인트로 연결하였다. 타 이어의 W방향 운동을 정의하기 위하여 타이어와 너클 사이를 회전 조인트를 이용하여 연결하여 모델을 구성하였다.
- 1에서 보는 바와 같이 크로스 멤버를 사이드 멤버의 상,하 플 랜지 면에 결합하고 있으며 실제 차량에서는 리 벳을 이용하여 결합하는데 유한요소 모델에서는 강체요소를 이용하여 결합하였다. 프레임에 장 착되는 행온 파트(hang-on parts)들인 연료탱크, 베터리, 에어 탱크 등과 같은 부품들은 집중질 량(lumped mass) 요소 즉 MSC.PATRAN 에서 포 인트 요소(point element)를 이용하여 모델링하였다. 이와 같이 본 논문에서 개발한 유한요소 프 레임 모델은 18,159개의 노드, 16,398개의 쉘 요 소와 포인트 요소, 368개의 강체요소로 이루어져 있다.
- PATRAN© 을 이용하였다. 프레임의 주요 부 재인 사이드 멤버와 크로스 멤버의 유한요소 모 델링은 각 부재의 두께를 고려하여 중립면(midplane)을 구한 후, MSC.PATRAN에서 제공하는 사각형 쉘 요소(QUADR shell element)와 삼각형 쉘 요소(TIRAR shell element)를 이용하여 모델링 하였다. 프레임의 크로스 멤버와 사이드 멤버의 체결 방식은 대형트럭 동특성에 많은 영향을 미 친다.
대상 데이터
- 4 는 대형트럭 유연체 컴퓨터 모델에 불규 칙 가진 입력을 가하기 위한 타이어와 액추에이터 부분의 모델 개략도를 보여주고 있다. Fig. 4 에서 보는 바와 같이 타이어■액추에이터의 접촉점은 타 이어가 노면과 접촉하는 지점이며 모델은 액추에 이터, 더미 (dummy) 1, 더미 2, 타이어, 너클 (knuckle) 등 5개의 강체와 2개의 병진 조인트 (translational joint), 2개의 원통 조인트(cylindrical joint), 1개의 회전 조인트(revolute joint), 3개의 병 진 스프링으로 구성하였다.
- ADAMS 모델에 인터페이스 할 수 있는 포멧 형태로 변환하였다. 변환된 유연체 프 레임 모델을 대형트럭 모델과 인터페이스하였다. 유연체 프레임 모델과 MSC.
- 본 논문의 불규칙 가진 모의시험에서 이용한 전방 현가장치 다판 스프링의 스프링 상수는367.46(N/mm) 이고, 테이퍼 판스프링의 설계기준 스프링 상수는 395.25(N/mm)이었다. 이와 같이 다 판 스프링에 비하여 7.
- 25(N/mm)이었다. 이와 같이 다 판 스프링에 비하여 7.5% 정도 큰 스프링 상수를 가진 테이퍼 판스프링을 모의시험에 이용하였다.
- PATRAN 에서 포 인트 요소(point element)를 이용하여 모델링하였다. 이와 같이 본 논문에서 개발한 유한요소 프 레임 모델은 18,159개의 노드, 16,398개의 쉘 요 소와 포인트 요소, 368개의 강체요소로 이루어져 있다.
데이터처리
- 실차 주행시험으로부터 측정한 결과를 본 논문 에서 개발한 유연체 컴퓨터 모델의 모의시험 결과와 비교하여 유연체 컴퓨터 모델의 신뢰성을 검증 하였다. 유연체 컴퓨터 모델을 이용한 모의시험을 실차 주행시험과 최대한 동일한 시험 조건을 부여 하기 위하여 타이어와 노면 사이의 접촉점에서 불 규칙 가진 입력을 액추에이터를 통해 가하였다.
이론/모형
- 본 논문에서 이용한 대형트럭 프레임은 사다 리 형상을 가지고 있으며 전후 방향의 사이드 멤 버(side member)와 좌우 방향의 크로스 멤버 (cross member)로 구성되었다. 프레임의 탄성을 고려하기 위하여 유한요소법(Finite Element Method)을 이용하여 모델링하였으며, 유한요소 모델링에는 MSC.PATRAN© 을 이용하였다. 프레임의 주요 부 재인 사이드 멤버와 크로스 멤버의 유한요소 모 델링은 각 부재의 두께를 고려하여 중립면(midplane)을 구한 후, MSC.
성능/효과
- 7은 정적 단품시험을 수행하여 구한 다판 스프링과 테 이퍼 판스프링의 이력특성을 보여주는 하중-변위선도(load-displacement curve)다. Fig. 7로부터 본 논문에서 사용된 테이퍼 판스프링은 다판 스프링 보다 약간 큰 설계기준 스프링 상수를 가지고 있음을 확인할 수 있다. 그러나 이력곡선의 면적에 의해 계산되는 감쇄량은 다판 스프링이 테이퍼 판스 프링에 비하여 월등히 크다는 것을 알 수 있다.
- 5Hz 대역에서 크기의 차이를 보이는 이유는 본 논문에서 개발 한 유연체 컴퓨터 모델은 캡 시스템을 강체로 가정 하고 모델링하였기 때문으로 생각한다. 따라서 컴퓨터 모델의 캡 시스템을 유연체로 고려한 컴퓨터 모델을 이용하여 모의시험을 수행하 면 2.5-3.5HZ 대역에서 실차 주행시험 결과를 상당히 정확하게 예측할 수 있을 것으로 생각된다. Fig.
- 그러나 캡에서는 테이퍼 판스프링을 장착한 경우가 다판 스프링을 장착한 경우보다 피크주파수 대 역에서 전반적으로 약간 작은 가속도 크기를 보였다. 따라서 테이퍼 판스프링을 장착한 차량이 다 판 스프링을 장착한 차량보다 진동승차감 측면에 서는 유리할 것이라고 생각된다.
- 8Hz 부 근에서 피 크주파수가 발생 하였다. 모의시험 결과는 1.8Hz의 피크주파수 뿐 아니라 피크주파수 에서 가속도의 크기를 매우 유사하게 예측하였다. 그리고 피크주파수 부근에서 실차 주행시험 과 모의시험의 가속도 경향이 상당히 유사함을 알 수 있다.
- 비포장 노면 위에서 20km血의 속도로 공차 상태에서 실차 주행시험을 수행하여 캡과 전방 차축 에서의 수직가속도와 컴퓨터 모델의 모의시험 결 과로부터 신뢰성을 검증하였다. 프레임을 유연체 로 모델링한 컴퓨터 모델은 실차 주행시험 결과와 매우 유사한 경향을 보여주었으며 피크주파수 값을 정확하게 예측하였다.
후속연구
- 그러나 일부 주파수 대역에서 캡 및 전방 차 축 등을 강체로 가정하고 모델링하였기 때문에 수 직가속도 크기에서 약간의 차이를 보였다. 향후에 캡과 차축을 유연체로 모델링하면 더욱더 향상된 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각된다.
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