[논문]전차륜 조향 장치를 장착한 굴절궤도 차량의 주행특성에 관한 연구

이수호; 문경호; 전용호; 이정식; 김덕기; 박태원

전차륜 조향 장치를 장착한 굴절궤도 차량의 주행특성에 관한 연구
A Study on the Dynamic Characteristics of the Bi-modal Tram with All-Wheel-Steering System 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.10 no.4 = no.41, 2007년, pp.444 - 450

이수호 (아주대학교 기계공학과 대학원) , 문경호 (한국철도기술연구원) , 전용호 (아주대학교 기계공학과 대학원) , 이정식 (우진산전㈜) , 김덕기 (우진산전㈜) , 박태원 (아주대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The bi-modal tram guided by the magnetic guidance system has two car-bodies and three axles. Each axle of the vehicle has an independent suspension to lower the floor of the car and improve ride quality. The turning radius of the vehicle may increase as a consequence of the long wheel base. Therefore, the vehicle is equipped with the All-Wheel-Steering(AWS) system for safe driving on a curved road. Front and rear axles should be steered in opposite directions, which means a negative mode, to minimize the turning radius. On the other hand, they also should be steered in the same direction, which means a positive mode, for the stopping mode. Moreover, only the front axle is steered for stability of the vehicle upon high-speed driving. In summary, steering angles and directions of the each axle should be changed according to the driving environment and steering mode. This paper proposes an appropriate AWS control algorithm for stable driving of the bi-modal tram. Furthermore, a multi-body model of the vehicle is simulated to verify the suitability of the algorithm. This model can also analyze the different dynamic characteristics between 2WS and AWS.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 AWS를 장착한 굴절궤도 차량의 주행 특성에 대해 검토해 보았다. 이를 위해 우선 AWS의 알고리즘에 대한 검토를 하였다.
본 논문에서는 굴절 궤도 차량에 적합한 AWS 알고리즘을 검토하였고, 다물체 동역학을 이용해 구성된 차량 모델을 통해 이를 검증하였다. 굴절 궤도 차량은 전륜 1축과 후륜 2축으로 구성되어 있으며, AWS 알고리즘에서는 후륜 조향각에 대한 검토가 중요하다.

가설 설정

알면 3축의 조향각도 알 수 있게 된다. 뒤 차체의 연장선과 앞 차체 가상 고정 축 연장선의 교점을 b점이라 할 때 굴절 점과 b 점 사이의 거리를 %라고 가정한다. 그러면, 그림 6으로부터 식(8), (9)를 정의할 수 있게 된다.
따라서 R1값을 계산할 수 있으면 2축의 조향각을 알 수 있다. 앞 차체의 연장선과 뒤 차체 가상고정 축 연장선의 교점을 a점이라 할 때, 굴절점과 a 점 사이의 거리를 4라고 가정한다. 그러면, 그림 4로부터 식(2), (3) 을 정의할 수 있게 된다.

제안 방법

이를 위해 우선 AWS의 알고리즘에 대한 검토를 하였다. 2축과 3축의 조향각이 어떤 원리에 의해 계산되는지를 고려해 보았다. 역위상 조향시 2축과 3축의 조향각은 굴절각의 42%, 44%로 조향되어야 세 축은 같은 선회중심을 가지며 회전 하는 것을 알 수 있었다.
3절에서 계산되는 후륜 조향각에 의해 차량이 어떤 거동을 보이는지 확인할 필요가 있기 때문에 차량 동역학 모델을 구성하였다. 동역학 모델은 범용 다물체 동역학 해석 프로그램인 ADAMS [10]를 이용하였다.
시내 도로 주행의 안전성 여부를 판단하기위해 곡률반경이 작은 굽은 도로를 주행하는 해석을 수행하였다. 또한 2WS, AWS 장착 굴절 차량에 대해 같은 조건으로 해석하여 AWS 장착 차량에 대한 실효성을 검증하였다.
역위상 조향시 2축과 3축의 조향각은 굴절각의 42%, 44%로 조향되어야 세 축은 같은 선회중심을 가지며 회전 하는 것을 알 수 있었다. 또한 속도에 따라 후륜의 조향각이 달라지며, 이러한 AWS의 알고리즘의 타당성을 검증하기 위해 차량 동역학 모델을 구성하였다. 차량 동역학 모델에 AWS를 적용하여 정상원 선회, 교차로 주행 해석을 실시하였다.
이렇게 결정된 후륜 조향각을 차량 동역학 모델에 적용하게 되면 시뮬레이션을 통해 AWS 알고리즘을 검증할 수 있게 된다. 시내 도로 주행의 안전성 여부를 판단하기위해 곡률반경이 작은 굽은 도로를 주행하는 해석을 수행하였다. 또한 2WS, AWS 장착 굴절 차량에 대해 같은 조건으로 해석하여 AWS 장착 차량에 대한 실효성을 검증하였다.
대해 검토해 보았다. 이를 위해 우선 AWS의 알고리즘에 대한 검토를 하였다. 2축과 3축의 조향각이 어떤 원리에 의해 계산되는지를 고려해 보았다.
우 조향각의 평균 조향각은 차량의 자전거 모델에서 2, 3축의 조향각으로 볼 수 있다. 이상과 같이 각 축의 조향, 현가장치를 고려하여 굴절궤도 차량의 동역학 모델을 만들 수 있고 그림 13과 같이 차량 전체의 동역학 모델을 구성하였다.
또한 속도에 따라 후륜의 조향각이 달라지며, 이러한 AWS의 알고리즘의 타당성을 검증하기 위해 차량 동역학 모델을 구성하였다. 차량 동역학 모델에 AWS를 적용하여 정상원 선회, 교차로 주행 해석을 실시하였다. 특히, 교차로 선회에서는 동일한 해석조건으로 2WS 장착차량과 AWS 장착 차량의 궤적을 비교하여 AWS 장착차량의 타당성을 검증하였다.

이론/모형

동역학 모델은 범용 다물체 동역학 해석 프로그램인 ADAMS [10]를 이용하였다. 그림 8, 그림 9와 같이 전륜과 후륜 모두 더블 위시본 형태의 독립 현가장치를 채택하고 있다.
그림 8, 그림 9와 같이 전륜과 후륜 모두 더블 위시본 형태의 독립 현가장치를 채택하고 있다. 현가, 조향 장치의 부품은 기구학적 구속 관계(joint)로 연결되어 있으며, 타이어의 수학적 모델은 Magic Formular 계산식을 사용하였다[11].

성능/효과

2축과 3축의 조향각이 어떤 원리에 의해 계산되는지를 고려해 보았다. 역위상 조향시 2축과 3축의 조향각은 굴절각의 42%, 44%로 조향되어야 세 축은 같은 선회중심을 가지며 회전 하는 것을 알 수 있었다. 또한 속도에 따라 후륜의 조향각이 달라지며, 이러한 AWS의 알고리즘의 타당성을 검증하기 위해 차량 동역학 모델을 구성하였다.

후속연구

본 논문에서 개발된 차량 동역학 모델과 AWS 알고리즘을 이용하면, 다양한 주행조건, 도로 조건에서 굴절 궤도 차량의 주행 특성을 미리 예측할 수 있다. 특히, 도로의 곡률 반경에 따른 굴절 궤도 차량의 안전 속도 궤적을 동역학 해석에 의해 알 수 있기 때문에 향후 진행되는 굴절 궤도 차량의 개발에 많은 도움을 줄 것으로 기대된다.
특성을 미리 예측할 수 있다. 특히, 도로의 곡률 반경에 따른 굴절 궤도 차량의 안전 속도 궤적을 동역학 해석에 의해 알 수 있기 때문에 향후 진행되는 굴절 궤도 차량의 개발에 많은 도움을 줄 것으로 기대된다.

참고문헌 (11)

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Mark Sherman., George Myers (2000) 'Vehicle Dynamics Simulation for Handling Optimization of Heavy Trucks', SAE Technical paper, 2000-01-3437
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Hans B. Pacejka (2002). 'Tire and Behicle Dynamics', SAE, Inc., Warrendale, PA, USA

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