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문제 정의
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본 연구에서는 캐빈 공기 현가장치의 유공압 특성을 고려하여 동특성을 해석하였다. 유공압 해석 전문 프로그램인 AMESim 프로그램을 이용하여 캐빈 공기 현가장치를 구성하는 각 단품과 전체 시스템을 모델링하고 해석하였으며 다음과 같이 요약할
- 본 연구에서는 캐빈의 동적거동을 재현하기 위해 승차감 시험로와 같은 특수 노면을 이용하여 진동량을 측정하였다. 주행 중 엔진 진동에서 나오는 노이즈를 피하기 위해 엔진 회전을 1200, 1400 rpm 으로 유지하면서 실차 시험을 수행하였다.
제안 방법
- 공기 스프링은 외력의 변화에 따라 스프링 상수가 변하는 가변 스프링의 특성을 지니며, 챔버 내의 압력을 일정하게 유지시키면 외력에 관계없이 일정한 높이를 유지할 수 있다. AMESim에서 제공하는 PCD library의 variable pneu-matic piston sub model을 사용하여 모델링 하였으며, Fig. 3에 스프링 강성에 대한 해석과 시험 결과를 도시한 것이다. 시험 결과 그래프는 전용시험기를 사용하여 힘과 변위(F-S) 관계를 추출한 결과이기 때문에 히스테리시스를 구할 수 없었으며 해석에서 구한 그래프의 중간값과 비교할 때 잘 일치함을 볼 수 있다.
- 5bar의 정압 입력으로 설정하여 해석을 수행하였으며 컴프레셔에 의해 발생되는 압력 맥동은 무시하였다. 또한 캐빈의 동적 거동에 가장 많은 영향을 주는 공기 스프링, 레밸링 밸브, 충격 흡수기를 선정하여 단품별 해석 및 검증을 실시하였다.
- 본 연구에서는 공압 컴프레셔를 5.5bar의 정압 입력으로 설정하여 해석을 수행하였으며 컴프레셔에 의해 발생되는 압력 맥동은 무시하였다.
- 8이다. 본 연구에서는 블로오프 밸브와 인테이크 밸브를 릴리프 밸브로 모델링 하여 실제 유동특성과 유사하게 모델링 하였다.5)
- 해석 모델은 캐빈 무게중심에서 롤, 피치에 대한 각도, 각속도, 수직방향의 변위, 속도 해석이 가능하며 4개의 코너에서 하중, 속도, 상대변위를 해석 할 수 있다. 여기에서 연결 부쉬의 영향은 고려하지 않았으며 캐빈의 형상은 무게와 관성모멘트를 가진 강체로 모델링 하였다.
- 유공압 해석 전문 프로그램인 AMESim 프로그램을 이용하여 캐빈 공기 현가장치를 구성하는 각 단품과 전체 시스템을 모델링하고 해석하였으며 다음과 같이 요약할 수 있다.
- 1) 그러나 좀 더 높은 수준의 승차감 목표 달성을 위해서는 캐빈 공기 현가장치의 유공압 특성을 고려한 설계가 요구되고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 AMESim2)프로그램을 사용하여 캐빈 공기 현가장치를 구성하고 있는 단품모델 개발과 전체 시스템의 유공압 특성을 고려한 동역학적 모델 개발과 해석을 수행하고 실험실 내에서 6축 가진 테이블을 이용한 시험 결과와 비교 분석하였다.
- 레밸링 밸브는 3/2way 형식으로 중립위치의 레버가 캐빈의 변위 변화에 따라 상하로 움직이게 되고 레버의 작동 각도에 따라 유량이 선형적으로 변하게 된다. 이에 따라 본 연구에서는 레버의 각도에 따른 토출 유량으로 밸브를 모델링 하지 않고 직선 변위로 변환하여 밸브의 입력 값으로 모델링 하였다.4)
- 전절에서 기술한 단품 모델을 기반으로 캐빈 공기 현가장치에 대한 전체 모델링을 수행하였다. 해석 모델은 캐빈 무게중심에서 롤, 피치에 대한 각도, 각속도, 수직방향의 변위, 속도 해석이 가능하며 4개의 코너에서 하중, 속도, 상대변위를 해석 할 수 있다.
- 본 연구에서는 캐빈의 동적거동을 재현하기 위해 승차감 시험로와 같은 특수 노면을 이용하여 진동량을 측정하였다. 주행 중 엔진 진동에서 나오는 노이즈를 피하기 위해 엔진 회전을 1200, 1400 rpm 으로 유지하면서 실차 시험을 수행하였다. 대상 차량으로 선정한 18톤 트랙터의 프레임에 재현을 위한 3개의 가속도계와 재현율의 참고채널로 캐빈 현가장치 상단부에 가속도계 2개를 설치하였고 캐빈 내부 무게중심점에 1개의 가속도계를 설치하였다.
대상 데이터
- 주행 중 엔진 진동에서 나오는 노이즈를 피하기 위해 엔진 회전을 1200, 1400 rpm 으로 유지하면서 실차 시험을 수행하였다. 대상 차량으로 선정한 18톤 트랙터의 프레임에 재현을 위한 3개의 가속도계와 재현율의 참고채널로 캐빈 현가장치 상단부에 가속도계 2개를 설치하였고 캐빈 내부 무게중심점에 1개의 가속도계를 설치하였다. Fig.
- 본 연구에서 사용한 공기 스프링은 고무복합재질의 다이어프램 타입으로 규격은 외경 120mm, 내경 76mm, 높이 225mm, 스트로크 ±40mm 이다.
데이터처리
- 2) 캐빈 공기 현가장치의 전체 모델 구성 후 해석을 수행하였으며 해석의 정확도를 6축 가진 테이블 시험 결과와 비교하였다. 실험실 내의 6축 가진 테이블 재현 시험 시 측정한 캐빈 중심점에서의 가속도 신호를 해석 결과와 비교하였으며 비교 결과 전체 RMS 오차가 약 7%정도로 해석 모델이 시험 결과를 잘 추종하고 있음을 확인하였다.
성능/효과
- 1) 공기 스프링, 충격 흡수기, 레밸링 밸브 등 시스템의 핵심 부품을 모델링하고 실험 데이터와 비교하였으며 특성 곡선이 잘 일치함을 확인하였다.
- 3) 유공압 시스템 해석을 이용하여 실제 실험을 통해서는 확인하기 어려운 각 구성 부품의 유공압적 특성을 파악할 수 있었다.
- 3에 스프링 강성에 대한 해석과 시험 결과를 도시한 것이다. 시험 결과 그래프는 전용시험기를 사용하여 힘과 변위(F-S) 관계를 추출한 결과이기 때문에 히스테리시스를 구할 수 없었으며 해석에서 구한 그래프의 중간값과 비교할 때 잘 일치함을 볼 수 있다. 여기에서 노면 입력은 ±40mm, 2Hz의 사인파 입력을 사용하였다.
- 8에는 변위 ±40mm, 4Hz의 사인파 입력조건일때 충격 흡수기의 F-V(힘-속도)특성을 비교하였다. 시험 결과 그래프는 전용시험기에서의 시험을 통하여 추출하였기 때문에 히스테리시스를 구할 수 없었으며 해석에서 구한 그래프의 중간값과 비교할 때 잘 일치함을 볼 수 있다.
- 2) 캐빈 공기 현가장치의 전체 모델 구성 후 해석을 수행하였으며 해석의 정확도를 6축 가진 테이블 시험 결과와 비교하였다. 실험실 내의 6축 가진 테이블 재현 시험 시 측정한 캐빈 중심점에서의 가속도 신호를 해석 결과와 비교하였으며 비교 결과 전체 RMS 오차가 약 7%정도로 해석 모델이 시험 결과를 잘 추종하고 있음을 확인하였다.
- 12에 도시하였다. 전체 시험 시간은 317초이며 일부 구간의 결과를 확대 도시하였다. 그림에서 보는 바와 같이 가속도 최고치에 약간 오차가 발생하고 있으나 위상 등은 잘 일치하고 있으며 전체 RMS 오차는 Table 1에 나타낸 바와 같이 약 7%이다.
후속연구
- 따라서 본 연구에서 수행한 유공압적 특성을 반영한 캐빈 공기 현가장치의 모델링 및 해석은 관련 시스템 및 부품 설계에 활용되어 승차감 향상 등 성능 향상에 기여할 수 있을 것이다.
- 이와 같은 시스템 중 대형 트럭의 캐빈 공기 현가장치(cabin air suspension system)는 트럭 프레임과 캐빈 사이의 진동을 절연하여 승차감을 향상시키고 운전자의 작업 능률을 향상시켜 주는 역할을 하는 시스템이다. 이 시스템을 개발하기 위해서는 유공압 해석, 동역학 해석, 시험 평가 등 다양한 기술개발이 필요하다. 그러나 생산대수가 많은 승용차용 시스템 개발에 비하여 상용차 시스템 개발에 투입되는 인적․물적 요소의 부족으로 인하여 관련 기술 개발이 미흡한 실정이다.
- 15에는 공기 스프링의 압력을 조절 하는 레밸링 밸브의 공기흐름을 입력과 토출로 도시한 것이며 공기 스프링의 부피가 줄어들면 공기를 입력하고 부피가 늘어나면 공기를 토출하여 변위를 제어하는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 캐빈 공기 현가장치의 해석을 통하여 캐빈의 동적 거동 뿐만 아니라 각 부품의 유공압적 특성을 파악할 수 있어 시스템 및 부품 설계에 잘 활용될 수 있을 것이다.
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