[논문]마찰력을 고려한 군용 MR 현수 장치의 설계 및 제어

하성훈; 최승복; 이은준; 강필순

doi:10.5050/ksnve.2010.20.1.058

마찰력을 고려한 군용 MR 현수 장치의 설계 및 제어
Design and Control of MR Military Suspension System Considering Friction Force 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.20 no.1 = no.154, 2010년, pp.58 - 65

하성훈 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 최승복 (인하대학교 기계공학부) , 이은준 (현대 로템 중앙연구소) , 강필순 (현대 로템 중앙연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents dynamic modeling and control analysis of a military vehicle suspension featuring MR valve structure. Firstly, the dynamic model of the suspension system which is included gas spring, MR valve and gas chamber is established with respect to the disturbance. Secondly, the friction model of the suspension system is derived by considering experiment result of the MR suspension system. And then, response characteristics of the damping force with respect to the magnetic field and friction force with the proposed friction model are provided to show the feasibility of practical application. In addition, control performance of the proposed MR suspension system is evaluated with quarter vehicle.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 이 연구에서는 군용차량 주행 시 효과적인 충격 및 진동저감을 위해 차량에 제어 가능한 현수장치를 제안한다. 제안된 현수장치는 MR 유체를 작동유로 가지며 MR 밸브 기준으로 상 ‧ 하부 챔버를 구성하여 댐퍼를 구성하였다.
이 연구에서는 군용 차량의 진동 제어 성능을 향상시키기 위하여 반능동 MR 현수장치를 도입하였고, 이의 수학적 모델을 도출하였다. 그리고 제안된 MR 현수장치의 마찰력 실험을 통해 마찰력이 일어나는 현수장치 주요 부분의 마찰모델을 결정하였다.

가설 설정

MR 밸브의 모델링을 위하여 MR 유체의 압축성을 무시하고, 유체저항에 의한 동간 상의 내부압력은 모든 방향으로 균일하게 작용하며 있으며 유로 형상에 의한 압력손실은 없다고 가정하였다. 따라서, MR 유체 기본 점성에 의한 압력강하와 MR 유체가 자기장에서 발생되는 항복응력에 대한 압력 강하는 다음과 같이 표현할 수 있다⁽⁷⁾.

제안 방법

그리고 제작된 현수장치의 마찰력 실험을 거쳐 현수장치 주요 부분의 마찰모델을 결정한다. 결정된 마찰모델은 시뮬레이션 상에서 평가되며 최종적으로 1/4 차량 모델을 통해 마찰모델을 포함하는 현수장치의 진동 제어 성능을 평가하고자 한다.
그리고 제안된 MR 현수장치의 마찰력 실험을 통해 마찰력이 일어나는 현수장치 주요 부분의 마찰모델을 결정하였다. 결정된 마찰모델을 시뮬레이션 상에 평가하기 위하여 가진 속도와 입력 전류에 따른 실험 결과값과 시뮬레이션 값을 비교하였다. 수행된 시뮬레이션은 제안된 마찰모델이 이 시스템에 적합하다는 것을 증명하였다.
이 연구에서는 군용 차량의 진동 제어 성능을 향상시키기 위하여 반능동 MR 현수장치를 도입하였고, 이의 수학적 모델을 도출하였다. 그리고 제안된 MR 현수장치의 마찰력 실험을 통해 마찰력이 일어나는 현수장치 주요 부분의 마찰모델을 결정하였다. 결정된 마찰모델을 시뮬레이션 상에 평가하기 위하여 가진 속도와 입력 전류에 따른 실험 결과값과 시뮬레이션 값을 비교하였다.
또한 외부로부터 들어오는 외란에 의해서 댐퍼는 가스 스프링 내부로 왕복 운동하게 되어 스프링의 탄성력을 발생시키도록 구성하였다. 그리고 제작된 현수장치의 마찰력 실험을 거쳐 현수장치 주요 부분의 마찰모델을 결정한다. 결정된 마찰모델은 시뮬레이션 상에서 평가되며 최종적으로 1/4 차량 모델을 통해 마찰모델을 포함하는 현수장치의 진동 제어 성능을 평가하고자 한다.
그러나 수치해석이나 실제 실험 상에서 압축에 의한 변위 x_r을 측정하기는 어려운 점이 많다. 따라서 마찰이 일어나는 부분의 변위 즉 x_d,c와 무 차원화된 변수 x_f를 이용하여 마찰 시스템을 다음과 같이 구현하였다⁽²⁾.
따라서 상대 속도, 스트리백 속도 등 각 부분의 정밀한 계측값을 측정하기가 어렵다. 따라서, 이 연구에서는 댐퍼 및 부동 피스톤의 속도만으로 상호 마찰력이 예측이 가능한 스프링 모델을 이용하여 마찰력을 적용하도록 하겠다.
수행된 시뮬레이션은 제안된 마찰모델이 이 시스템에 적합하다는 것을 증명하였다. 또한 1/4차량 모델을 이용하여 제안된 마찰모델을 포함하는 현수장치의 진동 제어 성능을 평가하여 이 연구에서 제안한 현수장치 및 마찰모델의 타당성을 검증하였다.
스프링 모델은 쿨롱의 모델을 발전시킨 것으로 시스템의 압축에 따른 강성을 추가하여 동적 마찰 모델을 구성하였다. Fig.
하지만 이를 위해서는 상호간의 정확한 상대 변위와 스트리백 속도 등을 측정하여야 한다. 이 연구에서 제안한 모델은 현수장치 내부에 씨일에 의해서 마찰이 진행되며 마찰 현상이 일어나는 주변은 고압으로 밀폐되어 있다. 따라서 상대 속도, 스트리백 속도 등 각 부분의 정밀한 계측값을 측정하기가 어렵다.
이 연구에서 제안한 현수장치는 MR 유체가 MR 밸브의 덕트를 지나갈 때 오리피스 유동을 통하여 상 ‧ 하부 챔버의 압력강하를 도출한다. 제안한 MR 밸브의 구조는 Fig.
이 연구에서 제안한 현수장치의 제어를 위하여 스카이훅 제어 이론을 이용하도록 하겠다. 스카이훅 제어 이론은 가상의 관성 기준(inertial reference)과 질량 사이에 수동댐퍼를 장착한다.
특히 유기압현수장치와 같이 강성이 강한 철강요소와 탄성체인 고무요소와의 마찰 현상을 표현하고 이를 실제 시스템에 적용하기 위해서는 고무의 압축성으로 인한 점착 마찰력을 표현할 수 있는 모델이 필요하다. 일반적으로 마찰모델은 크게 정적 마찰모델과 동적 마찰모델로 구분할 수 있는데 이 연구에서는 각각의 마찰모델의 특성에 따라서 제안한 시스템에 적용할 수 있는 마찰모델을 선택하도록 하였다.
따라서 MR 밸브에 의한 압력강하는 거의 존재하지 않았기 때문에 측정된 결과는 전부 마찰력의 값이라고 할 수 있겠다. 측정된 마찰력 값과 댐퍼 및 부동 피스톤의 속도를 이용하여 마찰계수의 값을 고정하였다.
1은 이 연구에서 제안한 MR 현수장치의 개략도를 나타내고 있다. 피스톤과 연결된 헤드 부분에는 MR 밸브를 설치하여 밸브 기준으로 상 ‧ 하부 챔버에 압력강하를 발생시키며, 이에 따른 부피를 보상하기 위하여 하부 챔버 하단에 부동 피스톤을 이용하여 가스 챔버를 구성하였다. 그리고 MR 밸브가 설치되고 MR 유체로 채워져 있는 댐퍼 부분은 기체로 채워져 있는 스프링 부분 속으로 왕복 운동을 하게 된다.

대상 데이터

따라서, 이 연구에서는 군용차량 주행 시 효과적인 충격 및 진동저감을 위해 차량에 제어 가능한 현수장치를 제안한다. 제안된 현수장치는 MR 유체를 작동유로 가지며 MR 밸브 기준으로 상 ‧ 하부 챔버를 구성하여 댐퍼를 구성하였다. 또한 외부로부터 들어오는 외란에 의해서 댐퍼는 가스 스프링 내부로 왕복 운동하게 되어 스프링의 탄성력을 발생시키도록 구성하였다.

성능/효과

따라서 이 연구에서 마찰력을 측정하기 위해서는 시스템이 낼 수 있는 최저의 속도와 최저 변위로 외란을 인가하여야 하므로 속도 0.0005 m/s, 가진 변위 ±10 mm로 현수장치를 가진하였다.
또한, 상부 가속도를 주파수 영역에서 분석한 결과 Fig. 13과 같이 이 연구에서 제안한 현수장치에 의하여 제어가 되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 현수장치의 마찰력을 고려하여 외부로부터 들어오는 외란을 적절한 제어 입력으로 제어가 된 것을 증명하고 있다.
결정된 마찰모델을 시뮬레이션 상에 평가하기 위하여 가진 속도와 입력 전류에 따른 실험 결과값과 시뮬레이션 값을 비교하였다. 수행된 시뮬레이션은 제안된 마찰모델이 이 시스템에 적합하다는 것을 증명하였다. 또한 1/4차량 모델을 이용하여 제안된 마찰모델을 포함하는 현수장치의 진동 제어 성능을 평가하여 이 연구에서 제안한 현수장치 및 마찰모델의 타당성을 검증하였다.
12는 MR 현수장치 시스템을 장착한 1/4차량에 단일 범프(bump) 형태의 노면 조건으로 가진한 경우에 대한 결과 값이다. 이 때 차체의 변위 및 가속도가 이 연구에서 제안된 현수장치를 통하여 기존의 수동형 현수장치보다 적절히 제어된 것을 확인할 수 있었다.
이 연구에서 제안한 MR 현수장치는 차체와 바퀴를 연결하는 로드암 내부에 기체를 매개체로 하는 가스 스프링과 MR 유체의 항복응력을 이용하는 MR 댐퍼를 가지는 유기압현수장치의 한 종류라고 할 수 있다. 이 MR 현수장치는 기체 스프링을 사용하여 작동 압력이 높고 밀폐계에 씨일링 문제 그리고 열발산 문제를 가지고 있는 단점이 있다.
9는 이 연구에서 제안한 마찰모델과 현수장치 모델을 이용하여 실험 조건과 같은 가진 입력으로 시뮬레이션을 수행한 결과이다. 이에 따르면 시뮬레이션 값과 실험값이 거의 비슷한 값을 나타내고 있는 것을 확인할 수가 있으므로 이 연구에서 제안한 마찰모델의 타당성을 증명할 수 있다.
식 (3), (4), (7)에 따르면 댐퍼에 의한 압력강하는 상 ‧ 하부 챔버의 압력의 차와 마찰력으로 표현된다. 측정된 결과는 현가장치를 저속으로 가진하였고, MR 밸브에 전류도 인가하지 않았다. 따라서 MR 밸브에 의한 압력강하는 거의 존재하지 않았기 때문에 측정된 결과는 전부 마찰력의 값이라고 할 수 있겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MR 현수장치의 단점은?	이 연구에서 제안한 MR 현수장치는 차체와 바퀴를 연결하는 로드암 내부에 기체를 매개체로 하는 가스 스프링과 MR 유체의 항복응력을 이용하는 MR 댐퍼를 가지는 유기압현수장치의 한 종류라고 할 수 있다. 이 MR 현수장치는 기체 스프링을 사용하여 작동 압력이 높고 밀폐계에 씨일링 문제 그리고 열발산 문제를 가지고 있는 단점이 있다. 하지만 종래의 수동형 코일 스프링 현수장치에 비해 중량이 가볍고 제어가 가능하며 장착공간이 작다는 장점을 지니고 있다(6).
	군용 차량은 왜 현수장치가 필요한가?	험준한 지형을 통과해야 하는 군용 차량은 일반적인 승용차 보다 충격 및 진동이 커서 효과적인 기능을 할 수 있는 현수장치가 필요하다. 군용차량의 현수장치는 노면으로부터 인가되는 외란을 적절히 흡수하여 승무원의 피로를 감소시키고 차체의 불필요한 거동을 최대한 억제시켜야지 주행능력을 향상시킬 수가 있다.
	MR 현수장치의 장점은?	이 MR 현수장치는 기체 스프링을 사용하여 작동 압력이 높고 밀폐계에 씨일링 문제 그리고 열발산 문제를 가지고 있는 단점이 있다. 하지만 종래의 수동형 코일 스프링 현수장치에 비해 중량이 가볍고 제어가 가능하며 장착공간이 작다는 장점을 지니고 있다(6).

참고문헌 (9)

Lee, Y. B. and Song, O. S., 2003, “Practical Semiactive Control of Hydropnematic Suspension Units,” The Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 6, No. 4, pp. 9-21.
Zubieta, M., Elejabarrieta, M. J. and Bou-Ali, M. M., 2008, “Characteristic and Modeling of the Static and Dynamic Friction in a Damper,” Mechanism and Machine Theory, Vol. 44, pp. 1560-1569.

상세보기
Deakin, A., Crolla, D., Roberts, S., Holman, T., Culmberland, D. and Blatchford, P., 2000, “Implementation of a Practical Semi-active Damper on a Combat Support Vehicle,” SAE Technical Paper, 2000-01-3541.
Wray, A. C., Francis, B., Garabedian, H. S., Anderfaas, E. and Hopkins, B., 2003, “Magneto-Rheological Fluid Semi-active Suspension Performance Testing,” U.S. Army TankAutomotive Research, Development and Engineering Center, No 13882.
Kovant, A. R., 1997, “Electromechanical Actuators for Active Suspension Systems,” U.S. Army TankAutomotive Research, Development and Engineering Center, No. 13703.
Park, D. W., Choi, S. B., Kang, Y. S., Shin, M. J. and Han, M. S., 2002, 1999, “Vibration Control of a Tracked Vehicle with ER Suspension Unit (1),” The Korea Society of Mechanical Engineers, Vol. 23, No. 10, pp. 1758-1766.
Nguyen, Q. H., Han, Y. M., Choi, S. B. and Wereley, N. M., 2007, “Geometry Optimization of MR Valves Constrained in a Specific Volume Using Finite Element Method,” Smart Materials and Structures, Vol. 16, No. 6, pp. 2242-2252.

상세보기
Yang, F., Sedaghati, R. and Esmailzadeh, E. 2008, “A New LuGre Friction Model for MR-9000 type MR Damper,” Proceedings of 2008 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, pp. 401-408.
Lee, H. S., Choi, S. B. and Lee, S. K., 2001, “Vibration Control of Passenger Vehicle Featuring MR Suspension Units,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 11, No. 1, pp. 41-48.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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