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문제 정의
- 이 연구에서는 노면의 가진입력에 대하여 1차 필터역할을 하는 타이어에 대하여 공기압에 따른 정확한 특성을 파악하여 MR 현가장치의 승차감 향상을 입증하고자 한다. 이를 위하여 중형차에 장착이 가능한 MR 댐퍼를 제안하고, 이에 최적화 기법을 적용하여 설계 및 제작을 완료하였다.
- 7과 같이 차체 위의 공간상에 절대고정변위를 갖는 가상의 댐퍼를 설치하고 이때 발생되는 가상댐퍼의 댐핑력을 요구 댐핑력으로 사용하는 것이다. 이 연구에서는 스카이훅 알고리즘을 사용한 MR 현가장치의 타이어 공기압에 따른 진동제어 성능을 고찰하였다.
가설 설정
- MR 댐퍼를 장착한 1/4차량의 지배방정식을 도출 하기 위하여, 차량의 차체는 강체로 가정하고, 실제 자동차에서 발생할 수 있는 타이어의 댐핑은 타이어의 강성(kt)에 비하여 무시할 만큼 작으므로 고려하지 않는다는 가정을 통하여 차량에 대한 모델을 단순화 하였다. 따라서, 차륜은 비현가질량(unsprung mass, mu)과 타이어 공기압에 따른 강성만을 갖는 모델로 하였다.
- MR 댐퍼의 모델링을 위하여 MR 유체는 비압축성 유체로 가정하였고, 동일공간에서의 내부압력은 모든 방향으로 균일하게 작용하며, 유로 형상에따른 압력손실은 없다고 가정하였다. 따라서, MR 유체의 유동을 두 평판사이의 유동으로 가정한 유체저항(Re)과 가스챔버의 가스압력에 의한 컴플라이언스(compliance, Cg)는 각각 다음과 같이 구할 수 있다.
제안 방법
- 또한, 타이어 공기압에 따른 종강성을 실험을 통하여 도출하였으며, 1/4차량에 MR 현가장치와 공기압에 따른 타이어 강성을 적용 후 이에 대한 모델링 및 지배방정식을 도출하였다. 1/4 차량 현가장치의 진동 및 승차감 향상을 위하여 스카이훅 제어기를 구성하였으며, 이를 평가할 수 있도록 1/4차량 현가장치 시스템을 위한 가진 실험장치를 구성하였다. 1/4차량 실험장치에서 범프 및 랜덤 가진에 대한 실험결과를 통하여 진동제어 및 승차감 성능분석을 수행하였으며, 이를 통하여 제안된 MR 댐퍼 및 스카이훅 제어기를 장착한 차량의 주행 시 타이어 공기압에 상관없이 승차감이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
- 또한 타이어 공기압에 따른 종강성(vertical stiffness)을 실험을 통하여 도출하였으며, 이를 MR 댐퍼와 1/4차량 현가장치에 적용하였다. MR 댐퍼 및 타이어 강성에 대한 모델링 및 지배방정식을 도출하고, 1/4 차량 현가장치의 승차감 제어를 위한 스카이훅 제어기를 구성하였다. 제안된 MR 현가장치의 타이어 공기압에 따른 승차감 성능을 분석하기 위하여, 여러 가진 조건에 따른 실험 결과를 도시하였다.
- MR 현가장치 시스템을 장착한 1/4차량의 응답특성을 고찰하기 위하여 노면에 순간적으로 단일 범프(bump) 형태의 입력을 가한 경우 및 랜덤(random)형태의 입력을 가한 경우에 대한 응답특성을 1/4차량 시험을 통하여 고찰하였다. 우선, 높이가 7 cm이고, 폭이 80 cm인 정현파 모양의 범프를 1/4차량이 3.
- 따라서, 피스톤의 원형 덕트는 자기회로로 이루어지도록 하였으며, 부하되는 자기장에 따라 MR 유체가 항복응력을 발생시킬 수 있도록 설계하였다. 내측 피스톤 양끝단 및 외측 피스톤은 강자성체(ferromagnetic substance)로 구성되어 자극을 형성하게 되며, 내측 피스톤의 중간부분은 상자성체(paramagnetic substance)로 구성되어 생성된 자기장이 자극에 집중되어 MR 효과를 효율적으로 발생시킬 수 있도록 하였다.
- 여러 노면조건에 대하여 우수한 진동절연 성능을 얻기 위해서는 적절한 제어 알고리즘에 의한 진동 제어가 필요하다. 따라서 제어기 적용에 따른 MR 현가장치를 장착한 차량의 진동제어성능을 고찰하고자 스카이훅(sky-hook)제어기를 사용하였다. 스카이훅 알고리즘은 Karnopp(9)에 의하여 제안되었으며, Fig.
- 위 식 (2)와 (3)으로 부터 부하되는 자기장에 따라 댐퍼에 발생하는 댐핑력은 자기장 부하에 따른 자속밀도 뿐만 아니라 MR 유체가 흐르는 덕트의 형상에도 영향을 받기 때문에, 실제 응용장치에 발생 되는 댐핑력의 정확한 해석을 위해서는 이에 대한 보다 면밀한 연구가 필수적이다. 따라서, 이 연구에 선행하여 발표된 연구결과를 활용하여 MR 댐퍼의 기하학적 최적화 설계 및 제작을 수행하였으며, 이에 따른 전후륜 댐퍼의 설계변수, 사진 및 댐핑력 성능곡선을 Table 1 및 Fig. 2~3에 나타내었다(8).
- )에 비하여 무시할 만큼 작으므로 고려하지 않는다는 가정을 통하여 차량에 대한 모델을 단순화 하였다. 따라서, 차륜은 비현가질량(unsprung mass, mu)과 타이어 공기압에 따른 강성만을 갖는 모델로 하였다. 이를 고려한 1/4차량 및 MR 현가장치에 대한 시스템의 모델을 Fig.
- 또한 피스톤 내에 원형 덕트(duct)를 구성하기 위하여 피스톤 양 끝단에 지그를 설치하였으며, 이를 통하여 MR 유체가 원형덕트 내의 자극(magnetic pole) 사이를 원활히 흐를 수 있도록 하였다. 따라서, 피스톤의 원형 덕트는 자기회로로 이루어지도록 하였으며, 부하되는 자기장에 따라 MR 유체가 항복응력을 발생시킬 수 있도록 설계하였다. 내측 피스톤 양끝단 및 외측 피스톤은 강자성체(ferromagnetic substance)로 구성되어 자극을 형성하게 되며, 내측 피스톤의 중간부분은 상자성체(paramagnetic substance)로 구성되어 생성된 자기장이 자극에 집중되어 MR 효과를 효율적으로 발생시킬 수 있도록 하였다.
- 상태변수는 각각 현가질량(sprung mass)의 변위와 속도, 비현가질량의 변위와 속도 및 부하되는 전기장에 의한 댐핑력이며, 1/4차량의 차체질량 ms는 실제 중형 차량의 질량을 고려하여 310 kg으로 적용하였다. 또한 비현가질량, 현가장치의 스프링강성(ks)및 타이어의 강성(kt)은 각각 40 kg, 27358 N/m 및 211625 N/m으로 적용하였다.
- 제작된 MR 댐퍼를 이용하여 자기장 부하에 따른 댐핑력 성능 시험을 수행하여, 이를 통하여 제안된 MR 댐퍼 모델의 타당성을 검증하였다. 또한 타이어 공기압에 따른 종강성(vertical stiffness)을 실험을 통하여 도출하였으며, 이를 MR 댐퍼와 1/4차량 현가장치에 적용하였다. MR 댐퍼 및 타이어 강성에 대한 모델링 및 지배방정식을 도출하고, 1/4 차량 현가장치의 승차감 제어를 위한 스카이훅 제어기를 구성하였다.
- MR 댐퍼는 크게 실린더, 피스톤 및 가스챔버로 구분되며, 피스톤의 운동에 따른 로드의 부피를 보상하기 위하여 부동피스톤을 구성하였다. 또한 피스톤 내에 원형 덕트(duct)를 구성하기 위하여 피스톤 양 끝단에 지그를 설치하였으며, 이를 통하여 MR 유체가 원형덕트 내의 자극(magnetic pole) 사이를 원활히 흐를 수 있도록 하였다. 따라서, 피스톤의 원형 덕트는 자기회로로 이루어지도록 하였으며, 부하되는 자기장에 따라 MR 유체가 항복응력을 발생시킬 수 있도록 설계하였다.
- 11은 타이어 공기압 207 kPa하에서 비제어 및 제어 시 실험결과를 PSD(power spectrum density)로 나타낸 그래프이며, 이로부터 MR 현가장치를 장착한 차량의 제어성능 및 승차감이 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한, 승차감 향상에 대한 성능을 보다 정확히 분석하기 위하여 수직가속도에 대한 WRMS(weighed RMS)결과를 도출하였다. WRMS는 승차감 평가를 위하여 ISO2631에서 규정한 방법이며, Fig.
- 1/4차량 실험장치에서 범프 및 랜덤 가진에 대한 실험결과를 통하여 진동제어 및 승차감 성능분석을 수행하였으며, 이를 통하여 제안된 MR 댐퍼 및 스카이훅 제어기를 장착한 차량의 주행 시 타이어 공기압에 상관없이 승차감이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 승차감의 객관적 평가를 위하여 RMS 및 WRMS 방법을 통하여 승차감 향상을 확인하였다. 향후, 타이어공기압에 따른 자동차의 동적 특성을 보다 정확히 분석하기 위하여 전체차량모델에 타이어의 횡강성 및 비틀림강성을 고려하여 진동제어 및 승차감을 확인할 예정이다.
- 결과에서 나타낸 바와 같이 타이어의 공기압이 일반적인 중형 승용차의 압력(207 kPa) 보다 낮은 압력(124 kPa) 및 높은 압력(227 kPa)임에도 불구하고, MR 현가장치에 skyhook 제어기를 적용한 결과가 진동제어 및 승차감 측면에서 매우 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한, 차량의 주행성능을 분석하기 위하여 노면상태를 포장도로와 유사한 랜덤입력 형태로 만들어 72 km/h로 주행하였으며, 그 응답특성을 분석하였다. Fig.
- 이를 위하여 중형승용차에 장착이 가능한 MR 댐퍼를 설계 및 제작하였으며, 자기장 부하에 따른 MR 댐퍼 단품의 댐핑력 성능시험을 수행하였다. 또한, 타이어 공기압에 따른 종강성을 실험을 통하여 도출하였으며, 1/4차량에 MR 현가장치와 공기압에 따른 타이어 강성을 적용 후 이에 대한 모델링 및 지배방정식을 도출하였다. 1/4 차량 현가장치의 진동 및 승차감 향상을 위하여 스카이훅 제어기를 구성하였으며, 이를 평가할 수 있도록 1/4차량 현가장치 시스템을 위한 가진 실험장치를 구성하였다.
- 이다. 상태변수는 각각 현가질량(sprung mass)의 변위와 속도, 비현가질량의 변위와 속도 및 부하되는 전기장에 의한 댐핑력이며, 1/4차량의 차체질량 ms는 실제 중형 차량의 질량을 고려하여 310 kg으로 적용하였다. 또한 비현가질량, 현가장치의 스프링강성(ks)및 타이어의 강성(kt)은 각각 40 kg, 27358 N/m 및 211625 N/m으로 적용하였다.
- 이 연구에서는 Fig. 8과 같은 1/4차량을 구성하여 MR 현가장치 시스템에 대한 성능시험을 수행하였다. 1/4차량 시험 방법은 MR 댐퍼 외에 차체질량, 스프링 및 타이어를 장착하여 시험하는 방법이기 때문에, 비교적 간단한 방법으로 실차실험과 유사한 성능평가를 얻을 수 있는 장점이 있다.
- 이 연구에서는 타이어의 공기압에 따른 정확한 종강성 모델을 통하여 MR 현가장치를 장착한 1/4차량의 승차감을 분석하였다. 이를 위하여 중형승용차에 장착이 가능한 MR 댐퍼를 설계 및 제작하였으며, 자기장 부하에 따른 MR 댐퍼 단품의 댐핑력 성능시험을 수행하였다.
- 따라서, 차륜은 비현가질량(unsprung mass, mu)과 타이어 공기압에 따른 강성만을 갖는 모델로 하였다. 이를 고려한 1/4차량 및 MR 현가장치에 대한 시스템의 모델을 Fig. 6에 도시하였으며, 제어입력에 따른 MR 댐퍼의 댐핑력 발생시간을 시상수로 고려하여 현가질량(ms)과 비현가질량의 운동방정으로 설정하였다.
- 이 연구에서는 타이어의 공기압에 따른 정확한 종강성 모델을 통하여 MR 현가장치를 장착한 1/4차량의 승차감을 분석하였다. 이를 위하여 중형승용차에 장착이 가능한 MR 댐퍼를 설계 및 제작하였으며, 자기장 부하에 따른 MR 댐퍼 단품의 댐핑력 성능시험을 수행하였다. 또한, 타이어 공기압에 따른 종강성을 실험을 통하여 도출하였으며, 1/4차량에 MR 현가장치와 공기압에 따른 타이어 강성을 적용 후 이에 대한 모델링 및 지배방정식을 도출하였다.
- 이 연구에서는 노면의 가진입력에 대하여 1차 필터역할을 하는 타이어에 대하여 공기압에 따른 정확한 특성을 파악하여 MR 현가장치의 승차감 향상을 입증하고자 한다. 이를 위하여 중형차에 장착이 가능한 MR 댐퍼를 제안하고, 이에 최적화 기법을 적용하여 설계 및 제작을 완료하였다. 제작된 MR 댐퍼를 이용하여 자기장 부하에 따른 댐핑력 성능 시험을 수행하여, 이를 통하여 제안된 MR 댐퍼 모델의 타당성을 검증하였다.
- MR 댐퍼 및 타이어 강성에 대한 모델링 및 지배방정식을 도출하고, 1/4 차량 현가장치의 승차감 제어를 위한 스카이훅 제어기를 구성하였다. 제안된 MR 현가장치의 타이어 공기압에 따른 승차감 성능을 분석하기 위하여, 여러 가진 조건에 따른 실험 결과를 도시하였다.
- 1/4차량 시험 방법은 MR 댐퍼 외에 차체질량, 스프링 및 타이어를 장착하여 시험하는 방법이기 때문에, 비교적 간단한 방법으로 실차실험과 유사한 성능평가를 얻을 수 있는 장점이 있다. 컴퓨터 D/A 신호에 의하여 제어되는 유압서보장치를 통해 MR 현가장치 시스템을 가진하였고, 현가질량 및 비현가질량에 발생한 변위는 LVDT를 통해 측정되었다. 그리고 컴퓨터를 통하여 전달된 입력신호는 전류공급장치를 통해 댐퍼에 부하되며, 이때 발생된 댐핑력은 로드셀을 통하여 측정되었다.
대상 데이터
- 타이어의 강성은 자동차의 승차감 및 안정성과 밀접한 관계를 갖는 물성이며, 이는 공기압에 따라 변화되는 특징이 있다. 따라서, 중형 승용차용 타이어 중 205-65-R15를 선정하고, 이에 대한 강성시험을 수행하였다. 타이어의 강성은 Fig.
- MR 현가장치 시스템을 장착한 1/4차량의 응답특성을 고찰하기 위하여 노면에 순간적으로 단일 범프(bump) 형태의 입력을 가한 경우 및 랜덤(random)형태의 입력을 가한 경우에 대한 응답특성을 1/4차량 시험을 통하여 고찰하였다. 우선, 높이가 7 cm이고, 폭이 80 cm인 정현파 모양의 범프를 1/4차량이 3.08 km/h로 주행할 때의 실험을 수행하였다. Fig.
성능/효과
- 1/4 차량 현가장치의 진동 및 승차감 향상을 위하여 스카이훅 제어기를 구성하였으며, 이를 평가할 수 있도록 1/4차량 현가장치 시스템을 위한 가진 실험장치를 구성하였다. 1/4차량 실험장치에서 범프 및 랜덤 가진에 대한 실험결과를 통하여 진동제어 및 승차감 성능분석을 수행하였으며, 이를 통하여 제안된 MR 댐퍼 및 스카이훅 제어기를 장착한 차량의 주행 시 타이어 공기압에 상관없이 승차감이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 승차감의 객관적 평가를 위하여 RMS 및 WRMS 방법을 통하여 승차감 향상을 확인하였다.
- 12와 같이 특정 주파수값에 가중치를 곱한 RMS값이다. Fig. 13의 WRMS결과와 같이 타이어의 공기압 증가에 따라 비제어 시 승차감이 저하되나, 제어 시 타이어 공기압에 상관없이 승차감이 현저히 향상되는 것을 확인할 수 있다.
- 10은 승차감 평가를 위하여 현가질량의 수직가속도를 측정 후 RMS(root mean square)로 나타낸 결과이다. 결과에서 나타낸 바와 같이 타이어의 공기압이 일반적인 중형 승용차의 압력(207 kPa) 보다 낮은 압력(124 kPa) 및 높은 압력(227 kPa)임에도 불구하고, MR 현가장치에 skyhook 제어기를 적용한 결과가 진동제어 및 승차감 측면에서 매우 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한, 차량의 주행성능을 분석하기 위하여 노면상태를 포장도로와 유사한 랜덤입력 형태로 만들어 72 km/h로 주행하였으며, 그 응답특성을 분석하였다.
- 이것은 상부와 하부의 챔버에 압력강하를 발생시키고, 이에 따라 피스톤의 상하운동에 저항하는 방향의 댐핑력이 발생된다. 결과적으로, 자기장 무부하 시에는 피스톤의 속도에 따라 유체점성에 의한 댐핑력만을 발생되나, 자기장 인가 시 MR 유체의 항복응력으로 인한 댐핑력이 발생된다.
- 이 연구에서는 1/4차량의 수직성분만 고려하므로 타이어의 종강성만 측정하였으며, 공기압 124(18), 145(21), 165(24), 186(27), 207(30), 227 kPa(33 psi)에서 평가결과 Fig. 5와 같이 공기압과 비례관계를 보이는 것으로 확인되었으며, 이는 공기압이 증가하면 타이어의 인장력이 커지기 때문에 강성이 증가되는 것이다.
- 이를 위하여 중형차에 장착이 가능한 MR 댐퍼를 제안하고, 이에 최적화 기법을 적용하여 설계 및 제작을 완료하였다. 제작된 MR 댐퍼를 이용하여 자기장 부하에 따른 댐핑력 성능 시험을 수행하여, 이를 통하여 제안된 MR 댐퍼 모델의 타당성을 검증하였다. 또한 타이어 공기압에 따른 종강성(vertical stiffness)을 실험을 통하여 도출하였으며, 이를 MR 댐퍼와 1/4차량 현가장치에 적용하였다.
후속연구
- 위 식 (2)와 (3)으로 부터 부하되는 자기장에 따라 댐퍼에 발생하는 댐핑력은 자기장 부하에 따른 자속밀도 뿐만 아니라 MR 유체가 흐르는 덕트의 형상에도 영향을 받기 때문에, 실제 응용장치에 발생 되는 댐핑력의 정확한 해석을 위해서는 이에 대한 보다 면밀한 연구가 필수적이다. 따라서, 이 연구에 선행하여 발표된 연구결과를 활용하여 MR 댐퍼의 기하학적 최적화 설계 및 제작을 수행하였으며, 이에 따른 전후륜 댐퍼의 설계변수, 사진 및 댐핑력 성능곡선을 Table 1 및 Fig.
- 또한, 승차감의 객관적 평가를 위하여 RMS 및 WRMS 방법을 통하여 승차감 향상을 확인하였다. 향후, 타이어공기압에 따른 자동차의 동적 특성을 보다 정확히 분석하기 위하여 전체차량모델에 타이어의 횡강성 및 비틀림강성을 고려하여 진동제어 및 승차감을 확인할 예정이다.
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