[논문]자동차 공기스프링의 특성에 대한 실험적 고찰

이재천; 류하오

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The analysis of an air spring characteristics is necessary to design and control automotive air suspension system properly. A mathematical model of an air spring was derived in light of energy conservation first. Then static and dynamic experiments of the air spring have been fulfilled. The static s...

The analysis of an air spring characteristics is necessary to design and control automotive air suspension system properly. A mathematical model of an air spring was derived in light of energy conservation first. Then static and dynamic experiments of the air spring have been fulfilled. The static stiffness with various initial pressures and effective areas were obtained from the static experimental results. Theoretical static stiffness obtained by using the mathematical model and effective area data is in close accordance with the experimental estimation. The dynamic experimental results show that the hysteresis in displacement-force cycle decreases when the frequency of the harmonic displacement excitation signal increases, but it does not change too much as the frequency is higher than 1Hz. And the dynamic stiffness goes up with increasing of the initial pressure and the excitation frequency.

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문제 정의

그러나 Faisa⁶⁾의 모델 식은 실험결과와 비교되지 않았으며, Lee⁷⁾의 연구는 공기스프링의 피스톤을 직선원통형으로 특수 제작하고 제한된 범위 내에서 수행되었다. 이에 본 연구에서는 상용 공기스프링을 대상으로 실험을 통해 정적강성과 동적강성을 측정하여 그 특성을 규명하였다. 아울러 Faisa의 모델에 에너지보존법칙을 적용하여 확장된 공기스프링의 해석모델을 유도하고 변위-스프링력 선도로부터 얻은 정적강성의 실험결과와 식으로 계산한 결과를 비교하였다.
공기스프링의 동적시험의 목적은 스프링변위의 가진 주파수에 따라 변화하는 공기스프링의 동적강성을 측정하기 위함이다. 공기스프링의 동적시험 장치는 Fig.

가설 설정

7) 초기 공기압력이 5bar, 6bar, 7bar, 8bar인 상태에서 4)에서 6)을 각각 반복하다.

제안 방법

3과 같이 구성하였다. MTS858 만능시험기(Universal Test Stand)에 별도 고안된 그립 지그를 이용하여 현대자동차 에쿠스 용 공기스프링을 장착하였다.
워크스테이션에서의 변위 입력신호에 따라 시험기 상단의 유압 서보 액추에이터가 상하 작동하여 공기스프링의 변위를 제어한다. 변위신호는 액추에이터에 장착된 LVDT로 측정되며, 공기스프링 하단의 로드 셀과, 공기스프링 입구포트의 압력센서에 의해 각각 스프링력과 내부 공기압력을 측정하였다. 또한 공기 스프링의 주입 튜브에 열전대(thermocouple)을 삽입하여 스프링 내부 온도를 측정하였다.
변위신호는 액추에이터에 장착된 LVDT로 측정되며, 공기스프링 하단의 로드 셀과, 공기스프링 입구포트의 압력센서에 의해 각각 스프링력과 내부 공기압력을 측정하였다. 또한 공기 스프링의 주입 튜브에 열전대(thermocouple)을 삽입하여 스프링 내부 온도를 측정하였다. 액추에이터의 속도는 정적시험조건을 만족하도록 0.
따라서 공기스프링의 내부압력은 스프링 내부 압력과 스프링의 높이, 즉 변위의 함수이다. 본 연구에서는 여러 가지 초기 공기압력 조건에서 시험 측정한 변위에 따른 스프링력과 압력 데이터들을 사용하여 유효면적을 산출하였다(유효면적=스프링력/내부압력). Fig.

데이터처리

이에 본 연구에서는 상용 공기스프링을 대상으로 실험을 통해 정적강성과 동적강성을 측정하여 그 특성을 규명하였다. 아울러 Faisa의 모델에 에너지보존법칙을 적용하여 확장된 공기스프링의 해석모델을 유도하고 변위-스프링력 선도로부터 얻은 정적강성의 실험결과와 식으로 계산한 결과를 비교하였다.

성능/효과

2) 가속, 제동, 코너링 등 차량의 부하변동 시 현가 시스템의 스프링 강성은 동적 변위가 심하지 않도록 커야 한다. 그러나 정상 주행 시 스프링 강성은 노면의 진동이 절연되도록 작아야 한다.
그러나 정상 주행 시 스프링 강성은 노면의 진동이 절연되도록 작아야 한다.³⁾ 이처럼 가변 강성은 공기스프링의 주요 장점 중 하나로서, 연속가변 댐퍼와 함께 공기 현가시스템의 핵심 요소이다. 공기 스프링의 정적강성은 공기스프링 내부의 공기가 정적평형(static equilibrium)과정에서의 강성이며, 동적강성은 단순조화진동(simple harmonic vibration)의 입력 진동변위 대 출력 힘 간의 주파수 기반의 비 (frequency-based ratio)로 정의된다.
공기 스프링의 정적강성은 공기스프링 내부의 공기가 정적평형(static equilibrium)과정에서의 강성이며, 동적강성은 단순조화진동(simple harmonic vibration)의 입력 진동변위 대 출력 힘 간의 주파수 기반의 비 (frequency-based ratio)로 정의된다.⁴⁾ 통상적으로 공기 스프링의 정적강성은 여러 가지 초기 공기압력조건에서의 변위-힘(displacement- force)선도를 통해 계산할 수 있다.⁵⁾ 그러나 일반 스프링과 달리 공기스프링은 가진 주파수에 따라 변동하는 동적강성을 갖고 있어 정확한 해석이 어렵다.
7) 이와 같은 히스테리시스의 크기는 1Hz∼10Hz의 주파수 영역에서는 별 차이가 없었다.
9에서 보여주듯이 공기스프링의 동적강성, 즉 부하지지능력(load carrying capacity)은 초기 압력이 높을수록 증가한다. 또한 변위 가진 주파수가 증가할수록 공기 스프링 강성은 증가하였는데, 1Hz이상의 주파수 영역에서의 동적강성 증가율이 0.1Hz 이하의 준-정적 상태에서의 강성 증가율보다 낮게 나타났다. 통상 0.
1) 공기스프링의 정적강성은 초기압력이 높을수록 변위 0의 초기위치 영역에서 최소가 되었다. 그러나 초기압력이 낮아짐에 따라 최소 정적강성 지점은 음 (-)변위의 인장행정으로 이동하는 경향을 보였다.
2) 공기스프링의 유효면적은 초기 공기압력과 공기스프링의 변위에 따라 변동된다. 특히, 피스톤 외경의 윤곽에 크게 좌우된다.
4) 변위 가진 신호 주파수가 증가함에 따라 변위-스프링력 선도의 히스테리시스의 크기는 줄어든다. 그러나 1Hz 이상의 주파수 영역에서는 큰 차이가 없었다.
5) 공기스프링의 동적강성은 초기압력이 증가할수록 또는 변위 가진 주파수가 증가할수록 증가한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공기 스프링의 정적강성이란 무엇인가?	3) 이처럼 가변 강성은 공기스프링의 주요 장점 중 하나로서, 연속가변 댐퍼와 함께 공기 현가시스템의 핵심 요소이다. 공기 스프링의 정적강성은 공기스프링 내부의 공기가 정적평형(static equilibrium)과정에서의 강성이며, 동적강성은 단순조화진동(simple harmonic vibration)의 입력 진동변위 대 출력 힘 간의 주파수 기반의 비 (frequency-based ratio)로 정의된다.4) 통상적으로 공기 스프링의 정적강성은 여러 가지 초기 공기압력조건에서의 변위-힘(displacement- force)선도를 통해 계산할 수 있다.
	공기 스프링의 동적강성이란 무엇인가?	3) 이처럼 가변 강성은 공기스프링의 주요 장점 중 하나로서, 연속가변 댐퍼와 함께 공기 현가시스템의 핵심 요소이다. 공기 스프링의 정적강성은 공기스프링 내부의 공기가 정적평형(static equilibrium)과정에서의 강성이며, 동적강성은 단순조화진동(simple harmonic vibration)의 입력 진동변위 대 출력 힘 간의 주파수 기반의 비 (frequency-based ratio)로 정의된다.4) 통상적으로 공기 스프링의 정적강성은 여러 가지 초기 공기압력조건에서의 변위-힘(displacement- force)선도를 통해 계산할 수 있다.
	자동차 현가시스템에 적용되는 공기 스프링의 장점은 무엇인가?	1은 자동차 현가시스템에 사용되는 공기스프링을 보여준다. 공기스프링은 고압 공기를 채운 고무 벨로우즈(bellows)로써 코일 스프링, 리프(leaf) 스프링에 비해 가볍고, 구조적 전달소음을 감쇠할 뿐만 아니라, 공기압, 내부 체적, 유효면적(effective area)에 의해 스프링 상수가 결정되어 부하능력(load carrying capacity) 조정이 가능하고, 차량의 하중변동에도 불구하고 고유주파수(eigenfrequency)를 거의 일정하게 유지 할 수 있는 장점이 있다.1) 이에 따라 공기스프링은 고급승용차, 스포츠유틸리티차량(SUV), 미니밴을 중심으로 주행 안정성과 승차감 향상을 위해 널리 적용되고 있다.

참고문헌 (9)

Q. Giuseppe and S. Massimo, "Air Suspension Dimensionless Analysis and Design Procedure", Vehicle System Dynamics, Vol. 35, No. 6, pp. 443-475, 2001.

상세보기
R. A Williams, "Automotive Active Suspension Part 1: Basic Principles", Proc. Institution of Mechanical Engineers, Part D: J. Automobile Engineering, Vol.211, No. 6, pp.4 15-426, 1997.

상세보기
H. Wallentowitz, Vertical/Lateral Vehicle Dynamics, Intitute fure Kraftfahrwesen, 1st Ed. IKA Verlag Aachen, 2002.
ISO 10846-1, Acoustics and Vibration - Laboratory Measurement of Vibro-acoustic Transfer Properties of Resilient Elements - Part I: Principles and Guidelines, pp. 2-9, 1997.
이재천, "자동차 공기현가 공압회로 해석 및 대체회로 설계", 유공압시스템학회논문집, 제5권, 제4호, pp. 17-25, 2208.

원문보기 상세보기
B. Faisa, "Investigation of Switching Valve for Air-Spring Auxiliary Volumes by Means of Simulation with a Full Vehicle Model", Diplomarbeit, Intitute fure Kraftfahrwesen Aachen, 2004.
S. J. Lee, "Development and Analysis of An Air Spring Model", Int. J. of Automotive Technology, Vol. 11, pp. 471-4579, 2010.

원문보기 상세보기
R. A Williams, "Automotive Active Suspension Part 2: Practical Considerations", Proc. Institution of Mechanical Engineers, Part D: J. Automobile Engineering, Vol. 211, No. 6, pp. 427-444, 1997.

상세보기
KS R 2057, Air Spring for Trucks and Buses, Korean Standard Association, 2002.

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