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문제 정의
- 이 연구는 현가, 엔진, 동력전달, 조향 등 모든 주요 시스템을 포함한 전 차량의 FE 해석용 모델을 개발하여 전체적으로는 설계단계에서 승차감 개선을 위하여 승용차의 진동특성을 분석하고 부분적으로는 승용차의 사양 변화에 따른 진동관련 부품들의 요구 성능 도출 방법을 정형화하고자 함이다.
제안 방법
- (1) 비선형성이 강한 부품(충격흡수기, 유체봉입 엔진 마운트 등)의 기계적 특성(Kd, Cd)을 고려한 해석 기법을 제시 하였다.
- (2) 상관관계 분석 과정을 통하여 응답과 관련된 설계변수의 영향에 대한 연구를 하였다. 이러한 연구는 일반적으로 민감도 해석(sensitivity analysis)를 통하여 하지만, 이 연구에서는 비선형성을 고려한 광범위한 주파수 영역(1~30 Hz)에 대한 응답을 계산하였기 때문에 경험에 의하여 변수를 선정하였다.
- FE 해석모델의 신뢰성을 검증하기 위해 전 차량의 진동수 및 모드를 비교하였고, 또한 승용차가 약 100 km/hr의 고속주행 중 접하게 되는 car shake 상태에서 전륜의 차축과 운전자의 발이 위치하는 내부 바닥에서의 주파수응답을 측정하고 해석결과와 상관관계(correlation) 분석 작업을 수행하여 신뢰성 있는 해석모델을 개발하였다. 향후 이와 같이 신뢰성이 확보된 유한요소 모델을 이용하여 스티어링 휠(steering wheel)의 전달율(transmissibility) 감소를 위한 동적 댐퍼(dynamic damper)의 필요 사양 도출(3) 및 엔진의 사양 변화에 따른 유체봉입엔진 마운트(hydraulic engine mount)의 기계적 특성 도출(4)과 같은 독자 설계 기술 확보에 활용하고자 한다.
- MPC(multi point constraints)를 이용하여 회전 운동이 직선운동으로 전달되는 것을 표현하였다.
- 강체요소, 보(beam)요소, 집중질량요소 등으로 모델링 하였다.
- 나. 강체요소, 보요소, 집중질량요소 등으로 모델링 하였다.
- 실제 차량에 가깝게 시뮬레이션하기 위해서 타이어 중심에 타이어의 집중질량을 가하고 관성 모멘트 도 함께 고려하였다. 또한 타이어중심에 디스크 브레이크, 베어링 어셈블리, 캘리퍼(caliper) 어셈블리에 대한 무게도 고려하였다.
- 새로운 완성차 개발 시 설계에서 생산까지의 공정 기간을 줄이고 높은 수준의 승차감에 대한 요구는 많은 엔지니어들로 하여금 시제품 제작 이전에 컴퓨터 시뮬레이션으로써 설계의 개선 및 신뢰성을 검증토록 하는 기법을 개발하게 하였다(1~3).
- 실제 차량에 가깝게 시뮬레이션하기 위해서 타이어 중심에 타이어의 집중질량을 가하고 관성 모멘트 도 함께 고려하였다. 또한 타이어중심에 디스크 브레이크, 베어링 어셈블리, 캘리퍼(caliper) 어셈블리에 대한 무게도 고려하였다.
- (2) 상관관계 분석 과정을 통하여 응답과 관련된 설계변수의 영향에 대한 연구를 하였다. 이러한 연구는 일반적으로 민감도 해석(sensitivity analysis)를 통하여 하지만, 이 연구에서는 비선형성을 고려한 광범위한 주파수 영역(1~30 Hz)에 대한 응답을 계산하였기 때문에 경험에 의하여 변수를 선정하였다.
- 기본적으로 차체 모델은 강체(rigid) 요소를 사용하였으나 토션널 빔(torsional beam)과 트레일링 암(trailing arm)은 구조물의 유연성(structural flexibility)를 고려하기 위하여 평판(shell) 요소(CQUAD4)를 이용하였다. 전체 유한요소 모델의 자유도(degree of freedom)은 3289 이며 현가, 엔진 및 동력전달, 배기, 조향 등 4개의 부분으로 나누어 모델링 하였다.
- 가. 좌표계 : 엔진과 동력전달계가 횡치하기 때문에 전체 차량의 좌표계와 X, Y가 반대 방향인 좌표계를 설정하였다.
- 가. 주파수응답에 영향을 미칠 수 있는 변수(충격 흡수기의 감쇠계수, 타이어 강성 등)를 변화시켜가며 시험 결과와 근접하도록 하였다. 예를 들어 Fig.
- 주파수응답에 영향을 미칠 수 있는 설계 변수들을 아래와 같이 조정해 가면서 상관관계 분석 작업을 수행 하였다.
대상 데이터
- 나. 강체요소로 표현하였으며 엔진 및 T/M 무게 중심점에 집중질량 및 관성 모멘트를 고려하였다.
데이터처리
- 해석결과의 각 주파수에 따른 모드를, 유사 동급 차량에서 가진기와 가속도계를 사용하여 측정한 진동모드와 비교·검토함으로써 해석의 신뢰도를 검증하였다.
이론/모형
- 0상의 RBE2, CELAS2, CONM2, CQUAD4 등이다. 기본적으로 차체 모델은 강체(rigid) 요소를 사용하였으나 토션널 빔(torsional beam)과 트레일링 암(trailing arm)은 구조물의 유연성(structural flexibility)를 고려하기 위하여 평판(shell) 요소(CQUAD4)를 이용하였다. 전체 유한요소 모델의 자유도(degree of freedom)은 3289 이며 현가, 엔진 및 동력전달, 배기, 조향 등 4개의 부분으로 나누어 모델링 하였다.
- 차량 전체에 대한 유한요소 모델링은 I-DEAS V10.0을 이용하였으며, 주로 이용된 요소(element)들은 MSC/NASTRAN V71.0상의 RBE2, CELAS2, CONM2, CQUAD4 등이다. 기본적으로 차체 모델은 강체(rigid) 요소를 사용하였으나 토션널 빔(torsional beam)과 트레일링 암(trailing arm)은 구조물의 유연성(structural flexibility)를 고려하기 위하여 평판(shell) 요소(CQUAD4)를 이용하였다.
성능/효과
- (3) Car shake시험결과와 유사한 차량의 진동 해석용 유한요소 모델을 개발하게 되었다.
- Figs. 20~23에서와 같이 car shake에 대한 주파수응답해석 결과와 실제 시험으로 구해진 결과가 비교적 잘 일치하고 있어 이 연구에서의 유한요소 모델은 신뢰도가 검증되었다고 판단된다.
- 최종적으로 후륜 타이어의 Z방향으로의 감쇠 계수를 20 % 감소하고, 동적 강성을 20 % 증가시켰을 때 Fig. 19에서 알 수 있듯이 14 Hz 부근에서 시험치에 거의 근접한 결과를 보인다.
후속연구
- FE 해석모델의 신뢰성을 검증하기 위해 전 차량의 진동수 및 모드를 비교하였고, 또한 승용차가 약 100 km/hr의 고속주행 중 접하게 되는 car shake 상태에서 전륜의 차축과 운전자의 발이 위치하는 내부 바닥에서의 주파수응답을 측정하고 해석결과와 상관관계(correlation) 분석 작업을 수행하여 신뢰성 있는 해석모델을 개발하였다. 향후 이와 같이 신뢰성이 확보된 유한요소 모델을 이용하여 스티어링 휠(steering wheel)의 전달율(transmissibility) 감소를 위한 동적 댐퍼(dynamic damper)의 필요 사양 도출(3) 및 엔진의 사양 변화에 따른 유체봉입엔진 마운트(hydraulic engine mount)의 기계적 특성 도출(4)과 같은 독자 설계 기술 확보에 활용하고자 한다.
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