[논문]궤도 차량용 MR 현수장치의 최적 설계

하성훈; 김형섭; 최승복; 우제관

doi:10.5050/ksnve.2011.21.6.499

궤도 차량용 MR 현수장치의 최적 설계
Optimal Design of MR Suspension Unit for Tracked Vehicle 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.21 no.6, 2011년, pp.499 - 505

하성훈 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 김형섭 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 최승복 (인하대학교 기계공학부) , 우제관 (한국폴리텍II대학 인천캠퍼스 메카트로닉스과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents optimal design of controllable magnetorheological suspension unit for a tracked vehicle. As a first step, a double-rod type MR suspension unit is designed on the basis of the Bingham model of commercially available MR fluid, and its damping characteristics are evaluated with respect to the intensity of the magnetic field. Subsequently, the governing equation of motion of the MR suspension system featuring the MR valve is established. Then, the optimization problem to find optimal geometric dimensions of the MR supension unit is formulated by considering an objective function which is related to damping torque and control energy. The first order optimization method intergrated with a commercial finite element method(FEM) software is adopted to obtain optimal solution of the system. The performance characteristics of the optimized MR susepnsion unit is then evaluated and compared with initial one.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 이 연구에서는 기존의 IHSU가 가지는 성능의 한계성을 극복하기 위하여 실제 궤도차량에 쓰이고 있는 IHSU에 MR 유체를 적용하여 반능동형 MRSU(magneto-rheological suspension unit)을 제안하고 이의 성능을 평가하고자 한다. 이를 위해 현수장치에서 감쇠력을 담당하는 댐퍼 부분에 MR 밸브를 설치한다.
이를 위해 현수장치에서 감쇠력을 담당하는 댐퍼 부분에 MR 밸브를 설치한다. 또한 MR 밸브의 효율을 향상시키기 위하여 밸브의 자기 회로와 MR 유체의 유변학적 특성을 이용하여 MR 밸브의 기하학적 최적 설계를 수행하며, 최종적으로 MR 댐퍼와 가스 스프링이 결합된 복동형 구조의 MRSU의 실질적 적용가능성을 보고자 성능 특성을 평가한다.
이 연구에서는 궤도차량에 반능동 현수장치인 MRSU를 적용하기 위하여 MRSU의 핵심 부품인 MR 밸브의 최적설계를 수행하였다. 이를 위해 Fig.
이 연구에서는 궤도차량에 지능 재료 중 하나인 MR 유체를 적용하여 반능동 현수장치를 개발하였다. 이를 위해 기존의 궤도차량에 적용되고 있는 IHSU를 이용하여 새로운 형태의 MRSU를 제안하였으며, MRSU의 핵심 부품인 MR 밸브의 최적설계를 수행하였다.
이 연구에서는 궤도차량용 MR 현수장치를 설계하기 위하여 현수장치의 핵심 부품인 MR 밸브 부분의 최적설계 기법을 이용하여 설계 변수 값을 결정하였다. 최적설계로 인해 결정된 설계 변수 값은 이의 타당성을 검증하기 위하여 초기 설계 변수 값과의 비교도 수행하였다.
그리고 OBJ는 밸브의 기하학적 최적설계를 위한 목적함수로 이 연구에서는 MR 유체 기본 점성에 의한 압력강하와 항복응력에 의한 압력강하의 비로 설정하다. 이는 MR 유체 항복응력에 의한 압력강하 값을 최대로 만들어 제어할 수 있는 영역을 크게 설정하고 기본 감쇠력을 최소화하여 차량의 동적 특성을 향상시키고자 함이다. 최적설계에 사용된 밸브의 제한조건은 실린더 크기로부터 결정되며 이 연구에서는 밸브 반지름은 23 mm, 길이 120 mm이고 밸브 외벽 두께는 20 mm이다.

가설 설정

MR 밸브의 모델링을 위하여 MR 유체는 비압축성 유체로 가정하였고, 유체저항에 의한 동일공간 상의 내부압력은 모든 방향으로 균일하게 작용하고 있으며 유로형상에 의한 압력손실은 없다고 가정하였다. 따라서, MR 유체 점성에 의한 압력강하와 MR 유체가 자기장에 의해 발생되는 항복응력에 대한 압력강하는 식 (8)~(9)로 표현된다.
또한, 차량 주행 시 가스 챔버의 부피변화는 순간적으로 일어난다고 가정하고 가스 챔버의 정적 상태에서의 압력과 부피를 각각 P_st, V_st라 하면 다음과 같은 압력 P와 부피 V의 관계식을 얻을 수 있다.

제안 방법

MR 밸브의 최적설계하기 위하여 이 연구에서는 ANSYS 변수 설계 프로그램(APDL) 중 골든 섹션 알고리즘(golden section algorithm)을 사용하여 밸브의 기하학적 최적화를 수행하였다. 이는 3가지 종류의 MR 밸브 구조에 따른 최적 설계를 수행한 Nygeun⁽⁶⁾ 연구를 인용하여 이 연구에 도입하였으며 이 연구에서는 두 개의 코일을 가지는 밸브의 기하학적 최적화를 도출하였다.
만일 작동 피스톤이 작용하면 MR 유체는 일정압력에 도달하기 전에는 모두 밸브 오리피스를 통하여 상부 또는 하부 실린더로 이동하게 되고 일정압력 이상에서는 MR 밸브가 작동하여 압력이 제어된 상태로 유체가 이동하게 된다. MRSU의 개략도를 Fig. 1에 도시하였고, 제안된 MRSU의 해석을 위하여 Fig. 2와 같은 좌표 계를 설정하여 MRSU의 성능을 검증하였다. 이 좌표 계는 로드 암과 크랭크의 회전중심을 원점으로 하고 X'축은 MRSU와 평행한 직선, Y'축을 X'축에 수직한 직선으로 설정하였다.
를 위한 패널티 목적함수 이다. 그리고 OBJ는 밸브의 기하학적 최적설계를 위한 목적함수로 이 연구에서는 MR 유체 기본 점성에 의한 압력강하와 항복응력에 의한 압력강하의 비로 설정하다. 이는 MR 유체 항복응력에 의한 압력강하 값을 최대로 만들어 제어할 수 있는 영역을 크게 설정하고 기본 감쇠력을 최소화하여 차량의 동적 특성을 향상시키고자 함이다.
5×10^-4m³s^-1로 결정하였고 유체가 흐르는 덕트의 굵기는 1 mm로 결정하였다. 또한 이 연구에서는 밸브에 인가되는 전력을 최소화하기 위하여 밸브에 감겨진 코일의 감은 횟수, 굵기 및 저항력 등을 최적설계 값에 적용하여 에너지 소비도 최소화 하였다. 전류가 코일에 인가되어 결정되는 전류 밀도는 다음의 식과 같다.
수행된 결과에 따르면 설계 변수가 변화함에 따라 목적함수가 감소하는 것을 확인하였고, 이에 따라 에너지 소모를 최소화 시키면서 효율은 증가시켰다. 또한 최적화된 설계 변수의 검증을 위하여 MRSU의 수학적 모델링을 통하여 제안된 현수장치의 특성을 분석하였다. 이에 따르면 스프링 특성 및 댐핑 특성 모두 제안된 차량에 적합한 규모를 나타내고 있었다.
이 연구에서 제안한 MRSU는 상부실린더와 하부 실린더 사이에 MR 밸브를 설치하여 MR 밸브의 작동 유체의 오리피스 역할과 감쇠력을 조절하는 제어 영역을 동시하도록 설계하였다. 만일 작동 피스톤이 작용하면 MR 유체는 일정압력에 도달하기 전에는 모두 밸브 오리피스를 통하여 상부 또는 하부 실린더로 이동하게 되고 일정압력 이상에서는 MR 밸브가 작동하여 압력이 제어된 상태로 유체가 이동하게 된다.
이는 밸브 외각의 기하학적 형상을 최적 설계함으로써 코어의 크기를 결정해 밸브의 최적설계를 하기 위함이다. 이 연구에서는 시스템을 1차수로 분석하는 개선된 ANSYS 최적설계 프로그램을 이용하여 최적화를 수행하였고 이의 흐름도는 Fig. 4와 같다. 흐름도는 해석된 파일에서 초기 밸브 반지름, 밸브 길이, 외벽 두께, 자속 및 자기 밀도를 정해 프로그램을 시작하며 루프를 통한 여러 번의 연산을 통해 최적화된 변수를 결정하게 된다.
MR 밸브의 최적설계하기 위하여 이 연구에서는 ANSYS 변수 설계 프로그램(APDL) 중 골든 섹션 알고리즘(golden section algorithm)을 사용하여 밸브의 기하학적 최적화를 수행하였다. 이는 3가지 종류의 MR 밸브 구조에 따른 최적 설계를 수행한 Nygeun⁽⁶⁾ 연구를 인용하여 이 연구에 도입하였으며 이 연구에서는 두 개의 코일을 가지는 밸브의 기하학적 최적화를 도출하였다. 최적화되는 변수들은 MR 밸브에서 자기장 인가에 필요한 코일 두께 w , 코어 외벽의 두께 d 및 밸브 외벽의 두께 t이다.
이 연구에서는 궤도차량에 반능동 현수장치인 MRSU를 적용하기 위하여 MRSU의 핵심 부품인 MR 밸브의 최적설계를 수행하였다. 이를 위해 Fig. 3과 같은 두 개의 코일을 가지는 MR 밸브에 대하여 최적설계 값을 도출하였다. MR 밸브는 밸브 코일, 외벽(housing) 및 상단 덮개(head cover)로 이루어져 있으며 실린더 내부에 원형 덕트로 구성하였다.
이 연구에서는 궤도차량에 지능 재료 중 하나인 MR 유체를 적용하여 반능동 현수장치를 개발하였다. 이를 위해 기존의 궤도차량에 적용되고 있는 IHSU를 이용하여 새로운 형태의 MRSU를 제안하였으며, MRSU의 핵심 부품인 MR 밸브의 최적설계를 수행하였다. 수행된 결과에 따르면 설계 변수가 변화함에 따라 목적함수가 감소하는 것을 확인하였고, 이에 따라 에너지 소모를 최소화 시키면서 효율은 증가시켰다.
이 연구에서는 궤도차량용 MR 현수장치를 설계하기 위하여 현수장치의 핵심 부품인 MR 밸브 부분의 최적설계 기법을 이용하여 설계 변수 값을 결정하였다. 최적설계로 인해 결정된 설계 변수 값은 이의 타당성을 검증하기 위하여 초기 설계 변수 값과의 비교도 수행하였다. Fig.

대상 데이터

이는 MR 유체 항복응력에 의한 압력강하 값을 최대로 만들어 제어할 수 있는 영역을 크게 설정하고 기본 감쇠력을 최소화하여 차량의 동적 특성을 향상시키고자 함이다. 최적설계에 사용된 밸브의 제한조건은 실린더 크기로부터 결정되며 이 연구에서는 밸브 반지름은 23 mm, 길이 120 mm이고 밸브 외벽 두께는 20 mm이다. 그리고 MR 유체의 자기장 무 부하 시 점성계수는 0.

성능/효과

그리고 모든 설계 변수 및 최적화 값들이 반복연산에 의하여 최종적으로 수렴된 값은 w=1.5 mm, d=5.53 mm, t=13.88 mm로 계산되었고, 이로 인한 목적함수, 압력강하 및 전력소비는 λ =0.062, ΔP =67.23 bar, N=18.23 W로 측정되었다.
23 W로 측정되었다. 따라서 이 연구에서 제안한 MR 밸브의 기하학적 최적설계로 인하여 밸브의 효율 즉 압력강하 량을 증가시켰으며, 또한 밸브 작동에 사용되는 전력량도 줄여 효과적인 최적설계가 된 것을 증명하였다. Fig.
이에 따르면 스프링 특성 및 댐핑 특성 모두 제안된 차량에 적합한 규모를 나타내고 있었다. 또한 댐핑 특성에 있어서 같은 입력 전류에 대하여 최적화된 설계 변수 값이 더 큰 감쇠력을 나타내고 있음을 확인할 수 있었고 이는 에너지 효율 측면과 차량의 동적 성능 향상시킬 수 있다. 또한, 향후 이 연구에서 제안한 MRSU를 장착한 궤도차량의 동적 모델과 진동제어에 대한 연구가 추진될 것이다.
이를 위해 기존의 궤도차량에 적용되고 있는 IHSU를 이용하여 새로운 형태의 MRSU를 제안하였으며, MRSU의 핵심 부품인 MR 밸브의 최적설계를 수행하였다. 수행된 결과에 따르면 설계 변수가 변화함에 따라 목적함수가 감소하는 것을 확인하였고, 이에 따라 에너지 소모를 최소화 시키면서 효율은 증가시켰다. 또한 최적화된 설계 변수의 검증을 위하여 MRSU의 수학적 모델링을 통하여 제안된 현수장치의 특성을 분석하였다.

후속연구

또한 댐핑 특성에 있어서 같은 입력 전류에 대하여 최적화된 설계 변수 값이 더 큰 감쇠력을 나타내고 있음을 확인할 수 있었고 이는 에너지 효율 측면과 차량의 동적 성능 향상시킬 수 있다. 또한, 향후 이 연구에서 제안한 MRSU를 장착한 궤도차량의 동적 모델과 진동제어에 대한 연구가 추진될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MR 유체란?	MR 유체는 자기장에 의하여 유변학적으로 상변화가 일어나는 지능 유체로서 전기장에 의하여 상변화가 일어나는 ER 유체에 비하여 비교적 큰 항복응력을 발생시켜 보다 큰 힘을 요하는 각종 응용 장치에 적용하려는 연구가 시도되고 있다. Carlson 등(1)은 차량용 MR 유체 댐퍼를 제안하였으며, 스카이 훅 제어기의 구현을 통하여 제안된 MR 댐퍼의 우수성을 입증하였다.
	현재 우리나라에서 사용하는 궤도차량 현수장치는 무엇이 있는가?	이런 궤도차량 현수장치의 종류에는 여러 가지 종류의 스프링과 댐퍼들로 이루어진 조합들이 사용되고 있다. 현재 우리나라에서 궤도차량에 적용된 현수장치로는 로드 암이 현수장치 외부에 있고 두 개의 실린더로 작동 피스톤과 부동 피스톤이 연결된 단동형 유 기압 현수장치인 HSU(hydro-pneumatic suspension unit)가 있고, 궤도 차량 바퀴 연결부인 로드 암이 실린더 내부에 있고 스프링과 댐퍼가 실린더 내부에 같이 존재하는 IHSU(in-arm hydro-pneumatic suspension unit)이 사용되고 있다. 이러한 유 기압 현수장치들은 특정한 노면 및 가진 조건에서는 우수한 성능을 가져오지만 수동형 현수장치의 특성상 변화하는 노면 상황에 즉각적으로 대응하지 못하고 제어성능의 한계를 지니고 있으므로 궤도차량의 성능 향상에는 한계가 있다.
	유 기압 현수장치의 한계는?	현재 우리나라에서 궤도차량에 적용된 현수장치로는 로드 암이 현수장치 외부에 있고 두 개의 실린더로 작동 피스톤과 부동 피스톤이 연결된 단동형 유 기압 현수장치인 HSU(hydro-pneumatic suspension unit)가 있고, 궤도 차량 바퀴 연결부인 로드 암이 실린더 내부에 있고 스프링과 댐퍼가 실린더 내부에 같이 존재하는 IHSU(in-arm hydro-pneumatic suspension unit)이 사용되고 있다. 이러한 유 기압 현수장치들은 특정한 노면 및 가진 조건에서는 우수한 성능을 가져오지만 수동형 현수장치의 특성상 변화하는 노면 상황에 즉각적으로 대응하지 못하고 제어성능의 한계를 지니고 있으므로 궤도차량의 성능 향상에는 한계가 있다.

참고문헌 (6)

Carsol, J. D., Cantanzarite, D. M. and St. Clair, K. A., 1995, Commercial Magneto-rheological Fluid Devices, Proceedings of the 5th International Conferenceon ER Fluids, MR Suspension and Associated Technology, pp. 20-28.
Spencer Jr., B. F., Dyke, S. J., Sain, M. K. and Carlson, J. D., 1997, Phenomenological Model for a Mangetorheological Damper, Journal of Engineering Mechanics, ASCE, Vol. 123, No. 3, pp. 230-238.

상세보기
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.
Lai, C. Y. and Liao, W. H., 2002, Vibration Control of a Suspension System via a Magnetorheological Damper, Journal of Vibration and Control, Vol. 8, No. 4, pp. 527-547.

상세보기
Hoogterp, F. B., Saxon, N. L. and Schihl, P. J., 1993, Semiactive Suspension for Military Vehicles, SAE Technical Paper 930847.
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

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증