[논문]이중너클을 이용한 후륜 토 및 캠버각 변화를 통한 조종안정성 개선

손정현; 박성준

doi:10.7467/ksae.2013.21.1.121

이중너클을 이용한 후륜 토 및 캠버각 변화를 통한 조종안정성 개선
Improvement of Vehicle Handling Performance due to Toe and Camber Angle Change of Rear Wheel by Using Double Knuckle 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.21 no.1, 2013년, pp.121 - 127

손정현 (부경대학교 기계자동차공학과) , 박성준 (금호타이어 기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, suspension geometry is controlled to improve vehicle handling performance. The toe and camber of the rear suspension is controlled independently by using a double knuckle structure designed to enhance the vehicle cornering stability. Camber and toe changes in the rear wheel during high speed turning maneuver are important factors that influence the vehicle stability. Toe in the rear outer wheel plays a dominant role in cornering. A control algorithm for the camber and the toe angle input is developed to carry out the control simulation of the vehicle such as single lane change, the steady state cornering, the double lane change and the step steering simulation. Effects of the camber and toe angle control are analyzed from the computer simulations. A double lane change simulation revealed that the suspension mechanism with variable camber angle and variable toe angle decreases the peak body slip angle and peak yaw rate, 50% and 10%, respectively.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 이중너클구조의 서스펜션을 통해 후륜의 토각과 캠버각을 생성할 수 있도록 하여 후륜의 자세변화에 따른 차량조종안정성능의 개선효과를 분석하였다. 상용 동역학 해석 프로그램인 ADAMS/CAR 를 이용하여 단순차선변경과 이중차선변경 시뮬레이션을 수행하여 결과를 분석하였다.
본 연구에서는 후륜에 이중너클을 탑재하여 토 및 캠버각을 변화시킬 수 있는 구조로 하여, 후륜의 토 및 캠버각 변화를 통한 조종안정성 개선연구를 수행하였다. ADAMS / CAR의 User template를 이용하여 이중너클을 가진 후륜 현가장치 템플릿을 개발하였고, 후륜 토 및 캠버 제어에 따른 조종안정성을 분석하였다.
이중차선변경은 동일한 주행경로에 대해 후륜 제어 시 차량응답의 변화를 보고자 하는 것이며, 단순 차선변경은 동일한 조향입력에 대해 후륜 제어 시 차량응답의 변화를 보고자 한 것이다. 이중너클 구조의 서스펜션은 캠버각과 토각을 독립적으로 제어할 수 있는 구조여서 향후 차량 조종안정성능을 포함하여 많은 응용을 할 수 있을 것으로 사료된다.

제안 방법

본 연구에서는 후륜에 이중너클을 탑재하여 토 및 캠버각을 변화시킬 수 있는 구조로 하여, 후륜의 토 및 캠버각 변화를 통한 조종안정성 개선연구를 수행하였다. ADAMS / CAR의 User template를 이용하여 이중너클을 가진 후륜 현가장치 템플릿을 개발하였고, 후륜 토 및 캠버 제어에 따른 조종안정성을 분석하였다.
ISO3888에 의하여 차량 속도가 시속 80km일 때 주어진 이중차선을 변경하는 시뮬레이션을 수행하였다. 이중차선변경을 위한 조향입력은 ADAMS 내의 Smart Driver 모듈을 이용하여 차선 변경 경로에 맞춰 제어입력이 주어지도록 하였다.
전륜 현가장치는 더블 위시본 현가장치(Double wishbone suspension)이며, 후륜 현가장치는 이중 클을 가진 더블 위시본 현가장치이다. 본 연구에서는 ADAMS/Car를 이용하여 전차량 시뮬레이션을 수행하였으며, 이중너클을 포한 현가장치를 위해 User template를 사용하였다. 전체 시스템 자유도는 25자유도이며, 차체 6자유도, 프런트와 리어의 프레임이 각각 6자유도를 가지고, 엔진 6자유도 그리고 조향 1자유도를 가진다.
2자유도 선형차량 모델은 횡방향 운동에 대해 단순하지만 제어 알고리즘 개발에 있어서 많이 이용되고 있다. 본 연구에서는 Fig. 3에 도시된 자전거 모델을 이용하여 후륜 토각 변화를 주었다. 조종안정성 향상을 위해 차체 슬립각(Body slip angle)이 코너링 중에 영(Zero)이 되도록 제어하는 알고리즘^9,10)을 이용하였다.
조향에 의해 차량이 선회되는 것은 차체 진행방향과 타이어의 변형사이에 발생하는 슬립각만큼 횡력이 발생하기 때문으로 이때 차체의 거동은 언더스티어와 오버스티어 뉴트럴스티어로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 세 가지 특성을 캠버제어기구로 능동 구현하기 위해 차량의 차속과 조향각에 따라 구성된 제어 맵을 이용하였다. 차속에 상관없이 조향각이 작으면 제어입력이 없는 수동상태가 되도록 하고, 고속이면서 조향각이 크면 언더스티어가 되도록 하며 저속이면서 조향각이 크면 오버스티어가 되도록 한다.
ISO3888에 의하여 차량 속도가 시속 80km일 때 주어진 이중차선을 변경하는 시뮬레이션을 수행하였다. 이중차선변경을 위한 조향입력은 ADAMS 내의 Smart Driver 모듈을 이용하여 차선 변경 경로에 맞춰 제어입력이 주어지도록 하였다. Fig.
단순차선변경은 장애물 회피의 성능을 평가하기 위해 종종 사용된다. 차속은 70km/h이고, 90도 진폭, 2초 주기의 사인파 조향입력을 가하였다. 조향 기어비는 30:1로써 조향 휠 각 90도 입력일 때 조향각은 3도이다.

데이터처리

본 연구에서는 이중너클구조의 서스펜션을 통해 후륜의 토각과 캠버각을 생성할 수 있도록 하여 후륜의 자세변화에 따른 차량조종안정성능의 개선효과를 분석하였다. 상용 동역학 해석 프로그램인 ADAMS/CAR 를 이용하여 단순차선변경과 이중차선변경 시뮬레이션을 수행하여 결과를 분석하였다.

이론/모형

3에 도시된 자전거 모델을 이용하여 후륜 토각 변화를 주었다. 조종안정성 향상을 위해 차체 슬립각(Body slip angle)이 코너링 중에 영(Zero)이 되도록 제어하는 알고리즘^9,10)을 이용하였다. 2자유도는 차체 슬립각과 요속도(Yaw rate)를 의미한다.
언더스티어를 만들기 위한 캠버입력은 선회방향으로 후륜 캠버입력을 주는 것을 말하며, 오버스티어는 선회 반대 방향으로 캠버각을 가지도록 하는 것을 뜻한다. 차량과 제어기의 통합 시뮬레이션은 Matlab/Simulink환경에서 Adams/Car와 통합 시뮬레이션을 수행되었으며 Fig. 5에 전체 구성도를 나타냈다.
전체 시스템 자유도는 25자유도이며, 차체 6자유도, 프런트와 리어의 프레임이 각각 6자유도를 가지고, 엔진 6자유도 그리고 조향 1자유도를 가진다. 타이어 모델은 Magic formula 타이어 모델을 사용하였다.

성능/효과

이중차선변경 시뮬레이션시 차체 슬립각과 요속 도의 최대값을 각각 50%와 10% 감소시켰다. 차량 선회 시 요속도 및 차체슬립각은 운전자가 느끼는 조종안정성과 관련된다.
본 연구에서는 ADAMS/Car를 이용하여 전차량 시뮬레이션을 수행하였으며, 이중너클을 포한 현가장치를 위해 User template를 사용하였다. 전체 시스템 자유도는 25자유도이며, 차체 6자유도, 프런트와 리어의 프레임이 각각 6자유도를 가지고, 엔진 6자유도 그리고 조향 1자유도를 가진다. 타이어 모델은 Magic formula 타이어 모델을 사용하였다.
Table 4는 최대 응답값을 보여 준다. 캠버각과 토각이 모두 변하였을 때가 차체 슬립각과 요속도의 피크 값이 각각 50%와 10% 감소 됨을 보여준다.

후속연구

이중차선변경은 동일한 주행경로에 대해 후륜 제어 시 차량응답의 변화를 보고자 하는 것이며, 단순 차선변경은 동일한 조향입력에 대해 후륜 제어 시 차량응답의 변화를 보고자 한 것이다. 이중너클 구조의 서스펜션은 캠버각과 토각을 독립적으로 제어할 수 있는 구조여서 향후 차량 조종안정성능을 포함하여 많은 응용을 할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량에 ECU를 탑재하여, 차량이 한계상황을 벗어날 수 있도록, 차량 상태정보를 센서를 통해 수집하고 제어로직에 의해 제어기를 작동시키는 연구에는 어떤 것들이 있는가?	차량의 조종안정성을 개선하기 위해 지능형 차량에 대한 연구가 많이 수행되고 있으며 최근에는 차량에 ECU(Electronic Control Unit)를 탑재하여, 차량이 한계상황을 벗어날 수 있도록, 차량 상태정보를 센서를 통해 수집하고 제어로직에 의해 제어기를 작동시키는 연구가 활발하게 이루어지고 있다. ESC(Electronic Stability Control)를 CDC(Continuous Damping Control)와 통합 제어하여 조종안정성을 보다 높이는 연구가 국내에서 수행된 바 있으며,1) AFS(Active Front Steering System)를 이용하여 비대칭마찰 노면에서 제동시 안정성을 높이는 방법이 연구되기도 하였다.2) 총륜 구동차량의 지능형 토크 배분제어를 이용한 안정성 향상 방법에 대해 연구,3) 차량 선회 시 작동되는 ESP에 대해 연구,4) QFT를 적용한 AFS에 관한 연구5) 등을 통해 조종안정성을 높이는 연구를 수행하고 있다. 이들 연구를 살펴보면 견인력, 선회안정성, 조종성능 등을 향상시키기 위해 적절하게 제어를 이용한 것을 알 수 있다. 한편, 현가기구의 자세를 능동 제어하여 성능을 높이고자 하는 연구를 자동차 회사에서 수행한 바 있으며 AGCS(Active Geometry Control Suspension)시스템을 이용하여 롤 오버 방지 성능 향상에 관한 연구가 있었으며,6) 전륜에 캠버각을 생성시킬 수 있는 메커니즘이 제안되기도 하였다.7)
	기존의 전륜 캠버 생성기구는 어떤 한계점이 있었는가?	기존의 전륜 캠버 생성기구는 캠버 생성시 토우 각도 함께 바뀌기 때문에 두 휠 얼라인먼트 요소는 종속되어 있었으며 독립제어가 가능하지 않았다. 하지만 이중너클 구조8)는 이러한 두 인자가 독립적 으로 작동하기 때문에 제어가 용이하다는 장점을 가진다.
	조향에 의해 차량이 선회되는 이유는 무엇인가?	조향에 의해 차량이 선회되는 것은 차체 진행방 향과 타이어의 변형사이에 발생하는 슬립각만큼 횡력이 발생하기 때문으로 이때 차체의 거동은 언더 스티어와 오버스티어 뉴트럴스티어로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 세 가지 특성을 캠버제어기구로 능동 구현하기 위해 차량의 차속과 조향각에 따라 구성된 제어 맵을 이용하였다.

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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].

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