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문제 정의
- 기존의 상용 ECS는 모터 및 유압장치 등을 사용하여 댐핑력의 변화를 2~4단으로 조절하는 방식이나, 에너지소비, 구조의 복잡성 및 경제성 등을 이유로 고가의 차량에만 적용되고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 MR(magneto-rheological) 유체를 이용한 댐퍼를 적용하여 새로운 ECS를 제안하고자 한다.
- 이 연구에서는 MR 댐퍼를 장착한 현가장치의 ECS 적용을 위한 성능평가를 수행하였다. 이를 위하여 중형 승용차의 현가장치에 장착이 가능한 MR 댐퍼를 설계 및 제작하였으며, 자기장 부하에 따른 댐핑력 성능시험을 수행하였다.
가설 설정
- MR 댐퍼를 장착한 1/4차량의 지배방정식을 도출하기 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 단순화하였다. 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 형상에 따른 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
- MR 댐퍼를 1/4차량 현가장치에 적용한 후, 이에 대한 모델링 및 지배방정식을 도출하였다. 1/4차량 현가장치의 승차감 및 주행안정성 향상을 평가하기 위하여 제어기를 구성하였으며, 이를 평가할 수 있도록 1/4차량 현가장치 시스템을 위한 가진 실험장치를 구성하였다. MR 댐퍼를 이용한 ECS의 제어를 위하여 소프트, 하드, 안락, 스포츠 및 최적모드를 이용한 제어모드를 구성한 후 랜덤노면 주행에 따른 차량의 승차감 및 주행안정성을 비교하였으며, 이를 통하여 MR 댐퍼를 차량 ECS에 적용 시 승차감 향상을 실험을 통하여 확인할 수 있었다.
- 이를 위하여 중형 승용차의 현가장치에 장착이 가능한 MR 댐퍼를 설계 및 제작하였으며, 자기장 부하에 따른 댐핑력 성능시험을 수행하였다. MR 댐퍼를 1/4차량 현가장치에 적용한 후, 이에 대한 모델링 및 지배방정식을 도출하였다. 1/4차량 현가장치의 승차감 및 주행안정성 향상을 평가하기 위하여 제어기를 구성하였으며, 이를 평가할 수 있도록 1/4차량 현가장치 시스템을 위한 가진 실험장치를 구성하였다.
- 실제차량의 운행 시 보다 정확한 실시간 제어를 수행할 수 있도록 MR 댐퍼의 시간지연을 고려하며, 이를 통하여 제안된 MR 댐퍼의 ECS 적용 타당성을 검증한다. MR 댐퍼를 이용한 중형차용 ECS의 승차감 향상을 실험을 통하여 입증하기 위하여 MR 댐퍼를 1/4차량 현가장치에 적용한 후, 이에 대한 모델링 및 지배방정식을 도출하고, MR 댐퍼를 이용한 ECS의 제어를 위하여 소프트(soft), 하드(hard), 안락(comfort), 스포츠(sport) 및 최적(optimal)의 5가지 모드를 구성한 후 주행 조건에 따른 차량의 승차감 향상을 실험을 통하여 입증한다.
- MR 댐퍼를 장착한 ECS의 승차감 평가를 위해서는 다양한 조건 하에서의 실차실험이 요구되나, 이는 시간적, 비용적 측면에서 비효율적인 문제가 있어 1/4차량에 대하여 실험을 진행하였다. 이를 위하여 이 연구에서는 실제 중형차의 현가장치에 장착할 수 있는 MR 댐퍼를 설계 및 제작하고, 자기장 부하에 따른 MR 댐퍼의 댐핑력 성능시험을 수행한다.
- MR 현가장치 시스템을 장착한 1/4차량의 ECS 성능을 고찰하기 위하여 노면상태를 포장도로와 유사한 랜덤(random) 입력 형태로 만들어 72 km/h로 주행하는 경우에 대한 응답특성 실험을 수행하였으며, 소프트, 하드, 안락, 스포츠 및 제어 모드 시 결과를 PSD(power spectrum density)로 나타내어 Fig. 9에 도시하였다. 승차감을 비교할 수 있는 현가질량 가속도 결과의 차량공진(1~2 Hz) 부근 및 주행안정성을 비교할 수 있는 타이어 하중편차 결과의 차륜공진(10~12 Hz) 부근에서 모두 최적모드가 성능이 매우 우수함을 확인할 수 있으며, 소프트 및 하드모드의 경우에 비하여 제어를 수행한 안락, 스포츠 및 최적모드의 승차감 및 주행안정성 성능이 비교적 우수한 것을 확인할 수 있다.
- 컴퓨터 D/A 신호에 의하여 제어되는 유압서보장치를 통해 MR 현가장치 시스템을 가진하였고, 현가질량 및 비현가질량에 발생한 변위는 LVDT를 통하여 측정되었다. 그리고 컴퓨터를 통하여 전달된 입력신호는 전류공급장치를 통하여 MR 댐퍼에 부하되며, 이때 발생된 댐핑력은 로드셀을 통하여 측정되었다.
- 위 식 (2)와 (3)으로부터 부하되는 자기장에 따라 댐퍼에 발생하는 댐핑력은 자기장 부하에 따른 자속밀도 뿐만 아니라 MR 유체가 흐르는 덕트의 형상에도 영향을 받기 때문에, 실제 응용장치에 발생되는 댐핑력의 정확한 해석을 위해서는 이에 대한보다 면밀한 연구가 필수적이다. 따라서, 이 연구에 선행하여 발표된 연구결과를 활용하여 맥퍼슨 스트럿(MacPherson Strut)형 현가장치에 장착할 수 있는 MR 댐퍼의 기하학적 최적화 설계 및 제작을 수행하였으며, 이에 따른 댐퍼의 사진을 Fig. 2에 나타내었다(7)
- )에 비하여 무시할 만큼 작으므로 고려하지 않는다는 가정을 통하여 차량에 대한 모델을 단순화하였다. 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 양끝단에 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(7).
- 상태변수는 각각 현가질량의 변위와 속도, 비현가질량의 변위와 속도 및 부하되는 자기장에 의한 댐핑력이며, 1/4차량의 차체질량 ms는 실제 중형 차량의 질량을 고려하여 310 kg으로 적용하였다. 또한 비현가질량, 현가장치의 스프링 강성(ks)및 타이어의 강성(kt)은 각각 40 kg, 27 MN/m 및 211 MN/m으로 적용하였다.
- 0 A를 부하하여 최고의 댐핑력을 발생시키는 것을 의미한다. 또한 안락, 스포츠 및 최적모드에서는 MR 현가장치를 장착한 차량의 성능향상을 고찰하고자 스카이훅 제어기를 사용하였다. 스카이훅 알고리즘은 Karnopp et al(8)에 의하여 제안되었으며, Fig.
- MR 댐퍼는 크게 실린더, 피스톤 및 가스챔버로 구성되며, 피스톤의 운동에 따른 피스톤로드의 부피를 보상하기 위하여 부동피스톤을 구성하였다. 또한 피스톤 내에 원형 덕트(duct)를 구성하기 위하여 피스톤 양끝단에 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.
- 승차감을 비교할 수 있는 현가질량 가속도 결과의 차량공진(1~2 Hz) 부근 및 주행안정성을 비교할 수 있는 타이어 하중편차 결과의 차륜공진(10~12 Hz) 부근에서 모두 최적모드가 성능이 매우 우수함을 확인할 수 있으며, 소프트 및 하드모드의 경우에 비하여 제어를 수행한 안락, 스포츠 및 최적모드의 승차감 및 주행안정성 성능이 비교적 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한, 승차감 향상에 대한 성능을 보다 정확히 분석하기 위하여 현가질량 수직가속도에 대한 WRMS(weighted root mean square) 결과를 도출하였다(9). WRMS는 승차감 평가를 위하여 ISO2631에서 규정한 방법이며, 특정주파수 값에 Fig.
- 이다. 상태변수는 각각 현가질량의 변위와 속도, 비현가질량의 변위와 속도 및 부하되는 자기장에 의한 댐핑력이며, 1/4차량의 차체질량 ms는 실제 중형 차량의 질량을 고려하여 310 kg으로 적용하였다. 또한 비현가질량, 현가장치의 스프링 강성(ks)및 타이어의 강성(kt)은 각각 40 kg, 27 MN/m 및 211 MN/m으로 적용하였다.
- 이를 위하여 이 연구에서는 실제 중형차의 현가장치에 장착할 수 있는 MR 댐퍼를 설계 및 제작하고, 자기장 부하에 따른 MR 댐퍼의 댐핑력 성능시험을 수행한다. 실제차량의 운행 시 보다 정확한 실시간 제어를 수행할 수 있도록 MR 댐퍼의 시간지연을 고려하며, 이를 통하여 제안된 MR 댐퍼의 ECS 적용 타당성을 검증한다. MR 댐퍼를 이용한 중형차용 ECS의 승차감 향상을 실험을 통하여 입증하기 위하여 MR 댐퍼를 1/4차량 현가장치에 적용한 후, 이에 대한 모델링 및 지배방정식을 도출하고, MR 댐퍼를 이용한 ECS의 제어를 위하여 소프트(soft), 하드(hard), 안락(comfort), 스포츠(sport) 및 최적(optimal)의 5가지 모드를 구성한 후 주행 조건에 따른 차량의 승차감 향상을 실험을 통하여 입증한다.
- 이 연구에서는 Fig. 8과 같은 1/4차량을 구성하여 MR 현가장치 시스템을 이용한 전자제어 현가장치에 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 MR 댐퍼를 장착한 ECS의 제어를 위하여 소프트, 하드, 안락, 스포츠 및 최적의 5가지 모드를 제안하다. 소프트모드는 주행안정성 보다는 승차감 향상을 위하여 MR 댐퍼에 0.
- 이 연구에서는 MR 댐퍼에 사각파형(step wave)의 전류를 공급하여 댐핑력이 정상상태의 댐핑력에 63.2 %가 될 때의 시간, 즉 시상수를 구하여 응답시간을 도출하였고, 부하되는 사각파형 입력의 주파수를 증가시켰을 때의 댐핑력과 연속적으로 전류를 부하했을 때 발생되는 댐핑력의 비를 구하여 댐퍼가 지닌 대역폭을 측정하였다. Fig.
- 이 연구에서는 MR 유체가 가지고 있는 항복응력을 이용한 실린더형 MR 댐퍼를 제안하고 모델링하였으며, 그 구조를 Fig. 1에 도시하였다. MR 댐퍼는 크게 실린더, 피스톤 및 가스챔버로 구성되며, 피스톤의 운동에 따른 피스톤로드의 부피를 보상하기 위하여 부동피스톤을 구성하였다.
- 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. 5에 도시하였으며, 제어입력에 따른 MR 댐퍼의 댐핑력 발생시간을 시상수로 고려하여 현가질량(ms, sprungmass)과 비현가질량(mu, unsprungmass)의 운동방정식으로 설정하였다.
- MR 댐퍼를 장착한 ECS의 승차감 평가를 위해서는 다양한 조건 하에서의 실차실험이 요구되나, 이는 시간적, 비용적 측면에서 비효율적인 문제가 있어 1/4차량에 대하여 실험을 진행하였다. 이를 위하여 이 연구에서는 실제 중형차의 현가장치에 장착할 수 있는 MR 댐퍼를 설계 및 제작하고, 자기장 부하에 따른 MR 댐퍼의 댐핑력 성능시험을 수행한다. 실제차량의 운행 시 보다 정확한 실시간 제어를 수행할 수 있도록 MR 댐퍼의 시간지연을 고려하며, 이를 통하여 제안된 MR 댐퍼의 ECS 적용 타당성을 검증한다.
- 이 연구에서는 MR 댐퍼를 장착한 현가장치의 ECS 적용을 위한 성능평가를 수행하였다. 이를 위하여 중형 승용차의 현가장치에 장착이 가능한 MR 댐퍼를 설계 및 제작하였으며, 자기장 부하에 따른 댐핑력 성능시험을 수행하였다. MR 댐퍼를 1/4차량 현가장치에 적용한 후, 이에 대한 모델링 및 지배방정식을 도출하였다.
- 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 통하여 측정되었다. 그리고 컴퓨터를 통하여 전달된 입력신호는 전류공급장치를 통하여 MR 댐퍼에 부하되며, 이때 발생된 댐핑력은 로드셀을 통하여 측정되었다.
대상 데이터
- 1에 도시하였다. MR 댐퍼는 크게 실린더, 피스톤 및 가스챔버로 구성되며, 피스톤의 운동에 따른 피스톤로드의 부피를 보상하기 위하여 부동피스톤을 구성하였다. 또한 피스톤 내에 원형 덕트(duct)를 구성하기 위하여 피스톤 양끝단에 지그를 설치하였으며, 이를 통하여 MR 유체가 원형덕트 내의 자극(magnetic pole) 사이를 원활히 흐를 수 있도록 하였다.
성능/효과
- 10과 같은 가중치를 곱한 RMS값이다(10). Fig. 11의 현가질량 수직가속도의 WRMS 결과와 같이 소프트 및 하드모드의 경우에 비하여 제어를 수행한 안락, 스포츠 및 최적모드에서 승차감이 우수한 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 MR 댐퍼를 실제차량의 ECS에 적용 시 승차감뿐만 아니라 피치, 롤 및 히브 등의 다양한 주행상태 하에서도 안정성이 우수할 것으로 판단할 수 있다.
- 1/4차량 현가장치의 승차감 및 주행안정성 향상을 평가하기 위하여 제어기를 구성하였으며, 이를 평가할 수 있도록 1/4차량 현가장치 시스템을 위한 가진 실험장치를 구성하였다. MR 댐퍼를 이용한 ECS의 제어를 위하여 소프트, 하드, 안락, 스포츠 및 최적모드를 이용한 제어모드를 구성한 후 랜덤노면 주행에 따른 차량의 승차감 및 주행안정성을 비교하였으며, 이를 통하여 MR 댐퍼를 차량 ECS에 적용 시 승차감 향상을 실험을 통하여 확인할 수 있었다. 향후, MR 댐퍼를 ECS에 적용할 경우 급가속, 급제동 및 급선회 경우의 차량운동 성능을 보다 정확히 분석하기 위하여 전체차량 시뮬레이션 및 HILS(hardware-in-the-loop-simulation) 시험을 수행할 예정이다.
- 4(b)에 나타내었다. MR 댐퍼에 연속적인 전류를 입력하였을 때 얻은 정상상태의 댐핑력을 기준으로 각 자기장 입력 주파수에서 얻은 댐핑력의 크기를 정리한 결과 -3 dB일 때 30 Hz의 대역폭을 보였다. 일반적으로 차량설계 시 안정성을 위한 차체의 공진주파수는 1~2 Hz로 설계되며, 주행안정성을 위한 차륜의 공진주파수는 10~13 Hz로 설계된다.
- 일반적으로 차량설계 시 안정성을 위한 차체의 공진주파수는 1~2 Hz로 설계되며, 주행안정성을 위한 차륜의 공진주파수는 10~13 Hz로 설계된다. 따라서 이 연구에 사용된 댐퍼는 두 공진영역에서 충분한 제어성능을 발휘할 수 있으며, 이를 통하여 ECS에서 요구하는 승차감 및 주행안정성 두 가지의 목표를 동시에 만족하기 위하여 MR 댐퍼가 충분한 제어성능을 발휘할 수 있음을 확인할 수 있다.
- 9에 도시하였다. 승차감을 비교할 수 있는 현가질량 가속도 결과의 차량공진(1~2 Hz) 부근 및 주행안정성을 비교할 수 있는 타이어 하중편차 결과의 차륜공진(10~12 Hz) 부근에서 모두 최적모드가 성능이 매우 우수함을 확인할 수 있으며, 소프트 및 하드모드의 경우에 비하여 제어를 수행한 안락, 스포츠 및 최적모드의 승차감 및 주행안정성 성능이 비교적 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한, 승차감 향상에 대한 성능을 보다 정확히 분석하기 위하여 현가질량 수직가속도에 대한 WRMS(weighted root mean square) 결과를 도출하였다(9).
- 식 (5)와 (6)을 이용하여 안락, 스포츠 및 최적모드를 위한 제어이득치를 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 결정하였다. 이 연구에서 안락, 스포츠 및 최적모드를 위한 제어이득치는 각각 1130, 10000 및 6570으로 결정되었으며, 이는 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 범프(bump) 노면 하에서 제어와 비제어시의 RMS(root mean square) 비로 나타낸 성능지수(performance index) JCF, JCF 및 JCF를 최소화하기 위한 값이다.
- 11의 현가질량 수직가속도의 WRMS 결과와 같이 소프트 및 하드모드의 경우에 비하여 제어를 수행한 안락, 스포츠 및 최적모드에서 승차감이 우수한 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 MR 댐퍼를 실제차량의 ECS에 적용 시 승차감뿐만 아니라 피치, 롤 및 히브 등의 다양한 주행상태 하에서도 안정성이 우수할 것으로 판단할 수 있다.
- 0 Hz까지 변화시켜 얻었다. 자기장 증가에 따라 MR 댐퍼의 댐핑력이 연속적으로 증가됨을 알 수 있으며, 낮은 피스톤 속도에서뿐만 아니라 높은 피스톤 속도에서도 높은 댐핑력이 발생됨을 확인할 수 있다. 그림에서와 같이 피스톤 속도 0.
후속연구
- MR 댐퍼를 이용한 ECS의 제어를 위하여 소프트, 하드, 안락, 스포츠 및 최적모드를 이용한 제어모드를 구성한 후 랜덤노면 주행에 따른 차량의 승차감 및 주행안정성을 비교하였으며, 이를 통하여 MR 댐퍼를 차량 ECS에 적용 시 승차감 향상을 실험을 통하여 확인할 수 있었다. 향후, MR 댐퍼를 ECS에 적용할 경우 급가속, 급제동 및 급선회 경우의 차량운동 성능을 보다 정확히 분석하기 위하여 전체차량 시뮬레이션 및 HILS(hardware-in-the-loop-simulation) 시험을 수행할 예정이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.