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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 조향축 방향으로의 병진속도가 없다는 속도구속을 사용하여 속도해석방법으로 조향축을 해석했다. 또한, 부싱을 포함하는 컴플라이언스 특성을 고려한 현가장치일 경우 기구학적 속도 해석이 가능하지 않기 때문에 탄성기구 정역학모델의 정적평형조건에서 구해진 부싱의 변형으로 현가장치의 하드포인트가 수정된 기구학적 모델을 사용하고, 현가장치 기구해석에 적용한 동일한 방법으로 조향축 해석을 할 수 있다.
- 앞의 3절에서 기구학적 해석을 통해 멀티링크를 해석하고 비교하였다. 본 절에서는 컴플라이언스 특성을 고려하여 멀티링크의 조향축을 해석하였다. Fig.
가설 설정
- 대부분 이 경우 순간 스크류축 이론을 이용하여 조향축 해석을 하는데, 전륜 현가장치는 휠의 상하 운동과 조향축에 대한 회전운동으로 2자유도를 가지기 때문에 조향축 위치를 구할 수 없다. 따라서 휠 센터 수직변위를 제한하거나, 스프링의 변위를 제한하는 추가 구속 조건을 가정하여 조향축을 해석한다. 이 경우 임의적인 추가 제한조건을 가정하기 때문에 미소오차를 포함한다.
제안 방법
- 3) 기구정역학 모델에서 탄성변형으로 수정된 하드포인트를 사용하여 기구학 모델의 조향축 해석과 동일한 방법으로 조향축을 해석했다.
- 기구 정역학 모델 해석을 위해 상대 조인트 좌표계이론을 적용하여 더블위시본과 멀티링크 현가장치를 모델하고, 조향축을 해석 했다. 기구학모델해석 방법과 같은 방법으로 속도해석에 의한 조향축을 해석한 방법과 ADAMS/Car의 해석 결과를 비교했다.
- 기구정역학 모델 해석에 앞서 제안한 방법의 정확성을 보이기 위해 속도해석에 의한 조향축 해석으로 더블위시본과 멀티링크 현가장치 기구학모델을 해석했다. 기구학모델은 2장에서 설명한 복합조인트에 의한 현가장치 모델을 하였다.
- 기구 정역학 모델 해석을 위해 상대 조인트 좌표계이론을 적용하여 더블위시본과 멀티링크 현가장치를 모델하고, 조향축을 해석 했다. 기구학모델해석 방법과 같은 방법으로 속도해석에 의한 조향축을 해석한 방법과 ADAMS/Car의 해석 결과를 비교했다.
- 멀티링크 현가장치의 조향축 해석결과에서도 킹핀 옵셋값의 차이가 크게 나는 것을 확인할 수 있다. 기구학적 해석과 같은 방법으로 기구정역학 모델도 이 결과로는 본 논문에서 제안한 조향축 해석 방법과 ADAMS/Car의 순간 스크류축 방법 중에 어떤 값이 더 정확한 값인지 설명할 수 없기 때문에 속도해석에 의한 조향축 해석의 신뢰성을 보이기 위해 멀티링크의 Tie-Rod를 제외한 나머지 4개의 휠 쪽 볼 조인트의 조향축 방향 속도가 0이 되는 구속조건으로 조향축을 해석해 보았다. 해석한 결과 Table 1과 같이 링크 1~4 모두 같은 값이 나온다는 것을 확인하였다.
- 기하학적으로 조향축이 정해진 더블위시본과 순간 스크류축 방법으로 조향축을 해석하는 멀티링크 현가장치를 예로 들어 본 논문에서 제안한 조향축 해석방법을 적용했다.
- 본 논문에서 제시하는 속도 해석방법으로 조향축을 계산하면 기구학적 특성뿐만 아니라, 컴플라이언스 특성을 고려할 수 있다는 장점이 있으며, 해석의 정확성을 높일 수 있다. 더블위시본, 멀티링크 현가장치에서 각각 제안한 방법으로 조향축을 해석하고 비교하여 정확성을 보인다.
- 하지만, 직교좌표로 표현할 경우 변수가 많기 때문에 계산상에 어려움이 있다. 따라서 상대 조인트 좌표를 일반좌표로 변환하여 본 해석 모델에 적용했다. 직교좌표에서 상대 조인트 좌표로 변환하는 과정은 아래와 같다.
- 일반적으로 조향축은 킹핀 축으로 알려져 있으며, 수직이 아니고 아랫부분이 바깥으로 벌어지거나 옆면으로 기울어져 있다. 링크들의 기하학적 위치로 조향축이 결정되는 맥퍼슨 스트럿, 더블위시본 형식의 현가장치를 제외하고, 멀티링크 형식과 같은 현가장치는 순간 스크류 축 이론을 이용하여 조향축을 해석한다. 기존의 순간 스크류 축 이론을 이용한 방법은 기구학적 모델일 경우 휠 센터 수직변위를 제한하거나 ADAMS/Car1)에서처럼 스프링의 변위가 발생하지 않도록 양 단을 고정하고 조향축을 계산한다.
- 멀티링크 현가장치의 조향축을 속도 해석방법으로 계산했다. Fig.
- 본 논문에서는 조향축정의 “조향시차체에 대한 너클의 상대적인 회전 축”에 따라 주어진 조향 입력에 대해 휠이 한 축을 중심으로 순수한 회전을 하는 조향축 해석을 위해 휠 센터 변위고정이나 스프링 변위를 고정하는 방법을 사용하지 않고, 조향축 방향으로의 병진속도가 없다는 조건으로 조향축을 해석했다.
- 현가장치 기구정역학 해석모델은 기구학적 조인트 특성과 스프링, 부시와 같은 힘 요소를 포함하는 탄성 기구정역학 해석을 수행한다. 본 모델에서는 상대 조인트 좌표계 이론을 활용하여 현가장치의 강성행렬을 해석적으로 유도함으로써 정확한 해를 구한다.5) 상대 조인트 좌표계를 활용하여 현가장치를 모델링하면 기구학적 구속 조건식이 없어지기 때문에 방정식의 규모가 작아지고, 기구 정역학 해석을 가능하게 한다.
- 속도 해석에 의한 조향축 계산방법으로 현가장치의 기구학 모델과 기구정역학 모델을 해석했다.
- 앞의 3절에서 기구학적 해석을 통해 멀티링크를 해석하고 비교하였다. 본 절에서는 컴플라이언스 특성을 고려하여 멀티링크의 조향축을 해석하였다.
- 기하학적으로 조향축이 정해져 있는 더블위시본은 킹핀, 캐스터 값을 정확하게 해석할 수 있다. 여기서 더블위시본의 조향축 해석은 제안한 방법의 신뢰성을 위해 ADAMS/Car의 기하학적으로 조향축을 해석하는 방법과 비교했으며, 또한 이 값을 ADAMS/Car의 순간 스크류 이론을 이용하여 구한 조향축 계산 값과 비교하여 결과 값이 얼마나 정확한가를 보기 위해 해석했다. 첫 번째로 ADAMS/Car에서 기하학적으로 계산되는 조향축 해석과 본 논문에서 제안한 속도해석에 의한 조향축 해석 결과를 비교했다.
- 여기서는 컴플라이언스 특성을 고려하여 더블위시본 현가장치를 기하학적 방법과 제안한 방법으로 조향축을 해석하고 비교했다. 기구학적 모델 해석과 같은 방법으로 ADAMS/Car의 기하학적으로 해석된 조향축 결과 값과 본 논문에서 제안한 방법으로 해석한 조향축 결과 값을 비교했고, 또한 이 값을 ADAMS/Car의 순간 스크류축으로 해석한 결과 값과 비교했다.
- 이 결과로는 본 논문에서 제안한 조향축 해석 방법과 ADAMS/Car의 순간 스크류축 방법 중에 어떤 값이 더 정확한 값인지 설명할 수 없기 때문에 속도 해석에 의한 조향축 해석의 신뢰성을 보이기 위해 멀티링크의 Tie-Rod를 제외한 나머지 4개의 휠 쪽 볼조인트의 조향축 방향속도가 0이 되는 구속조건으로 조향축을 해석해 보았다. 해석한 결과링크 1 ~ 4 모두 같은 값이 나왔다.
- 여기서 더블위시본의 조향축 해석은 제안한 방법의 신뢰성을 위해 ADAMS/Car의 기하학적으로 조향축을 해석하는 방법과 비교했으며, 또한 이 값을 ADAMS/Car의 순간 스크류 이론을 이용하여 구한 조향축 계산 값과 비교하여 결과 값이 얼마나 정확한가를 보기 위해 해석했다. 첫 번째로 ADAMS/Car에서 기하학적으로 계산되는 조향축 해석과 본 논문에서 제안한 속도해석에 의한 조향축 해석 결과를 비교했다. 토우, 캠버, 캐스터각, 캐스터 트레일, 킹핀각, 킹핀옵셋 값이 모두정확하게 일치한다.
- 현가장치 기구정역학 해석모델은 기구학적 조인트 특성과 스프링, 부시와 같은 힘 요소를 포함하는 탄성 기구정역학 해석을 수행한다. 본 모델에서는 상대 조인트 좌표계 이론을 활용하여 현가장치의 강성행렬을 해석적으로 유도함으로써 정확한 해를 구한다.
- 현가장치 기구학모델의 조향축 계산을 용이하게 해석하기 위해 현가장치를 S-S조인트, R-S조인트, Strut조인트 등 복합조인트로 모델링 했다.
데이터처리
- 여기서는 컴플라이언스 특성을 고려하여 더블위시본 현가장치를 기하학적 방법과 제안한 방법으로 조향축을 해석하고 비교했다. 기구학적 모델 해석과 같은 방법으로 ADAMS/Car의 기하학적으로 해석된 조향축 결과 값과 본 논문에서 제안한 방법으로 해석한 조향축 결과 값을 비교했고, 또한 이 값을 ADAMS/Car의 순간 스크류축으로 해석한 결과 값과 비교했다. Fig.
이론/모형
- 기구정역학 모델 해석에 앞서 제안한 방법의 정확성을 보이기 위해 속도해석에 의한 조향축 해석으로 더블위시본과 멀티링크 현가장치 기구학모델을 해석했다. 기구학모델은 2장에서 설명한 복합조인트에 의한 현가장치 모델을 하였다.
- 해석 모델은 상대 조인트 좌표를 사용한 모델로 구속조건이 없는 현가장치 모델이므로 일반력의 정적 평형 조건식으로부터 Newton-Raphson 방법으로 일반좌표를 구해낸다.
성능/효과
- 1) 멀티링크 현가장치의 기구학적 모델과 기구정역학모델의 조향축 해석방법을 제안하고, 그 결과가 정확함을 확인했다.
- 2) 조향축 해석 시 휠에서 조향축 방향으로 병진속도가 없다는 조건을 사용하여 속도해석방법으로 조향축을 해석하면 이전의 방법보다 더 정확한 값을 얻을 수 있었다.
- Table 1의 결과로 멀티링크 현가장치는 조향 시에 링크 4개에 의해 결정되는 유일한 한 축을 중심으로 조향한다는 것을 확인하였다. 따라서 속도해석에 의한 조향축 계산 값이 ADAMS/Car의 조향축해석 결과보다 정확하다는 것을 알 수 있다.
- 또한, 부싱을 포함하는 컴플라이언스 특성을 고려한 현가장치일 경우 기구학적 속도 해석이 가능하지 않기 때문에 탄성기구 정역학모델의 정적평형조건에서 구해진 부싱의 변형으로 현가장치의 하드포인트가 수정된 기구학적 모델을 사용하고, 현가장치 기구해석에 적용한 동일한 방법으로 조향축 해석을 할 수 있다. 본 논문에서 제시하는 속도 해석방법으로 조향축을 계산하면 기구학적 특성뿐만 아니라, 컴플라이언스 특성을 고려할 수 있다는 장점이 있으며, 해석의 정확성을 높일 수 있다. 더블위시본, 멀티링크 현가장치에서 각각 제안한 방법으로 조향축을 해석하고 비교하여 정확성을 보인다.
- 본 논문에서는 속도해석에 의한 조향축 해석을 통하여 조향축을 계산하였으며, 이 방법이 기구학적 모델뿐만 아니라, 기구정역학 모델에서 적용해도 타당함을 보였다. 특히, 기하학적 위치로 조향축이 정의되지 않는 멀티링크의 조향축을 보다 정확하게 계산할 수 있다는 장점을 보였다.
- 해석한 결과링크 1 ~ 4 모두 같은 값이 나왔다. 이 결과 멀티링크 현가장치의 조향은 링크 4개에 의해 결정되는 유일한 한 축을 중심으로 회전한다는 것을 알 수 있고, 그 축은 조향축임을 알 수 있다.
- 이 결과로 ADAMS/Car에서 순간 스크류 이론으로 구한 조향축은 정확하지 않다는 것을 알 수 있으며, 본 논문에서 제안한 방법과 ADAMS/Car에서 기하학적으로 해석한 결과 값은 정확하게 일치 했으므로, 멀티링크 형식의 현가장치 조향축 해석에 적용할 수 있음을 보인다.
- 이를 통해, 기구학적 모델뿐 아니라 기구정역학 모델에서도 속도해석에 의한 조향축 해석 방법이 ADAMS/Car의 순간 스크류축으로 해석한 결과 값 보다 더 정확하다는 것을 보였다.
- 본 논문에서는 속도해석에 의한 조향축 해석을 통하여 조향축을 계산하였으며, 이 방법이 기구학적 모델뿐만 아니라, 기구정역학 모델에서 적용해도 타당함을 보였다. 특히, 기하학적 위치로 조향축이 정의되지 않는 멀티링크의 조향축을 보다 정확하게 계산할 수 있다는 장점을 보였다.
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