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문제 정의
- 또한 기존의 연구에서는 휠 슬립 제어를 이용한 ABS를 제어기로 사용하여 제동 성능을 예측하여, 각가속도를 제어하는 실제 차량의 ABS와 차이가 있어 제동 성능 예측의 정확성이 떨어졌다.1,2) 따라서 본 논문에서는 타이어 제동 해석의 정확성을 개선하기 위한 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 1) 차량의 제동성능을 개선하기 위하여 해석 모델 구축 및 차량과 타이어 인자에 대한 영향도 분석과 최적설계를 수행하였다.
- 2장에서 구축한 해석모델을 이용하여 차량 제동성능 개선을 위한 ABS 로직 및 타이어 인자분석을 수행하였다. 타이어 인자로는 MF 타이어의 종방향 타이어 성능에 영향을 미치는 타이어 계수로 선정하였다.
- 3) ADAMS/CAR를 사용하여 MBD 기반 차량모델과 MF 타이어 모델을 조합하여 제동 해석을 위한 해석 모델을 구축하였다. 구축된 모델을 시험 결과와 비교하여 검증한 바, 기존의 모델 대비 정확도가 향상되었음을 확인하였다.
- 그리고 MBD(Multi Body Dynamics) 기반 차량모델과 MF(Magic Formula) 타이어 모델을 조합하여 차량모델을 구축하였다.3) 구축된 차량 모델과 ABS 로직을 연동하여 제동 해석 모델을 구축하였다.
- 3.1절에서 정의한 각 설계 변수에 대해 상/하한치를 정의하여 plackett burman 실험계획법을 사용하여 실험계획표를 구성하였다. 도출된 실험 점은 총 20개이며, 도출된 실험 점에 대한 제동해석을 수행하였다.
- 3장에서 분석한 영향도 결과를 바탕으로 차량 제동성능 개선을 위한 타이어 최적설계를 수행하였다. 최적설계를 위해 선정된 설계변수는 타이어 인자분석에서 선정된 MF 타이어의 종방향 타이어 성능에 영향을 미치는 타이어 계수 4개이다.
- 그리고 차량 인자로 전/후륜 서스펜선의 스프링 강성, 댐퍼 계수, 브레이크 패드 면적, 차량 무게, 차량 무게 중심점 위치를 선정하였다. 각 설계 변수에 대해 상/하한치를 정의하여 실험계획표를 구성하여 도출된 실험점에 대한 제동해석을 수행하였다. 수행된 결과를 분석하여 각 인자에 대한 영향도를 분석하였다.
- 시험을 위해 사용된 타이어는 총 3종류이며, 기준 모델과 구조 및 재질을 변경한 모델, 구조와 재질 및 컴파운드를 변경한 모델이다. 각 종류 별로 6번의 제동시험을 수행하였으며, 시험을 통하여 ABS 제어 시 타이어 힘과 차량속도, 휠 속도, 종방향 차량가속도, 타이어 슬립율, 제동압력을 측정하였다.
- 구축된 실험계획표를 사용하여 최적설계를 위한 메타모델을 구성하였다. 본 논문에서는 문제의 비선형의 정도를 바탕으로 설계 변수가 많고 비선형이 큰 타이어 설계문제에 가장 효과적인 방법의 방사기저함수(radial basis function)를 사용하였다.
- 실제 차량에서의 ABS 제어 방식과 동일한 각가 속도 제어 기반의 ABS 로직을 구성하기 위해 기존 차량의 제동시험을 수행하였다. 그리고 MBD(Multi Body Dynamics) 기반 차량모델과 MF(Magic Formula) 타이어 모델을 조합하여 차량모델을 구축하였다.3) 구축된 차량 모델과 ABS 로직을 연동하여 제동 해석 모델을 구축하였다.
- 그리고 제동 시 차량의 거동에 대하여 분석하기 위하여 제동 구간에서의 종방향 감가속도와 종방향 전륜 타이어 힘, 수직방향 전륜 타이어 힘을 계산하였다. 결과 값은 제동 구간에서의 평균값으로 계산하였다.
- 다음으로 ABS 작동 영역에서의 기울기에 영향을 미치는 인자로 슬립율 대비 종방향 힘의 변화가 큰 C, D, E를 선정하였다.
- 대상 차량의 ABS 작동 시 제어실제 차량에서의 ABS 제어 방식과 동일한 각가속도 제어 기반의 ABS 로직을 구성하기 위해 ADAC(Allgemeiner Deutscher Automobil-Club) 즉, 독일인 운전 클럽의 이니셜이자 명칭으로, 유럽에서도 가장 큰 일반 운전자들이 회원으로 가입한 협회의 시험 규정을 적용하여 기존 차량의 제동시험을 수행하였다. ADAC의 시험 평가법은 Fig.
- 또한 브레이크 압력 증감율을 압력 센서에서 계측된 정보로 계산하였다. 이는 브레이크 제어 밸브의 on/off시의 브레이크 압력의 변화를 나타내는 인자이므로, 이를 통하여 제어 시점을 다변화 할 수 있어 정교한 제어가 가능하다.
- 차량 속도 및 차체 자세를 측정하기 위해 Gyro 센서를 장착하였으며, 휠 속도를 측정하기 위해 CAN 신호를 계측하였다. 또한 타이어 힘을 측정하기 위해 육분력계(WFT)를 장착하였다. 그리고 제동 시 제동 압력을 계측하기 위해 제동 압력 센서를 각 휠의 브레이크 유압 라인에 장착하였다.
- 본 논문에서 구축한 제동해석 모델에 대하여 Fig. 6과 같이 2.1절에서 수행한 제동 시험 결과와 비교하여 검증하였다. 성능 비교를 위하여 슬립율 제어 ABS 알고리즘을 적용한 제동해석 모델과 휠 각가속도 제어 ABS 알고리즘을 적용한 제동해석 모델에 대한 제동 해석을 수행하였다.
- 제동 해석을 위한 차량 모델을 구축하였다. 본 논문에서는 ADAMS/CAR를 사용하여 MBD(Multi Body Dynamics) 기반 차량모델과 MF(Magic Formula)타이어 모델을 조합하여 제동 성능 예측 해석 모델을 구축하였다.
- 모든 인자에 대해서 유사한 영향도를 나타내고 있으므로 제동 성능 개선을 위해서는 단일 요소 분석이 아닌 복합 요소 분석이 필요하다는 결론을 내릴 수 있다. 분석된 결과를 바탕으로 제동성능 개선을 위한 최적설계를 수행하였다.
- 1절에서 수행한 제동 시험 결과와 비교하여 검증하였다. 성능 비교를 위하여 슬립율 제어 ABS 알고리즘을 적용한 제동해석 모델과 휠 각가속도 제어 ABS 알고리즘을 적용한 제동해석 모델에 대한 제동 해석을 수행하였다. 그리고 실차 시험 결과를 기준으로 해석 결과를 정규화하여 성능을 비교하였다.
- 각 설계 변수에 대해 상/하한치를 정의하여 실험계획표를 구성하여 도출된 실험점에 대한 제동해석을 수행하였다. 수행된 결과를 분석하여 각 인자에 대한 영향도를 분석하였다.
- 각 설계 변수에 대해 상/하한치를 정의하여 실험계획표를 구성하여 도출된 실험점에 대한 제동해석을 수행하였다. 수행된 결과를 사용하여 최적설계를 위한 메타 모델을 구축하였으며, 최적설계를 통하여 제동성능을 개선한 타이어 설계를 수행하였다.
- 실제 차량에서의 ABS 제어 방식과 동일한 각가 속도 제어 기반의 ABS 로직을 구성하기 위해 기존 차량의 제동시험을 수행하였다. 그리고 MBD(Multi Body Dynamics) 기반 차량모델과 MF(Magic Formula) 타이어 모델을 조합하여 차량모델을 구축하였다.
- 제동 해석을 위한 차량 모델을 구축하였다. 본 논문에서는 ADAMS/CAR를 사용하여 MBD(Multi Body Dynamics) 기반 차량모델과 MF(Magic Formula)타이어 모델을 조합하여 제동 성능 예측 해석 모델을 구축하였다.
- 2는 제동 시험을 위해 시험 차량에 장착한 계측 장비이다. 차량 속도 및 차체 자세를 측정하기 위해 Gyro 센서를 장착하였으며, 휠 속도를 측정하기 위해 CAN 신호를 계측하였다. 또한 타이어 힘을 측정하기 위해 육분력계(WFT)를 장착하였다.
- 목적함수는 제동 거리를 최소화 하는 것이며, 제약조건으로 차량의 안정성은 기존 모델 보다 개선되는 것으로 하였다. 차량의 안정성은 제동 시, 종방향 감가속도와 종방향 전륜 타이어 힘, 수직방향 전륜 타이어 힘을 계산하여 차량의 다이브 정도를 분석하였다.
- 최적설계를 위한 설계 변수로 MF 타이어의 종방향 타이어 성능에 영향을 미치는 타이어 계수(B, C, D, E)를 선정하였다. 각 설계 변수에 대하여 상/하한치를 정의한 다음 Full factorial 방법을 사용하여 실험계획표를 구성하였다.
대상 데이터
- 타이어 인자로는 MF 타이어의 종방향 타이어 성능에 영향을 미치는 타이어 계수로 선정하였다. 그리고 차량 인자로 전/후륜 서스펜선의 스프링 강성, 댐퍼 계수, 브레이크 패드 면적, 차량 무게, 차량 무게 중심점 위치를 선정하였다. 각 설계 변수에 대해 상/하한치를 정의하여 실험계획표를 구성하여 도출된 실험점에 대한 제동해석을 수행하였다.
- 1절에서 정의한 각 설계 변수에 대해 상/하한치를 정의하여 plackett burman 실험계획법을 사용하여 실험계획표를 구성하였다. 도출된 실험 점은 총 20개이며, 도출된 실험 점에 대한 제동해석을 수행하였다. 수행된 결과를 분석하여 각 인자에 대한 영향도를 분석하였다.
- 각 설계 변수에 대하여 상/하한치를 정의한 다음 Full factorial 방법을 사용하여 실험계획표를 구성하였다. 도출된 실험점은 9개이다.
- 본 논문에서는 Fig. 5와 같이 ABS 로직을 구성하였다. 이 ABS 로직은 휠 각가속도를 기반으로 제동 압력을 제어한다.
- 시험을 위해 사용된 타이어는 총 3종류이며, 기준 모델과 구조 및 재질을 변경한 모델, 구조와 재질 및 컴파운드를 변경한 모델이다. 각 종류 별로 6번의 제동시험을 수행하였으며, 시험을 통하여 ABS 제어 시 타이어 힘과 차량속도, 휠 속도, 종방향 차량가속도, 타이어 슬립율, 제동압력을 측정하였다.
- 정의된 인자는 13개이며, 타이어 인자로는 Fig. 8과 Fig. 9와 같이 MF 타이어의 종방향 타이어 성능에 영향을 미치는 타이어 계수로 선정하였다. 먼저 최대 마찰계수에 영향을 미치는 인자로 슬립율 대비 최대 종방향 힘에 영향이 있는 B를 선정하였다.
- 타이어 인자로는 MF 타이어의 종방향 타이어 성능에 영향을 미치는 타이어 계수로 선정하였다. 그리고 차량 인자로 전/후륜 서스펜선의 스프링 강성, 댐퍼 계수, 브레이크 패드 면적, 차량 무게, 차량 무게 중심점 위치를 선정하였다. 각 설계 변수에 대해 상/하한치를 정의하여 실험계획표를 구성하여 도출된 실험점에 대한 제동해석을 수행하였다.
- 3장에서 분석한 영향도 결과를 바탕으로 차량 제동성능 개선을 위한 타이어 최적설계를 수행하였다. 최적설계를 위해 선정된 설계변수는 타이어 인자분석에서 선정된 MF 타이어의 종방향 타이어 성능에 영향을 미치는 타이어 계수 4개이다. 각 설계 변수에 대해 상/하한치를 정의하여 실험계획표를 구성하여 도출된 실험점에 대한 제동해석을 수행하였다.
- 2장에서 구축한 해석모델을 이용하여 차량 제동성능 개선을 위한 ABS 로직 및 타이어 인자분석을 수행하였다. 타이어 인자로는 MF 타이어의 종방향 타이어 성능에 영향을 미치는 타이어 계수로 선정하였다. 그리고 차량 인자로 전/후륜 서스펜선의 스프링 강성, 댐퍼 계수, 브레이크 패드 면적, 차량 무게, 차량 무게 중심점 위치를 선정하였다.
데이터처리
- 그리고 제동 시 차량의 거동에 대하여 분석하기 위하여 제동 구간에서의 종방향 감가속도와 종방향 전륜 타이어 힘, 수직방향 전륜 타이어 힘을 계산하였다. 결과 값은 제동 구간에서의 평균값으로 계산하였다.
- 성능 비교를 위하여 슬립율 제어 ABS 알고리즘을 적용한 제동해석 모델과 휠 각가속도 제어 ABS 알고리즘을 적용한 제동해석 모델에 대한 제동 해석을 수행하였다. 그리고 실차 시험 결과를 기준으로 해석 결과를 정규화하여 성능을 비교하였다.
- 1과 같이 10 km를 100 km/h로 정속 주행 후 full제동을 한다. 총 6회 시험 후 최대/최소 값을 제외한 나머지 시험 결과를 평균으로 결과를 분석한다.
이론/모형
- 최적설계를 위한 설계 변수로 MF 타이어의 종방향 타이어 성능에 영향을 미치는 타이어 계수(B, C, D, E)를 선정하였다. 각 설계 변수에 대하여 상/하한치를 정의한 다음 Full factorial 방법을 사용하여 실험계획표를 구성하였다. 도출된 실험점은 9개이다.
- 구축된 실험계획표를 사용하여 최적설계를 위한 메타모델을 구성하였다. 본 논문에서는 문제의 비선형의 정도를 바탕으로 설계 변수가 많고 비선형이 큰 타이어 설계문제에 가장 효과적인 방법의 방사기저함수(radial basis function)를 사용하였다.
성능/효과
- 2) 대상 차량의 ABS 작동 시 제어실제 차량에서의 ABS 제어 방식과 동일한 각가속도 제어 기반의 ABS 로직을 구성하기 위해 ADAC 시험 규정을 적용하여 기존 차량의 제동시험을 수행하였으며, 시험 결과 ABS 작동/해제 조건 및 브레이크 압력 증감율, 브레이크 압력의 시간 지연을 분석할 수 있었다.
- 4) 구축된 해석 모델을 사용하여 제동 성능에 대한 차량 및 타이어 인자에 대한 영향도 분석을 수행하였으며, 수행 결과 제동 성능 개선을 위해서는 단일 요소 분석이 아닌 복합 요소 분석이 필요하다는 결론을 내릴 수 있다.
- 5) 차량 제동성능 개선을 위한 타이어 최적설계를 수행하였으며 수행 결과 기존 대비 9.2 % 제동성능이 향상된 타이어 설계를 도출하였다.
- 3) ADAMS/CAR를 사용하여 MBD 기반 차량모델과 MF 타이어 모델을 조합하여 제동 해석을 위한 해석 모델을 구축하였다. 구축된 모델을 시험 결과와 비교하여 검증한 바, 기존의 모델 대비 정확도가 향상되었음을 확인하였다.
- 먼저, 제동 거리를 비교한 결과 기존의 슬립율 제어 ABS알고리즘을 적용한 모델의 경우 실차와 차이가 큰 결과가 도출된 반면, 휠 각가속도 제어 ABS 알고리즘을 적용한 모델의 경우 실차와 동일한 결과가 도출되었다.
- 목적함수는 제동 거리를 최소화 하는 것이며, 제약조건으로 차량의 안정성은 기존 모델 보다 개선되는 것으로 하였다. 차량의 안정성은 제동 시, 종방향 감가속도와 종방향 전륜 타이어 힘, 수직방향 전륜 타이어 힘을 계산하여 차량의 다이브 정도를 분석하였다.
- 10은 영향도 분석결과를 나타낸다. 분석 결과 타이어의 영향도는 21 %로 분석되었으며, 차량 인자는 79 %로 분석되었다. 차량 인자 중 서스펜션 인자는 41 %이며 차량 제원 및 무게는 38 %로 분석되었다.
- 비교 결과, 모든 값에서 기존의 슬립율 제어 ABS 알고리즘을 적용한 모델보다 휠 각가속도 제어 ABS 알고리즘을 적용한 모델이 실차에 근접한 결과가 도출되었다. 즉, 본 논문에서 구축한 해석 모델이 차량 거동 측면과 제동 성능 측면에서 검증한 결과 개선되었음을 확인하였다.
- 비교 결과, 모든 값에서 기존의 슬립율 제어 ABS 알고리즘을 적용한 모델보다 휠 각가속도 제어 ABS 알고리즘을 적용한 모델이 실차에 근접한 결과가 도출되었다. 즉, 본 논문에서 구축한 해석 모델이 차량 거동 측면과 제동 성능 측면에서 검증한 결과 개선되었음을 확인하였다. 종방향 타이어 힘과 수직방향 타이어 힘의 경우 실차 시험 결과와 비교시, 2 % 내의 성능 차이가 발생한다.
- 최적 설계 결과 메타모델을 구축하기 위한 실험점 내에서 최적의 설계 값이 도출되었다. 이는 기준 모델이 어느 정도 최적의 설계에 근접되어 있다는 것을 의미하며, 또한 인자 분석을 통하여 설계 범위를 정의하였기 때문인 것으로 분석된다.
- 이는 기준 모델이 어느 정도 최적의 설계에 근접되어 있다는 것을 의미하며, 또한 인자 분석을 통하여 설계 범위를 정의하였기 때문인 것으로 분석된다. 최적 설계된 결과의 설계 변수를 보면 Fig. 11과 같이 최대마찰계수가 증가하였고, ABS 작동 영역에서의 기울기도 증가하였음을 확인할 수 있다. 이는 B와 C, D가 기존 모델 대비 커졌으며, A는 작아졌기 때문이다.
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