[논문]차량 현가장치 성능향상을 위한 댐퍼 최적화 설계에 대한 연구

이춘태

doi:10.7839/ksfc.2018.15.4.074

차량 현가장치 성능향상을 위한 댐퍼 최적화 설계에 대한 연구
A Study on the Optimization Design of Damper for the Improvement of Vehicle Suspension Performance 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.15 no.4, 2018년, pp.74 - 80

이춘태 (Department of Intelligent Vehicle Engineering, Silla University)

Abstract ▼ AI-Helper

A damper is a hydraulic device designed to absorb or eliminate shock impulses which is acting on the sprung mass of vehicle. It converting the kinetic energy of the shock into another form of energy, typically heat. In a vehicle, a damper reduce vibration of car, leading to improved ride comfort and running stability. Therefore, a damper is one of the most important components in a vehicle suspension system. Conventionally, the design process of vehicle suspensions has been based on trial and error approaches, where designers iteratively change the values of the design variables and reanalyze the system until acceptable design criteria are achieved. Therefore, the ability to tune a damper properly without trial and error is of great interest in suspension system design to reduce time and effort. For this reason, a many previous researches have been done on modeling and simulation of the damper. In this paper, we have conducted optimal design process to find optimal design parameters of damping force which minimize a acceleration of sprung mass for a given suspension system using genetic algorithm.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Configuration of suspension system
그림 Fig. 2 Cross section of automotive damper
그림 Fig. 3 Simulation model of the automotive suspension system for the optimization
표 Table 1 Initial design parameters
그림 Fig. 4 Simulation result of vehicle performance with initial design parameters
그림 Fig. 5 Flowchart of genetic algorithm calculation procedure
그림 Fig. 6 Simulation parameters of optimization design
그림 Fig. 7 History plot of objective function and constraint
표 Table 2 Optimization simulation parameters and conditions for genetic algorithm
그림 Fig. 8 Scatter plot of maximum acceleration with P-Q gradient
그림 Fig. 9 Scatter plot of maximum acceleration with minimum deflection of tire
그림 Fig. 10 Simulation log file and best solutions
그림 Fig. 11 Comparison of vehicle performances for the initial and optimized design
그림 Fig. 12 Sinusoidal input signal for the frequency analysis
그림 Fig. 13 Frequency response of sprung mass acceleration

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

댐퍼와 같은 유압부품의 해석 및 최적설계에 대해서는 차량용 가스스프링에 대하여 최적화 기법을 적용한 연구⁹⁾와 MR 댐퍼 해석을 위한유압회로 모델 등에 대한 연구¹⁰⁾ 등이 진행되었지만, 차량에서의 댐퍼 감쇠력 최적화를 위하여 부품 단위의 상세설계에 대한 최적설계가 적용된 경우는 국,내외적으로 드문 편이다. 따라서 본 연구에서는 1/4차량 모델과 댐퍼 상세모델에 대하여 유전알고리즘을 적용하여, 차량에서의 승차감과 조정안정성을 최적으로 유지할 수 있는 댐퍼의 설계변수를 도출하는 방법에 대하여 연구하였다. 본 연구에서는 유공압 전용 해석 소프트웨어인 LMS Imagine.

제안 방법

이상과 같이 1/4 차량모델을 대상으로 댐퍼 상세모델의 감쇠력을 결정하는 주요 변수를 설계변수로 설정하고, 승차감과 조정안정성을 대표하는 수직가속도와 차륜변형량을 최적으로 만족하는 최적설계를 수행하고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

성능/효과

1. 최적설계의 효과를 시간영역에서 확인한 결과, 차체 수직가속도의 최대값은 30% 이상 감소하였고, 차륜변형량은 설계 구속조건인 0 이상의 값을 만족함을 알 수 있다.
2. 최적설계의 효과를 주파수 영역에서 확인한 결과, 최적화 전에 비하여 최적화 한 경우가 차체 공진영역 근방을 제외한 전체 영역에서 수직가속도가 감소하여 승차감이 향상되었음을 확인할 수 있었다.
3. 유전알고리즘을 이용한 최적설계는 1/4 차량 모델과 댐퍼 상세모델이 결합된 복잡한 유압-기계시스템에서도 최적설계 변수를 결정할 수 있는 유용한 최적화 방법임을 확인하였다.
Hou와 Li³⁾ 등은 튜윈튜브 댐퍼에 대하여 수학적모델과 시뮬레이션 결과를 제시하였다. 시뮬레이션 모델은 컴파일러 방식의 Modelica 환경을 이용하여 제안되었고, 실험결과와 잘 일치하는 결과를 나타내었다. 국내의 연구결과로는 튜윈튜브와 모노튜브 댐퍼의 성능예측에 대한 많은 연구^4-5)가 진행되었으며, 설계변수 민감도 해석 등 댐퍼 성능 예측에 대한 다양한 연구가 진행되었다.
7에 최적화 시뮬레이션 과정 중 최대 수직가속도와 최소 차륜변형량이 최적화 되는 과정을 나타내었다. 시뮬레이션은 약 1,220회 반복 수행되었으며, 목적함수인 수직가속도와 구속조건인 차륜변형량 모두 600회 이후에는 최적값으로 수렴함을 알 수 있다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량모델은 어떤 요소로 구성되는가?	시뮬레이션 모델은 크게 차량모델과 댐퍼 상세모델로 구성되어 있다. 차량모델은 차체질량(sprung mass)과 차륜질량(unsprung mass), 댐퍼, 스프링, 타이어 모델 등으로 구성되어 있다. 댐퍼 상세모델은 피스톤밸브 어셈블리, 몸체밸브 어셈블리, 저장실, 피스톤 본체 등으로 구성되어 있고 차량모델의 상대변위를 입력으로 받아 계산된 감쇠력을 차량모델에 출력으로 내 보낸다.
	현가장치의 구성품 중 댐퍼는 어떤 구조로 감쇠력을 조절할 수 있는가?	댐퍼의 상세한 구조는 Fig. 2에 나타내었으며, 인장과 압축 시에 감쇠력을 발생시키는 밸브 구조를 피스톤로드 끝단과 댐퍼 하단에 설치하여 밸브에 위치한 교축(orifice)에 의해 감쇠력을 조절하는 구조4-5)로 되어있다. 댐퍼의 특성에 대한 본격적인 연구는 Lang1)의 연구에서 시작되었다.
	현가장치는 차량에 어떠한 영향을 끼치는가?	차량의 현가장치(suspension)는 Fig. 1과 같은 구조를 가지고 있으며, 노면으로부터 발생하는 진동이나 충격 등이 차체나 탑승자에게 전달되지 않도록 댐퍼(damper), 스프링, 스테빌라이저(stablizer) 등에 의해 진동과 충격을 저감시키고, 타이어를 노면에 확실하게 접지시키는 등 차량의 승차감과 조종안정성에 큰 영향을 끼친다. 현가장치를 구성하는 부품 중 차량의 승차감과 조정안정성에 가장 큰 영향을 미치는 댐퍼는 내부튜브와 외부튜브의 이중구조(twin tube)로 구성되어 있다.

참고문헌 (11)

H. H. Lang, "A Study of the Characteristics of Automotive Hydraulic Dampers at High Stroking Frequencies", Ph. D. dissertation, University of Michigan, 1977.
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상세보기
A. C. Mitra et al., "Optimization of Passive Vehicle Suspension System by Genetic Algorithm", Procedia Engineering, Vol.144, pp.1158-1166, 2016.

상세보기
C. T. Lee, "A Study on the Optimal Design of Automotive Gas Spring", Journal of Drive and Control, Vol.14, No.4, pp.45-50, 2017.
M. S. Chang et al., "A Study of the Hydraulic Circuit Model for a Magnetorheological Damper Analysis", Journal of Drive and Control, Vol.14, No.1, pp.8-13, 2017.
LMS AMESim User Manual, 2016.

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