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문제 정의
- 본 논문에서는 다물체 동역학 해석 프로그램을 이용한 Full car 수치모델을 개발하였다. 또한 개발된 모델을 이용하여 가상시뮬레이션 상에서 브레이크 저더 현상에 대한 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 디스크 브레이크 시스템을 장착한 차량을 대상으로 맥퍼슨 타입(McPherson Strut Type)의 전륜 현가계, CTBA(Coupled Torsion Beam Axle)의 후륜 현가계를 다물체 동역학 프로그램으로 모델링 하였으며, 저더 전달계를 분석하기 위하여 현가 장치의 부시 및 댐퍼모델, 조향 장치의 기어 박스 등 중요 부품을 상세 모델링 하였다.
- 브레이크에서 전달되는 진동 경로를 모사하기 위하여 차량 동역학 수치해석 모델을 개발하였다. 전, 후륜 현가계 및 조향계의 설계 데이터 정보를 바탕으로 다물체 동역학 해석 프로그램에서 수치 모델을 개발하였다.
가설 설정
- 2g로 감속하였다. Full Car 모델에 브레이크 진동 현상을 적용하여 제동 시 가진원을 가정하였다. 그 때 발생하는 브레이크 저더에 의해 조향휠 가속도 측정결과를 Fig.
제안 방법
- Fig. 1 은 모델링 된 전체 차량 모델로써 전륜 현가장치는 McPherson Strut Type)으로 모델링 하였으며 후륜 현가장치는 CTBA(Coupled Torsion Beam Axle)로 모델링 하였다.
- 본 논문에서는 다물체 동역학 해석 프로그램을 이용한 Full car 수치모델을 개발하였다. 또한 개발된 모델을 이용하여 가상시뮬레이션 상에서 브레이크 저더 현상에 대한 해석을 수행하였다. 실차 저더 테스트와 비교하여 개발된 수치모델 타당성을 검증하였으며 저더 현상이 전달되는 저더 전달계 진동 특성을 확인하였다.
- 모델링 한 전체 차량을 정적 모드 해석을 수행하였다. 차량에 대한 Pitch, Roll, Yaw 등의 모드는 1~2Hz 내에서 해석되었으며, 전륜계 모드에 대한 주요 모드 해석 결과는 Fig.
- 실험 계획법으로는 Plackett-Burman design table을 적용하여 실험을 진행하였다. 목적 함수로는 브레이크에서 전달된 진동 특성을 조향 휠에서 황방향 가속도 RMS를 선정하였다. 차량의 현가장치 좌, 우 대칭이라는 점을 고려하여 설계 인자에 해당하는 값들을 동일하게 적용하였다.
- 부시 시험은 부시의 축 방향과 반경 방향의 두 방향을 일정 힘으로 누름으로 부시의 비선형 특성을 구하였고, 일정 주파수로 가진한 주파수 가변동특성을 구하였다.
- 전, 후륜 현가계 및 조향계의 설계 데이터 정보를 바탕으로 다물체 동역학 해석 프로그램에서 수치 모델을 개발하였다. 부품간 구속조건은 실제 차량에 적용되는 구속 관계를 기본으로 하였으며, 부품간 연결 요소는 상용 프로그램에서 기본 제공되는 조인트 요소와 부시 상세 모델로 적용하였다. Fig.
- 시험결과와 비교하여 수립된 해석 모델이 저더 전달계를 분석하는데 활용될 수 있음을 증명하였고, 현가계 주요 연결인자를 선정하여 저더 전달계 민감도 분석을 하였다.
- 신범식(1)은 디스크 런아웃에 의한 가진이 발생하고 차량 특정 부품에서의 공진 유발 가능성 및 브레이크 설계변수와의 영향 정도를 연구하였고, 특정 설계 변수에서의 응답과 영향 정도를 파악하였다.
- 실차 실험을 통한 동역학 모델 시뮬레이션 저더 현상을 비교하였다. 실차 실험은 최대 속도 180km/h까지 속도 상승 후 70 km/h까지 제동력을 가하였다.
- 실차 실험을 통한 동역학 모델 시뮬레이션 저더 현상을 실험에서 가속도를 측정하여 진동 현상을 확인 하였다. 저더 전달 경로의 대표적인 위치로 타이로드, 랙 하우징, 조향 휠 등에서 측정하였고 측정 위치에 가속도 센서를 부착하여 횡가속도를 측정하였다.
- 또한 개발된 모델을 이용하여 가상시뮬레이션 상에서 브레이크 저더 현상에 대한 해석을 수행하였다. 실차 저더 테스트와 비교하여 개발된 수치모델 타당성을 검증하였으며 저더 현상이 전달되는 저더 전달계 진동 특성을 확인하였다.
- 이를 동역학 프로그램을 이용한 저더 전달계 진동 현상을 조향 휠에서 가속도 변화로 측정하였다.
- 저더 전달 경로를 해석하기 위한 주행 제동 해석을 통해 부품에서 발생하는 이상 진동을 확인하였다.
- 실차 실험을 통한 동역학 모델 시뮬레이션 저더 현상을 실험에서 가속도를 측정하여 진동 현상을 확인 하였다. 저더 전달 경로의 대표적인 위치로 타이로드, 랙 하우징, 조향 휠 등에서 측정하였고 측정 위치에 가속도 센서를 부착하여 횡가속도를 측정하였다. 감속 조건은 0.
- 저더 전달계 진동을 고려하기 위하여 Backlash 효과를 구현하였다. Rack의 이동 거리와 Pinion의 회전 각도를 고려하여 실제 Rack-Pinion 구속 관계를 고려하여 저더에 의한 조향휠 전달 경로를 효과적으로 표현하였다.
- 저더 전달계에서 전륜계의 주요 연결 요소인 부시, 댐퍼, 스프링을 주요 설계 변수로 선정하여 민감도 분석을 수행하였다. 그 결과 부시, 댐퍼에서 저더에 민감한 요소로 확인 되었고 스프링과 부시 장착 각도는 부시, 댐퍼보다 민감성이 덜 한 것으로 확인되었다.
- 전, 후륜 현가계 및 조향계의 설계 데이터 정보를 바탕으로 다물체 동역학 해석 프로그램에서 수치 모델을 개발하였다.
- 정강성을 구하여 중간 점을 잇는 부분을 Spline curve형태로 구현하였다.
- 조향 시스템을 연결하여 차량 주행제동 시 발생하는 진동 경로를 조향 휠까지 전달 될 수 있도록 저더 전달 경로의 부품간 요소를 모델링 하였다.
- 주로 저더 원인계에서 저더를 해석적으로 접근하였으며, 저더 전달계의 고유주파수를 변경하여 저더 개선 방향을 도출하였다.
- 주로 진동 전달에 있어 감쇠항목이 포함된 모델링의 효과와 진동 저감 효과를 구현할 수있을 것으로 보이며 최적화 수행으로 설계인자별 최적 값을 찾기 위한 과정에서 민감도 해석 및 전달계 특성을 파악하였다.
- 추정된 반응 함수를 토대로 현가계 진동 전달에 미치는 정도를 확인하였고 부품별 민감도 정도를 확인하였다.
- 해석 대상이 되는 요인의 수준은 2수준으로 채택하고 설계 변수에 대한 수준의 최소, 최대값은 실제 적용된 부품의 실험을 통해 얻어낸 측정값을 적용하였다. 이 점에 대하여 모델링 상에서는 강성의 비선형성을 고려하였다.
- 해석 모델 데이터를 검증하기 위하여 댐퍼 단일 모델을 구현하여 실험 데이터와 비교하였다. Fig.
대상 데이터
- 표에서 각 설계 변수의 값 중 ‘+1’은 설계 변수 내에서 최대값을 의미하며, ‘-1’은 최소값을 의미한다. 6개의 설계 변수에 대하여 실험은 총 8번을 수행하였다. 비교 대상이 된 실험의 결과값은 시뮬레이션 상에서 측정된 조향-휠의 횡방향 가속도 RMS이다.
- 실제 차량에 장착되는 부시의 동특성을 모델링 상에 구현하기 위하여 부시 시험 데이터가 적용되었다. 부시 시험은 부시의 축 방향과 반경 방향의 두 방향을 일정 힘으로 누름으로 부시의 비선형 특성을 구하였고, 일정 주파수로 가진한 주파수 가변동특성을 구하였다.
- 저더 전달 경로에서 전륜 Lower Arm 의 G부시 강성, G부시 장착 각도, 렉 하우징 마운팅 강성을 대상으로 구체적인 부시 모델링을 구현하고 그 외 A부시와 댐퍼, 스프링을 대상으로 총 6개의 설계 인자를 선택하였다.
데이터처리
- Platkett-Burman design table을 이용하여 실험 계획과 각 실험에 따른 결과 값으로 Table 3 과 같다. 각 설계 변수는 DV(Design Variable)로 명명하였으며, 각 설계변수에 해당하는 민감도 분석 결과를 표기하였다. 표에서 각 설계 변수의 값 중 ‘+1’은 설계 변수 내에서 최대값을 의미하며, ‘-1’은 최소값을 의미한다.
- 실험 결과를 통하여 2수준 실험 결과로부터 예측할 수 있는 다항식 형태의 반응 함수의 계수를 추정하였다.
이론/모형
- 는 Compression velocity이다. 댐퍼 모델은 Piston과 Base shell의 이동 거리(Total Distance)에 시간(time)에 대한 수치 모델로 적용하였다.
- 부시 시험은 부시의 축 방향과 반경 방향의 두 방향을 일정 힘으로 누름으로 부시의 비선형 특성을 구하였고, 일정 주파수로 가진한 주파수 가변동특성을 구하였다. 부시 특성을 구한 결과를 이용하여 동역학 수치모델에 적용하였다.
- 실험 계획법으로는 Plackett-Burman design table을 적용하여 실험을 진행하였다. 목적 함수로는 브레이크에서 전달된 진동 특성을 조향 휠에서 황방향 가속도 RMS를 선정하였다.
성능/효과
- 저더 전달계 진동을 고려하기 위하여 Backlash 효과를 구현하였다. Rack의 이동 거리와 Pinion의 회전 각도를 고려하여 실제 Rack-Pinion 구속 관계를 고려하여 저더에 의한 조향휠 전달 경로를 효과적으로 표현하였다.
- 저더 전달계에서 전륜계의 주요 연결 요소인 부시, 댐퍼, 스프링을 주요 설계 변수로 선정하여 민감도 분석을 수행하였다. 그 결과 부시, 댐퍼에서 저더에 민감한 요소로 확인 되었고 스프링과 부시 장착 각도는 부시, 댐퍼보다 민감성이 덜 한 것으로 확인되었다.
- 민감도 해석 결과 브레이크 모듈에서 발생한 저주파수의 진동에 대하여 전륜 Lower Arm G부시의 경도와 랙 하우징 마운팅 부시 경도, A부시 경도, 댐퍼의 민감도가 상당히 높으며 비교적 G부시 장착 각도, 스프링은 진동 민감도가 작다.
- 5는 댐퍼 해석 모델의 감쇠 특성을 보여준다. 시뮬레이션 결과 그래프를 통하여 댐퍼의 동특성 입력 속도와 현재의 상태가 압축 상태, 인장 상태에 따라 변화하는 것을 확인할 수 있다.
- 제동에 의해 브레이크에서 발생하는 진동은 차량 전륜 모드와 중첩되면서 현가계, 조향계를 거쳐 운전자에게 전달된다. 저더는 브레이크 토크 변화에 의해 발생하며 모드 해석 경로가 전륜계 모드 결과와 브레이크 저더 주파수 10~20Hz가 유사한 범위에서 일치함을 확인 할 수 있다.
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