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[오토저널] R&H 성능 개발

페이지 정보

글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2015-08-28 05:57:56

본문

차량동역학(Vehicle Dynamics) 해석 분야는 차량의 핸들링 및 승차감(R&H : Ride and Handling)과 관련된 샤시 시스템에 대한 설계지원 및 시험/평가의 성능예측과 관련된 해석업무를 수행한다. 설계자들 이 설계도면 출도전 사전 성능점검을 통해서 재설계 횟수를 줄이고, 시험/평가자들이 개선부품이나 튜닝부품에 대한 개선
방향 설정에 해석을 활용함으로써 개발기간 단축 및 비용 절감에 기여하고 있다. R&H 해석을 위하여 필요한 차량모델은 크게 저자유도 모델과 다물체 동역학 모델로 나눌 수 있다. 저자유도 차량 모델(Bicycle Model, Quarter Car Model, Functional Suspension Model)은 초기 설계단계 차량의 제원 결정 및 설계/평가자들이 샤시 설계인자 및 튜닝 부품에 대한 R&H 성능의 민감도 예측, 샤시 제어분야 제어기 설계 및 HILS(Hardware-inthe-loop Simulation) 등에 활용된다.

 

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다물체 동역학 모델(Multi-body Dynamics Model)은 현가, 조향 시스템의 기구 및 구성부품 특성을 실제와 같이 모델링하는 것으로 다양한 상용해석 소프트웨어가 있으며, R&H 분야에 특화하여 개발되고 있다. 다물체 모델링 기법에 따라 강체와 유연체 모델로 구별된다. R&H 해석업무는 지오메트리(Geometry) 해석, 컴플라이언스(Compliance)해석, R&H(핸들링, 승차감, 조타감) 해석으로 크게 구별할 수 있다.

 

R&H 해석 적용분야


● 지오메트리 해석(Geometry Analysis)


지오메트리 해석은 서스펜션 타입(맥퍼슨 스트럿, 더블 위시본, 멀티링크 등)에 따른 연결구조만으로 구성된 모델을 이용하여, 초기 설계단계 레이아웃(부품 간섭 및 휠의 궤적)을 검토하고, 하드포인트(hard-point)에 의한 휠 지오메트리 특성을 검토한다. 지오메트리 특성인자는 토우, 캠버, 킹핀경사각, 캐스터 각, 캐스터트레일, 롤센터 높이, 최소회전반경, 애커만 조향각 등이 있다.


● 컴플라이언스 해석(Compliance Analysis)


컴플라이언스 해석은 현가, 조향, 스테빌라이저 바로 구성되는 전륜 및 후륜 어셈블리에 대하여 하드포인트 및 강성부품(스프링, 부시, 스토퍼 등)에 의한 모델의 기구정역학해석을 통하여 다양한 정적 설계인자(SDF : Static Design Factor)를 검토하고 그 결과를 설계에 피드백하여 설계 목표의 만족 여부를 판단한다. 컴플라이언스 특성 인자는 SPMD(Suspension Parameter Measurement Device)장비로 계측되며, 차량의 R&H 성능을 결정하는 중요한 요소이고, 경쟁차의 계측결과를 비교, 분석하여 개발차량의 목표범위를 설정한다. 시험과 동일한 방법으로 해석이 수행되며 시험과의 상관성(Correlation) 정도가 높아 해석을 통해 설계사안과 방향성을 결정할 수 있다.

 

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● 핸들링 해석(Handling Analysis)


R&H 해석모델은 현가, 조향, 바디, 타이어, 파워트레인, 제동 시스템으로 구성되며 동역학 해석 영역에 따라 다양한 부품 특성 모델이 고려될 수 있다. 핸들링은 차량의 조종안정성과 관련된 성능으로 다양한 해석 시나리오(Step Steer, Steady-state Circular Turning, Double Lane Change, Swept Steer 등)에 의하여 그 성능
을 판단할 수 있으며, 핸들링 해석용 타이어 모델(MF Tire, 521 Tire, UA Tire)이 사용된다. 차량의 질량관성 모멘트, 무게중심 높이, 타이어 힘과 모멘트, 타이어 동특성에 대한 시험계측이 정확히 이루어질 때 해석에 의한 예측의 정확성을 높일 수 있다.

 

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● 스티어링 해석(Steering Analysis)


조향성능은 고속 미소 조향에 따른 온센터(On-center) 영역의 조향 성능을 평가하는 조타감(Steering Feel), 고속에서 조향 휠(Steering Wheel)을 놓았을 때 안정성을 평가하는 수방안정성(Steering Wheel Release) 및 중/고속영역 미소 조향 시의 복원성(Returnability)을 평가하는 복원해석으로 구별할 수 있다. 조향성능 해석을 위해서는 랙, 칼럼의 마찰(Friction) 및 요소 부품의 강성(Stiffness)과 조향력을 보조해주는 유압식(Hydraulic)의 부스터(Booster) 특성 또는 모터(MDPS : Motor Driven Power Steering, 랙-피니언/칼럼 타입)의 제어 로직을 고려한 모델링이 필수 요소이다.

 

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● 승차감 해석


승차감 해석은 고속주행 시 노면 거칠기에 의한 Primary/Secondary Ride 성능을 평가하는 고주로 승차감 해석과 돌기물 통과시의 충격력과 감쇄력을 평가하는 임팩트(Impact)승차감 해석으로 구별되며, 가속 및 제동 시의 피치성능도 승차감 성능에 포함된다. 승차감 해석을 위해서는 타이어 특성이 고주파 해석을 반영하는 타이어 모델, 주파수 특성을 반영하는 동적인 부시 모델(Frequency Dependent Bush), 댐퍼의 히스테리시스(hysteresis) 특성을 고려하고, 고주로해석을 위한 노면의 정확한 굴곡도 포함되어야 한다.

 

향후 R&H 성능개발 해석 동향


● 설계자용 설계 점검용 해석 툴


상용 해석 소프트웨어는 설계자들이 직접 사용하기에는 변경할 변수가 많고, 쉽게 R&H 해석을 할 수가 없어 적절하지 않아 설계에 활용하기 어렵다. 따라서, 설계자들이 용이하게(사용자 GUI 구현, 해석결과 플롯 및 성능인자 추출 자동화, 해석결과 점검 자동화 등) K&C 특성 및 R&H 성능에 대한 해석을 수행하여 설계점검을 할수 있는 인-하우스(Inhouse)소프트웨어를 개발하여 설계에 활용하고 있다.

 

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샤시 부품의 유연체 특성(Nodal Flexible Body)을 고려한 기법을 활용하여 부품단위 상세 성능점검이나 시험계측과의 상관성 정도를 높이는 사례가 많다. 맥퍼슨 스트럿의 스트럿모듈은 변형과 접촉이 동시에 고려되어야 하는 요소로 스프링의 변형과 스트럿 로드의 변형 및 마찰특성이 잘 표현되도록 모델링하여 스프링의 힘 중심점(Piecing Point), 응력, 로드의 하중 등을 예측할 수 있다. 스프링의 초기 형상에서 스트럿에 장착할 때의 해석을 통해 하중을 인가하여 범프, 리바운드시의 스프링 피어싱 포인트 및 로드의 하중을 점검 할 수 있다.

 

● 전차량 FEM 모델 활용


동역학 소프트웨어가 아닌 FEM(Finite Elements Method)해석 소프트웨어를 통하여 부품의 상세한 모델을 통한 동역학 해석을 수행하는 경우도 있다. 차량의 샤시 부품과 차체를 모두 FE 바디로 모델링 하여 R&H 해석을 통하여 시험/해석 정합성을 높이고, 구성 부품의 변화에 따른 성능을 점검하기 위한 방법으로 활용되고 있다. 이러한 경우 타이어의 힘과 모멘트 특성을 정확히 모사하기 위한 타이어 모델이 중요하며, 부품간의 접촉 특성을 고려하여야 한다.

 

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● 실시간 해석 모델 활용


다양한 해석 방법에 따른 컴플라이언스 해석 결과 또는 실차 K&C 계측 결과를 활용하여 함수 형태로 모델링 하는 저자유도 실시간 R&H 해석모델을 활용하여 다양한 분야의 해석이 수행되고 있다.

 

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실시간 차량 해석 모델과 파워트레인의 상세 요소부품 모델 또는 파워트레인의 엔진 토크맵과 연료소비율맵 특성을 활용한 시스템 모델과 동시해석(Co-simulation)을 통하여 차량 연비 예측 해석에 활용할 수 있다. 또한 샤시 제어시스템의 제어기 설계 및 평가용 HILS(Hardware In the Loop Simulation)시스템에 적용하여 최적의 제어 성능 달성에 활용한다. 또는 운전 모사장치인 드라이빙 시뮬레이터를 활용하여 샤시 설계인자 변화에 따른 R&H 성능에 대한 주관평가의 체감화를 통하여 최적의 R&H 성능을 달성하는 등 다양하게 활용될 수 있다. 

 

글 / 정홍규, 송충섭
출처 / 오토저널 15년 3월 

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