글로벌오토뉴스

상단배너

  • 검색
  • 시승기검색
ä ۷ιλƮ  ͼ  ī 󱳼 ڵδ ʱ ڵ 躴 ͽ ǽ ȣٱ Ÿ̾ Auto Journal  Productive Product

굴절차량의 전체 차륜조향 제어기술

페이지 정보

글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-08-13 15:43:02

본문

1. 서론
일반적으로 차량이 조향되는 위치에 따라 조향 방식을 구분하면, 전륜 조향(Front-Wheel Steering), 후륜 조향(Rear-Wheel Steering), 전체 차륜 조향(All-Wheel Steering)으로 나눌 수 있으며, 여기서 승용차와 같은 4륜차는 AWS를 4WS(Four Wheel Steering)라고 한다. 4WS는 초기에 최소회전 및 기동성을 목적으로 특수차량에 채용되었지만 현재는 조정안정성 및 회전성능을 향상시키기 위하여 고급승용차에도 적용되고 있다.

글 / 문경호 (한국철도기술연구원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 6월호

승용차의 경우, AWS는 조정안정성의 향상 및 회전성능의 향상에 목표를 두고 있지만 후륜의 조향되기 위한 공간이 필요하기 때문에 트렁크의 공간이 줄어들게 되며, 차량의 가격도 상승하게 되는 역효과도 같이 갖고 있다. 또한 전륜 조향인 FWS와 비교하여 운전감각에서 차이가 나는 것을 방지하기 위하여 후륜의 각도를 일정 각도 이하로 제한하여 승차감에 중점을 두어서 전체 차륜 조향방식을 적용하고 있다.

36817_1.JPG

바이모달트램은 전용도로에 설치된 자석 마커를 따라 자동운전이 가능하며, 고무타이어로되어 있어 정해진 선로와 일반도로 양쪽 모두를 운행할 수 있는 굴절차량으로 다양한 교통수요에 대응하기 위하여 만들어진 대중교통수단이다. 굴절버스(그림 1)와 바이모달트램(그림 2)을 비교해 보면, 바이모달트램은 앞바퀴와 뒷바퀴를 끝단으로 배치함으로서 승객들이 이동하기 편리하게 하고 개방감을 높였기 때문에 차량의 길이는 비슷하지만 바이모달트램은 앞 뒤 오버행이 짧고 축간 거리는 길어졌다.

36817_2.JPG

일반적으로 동일한 차량길이에서 축간 거리가 길어야차량의 안정성이 높아지지만 이로 인하여 회전반경이 길어지게 된다. 국내 자동차 안전기준을 만족하려면 앞바퀴를 기준으로 최소회전반경이 12m 이내이어야 하며, 이를 만족하기 위하여 축간 거리가 긴 바이모달트램에는 AWS를 적용해야만 한다.

바이모달트램은 그림 3과 같이 정거장에 진입할 때는 동위상 제어에 의해서 정밀정차가 가능하고 정거장 길이도 줄일 수 있으며, 곡선을 선회할 때는 역위상 제어에 의해서 회전반경을 줄이도록 하고 있다.

2. 바이모달트램의 AWS 시스템
바이모달트램은 1축의 조향을 담당하는 파워 스티어링(Power Steering) 장치와 2축과 3축의 조향을 담당하는 AWS 장치로 이루어진다. 1축의 파워 스티어링 장치는 운행상의 안전을 위해 엔진에 부착된 유압펌프를 메인으로 하고, 1축에 설치하는 유압모터를 보조 동력원으로 하여 동작한다. 엔진이 정지하였을 경우 차량은 배터리 모드로 운행되고, 이때 1축에 설치된 유압모터에서 발생되는 유압으로 파워 스티어링을 한다. 2축과 3축의 AWS 장치는 3축에 부착된 별도의 유압펌프로 유압을 생성하고 공급하여 바이모달트램의 전차륜 조향을 가능하게 한다.

36817_3.JPG

그림 4는 AWS 조향장치의 구성도로서 유압탱크, 펌프, 펌프 구동을 위한 모터, 유압작동기(HydraulicActuator), 제어밸브블록(Control Valve Block) 등으로 구성된 유압시스템, 피트먼암및 타이로드로 구성된 조향 링크장치, 1축 조향각센서, 2축 조향각센서, 굴절각센서, 3축조향각센서 및 속도센서 등의 센서부와 이러한 H/W를 제어하는 AWS ECU로 구성되어 있음을 보여준다.

36817_4.JPG

AWS ECU는 수동모드 및 자동모드에서 동작되도록 되어 있다. 수동모드에서는 1축 조향각 및 굴절장치의 각도를 바탕으로 2축 및 3축의 조향각을 제어하게 되며, 자동모드에서는 AGS(Automatic Guidance System)에서 요구한 각도에 맞게 2축 및 3축 조향각을 제어하도록 되어 있다. 수동모드에서는 역위상 제어만 가능하며, 자동모드에서는 일반적인 주행시에 역위상 제어를 하다가 정차시에 동위상 제어를 하여 정거장에 빠르게 정밀하게 정차하도록 되어있다. AGS와 AWS ECU는 CAN을 통하여 통신이 이루어지며 수동모드 및 자동모드에 대한 전환은 그림 5와 같다.

AWS ECU에 전원이 인가되면 우선 수동 조향으로 시작된다. 이 상태에서 AGS로부터 요구조향각, 조향모드 및 속도 중에서 어느 하나라도 일정 시간 내에 받지 못하면 중간 상태로 간다. 중간 상태에서 조향모드 메시지를 받아서 수동 조향 상태로 바뀔 수 있고 수동 조향 상태에서 조향모드 메시지를 받아서 자동 조향 상태로 바뀔 수 있다. 자동 조향 상태에서 다시 AGS로부터 조향모드 메시지를 받아서 수동 조향 상태로 바뀔 수 있으며, 이 때 AGS로부터 요구조향각, 조향모드 및 속도 중에서 어느 하나라도 일정 시간 내에 받지 못할때는 중간 상태로 간다.

3. 가상고정축 및 스윙아웃 억제 알고리즘
후륜 조향각을 제어하는 방법은 여러 가지가 있으나 그 중에서 가장 많이 사용하고 있는 기본적인 방식으로 전륜 조향각 비례 방식( ), 전륜 조향력 피드백 방식( ), Yaw 각속도 피드백방식( )이 사용된다.

36817_5.JPG

전륜 조향각 비례 방식은 후륜을 전륜에 비례하게 조향하는 방식으로 안정성 지수, 감쇠비, 고유각진동수 등이 전륜만 조향할 때와 같기 때문에 차량의 고유의 안정성은 변하지 않는다. 전륜 조향력 피드백방식은 전륜의 조향력을 입력으로 하여 후륜을 조향하는 방식으로 전륜의 조향력과 비례하여 조향된다고 볼 수 있으며 안정성 지수의 증가로 인한 고유진동수가 증가하여 차량의 안정성이 향상되고 요잉이 빠르게 적응하는 속응성이 높다. 전륜 조향각 비례 방식과 전륜 조향력 피드백 방식은 언더스티어 특성을 가지는 경우가 많고 후륜 조향시 적절한 1차 시간 지연 특성을 추가함으로서 요 응답성을 개선할 수 있다.

36817_6.JPG

Yaw 각속도 피드백 방식은 차량 운동의 상대량인 요 각속도에 비례시켜서 후륜을 조향하는 방식으로 안정성 지수, 고유각진동수 모두 증대하고, 차량 고유의 안정성, 요잉 속응성도 증대한다. 전륜 조향력 피드백 방식과 요 각속도 피드백 모두 차량 운동의 상태량인 요 각속도가 후륜 조향에 반영되고 있으므로 횡풍, 노면이 요철 등에 의해서 차량의 운동에 외란이 발생할 때 운전자가 핸들을 조작하지 않아도 차량이 안정하도록 후륜이 조향되는 장점이 있다. 전륜 조향각 비례 방식, 조향력 피드백 방식,요 각속도 피드백 방식 등은 승용차와 같은 4륜차를 제어하는 방식이며 굴절장치가 장착된 굴절차량과 같은 2량 이상 편성된 차량에 대해서는 적용하기가 어렵기 때문에 다른 제어방법을 도입해야 한다.

36817_7.JPG

바이모달트램의 경우, 굴절각도(Articulation Angle)로 인해서 기하학적으로 더 복잡해지므로 그림 7에서 차축의 중앙을 기준으로 한 3륜 자전거 모델을 이용하여 조향각을 나타내는 것이 편리하다. 전륜 조향시 후륜은 조향되지 않으므로 고정축의 역할을 하며 이 고정축을 지나는 한점에서 회전중심이 일치한다. 후륜이 조향될 때는 후륜은 고정축의 역할을 하지 못하므로 후륜이 조향되지 않을 때의 고정축과 같이 회전중심과 직교하는 지점을 가상의 고정축으로 정한다. 바이모달트램에서는 가상고정축을 설정하고 가상고정축과 전륜의 조향각을 바탕으로 후륜조향각을 제어하게 된다.

36817_8.JPG

그림 8은 고정축과 가상고정축을 비교한 그림이다. 전륜만 조향될 때, 2축 및 3축의 고정축이 점에서 만나게 되며, 전체 차륜이 조향되는 경우는 2축과 3축에 해당하는 가상고정축이 점에서 만나게 되어 회전반경이 줄어들게 된다. 바이모달트램은 이러한 가상고정축에 의한 방법을 바탕으로 1축 조향각의 작은 변동에 대한 고려, 속도에 따른 조향각 제한, 스윙아웃(Swingout)에 의한 억제 등의 제한사항을 고려하여 후륜의 최종 요구조향각이 설정되고 이를 바탕으로 유압실린더를 제어하게 된다.

스윙아웃은 그림 9와 같이 회전방향 바깥쪽으로 궤적을 그리며 경로를 이탈하는 현상을 말하며, 바이모달트램에서 원곡선을 선회할 때 차량 끝단이 그리는 궤적은 차량 선회폭 내에 있으므로 스윙아웃에 대한 영향이 없다.

그러나 직선에서 원곡선으로 운행할 때는 옆 차선을 침범할 수 있으며, 정차 후 출발할 때는 정거장과 부딪칠 수 있으므로 안전상 중요한 인자가 된다. 전륜만 조향될 때는 그림 7과 같이 점을 원점으로 2축 및 3축을 고정축으로 하여 곡선을 선회하게 되며 이 때 스윙아웃은 오버행(OHr)에 의한 회전반경이 증가량에 의하여 나타나게 된다.

반면에 바이모달트램은 AWS 시스템으로 인하여 점을 중심으로 3축도 조향되므로 오버행에 더하여 가상고정축에 해당하는 거리(VRA2)가 추가되어 스윙아웃은 더 커지게 된다. 스윙아웃을 억제하기 위하여 원곡선을 접어들 때 2축과 3축의 조향각의 움직임을 조향 실린더의 최대이동속도 등을 고려하여 일정거리만큼 지연한 후에 움직이도록 하고 있다.

4. 선회 관련 기준 및 AWS 적용시 선회 특성
차량이 도로에서 안전하게 운행하기 위하여 차량의 선회 특성을 바탕으로 도로설계가 수행되며, 차량이 운행할 수 있는 구간도 정의된다. 차량이 곡선을 선회할 때 필요한 선회폭(Swept Path Width)과 관련하여 고려되어야 할 항목으로 앞에서 언급한 스윙
아웃 외에 차량 회전반경(Turning Radius), 이탈궤적(Off-tracking) 등이 있다. 차량 선회폭은 그림 10에서 보는 바와 같이 차량이 원곡선을 회전할 때 소요되는 최소폭을 말한다.

36817_9.JPG

차량의 선회폭을 결정하는 변수는 조향각도, 앞 오버행, 뒷 오버행 및 고정축
과 차체가 만나는 지점이지만, 일반적으로 전두부에 있는 견인차가 길기 때문에 뒷 오버행은 고려하지 않아도 된다. 이탈궤적은 앞축의 중심과 뒤축의 중심의 궤적의 차이를 말하며 그림 10과 같다. 이탈궤적은 보통 앞바퀴보다 뒷바퀴가 더 안쪽 도로를 선회하여 나타나는 것이며, 축거가 길수록 커지게 되므로 축거가 긴 굴절차량에서 반드시 고려해야 할 중요한 항목이다.

36817_10.JPG

선회 관련 설계 및 안전기준으로 표 1과 같이 국내는“자동차 안전기준”및“도로의 구조 시설 기준에 관한 규칙”이 있으며, 국외는“Masses & Dimensions of Certain Motor Vehicles & Trailers(97/27/EC)”이 있다. 바이모달트램에 대해서 선회 관련 기준을 만족하는지에 대하여 시뮬레이션 및 실차시험을 통하여 검증을 하였으며 표 2에
결과를 나타냈다.

36817_11.JPG

AWS를 적용하지 않았을 때는 기준을 만족 못하지만 AWS 적용시 회전반경이 자동차 안전기준을 만족하고 있으며, 차량선회폭도 2m 이상 줄어드는 것으로 나타났다. 측정하기 힘든 차량선회폭을 제외한 항목을 실차시험에서 측정한 결과, 바이모달트램은 설계 및 안전기준을 모두 만족하는 것으로 나타났다.

5. 결론
축간거리가 긴 바이모달트램과 같은 차량은 AWS를 적용함으로서 회전반경을 줄여서 원활하게 곡선을 주행할 수 있으며, 정거장 진입시 전체 차륜을 동일한 방향으로 조향함으로서 정밀정차가 가능하게 하고 정거장 정차길이도 줄어들게 된다. 바이모달트램의 후륜 조향각은 가상고정축에 의한 방법을 바탕으로 1축 조향각의 작은 변동에 대한 고려, 속도에 따른 조향각 제한, 스윙아웃(Swing-out)에 의한 억제 등의 제한사항을 고려하여 후륜의 최종 요구조향각이 설정하여 제어하고 있다.

이러한 제어 방법은 2량 편성 굴절차량 뿐만 아니라 3량 편성이상의 굴절차량에서도 확장하여 적용이 가능한 방법이다. AWS 적용은 비용 측면에서도 정거장 건설비용을 줄일 뿐만 아니라 곡선에서 이탈궤적이 줄여들기 때문에 곡선에서의 추가되는 도로폭을 줄여서 도로 건설비용도 절감할 수 있을 것으로 기대된다.
  • 페이스북으로 보내기
  • 트위터로 보내기
  • 구글플러스로 보내기
하단배너
우측배너(위)
우측배너(아래)