KR0180441B1 - 1/2 차량 모델링장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1/2 차량 모델링장치에 관한 것으로, 근래에 들어 반능동 현가장치가 개발되어 ECU가 주행상황에 따른 댐퍼의 감쇠력을 제어함으

로써 승차감이 향상되고 있다. 그러나, 개발된 상기 반능동 현가장치는 현재수준으로 차고를 조절하거나 상하진동이나 좌우진동등을 제어하는 정도이며, 더우기 이러한 제어도 주행중 어떤 상황이 있은 후에야 ECU가 이를 센서로부터 감지하여 제어하는 정도이다.

따라서, 이러한 종래의 반능동 현가장치의 성능을 향상시켜 완전능동현가에 근접하기 위하여는 각 차중의 스프링 시스템에 의한 차량의 비선형적 동력학적 특성을 ECU가 연산화하고 이를 추정하여 이에 따른 댐퍼로 제어를 하여야 하는바, 이를 달성하기 위한 기초가 차체 스프링 시스템을 ECU가 해석하고 이에 따른 제어를 수행토록 하는 모델링 장치인 것이다.

이에 본 발명은 도 3 내지 도 5 에서와 같이 노면감지부를 설치하여 차체에 근접한 노면의 변위를 양단으로 구분하여 감지하고, 가속도센서로부터 차체중심의 가속도를 감지하며, 상기 감지된 값으로부터 각각 스프링 하질량과 스프링 상질량의 운동특성을 각각의 연산부를 통해 계속 검출해낸 것이다.

따라서, 상기 검출값, 즉, 차량 운동의 결과치를 반능동 현가장치에 적용시키면 차량 주행 안정성이나 승차감이 월등히 향상되는 것이다.

Description

1/2 차량 모델링장치

본 발명은 1/2 차량 모델링장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 지적시스템 특히 반능동 현가장치에 있어, 차량의 동역학적 특성을 ECU가 감지할 수 있도록 하고 이에 따른 제어를 할 수 있도록 한 1/2 차량 모델링장치이다.

통상 차축과 차체를 연결하여 주행중 차축이 노면으로부터 받는 진동이나 충격을 차체에 직접 전달되지 않게 함으로써 차체와 화물의 손상을 방지하고, 승차감을 향상시키는 현가는 스프링 댐퍼등으로 구성되어 있음은 주지된 바와 같다.

예시도면 도 1 은 이러한 현가의 차량 모델 개요도로서, 차체는 현가의 스프링 시스템에 의해 진동이 가능한 강체가 되며, 따라서 차량은 그 자중과 스프링 시스템의 특성에 의해 결정되는 고유진동수를 갖게 된다.

이러한 스프링 시스템에서 차량은 스프링 상질량(Sprung Mass)(1)과 스프링 하질량(Unsprung Mass)(2)으로 구분되며, 스프링 상질량(1)은 현가스프링(3)을 기준으로 상방의 부분 즉, 관성 질량 모멘트가 포함된 차체와 차체에 적재된 부하를 말하며, 스프링 하질량(2)은 그 하방을 말한다.

이들 서로 다른 질량들은 현가스프링(3)에 의해 서로 연결되어 있으며, 이들 두 질량 그룹은 각각 독립적으로 서로 다른 주파수 영역에서 진동하면서도 결과적으로는 서로간에 반작용을 미치게 된다.

따라서, 주행중 차체인 스프링 상질량은 3차원 좌표계에서 무게 중심을 원점으로 각 축에 대한 직동과 회동의 연계 운동을 하며, 바운싱, 러칭, 서징, 피칭, 롤링, 요잉 등으로 그 운동(진동)이 구분된다.

그리고, 이러한 운동을 감쇠시키기 위하여 두질량 사이에 충격 흡수기인 댐퍼(4)가 설치되며 이로 인해 진폭과 진동이 급속히 감쇠, 소멸된다.

그러나, 이러한 현가스프링(3)과 댐퍼(4)는 차량에 장착당시 그 탄생계수와 댐핑계수가 정해져 있어 주행 상황이 급변하는 상황에 있어서 효과적인 현가제어를 할 수 없었으며, 따라서, 현재 의욕적으로 개발중인 것인 반능동 현가장치이다.

예시도면 도 2 의 (가)는 반능동 현가장치를 나타낸 개요도로서, 반능동 현가장치는 ECU(Electronic Control Unit)(5)가 차체의 진동상황에 따라 댐퍼(6)의 감쇠력을 제어하도록 하고 있다.

즉, 통상댐퍼는 유압식이 사용되고, 이러한 유압식은 오리피스의 크기에 의한 오일의 저항에 의해 감쇠력이 정하여지는바, 피스톤로드에 스텝모우터를 설치하고 피스톤에 각기 다른 오리피스로 형성시켜, ECU가 스텝모우터를 제어하여 댐퍼의 감쇠력을 제어하도록 되어 있다.

또한, 이러한 ECU(5)가 스텝모우터를 제어하기 위하여, 즉 주행상황에 적합한 댐퍼(6)의 감쇠력을 제어하기 위하여, ECU(5)는 차량에 설치된 각종 센서로부터 차량의 정보를 제공받도록 되어 있다.

이러한 반능동 현가장치에 의한 진동제어의 일례를 도 2 의 (나)에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

도시된 상태는 차량의 선회시 종축을 중심으로 롤링을 나타내었으며, 이 경우 ECU는 차속센서와 조향휠 각도센서로부터 규정속도 이상에서 규정각도이상으로 조향될 경우 댐퍼의 감쇠력을 증가시켜 롤링을 억제하도록 되어 있다.

상술된 바와 같이 근래에 들어 반능동 현가장치가 개발되어 ECU가 주행상황에 따른 댐퍼의 감쇠력을 제어함으로써 승차감이 향상되고 있다.

그러나, 개발된 상기 반능동 현가장치는 현재수준으로 차고를 조절하거나 상하진동이나 좌우진동등을 제어하는 정도이며, 더우기 이러한 제어도 주행중 어떤 상황이 있은 후에야 ECU가 이를 센서로부터 감지하여 제어하는 정도이다.

따라서, 이러한 종래의 반능동 현가장치의 성능을 향상시켜 완전능동현가에 근접하기 위하여는 각 차중의 스프링 시스템에 의한 차량의 비선형적 동력학적 특성을 ECU가 연산화하고 이를 추정하여 이에 따른 댐퍼로 제어를 하여야 하는바, 이를 달성하기 위한 기초가 차체 스프링 시스템을 ECU가 해석하고 이에 따른 제어를 수행토록 하는 모델링 장치인 것이다.

이러한 차량의 모델링에 있어 각 차중의 동력학적 특성을 측정하는 1/4 모델링과 강체인 차체 무게중심을 기준으로 종축 양단이나 횡축 양단의 특성을 추정하는 1/2 모델링과 차체전체의 특성을 추정하는 전차체 모델링으로 구분될 수 있는바, 본 발명은 1/2 모델링 장치를 제공함에 본 발명의 목적이 있는 것이다.

이를 위한 본 발명은 노면감지부를 설치하여 차체에 근접한 노면의 변위를 양단으로 구분하여 감지하고, 가속도센서로부터 차체중심의 가속도를 감지하며, 상기 감지된 값으로부터 각각 스프링 하질량과 스프링 상질량의 운동특성을 각각의 연산부를 통해 계속 검출해낸 것이다.

따라서, 상기 검출값, 즉, 차량 운동의 결과치를 반능동 현가장치에 적용시키면 차량 주행 안정성이나 승차감이 월등히 향상되는 것이다.

도 1 은 차량현가의 모델개요도,

도 2 (가)는 반능동 현가장치의 개요도

(나)는 반능동 현가장치의 제어동작을 설명하기 위한 차체의 운동정면도,

도 3 은 본 발명에 따른 1/2 모델링장치를 설명하기 위한 차체운동특성의 모델링 개념도,

도 4 는 본 발명에 따른 1/2 모델링의 현가계에 작용하는 외력을 나타낸 개요도,

도 5 는 본 발명에 따른 1/2 모델링 연산부를 나타낸 개념도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 노면감지부, 12 : 차체상태연산부,

14 : 현가외력연산부, 16 : 1/2 스프링하질량연산부,

18 : 중심상태연산부, 20 : 1/2 스프링상질량연산부.

이하 첨부된 예시도면과 함께 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 적어도 차체전단의 양단에 위치되어 차체 횡방이나 종방 양단 위치의 노면의 수직변위(Z0R, Z0L)와 속도(0R,0L )를 감지하는 노면감지부(10)와, 서로 연계되어 ECU에 설정된 초기값으로부터 연산과정을 수행하는, 적어도 차체무게중심의 수직방 가속도(2)를 감지하여 차체의 2분할된 운동특성을 검출하는 차체상태 연산부(12)와, 현가계의 2분할된 외력을 검출하는 현가외력 연산부(14)와, 스프링 하질량의 2분할된 운동특성을 검출하는 1/2 스프링 하질량 연산부(16)로 이루어진 차량 1/2 모델링장치이다.

여기서, 상기 차체상태 연산부(12)는 상기 현가외력 연산부(14)의 검출값으로부터 차량무게중심의 각 가속도(), 각속도(), 회동각도(θ)와 수직방 가속도(2)와 도(), 변위(Z)를 검출하여 상기, θ,2, Z2를 상기 현가외력 연산부(14)로 송출하는 중심상태 연산부(18)와, 상기 중심상태 연산부(18)의 검출값,를 연산하여 분할된 차체양단의 가속도( 2R,2L )와 속도(2R,2L)와 변위(Z2R, Z2L)를 검출하는 1/2 스프링 상질량 연산부(20)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 현가외력 연산부(14)는 상기 차체상태 연산부(12)와 1/2 스프링 하질량 연산부(16)의 검출값으로부터 2분할된 현가계 상하양단의 외력(FSL, FSR, FTL, FTR)을 검출하여 FSR, FSL은 중심상태 연산부(18)로 송출하고, FSR, FSL, FTL, FTR은 1/2 스프링 하질량 연산부(16)로 송출하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 1/2 스프링 하질량 연산부(16)는 상기 현가외력 연산부(14)의 검출값으로부터 2분할된 스프링 하질량(MU)의 가속도(1R,1L )와 속도(1R,1L)와 변위(Z1R, Z1L)로 검출하여 Z1L, Z1R,1L,1R을 상기 현가외력 연산부(14)로 송출하는 것을 특징으로 한다.

예시도면 도 3 은 본 바명에 따른 1/2 모델링장치를 설명하기 위한 차체의 운동특성의 모델링 개념도로서, 본 발명은 차량의 무게중심을 원점으로 차체 종축 또는 횡축을 기준으로 2분할하여 차체의 운동특성을 모델링하였다.

또한, 상기 1/2 모델링을 하기 위하여 노면의 변위(ZOR, Z0L)와 스프링 하질량(MU)의 변위(Z1R, Z1L)와 스프링 상질량(MS)의 변위(Z2R, Z2L)를 그 기초로 하였다.

여기서, 노면의 2분할된 변위(Z0R, Z0L)는 차량 전단부 양단에 레이저 등을 이용한 광센서를 장착시켜 그 계측이 가능하며, 차량 전단부 양단에서 검출된 노면의 변위로부터 차량 후단부의 양단에 적용되는 노면의 변위가 검출 가능하므로 차체 전단 횡방으로 검출된 노면의 변위로 차체 종방 양단의 노면 변위의 검출이 가능하다.

또한, 상기 스프링 상질량(MS)의 변위는 별단의 가속도센서를 설치하여 무게중심의 수직방 가속도를 검출하고 이를 후술하는 차체상태 연산부에서 무게중심을 기준으로 차체 횡방의 양단 또는 종방 양단의 가속도를 검출하고, 이를 적분함으로써 검출된다.

도시된 모델링은 차체 종축을 중심으로 하는 횡방의 모델링이며, 차체 종방의 모델링에 있어서는 ECU에 설정되는 초기값과 길이 a, b의 차이이므로 후술되는 운동방정식과 연산과정은 종방의 모델링에 그대로 적용된다.

여기서, 미설명부호 IXX는 모멘트이너셔, CS는 반능동 현가댐퍼의 댐핑계수, KS는 현가 스프링의 탄성계수, CT는 차륜의 댐핑계수, KT는 차륜의 탄성계수이며, 부호 최외단에 표시된 L, R은 2분할된 좌우의 구별표시이다.

예시도면 도 4 는 현가계에 작용하는 외력을 나타낸 개요도로서, 도시된 것은 상술된 롤링을 나타내며, 외력(외부 모멘트 MX)이 작용할 경우 좌우측 스프링 하질량(MU)은 차체와 노면으로부터 외력이 작용한다.

즉, 스프링 하질량(MU)은 현가의 작용외력(FS=FSS(스프링)+FSD(댐퍼))과 차륜의 작용외력(FTL=FTS+FTO)이 작용된다.

따라서, 도 1 과 도 2 로부터 1/2 모델링의 운동방정식을 구하면,

[수학식 1]

Z ……… (ⅰ)

1L

1R ……… (ⅱ)

1R2

1R2

0L1L)

0R1R) ………(ⅲ)

2R2

2L2……… (ⅳ)

와 같은 운동방정식을 얻을 수 있다.

이를 근거로 하여 ECU에 1/2 차량 모델링 연산부가 설정되며, 예시도면 도 5 에 본 발명에 따른 연산부를 나타낸 개념도를 도시하였다.

연산부는 식 (ⅲ)에 대체되는 현가외력 연산부(14)와 식 (ⅰ)(ⅳ)에 대체되는 차체상태 연산부(12), 그리고 식 (ⅱ)에 대체되는 1/2 스프링 하질량 연산부(16)로 구분되며, 여기서 차체상태 연산부(12)는 식 (ⅰ)에 대체되는 중심상태 연산부(18)와 1/2 스프링 상질량 연산부(20)로 다시 구분된다.

여기서, 상술된 가속도 센서로 부터의 신호는 중심상태 연산부(18)로 송출되며, 노면감지부(10)의 변위(Z0R, Z0L)와 속도(0R,0L)는 현가외력 연산부(14)로 송출된다.

상술된 각각의 연산부는 서로 연계하여 연산수행을 하며, 이를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

차체상태 연산부의 중심상태 연산부(18)는 무게중심의 각 가속도()와 수직방 가속도(2)를 검출하며, 상기 각 가속도()와 가속도()를 적분하여 각속도()와 회동각도(θ 및 속도()와 변위(Z)를 검출한다.

상기2와를 검출하는 초기치는 모두 ECU에 설정되어 있으며, 상기 무게중심을 기준으로 좌우 양단간 길이 a, b나 스프링 상질량 MS는 변하지 않는 값이다.

여기서, 검출된 값2와는 1/2 스프링 상질량 연산부(20)의 루트로 들어가 양단의 수직방 가속도2R,2L과 변위 ZR, ZL을 검출하며, 이를 다시 적분하여 양단의 속도2R,2L과 변위 ZR, ZL을 검출한다.

또한, 상기, θ2, Z2는 주행상황에 따라 변경되는 새로운2를 검출하기 위하여 현가외력 감지부(14)로 송출되며, 여기에서는 초기값(, θ2, Z2)과 노면감지부(10)로부터의 값(Z0,0)과 1/2 스프링 하질량 값(Z,1)으로부터 현가계의 외력을 검출하고 이를 다시 중심상태 연산부(18)와 1/2 스프링 하질량 연산부(16)로 송출한다.

1/2 스프링 하질량 연산부(16)는 스프링 하질량(MU) 각각의 가속도1와 이를 적분하여 속도1와 변위1를 검출하여 현가외력 연산부(14)로 다시 송출한다.

이러한 1./2 차체 모델링장치에서 중요한 검출수치는 스프링 상질량(MS)의 좌우 양단의 속도2R,2L과 각 스프링 하질량(MU)의 속도1R,1L이며, ECU는 이들 속도를 비교하여 최적상태에 맞는 현가댐퍼의 감쇠력을 제어할 수 있다.

또한, 상기 ECU는 노면 감지부로부터 노면의 높이변화를 감지하여 노면이 변화되는 시기에 맞추어 현가댐퍼를 제어할 수 있다.

즉, 종래에는 노면이 어떤 상황에 도달한 후에야 센서가 이를 감지하고 그에 따른 제어를 수행하지만 본 발명에 있어서는 노면감지부가 일정길이 이격된 차체전방의 노면의 변위를 감지하고, 상기 노면의 변위에 따른 차체의 운동, 즉 그 불발된 차체 양단의 가속도가 ECU에 지지테이블화 되어 있다면, 상기 변경된 노면에 차량이 진입할때 이의 운동을 추정하여 미리 댐퍼의 감쇠력을 제어할 수 있는 것이다.

상술된 모델링장치는 비단 반능동 현가장치 뿐만아니라, 차량의 각종 지적시스템의 기초로 적용될 수 있으며, 일례를 들면 4륜 조향시스템에 있어 상기 스프링 시스템에 의한 차량의 동역학적 특성을 해석하여 적용시키면 차량의 운동상태에 적합한 조향을 할 수 있는 것이다.

상술된 바와 같이 본 발명에 따르면 차량의 운동특성을 ECU가 추정하고, 이를 기초로 현가댐퍼 등을 제어하므로 반능동 현가장치 등의 성능을 월등히 향상시켜 주행안전성과 차량 안정성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 적어도 차체전단의 양단에 위치되어 차체 횡방이나 종방 양단 위치의 노면의 수직변위(Z0R, Z0L)와 속도(0R,0L )를 감지하는 노면감지부(10)와, 서로 연계되어 ECU에 설정된 초기값으로부터 연산과정을 수행하는, 적어도 차체무게중심의 수직방 가속도(2)를 감지하여 차체의 2분할된 운동특성을 검출하는 차체상태 연산부(12)와, 현가계의 2분할된 외력을 검출하는 현가외력 연산부(14)와, 스프링 하질량의 2분할된 운동특성을 검출하는 1/2 스프링 하질량 연산부(16)로 이루어진 차량 1/2 모델링장치.
2. 제 1 항에 있어서, 차체상태 연산부(12)는 상기 현가외력 연산부(14)의 검출값으로부터 차량무게중심의 각 가속도(), 각속도(), 회동각도(θ)와 수직방 가속도(2)와 속도(), 변위(Z)를 검출하여 상기, θ,2, Z2를 상기 현가외력 연산부(14)로 송출하는 중심상태 연산부(18)와, 상기 중심상태 연산부(18)의 검출값,를 연산하여 분할된 차체양단의 가속도( 2R,2L )와 속도(2R,2L)와 변위(Z2R, Z2L)를 검출하는 1/2 스프링 상질량 연산부(20)로 이루어진 것을 특징으로 하는 1/2 차량 모델링장치.
3. 제 1 항에 있어서, 현가외력 연산부(14)는 상기 차체상태 연산부(12)와 1/2 스프링 하질량 연산부(16)의 검출값으로부터 2분할된 현가계 상하양단의 외력(FSL, FSR, FTL, FTR)을 검출하여 FSR, FSL은 중심상태 연산부(18)로 송출하고, FSR, FSL, FTL, FTR은 1/2 스프링 하질량 연산부(16)로 송출하는 것을 특징으로 하는 1/2 차량 모델링장치.
4. 제 1 항에 있어서, 1/2 스프링 하질량 연산부(16)는 상기 현가외력 연산부(14)의 검출값으로부터 2분할된 스프링 하질량(MU)의 가속도(1R,1L )와 속도(1R,1L)와 변위(Z1R, Z1L)로 검출하여 Z1L, Z1R,1L,1R을 상기 현가외력 연산부(14)로 송출하는 것을 특징으로 하는 1/2 차량 모델링장치.