KR0180444B1 - 전차체 모델링장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전차체 모델링장치에 관한 것으로, 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.

이에 본 발명은 도 3 내지 도 5 에서와 같이 각 차중에 노면의 변위를 감지하고, 가속도센서로부터 차체중심의 가속도를 감지하며, 상기 감지된 값으로부터 차체 중심의 운동특성을 기준으로한 각 부의 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

전차체 모델링장치

본 발명은 전차체 모델링장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량의 지적시스템 특히 반능동 현가장치에 있어, 차량의 동역학적 특성을 ECU가 감지할 수 있도록 하고 이에 따른 제어의 기초로 할 수 있도록 한 전차체 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, 러팅, 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 전차체 모델링 장치를 제공함에 본 발명의 목적이 있는 것이다.

이를 위한 본 발명은 노면감지부를 설치하여 각 차륜에 근접한 노면의 변위를 감지하고, 가속도센서로부터 차체중심의 가속도를 감지하며, 상기 감지된 값으로부터 차체 중심의 운동특성을 기준으로 각 부의 운동특성을 각각의 연산부를 통해 계속 검출해낸 것이다.

따라서, 상기 검출값, 즉, 차량 운동의 결과치를 기초로 하여 이를 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 모델링장치를 설명하기 위한 차체운동특성의 모델링 개념도,

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

도 5 는 본 발명에 따른 모델링 연산부를 나타낸 개념도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 노면감지부, 12 : 차체상태연산부,

14 : 현가외력연산부, 16 : 스프링하질량연산부,

18 : 중심상태연산부, 20 : 스프링상질량연산부.

이하 첨부된 예시도면과 함께 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 적어도 차체전단의 양단에 위치되어 각 차륜위치에 근접한 노면의 수직변위(efL, efR, eR;, eRR)와 속도(fL,fr,Rl,RR)를 감지하는 노면 감지부(10)와, 서로 연계되어 ECU에서 설정된 초기값으로 부터 연산과정을 수행하는, 적어도 차체 무게중심의 수직방 가속도(CG)를 감지하여 차체의 운동특성을 검출하는 차체상태 연산부(12)와, 독립된 각 현가계의 외력을 검출하는 현가외력 연산부(14)와, 스프링 하질량의 독립된 운동특성을 검출하는 스프링 하질량 연산부(16)로 이루어진 전차체 모델링장치이다.

여기서, 상기 차체상태 연산부(12)는 상기 현가외력 연산부(14)의 검출값으로부터 차체무게중심을 기준으로 하여 x축의 각 가속도(), 각속도(), 회동각도(θ)와 y축의 각 가속도(), 각속도(), 회동각도(ψ)와 수직방의 가속도(CG), 속도(CG), 변위()를 검출하여 상기,CG,, θ,, ψ 의 수치를 상기 현가외력 연산부(16)로 송출하는 중심상태 연산부(18)와, 상기 중심상태 연산부(18)의 검출값, θ, ψ를 송출받아 차체 각단의 변위(WFL, WRF, WRL. WRR)를 검출하는 스프링 상질량 연산부(20)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 현가외력 연산부(16)는 상기 차체상태 연산부(12)와 스프링 하질량 연산부(16)로부터 검출된 값으로 각 현가계 상하 양단의 외력(F1, F2, …… F8)을 검출하여 F1, …… F8의 검출값을 스프링 하질량 연산부(16)로 송출하고, F1, …… F4의 값을 중심상태 연산부(18)로 송출하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 스프링 하질량 연산부(16)는 상기 현가외력 연산부(14)의 검출값으로 부터 스프링 하질량 각각의 가속도(FL,FR,RL,RR)를 검출하고, 속도(FL,FR,RL,RR)와 변위(ZFL, ZFR, ZRL, ZRR)를 연산하여 상기 현가외력 연산부(16)로 송출하는 것을 특징으로 한다.

예시도면 도 3 은 본 발명에 따른 전차체 모델링장치를 설명하기 위한 차체의 운동특성 개념도이고, 도 4 는 현가계에 작용하는 외력을 나타낸 개요도이다.

여기서, 본 발명에 따른 모델링을 위한 차량제원은 다음과 같다.

MS (스프링상질량) (Kg)

Mf (차체전부 스프링하질량) (Kg)

Mr (차체후부 스프링하질량) (Kg)

IXX (x축에서의 모멘트이너셔) Kg ㎡

Iyy (y축에서의 모멘트이너셔) Kg ㎡

a (차체전단(ℓF)부터 무게중심(원점)까지의거리) (m)

b (차체후단(ℓR)에서 무게중심(원점)까지의거리 (m)

Ksf (앞현가의 스프링계수) (N/m)

Ksr (뒤현가의 스프링계수) (N/m)

C1 (앞좌측현가의 댐핑계수) (N S/m)

C2 (앞우측현가의 댐핑계수) (N S/m)

C3 (뒤좌측현가의 댐핑계수) (N S/m)

C4 (뒤우측현가의 댐핑계수) (N S/m)

Ktf (앞타이어의 스프링계수) (N/m)

Ctf (앞타이어의 댐핑계수) (N S/m)

Ktr (뒤타이어의 스프링계수) (N/m)

Ctr (뒤타이어의 댐핑계수) (N S/m)

ℓf (차체전단 횡거리) (m)

ℓr (차체후단 횡거리) (m)

또한, 상기 전차체 모델링은 각 차륜이 위치되는 스프링 하질량(MF, MR)의 변위(Zfl, ZfR, ZRL, ZRR)와 차체무게중심의 변위(ZCG)와 x축, y축을 중심으로 하는 회동(θ, ψ)인 7가지 자유운동을 그 기준으로 하였으며, 이를 위해 노면의 변위(eFL, eFR, eRL, eRR)와, 자체중심의 가속도(CG)를 별단의 검출수단으로 부터 감지하고 이를 각 연산부를 통해 검출하도록 하였다.

여기서, 상기 노면의 변위는 노면감지부(10)가 검출하고, 이는 차량 전단부 양단에 레이저 등을 이용한 광센서로 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 가능하고, 이를 단위시간당으로 미분하여 시간에 따른 노면의 길이변화율 (FL,FR,RL,RR)도 검출한다.

이하, 도 3, 4에 따른 모델링의 특성방정식은 다음과 같다.

[수학식 1]

CG

………(ⅰ)

………(ⅱ)

FLFR

RLRR ……… (ⅲ)

FLFL)

FLCG

FRFR)

FRCG

RLRL)

RRCG

RRRR)

RRCG

FLFL)

FRFR)

RLRL)

RRRR) ……… (ⅳ)

와 같은 운동방정식을 얻을 수 있다.

이를 근거로 하여 ECU에 전차체 모델링 연산부가 설정되며, 예시도면 도 5 의 본 발명에 따른 연산부를 나타낸 개념도를 도시하였다.

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

여기서, 상술된 가속도 센서로부터의 신호는 중심상태 연산부(18)로 송출되며, 노면감지부(10)에서 검출된 각 변위(eFL, eFR, eFR, eRR)와 속도(FL,FR,RL,RR)는 현가외력 연산부(14)로 송출된다.

상술된 각각의 연산부는 서로 연계하여 서로 검출된 수치들을 주고 받으며, 주행중 변화하는 노면상태에 따라 결과치를 다르게 검출한다.

이로 인해 ECU는 노면변화에 따른 차체무게중심을 기준으로 변위인 ZCG와 롤링각 θ, 피칭각 ψ와 스프링 하질량 각각의 변위 및 속도, 가속도와 스프링 상질량, 즉 차체의 변위 및 속도, 가속도를 통찰할 수 있으며, 이를 기초로 주행의 최적상태에 적당한 현가댐퍼의 감쇠력을 제어할 수 있는 것이다.

상술된 모델링장치는 비단 반능동 현가장치 뿐만아니라 차량의 각종 지적시스템의 기로초 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 각 차륜위치에 근접한 노면의 수직변위(efL, efR, eR;, eRR)와 속도(fL,fr,Rl,RR)를 감지하는 노면 감지부(10)와, 서로 연계되어 ECU에서 설정된 초기값으로 부터 연산과정을 수행하는, 적어도 차체 무게중심의 수직방 가속도(CG)를 감지하여 차체의 운동특성을 검출하는 차체상태 연산부(12)와, 독립된 각 현가계의 외력을 검출하는 현가외력 연산부(14)와, 스프링 하질량의 독립된 운동특성을 검출하는 스프링 하질량 연산부(16)로 이루어진 전차체 모델링장치.
2. 제 1 항에 있어서, 차체상태 연산부(12)는 상기 현가외력 연산부(14)의 검출값으로부터 차체무게중심을 기준으로 하여 x축의 각 가속도(), 각속도(), 회동각도(θ)와 y축의 각 가속도(), 각속도(), 회동각도(ψ)와 수직방의 가속도(CG), 속도(CG), 변위()를 검출하여 상기,CG,, θ,, ψ 의 수치를 상기 현가외력 연산부(16)로 송출하는 중심상태 연산부(18)와, 상기 중심상태 연산부(18)의 검출값, θ, ψ를 송출받아 차체 각단의 변위(WFL, WRF, WRL. WRR)를 검출하는 스프링 상질량 연산부(20)로 이루어진 것을 특징으로 하는 전차체 모델링장치.
3. 제 1 항에 있어서, 현가외력 연산부(16)는 상기 차체상태 연산부(12)와 스프링 하질량 연산부(16)로부터 검출된 값으로 각 현가계 상하 양단의 외력(F1, F2, …… F8)을 검출하여 F1, …… F8의 검출값을 스프링 하질량 연산부(16)로 송출하고, F1, …… F8의 값을 중심상태 연산부(18)로 송출하는 것을 특징으로 하는 전차체 모델링장치.
4. 제 1 항에 있어서, 스프링 하질량 연산부(16)는 상기 현가외력 연산부(14)의 검출값으로 부터 스프링 하질량 각각의 가속도(FL,FR,RL,RR)를 검출하고, 속도(FL,FR,RL,RR)와 변위(ZFL, ZFR, ZRL, ZRR)를 연산하여 상기 현가외력 연산부(16)로 송출하는 것을 특징으로 하는 전차체 모델링장치.