hydropneumatic modeling and analysis of a heavy truck cabin...

CopyrightⒸ 2008 KSAE1225-6382/2008/094-18

Transactions of KSAE, Vol. 16, No. 4, pp.128-134 (2008)

128

대형 트럭 캐빈 공기 현가장치의 유공압 모델링 및 해석

신 행 우1)․최 규 재*1)․이 광 헌1)․고 한 영1)․조 길 준2)

군산대학교 기계공학부1)․만도

2)

Hydropneumatic Modeling and Analysis of a Heavy Truck Cabin Air Suspension System

Hangwoo Shin1)․Gyoojae Choi*1)․Kwangheon Lee1)․Hanyoung Ko1)․Giljoon Cho2)

1)School of Mechanical Engineering, Kunsan National University, Jeonnam 573-701, Korea2)Development Team, Mando Corporation, Iksan-si, Jeonbuk 570-300, Korea

(Received 1 December 2007 / Accepted 7 January 2008)

Abstract : In this paper, a hydropneumatic modeling and analysis of a heavy truck cabin air suspension system is presented. Cabin air suspension system is a system which improves ride comfort of a heavy truck and it can reduce vibration between truck frame and cabin. The components of the system, air spring, shock absorber, leveling valve and full cabin system are mathematically modelled using AMESim software. Simulation results of components and full cabin system are compared with experimental data of components and test results of a cabin using 6 axis simulation table. It is found that the simulation results are in good agreements with test results, and the hydropneumatic model can be used well to predict dynamic characteric of heavy truck cabin air suspension system.

Key words : Heavy truck(대형 트럭), Cabin air suspension system(캐빈 공기 현가장치), Hydropneumatic modeling (유공압 모델링), 6 axis simulation table(6축 가진 테이블), Dynamic characteristic(동특성)

1. 서 론1)

대형 트럭은 지상고가 높고 중량이 크며 주행환

경이 좋지 않아 운전자의 승차감 개선을 위한 다양

한 기술개발 및 고급화가 추진되고 있다. 이와 같은 시스템 중 대형 트럭의 캐빈 공기 현가장치(cabin air suspension system)는 트럭 프레임과 캐빈 사이의 진동을 절연하여 승차감을 향상시키고 운전자의 작업

능률을 향상시켜 주는 역할을 하는 시스템이다. 이 시스템을 개발하기 위해서는 유공압 해석, 동역학 해석, 시험 평가 등 다양한 기술개발이 필요하다. 그러나 생산대수가 많은 승용차용 시스템 개발에 비

하여 상용차 시스템 개발에 투입되는 인적․물적

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

요소의 부족으로 인하여 관련 기술 개발이 미흡한

실정이다. 특히 캐빈 공기 현가장치가 장착된 트럭의 동특성 해석을 위해 공기 현가장치의 유공압 특

성을 고려하지 않고 단순 스프링, 댐퍼로 모델링 하여 해석을 수행하고 있다.1) 그러나 좀 더 높은 수준의 승차감 목표 달성을 위해서는 캐빈 공기 현가장

치의 유공압 특성을 고려한 설계가 요구되고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 AMESim2)프로그램을 사용하여 캐빈 공기 현가장치를 구성하고 있는 단품

모델 개발과 전체 시스템의 유공압 특성을 고려한

동역학적 모델 개발과 해석을 수행하고 실험실 내

에서 6축 가진 테이블을 이용한 시험 결과와 비교 분석하였다.


Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 16, No. 4, 2008 129

2. 캐빈 공기 현가장치

대형트럭의 캐빈 공기 현가장치는 프레임에서 캐

빈으로 전달되는 진동을 절연하여 승차감을 향상시

켜 주는 역할을 한다. 캐빈 공기 현가장치의 구성은 Fig. 1에 도시한 바와 같다. 캐빈의 전방과 후방에 각각 2개의 지점으로 지지되어 있으며, 지지점에는 공기 스프링(air spring)과 충격 흡수기(shock absorber)가 조합되어 프레임과 캐빈 사이에 장착된다. 전방의 공기 스프링과 충격 흡수기는 사이드 암 링크로

좌우가 조합되어 있으며, 후방은 좌우 독립적으로 설치되어 있다. 캐빈 공기 현가장치를 구동하는 공압회로를 보

면, 컴프레서에서 생산된 압축공기는 저장탱크에 저장되고 레밸링 밸브(leveling valve)를 통하여 공기 스프링에 공급되어 캐빈의 하중을 지지할 수 있도

록 구성되어 있다. 레밸링 밸브는 캐빈 마운트에 장착되고 레밸링 밸브의 레버는 캐빈에 장착되어 캐

빈의 처짐이 감지되면 공기스프링에 공기를 공급하

여 일정 높이가 유지될 수 있도록 작동한다.

Fig. 1 Cabin air suspension system

3. 단품 모델링 및 해석

캐빈 공기 현가장치를 구성하는 단품으로는 컴프

레셔, 공기 스프링, 레밸링 밸브, 충격 흡수기, 공압라인, 링크 등 다양한 부품으로 구성되어 있다. 본 연구에서는 공압 컴프레셔를 5.5bar의 정압 입

력으로 설정하여 해석을 수행하였으며 컴프레셔에

의해 발생되는 압력 맥동은 무시하였다. 또한 캐빈의 동적 거동에 가장 많은 영향을 주는 공기 스프링, 레밸링 밸브, 충격 흡수기를 선정하여 단품별 해석 및 검증을 실시하였다.

3.1 공기 스프링(Air spring) 본 연구에서 사용한 공기 스프링은 고무복합재질

의 다이어프램 타입으로 규격은 외경 120mm, 내경 76mm, 높이 225mm, 스트로크 ±40mm 이다.

Fig. 2에는 공기 스프링의 사진과 AMESim 모델을 도시한 것이다. 공기 스프링은 외력의 변화에 따라 스프링 상수가 변하는 가변 스프링의 특성을 지

니며, 챔버 내의 압력을 일정하게 유지시키면 외력에 관계없이 일정한 높이를 유지할 수 있다. AMESim에서 제공하는 PCD library의 variable pneu-matic piston sub model을 사용하여 모델링 하였으며, Fig. 3에 스프링 강성에 대한 해석과 시험 결과를 도시한 것이다. 시험 결과 그래프는 전용시험기를 사용하여 힘과 변위(F-S) 관계를 추출한 결과이기 때문에 히스테리시스를 구할 수 없었으며 해석에서

구한 그래프의 중간값과 비교할 때 잘 일치함을 볼

수 있다. 여기에서 노면 입력은 ±40mm, 2Hz의 사인파 입력을 사용하였다.3)

Fig. 2 Air spring model

Hangwoo Shin․Gyoojae Choi․Kwangheon Lee․Hanyoung Ko․Giljoon Cho

한국자동차공학회논문집 제16권 제4호, 2008130

Fig. 3 F-S curve of air spring

3.2 레벨링 밸브(Leveling valve)레밸링 밸브는 캐빈의 고저에 따라 공기 스프링

에 압축 공기를 공급 또는 배출시켜 외부 하중의 변

화에 관계없이 캐빈의 높이를 일정하게 유지시켜주

는 부품으로 Fig. 4에 도시한 바와 같다. 레밸링 밸브는 3/2way 형식으로 중립위치의 레버가 캐빈의 변위 변화에 따라 상하로 움직이게 되고 레버의 작동

각도에 따라 유량이 선형적으로 변하게 된다. 이에 따라 본 연구에서는 레버의 각도에 따른 토출 유량

으로 밸브를 모델링 하지 않고 직선 변위로 변환하

여 밸브의 입력 값으로 모델링 하였다.4)

Fig. 5에는 레버 각도에 따른 유입 또는 토출되는 유량에 대해 해석 결과와 실험 데이터를 도시한 것

이다. 그림에서 보는 바와 같이 중립위치에서의 불감대와 일정 각도 내에서의 선형적인 응답특성이

잘 일치하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 4 Leveling valve model

3.3 충격 흡수기(Shock absorber)본 연구에서 사용한 튜윈튜브형 충격 흡수기의

구조를 Fig. 6에 도시하였다. 충격 흡수기는 캐빈의

Fig. 5 Flow rate of leveling valve

Fig. 6 Schematic diagram of twintube type shock absorber

Fig. 7 Shock absorber model

상하 진동을 억제하여 승차감을 향상시키며, 공기 스프링과의 적절한 결합으로 동적 하중을 저감 시

키는 역할을 한다. 충격 흡수기는 피스톤의 운동에 따라 피스톤 로드 끝에 설치된 피스톤 밸브와 충격

흡수기의 하단에 설치된 몸체 밸브에 의하여 감쇠

력을 발생시키는 구조로 되어 있으며, 원하는 감쇠력을 발생시키기 위하여 피스톤 밸브와 몸체 밸브

디스크의 개수나 두께를 결정하게 된다.본 연구에서 사용한 충격 흡수기의 피스톤 직경

과 로드가 ∅30, ∅16이며, 저장 챔버의 입력과 출력

Hydropneumatic Modeling and Analysis of a Heavy Truck Cabin Air Suspension System


Fig. 8 F-V curve of shock absorber

직경이 ∅48, ∅50.8이다. 본 연구에서는 블로오프 밸브와 인테이크 밸브를 릴리프 밸브로 모델링 하

여 실제 유동특성과 유사하게 모델링 하였다.5)

Fig. 8에는 변위 ±40mm, 4Hz의 사인파 입력조건일 때 충격 흡수기의 F-V(힘-속도)특성을 비교하였다. 시험 결과 그래프는 전용시험기에서의 시험을 통하여 추출하였기 때문에 히스테리시스를 구할 수

없었으며 해석에서 구한 그래프의 중간값과 비교할

때 잘 일치함을 볼 수 있다.

4. 전체시스템 모델링 및 해석

4.1 시스템 모델링

전절에서 기술한 단품 모델을 기반으로 캐빈 공

기 현가장치에 대한 전체 모델링을 수행하였다. 해석 모델은 캐빈 무게중심에서 롤, 피치에 대한 각도, 각속도, 수직방향의 변위, 속도 해석이 가능하며 4개의 코너에서 하중, 속도, 상대변위를 해석 할 수 있다. 여기에서 연결 부쉬의 영향은 고려하지 않았으며 캐빈의 형상은 무게와 관성모멘트를 가진 강

체로 모델링 하였다.Fig. 9에서 보는 바와 같이 4개의 공기 스프링, 충

격 흡수기를 링크 시스템을 이용하여 트럭 프레임

과 캐빈에 연결하였으며 공기 스프링의 변위 조절

을 담당하는 레밸링 밸브는 전면 우측과 후면 좌측

위치에 설치되어 있다. 해석 모델에서 가진 입력 지점은 Fig. 10에서 보는 바와 같이 충격 흡수기의 하단부이며 이 값은 6축 가진 테이블 시험 시 측정한 값으로부터 구한 것이다. 결과값은 캐빈의 무게중심점에서의 변위, 속도, 가속도를 출력하였다.

Fig. 9 System model

Fig. 10 Input actuating profile

4.2 6축 가진 테이블 시험

Fig. 11에 도시한 6축 가진 테이블은 6자유도 진동을 재현할 수 있는 시험기로 차량에 탑재되는 캐

빈, 연료탱크, 라디에이터, 의자 등을 시험할 수 있는 장비이다. 이 6축 가진 테이블은 실차 주행시험을 통하여 계측한 가속도 신호가 실험실 내에서 그

대로 재현될 수 있도록 6축으로 가진 할 수 있기 때문에 부품의 진동 내구성능 평가나 동특성 평가에

활용되고 있다. 이에 따라 6축 가진 시험은 계측된 진동주행 환경을 거의 동일한 상황으로 재현할 수

있어 반복성 있는 시험을 통하여 결과를 정확하게

비교할 수 있다. 본 연구에서는 캐빈의 동적거동을 재현하기 위해

승차감 시험로와 같은 특수 노면을 이용하여 진동

량을 측정하였다. 주행 중 엔진 진동에서 나오는 노이즈를 피하기 위해 엔진 회전을 1200, 1400 rpm 으로 유지하면서 실차 시험을 수행하였다. 대상 차량으로 선정한 18톤 트랙터의 프레임에 재현을 위한 3개의 가속도계와 재현율의 참고채널로 캐빈 현가장

신행우․최규재․이광헌․고한영․조길준


Fig. 11 6 axis simulation table

치 상단부에 가속도계 2개를 설치하였고 캐빈 내부 무게중심점에 1개의 가속도계를 설치하였다. Fig. 11은 6축 가진 테이블 위에 캐빈을 설치한 후 진동시험을 실시하는 장면을 도시한 것이다.6)

4.3 시스템 해석

6축 가진 테이블 시험 시 측정한 충격 흡수기 하단부의 변위 데이터는 Fig. 10의 FRT-L, FRT-R, RR-L, RR-R과 같으며 이 데이터를 Fig. 9의 캐빈 시스템 해석 모델에 입력하여 해석을 수행하였다. 6축 가진 테이블 시험과 해석 시 캐빈 무게중심에서의

비교결과를 Fig. 12에 도시하였다. 전체 시험 시간은 317초이며 일부 구간의 결과를 확대 도시하였다. 그림에서 보는 바와 같이 가속도 최고치에 약간 오차

가 발생하고 있으나 위상 등은 잘 일치하고 있으며

전체 RMS 오차는 Table 1에 나타낸 바와 같이 약 7%이다. Fig. 13에서 15까지는 시스템을 구성하는 각 부품의 특성 해석 결과를 도시한 것이다. Fig. 13에는 충격 흡수기의 시간에 대한 감쇠력과 변위의

변화를 나타낸 것으로 무게중심(CG)점에서의 가속도 그래프(Fig. 12)와 같은 위상으로 변화함을 알 수 있다. Fig. 14에는 공기 스프링의 내압과 부피 변화를 나타낸 것으로 리바운드 시에 부피가 늘어나며

범프 시에는 부피가 줄어드는 것을 볼 수 있다. Fig. 15에는 공기 스프링의 압력을 조절 하는 레밸링 밸브의 공기흐름을 입력과 토출로 도시한 것이며 공

Fig. 12 Acceleration of CG point

Table 1 RMS acceleration

Experiment Simulation Error Rate [%]

RMS [g] 0.0404 0.0375 0.0029 7.178

(a) Damping force

(b) Displacement of damper rod

Fig. 13 Shock absorber (front left)



(a) Pressure of air spring

(b) Volume of air spring

Fig. 14 Air spring(front left)

Fig. 15 Flow rate of leveling valve

기 스프링의 부피가 줄어들면 공기를 입력하고 부

피가 늘어나면 공기를 토출하여 변위를 제어하는

것을 볼 수 있다. 이와 같이 캐빈 공기 현가장치의 해석을 통하여 캐빈의 동적 거동 뿐만 아니라 각 부

품의 유공압적 특성을 파악할 수 있어 시스템 및 부

품 설계에 잘 활용될 수 있을 것이다.

5. 결 론

본 연구에서는 캐빈 공기 현가장치의 유공압 특

성을 고려하여 동특성을 해석하였다. 유공압 해석 전문 프로그램인 AMESim 프로그램을 이용하여 캐빈 공기 현가장치를 구성하는 각 단품과 전체 시스

템을 모델링하고 해석하였으며 다음과 같이 요약할

수 있다.1) 공기 스프링, 충격 흡수기, 레밸링 밸브 등 시스템의 핵심 부품을 모델링하고 실험 데이터와 비

교하였으며 특성 곡선이 잘 일치함을 확인하였

다. 이와 같이 단품 특성 확인 후 전체 시스템 모델을 구성하였다.

2) 캐빈 공기 현가장치의 전체 모델 구성 후 해석을 수행하였으며 해석의 정확도를 6축 가진 테이블 시험 결과와 비교하였다. 실험실 내의 6축 가진 테이블 재현 시험 시 측정한 캐빈 중심점에서의

가속도 신호를 해석 결과와 비교하였으며 비교

결과 전체 RMS 오차가 약 7%정도로 해석 모델이 시험 결과를 잘 추종하고 있음을 확인하였다.

3) 유공압 시스템 해석을 이용하여 실제 실험을 통해서는 확인하기 어려운 각 구성 부품의 유공압

적 특성을 파악할 수 있었다. 따라서 본 연구에서 수행한 유공압적 특성을 반

영한 캐빈 공기 현가장치의 모델링 및 해석은 관련

시스템 및 부품 설계에 활용되어 승차감 향상 등 성

능 향상에 기여할 수 있을 것이다.

후 기

본 연구 수행에 공동 참여한 군산대학교 자동차

부품혁신센터와 (주)만도 관계자의 협조에 감사드립니다.

References

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Hangwoo Shin․Gyoojae Choi․Kwangheon Lee․Hanyoung Ko․Giljoon Cho


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5) C. T. Lee, D. H. Kwak, B. H. Jung and J. K. Lee, “A Study on the Nonlinear Dynamic

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6) J. S. Lee, G. J. Choi, K. H. Lee and S. M. Kim, “Dynamic Characteristic Evaluation of a Semi- Active Cabin Air Suspension System using 6 Axis Simulation Table,” Autumn Conference Proceedings, KSAE, Vol.2, pp.706-712, 2007.

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