Dynamic Behavior of an Electric Sun Visor for Automotive Windshields

차량 윈드실드용 전동 선바이저의 동특성 연구

Dynamic Behavior of an Electric Sun Visor for Automotive Windshields

이석우¹, 김권희^2,, 김정훈¹, 한재웅¹ Suk Woo Lee¹, Kwon Hee Kim^2,, Jung Hoon Kim¹, and Jae Woong Han¹

1 고려대학교 대학원 기계공학과 (Graduate School, Department of Mechanical Engineering, Korea University) 2 고려대학교 기계공학부 (School of Mechanical Engineering, Korea University)

 Corresponding author: [email protected], Tel: +82-2-3290-3360 Manuscript received: 2015.11.30. / Revised: 2016.5.29. / Accepted: 2016.6.7.

In this study, we proposed a novel concept of electric sun visor comprising a dark, see-through sun shade material that ensures unimpaired driver’s vision with continuous control of the shade position. The shade extending from the windshield base along its surface may be subjected to severe vibration during driving unless the design parameters are carefully selected. A prototype was tested to collect acceleration data during driving. Based on the test data, an ADAMS dynamics model was validated. The mechanism of sun visor was optimized to minimize vibration based on the dynamics model, experimental design, and response surface method.

KEYWORDS: Sun visor (선바이저), Dynamic behavior (동특성), Wind shield (윈드실드)

1. 서론

기존에 사용되고 있는 차량 윈드실드용 수동 접이 식 선바이저는 개폐 시 운전자의 머리와 간 섭을 일으키고, 상단 시야를 완전히 차단하여 신 호등과 이정표 및 도로표지 등을 가리는 측면이 있다. 또한 크기가 고정되어 있어 키가 작은 운전 자에게 충분한 차광 면적을 제공하지 못하는 단점 이 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 전동 선바이저의 작동 메커니즘이나 제어 알고리즘을 다룬 연구들이 있다.^1-3

본 연구에서 제안하는 전동 선바이저는 윈드실 드 상단에 부착된 본체에서 반투명 재질의 차양막 이 윈드실드 곡면을 따라 전개되는 구조를 갖는다.

이러한 방식으로 앞에서 언급한 수동식 선바이저

의 단점을 극복할 수 있다. 그러나 차량 운행시 차양막의 진동이 적절히 억제되지 않으면 진동과 소음으로 운전자의 피로감을 유발할 수 있다. 따 라서 진동을 억제하면서 동시에 윈드실드의 곡면 을 추종하는 유연구조에 대한 연구가 필요하다.

유연한 링크 구조물의 진동에 관한 여러 연구 가 있다.^4-7 유연 링크 구조물이 이동하여 실험적 관측이 어려운 경우에는 시뮬레이션 상으로만 결 과를 예측하는 사례도 있다.^8,9 회전 조인트나 미끄 러짐 조인트로 연결된 다관절 유연 링크의 진동 측정과 진동 영향 저감을 위한 연구가 있다.^10-12

헤드부는 유연링크로 지지되므로 주행 중 헤드 부 진동으로 인한 사용자 피로감 발생 여부 확인 이 필요하다. 따라서 선바이저 시제품의 차량 주 행실험을 실시하였다. 실험으로 얻은 진동 가속도 __________

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펀지 댐퍼의 c와 k는 동역학 시뮬레이션을 이용하 여 그 값을 추정하고 반응표면법을 이용해 c와 k 에 대한 최적 값을 찾아 헤드 부 진동 감쇠의 최 적화를 이루고자 하였다.

본 연구에서는 제안된 전동 선바이저의 진동특 성에 미치는 여러 인자들의 영향을 파악하기 위하 여, ADAMS기반의 동역학 모델을 만들고, 실험을 통하여 검증을 하였다. 이 동역학 모델과 직교배 열표 및 반응표면법을 이용하여 진동을 최소화하 는 설계를 도출하였다.

2. 전동 선바이저

전동 선바이저를 Fig. 1(a)에 나타내었다. 본체 (Body)는 실내에서 윈드실드 상단에 설치되고, 본 체에서 반투명 재질의 차양막이 윈드실드를 따라 전개된다. 차양막 선단부는 Fig. 1(b)에 보인 것처 럼 헤드 (Head)에 결합된다. 전동 선바이저의 전체 조립체를 Fig. 2에 나타내었다. 차양 막 (Shade)의 한 쪽 끝은 헤드에, 다른 끝은 본체에 내장된 모 터-스풀 조립체에 연결되어 있다.

사용자가 스위치를 조작하면 모터구동에 의하 여 차양 막을 감아 올리거나 내릴 수 있다. 서로 교차된 링크 양단에 설치된 스프링에 의해 링크에 는 헤드를 본체로부터 밀어내는 방향으로 힘이 가 해져 차양 막에는 항상 장력이 가해진다. 또한 장 력의 영향으로 헤드가 윈드실드에 밀착하게 된다.

3. 진동가속도 데이터의 획득 3.1 주행실험

전동 선바이저 시제품을 Fig. 3에 나타내었다.

선바이저의 본체는 윈드실드에 고정되어 있으나, 헤드는 유연링크에 의해서만 지지되므로 차량 운 행시 진동 및 소음이 발생할 수 있다. 특히 헤드 의 진동은 운전자의 시각적 피로를 유발할 수 있 다. 이를 파악하기 위해 차량 주행 실험을 실시하 였다. 본체와 헤드 각 부위의 진동 가속도를 측정

한 후 비교하면 본체에 대한 헤드의 상대적 진동 을 알 수 있다.

실험 장치 설정은 Fig. 4에 나타내었다. 진동 가 속도를 측정하기 위해, 측정 범위 ± 4 (G), 저역필 터 (Low Pass Filter, 260Hz)와 분해능 1/16384 LSB/G

(a) Top view

(b) Head extended from body along windshield Fig. 1 Electric sun visor

Fig. 2 Assembly of electric sun visor

(a) Exterior view (b) Interior view Fig. 3 A prototype of electric sun visor

의 성능을 갖는 MPU6050 (Inven Sense 社) 3축 가속 도 센서를 본체와 헤드 각 부위에 1개씩 설치하였 다. 측정된 진동 가속도 데이터는 아두이 노 (Arduino UNO) 마이크로 컴퓨터에서 100 ms 간격 으로 샘플링되어 USB통신으로 랩탑 컴퓨터 (Laptop Computer)에 저장된다. 카메라 1과2로 도로 환경과 선바이저 헤드의 거동을 촬영하였다. 실험 은 총 6개의 과속 방지 턱이 설치된190m 직선 도 로를 10 km/h, 20 km/h, 30 km/h의 속도로 주행하여 수행되었다. Fig. 5에 보인 것처럼 실험에 사용된 2 개의 3축 가속도계가 가진 x, y, z축은 각각 차량 폭 방향, 차량 진행방향, 중력방향으로 동일하게 설정하였다.

3.2 본체에 대한 헤드의 상대 가속도

Fig. 2에 보인 구조의 특성상 헤드 진동 변위의 주 성분은 y-z 평면에서 발생하며, x 방향 성분은 상대적으로 작다고 볼 수 있다. Fig. 6에 보인 것처 럼 헤드가 윈드실드와 접촉하는 부분에서 윈드실드 접선 방향과 수직 방향을 각각 t 및 n으로 표시한다.

지면을 기준으로 선바이저의 헤드와 윈드실드가 접하는 지점에서의 접선 기울기를 나타내는 각도 α는 차량에 선바이저를 설치한 후 해당 위치에서 전자각도기로 측정되었다. 본체에 대한 헤드의 상 대 운동 중 윈드실드 수직방향의 상대가속도를 αn

이라고 하면 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.

cos sin

n z y

a =a α−a α (1)

Fig. 6 Relative acceleration of head (ay, az) with respect to body in y-z plane

(a) 10 km/h

(b) 20 km/h

(c) 30 km/h

Fig. 7 Head acceleration normal to windshield αn

relative to body at the speeds of 10, 20, and 30km/h

3.3 진동 가속도 분석

Fig. 7은 6개의 과속방지턱을 갖는 190 m 직선 도로를 10, 20, 30 km/h의 속도로 주행했을 때 본체 에 대한 헤드의 상대 가속도 αn 을 나타낸 것이다.

Fig. 4 Experimental setup

Fig. 5 Coordinate system of 3-axis of accelerometer

스펀지 (Sponge)를 Fig. 8과 같이 헤드 부 완충 장치로 추가하였다. 스펀지는 쉽게 압축되고 감쇠 효과가 큰 특성을 가진다. 발포 스펀지는 제조 시 첨가되는 경화제의 종류와 발포 압력에 따라 밀도 등 물성들이 다양하게 변화하므로 물성치를 특정 하기 곤란한 면이 있다. 진동 변위가 크지 않은 경우에는 스펀지의 변형특성을 스프링과 댐퍼로 단순화하여 표현하는 방법이 사용된다.^13-17

이러한 방법을 적용하기 위하여 실험에 사용된 스펀지의 탄성계수 k와 감쇠계수c를 찾아내는 것 이 필요하다. Fig. 7에 보인 본체에 대한 헤드의 상 대 가속도 데이터와 동역학 모델 예측치를 비교하 여 k 와 c 값을 추정한다.

동역학 모델은 상용소프트웨어 ADAMS Student Edition^18-21를 사용하였다. ADAMS 동역학 모델은 Fig. 9에 나타내었다. 전체 모델은 윈드실드에 고정 되어 있는 본체, 헤드, 탄성 및 감쇠계수를 가지는 스펀지와 2개의 유연링크로 구성된다. 링크는 시 뮬레이션 상에서 유연체 모델로 해석되었다. 치수 와 물성치는 실제 값을 사용하였다. 시뮬레이션은 측정된 진동가속도를 본체에 입력하여 수행한다.

계산된 헤드의 진동가속도는 본체에 대한 상대가 속도로 변환하여 예측치로 사용한다.

측정치와 동역학 모델 예측치의 차이를 최소로 하는 스펀지의 k 와 c를 찾기 위해 식(2)와 같은 오차함수를 사용하였다.

2 1

2

_ _

2 1

1 ^T ( )

err T n pre n exp

f a a dt

T T

≡ −

− ∫ (2) 여기서 an pre_ 와 an exp_ 는 헤드 상대가속도 an

의 예측치와 측정치를 각각 나타낸다. T 은 측정1

개시시간, T2는 측정완료시간이다.

Fig. 10은 ferr을 최소화하는 k와 c의 조합을 찾 는 과정을 나타낸다. k와 c 조합에 대한 f 결과err

들은 상용프로그램인 MATLAB을 이용해 계산 및 비교되었다.

Fig. 9 ADAMS model of the electric sun visor with sponge

Fig. 10 Local minimum of error function f _err 5. 스펀지 완충 특성의 최적화

스펀지는 종류가 매우 다양하고 변형특성 또한 종류별로 큰 차이를 보인다. 예컨대 폴리우레탄 폼은 c에 비해 k가 큰 편이고 반대로 라텍스 류 스펀지는 k가 작은 편이다. 헤드의 완충을 위해서 는 k와 c의 값이 적절히 조화된 스펀지를 선정하는 것이 필요하다. 요구되는 k와 c값이 얻어지면 이는 스펀지 선택의 가이드라인으로 활용될 수 있다.

5.1 설계변수 영향평가

주행 중 발생하는 진동^22-24의 정도를 표현하기

위하여 평균 절대가속도 amean을 다음과 같이

2 1

_ 2

2 1

1 ^T ( )

mean T n pre

a a dt

T T

≡ − ∫ (3)

정의한다. 여기서 an pre_ 는 동역학 모델에서 예측 되는 본체에 대한 헤드의 상대가속도이다 (Fig. 6참 조). 실험에 사용된 선바이저 시제품은 차양막이 전개될수록, 차량 주행속도가 빠를수록 헤드의 진 동 특성이 악화된다. 각 설계인자가 amean에 미치 는 영향평가는 최대 전개길이 240 mm와 주행속도 30 km/h 조건에 대하여 수행하였다.

헤드의 동특성을 결정짓는 변수는 헤드 질량, 링크 두께, 스펀지의 k 와 c로 고려할 수 있다. 단 위 시간당 차량 주행속도 변화량(가속도)는 잡음 인자로 고려될 수 있다. 그러나 가속도는 운전자 별 운전 습관과 도로 상황 변화에 따라 다양한 형 태를 가지므로 잡음 인자의 변동 예측과 수준 설 정이 곤란한 측면이 있다. 그러므로 실험은 10, 20, 30 km/h의 독립적인 속도에 대해 등속도 주행조건 에서 수행하였다. 헤드 진동 an은 속도 변화의 영 향 a 보다 도로 위 장애물에 의한 가진 y a 에 지z

배적인 영향을 받는다.

선정한 설계변수 중 헤드 질량과 링크 두께는 그 값이 크고 작음에 따른 결과치를 선형적으로 예측할 수 있다. 이와는 달리 스펀지는 비선형적 인 변형 특성을 가지므로 스펀지를 대표하는 k와 c값의 변동에 의한 결과치가 비선형으로 나타난다.

설계변수 중 하나인 링크 두께의 경우에선 얇으면 탄성력을 제공하지 못하며 두꺼우면 유연성을 상 실한다. 탄성력을 제공하면서도 파손되지 않는 링 크의 재질은 한정되어 있는데, 이와 같은 요구를 충족 시키는 두께의 범위는 제한적이다. 이러한 이유로 설계변수를 통일하여 3수준으로 설정하기 가 어렵다. 또한 링크 두께와 헤드 질량을 3수준 으로 선정한다고 하더라도, 또 다른 주요 설계변 수인 스펀지의 k와 c는 비선형 특성을 나타내므로 2수준 값 기준 1과 3수준의 변동비율을 통일하기 가 곤란한 측면이 있다.

그러므로 4개의 설계변수는 그 값들은 실험 중 설계 허용 조건 하에서 최선의 결과치 (Best Case) 와 최악의 결과치 (Worst Case)를 보인 값을 2수준 으로 적용한다. 실험에 사용된 시제품을 기준으로 선택된 상기 변수들의 2수준값을 Table 1에 수록하 였다. ADAMS 동역학 모델과 Table 2에 보인

L8(2⁷) 직교배열표를 사용하여 각 인자의 영향을 분석하였다.

분석 결과는 Fig. 11에 보인 것처럼 헤드 질량 과 링크 두께뿐만 아니라, 스펀지 물성치 k 와 c 또한 헤드 진동에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 하지만 스펀지의 k 및 c와는 달리 헤드 질량과 링크 두께는 설계 상의 제한이 존재한다.

진동특성 개선을 위한 헤드 경량화는 부품 내구성 문제와 결부된다. 링크 두께의 강화는 진동 특성 을 개선시킬 수 있으나 일정 두께 이상에서는 유 연성을 상실한다. 따라서 이 두 변수의 설계 자유 도는 거의 없다고 볼 수 있다. 그러므로 스펀지의 물성치 k와 c의 최적화를 진행한다.

5.2 반응 표면 법을 이용한 최적화

반응표면법 (Response Surface Method)을 통해 완충 스펀지 물성치 k 와 c의 최적값을 예측하였

Table 1 Four design parameters

Mass of head (A), g Link thickness (B) mm A1 55 B1 1.2 A2 90 B2 1.5 Damping coefficient of

sponge (C), N sec/mm

Spring coefficient of sponge (D), N/mm C1 0.0030 D1 0.05 C2 0.0036 D2 0.07

Table 2 Test results with the 4 design parameters in L8 orthogonal array

RUN A B C D amean(G)

1 1 1 1 1 4.32 2 1 1 2 2 4.04 3 1 2 1 2 2.54 4 1 2 2 1 1.95 5 2 1 1 2 5.14 6 2 1 2 1 5.47 7 2 2 1 1 5.05 8 2 2 2 2 3.99

Fig. 11 Analysis of means for the test results in Table 2

다. 최적화는 상용프로그램인 MINITAB을 이용하 였다. 스펀지의 k 와 c에 대한 1차반응표면 모델 생성 후 F-statistic분석 결과 모델이 적합하지 않았 기 때문에, 분산분석 (ANOVA)을 이용하여 목적함 수의 2차 반응표면 모델을 재생성 하였다.^25-28

반응표면을 생성하기 위한 2수준의 2개 인자의 실험 조건 10개와, 각 조건에 대한 상대가속도 예 측치를 Table 3에 나타내었다. 2차 반응표면 모델의 R² 수치는 0.919이다. 예측모형은 식(4)와 같이 계 산 되었고, 표면도 (Surface Plot)는 Fig. 12에 나타내 었다.

2

1 2 1

22 1 2

4.48 15.43 20.04 14.66 30.03 4.97

amean x x x

x x x

= − + +

+ − (4)

식(4)의 예측 모형에 대해서, 2개의 인자 x1, x₂ 의 범위 내 변화변수 (Coded Variable) 정상점 (Stationary Point)은 감쇠 및 탄성계수에 대하여

[c,k]SP = [0.4764, -0.2942]로 예측되었다. 정상점을 실제 변수 (Original Variable)로 변환한 최적 값은 [c,k]OP = [0.00357 Nsec/mm, 0.0441 N/mm]로 계산되 었다.

반응표면법으로 얻어진 c 와 k 의 최적값에 해 당하는 제품을 Table 4에 수록하였다. 최적값들은 LEC JAPAN 社의 모델S-531과 S-187의 사이에 있 는 것으로 판단된다.

6. 결론

본 연구에서는 반투명 스크린을 사용하여 기존 제품의 단점을 극복한 전동 선바이저를 제안하였 다. 스크린이 부착된 헤드는 유연링크로 본체에 연결되므로 주행 진동이 예상되어, 윈드실드와 헤 드 사이에 스펀지 댐퍼를 채용하였다. 진동특성을 개선하기 위하여 전동선바이저의 동력학 모델을 만들었다. 스펀지의 변형량이 작으므로 변형특성 을 스프링과 댐퍼로 단순화하여 표현하는 기법을 채택하였다. 동역학 모델은 차량 주행실험 데이터 로 검증하였다.

동역학 모델과 직교배열표 및 반응표면법을 이 용하여 주요 설계변수들의 최적값을 도출하였다.

도출된 스펀지의 강성 k 와 댐핑계수 c 에 해당하 는 상업용 제품을 찾을 수 있었다.

후 기

이 논문은 2014년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기 초연구사업임 (No. 2007-0056094).

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Table 3 Test matrix and results for 2nd order response surface

Test No.

Original unit Coded unit

amean (G) X1 X2 x1 x2

1 0.0018 0.03 -1 -1 4.23 2 0.0018 0.07 -1 1 6.27 3 0.0042 0.03 1 -1 2.04 4 0.0042 0.07 1 1 3.95 5 0.0030 0.05 0 0 0.107 6 0.0030 0.05 0 0 0.107 7 0.0013 0.05 − 2 0 4.86 8 0.0047 0.05 2 0 1.86 9 0.0030 0.02 0 − 2 3.65 10 0.0030 0.08 0 2 5.87

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