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Ⓒ2016 KSAE / 144-11 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2016.24.5.581 Transactions of KSAE, Vol. 24, No. 5, pp.581-587 (2016)
차량 제동성능 개선을 위한 타이어 인자 분석 및 최적설계에 대한 연구
기 원 용
1)․이 광 우
1)․허 승 진
*2)․강 대 오
3)․김 기 운
4)국민대학교 자동차 전문대학원1)․국민대학교 자동차공학과2)․자동차공학연구소3)․ 금호타이어 중앙연구소4)
A Study on Effect Analysis and Design Optimization of Tire and ABS Logic for Vehicle Braking Performance Improvement
Won Yong Ki
1)․Gwang Woo Lee
1)․Seung Jin Heo
*2)․Dae Oh Kang
3)․Ki Woon Kim
4)1)
Graduate School of Automotive Engineering, Kookmin University, Seoul 02707, Korea
2)
College of Automotive Engineering, Kookmin University, Seoul 02707, Korea
3)
Institute of Vehicle Engineering, 8 Hangang-daero 43-gil, Yongsan-gu, Seoul 04376, Korea
4)
R&D Center, Kumho Tire, 215-21 Saeun-ro, Giheung-gu, Yongin-si, Gyeonggi 17076, Korea (Received 3 May 2016 / Revised 4 July 2016 / Accepted 19 July 2016)
Abstract : Braking is a basic and an important safety feature for all vehicles, and the final braking performance of a vehicle is determined by the vehicle’s ABS performance and tire performance. However, the combination of excellent ABS and tires will not always ensure good braking performance. This is due to the fact that tire performance has non-linearity and uncertainty in predicting the repeated increase and decrease of wheel slip when activating the ABS, thus increasing the uncertainty of tire performance prediction. Furthermore, existing studies predicted braking performance after using an ABS that used a wheel slip control as a controller, which was different from an actual vehicle’s ABS that controlled angular acceleration, therefore causing a decrease in the prediction accuracy of the braking performance. This paper reverse-designed the ABS that controlled angular acceleration based on the information on brake pressure, etc., which were obtained from vehicle tests, and established a braking performance prediction analysis model by combining a multi-body dynamics(MBD) vehicle model and a magic formula(MF) tire model. The established analysis model was verified after comparing it with the results of the braking tests of an actual vehicle. Using this analysis model, this study analyzed the braking effect by vehicle factor, and finally designed a tire that had optimized braking performance. As a result of this study, it was possible to design the MF tire model whose braking performance improved by 9.2 %.
Key words : Braking(제동), ABS(휠 잠김 방지 브레이크 시스템), Tire(타이어), Vehicle dynamics(차량 동역학), Longitudinal performance(종방향 운동)
Nomenclature 1)
B : longitudinal friction at Fz, normalization C : vertical stiffness
*
Corresponding author, E-mail: [email protected]
D : shape factor for longitudinal force
E : exponent in slip stiffness with load
기원용․이광우․허승진․강대오․김기운
1. 서 론
타이어는 차량 운동성능에 영향을 미치는 중요한 연구 분야이다. 특히 타이어 성능에 따른 자동차의 주행성과 안정성 그리고 연비 기여도를 예로 들 수 있다. 때문에 자동차 회사에서도 타이어에 대한 성 능 요구사항이 구체화되고 다양해지고 있으며, 타 이어의 성능 향상은 타이어 성능 등급(labeling)에 대한 대비 차원에서도 중요하다고 할 수 있다. 타이 어에 요구되는 성능 중 제동은 가장 중요하고 기본 적으로 갖추어야 할 차량의 안전 성능이다. 차량의 최종 제동 성능은 ABS 성능과 타이어 성능으로 결 정된다. 하지만 우수한 ABS와 타이어를 조합한다 고 제동 성능이 항상 좋은 것은 아니다. 타이어 성능 은 본래 비선형성과 예측 불확실성을 갖는데, ABS 작동 시 휠 슬립이 증가와 감소를 반복하여 타이어 성능 예측의 불확실성이 가중되기 때문이다. 또한 기존의 연구에서는 휠 슬립 제어를 이용한 ABS를 제어기로 사용하여 제동 성능을 예측하여, 각가속 도를 제어하는 실제 차량의 ABS와 차이가 있어 제 동 성능 예측의 정확성이 떨어졌다.
1,2)따라서 본 논 문에서는 타이어 제동 해석의 정확성을 개선하기 위한 연구를 수행하였다.
2. 제동 해석 모델 구축
실제 차량에서의 ABS 제어 방식과 동일한 각가 속도 제어 기반의 ABS 로직을 구성하기 위해 기존 차량의 제동시험을 수행하였다. 그리고 MBD(Multi Body Dynamics) 기반 차량모델과 MF(Magic Formula) 타이어 모델을 조합하여 차량모델을 구축하였다.
3)구축된 차량 모델과 ABS 로직을 연동하여 제동 해 석 모델을 구축하였다.
2.1 ABS 로직 설계를 위한 제동 시험
2.1.1 제동 시험대상 차량의 ABS 작동 시 제어실제 차량에서의 ABS 제어 방식과 동일한 각가속도 제어 기반의 ABS 로직을 구성하기 위해 ADAC(Allgemeiner Deu- tscher Automobil-Club) 즉, 독일인 운전 클럽의 이니 셜이자 명칭으로, 유럽에서도 가장 큰 일반 운전자
Fig. 1 Braking test method
들이 회원으로 가입한 협회의 시험 규정을 적용하 여 기존 차량의 제동시험을 수행하였다. ADAC의 시험 평가법은 Fig. 1과 같이 10 km를 100 km/h로 정 속 주행 후 full제동을 한다. 총 6회 시험 후 최대/최 소 값을 제외한 나머지 시험 결과를 평균으로 결과 를 분석한다.
시험을 위해 사용된 타이어는 총 3종류이며, 기준 모델과 구조 및 재질을 변경한 모델, 구조와 재질 및 컴파운드를 변경한 모델이다. 각 종류 별로 6번의 제동시험을 수행하였으며, 시험을 통하여 ABS 제 어 시 타이어 힘과 차량속도, 휠 속도, 종방향 차량 가속도, 타이어 슬립율, 제동압력을 측정하였다.
Fig. 2는 제동 시험을 위해 시험 차량에 장착한 계 측 장비이다. 차량 속도 및 차체 자세를 측정하기 위 해 Gyro 센서를 장착하였으며, 휠 속도를 측정하기 위해 CAN 신호를 계측하였다. 또한 타이어 힘을 측 정하기 위해 육분력계(WFT)를 장착하였다. 그리고 제동 시 제동 압력을 계측하기 위해 제동 압력 센서 를 각 휠의 브레이크 유압 라인에 장착하였다. 이를 통하여 ABS가 작동할 시 브레이크에 전달되는 유 압을 측정할 수 있으며, 이를 사용하여 실제 차량에 서 제어되는 유압정보를 해석 모델에 구현할 수 있 게 된다.
Fig. 2 Measuring equipments for braking test
차량 제동성능 개선을 위한 타이어 인자 분석 및 최적설계에 대한 연구
Fig. 5 ABS logic for braking simulation 2.1.2 제동 시험 결과 분석
제동 시험 결과를 Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다.
장착한 브레이크 압력 센서를 통하여 Fig. 3과 같이 ABS 개시 및 해제 조건을 도출하였으며, 도출된 개 시 조건은 슬립율이 5 % 이상일 때이며, 해제 조건 은 휠속이 2 kph 미만일 때이다.
또한 브레이크 압력 증감율을 압력 센서에서 계 측된 정보로 계산하였다. 이는 브레이크 제어 밸브 의 on/off시의 브레이크 압력의 변화를 나타내는 인 자이므로, 이를 통하여 제어 시점을 다변화 할 수 있 어 정교한 제어가 가능하다.
Fig. 4와 같이 브레이크 압력의 입력 시 유압브레 이크의 반응 속도를 나타내는 시간 지연을 계측하 여 해석 모델에 적용하였다.
Fig. 3 ABS operation condition measurement results
Fig. 4 Measurement of brake pressure time delay
2.2 차량 모델 구축
제동 해석을 위한 차량 모델을 구축하였다. 본 논 문에서는 ADAMS/CAR를 사용하여 MBD(Multi Body Dynamics) 기반 차량모델과 MF(Magic Formula)타 이어 모델을 조합하여 제동 성능 예측 해석 모델을 구축하였다.
2.3 ABS 로직 구성
본 논문에서는 Fig. 5와 같이 ABS 로직을 구성하
였다. 이 ABS 로직은 휠 각가속도를 기반으로 제동
압력을 제어한다. 차량 모델에서 제동 압력과 차속,
휠속, 휠각가속도 정보를 받는다.
Won Yong Ki․Gwang Woo Lee․Seung Jin Heo․Dae Oh Kang․Ki Woon Kim
(1) v : vehicle velocity
r : wheel radius
w : wheel angular velocity
우선, 식 (1)로 각 바퀴의 슬립율을 계산한 후, ABS의 작동 여부를 결정한다. 만약 각 바퀴의 슬립 율이 ABS가 작동하기 위한 슬립율 조건을 모두 만 족시키게 되면 ABS가 작동하기 시작한다.
이후에는 ABS로직에서 각 바퀴의 제동압력을 독 립적으로 제어한다. 차량에서 받아오는 휠각가속도 에 따라 ABS 로직에서 각 바퀴에서의 제동압력을 증가나 감소 또는 유지할지 결정한다.
마지막으로 본 ABS 로직은 시뮬레이션에서 두 가지 경우를 만족할 경우, 작동 해제된다. 첫 번째는 운전자가 제동페달에서 발을 떼어 제동 입력을 주 지 않는 경우이고, 두 번째는 차량의 속도가 충분히 줄어들어 ABS가 작동하지 않아도 차량의 안전성을 확보했다고 판단됐을 경우이다.
4,5)2.4 해석 모델 검증
본 논문에서 구축한 제동해석 모델에 대하여 Fig. 6 과 같이 2.1절에서 수행한 제동 시험 결과와 비교하 여 검증하였다. 성능 비교를 위하여 슬립율 제어 ABS 알고리즘을 적용한 제동해석 모델과 휠 각가 속도 제어 ABS 알고리즘을 적용한 제동해석 모델 에 대한 제동 해석을 수행하였다. 그리고 실차 시험 결과를 기준으로 해석 결과를 정규화하여 성능을 비교하였다.
Fig. 6 Analysis model validation result
먼저, 제동 거리를 비교한 결과 기존의 슬립율 제 어 ABS알고리즘을 적용한 모델의 경우 실차와 차 이가 큰 결과가 도출된 반면, 휠 각가속도 제어 ABS 알고리즘을 적용한 모델의 경우 실차와 동일한 결 과가 도출되었다.
그리고 제동 시 차량의 거동에 대하여 분석하기 위하여 제동 구간에서의 종방향 감가속도와 종방향 전륜 타이어 힘, 수직방향 전륜 타이어 힘을 계산하 였다. 결과 값은 제동 구간에서의 평균값으로 계산 하였다.
비교 결과, 모든 값에서 기존의 슬립율 제어 ABS 알고리즘을 적용한 모델보다 휠 각가속도 제어 ABS 알고리즘을 적용한 모델이 실차에 근접한 결 과가 도출되었다. 즉, 본 논문에서 구축한 해석 모델 이 차량 거동 측면과 제동 성능 측면에서 검증한 결 과 개선되었음을 확인하였다. 종방향 타이어 힘과 수직방향 타이어 힘의 경우 실차 시험 결과와 비교 시, 2 % 내의 성능 차이가 발생한다. 이는 실차 시험 시 발생한 노이즈에 의한 오차로 분석되며, 성능에 는 영향이 없는 차이로 분석하였다.
3. 차량 제동성능 개선을 위한 타이어 인자 분석
2장에서 구축한 해석모델을 이용하여 차량 제동 성능 개선을 위한 ABS 로직 및 타이어 인자분석을 수행하였다. 타이어 인자로는 MF 타이어의 종방향 타이어 성능에 영향을 미치는 타이어 계수로 선정 하였다. 그리고 차량 인자로 전/후륜 서스펜선의 스 프링 강성, 댐퍼 계수, 브레이크 패드 면적, 차량 무 게, 차량 무게 중심점 위치를 선정하였다. 각 설계 변수에 대해 상/하한치를 정의하여 실험계획표를 구성하여 도출된 실험점에 대한 제동해석을 수행하 였다. 수행된 결과를 분석하여 각 인자에 대한 영향 도를 분석하였다.
3.1 제동 영향인자 분석 설계 변수 정의 제동 성능에 대한 영향도 분석을 위하여 차량인 자와 타이어인자에 대하여 설계 변수를 Fig. 7과 같 이 정의하였다.
정의된 인자는 13개이며, 타이어 인자로는 Fig. 8
A Study on Effect Analysis and Design Optimization of Tire and ABS Logic for Vehicle Braking Performance Improvement
Fig. 7 Design variables definition for effect analysis
Fig. 8 MAX. friction coefficient variation by A
Fig. 9 Longitudinal force variation at ABS operation range by C, and D variation
과 Fig. 9와 같이 MF 타이어의 종방향 타이어 성능 에 영향을 미치는 타이어 계수로 선정하였다. 먼저 최대 마찰계수에 영향을 미치는 인자로 슬립율 대 비 최대 종방향 힘에 영향이 있는 B를 선정하였다.
다음으로 ABS 작동 영역에서의 기울기에 영향을 미치는 인자로 슬립율 대비 종방향 힘의 변화가 큰 C, D, E를 선정하였다.
차량 인자로 전/후륜 서스펜선의 스프링 강성, 댐 퍼 계수, 브레이크 패드 면적, 차량 무게, 차량 무게 중심점 위치를 선정하였다.
3.2 제동 영향인자 분석 결과
3.1절에서 정의한 각 설계 변수에 대해 상/하한치
Fig. 10 Effect analysis result
를 정의하여 plackett burman 실험계획법을 사용하 여 실험계획표를 구성하였다. 도출된 실험 점은 총 20개이며, 도출된 실험 점에 대한 제동해석을 수행 하였다. 수행된 결과를 분석하여 각 인자에 대한 영 향도를 분석하였다.
Fig. 10은 영향도 분석결과를 나타낸다. 분석 결 과 타이어의 영향도는 21 %로 분석되었으며, 차량 인자는 79 %로 분석되었다. 차량 인자 중 서스펜션 인자는 41 %이며 차량 제원 및 무게는 38 %로 분석 되었다. 모든 인자에 대해서 유사한 영향도를 나타 내고 있으므로 제동 성능 개선을 위해서는 단일 요 소 분석이 아닌 복합 요소 분석이 필요하다는 결론 을 내릴 수 있다. 분석된 결과를 바탕으로 제동성능 개선을 위한 최적설계를 수행하였다.
4. 차량 제동성능 개선을 위한 ABS 로직 및 타이어 최적설계
3장에서 분석한 영향도 결과를 바탕으로 차량 제 동성능 개선을 위한 타이어 최적설계를 수행하였 다. 최적설계를 위해 선정된 설계변수는 타이어 인 자분석에서 선정된 MF 타이어의 종방향 타이어 성 능에 영향을 미치는 타이어 계수 4개이다. 각 설계 변수에 대해 상/하한치를 정의하여 실험계획표를 구성하여 도출된 실험점에 대한 제동해석을 수행하 였다. 수행된 결과를 사용하여 최적설계를 위한 메 타 모델을 구축하였으며, 최적설계를 통하여 제동 성능을 개선한 타이어 설계를 수행하였다.
4.1 설계 변수 정의 및 실험계획표 작성
최적설계를 위한 설계 변수로 MF 타이어의 종방
향 타이어 성능에 영향을 미치는 타이어 계수(B, C,
D, E)를 선정하였다. 각 설계 변수에 대하여 상/하한
기원용․이광우․허승진․강대오․김기운
치를 정의한 다음 Full factorial 방법을 사용하여 실 험계획표를 구성하였다. 도출된 실험점은 9개이다.
4.2 설계문제 정식화
구축된 실험계획표를 사용하여 최적설계를 위한 메타모델을 구성하였다. 본 논문에서는 문제의 비 선형의 정도를 바탕으로 설계 변수가 많고 비선형 이 큰 타이어 설계문제에 가장 효과적인 방법의 방 사기저함수(radial basis function)를 사용하였다.
근사최적화 과정을 살펴보면, 정의된 최적화 문 제를 메타 모델로 구성한 후, 이를 수치 최적화 기법 으로 사용하여 근사 최적해가 구해지면 실제 해석 을 통하여 수렴 검증 및 해결한다. 이 때 수렴조건이 위배되면, 해석 결과를 추가하여 메타 모델을 수정 한 후 상기의 과정을 반복한다. 메타 모델의 수정은 수렴의 정도와 오차의 정도에 따라 메타 모델의 구 성 형태가 자동으로 변경된다. 이를 위하여 설계문 제를 식 (1)과 같이 정식화 하였다.
MIN braking distance (x) (1) Subject to
Vehicle stability (x) > current model x
lower< x < x
upper목적함수는 제동 거리를 최소화 하는 것이며, 제 약조건으로 차량의 안정성은 기존 모델 보다 개선 되는 것으로 하였다. 차량의 안정성은 제동 시, 종방 향 감가속도와 종방향 전륜 타이어 힘, 수직방향 전 륜 타이어 힘을 계산하여 차량의 다이브 정도를 분 석하였다.
4.3 최적 설계 결과
최적 설계 결과 메타모델을 구축하기 위한 실험 점 내에서 최적의 설계 값이 도출되었다. 이는 기 준 모델이 어느 정도 최적의 설계에 근접되어 있다 는 것을 의미하며, 또한 인자 분석을 통하여 설계 범위를 정의하였기 때문인 것으로 분석된다. 최적 설계된 결과의 설계 변수를 보면 Fig. 11과 같이 최 대마찰계수가 증가하였고, ABS 작동 영역에서의 기울기도 증가하였음을 확인할 수 있다. 이는 B와 C, D가 기존 모델 대비 커졌으며, A는 작아졌기 때 문이다.
Fig. 11 Design optimization result - Design variable change
Fig. 12 Design optimization result - Braking distance
이에 따라 제동 거리는 Fig. 12와 같이 기준 모델 (RUN9) 대비 최적화 모델 (RUN2)이 9.2 % 개선되 었다.
5. 결 론
1) 차량의 제동성능을 개선하기 위하여 해석 모델 구축 및 차량과 타이어 인자에 대한 영향도 분석 과 최적설계를 수행하였다.
2) 대상 차량의 ABS 작동 시 제어실제 차량에서의 ABS 제어 방식과 동일한 각가속도 제어 기반의 ABS 로직을 구성하기 위해 ADAC 시험 규정을 적용하여 기존 차량의 제동시험을 수행하였으 며, 시험 결과 ABS 작동/해제 조건 및 브레이크 압력 증감율, 브레이크 압력의 시간 지연을 분석 할 수 있었다.
3) ADAMS/CAR를 사용하여 MBD 기반 차량모델
과 MF 타이어 모델을 조합하여 제동 해석을 위
한 해석 모델을 구축하였다. 구축된 모델을 시험
결과와 비교하여 검증한 바, 기존의 모델 대비 정
차량 제동성능 개선을 위한 타이어 인자 분석 및 최적설계에 대한 연구
