Performance Comparison Analysis of Frequency Sensing Shock Absorber and Passive Shock Absorber

< 기 술 논 문 >

Copyright

2015 KSAE / 137-03 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2015.23.4.380 Transactions of KSAE, Vol. 23, No. 4, pp.380-387 (2015)

주파수 감응식 쇽업소버와 수동형 쇽업소버의 성능비교 분석

노 대 경¹⁾․서 원 진²⁾․윤 주 섭³⁾․장 주 섭^*4)

가천대학교 대학원 기계공학과¹⁾․만도 R&D센터 현가팀²⁾․한국생산기술연구원 융복합기술연구실용화그룹³⁾․ 가천대학교 기계공학과⁴⁾

Performance Comparison Analysis of Frequency Sensing Shock Absorber and Passive Shock Absorber

Daekyung Noh¹⁾․Wonjin Seo²⁾․Jooseop Yun³⁾․Joosup Jang^*4)

1)

Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Gachon University, Gyeonggi 461-701, Korea

2)

R&D Center, Mando, 21 Pangyo-ro 255beon-gil, Bundang-gu, Seongnam-si, Gyeonggi 463-400, Korea

3)

Daegyeong Regional Division, KITECH, 320 Techno sunhwan-ro, Yuga-myeon, Dalseong-gun, Daegu 711-883, Korea

4)

Department of Mechanical Engineering, Gachon University, Gyeonggi 461-701, Korea (Received 19 September 2014 / Revised 14 December 2014 / Accepted 3 April 2015)

Abstract : Various forms of passive shock absorber have developed to supplement performance which is poorer than that of active shock absorber. It is called ‘Hybrid Conventional Damper (HCD)’. Frequency sensing shock absorber that this study will cover belongs to the HCD. This study aims to demonstrate that performance of frequency sensing shock absorber is superior than that of passive shock absorber. Study process is as follows. Firstly, analysis models for both passive shock absorber and frequency sensing shock absorber are developed to secure reliability. Then, elements which cause difference of ride quality are found out through comparison of hysteresis characteristics. By comparison of frequency characteristic, furthermore, damping principle of frequency sensing shock absorber is understood. Also, it determines if the absorber performs well even though maximum excitation speed is changed. Finally, the study proves that performance of frequency sensing shock absorber is superior than that of passive shock absorber after comparing change of damping power in excitation condition that various frequencies are mixed.

Key words : FCU(주파수감응기), HCD(변종감쇠기), Hysteresis(히스테리시스), Frequency(주파수), SimulatonX (시뮬레이션엑스)

1. 서 론

¹⁾

현재 자동차 부품의 비약적인 발전으로 고도기술 이 적용된 장치가 널리 적용되고 있다. 승차감과 주 행안정성을 책임지는 현가장치도 예외가 아니며 다 양한 형태의 쇽업소버가 계속 개발되고 있는 중이다.

자동차의 쇽업소버는 크게 두 종류로 나눌 수 있 으며, 능동형과 수동형으로 분류한다. 전자제어를 통해 노면의 상황에 맞춰 감쇠력을 조절 할 수 있는

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

능동형 쇽업소버는 제어기법의 개선만으로도 크게 성능을 향상시킬 수 있다. 하지만 순수기계식인 수 동형 쇽업소버의 성능을 향상시키려면 반드시 하드 웨어의 발전이 동반되어야 한다. 이러한 이유로 수 동형 쇽업소버는 기술의 발전이 몹시 더딘 상태이 다. 하지만 제작단가가 저렴하기 때문에 다양한 차 량에 적용할 수 있고, 강인한 내구성을 갖추고 있어 서 아직도 능동형보다 널리 사용되고 있다.¹⁾ 수동형 은 능동형처럼 감쇠력을 자유자제로 제어 할 수 없 기 때문에 성능 적 한계를 지니고 있으며, 연구진들

주파수 감응식 쇽업소버와 수동형 쇽업소버의 성능비교 분석

은 이러한 한계를 극복하기 위하여 변종형태의 수 동형 쇽업소버(HCD: Hybrid Conventional Damper) 를 개발해 내었다. 본 논문에서 다루는 주파수 감응 식 쇽업소버가 그러한 예이다.²⁾

수동형 쇽업소버는 보통 저속행정에서는 작은 감 쇠력이 발생하게 설계되어있고 고속행정에서는 큰 감쇠력이 발생하게 되어있다. 이러한 설계는 고주파 저진폭의 가진조건에서 취약점을 보인다. 차량이 고 속으로 주행 할 때는 고주파 저진폭의 가진 입력이 들어오게 되는데, 이때 상대적으로 큰 감쇠력이 발 생하면서 운전자가 이 진동을 느끼게 된다는 것이다.

과거에 수동형 쇽업소버를 설계할 때는 고주파 저진 폭의 입력에 대해서는 크게 중요하게 생각하지 않았 다. 이는 인간의 신체기관인 위의 공진주파수가 4 ~ 8 Hz에 형성되어 있기 때문에 승차감에 큰 영향을 주 지 않는다고 판단했기 때문이다. 하지만 가슴외벽과 머리의 공진주파수는 20 Hz이상의 영역에 형성되어 있기 때문에 고주파 잔 진동이 계속적으로 들어올 경 우 인체에 피로가 누적되게 된다. 한 단계 진보된 쇽 업소버를 개발하기 위해서는 고주파 저진폭의 가진 조건에서 작은 감쇠력을 가져야한다. 즉 입력되는 가진의 주파수를 감응하여 감쇠력을 조절하는 능력 이 있는 순수기계식 쇽업소버여야 한다는 것이다.

본 논문은 주파수 감응식 쇽업소버와 그것의 구 조적 모태가 되는 수동형 쇽업소버를 해석도구를 활용하여 동적성능을 다각도로 비교하는 내용을 다 룬다. 그리고 최종적으로 주파수 감응식 쇽업소버 가 성능 적으로 우위에 있음을 증명 하는 것을 목표 로 한다. 해석에 사용된 소프트웨어는 독일 ITI사에 서 개발된 SimulationX이다.

2. 해석모델의 신뢰성 검토

Fig. 1은 주파수 감응식 쇽업소버의 구조를 나타 낸 것이다. 주파수 감응식 쇽업소버는 크게 피스톤 밸브와 바디밸브, FCU(Frequency Unit)로 구성부품 을 분류할 수 있다. 여기서 FCU는 주파수를 감응하 여 감쇠력을 조절하는 의도로 설계된 장치로써, 이 것이 제거되면 일반 수동형 쇽업소버와 같은 형태 가 된다. 즉 수동형과 주파수 감응식은 FCU의 유무 에 따라 분류될 수 있는 것이다. FCU의 내부에는 압

Fig. 1 Component part of frequency sensing shock absorber

축된 스프링 사이에 있는 프리피스톤이라고 하는 아주 작은 행정을 갖는 장치가 달려있다. 상사점과 하사점의 거리가 몹시 작기 때문에 저진폭 성분에 반응하게 되어있으며, 양단의 압축된 스프링으로 인하여 기민한 응답이 가능하다. 이론상 최고가진 속도를 일정하게 유지하면서 주파수를 증가시키려 면 진폭은 감소하게 된다. 즉, 가진속도가 같고, 순 수 주파수 성분만 증가시키게 되면 고주파 저진폭 으로 가는 경향을 보이기 때문에 FCU의 효력이 발 생한다고 할 수 있다.

가진시험의 대상이 된 수동형과 주파수 감응식 쇽업소버는 피스톤밸브와 바디밸브를 구성하는 부 품(Disc, Slit 등)의 사양이 동일하며, 단지 FCU의 존 재만 차이를 두었다.

Fig. 2는 가진시험기의 개략도이다. 쇽업소버 하 단에 가진입력을 하게 되면 상단의 로드센서에 의 하여 감쇠력이 측정된다. 보통 쇽업소버의 성능을 평가하는 기준이 되는 F(힘)-V(속도) 선도는 동일한 행정조건에 가진주파수를 올려가며 측정되는 감쇠 력의 최고치를 취하여 작도하게 된다.^3-5)

시뮬레이션은 기 개발된 해석모델을 활용하여 이 러한 실제 가진시험조건과 동일한 조건에서 해석을 수행하였다.

2.1 시험결과와의 비교

시험과 해석의 F-V선도를 비교한 것을 Fig. 3에 나타내었다. 시험과 해석의 가진속도 별 발생하는 감쇠력이 거의 유사한 경향을 보이기 때문에 본 해 석모델은 신뢰성을 갖는다. 수동형에 비하여 FCU 를 장착하였을 때 신장 시 저속구간에서의 감쇠력 상승기울기가 감소하는 경향도 정확하게 구현된 것 을 볼 수 있다.

Daekyung Noh․Wonjin Seo․Jooseop Yun․Joosup Jang

Fig. 2 Schematic diagram of excitation tester

Fig. 3 Comparison of examination result and analysis result

3. 성능비교 분석

신뢰성이 확보된 해석모델을 활용하여 쇽업소버 의 성능을 다각도로 검토하기 위해서는 다양한 조 건에서의 해석이 필요하다. 행정거리를 유지하고 가진속도를 올려가며 감쇠력을 측정하는 방법과 최 고가진속도를 고정하고 행정거리를 감소시키면서 감쇠력을 측정하는 방법이 있다. 최고가진속도를 고정하고 행정을 감소시키면 가진주파수만 상승하 게 되기 때문에 주파수영역의 특성을 알아보는데 적합한 해석방법이다. 실제로 자동차 부품업계에서

도 이와 동일한 방법의 가진시험을 수행하여 주파 수특성을 정의하고는 한다.

3.1 히스테리시스 특성 비교

쇽업소버는 왕복행정을 반복하게 되고, 다양한 구성부품의 조합에 의한 오일의 비선형적 유동특성 에 의하여 히스테리시스가 필연적으로 동반된다.

히스테리시스는 신장과 압축의 전환시점에서 일어 나며, 동일 진폭조건에서 주파수가 높아지면 더 심 화된다.

Fig. 4(a)는 Table 1을 해석조건으로 한 수동형 쇽 업소버의 주파수별 F(힘)-S(행정)선도이고, Fig. 4(b) 는 히스테리시스가 포함된 F-V선도이다. F-S선도는 시간에 따라 반시계방향으로 진행되며 네모상자로 표시된 영역이 신장과 압축의 전환초기시점이 된 다. 즉, 히스테리시스 발생의 근본이 되는 영역인 것 이다. F-V선도는 시간에 따라 시계방향으로 진행되 고, 신장 시 저속영역과 고속영역을 구분해주는 Main Disc가 크래킹 되는 약 2300 N을 전후로 특성 이 심하게 차이나는 모습을 보인다. 수동형 쇽업소 버는 신장 시 Main Disc가 크래킹 되는 포인트가 저 속구간에 위치하기 때문에 가진속도를 조금만 올려 도 큰 감쇠력이 걸리게 되어 승차감이 떨어진다는 것이다.

Fig. 5(a)는 Table 1을 해석조건으로 한 주파수 감 응식 쇽업소버의 주파수별 F-S선도이고, Fig. 5(b)는 히스테리시스가 포함된 F-V선도이다. FCU의 효과 로 수동형 쇽업소버에 비해 눈에 띄게 히스테리시 스가 심화된 것을 볼 수 있다. 때문에 F-S 선도에서 네모상자 안의 영역인 압축과 신장의 변환초기시점 에서도 감쇠력의 상승기울기가 감소하는 모습을 보 이게 된다. 결국 F-V 선도에서는 히스테리시스가 심 화되었지만, 압축과 신장의 변환시점에서 감쇠력의 상승기울기가 감소하였기 때문에, 가진속도가 증가 하더라도 수동형 쇽업소버에 비해 급격한 감쇠력의 변화가 일어나지 않는다.

3.2 주파수 특성 비교

기본적인 감쇠력 특성을 나타내는 F-S, F-V선도 에서는 주파수 감응식 쇽업소버의 성능적 우위를

Performance Comparison Analysis of Frequency Sensing Shock Absorber and Passive Shock Absorber

(a) Force-Stroke curve

(b) Force-Velocity curve

Table 1 Condition for analysis to examine hysteresis charac- teristic

*Stroke: ±40 [mm]

Frequency [Hz] Max velocity [m/s]

0.2 0.05

0.4 0.1

1.2 0.3

2.4 0.6

3.98 1

4.77 1.2

5.97 1.5

명확하게 판단하기 어렵다. 주파수 감응식 쇽업소 버의 설계목적 자체가 고주파 미세진동의 흡수를 위함이기 때문에 이러한 상황이 모사될 수 있는 해

(a) Force-Stroke curve

(b) Force-Velocity curve

Fig. 5 Analysis result for frequency sensing shock absorber

석환경을 구축해야 한다.

3.2.1 최고가진속도 0.1, 0.15 m/s에서의 주파수특성 Table 2는 최고가진속도를 0.1 m/s로 고정한 상태 의 주파수영역 해석조건표이다.

Fig. 6은 주파수 증가에 따른 감쇠력 감소의 경향 을 명확하게 보기 위하여, 최대 행정조건에서 걸리 는 감쇠력의 크기를 100%로 규정하여 상대적인 크 기를 비교한 것이다. 그래프를 보면 수동형과 주파수 감응식의 압축 행정 때 주파수 특성의 차이는 8 Hz 이상의 영역에서 명확해지고, 신장 행정 때는 2 Hz 이상의 영역에서부터 차이가 심화된다. 실제 주행 중인 차량에 들어오는 진동은 압축와 신장을 반복

노대경․서원진․윤주섭․장주섭

Table 2 Condition for analysis to examine frequency charac- teristic (Max velocity: 0.1 m/s)

*Max velocity:

0.1 [m/s]

Frequency [Hz] Stroke [mm]

0.4 ±39.79

0.8 ±19.89

2 ±7.96

4 ±3.98

8 ±1.99

13 ±1.22

20 ±0.8

Fig. 6 Frequency characteristic graph (Max velocity: 0.1 m/s)

하기 때문에 2 Hz의 저주파 영역에서부터 이미 승 차감에 차이가 난다고 할 수 있다. 결론적으로 주파 수 증가에 따른 감쇠력의 감소폭이 크다는 것은, 차 량이 주행할 때 운전자가 외부 진동에 대한 영향을 둔감하게 느끼게 되는 근거가 된다.

Table 3은 최고가진속도를 0.15 m/s로 증가시켰을 때의 주파수영역 해석조건표이다. 이러한 조건으로 해석 하였을 때, Fig. 6과 동일한 방식으로 그린주파 수 영역 그래프가 Fig. 7이다. Fig. 6과는 다르게 수동 형 쇽업소버는 신장행정에서 감쇠력의 감소가 전혀 이루어지지 않는 모습을 보여준다. 이는 최고가진 속도가 증가하면서 신장실에서 압축실로 이동하는 최대유량이 증가하게 되어 발생한 결과이다. 상대 적으로 최고가진속도가 낮은 Fig. 6에서는 질소가스 의 특성이 반영되어 감쇠력의 감소가 이루어진다.

하지만 일정수준의 최고가진속도를 넘어가는 조건 에서는 신장실 피스톤밸브의 디스크와 슬릿과 같은 오일 유동저항체에 의해 감쇠력이 지배받는다. 즉, 신장실에서 발생하는 오일의 유량이 증가하면서 감

Table 3 Condition for analysis to examine frequency charac- teristic (Max velocity: 0.15 m/s)

*Max velocity:

0.15 [m/s]

Frequency [Hz] Stroke [mm]

0.6 ±39.79

1 ±23.87

2 ±11.94

4 ±5.97

8 ±2.98

13 ±1.84

20 ±1.19

Fig. 7 Frequency characteristic graph (Max velocity: 0.15 m/s)

쇠력을 좌우하는 절대적인 지배요소가 생긴 결과이 다. 이러한 감쇠력 감소불능 현상이 수동형 쇽업소 버의 성능적인 한계를 나타내는 지표이다. 반면 압 축 시 감쇠력은 감쇠력을 좌우하는 지배요소의 변 동이 없기 때문에 최고가진속도가 증가하더라도 주 파수 증가에 따른 감쇠력 감소가 유사한 경향을 보 인다.

주파수 감응식 쇽업소버의 신장 시 감쇠력은 최 고가진속도가 증가하면서 변곡점과 감쇠력 감소가 이루어지는 유효주파수 영역대가 다른 모습을 보여 준다. 이는 최고가진속도가 증가하면서 FCU로 유 입되는 유량이 증가하므로 프리피스톤이 움직이는 영역에 변화가 생기기 때문이다. 예를 들어 감쇠력 이 감소하기 시작하는 주파수가 2 Hz에서 4 Hz로 밀 려난 것을 볼 수 있는데, 이는 FCU에 유입되는 질량 유량의 증가로 신장 시 프리피스톤이 하사점에 도 달하여 감쇠력 감소 불능상태에 빨리 빠지기 때문 이다. 하지만 수동형 쇽업소버와 주파수 감응식 쇽 업소버의 주파수 특성의 차이는 최고가진속도가 증

주파수 감응식 쇽업소버와 수동형 쇽업소버의 성능비교 분석

가하더라도 감쇠력 감소의 폭과 감쇠력이 감소하는 주파수 영역대만 달라질 뿐 여전히 유효함을 알 수 있다.

3.2.2 다 행정, 다 주파수 조건에서의 감쇠특성 지금까지 분석했던 주파수 영역은 단일 행정, 단 일 주파수 조건이다. 단일 행정, 단일 주파수 조건뿐 만 아니라 다양한 주파수와 행정이 중첩된 조건에 서도 FCU의 효과가 유효한지 확인하기 위하여 극 단적인 해석조건을 부여해봤다. 다 행정, 다 주파수 에서 성능검토를 위한 해석조건은 1 Hz ±30 mm와 50 Hz ±1 mm가 중첩된 사인파형이다.

Fig. 8은 이러한 해석조건을 나타낸 그래프이고, Fig. 9는 히스테리시스가 포함된 F-V선도이다. 수동 형 쇽업소버는 히스테리시스가 비교적 일정하게 발 생하여 그래프 가운데 빈공간이 형성된 모습을 보 여주고, 주파수 감응식 쇽업소버는 주파수에 따라 감쇠력의 크기가 변하기 때문에 히스테리시스 구간 이 불규칙하게 분포되어 형성되는 것을 보여준다.

감쇠력의 변화모습을 조금 더 심도 있게 보기위 해 x 축이 시간인 그래프로 변환한 것이 Fig. 10이다.

1 Hz ± 30 mm의 사인파형이 압축방향으로 작용할 때 감쇠력의 차이가 도드라지는 것을 볼 수 있다. 이 러한 경향은 Fig. 5(a)와 Fig. 6을 동시에 놓고 바라보 면 설명이 가능하다. 저주파 고진폭 조건은 Fig. 5(a) 의 감쇠특성을 따라가고 고주파 저진폭 조건은 Fig. 6 의 감쇠특성을 따라간다. 즉, 저주파 고진폭 성분으 로 쇽업소버가 신장 할 때 섞여있는 압축방향의 고 주파 저진폭 성분은 Fig. 6으로부터 수동형과 주파 수 감응식이 상대적으로 큰 차이를 보이지 않는다 는 것을 알 수 있다. 하지만 저주파 고진폭 성분으로 쇽업소버가 압축 할 때 섞여있는 신장방향의 고주 파 저진폭 성분은 Fig. 6에서 큰 차이를 보인다. 이러 한 특성을 조금 더 명확하게 보기위하여 Fig. 8과 같 은 중첩사인파를 5초 반복 입력하여 수집된 감쇠력 의 데이터를 FFT(Fast Fourier transform)시킨 것이 Fig. 11이다. 고진폭 저주파 성분인 1 Hz에서는 수동 형 쇽업소버와 주파수 감응형 쇽업소버가 거의 유 사한 감쇠력의 크기를 가지며, 저진폭 고주파 조건 인 50 Hz에서는 주파수 감응식 쇽업소버에 걸리는 감쇠력이 작아지는 것을 볼 수 있다.

Fig. 8 Condition for mixed frequency analysis

Fig. 9 Force-Velocity curve (mixed frequency)

Fig. 10 Exciting force in time domain

위의 결과를 종합해보면 성능 면에서 주파수 감 응식 쇽업소버가 수동형 쇽업소버 보다 우위에 있 음을 알 수 있다.^6,7) 뿐만 아니라 기존 HCD의 대표라 고 할 수 있는 변위감응형 쇽업소버에 비해서도 우 수한 성능을 나타낸다. 변위감응형은 입력되는 진 폭에 따라 고진폭에서는 높은 감쇠력이 작용하고, 저진폭에서는 낮은 감쇠력이 작용한다. 즉 2단계로

Daekyung Noh․Wonjin Seo․Jooseop Yun․Joosup Jang

(a) Frequency sensing shock absorber

(b) Passive shock absorber

밖에 감쇠력 변환이 되지 않으며, 특히 Fig. 8과 같은 고진폭 저주파와 저진폭 고주파의 성분이 중첩된 조건에서는 고진폭에 의해 큰 감쇠력만 작용하는 성능적 한계에 도달하게 된다. 하지만 주파수 감응 식은 여러 주파수성분이 중첩된 조건에서도 감쇠력 변환이 유효함을 증명하였다.⁸⁾

4. 결 론

본 논문은 주파수 감응식 쇽업소버와 일반 수동 형 쇽업소버를 비교하여 성능의 우위를 해석도구를 통해 검증한 것이다. 성과를 요약하면 다음과 같다.

1) 시험결과와의 비교로 해석모델의 신뢰성을 확 보하였다.

2) 신뢰성이 확보된 해석모델로 히스테리시스 특 성을 비교하였으며, 신장과 압축의 전환시점에

서의 감쇠력 상승기울기 비교를 통해 주파수 감 응식 쇽업소버가 더 우수함을 검증하였다.

3) 최고가진속도를 고정하고 가진변위를 좁혀가면 서 주파수특성을 해석하였으며, 가진주파수 변화 에 따른 감쇠력 변동을 도식화하여 비교하였다.

4) 실제노면에서는 여러 가지의 주파수성분이 입 력되기 때문에 주파수 중첩조건에서 해석을 수 행하였고, 이를 다양한 관점에서 분석하여 FCU 의 유효성을 검증하였다.

추후 FCU가 동작하는 유효주파수 영역을 조정하 는 방법에 대한 연구가 필요하다.

References

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