시스템 모델을 활용한 상용차 시트 현가장치 성능 평가

2.1 시트 현가장치 프레임 모델 구성

시트 현가 장치의 일반적을 구조는 상부와 하부 프레임을 대각으로 연결하여 수직 방향의 자유도를 갖도록 하는 링크 구조이다(Fig. 1). 앞쪽의 링크는 전후 방향과 회전방향의 자유도를 가지고 있으며 뒤쪽의 링크는 회전 방향의 자유도만 가지고 있다. 대각으로 연결된 판넬이 만나는 부분에 회전 자유도를 갖는 조인트가 추가 되어 있어 결과적으로 전체 링크는 상하 방향의 운동만 가능하다. 프레임은 현가 장치의 기본 골격으로 현가 장치의 자유도를 결정하며 에어스프링, 감쇠기는 프레임에 결합되어 현가장치의 강성을 결정한다. 프레임 링크의 위치, 길이, 중량에 따라서 전체 시스템의 최대 스트로크 및 운동 성능이 달라진다. 따라서 주요 부품의 무게와 재원을 정확히 측정하여 프레임 시스템 모델을 구성하였다. 또한 프레임 링크 구조의 경우는 닫힌 기구학적 체인(closed loop kinematic chain)으로 모델 구성 시 관절의 자유도가 중복되는 문제가 발생하기 때문에 조인트와 구속 조건을 결합하여 모델을 구성하였다. 시트 현가장치의 시스템 다이어그램은 Fig. 2에 명시 하였다. 각각의 부품은 질량과 관성을 가지고 있는 강체(CAD), 조인트, 구속조건 요소로 연결되었다.

Fig. 1

Joints with free DOF in under body frame structure

Fig. 2

Diagram of Seat frame

2.2 에어스프링 모델 구성

에어스프링 모델의 강성은 내부 공기의 압력, 볼륨, 유효 면적으로 계산될 수 있다. 스프링강성을 계산하기 위해서 단품에 대한 압축 시험을 수행하여 압력과 하중 및 볼륨을 측정하였다.

Photo. 1

Air spring test

에어스프링은 압축/팽창에 대하여 비대칭 거동을 보이며 특히 압축 시 10 mm 이후 에어스프링의 단면적 변화의 영향으로 하중이 급격히 증가하는 비선형 거동을 보인다. 이것은 에어 스프링의 강성이 변위에 따른 셀 내부 공기의 온도/압력/체적에 의해서 결정되기 때문이다.²⁾ 따라서 에어스프링의 강성(k_s)은 다음과 같이 시트 위치에 따른 에어스프링의 체적과 압력에 따른 조건식으로 표현 되어야 한다.

식 (1)을 사용하여 셀 내부의 압력이 9 bar일 경우 압력 변화에 의한 강성과, 유효 단면적 변화에 따른 강성을 계산하고, 시스템 모델에 적용하여 시험결과와 비교하였다(Fig. 3). 스프링 모델은 변위에 대하여 에어스프링의 압력/체적 데이터를 사용할 수 있는 SimulationX^TM의 “air spring”요소를 사용하였다. 시험 결과와 비교한 결과 계산된 에어스프링의 강성은 시험과 매우 유사한 거동을 보였다. 다만 스프링의 압축과 신장에서 발생하는 히스테리시스의 경우 에어스프링 내부의 온도변화가 추가적으로 고려되어야 한다.

Fig. 3

Pressure and effective cross section area changes with compression

2.3 공압 시스템 구성

에어스프링은 내부에 공기를 필요로 하기 때문에 공압 시스템에 의해서 제어된다. 시트의 높이를 일정하게 유지하기 위해서는 시트 높이에 반응하여 에어 스프링 내부의 공기를 유기적으로 제어할 수 있어야 한다. 본 연구에서 사용된 시트 현가장치는 기계적 메커니즘으로 에어스프링을 내부의 공기를 유기적으로 제어하는 자동 높이조절 장치를 반영하였다. 즉 시트의 높이가 낮아지면 에어스프링 내부의 압력이 증가하여 공기를 배출하여 강성을 낮추고, 시트의 높이가 높아지면 부족한 공기를 충전하여 에어스프링의 강성을 증가시킨다. Fig. 4는 자동 높이조절 장치의 구조이다. CAM 구조에 의해서 에어탱크와 시트 에어스프링 사이의 밸브를 제어한다. 기구학적 높이조정장치의 메커니즘을 시스템 모델로 표현하기 위하여 시그널 함수로 새로운 로직을 구성하였다. 로직은 CAM angle을 입력값으로 사용하고 밸브의 미세한 유격을 leveling 함수로 구현하여 에어스프링의 유량을 제어한다(Fig. 5).

Fig. 4

Auto Leveling Valve

Fig. 5

Diagram of “Auto Leveling Valve”

2.4 감쇠기 모델 구성

감쇠기의 작동 주파수 범위는 대략 1 ~ 5 Hz이다. 이는 시트 쿠션의 스트로크 거리(20 ± 10 mm) 및 이동 속도(0.05 ± 0.03 m/s)로부터의 근사적으로 계산된다. 본 연구의 사용된 현가장치의 감쇠기는 감쇠력을 제어하기 위하여 하드, 미디엄 및 소프트의 3 단계로 되어있다. 감쇠기의 감쇠력은감쇠기의 운동 속도에 따라서 결정되기 때문에, 단품 성능 시험을 수행하여 감쇠력-속도의 관계를 도출하였다. 시험 결과를 적용하여 감쇠기의 시스템 모델을 구성하였다. 감쇠기 강도 별 시험 결과와 시스템 감쇠기 모델의 결과를 비교하였다(Fig. 6). 압축 속도에 따른 감쇠력의 비선형 거동이 시험과 시뮬레이션 모델에서 동일한 결과를 보였다.

Fig. 6

Comparison of axial force-compression speed relationship of the shock absorber between test and simulation

3.1 시트 현가장치 정적 평가

일반적인 스프링은 하중에 따른 변위가 발생하여 하중 평형을 만족한다. 그러나, 운전석 시트는 운전자의 자세, 눈높이 등이 운전 환경에 영향을 주기 때문에 설계 단계에서 운전자의 위치가 중요한 설계 인자이다. 따라서 착좌 후 시트의 높이가 변하여 운전 자세가 바뀌는 경우 문제가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 상용차의 시트 현가장치는 자동 높이조절 장치를 사용한다. 정적 평가는 상용차 시트 현가장치가 외부 하중에 대하여 기준 높이를 복원할 수 있는가를 평가한다. 에어스프링의 작동 압력은 9 bar로 설정하고 하중은 75 kg 무게를 사용한다. 기준 위치는 하부 레일에서부터 110 mm이다. Fig. 7은 시트 정적 시험 결과이다. 하중이 30 ~ 38초, 70 ~ 80초에 초기 위치로 회복되었다. 시스템 현가장치 모델에 대하여 75 kg의 하중을 올려 복원되는 것은 확인하였다(Fig. 8). 기준위치에서 하중으로 인하여 현가장치의 높이가 12 mm 낮아졌으며 이때 에어탱크에서 에어스프링으로 공기가 유입되었다. 스프링 내부 압력 증가로 0.4초 이후 질량의 운동 방향이 위쪽으로 변경 되었으며, 0.6초 이후 질량의 높이가 기준보다 높아져 스프링 내부의 공기가 배출되면서 압력이 낮아지고, 1.6초 이후에는 질량의 높이가 기준 위치로 수렴되었다.

Fig. 7

Seat suspension verification

Fig. 8

Air suspension behavior by the Auto Leveling Valve

3.2 시트 현가장치 동적 평가

동적 성능 평가는 진동판 위에서 평가된다. 상하 방향으로 가진 할 수 있는 진동판 위에 현가장치와 75 kg의 질량을 올려놓고 다양한 가진 입력에 대한 질량의 가속도를 측정한다. ISO2631에 따르면 운전자세에서 인체가 가장 민감한 종 방향 주파수 영역을 3 ~ 5 Hz 이며 시트의 진동 절연 성능은 이 주파수 영역에서 가장 중요하다.⁴⁾ 시험에서 진동판의 가진은 3 Hz, 15 mm 크기의 사인파로 가진 하였고 현가장치의 상부 레일에서 전달된 가속도를 측정하였다. Fig. 9는 상부 레일에서 측정된 시험과 시뮬레이션 가속도 결과이다. 시뮬레이션에서 계산된 종방향 가속도는 5.7 m/s²으로 시험대비 약 1.7 %의 차이를 보였다.

Fig. 9

Harmonic excitation of underbody frame model with 75 kgf dead weight