튜닝용 자운스 범퍼 개발 및 차량 동역학 모델을 활용한 승차감 성능 검증

1. 서 론

자운스 범퍼는 차량의 서스펜션에 위치해 불규칙한 도로나 범퍼를 넘을 때 발생하는 과도한 충격을 흡수하는 장치이다. 과거에 자운스 범퍼는 충격 구간에서 쇽업쇼버 압축 시 특정 높이에서 멈추어 단순히 쇽업쇼버를 보호한다 하여 스토퍼라고 불렸었다. 하지만 현재는 안전 보조 장치 역할에 더불어 차량의 승차감 및 주행 성능을 확대시킬 수 있는 부품으로 여겨진다. 일반적으로 자운스 범퍼는 폴리우레탄 소재로 제조되며, 충격량을 흡수하여 과대변위를 막아주어 차체와 서스펜션을 보호할 수 있다. 서스펜션 구성 요소가 완전히 압축되는 것을 방지하여 소음(Noise), 진동(Vibration) 및 불쾌감(Harshness) 성능을 향상 시킬 수 있다. 자운스 범퍼의 높이에 따라 충격으로부터 차체와 휠이 압축되어지는 양을 조절할 수 있다. 이번 연구에서 자운스 범퍼의 가장 중요한 특성은 범퍼가 압축될 때 나타나는 비선형 하중-변위(Load-displacement : LD) 곡선이다. 본 연구에서는 기존의 폴리우레탄 소재의 자운스 범퍼만으로는 가질 수 없었던 하중-변위 곡선을 가지는 튜닝용 자운스 범퍼를 개발하는 것이 목표이다.

튜닝용 자운스 범퍼는 기존 자운스 범퍼에 3가지 컨셉의 서포트 범퍼를 추가 조립시키는 디자인으로 설계되었다. 서포트 범퍼 3가지 컨셉은 스페이서, 서포트 링, 스트라이커 캡으로 이름 지었으며, 고무와 플라스틱의 특성을 가지고 있는 열가소성 엘라스토머(Thermoplastic Elastomer : TPE) 소재로 제작되었다. 서포트 범퍼는 자운스 범퍼와 조립되어져 과도한 충격이 가해질 때, 기존 자운스 범퍼를 보조해주는 역할을 수행한다. 각 컨셉의 서포트 범퍼는 제작 전에 해석을 이용해 각각이 가지고 있는 LD 그래프 성능을 확인하며, 기존 자운스 범퍼 제품과 간섭되어지는 부분들이 없는지 등을 확인하였다. 그 결과, 각각의 서포트 범퍼는 서로 다른 압축 구간에서 자운스 범퍼를 보조하여 단일 자운스 범퍼보다 충격량을 더 많이 흡수하게 된다. 스트라이커 캡은 초기 압축 구간에 작용하고, 서포트 링은 중간 압축 구간에 작용, 스페이서는 과대 압축 구간에 작용하게 된다. 즉, 특정 압축 구간이 아닌 전 압축 구간에서 자운스 범퍼를 보조하여 운전자로 하여금 승차감이 향상된 것을 느낄 수 있다. 각각의 서포트 범퍼는 TPE 소재를 녹이고 금형을 이용해 제작되어 제작비용이 아주 저렴하다. 또한 3가지 컨셉이 모두 조립되어도 중량 증가는 100 g 미만으로 제작비용, 중량 증가 측면 대비 성능 개선에서 긍정적인 효과를 가진다.

과거에 단순히 스토퍼로서의 역할을 했던 자운스 범퍼는 스프링 보호와 차량의 주행 성능 및 승차감을 증대시키기 위해 여러 연구들이 진행되어져 왔다. 본 연구와 유사한 연구로는 자운스 범퍼의 에너지 흡수량 증가를 위해 이중 자운스 범퍼(Dual Rate Jounce Bumper)를 개발한 연구가 있었다.^1,2) 이 연구들은 제품을 단순 제작, 실험을 반복하여 개발한 연구로 학문적인 지식이 크게 요구되지 않았다. 본 연구는 이전 연구 중 쇽업쇼버 내측에 장착되어지는 리바운드 범퍼³⁾를 벤치마킹하여 자운스 범퍼를 보조해주는 범퍼를 개발한 연구를 바탕으로 진행되었다.⁴⁾ 본 연구에서는 구조 해석을 이용하여 압축 시 발생할 수 있는 간섭, 이탈 현상을 방지하였으며, 압축 구조 해석을 이용해 제품의 LD 성능을 예측할 수 있다. 또한, 이전 연구들은 자운스 범퍼의 에너지 흡수량을 증가시키는 것을 목적으로 하여 새로 개발된 자운스 범퍼가 차량에 장착되었을 때, 어떤 효과로 작용하는지는 제시하지 못했다. 즉, 새로 개발된 자운스 범퍼가 이전 제품에 비해 에너지 흡수량이 증대되었지만, 차량에 적용했을 때는 이전 제품에 비해 운전자로 하여금 승차감이 향상되었다고 할 수 있는지 제시하지 못했다. 이외에 앞선 연구들 중에는 조향 휠에서의 수직 방향 진동에 대한 주파수 가중치를 도출하여 감각 곡선을 추정하여 승차감을 평가한 연구들이 있었다.^5-7) 따라서 본 연구에서는 개발된 튜닝용 자운스 범퍼를 다물체 시스템 모델에 적용하여 승차감을 평가하는 지수로 이용되는 국제 표준 ISO 2631-1-1997에 근거해 기존 자운스 범퍼와 개발품인 튜닝용 자운스 범퍼를 비교·분석하였다.^8,9) 충격이 자운스 범퍼까지 가해질 수 있는 장애물을 차량 모델이 통과하게 설계하여 주행 속도(20, 30, 40, 50, 60 70, 80 km/h)에 따라 승차감 성능을 나타내는 지수가 개선된 정도를 평가하였다. 그 결과 모든 속도에서 승차감 지수가 좋아졌으므로, 본 연구의 개발품인 튜닝용 자운스 범퍼의 실효성을 검증하였다.

2. 튜닝용 자운스 범퍼 개발

2.1 서포트 범퍼 디자인 컨셉

튜닝용 자운스 범퍼는 기존의 단일 자운스 범퍼에 서포트 범퍼를 추가 설계하여 조립되는 디자인 컨셉을 가진다. 서포트 범퍼는 3가지 컨셉으로 설계되어 구조는 Fig. 1에 자세히 나타냈다. 각각의 서포트 범퍼는 압축 구간이 달라 충격이 가해져 자운스 범퍼가 압축될 때, 이를 보조해주는 역할을 한다. 스트라이커 캡은 가장 먼저 자운스 범퍼와 맞닿아 초기 압축 구간에서 작용하며, 서포트 링은 중간 압축 구간에서 자운스 범퍼를 보조한다. 스페이서는 자운스 범퍼 내측에 위치해 과대 충격 구간에서 자운스 범퍼를 보조하게 된다. 따라서 특정 압축 구간이 아닌 전 압축 구간에서 3가지 컨셉의 서포트 범퍼가 자운스 범퍼를 보조하여 충격량을 흡수할 수 있다.

Fig. 1

Jounce & support bumper design

2.1.1 스페이서 (Spacer)

튜닝용 자운스 범퍼의 스페이서는 자운스 범퍼 상단 내측에 조립되어 성능 커브의 변화를 유도한다. 주행 중 과대 충격이 작용될 때, 자운스 범퍼를 보조하여 충격 흡수를 작용하게 된다. Fig. 1에서 보는 바와 같이 자운스 범퍼의 내측에 위치하여 높은 장애물을 넘을 때와 같이 과대 충격이 가해져 압축될 때 충격량을 흡수해준다. 충격 압축 시 샤시 모듈을 보조해주는 B/H(Block Height; Bump stop position)을 유지한 상태에서 에너지 흡수량을 제어해야 하므로 스페이서의 적절한 압축량이 결정되어야 한다. 스페이서 제품의 제작 모델은 Fig. 2에 나타냈으며, 제작 전에 해석 모델을 이용하여 LD 성능 그래프를 예측하며, 자운스 범퍼와의 간섭이 있는지를 확인하였다. 그 결과, 자운스 범퍼와 간섭이 없는 제품을 설계하여 제작하였으며, 실제 제품과 해석 모델의 LD 성능 그래프도 큰 차이 없이 나타난 것을 확인할 수 있다.

Fig. 2

Spacer LD performance test & analysis results

2.1.2 서포트 링 (Support ring)

서포트 링은 자운스 범퍼의 중간 컨볼루트에 조립되어진다. 서포트 링은 스페이서에 비해 상대적으로 작은 충격량에도 자운스 범퍼를 보조하는 역할을 수행한다. 따라서 스페이서는 자운스 범퍼의 형상을 유지시켜줄 뿐만 아니라 차량의 고속 주행 시 발생하는 하쉬니스와 롤링 저감 효과로 작용하여 차량의 주행 안정성을 높여준다. 서포트 링은 어느 시점 이상의 압축이 가해질 때, 자운스 범퍼와 이탈되는 현상이 발생한다. 이를 해결하기 위해 상하 접시형 구조를 설계하여 해석모델에 적용하여 이탈되는 현상을 방지할 수 있었다. Fig. 3은 서포트 링 실제 제품과 해석 모델로, 해석을 이용한 LD 성능과 실제 제품의 LD 성능이 유사한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3

Support ring LD performance test & analysis results

2.1.3 스트라이커 캡 (Striker cap)

스트라이커 캡은 쇽업쇼버 상단에 조립되어진다. 스트라이커 캡은 차량에 수직 방향의 충격량이 가해져 서스펜션이 압축될 때, 자운스 범퍼와 가장 먼저 맞닿아 압축되어진다. 따라서 스페이서나 서포트 링이 작용하는 충격량보다 작은 충격에도 자운스 범퍼를 보조해주는 역할을 가장 먼저 수행하게 되어 다른 서포트 범퍼 제품에 비해 내구성이 가장 중요한 요소로 작용한다. 또한, 스트라이커 캡의 높이를 변화시켜 자운스 범퍼와 초기 접촉되는 위치를 조절하여 초기 압축 구간에서의 성능을 튜닝할 수 있는 제품이다. Fig. 4는 스트라이커 캡 제품과 해석 모델로 해석에서 예측된 LD 성능 그래프가 실제 제품의 LD 성능 그래프와 유사함을 나타낸다.

Fig. 4

Striker cap LD performance test & analysis results

2.2 튜닝용 자운스 범퍼

튜닝용 자운스 범퍼는 앞선 3가지 컨셉의 서포트 범퍼가 조립되어진 구조를 가진다. Fig. 5는 개발된 튜닝용 자운스 범퍼이며, 해석 모델을 이용해 예측된 LD 성능 그래프와 실제 제작되어 조립된 제품의 LD 성능 그래프가 유사한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다. Fig. 6은 단일 자운스 범퍼 3개의 샘플과 튜닝용 자운스 범퍼 3개의 샘플에 대해 LD 성능 시험 결과이다. 튜닝용 자운스 범퍼는 압축 초･중기에 조립된 서포트 범퍼에 의해 더 큰 충격량을 흡수할 수 있다. 과대 충격 구간에서는 단일 자운스 범퍼보다 더 유연한 압축을 통해 충격을 흡수･분산할 수 있다.

Fig. 5

Tuning jounce bumper LD performance test & analysis results

Fig. 6

Single jounce bumper vs Tuning jounce bumper LD performance tests

3. 차량 모델을 이용한 안정성 평가

3.1 동특성 평가를 위한 다물체 시스템 모델

본 연구에서 개발된 튜닝용 자운스 범퍼의 성능 확인을 위해 다물체 시스템 모델을 이용하였다. ADAMS/CAR¹⁰⁾ 소프트웨어를 이용하여 구성된 차량 모델의 동특성 결과를 분석하여 나타낸다. 모델 차종은 전륜은 맥퍼슨 서스펜션, 후륜은 멀티링크의 구조를 가지고 있는 중형 승용 차량이다. 타이어는 횡 방향 변형 특성이 잘 반영되어 승차감 해석에 많이 쓰이는 F-tire를 적용하였다. 개발된 고성능 자운스 범퍼는 후륜 멀티링크에 적용된다. 차량의 승차감 성능을 평가하는 방법은 국제 표준 ISO 2631-1-1997에 근거하여 단일 자운스 범퍼와 튜닝용 자운스 범퍼 두 모델이 적용된 차량을 비교･평가하였다. 차량 모델은 Fig. 7과 같이 전륜은 맥퍼슨 서스펜션, 후륜은 멀티링크의 구조를 가지고 있는 모델이다. Fig. 8에 맥퍼슨 서스펜션과 멀티링크 서스펜션을 세부적으로 나타냈다. 식 (1)은 승차감 성능을 평가하는 지수를 나타내는 식이다. 승차감 성능을 나타내는 주파수는 (0.5~80) Hz에 해당한다. a_w는 차량 중심의 수직 방향 가속도의 RMS(Root Mean Square) 값을 나타내며, G_a는 수직 방향 가속도의 PSD(Power Spectral Density), w(f)는 주파수에 따른 가중치이다. 식 (2) 주파수에 따른 가중치는 인간에 민감한 영향을 미치는 주파수들을 고려하여 분배되어 있다. (4~12.5) Hz에서 인간의 내부 장기 및 척추에 민감한 영향을 나타내므로 높은 가중치를 가진다.

Fig. 7

Multi-body system model

Fig. 8

Multi-body system model front&rear suspension

$\[ a_w={\left[{\int }_{0.5}^{80}{w}^2\left(f\right){ G}_a\left(f\right) df\right]}^{\frac{1}{2}} \]$

(1)

where a_w: RMS of vertical acceleration (m/s²)
        G_a : PSD of vertical acceleration (m/s²)
        w(f) : Frequency weighting function

(2)

3.2 동특성 해석 결과 분석

개발된 튜닝용 자운스 범퍼의 승차감 성능 검증을 위해 차량 동역학 모델을 구성하였다. Fig. 9의 차량 모델은 자운스 범퍼까지 충격이 가해질 수 있게 Fig. 10에 나타낸 크기의 장애물을 통과하게 된다. 차량 모델의 주행 속도는 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 km/h의 속도로 장애물을 통과한다. 기존의 단일 자운스 범퍼와 새로 개발된 튜닝용 자운스 범퍼는 차량의 후륜 멀티링크 서스펜션에 적용하였다. 다양한 주행 속도(20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 km/h)에서 동일한 장애물을 통과하는 해석을 진행하여 차량 중심의 수직방향 가속도 데이터를 PSD(Power Spectral Density)로 나타내면 Fig. 11과 같다. 주파수 30 Hz 이상에서는 PSD 값이 거의 나타나지 않아 x축(주파수) 범위는 0~30 Hz까지 나타냈다. 식 (1)에서 승차감을 평가하는 지수인 차량 중심의 수직방향 가속도 RMS는 수직방향 가속도의 PSD와 주파수에 따른 가중치에 의해 계산되어진다. 그 결과, 속도에 따른 수직방향 가속도 지수는 Fig. 12에 나타냈다. 속도 40, 50 km/h에서는 단일 자운스 범퍼와 튜닝용 자운스 범퍼의 승차감에 큰 차이가 없지만, 그 외의 속도(20, 30, 60, 70, 80 km/h)에서는 수직방향 가속도 지수가 더 낮게 나타나 승차감이 향상된 것을 알 수 있다. 따라서 ADAMS/CAR 소프트웨어의 다물체 시스템 모델을 이용하여 본 연구에서 새로 개발한 튜닝용 자운스 범퍼의 승차감 성능이 단일 자운스 범퍼보다 더 향상되었음을 해석적으로 확인할 수 있다.

Fig. 9

Dynamic analysis vehicle model

Fig. 10

Obstacle cross-sectional drawing

Fig. 11

Vertical acceleration PSD of vehicle center

Fig. 12

Vertical acceleration RMS

4. 결 론

본 연구에서는 에너지 흡수량이 증가된 튜닝용 자운스 범퍼를 개발하였다. 튜닝용 자운스 범퍼는 기존 자운스 범퍼와 3가지 컨셉의 서포트 범퍼가 조립체로 만들어졌다. 각각의 서포트 범퍼는 특정 압축 구간이 아닌 자운스 범퍼가 압축되는 전 구간에서 충격 흡수를 보조한다.

• 1) 각각의 서포트 범퍼는 디자인 설계 시 자운스 범퍼와 조립성을 확인해야 한다. 이격 없이 조립되면 과도 압축 시에 간섭에 의해 크랙이 발생할 수 있고, 반대로 이격이 너무 클 경우에는 서포트 범퍼가 자운스 범퍼로부터 이탈될 수 있다. 따라서 Abaqus 툴을 이용한 구조 해석을 통해 기존 자운스 범퍼와의 조립성을 미리 확인하여 설계를 진행하였다.
• 2) 시뮬레이션을 이용해 서포트 범퍼와 자운스 범퍼의 압축 구조 해석을 진행하였다. 해석을 이용해 해당 디자인의 제품이 가지게 될 LD 특성을 사전에 확인하였다. 다음으로 실제 제품을 만들고 해석과 동일한 조건에서 실험한 결과와 비교하여 해석을 통해 예상된 LD 특성과 유사함을 가지는 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구의 해석 모델을 이용하면 사용자가 원하는 에너지 흡수량 선도에 맞는 제품을 설계할 수 있는 가능성을 보여준다.
• 3) 앞서 개발된 튜닝용 자운스 범퍼의 승차감 성능을 검증하기 위해 ADAMS/CAR 소프트웨어를 이용해 차량 동역학 모델을 구성하였다. 기존의 단일 자운스 범퍼와 튜닝용 자운스 범퍼를 각각 차량 모델에 적용하여 설치된 장애물을 통과할 때의 동특성 결과를 분석하였다. ISO 규정에 따라 주행 속도 20~80 km/h에서 모두 승차감이 좋아진 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 새로 개발된 튜닝용 자운스 범퍼가 적용된 차량 모델의 동특성 결과 분석을 통해 개발품의 실효성을 검증하였다.

따라서 이번 연구를 통해 소비자가 원하는 승차감 특성에 가까운 성능을 가지기 위한 간단한 튜닝법에 대해 소개하고, 이를 동역학 차량 모델에 적용하여 다양한 속도에서 승차감 성능을 평가할 수 있다.

Acknowledgments

본 연구는 산업통상자원부 및 한국산업기술평가관리원(KEIT)이 지원하는 글로벌 전문 기술개발사업(10076515)의 지원으로 수행된 연구입니다.

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