객관적 승차감 평가용 진동 요소 및 평가지수 개발

1. 서 론

자동차의 승차감은 핸들링 및 소음진동 같은 다른 승차감 요소와 함께 소비자의 차량 구매 요건에 매우 중요한 역할을 한다. 따라서 자동차의 승차감 향상을 위한 많은 연구가 진행되어 왔다. 승차감의 향상을 위해서 샤시 부품의 연구 및 설계개선에 대한 연구와 병행하여, 승차감을 평가하는 기술이 다양하게 연구되어 왔다. 승차감 평가기술은 주관평가에 주로 의지하지만 샤시부품의 개선을 위해서는 객관적 평가기술이 필요함으로 승차감에 대한 객관적 평가기술이 연구되어 왔다.^1-5) 승차감의 객관적 평가방법은 운전자 석 시트에서 측정된 진동신호에 대하여 실효치(RMS,root mean square),¹⁾ 피폭값(VDV, vibration dose value),^1-3) 파워스펙트럼(PSD, power spectrum density),²⁾ 등을 계산하여 승차감에 대한 객관적 평가지수로 사용하였다. 이들 진동 값은 인체의 영향을 고려하지 않은 실제 물리적인 값으로 바로 적용하면 실제 운전자가 감성적으로 느끼는 승차감 수준과 많은 차이를 유발한다.²⁾ 따라서 인체의 영향을 고려하기 위해서 실제 측정된 진동 값에 운전자의 신체 특성을 고려한 가중치를 부여하여 객관적 승차감 평가지수 개발에 사용하였다.^1,3) 또한 차량의 감쇠특성이 승차감에 미치는 영향을 평가하기 위해서 측정된 진동 신호의 감쇠율을 측정하여 승차감 지수에 사용하였다.^4,5) 일반적인 평지를 운전 하는 경우 차량의 승차감에 민감한 진동요소는 진동의 평균 진폭크기를 나타내는 RMS 과 PSD 값이며, 범퍼, 돌기부분 등을 주행하는 경우에는 진동의 진폭, 진동의 감쇠율, 그리고 갑작스런 진폭변화에 민감한 VDV 값과 저크(Jerk) 값이 진동요소로 사용 되었다.⁶⁾ 차량이 정상 주행하다 갑자기 돌기 부분을 만나는 경우 승차감 평가를 위해서 다른 진동요소를 측정하여 평가하는 불편함이 있다. 본 연구에서 이러한 불편함을 제거하기 위해서 진동신호에 대한 실시간으로 평균자승(MS: mean square)⁶⁾ 값과 동승차감지수(DCI: dynamic comfort index)⁸⁾ 값을 구하여 이들 값을 이용하여 주관적 승차감과 상관성 높은 객관적 승차감 모델을 개발한다. 이 모델이 객관적 승차감 평가지수가 된다.

2. 승차감 진동요소

차량의 정상 주행 중에 만나는 돌기와 범퍼는 승차감의 변화를 유발한다. 일반적으로 정상주행 시 사용된 진동요소는 실효치이며 과도진동의 진동요소는 피폭값이 사용되었다. 차량에서 측정된 진동신호 가속도 a(n)에 대한 실효치의 수학적 표현은 다음과 같다.

여기서 N 은 측정 구간에 대한 데이터의 숫자이다. 그리고 진동 피폭값은 다음 같은 수식으로 표현된다.

여기서 a_w는 인체요소(Human factor)의 가중치를 고려한 진동 가속도 값이다. 이 두 진동요소를 활용하는 경우 운전자가 주관적으로 정상주행 구간과 과도구간을 판단하여 적용함으로 승차감의 객관적 평가에 운전자의 주관이 도입된다. 본 연구에는 정상주행구간과 과도구간을 정하는 평균자승(MS: mean square) 값의 범위를 정하고, 실 시간으로 평균자승값을 계산하여, 정상평균자승값(MS_trans: transient means square), 과도 평균자승값(MS_stat: stationary means square)으로 나뉘어 승차감을 객관적으로 평가하는 지수를 개발한다. 또한 가속도의 진폭의 최대값의 변화에 비선형적으로 변화하는 진동 승차감을 표현하기 위한 동승차감지수(DCI)를 객관적 승차감 지수개발에 사용한다.

2.1 평균자승

Fig. 1은 조화신호(Sinusoidal signal)와 조화신호의 갑작스러운 변화를 나타내는 과도신호를 나타낸다. 일반적으로 차량이 평지를 주행하는 경우 차량의 진동 가속도 신호가 통계적으로 Fig. 1(a)과 같이 정상신호(Stationary signal)이다. 그러나 주행 중 범퍼와 같은 돌기부분을 만나면 통계적으로 정산신호를 벗어나 Fig. 1(b)와 같이 과도신호(Transient)가 된다. 따라서 두 신호에 대한 실효값(MS:mean square)은 각각 다르다. 본 연구에서 신호변동에 대한 평균자승값을 계산하여 진동 요소로 사용한다. Fig. 1(a)의 정산신호의 평균자승값은 0.5이며, Fig. 1(b)의 과도신호에 대한 평균자승값 는 0.58이다. 특히 과도신호는 과도신호가 발생하는 구간과 발생하지 않는 구간을 다음에 설명하는 식 (3)을 활용하여 선정한다. 따라서 과도신호에서 과도구간의 MS는 0.17이며, 과도신호의 정상구간 MS는 0.41이다.

Fig. 1

Change of MS value for a sinusoidal vibration acceleration (a) stationary signal (b) transient signal

Fig. 1에서 조화신호의 진폭이 크기가 1 라면 과도진동이 발생하는 가속도 값의 피크-피크(Peak to peak) 값이 2 를 벗어남으로 이때부터 과도진동신호이다. Fig. 1(a)의 정상신호에 대한 피크-피크 값은 2이다. 이러한 정상신호의 피크-피크 값을 상위하는 진동이 발생하는 경우 과도진동신호가 발생함으로 정상신호와 과도신호의 경계 피크-피크 값을 T_limit 라 하면, 이것의 수학적 표현은 식 (3)과 같이 표현할 수가 있다.

$\[ T_{\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{t}}=2\sqrt{2}RMS\left(a\right) \]$

(3)

여기서 a는 진동 가속도를 나타내며, RMS는 실효치를 나타낸다. T_limit 값이 식 (3) 값을 상위하는 가속도의 피크-피크구간을 과도구간으로 정의한다. 따라서 차량의 주행 중 측정된 진동값에 대하여 정상구간의 정상평균자승값과 과도구간의 과도평균자승값을 계산할 수 있다. 차량의 실제 주행 중에 측정된 진동가속도 신호가 Fig. 2와 같을 때 저점피크와 고점 피크에서의 a(n)을 식 (4)와 같이 정의한다.

(4)

Fig. 2

Peak segment for vibration acceleration measured on a test vehicle and ptp (k) value in the segment

진동가속도 신호에서 저점피크와 고점 피크가 발생하는 구간을 N_k 로 나타내면, k=1,2,...,N_k 이고 N_k 는 전체 피크-피크 구간의 수가 된다. 따라서 k번째 구간의 가속도 a_k 는 식 (5)로 표현된다.

$\[ a_k={\left\{a\left(n\right)\right\}}_{n=n_k}^{n=n_{k+1}}k=\mathrm{1,2}\dots .N_k-1 \]$

(5)

그리고 각 구간에 대한 피크-피크 값은 식 (6)과 같이 표현된다.

$\[ ptp\left(k\right)=\left|max\left(a_k\right)-min\left(a_k\right)\right| k=\mathrm{1,2}\dots .N_k-1 \]$

(6)

가속도의 피크가 발생하는 피크-피크 구간에서 정상구간과 과도구간의 기준은 식 (7)과 같이 표현된다.

$\[ a_{trans}^k=\left\{\begin{array}{cccc}{\left\{a\left(n\right)\right\}}_{n=n_k}^{n_{k+1}}& ptp\left(k\right)>T_{\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{t}}& \mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}& ptp\left(k-1\right)\le T_{\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{t}}\\ {\left\{a\left(n\right)\right\}}_{n=n_k+1}^{n_{k+1}}& ptp\left(k\right)>T_{\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{t}}& \mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}& ptp\left(k-1\right)>T_{\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{t}}\\ 0& & & otherwise\end{array}\right\} \]$

(7)

3. 주행시험 및 진동요소

3.1 주행시험 및 측정

인체진동^1-3) 이론에 의하면 자동차의 승차감 평가를 위해서 차량의 진동을 측정하는 위치는 Fig. 3에서 보여주는 바와 같이 운전자의 등, 엉덩이, 발 부분에서 측정한다.

Fig. 3

Measurement direction and point for the whole body vibration measurement

본 연구에서는 Fig. 4에서 보여주는 바와 같이 차량 운전자의 시트, 시트백, 시트레일에서 3축 방향으로 진동가속도를 측정한다. 또한 핸들과 소음도 동시에 측정하여 시험차량 간의 기준으로 사용했으며 본 연구의 데이터로서는 사용하지 않았다.

Fig. 4

Sensor position for vibration acceleration measurement of test vehicles

가속도 센서(Endevco 65, USA)가 시트백과 시트레일의 진동가속도를 3축 방향으로 측정하는데 사용되었고, 시트패드 센서(Bruel & Kjaer 4515-B-00 Triaxial Seat Pad, Denmark)가 시트의 3축방향 진동가속도 측정에 사용되었다. 가속도의 주파수분석 및 데이터 처리에 사용된 실험분석기는 진동소음분석기(Simens CADAS Mobile SCM05 & Virtual Lab., Germany)이다.

진동요소를 계산하기 위해서, 측정된 가속도에 ISO³⁾ 규정에 의한 인체진동 가중치 필터를 적용하여 인체의 영향을 고려한 진동가속도 값으로 변환하여 진동요소 계산에 사용하였다. 측정된 진동데이터에 대한 분석 흐름도는 Fig. 5와 같다.

Fig. 5

Flow chart of data for calculation of vibration metrics

실험에 사용된 차량은 Table 1에서 보여주는 바와 같이 국내외 공급 승용차 8대이다. 차량의 동력장치 제원은 V6 엔진과 자동변속기를 탑재한 차량이다. 서스펜션에 대한정보는 정확하게 알 수 없으나 일반적으로 알려진 수준을 표시하였다. 상업적 논란을 피하기 위해서 차량의 제조사 명은 본 논문에 상세히 공개하지 않는다. 차량의 주행실험은 현대자동차 주행시험장 내의 양로, 험로, 임팩트 로드에서 실시하였다. 양로와 험로의 주행 속도는 100 km/h이며 임팩트 로드는 40 km/h로 주행하였다.

Table 1

General information for specification of 8 test cars

3.2 주행 진동요소 계산

3.2.1 평균자승

본 연구에서는 측정된 진동 가속도를 이용하여 정상구간과 과도구간을 구별해야 함으로 식 (4)를 이용하여 피크-피크 구간을 계산하였으며, Fig. 6은 본 연구에 사용된 실험차량에서 측정된 가속도 값과 피크-피크 구간을 나타낸다.

Fig. 6

Segment of an acceleration signal measured on one of test vehicles

실선은 정상구간을 나타내며, 점선은 과도구간을 나타낸다. 이들 구간에서 평균자승값은 과도구간의 피크-피크 가속도 값과 나머지 정상구간의 피크-피크 가속도 값에 대한 평균자승값을 계산하여 구할 수 있으며 식 (9)와 식 (10)으로 표현된다.

$\[ M{S}_{trans}=\frac{1}{N}{\sum }_k^{N_k-1}{\sum }_n{\left|a_{trans}^k\left(n\right)\right|}^2 \]$

(9)

$\[ M{S}_{stat}=\frac{1}{N}{\sum }_1^{N}a{\left(n\right)}^2-M{S}_{trans} \]$

(10)

식 (3)과 식 (7)을 활용하여 정상구간과 과도구간을 결정하고, 각 구간에 대한 평균자승값을 계산하였다.

3.2.2 동 승차감지수

주행 중 측정된 실험차량에서 식 (8)을 이용하여 진동가속도의 역 파워량을 측정하였다. 이 값은 반비례 특성을 가짐으로 진동 가속도 파워량이 실시간으로 일정한 값에 도달하면 승차감이 나쁘게 인지됨을 의미한다. 진폭이 무한하게 증가해도 동 승차감 지수는 일정한 값에 도달한다.

4. 승차감 주관평가와 진동요소 상관성

차량의 주행 중 승차감에 대한 주관적인 평가를 위해서 일반적으로 자동차회사에 사용되는 질의어⁹⁾는 하쉬니스(Harshness)와 하드니스(Hardness)이다. 하쉬니스는 차량의 피칭진동을 평가하며, 하드니스는 차량의 바운스 진동을 평가한다. 그리고 엔진에 의한 떨림(Shake)을 추가로 평가한다. 일반 고객은 단순히 이런 표현은 구별하지 않고 복합하여 승차감으로 표현한다. 본 연구에서는 일반인을 대상으로 복합감성을 평가하였다. 평가는 임팩트 로드, 양로, 험로에서 주관적으로 평가하였다. 본 연구에 주관평가에 참여한 고객은 30명이며, 이들의 평균 나이는 28세이며 편차는 1.2세이다. 그리고 신체는 건장하며 모두 운전 가능한 사람으로 하였다. 자동차에 대한 전문가는 아닌 일반인이며 여기에 여성도 3명 포함되어 있다.

평가방법은 레이팅 방법³⁾(Rating Method)을 사용하였으며, 8대의 고급승용차를 주행 후 승차감에 대한 주관적 평가를 수행하였다. Rating 방식은 Table 2에서 보여주는 바와 같이 1점에서 7 방식을 사용하였다.

Table 2

Guideline for ride quality evaluation

Fig. 7은 임팩트 로드(Impact road), 양로(Normal road), 험로(Rough road)에서 진행된 승차감 주관평가에 대한 실험차량별 상대비교로서 각 도로의 주관평가 평균치와 표준편차를 나타낸다. 차량 F에 대한 평가는 임팩트 도로 및 험로와 양로에서 좋고 나쁨이 명확 한 것 같다. 각 차종이 노면에 따른 평가를 비교하기 위해서 노면에 대한 상대비교를 Fig. 8과 같이 평균 값을 비교하였다.

Fig. 7

Comparison of subjective evaluation between test vehicles (a) impact road (b) normal load (c) rough road

Fig. 8

Subjective rating for ride comfort quality

Fig. 8은 임팩트 로드, 양로, 험로에서 진행된 승차감 주관평가에 대한 상대비교로서 각 도로의 주관평가 평균치를 나타낸다. 이 결과에 의하며 서스펜션이 단단한 차량이 좋은 승차감을 보여주며, 부드러운 서스펜션을 가진 차량은 임팩트 로드와 험로에서 승차감이 좋은 결과를 보여준다. 차량 E의 경우는 특이한 경우로서 도로에 관계없이 승차감 평가 값이 동일했다. 결과적으로 E 차량이 각 도로에서 승차감 평가의 기준 값으로 사용된 것으로 판단된다. 즉 평가자들이 승차감 평가를 E 차량을 기준으로 진행하였음을 알 수 있다.

5. 객관적 승차감평가지수

승차감지수를 개발하기 위해서 진동요소와 주관평가 결과의 상관성을 구하였다. Table 3은 각 도로별 차량의 주관적 평가의 평균값을 나타낸다. Table 4는 각 도로 별 실험차량에서 측정된 진동가속도 데이터를 식 (9), (10), (8)에 적용하여 계산한 진동요소 MS와 DCI 에 대한 값을 나타낸다. 측정점과 측정 방향에 대한 설명은 Table 4 아래 주석으로 나타냈다. 본 실험을 통하여 많은 지점의 진동을 측정 하였으니 Table 4에 표시하지 않은 다른 측정점의 가속도 데이터는 주관적 평가와 상관성이 낮음으로 사용하지 않음으로 표시하지 않았다.

Table 3

Subjective rating for test vehicle (mean value)

Table 4

Vibration metric for the data measured on test vehicle

Table 5는 각 주행도로에 대한 진동요소와 주관적 평가의 상관성을 표시한다. 임팩트 로드에서는 MS가 상관성이 높으나 DCI는 낮다. 따라서 임팩트 로드는 MS만을 객관지수에 사용하였다. 양로와 험로는 MS 및 DCI가 주관적 승차감과 상관성이 높음으로 이들 진동요소를 이용하여 객관적 승차감 지수를 제작하였다.

Table 5

Subjective rating for test vehicle (mean value)

객관적 지수를 사용하면 시간이 많이 소용되는 차량의 승차감 평가를 진동측정을 통하여 예측할 수 있는 장점이 있다. 지수를 제작을 위해서 일반적으로 많이 사용하는 다중선형 회기분석법(Multiple Linear Regression)을 이용하였다. 회기분석법에 사용되는 일반적인 관계식은 식 (11)과 같다.

여기서

Y_i: i번째 관측값에 대한 종속변수의 값
α, β₁, ..., β_k: 모집단 회귀 방정식의 회귀계수
x_ki: i 번째 관측값에 대한 k 번째 독립변수의 값
ε_i: i 번째 관측값에 대한 오차항을 나타내는 변수이다.

회귀계수를 구하기 위해서 사용한 진동요소는 Table 4와 같으며, 목표값은 Table 3에서 보여주는 바와 같이 승차감에 대한 주관적 평가 값이다. 임팩트 도로, 양로, 험로에 대한 각각의 승차감 지수에 대한 회귀계수는 Table 6과 같다.

Table 6

Ride comfort quality index and weighting coefficients for vibration metrics

Fig. 9는 주관적인 승차감 평가 값과 승차감 지수의 출력을 통하여 구한 객관적 지수와의 상관도를 나타낸다. 원형 표시는 결정계수(R²)는 임팩트 로드는 0.92 이고, 양로는 0.85 이며, 험로는 0.93 이다. 이것을 정리하여 Table 5에 정리하였으며, 이결과는 통해서 승차감을 객관적으로 예측하는 방법을 개발하였다.

Fig. 9

Correlation between subjective rating and objective rating. (a) impact road (b) normal road (c) rough road

개발된 승차감 지수의 검증을 위하여 지수개발에 사용되지 않은 차량 3대에 대하여 차량진동을 측정하고, 주관적 승차감 평가를 시행하였다. 측정된 실험데이터를 평가지수에 입력하여 객관적 평가지수를 구하여, 주관적 평가결과와 비교하였다. 추가된 검증용 실험에 대한 결과를 Fig. 9에 데이터 1,2,3로 표시하였다. 추가된 데이터의 영향으로 상관계수가 증가하였다.

6. 결 론

본 연구에서는 실시간 주행 중에 승차감을 객관적으로 평가할 수 있는 방법에 대한 승차감 평가지수를 개발하였다. 본 지수개발에 사용된 진동요소는 실시간 평균진동 자승값과 동 승차감 지수를 사용하였다. 평균진동 자승값은 정상구간과 과도구간을 구별하여 승차감 지수개발에 사용되었다. 실험에 사용된 차량은 국내외 고습승용차 8대이며, 승차감 평가에 사용된 도로는 임팩트 도로, 양로, 험로 세 조건이며, 각 도로에서 실험차량을 주행 중 진동측정과 주관적 평가를 실행하였다. 임팩트 로드에서는 평균진동 자승값이 주관적 평가와 상관성이 높았으며, 험로에서는 진동 자승값과 동 승차감 지수가 상관성이 높았다. 양로에서는 진동평균 자승값보다 동 승차감 지수가 상관성이 높았다. 양로에서는 과도구간이 적은 영향으로 판단된다. 상관성 높은 진동요소와 주관평가를 이용하여 개관적 승차감 평가를 위한 모델을 개발하여 승차감을 개관적으로 예측하는 승차감 지수를 개발하였다.

Acknowledgments

이 성과는 2019년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No.2019R1A2B5B02069400). 또한 (주) 엔지비 통한 현대자동차의 지원을 받아 수행된 연구임.

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