강경호
(Kyongho Kang)
†iD
박종덕
(Jongdeok Park)
1iD
-
(Electrification System Team, Hyundai-Rotem Defense R&D center, Korea)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
MR damper, Semi active suspension, Solenoid valve, Magnetic material applications
Nomenclature
$\mu$：
항복점 이전 유체 점도 [Pa.s]
$\mu_{r}$：
항복점 이후 유체 점도 [Pa.s]
$\tau_{0}$：
항복점 이전 정적 항복응력 [Pa]
$\tau_{1}$：
항복점 이후 정적 항복응력 [Pa]
$\tau_{2}$：
항복점 이후 동적 항복응력 [Pa]
$L$：
유로 길이 [m]
$h$：
유로의 폭 [m]
$\omega$：
유로의 둘레 [m]
$\triangle p$：
압력 강하량 [Pa]
$Q_{a}$：
유량 [m3/s]
$F_{damp}$：
감쇠력 [N]
$V_{p}$：
피스톤 속도 [m/s]
$C_{p}$：
관로저항 계수 [-]
$A_{eff}$：
유로 면적 [m2]
$L_{a}$：
유효 유로 길이 [m]
$F_{f}$：
마찰력 [N]
$C_{sky}$：
skyhook 게인 [N.s/m]
$k_{s}$：
현가시스템의 스프링 상수 [N/m]
$k_{u}$：
타이어의 스프링 상수 [N/m]
$m_{s}$：
현가 상부 질량 [kg]
$m_{u}$：
현가 하부 질량 [kg]
$Z_{s}$：
현가 상부 질량요소의 변위 [m]
$Z_{u}$：
현가 하부 질량요소의 변위 [m]
1. 서 론
온실가스 저감 및 연비 규제대응을 위해 친환경 차량의 개발은 자동차 업체의 필수적인 전략으로 매년 출시차종 및 판매수량이 증가하고 있다. 특히 대중교통의
경우 정부 정책에 따라 온실가스 저감 효과를 증대시키기 용이하여 다양한 노선버스를 중심으로 친환경 차량의 적용이 증가하고 있다. 대표적인 친환경 차량
중 전기버스는 시내 및 단거리 노선, 수소전기 버스는 광역 및 장거리 노선용으로 사용 되고 있다. 이러한 친환경 상용 버스는 차체 상부에 배터리 팩
및 수소 탱크와 같은 고 중량의 에너지 저장장치를 위치시키기 때문에 차량의 무게중심이 높아지고 전체 차량 중량이 증가하는 특징을 가진다. 이에 따라
기존 내연기관 차량 대비 거동안정성과 승차감을 높이기 위한 현가 특성을 요구하게 된다[1-2].
MR댐퍼는 유체에 인가된 자기장에 따라 유체의 점도가 변화하는 MRF(Magnetorhelogical Fluid : 자기유변유체, 이하 MRF)를
이용한 댐퍼로 다양한 연구자들에 의해 선형 타입, 회전형 타입에 연구 및 검증이 이루어져 왔다[3-9]. 특히 선형 타입의 MR 댐퍼는 기존 오일식 수동형 댐퍼 대비 구조의 호환성과 가변 가능한 감쇠력특성, 빠른 응답성, 낮은 소모 전력의 특징으로
고성능 및 고급차량에 적용되었다[10]. MR댐퍼가 적용된 차량은 감쇠력이 가변 가능한 특징으로 반능동 현가제어가 가능하여 차량의 주행 시 다양한 노면조건에서 롤링 및 피칭, 수직방향
가속도의 제어가 가능하며[11] 본 논문에서는 차량 현가장치 방식 중 반능동 현가시스템인 MR 댐퍼 시스템을 대상으로 현가시스템의 감쇠력특성인 F-V(Force- Velocity
: 감쇠력-속도, 이하 F-V) 커브를 정밀하게 계산하기 위한 MATLAB 기반의 툴 환경을 소개한다. 또한 MR 댐퍼 방식의 반능동 현가시스템의
핵심부품인 전자석 솔레노이드 밸브의 자성체 재질 특성이 댐퍼의 F-V 특성에 미치는 영향을 분석한다. 이를 위해 측정된 MR유체의 물성과 다양한 자성체
재질의 물성을 감쇠력 계산 툴 환경에 직접 입력하여 실험으로 계측된 F-V 커브와 해석결과를 비교한다. 최종적으로 계산된 감쇠력 특성이 차량에 미치는
영향을 분석하기 위해 상용 버스모델의 차량 동역학기반 동특성 해석을 수행한다. 이를 통해 MR 댐퍼 솔레노이드 밸브의 자성체 재질특성이 차량 거동
및 진동 감쇠에 미치는 영향을 분석하고 제안된 후보군 중 특성이 가장 우수한 재질을 제안한다.
2. 본 론
2.1 MR유체 모델링과 감쇠력 계산
MR 유체는 현탁액으로, 자기장이 가해졌을 때 입자간의 Chain을 형성하고 강한 인력을 가지게 된다. 이러한 MR 유체의 특성은 자기장에 따라 달라지며,
감쇠력 계산에 유체 특성을 고려하기 위해서는 유체의 거동을 설명하는 모델이 필요하다.
일반적으로 자기 유변 유체의 특성을 고려하기 위해 Bingham plastic[12], Bi-plastic Bingham[13], Herschel -Burkley(H-B)[14] 모델이 많이 이용된다. 이 외에도 MR 유체의 비선형 유변학적 특성을 설명하기 위한 Eyring, Casson, Papanastasious, Papanastasious-
Herschel-Bulkley와 같은 모델들이 있지만 많은 매개변수, 복잡한 특성 및 복잡한 계산으로 인하여 댐퍼 설계 단계에서 이용하기엔 적합하지
않은 모델들이다[15-16]. 따라서 본 연구에서는 MR 유체의 특성을 모델링하기 위해 Bi-plastic Bingham 모델을 검토하였다. Bi-plastic Bingham
모델에 대한 전단응력 방정식은 각각 식 (1)과 같다[8].
Bi-plastic Bingham 모델이 보이는 전단률-전단응력 관계는 그림 1의 실선과 같이 확인할 수 있다.
그림 1. MR유체의 모델별 비교
Fig. 1. Comparison of MR fluid models
MR 유체를 모델링하여 전단률-전단응력 실험값에서 속도-힘 관계를 얻기 위해서는 일련의 과정이 필요하다. 본 연구는 댐퍼의 감쇠력 예측을 위해 Goldasz
등의 모델링 과정을 참고하였다[17][18]. 복잡한 유동 방정식을 간단하게 만들기 위해 무차원 변수를 활용한다. 식 (2)의 변수는 압력 변수(Pressure number), 가소 변수(Plastic number)이다.
체적 유량, 압력 구배를 무차원 매개변수와 댐퍼의 대칭성 등을 이용하여 피스톤의 Bi-plastic Bingham 모델의 유로의 입 출구 압력차를
구할 수 있다.
위 식은 Fig. 2에서 나타낸 유체의 특성을 참고하여 각각 $S$$<$$S_{0}$(항복 전 : before yield point), $S$$\ge$$S_{0}$(항복
후 : after yield point)구간에서 유로의 압력의 차이이다. 여기서 $\gamma$는 점도 비($\mu$/$\mu_{r}$), $\delta$는
항복응력 비($\tau_{1}$/$\tau_{2}$), $S_{0}$는 $\gamma$(2 − 3$\delta$ + $\delta^{3}$), $x$,
$y$, $x'$, $y'$는 식 (4)로 주어진다.
식 (4)를 실제 유로 면적에 적용하여 얻은 감쇠력에 마찰력, 관로저항을 추가한다면 최종적으로 다음의 항복점 전, 후 영역에서 댐퍼 감쇠력 수식 (5)를 얻을 수 있다.
2.2 MR댐퍼와 솔레노이드 밸브 구조
일반적인 MR댐퍼는 감쇠력에 대한 응답성 향상을 위해 그림 2와 같은 구조의 모노튜브 방식을 사용하며 MR유체가 충진 되는 실린더와 감쇠력을 발생시키는 솔레노이드 밸브, 로드 가진에 의한 실린더 내부 체적을
보상하기 위한 질소가스 챔버로 구성된다[19].
그림 2. 모노튜브 방식의 MR댐퍼 구조
Fig. 2. Structure of Monotube type MR damper
MR댐퍼의 감쇠력은 식 (5)와 같이 유체의 점도와 항복응력, 유로의 폭, 유로의 면적, 유량, 로드와 실린더의 직경에 의해 결정된다. 실린더 및 로드의 사양은 대상 차량에 의해
결정되므로 MR댐퍼의 감쇠력은 솔레노이드 밸브의 구조와 MR유체 물성에 의해 결정된다고 볼 수 있다. 솔레노이드 밸브는 그림 3과 같이 자기장을 인가하기 위한 코일과 자기회로 형성을 위한 전자석, 플럭스링으로 구성된다. 코일에 전류가 인가되어 자기장이 형성되면 전자석과 플럭스링
사이의 유로를 통과하는 MR유체의 항복응력이 변화하게 되고 이를 통해 감쇠력의 제어가 가능하다[20].
그림 3. MR댐퍼 솔레노이드 밸브의 구조
Fig. 3. Sturcture of MR damper solenoid valve
2.3 MR댐퍼의 감쇠력 계산 프로세스
MR댐퍼의 감쇠력은 솔레노이드 밸브의 형상 및 재질과 MR유체의 특성에 의해 결정되므로 솔레노이드 밸브 자성체의 재질에 따른 MR댐퍼의 성능을 비교하기
위해 그림 4와 같이 솔레노이드 밸브의 자기장 분포특성과 MR유체의 물성치를 이용해 감쇠력을 계산 할 수 있는 MATLAB기반의 MR댐퍼 설계 프로그램을 이용하였다.
밸브의 형상과 MR유체의 점도를 이용하여 전류 미인가 시(0A)의 감쇠력을 계산할 수 있으며, 전류 인가 시의 감쇠력을 계산하기 위해 공개 전자계
해석 소프트웨어인 Finite Element Method Magnetics(이하 FEMM)을 이용하여 연계해석을 수행한다. 입력된 형상정보에 코일
권선 수, 재질 정보를 입력하면 그림 4와 같이 FEMM을 자동 호출하여 정자계 해석이 수행되며 공극 유로부의 자속밀도 및 자기회로를 구성하는 전자석, 플럭스 링부의 자속밀도 분포를 계산할
수 있다[21].
그림 4. MR댐퍼 설계 프로그램 GUI 환경
Fig. 4. GUI environment of MR damper design program
2.4 솔레노이드 밸브 자성체 재질별 비교
2.4.1 솔레노이드 밸브 재질 후보군 정의
MR댐퍼 솔레노이드는 그림 2에 도시된 것처럼 원통형 구조를 가지고 코일 권선부 및 로드의 조립을 고려해야 하므로 기계가공에 의한 제작이 용이해야 한다. 그러나 기계가공을 대량생산할
경우 재질에 탄소 함량이 높아지면 경도가 높아져 가공성이 떨어지고 반면 규소의 함량이 증가하면 자기적 특성은 우수하지만 기계적 강도가 감소하는 특징을
보인다[22]. 이를 고려하여 제작 공법에 적합한 재질을 선정하는 것이 중요한 문제가 되므로 본 연구에서는 표 1과 같이 낮은 탄소함량을 가진 저탄소강 및 쾌삭강을 밸브 재질 비교후보로 선정하였다. 또한 각 재질의 풀림 처리(SRA:Stress Relief Annealing,이하
SRA) 영향을 동시에 검토하기 위해 풀림처리 전/후로 구분하여 소재의 시편을 제작하였다.
소재의 시편은 직경 ∅10mm 환봉의 형태로 제작하였으며 표준 측정장비(직류 자기이력곡선 측정기)를 통해 자기적 물성인 B-H curve를 평가하였다.
각각의 시제는 3개씩 제작하여 최종 측정물성은 평균값을 취하였고 표 1과 같이 비교하였다.
표 1 솔레노이드 밸브 재질의 후보군 선정
Table 1 Candidates of solenoid valve materials
|
재질명
|
열처리 유무
|
탄소함량 [%]
|
규소함량 [%]
|
|
SUM24L (쾌삭강)
|
열처리 전
|
0.005 ~ 0.2
|
0.1 ~ 0.35
|
|
SUM24L (쾌삭강)
|
열처리 후
|
|
S20C
(구조용 탄소강)
|
열처리 전
|
0.17 ~ 0.23
|
0.15 ~ 0.35
|
|
S20C
(구조용 탄소강)
|
열처리 후
|
|
AISI 1010 (저탄소강)
|
열처리 후
|
0.08 ~ 0.13
|
-
|
2.4.2 감쇠력 계산 및 시험결과 비교
그림 6과 같이 솔레노이드 밸브의 자성특성은 재질의 종류 및 열처리 유무에 크게 변화하므로 측정된 B-H curve를 재질 물성치로 입력하여 그림 4의 설계 프로그램으로부터 감쇠력 결과를 계산하였다. B-H curve가 반영된 자기장 해석 결과를 이용하면 솔레노이드 밸브 종류에 따른 MR 댐퍼의
감쇠력을 그림 7과 같이 계산할 수 있다. MR 댐퍼의 감쇠력은 B-H curve를 반영한 밸브 공극부의 자속밀도에 직접 비례하므로 동일한 자화조건에서 겉보기 투자율이
가장 높은 AISI 1010 재질의 경우 가장 높은 감쇠력을 보인다. 특히 기계가공 목적으로 사용빈도가 높은 S20C의 경우 열처리 전과 후 특성
차이가 상대적으로 커 MR댐퍼 최대 감쇠력 차이가 약 7.5 %까지 발생하였다. 이는 특정재질을 사용할 경우 열처리 조건이 MR댐퍼의 성능에 미치는
영향이 커질 수 있음을 의미한다.
AISI 1010 재질은 자기적 성질이 가장 우수하나 소재에 포함된 탄소함양이 낮아 기계적 강도가 낮은 단점이 있다. 따라서, 본 논문에서는 표 1에서 제안된 솔레노이드 밸브의 자성체 재질 후보 중 가공성이 우수하여 대량 생산에 용이한 SUM24L을 밸브의 재질로 선정하였고 SRA 처리를 통해
자기적 특성을 개선하였다. 실제 제작된 솔레노이드 밸브 및 내부 절개 형상은 그림 7과 같다.
그림 5. 솔레노이드 밸브의 정자계 해석 모델 및 자속밀도 분포
Fig. 5. Magneto-static field analysis model and magnetic flux density of solenoid
valve
그림 6. 솔레노이드 밸브 재질별 B-H curve
Fig. 6. B-H curve by materials
그림 7. 솔레노이드 밸브 재질별 감쇠력 계산 결과
Fig. 7. Damping force calculation results for each materials
그림 8. 솔레노이드 밸브 시제품 형상 및 단면
Fig. 8. Soenoid valve prototype and cross section
그림 8과 같이 제작된 MR댐퍼는 유압식 수직 가진기를 이용하여 특정된 이동변위 범위에서 사인파 형태로 가진하여 감쇠력을 측정하게 된다. 사인파의 가진 주파수는
속도로 환산되고 속도와 감쇠력 최대값의 관계에서 MR댐퍼의 감쇠력 특성 곡선인 F-V 선도를 계측할 수 있다. 실험적으로 측정된 감쇠력 선도와 본
논문에서 계산한 감쇠력을 그림 8과 같이 비교하였다. 속도 0.2 ~ 1.0 m/s 구간에서 계산값과 실험값의 오차는 평균 7.8% 수준으로 계산된다. 특히 0.2 m/s 이하의
저속 영역과 1.0 m/s 이상의 고속 구간에서 오차가 증가하는 경향을 보이는데 이는 다음의 현상이 원인으로 분석된다.
첫째 저속 영역의 오차는 그림 1에 나타난 Bi-plastic Bingham 모델의 한계로 전단률-전단응력의 관계가 모델에서는 선형적으로 포현되나 실제 현상과의 차이를 가지기 때문이다.
둘째 고속 영역의 오차는 최근 연구된 논문[23]을 따르면 MR유체의 고속 구간에서 속도에 따른 점도 및 항복응력 특성이 비선형적이고 이로 인한 Bi-plastic Bingham 모델의 한계에서
기인함을 의미한다. 이러한 오차의 개선은 본 논문에서 사용한 수식모델의 보완과 함께 추가적인 연구를 통해 가능할 것으로 예상된다.
2.5 차량 동역학 해석
그림 7과 같이 계산된 솔레노이드 밸브의 자성체 재질별 MR 댐퍼의 감쇠력 특성이 차량의 거동 및 진동에 미치는 영향을 분석하기 위해 Mechanical
Simulation사의 트럭심 2022버전을 이용하여 차량 동역학을 수행하였다. 대상 차량은 현대자동차의 수소전기 일렉시티 모델이 적용되었고 차량의
주요 현가시스템 데이터를 실차 기준으로 트럭심에 입력하였다. 또한 MR 댐퍼의 감쇠력 결과와 반능동 현가제어를 위한 Skyhook 제어기를 MATLAB/Simulink
환경에서 구현하였다. 주행 노면은 Bump, 급제동, Dual Lane Change(DLC)의 3가지로 정의하였고 차량의 CG(Center of Gravity
: 무게중심) 포인트에서의 수직가속도 및 롤각, 피치각을 비교하고자 한다.
2.5.1 차량 모델 및 제원
본 논문에서 제작된 MR 댐퍼가 적용된 현대자동차의 일렉시티 차량의 주요 제원을 표 2와 같이 요약하였다. 일렉시티는 수소연료전지에 의해 구동되는 친환경 버스로 차량의 무게중심이 기존 내연기관 차량에 비해 상향된 특징이 있다.
그림 9. MR댐퍼 감쇠력 측정치 및 계산치 비교결과
Fig. 9. Comparison of measured and calculated MR damper damping force
그림 10. MR 댐퍼 적용 차량 형상 (일렉시티) (출처 : 현대자동차 www.hyundai.com)
Fig. 10. Elecity bus with MR damper applied
표 2 일렉시티 차량의 주요 제원
Table 2 Main specification of vehicle (Elecity)
|
항 목
|
단 위
|
제 원
|
|
승차인원
|
인
|
51
|
|
전 장
|
mm
|
10,995
|
|
전 고
|
mm
|
3,400
|
|
축 거
|
mm
|
5,400
|
|
윤 거
|
mm
|
2,080
|
|
배터리 용량
|
kWh
|
290.4
|
|
최대출력
|
kW
|
240
|
|
타이어
|
-
|
275/70R22.5
|
2.5.2 주행노면 정의
전기버스 차량을 대상으로 솔레노이드 밸브 재질에 따른 감쇠력의 주행거동특성을 분석하기 위해 총 3가지의 주행노면 시나리오와 평가지표를 표 3과 같이 정의하였다. 전기버스의 경우 시내버스로 주로 사용되고 있어 최대 주행속도가 80 km/h로 제한되어 있으므로 이를 고려하여 주행 시나리오의
차속을 결정하였다.
표 3 차량 동역학 해석을 위한 주행 노면정의
Table 3 Driving road condition for vehicle dynamics analysis
|
노면
|
내용
|
차속
|
평가
지표
|
|
A.과속
방지턱 (Bump)
|
범프 높이 10cm, 길이 3.6m
|
30
km/h
|
수직
가속도
|
|
B.급제동
|
등속 주행 3초 후
최대 제동력 인가
|
60
km/h
|
피치각
|
|
C.2차선 변경
(DLC)
|
3.5 m 차선변경 2회
|
80
km/h
|
롤각
|
2.5.3 제어기 모델링
MR댐퍼는 반능동 현가시스템의 감쇠계수를 직접 제어하는 것이 가능하므로 이를 위한 별도의 제어시스템이 필수적이다. 본 논문에서는 Karnopp와 Crosby에
의해 최초로 학계에 소개된 Skyhook 제어이론을 이용하여 MR 댐퍼 제어시스템을 그림 11과 같이 구성하였다[24]. 그림 11의 제어시스템은 MATLAB R2022b버전 Simulink로 구현되었고 트럭심 차량모델과 제어기 부분, MR댐퍼의 감쇠력 선도 모델로 구성된다.
제어기 내부는 Skyhook 알고리즘이 반영되었으며 Skyhook 이론에 따르면 MR댐퍼에 발생되는 감쇠력은 가상의 면(Imaginary sky)에
작용하여 현가상질량(Sprung mass) 에 연결되는데 Skyhook gain($C_{sky}$)과 현가상질량-현가하질량의 상대 속도의 곱으로 결정된다.
이를 차량 1/4모델의 블록 다이어그램으로 표현하면 그림 11과 같이 정의된다[25].
그림 11. MR댐퍼 제어시스템의 구성
Fig. 11. Configuration of the MR damper control system
그림 12. Skyhook 제어 개념도
Fig. 12. Skyhook control concept diagram
전통적인 Skyhook 제어방식은 두 종류의 상태로 구성되고 현가시스템의 상대속도와 현가 상부 질량요소의 속도곱의 부호에 따라 게인이 결정된다. Skyhook
게인은 최대 및 최소값으로 범위를 지정하는데 이를 수식으로 정의하면 수식 (6), (7)과 같다.
감쇠계수인 Skyhook 게인은 상기 수식과 같이 최소값과 최대값 사이에서 결정된다. 전통적인 스카이훅 제어이론에서는 감쇠력 Fsky 가 다음 식
(8)과 같이 계산되는데 본 논문에서는 제어기의 출력을 전류로 정의하여 MR댐퍼 모델에 입력되도록 구성하였다. 이는 MR댐퍼 모델이 그림 7과 같이 전류, 감쇠력, 속도로 구성되는 룩업 테이블 형태의 모델이라 가능하고 실제 제어기에서 동작할 경우 빠른 계산속도의 장점이 있다.
제어기 모델에 그림 7의 결과를 룩업 테이블 형태로 이용할 경우 댐퍼의 가진 속도가 음의 경우인 영역도 표현해야 되므로 그림 13과 같이 감쇠력 곡선이 대칭으로 나타나게 된다.
그림 13. MR댐퍼의 F-V 선도 (재질 : SUM24L)
Fig. 13. F-V curve of MR damper (Material : SUM24L)
그림 13의 룩업테이블 모델의 입력변수는 제어기에서 결정된 전류와 속도이고 출력 변수가 감쇠력이 되며 그림 11의 제어시스템에서 차량모델에 입력되는 형태로 구성된다.
본 논문은 MR댐퍼 솔레노이드 밸브 전자석의 재질특성이 차량 거동 및 진동에 미치는 영향을 분석하는 것이 목적이므로 실제 전류제어를 위한 제어모델은
포함하지 않았다.
2.5.4 차량 진동 및 거동해석 결과
MR댐퍼 솔레노이드 재질에 따라 최대 감쇠력의 차이가 발생하는 것을 확인하였으며 차량의 진동 및 거동 영향성을 분석하기 위해 표 3에 정의된 3가지 노면에 대하여 해석된 결과를 기존 수동식 오일댐퍼를 적용한 차량 해석결과와 표 4에 비교하였다. 과속방지턱의 경우 차량 CG포인트의 수직 가속도값, 급제동 노면의 경우 피치각, 2차선 변경은 롤각도로 기준으로 차량 거동과 진동을
비교하였다.
표 4와 같이 차량의 진동 및 거동 특성지표를 비교한 결과 MR댐퍼(솔레노이드 밸브 재질 AISI 1010기준) 적용 시 기존 수동댐퍼에 비해 수직가속도는
56%, 피치각 43%, 롤각 11%의 큰 개선효과를 보이고 있다. 반면 솔레노이드 밸브의 재질별 특성을 비교하면 수직가속도의 경우 자기적 특성이
가장 우수한 AISI 1010이 가장 나쁜 S20C (SRA 처리 전)에 비해 10% 개선효과를 보인다.
표 4 MR댐퍼 밸브 재질별 차량 동역학 해석결과
Table 4 Vehicle dynamics analysis results by MR damper solenoid valve material
|
노
면
|
비교
지표
|
기존
(수동)
|
MR댐퍼 솔레노이드 밸브 재질
|
|
AISI
1010
|
S20C
(SRA후)
|
S20C
(SRA전)
|
SUM24L
(SRA후)
|
SUM24L
(SRA전)
|
|
A
|
수직 가속도
m/s2
|
6.89
|
4.41
|
4.47
|
4.87
|
4.47
|
4.64
|
|
B
|
피치각
deg
|
1.18
|
0.82
|
0.82
|
0.83
|
0.82
|
0.83
|
|
C
|
롤각
deg
|
3.03
|
2.72
|
2.73
|
2.77
|
2.73
|
2.75
|
피치각 및 롤각의 개선효과는 1% 수준으로 크지 않음을 알 수 있다. 이는 MR댐퍼 시스템의 진동 감쇠효과를 증대시키기 위해서는 자기적 성능이 우수한
재질을 적용하여 MR댐퍼 감쇠력을 증가시키는 것이 설계에 유리함을 의미한다. 반면 제안된 후보군 중 열처리 유무는 감쇠력에 큰 영향을 미치나 열처리가
이미 이루어진 제품 간의 차량 동특성 성능차가 크지 않다. 따라서 실제 제품개발에 적용될 MR댐퍼 솔레노이드 밸브 재질은 양산성이 상대적으로 우수한
SUM24L(SRA 후)을 제안하고자 한다.
3. 결 론
본 논문에서는 차량용 반능동 현가시스템의 하나인 MR 댐퍼 현가시스템이 적용된 수소전기 일렉시티 차량을 대상으로 솔레노이드 밸브 재질의 자기적 특성에
따른 감쇠력 계산 환경과 프로세스, 계산된 결과를 이용한 차량 동역학 해석결과를 제시하였다. MR 댐퍼 솔레노이드 재질의 초기투자율은 재질의 탄소함량과
열처리 여여부에 큰 영향을 받으며 자기적 특성이 우수한 재질일수록 높은 감쇠력이 계산되었다. 높은 감쇠력은 차량의 진동 및 거동에 영향을 미치며 기존
오일식 수동 댐퍼에 비해 수직가속도 56%, 피치각 43%의 개선효과를 보인다. MR댐퍼 솔레노이드 밸브의 재질별 특성 비교를 통해 제안된 후보군
중 자기적 특성이 가장 우수한 AISI 1010 재질은 나쁜 재질 후보인 S20C(SRA 전)에 비해 수직가속도 기준 10%의 개선효과가 있음이 계산되었다.
따라서 본 논문에서는 MR댐퍼 솔레노이드 밸브 재질로 낮은 탄소함량과 열처리를 통한 자기적 특성 개선이 가능하며 가공성능이 우수한 SUM24L을 제안한다.
또한 논문을 통해 제안된 MR댐퍼 감쇠력 계산 프로그램과 차량 동역학 해석 절차를 이용하면 MR댐퍼 재질 및 형상 등의 다양한 설계 변수를 이용한
최적설계가 손쉽게 가능할 것으로 판단된다.
Acknowledgements
This work was supported by the Technology Innovation Program (20018369, Development
of semi active suspension system for Heavy Duty FCEV) funded By the Ministry of Trade,
Industry & Energy(MOTIE, Korea)
References
Kim, Y., et al. "Damper modeling for dynamic simulation of a large bus with MR damper,"
International journal of automotive technology, vol. 12, pp. 521-527, 2011.
W. Wang, X. Chen, J. Wang, “Motor/Gene rator Applications in Electrified Vehicle Chassis
– a Survey,” IEEE Trans. on Transportation Electrifi cation, vol 5, no. 3, pp. 584-601,
2019.
Zhu, Xiaocong, Xingjian Jing, and Li Cheng, “Magnetorheological fluid dampers: A review
on structure design and analysis,” Journal of intelligent material systems and structures,
vol. 23, no. 8, pp. 839-873, 2012.
Imaduddin, Fitrian, Saiful Amri Mazlan, and Hairi Zamzuri, “A design and modelling
review of rotary magnetorheological damper,” Materials & Design, vol. 51, pp. 575-591,
2013.
Yao, G. Z., et al., “MR damper and its application for semi-active control of vehicle
suspension system,” Mechatronics, vol. 12, no. 7, pp. 963-973, 2002.
Dyke, S. J., et al., “An experimental study of MR dampers for seismic protection,”
Smart materials and structures, vol. 7, no. 5, pp.693, 1998.
Yang, Gary, et al., “Large-scale MR fluid dampers: modeling and dynamic performance
considerations,” Engineering structures, vol. 24, no. 3, pp. 309-323, 2002.
Mao, Min, et al., “A magnetorheological damper with bifold valves for shock and vibration
mitigation,” Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol. 18, no.
12, pp. 1227-1232, 2007.
Yu, Jianqiang, Xiaomin Dong, and Wen Wang, “Prototype and test of a novel rotary magnetorheological
damper based on helical flow,” Smart Materials and Structures, vol. 25, no. 2, pp.
025006, 2016.
Khedkar, Yashpal M., Sunil Bhat, and H. Adarsha, “A review of magnetorheological fluid
damper technology and its applications,” Int. Rev. Mech. Eng, vol. 13, no. 4, pp.
256-264, 2019.
J. Goldasz, Insight into Magnetorheological Shock Absorbers, 1st Edition, Springer,
pp. 1-12, 2015.
Dimock, Glen A., Jin-Hyeong Yoo, and Norman M. Wereley, “Quasi-steady Bingham biplastic
analysis of electrorheological and magnetorheological dampers,” Journal of intelligent
material systems and structures, vol. 13, no. 9, pp. 549-559, 2002.
Goldasz, Janusz, “Electro-mechanical analysis of a magnetorheological damper with
electrical steel laminations,” Przegląd Elektrotechniczny, vol. 89, no. 2, pp. 8-12,
2013.
Wereley, Norman M., “Nondimensional Herschel—Bulkley analysis of magnetorheological
and electrorheological dampers,” Journal of Intelligent Material Systems and Structures,
vol. 19, no. 3, pp. 257-268, 2008.
Macias-Salinas, Ricardo, Fernando García- Sánchez, and Otilio Hernandez-Garduza, “Viscosity
model for pure liquids based on Eyring theory and cubic EOS,” American Institute of
Chemical Engineers. AIChE Journal, vol. 49, no. 3, pp. 799, 2003.
Ghaffari, Ali, Seyed Hassan Hashemabadi, and Mahshid Ashtiani, “A review on the simulation
and modeling of magnetorheological fluids,” Journal of intelligent material systems
and structures, vol 26, no. 8, pp. 881-904, 2015.
Fusi, Lorenzo, Angiolo Farina, and Fabio Rosso, “Retrieving the Bingham model from
a bi-viscous model: some explanatory remarks,” Applied Mathematics Letters, vol. 27,
pp. 11-14, 2014.
Goldasz, Janusz, and Bogdan Sapinski, “Verification of magnetorheological shock absorber
models with various piston configurations,” Journal of Intelligent Material Systems
and Structures, vol. 24, no. 15, pp. 1846-1864, 2013.
Ahmadian, Mehdi, and James A., Norris, “Experimental analysis of magnetorheological
dampers when subjected to impact and shock loading,” Communications in Nonlinear Science
and Numerical Simulation, vol. 13, no. 9, pp. 1978-1985, 2008.
Ashfak, A., et al., “Design, fabrication and evaluation of MR damper,” International
Journal of Aerospace and Mechanical Engineering, vol. 1, pp. 27-33, 2011.
Kim, et al., “Damping Force Prediction Program for MR Dampers Considering MR Fluid
Property, Damper Design and Properties,” Transactions of the Korean Society of Automotive
Engineers, vol. 31, no. 12, pp. 995-1002, 2023.
Thompson, S. M., and B. K. Tanner, “The magnetic properties of pearlitic steels as
a function of carbon content,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials, vol. 123,
no. 3, pp. 283-298, 1993.
Becnel, Andrew C., Wei Hu, and Norman M. Wereley, “Measurement of Magnetorheological
Fluid Properties at Shear Rates of up to 25 000s-1,” IEEE transactions on magnetics,
vol. 48, no. 11, pp. 3525-3528, 2012.
Liu, Changning, et al., “General theory of skyhook control and its application to
semi-active suspension control strategy design,” IEEE Access, vol. 7, pp. 101552-101560,
2019.
Gopala Rao, L. V. V., and S. Narayanan, “Control of response of a quarter-car vehicle
model with optimal skyhook damper,” International journal of vehicle autonomous systems,
vol. 6, no. 3-4, pp. 396-418, 2008.
저자소개
He received B.S., M.S. degree in dept. of Electrical Engineering from Changwon National
University, Korea in 1999, 2001 and Ph.D. degree in automotive engineering from Kookmin
University, Seoul, Korea in 2016. He is currently an senior research engineer with
Electrification System Team, Hyundai Rotem Defense R&D center, Uiwang, Korea. His
current research interests include multi physics analysis and vehicle system modelling.
Tel. : 031-688-1708
e-mail: khkang@hyundai-rotem.co.kr
He received B.S., M.S. degree in dept. of Mechanical Engineering from Kyung Hee University,
Korea in 2015, 2017. He is currently a research engineer with Electrification System
Team, Hyundai Rotem Defense R&D center, Uiwang, Korea. His current research interests
include magnetic analysis and application of magneto rheological fluid.
Tel. : 031-688-1712
e-mail : JDPark@hyundai-rotem.co.kr