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예희 정
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1 MacPherson Strut Type 현가장치의 Analysis 윤중흠 최승렬 * 김영준 ** The Analysis of MacPherson Strut Suspension Jounghum Yoon, Seungryul Choi and Youngjun Kim Key Words : ADAMS, Beam Element, Contact Force, MacPherson Strut, Abstract The purpose of this paper is to improve the vehicle ride performance by measuring and effectively reducing the side load generated in MacPherson Strut Suspension. Because of the offset between the directions of the axle load on tire and the damper strut, side load is generated on the contact area in between damper piston and damper cylinder. This side load induces friction between damper piston rod and cylinder. Consequently, it interferes with smooth damping operation and causes a poor ride performance. Currently, in order to reduce this side load, the method that adjusts spring installation angle is generally used. In this paper, ADAMS Beam element and solid contact models are used to accurately reflect spring force. Thus, the side load similar to the one in actual vehicle is generated and the results are compared with the previous method. And then the case study is performed to reduce the side load. 1. 서론 독립식현가장치는크게 Swing Arm Type, Wishbone Type 그리고 MacPherson Type 으로분류되며, 이중 MacPherson Type 의현가장치는댐퍼의굽힘강성을높게하여암의역할을하게한것으로기구학적으로는 Double Wishbone Type 의 Upper Arm 을상방에위치시켜그암길이를무한하게한것에등가로된다. 따라서 Wishbone Type 에비하여 Upper Arm 의설계자유도가없게된것만큼 Alignment 설정의자유도는적다. 그러나구조부재가적다는것만으로도 Hyundai MOBIS yjh@mobis.co.kr TEL : (31) FAX : (31) * Hyundai MOBIS ** Hyundai MOBIS 경량화및저가가달성될수있고, 또한댐퍼의차체측부착점이높기때문에캠버각, 캐스터각의흐트러짐등도적게되며타이어회전방향의강성도높게취해진다. 따라서양산차에적합하여상당히넓게채용되고있지만, 반면상하마찰이높으며승차감을저해한다상하마찰을낮게하기위하여코일스프링의축을댐퍼축에대해경사지게레이아웃하여댐퍼의선단횡력 () 을감소시키는방법이대부분의차에채용되고있다. 이때 의크기는스프링반력의크기뿐만이아니라, 스프링시트에서의반력분포에크게좌우된다. 따라서이를재현할수없다면 저감측면에서아무런의미가없음은자명하며, 이러한해석결과를가지고스프링축을레이아웃한다면오히려 를증폭시키는결과를가져올수있다. 본논문에서는 Spring Seat 에서의반력을정확히재현하기위한효과적인모델링기법을제시하여향후 Spring 축의레이아웃설정시 1

의효과적인제거를통해차량의승차감을개선하고자한다. 2.1 발생원인및영향 2. 맥퍼슨스트럿타입의현가장치에서는타이어에서발생하는축하중과댐퍼의작동방향이 Offset 되어있다. 따라서 Fig 1 과같이댐퍼의두지점접촉부위에반력이작용한다. - 피스톤과실린더, Rod 와실린더. 이와같은반력을 Side Load 라하며, 이는맥퍼슨타입현가장치의구조상필연적으로발생할수밖에없다.

2 의효과적인제거를통해차량의승차감을개선하고자한다. 2.1 발생원인및영향 2. 맥퍼슨스트럿타입의현가장치에서는타이어에서발생하는축하중과댐퍼의작동방향이 Offset 되어있다. 따라서 Fig 1 과같이댐퍼의두지점접촉부위에반력이작용한다. - 피스톤과실린더, Rod 와실린더. 이와같은반력을 Side Load 라하며, 이는맥퍼슨타입현가장치의구조상필연적으로발생할수밖에없다. Strut MTG 반력 Piston & Cylinder (a) 1/4 차량모델에서의 Strut MTG 반력 Cylinder & Rod Cylinder & Rod 이러한 는 Damper 의 Piston 및 Rod 부와 Cylinder 간의 Friction 을유발하여 Damper 의원활한작동을방해하게되며, 이로인하여차량의승차감특성에악영향을미친다. 이와같은특성은 MacPherson Strut Type Suspension 의최대약점으로간주되며, 설계자는이를최대한저감시키는레이아웃을설정하여야한다. 2.2 저감기법 를저감하기위한가장일반적인방법으로는 Spring 의장착각도를변경하는방법과 Spring Seat 의각도를변경하는방법이있다. 이를 Fig.2 에서나타내고있다. Fig.2 의 (a) 는스프링의장착각도를변경으로서스프링의전체적인반력방향을바꿈으로인하여 를감소시키는모멘트가생성되는것을도식적으로나타내고있다. 이때스프링 Lower 시트의위치를차량바깥쪽으로위치시킬수록모멘트를증폭시킬수있으나, 이와같은방법은제한된공간으로인하여레이아웃의제약을받을수있다. Fig.2 의 (b) 는스프링시트의각도를변경함으로써스프링시트에서의반력분포의변화를유발하여이로부터 Side Force 를감소시키는모멘트를증폭시키는원리를나타내고있다. 이두가지방법은모두스프링시트에발생하는반력의방향및분포를변경하여 를유발하는모멘트와반대방향의모멘트를발생시키는원리이다. 이때너무과도한모멘트를유발하게되면기존 와반대방향의 를유발할수있으므로적절한레이아웃이요구된다. Piston & Cylinder 를유발하는모멘트 축하중방향 Damper 작동방향 축하중 (b) 댐퍼모델 Fig. 1 2 (a) 장착각도변경 (b) Seat 각도변경 Fig. 2 의일반적인저감기법

3. Analysis Partial Part (26 개의 Beam 으로연결 ) 3.1 기존의모델링방법 해석을위해서는현가장치에대한동역학모델이요구된다. 이때현가장치의일반적인동역학모델은대부분 SForce 를사용하여스프링을구현하고있다. SForce 란두지점사이의한방향에대해서만그크기를가지는 Single Vector Force 이다.

3 3. Analysis Partial Part (26 개의 Beam 으로연결 ) 3.1 기존의모델링방법 해석을위해서는현가장치에대한동역학모델이요구된다. 이때현가장치의일반적인동역학모델은대부분 SForce 를사용하여스프링을구현하고있다. SForce 란두지점사이의한방향에대해서만그크기를가지는 Single Vector Force 이다. 이때스프링은두지점사이의상대거리와스프링상수의곱에비례하여반력이발생하며, 이힘의방향은언제나두지점을연결하는직선위에있다. 이를도식적으로나타내면 Fig.3 의 (a) 와같으며, 이는 Fig.3 의 (b) 와같이실제스프링시트에발생하는반력분포와방향을재현할수없다. Seat 와의 Contact Fig. 4 스프링상세모델링 스프링과스프링시트간에사용되는 Solid Contact 은 Impact Function 을사용했으며, Impact Function 은다음과같은식으로구성된다. (a) 기존모델링 (b) 실제현상 F IMPACT OFF = On if if q > q q q Fig. 3 스프링반력방향 따라서본논문에서는스프링시트의반력분포를재현하기위하여새로운모델링기법을제안하고자한다. 3.2 Advanced Spring Modeling 기법 본논문에서는제안하는모델링기법을 Fig.4 에나타내었다. 스프링은초기하중을받지않는장착전의길이에서여러개의 Part 로분할한후이를 ADAMS Beam 으로연결하였으며스프링시트와접촉이일어나는부분은스프링시트부와 Solid Contact 요소를사용하였다. 이때스프링시트는 CATIA data 를사용하여실제형상을유지하는 Shell 로모델링하였다. e MAX{, K(q q) Cq& STEP(q, q d,1,q,)} Where, q is the displacement variable q& is the velocity variable q is the trigger for displacement variable K is the stiffness coefficient C is the damping coefficient d is the damping ramp-up distance 위식은각각스프링 Force 와댐핑 Force 의두가지항으로이루어져있으며, 각각의항에대한영향은 Fig.5 와 Fig.6 에나타낸바와같다. 3

Fig.8 은스프링을구현한 Beam 에대한 ADAMS Dialogue Box 를나타내고있다. Fig.

6 Compression-only Damping Force from IMPACT Function 스프링과스프링시트간의 Contact 요소에대한 ADAMS Dialogue

4 Fig.8 은스프링을구현한 Beam 에대한 ADAMS Dialogue Box 를나타내고있다. Fig. 5 Compression-only Spring Force from IMPACT Function Fig. 6 Compression-only Damping Force from IMPACT Function 스프링과스프링시트간의 Contact 요소에대한 ADAMS Dialogue Box 를 Fig.7 에나타내었다. 이때 Friction 에대한계수는스프링이시트로부터크게미끄러지지않도록다소과도하게부여하였다. Fig. 8 Beam 의 ADAMS Dialogue Box 이와같이모델링된스프링을 Fig.9 과같이현가장치모델에장착하였다. 이때스프링은장착전초기길이를가지고있으므로이에맞게 Lower 스프링시트를하향설치하고, 장착시스프링에걸리는초기하중을재현하기위하여스프링시트를초기장착상태까지올린다. 이때스프링과스프링시트간에는 Contact Force 가작용하게되며, 스프링시트에는 Fig.3 (b) 와같은반력분포를가지게된다. Fig. 9 제안스프링이장착된차량모델 Fig. 7 Contact 요소의 ADAMS Dialogue Box 4

3.3 Validation 본논문에서제안한모델링기법의타당성을살피기위하여 ABAQUS 를사용하여검증하여보았다. 스프링 Lower 시트를장착위치까지올렸을경우에 Lower 시트에걸리는힘과모멘트를 ABAQUS 의결과와비교한그림이다. (a) Piston 과실린더사이의 Fig. 1 스프링검증 (ABAQUS 결과와의비교 ) 3.

5 3.3 Validation 본논문에서제안한모델링기법의타당성을살피기위하여 ABAQUS 를사용하여검증하여보았다. 스프링 Lower 시트를장착위치까지올렸을경우에 Lower 시트에걸리는힘과모멘트를 ABAQUS 의결과와비교한그림이다. (a) Piston 과실린더사이의 Fig. 1 스프링검증 (ABAQUS 결과와의비교 ) 3.4 해석결과 앞서제안한차량모델을사용하여 해석을수행하였다. 우선스프링을초기장착위치까지압축시킨후휠센터를기준으로 7~ +8mm 상하향운동을시켰을때에댐퍼에발생하는 를살펴보았다. Fig.11 은스프링설치각을댐퍼축과일치한경우와일정량 Offset 시킨경우에대하여각각의 를나타내고있다. 여기서 Offset 은스프링을 SForce 로모델링한경우최적의 Offset 값이다. 해석결과를살펴보면스프링설치각을 Offset 시킨경우전혀 Offset 을시키지않은경우보다오히려 의양이더커졌다. 이는과도한 Offset 양으로인하여 를감소시키기위해의도한 Moment 가지나치게커짐으로써오히려반대방향의 를유발하였음을알수있다. 본해석결과로부터 해석시스프링시트의반력분포를재현할수없는 SForce 로스프링을모델링할경우 의왜곡을가져올수있음을알수있다. (b) Rod 부와실린더사이의 Fig. 11 Fig.7 해석결과 추가적으로본논문에서제안한모델링을적용한후, 스프링설치각을변화시켜가면서이에따른 의변화를살펴보았다. 이에대한결과를 Fig.12 에나타내었으며, 결과를살펴보면약 4deg 정도의설치각에서 가최소화됨을확인할수있다. 5

6 참고문헌 (1) Thomas Wunsche, 1994, Springs as a Solution to Minimize Adverse s Action on the McPherson Strut, SAE (2) Using the ADAMS/View Function Builder, p612~615 Fig. 12 스프링설치각변경에따른 4. 결론 1. MacPherson Strut Type 현가장치의 Side Load 는차량승차감에악영향을주는중요한인자이며, 이를저감하기위한노력이필요하다. 2. 는 Spring 의 Mounting Offset 위치와 Mounting Seat Angle 을변경함으로서그크기를저감할수있다. 3. 저감설계를목적으로해석을수행시 Single Force 요소를사용하는기존의 Spring 모델의사용은자칫실제현상과다른왜곡된결과를가져올수있으며, 보다정밀한해석을위해서는 Spring 및 Spring Seat 모델을상세하게구현하는 Advanced Modeling 기법이필수적인것으로판단된다. 6

12(4) 10.fm

12(4) 10.fm KIGAS Vol. 12, No. 4, December, 2008 (Journal of the Korean Institute of Gas) l x CNG» v m s w ½ Á y w» œw (2008 9 30, 2008 12 10, 2008 12 10 k) Numerical Analysis for Temperature Distribution and Thermal