ransactions of KSAE, Vol. 14, No. 2, pp.151-157 (2006) Copyright C 2006 KSAE 1225-6382/2006/080-20 스로틀전자제어방식 M/ 차량의가 / 감속시운전성향상에관한연구 박경석 1) 이종화 2) 박진일 *2) 금오공과대학교기계공학부 1) 아주대학교기계공학과 2) A Study of the Driveability Improvement on the Electronic hrottle Control M/ Vehicle at ip-in/out Kyoungseok Park 1) Jonghwa Lee 2) Jinil Park *2) 1) School of Mechanical Engineering, Kumoh National Institute of echnology, Gyeongbuk 730-701, Korea 2) Division of Mechanical Engineering, Ajou University, Gyeonggi 443-749, Korea (eceived 16 August 2005 / Accepted 21 October 2005) Abstract : he passenger car drivers want in general to feel good driveability, but they sometimes feel uncomfortable by shock and jerk phenomena when they push or release acceleration pedal with clutch on state. In this paper, the shock and jerk characteristics are studied on the vehicles controlled by the throttle-by-wire system. Eperiments and simulations were carried out on two vehicles which show different control characteristics. he engine torque control characteristics was analyzed by measuring cylinder pressure. Various specification factors of the vehicles and the torque control logic of the engines were simulated through eperimental data basis. he result shows the spring effect of the trans-ale in the drive-train is one of the most important factors of the shock-jerk phenomena and the engine torque control method is also responsible for the reducing the shock-jerk amplitude. In this paper a new control logic of the engine torque is suggested for the better driveablility on the tip-in/out event. Key words : hrottle-by-wire( 전자제어스로틀 ), Driveability( 운전성 ), ip-in/out( 팁인 / 아웃 ), Shock-Jerk( 쇼크 / 저크 ), orque control( 토크제어 ) C G I K M θ Nomenclature 1) : damping constant : force : gear ratio : inertia mass moment : spring constant : mass : radius : torque : rotational angle : distance : clutch D : differential gear E : engine : transmission W : front wheel W : rear wheel V : vehicle fric. : friction gen. : generating trans.: transmitting Subscripts * Corresponding author. E-mail: hsheo@katech.re.kr 151
박경석 이종화 박진일 1. 서론자동차의상품성을결정하는기준중에서중요한한가지를든다면바로승차감이다. 차를운전할때, 잘나간다는느낌과함께편안함을느끼게해주는좋은운전감항목은단순히출력이높은가하는항목보다도오히려더욱중요할수도있다. 자동차의연구개발과정에서도이점을중요시하여운전성을평가하는항목에쇼크-저크 (shock - jerk) 에관한평가항목이들어있다. 쇼크는운전자가가속페달을밟았을때초기가속도에의한충격정도이고, 저크는이러한충격에의해차량의가속도진동이지속되는시간을의미한다. 이같은쇼크와저크는특히클러치가물려있는상태에서가속페달을어느정도급하게밟거나뗄때나타나는데, 이러한경우를팁인 (tip-in), 팁아웃 (tip-out) 이라고부른다. 1) 쇼크-저크가큰경우에는차량의진동이앞뒤로심하게형성되어운전자를당황스럽게만들기도하므로, 이러한좋지않은현상을개선하는것은차량의연구개발에있어매우중요한과제중의하나이다. 팁인 / 아웃시차량의거동은여러요인에의해영향을받는데, 크게세가지로요약될수있을것이다. 첫째는엔진의토크변동특성이고, 1,2) 둘째는클러치와구동축등의동력전달계의특성, 그리고셋 2. 실험장치 2.1 센서장착위치와측정신호본연구를위해부착한센서또는측정대상신호들의위치를 ig. 1에나타내었다. 1번은운전석위치인데, 1a는운전자의가속페달센서를나타내고, 1b는운전자석에부착한가속도센서를나타낸다. 2 번은엔진을의미하는데, 엔진에서측정되는물리량은실린더압력, 매니폴드압력, 연료인젝터분사시간, 점화시기등이다. 3번의 3a, 3b는클러치의슬립을알수있도록입력과출력양쪽에속도측정을위해부착한홀센서또는마그네틱센서들을나타내는것이다. 4번은변속기를나타내는것인데, 4a 는차동장치에부착한속도측정용마그네틱센서이다. 이부분의속도를측정하면변속기에의한유격 (back lash) 의정도를알수가있다. 5, 8번은각각앞바퀴와뒷바퀴를나타내는데, 각각에 1도단위의인코더를부착하여각각의속도를측정하였다. 전륜구동방식인경우, 앞바퀴에서구동토크가마찰력보다커지면지면과다소간의슬립이발생하여실제차속과차이가있으므로뒷바퀴의속도로서실제차속을정확히알수있다. 6번은주행저항을나타내는것인데, 이것은코스트다운을통해측정하는것이보통이다. 7번은차체에지탱하고연결시키는구조물들을스프링과댐퍼들로써대략적으로나타낸것이다. 째는차체를지지하면서각부위를연결하고있는각종구조물들의특성이다. 3) ront Wheel 4 3 2 ear Wheel 본연구에서는서로다른제어특성을보이는두 4a 3b 3a 차종에대해실험과시뮬레이션을통하여차량의 거동특성을분석해보았다. 본연구에서는엔진의 토크를실린더압력을통해측정하였다. 시뮬레이션 M Engine 의경우, 엔진토크에대한정확한측정정보가없음 driving resistance Vehicle Mass 으로인해정확한시뮬레이션결과를얻기가어려웠던점에비해, 본연구에서는토크측정을통해보다더유용하고확실한결과를얻을수있었다. 시뮬레이션을위한모델은차량의각주요측정위치에 1b 6 1 1a 7 5 5a ig. 1 Measuring positions and components 8 8a 서속도측정을근거로수립되었고, 하드웨어적인요소와엔진토크제어등의시뮬레이션을통해주요영향인자들의중요성을살펴보았다. 2.2 측정장비 본연구에사용된데이터취득장비를 ig. 2에사진으로나타내었는데, 이장비는자체적으로설계 152 한국자동차공학회논문집제 14 권제 2 호, 2006
스로틀전자제어방식 M/ 차량의가 / 감속시운전성향상에관한연구 비교하는시험에는큰문제가되지않는것으로판단된다. 두차종모두스로틀이전자제어방식이라는공통점을가지고있는반면, 클러치의붙음과떨어짐을감지하는센서를차종 A는사용하고있고, 차종 B는사용하고있지않다는큰차이가있다. 3. 차량동역학모델링 ig. 2 Photography of the measuring equipment 제작한것이다. 자체설계한측정보드에는고속데이터처리를위해중앙처리장치로서 32비트실수연산형 DSP 칩을탑재하였는데, 처리해야할신호들의수가많아서 CPU보드 2 장을사용하였다. 실린더압력을 1도단위로측정하여평균유효압력을계산할수있는채널이 8개가있고, 열전대를사용하여온도를측정할수채널이 16개가있다. 또한, 인젝터의분사시간을측정할수있는채널 8개와점화시기를크랭크앵글단위로측정할수있는채널이역시 8개있다. 엔진의토크는실린더압력을 1도간격으로측정하여매크랭크각 30도간격으로계산하여 PC로전송하였다. 차속은차바퀴쪽에측정기구와인코더를설치하여측정하였고, 클러치와기어단의속도는홀센서를기어의요철근처설치하여측정하였다. 실제측정주기는펄스각 1개마다이루어졌으나, 속도가높아지면, 데이터의개수가필요이상으로너무많아지는문제가발생하였다. 따라서매펄스마다측정된데이터를다시약 1kHz의속도로평균을내어데이터를전송하였다. 팁인시각측정위치마다측정된속도를 ig. 3에나타내었다. 두그래프중에서아래그림은팁인가속시에나타나는전형적인데이터인데, 엔진회전수가전체적으로크게진동하는모습을잘보여주고있다. 한편, 미세한차이에대해서는상단의그래프에확대하여나타내었는데, 하단그래프의 1초와 1.5초사이의데이터를자세히살펴본것이다. 엔진 (engine) 으로표시한데이터는엔진의크랭크축에서측정한회전속도이고, 클러치 (clutch) 속도는클러치출력측의속도이다. 엔진속도에미세한고주파의진동이보이는데, 이는각실린더별압축과폭발행정에따른속도의증감이다. 팁인초기에엔진과클러치의미끄럼에의해약간속도차이가발생하는부분이보인다. 그러나약 1.2초후에는엔진과클러치사이의속도차이는거의없어진다. 이현상은클러치의스프링이초기에압축되는과정을보이다가강성이약한원인으로인해한쪽으로완전히밀착되어엔진과클러치가일체로움직이는결과로볼수있다. 2.3 차량제원두차종의제원을비교해보면, 차종 A는 2400cc 급이고, 차종 B는 1800cc급으로서배기량에서다소차이가있으나차량무게나기타마찰력등의요소들이차지하는비율이거의비슷하므로승차감을 ig. 3 he speed of the engine, clutch, mission and wheels at tip-in test of the vehicle A ransactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 14, No. 2, 2006 153
Kyoungseok Park Jonghwa Lee Jinil Park 차동기어 (differential gear) 측의속도는변속기에서최종감속되어나온속도를보여주는것인데, 다시엔진회전수와비교할수있도록기어비를곱해서환산한것이다. 이속도는클러치속도와거의동일하게나타나고있는데, 이점으로보아변속기내부의기어물림사이의유격 (back lash) 에의한영향도무시할수있을정도로작은양임을알수있다. 전륜 (front wheel) 속도는차량의앞바퀴속도를측정한것이다. 가속초기에순간적으로속도변동이심한것을볼수있다. 차동측의속도와비교해보면, 위상과진폭에있어큰차이를보이고있는데, 이는차동기어와앞바퀴사이에존재하는차축이댐핑스프링역할을하고있음을보여주는것이다. 즉, 차륜에전달되는토크에비해차축의강성이충분히크지않기때문이다. 전륜바퀴와후륜바퀴가서로 180도위상을갖고진동을하고있는것도볼수있는데, 이는전륜과후륜이지지하고있는차체서스펜션등의구조물이댐핑스프링역할을하고있는것을나타내주는것이다. 결국이그래프를통해유추할수있는사실은차축과더불어전 / 후륜사이에있는구조물들이팁인시의쇼크-저크에하드웨어적으로중요한역할을한다는점이다. I I & Eθ & E = G E (1) & X θ & = G (2) θ θ G = = K ( θ θ ) + C ( & θ & C θ ) L (3) G (4) 이된다. ig. 3의시험결과에서알수있듯이클러치에서마찰에의한엔진과변속기의속도차이는무시할수있을정도로작으므로엔진과미션을하나의강체단위로볼수있다. 또한실험을통해미션에서의마찰손실토크 (,fric.) 을구해보면엔진의마찰손실토크 (E,fric.) 에비해서다소작아서무시할수있다. 따라서시뮬레이션과정중에서는클러치의슬립을무시하고, 엔진과미션을하나의단위로간주하였다. 이러한차체부분에대해방정식을세우면, M M & V = V V (5) & W W = W W (6) V = tire θv (7) V = tire θv (8) = V X tire (9) V X = K V ( V V ) + CV ( & V & V ) (10) = K road_ load X θ & θ ( θv ) + CX ( & θv ) G G (11) = f ( & V) (12) ig. 4 Simplified drive-train model 이러한결과를바탕으로본연구에서는 ig. 4와같은차량의동역학적모델을구성하였다. 위의모델에대해운동방정식을세우면다음과같다. 먼저엔진과변속기에관해나타내면, 와같이표현된다. 이식들에서엔진마찰토크와변속기마찰토크등은차량을리프트위에올려놓은다음정속엔진회전수를유지하면서도시토크를측정하여구할수있다. 회전관성력은가속페달조작을통해엔진의회전수를변동을측정하여구할수있다. 차량의주행저항력은코스트다운시험을통해구할수있다. 1,2) 154 한국자동차공학회논문집제 14 권제 2 호, 2006
A Study of the Driveability Improvement on the Electronic hrottle Control M/ Vehicle at ip-in/out 차축을비롯한기타스프링상수값과댐핑계수값들은팁인실험으로부터얻어진데이터와비교를통한시행오차법으로구하였다. 4. 시뮬레이션결과 4.1 모델링검증 ig. 5와 ig. 6은테스트차량 A, B 대해서팁인 / 아웃모드를실제시험한데이터와모델링에의한시뮬레이션결과를비교해본것이다. 차량 A는팁인 / 아웃시에진동이차량 B에비해서상대적으로심하게나타나고있음을볼수있다. 두차량모두시험결과와시뮬레이션결과가잘일치하고있음을볼수있다. 따라서 3장에서수립한모델과기본가정들에대해큰문제가없는것으로판단된다. 4.2 차량의하드웨어에의한영향쇼크-저크특성에크게영향을미치는인자를찾기위하여일단두차량의제원상에서비교적중요하게차이가나는부분의수치를바꾸어시뮬레이션을수행해보았다. 가장먼저엔진의회전관성질량에대한영향을 알아보기위하여차량 B의관성값을차량 A에적용해시뮬레이션을수행한결과를 ig. 7에나타내었다. able 1에서언급된바와같이차량 A의엔진회전관성질량은차량 B보다 10% 가량더크다. 회전관성질량의변동에도불구하고차량 A의진동특성에는변함이없음을볼수있다. 따라서엔진관성의차이가두차량의쇼크-저크특성에크게영향을미치지는않음을알수있다. 차중의영향을평가해보기위하여관성영향평가와같은방법으로차중을바꾸어보았는데, ig. 8 에보이는바와같이차중이가벼워진다고해도쇼크-저크의특성에는변동이없는것으로나타난다. 차축스프링상수값을바꾸어본결과를 ig. 9에나타내었다. 원래스프링상수값의 1/2배, 2배에대해시뮬레이션을수행해보았는데, 스프링상수값이크게되면쇼크-저크가좀더크게나타나고, 스프링상수값이작아지면쇼크의진폭이다소낮아짐을볼수있다. 진동주파수도스프링상수가커지면높아지고, 스프링상수가작아지면낮아진다. 이결과를볼때, 차축의스프링값을작게하면쇼크의진폭도작게할수있을것으로보인다. 그러나쇼크의주파수가느려져서다소울렁거리는느낌을받 ig. 5 Comparison of the results between eperiment and simulation at tip-in state of the vehicle A ig. 6 Comparison of the results between eperiment and simulation at tip-in state of the vehicle B ransactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 14, No. 2, 2006 155
박경석 이종화 박진일 ig. 7 Effect of the engine inertia replacement ig. 10 Effect of the engine torque amplitude ig. 8 Effect of the vehicle mass replacement ig. 9 Effect of the spring constant replacement of the transale 을가능성도커진다. 4.3 엔진토크에의한영향위에서언급한바와같이차량의하드웨어적인특성상에서차축의스프링상수값의영향이다소크게나타났지만, 이것만으로는두차량간의쇼크- 저크의차이를완전히설명하지는못하고있다. 따라서이번에는엔진에서발생되는토크의크기를대략 1/2정도로줄여서시뮬레이션을해본결과를 ig. 10에나타내었다. ig. 10의가속도결과에서볼수있듯이가속도진동의크기가정량적으로는약 1/2 수준으로줄어들었으나, 정성적으로쇼크-저크의특성이그대로반영되고있다. 따라서단순히토크의크기가쇼크-저크의특성을좌우한다고는볼수없을것이다. ig. 11 Effect of the engine torque slope ig. 11은팁인시차량 A의엔진에서발생되는토크의상승기울기를변화시켜본결과를보여주는것인데, 거의수직으로상승하는엔진토크의상승기울기를임의로각각 0.1과 0.2초정도시간을가지면서천천히올라가도록조정한것이다. 이결과를보면, 기울기가완만해질수록쇼크의크기가줄어드는것을볼수있다. 그러나가속도에도시간지연효과가서서히일어나고있음을볼수있는데, 기울기가완만해지면운전자는가속도의지연에의해초기에차가머뭇거리는것처럼느낄수가있을것이다. 이러한단점을보완하기위해본연구에서가상적으로만들어본것이바로팁인시 2단계토크제 156 한국자동차공학회논문집제 14 권제 2 호, 2006
스로틀전자제어방식 M/ 차량의가 / 감속시운전성향상에관한연구 어방법이다. 이방법은팁인초기에엔진최대토크의약 1/2정도만을출력하도록하여상승하는초기가속도의산을일단낮추면서가속도의골을없애기위해가속도가떨어지는시점에맞춰서다시토크를상승시키는방법이다. 이방법에의한결과를 ig. 12 에서볼수있는데, 가속도상승초기에최대피크가속도가줄어들어약간쇼크를줄이면서첫번째가속도골에서떨어지는크기를다소크게줄였다. 이방법은가속초기에시간지연이발생하지도않기때문에운전자에게차가멈칫거리는느낌도거의없을것으로예상된다. 이렇게하여시뮬레이션결과를종합해보면, 차량의하드웨어적인특성에서차축의강성이쇼크- 저크를발생시키는원인으로분석된다. 그리고직접적인원인은아니지만, 엔진의토크특성도매우중요한인자임을알수있었다. 그리하여엔진의토크를효과적으로제어하여차축의강성부족과같은하드웨어적인단점을보완할수있다는것도알수있었다. ig. 12 Effect of the engine torque 2-step control 5. 결론본연구에서는전자제어스로틀방식을사용하는 M/차종에대해서운전성또는승차감에미치는여러요인들의영향을파악하기위해시험과시뮬레이션을병행하여연구를수행하였고, 각요인들의중요도를어느정도이해할수있었다. 그리하여본연구를통해얻은결론은다음과같다. 1) 일반적으로사용되는중소형차량에있어서, 엔진의회전관성질량이나차중량등의차이가팁인시운전성에미치는효과는무시할만한것으로보이며, 클러치의슬립이나댐핑스프링에의한영향도미미한것으로나타났다. 단, 차축의탄성스프링효과가쇼크-저크의특성에크게영향을주는하드웨어적인요인으로판단된다. 2) 제어측면에있어서, 엔진에서발생되는토크의형태는쇼크-저크에매우큰영향을준다. 따라서차축이나서스펜션등의하드웨어적인특성을바꾸어서쇼크-저크의특성을개선시키는것보다는엔진에서발생되는토크의정성적인형태를바꾸어서쇼크-저크의특성을개선시키는것이더욱바람직하다. 이를위해서본연구에서는 2 단계토크제어방법을제안하였다. eferences 1) H. B. Song, Y. J. Choi, J. H. Lee, H. S. Cho and N. H. Cho, An eperimental Study of the Improvement of Driveability in Vehicle Acceleration Mode, ransactions of KSAE, Vol.9, No.6, pp.65-75, 2001. 2) Y. J. Choi, H. B. Song, J. H. Lee, H. S. Cho and N. H. Cho, A Study of the Control Logic Development of Driveability Improvement in Vehicle Acceleration Mode, ransactions of KSAE, Vol.10, No.2, pp.101-109, 2002. 3) K. H. Ko, Analysis of ransient esponse of an Engine to hrottle ip-in/ip-out, ransactions of KSAE, Vol.10, No.4, pp.122-128, 2002. 4) J. B. Heywood, Internal Combustion Engine undamentals, McGraw Hill, New York, 1988. 5). J. Chung, D. P. Hong and S. S. Kim, A Study on Clutch-disc Characteristics for the orsional Vibration eduction of the Drive- Line at Creeping, ransactions of KSAE, Vol.3, No.2, pp.102-111, 1995. 6) J. Baek, S. Park and M. Sunwoo, Indicated and Load orque Estimation of SI-Engine using Cylinder Pressure Sensor, ransactions of KSAE, Vol.11, No.5, pp.1-6, 2003. ransactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 14, No. 2, 2006 157