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섀시제어장치, 후륜 조향각에 따라 성능 향상된다
등록일 : 2017-06-22 18:33 | 최종 승인 : 2017-06-22 18:33
김진우

[리서치페이퍼=김진우 기자] 차체자세제어장치(ESC)와 후륜조향장치가 통합된 섀시제어장치는 후륜 조향각에 따라 성능을 향상시킬수 있다는 연구 결과가 나왔다.

서울과학기술대학교 기계자동차공학과 소속 임성진씨는 후륜 조향장치 조향각을 결정하는 4가지 방법을 적용해 실험을 진행했다.

전륜을 제어하는 AFS는 한계가 있다. 운전자가 의도한 조향에서 새로운 조향각까지 발생해 전륜 횡력이 포화되기 때문이다. 따라서 횡슬립각이 커질수록 횡방향 안전성이 저하된다.

반면 후륜을 제어하는 RWS는 운전자의 조향이 없기 때문에 횡방향 타이어힘도 포화되지 않는다는 장점이 있다. 따라서 ESC와 RWS가 통합된 섀시제어시스템(UCC)이 나왔다.

UCC는 최적값을 찾는 방법이 두 가지가 있다.

첫번째 방법은 UCC는 제어 요 모멘트를 만들어내는 문제를 최적화 문제로 정식화했고, Karush-Kuhn-Tucker(KKT) 최적성 조건을 이용해 대수적으로 최적해를 구할 수 있다.

두번째 방법은 UCC를 기반으로 가중 의사 역행렬 제어 할당(WPCA)를 적용하는 것으로 대수적으로 최적해를 구할 수 있다. 이 해결법은 적용이 간단하고 구현이 쉽다.

임성진씨는 ESC와 RWS를 사용하는 통합섀시제어에서 WPCA를 적용해 RWS의 조향각을 결정하는 다양한 방법이 있다고 논문에서 밝혔다.

제안된 방법의 성 능을 검증하기 위해 차량 시뮬레이션 패키지인 CarSim을 이용해 시뮬레이션 후 결과값을 얻었다.

RWS 조향각을 결정하는 방법은 4가지가 있다. 기존에는 타이어 횡력을 후륜의 횡강성으로 나누어 주는 것인데 이 방법은 정확하지 않다.

두번째 방법은 타이어 슬립각의 정의를 이용하는 것이다. 이 방법은 후륜타이어의 슬립각을 알아야 하고, 횡슬립각 β를 알아야 한다.

세번째 방법은 타이어 횡력 모델을 이용하는 것으로 방법이 가장 다양하게 제안됐다. 지수함수 모델, 쌍곡선함수 모델, 포화 모델이 있다.

이 중에서 쌍곡선함수 모델은 타이어 횡력이 주어진 상태에서 타이어 슬립각을 알아야 할때 유용한 모델이다.

네번째 방법은 타이어 횡강성을 예측하는 것으로 타이어 슬립각을 먼저 구한 뒤 타이어 횡력을 타이어 슬립각으로 나누면 후륜의 횡강성을 구할 수 있다. 횡강성으로 RWS 조향각을 구할 수 있다.

RWS의 조향각을 결정하기 위해 네 가지 방법을 제안한 임성진씨는 CarSim에서 시뮬레이 션을 수행하여 제안된 방법의 성능을 검증했다. 시뮬레이션 결과 RWS의 조향각 결정 방법을 적 용시 요율 에러가 감소하고 횡슬립각은 더욱 많 이 감소하는 것을 확인했다.

♦RWS, 사고회피 뿐만 아니라 빠른 스포츠드라이빙에 도움

ESC는 타이어의 슬립을 감지해 접지력과 엔진동력을 제어하는데 한정됐다.

최근에는 단순히 안전성 뿐만 아니라 서킷과 와인딩 주행시 빠른 주행성까지 구현할 수 있는 장치들이 적용되고 있다. AFS, RWS 토크벡터링 등이 여기에 해당된다.

그리고 이러한 장치들을 통합 제어하는 시스템을 섀시제어장치라고 일컫는다.

현재 수입차 브랜드 중심으로 펀투드라이빙 구현을 위해 RWS 제어 영역이 확대하고 있으며, 일부 자동차 모델은 조향각 뿐만 아니라 토우, 캠버각 등도 주행상황에 따라 능동적으로 변경하는 시스템이 탑재되기도 했다.

BMW 5 시리즈 이상 고급 모델에 탑재하는 인테그럴 액티브 스티어링휠 시스템은 시속 60km/h 이하 주행시 전륜과 반대 방향으로 조향각이 변경되고  시속 60km/h 이상에서는 전륜 방향과 동일하게 조향되고 있다.

임성진씨는 논문에서 "RWS가 ESC의 제동 압력 개입이 거의 없으면서도 횡가속, 요율 에러와 횡슬립각, 속도 등 여러가지 측면에서 만족할만한 결과를 얻을 수 있다"고 밝혔다.

[리서치페이퍼=김진우 기자]
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