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J. KIMS Technol > Volume 25(2); 2022 > Article
회전 차축 및 유기압 현가장치를 장착한 대용량 세미 트레일러의 주행 동특성 해석

Abstract

Driving dynamic characteristics of semi-trailer loaded with precise equipments are very important to protect them from vibration, impact or other disturbances. In this paper, in order to identify the driving dynamic characteristics of the large scale semi-trailer equipped with swivel axle and hydropneumatic suspension unit, Dynamics Modeling & Simulation(M&S) were performed using general Dynamics Analysis Program(RecurDyn V9R2). The semi-trailer was modeled as two types – one is Multi Rigid Body Dynamics(MRBD) model, and the other Rigid-Flexible Body Dynamics(RFlex) one. The natural vibration mode and frequencies of semi-trailer body, acceleration of dummy-weight, pitch, roll and yaw of dummy-weight, swivel axle and hydropneumatic suspension cylinder support structure, and acting force of hydropneumatic suspensions etc. were obtained from the M&S. Additionally frequency analysis were performed using the data of behavior obtained from above M&S. Generally the quantitative results of RFlex are larger than them of MRBD in view of magnitude of the comparable parametric values.

서 론

지금까지 국내외에서 상용 혹은 군용으로 사용되고 있는 정밀장비 탑재용 세미 트레일러[1,2] 형태의 장비는 대부분 2~3개의 강체 축(Rigid axle)과 공기 현가장치(Air suspension)를 사용해 구성하여도 문제가 없을 정도의 총 중량과 크기를 유지하였다. 그러나 이들 세미 트레일러의 구조와 공간을 공유하여 탑재하는 정밀장비의 하중 및 크기가 크게 증대할 경우 차축의 수량을 늘릴 수밖에 없고, 이에 따라 차량의 길이가 필요 이상으로 길어질 뿐만 아니라 트레일러의 최소회전반경도 증가하므로 별도의 조향장치를 사용하지 않고는 전후 방향의 조향도 매우 어렵게 된다.
최근에 이와 같은 세미 트레일러의 구조적, 기능적 문제점을 해결하기 위한 방안으로 강체 축과 공기 현가장치 대신에 회전 차축(Swivel axle)과 유기압 현가장치(Hydropneumatic suspension)를 조합하여 적용하는 방안이 제시되었다. 이 회전 차축 및 유기압 현가장치는 대부분 저속으로 운행하는 풀 트레일러(Full-trailer) 혹은 모듈 트레일러(Module trailer)에 적용하여[9] 주로 대형 구조나 고하중 운반용으로 활용되고 있다. 풀 트레일러나 모듈 트레일러는 수송 전용장비의 특성상 그 자체만으로도 크기와 부피가 상당하고 트레일러 하부의 공간이 다수의 차축 및 현가장치가 차지하고 있어서 상부에 탑재하는 장비와 공간이나 구조를 공유하기에는 곤란한 특성이 있다. 그러나 세미 트레일러에 회전 차축과 유기압 현가장치를 적절히 조합할 경우 일부 구조와 공간을 트레일러와 공유하면서 대형 고하중의 장비를 탑재할 수 있는 이점이 있다.
이와 같이 회전 차축과 유기압 현가장치를 조합하여 구성한 세미 트레일러는 경량화, 집적화 등 많은 이점에도 불구하고 대형 고하중의 특수한 환경에 적용되는 제한적인 환경 때문에 주행 동특성에 대한 고찰이 전무한 실정이다. 차량의 주행 동특성 파악이 중요한 이유는 주행 시 발생하는 충격, 진동 및 기타의 외란으로부터 장비 보호 설계가 필요하기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 정밀 탑재장비의 특성을 고려하여 구조와 형상을 설정하고, 이에 따라 회전 차축과 유기압 현가장치를 최적화 하여 조합한 세미 트레일러를 대상으로 주행 동특성 모델을 구성하여 해석하고 고찰하였다. 해석 범위는 다물체 강체 동역학(MRBD; Multi Rigid Body Dynamics)과 강체-유연체 연성 동역학(RFlex; Rigid-Flexible Body Dynamics)의 두 가지 방법으로 접근하여 차이점을 비교 분석하되, 구성 물체의 중요 매개변수(parameter)는 표준 값을 동일하게 적용하였다. 매개변수의 변화에 따른 특성은 여러 가지 여건상 추후 연구 대상으로 남겨두기로 하고 본 연구대상에서는 포함하지 않았다. 연구 대상 장비의 모델링과 해석 도구(tool)로는 국내외적으로 널리 알려져 있으며, 신뢰할 수 있는 범용 동역학 해석 프로그램(RecurDyn V9R2)[8]을 사용하였다.

연구대상 장비의 특성

앞에서 본 논문의 연구대상 장비로 언급한 세미 트레일러(이하 ‘트레일러’)의 형상을 Fig. 1에 나타내었다. 트레일러 몸체 구조는 주행 중 요구되는 부하에 충분히 견디도록 설계된 메인빔(Main beam)을 중심으로 표현하였으며, 탑재장비 및 주변 구조는 더미 하중에 포함하여 메인빔 중앙부에 고정하도록 하였고, 2개의 착지대(Landing leg)는 전방 좌우에, 4개의 수평장치용 구동기(Actuator)는 전후좌우 4곳에 장착된 형태이다. 모의 중량 등이 장착된 이 세미 트레일러는 총 길이가 약 16 m, 폭이 약 3 m, 총 중량은 67톤 정도의 대형 고중량 상태이다. 트레일러의 후부에 장착된 기본 구성품으로 2열 4축의 회전 차축(Swivel axle), 유기압 현가장치(Hydropneumatic suspension), 유압 조향장치(Hydraulic steering)와 타이어 등이 있다. 이들 주행용 장치의 구성을 보다 구체적으로 살펴 볼 수 있도록 Fig. 2에 나타내었으며, 본 논문에서 대상으로 한 회전 차축이 갖는 구성 힌지 특성이 나타나도록 Fig. 3에 그 형상을 나타내었다. Fig. 2~3으로부터 현가장치에 전달되는 하중은 미리 설정된 압력으로 유압실린더를 통해 지지되며, 주행 중 변화하는 유압실린더의 하중은 파워팩과 유압실린더 사이에 위치하는 질소 가스로 충전된 축압기가 완충역할을 한다.
Fig. 1.
The semi-trailer configuration loaded with dummy weight and actuators for leveling
kimst-25-2-196f1.jpg
Fig. 2.
Assembled configuration of the hydropneumatic suspension, swivel axle and steering equipments
kimst-25-2-196f2.jpg
Fig. 3.
Detail configuration of the swivel axle and its hinge for pitching & rolling motion
kimst-25-2-196f3.jpg
Fig. 2의 끝단 상부에 위치한 좌우 2개의 유압식 조향실린더는 킹핀부에 위치한 좌우 2개의 유압실린더로 부터 방향 전환 시에 압축과 확장을 통해 발생하는 유압력 변화를 전달받아 전후 차축을 회전시키는 역할을 한다. 본 연구 범위에서는 견인 트랙터를 직진운동만 허용함으로써 이 작동 현상은 발생하지 않는다. Fig. 3에서 나타낸 회전 차축에는 pitching과 rolling 을 위한 2개의 힌지가 존재한다. 좌측 그림의 힌지는 현가장치의 유압실린더가 신축 시 발생하는 위치 변화와 차량의 pitching 및 전후 지면 형상 변화에 대응할 수 있는 반면, 우측 그림의 힌지는 차량의 rolling 및 좌우 지면의 형상 변화에 대응할 수 있다.

해석 조건 및 모델

앞에서 설명한 본 논문의 연구대상 장비인 세미 트레일러를 강체 및 유연체, 2종류로 모델링을 하고 해석하였다. MRBD(Multi Rigid Body Dynamics)[7,8] 모델은 세미 트레일러의 모든 구성품의 몸체(body)를 강체로 가정한 경우이며, RFlex(Rigid-Flexible Body Dynamics)[35,8] 모델은 주행 특성에 보다 큰 영향을 줄 수 있는 구성품의 몸체를 선택적으로 택하여 유연체로 모델링하고 그 외의 몸체는 모두 강체로 가정한 경우이다. 유연체로 모델링한 구성품은 트레일러 메인 프레임을 비롯하여 현가장치의 유압실린더를 지지하는 상하 2종의 구조를 모두 포함함으로써 총 9종의 몸체에 적용하였다. 이와 같은 기본 개념으로부터 해석 조건 및 가정, 해석 모델 및 주요 구성품의 물리적 특성을 다음에 기술하였다.

3.1 해석 조건 및 가정

본 연구 논문은 대형 고중량 세미 트레일러에 적용한 유기압 현가장치 및 회전 차축의 주행 시의 동적 거동에 관심이 있으므로 다음과 같이 해석 조건 및 가정을 하였다.
가. 유연체 모델에서 트레일러 구조와 현가장치의 유압실린더를 지지하는 구조(2종)는 탄성변형이 전반적 동적 거동에 크게 영향을 미칠 것으로 판단하여 유연체로 모델링하되 해석 소요시간을 줄이기 위해 해석 프로그램 내의 RFlex 모델을 사용한다. MRBD 모델에서는 이들을 모두 강체로 모델링한다.
나. 전후좌우 4개의 수평구동기를 제외하고 트레일러에 탑재하는 장비들은 중량 및 무게중심을 고려해 단일 더미중량 형태의 강체로 가정한다.
다. 트레일러를 견인하는 트랙터는 도로의 중앙부를 주행하도록 구속함으로써 트레일러의 유압 조향장치에 의한 운동은 발생하지 않는다.
라. 타이어와 접촉하는 지면부위는 접촉요소(contact elements)로 모델링하되 정적, 동적 마찰계수의 변화가 없는 단일 값을 적용한다.
마. 현가장치는 병진스프링으로 모델링하여 압력 설정 변화에 따른 스프링 상수를 설정하고, 타이어에 주어지는 공압 변화에 따른 강성(stiffness)은 단일 값으로 고정하여 동특성을 비교한다.
바. 해석에 적용할 도로는 다른 논문에서 적용한 바 있으며[1], 연구대상 장비의 주행 특성이 잘 나타날 수 있도록 Fig. 4에 나타낸 ‘3인치(높이) 범프 간격 가진 시험로’를 모델링에 포함하여 해석한다. 이 때 주행속도는 16 km/h의 속도로 일정하게 적용한다.
Fig. 4.
Configuration of the 3 inch(height) bump space road
kimst-25-2-196f4.jpg
위와 같은 조건 및 가정에 따라 본 연구에서 비교 고찰 대상으로 설정한 해석 변수(parameter)는 트레일러의 MRBD 모델과 RFlex 모델, 트레일러 유기압 현가장치의 스프링 상수 등이 된다.

3.2 해석 모델

연구 대상 장비의 외부 형상은 Fig. 1과 같고 앞에서 설명한 바와 같다. 이 장비를 다물체 동역학 해석을 위해 모델링을 한 결과를 Table 1에 나타내었다. 해석 모델은 구성요소는 72개의 몸체(bodies)에 46개의 조인트(joints)와 20개의 힘(forces)요소를 갖도록 구성하였다. 이 중에서 특히 트레일러 몸체구조와 현가장치의 유압구동기를 구속하는 상하 구조물은 구조상 내재된 유연성(flexibility)이 동적 거동에 큰 영향을 줄 수 있기 때문에 다물체 강체 동역학(MRBD) 해석뿐만 아니라 강체-유연체 연성 동역학(RFlex) 해석이 가능한 형태로 모델링 하였다. 반면 이 외의 모든 다른 구성품들은 해석 범위에서 충분한 강성 및 강도 유지가 가능한 것으로 판단하여 강체 모델로 작성하였다. 현가장치의 주요 구성품인 유압구동기는 질소 충전 축압기와 연동하는 특성을 고려하여 일정한 스프링 상수를 갖는 병진스프링으로 모델링하되 구동기 몸체와 램이 직선운동 범위를 유지하도록 병진조인트로 구속하였다. 유기압 현가장치는 지탱 압력을 변화시킬 수 있는 점을 고려하여 스프링 상수를 연구 대상 변수로 설정하였다. 또 타이어는 Fiala 타이어 모델[6]로 적용하고 주행도로면과 접촉요소를 설정하여 모델링하였으며, 타이어의 강성(stiffness)도 공기압에 따라 변화하는 특성이 있지만, 본 논문에서는 표준 단일 값을 유지하도록 설정하였다.
Table 1.
Characteristics of the analysis model for multi-body dynamics
Bodies Division Qty. Characteristics Mass(kg)
Trailer Body 1 Trailer Main Structure (Rigid and Flexible) 15.300×1
Axle 4 2 Row × 2 Axles 86×4
Wheel Drum 8 Between Axle and Tire 138×8
Tire(Body) 16 Dual Wheels 43×16
Adaptor 1 Between Gooseneck and King-Pin 480×1
Steering
Front Head 1 Upside of King-Pin 563×1
Actuator Body 2 Rear of Trailer 9×2
Actuator Ram 2 Rear of Trailer 21×2
Rod 2 Between 1st&2nd Axle 27×2
Suspension
Upper Structure 4 Actuator Supporting (Rigid and Flexible) 369×4
Lower structure 4 Actuator Supporting (Rigid and Flexible) 376×4
Actuator Body 4 Suspension Actuator 17×4
Actuator Ram 4 Suspension Actuator 20×4
Leveling
Actuator Bod 4 Fixed to Trailer 397×4
Actuator Ram 4 Extension/Retraction 183×4
Actuator Pad 4 Contact to Ground 32×4
Actuator Fix 4 Fixed to Trailer 275×4
Landing Leg 2 Fixed to Trailer 32×2
Dummy Weight 1 Mass on the Trailer 41,599×1
sum 72 66,932
Joints Division Qty. Characteristics No.& Sort
Revolute(A) 16 Suspension 4×4
Revolute(B) 12 Axle 3×4
Revolute(C) 10 Steering 5×2
Translational 4 Suspension Actuator 1×4
Spherical 4 Between Actuator Ram and Pads 1×4
sum 46
Forces Division Qty. Characteristics No.& Sort
Trans. Spring 4 Suspension Actuator 1×4
Tire(Contact) 16 Tire-Road Contact 4×4
sum 20

3.3 주요 구성요소의 유연체 모델

대형 트레일러 몸체는 길이가 길고 폭이 넓은 구조의 특성상 운용 시 고유진동수 및 모드에 따른 영향을 받을 수 있으므로 관련 몸체에 대한 FE모델을 작성하고 고유진동특성을 분석하였다. 먼저 트레일러 몸체는 해석 프로그램의 AutoMesh 기능 중 Shell4 Mesh type을 선택하여 92,575개의 elements와 80,847개의 nodes를 생성하고, 14개의 인터페이스 nodes를 포함하도록 하여 구한 RFlex 모델 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 트레일러 몸체의 굽힙(bending)형 고유진동모드는 첫 번째, 네 번째, 일곱 번째에서 나타나며 비교적 저주파 범위에 있다. 두 번째, 세 번째 모드는 트레일러의 전방 또는 후방부의 비틀림 형태로 나타났다.
Fig. 5.
Configuration of the trailer FE model and natural vibration modes & frequencies
kimst-25-2-196f5.jpg
또 다른 유연체 모델을 생성한 구성품은 트레일러 후방 전후좌우에 총 4조를 적용한 현가장치의 구성품 중 상부 및 하부 지지구조물로 각 2개씩 총 8개의 구성품이다. 이들 구성품에 대해서도 FE 모델 작성을 통해 RFlex용 해석 모델을 구하고 고유진동특성을 살펴본 결과를 Table 2에 정리하였다. 상부지지 구조물은 FE 모델에서 AutoMesh 기능을 통해 Solid4(Tetra4) Mesh type을 선택하여 elements는 8,194~10,370개, nodes는 4,092~5,178개로 이루어졌다. 하부지지 구조물도 동일한 방법으로 elements는 3,045~3,047개, nodes는 1,518~1,519개로 모델링 하였다. 상부지지 구조물의 전체적인 형상은 유사하지만 연결부의 차이로 인해 고유진동수는 첫째 열과 둘째 열 사이에 차이가 있다. 즉, 둘째 열의 상부지지 구조물이 첫째 열에 비해 고유진동수가 1, 2차 모드에서 모두 높고, 하부지지 구조물의 고유진동수는 4조 모두 동일한 범위에 있음을 알 수 있다.
Table 2.
Comparison of the FE model natural frequencies of the upper and lower structure for the trailer suspension
Suspension Mode & frequencies(Hz)
Upper structure Lower structure
1st 2nd 3rd 1st 2nd 3rd
1st
row
Left 108.8 385.4 457.0 858.1 875.9 909.5
Right 108.9 389.5 459.5 858.1 875.9 908.7
2nd
row
Left 181.1 423.4 436.4 858.1 875.9 909.5
Right 180.2 423.1 436.4 858.1 875.9 908.6
본 논문에서는 다물체 강체 동역학(MRBD) 해석도 병행하여 실시하였으며, Table 1에서 나타낸 바와 같이 앞에서 설명한 유연체 구성품을 포함하여 모든 물체를 강체로 모델링 하였다. RFlex와 MRBD 모델 해석 결과를 상호 비교함으로써 실 주행 상황에서 발생할 수 있는 동적 거동을 폭넓게 분석하고자 하였다.
Fig. 6.
Configuration of the trailer suspensions and their supporting structure modelled with RFlex
kimst-25-2-196f6.jpg

해석 결과 및 고찰

4.1 주행 시 전 시스템의 거동 형태 분석

세미 트레일러의 특성상 Rflex 모델과 MRBD 모델의 해석 결과에서 나타난 시스템 전체의 거동 형태의 차이는 거동을 주도하는 주체부터 다르게 나타나는데, RFlex 모델은 트레일러 몸체의 굽힘운동을 중심으로, MRBD 모델은 트랙터와 트레일러의 연결부인 오륜 부위를 중심으로 거동형태가 결정되는 특성의 차이를 나타냈다. 이와 같이 트레일러의 특성에 의해 최종적으로 나타나는 결과는 해석모델의 최상단에 위치한 더미중량을 통해 나타나므로, 더미중량 중심에서 주행 시간에 따라 나타나는 가속도를 비롯하여 pitch, roll 및 yaw 등의 변화로 비교하였다. 앞으로 사용할 그림 및 설명에서 해석조건을 용이하게 구분하도록 사용한 약어의 의미를 다음과 같이 정하였다.
− F: RFlex Model Analysis
− R: MRBD Model Analysis
− SH: Suspension Spring Constant_High Level
− SL: Suspension Spring Constant_Low Level
 ∗ SH는 20톤/EA, SL은 11톤/EA 용량 가정
먼저 주행 시 더미중량에서 가장 큰 영향력 있는 상하방향(z-direction)의 가속도 변화를 Fig. 7Table 3에 정리하였다. RFlex 모델이 MRBD 모델에 비해 보다 전반적으로 큰 값을 나타냈고, RFlex 모델의 SH 조건이 SL 조건에 비해 다소 큰 값을 나타냈으나 MRBD 모델에서는 오히려 상반된 결과로 나타났다.
Fig. 7.
Z-direction acceleration of dummy weight
kimst-25-2-196f7.jpg
Table 3.
Acceleration analysis of dummy weight
Description (unit: g) RFlex model MRBD model
SL SH SL SH
Max. 2.44 2.48 4.99 2.65
Min. -1.58 -1.67 -1.08 -1.39
Median -0.28 -0.23 -0.19 -0.17
Sum(absolute) 797.21 826.98 439.42 414.81
다음으로 주행 중 세미 트레일러 상부에 탑재한 더미중량에 나타나는 각도 변화를 고찰하였다. 이는 뒤에서 고찰한 현가장치 및 차축 거동과의 상관성을 파악하기 위함이다. Fig. 8~10에 더미중량에 대해 주행 시간에 따른 pitch, roll 및 yaw의 변화를 각도 단위로 나타내었다. RFlex 모델이 단순히 물체의 강체 운동과 물체 간 연결요소의 결합으로 이루어진 MRBD 모델에 비해 모든 영역에서 큰 거동으로 나타나는데, 이는 세미 트레일러 프레임 및 현가장치 구조의 탄성변형과 해당 구조의 고유진동 모드가 물체 간 연결요소와 결합하여 거동을 증폭시킨 결과로 판단된다. Fig. 8에서와 같이 pitch 거동에 있어서는 RFlex 모델이 MRBD 모델에 비해 대체적으로 약 2배 이상 큰 각도의 움직임으로 나타나고 시간별 각도 편차도 크고 다양하게 나타났다. 그러나 Fig. 9~10의 roll 및 yaw 거동에서는 두 모델간의 각도 격차는 더욱 크게 나타나 최대 약 4배 정도의 차이가 있을 뿐 아니라 시간 별 크기 편차도 더 커지고, 시간 경과에 따른 변화가 더욱 커지는 경향을 나타냈다. 이는 주행도로 면에 위치한 다수의 다양한 범프의 배치 형태가 RFlex 모델에 더 많은 영향을 준 결과로 추정된다.
Fig. 8.
Pitch of dummy weight
kimst-25-2-196f8.jpg
Fig. 9.
Roll of dummy weight
kimst-25-2-196f9.jpg
Fig. 10.
Yaw of dummy weight
kimst-25-2-196f10.jpg
앞에서 살펴본 더미중량의 거동에 영향을 줄 수 있는 요인으로 현가장치 및 차축의 있으므로 다음과 같이 유기압 현가장치 및 회전 차축의 거동을 고찰하여 상호 관계의 영향성을 살펴보았다.

4.2 유기압 현가장치의 거동

먼저 본 논문에서 연구 대상인 유기압 현가장치는 정상 상태에서 개당 11톤의 하중 지탱능력(본 논문에서는 SL로 표기)을 지니도록 설정된 유압실린더와 축압기로 구성되므로, 이를 선형운동이 가능한 병진스프링으로 모델링하고 감쇠계수를 부과한 경우이다. 만일 허용 하중을 벗어나는 경우에는 축압기를 통해 필요한 압력을 가감하여 완충시키는 역할을 한다. 본 연구에서는 현가장치의 지탱능력을 증가시킬 경우의 거동도 함께 살펴보기 위해 개당 20톤의 하중 지탱능력(본 논문에서는 SH로 표기)을 지닌 경우도 고려하였으며 앞의 더미중량 분석 시에도 적용 한 바 있다. 이와 같은 개념을 적용하여 유기압 현가장치는 지정된 도로 주행 시 해석 모델에 따라 각 유압구동기에 작용하는 하중의 변화를 비교 고찰하였으며, 정상 상태의 하중지지 능력보다 더 큰 하중지지 능력을 부여했을 때 나타나는 변화도 비교하였다. 더불어 MRBD 모델에서는 현가장치 유압구동기의 설정 하중 변화에 따른 상하지지 구조물의 거동도 분석하였다.
Fig. 11Fig. 6에 나타낸 1열 좌측에 위치한 현가장치 모델의 스프링(유압구동기 모델)에 걸리는 하중의 변화를 나타낸다. 유압구동기는 질소충전 축압기와 연동하여 변동 길이가 ±1 mm 범위 안에 머물도록 스프링 상수를 설정한 경우이다. 시간에 따른 하중력의 크기는 RFlex 모델이 MRBD 모델에 비해 전반적으로 고르고 크게 나타났으며, 두 모델 모두 지탱능력이 큰 현가장치(SH)의 경우가 정상상태의 현가장치(SL)에 비해 미소하게 큰 값을 나타냈다. Fig. 12는 2열 좌측에 위치한 현가장치 모델의 스프링(유압구동기)에 걸리는 하중의 변화를 나타낸다. 앞의 Fig. 11에서 분석한 1열의 현가장치에 비해 작용력의 감소가 뚜렷하다. 하중 감소의 변화는 MRBD 모델보다는 RFlex 모델에서 보다 크게 나타났는데 이는 세미 트레일러 메인 프레임 구조의 고유진동모드에 따른 유연체 거동이 반영된 결과이다. 여기에서는 1열과 2열 좌측에 위치한 현가장치를 대상으로 표현하였으며, 우측에 위치한 현가장치도 좌측과 유사한 경향을 보였다.
Fig. 11.
Suspension force at 1st row, left
kimst-25-2-196f11.jpg
Fig. 12.
Suspension force at 2nd row, left
kimst-25-2-196f12.jpg
현가장치의 스프링(유압구동기 모델)력의 변화를 Fig. 7 더미중량의 가속도 변화와 비교하여 분석하면, 유압구동기는 비록 1열, 2열로 나뉘고 열 간의 격차가 존재하며 데이터의 형태는 다소 다르지만 경향 측면에서 상호 유사성을 관찰할 수 있다. 특히 RFlex에 비해 거동 구조가 단순한 MRBD 모델에서는 그 유사성이 더 뚜렷하게 나타남을 알 수 있다.
Fig. 13~14Fig. 6에서 나타낸 1열에 위치한 현가장치의 상부구조(Upper structure) 및 하부구조(Lower structure)에 대한 pitch 변화를 나타낸다. 이 데이터는 해당 구조의 FE 모델을 적용한 RFlex 모델에서는 추출할 수 없으므로 MRBD 모델만을 대상으로 분석하였다. 관련 구조의 pitch 변화는 앞에서 설명한 현가장치 유압구동기 모델인 스프링의 신축 및 작용력과 밀접한 관계가 있는 부분이다. Fig. 13의 좌우 상부구조의 각도 변화에 비해 Fig. 14의 하부구조의 각도 변화가 크게 나타남을 볼 수 있는데 이는 Fig. 11과 연동하여 비교할 수 있는 데이터이다. 여기에 나타내지 않았지만 2열의 각도 변화는 1열에 비해 크지 않음을 관찰 할 수 있었다.
Fig. 13.
Pitch of upper structure at 1st row
kimst-25-2-196f13.jpg
Fig. 14.
Pitch of lower structure at 1st row
kimst-25-2-196f14.jpg

4.3 회전 차축의 거동

회전 차축은 2장에서 설명한 바와 같이 지면 상태에 따른 pitching과 rolling을 통하여 타이어의 지면 밀착도를 높이는 역할을 한다. 본 연구 대상 물체의 MRBD 및 RFlex 모델 특성에 따라 지면 추종성이 다를 수 있는 관점에서 회전 차축의 주요 결과인 pitch, roll 및 yaw 변화량을 비교 고찰하였다. pitch와 yaw는 차축 배치열에 따라서 변화가 크지만 좌우 위치에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타나 좌측 차축에서 추출한 데이터를 중심으로 분석하였으나, roll의 경우에는 좌우 지면 형태에 따라 나타나는 차이가 현격하므로 좌우측 차축 모두의 데이터를 비교 분석하였다.
Fig. 15~16은 1, 2열 좌측 회전 차축의 주행시간에 따른 pitch 변화를 나타낸다. RFlex 모델의 각도 변화는 MRBD 모델에 비해 현저하게 크게 나타났으며, 시간 경과에 따라서도 경향은 큰 차이 없이 나타났다. 이와 같은 변화를 수치적으로 비교할 수 있도록 Table 4에 결과를 정리하였다. MRBD 모델에서는 1열이 2열 차축에 비해 약간 큰 각도를 보이지만 차이는 별로 없다. SL과 SH 조건에서는 음의 방향으로는 SL이, 양의 방향으로는 SH가 약간 큰 값을 가지지만 그 차이도 크지 않다. 그러나 RFlex 모델에서는 MRBD 대비 각도 변화도 크게 증가할 뿐만 아니라 1열 차축이 2열 차축에 비해 큰 각도를 가지며 그 차이도 매우 크다. 특히 RFlex 모델에서는 SL과 SH 조건에서 음의 방향과 양의 방향의 각도 양상이 1, 2열 차축이 서로 상반되며 보완적인 관계를 나타냈다.
Fig. 15.
Pitch of axle at 1st row, left
kimst-25-2-196f15.jpg
Fig. 16.
Pitch of axle at 2nd row, left
kimst-25-2-196f16.jpg
Table 4.
Numerical pitch range of axles(Left)
Description (unit: deg.) RFlex model MRBD model
SL SH SL SH
1st row axle -9.08~1.47 -7.70~1.76 -0.77~0.09 -0.65~0.11
2nd row axle -2.99~1.35 -3.49~1.17 -0.69~0.06 -0.65~0.10
Fig. 17~20은 1, 2열 및 좌우 모든 차축에서 나타나는 roll의 변화를 나타낸다. 그림에서 보듯이 roll은 pitch의 변화와는 매우 다른 양상을 보이며, 2열에 위치한 차축에서의 각도 변화가 오히려 1열 차축에 비해 더 크고 다양한 움직임을 보임을 알 수 있다. 이와 같은 현상을 정량적으로 살펴 볼 수 있도록 Table 5에 차축 위치 및 해석 조건을 구분하여 정리하였다. 해석 조건에 따른 1열, 2열 차축 모두 좌우 각도 변화는 유사한 크기의 범위에 있으나, 2열 차축의 각도 변화 크기는 1열 차축의 크기에 비해 상당히 증가하여 나타났는데 이는 트레일러 후미에 위치한 기하학적 효과가 함께 작용한 것으로 판단된다. 아울러 이와 함께 RFlex, MRBD 모델 모두 2열 차축에서는 SL 조건과 비교하여 SH 조건에서는 대부분 각도 범위가 다소 증가하는 현상을 보였다.
Fig. 17.
Roll of axle at 1st row, left
kimst-25-2-196f17.jpg
Fig. 18.
Roll of axle at 1st row, right
kimst-25-2-196f18.jpg
Fig. 19.
Roll of axle at 2nd row, left
kimst-25-2-196f19.jpg
Fig. 20.
Roll of axle at 2nd row, right
kimst-25-2-196f20.jpg
Table 5.
Numerical roll range of all axles
Description (unit: deg.) RFlex model MRBD model
SL SH SL SH
1st row axle Left -3.20~6.30 -3.76~6.12 -3.49~3.55 -3.81~3.32
Right -4.87~4.05 -3.91~3.62 -3.32~3.04 -4.59~2.93
2nd row Axle Left -5.62~9.07 -7.94~8.84 -3.54~3.01 -5.30~3.30
Right -5.71~6.23 -7.16~5.75 -5.48~4.11 -5.64~3.40
Fig. 21~22는 1열, 2열 차축의 좌측에서의 yaw의 변화를 나타낸다. 차축의 yaw의 변화는 우측의 경향도 이와 유사하여 좌측 데이터로 분석한 경우이다. yaw 의 변화는 그림에서 보듯이 RFlex 모델이 MRBD 모델에 비해 변화의 폭이 더 크고 다양한 형태로 나타났다. RFlex, MRBD 모델 모두 SL과 SH의 차이에 따라 시간에 따른 변화의 폭도 현저하게 달라졌으나 MRBD 모델에서의 변화 범위는 상대적으로 작게 나타났다. 차축 yaw의 변화는 1열과 2열 차축 간의 변화 형태는 유사하며, 시간대별 상하 변화폭에서 약간의 차이는 있다. 이와 같은 차축에서의 yaw의 변화 형태는 Fig. 10에서 나타낸 더미중량의 yaw의 변화와 전체적으로는 매우 유사한 패턴을 보여준다. 다만 더미중량에서는 차축의 다양한 데이터 형태에 비해 상하 진폭의 편차가 크게 줄어든 단순한 형태의 정제된 곡선으로 변화된 모습으로 나타났다.
Fig. 21.
Yaw of axle at 1st row, left
kimst-25-2-196f21.jpg
Fig. 22.
Yaw of axle at 2nd row, left
kimst-25-2-196f22.jpg

4.4 주파수 분석

Fig. 7~22의 시간 영역에서 획득한 데이터에 대해 FFT를 수행하고 주파수 분석을 실시하였다. 먼저 Fig. 23은 더미중량에서 구한 가속도(Fig. 7)와 pitch(Fig. 8)데이터를 분석한 결과이다. 식별된 지배 주파수는 2.64, 3.724, 5.280, 6.365 Hz 순으로 나타났으며 2.64 Hz의 영향이 가장 컸고 MRBD 보다는 RFlex에서, pitch 보다는 가속도에서 영향이 더 큰 것으로 나타났다. Fig. 24는 1, 2열 좌측의 현가장치에서 구한 작용력의 변화 데이터(Fig. 11~12)를 주파수 분석한 결과이다. 식별된 지배 주파수는 2.64, 3.624~3.753, 5.280, 6.350~6.365 Hz 순으로 나타났으며 역시 2.64 Hz의 영향이 가장 크게 나타났고 MRBD 보다는 RFlex에서, 2열보다는 1열에서 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. Fig. 25는 1, 2열 좌측의 현가장치를 구성하는 상하구조의 pitch 변화 데이터(Fig. 13~14)를 주파수 분석한 결과이다. 1, 2열 상하구조 모두 거의 동일한 형태이고 식별된 지배 주파수는 2.64, 3.724, 5.280, 6.365 Hz 순으로 나타났으며 2.64 Hz의 영향이 가장 컸다. 이 상하구조의 구성요소는 모두 MRBD 해석으로 이루어진 결과를 반영하였다. Fig. 26은 1, 2열 좌측 차축의 pitch 변화 데이터(Fig. 15~16)를 주파수 분석한 결과이다. 식별된 지배 주파수는 2.64, 3.710~3.724, 5.251~5.280, 6.350~ 6.365 Hz 순으로 나타났으며 역시 2.64 Hz의 영향이 가장 컸으며, MRBD 보다는 RFlex에서, 2열보다는 1열에서 영향이 더 큰 것으로 나타났다. Fig. 27~29는 각 각 더미중량, 1열 좌우 차축, 2열 좌우 차축의 roll 변화 데이터(Fig. 9, Fig. 17~18)를 주파수 분석한 결과이다. 식별된 지배 주파수는 앞에서 언급한 지배 주파수를 중심으로 약간 분산된 형태인 2.625~2.683, 3.624 ~3.724, 5.280~5.380, 6.150~6.450 Hz 순으로 나타나 2.625~2.683 Hz 사이의 영향이 가장 컸으며, 전 구간에서 MRBD 보다는 RFlex 영향이 더 큰 것으로 나타났으나 1, 2열 차축간의 차이는 별로 없어 보인다. 끝으로 Fig. 30은 더미중량, 1, 2열 좌우 차축의 yaw 변화 데이터(Fig. 10, Fig. 21~22)를 주파수 분석한 결과이다. 식별된 지배 주파수는 앞에서 언급한 분석자료 대비 더욱 분산된 형태인 2.526~3.111, 3.624~3.724, 5.808~ 5.882 Hz 순으로 나타났으며 2.526~3.111 Hz 사이의 영향이 가장 컸으나, 더미중량에서의 효과는 매우 작고, 대체로 강체거동 효과가 더욱 크게 나타났다. 위의 결과를 종합적으로 분석하면 해석 대상 장비 거동에 나타난 중심 지배 주파수는 2.64 Hz 부근이고, MRBD 보다는 RFlex 모델에서, 2열 차축 보다는 1열 차축 부위에 더 큰 영향을 미치며, 가속도, pitch, roll 등에 비해 yaw에 미치는 영향이 상대적으로 작은 것으로 나타났다.
Fig. 23.
Frequency analysis from z-direction acceleration and pitch of dummy weight
kimst-25-2-196f23.jpg
Fig. 24.
Frequency analysis from suspension force
kimst-25-2-196f24.jpg
Fig. 25.
Frequency analysis from pitch of upper and lower structure
kimst-25-2-196f25.jpg
Fig. 26.
Frequency analysis from pitch of axle
kimst-25-2-196f26.jpg
Fig. 27.
Frequency analysis from roll of dummy weight
kimst-25-2-196f27.jpg
Fig. 28.
Frequency analysis from roll of front axle
kimst-25-2-196f28.jpg
Fig. 29.
Frequency analysis from roll of rear axle
kimst-25-2-196f29.jpg
Fig. 30.
Frequency analysis from yaw of dummy weight and left axle
kimst-25-2-196f30.jpg

결 론

본 논문의 연구에서는 회전 차축 및 유기압 현가장치를 장착한 대형 세미 트레일러를 대상으로 상용 동역학 해석프로그램(RecurDyn V9R2)을 사용하여, 탑재 대상물인 더미중량과 중요 구성품인 현가장치 및 차축의 주행 시 동적 거동을 해석적인 방법으로 비교, 고찰하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
가. 연구대상 세미 트레일러의 전체적인 주행 거동 형태에 영향을 가장 많이 주는 부분은 MRBD 모델은 킹핀과 오륜의 연결부이고, RFlex 모델은 트레일러 몸체의 유연체 모델에 따른 고유진동 모드이며, 이에 따른 영향으로 RFlex 모델이 MRBD 모델에 비해 더미중량의 가속도, pitch, roll 및 yaw 의 주행에 따른 변화가 더욱 크게 나타났다.
나. 유기압 현가장치의 작용력 크기의 변화는 MRBD, RFlex 두 모델의 트레일러 몸체 모델에 유연체 포함 여부에 따른 차이가 존재하고, 모두 1열 좌우에 배치된 경우가 2열 좌우에 배치된 경우에 비해 더 크게 나타났으며, MRBD 모델에서 분석이 가능한 현가장치 유압구동기 상・하 지지구조의 pitch 를 분석한 결과 하부가 상부 구조의 pitch에 비해 더 크게 나타나 유압구동기 신축에 따른 거동 연관성을 보였다.
다. 트레일러 몸체 하부에 위치한 회전 차축의 pitch는 RFlex 모델이 MRBD 모델에 비해 현저하게 크게 나타났으며, 1열에 배치된 차축이 2열에 배치된 차축에 비해 크게 나타났다. roll은 RFlex 모델과 MRBD 모델 사이에는 1열 차축에서는 크기에는 많은 차이가 없으나 주행 시간에 따른 패턴 형태에 큰 차이가 나타났으며, 특히 1열에 비해 2열 차축에서 roll의 크기가 커지고 더욱 심한 형태 변화를 나타냈다. yaw는 RFlex 모델에서 MRBD 모델에 비해 큰 수치가 나타났으며, 1, 2열 차축 위치에 따른 차이는 크지 않았다. 이를 종합하면 회전 차축에서의 pitch, roll 및 yaw의 거동은 RFlex, MRBD 모델 형태에 따라 각도 변화의 크기 및 시간에 따른 패턴 형태에 영향을 받는 것은 물론, 유기압 현가장치의 스프링 상수의 크기에 따른 효과도 작용하는 것으로 판단된다.
라. 유기압 현가장치의 스프링 상수, 회전 차축의 pitch, roll 및 yaw 등 동역학적 거동은 더미중량의 거동에 영향을 미치지만, 더미중량에서는 현가장치 및 차축에서 나타난 다양한 데이터 형태에 비해 상하 진폭의 편차가 크게 줄어든 단순한 형태의 정제된 데이터로 변화되어 나타났으며, 이는 물체 및 물체간 연결부의 감쇠 효과에 따른 것으로 판단된다.
마. 주파수 분석 결과 해석 대상 장비 거동에서 나타난 중심 지배 주파수는 2.64 Hz 부근이며, MRBD 보다는 RFlex 모델에서, 2열 차축 보다는 1열 차축 부위에 더 큰 영향을 미치며, 더미중량의 가속도와 분석 대상 구성품의 pitch, roll에 비해 yaw에 미치는 영향은 상대적으로 작은 것으로 나타났다.

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