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Modeling of steering pull and its improvement considering steering feel : 차량 쏠림의 모델링 및 조타감을 고려한 쏠림 개선

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Authors

신민철

Advisor
주종남
Major
공과대학 기계항공공학부
Issue Date
2014-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
차량 쏠림쏠림 예측 모델링조향 시스템 모델링민감도 분석조타감프릭션 필Steering pullSteering pull modelingSteering pull estimationPulling forceSteering system modelingSensitivity analysisColumn type Electric Power SteeringSteering pull distanceSteering torque build-upSteering feelsticky feel
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2014. 8. 주종남.
Abstract
본 논문에서는 차량의 쏠림을 예측하기 위한 모델링 방법을 제안하였다. 조향 시스템 프릭션을 조절하면서 반복적인 시행착오를 통해 쏠림을 개선하는 기존 방식의 단점을 보완하기 위해, 본 연구에서는 이론적인 계산과 실차 시험을 통해 차량의 쏠림을 예측하고 개선하는 방법을 제안하였다.
차량의 쏠림과 관계된 설계 인자 및 운전 조건을 고려하여 이론적인 계산 과정을 통해 쏠림을 모델링하였다. 도로 구배에 의해 발생하는 쏠림 힘은 차량의 질량 및 도로 구배 각도에 따라 계산된다. 도로 구배에 의한 쏠림 힘이 차량의 타이어에 작용하게 되면 슬립각 및 횡력이 발생하고, 이를 모델링에 적용하기 위해 차량 동역학을 기반으로 계산하였다. 또한, 타이어 특성 중 하나인 플라이 스티어 힘도 쏠림 힘 모델링에 적용하였다. 그리고, 캠버 각, 킹핀 각, 캐스터 각과 같이 쏠림 힘에 영향을 주는 휠 얼라인먼트 세팅도 모델링에 포함된다.
본 연구의 대상 차량은 컬럼 타입 전기 동력식 조향 장치가 장착되어 있다. 이 조향 장치는 기계적 부분, 전기적 부분으로 나눌 수 있는데, 본 연구에서는 수학적 수식을 통하여 기계적 부분에 대한 모델링을 하여 쏠림 힘 모델링에 적용하였다. 조향 시스템 모델링 통해 조향 시스템의 정적, 동적 특성에 대한 시뮬레이션이 가능하다.
다음으로는, 쏠림 힘 모델링과 조향 시스템 모델링을 통합하여 차량 쏠림 모델을 개발하였고, 시뮬레이션을 통해 대상 차량의 쏠림 거리에 대한 예측을 하였다. 이러한 예측 결과는 실차 시험과 비교하여 검증하였다. 검증 후에는 쏠림과 관련된 인자들을 변경하여 쏠림 모델에 적용하고 각 인자들의 쏠림에 대한 민감도 분석을 하였으며, 이 또한 실차 시험을 통해 검증하였다. 다음으로 인자별 민감도 해석 결과를 기반으로 차량 쏠림을 개선하기 위한 여러 가지 방안을 제시하고 이에 대한 실차 검증을 하였다.
개선 방안 중, 기존 방법보다 나은 조타감을 확보하기 위한 개선 방법을 선택하기 위해 조향 시스템 프릭션 인자에 대한 비교 분석을 진행하였다. 또한, 조향 시스템 하부링크 변경을 통한 추가적인 쏠림 개선 방안을 모색하였다. 최종적으로, 기존 방법보다 쏠림을 감소 시키고, 조타감을 개선하는 방법을 제안하였다.
본 연구에서 제안한 쏠림 예측 모델을 차량 개발 과정에 적용하면, 차량 개발 초기 단계인 설계 단계에서부터 쏠림에 대한 예측 분석이 가능하게 된다. 따라서, 다양한 인자에 대한 고려가 가능하고, 조타감을 고려한 쏠림 인자 설정을 통해 효과적인 쏠림 개선을 가능하게 해준다는 장점이 있다. 또한, 본 연구에서 수행된 쏠림 예측 모델 및 관련 인자의 민감도 분석은 설계 인자만 변경 적용하면, 대상 차량 외에 다른 차량에도 활용 가능하다는 장점도 갖고 있다.
This study proposed a modeling method to simulate steering pull in automotive vehicle. In order to overcome weakness of the existing method which depends on trial and error procedure in controlling steering pull, this study utilized theoretical approaches and field test for estimations and improvements of steering pull.
Pulling force of the target vehicle according to driving conditions and design parameters was modeled through theoretical calculations. Pulling force generated by bank of the road calculated with vehicle mass and bank angle. When the pulling force acts on tire of the target vehicle, slip and lateral force occurs. For the theoretical calculation of lateral force, tire properties of the target vehicle were measured and vehicle dynamics was employed. Ply-steer force of the tire also measured and applied to pulling force modeling. Wheel alignment settings such as camber angle, kingpin angle and caster angle which affect pulling force were also included in pulling force modeling.
Steering system of the target vehicle utilize a Column type Electric Power Steering (C-EPS). A C-EPS system can be subdivided into two parts – mechanical part and electrical part. In this study, mechanical parts of a C-EPS were modeled with mathematical equations to apply on pulling force modeling. With this modeling, static and dynamic behaviors of the steering system can be simulated.
Steering pull distance of the target vehicle was estimated with steering pull model which is the integration model of pulling force model and steering system model. Estimation results of the steering pull distance were verified through field tests. After the steering pull verification, steering pull factors were modified and applied to steering pull model to analyze sensitivity of factor modification. With this process, several methods to improve the steering pull were proposed according to sensitivity analysis of steering pull factors and they were verified with field tests.
Furthermore, comparative analysis of the steering system friction was performed to propose improvement method which has better steering feel than the existing method. Additional improvement methods were also investigated through modification of lower body linkage. Consequently, steering pull improvement method which has reduced steering pull distance and better steering feel was proposed.
The modeling method proposed in this study enables the estimation of steering pull at early stage of vehicle design process. Thus many steering pull factors can be considered in design process and it lead to effective reduction of steering pull and improvement of steering feel. In addition, the steering pull model and factor analysis also enable prompt response to change of design parameter and driving conditions and it can be applied to steering pull analysis of other vehicles.
Language
English
URI
https://hdl.handle.net/10371/118403
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