스프링의 SEM 모델링을 활용한 차량 현가계 다축 진동 해석

Abstract

본 논문에서는 실제 차량의 비정형적인 형상의 스프링에 대한 해석 방법을 통해 현가장치를 설계하는 연구를 진행하였다. 친환경 자동차의 개발에 따라 부품이 증가되어 차체의 하중이 달라져 공진주파수가 달라지게 되고, 구조 소음이 증대될 수 있다. 일반적으로 현가장치의 연구에서 스프링은 일정한 강성으로 가정하지만 실질적으론 고주파수에서 스프링 내부 공명의 영향이 커지 므로 고주파수 영역에서의 정확한 모델링이 필요하다. 스프링 권선의 회전반 경이 균일한 스프링은 파동방정식으로 분석 모델을 얻는 것이 가능하나 실제 차량은 다양한 현가장치의 종류에 따라 사용되는 형상이 다르며 보통 회전반 경이 일정하지 않은 비정형적인 형상을 갖는다. 이러한 다양한 스프링의 형상을 고려할 수 있는 Spectral Element Method(SEM) 방법을 통해 설계 모델을 제시하였다. 현가장치의 쇽업소버와 스프링은 결합 시, 고정되어 있는 것이 아닌 상부와 하부 마운트 사이에 접촉 되어있는 상태이고 축방향으로 압축 력이 가해진다. 또한 차량에 결합하게 되어 추가적인 압축력이 발생하게 된다. 스프링의 설계모델을 통해 압축을 가하면 횡방향 공진주파수가 감소하게 되지만 실제 현가장치는 고정되어 있지 않은 경계조건의 영향이 발생해 스프링 단품의 압축 거동과는 다른 거동을 보인다. 이러한 영향은 경계강성을 통해 고려하였다. 경계강성의 변화에 따른 방향 별 거동을 예측하고 경계강성에 의한 민감도가 높은 주파수 대역을 도출하였다. 본 논문에서는 스프링 파동방정식을 기반으로 SEM 방법을 이용하여 비정형적인 형상의 스프링의 다축 해석을 위한 모델을 구축하고 경계조건을 고려하여 내부 공명에 의한 영향이 큰 고주 파수 영역의 변화를 도출하여 현가장치 해석모델을 제시하였다.|In this thesis, a study was conducted to design the suspension system through the analysis method for the atypical shape of the spring of an actual vehicle. As the number of parts increases with the development of eco-friendly vehicles, the load on the vehicle body changes, which causes the resonance frequency to change, and structural noise may increase. In general, in the study of suspension system, spring is assumed to have a constant stiffness, but in reality, the effect of internal resonance of the spring increases at high frequencies, so accurate modeling in the high frequency region is required. It is possible to obtain an analysis model using a wave equation for a spring with a uniform radius of gyration, but the shape used in an actual vehicle is different depending on the type of various suspension system, and usually has an atypical shape with a nonuniform radius of gyration. A designed model was presented through the SEM method that can consider the shapes of these various springs. When the shock absorber and spring of the suspension system are combined, they are in contact between the upper and lower mounts rather than being fixed, and a compressive force is applied in the axial direction. In addition, since it is mounted on a vehicle, an additional axial force is generated. When compression is applied through the designed model of the spring, the transverse resonance frequency is reduced, but the actual suspension exhibits a behavior different from the compression behavior of the single spring due to the influence of the boundary condition that is not fixed. These effects were considered through boundary stiffness. The behavior of each direction according to the change in boundary stiffness was predicted, and a frequency band with high sensitivity due to boundary stiffness was derived. This thesis constructed a model for multi-axis analysis of atypically shaped springs using the SEM method based on the spring wave equation and presented a suspension system analysis by deriving a change in high frequency region that is largely influenced by internal resonance in consideration of boundary conditions.