맥퍼슨 스트럿 서스펜션의 성능 향상을 위한 사이드 로드 스프링의 최적설계에 관한 연구

Abstract

맥퍼슨 스트럿 서스펜션의 댐퍼에 작용하는 굽힘 모멘트를 상쇄시킴으로써, 댐퍼 부품 간의 마찰을 줄이고 승차감을 향상시키기 위하여 사이드 로드 스프링이 사용된다. 본 논문에서는 사이드 로드 스프링을 해석적으로 설계하기 위한 수식을 정리 및 수정하고, 좌권부와 활성 코일부를 부드럽게 연결하기 위한 수식을 제안한다. 그리고, 이 수식들을 이용하여 실제로 사이드 로드 스프링을 설계하기 위한 체계적인 프로세스를 제시한다. 이 프로세스를 실제로 활용하기 위하여 스프링의 형상 파라미터와 상하 옵셋을 입력하면 사이드 로드 스프링을 설계해 주고, 설계된 스프링을 동역학 해석을 통하여 특성을 확인해 볼 수 있는 지그 모델을 만들어 주는 자동화 프로그램을 개발하였다. 이 프로그램을 이용하면 전문 CAE 해석자가 아닌 일반 설계자도 쉽게 해석을 통하여 사이드 로드 스프링의 특성을 파악해 볼 수 있다. 또한, 목표 옵셋과 초기에 설계된 스프링의 옵셋의 차이를 보정하기 위한 최적화 방법을 제시하여, 사이드 로드 스프링이 목표 성능을 만족하도록 최적화될 수 있도록 하였다. 이렇게 최적 설계된 사이드 로드 스프링을 다물체 동역학 해석을 통하여 그 효과를 검증해 본다. 이러한 해석을 통하여 기존의 코일 스프링과 비교하여 사이드 로드 스프링이 맥퍼슨 스트럿 서스펜션의 승차감 향상에 효과가 있음을 확인할 수 있다. 맥퍼슨 스트럿 서스펜션에 적용되는 사이드 로드 스프링을 해석하기 위해서는 일반적으로 비선형 유한요소를 기반으로 하는 구조 해석이 사용된다. 그러나, 비선형 구조 해석은 모델링 및 해석에 많은 시간이 소요되는 경우가 많다. 본 논문에서는 절대절점 좌표계를 이용하여 사이드 로드 스프링을 비선형 유한요소로 모델링하고, 이를 다물체 동역학 모델에 적용하여 해석하는 방법을 설명한다. 그리고, 하중을 받지 않은 상태로 설계된 사이드 로드 스프링을 차량에 장착된 상태로 변환하기 위한 지그 모델을 구성하는 방법을 제시하고, 이 결과를 반차량 및 전차량 모델에 적용하여 차량의 다양한 주행 상황애 대한 다물체 동역학 해석을 수행한다. 이러한 해석들을 통하여, 기존의 유한요소 해석을 통해서는 구현하기 힘들거나 시간이 많이 걸리는 사이드 로드 스프링의 효과 분석을 보다 쉽고 빠르게 수행할 수 있다.