ER 및 MR 유체를 활용하는 반능동 시트댐퍼의 성능 비교

1. 서 론

일반적으로 승용차가 가장 대중적인 차량으로서 개인의 이동 수단으로 이용되고 있는 반면에 트럭이나 버스와 같이 화물이나 승객을 운송하기 위해 설계된 대형 차량은 물류산업과 대중교통의 중심으로서 산업의 근간을 이루고 있다. 특히 코로나19의 확산 이후 온라인 소비 급증으로 전자상거래가 활성화됨에 따라 상품이나 원자재를 운송하는 물류 및 유통산업이 급격하게 확대되고 있으며 더불어 상업용 차량(commercial vehicle)의 수요도 급증하고 있다.

이러한 물류 수요에 대응하기 위해 다양한 물류 관련 인프라를 개선하기 위한 연구와 노력이 요구되고 있다. 특히 상업용 차량의 개발 측면에서는 그동안 주행안정성(driving stability)과 관련하여 안정적 화물 운송에 초점을 맞추어 파워트레인, 차체 프레임, 화물 적재공간 등이 중점을 이루고 있지만, 최근 운전자가 보다 편안하게 운전할 수 있도록 하는 승차감(ride comfort) 관련 연구에도 많은 관심이 나타나고 있다. 특히 거친 도로에서 장거리를 운행해야 하는 상업용 차량의 주행 환경에서 보면 운전자는 장시간 거친 환경에 노출되는 것을 피할 수 없다. 이와 같이 과도한 피로에 노출되면 건강상의 문제마저 야기할 수 있기 때문에 상용차의 승차감 향상은 매우 중요한 문제로 대두되고 있으며, 상업용 차량 개발의 중요한 요소로서 운전자의 피로감을 줄이는 장치에 대한 연구도 필수적이다^(1,2).

일반적으로 상업용 차량의 설계는 차량전복(rollover) 방지 및 조종안정성(handling) 향상 등에 중점을 두고 있기 때문에 차량의 전륜에 큰 롤강성(roll stiffness)을 부여하게 되므로 운전석은 필연적으로 큰 진동에 노출되게 되며 운전자의 피로는 가중된다. 이러한 운전석의 진동을 억제하기 위해 주 현가장치 이외에 캐빈(cabin) 현가장치가 장착하게 되며, 보다 직접적으로 운전석의 진동을 줄이기 위한 시트 현가장치(seat suspension)의 중요성도 강조되어 왔다^(3,4). 특히 운전석의 시트 현가장치는 차량에서 유일하게 인체에 직접적으로 접촉하고 있으므로 외부로부터 전달되는 진동을 효과적으로 절연하여 인체에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

최근 주현가장치 분야에서는 댐퍼의 댐핑계수를 노면 조건에 따라 적절히 가변하여 높은 진동절연 효과를 나타내는 반능동형(semi-active) 현가장치가 도입되고 있는데 이는 단일 감쇠특성만을 갖는 기존 수동형의 단점을 보완하면서도 능동형에 비해 간단하면서도 낮은 가격을 갖은 장점이 있다. 이러한 반능동 현가장치는 시트 현가장치에도 매우 유효한 방법이라 할 수 있다. 반능동 시트 현가장치를 구현하는 대표적인 방법은 지능재료(smart materials)을 이용하는 것이며, 지능형 유체로서 전기유변유체(electrorheological fluid: ER 유체) 및 자기유변유체(magnetorheological fluid: MR 유체)를 활용하는 두 가지 방법이 있다. ER/MR 유체는 전기장 혹은 자기장의 인가에 따라 전단응력의 변화를 보이며 연속적인 제어가 가능한 특징을 갖는다^(5,6). 이러한 지능형 유체를 활용한 반능동 시트댐퍼에서는 ER 댐퍼의 빠른 응답특성과 MR댐퍼의 큰 감쇠력을 특징으로 하면서도 두 시스템 모두 단순한 구조로 감쇠력의 실시간 제어와 진동저감이 가능하여 다양한 연구가 진행되어 왔다^(7~11). 하지만 이러한 연구에도 불구하고 ER 시트댐퍼와 MR 시트댐퍼에 대한 직접적인 비교연구는 아직 부족한 부분이라 할 수 있다.

따라서 이 연구에서는 동일한 운전석 구조하에서 두 가지 형태의 반능동 시트 현가장치를 구성하고 그 성능을 비교 평가하고자 한다. 이를 위해 실제 운전석 현가장치에 적용된 상용 댐퍼의 크기와 성능을 고려하여 반능동 시트댐퍼를 고안한다. 그리고 ER 댐퍼와 MR 댐퍼를 함께 설계한 후 두 댐퍼를 실제 제작하여 감쇠력 특성을 실험적으로 비교하고자 한다. 또한 간단하지만 반능동 감쇠력 제어에 매우 효과적인 것으로 알려진 스카이훅(sky-hook) 제어를 적용하여 차량진동에서 가장 큰 영향을 미치는 1차 공진이 포함되는 저주파 영역에서의 진동 전달율을 평가할 것이다. 이를 위해 운전석 시트에 더미질량을 설치하고, 유압장치에 의한 외부가진에 따른 변위와 가속도 변화를 측정하는 실험적 관찰 통해 ER 및 MR 시트댐퍼의 진동절연 성능을 상호 비교하면서 기존의 수동형과도 비교 평가하고자 한다.

2. 반능동 시트댐퍼

지능형 유체는 용매에 분산되어 있는 작은 입자들로 구성되며 이러한 입자들은 전기적 혹은 자기적으로 분극화가 가능한 특징을 갖고 있다. 따라서 외부입력에 따라 분극된 입자들이 인력을 발휘하여 유변학적 거동의 변화가 가능한 유변유체라고 할 수 있다. 지능형 유변유체에는 입자들이 전기적 분극을 갖은 ER 유체와 자기적 분극을 갖는 MR 유체가 있으며, 외부입력으로 전기장 혹은 자기장을 부하함에 따라 뉴토니안(newtonian) 유체 상태에서 빙햄(bingham) 유체 상태로 변화하게 된다. 빙햄유체 상태에서 전기적인 혹은 자기적인 분극을 갖게된 입자들은 상호 인력에 의해 체인구조를 형성하게 됨으로서 유체는 외력에 저항하는 항복응력을 갖게 된다. 이러한 빙햄유체의 거동은 일반적으로 빙햄모델로 표현되며 수학적으로 나타내면 식 (1)과 같다⁽⁵⁾.

여기서, $$ \eta $$는 유체의 점성계수, $$ \dot{\gamma }$$은 유체의 전단속도비, $$ U$$는 외부에서 부하되는 입력으로서 전기장($$ E$$) 혹은 자기장($$ H$$)을 나타낸다. 그리고 $$ \alpha $$와 $$ \beta $$값은 유체의 조성조건에 따라 달라지는 고유 특성치로서 실험적으로 결정하게 된다. Fig. 1은 ER/MR 유체의 빙햄특성 실험 결과를 보여주고 있다. 이 때 항복응력은 외부입력에 따라 지수적으로 증가함을 알 수 있다. 이 연구에 사용된 ER 유체는 10 CS 실리콘 오일에 30 wt%의 starch 입자가 첨가된 ER 유체가 사용되었으며, 16.5$$ E^{1.97} \mathrm{P}\mathrm{a}$$의 항복응력을 갖는다. 또한 MR유체는 carbonyl iron과 hydrocarbon oil을 합성한 것으로 입자체적비는 32 %인 미국 Lord사에서 제조한 MRF-132LD로서 83.46$$ H^{1.25}$$ Pa의 관계식으로 표현할 수 있다. 이 연구에서 실제 댐퍼에 인가된 최대 전기장은 4 kV/mm, 자기장 48 A/mm이며, 최대 항복응력은 각각 266 Pa과 10.5 kPa로 나타났다.

Fig. 1

Bingham characteristics

이 연구에서 제안한 상용차 운전석을 위한 반능동 시트댐퍼의 구조는 Fig. 2와 같다. 일반적으로 반응속도가 빠른것으로 알려진 ER 유체는 분극에 따른 인력의 차이와 고전압 인가장치의 한계로 인해 최대항복응력이 적은 단점을 가지고 있다. 하지만 상대적으로 큰 항복응력을 갖는 MR 유체는 응답속도는 느리지만 댐퍼 설계상의 이점을 갖게 된다. 제안된 두개의 반능동 시트댐퍼는 전기장 및 자기장 인가에 따른 내부 설계구조의 차이는 상이하지만 댐퍼 외부의 길이 및 크기 등 제반 사양은 상용차 운전석의 공간적인 여건을 고려하여 실제 상용 시트댐퍼를 기준으로 설계되었다. 먼저 ER 시트댐퍼는 큰 전극면적을 확보하기 위해 내·외측 실린더 사이에 ER 유체가 유동하도록 원형 덕트가 구성되어 오리피스 역할을 하고 있다. 그리고 상대적으로 큰 감쇠력을 갖는 MR 시트댐퍼는 보다 단순한 구조로 피스톤 내부에 유로가 형성되어 있다. 따라서 피스톤 내부에 환형의 오리피스가 형성된다. 제안된 반능동 시트댐퍼는 모두 피스톤을 중심으로 상부챔버와 하부챔버를 갖고 있고 이 두 챔버에 유체가 채워지도록 하였다. 노면에 의한 가진에 의해 피스톤 로드는 상하 운동을 하게 되면 한쪽 챔버의 유체는 오리피스를 지나 다른 쪽의 챔버로 유동한게 된다. 따라서 반능동 유체를 활용한 ER 및 MR 시트댐퍼는 유체 점성마찰에 의한 감쇠력과 더불어 외부입력에 따라 연속적이고 제어 가능한 감쇠력을 추가적으로 발생시킬 수 있다.

먼저 점성마찰에 의한 유체저항(fluid resistance)은 환형 오리피스 사이로 유체가 유동할 때 발생하게 되며 이를 두 평판사이의 유동으로 가정하면 식 (2)와 같이 결정할 수 있다⁽⁷⁾.

Fig. 2

Schematic configurations

여기서, $$ L$$은 자극길이, $$ b$$는 오리피스의 원둘레, $$ h$$는 오리피스의 간극을 나타낸다. 한편 외부입력 인가에따른 압력강하 $$ P$$는 식 (3)과 같다.

유체 유동 시 발생하는 쿨롱 마찰력과 유체 관성을 무시할 때 반능동 시트댐퍼에서 발생하는 감쇠력 $$ F_d$$는 식 (4)와 같은 동적지배방정식으로 나타낼 수 있다.

여기서, $$ x_p$$는 피스톤 변위를 나타내고, $$ A_r$$과 $$ A_p$$는 각각 피스톤로드와 피스톤의 단면적을 나타낸다. 또한 $$ C_g$$는 가스챔버에서 압축성으로 인해 발생하는 컴플라이언스(compliance)이다. 일반적으로 댐퍼가 작동될 때 주위와 많은 열 교환을 하지 않으므로 챔버에서 가스의 압축성으로 인해 발생되는 컴플라이언스는 단열변화로 가정하여 선형화하면 식 (5)와 같다⁽⁷⁾.

여기서, $$ V_0$$와 $$ P_0$$는 각각 초기 작동점에서의 가스챔버의 부피와 압력이다. 그리고 $$ \kappa $$는 비열비로 정적비열과 정압비열의 비를 나타내며 이 연구에서는 1.4인 질소가스를 사용하였다.

3. 진동저감 성능 비교

제안된 모델을 기반하여 상용차 운전석을 위한 반능동 ER 및 MR 시트댐퍼를 설계 및 제작하였으며, Fig. 3은 실제 제작된 시트댐퍼의 사진을 나타낸 것이다. 제작된 시트댐퍼의 외부 직경은 40 mm, 최대 신장시 전체 길이는 220 mm, 피스톤로드 행정거리는 ± 25 mm이다. 그리고 외부에는 하부챔버와 유압관으로 연결되어 축압기로 작동하는 가스챔버가 있으며, 그 압력은 15 bar ~ 20 bar로 설정하였다. 이러한 구조는 피스톤 행정거리와 전극의 길이를 확보할 수 있어 큰 댐핑력을 얻는 이점이 있다.

Fig. 3

The manufactured seat dampers

ER 시트댐퍼의 경우 유로를 형성하는 내·외측 실린더는 스테인리스강으로 제작되었으며, 고전압의 전원이 연결되어 전기장을 부하하는 두 전극판으로 작동하게 된다. 이 때 전극의 길이와 간극은 각각 85 mm와 0.95 mm로 설계되었다. MR 시트댐퍼는 내·외측 피스톤 사이에 오리피스가 형성되므로 자기장을 형성하기 위해 강자성 재료인 연강으로 제작되었으며, 그 외 피스톤로드와 실린더는 투자율(permiability)이 낮은 알루미늄으로 구성되어 있다. 이때 오리피스의 간극은 1.25 mm이며, 내측 피스톤에는 자기장을 발생시키는 코일의 권선수는 60회, 사용된 동선의 직경은 0.75 mm이다.

이 연구에서는 제안된 반능동 시트댐퍼들의 성능을 비교하기 외부입력(전기장 또는 자기장)의 증가에 따른 감쇠력 변화를 실험적으로 고찰하였으며, 이를 위한 실험장치의 구성을 Fig. 4에 도시하였다. 유압 서보장치에 의해 댐퍼에 가진을 주고 있고, 이때 발생되는 가진변위는 LVDT, 감쇠력은 로드셀(loadcell)을 이용하여 측정하였다.

Fig. 4

Experimental configuration

Fig. 5는 제작된 시트댐퍼에서 발생하는 감쇠력을 피스톤 속도에 따라 도시한 것이다. 이때 가진 진폭은 ±10 mm이며, 가진주파수는 최대 3.0 Hz까지 사용하였다. 먼저 Fig. 5(a)는 ER 시트댐퍼의 댐핑력 측정결과이며, 전기장 크기는 0 kV/mm, 1 kV/mm, 2 kV/mm, 3 kV/mm, 4 kV/mm로 증가시켰다. 전기장 무부하시 피스톤 속도 0.11 m/s의 리바운드 운동에서 68 N의 댐핑력이 발생되었으며, 최대 4 kV/mm의 전기장 부하시 158 N의 댐핑력이 발생되어 94 N의 댐핑력 변화가 발생되었다. 그리고 Fig. 5(b)는 MR 시트댐퍼의 측정결과이며, 자기장 증가에 따른 댐핑력 변화를 나타낸 것이다. 자기장 무부하시 110 N의 댐핑력이 48 A/mm에서 373 N으로 증가하였다. Fig. 6은 동일한 댐핑력 실험에서 1.5 Hz 가진 조건에서의 측정결과를 시간영역에 도시한 것이다. 1.5 Hz는 차량의 1차 공진영역에 해당하며 두 댐퍼 모두 안정적으로 댐핑력을 발생시키고 입력장의 크기에 따라 연속적으로 변화하고 있음을 보여준다.

Fig. 5

Damping force characteristics

결과에 나타난 바와 같이 동일한 상용차 운전석용 상용댐퍼를 기준으로 설계한 두 댐퍼는 외부입력(전기장 또는 자기장) 부하에 따라 댐핑력의 크기가 무부하시에 비하여 크게 증가됨을 확인할 수 있으며, 단지 외부입력의 제어만으로 넓은 피스톤 속도 영역에서 원하는 댐핑력으로 조절됨을 확인할 수 있다. 다만 전기장 인가시 ER 댐퍼는 댐핑력이 232 % 증가하여 158 N을 발휘한 반면 MR 댐퍼는 339 % 증가하여 373 N이 발생하였다. 따라서 ER 댐퍼에 비해 MR 댐퍼가 더 큰 범위의 제어력을 제공할 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 큰 입력으로 사용되기에는 자기장이 전기장에 비해 쇼트의 위험도 적고 보다 안정적이기 때문인 것으로 판단된다. 다만 외부입력 무부하시 나타나는 감쇠력 차이는 ER/MR 유체의 점도차이와 댐퍼의 구조적 차이에 의한 영향이며 상용댐퍼와 최대한 근사하도록 설정하였다.

Fig. 6

Time history of damping forces

이 연구에서는 제안된 반능동 시트댐퍼의 진동 절연성능을 평가하기 위해 실제 시트현가장치에서의 진동 전달률을 평가하였다. 이를 위해 적용한 운전석 현가 장치 모델은 Fig. 7과 같으며, 모델로부터 동적 지배방정식을 유도하면 식 (6)과 같다.

Fig. 7

Mechanical model of the seat suspension

여기서, $$ m_1$$과 $$ m_2$$는 시트프레임과 운전자 더미의 질량, $$ k_1$$과 $$ c_1$$은 시트현가계의 스프링상수와 댐핑계수, $$ k_2$$와 $$ c_2$$는 쿠션의 스프링상수와 감쇠 계수를 각각 나타낸다. 그리고 $$ u$$는 시트댐퍼의 제어력을 나타낸다. 마지막으로 $$ c_1\dot{x_0}+k_1{x}_0$$는 외부 가진입력이다.

이 연구에서 제어댐핑력은 스카이훅(sky-hook) 제어알고리즘을 이용하여 결정되었다. 이는 반능동형 시스템의 진동제어에 널리 사용되는 알고리즘으로서 매우 간단하면서도 효과적인 제어기를 구성할 수 있다. 스카이훅 제어는 절대 고정변위를 갖는 천정과 운전석 사이에 가상의 댐퍼를 설치하고 이 가상 댐퍼에서 발생하는 감쇠력을 시스템의 요구 감쇠력으로 사용하여 제어 입력을 결정하는 것이며 식 (7), 식 (8)과 같이 수학적으로 정의할 수 있다⁽¹²⁾.

여기서, $$ c_d$$는 물리적으로 댐핑계수를 의미하는 제어게인이며, $$ \dot{x_1}$$는 운전석 시트 프레임의 수직방향 속도를 나타낸다. 그리고 식 (8)은 반능동 조건을 부여한 것이다. 마지막으로 시트댐퍼에 공급되는 최종 제어입력(전기장 혹은 자기장은)은 식 (9)와 같이 결정된다.

따라서 ER/MR 댐퍼에 입력장을 형성하기 위한 제어 전압($$ V$$) 및 전류($$ I$$)는 식 (10), 식 (11)과 같이 계산할 수 있다.

여기서, $$ N$$은 자기장 생성을 위한 코일 권선수이다.

이 연구에서는 제안된 ER 시트댐퍼와 MR 시트댐퍼의 진동절연 성능을 비교 검증하기 위하여 인체를 대신하는 강체(rigid mass)를 시트현가장치 위에 올려 놓고 실험을 진행하였으며, 이 때 발생하는 변위와 가속도 관점에서 진동 전달률을 비교 평가하였다. 그리고 스카이훅 알고리즘에 의한 감쇠력 제어는 시트프레임의 속도를 피드백 받아서 수행되었다. Fig. 8은 진동 절연 성능을 평가하기 위한 실험장치의 구성을 보여주고 있다. 유압 제어장치에 의해 구현되는 가진 신호는 운전석 플로어의 가진이며 노면으로부터의 진동이 차량의 바퀴에 전달되어 주 현가장치와 캐빈 현가장치를 거쳐 운전석 현가장치에 전달되는 것이다. 그리고 운전석 시트에서 측정된 변위와 가속도 신호가 컴퓨터에 전달되며 이로 부터 계산된 제어신호를 파워앰프를 통해 시트댐퍼에 전달하게 된다. 이 연구에서 시트에 올려진 더미 질량($$ m_1$$)은 55 kg이다.

Fig. 8

Experimental setup for vibration control

Fig. 9는 반능동 시트 현가장치의 변위와 가속도에 대한 전달율을 나타낸 것이며, 이 연구에서 제안된 ER 및 MR 댐퍼와 기존의 수동형 댐퍼(passive damper)를 적용한 결과를 함께 도시하였다. 여기서 수동형 댐퍼는 기존의 상용 시트현가장치에 적용되는 댐퍼이다. 이 연구에서 제안된 시스템은 모두 동일한 스프링과 더미 질량을 사용하였기 때문에 시트의 공진 주파수 영역이 모두 약 2.1 Hz에 있다. 결과에 나타난 바와 같이 기존의 수동형 댐퍼와 비교하여 ER 및 MR 댐퍼 모두 첫 번째 공진주파수 영역에서 전달율이 크게 감소하면서 우수한 진동절연 성능을 발휘하고 있음을 알 수 있다. 먼저 변위 전달율을 나타내는 Fig. 9(a)를 보면 수동댐퍼 적용시 최대 전달율 1.60이 공진영역 약 2.1 Hz에서 나타나고 있으며, ER 및 MR 댐퍼 적용시 2.1 Hz 대역에서 전달율이 각각 1.11와 1.10로 거의 유사한 크기로 감소하였다. 다만 제어를 수행에 따라 감쇠력이 증가하면서 공진영역도 상승하여 최대 전달율은 ER 댐퍼 적용시 1.19이지만, MR 댐퍼적용시 1.15로 더 크게 감소하고 있음을 확인할 수 있다. 이러한 차이는 Fig. 9(b)의 가속도 전달율에서 보다 극명하게 나타나고 있다. 수동댐퍼의 최대 전달율은 1.54이며, 스카이훅 제어기에 의한 반능동 제어에 따라 ER 댐퍼의 경우 1.21로 감소하였으며, MR 댐퍼의 경우 보다 크게 감소하여 1.13으로 나타나고 있다.

Fig. 9

Transmissibility of the seat suspensions

이 연구에서 제안된 반능동 댐퍼들은 모두 4 Hz이내의 주파수 영역에서 매우 우수한 진동절연 성능을 보여주고 있다. 다만 2.5 Hz ~ 3.5 Hz 영역에서 진동감쇠가 다소 적게 일어나는 것은 제어력 인가에 따라 감쇠력이 증가하면서 나타난 감쇠고유진동수의 상승 영향으로 판단된다. 또한 상대적으로 큰 감쇠력을 발휘할 수 있는 MR 댐퍼가 적용된 시트현가장치가 1차 공진영역 전반에서 매우 우수한 진동 절연성능을 보여주고 있다. 제어 주파수 영역이 저주파수 대역인 것은 MR 시트댐퍼의 단점이 줄어드는 효과를 주었지만 감쇠력 차이를 고려할 때 ER 댐퍼와의 실제 진동절연 성능차이는 크지 않았다. 시트댐퍼의 특성상 큰 감쇠력을 필요로 하지 않기 때문에 ER 시트댐퍼도 상당히 우수한 결과를 보여준 것으로 생각된다. 하지만 설치 공간을 최소화하는 컴팩트한 설계를 적용한다면 큰 감쇠력을 갖는 MR 시트댐퍼의 이점이 더욱 크게 나타날 것이다.

4. 결 론

이 연구에서는 동일한 운전석 구조하에서 두가지 형태의 반능동 ER 및 MR 시트현가장치를 구성하고 진동절연 성능을 비교 평가하였다. 이를 위해 실제로 운전석 현가장치에 장착 가능한 크기와 성능을 갖는 반능동 시트댐퍼를 설계하였으며, 실제 및 제작하여 감쇠력 및 전달율 특성을 실험적으로 비교하였다. 실험 결과에 따르면 이 연구에서 제안된 ER/MR 반능동 댐퍼들은 모두 1차 공진이 포함되는 저주파수 영역에서 매우 우수한 진동절연 성능을 보여주었다. 두 반능동 댐퍼를 비교하면 MR 댐퍼의 감쇠력이 ER 댐퍼보다 215 N 크게 발생하였고, 진동 전달율 측면에서도 MR 댐퍼가 우수한 결과를 나타내었다. 다만 전달율 차이는 0.08 이하 이므로 시트 현가장치에 적용되는 감쇠제어 시스템의 경우 ER 댐퍼로도 충분한 제어력을 발휘할 수 있다고 생각된다. 하지만 이 연구에서는 ER/MR 댐퍼 모두 동일한 크기를 적용하였기 때문에 실제 적용 관점에서는 MR 댐퍼를 보다 작은 크기로 적용할 수 있는 공간적인 설계 이점은 남아있다. 이 연구에서는 차량의 진동에서 가장 중요한 1차 공진 영역에서 진동절연 성능을 비교하였다. 하지만 ER/MR 유체의 응답성 차이를 고려한다면 향후 2차 공진 영역에서의 성능비교도 필요할 것으로 예상된다. 또한 더미질량을 적용한 시트현가장치의 진동응답특성으로는 운전자의 동적거동을 묘사하는데 한계가 있으므로 인체의 동적거동를 고려한 연구도 필요할 것으로 생각된다.

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