Influence of Air Spring Pressure on Ride Comfort and Dynamic Response of an Electric Vehicle under Random Road Excitation
본 연구는 에어 스프링 압력의 변화가 무작위 도로 노면 흥분 상태에서 전기차의 승차감과 동적 응답에 미치는 영향을 조사하며, 높은 압력이 현가 장치의 강성과 휠 하중을 증가시키는 동시에 승차감을 저하시킨다는 점을 밝힘으로써 다양한 도로 등급과 속도에 걸쳐 이러한 상충하는 요소들 사이의 균형을 맞추기 위한 최적의 압력 범위를 식별한다.
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모든 차량은 도로를 주행할 때 두 가지 상충하는 필요 사이에서 끊임없는 싸움을 벌여야 합니다. 첫 번째는 승객을 거칠고 불규칙한 노면의 질감으로부터 격리하여 부드럽고 편안한 승차감을 유지해야 하는 필요성입니다. 두로, 차량이 조향, 제동 및 가속을 안전하게 수행할 수 있도록 타이어를 지면에 단단히 밀착시켜야 하는 필요성입니다. 만약 서스펜션 시스템이 너무 부드러우면, 차가 파도 위의 배처럼 느껴져 운전자를 도로로부터 격리시킬 수는 있지만, 타이어가 튀어 오를 때 제어력을 잃을 위험이 있습니다. 반대로 시스템이 너무 딱딱하면 타이어는 지면에 붙어 있겠지만, 모든 요철이 승객에게 직접 전달되어 주행을 충격적인 경험으로 바꿀 것입니다. 전기차의 경우, 무거운 배터리 팩과 독특한 모터 구성이 차량의 무게와 움직임을 변화시키기 때문에 이 균형을 맞추는 것이 훨씬 더 까다롭습니다.
최근 한 연구에서 연구자들은 에어 스프링이 장착된 전기차를 위한 정밀한 균형점을 찾고자 했습니다. 고정된 강성을 가진 전통적인 강철 스프링과 달리, 에어 스프링은 압축된 가스를 사용하여 차량의 무게를 지탱합니다. 이 가스의 압력을 변화시킴으로써 엔지니어들은 서스펜션이 느껴지는 강도를 조절할 수 있습니다. 베트남 빈롱 공과대학교(Vinh Long University of Technology Education) 연구팀은 다양한 품질의 도로(매끄러운 고속도로부터 매우 거친 비포장도로까지)를 주행할 때 서로 다른 공기압 수준이 차량에 어떤 영향을 미치는지 조사했습니다. 그들은 차량이 네 가지 뚜렷한 유형의 노면 위를 시속 30~60km로 주행하는 상황을 시뮬레이션했습니다. 그들의 목표는 타이어의 노면 접지력을 희생하지 않으면서도 편안한 승차감을 유지할 수 있는 이상적인 압력 설정을 결정하는 것이었습니다.
연구진은 전기차를 정교한 디지털 모델로 구축하였으며, 차체와 바퀴가 요철에 어떻게 반응하는지를 포착하기 위해 이를 7개의 움직이는 부품을 가진 복잡한 시스템으로 취급했습니다. 그들은 이 가상 자동차에 실제 주행 조건과 유사한 무작위 진동을 가했으며, 네 가지 특정 공기압 수준인 400,000, 600,000, 800,000, 1,000,000 파스칼을 테스트했습니다. 압력을 높일수록 에어 스프링 내부의 공기는 압축하기 더 어려워졌으며, 이는 결과적으로 서스펜션을 더 딱딱하게 만들었습니다. 결과는 모든 도로 유형에서 명확하고 일관되었습니다. 압력이 높을수록 승차감은 더 거칠어졌습니다. 압력이 가장 낮을 때는 차량이 충격을 잘 흡수했지만, 압력이 최대치로 높아지자 차량 차체가 더 격렬하게 흔들리기 시작했습니다. 테스트된 가장 매끄러운 도로에서, 최저 설정에서 최고 설정으로 압력을 높였을 때 승객이 느끼는 평균 진동은 거의 41% 급증했습니다.
이러한 강성의 증가는 타이어가 도로와 상호작고하는 방식에도 직접적인 영향을 미쳤습니다. 딱딱한 서스펜션이 타이어를 지면에 더 잘 밀착시킬 것 같지만, 시뮬레이션 결과는 거친 지형에서 그 반대의 효과를 보였습니다. 압력이 증가함에 따라, 특히 높은 속도에서는 타이어가 튀어 올라 지면과의 접촉을 잃을 가능성이 더 높아졌습니다. 연구진은 이를 타이어에 가해지는 하중이 얼마나 변동하는지를 나타내는 지표를 사용하여 측정했습니다. 가장 거친 도로에서 차량이 빠른 속도로 고압 상태로 주행할 때, 타이어는 지면에서 완전히 떠오를 정도로 위험하게 접근했습니다. 이러한 접지력 상실은 매우 중요한데, 타이어가 도로에 닿아 있지 않으면 조향이나 제동을 효과적으로 수행할 수 없기 때문입니다. 연구는 가장 불규형한 노면에서 가장 높은 압력 설정이 타이어의 접지력을 현저히 감소시켜, 차량이 불안정해질 수 있는 상황을 만든다는 것을 발견했습니다.
도로 표면의 품질은 이러한 압력 설정이 성능을 발휘하는 데 있어 매우 큰 역할을 했습니다. 매끄럽고 양호한 도로에서는 차량이 넓은 범위의 압력을 견딜 수 있었으며, 400,000에서 800,000 파스칼 사이의 설정이 편안함과 안전 사이의 합리적인 절충안을 제공했습니다. 그러나 도로 표면이 거칠어질수록 오차 범위는 줄어들었습니다. 중간 품질의 도로에서 연구진은 안전을 유지하기 위해 압력을 400,000에서 600,000 파스칼 사이로 낮출 것을 권장했습니다. 매우 열악하고 극도로 거친 도로에서는 가장 낮은 압력 설정만이 승차감을 유지하고 타이어를 지면에 밀착시킬 수 있는 유일한 방법이라는 것이 시뮬레이션 결과였습니다. 이러한 가혹한 조건에서 고속 주행과 높은 공기압의 결면은 불편함과 위험의 완벽한 폭풍을 만들어냈으며, 차량 차체는 격렬하게 흔들리고 타이어는 접지력을 유지하기 위해 사투를 벌였습니다.
또한 이 연구는 속도와 압력 사이의 관계가 선형적이지 않다는 점을 강조했습니다. 거친 도로에서 딱딱한 서스펜션으로 더 빠르게 주행하면 부정적인 효과가 증폭되어, 차량이 더 많이 튀어 오르고 타이어가 접지력을 잃는 빈도가 높아집니다. 연구진은 자신들의 결과가 이러한 특정 조건들에 대한 명확한 가이드를 제공하지만, 이는 물리적인 도로 테스트가 아닌 컴퓨터 시뮬레이션에 기반한 것이라고 언급했습니다. 해당 모델은 차량의 적재량 변화나 에어 스프링 내부의 복잡한 열 역학과 같은 모든 가능한 변수를 고려하지 않았습니다. 그럼에도 불구하고, 이 결과는 엔지니어와 운전자들에게 실질적인 로드맵을 제공합니다. 연구는 전기차가 편안함과 안전을 유지하기 위해서는 에어 서스펜션의 공기압을 단 하나의 고정된 값으로 설정해서는 안 된다고 제안합니다. 대신, 도로가 거칠어지거나 차량 속도가 빨라짐에 따라 압력을 동적으로 조절함으로써, 차량이 승객을 위한 안정적인 플랫폼이 되는 동시에 바퀴를 지면에 단단히 붙일 수 있도록 해야 합니다.
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