Transcript 노면마찰
교통공학 기초 - 차량역학과 노면마찰과의 관계 - 2010. 5. 12(수) 발표자 : 주재홍 주요 내용 교통공학의 개요 교통공학의 접근방법 교통공학의 영역 교통공학의 구성요소 중 차량만 논의 도로이용자의 특성 운전자 보행자 차량 도로 교통운영시설 교통공학의 관련 이론 2 교통공학의 구성요소 교통공학 기법 도로, 도로이용자, 차량, 교통운영시설의 상호 작용을 분석하여 제시 요소 교통공학의 구성 도로이용자 운전자, 보행자 요소는 소위 교통의 차량 차량역학 및 노면상태, 타이어, 조향, 제동장비 3요소인 차량, 도로, 도로 도로설계, 도로운영기법-장비(검지기, 톨게이트, ITS 장비 등) 교통운영시설 안전시설물 등(표지, 노면표시, 안전시설물) 이용자의 복합적인 상호작용을 분석 차량 교통공학에서 차량동역학 해석 – Neural Network 노면변화에 따른 차량 주행 안전성 승차감해석, 서스펜션, 쇼바 등 현가장치, 타이어 해석 차량의 동역학을 해석하여 노면상황에 따른 차량의 주행안전성 특성파악과, 노면마찰에 따른 타이어 역학 및 접촉 등의 특성을 고찰함 3 교통공학(Transportation Engineering) 영역 차량 차량동역학 해석 차량동역학 해석 노면마찰에 따른 주행안전성 타이어 역학 및 접촉 도로를 주행하는 자동차의 노면특성에 따른 차량 주행안전성 해석과 노면충격에 따른 차량 각 부품들(현가장치, 타어이 등)의 특성 해석을 통하여 자동차와 노면과의 역학관계를 설명함 동역학 해석은 보통 컴퓨터 시뮬레이션 방법과 실차 주행을 통해 규명함 - 실차주행은 일반노면, 비포장로 등을 실제 주행하여 테스트를 통해 차량 각 부품의 응력, 진동현상을 측정하여 실 주행시 발생할 수 있는 하중과 부품수명을 예측함 - 실차주행은 대상 부품에 압력게이지를 부착하여 국부변형률과 동하중 이력을 구하여 피로 수명을 구하여 피로수명 산출과 가속도 측정에 의한 진동특성을 산출함 컴퓨터 시뮬레이션 문제점 : 하중조건과 경계조건의 명확한 설정이 매우 어려움 4 차량동역학 시뮬레이터 주행 장치 미끄럼 조향 기구 • 미끄럼 조향기구의 전체 형태 • 연구방법 : 궤도차량과 바퀴차량으로 연구됨 -보통 4바퀴 차량을 이용하거나, 바퀴 하나를 이용하여 테스트를 함 • 미끄럼 조향기구의 각속도와 데이터 획득 - 엔코더 값을 이용하여 각속도 및 변화량 획득 5 차량동역학 시뮬레이터 주행 장치 미끄럼 조향 기구 • 네바퀴 차량의 미끄럼 조향 특성 결론 - 60도에서 반시계 반향으로, -60도에서는 시계방향으로 밖에 회전이 일어나지 않으며, 바퀴 차량의 미끄럼 조향은 차량의 회전 중심에 대해 점 대칭성을 가지고 있다. - 저속으로 미끄럼 조향을 하거나, 한계 지점 부근에서 미끄럼 조향을 할 경우, 점대칭성을 고려할 필요가 있음 6 차량동역학 실차 주행 장치 차축동력계 – Chassis Dynamometer • Chassis Dynamometer 형태 • 주행방법 : 차축에 제동구속력을 주어 주행특성 시험 -보통 도로가 아닌 실내에 고장상태를 재현하고 진단 하며, 도로주행시험의 조건으로 성능을 실험함 -일반적인 시험항목 1) 주행성능시험 2) 실차 최고출력시험 3) 주행연비 시험 4) 소음 및 진동 등 -실차 실험시 아래와 소개할 전주행저항(구름저항, 공 기 저항, 구배저항, 가속저항)을 인위적으로 부여하고 부여된 주행저항을 받는 상태에서 자동차 테스트함 7 차량동역학 실차 주행 장치 토인(Towing) Dynamometer • Towing Dynamometer 형태 • 주행방법 : 주행하는 후미에 견인되는 상태에서 실제 주행특성 등 자동차의 종합성능을 시험 하는 장비 -일반적인 시험항목 1) 견인부하 시험 2) 열부하 시험 3) 동력전달장치 4) 현가장치 등 8 차량동역학 실차 주행 장치 전주행저항(Total Running Resistance) • 구름저항 : 구름저항과 타이어 공기압관계 • 자동차의 주행중에 발생하는 저항 - 구름저항 : 주행로면의 굴곡과 타이어의 변형, 도면의 굴곡 또는 노면의 요철에 의한 충격저항 1) 100km/h 미만은 구름저항 증가가 없지만, 고속에서는 타이어에 발생하는 스탠딩 웨이브 현상에 의해 구름저항이 급격히 증가함 2) 타이어의 공기압이 낮으면 타이어의 일부가 변형되어 구름저항이 증가함 3) 자동차가 고속으로 주행시 타이어의 변형횟수 가 많아져 구름저항이 증가하고 구름저항계수 도 증가함 9 차량동역학 실차 주행 장치 전주행저항(Total Running Resistance) • 차체의 압력분포 • 자동차의 주행중에 발생하는 저항 - 공기저항 : 자동차가 주행시 대향풍력 또는 공기력 1) 주행속도가 20km/h 미만 무시, 60-70km/h 이상이 되면 거의 구름저항과 비슷해지며, 100km/h이 되면 전체저항의 과반수를 차지함 2) 차체형상에 직접저항이 미치므로 형상저항이라 • 공기저항과 구름저항과의 관계 하며, 승용차의 전체 60%정도를 차지하기 때 문에 차체형상을 유선형으로 제작함 10 차량동역학 실차 주행 장치 전주행저항(Total Running Resistance) • 차체의 압력분포 • 자동차의 주행중에 발생하는 저항 - 구배저항 : 자동차가 경사진 언덕길을 올라갈 때는 항상 중력의 경사면에 평행한 분력이 가해지기 때문에 자동차의 주행을 방해하는 저항 - 가속저항 : 자동차가 가속할 때 자동차에 부가되 는 부하를 말함 1) 소형자동차 : 0.05W 2) 대형자동차 : 0.07W 11 교통공학(Transportation Engineering) 영역 차량 노면마찰에 따른 주행안전성 Ⅰ 실험방법 차량동역학 해석 노면마찰에 따른 주행안전성 Ⅰ 타이어 역학 및 접촉 도로는 자동차가 안전하게 주행하고 승객이 느끼는 주행의 쾌적성을 고려하여 설계하는데, 도로선형은 평면선형과 종단선형으로 조합됨 노면조건과 자동차의 주행속도에 따라 노면의 마찰계수는 변화하고 마찰계수는 자동차의 진행방향으로 발생하는 종방향 마찰계수와 차량의 직각방향으로 발생하는 횡방향 마찰계수로 분류함 차량동역학 해석에서 차량 거동해석은 경험적 방법과 해석적인 방법으로 분류 - 해석적인 접근 : 차량, 타이어 성질과 관심이 있는 힘 또는 운동 사이의 관계를 대수방정식 미분방정직으로 표현하는 것으로 차량현가장치의 기구학 해석, 차량 승차감 및 안정성에 활용 - 본 자료는 부산대에서 개발한 AUTODYN7을 실험한 수치임 편경사 0, 4, 6% : 건조한 노면, 젖은 노면, 결빙노면에 대한 해석수치임 12 주행안전성 : 노면마찰 노면마찰의 주행안정성 차량 동역학 모델 및 도로 조건 • 차량모델 및 노면 마찰계수 - 중형 SUV으로 모델구성, ADAMS로 차량 모델링함 - 타이어 모델은 타이어자세 및 속도에 대해 노면과의 슬립률을 계산, 타이어 작용하는 힘을 해석적으로 계산하는 UA타이어 모형 사용 • 도로조건에 따른 노면마찰계수 규정 도로 마찰계수 건조한 아스팔트 0.8-0.9 젖은 아스팔트 0.3-0.5 빙판길 0.1-0.2 13 주행안전성 : 노면마찰 노면마찰의 주행안정성 주행 시뮬레이션 결과 : 정상원 주행 • 정상원 주행 - 차량의 고유 understeer 또는 oversteer의 성질을 규명하기 위해 사용함 - 부족조향 : 구배가 0보다 작은경우로 차량의 일정선회를 위한 필요조향각은 속도의 증가와 함께 계속 증가함 - 과대조향 : 구배가 0보다 큰경우로 일정선회 를 위해 필요한 실조향각은 속도의 증가와 함께 감소함 옆의 그림은 차량의 전진방향에서 횡방향의 거리를 표시한 그림 - 반경이 일정한 원을 주행시 속도가 증가함에 따라 실제 바퀴의 조향각은 점점 증가하는데 이는 속도의 증가에 따라 운전자가 조향 휠을 조향하는 각도도 점점 커짐을 의미함 - 자동차 최대 선회각도는 대략 0.8G임 횡방향의 거리 표시 가속도에 따른 조향휠의 각도 14 주행안전성 : 노면마찰 노면마찰의 주행안정성 주행 시뮬레이션 결과 : 주행속도별 차량의 거동 정상원 주행, 차선변경, 슬라럼 시험시 운전자가 취해야 할 조향, 제동, 가속 및 기어변속과 클러치 조작 등에 대한 해석수치임 • 편경사의 영향 : 시간에 대한 진행방향 속도와 주행궤적(속도가 70에서 20씩 증가시켜 속도측정) - 편경사 4%시 차량속도 70->130까지는 일정하게 유지, 140을 초과시 도로진행을 위해 속도 감속하여 야하며, 이때 감속하여도 도로에서 4.1m로 벗어남 - 편경사 6%시 비슷하며, 160km/h시 도로에서 8.2m를 벗어남 동일한 반경에서 편경사의 각이 커질수록 차량의 한계속도는 증가함 • 노면의 영향 : 시간에 대한 진행방향 속도와 주행궤적(편경사 6%시 젖은노면(70에 10씩 속도 증가), 결빙노면시 (40에 10씩 속도 증가) - 젖은 노면에서는 속도 110근처에서 11.9m 도로이탈 - 결빙 노면에서는 속도 70부근에서 도로를 21.8m 이탈함 노면의 마찰력이 작아질수록 같은 반경을 선회하더라도 한계속도는 줄어듬 • 노면의 영향 : 횡방향 가속도 - 주행속도가 증가하면 횡가속도 증가하며, 도로를 이탈하지 않는 조건에서 타이어와 노면의 마찰력에 구애받지 않고 횡가속도는 같은 값을 갖음 - 즉, 빙판길을 기준으로 반경 200m, 편경사 6%시 68km/h까지 주행이 가능함 15 교통공학(Transportation Engineering) 영역 차량 노면마찰에 따른 주행안전성 Ⅱ 차량동역학 해석 노면마찰에 따른 주행안전성 Ⅱ 타이어 역학 및 접촉 노면조건과 자동차의 주행속도에 따라 노면의 마찰계수는 변화하고 마찰 계수는 자동차의 진행방향으로 발생하는 종방향 마찰계수와 차량의 직각방향으로 발생하는 횡방향 마찰계수로 분류함 • 노면마찰은 노면포장재료의 특성, 타이어, 물 또는 미세먼지 등과 같이 타이어와 도로에 동시에 작용하는 오염물(낙엽 등), 주행속도에 영향을 받음 도로 노면의 미끄럼 저항은 “접촉 전단저항, 히스테리시스 손실에 의한 저항, 돌출부에 의한 저항의 조합으로 구성됨 - 접속전단저항 : 타이어와 노면의 실제 접촉된 면에서 전단저항(미세조직) - 히스테리스시스 손실에 의한 저항 : 타이어변형에 저항되는 마찰력(F:0.1) - 돌출부에 의한 저항 : 노면의 돌출부가 타이어를 할퀴면서 이동을 방해하여 발생하는 마찰 아스팔트 건조(1.0-0.5), 습윤(0.9-0.3), 콘크리트 건조(1.0-0.5), 습윤(0.9-0.4) 임 16 주행안전성 : 노면마찰 노면마찰 측정방법 종방향 노면마찰 측정방법 • 바퀴 제동방식에 따른 분류 • 측정타이어에 의한 분류 -바퀴잠금방법(100% Slip) -일정한 미끄럼(보통 10-20% Slip) -변동미끄럼(0-100% Slip) -고정 미끄럼 각도(보통 20도) -ABS 장착차량의 감속 • 노면 미끄럼 마찰의 측정결과 표시 -FN(Fricion Number) : AASHTO의 바퀴 잠금방법의 측정결과 표시방법 -SN(Skid Number) : ASTM E274의 측정결 과 표시방법 a) ASTM E1136의 패턴 타이어 b) ASTM E501의 립타이어 c) ASTM에 규정된 스무드 타이어 d) 스위스 표준 마찰 테스트 타입 패턴타이어 17 주행안전성 : 노면마찰 노면조건과 교통사고의 관계 외국사례 연구 • 네델란드 노면상태와 사고의 관계결과 -2년간 발생사고자료를 이용해 사고율과 마 찰계수 회귀분석 실시 -80% 미끄럼 조건에서 습윤마찰과 건조마찰 을 측정함 •독일 - 80km/h에서 측정된 제동 계수와 습윤상태 발생 사고의 관계를 회귀 분석함 - 분산되어 있으나 , 마찰수준이 감소하면 습윤 노면 에서의 사고가 증가함 18 주행안전성 : 노면마찰 노면조건과 교통사고의 관계 • 프랑스 -미끄러지는 경향이 있는 지점과 임의로 선택 • 노면 습윤상태와 사고율의 관계 - 아래그림1의 습윤비율과 노면의 마찰계수는 전체 된 지점을 대상으로 마찰계수에 따른 상대적 사고 중 노면습윤시 사고가 차지하는 비율과 사고비율을 비교 밀접한 관계가 있음 -마찰계수가 높아지면 미끄러짐 경향이 있는 지점의 상대적 사고비율이 높아짐 - 그림 2는 마찰계수가 적정수준이상이면 사고율과 노면 마찰계수와 무관함을 제시 - 독일의 경우, 바퀴잠금마찰계수 0.4이상시 무관함 그림 1 그림 2 19 주행안전성 : 노면마찰 노면조건과 운전자 주행행태 • 운전자 노면 마찰 판단과정 • 운전자 느끼는 미끄럼 정도와 실체 측정값 비교(1994) -운전자 느끼는 정도 1) 양호한 노면 (F>0.45) 2) 상당히 좋은 노면 (0.35<f<0.45) 3) 상당히 미끄러운 노면(0.25<f<0.35) 4) 미끄러운 노면(<0.25) - 실제 측정값 1) 30% 이하의 답변자들이 측정된 F와 일치한 닶 - 문제는 이러한 단서와 마찰의 관계가 완벽하지 않으며, 일관성 있게 평가하지 않거나, 전혀 활 용하지 않는다는 한계가 있음 2) 27% 이상은 2-3 범주 3) 미끄러운 보다 더 미끄러운 상태에서 오판율이 큼 실제 도로의 미끄럼 값은 운전자의 속도 선택에 영향 을 미친다는 근거가 없음 20 교통공학(Transportation Engineering) 영역 차량 타이어 역학 및 접촉 차량동역학 해석 노면마찰에 따른 주행안전성 타이어 역학 및 접촉 타이어와 노면의 접지압 분포는 자동차의 주행이나, 조향특성, 타이 어의 소음과 마모, 노면에 대한 상해 등 타이어 성능과 관련됨 타이어 구성과 구조와 수막관계의 관계에 대해서 살펴봄 타이어 마모역학과 쏠림, 소음부분에 대해서 살펴봄 타이어 각 부분에 대한 타이어 접촉압력 분포와 거동을 해석하고 마모 및 쏠림, 소음과의 관계를 해석함 - 타이어 접촉압력 : 타이어가 노면에 접촉하는 타이어 압력분포를 분석하여 차량 진동전달 특성이나, 차량성능분석, 승차감 해석을 위한 중요한 변수가 됨 - 타이어 마모, 쏠림, 소음 : 타이어 마모가 생기는 현상, 차량 쏠림 요인, 소음 원인 규명 21 타이어역학 및 접촉 타이어의 구조와 구성 승용차용 공기압 타이어 구조 • 승용차용 공기압 타이어 구조 • 타이어 각 구성요소 형태 22 타이어역학 및 접촉 타이어 마모의 특성 • 타이어의 마모발생요인 • - 내부적인 요인 : 구조, 공기압, 고무성질 - 외부적인 요인 : 차량의 사양, 노면구조 등 마모의 매커니즘 - 타이어 마모는 주행중인 타이어의 접지면에서 패턴 블럭들의 움직임 때문에 발생함 - 마모의 크기는 노면과 타이어의 접지면의 압력과 • 타이어와 공기압과의 상관관계 노면의 미끄럼짐에 의한 마찰에너지를 나타낼수 있음 공기압 0.2bar 부족할때 공기압 0.4bar 부족할때 공기압 0.6bar 부족할때 연비 1%연비증가 2%연비증가 4%연비증가 타이어 수명 10%수명감 소 30%수명감 소 45%수명감 소 23 타이어역학 및 접촉 타이어 마모의 특성 • 적정 공기압과 타이어 수명과의 상관관계 • 공기압이 자동차에 미치는 영향 부족할때 적당할때 1.2bar높을 때 과다할때 수명 - + ++ - 마모 - + + - 고속안정성 - + ++ ++ 적제량 - + ++ ++ 노면저항 - + ++ ++ 안락도 ++ + - - - + - + - + ++ - 수막현상 안정성 - : 불량, + : 양호, ++:매우양호 24 타이어역학 및 접촉 차량 쏠림 현상 • 차량의 쏠림 - 직진 주행성능에 관계있는 현상, 운전자의 의도와는 상관없이 직진 주행 중에 차량이 차선을 벗어날려고 하는 운동특성임 - 차량의 직진안전성을 떨어뜨리고 장시간 운전하는 운전자가 직진을 하기 위해 일정한 토크를 항상 조향휠에 가함으로 피로감을 누적시킴 25 타이어역학 및 접촉 타이어 소음 • 타이어의 소음 - 타이어 자체로부터 소음이 직접 발생하는 경우 와 타이어가 간접원인이 되어 발생하는 경우임 • PTN NOISE - 일반적으로 Smooth한 노면을 주행할 때 발생 • Road NOISE - 거친 포장노면을 주행할 때 발생하는 진동음으로 비 교적 저주파의 특징을 나타내며, 속도에 따른 음압 레벨변화는 있지만, 음질의 변화는 거의 없음 - 노면의 작은 요철에 의해 타이어가 가진을 받기 되고 하는 소음으로 비교적 고음질로 속도에 비례 이때 발생한 차량 서스펜션, 바디로 전달되어 궁극적 하여 변화하는 성질이 있음 으로 차량 실내공기를 진동시켜 발생되는 소음 - 주행시 타이어 PNT 형상에 의해 홈안에 공기 가 압축되어 방출되면서 발생 26 타이어역학 및 접촉 타이어 수막현상 • 타이어의 수막현상 타이어에 접지되는 물의 흐름 • 타이어의 수막현상의 세가지 진행단계 Ⅰ: 타이어가 충분히 떠있는 단계 Ⅱ: 타이어가 부분적으로 떠있는 단계 Ⅲ: 타이어가 노면에 직접접촉이 돼있는 단계 27 교통공학의 기초 : 결론 차량동역학 해석(시뮬레이터 주행, 실차 주행 비교) 노면마찰에 따른 주행안전성(시뮬레이터 주행, 노면마찰 측정방법, 접근 및 정립 교통사고관계 등) 타이어 역학 및 접촉 타이어 구조 및 구성, 마모의 특성, 타이어 수막현상 국내 최초에 걸맞는 시설과 내용숙지를 통한 안전운전체험 전문교육기관 달성 28 교통공학의 기초 : 추후과정 도로, 교통운영시설 (검지기 등) 공학이론 도로 : 도로특성, 성격, 안전시설물의 특성 교통운영시설 : ITS 내용, 검지기, 시뮬레이션 특징, 교통신호제어방법 등 공학이론 : 차량추종이론(Car-Fllowing), 충격파(Shock-Wave), 대기행렬, 속도와 시간관계, 교통사고특성(업종별 특징) 29 주재홍 드림 30