세미 액티브 서스펜션
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1. 개요
세미 액티브 서스펜션은 외부 환경에 따라 서스펜션의 감쇠력을 제어하여 승차감과 주행 성능을 향상시키는 기술이다. 이 기술은 철도 차량, 승용차, MotoGP, F1 등 다양한 분야에서 활용되었으며, 특히 신칸센, 토요타 자동차, 윌리엄스 F1 등에서 적용된 사례가 있다. F1에서는 1987년 윌리엄스 F1이 차고 조절용으로 처음 사용했으나, 1994년 이후에는 사용이 금지되었다.
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| 세미 액티브 서스펜션 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 서스펜션 |
| 작동 방식 | 반 능동형 |
| 특징 | 댐핑력 가변 스프링 상수 가변 차고 조절 가능 |
| 기술적 특징 | |
| 작동 원리 | 센서로부터 차량 상태 정보 수집 ECU(Electronic Control Unit)에서 데이터 분석 및 제어 명령 생성 액추에이터(유압 밸브, 모터 등)를 통해 댐퍼 또는 스프링 조절 |
| 제어 변수 | 감쇠력 (damping force) 차고 높이 스프링 강성 |
| 센서 종류 | 차고 센서 가속도 센서 휠 속도 센서 조향 각도 센서 |
| 장점 및 단점 | |
| 장점 | 승차감 향상 조종 안정성 향상 노면 추종성 향상 |
| 단점 | 복잡한 시스템 구조 높은 개발 및 생산 비용 제어 로직의 복잡성 |
| 적용 분야 | |
| 자동차 | 고급 승용차 스포츠 유틸리티 차량 (SUV) 상용차 |
| 기타 | 철도 차량 항공기 건설 기계 |
2. 세미 액티브 서스펜션의 작동 원리 및 특징
세미 액티브 서스펜션은 외부에서 입력되는 진동 에너지를 활용하여 작동한다. 풀 액티브 서스펜션과는 달리 댐퍼의 감쇠력 강약으로 대응하기 때문에 발생시킬 수 있는 힘(제진력)이 제한적이다.[1] 따라서 스카이훅 이론을 그대로 적용해도 액티브 서스펜션과 동등한 성능을 얻을 수 없다.
철도 차량의 경우, 차체와 대차 프레임 사이에 가변 감쇠 댐퍼(세미 액티브 댐퍼)가 설치되어 있으며, 신칸센에서 사용되는 방식으로는, 가변 감쇠 댐퍼의 감쇠력을 제어하는 방식으로 다단계식과 비례 전자식 릴리프 밸브에 의한 무단계식이 있다.[2]
2. 1. 작동 원리
세미 액티브 서스펜션은 풀 액티브 서스펜션과 달리 동력원을 이용한 액추에이터를 사용하지 않고, 외부에서 입력되는 진동 에너지를 이용한 가변 감쇠 댐퍼를 사용하여 댐퍼의 감쇠력을 변화시켜 진동을 억제하는 방식이다. 따라서 서스펜션 구동에 필요한 에너지를 절약할 수 있어 에너지 절약이 가능하며, 제어 실패 시에도 일반 댐퍼로 기능하므로 안전하다는 특징이 있다. 또한 구조가 간단하고 작으며[1], 비교적 저렴하여 탑재성이 뛰어나다는 장점이 있다.하지만, 댐퍼의 감쇠력 강약으로 대응하기 때문에 발생시킬 수 있는 힘(제진력)이 제한적이다(예를 들어, 정지 상태에서 가진할 수 없다). 따라서 스카이훅 이론을 그대로 적용해도 액티브 서스펜션과 동등한 성능을 얻을 수 없다. 이를 극복하기 위해, 최근 비선형 H∞ 제어 이론에 기반한 제어 기법이 개발되었으며, 토요타 자동차의 일부 승용차에 H∞TEMS로 장착되어 있다.
철도 차량의 경우, 차체와 대차 프레임 사이에 가변 감쇠 댐퍼(세미 액티브 댐퍼)가 설치되어 있으며, 좌우 가속도 센서로 진동을 감지하여 이를 바탕으로 제어 장치가 감쇠력 지령값을 계산하고, 해당 지령값에 따라 댐퍼의 감쇠력(감쇠 계수)을 변화시킴으로써 차체의 좌우 진동을 최적으로 억제한다. 또한, 신칸센에서 사용되는 방식으로는, 가변 감쇠 댐퍼의 감쇠력을 제어하는 방식으로 다단계식과 비례 전자식 릴리프 밸브에 의한 무단계식이 있으며[2], 차량 측에 탑재된 명암 구간(터널 밖)과 터널 구간의 선로 지도를 바탕으로, 각 구간에서 제어 파라미터를 자동으로 변경하는 방법이 사용된다.
2. 2. 특징
세미 액티브 서스펜션은 풀 액티브 서스펜션과 달리 동력원을 이용한 액추에이터를 사용하지 않고, 외부에서 입력되는 진동 에너지를 이용한 가변 감쇠 댐퍼를 사용하여 댐퍼의 감쇠력을 변화시킴으로써 진동을 억제하는 방식이다. 따라서 서스펜션 구동에 필요한 에너지를 절약할 수 있어 에너지 절약이 가능하며, 제어 실패 시에도 일반 댐퍼로 기능하므로 안전하다는 특징이 있다. 또한 구조가 간단하고 컴팩트하며[1], 비교적 저렴하여 탑재성이 뛰어나다는 장점이 있다.하지만, 댐퍼의 감쇠력 강약으로 대응하기 때문에 발생시킬 수 있는 힘(제진력)이 제한적이다(예를 들어, 정지 상태에서 가진할 수 없다). 따라서 스카이훅 이론을 그대로 적용해도 액티브 서스펜션과 동등한 성능을 얻을 수 없다.
2. 3. H∞ 제어 이론
비선형 H∞ 제어 이론에 기반한 제어 기법이 개발되어, 토요타 자동차의 일부 승용차에 H∞TEMS로 장착되어 있다.[1]3. 세미 액티브 서스펜션의 종류 (철도 차량)
철도 차량의 세미 액티브 서스펜션은 차체와 대차 프레임 사이에 설치된 가변 감쇠 댐퍼(세미 액티브 댐퍼)를 통해 작동한다. 신칸센에 사용되는 세미 액티브 서스펜션에 대한 더 자세한 내용은 하위 문단을 참고할 수 있다.
3. 1. 작동 방식
철도 차량의 경우, 차체와 대차 프레임 사이에 가변 감쇠 댐퍼(세미 액티브 댐퍼)가 설치되어 있으며, 좌우 가속도 센서로 진동을 감지하여 이를 바탕으로 제어 장치가 감쇠력 지령값을 계산한다.[2] 계산된 지령값에 따라 댐퍼의 감쇠력(감쇠 계수)을 변화시켜 차체의 좌우 진동을 억제한다.[2] 신칸센에서 사용되는 방식으로는, 가변 감쇠 댐퍼의 감쇠력을 제어하는 방식으로 다단계식과 비례 전자식 릴리프 밸브에 의한 무단계식이 있으며,[2] 차량 측에 탑재된 명암 구간(터널 밖)과 터널 구간의 선로 지도를 바탕으로 각 구간에서 제어 파라미터를 자동으로 변경하는 방법이 사용된다.3. 2. 제어 방식 (신칸센)
신칸센에서 사용되는 가변 감쇠 댐퍼의 감쇠력 제어 방식에는 다단계식과 비례 전자식 릴리프 밸브에 의한 무단계식이 있다.[2] 차량에 탑재된 선로 지도(명암 구간 및 터널 구간)를 바탕으로 각 구간에서 제어 파라미터를 자동으로 변경한다.4. 세미 액티브 서스펜션 탑재 차량
세미 액티브 서스펜션은 다양한 종류의 차량에 탑재되어 승차감과 안정성을 향상시키는 데 기여하고 있다.
| 종류 | 차량 |
|---|---|
| 신칸센 차량 | |
| 재래선 차량 | |
| 승용차 | 토요타 자동차: 셀시오, 크라운, 마크 II, 윈덤, 캠리, 이프섬, 노아, 복시, 알파드, 랜드 크루저 프라도 |
| MotoGP | 야마하 발동기 YZR500 (1991~92년경 팀 로버츠에서 사용, 올린스 제공) |
4. 1. 대한민국
HEMU-430X, 신칸센 300계 전동차, 신칸센 500계 전동차, 신칸센 700계 전동차, 신칸센 N700계 전동차에는 세미 액티브 서스펜션 기술이 적용되었다.4. 2. 일본
일본에서는 신칸센을 비롯한 여러 철도 차량, 토요타 자동차의 승용차, 야마하 발동기의 MotoGP 바이크 등 다양한 분야에서 세미 액티브 서스펜션 기술이 적용되었다.4. 2. 1. 신칸센
500계 W1편성은 양쪽 선두차량에 액티브 서스펜션을 장착했다.[2] 700계, 300계는 일부 편성을 제외하고 2006년 2월까지 43편성에 탑재를 완료했다. E2계는 양쪽 선두차량과 그린샤에 풀 액티브 서스펜션을 장착했다. E7계・W7계는 그란 클래스에 풀 액티브 서스펜션을 장착했다. 800계, N700계는 전 차량에 탑재했다.4. 2. 2. 재래선
- 선두 차량 탑재
:** JR 도카이 313계 5000번대
:** JR 도카이 HC85계 ※그린샤의 쿠모로 85형만
- 양쪽 선두 차량과 그린샤 이외의 전 차량 탑재
:** E657계 ※양쪽 선두 차량과 그린샤는 풀 액티브 서스펜션을 장착.
:** E353계 ※양산 선행차만. 양쪽 선두 차량과 그린샤는 풀 액티브 서스펜션을 장착. (양산화 개조 시 전 차량 풀 액티브 서스펜션으로 교체.)
- 전 차량 탑재
:** JR 동일본 E259계 전동차 (나리타 익스프레스)
4. 2. 3. 승용차
토요타 자동차의 승용차는 다음과 같다.4. 2. 4. MotoGP
야마하 발동기의 YZR500에 세미 액티브 서스펜션이 사용된 실적이 있다. 1991년~92년경 팀 로버츠에서 사용되었으며, 올린스에서 제공하였다.5. F1에서의 세미 액티브 서스펜션
1987년 윌리엄스 F1이 차고 조절용으로 처음 실전 투입했으며, 당시에는 라이드 하이트 컨트롤 시스템(차고 제어 시스템)이라고 불렸다.[1] 1992년 윌리엄스는 진화형 서스펜션을 투입하여 1년 전의 머신임에도 압도적인 성능으로 시즌을 석권했다.[1] 1993년에는 풀 액티브 서스펜션을 개발할 수 없는 팀들이 주로 사용했고(각 팀에서 독자적으로 개발),[1] 1994년 이후에는 가동하는 공력 파츠로 간주되어 사용이 금지되었다.[1]
참조
[1]
문서
加速度センサー、制御装置、指令回路、可変減衰ダンパーでシステムが構成されている。
[2]
문서
普通のダンパーで使用される絞り弁と平行して装備される。
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