A study on ride comfort and shock loading with in-wheel motors for micro electric vehicle

Abstract

현재 자동차 산업은 대기오염 및 도심지에서의 교통 혼잡 등의 문제에 직면해 있으며, 이에 대한 대안으로써 초소형 전기자동차가 주목을 받고 있다. 초소형 전기자동차는 기존의 경차 보다 작으며 도심지에서의 근거리 저속운행을 위한 활용 목적으로 개발 된다. 초소형 전기자동차의 경우, 차량의 크기가 작아짐에 따라 차량의 구동계를 설치하기 위해 허용되는 공간이 기존의 경차보다도 작아지게 된다. 이에 차륜에 엔진을 대신한 모터를 직/간접적으로 연결하는 인휠 모터의 적용에 대한 연구가 이루어진 바 있다. 인휠 모터를 차량에 적용할 경우 내부 공간 및 전달효율이 향상되는 장점이 있다. 하지만 구동원인 모터가 차륜에 직접 연결됨에 따라, unsprung mass가 증가하게 되고 이는 차량의 승차감 저하로 이어지게 된다. 또한, 도로 접지 능력 감소에 따른 운전성 또한 변화하게 되는 등 문제점이 발생하게 된다. 이러한 승차감 저하에 대해, 반능동 및 능동형 서스펜션을 적용하여 승차감을 향상시킨 기존 연구들이 존재한다. 하지만 기존의 차량과는 달리 초소형 전기자동차는 주로 저속으로 운행되며, 이 중에서도 인휠 모터를 사용한 경우에 대해서는 그 사례가 제한적인 실정이다. 또한, 모터를 구동원으로 사용하고, 도심에서의 저속 활용 목적으로 개발되는 초소형 전기자동차의 이용할 수 있는 에너지 제한과 비용 측면을 고려하였을 때, 반능동 및 능동형 서스펜션의 적용은 에너지 및 비용 효율의 측면에서 단점이 발생하게 되며, 이는 초소형 전기자동차의 실용적 활용 관점에서 문제점을 야기할 수 있다. 또한, 인휠 모터는 서스펜션 아래에 위치하게 되며, 이는 위치적인 특성상 불규칙한 노면으로부터 발생하는 충격이 완충 없이 인휠 모터 어셈블리에 가해질 우려가 있다. 이러한 충격으로 인해 주행 중 인휠 모터 어셈블리에 고장이 발생할 경우 사고로 이어질 수 있으므로, 사전 설계 단계에서 자동차 산업 표준을 만족시킬 필요가 있다. 하지만, 현재 인휠 모터 어셈블리에 가해지는 충격 하중에 대한 기준은 마련되어있지 않은 상태이다. 이에 인휠 모터를 장착한 도로 차량의 인휠 모터 어셈블리에 허용 가능한 충격 하중에 대한 검토가 필요하다. 본 논문에서는 인휠 모터를 장착한 초소형 전기자동차의 승차감 향상을 위한 섀시 디자인 방법을 소개한다. 초소형 전기자동차의 승차감 향상을 위해 패시브 서스펜션과 모터 하우징의 파라미터를 고려하고, 이를 일련의 과정을 통해 승차감을 최대화할 수 있는 방법을 제안하였다. 이후, 제안한 방법의 검증을 위해, 인휠 모터를 장착한 초소형 전기자동차인 아마딜로-티를 활용하였다. 아마딜로-티에 고안된 섀시 디자인 방법을 적용하여 승차감 평가를 실시하였다. 평가 결과, 기존 ‘fairly uncomfortable’한 수준의 승차감이 ‘not uncomfortable’ 수준의 승차감으로 향상되는 결과를 도출하였다. 이에 따라, 반능동 혹은 능동형 서스펜션의 추가적인 적용 없이 인휠 모터를 장착한 초소형 전기자동차의 사용 목적에 부합하는 수준의 승차감이 확보될 수 있음을 확인하였다. 또한, 도로 차량에서의 인휠 모터 어셈블리에 허용 가능한 충격 하중에 대한 타당한 설계 기준 검토를 실시하였다. 이를 위해, 주행 중 비교적 큰 충격 하중을 일으킬 수 있는 노면 조건을 고려하여 인휠 모터 어셈블리에 가해지는 충격 하중에 대한 타당한 설계 기준을 시뮬레이션을 통해 제안하였다.