In this dissertation, a study on systematic type synthesis and dimensional synthesis of suspension in vehicle is presented.
In the study of type synthesis, it is proposed that a new type synthesis algorithm of vehicle suspension using a strategy avoiding the joint sets improper for suspension effectively. Considering the function and motion of the suspension, it was developed that the design rules for type synthesis of suspension and the basic mechanisms of suspension using graph theory and design rules. Then, using the strategy of adding sub-mechanism having the passive DOF, the basic mechanisms are expanded. This algorithm has an advantage avoiding the mechanisms unsuitable for the suspension effectively. Using the type synthesis algorithm, new designs of vehicle suspension can be obtained. These new candidates may include passive DOF and/or redundant constraints. Candidates of suspensions with passive DOF are obtained by adding sub-mechanism with passive DOF to the basic mechanisms that do not have any passive DOF. The sub-mechanisms are exampled as $S-R_X, R_Z-S, R_Z-R_X, S-R_X-R_X, S-T-R_X, R_Z-R_X-R_X$ or $R_Z-T-R_X$ which are hard to handle by other methods of type syntheses. Candidates of suspensions with redundant constraint can be obtained transforming 2D planar mechanism into 3D mechanism having some motion pattern. This scheme enables us to get suspension candidates with redundant constraints that have sub-mechanisms such as $R_Z-R_X, R_Z-R_X-R_X$ or $R_Z-T-R_X$. This strategy has an advantage of effectively manipulating mechanisms that may have passive DOF and/or redundant constraints. Using this algorithm, many mechanisms which can be used for the front suspension are obtained.
Also, dimensional synthesis of suspension is provided and full vehicle simulation is performed to show performance improvement of steering stability. Sensitivity analysis of given hard points and optimization for obtaining new hard points are performed for dimensional synthesis. Through dimensional synthesis, suspension candidates with the different change of toe angle in bump or rebound are obtained. To show the effect of toe change for steering stability, four vehicles which are composed of obtained suspension candidates are modeled and are used in the simulation of constant radius cornering in ADAMS circumstance. In the future, design of a suspension using the proposed type synthesis and dimensional synthesis should consider the manufacturing cost and development design.
본 논문에서 현가 장치의 체계적인 설계 과정을 위해서 현가 장치 설계를 위한 설계 규칙을 정하고, 이들을 이용하여 현가 장치 형태 합성과 치수 합성을 수행 하였다. 설계 규칙은 현가 장치의 기존 기구를 분석, 특허, 논문 조사를 통하여 정하였으며, 형태 합성의 구조 결정을 위하여 위상 합성에는 분할법을 사용하였으며, 이들 구조를 위상 해석하는 데는 Gruebler 식을 포함한 Crossley방법을 부분적으로 이용하였다. 치수 합성은 현가 장치 각각의 설계 점에 대한 민간도 해석을 하였고, 이들의 변화인 휠 얼라인먼트 변화로 이루어지는 조향성에 대한 평가를 이용하여 행하였다. 현가 장치 설계를 위한 형태 합성의 규칙을 정하였다. 현가 장치의 운동에 대한 규칙을 정하였는데, 앞 바퀴로 사용될 때는 상하 운동의 현가 운동과 좌우 운동의 조향 운동을 할 수 있어야 하고, 뒤 바퀴로 사용될 때는 상하 운동의 현가 운동이 가능해야 한다는 고유 운동 특성의 규칙을 정하였다. 이들 운동을 하기 위한 현가 장치 구조 면에서도 장치 공간을 벗어나거나 간섭이 일어나면 안 되기 때문에 기본 구조에 대한 규칙도 정하였다. 형태 합성에서 자유도 조건을 사용하기 때문에 수동 자유도나 여유 구속조건이 있는 기구는 따로 취급하는 설계 규칙이 필요하며, 이들에 대한 설계 규칙도 정하였다. 그 외 연결 체인 내에서 사용할 수 있는 조인트도 가격적인 면이나 부피 면에서 작은 것이 좋기 때문에 이들 조인트에 대한 설계 규칙도 정하였다. 다음에 현가 장치 형태 합성에 대한 연구로 현가 장치 구조 결정에 대한 연구를 수행하였다. 현가 장치 구조 결정은 새시와 바퀴의 연결부의 구조이며, 이들 사이에 중간 링크와 조인트인 연결 체인이 들어간 구조로 현가 장치의 기본 구조를 정하였다. 구조 결정을 위한 링크와 조인트를 정하기 위해서 조인트 조합을 위한 연구가 필요하다. 보통 조인트 조합은 자유도 개념이 포함된 Gruebler 식을 이용한다. 그러나, 이 식을 그대로 현가 장치 형태 합성에 이용하는 것은 수동 자유도(passive DOF)와 여유 구속 조건(redundant constraint)의 두 가지 문제점이 있다. 수동 자유도 문제는 Gruebler 식은 만족하지만 내부에 수동 자유도(passive DOF)를 가지는 경우 원하는 자유도의 운동을 할 수 없게 되는 경우가 발생할 수 있다. 그리고, 여유 구속 조건을 가지는 경우도 자유도와 실제 운동 자유도 다른 경우가 발생한다. 이런 문제를 해결하기 위해서 본 논문에서는 수동 자유도(passive DOF)와 실제 운동 자유도를 포함한 수정된 Gruebler 식을 정의하였다. 수동 자유도(passive DOF)를 포함한 Gruebler 식을 사용하여 이 식의 원래 목적인 불필요한 자유도를 가진 경우에 대해서 배제 할 뿐만 아니라, 수동 자유도(passive DOF)가 존재하지만 실제 운동 자유도를 만족하는 기구까지 확장 고려하여 현가 장치 형태 합성을 수행할 수 있었다. 그리고, 2차원에서 제안한 현가 장치 형태 합성을 사용하는 방법으로 여유 구속 조건을 가지는 현가 장치에 대한 연구 내용도 수행하였다. 치수 합성에 대한 연구 과정을 추가 하였다. 자동차의 보다 좋은 성능이나 안전성을 가지고 위해서 같은 형태일 때도 구체적인 치수가 어떻게 되는 것인가에 대한 연구로, 현가 장치의 각각의 설계 점에 대한 현가 장치 성능을 좌우하는 토우에 대한 민감도 해석을 행하였다. 치수 합성으로 앞 바퀴와 뒷 바퀴가 각각 범프(bump) 될 시에 토우인(toe-in)의 특성을 가지는 현가 장치 기구와 토우아웃(toe-out)의 특성을 가지는 현가 장치를 구하여 그들 각각의 현가 장치를 앞 바퀴와 뒷 바퀴에 가지는 자동차 모델을 구하였으며, 그들 자동차를 동일한 회전 반경을 가지는 원 선회의 시뮬레이션을 행하여 자동차의 조향 특성에서 안정성을 높일 수 있는 방법을 제시하였다.
