As the need for reduced noise and vibration increases, the suspension systems of machines and structures are becoming even more complex and more important than ever. A lot of researches on the mounts are actively carried out to improve the vibration isolation performances. Engine mounts in automobiles conduct two main roles. One is to support the static weight of an engine-transmission structure, and the other is to isolate the vibration from the engine in order to minimize the force transmitted to the support. But in order to execute such two roles all together, stiffness of the mount must satisfy conflicting design conditions: static stiffness of the mounts should be hard to support the weight of the engine structure, but the dynamic stiffness of the mounts must be soft to minimize the transmitted force form the engine to the support. To solve these conflicting design strategies, the active noise/vibration control technology is considered as a solution for mounting system. For a decade, active control engine mounts (ACM) are considered to improve the vibration isolation performance of engine mounting system. For active vibration control, counteracting dynamic forces are created by actuators in order to suppress the transmitted disturbance forces from the engine to the chassis. A typical ACM consists of a passive hydraulic mount (HEM), an active actuator and its electric controller with force-monitoring sensors. Various types of ACMs have been developed by many researchers, but most of them were not practically used for the high cost of sensor. Recently, low-cost ACMs, eliminating sensors, were introduced to the automotive market, and good vehicle-tested results are provided in vibration isolation over the frequency range of interest. However, the analytical models in previous researches were derived without consideration of the dynamic characteristics of actuating system. Besides, the elimination of sensors caused some drawbacks in the ACM system.
This paper introduces a low-cost prototype active control engine mount (ACM) designed for commercial passenger vehicles, requiring a good engine vibration isolation performance. To construct such an ACM system, all feedback sensors normally required for full ACM systems are replaced by the model based feed-forward algorithm, consisting of a vibration estimation algorithm, a current shaping controller and an enhanced ACM model. The ACM model describes the active as well as passive characteristics of ACM. The current shaping control compensates for degradation of control performance due to elimination of feedback control sensors. The engine vibration estimator, which uses such existing sensors as CAM and crank angle sensor (CAS), replaces the vibration-monitoring sensor in the full-load ACM system. The validity of the ACM model is experimentally verified so that it accurately predicts the dynamic behaviors of the ACM over the frequency range of interest. The proposed current shaping control improves the actuator control performance, and the vibration estimation algorithm provides the anti-vibration signals for vibration isolation. Finally, it is experimentally proved that the vibration isolation performance of the developed ACM for the engine-induced vibration of interest can be improved by more than 13 dB.
최근의 자동차 기술이 비약적으로 발전함에 따라 정숙하면서도 에너지 효율이 높은 차량에 대한 요구가 높아지고 있다. 그러나 에너지 효율을 높이기 위해서는 엔진 효율의 개선과 더불의 차량의 중량 저감이 필수적인데, 이는 일반적으로 차량의 소음 및 진동 특성을 악화시키는 주요 원인이 된다. 다른 한편으로 차량의 정숙성을 높이기 위하여 제진재 및 흡 차음재등을 이용하는 경우 차량의 중량이 증가하게 되고 이에 따라 에너지 효율이 저하되는 결과를 낳게 된다. 이와 같이 에너지 효율의 개선과 정숙성은 서로 상충되는 설계조건을 요구하게 된다.
일반적인 차량의 주요 소음/진동원으로는 엔진가진, 노면가진, 풍절음, 배기음 등을 들수 있는데, 이 중에서 엔진가진은 주행시 또는 정차시 모두 커다란 소음/진동을 발생시키는 중요한 소음/진동원이라 할수 있다. 엔진에 의해 발생하는 진동은 그 동력장치를 차체에 고정, 지지하는 엔진 마운트를 통해 차체로 전달되게 된다. 따라서 엔진 마운트는 엔진의 하중을 지지하기 위한 충분한 정적 지지 강성을 유지해야하는 반면, 엔진의 진동에 의해 발생하는 진동 전달을 감소시키기 위해서는 그 동강성이 작아져야하는 상반된 요구 조건을 만족하도록 설계 조건이 부여되게 된다. 이와 같이 주어진 설계 조건을 바탕으로 엔진 마운트의 성능을 향상시키기 위한 연구는 각 마운트의 설치 위치/각도 및 강성 최적화로부터 최근의 능동/반능동 엔진마운트의 개발에 이르기까지 다양한 방향으로 진행되어 왔으며, 특히 능동 제어 기술과 마운트 기술이 접목된 능동 엔진 마운트에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 현재까지 여러 형태의 능동 엔진 마운트들이 개발되어 졌으며 일부는 일본 자동차 회사에 의해 실차에 적용되어 엔진으로부터 발생하는 진동에 의해 차체로 전달되는 진동을 차단하는데 우수한 성능을 보임이 확인되었다. 그러나 이러한 마운트들의 수동 및 능동 특성을 동시에 이해하고, 주파수 대역이나 가진력의 크기등에 따라 적절한 용량의 능동 엔진 마운트를 설계하는데 있어서 필수적인 동적 모형은 적절히 제시되지 못하고 있다. 능동 제어 기술을 차량의 마운트 기술에 접목하는데 있어서 또 하나의 중요한 요인은 비용이다. 능동 제어 기술을 차량에 적용하는데 있어서 가장 큰 방해 원인은 능동 구동기의 제어를 위해 사용되는 센서와 전달력을 측정하기 위한 센서에 의한 비용증가를 상용 자동차의 마운트가 감당할 수 없다는데 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 최근 일본 자동차 회사(Toyota, Honda)에 의해 CAM센서와 CAS센서를 이용하여 진동을 추정 제어하는 구조를 갖는 능동 엔진 마운트가 개발되어 실차에 적용되고 그 진동 절연 성능을 확인하였다. 그러나 이와 같은 제어 센서의 제거는 능동 엔진마운트의 진동 절연 성능을 크게 악화시키는 단점을 갖는다.
본 연구에서는 유체 봉입 마운트를 그 기본 형태로 하고 디커플러부에 전자석 구동기를 연결하여 상부 유실의 압력을 제어하는 형태의 능동 엔진 마운트를 개발하고, 그 수동 특성 및 능동 특성을 동시에 기술할 수 있는 수력학적인 모형을 제안하였다. 유체봉입 마운트의 모형에 전자석 구동기의 모형을 직접 결합시킴으로써 동강성과 감쇄, 제어력의 전달율을 동시에 묘사할 수 있었으며 이 모형을 이용한 민감도 해석을 통해 각 부의 변수에 의해 능동 엔진 마운트의 능동 및 수동 특성이 어떻게 변화하는지 파악하였다. 유체 봉입 마운트의 구조를 통해 엔진과 간접적으로 전자석 구동기를 연결함으로써 큰 정하중과 제어 방향이 아닌 운동에 의한 구동기 오작동을 방지할수 있었다. 능동 엔진마운트를 전자석 구동기의 제어 센서와 전달력의 측정을 위한 하중계를 사용하지 않고 제어하기 위하여 제안된 능동 엔진마운트의 모델을 기반으로 하는 Feed-forward 방식의 제어 방식을 제안하였다. 모델 기반 피드포워드 제어기는 엔진의 진동을 캠(CAM) 센서 및 크랭크각 센서(CAS)로부터 추정하는 엔진 진동 추정기와 전자석 구동기의 센서의 부재에 의한 성능 저하를 보상하기 위한 전류 형상 제어기의 두 부분으로 나뉘게 되는데 이들의 구현을 위해 능동 엔진 마운트계의 모형과 전자석 구동기의 역기전력(back emf)신호를 사용하였다. 제작된 능동 엔진 마운트와 모델기반 제어 알고리즘을 이용한 진동 절연 실험을 통하여 능동 엔진 마운트를 통하여 전달되는 전달력을 크게 저감할 수 있음을 확인하였다.
실제 차량의 엔진의 경우 일반적으로 3,4개의 마운트로 지지되며, 각 마운트의 특성은 차체로 전달되는 진동을 최소화 하도록 설계되어 있다. 여기에 기존의 마운트를 능동 엔진 마운트로 대체하는 경우 엔진-마운트 시스템의 균형이 무너져 오히려 진동 특성이 악화되는 경우도 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위하여 6자유도를 갖는 엔진-마운트 계에 2자유도를 갖는 능동 엔진마운트가 2개 적용된 능동 엔진 마운트계 모델을 제안하였다. 이 모델을 바탕으로 능동 엔진 마운트의 능동 제어에 의한 다른 마운트들의 전달력 변화, 능동 제어기의 제어 오차에 따른 제어 성능 변화, 각 마운트의 강성 특성 변화에 따른 모델 기반 피드포워드 제어를 사용하는 능동 엔진 마운트의 제어 성능 변화를 해석하였다.
