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회전 휠 시험대의 원리는 무엇인가요?

게시일자:

2023-01-31

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회전식 휠 시험대의 원리는 무엇인가요? 이 회전식 휠 시험대는 배출량 측정, 연료 소비량 측정, EMC, 출력 측정 및 기타 각종 시험은 물론 NVH 시험에도 활용됩니다. 용도에 따라 롤러 구조는 다소 차이가 있을 수 있지만, 핵심 원리는 동일합니다. 이제 드럼의 작동 원리를 간단히 살펴보겠습니다.

이 회전식 테스트 벤치는 배기가스, 연료 소비량, EMC, 출력 측정 및 기타 시험은 물론 NVH 시험에도 활용할 수 있습니다. 용도에 따라 롤러 구조는 다소 차이가 있을 수 있지만, 핵심 원리는 동일합니다. 이제 드럼의 작동 원리를 간단히 살펴보겠습니다.

관성모멘트에 대해 먼저, 우리는 드럼을 이용해 힘, 속도, 시간의 세 가지 물리량을 직접 측정해야 한다. 이 세 가지 물리량을 통해 가속도, 출력 등 필요한 다른 물리량들도 구할 수 있다. 우선 힘에 관해서는, 드럼에서 측정되는 힘이 시험 차량의 X방향에 작용하는 힘이라는 점을 명확히 해야 한다. 다음으로, 드럼에는 주로 상수력, 상수속도, 그리고 도로 시뮬레이션의 세 가지 제어 모드가 있다. 상수력이란 회전식 시험대가 시험 차량을 구동시키는 힘을 일정하게 유지하는 것을 의미하며, 상수속도는 드럼이 일정한 속도를 유지함을 뜻한다. 이 두 가지는 ‘자동차와 함께 굴러간다’는 개념으로 이해할 수 있으며, 즉 롤링이 주된 역할을 한다. 반면 도로 시뮬레이션은 ‘드럼을 갖춘 자동차’의 개념으로, 시험 차량이 주체가 되어 모든 물리량이 차량의 출력에 따라 변화하는 방식이다.

본 논문에서는 도로 시뮬레이션 모드에서의 드럼 원리를 주로 다루었다. 테스트 차량은 지면 위에서 운동하지 않고 바퀴가 차체를 구동하여 이동하며, 반대로 차량이 회전식 테스트 베드에 고정되어 차체는 정지한 채 바퀴가 테스트 베드를 구동하는 경우는 마치 거울처럼 움직이는 것과 같다. 도로 시뮬레이션을 구현하기 위해서는 한 단계에서 차체의 병진 질량에 대한 등가 관성모멘트를 확보해야 하며, 이는 드럼에 의해 구동되는 바퀴의 관성모멘트와 실제 노면에서 바퀴에 의해 구동되는 차체 질량이 동일하도록 하는 것이다. 이렇게 함으로써 출력 전력이 동일한 부하를 갖게 된다.

그렇다면 이를 어떻게 구현할 수 있을까요? 실제 도로에서는 바퀴가 차량의 중량을 전달하고 병진 운동을 일으키며, 드럼에서는 바퀴가 드럼을 구동하여 회전합니다. 관성모멘트, 토크 및 각가속도는 각각 병진 질량, 힘 및 가속도에 대응됩니다. 드럼에서는 관성모멘트를 증가시키거나 감소시킴으로써 병진 질량을 조절할 수 있습니다. 물론 오늘날의 드럼은 일반적으로 삼상 유도 교류전동기와 같은 전동기를 통해 관성모멘트를 증감하는 역할을 합니다. 전동기의 출력 속도와 토크는 인버터 제어반을 통해 조절할 수 있습니다.

주행 저항의 관성 모멘트에 대응하는 등가 평행 이동 질량을 적용한 뒤에는, 자동차가 드럼 위에서 구동하거나 제동할 때의 ‘관성력’은 완전히 일치합니다. 그러나 이것이 전부는 아닙니다. 드럼에 고정된 상태로 주행하는 자동차와 평지에서 주행하는 경우는 큰 차이가 있습니다. 중요한 차이는, 자동차가 주행할 때는 풍동 저항이 발생하지만 드럼 위에서는 풍동 저항이 없다는 점입니다. 또한 타이어와 지면 사이의 마찰은 타이어와 드럼 사이의 마찰과 서로 다릅니다. 이러한 주행 저항으로 인한 손실을 우리는 통칭하여 ‘주행 저항 손실’이라고 부를 수 있습니다.

저항을 어떻게 파악할 수 있을까요? 일반적으로 슬라이딩 시험을 통해 이를 결정합니다. 슬라이딩 시험은 평탄한 도로에서 차량이 공회전 상태로 미끄러질 때의 속도와 시간을 기록하는 방법입니다. 이후 ‘도로 파라미터’를 활용하여 모터 출력을 제어함으로써 드럼이 해당 곡선을 추정하고 ‘드럼 파라미터’를 산출합니다. 또한, 자동차를 재조립할 때마다 반드시 슬라이딩 테스트를 실시해야 합니다. 물론 드럼 자체에도 저항 손실(베어링 마찰, 공기저항 등)이 존재하므로, 본격적인 슬라이딩 시험에 앞서 드럼 자체의 저항 손실을 보정해야 합니다.

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