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[오토저널] 자동차 진동소음 성능 개발

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2015-08-18 21:35:16

본문

운전자가 느끼는 소음 중, 소음원에서의 소음이 바로 전달되는 경우 공기전달음(Air-borne)이라고 하는 데 500Hz 이상의 엔진과 노면 소음의 대부분이 해당된다.


한편, 엔진 혹은 타이어에서의 진동이 엔진마운트, 서스펜션 등 샤시시스템을 경유하여 차체로 전달되고 이로 인해 각종 패널이 실내 공기에 파장을 일으켜 소음이 발생되는 경우 구조전달음(Structure-borne)이라고 한다. 구조전달음은 공기전달음에 비해 전달되는 에너지가 크며 약 400Hz 이하에서 운전자가 느끼는 소음의 대부분을 차지한다.


해석 측면에서는 진동 소음원의 특징에 따라 또, 전달경로상의 물리적 현상에 따라 적용할 수 있는 S/W가 달라진다. 엔진 및 구동계 관련 회전체와 현가계의 전체 거동을 표현하기 위해서는 다물체 동역학 시뮬레이션(MBS : Multi Body Dynamics Simulation) S/W를 사용하고, 엔진, 현가계, 차체의 구조적 변형이 중요한 경우 유한요소법(FEM : Finite Element Method) S/W를 이용한다. 외부 공간으로 소음이 방사되는 현상을 분석하기 위해서는 경계요소법(BEM : Boundary Element Method), 외부 소음이 실내로 유입되는 현상을 표현하기 위해서는 통계적 에너지 분석법(SEA : Statistical Energy Analysis)을 기본 S/W로 사용하고 있다. 그러나 H/W와 S/W 기술 발전으로 인해 위와 같은 고전적인 구분이 무너지고 있다.

 

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한편, 진동과 소음은 시간의 경과에 따른 변동을 사람이 느끼는 것이므로 시간 경과에 따른 현상을 그대로 재현하는 것이 자연스럽겠지만, 어떤 주파수의 진동 소음이 문제인가의 관점에서 분석하는 것이 공학적으로 효율적일 때가 있다. 시간에 따른 현상을 분석하는 것을 시간 영역 분석이라고 하고, 후자의 경우를 주파수 영역 분석이라고 한다.


진동소음 해석 현황


● 파워트레인


파워트레인 진동소음 해석은 크게 운동계의 하중 산출, 진동 예측, 방사소음 예측의 세 부분으로 나눌 수 있으며, 개략적인 절차는 <그림 3>과 같다.


첫 번째 단계는 밸브트레인계, 크랭크트레인계, 타이밍 구동계, 변속기 기어계 등의 운동계에 대한 기구학적/동역학적 성능을 평가하여, 각 운동계의 가진력을 산출한다. 일반적으로 연소압력, 크랭크트레인 메인 베어링 하중, 밸브트레인캠 베어링 하중, 피스톤 슬랩 하중, 변속기 베어링 하중 등을 고려한다.


두 번째 단계는 전 단계에서 산출된 가진력을 유한요소로 구축된 파워트레인 모델에 입력하여 파워트레인 진동 특성을 예측한다. 주요 해석 항목으로는 파워트레인 단체 진동해석, 차체로의 진동 전달 경로인 마운트 브라켓 진동해석, 파워트레인 표면 방사소음의 원천인 커버류 진동해석, 이음의 원인이 되는 보기류의 진동해석이 있다.


세 번째 단계는 전 단계에서 구해진 표면 진동값을 경계조건으로 하여 외부 공간으로 전파되는 방사소음을 해석한다. 파워트레인에서 일정거리 떨어진 임의 위치에서 음압을 평가하여, 음압 수준 및 문제 주파수 영역, 소음 발생 위치를 파악하고 설계 변경에 의한 소음 저감 효과를 확인한다.


한편, 흡/배기 토출음은 흡/배기계 유로 내부의 공기에 의해 발생하는데 유체기인 소음으로 분류되기도 한다. CFD기반의 S/W로 흡기-연소-배기 과정을 고려하여 토출소음을 예측한다.


● 현가계


노면의 요철, 타이어 자체의 불균형에 의한 원심력에 의해 발생한 진동은 현가계를 경유하여 차체로 전달된다. 현가계 설계는 기본적으로 Ride & Handling(R&H) 성능이 우선시 되어 결정되지만, 타이어, 휠, 너클, 스트럿, 프레임 등 구조 요소 간 공진 회피를 포함한 현가계 전체의 진동 전달 특성에 대한 것은 진동소음해석의 대상이다. 가진원인 노면은 측정한 프로파일을 통계적으로 처리하여 공간 주파수 개념의 모델로 표현한다. 타이어는 타이어 회사로부터 제공 받은 해석 모델을 이용하는 것이 일반적이다.

 

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주행시 타이어에서 발생하는 공기전달음을 최소화하기 위해 타이어 회사에서는 패턴 설계에 해석적 접근을 시도하고 있지만, 기술의 완성도 측면에서 완성차 업체에서 활용할 단계는 아직 아니다.


● 절연


엔진이나 현가계에서 발생한 진동이 차체로 전달되는 과정에서 발생하는 전달력 차단과 감쇠효과를 얻기 위해 절연체를 이용한다. 절연체의 재료적 특성과 형상 외에도 절연체의 위치와 절연체를 지지하는 차체 구조 강성을 설계 변수로 하여 해석을 수행한다.


● 차체


절연 설계를 통해 전달력이 감소되지만 차단되지 않은 나머지 전달력은 차체로 전달되어 운전자가 느끼는 진동 소음의 원인이 된다. 완성차에서 엔진과 현가계 그리고 연결된 절연체를 제외한 상태를 트림드바디(Trimmed Body)라 하는데 절연체가 위치하던 곳은 트림드바디의 입장에서는 입력점이 된다. 입력점에서의 단위 동하중에 대해 운전자에게 전달되는 진동 및 구조전달음을 주파수 영역별로 설정된 목표치 이하로 유지하도록 하는 것이 차체 관점에서의 해석 목적이다.


전달 경로상에 있는 구조물의 강성과 질량 분포, 패널 진동과 실내공간과의 연성, 실내공간 내의 음향전달 특성에 대한 모델링이 해석 신뢰성의 요건이다. 부수적으로 차체의 기본 강성 평가 및 각 시스템간의 공진 주파수 회피 확인을 위해 모드 해석을 실시한다.


한편, 공기전달음 측면에서 차체 패널 입사 소음에 대한 예측은 아직 신뢰성이 부족하다. 그래서 차체 패넬 입사음은 측정값으로 대치하고, 차체 판넬 및 흡차음재, 실내 공간를 고려하여 SEA 기법으로 공기전달음을 해석한다. 흡차음재 배치가 주요 설계 변수이다.


● 완성차 성능 해석


전술한 시스템 해석 모델들을 조합하여 하나의 해석 모델로 재현한다. 그러나 하나의 모델 안에서 서로 다른 Physics를 동시에 고려하는 것이 어렵기 때문에, 최적화 대상이 아닌 시스템에 대해서는 최적화 대상인 시스템 모델과 Physics를 통일하기 위해 간략화된 모델을 이용하기도 한다.


기술적인 제약으로 시스템 혹은 전달 경로에 대한 해석 신뢰성이 부족한 경우 시험결과를 Input Data로 사용하기도 한다. 흡차음재 배치를 위한 실내소음 해석의 경우가 이에 해당된다.

 

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● Target Cascading


완성차 모델은 시제품이 나오기 전이기는 하지만 모든 시스템 모델이 완성된 설계 후반에야 가능하고, 그 시점에서는 근본적 변경이 어려워진다는 문제가 있다. 이를 개선하기 위해 시스템공학에서는 완성차 성능 확보를 위해 요구되는 시스템 및 부품의 목표 성능을 미리 배분하고 설계 단계에서는 부품 및 시스템 별 목표 성능 달성을 위한 해석을 하도록 한다. 완성차 해석은 성능을 개선하기 위한 용도보다는 최종단계에서 목표 성능 만족을 확인하는 용도로 사용하는 것을 지향하고 있다.


이 과정에서 시스템을 어떻게 정의할 것인가 하는 것이 관건이 되겠는데, 하드웨어적인 기반으로 시스템을 정의할수도 있고 현상 분석에 근거하여 물리적 개념으로 시스템을 정의할 수도 있다. NVH 측면에서는 ‘Response = Source x Path’라는 개념에 근거하여 Source는 전달력(공기전달음 경우 Source의 방사음), Path는 전달함수로 각 시스템을 정의하여 출발하는 것이 효율적이다.

 

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진동소음 개발 해석기술 향후 동향


해석기술은 주변 여건의 변화에 따른 필요성에 의해 새로이 탄생되기도 하고, 불가능할 것이라 생각했던 기술이 인프라의 발전으로 인해 부수적으로 실현되기도 되기도 한다. 환경차의 출현으로 인해 달라진 파워트레인에 대한 해석기술이 요구되었고, 내연기관 차량에 관례적으로 적용되었지만 환경차에는 불요불급할 수도 있는 NVH 대책들의 선별 제거를 위해 해석의 활약이 기대된다.


한편, 여전히 주류인 내연기관 차량에서도 연비와 정숙성의 균형을 추구하는 과정에서 서로 다른 Physics를 동시에 고려할 수 있는 융복합 해석기술이 필요하게 되었다. 융복합해석기술이 발전하면, 지금은 완성차 성능 해석시 간략화된 모델 혹은 시험 결과로 표현하는 시스템을 상세 해석 모델로 대치하는 것도 가능할 것이다. 

대량 생산 과정에서 있을 수 있는 산포와 그 조합을 고려하여 고객에서 인도되는 차량의 산포를 줄이기 위한 해석, 그리고 생산 공정 해석과 연계한 해석이 컴퓨터 하드웨어의 발전으로 가시권 안에 들어오게 되었다.


또, 해석결과의 가청화는 소음원의 변경 효과를 평가할수 있는 소음원의 자체의 가청화에서 나아가 시험 기술과 연계하여 전달경로상의 변경 효과를 평가할 수 있는 실내소음 가청화 기술이 시도되고 있다.

 

 

글 / 서진관 (현대자동차)
출처 / 오토저널 15년 3월호 (
http://www.ksae.org)

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