차량 진동 특성 향상을 위한 고무부품의 동적 특성 예측에 관한 연구

Abstract

자동차의 정숙성이나 승차감과 연관된 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 특성은 사용자들이 운전과정에서 감각적으로 느낄 수 있기 때문에 갈수록 그 요구수준이 높아지면서 자동차 제작사에서 자동차의 진동소음을 저감하기 위해 많은 비용을 투자하여 연구를 수행하고 있다. 자동차의 NVH 문제는 엔진, 구동계, 샤시(Chassis)계, 배기계 등에서 야기되는데 구동계는 고속으로 회전하기 때문에 센서장착을 이용한 NVH 특성 측정이 난해하고, 차체(Body) 등 다른 시스템의 NVH 문제와 대별하기 어려워 개념설계단계인 설계초기에 예측하기가 곤란하다. 또한 NVH 문제해결에 있어 차량 개발 기간의 단축은 실험을 CAE(Computer Aided Engineering)로 대체하여 시간적 이득뿐만 아니라 경제적 이득까지 얻으려는 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 그러나 CAE를 통한 구동계의 NVH 특성 평가에서 시스템을 구성하는 연결요소에 사용하고 점탄성 거동을 보이는 고무부품의 비선형 특성 구현이 난해하여 결과의 정확도가 낮아진다. 이처럼 자동차 제작사들의 NVH 개선 방안에 대한 큰 현안들은 시간과 정확성, 그리고 경제성이라 할 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 크게 두 가지 방법의 접근으로 이 현안들을 개선하였다. 첫째, 엔진 토크의 변동에 의해 차체에 전달되는 진동을 저감하기 위해 연결요소로 사용되는 고무부품의 특성을 정확하고 신속하게 파악하는 새로운 방법과 이론식을 제시하였다. 특히, 차량 시스템의 여러 가지 다양한 조건에서 고무부품에 작용하고 있는 Preload를 고려한 고무부품의 동적 강성계수를 보다 정확하게 예측하여 해석 모델의 입력값으로 사용하였다. 고무부품의 동적 강성계수는 고무소재에 대한 실험을 통해 기본적인 고무소재의 기본 물성값과 정적, 동적 강성계수를 파악하였고, 그 기본 물성값을 고무부품의 정적 특성 해석 시 입력값으로 이용하였으며 고무부품 동적 강성계수 예측 이론식에 의하여 해당하는 Preload에서 고무부품의 동적 강성계수를 예측하였다. 여기서 임의의 Preload를 받고 있는 고무의 동배율(Dynamic Ratio)은 고무소재나 고무부품 모두 그 형태에 관계없이 일정하다는 관계를 제시하였고 그 타당성을 실험을 통해 검증하였다. 또한, 산업현장에서 전통적으로 동배율을 1.2~1.5로 사용하고 있고, 고무부품의 동적 강성계수를 정적 강성계수의 선형구간에 대해 1.2~1.5배를 단순 곱하여 사용하고 있다. 하지만 본 연구에서는 고무부품에 작용하고 있는 Preload를 고려한 동적 강성계수는 선형구간의 값이 아닌 해당 Preload에 대한 순간 정적 강성계수를 사용하여 예측하였고, 이것을 실험으로 검증하였다. 이렇게 예측된 고무부품의 동적 강성계수는 갈수록 중요시 되는 CAE 해석 결과의 정확도를 높여 차량 개발과정에서 실험차량의 제작대수 및 실험횟수를 감소시켜 시간적 경제적 이득을 가져오게 될 것으로 기대된다. 둘째, 기존의 구동계 실험벤치의 틀에서 벗어나 새로운 구동계 실험벤치를 설계하였고, 제작하여 보다 간단하고 경제적으로 구동계 NVH 실험을 할 수 있도록 하였다. 본 연구에서 제시한 구동계 실험벤치에서는 NVH 특성을 평가 및 개선하기 위해 파워트레인(Powertrain)을 포함시키지 않았고, 차량 시스템의 주요 가진원인 엔진에 의한 가진 토크 변동(Torque Fluctuation)에 초점을 맞추어 가진기(Exciter)를 이용하여 토크 변동을 구현하도록 설계하였다. 이는 파워트레인을 장착하여 구동계의 고속회전을 제어하기 위한 브레이크 시스템, 연료 시스템, 냉각 시스템, 흡기 시스템, 배기 시스템 등을 함께 설치하여야 함으로써 증가하는 제작비와 시간을 절약할 수 있었다. 그리고, 이 구동계 실험벤치를 이용한 실험결과를 이용하여 고무부품 동적 특성 예측 이론과 Preload를 고려한 유한요소해석 방법의 정당성을 입증하였다. 본 연구결과로 고무소재에 대한 기본물성실험과 정적 동적 특성 실험을 통해 그 고무소재로 제조하고, 다양한 환경에서 Preload를 받고 있는 고무부품에 대한 동적 특성을 추가적인 실험 없이 신속하고 정확하게 파악할 수 있게 되었다. 또한 파워트레인을 가진기로 대체한 새로운 구동계 실험벤치를 설계 및 제작하여 실험함으로써 차량 구동계 특성 파악을 보다 쉽고 정확하게 할 수 있게 되었다. 이 두 가지 연구성과는 고무부품을 포함한 시스템에 대한 CAE 해석의 정확도를 한층 더 향상시켰고, 간소화된 구동계 실험벤치의 구성 및 실험방법을 제시함으로써 차량 NVH 성능을 크게 향상시킬 수 있을 것이다.