고급 세단 차량의 노면 가진 타이어 공명음 개선

1. 서 론

최근 자동차 판매량 분석 결과를 보면 고급 대형 세단의 판매가 증가하는 추세라는 것을 알 수 있다. 고급 대형 세단은 판매 가격이 높아 고객들의 소음진동(noise, vibration and harshness: NVH) 성능에 대한 기대가 크다. 특히 노면 소음(road noise)은 고객이 느끼는 쾌적함과 안락함에 영향을 주는 중요한 소음진동 성능이다⁽¹⁾.

노면 소음은 주행 중 균일하지 못한 노면 상태에 의해 발생한다. 즉, 노면으로부터 차량에 전달되는 가진력이 노면 소음의 원인이다. 이 가진력은 타이어를 통해 차량에 전달되는데, 타이어 특성과 노면 거칠기에 민감하고 전달 경로가 복잡해서 분석이 어렵다^(2~6). 또한 대형 세단에는 일반적으로 고인치 타이어가 적용되는데, 이 경우 노면과 타이어 접촉면이 넓어 노면 가진력이 크기 때문에 노면 소음에 불리하다. 이와 같이 고급 대형 세단은 노면 소음에 대해 여러 불리한 조건을 가지고 있지만, 노면 소음에 대한 고객의 기대 수준이 높아서 이를 만족시키기 위해서는 상당한 개발 비용이 요구된다.

노면 소음은 구조기인 소음(structure-borne noise)과 공기기인 소음(air-borne noise)으로 나눌 수 있다. 구조기인 소음은 500 Hz 이하에서 일반적으로 나타나는데, 주파수 대역 별로 부밍음, 공명음, 럼블음으로 구분된다. 공명음은 주행 중 타이어 내부에 있는 공기가 노면에 의해 가진되어 발생하는데 일반적인 주행 속도 구간(60 kph ~ 100 kph)에서 고객이 쉽게 인지할 수 있다. 공명음을 개선하기 위한 방법으로 (1) 타이어 내부에 흡음재를 삽입하거나, (2) 차체 및 샤시 보강이나⁽⁷⁾ 샤시계에 댐퍼를 장착하거나⁽⁸⁾, (3) 샤시계 마운팅의 부시를 튜닝하는 방법이 있다^(8,9). 하지만 타이어 내부에 흡음재를 장착하는 방법은 흡음재의 내구성 검증 문제와 타이어 제조 상의 어려움이 있고, 샤시계에 댐퍼를 장착하거나 부시를 튜닝하는 방법은 그 효과가 특정 주파수 영역에 국한되거나 다른 주파수 대역에 악영향을 줄 수 있다. 특히 부시 튜닝의 경우 주행 및 조향(ride and handling: R&H) 성능을 저하시킬 수 있는 단점이 있어 차량 성능에 최적화된 부시 특성을 찾기 위한 최적화 연구가 활발하게 이루어지고 있다^(10,11).

이 연구의 목적은 고급 대형 세단 개발 중에 발생한 공명음 문제를 해석적인 방법을 이용하여 개선하고, 도출된 개선안을 향후 개발되는 차량에 적용하는 것이다.

2. 본 론

2.1 노면 소음 문제 현상

최근 개발 중인 A 차량에서 공명음 문제가 발생하였다. Fig. 1에서 볼 수 있듯이, A 차량의 경우 180 Hz에서 230 Hz 주파수 대역에 해당하는 공명음이 B 차량(A 차량 이전 세대 차량)과 경쟁차에 비해 최대 125 % 수준(피크 주파수 210 Hz 기준)으로 불리하다. 공명음을 개선하기 위해서 차체 보강을 시도하였으나 A′ 차량의 결과에서 볼 수 있듯이 개선이 이루어지지 않았다. 따라서 A 차량의 공명음을 저감하기 위한 개선안을 찾는 것이 필요한 상황이다.

Fig. 1

Test results of road noise

2.2 해석을 통한 노면 소음 문제 확인

완성차 노면 소음 해석을 위해 Fig. 2와 같이 완성차의 유한요소 모델(finite element model)이 이용되었다. 완성차 유한요소 모델은 약 2천만개의 자유도(degree of freedom: DOF)를 가지고 있다. 완성차를 가진하기 위한 하중 데이터를 얻기 위해 실제 주행 조건에서 얻은 너클 가속도와 주성분 분석(principal component analysis: PCA)을 이용하였다. 여기서 얻은 하중 데이터를 휠 센터에 적용하고, NASTRAN을 이용하여 500 Hz 이하에서 실내 전석(운전석 오른쪽 귀 위치, front ear), 후석(후석 중앙 위치, rear ear)에서의 소음을 계산하였다. 소음 해석 결과 Fig. 3에서 볼 수 있듯이 공명음 주파수 대역(180 Hz ~ 230 Hz)에서 소음 레벨이 높은 것을 알 수 있다. 특히 주파수 210 Hz 근방에 피크 주파수가 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 Fig. 1에서 나타난 시험 결과와 동일한 것으로 완성차 해석을 통해 실제 공명음 문제 현상을 재현할 수 있다는 것을 확인하였다.

Fig. 2

Finite element model of target vehicle

Fig. 3

Results of road noise analysis

2.3 노면 소음 원인 분석

공명음에 대한 하중 전달 경로를 파악하기 위해 전달경로분석(transfer path analysis: TPA)을 실시하였다. TPA 결과 전기모터 구동 파워 스티어링(motor-driven power steering: MDPS) 마운팅 부위가 공명음에 대해 기여도가 제일 큰 전달 경로인 것을 확인하였다. 공명음의 경우 일반적으로 프론트 샤시계가 하중 전달의 주요 경로라는 것을 감안할 때, TPA 분석 결과는 신뢰할만하다고 판단된다. MDPS는 Fig. 4에서 볼 수 있듯이 프론트 서브프레임에 4점 마운팅되어 있는데, 스티어링 측(Fig. 4 우측) 2점은 볼트 체결 타입이고 그 반대편 2점은 부시 체결 타입으로 되어 있다.

Fig. 4

Motor-driven power steering system

실제 차량 거동을 확인하기 위해 주행 거동 형상(operating deflection shapes: ODS) 해석을 수행하였다. ODS 해석은 노면 소음 해석에서 나타난 공명음 피크 주파수인 210 Hz에 대해서 진행되었다. ODS 해석 결과 Fig. 5에서 보는 것과 같이 공명음 피크 주파수에서 MDPS와 프론트 서브프레임의 거동이 크게 발생하고 있는 것을 확인하였다. 이 거동은 프론트 서브프레임에 연결된 MDPS 좌측, 우측 마운팅 부위가 상하방향을 기준으로 서로 반대 위상을 가지고 움직이는 형상이다. 이는 일반적인 빔 형상 구조물의 2차 굽힘 모드와 유사하다. 이와 같이 TPA 분석과 ODS 해석을 통해, 공명음 주파수 대역에서 발생하는 MDPS와 프론트 서브프레임의 거동이 공명음에 크게 기여하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 5

Operating displacement of MDPS and front subframe at the frequency of tire cavity noise (210 Hz)

2.4 노면 소음 개선

완성차 공명음 문제를 개선하기 위해서 먼저 MDPS와 프론트 서브프레임으로 이루어진 시스템에 대한 해석을 실시하였다. 이후, 시스템의 공명음 주파수 대역 공진 모드를 확인하고 이를 개선하기 위한 방법을 제시하였다. 마지막으로, 개선 내용을 완성차 해석모델에 적용하였고 해석 및 시험을 통해 공명음 개선 효과를 검증하였다.

(1) 시스템 해석

완성차 노면 소음 해석에는 상당한 시간이 소요되기 때문에 효율성을 고려하여 시스템 단위에서 공명음 주파수 대역의 공진 모드를 먼저 확인하고 개선 해석을 진행하였다. 시스템은 Fig. 6에서 보는 것과 같이 MDPS와 프론트 서브프레임으로 구성되었다. 경계 조건은 프론트 서브프레임의 차체 마운팅 부위에 정의되었다. 시스템이 차체에 연결되어 있는 것과 동일한 조건을 부여하기 위해 프론트 서브프레임의 차체 마운팅 부위의 차체 강성을 계산하여 동일한 강성값을 가지는 스프링 요소를 적용하여 프론트 서브프레임의 차체 마운팅 부위를 모델링하였다.

Fig. 6

FE model of MDPS and front subframe

시스템에 대한 주파수 응답 함수(frequency response function: FRF) 해석 결과(Fig. 7), 공명음 대역 주파수인 208.5 Hz에서 시스템의 공진 모드가 있는 것이 확인되었다. Fig. 8에서 볼 수 있듯이, 이 시스템 모드는 Fig. 5에 나타난 완성차 상태에서의 거동과 동일한 2차 굽힘 모드이다.

Fig. 7

Result of FRF analysis for MDPS and front subframe system

Fig. 8

System mode at cavity resonance frequency

시스템의 공명음 대역 공진 모드를 관찰해 보면 MDPS 마운팅 부위의 프론트 서브프레임 멤버가 꺾이는 것을 확인할 수 있다. 이는 프론트 서브프레임 멤버의 좌측, 우측 끝단 부위가 단면적이 부족한 꺾임에 취약한 구조이기 때문인 것으로 판단된다(Fig. 9 참고).

Fig. 9

Structural weakness of front subframe

하지만 프론트 서브프레임 멤버의 취약 구조를 개선하는 것은 레이아웃 문제로 불가능하기 때문에 시스템의 공명음 대역 공진 모드 주파수를 공명음 주파수로부터 회피하기 위해서 다른 방법을 찾아야 했다.

(2) 시스템 개선 해석

완성차 해석 모델의 공명음 대역에서의 거동을 개선하기 위해서 시스템의 공명음 대역 모드 주파수를 공명음 주파수 대역 이외 다른 주파수 대역으로 이동시키는 방법이 필요하다. 이를 위해 다음과 같이 4가지 개선안이 제시되었다(Fig. 10 참고).

Fig. 10

System refinements

• 1. 모터 위치 이동
• 2. MDPS 마운팅 추가
• 3. MDPS 부시 마운팅 타입을 볼트 체결로 변경
• 4. 프론트 서브프레임 사이드 부위 보강

위 4가지 개선안을 모두 적용한 후 시스템 FRF 해석을 진행한 결과, Fig. 11에 나타난 것과 같이 공명음 주파수 대역의 공진 모드가 공명음 이외 주파수 대역인 270.6 Hz으로 이동된 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 11

Result of FRF analysis for improved system

주파수 270.6 Hz에 존재하는 공진 모드를 확인한 결과, 개선 전 공명음 주파수 대역에 존재하던 공진 모드와 동일한 2차 굽힘 모드인 것을 확인할 수 있었다. 따라서 제시된 4가지 개선안을 적용할 경우 공명음이 개선될 수 있다고 예상할 수 있었다. 4가지 개선안에 대해 공명음 대역 공진모드 주파수의 개선 기여도를 분석한 결과 모터 위치를 이동시키는 안이 가장 기여도가 컸다. 그 이외 안들은 프론트 서브프레임 사이드 부위 보강, MDPS 부시 마운팅 타입 변경, MDPS 마운팅 추가 순으로 기여도가 있었다.

(3) 개선안 검증

MDPS와 프론트 서브프레임으로 이루어진 시스템에서 확인된 개선안을 완성차 모델에 적용하여 노면 소음 해석을 수행하였다. Fig. 12에서 나타난 것과 같이 공명음 대역에서 전석, 후석의 실내 소음이 1.5 dB(A) 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 12

Result of road noise analysis for the improved vehicle model

제시된 개선안은 시험을 통해서 검증되었다. MDPS 중앙 부위에 마운팅을 추가한 경우 공명음이 2.7 dB(A) 개선되었는데, 이는 Fig. 10(b)에 표현된 MDPS 마운팅 추가와 동일한 것이다. 이를 통해 MDPS와 프론트 서브프레임을 더 강하게 체결하는 것이 공명음에 유리한 방향이라는 것을 알 수 있다.

설계 담당자와 협의를 통해 Fig. 10에서 제시된 개선안의 적용 가능성을 검토한 결과, MDPS 마운팅 추가를 제외한 나머지 개선안은 적용이 불가능하였다. MDPS 마운팅을 추가하는 개선안도 기존 마운팅에 마운팅 2점을 추가하는 것이 아니라, 하단 마운팅 2점을 중앙 부위로 이동하는 방안으로 변경되었다. 최종적으로 Fig. 13과 같이 MDPS 마운팅 타입에 대한 두 가지 개선안이 제시되었다. Case 1은 기존 마운팅 타입을 유지하고 하단 마운팅 2점을 센터 방향으로 이동하는 안이다. Case 2는 상단 마운팅 2점은 볼트 체결 방식, 하단 마운팅 2점은 부시 마운팅으로 변경하고 하단 마운팅 2점을 센터 방향으로 이동시킨 것이다. 시스템 단위 해석 결과, case 1의 경우 공진 모드 주파수 이동량이 커서 공명음 주파수 대역에 공진 모드가 존재하지 않는 반면에 case 2의 경우 공진 모드 주파수 이동량이 크지 않아 공명음 주파수 대역에 시스템 공진 모드가 존재하였다. 시스템 해석 결과를 토대로, case 1이 개선안으로 최종 선택되었다. Case 1 방식을 완성차 모델에 적용하여 노면 소음 해석을 수행한 결과 전석과 후석에서 공명음이 0.5 dB(A) 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과를 통해, case 1 방식이 실제 차량에서 공명음 개선에 효과가 있을 것으로 판단하였고 설계 도면에 최종 반영되었다.

Fig. 13

Improvement of MDPS mounting

3. 결 론

완성차 유한요소 모델을 이용하여 고급 대형 세단에서 문제가 된 공명음 문제에 대한 개선안을 제시하였다. 이를 위해,

• (1) 완성차 유한요소 모델을 이용한 노면 소음 해석을 통해 공명음 문제 현상을 확인하였다.
• (2) TPA 분석과 ODS 해석을 통해 공명음 주파수 대역의 MDPS와 프론트 서브프레임의 공진 모드가 공명음에 영향을 미치는 것을 확인하였고 시스템 분석을 통해 개선안을 도출하였다.
• (3) 완성차에 개선안을 적용하여 노면 소음 해석을 수행한 결과 공명음 수준이 향상되는 것을 확인하였고 설계 적용 가능한 안을 도출하였다.
• (4) 해석을 통해 설계 적용이 가능한 최적안을 제시하였고 이는 설계 도면에 최종 반영되었다.
• (5) 향후 동일한 시스템을 적용하는 차량에 대해서 이 논문에서 제안한 개선안이 적용될 예정이다.

Acknowledgments

A part of this paper was presented at the KSNVE 2018 Annual Autumn Conference.

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