최근 자동차 산업 동향은 내연기관을 사용하는 방식에서 전기 동력을 이용하는 친환경 차량으로 급변하고 있다. 전기 차량은 엔진이 장착되지 않기 때문에, 주행 중의 파워트레인 소음이 큰 폭으로 감소했지만, 이에 따라 타 소음들의 문제가 대두되고 있다. 특히, 제동 초기나 말기에 발생하는 크립 그론 소음은 저주파, 구조 기인 소음으로 전기 차량의 실내 소음 기여도에 많은 비중을 차지한다.

크립 그론 소음 원인을 규명하기 위한 이론 및 실험적 접근을 통한 많은 연구가 진행되고 있다. Wei 등⁽¹⁾은 디스크와 패드의 법선 방향 모션 및 마찰이 고려된 수학적 모델을 통해, 크립 그론 소음의 원인인 스틱-슬립 현상을 연구하였다. Zhao 등⁽²⁾은 bristle friction law를 이용하여, 스틱-슬립 발생 및 불안정성은 디스크와 패드의 상대 속도와 압력에 의해 결정되는 것을 확인하였고, Meng 등⁽³⁾은 vibro-impact effect를 고려한 이론 모델을 통해, 크립 그론 가진 특성은 multiple, half-order harmonics 주파수로 구성되며, 주파수 전이 현상에 대해 규명하였다.

한편, 크립 그론 소음 저감을 위한 연구는 크게 2가지로 나뉘게 되며, 첫 번째는 가진계 관점에서의 브레이크 시스템 변경이다. Fuadi 등⁽⁴⁾은 간이 모델을 대상으로 실험 계획법을 통해 여러 파라미터에 따른 크립 그론 발생 여부를 조사하였고, 소음 발생 빈도를 줄이기 위해 패드와 디스크 사이의 접촉 강성과 시스템 강성의 비율을 조정하였다. 스틱-슬립 사이클을 억제하기 위해 Zhao 등⁽⁵⁾은 in-plane 및 out-of-plane으로의 진동을 발생시키는 piezo actuator를 패드와 백플레이트 사이에 삽입하여 능동형 패드를 구성하였고, Jang 등⁽⁶⁾은 패드와 디스크의 상대 속도에 따른 마찰 계수가 작게 나타도록 마찰재의 원료 함유량을 변경하였다. 하지만, 크립 그론 소음은 브레이크 시스템에 국한되는 문제가 아닌, 샤시의 진동 특성에 의해 영향을 받기 때문에^(7,8), 최근에는 차량 시스템의 전달계 관점에서의 소음 저감 방안이 연구되고 있다. Jung and chung⁽⁹⁾은 마찰재, 서브프레임 구조 및 결합부 변경 전/후에 따른 크립 그론 소음 측정을 통해, 전달계인 결합부 감쇠비를 변경했을 때 효과적으로 소음이 감소되는 것을 확인하였다. Woo 등^(10,11)은 전달경로분석법을 이용하여, peak 주파수에서의 크립 그론 주 전달경로 부품을 선정하였고, 해당 부품의 질량 증대를 통해 진동 특성을 변경시킴으로써, 소음 저감을 실현하였다.

이 연구에서는 크립 그론의 peak 주파수뿐만 아니라 base 주파수를 고려하여 음향 증폭 원인 및 소음 발생 메커니즘을 규명하였고, 차량 현가계의 전달 특성 변경을 통한 소음 저감 방안을 제시하였다. 먼저, 전달경로분석을 통해, 타겟 주파수에서 각 경로별 소음 기여도를 확인하였다. 다음으로, 주 전달경로 부품과 제동계 부품을 대상으로 in-situ 모달 테스트를 진행하여, peak 주파수에서 구조 공진을 유발하는 주요 모드를 파악하였고, 크립 그론 스틱-슬립 사이클을 형성하는 현가계의 거동을 확인하였다. 마지막으로, 튜닝된 동흡진기를 부착하여 소음 레벨을 측정함으로써, 상용 전기 차량의 크립 그론 소음 개선 효과를 확인하였다.

TPA 기여도 분석을 통해, 주 전달경로 부품이 판 스프링임을 확인했지만, 부품의 형상 변경, 동흡진기 부착 등을 통해 크립 그론 소음을 저감하기 위해 모드 형상 등의 정보가 필요하다. 따라서, 제동계에서 발생한 가진력이 판 스프링으로 전달되는 경로에 해당하는 부품(캘리퍼 – 액슬 – 판 스프링)에 대하여 in-situ 모달 테스트를 진행하였다. Fig. 5는 가속도계 및 가진 위치를 나타낸 것으로, 차량 현가 시스템을 가진하기 위해, B&K 4824 가진기를 이용하였고, 초록색 선으로 표시한 액슬은 비틀림 형상을 확인하기 위해, xz 단면에서 좌측 위, 우측 아래 부분에 각각 5개의 가속도계를 부착하였다.

Fig. 5 
Points of accelerometer for modal test

Base 주파수에서의 모드 형상은 Fig. 6과 같고, 액슬을 중심으로 현가 시스템의 좌/우 위상이 반대인 비틀림 방향 모드가 나타났다. 또한, 액슬의 양 끝단에 결합된 제동계 부품인 캘리퍼는 현가계의 비틀림 모드로 인해, y축 회전 방향으로 거동하게 된다. 이 거동은 패드와 디스크의 접선 방향의 상대 운동을 유발하여, 제동 초기에 발생한 스틱-슬립 현상이 지속되도록 만든다. Fig. 7은 peak 주파수에서의 모드 형상으로, 회색으로 표시한 변형 전 형상과 비교했을 때, 타 부품에서는 모드가 나타나지 않고, 좌/우의 판 스프링에서 굽힘 모드를 확인하였다. 이를 통해, 스틱-슬립 현상으로 인한 2^nd harmonic 주파수에서의 가진과 판 스프링 굽힘 모드의 공진 현상으로 인해, 크립 그론 소음이 증폭됨을 확인할 수 있었다.

Fig. 6 
Mode shape of components at base frequency

Fig. 7 
Mode shape of components at peak frequency

Fig. 8은 상용 전기 차량의 크립 그론 발생 메커니즘을 나타낸 것으로, 1) 페달 답력이 가해지면, 2) 패드의 수직 방향 압력과 디스크와 패드 사이의 접선 방향의 상대 운동 등으로 인해 스틱-슬립 현상이 발생하게 된다. 3) 이 현상에 의해 발생된 힘은 차량 샤시를 가진하며, base 주파수에서 액슬을 포함한 현가 시스템은 비틀림 방향으로 거동하게 된다. 또한, 액슬의 양 끝단에 결합된 캘리퍼는 y축 회전 방향으로 거동함으로써, 디스크와 패드의 상대 운동을 유발하며, 결국 스틱-슬립 현상이 지속되는 사이클이 형성된다. 4) 스틱-슬립의 2^nd harmonic 주파수 가진과 판 스프링의 굽힘 모드의 공진에 의해, 크립 그론 소음이 증폭되어 최종적으로 실내 승객에게 전달된다.

Fig. 8 
Mechanism of creep groan in commercial electric vehicle

이 연구에서는 두 가지의 주파수를 타겟으로 선정하여, 상용 전기 차량의 크립 그론 소음 저감을 실현하였다. 첫 번째 단계로, 전달경로 분석을 통한 예측값과 실측값을 비교함으로써 결과의 신뢰성을 확인하였고, 전달경로인 현가계 부품을 대상으로 실내 소음 기여도 분석 결과, 크립 그론 소음은 판 스프링이 주 전달경로임을 확인하였다. 두 번째로, 동흡진기 부착 위치를 선정하기 위해 제동계 및 현가계 부품을 대상으로 모달 테스트를 진행하였다. 이를 통해, base 주파수에서는 현가계 거동에 의한 스틱-슬립 사이클 현상, peak 주파수에서는 판 스프링의 공진에 의한 음향 증폭 현상을 규명하였다. 마지막으로, 두 가지 타겟 주파수에 대한 동흡진기를 튜닝하였고, 판 스프링과 액슬에 부착했을 때, 소음 레벨이 감소되었다. 특히 base 주파수의 동흡진기는 스틱-슬립 사이클을 끊어줌으로써, 가진 발생을 억제하기 때문에 모든 harmonic 주파수에서 소음 레벨 감소, 트리거 횟수 감소, 소음 지속 시간 감소 등 크립 그론 소음을 개선하는데 효과적인 방법임을 확인하였다.

이와 같이 peak 주파수뿐만 아니라, base 주파수에서의 접근법은 상용 차량에 국한된 것이 아니라 전반적인 디스크 브레이크 타입 차량에 적용 가능할 것으로 보인다. 또한, 이 연구에서는 동흡진기를 통해 소음을 저감했지만, 양산 차량에는 판 스프링의 형상 변경을 통한 공진 회피, 현가계 비틀림 방향 강성 증대를 통한 크립 그론 음색 변경 등이 필요할 것으로 사료된다.