[논문]차량 부밍 소음 저감을 위한 중공축 개발

고강호; 국형석; 이재형

문제 정의

본 연구에서는 구동축에 의한 부밍 소음을 개선하기 위하여 보편적으로 적용되고 있는 중공구동죽을 진동소음 즉 면에서 개발할 수 있는 기법을 제시하고자 하였다. 이를 위하여 단면의 형상이 변하는 구동축을 빔 요소(beam element)로 모델링이 가능하도록 하였으며, 차량에 적용되는 모든 조인트에 대하여 구동축과 조인트와의 결합 강성을 실험적으로 구하는 방법 2)을 이용하였다.
본 연구에서는 구동축의 공진에 의하여 발생되는 차실 내의 부밍 소음을 개선하기 위하여 중공구동축의 공진주파수를 시뮬레이션할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 이 프로그램은 구동축의 형상을 모델링하고 조인트의 특성을 입력하는 프로그램과 빔요소를 사용하여 전체 유한 요소 행렬을 구성하고 고유치 해석을 수행하는 프로그램으로 구성되어 있다.

제안 방법

이러한 스프링 상수를 실험적인 방법으로 구하기 위하여 Fig. 6(a)와 같이 구하고자 하는 조인트 부만 실제 차량에 장착하고 반대쪽 조인트는 탈거하여 자유단(ftee end) 상태로 공진주파수를 측정하였다. 이때 Fig.
앞에서 제시된 유한 요소 모델 기법과 각 조인드의 스프링 상수를 이용하여 구동축의 공진주파수를 예측하기 위한 전용 프로그램을 개발하였다. Fig. 8에 나타나 있는 것과 같이 구동축형상의 모델링, 경계조건 부여, 해석용 입력 파일 작성 등과 같은 전처(pre-processing) 과정과 후처리(post-processing) 과정은 EXCEL의 비주얼 베이 직(visual basic) 프로그램을 이용하였고, 행렬 구성, 고유치 해석, 모드형상 애니메이션 등은 MATLAB 프로그램을 이용하였다. 이 두 프로그램은 ExceUink로 연결(link) 되어 있기 때문에 쉽게 구동축의 공진주파수를 시뮬레이션할 수 있는 특징이 있다.
이때 구동축은 모델링의 편리함을 위하여 일반 솔리드 구동축을 사용하였다. Table 1에 나타나 있는 것과 같이 모드 시험을 통하여 각 조인트마다 2개씩 공진주파수를 측정하였으며, 이를 이용하여 각 조인트의 스프링 상수를 구하였다. 선택한 2개의 공진주파수에 해당하는 각각의 모드형상은 Fig.
구동축의 길이가 694mm이고, 직경이 24.5mm인 일반적인 솔리드 형태의 구동축이 장착되어 있으며, 주행시 구동축이 약 105Hz부근에서 공진되어 3000rpm 부근에서 부밍 소음이 발생되는 배기량이 1500cc2]차량을 대상으로 실내 소음을 개선하기 위하여 구동축 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 중공구동축을 개발하였다. 이 차량에 적용되어 있는 구동축의 조인트는 각각 CZ21, RZ21 이 며 결합부 강성은 Table I 에 나타나 있는 값을 이용하였다.
차량에 장착된 구동축의 굽힘 공진주파수를 시뮬레이션하기 위하여 먼저 구동축 자체의 유한 요소 해석 모델을 구성하였다. 구동축의 단면이 일정한 경우에는 해석 모델을 이용할 수 있지만, ‘본 연구에서는 Fig. 3에 나타나 있는 것과 같이 중공축을 고려하여 단면의 형상이 변하는 빔 요소를 사용하였다. 이때, 각 요소의 질량행렬과 강성행렬은 다음과 같이 구할 수 있다.
이 차량에 적용되어 있는 구동축의 조인트는 각각 CZ21, RZ21 이 며 결합부 강성은 Table I 에 나타나 있는 값을 이용하였다. 구동축이 차량에 장착되었을 때 1차 굽힘 공진주파수가 195Hz에서 나타나도록 모델링을 하였으며, 이에 따라 Fig. 9에 나타나 있는 것고)'갇이 외경이 38mm, 두께가 3mm, 중공부의 길이가 451mm 인 구동축을 개발/제작하였다. 여기서 구동축의 외경은 현가계와의 간섭을 피하기 위하여 38mm 이하로 요구되었기 때문에 중공부의 길이를 설계인자로 사용하였다.
실제 차량에 적용되어 있는 조인트 중 CG21, TP27, RZ27, RZ23, RZ21에 대하여 앞에서 제시된 방법을 이용하여 조인트의 스프링 상수를 구하였다. 이때 구동축은 모델링의 편리함을 위하여 일반 솔리드 구동축을 사용하였다.
앞에서 제시된 유한 요소 모델 기법과 각 조인드의 스프링 상수를 이용하여 구동축의 공진주파수를 예측하기 위한 전용 프로그램을 개발하였다. Fig.
본 연구에서는 구동축의 공진에 의하여 발생되는 차실 내의 부밍 소음을 개선하기 위하여 중공구동축의 공진주파수를 시뮬레이션할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 이 프로그램은 구동축의 형상을 모델링하고 조인트의 특성을 입력하는 프로그램과 빔요소를 사용하여 전체 유한 요소 행렬을 구성하고 고유치 해석을 수행하는 프로그램으로 구성되어 있다. 이 프로그램을 사용하면 조인트의 특성이 데이터베이스화되어 있으므로 구동축에 대한 고유 해석 모델을 쉽게 구성할 수 있다.
이렇게 구한 구동축조인트의 스프링 상수에 대한 유효성을 검증하기 위하여 실제 차량에 장착되어 있는 구동축의 공진주파수를 시뮬레이션을 통하여 예측하였다. Table 2에 여러 가지 구동축에 대한 1차 굽힘 모드의 주파수가 나타나 있는데, 실차 상태에서의 모드 시험의 결과와 시뮬레이션의 결과가 서로 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.
본 연구에서는 구동축에 의한 부밍 소음을 개선하기 위하여 보편적으로 적용되고 있는 중공구동죽을 진동소음 즉 면에서 개발할 수 있는 기법을 제시하고자 하였다. 이를 위하여 단면의 형상이 변하는 구동축을 빔 요소(beam element)로 모델링이 가능하도록 하였으며, 차량에 적용되는 모든 조인트에 대하여 구동축과 조인트와의 결합 강성을 실험적으로 구하는 방법 2)을 이용하였다. 측정한 결합부 강성을 이용하여 구동축이 실차에 장착되었을 때의 구동축의 공진주파수를 예측할 수 있는 시뮬레이션 프로그램을 개발하였으며, 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 개발된 중공구동축을 차량에 적용하여 부밍소음을 저 감하였다.
차량에 장착된 구동축의 굽힘 공진주파수를 시뮬레이션하기 위하여 먼저 구동축 자체의 유한 요소 해석 모델을 구성하였다. 구동축의 단면이 일정한 경우에는 해석 모델을 이용할 수 있지만, ‘본 연구에서는 Fig.
이를 위하여 단면의 형상이 변하는 구동축을 빔 요소(beam element)로 모델링이 가능하도록 하였으며, 차량에 적용되는 모든 조인트에 대하여 구동축과 조인트와의 결합 강성을 실험적으로 구하는 방법 2)을 이용하였다. 측정한 결합부 강성을 이용하여 구동축이 실차에 장착되었을 때의 구동축의 공진주파수를 예측할 수 있는 시뮬레이션 프로그램을 개발하였으며, 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 개발된 중공구동축을 차량에 적용하여 부밍소음을 저 감하였다.

대상 데이터

5mm인 일반적인 솔리드 형태의 구동축이 장착되어 있으며, 주행시 구동축이 약 105Hz부근에서 공진되어 3000rpm 부근에서 부밍 소음이 발생되는 배기량이 1500cc2]차량을 대상으로 실내 소음을 개선하기 위하여 구동축 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 중공구동축을 개발하였다. 이 차량에 적용되어 있는 구동축의 조인트는 각각 CZ21, RZ21 이 며 결합부 강성은 Table I 에 나타나 있는 값을 이용하였다. 구동축이 차량에 장착되었을 때 1차 굽힘 공진주파수가 195Hz에서 나타나도록 모델링을 하였으며, 이에 따라 Fig.

성능/효과

이 중 공구동축을 실제 차량에 장착하였을 때 구동축의 1차 굽힘 모드의 공진주파수는 198Hz에서 나타났으며, 시뮬레이션 프로그램으로 예측한 결과와 잘 일치하였다. 공진주파수의 이동으로 인하여 Fig. 10에서 보는 바오+ 같이 3000rpm 부근에서의 부밍 소음이 완전히 개선되는 효과를 얻을 수 있었다.
이 중 공구동축을 실제 차량에 장착하였을 때 구동축의 1차 굽힘 모드의 공진주파수는 198Hz에서 나타났으며, 시뮬레이션 프로그램으로 예측한 결과와 잘 일치하였다. 공진주파수의 이동으로 인하여 Fig.

후속연구

이 프로그램을 사용하면 조인트의 특성이 데이터베이스화되어 있으므로 구동축에 대한 고유 해석 모델을 쉽게 구성할 수 있다. 따라서 신속하고 정확하게 차량에 장착된 구동축의 공진주파수를 시뮬레이션할 수 있으므로, 구동축 개발시 시 행착오를 방지할 수 있으며, 이로 인해 개발비용 및 시간이 절감될 수 있을 것으로 기대된다.

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