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문제 정의
- 본 연구에서는 온간 성형법을 통하여 제작된 마그네슘합금 후드패널을 대상으로 대표적인 자동차 동적성능 중의 하나인 진동소음 특성을 기존의 스틸 후드패널과 비교 평가함으로써 마그네슘합금으로의 재질대체에 따른 경량화 방안의 잠재성을 확인하고자 하였다.
제안 방법
- 3의 B)으로 하였다. 또한 각 후드패널의 장착조건에 따른 가장자리에서의 유출소음(Leakage noise)에 따른 영향을 배제하기 위해 후드패널의 가장자리를 폴리우레탄 폼으로 밀봉 처리하였다.
- 3에 엔진 방사소음의 측정위치를 개략적으로 나타내었다. 방사소음 측정위치는 후드패널 중앙으로부터 수직거리가 50cm인 지점(Top-side ; Fig.3의 A)과 지면으로부터 150cm, 후드패널의 중앙으로부터 100㎝에 위치한 부분(Front-side ; Fig. 3의 B)으로 하였다. 또한 각 후드패널의 장착조건에 따른 가장자리에서의 유출소음(Leakage noise)에 따른 영향을 배제하기 위해 후드패널의 가장자리를 폴리우레탄 폼으로 밀봉 처리하였다.
- 후드패널의 재질변경에 따른 실내소음 변화는 조수석 탑승자의 좌측 귀에 해당하는 위치에서 측정하였다. 엔진 런업 조건에서의 소음측정은 가속모드를 WOT(Wide-open throttle)조건으로 진행하였으며, 소음측정 조건은 두 패널 간의 비교 이외에도 일반적으로 후드 이면에 장착되는 흡차음재 (Acoustic insulation)의 적용 유무에 대해서도 비교 평가를 진행하였다.
- 온간 성형과정에서의 금형온도는 약 250℃이었으며, 가열시간은 10 분으로 하였다. 외판 및 내판의 성형성 확보를 위해서 2단 가압방식을 적용하였으며, 후드패널의 가장자리는 레이저 트리밍(Laser trimming) 후에 헤밍(Hemming)처리 하였다. 또한 힌지(Hinge) 및 스트라이커(Striker) 등의 조립은 리벳 팅에 의한 체결 방식을 적용하였다.
- 제작된 마그네슘합금 및 스틸 후드패널의 진동특성을 평가하기 위하여 모달시험(Modal test)을 진행하였다. 패널의 진동 측정위치는 총 25위치로 하였으며, 탄성체(Rubber string)를 이용하여 경계조건을 자유모드(Free-free mode)로 조성하였다.
- 측정 장소는 무향실이었으며, 타이어의 노면 마찰 소음으로 인한 영향을 배제하기 위해 엔진 런업(Run-up)과 아이들(Idle) 조건에서 엔진 방사소음 및 실내소음을 측정하였다. 엔진 런업 시험에서의 엔진 회전수(크랭크축의 분당 회전수, rpm) 범위는 아이들 조건으로부터 6,000rpm까지로 선정하였다.
- 제작된 마그네슘합금 및 스틸 후드패널의 진동특성을 평가하기 위하여 모달시험(Modal test)을 진행하였다. 패널의 진동 측정위치는 총 25위치로 하였으며, 탄성체(Rubber string)를 이용하여 경계조건을 자유모드(Free-free mode)로 조성하였다. Fig.
- 후드패널의 가진 및 진동 진폭은 B&K사의 임팩트 해머(B&K 8202)와 가속도계(B&K 4326)를 사용하여 측정하였다.
- 후드패널의 재질변경에 따른 실내소음 변화는 조수석 탑승자의 좌측 귀에 해당하는 위치에서 측정하였다. 엔진 런업 조건에서의 소음측정은 가속모드를 WOT(Wide-open throttle)조건으로 진행하였으며, 소음측정 조건은 두 패널 간의 비교 이외에도 일반적으로 후드 이면에 장착되는 흡차음재 (Acoustic insulation)의 적용 유무에 대해서도 비교 평가를 진행하였다.
- 후드패널의 재질변경에 따른 차량의 소음특성을 평가하기 위하여 엔진 방사소음 및 실내소음의 변화를 실차 실험을 통하여 측정하였다.
대상 데이터
- 마그네슘합금 후드패널의 진동 특성 및 실차 소음특성의 비교 평가를 위하여 상용 후드패널로 널리 적용되고 있는 초심가공용급(Extra deep drawing quality: EDDQ / SPCEN)의 소재로 제작된 후드패널(0.7mm)을 사용하였다.
- 본 연구에서 제작된 마그네슘합금 후드패널은 AZ31합금으로 외판 및 내판의 두께를 각각 1.5mm로 하여 기존의 스틸 후드패널과 동일한 형상으로 제작하였다. 온간 성형과정에서의 금형온도는 약 250℃이었으며, 가열시간은 10 분으로 하였다.
- 측정 장소는 무향실이었으며, 타이어의 노면 마찰 소음으로 인한 영향을 배제하기 위해 엔진 런업(Run-up)과 아이들(Idle) 조건에서 엔진 방사소음 및 실내소음을 측정하였다. 엔진 런업 시험에서의 엔진 회전수(크랭크축의 분당 회전수, rpm) 범위는 아이들 조건으로부터 6,000rpm까지로 선정하였다.
- 음원(Sound source)과 패널, 패널과 소음측정 위치까지의 간격은 각각 600mm와 450mm이었으며, 패널의 투과면적은 840×840mm로 하였다.
데이터처리
- 후드패널의 가진 및 진동 진폭은 B&K사의 임팩트 해머(B&K 8202)와 가속도계(B&K 4326)를 사용하여 측정하였다. 후드패널의 주파수 응답함수(Frequency response function, FRF) 및 모달특성 평가를 위한 데이터 수집과 분석은 LMS사의 통합분석 모듈인 LMS test. lab-version 9를 사용하였다.
이론/모형
- 외판 및 내판의 성형성 확보를 위해서 2단 가압방식을 적용하였으며, 후드패널의 가장자리는 레이저 트리밍(Laser trimming) 후에 헤밍(Hemming)처리 하였다. 또한 힌지(Hinge) 및 스트라이커(Striker) 등의 조립은 리벳 팅에 의한 체결 방식을 적용하였다.10)
- 투과손실 측정은 APAMAT을 사용하였으며,11) 가진원(Excitation source)으로는 음원 가진(Sound excitation)을 이용하였다. 음원(Sound source)과 패널, 패널과 소음측정 위치까지의 간격은 각각 600mm와 450mm이었으며, 패널의 투과면적은 840×840mm로 하였다.
성능/효과
- AZ31 마그네슘합금 패널의 투과손실은 스틸 패널에 비하여 질량효과에 해당하는 만큼 낮은 수준을 가지지만, 동일한 형상을 가지는 자동차용 후드 패널로의 제작을 통하여 거시적인 변형모드 상의 공진주파수가 기존의 스틸 후드패널 대비 약 15Hz 이상 증가하였고, 국부적인 진동진폭 또한 현저하게 개선되었다. 이러한 진동특성의 변화는 차량의 엔진 방사소음 및 실내소음 특성에 현저한 영향을 미치며, 특히 4,000rpm 이하의 엔진 회전수 영역에서 후드패널용 흡차음재를 장착하지 않은 마그네슘 합금 후드패널의 엔진 방사소음은 흡차음재를 장착한 스틸 후드패널보다 약 1dB(A) 에 해당하는 엔진 방사소음의 개선 효과를 얻었다.
- 그림 (a)에서 보는 바와 같이 약 4,000rpm이하의 엔진 회전수 영역에서는 최대 1dB(A)이상의 음압 레벨 차이를 가지며 마그네슘합금 후드패널의 차음 특성이 우수한 것을 알 수 있다. 또한 4,000rpm이상의 영역에서도 비교적 유사한 음압 레벨을 가지는 것으로 나타났다.
- 이러한 진동특성의 변화는 차량의 엔진 방사소음 및 실내소음 특성에 현저한 영향을 미치며, 특히 4,000rpm 이하의 엔진 회전수 영역에서 후드패널용 흡차음재를 장착하지 않은 마그네슘 합금 후드패널의 엔진 방사소음은 흡차음재를 장착한 스틸 후드패널보다 약 1dB(A) 에 해당하는 엔진 방사소음의 개선 효과를 얻었다. 또한, 자동차 실내 소음 측면에서 마그네슘합금 후드패널의 대화명료도 지수는 3,000rpm 이상의 엔진 회전수 영역에서 스틸 후드패널에 비하여 약 2%정도의 개선 효과를 얻을 수 있었다. 이와 같이 마그네슘합금 적용에 따른 자동차 중량절감 효과 이외의 진동소음 성능의 개선효과는 자동차 업계에서 중장기적으로 추진하는 연비개선 및 진동소음 성능 개선에 대한 개발 및 희생비용 관점에서 경량소재 적용에 따른 양산 원가부담을 상충시킬 수 있는 중요한 인자로서 고려되어야 할 것으로 판단된다.
- 마그네슘합금 후드패널은 흡차음재를 장착하지 않았음에도 불구하고 2,500 ~ 3,000rpm대역을 제외한 엔진 회전수 영역에서 스틸 후드패널에 비교하여 약 1dB(A)정도의 실내소음 개선 효과를 얻을 수 있었다.
- 5에 마그네슘합금과 스틸 후드패널의 모달시험 결과인 주파수응답 곡선을 비교하여 나타내었다. 마그네슘합금의 거시모드에 대한 주파수응답곡선은 스틸 패널과 비교하여 유사한 형태를 보이지만, 1차 및 2차 공진주파수 모두 약 15Hz이상 현저히 증가하였다.
- Table 2에 공진주파수의 측정값과 중량 감소를 고려한 계산값과 비교하여 나타내었다. 본 연구에서 후드패널의 정확한 강성은 파악할 수 없었으나, 동일한 강성을 가진다는 조건 하에 공진주파수에 대한 일반관계식(#)을 이용하여 고려할 경우, 재질변경에 따른 거시모드 상 공진주파수의 증가는 중량 감소가 주된 영향을 미침을 알 수 있다.
- 2(b)의 지점 13)의 주파수응답 곡선을 나타낸 것이다. 스틸 후드패널에 비하여 마그네슘합금 후드패널의 공진주파수가 전반적으로 증가하는 경향을 나타내었다.
- AZ31 마그네슘합금 패널의 투과손실은 스틸 패널에 비하여 질량효과에 해당하는 만큼 낮은 수준을 가지지만, 동일한 형상을 가지는 자동차용 후드 패널로의 제작을 통하여 거시적인 변형모드 상의 공진주파수가 기존의 스틸 후드패널 대비 약 15Hz 이상 증가하였고, 국부적인 진동진폭 또한 현저하게 개선되었다. 이러한 진동특성의 변화는 차량의 엔진 방사소음 및 실내소음 특성에 현저한 영향을 미치며, 특히 4,000rpm 이하의 엔진 회전수 영역에서 후드패널용 흡차음재를 장착하지 않은 마그네슘 합금 후드패널의 엔진 방사소음은 흡차음재를 장착한 스틸 후드패널보다 약 1dB(A) 에 해당하는 엔진 방사소음의 개선 효과를 얻었다. 또한, 자동차 실내 소음 측면에서 마그네슘합금 후드패널의 대화명료도 지수는 3,000rpm 이상의 엔진 회전수 영역에서 스틸 후드패널에 비하여 약 2%정도의 개선 효과를 얻을 수 있었다.
- 10에 보인 실내소음 특성에서도 엔진 소음의 가진에 의한 두 후드패널 간의 진동특성 차이는 엔진 방사소음 뿐만 아니라 실내소음까지 상당한 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있다. 즉 투과손실 관점에서는 스틸 패널에 비하여 마그네슘합금 패널이 낮은 투과손실을 보이지만, 후드패널로의 적용에 따라 마그네슘합금 고유의 비강도 특성과 중량 저감에 따른 진동 특성의 변화 등을 통하여 엔진 방사소음 및 실내소음 측면에서의 현저한 개선 효과를 얻을 수 있었다.
후속연구
- 다만, 6,300Hz이상의 주파수 영역에서 두 패널의 투과손실은 현저한 차이를 보이는데, 패널의 구성 및 음원조건 등에 대한 관점에서 차후의 면밀한 검토가 요구된다.
- 이와 같이 기존의 스틸 후드패널에서 마그네슘합금 후드패널로의 재질변경을 고려함에 있어 패널 자체의 경량화 효과 이외에도 외관특성 만을 고려한 후드패널용 흡차음재의 사양 간소화에 통한 비용 및 중량 절감 등의 추가적인 이점을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한, 자동차 실내 소음 측면에서 마그네슘합금 후드패널의 대화명료도 지수는 3,000rpm 이상의 엔진 회전수 영역에서 스틸 후드패널에 비하여 약 2%정도의 개선 효과를 얻을 수 있었다. 이와 같이 마그네슘합금 적용에 따른 자동차 중량절감 효과 이외의 진동소음 성능의 개선효과는 자동차 업계에서 중장기적으로 추진하는 연비개선 및 진동소음 성능 개선에 대한 개발 및 희생비용 관점에서 경량소재 적용에 따른 양산 원가부담을 상충시킬 수 있는 중요한 인자로서 고려되어야 할 것으로 판단된다.
- 재질변경을 통한 경량화 추진에 대한 향후의 접근방향은 중량 절감을 통한 자동차 동력성능 및 연비특성의 변화 이외에도 부품 및 자동차 전체의 다양한 성능 변화에 대한 체계적인 연구가 요구된다. 즉, 자동차용 부품 및 소재의 재질변경에 대하여 본 연구에서 수행한 진동소음 성능 이외에도 조안 및 안전 성능 등의 자동차 성능에 대한 다양한 검토를 통하여 재질변경에 따른 자동차 성능 상의 부가적인 장점 및 개선 효과가 검증된다면 경량소재로의 재질변경은 다양한 차종으로의 적용범위 확대 이외에도 중소형 차종까지 광범위한 적용이 가능할 것으로 판단된다.
- 재질변경을 통한 경량화 추진에 대한 향후의 접근방향은 중량 절감을 통한 자동차 동력성능 및 연비특성의 변화 이외에도 부품 및 자동차 전체의 다양한 성능 변화에 대한 체계적인 연구가 요구된다. 즉, 자동차용 부품 및 소재의 재질변경에 대하여 본 연구에서 수행한 진동소음 성능 이외에도 조안 및 안전 성능 등의 자동차 성능에 대한 다양한 검토를 통하여 재질변경에 따른 자동차 성능 상의 부가적인 장점 및 개선 효과가 검증된다면 경량소재로의 재질변경은 다양한 차종으로의 적용범위 확대 이외에도 중소형 차종까지 광범위한 적용이 가능할 것으로 판단된다.
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