[논문]가진 시험 방법을 활용한 자동차 도어 플레이트 모듈 슬램 내구 평가

김찬중; 손태관

doi:10.5050/ksnve.2012.22.10.968

문제 정의

이 연구에서는 도어 유리의 공진 현상에 의해 플레이트 모듈의 취약 부위에서 크랙이 발생한다는 시험 관찰 결과를 바탕으로, 일반 진동 시험기를 활용하여 슬램 시험을 대체할 수 있는 가속화된 진동시험 기법을 제안하였다. 먼저 일반 슬램 시험에서 측정된 가속도 데이터를 기반으로 다축 시험장비 시뮬레이션을 통해 다축 진동시험을 수행하여 피로파손 모드를 관찰하였다.
이 연구에서는 도어 플레이트 모듈에 대한 기존의 슬램 시험을 대체할 수 있는 가속화된 진동 시험 방법론을 제안하였다. 기존의 슬램 시험이 진동 가진기를 통해 대체 시험이 가능한지를 확인하기 위해 다축 가진 시뮬레이터를 활용하여 검증 시험을 수행하였으며, 파손 모드의 비교를 통해 타당성을 입증하였다.
이 연구에서의 단축가진 시험은 실제 시험에서 측정된 가속도 신호를 그대로 시뮬레이션 하는 개념인 다축진동과 다른 개념으로써, 조화함수 혹은 랜덤 신호 형태로 진동 환경을 제공하는 것이다. 먼저 가진 주파수 범위는 슬램 시험에서 측정된 가속도 신호(Fig.

제안 방법

3의 시간영역 데이터를 실험실에서 재현하기 위해 다축 가진 시뮬레이션 장비를 활용하여 진동 시험을 수행하였다. 3축 가속도 데이터를 모두 활용하여 가진 프로파일을 도출하였으며, 8개의 가속도 데이터 중 도어트림 부분에 장착된 4개의 가속도 데이터에 대해서 시편의 거동 제어를 하였다. 시험결과 기존의 시험 방법과 유사한 부위에서 유사한 피로파손 모드로 크랙들이 발생하였다.
이 연구에서는 도어 플레이트 모듈에 대한 기존의 슬램 시험을 대체할 수 있는 가속화된 진동 시험 방법론을 제안하였다. 기존의 슬램 시험이 진동 가진기를 통해 대체 시험이 가능한지를 확인하기 위해 다축 가진 시뮬레이터를 활용하여 검증 시험을 수행하였으며, 파손 모드의 비교를 통해 타당성을 입증하였다. 보다 가속화되고 간단한 시험 조건을 도출하기 위해 기존 슬램 시험에서 측정된 응답 및 시편의 동적 특성을 평가하여 저차의 도어 유리 공진 모드가 주요한 파손 인자임을 도출하였다.
단축 시험 결과에 대한 신뢰성을 보장하기 위해 2개의 시편을 사용하여 가진 시험을 수행하였으며, 유사 지점에서 Fig. 4에서의 초기 크랙(#1 혹은 #2)과 같은 크랙이 육안 관찰 되었을 경우 시험을 중단 하였다. Table 3은 2개 시편에 대해 4가지 서로 다른 가진 크기에 따른 초기 크랙 발생 시간을 정리한 것이다.
3 참고)의 주요 주파수 대역인 100 Hz 이하로 한정하였다. 단축가진 주파수 성분을 결정하기 위해 대상 부품의 고유진동수를 먼저 확인하였다. 대상물은 시험 시편을 구성하는 주요 부품인 도어 플레이트 모듈 및 도어 유리로 한정 하였으며, 시험 결과를 Table 1 및 Table 2에 각각 제시하였다.
모달 시험 방법은 가진 해머를 이용하여 가진 위치를 고정한 다음 측정 위치를 바꾸어가면서 주파수 응답함수를 계측하는 방식으로 진행하였다. 도어 유리는 자유 경계 상태에서 모달 시험이 진행되었으며, 도어 플레이트 모듈은 도어 모듈 전체에서 경계 조건 변경 없이 모달 시험을 수행하였다.
전문 생산 업체에서 보유중인 슬램 시험 장비를 활용하여 H社에서 양산중인 2,700CC 급의 도어 모듈에 대한 슬램 시험을 진행하였다. 도어 플레이트 내부 및 외부에 8개의 가속도 센서를 부착하여 시험 도중 발생하는 응답 가속도 신호를 계측하였으며, 도어의 열고 닫음은 유압 실린더를 활용하여 회전 속도를 제어함으로써 반복 시험을 수행하였다. 기존의 도어 슬램 시험 장면을 Fig.
7 참고) 차이를 나타내고 있다. 따라서 Fig. 7의 응답 성분들의 차이를 그대로 유지할 수 있도록 2개 가진 주파수의 상대적인 크기를 결정하였으며, 전체 가진 크기를 변화시키면서 진동 가진 환경의 가혹도를 조절하였다. Fig.
이 연구에서는 도어 유리의 공진 현상에 의해 플레이트 모듈의 취약 부위에서 크랙이 발생한다는 시험 관찰 결과를 바탕으로, 일반 진동 시험기를 활용하여 슬램 시험을 대체할 수 있는 가속화된 진동시험 기법을 제안하였다. 먼저 일반 슬램 시험에서 측정된 가속도 데이터를 기반으로 다축 시험장비 시뮬레이션을 통해 다축 진동시험을 수행하여 피로파손 모드를 관찰하였다. 이후 다양한 크기의 단축 가진 시험을 통해 기존의 도어 플레이트 모듈의 슬램 시험을 대체할 수 있는 가속화된 단축 진동 시험 방법을 제안하였으며, 제품 관련 수명식도 도출하였다.
대상물은 시험 시편을 구성하는 주요 부품인 도어 플레이트 모듈 및 도어 유리로 한정 하였으며, 시험 결과를 Table 1 및 Table 2에 각각 제시하였다. 모달 시험 방법은 가진 해머를 이용하여 가진 위치를 고정한 다음 측정 위치를 바꾸어가면서 주파수 응답함수를 계측하는 방식으로 진행하였다. 도어 유리는 자유 경계 상태에서 모달 시험이 진행되었으며, 도어 플레이트 모듈은 도어 모듈 전체에서 경계 조건 변경 없이 모달 시험을 수행하였다.
슬램 시험에서 측정된 Fig. 3의 시간영역 데이터를 실험실에서 재현하기 위해 다축 가진 시뮬레이션 장비를 활용하여 진동 시험을 수행하였다. 3축 가속도 데이터를 모두 활용하여 가진 프로파일을 도출하였으며, 8개의 가속도 데이터 중 도어트림 부분에 장착된 4개의 가속도 데이터에 대해서 시편의 거동 제어를 하였다.
보다 가속화되고 간단한 시험 조건을 도출하기 위해 기존 슬램 시험에서 측정된 응답 및 시편의 동적 특성을 평가하여 저차의 도어 유리 공진 모드가 주요한 파손 인자임을 도출하였다. 유리의 공진점으로 구성된 가속화된 단축 시험 방법론을 수립하였으며, 가진 크기의 적절한 조절을 통해 유사 파손모드의 내구수명 결과를 얻어내었다. 이 연구를 통해 기존 단일 부품에 대해 8일 이상 소요되었던 시험 절차를 2시간 이내의 가속화된 단축 상사 시험으로 대체할 수 있는 성과를 달성하였다.
먼저 일반 슬램 시험에서 측정된 가속도 데이터를 기반으로 다축 시험장비 시뮬레이션을 통해 다축 진동시험을 수행하여 피로파손 모드를 관찰하였다. 이후 다양한 크기의 단축 가진 시험을 통해 기존의 도어 플레이트 모듈의 슬램 시험을 대체할 수 있는 가속화된 단축 진동 시험 방법을 제안하였으며, 제품 관련 수명식도 도출하였다.
전문 생산 업체에서 보유중인 슬램 시험 장비를 활용하여 H社에서 양산중인 2,700CC 급의 도어 모듈에 대한 슬램 시험을 진행하였다. 도어 플레이트 내부 및 외부에 8개의 가속도 센서를 부착하여 시험 도중 발생하는 응답 가속도 신호를 계측하였으며, 도어의 열고 닫음은 유압 실린더를 활용하여 회전 속도를 제어함으로써 반복 시험을 수행하였다.

대상 데이터

단축가진 주파수 성분을 결정하기 위해 대상 부품의 고유진동수를 먼저 확인하였다. 대상물은 시험 시편을 구성하는 주요 부품인 도어 플레이트 모듈 및 도어 유리로 한정 하였으며, 시험 결과를 Table 1 및 Table 2에 각각 제시하였다. 모달 시험 방법은 가진 해머를 이용하여 가진 위치를 고정한 다음 측정 위치를 바꾸어가면서 주파수 응답함수를 계측하는 방식으로 진행하였다.
이 연구에서의 단축가진 시험은 실제 시험에서 측정된 가속도 신호를 그대로 시뮬레이션 하는 개념인 다축진동과 다른 개념으로써, 조화함수 혹은 랜덤 신호 형태로 진동 환경을 제공하는 것이다. 먼저 가진 주파수 범위는 슬램 시험에서 측정된 가속도 신호(Fig. 3 참고)의 주요 주파수 대역인 100 Hz 이하로 한정하였다. 단축가진 주파수 성분을 결정하기 위해 대상 부품의 고유진동수를 먼저 확인하였다.

성능/효과

Fig. 3의 4개의 응답 피크 성분들을 고려하여 다양한 조건으로 사전 진동시험을 수행하였으며, 결론적으로 Fig. 4의 #1, #2, #3의 크랙 성분이 18.5 Hz의 진동 성분과 연관성이 있으며, #4의 크랙은 29.5 Hz 성분과 관계됨을 확인하였다. 이는 Fig.
이와 같은 크랙의 진행 현상은 2장에서 언급한 슬램의 경우와 유사한 파손 모드를 보여주는 것이다. 따라서 자동차 도어 플레이트 시험은 진동 시험을 통해 대체가 가능하다는 결론에 도달하였다. 다만, 이 시험을 통해 도어의 열고 닫는 동작은 다축가진 조건에 의해 70% 이상 감소시킨 효과가 나타났지만 여전히 하나의 시편에 대해 2일 정도의 시험을 진행하여야 하기 때문에 단축 가진 시험 등 더욱 가속화될 수 있는 시험 방법이 있는지를 검토할 필요가 있다.
기존의 슬램 시험이 진동 가진기를 통해 대체 시험이 가능한지를 확인하기 위해 다축 가진 시뮬레이터를 활용하여 검증 시험을 수행하였으며, 파손 모드의 비교를 통해 타당성을 입증하였다. 보다 가속화되고 간단한 시험 조건을 도출하기 위해 기존 슬램 시험에서 측정된 응답 및 시편의 동적 특성을 평가하여 저차의 도어 유리 공진 모드가 주요한 파손 인자임을 도출하였다. 유리의 공진점으로 구성된 가속화된 단축 시험 방법론을 수립하였으며, 가진 크기의 적절한 조절을 통해 유사 파손모드의 내구수명 결과를 얻어내었다.
슬램 시험에서 측정한 가속도 응답성분(Fig. 3 참고)과 단품에 대한 모달 시험 결과의 비교를 통해 100 Hz 이하의 도어 유리 공진 주파수 성분들을 조합한 파형을 단축 가진하면 동일한 파손 모드를 재현해 낼 수 있음을 유추할 수 있었다.
여기서, 가진 크기의 범위를 선정하기 위해 최소 10번 이상의 다양한 조건에 대해 선행 시험이 반복되었다. 시험 결과, 0.1624 g²/Hz 보다 작은 경우에는 크랙 파손 시간이 1일 이상 소요되어 가속시험에 대한 장점을 가질 수 없었다. 가진 크기가 0.
3축 가속도 데이터를 모두 활용하여 가진 프로파일을 도출하였으며, 8개의 가속도 데이터 중 도어트림 부분에 장착된 4개의 가속도 데이터에 대해서 시편의 거동 제어를 하였다. 시험결과 기존의 시험 방법과 유사한 부위에서 유사한 피로파손 모드로 크랙들이 발생하였다. Fig.
유리의 공진점으로 구성된 가속화된 단축 시험 방법론을 수립하였으며, 가진 크기의 적절한 조절을 통해 유사 파손모드의 내구수명 결과를 얻어내었다. 이 연구를 통해 기존 단일 부품에 대해 8일 이상 소요되었던 시험 절차를 2시간 이내의 가속화된 단축 상사 시험으로 대체할 수 있는 성과를 달성하였다.

후속연구

따라서 자동차 도어 플레이트 시험은 진동 시험을 통해 대체가 가능하다는 결론에 도달하였다. 다만, 이 시험을 통해 도어의 열고 닫는 동작은 다축가진 조건에 의해 70% 이상 감소시킨 효과가 나타났지만 여전히 하나의 시편에 대해 2일 정도의 시험을 진행하여야 하기 때문에 단축 가진 시험 등 더욱 가속화될 수 있는 시험 방법이 있는지를 검토할 필요가 있다. 더구나, 이 시험 방법을 구현하기 위해서는 기존의 시험을 통한 측정된 가속도 데이터가 준비되어야 하며, 고가의 다축 진동 시뮬레이터 장비가 필요하기 때문에 중소 업체에서 접근이 용이하지 않다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슬램 시험이란 무엇입니까?	자동차 도어 모듈이 양산화가 되기 위해서는 운전자가 도어를 열고 닫는 동작을 모사한 슬램 시험을 통과하여야 한다. 슬램 시험은 일반적으로 차량에서 도어를 열고 닫는 경계조건과 동일한 상황에서 유압 작동기를 활용하여 반복 동작을 함으로써 도어 모듈의 내부 부품들에 대한 내구성을 평가하는 시험 과정이다. 도어가 닫히는 순간 주방향으로 15 g 이상의 충격 성분이 도어 내부에 인가되기 때문에 하부 부품들 간의 연결 지점들 중 일부 취약한 부분들에서 응력 집중이 발생하게 된다(1~5).
	기존의 도어 플레이트 모듈의 시험 방법이 지니는 장점은 무엇입니까?	기존의 도어 플레이트 모듈의 시험 방법은 실차 상태와 매우 유사한 경계조건 및 하중 조건이 인가되기 때문에 높은 신뢰성을 보장한다. 하지만, 이 시험 환경을 구축하는데 많은 비용이 소요될 뿐만 아니라 시험 시간도 한 개 시편에 대해 8일 이상이 소요되기 때문에 도어 플레이트 개발 과정에 큰 장애가 될 수밖에 없다.
	슬램 시험의 장점 및 단점은 무엇입니까?	이 시험은 도어 모듈이 차량 상태에서 노출되는 상황과 유사한 경계조건 아래 시험이 수행되기 때문에 내구평가 결과에 대한 신뢰성이 높은 반면, 한 번의 시험을 위한 준비 과정에 많은 시간과 비용이 소요된다. 특히, 전체 도어 모듈의 시작품이 준비되어야만 시험이 가능하기 때문에 도어 플레이트 모듈 등을 생산하는 전문 업체들은 설계 변경 과정에서 많은 시행착오를 겪을 수밖에 없다.

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