[논문]후륜 구동 차량의 급가속 시 구동계 진동 저감

김용대

doi:10.5050/ksnve.2014.24.8.592

후륜 구동 차량의 급가속 시 구동계 진동 저감
Driveline Vibration Reduction of FR(front engine rear wheel drive) Vehicle at Rapid Acceleration 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.24 no.8, 2014년, pp.592 - 599

Abstract ▼ AI-Helper

A torsional vibration at driveline happens seriously at rapid vehicle acceleration. The torsional vibration at driveline can be reduced by optimization of joint angle and yoke phase angle of driveline. But, the joint angle of driveline is changed according to vehicle driving condition as acceleration, deceleration, forward and backward driving, so that excessive vibration is transmitted to vehicle body at specific driving condition. Especially under rapid acceleration condition, vibration transmitted to body could be maximized because excitation force at rapid acceleration is bigger than that at normal driving condition due to changed joint angle. The torsional vibration of driveline can be kept at low level by controlling suspension parameter to minimize rigid axle displacement as well as optimizing joint angles considering the vehicle acceleration condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 rigid axle의 움직임을 제어하면 구동축의 각속도 변화량을 줄일 수 있다. 그래서 현가계 주요 변수들을 이용하여 rigid axle의 과도한 움직임을 방지하는 연구를 수행하였다.
목표한 대로 개선이 된다면 급가속에 의한 차량 진동은 추가로 개선될 것이다. 설계 변수의 효과를 알아보기 위하여 급가속시 rigid axle의 변화각 최소를 목적으로 하는 민감도 해석을 수행 하였다. 민감도 해석은 차량 정지 상태에서 파워트레인의 크랭크 축에 토크를 가했을 때 설계변수 변화에 따른 rigid axle의 각도 변화를 분석하여 진행하였다.
이 연구에서는 후륜 구동 차량 구동계의 비틀림 진동과 구동축의 토크 변동의 가진에 의한 구동계 및 차체 진동을 저감시키기 위하여 구동계에 대한 진동 해석 및 시험을 시행하고 구동계의 정렬 각도 분석을 통한 진동의 원인을 규명하였다. 실차 시험 평가를 통하여 차량 급가속 시 구동축 토크 변동에 기인한 구동계 비틀림 진동과 차량 진동과의 상관 관계를 규명하였다.
대상 차량의 문제는 정상 주행인 경우가 아닌 급출발 조건에 해당하므로 개선의 대상을 정속 주행뿐만 아니라 급출발의 운전 조건도 같이 고려하여 조인트 정렬각을 개선해야 한다. 즉, 정속 주행 조건에서의 구동축의 각속도 변화량과 급출발 주행 조건에서의 구동축의 각속도 변화량 두 가지를 목적함수로 고려하여 각속도 변화량을 최소화해야 하며 이를 위한 개선안을 도출하였다. 식 (8)에 목적함수를 수식으로 표현하였다.

제안 방법

개선안 적용 후 실차 실험을 통하여 도출된 개선안의 타당성을 평가하였다. 급출발 시의 rigid axle과 차체 플로어 진동을 각각 계측하였고 가장 문제시 되었던 구동축 2차 회전 성분에 대하여 분석한 결과를 Fig.
5에서 알 수 있었듯이 급가속에 의한 자동변속기 차량의 rigid axle의 진동은 심각한 반면 수동변속기 차량의 급가속에 의한 rigid axle의 진동은 문제되지 않았다. 급가속 시에 수동 변속기 차량의 rigid axle 변화각은 자동변속기 차량의 80 % 수준이므로 설계 변수의 rigid axle 변화각 개선 목표를 초기 조건의 80 % 수준으로 목표치를 설정하였다. 목표한 대로 개선이 된다면 급가속에 의한 차량 진동은 추가로 개선될 것이다.
다음으로는 대상 차량의 구동계 공진 여부를 판단하기 위하여 유한요소 해석기법을 이용한 구동계의 고유모드 해석을 진행하였다. 구동계의 고유모드 해석은 상용 해석 소프트웨어인 MSC.
정렬각을 개선하였더라도 다양한 운전조건 하에서 구동축 각도의 변화가 최소화 되도록 지지구조의 강건설계가 필요하다. 따라서, 정속 운전 및 급가속 운전 조건 모두에서 구동축의 각속도 변동치가 크지 않도록 하기 위해 현가계 주요 변수의 민감도 해석을 수행하였으며 정속 주행 및 급가속 주행 모두의 조건에서 안정적으로 진동을 제어 할 수 있는 해결책을 제시하였다.
설계 변수의 효과를 알아보기 위하여 급가속시 rigid axle의 변화각 최소를 목적으로 하는 민감도 해석을 수행 하였다. 민감도 해석은 차량 정지 상태에서 파워트레인의 크랭크 축에 토크를 가했을 때 설계변수 변화에 따른 rigid axle의 각도 변화를 분석하여 진행하였다. 각 변수의 효과를 Fig.
설계 개선안을 도출한 이후 개선안을 실제 계에 적용하여 개선 효과가 있는지, 개선되는 정도는 어느 정도인지를 실차 시험을 통해 파악하였다.
현가계 주요 변수 중 rigid axle의 움직임을 제어할 수 있는 설계 변수 6개를 선정하였다. 설계 변수 선정의 기준은 rigid axle의 거동에 영향을 줄 수 있는 하드 포인트와 부시 특성으로 하였다. 통상적으로 부시 특성보다 하드 포인트 위치가 rigid axle의 거동에 더 민감한 편이지만 시험 차량이 제작된 이후에는 하드 포인트를 변경하는 것은 매우 어렵다.
9에 6가지 설계 변수를 보인다. 설계 변수 중에서 위치에 대한 변수는 10 mm 단위로 조정하였으며 부시 특성에 대한 변수는 50 %씩 특성을 올리는 방향으로 민감도 해석을 진행하여 rigid axle의 꺽임각 경향을 파악하였다. Fig.
이 연구에서는 후륜 구동 차량 구동계의 비틀림 진동과 구동축의 토크 변동의 가진에 의한 구동계 및 차체 진동을 저감시키기 위하여 구동계에 대한 진동 해석 및 시험을 시행하고 구동계의 정렬 각도 분석을 통한 진동의 원인을 규명하였다. 실차 시험 평가를 통하여 차량 급가속 시 구동축 토크 변동에 기인한 구동계 비틀림 진동과 차량 진동과의 상관 관계를 규명하였다. 차량 진동 현상의 원인 규명 후 급가속 시의 구동계 진동을 개선하기 위해 구동축 정렬 각도를 변경 및 개선하였다.
Table 1에서는 개선안에 따른 rigid axle의 움직임이 어떻게 변화하는 지를 실차 실험을 통해 알아본 결과이다. 실험적 방법으로는 rigid axle의 각도 변화를 측정하기가 어렵기 때문에 비접촉식 레이저 변위계를 이용하여 rigid axle 조인트 부의 상하 방향 변위량을 측정하였다. 구동계의 설정 각도 만을 변경했을 경우 각속도의 변화량은 개선되었으나 rigid axle의 상하 방향 변위는 소폭 상승하였다.
구동계의 설정은 차체 지상고 및 현가계의 설정 등에 따라 패키지 레이아웃의 제약을 받기 때문에 구동계의 설정 각도를 조정하는 데에 한계가 많다. 이 장에서는 구동축의 각도 배열 외에 추가로 구동축의 각속도 변화를 최소화 하는 방법을 제안한다.
통상적으로 부시 특성보다 하드 포인트 위치가 rigid axle의 거동에 더 민감한 편이지만 시험 차량이 제작된 이후에는 하드 포인트를 변경하는 것은 매우 어렵다. 이에 반해 부시 특성은 상대적으로 설계변경이 용이한 특징이 있기 때문에 이 연구에서는 2개의 위치 변수와 4개의 부시 특성 변수를 선정하였다.
실차 시험 평가를 통하여 차량 급가속 시 구동축 토크 변동에 기인한 구동계 비틀림 진동과 차량 진동과의 상관 관계를 규명하였다. 차량 진동 현상의 원인 규명 후 급가속 시의 구동계 진동을 개선하기 위해 구동축 정렬 각도를 변경 및 개선하였다. 정렬각을 개선하였더라도 다양한 운전조건 하에서 구동축 각도의 변화가 최소화 되도록 지지구조의 강건설계가 필요하다.

대상 데이터

이 연구의 대상 차량은 후륜 구동형 차량으로서 구동계는 Fig. 4에서 처럼 두 개의 주요 구동축과 3쌍의 유니버셜 조인트, 그리고 rigid axle로 구성되어 있다. 대상차량의 구동축의 설정은 3장에서 살펴보았던 Fig.
현가계 주요 변수 중 rigid axle의 움직임을 제어할 수 있는 설계 변수 6개를 선정하였다. 설계 변수 선정의 기준은 rigid axle의 거동에 영향을 줄 수 있는 하드 포인트와 부시 특성으로 하였다.

이론/모형

다음으로는 대상 차량의 구동계 공진 여부를 판단하기 위하여 유한요소 해석기법을 이용한 구동계의 고유모드 해석을 진행하였다. 구동계의 고유모드 해석은 상용 해석 소프트웨어인 MSC.NASTRAN을 사용하였다⁽⁸⁾. 해석 결과 22 Hz와 86 Hz 대역에서 구동계의 고유모드가 파악되었으며 각각 rigid axle의 전후방향 굽힘모드와 구동축의 비틀림 모드로 파악되었다.

성능/효과

11에 보인다. 개선안 비교 평가 결과 구동축 정렬 각도 개선과 어퍼 암 마운트 위치 상향의 두 가지 개선안을 동시에 적용한 안이 가장 효과가 뛰어났으며 그 다음으로는 각도만 개선한 안이 효과가 있었다. 구동축 정렬 각도 개선과 마운트 위치 개선을 모두 적용한 경우는 차체 진동과 rigid axle 의 진동에서 모두 개선 효과가 뛰어났지만, 각도 개선만 적용한 결과는 2000~3000 rpm 대역에서 rigid axle의 진동이 소폭 악화되었다.
개선안 비교 평가 결과 구동축 정렬 각도 개선과 어퍼 암 마운트 위치 상향의 두 가지 개선안을 동시에 적용한 안이 가장 효과가 뛰어났으며 그 다음으로는 각도만 개선한 안이 효과가 있었다. 구동축 정렬 각도 개선과 마운트 위치 개선을 모두 적용한 경우는 차체 진동과 rigid axle 의 진동에서 모두 개선 효과가 뛰어났지만, 각도 개선만 적용한 결과는 2000~3000 rpm 대역에서 rigid axle의 진동이 소폭 악화되었다. 이와 같은 악화의 원인은 Table 1에서 나타난 것처럼 급가속 시의 rigid axle의 꺽임각이 커져서 구동축이 최적 정렬 각도 설정에서 벗어나기 때문인 것으로 판단된다.
6에 모드 형상을 보인다. 이상의 결과를 종합하여 볼 때, 급출발시 대상 차량의 진동이 발생하는 원인은 꺽임각 변화에 의한 각속도 차이에 의해 가진력이 증가한 상태에서 구동계의 고유모드와 공진하는 것이며 결과적으로 2000~3500 rpm 부근에서 과대진동이 발생하는 것을 알 수 있다.
따라서 현가계 주요 하드 포인트 위치에 대한 파라메터 해석을 수행하여 구동계의 과도한 거동을 제어하기 위한 마운트 위치 설정이 추가되어야 한다. 최종적으로 실차 확인 평가를 진행하여 실제 차량에서의 진동 저감 효과 및 구동계의 안정적 거동을 확인하였으며 연구의 타당성을 검증하였다.
NASTRAN을 사용하였다⁽⁸⁾. 해석 결과 22 Hz와 86 Hz 대역에서 구동계의 고유모드가 파악되었으며 각각 rigid axle의 전후방향 굽힘모드와 구동축의 비틀림 모드로 파악되었다. 모드 해석 결과는 Fig.
소비자들은 차량을 다양한 운전 조건에서 차량을 구동할 수 있으므로 이에 대한 대비를 하여야 한다. 후륜 구동 차량의 구동축 토크 변동에 기인한 진동을 저감하기 위해서는 유니버셜 조인트의 요크 각과 구동축의 정렬 각도를 변경하여 가진력을 저감시키는 것이 가능하며 시뮬레이션을 통해 개선 방안을 찾을 수 있다. 구동계 각도가 상시 운전 조건에서 최적화 되어 있다고 하더라도 급가속과 같은 운전 조건의 변화에 따라 구동계의 최적 각도 설정은 그 효과가 반감될 수 있다.

후속연구

급출발 운전 조건에 대한 구동축 각속도 변화량의 상당부분이 개선되었으나 각속도 변화가 완전히 사라진 것은 아니며, 보다 가혹한 운전조건에 의해서 진동이 발생할 수 있기 때문에 추가의 개선이 필요하다. 구동계의 설정은 차체 지상고 및 현가계의 설정 등에 따라 패키지 레이아웃의 제약을 받기 때문에 구동계의 설정 각도를 조정하는 데에 한계가 많다.
위치 조정안 중에서는 어퍼 암의 마운팅 위치를 상향하는 것이 가장 효과가 뛰어났으며 목표를 만족시키는 수준은 40 mm이상 상향시킬 경우이다. 어퍼 암 마운팅 위치를 40 mm 이동시킨다면 rigid axle의 거동을 효과적으로 제어할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량의 진동을 최소화하기 위한 방법은 무엇인가?	그러므로 다양한 운전 조건을 고려하여 조인트 각도와 요크의 위상각을 최적 배치하여 구동축의 입력축, 출력축 간의 균일한 각속도 특성을 얻고 토크 변동을 최소화하여 결과적으로 차량의 진동을 최소화해야 한다. 모든 운전 조건에 맞는 구동축의 각도 배열을 얻을 수는 없지만 주요 운전 조건에서 허용할 만한 안정적인 토크 변동 값을 유지하여 구동계의 가진력을 저감한다면 운전조건에 따른 차체의 진동을 효과적으로 저감할 수 있다.
	후륜 구동계의 대표적인 가진력은 무엇인가?	후륜 구동계의 대표적인 가진력으로는 구동계 회전부의 불균형과 구동계의 부적절한 조인트 각도에 의한 토크 변동 등이다(1). 이 중에서 질량 불균형은 부품 제작 단계에서 구동계 제품의 검사를 통하여 관리가 가능하지만 구동계 정렬 각도의 배치는 차량의 지상고나 차축의 기구학적 운동 범위 등 패키지 레이아웃 상의 이유 때문에 변속기 출력 축에서부터 후륜 현가계까지 일직선으로 만들기가 어렵다.
	질량 불균형이 가지는 문제점은 무엇인가?	후륜 구동계의 대표적인 가진력으로는 구동계 회전부의 불균형과 구동계의 부적절한 조인트 각도에 의한 토크 변동 등이다(1). 이 중에서 질량 불균형은 부품 제작 단계에서 구동계 제품의 검사를 통하여 관리가 가능하지만 구동계 정렬 각도의 배치는 차량의 지상고나 차축의 기구학적 운동 범위 등 패키지 레이아웃 상의 이유 때문에 변속기 출력 축에서부터 후륜 현가계까지 일직선으로 만들기가 어렵다. 이와 같이 절각이 형성된 구동계는 구동축 상에서 서로 다른 조인트 각을 갖게 되어 추진 축의 각속도 변동을 발생시킨다.

참고문헌 (8)

Wanger, E. R., 1979, Driveline and Driveshaft Arrangement and Constructions Chapter 1, SAE AE-7.
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Lee, C. H., Park, C. W., Seo, K. C. and You, Y. I., 1999, A Study of NVH Phenomena in Driveline caused by Vibration Characteristics of Propeller Shaft, Proceedings of the KSAE Annual Fall Conference, pp. 567-574, KSAE 99380216.
Lee, C.-R. and Kim, H.-J., 1999, Vibration Analysis of Driveline with Propeller Shaft Supported by Center Bearing when the Vehicle Starts Up, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 12, No. 12, pp. 929-934.

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Kazemi, R., Hamedi, B. and Izadkhah, M., 2002, The Vibrational Improvement of the Two Piece Driveline of the Passenger Car, SAE2002-01-1320.
Chang, I.-D., Han, K.-S. and Hong, D.-P., 2000, A Study on the Correlation of Vehicle Propeller Shaft and Axle Vibration, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 10, No. 4, pp. 596-601.
Wellmann, T. and Govindswamy, K., 2009, Development of a Multi-body Systems Approach for Analysis of Launch Shudder in Rear Wheel Driven Vehicles, SAE2009-01-2073.
MSC.NASTRAN Ver.2013.1 User's Manual.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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