A Study On The Robust Structure For Improvement of Front Insulator Noise Improvement

A Study On The Robust Structure For

Improvement of Front Insulator Noise Improvement

Sang Jong Lee^†

Hyundai Motors Accelerated Durability Development Team

Purpose: Clarify the cause of the noise by the front wheel strut insulator, which is located in

Methods: The improvement mechanism was confirmed through failure analysis and reproduction

Results: This paper describes the mechanism of occurrence of noise due to deterioration and

Conclusion: We found that the insulator and body deformation can be minimized without

1)

Keywords: Insulator, Front Strut, Performance, Optimization, Noise, Robust Structure

1. 서 론

소비자들이 차량 구입 시 주행 정숙성이 매우 중요 한 고려사항 중 하나로 여겨지고 있다. 다양한 소음 문 제 중 차량의 하체부 이음은 여러 가지 원인과 환경에 의해서 발생하고 있다. 완성차 업계에서 지속적으로 개선하려고 노력하고 있음에도 아직도 많은 고객들의 불만 대상이 되고 있다. 특히 미국 J&D POWER사에

서 매년 발표하는 초기(IQS) 및 내구 품질(VDS) 지수 에서도 하체 부 이음은 <Fig. 1>과 같이 고객 불만이 많 음을 알 수 있다. 본 연구는 차량 하체부 샤시 시스템에 서 발생하는 이음 중 운전석과 가까이 위치해 있어 특 히 불만이 많은 부품인 전륜 Strut Insulator에서 발생하 는 이음의 원인을 다양한 인자 분석을 통해 설명하고 자 하였다. 특히 이음발생에 가장 영향도가 큰 Strut Insulator 고무의 열화 및 경도상승, 가혹노면 주행에

†교신저자 [email protected]

2017년 7월 25일 접수; 2017년 8월 28일 수정본 접수; 2017년 9월 1일 게재 확정.

Fig. 1 Industry average of VDS Road Noise

Fig. 3 MacPherson/Double wishbone Insulator

Fig. 2 Road input body transfer

이음발생 메커니즘을 설명하고 이를 개선하기 위한 근본적인 강건 구조 방안에 대해 제시하고자 한다.

2. 본론

2.1 차량에서의 Strut Insulator 기능

전륜 Strut Insulator는 현가장치의 최상단에 장착되 는 부품으로써 <Fig. 2>와 같이 다양한 노면에서 입력 되는 하중을 차체로 분산해 전달하고 노면으로부터 입력 받은 소음과 진동을 점탄성 재질인 고무를 이용 해 방음 및 방진 효과를 수행한다. 또한 차량의 거동 으로 인해 만들어지는 전륜 Strut의 기구학적 변위를 흡수하는 역할을 수행한다.

<Fig. 3>과 같은 맥퍼슨 방식의 현가장치는 더블 위 시본 방식보다 공간효율성과 가격 경쟁력이 높아서 최근에 생산되는 대부분의 승용차량 및 RV/SUV 차량 에서도 적용이 확대되고 있는 추세이다.

두 방식의 현가장치는 차량의 휠 센터에서 올라오 는 상하 입력이 Spring과 Shock Absorber 그리고 Bump Stopper를 통해 최상단의 Strut Insulator로 모여 차체로 연결 되는 구조는 동일하다. 하지만 <Fig. 3>과 같이 맥 퍼슨 방식은 Shock Absorber가 전륜 액슬에 장착되어 서 상하 입력 시 타이어의 궤적운동이 발생하고 캠버 각 변화를 가지는 구조를 가진다. 더블 위시본 방식은 맥퍼슨 방식에 비해 Shock Absorber가 로우암에 장착 되어서 상하력이 들어올 때 직선운동을 할 수 있는 구 조를 가지고 있다. 이는 입력 하중 측면에서 맥퍼슨 방 식이 불리한 구조임을 알 수 있으며 맥퍼슨 방식의 Insulator에 입력 하중이 집중되어 변형과 소음을 유발 시키는 경우가 더블 위시본 방식에 비해 많이 발생된 다. 따라서 맥퍼슨 방식의 Strut Insulator의 종류에 따 른 분류와 하중 이동경로에 대해서 집중적으로 논하 고자 한다.

Fig. 4 Insulator type and load transfer path

있다. 이는 모든 하중이 Insulator에 부하 되므로 하중 을 다른 부분에 고루 분담하기 어려운 구조를 가진다.

Dual Path(겹판구조)는 <Fig. 4>와 같이 노면으로 부터 입력되는 수직방향의 하중이 Bump Stopper와 Spring을 통해서 Insulator로 들어오고, Shock Absorber 를 통해서 Strut 베어링으로 하중이 분산되어 입력되 는 것을 알 수 있다. 이러한 하중 분산 구조는 Insulator 로 입력되는 하중을 Insulator 전 영역으로 분산하여 내구성 측면에서 유리함을 알 수 있다.

Dual Path(단판구조)는 겹판 구조와 같이 하중을 분 산 하는 구조라는 공통점을 가지고 있지만 <Fig. 4>와 같이 Spring을 통해 들어오는 하중이 Insulator로 부하 되고, Bump Stopper와 Shock Absorber을 통해 들어오 는 하중이 Strut 베어링에 부하 되어 Dual Path 겹판 구 조에 비해 상대적으로 Insulator로 부하되는 하중이 Spring을 통해 들어오는 작은 하중을 받아주기 때문

라 모델링 할 수가 있다. 이는 하중 이동 경로가 Single Path의 경우 Dual Path에 비해 더 큰 변형량을 가지게 되고 이는 고무의 내구성 측면에서 더 가혹한 조건을 가져 영구 변형으로 인한 소음 발생 등 성능에도 큰 영 향을 미치는 것을 알 수 있다. Damping 값인 Ci는 Strut insulator의 Damping force를 나타내고 Cs(Shock Absor- ber)의 Damping Force와 달리 거의 0의 값을 가진다.

Shock Absorber Damping force인 Cs는 속도에 비례하여 입력 하중에 반하는 반력과 열 에너지를 만들어내지만 Insulator의 Damping Force인 Ci는 반력을 만들어내기 보다는 입력되는 소음과 진동의 절연 역할이 주를 이 루기 때문에 그 값은 대략 0이라 보아도 무방할 것이다.

이와 같이 Insulator는 부하되는 하중 이동경로에 따 라 다양한 주행 성능에 영향을 미치는 중요한 인자임 을 알 수 있으며 원가 및 중량 성능이 가장 좋은 Dual (단판) 구조의 Insulator를 적용하는 추세를 나타내고 있다.

Fig. 5 Insulator(Dual Path) dynamics modeling

Fig. 6 Strut insulator type by car maker

2.3 자동차 Maker별 Strut Insulator 구조 분석 자동차 Maker들이 사용 중인 Insulator 타입을 조사 해본 결과 <Fig. 6>과 같이 대부분 Dual Path 구조를 가진 Insulator를 적용하고 있었다. 이는 다양한 노면 으로부터 들어오는 입력하중을 분산 시켜 차체로 전 달시키기 위함임을 알 수 있다. 일부 구형 모델과 차 량 가격이 낮은 제품에서 Single Path 구조를 이용하 는 경우도 볼 수 있었다.

2.4 Insulator 고장 메커니즘 및 강건 구조 방안 2.4.1 고무 열화 메커니즘 및 강건 구조 방안 Strut Insulator 고무의 열화로 인해 차량이 요철로 주행 시 Strut Top Mounting부에서 “더덕더덕” 하는 운전자가 인지 할 수 있는 소음이 발생하게 된다.

Insulator의 열화 메커니즘으로는 <Fig. 7>과 같이 첫째, 노면으로부터 차량으로 입력되는 수직방향 의 하중이 반복해서 Insulator로 입력되므로 의해 피로

Acceleration Measurement Site

Fig. 8 Effect of Insulator Deformation(Used Cars)

Fig. 9 Insulator deformations, gap generation and cyclic loading, thermal aging test

손상을 받게 된다.

둘째, Insulator가 엔진룸에서 발생한 열에 의한 열 노화(Max 65℃)로 인해 고무의 경도 변화가 일어나게 된다.

Insulator의 최고 온도 65℃는 국내 고객의 차량 사 용 조건 중 가혹한 온도 조건인 여름철 외부 30℃의 날씨 중 측정된 값이다. 이렇게 반복 하중과 열 노화 는 Insulator의 영구 변형과 경도 변화를 야기한다.

국내 중고차 중 80,000km~100,000km 거리를 주행 한 차량의 고품 Insulator 고무의 경도변화 및 영구 변형 량는 Fig. 8과 같이 고품은 고무의 경도는 초기 60Hs

에서 고품은 77Hs로 증가한 것을 확인할 수 있었고 경도의 변화로 인해 고품은 신품대비 2.86mm 영구 변형이 발생하였다. 이에 경도의 변화에 따른 진동 절 연효과의 차이를 확인하고자 Fig. 8과 같이 가속도 측 정을 해보았다.

그 결과 고품의 절연효과가 떨어지는 것을 가속도 증가(+0.47g)를 통해 확인 할 수 있었다.

이렇게 Insulator의 열화 메커니즘으로 발생한 경도 변화 및 영구 변형은 <Fig. 9>와 같이 Upper Plate와 고 무와의 간극을 발생시키며 이로 인해 요철로나 둔턱 을 통과할 시 충격소음이 발생하게 된다.

Fig. 10 Reproducibility test result

Fig. 11 Engine room heat flow analysis

Fig. 12 Rough Road

Deformation due to localized local loading

Fig. 13 Insulator and body deformations

반복하중(±300kgf×30만회)시험과 열 노화 시험(70℃

×288Hr)을 별도 개별적으로 진행하고 난 뒤는 고품의 변형과 소음이 재현이 되지 않았다. 이는 열 노화에 의해 표면 경화가 되더라도 고무 내부의 윤활제가 작 동하여 소음 발생을 막아 주었기 때문이다. 하지만 반 복하중 시험(±300kgf×30만회)과 열 노화(70℃×96Hr) 시험을 복합하여 진행하였을 때 필드 고품과 같이 영 구 변형 및 경화 현상에 의한 소음 현상이 <Fig. 10>과 같이 충격 소음으로 재현됨을 확인할 수 있었다. 이는 복합하중 시험조건으로 반복하중과 열부하를 동시에 인가하였을 때 윤활제 이탈로 인해 표면경화가 동시 에 발생하기 때문이다. 이를 통해 반복 하중과 엔진 룸 안의 뜨거운 열로 인한 성능 열화가 중요한 인자임 을 재현 시험을 통해 알 수 있었다.

Insulator 성능 열화로 인한 소음 개선 강건 구조 방안 으로는 국내뿐 아니라 더 가혹한 조건인 혹서기 기후 를 가진 미국, 중동, 남미 등과 같은 지역에서 Insulator 의 성능 열화를 방지하기 위해서는 내열성 고무를 적

용함으로 영구 변형량을 최소화 하고 <Fig. 11>과 같이 엔진 룸 안의 열 유동 해석을 통해 엔진의 고온의 열 유 동을 효과적으로 순환하는 방향으로 개선함으로 열 노화를 최소화 하는 방향의 설계 안을 선택해야 함을 알 수 있었다.

2.4.2 가혹 노면 주행으로 인한 Insulator 변형 메 커니즘 및 강건 구조 방안

trut Insulator의 변형 메커니즘으로는 노면의 Profile 중에 <Fig. 12>와 같이 악로, 둔턱, Pothole과 같은 아 주 가혹한 노면을 빠른 속도로 주행하게 될 경우 노면 으로부터 과대한 하중이 Strut Insulator에 부하가 되고 이런 과대한 하중이 <Fig. 13>과 같이 Insulator의 굽 힘 방향의 변형을 야기하게 된다. 이때 Insulator의 특

Fig. 15 Bending direction deformations

Fig. 16 Configuration of instrument for insulator and body strain measurement Fig. 14 Causes of local load

정부위가 비정상적으로 하중이 부하가 됨으로 국부 변형이 발생하게 되고, Insulator Plate와 Mounting이 되는 차체 간 좌면 평면도 불량으로 인해 간섭이 발생 하게 되므로써 차체 Mounting부에서 “끼익끼익”과 같은 소음이 발생하게 된다.

이러한 국부 집중 하중은 <Fig. 14>와 같이 Strut의 축과 킹핀축(조향축)이 일치 하지 않아서 발생되며 이런 국부 하중이 Strut Insulator에 부하가 될 경우 소 음뿐만 아니라 <Fig. 15>와 같이 심한 경우는 차체 변 형 및 휠 얼라이먼트 문제까지 발생하게 되어 차량의 주행성능 및 안전성에서 큰 영향을 줄 수 있다.

이러한 Insulator의 변형은 고객들이 차량 주행 시에 Insulator가 운전석과 가까이 있어 주행 소음을 통해

변형 발생에는 취약하여 차량의 내구 성능 및 NVH 성능에 있어서 좋지 않은 영향을 줄 수 있다.

이러한 Insulator의 Forming 형상에서의 국부 집중 응력으로 인한 Insulator 변형 방지 강건 구조 방안을 찾기 위해 차체와의 결합 강성을 고려하여 각 인자별 변형량 계측을 통해 각 부위별 변형 영향도를 명확히 규명하였다. 차체의 Mounting 판넬과 Strut Insulator를 결합한 시험 장치를 <Fig. 16>과 같이 구성하고 Strut Insulator에 실차 시험 조건에 상응하는 정하중을 부하 하면서 차체와 Insulator의 국부 변형을 계측하였다.

실차 시험 조건에 상응하는 정하중을 알기위해 Strut Top Mounting 부에 Load cell를 <Fig. 17>과 같이 제작 하였고 또한 Front Strut 또한 센서화 작업을 <Fig. 17>

과 같이 진행하여 노면으로부터 입력되는 충격성 하 중을 계측하였다.

Fig. 17 Strut & Strut mounting load cell

Fig. 18 Deformations influence test result by site

주행 노면 별(산악험로, Pothole, Kerb Impact) 하중 측정 결과 산악 험로를 주행할 때 약 3,500kgf의 가장 가혹한 입력이 Insulator로 가해지는 것을 확인할 수 있었으며 이를 바탕으로 부위별 변형 영향도 단품 정하중 조건을 ±3,500kgf로 부하 하며 계측을 진행하 였다.

부위별 변형 영향도 시험을 위해 3가지 Case로 아 래와 같이 단품 시험을 구성하였다.

∙Case 1: 차체/Forming 구조,

Insulator/재질 590, 두께 ⓐ, Forming 구조

∙Case 2: 차체/Forming 구조+Reinf 보강 추가 Insulator/재질 590, 두께 ⓐ+0.3mm, Forming 구조

∙Case 3: 차체/전면 접촉 구조, Reinf 삭제

Insulator/재질 440 두께 ⓐ, 전면 접촉 구조

Case 1 샘플로 정하중을 인가하였을 때 차체는 1.51 mm, Insulator는 3.63mm 변형 발생하였고,

Case 2 샘플은 Case 1샘플에 비해 차체도 Reinf 보강 하였고 Insulator 두께도 0.3mm 보강한 샘플 이었으며 정하중 시험 결과 차체 0.74mm, Insulator 1.26mm 변형으로 Case 1에 비해 차 체와 Insulator의 변형량이 각각 51%, 65%의 개선을 확인할 수 있었다.

마지막으로 국부 집중하중을 분산 시킬 수 있는 전 면 접촉 구조인 Case 3은 Case 1과 동일한 두께로 Insulator는 Case 1과 Case 2에 비해 재질이 무르고 두께 는 Case 1과 동일하지만 변형량 결과로는 0.52mm, 0.6 mm로 <Fig. 18>과 같이 Case1에 비해 차체와 Insulator 의 변형량이 각각 65.6%, 83% 개선되는 것을 확인할 수 있었다.

위와 같이 인자 별 기여도 확인결과 각 부 두께 증 대(Insulator/차체)와 재질 변경의 개선 효과보다 시스 템 간 결합 구조인 Insulator 변형 취약부의 접촉 면적 을 증대시키는 안이 <Fig. 20>과 같이 83% 개선으로 가장 효과적인 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 19 Insulator/Body mounting structure

Fig. 20 Insulator and body strain improvement rate

Fig. 21 Corrosion of insulator bearings due to environmental degradation

2.4.3 Insulator 환경 열화 메커니즘 및 강건 구조 방안

러시아 등과 같이 가혹한 환경조건(혹한기, 악로조 건, 토사유입)으로 인한 성능 열화 및 샤시 소음 문제 발생이 많이 발생하고 있다.

러시아 지역 Insulator의 환경 열화를 확인하기 위해 중고차 조사를 통해 총 39개의 고품을 조사 분석한 결 과 단순히 혹한기 기온의 영향보다 복합적인 환경조 건에서 주행 시 발생함을 알 수 있었다. 러시아 등과 같은 저온 조건에서 다량의 눈이 이물질(진흙, 모래) 을 흡착 시키고, 이런 조건에서 차량의 상하 좌우 유

동을 통해 수분 침투가 촉진되고 그리스가 오염, 누유 됨으로 인해 <Fig. 21>과 같이 Insulator 베어링 부에 녹 발생으로 인한 소음이 발생하게 된다.

앞서 언급한 Insulator 환경 열화에 대한 강건 구조 개선방안으로는 39개의 고품 분석 결과 열화를 야기 한 주된 인자는 Insulator 베어링 부에 수분 유입으로 인한 녹 발생이 대부분의 소음 발생 원인이었다. 이러 한 인자를 해결하기 위해 기존 베어링 씰링 구조와 달 리 토사 유입을 방지할 수 있도록 유입 경로를 변경하 고 토사 퇴적을 방지하는 더스트씰과 커버를 적용함 으로써 성능 개선을 확인 할 수 있었다.

3. 결 론

1) 전륜 Strut Insulator의 이음 발생 주요 인자로는 첫째 Insulator의 열화로 인한 경도 증가, 둘째 가 혹노면 주행으로 인한 Insulator 변형에 의한 집 중 하중 발생, 셋째 Insulator 주변의 이물질 유입 문제가 있었고, 인해 하체 소음 및 성능 저하가 발생함을 확인할 수 있었다.

2) 각 인자별 열화메커니즘을 중고차의 고품을 조 사한 결과 확인할 수 있었는데

- 열화에 의한 Insulator 고무의 경도 상승으로 인 해 고무의 영구변형이 발생하고 이는 Insulator 상판 판넬과의 Gap을 발생시켜 소음발생과 진 동을 증가시키는(신품대비 고품 가속도 상승) 것을 확인할 수 있었다.

이에 대한 강건 구조 개선방안으로는 영구 변 형량을 최소화 할 수 있는 내열성 고무를 적용함 과 엔진 룸 안의 고온 조건을 완화하기 위해 열 유 동 해석을 통해 엔진고온의 열 유동을 효과적으 로 순환하는 구조로 개선해야 함을 알 수 있었다.

- 가혹 노면주행으로 인한 Insulator 변형과 소음 발생 원인은 가혹한 노면을 주행할 시 Insulator 의 국부 Forming 구조에 굽힘 방향의 국부 집중 하중으로 인해 변형이 발생하여 차체 Mounting 부에 소음이 발생함을 알 수 있었다.

변형을 유발시키는 이러한 굽힘 방향의 국부 집중 하중은 Strut 축과 킹핀축(조향축)이 일치 하지 않아서 발생됨을 확인할 수 있었다.

이에 대한 강건 구조 개선방안으로는 Insulator 에 작용하는 국부 집중하중을 Insulator 전면으로 분담시키는 전면접촉 구조가 가장 효과가 큰 것 으로 확인되었다.

- 환경 열화로 인한 소음발생은 혹한기와 악로 조 건을 고루 갖춘 러시아와 같은 지역에서 Insulator 의 베어링부의 토사 유입으로 인한 수분유입이 소음 발생 원인으로 판명되었다.

이에 대한 강건 구조 개선방안으로는 수분이 유 입되는 경로를 변경하고 토사 퇴적을 방지하는 더 스트 씰과 커버를 적용함으로 성능이 개선됨을 확 인할 수 있었다.