I. 서 론
기술의 완숙 도가 일정 수준에 도달함에 따라 소 비자들은 원치 않는 소음 등에 민감하게 반응하게 되었다.[1] 그 일환으로 타이어, 차체성능, 전기차 등 성능이 향상되면서 차량 내부는 정숙한 수준이 되었 으며, 그로 인하여 자동차 실내에서 발생하는 잡음 및 이음이 운전자와 탑승자에게 쉽게 감지되는 상황 이 발생하고 있다. 특히 자동차 실내 부품인 도어트 림의 경우 운전자와 탑승자 바로 옆에 위치해 어떤
내장재 부품보다 쉽게 운전자에게 소음이 감지되는 부품이다. 그중 도어트림 그립핸들의(Fig. 1 참조) 경 우 항시 운전자가 탑승 시 손잡이 개념으로 잡아당 기고, 비트는 등 힘을 가하는 부위로 시간이 지나고 환경(고온 및 저온)에 노출되면서 노후화가 서서히 진행되어 조립부위 미세한 변형으로 Squeak & Rattle Noise 유발하는 경우가 빈번하게 발생하고 있다. 당 사 ‘A’ 제품의 그립핸들의 경우도 0.02 %(52건/338,444 대)필드 클레임이 발생하여 긴급하게 대응했던 사례 도 있었다.
본 연구에서는 운전자가 항시 조작하는 도어트림 그립핸들 마찰이음을 사전에 검증하고 개선할 수 있
Study on durability test method for improvement of door trim grip handle friction noise
김종수,1† 나형현,1 조영빈1
(Jongsoo Kim,
1†
Hyunghyun Na,1
and Youngbin Cho1
)1서연이화 중앙연구소
(Received May 28, 2018; revised June 26, 2018; accepted July 27, 2018)
초 록: 본 논문에서는 기존에 없었던 도어트림 그립핸들에서 반복된 하중으로 인해 발생하는 소음을 사전에 검증할 수 있는 내구 시험법을 개발하고자 하였다. 시험 방법은 그립 핸들이 받는 하중 모드, 내구 횟수를 고려하여 개발하였으 며, 시험 방법의 유효성을 확인하기 위해, 양산 초기 제품에 시험 법을 적용하여 필드클레임에서 발생한 도어트림 그립 핸들 소음을 재현하였다. 최종적으로, 현재 개발된 시험법을 통해서 후속 개발 제품의 소음 검출 및 개선하는 데 활용하 고 있다.
핵심용어: 도어트림 그립핸들, 내구 시험 법, 하중 모드, 내구 횟수
ABSTRACT: In this paper, we develop a durability test method that can verify the noise caused by the repeated load on the door trim grip handle. The test method was developed in consideration of the load mode and durability test cycle applied to the grip handle. In order to verify the validity of the method, we demonstrated the door trim grip handle noise that occurred in the field claim with the product in the early stage of mass production through the developed test method. Finally, It is used to detect and improve the noise of subsequent development products through the currently developed test method.
Keywords: Door trim grip handle, Durability test method, Load mode, Durability test cycle
PACS numbers: 43.40.Qi, 43.50.Ba
†Corresponding author: Jongsoo Kim
([email protected]) Seoyon E-Hwa R&D Center, 41-22 burim-ro 170 beon-gil, Dongan- gu, Anyang-si, Gyeonggi-do 14055, Republic of Korea
(Tel: 82-31-420-3221, Fax: 82-31-369-6095)
당사에서는 도어트림 그립핸들 VDS/IQS(Vehicle Dependability Study/Initial Quality Study)측면 마찰이 음을 사전에 검증하고 개선할 수 있는 시험법 연구 를 진행하게 되었다.
II. BSR 품질 현황
2.1 도어트림 그립핸들 BSR 품질 현황 도어트림 그립핸들은 차량 문을 여닫을 시 손잡이 같은 역할을 하는 부위로 항시 힘이 가해지는 부위 다. 차량 주행거리 및 연식이 올라갈수록 그립핸들 에 내구 열화를 많이 받아 소음이 발생하고 있다. 도 어트림 그립핸들 필드 클레임 현상은 사운드 카메라 로 가시화한[2] Fig. 2와 같으며, 실질적으로 소음이 거 슬릴 정도로 명확했다. 그립핸들 소음을 사전에 검 증할 수 있는 내구 시험법 개발이 시급함을 느끼게 하는 대목이었으며, 시험법 개발을 위해 첫 번째로 BSR(Buzz, Squeak, Rattle)품질 현황을 조사하였다. 필 드클레임 문제가 있었던 5 차종을 검토했으며, 그 중
도어트림 그립핸들 조립부위 상대 변위로 인한 소음 이 발생한 차종을 집중적으로 검토해 보았다. 검토 결과 Fig. 3과 같이 ‘A’, ‘B’ 2 차종 이 조립부위 매칭 면 상대변위로 인한 소음이 발생했다는 것을 알았으 며, ‘A’ 차종은 약 40,000 km 이상 주행 시 소음이 발 생하는 내구(VDS)문제 차종, ‘B’ 차종은 약 1,000 km 이하 주행 시 소음이 발생하는 초기(IQS)문제 차종 이였다. 이 두 차종은 그립핸들 내구 시험법 개발을 위한 연구 차종으로 선정하게 되었으며, 각 3개의 고 품을 가지고 분석을 진행하였다.
III. 도어트림 그립핸들 내구 시험법 연구
3.1 1차 고품 분석
도어트림 그립핸들 내구 시험 법 개발하기 전 현 대/기아자동차 ES(Engineering Standard)[3] 스펙 ES82301-01 따라 고품 분석 시 필드클레임 현상이 똑같이 재현
Fig. 3. VDS/IQS field claimed vehicles.
Fig. 2 BSR noise from a door trip grip handle.
되지 않겠냐는 의구심을 갖게 되었다. 동일 현상이 재현될 경우 별도의 도어트림 그립핸들 내구 시험법 개발이 필요 없는 상황으로 고품 분석 검증을 진행 하게 되었다. Fig. 4는 ES82301-01 검증 결과 종합 내 용이며, ‘A’ 내구(VDS)문제 차종은 필드 소음 발생 현상 재현이 안 되었으며, ‘B’초기(IQS)문제 차종은 정치BSR 검증 시 필드 현상이 재현된다는 것을 알 수 있었다. ES82301-01 BSR 시험법은 초기(IQS)소음 검증은 가능하나, 내구 측면의 소음 검출 어려움이 있어 당사에서는 VDS/IQS 측면을 모두 포함해서 소 음을 사전에 검증할 수 있는 도어트림 그립핸들 시 험법 개발이 필요하였다.
3.2 도어트림 그립핸들 내구 시험법 개요 3.2.1 도어트림 그립핸들 사용자 모드 설명
도어트림 그립핸들은 운전자가 차량 문을 여닫을 시 손잡이 같은 역할을 하는 부위로 항시 힘이 가해 지는 부위다. 운전자의 힘이 가해지는 모드(mode), 즉 도어트림 그립핸들을 쥐고, 가압하고, 비트는 모 드를 반영한 시험방법 고안이 필요하였다. 고품 소 음 발생 모드를 검토한 결과 쥐고, 가압할 시 간헐적 으로 발생한 소음이 비트는 모드로 검토할 시 명확 하고 가혹하다는 것을 알 수 있었다.
3.2.2. 도어트림 그립핸들 Moment 조건
도어트림 그립핸들 비틀림 모드를 고려하여 얼마 의 힘으로 그립핸들에 모멘트(moment)를 부여할지 가 중요하였다. 해외 OEM(Original Equipment Manufac- turing) 도어트림 그립핸들 강성평가, 통계적인 성인 남성 아귀힘 등을 고려하여 비틀림 모멘트를 벤치마
킹 할 수 있었다. Fig. 5의 자세한 내용과 같이 해외 OEM 도어트림 그립핸들 비틀림 강성평가 스펙 분 석 결과 10 Nm(200 mm 지점 50 N 적용)의 모멘트 적 용하여 검증하고 있었으며, Fig. 6의 내용과 같이 전 산업자원부 기술표준원 자료 검토 결과 성인 남성 최대 아귀힘은 400 N ~ 450 N 수준으로 그립핸들 폭 (40.3 mm ~ 50.8 mm)고려 비틀림 하중 계산 결과 10 Nm이라는 것을 알 수 있었다. 해외 OEM, 통계적인 성인남성 아귀힘 자료를 통해 하중조건을 선정 할 수 있게 되었다.
3.2.3 도어트림 그립핸들 비틀림 내구 횟수 선정 도어트림 그립핸들 비틀림 내구를 얼마의 횟수로 내구시험을 진행할지 주요 관건이었다. 내구 횟수 선정을 위해 현대/기아자동차 ES 스펙들과 WEIBULL 분석을 검토하였다. ES 스펙은 도어트림 내구와 연관 성이 있는 스펙들을 분석했으며, 그중 도어트림 암레 스트 인장 하중 내구는 100,000회, 도어 개폐 내구 횟 수는 일반, 중국, 중남미/인도, 택시사양의 평균을 고 려하여 100,000회로 평가를 진행하고 있었다(Fig. 7
Fig. 4 BSR test (ES82301-01) results of field claimed
product. Fig. 5. Specification of a door trim grip handle strength.
Fig. 6. Statistical data of grip strength of male.
Fig. 8과 같이 도어트림 그립핸들 비틀림 내구 시 스템은 그립핸들 사용자 모드를 고려하여 Jig(지그) 설계 및 제작을 하게 되었다. 일반적으로 하중만 반
Fig. 7. Selection of door trim grip handle durability test cycle.
Fig. 8. Lay out of torsional durability test for a door trim grip handle.
Fig. 9. A test process for a door trim grip handle BSR durability.
영을 을 하면 비트는 모드가 빠진, 손으로 그립핸들 을 쥐는 모드만 반영될 뿐이었다. 그렇게 되면 사용 자 모드가 재현이 안될뿐더러 그립핸들 성능 검증이 전혀 안 되는 문제를 초래하게 된다. 그리하여 사용 자 모드를 고려해서 모멘트 적용할 수 있도록 지그 를 설계 및 제작하게 되었으며, 제작된 지그에 원하는 모멘트를 제어하기 위해 다관절 로봇을 이용하게 되 었다. 그리고 내구 시험 중 발생한 소음을 계측하기 위해 가속도 센서 2개와 마이크로폰 1개를 설치하게 되었다.
3.2.5 도어트림 그립핸들 비틀림 내구 프로세스 및 시험법 개발 완료
도어트림 그립핸들 VDS/IQS 고려 비틀림 내구 프 로세스 개발 완료 하였으며, 자세한 내용은 Fig. 9와 같다. 그리고 도어트림 그립핸들 비틀림 내구 최종 완성된 시험법은 Fig. 10과 같으며, 실차 필드클레임 현상이 똑같이 재현됨을 알 수 있었다.
IV. 도어트림 그립핸들 내구 시험법 유효성 검증
4.1 2차 고품 분석
개발된 도어트림 그립핸들 내구 시험법을 이용하 여 ES82301-01 필드클레임 현상 재현이 안 된 1차 고 품(‘A’ 내구(VDS)문제 차종, ‘B’ 초기(IQS)문제 차종) 을 이용하여 재검증하였다. ‘A’ 차종은 VDS 문제 차 종으로 약 30,000회에서 소음이 시작된다는 것을 알 았으며, 그립핸들 조립 매칭 면 상대 변위 발생으로 소음이 발생함을 알 수 있었다(Fig. 11참조). 그리고
‘B’ 차종은 IQS문제 차종으로 5~10회 내구 시험 시 소음이 바로 발생하였으며, ‘A’ 차종과 마찬가지로 그립핸들 조립 매칭 면 상대변위와 크롬 몰딩 재질 특성으로 소음이 발생함을 알 수 있었다(Fig. 12 참 조). 두 차종 재평가를 통해 도어트림 그립핸들 내구 시험법의 유효성을 확인할 수 있었다.
4.2 양산 초품을 이용한 고품 현상 재현 및 개선 4.1에서 고품을 가지고 도어트림 그립핸들 내구 시험을 하였기 때문에 필드 현상이 동일하게 재현된 게 아니냐는 의구심을 가질 수 있었다. 그래서 시험 법 유효성 확인을 위해 양산 초품을 이용하여 고품 과 같은 현상이 나오는지 추가 검증을 진행하였다.
‘A’, ‘B’ 필드클레임 차종 양산 초품을 수급해서 추가 검증은 진행하였으며, 검증결과 ‘A’ 차종은 약 50,000회에서 고품과 같은 부위에서 소음이 발생하 는 것을 확인할 수 있었으며, ‘B’ 차종은 약 5회 ~ 10 회만에 고품과 같은 현상이 발생함을 확인할 수 있 었다. 이렇게 도어트림 그립핸들 내구 시험 법을 통 해 VDS/IQS측면의 소음을 사전 검증 할 수 있음을 다 시 한번 확인 할 수 있었다. 여기서 그치지 않고 추가 로 소음이 발생한 부위에 대해 근본개선대책 수립하 여 진행하였으며, 대책 안 반영을 통해 유효성 검증 까지 진행하였다. ‘A’ 차종은 소음 발생한 조립 매칭 부위에 미세 모공형상 엠보를 적용하여 도어트림 그
Fig. 10. Demonstration of a door trip grip handle BSR durability test.
Fig. 11. ‘A’ vehicle verification result (VDS noise).
Fig. 12. ‘B’ vehicle verification result (IQS noise).
개선안을 반영하여 소음 개선 효과를 확인했고, 그 결과를 바탕으로 OEM(기아자동차) 담당자들과 실 차 50대를 합동평가 진행하였다. Fig. 15와 같이 실차 합동 BSR 평가결과 50대 전부 문제없음을 확인할 수 있었으며, 지금 현재 양산에 문제없이 제품을 생산 하고 있다.
V. 수평 전개
도어트림 그립핸들 내구 시험법 수평전개를 위한 개발 차종 선정 및 검토 진행하였으며, 차종은 ‘B’ 후 속 차종으로 선정하게 되었다.
5.1 수평 전개를 위한 개선안 도출 및 검증 VDS/IQS측면의 소음을 사전 예측하고 예방하기 위해서 ‘B’ 후속 차종 부품별 재질 검토, 개선안 검토
Fig. 14 Torsional durability test result of anti-friction coating improvement.
Fig. 15. Results of joint evaluation of fifty full cars after design improvement.
Fig. 16. Seven ways to improve the ‘B’ following-up vehicle.
가지 개선안은 표면처리, 엠보, 윤활제이며 각 개념 안은 시편 단위와 제품 단위로 평가를 진행하였다.
시편평가는 Fig. 17과 같은 Stick-Slip 시험기를 이용 하여 재료별 마찰 이음 평가를 진행하였으며, 표면 처리 vs 사출 물의 조합으로 총 60회 시편 평가를 진 행하였다. 시편은 각 사양 별 4번씩 평가 후 평균치로 위험도(Risk Prioty Numver, RPN) 값으로 평가하였다.
그리고 제품 단위 평가는 도어트림 그립핸들 내구 시험을 이용하여 각 사양 별 1번씩 총 20회 평가를 했 다. 종합적인 결과로 시편 단위 평가 시 위험도(RPN) 값이 3이하로 나와 마찰 이음 측면에서 우수하다는
우 너비가 2 mm 미만으로 아주 협소한 공간이어서 엠보 효과를 보지 못하고 마찰 소음이 발생함을 알 수 있었다. 반면에 소음방지 윤활제의 경우는 시편 과 제품 평가 시 마찰 이음이 동시에 미발생 됨을 확 인할 수 있었으며, 소음방지 윤활제는 공간 제약이 없어 시편과 제품 단위 동일 경향의 결과값이 나온 다는 사실을 알 수 있었다. 그리고 설계 사양까지 만 족하게 해 최종 개선안으로 선정될 수 있었다. Fig. 18 의 자세한 시편과 제품 단위 평가 결과를 참고 바라 며, ‘B’ 후속 차종에 사전 수평전개 검증을 완료할 수 있었다.
5.2 후속 차종 수평 전개 결과
‘B’ 후속 차종 Figs. 19와 20과 같이 수평전개 검증 결과를 진행해 봤다. ‘B’ 후속 차종은 현 수준부터 최 종 선정된 개선안까지 반영하여 검증을 완료하였다.
‘B’ 후속 차종 현수준 검증 결과 약 80,000회에서 그 립핸들 마찰이음이 발생하였으며, 소음 원인은 그립 핸들 매칭 구조의 상대 변위 발생으로 소음이 발생
▶RPN (Risk Priority Number): 1 ~ 3 (OK), 4 ~ 5 (Marginal), 6 ~ 10 (NG)
Fig. 18. Stick-slip specimens test and product durability test results of ‘B’ following-up vehicle.
Fig. 17. Stick-slip test equipment for evaluation of
BSR performance (of specimens).
함을 알았다. 5.1에서 설명하였듯이 최종 선정된 개 선안인 소음방지 윤활제 적용으로 개선안 유효성 평 가를 진행하였으며, 검증 결과 마찰 이음 없이 도어 트림 그립핸들 내구 성능 합격함을 알 수 있었다. ‘B’
후속 차종은 도어트림 그립핸들 내구평가 최종 검증 내용을 제품에 전부 반영 완료하여, 선행양산까지 완료하였으며, 2018년 5월 1일부로 양산을 진행하게 되었다.
5.3. 도어트림 그립핸들 내구 시험 검증 프로세스 도어트림 그립핸들 내구 시험법은 고품을 이용한 시험법 개발, 후속 차종에 대한 수평전개를 통해 시 험검증에 대한 유효성 확인 완료하였다. 이 시험법 은 당사 스펙, 당사 TDP(Test Development Process), 특 허 출원 완료 하였으며, 현재 당사에서 개발되는 모든 도어트림 그립핸들평가에 확대 적용 진행 중이다.
VI. 도어트림 그립핸들 내구 시험법 WEIBULL 분석
추가로 도어트림 그립핸들 내구횟수, 시험 시료 수 결정을 위해 WEIBULL 분석을 통해 확인 검증을 진행하였다. WEIBULL 분석을 위해 ‘A’ 차종 6개 샘 플 양산 초품을 이용하였다. 도어트림 그립핸들 내 구 시험을 통해 6개 샘플 고장 발생 시간을 측정하였
다, 40,000회, 49,000회, 51,000회, 70,000회, 47,000회, 56,000회 고장 발생 기간을 관측할 수 있었으며, 측정 된 6개 샘플의 고장 발생 시간을 MINITAB WEIBULL 함수를 이용해 분석해 봤다. 고장 발생 시간은 분석 결과 형상 모수가 β=5.95 확인하였으며, 고장 모드 부문 확인 결과 β>1 이상으로 마모 고장 발생 가능 성이 있다는 것을 알 수 있었다(Fig. 21 참조). 그리고 WEIBULL 함수를 이용하여 시료 수 1개 일 때 필요 한 내구 회수를 계산한 결과 82,000회 이상의 내구 횟 수가 필요하다는 것을 알 수 있었다[방정식 (1) 참조].
Test timet ≥ Warranty timet ×
InReliability × Number of samplesIn Con filence level
. (1)
역으로 100,000회 내구가 필요할 경우 필요한 시료 수를 계산해 본 결과 0.31개 즉 1개가 필요하다는 것 을 산술적으로 확인할 수 있었다[방정식 (2) 참조].
Number of samples ≥
Warranty time tTest timet
×
In Con fidence levelInReliability . (2)
Fig. 20. Torsional durability test result of anti-friction coating improvement.
Fig. 21. Analysis of failure mode using MINITAB
WEIBULL.
VII. 결 론
본 연구에서는 도어트림 그립핸들에서 발생하는 마 찰 이음 소음 문제를 사전에 예측하고 개선할 수 있는 내구 시험법 개발 및 개선연구에 대해 살펴보았다. 본 연구를 통해 아래와 같은 결론을 내릴 수 있게 되었다.
1) VDS/IQS고려 강건설계를 위한 도어트림 그립핸 들 내구 시험법 개발을 할 수 있게 되었으며, 이 시 험법을 통해 내구 측면을 고려한 BSR강건설계 tool을 확보할 수 있게 되었다.
2) ‘B’ 후속 차종 수평전개를 통해 VDS/IQS측면 도 어트림 그립핸들 BSR 사전 문제점 검증 확인 및 근본 개선안 반영 완료 할 수 있게 되었다.
3) 도어트림 그립핸들 내구 시험법 도입을 통한 그 립핸들이 있는 전 차종 강건 설계 방안 제시 할 수 있게 되었으며, 향후 그립핸들 필드클레임은 미 발생 될 것으로 예상하고 있다.
4) 도어트림 그립핸들 BSR소음 고려 대표적인 설계 개선 방안은 그립핸들 조립 면 2 mm 이상의 너비 확보가 필요하며, 확보된 너비에 엠보 또는 소음 방지 윤활제 도포를 선반영을 권장한다.
References
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2. C. H. Yi, J. G. Yang, J. H. Cho, W. K. Lee, C. S. Woo, and J. M. Choi “Test considerations for BSR Noise reproduction vehicle cockpit module,” KSAE14-B0287 (2014).
3. J. H. Kim, D. H. Lee, C. W. Kwak, and S. M. Lee “The development of cockpit BSR noise test method” (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. Supple.2(s) 32, 169-174 (2013).
