작은 부품이 조향감에 미치는 영향

비용효율적인 방법으로 조향 진동 소음을 해결하는 방법

2018년 07월호 지면기사  /  글│ 알프레드 레스브리지(Alfred Lethbridge) 박사, NVH 엔지니어, NORGLIDE® 베어링 및 RENCOL® 톨러런스링, 생고뱅

소음과 진동은 운전자가 차량 품질을 평가하는 중요한 요소이다. 운전 중 부정적 영향을 줄 수 있는 소음과 진동(NVH) 특성을 분석하고 개선하는 것은 차량 품질 확보를 위한 자동차 제조사의 필수 과제이다.

‘조향감(Steering feel)’ 측면에서의 소음과 진동은 중요한 평가 요소로, 운전자가 불편해 할 수 있는 조타 시 핸들 진동은 설계 단계에서부터 검토가 필요하다.

럭셔리 대형 차량 제조업체는 소음과 진동, 조향감 최적화를 위해 모터가 조향 랙바에 위치하는 ‘랙 어시스트 전자식파워스티어링(R-EPS)’을 사용한다. 하지만 높은 부품 가격으로 인해 소형 A/B 세그먼트 차량에는 사용하기 어렵다. 따라서 소형 차량은 R-EPS보다 저렴하고 모터가 운전자와 가까운 스티어링 컬럼에 위치하는 ‘컬럼식 파워 스티어링(C-EPS)’ 형식의 파워 스티어링을 사용하게 된다.

C-EPS는 R-EPS와 달리 엔진룸 온도조건에서 작동하지 않기 때문에 상대적으로 가볍고 가격이 저렴한 소재로 만들 수 있다. 이와 같이 C-EPS는 원가, 경량화에 장점이 있지만, 운전자와 가까이 위치하는 시스템 특성상 조타 시 발생하는 진동 소음이 차량 품질에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 비용효율적인 방법으로 조향 진동 소음을 해결하는 방법은 없을까?



소음의 원인 찾기


이 질문에 답하기 위해서는 C-EPS의 작동원리를 아는 것이 중요하다. 파워 스티어링의 주된 기능은 핸들을 조종하여 타이어를 돌리는 데 필요한 운전자의 힘을 줄이는 것이다. C-EPS는 핸들의 입력 토크에 따라 모터에서 추가 토크가 조향력으로 더해져서 작동하는 원리이다.

정확한 추가 토크를 생성하기 위해서는 스티어링 컬럼 내 여러 부품의 상호작용을 분석하여 운전자의 입력 토크를 측정하는 것이 아주 중요하다. C-EPS에서는 ‘퀼 샤프트(quill shaft)’ 혹은 ‘토션 바(torsion bar)’라고 불리는 부품이 상부 컬럼과 하부 컬럼을 연결한다. 이 토션 바는 핸들 조타 시 직접 연결돼 있는 상부 컬럼과, 타이어와 노면 사이의 마찰로 고정돼 있는 하부 칼럼 사이에서 비틀림이 발생하는 작은 부품이다. C-EPS는 이러한 비틀림 특성을 이용해 토션 바에서 발생하는 변위를 측정하여 모터의 정확한 토크 값을 계산하는 데 사용한다.

상하부 컬럼의 토션 바 조립부는 설계에 따라 토션 바가 비틀어지도록 베어링을 이용해 각 접촉부를 설계한다. 일반적으로 이 부분에 니들 베어링(needle bearing)이 많이 사용되고 있다. 하지만 니들 베어링의 금속 접촉은 조향 시스템을 통해 노면으로부터의 진동이 운전자에게 전달될 수도 있고 ‘브리넬링(brinelling: 표면이 변형되는 현상)’으로 인해 접촉부가 변형되어 토크 측정이 부정확해질 수 있다. 이를 방지하기 위해 샤프트를 열처리하여 경도를 높여야 하기 때문에 비용이 더 들게 된다.




문제 해결


노면으로부터 진동 전달 방지를 위해서는 금속 간 접촉을 차단하는 것이 가장 중요한 요소이다. 예를 들어 복합 베어링을 이용해 금속 접촉을 차단할 수 있다. 복합 베어링의 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 화합물로 만들어진 접촉면이 니들 베어링의 운동 기능을 대체할 수 있고, ‘브리넬링’ 문제가 없기 때문에 열처리 공정이 필요 없고 시스템 댐핑에도 도움이 된다.

C-EPS 조향 시스템 내의 PTFE 복합 베어링 성능은 무향실에서 수행된 소음 테스트에서 정밀하게 분석됐다(그림 1). 무향실은 차량 운행 중 발생할 수 있는 스티어링 컬럼의 작동 소음을 정확히 판독할 수 있는 좋은 테스트 시설이다.

생고뱅의 PTFE 복합 베어링 중 하나인 NORGLIDE SM075CG 제품과 니들 베어링에 대한 최근 시험 결과(그림 2)에 따르면, 핸들 조타 시 C-EPS 감속기 치 진동 소음이 8dB(A) 가량 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이는 운전 중 조향 시스템의 소음이 명확하게 줄어드는 것으로, 운전자가 이를 직접 느낄 수 있는 수준이다.

또한 이러한 PTFE 복합 베어링은 금속 베어링 대비 상대 부품의 허용 공차가 크기 때문에 기존 표면 연마 등 치수 확보를 위한 추가 공정을 없앨 수도 있다. 이는 제조업체에게 상대 부품 공차 완화 및 공정비용 절감 효과가 있다.

비용과 품질

차량에 관계없이 운전자는 운전 시 최고의 운전 경험을 원한다. 운전자는 주행 중에 핸들을 통해 어떠한 진동도 바로 느낄 수 있기 때문에 조향 시스템으로부터 운전자에게 전달되는 느낌은 매우 중요하다.

차량 제조사는 기존 시스템에서 원가상 유리한 PTFE 복합 베어링 적용을 통해 고객에게 더 나은 운전 경험을 제공할 수 있다. 이러한 작은 차이는 자동차의 성능에 커다란 변화를 줄 수 있고, 차량 품질을 향상시켜 제조사가 장기적인 이익을 만드는 데도 도움이 된다.

참고자료
https://www.bearings.saint-gobain.com/engineering-challenges/noise-vibration/automotive
 

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