정숙 혁신: 차량 설계에서 소음, 진동 및 충격(NVH)의 제어
작성자 Ron Krotwaar
System Expert, Envalior
차량 설계에서 소음, 진동, 충격(NVH)을 저감하기 위한 다양한 전략 중에서, 소재 선택은 한층 더 조용하고 쾌적한 주행을 실현하는 핵심 요소입니다. 이는 전 세계적으로 e-모빌리티의 급성장에 따라 더욱 중요해지고 있습니다. 전기차(EV)는 내연기관 차량(ICE)보다 훨씬 정숙하여, 작은 삐걱임이나 이음새 소리조차 탑승자에게 더욱 뚜렷하게 전달됩니다. Envalior는 EcoPAXX®, Fortii®, Akulon® 등 소음 저감 성능에 최적화된 다양한 맞춤형 소재 솔루션을 제공합니다.
차량 내 NVH 저감을 위한 전략적 접근법
각 재료는 고유의 감쇠 거동을 가지며, 이는 차량 내 구조 전달 소음 및 공기 전달 소음을 차단하기 위해 충격과 음파를 얼마나 효과적으로 흡수하는지를 의미합니다. 이러한 성능은 수분 흡수, 강성, 감쇠 특성 등 다양한 인자에 의해 좌우됩니다. 당연히, 이 감쇠 특성은 경량화, 재료의 내구성, 가수분해 저항성과 같은 기타 설계 요소와 균형을 이루어야 합니다. 따라서 재료 선정에 대한 전략적 접근은 쾌적하지 못하고 소음이 많은 주행 경험과 부드럽고 안정된 승차감 사이의 차이를 만들 수 있으며, 이는 자동차 제조사가 현대 소비자의 쾌적성 요구를 충족하는 데 중요한 역할을 합니다.
NVH 이해하기및 다양한 주파수 범위의 영향:
- 진동은 100 헤르츠(Hz) 이하의 저주파수 영역에서 발생하며, 스티어링 휠이나 도어 패널과 같은 접촉 지점을 통해 물리적으로 체감할 수 있습니다.
- Harshness(거칠음)는 중간 주파수 영역(10 Hz에서 수백 Hz)에 해당하며, 인체에 특히 거슬리게 들리는 불쾌한 소음을 유발합니다.
- Noise(소음)는 고주파 영역에서 작동하며, 인간이 들을 수 있는 범위(약 20 kHz까지)를 포함합니다.
NVH 성능에 영향을 미치는 재료 특성은 무엇입니까?
일반적인 플라스틱 소재는 이미 강철이나 알루미늄과 같은 금속보다 진동 감쇠 성능이 우수하며, NVH 성능을 미세 조정할 수 있는 세 가지 핵심 인자가 있습니다. 첫째, 강성은 진동이 부품을 통해 얼마나 쉽게 전달되는지를 결정합니다. 더 강성이 높은 재료일수록 진동을 더 잘 저항하지만 동시에 더 쉽게 전달할 수도 있습니다. 설계 및/또는 소재를 통한 강성 변화는 다양한 공진 거동을 유발합니다. 둘째, 감쇠 능력은 진동 에너지를 다음으로 전달하지 않고 얼마나 잘 흡수하는지를 나타냅니다. 셋째, 중량은 부품의 고유 진동수에 영향을 미치며, 가벼운 부품은 더 높은 주파수에서, 무거운 부품은 더 낮은 주파수에서 진동합니다.
소음, 진동, 거칠음(NVH)의 주요 영향:
- 불쾌한 주행 경험
- 운전자 피로 및 주의력 저하 증가
- 차량 품질 인식 저하
- 부품 피로 및 고장
온도와 수분: 환경적 도전 과제
재료 특성은 모든 운전 조건에서 일정하지 않습니다. PA6, PA66, PPA, PA410 등과 같은 폴리머는 수분을 흡수하며, 이는 감쇠 성능과 강성 모두에 영향을 미칩니다. 이는 환경적 요인에서 특히 중요합니다.차량 내부의 조건은 크게 다를 수 있습니다. 실내 부품은 실내 온도에서 최대 60-70°C까지 작동하며, 서스펜션 시스템은 110°C에 도달할 수 있고, 기어 및 펌프 하우징은 그보다 더 높은 온도에 이를 수 있습니다. 이러한 편차로 인해 모든 조건에 적용할 수 있는 단일 솔루션은 존재하지 않으며, 재료는 각 애플리케이션의 요구 사항에 따라 선정되어야 합니다. 이러한 접근 방식이 당사의 전문 NVH 포트폴리오의 기반입니다. 당사의 전문 NVH 소재는 표준 소재 대비 훨씬 높은 댐핑 특성을 제공하며, 더 넓은 온도 범위에서 우수한 성능을 발휘하여 앞서 언급한 과제에 대해 민감도가 낮아집니다.
귀하의 애플리케이션에 최적화된 NVH 소재 선정
NVH 측면에서 차량 설계자들은 진동을 효과적으로 흡수하면서도 자동차 부품에 필요한 구조적 강도 및 기타 기계적 특성을 제공하는 소재를 원합니다. 이러한 요구를 충족하기 위해, 당사는 최적화된 NVH 성능을 제공하도록 설계된 고유의 고댐핑 등급 전문 라인업을 개발하였습니다.
예를 들어, Akulon® GA-XLG0는 낮은 온도 범위에서 실내 부품의 소음 차음 성능을 향상시킵니다. EcoPaXX® Q-KXG10은 서스펜션 시스템 등 중간 온도 영역에서 탁월한 NVH 제어 성능을 제공합니다. ForTii® NMX33은 기어 및 펌프 하우징 등 가장 고온의 환경을 위한 솔루션으로, 조건부 및 건조 상태 모두에서 탁월한 성능을 유지합니다.
컨셉부터 생산까지: 전 과정에 걸친 종합 개발 지원
적절한 재료를 올바른 부품에 적용하는 것은 성공적인 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 관리의 시작에 불과합니다. 당사는 자동차 제조사의 개발 전체 과정—초기 컨셉부터 양산까지—에 걸쳐 지원을 제공합니다. 여기에는 재료 선정 가이드, 금속에서 플라스틱 부품으로의 전환에 따른 비용 평가, 성능을 예측하는 고급 시뮬레이션 수행, 그리고 초기 테스트를 위한 프로토타입 제작이 포함됩니다. 또한, 잠재적인 설계 리스크를 식별하기 위한 FMEA(Failure Mode and Effect Analysis) 공동 수행도 가능합니다.
Envalior의 end-to-end 개발 지원에는 다음이 포함됩니다:
- 컨셉 개발
- 상세 엔지니어링 설계
- 성능 분석 및 평가
- 프로세스 개선 및 최적화
- 부품 및 시스템 검증
NVH 성공을 향한 로드맵
자동차 산업의 '조용한 혁명'은 이제 시작 단계에 불과합니다. 전기차(EV)의 대중화와 자율주행 기술에 따라 자동차가 '제3의 공간', 즉 거실과 같은 공간으로 진화하면서, 소비자의 정숙성에 대한 기대치가 급격히 상승하고 있습니다. 선도적인 제조사는 이러한 변화에 대비하고 있습니다.자동차 산업의 미래는 각 부품에서 매우 정숙한 성능을 제공해야 함을 인식하고 있습니다. 이를 위해 전략적인 소재 선정과 최초 설계부터 정확한 접근 방식이 점점 더 중요해지고 있습니다. 지금 행동하는 기업은 자동차의 쾌적함과 고급스러움에 대한 새로운 기준을 정의하는 주도권을 확보할 것입니다. 이는 결국 각각의 부품에서 시작됩니다.
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Ron Krotwaar는 lightweighting 분야의 system expert이며, Eindhoven 공과대학(Technical University of Eindhoven)에서 기계공학(Master of Science Degree in Mechanical Engineering) 석사 학위를 취득하였습니다. 1999년부터 Ron은 Envalior에서 다양한 역할을 수행해왔으며, 최근에는 lightweighting, automotive powertrain, structural parts 및 로봇 암(robotic arms)에 주력하고 있습니다.