The Korean Society Of Automotive Engineers
[ Article ]
Transaction of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 26, No. 6, pp.717-727
ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)
Print publication date 01 Nov 2018
Received 10 Apr 2018 Revised 10 Jul 2018 Accepted 11 Jul 2018
DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2018.26.6.717

R&H 성능 산포 개선을 위한 민감도 분석 및 공차 설계

조현석 ; 이병림* ; 장세현 ; 박영대 ; 김민준 ; 황상우
현대자동차 연구개발본부
Design Sensitivity Analysis and Tolerance Design to Improve Dispersion of Ride and Handling Performance
Hyeonseok Cho ; Byungrim Lee* ; Sehyun Chang ; Youngdae Park ; Minjun Kim ; Sangwoo Hwang
Research&Development Division, Hyundai Motor Company, 150 Hyundaiyeonguso-ro, Namyang-eup, Hwaseong-si, Gyeonggi 18280

Correspondence to: *E-mail: brlee@hyundai.com


*This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium provided the original work is properly cited.

Abstract

Recently, many people use cars not simply as a means of transportation, but also as a means to enjoy the act of driving the vehicle. In addition, various vehicle performance, such as ride comfort and handling stability, are being required. In response to these needs, car companies are committed to developing vehicles by improving the driving performance starting from the design phase. Research for the improvement of ride comfort and handling stability is becoming more important with the increasing sophistication of cars. This paper describes a process by suspension and steering components of the dispensing system in order to review the effect on driving performance by using an analytical method, and utilizing the DOE for the review to derive the most definitive factor regarding performance variation.

Keywords:

Ride comfort, Handling stability, Robust design, Tolerance, Design of experiment

키워드:

승차감, 조종안정성, 강건 설계, 설계 공차, 실험계획법

1. 서 론

차량 개발 프로세스는 R&H(Ride&Handling) 성능 개발 관점에서 Fig. 1과 같이 V-모델을 따라 정량적 성능 목표를 활용하여 성능을 최적화하려는 방법이 다양하게 시도되고 있다.1) V-모델은 크게 설계 단계와 개발 및 검증 단계로 나뉘는데 설계 단계에서는 차량의 R&H 성능 목표를 수립하고, 목표 성능을 만족시키기 위한 시스템 특성을 결정한 후 최종적으로 부품 설계를 통해 지오메트리와 부품 특성까지 결정한다. 개발 및 검증 단계에서는 앞 단계에서 결정된 부품 특성을 차량 모델과 실차에 적용하여 시스템 및 차량 단위 성능 목표를 만족하는지 해석과 평가를 통해 검증한다.

Fig. 1

V-model for R&H performance development

자동차는 이제 단순히 운송의 수단을 넘어 운전자로 하여금 타는 즐거움까지 충족시켜야 하는 만큼 R&H 품질 향상에 대한 요구가 증대되고 있다. 본 논문에서는 이러한 요구에 맞춰 일반적인 V-모델의 성능 개발 프로세스에서는 다루지 않는 부품의 제조 산포와 부품특성 산포를 고려하여 부품 설계 단계에 새로운 R&H 성능 강건화 방법론을 제안하였다.

성능 변동성을 줄이기 위하여 실험계획법을 통한 품질 개선 방법을 적용하여 성능에 민감한 주요 설계 인자를 도출하고, 공정 능력을 고려한 공차 개선안을 도출함으로써 성능 강건화를 실시하였다. 이를 통해 동일 차종 간의 성능 편차를 개선할 뿐 아니라, 차량 한 대에 대해서도 개발 단계를 거치면서 제조 산포 및 특성 산포에 의해 유발되는 R&H 성능 산포 문제 또한 개선할 수 있다. 검토 결과를 바탕으로 주요 설계 인자에 대한 공차 중앙치 조합, 공차 악조건 조합, 공차 개선 조합 3가지 조건의 샘플을 평가하여 실제 차량에서 부품 공차에 의한 성능 차이가 존재하는 것을 확인하였으며, 본 연구에서 제안한 방법론대로 주요 부품을 설정하고 공차를 관리함으로써 성능에 대한 산포를 개선할 수 있었다.


2. 설계 인자 선정

R&H 성능은 타이어가 상하 또는 선회 운동을 할 때 타이어 자세나 위치, 서스펜션 변형으로 인한 타이어 자세 변화 등에 영향을 받는다. 타이어는 서스펜션 링크나 암에 체결되어 상하로 움직이기 때문에 서스펜션 지오메트리 특성에 따라 성능 차이가 발생한다고 볼 수 있다. 지오메트리는 서스펜션 유형별로 상이하며, 부품 특성에 대한 물성치 또한 다를 수 있으므로 적용된 서스펜션 유형에 따라 검토설계 인자를 달리 설정하여야 한다. 설계 인자는 크게 하드포인트와 같은 지오메트리 관련 인자와 스프링 강성, 부시 강성과 같은 부품 특성 관련 인자로 나뉘는데 부품이 조립되는 위치에 따라 전체 드라이브 라인이 바뀌고, 이러한 시스템 지오메트리의 변화가 차량 성능에 영향을 미치므로 이에 대한 인자 해석을 통해 성능에 대한 영향도를 확인할 수 있다.2) 또한 부품이 갖는 고유 특성 값은 컴플라이언스 특성에 변화를 주어 타이어 자세에 영향을 미치므로 부품 특성 역시 설계 인자에 포함하여 검토를 진행하여야 한다.3)

본 논문에서는 전륜 맥퍼슨 스트러트, 후륜 멀티링크의 서스펜션이 적용된 중형 차종에 대한 검토 결과를 토대로 R&H 성능 산포 최소화 방안을 검토하였다. 성능에 대한 설계 인자의 영향도는 모델 기반 해석을 통하여 확인하였으며 설계 인자는 R&H 성능 해석 시 사용된 다물체 차량동역학 프로그램인 ADAMS Car의 입력데이터를 기준으로 승차감과 조종안정성에 영향을 미칠 수 있는 현가 및 조향계 인자 중 선정하였다.

Table 1은 대상 차종의 성능 검토 인자 선정 결과이다. 이 중 조종안정성에 영향을 미치는 설계 인자로 서스펜션 및 스티어링 지오메트리와 관련 있는 24개 하드포인트에 대하여 3축 방향으로의 변위를 모두 검토하였고, 타이어를 포함하여 서스펜션 부시류의 강성 등 부품 특성과 관련된 설계 인자 17개를 추가하여 총 89개 설계 인자에 대하여 검토하였다. 승차감과 관련된 설계 인자로는 휠 센터 후방 이동량에 영향을 미치는 9개 하드포인트와 17개 부품 특성 인자까지 총 26개 인자에 대하여 검토를 진행하였다. 성능에 대한 설계 인자의 영향도 해석은 인자가 가질 수 있는 값의 범위, 즉 공차 범위에서 성능의 변동량이 어느 정도인지를 가지고 판단하였다.

Design variables


3. 주요 설계 인자 공차 설정 방법

기계적인 시스템에서 불확실성이라는 부분은 필연적으로 발생할 수밖에 없는 문제이므로 모든 생산 분야에 있어서 특정 치수의 총 변동 허용량, 즉 공차라는 개념을 적용하여 불확실성으로 인한 변동을 일정부분 허용하고 있다. 문제는 이러한 변동을 얼마나 효율적으로 최소화할 수 있는지가 관건이다. 일반적으로 차량을 포함한 모든 제품 설계 시에 설계자는 설계 경험과 품질 목표를 바탕으로 각 부품의 공차를 선정하며 이렇게 설정된 각 부품의 공차들에 의하여 제품의 품질 특성이 결정된다.

만일 품질 특성을 개선하려고 하면 공차 해석을 통해 공차 설계를 다시 해야 하는데 이 단계에서는 비용을 고려하지 않을 수 없다. 공차를 줄이게 되면 품질은 향상되지만 비용이 상승하게 되고, 반대로 공차를 늘리게 되면 비용은 줄어들지만 품질까지도 저하되는 문제가 발생하므로 성능 목표에 대한 최적의 공차 허용 범위를 설정하는 것이 필요하다.

자동차의 R&H 성능의 경우 현가 및 조향계 시스템을 구성하는 부품 산포에 민감한데 이들 부품의 치수 및 물성치는 공차 중앙치 값을 기준으로 정규 분포를 형성하고 있으며, 공차에 따라 R&H 성능 변동이 발생함으로 R&H 성능 또한 정규분포를 이룬다. 따라서 부품 단위의 공차 범위를 차량 단위의 성능 산포 범위와 매칭시키지 않을 경우 Fig. 2와 같이 부품의 공차가 하한치 값을 가지는 제품에서 목표한 성능을 구현하지 못하는 상황이 발생할 수 있다.

Fig. 2

Normal distribution curve with high variability

이러한 문제를 사전에 예방하기 위해서는 성능의 변동량을 줄여서 정규분포 곡선이 Fig. 3과 같이 허용 범위 안으로 들어오도록 하는 방법이 유효한데 본 논문에서는 부품의 공차 개선을 통해 전체 성능 변동량을 개선하고자 하였다.4) 이 때 품질과 비용의 상충관계를 고려하여 각 부품의 모든 공차 조건을 개선하는 대신 실험계획법을 통해 주요 인자를 선정한 후 해당 인자의 공차 개선을 진행하였다.

Fig. 3

Normal distribution curve with low variability

실험계획법을 이용한 품질 개선 방법은 품질 특성에 영향을 미치는 변수 도출에 효과적이며, 품질 특성의 변동을 줄이고, 공정성능을 최적화하는 통제변수들의 수준 결정에도 효과적인 장점을 가지고 있다.5) 제안한 R&H 성능 산포 최소화를 위한 방법은 총 3단계로 이루어지며 그 방법은 다음과 같다.

첫째, R&H 성능에 영향을 미치는 설계 인자로부터 주요 설계 인자를 선별한다. 과다한 인자의 수는 도리어 실험의 정도를 떨어뜨리고 실험 시간도 길어지기 때문에 목적 달성 범위 내에서 최소의 인자를 선택해 주는 것이 필요하다.6) 본 논문에서 설정한 설계인자의 수는 지오메트리 및 부품 특성 인자를 포함하여 총 89개 인자로 그 수가 매우 많기 때문에 2차에 걸쳐 주요 인자를 선별하는 스크리닝 과정을 진행하였다.

1차 스크리닝은 OFAT(One factor at a time) 실험을 이용하여 89개 인자에 대해 공차 하한, 공차 상한 2수준으로 인자를 하나씩 변경해가며 성능 해석을 실시하고, 공차 하한일 때의 성능 값과 공차 상한일 때의 성능 값 차이가 5~10 % 이상 발생하는 인자를 주요 인자로 선정하였다.7) 성능 해석은 ADAMS Car를 활용하여 주행 시험 항목에 대한 해석을 실시함으로써 각 설계 인자가 승차감과 조종안정성에 미치는 영향도를 확인하였다.

승차감 항목은 노면 입력에 의한 차체 거동 및 진동 특성에 따라 바운스/피치, 롤 워크, 헤드토스, 초피, 임팩트 하쉬니스, 임팩트 하드니스, 여진감 일곱 가지 성능으로 정의하였다. 바운스/피치의 경우 주행 시 2~3 Hz 근처 차체의 바운스 및 피치 거동을 나타내는 지표이며, 롤 워크는 차량의 롤 거동을 나타내는 지표이다. 헤드토스는 주로 롤 운동에 의해 운전자 머리 부분에 작용하는 횡 방향 가속도에 대한 지표이고, 초피는 주행 시 5~25 Hz 부근에서의 상하 방향 진동을 나타낸다. 임팩트 하쉬니스와 임팩트 하드니스는 각각 돌기물 통과 시 전후, 상하방향의 임팩트 크기를 나타내며, 돌기물 통과 후 충격감 감쇠 정도를 여진감으로 정의한다.

조종안정성 항목은 정상상태 및 과도상태 응답을 확인하기 위하여 조향 입력에 따라 스텝 스티어, 정상 원 선회, 이중 차선 변경의 세 가지 입력 조건으로부터 요 및 롤 운동 특성, 언더스티어 구배, 최대 슬립각의 성능 지표를 정의하였다. 본 논문에서 정의한 성능 지표는 당사 평가 기준에 의거하였고, 해당 기준은 대부분 ISO 규정을 따르고 있다.

Fig. 4(a)는 스텝 스티어 해석을 통해 시간에 따른 요 레이트 게인 변화를 나타낸 그래프로 정상상태영역의 평균값을 정상상태 요 레이트 게인으로 정의하고, 조타 입력을 주었을 때 차량의 요 발생 정도를 평가하는 지표로 사용하였다. 요 모션 말기에 발생하는 충격이나 과도한 요 모션 정도를 나타내는 지표로 요 오버슛을 정의하고, 요각속도 최댓값과 정상상태 요 각속도의 비율로 계산한다. 요 반응시간은 정상상태 요각속도의 90 %가 되는 시간으로 정의하며 조타 입력과 요 발생 사이의 지연감을 나타내는 지표로 사용하였다. 시간에 따른 롤 반응 역시 요 레이트 게인과 유사한 형태로 나타나며, 정상 상태의 반응 값과 오버슛, 반응시간에 대한 정의 역시 동일하게 적용된다.

Fig. 4

Handling performance test

Fig. 4(b)는 정상 원 선회 해석을 통해 횡가속도에 따른 조향각 변화를 나타낸 그래프로, 여기서는 전후 슬립각의 밸런스를 평가하기 위하여 언더스티어 구배를 지표로 정의하였고, Fig. 4(c)는 이중 차선 변경 해석을 통하여 선회 시 또는 선회 가속 주행 시 전륜 그립 한계를 평가하는 지표로 최대 슬립각을 정의하고 사용하였다.

둘째, 1차 스크리닝으로 선별된 인자들에 대하여 R&H 성능 민감도 분석을 실시하고, 민감도를 기준으로 2차 스크리닝을 진행하여 주요 설계 인자를 최종 선택한다.8) 1차 스크리닝을 통해 R&H 성능과 관련한 통제 변수의 범위를 축소할 수 있었기 때문에 2차 스크리닝은 실험의 조건을 다양화하여 더욱 근사화된 결과를 얻을 수 있는 분석 방법을 이용하였다.

본 논문에서는 15개의 설계인자가 1차로 선별되었는데 15개의 인자를 2수준 완전 요인 배치법으로 분석하게 되면 215이라는 매우 많은 실험을 실시해야 하는 문제가 발생한다. 따라서 여기서는 반응이 측정되는 실험 조건이나 입력 변수를 의도적으로 동시에 변경하고 반응을 측정하는 작업을 최소화할 수 있는 일부 실시법을 이용하여 민감도 분석을 실시하였다.

출력 반응은 주행 시험 항목에 대한 해석 결과 값을 활용하였고, 민감도 분석 결과를 바탕으로 전체 성능에 대한 변동(SStotal)중 설계 인자의 공차로 인한 변동(SSx)이 차지하는 부분을 비율로 환산하여 SSx/SStoatal의 값이 크게 나타나는 설계 인자를 최종 주요 설계 인자로 설정하였다.

마지막으로 최종 선택된 주요 인자에 대하여 그 인자를 포함한 부품의 실제 공정 능력을 분석하고, 공차 축소 방안을 수립하여 실차에 적용, 평가함으로써 성능에 대한 변동성이 개선되는 것을 검증한다. 공정 능력 분석 단계에서는 생산 공정의 품질 변동 정도를 측정하고 규격과 비교하여 변동의 폭을 감소시키기 위해 분석한 결과와 비용 상승효과를 고려하여 적용 가능한 공차 개선안을 도출하게 된다.


4. 결과 및 고찰

4.1 주요 설계 인자 선정

R&H 성능 산포 최소화를 위한 주요 설계 인자 설정 방법을 적용하여 초기 설계 인자로부터 R&H 성능 영향도가 큰 주요 설계 인자를 선별하기 위하여 ADAMS Car를 활용하여 주행 시험 항목에 대한 해석을 실시함으로써 각 설계 인자의 승차감과 조종안정성에 대한 영향도를 검토하였다.9)

우선 조종안정성과 관련한 89개 설계인자에 대하여 x1~x89의 독립변수로 정의하고, 9개 성능 항목을 F1(X)~F9(X), (X = x1, x2,⋯, x89)로 정의한 후, OFAT 실험 조합에 따라 나머지 변수는 고정인 상태에서 하나의 설계인자에 대하여 최대 공차를 가질 때의 성능과 최소 공차를 가질 때의 성능을 각각 해석하고, 그 차이를 다음과 같이 계산하였다.

yj=Fixj.max-Fixj.min

이 식을 이용하여 각 설계인자의 공차 범위에서의 성능 산포를 계산한 후, 그 값이 전체 성능의 5~10 % 이상인 인자를 주요 인자로 선별하였다. Fig. 5는 9개 성능항목 중 주요 설계인자가 3개 이상 선별된 성능 항목에 대한 해석 결과이다.

Fig. 5

Handling performance gap between upper limit tolerance and lower limit tolerance for each design variable

요 오버슛 산포는 전륜 스프링 상수 공차 영향이 지배적이나 그 외에도 전륜 로워암이 액슬에 체결되는 마운팅 포인트의 y축 변위, 후륜 크로스멤버 마운팅, 타이로드 이너 포인트, 타이로드 아우터 포인트 순으로 영향을 준다. 롤 오버슛 산포의 경우 전륜 로워암이 액슬에 체결되는 마운팅 포인트의 y축 변위 영향이 가장 크고, 전륜 스프링 상수, 전륜 쇽업쇼바 감쇠력, 타이로드 아우터 포인트, 후륜 로워암 부시 강성, 전륜 로워암 부시 강성 순으로 성능에 영향을 준다. 0.3 g 횡가속도에서의 언더스티어 구배 산포는 후륜 어퍼암 부시 강성 영향도가 가장 크며 전륜 스프링 상수, 타이어 코너링 강성, 후륜 어시스트 암과 크로스멤버 장착점의 z축 변위, 전륜 로워암과 크로스멤버 장착점의 x축 변위 순으로 영향을 주는 것을 확인하였다.

이 외에도 정상상태 요 레이트 게인, 요 반응시간, 정상상태 롤 각에 대한 성능 산포는 전륜 스프링 상수 영향이 지배적이며, 최대 슬립각에 대한 성능 산포 역시 타이어 코너링 강성 1개만이 주요 설계인자로 작용한다. 롤 반응시간의 경우 타이어 코너링 강성과 전륜 스프링 상수 2개의 주요 설계 인자가 성능 산포에 지배적인 영향을 미치는 것을 확인하였다.

1차 스크리닝 결과 전반적인 조종안정성에 있어 전륜 스프링상수와 코너링 강성이 중요한 인자로 작용하며 그 외 하드포인트 및 부품 특성을 포함하여 15개의 주요 설계 인자를 Table 2와 같이 선정할 수 있었다.

Main parameters

승차감에 대해서도 주요 설계인자 도출을 위하여 각 설계인자의 공차 범위 내 산포 해석을 실시하였다. 승차감 인자는 차량의 수직 또는 제동 시 운동 특성에 영향을 줄 수 있는 9개 하드포인트(타이로드이너 포인트, 타이로드 아우터 포인트, 전륜 로워암과 크로스멤버 마운팅, 후륜 트레일링 암 마운팅, 후륜 로워암 마운팅, 후륜 어시스트암 마운팅)의 z축 방향 변위와 조종안정성 검토에 활용한 것과 동일한 17개 컴플라이언스 특성 인자 중에서 해석모델에 대한 한계로 타이어 강성은 제외하고, 총 25개 설계 인자에 대하여 해석을 진행하였다.

해석 결과 하드포인트 및 부시 강성 변화에 따른 승차감 영향은 매우 낮게 나타났다. 전, 후륜 스프링 상수와 쇽업쇼바 감쇠력 산포가 약간의 영향은 주지만 전체 진동 크기에 비해 미미한 수준으로 부품 산포에 따른 승차감 성능 산포는 이후 분석 항목에서 제외하고, 조종안정성의 주요 설계 인자로 선정된 15개 인자에 대해서만 2차로 스크리닝을 진행하여 최종 관리 대상을 선정하였다.

2차 스크리닝 방법은 상용 통계 분석 툴인 Minitab을 통한 2수준 요인 설계 방법을 이용하여 민감도를 분석하고, 그 결과를 바탕으로 p-값이 5 % 이하인 유의 인자를 선별하도록 하였다. 1차로 설계인자를 축소하였지만 완전 요인 분석을 적용하기에는 인자의 수가 여전히 많기 때문에 의미가 적은 고차의 교호작용을 희생시켜서 실험의 횟수를 최소화하는 한편 완전 요인 분석과 비교하여 동일한 결론을 도출할 수 있도록 일부 실시법을 이용하여 민감도 분석을 실시하였다.

Fig. 6은 민감도 분석 결과 그래프로 요 운동 특성 및 언더스티어 구배에 대하여 민감도가 큰 순서대로 막대그래프 형태로 나타낸 것이다. 민감도는 전체 성능의 변동에 대해서 각 설계 인자의 공차로 인한 변동비를 백분율로 환산하여 계산하였다. 민감도 분석 결과와 같이 정상상태 요 레이트 게인 특성에 영향이 큰 인자는 전륜스프링 강성, 타이로드 이너 포인트의 z축 변위, 타이로드 아우터 포인트의 z축 변위, 코너링 강성 순으로 나타났다.

Fig. 6

Sensitivity analysis on handling performance of main parameters

또한 요 레이트 오버슛의 경우 영향도가 큰 인자는 코너링 강성, 전륜스프링 강성, 타이로드 이너 포인트의 z축 변위, 타이로드 아우터 포인트의 z축 변위로 나타났다. 요 레이트 반응시간의 영향도는 코너링 강성, 타이로드 이너 포인트의 z축 변위, 타이로드 아우터 포인트의 z축 변위, 전륜스프링 강성, 후륜 어시스트 암과 크로스멤버 장착점의 z축 변위 순으로 영향도가 크게 작용하는 것을 확인하였다.

동일한 방법으로 정상상태 롤 각, 롤 오버슛, 롤반응시간에 대한 민감도를 분석한 결과 요 운동 특성의 유의인자와 비교하여 항목은 거의 동일하고 민감도 순위에서 차이가 있지만 1순위 유의 인자는 동일한 것으로 나타났다.

그밖에 언더스티어 구배는 횡가속도 영역에 따라 민감도 순위가 다르게 나타났는데 0.3 g 횡가속도 영역에서의 유의인자는 전륜스프링 강성, 타이로드이너 포인트의 z축 변위, 타이로드 아우터 포인트의 z축 변위, 후륜 어시스트 암과 크로스멤버 장착 점의 z축 변위 순으로 영향도가 큰 반면 0.5 g 횡가속도 영역에서의 언더스티어 구배는 코너링 강성, 후륜어시스트 암과 크로스멤버 장착 점의 z축 변위, 타이로드 아우터 포인트의 z축 변위, 타이로드 이너 포인트의 z축 변위 순으로 횡가속도가 클수록 후륜 서스펜션과 타이어의 영향이 커지는 것을 확인하였다. 최대 슬립각의 민감도 분석 결과는 코너링 강성, 후륜 어시스트 암과 크로스멤버 장착 점의 z축 변위 순으로 영향이 크며, 타이어가 최대 슬립각에 지배적인 영향 인자로 작용하였다.

이상의 민감도 분석 결과를 바탕으로 Fig. 7과 같이 유의 확률이 0.05보다 큰 설계 인자들은 실제로 성능 차이가 없지만 차이가 존재한다는 결론을 내릴 위험이 크다는 의미이고, 따라서 인자에서 제외하고 나머지 인자들 중 9개 성능 항목에 대하여 민감도가 높은 인자를 최종 주요 설계 인자로 선정하였다. 그 결과 조종안정성에 영향을 미치는 주요 설계인자는 코너링 강성, 전륜 스프링상수, 타이로드이너 포인트의 z좌표, 타이로드 아우터 포인트의 z좌표, 어시스트 암 멤버측 마운팅의 z좌표 순으로 그 영향도가 크다는 결론을 얻을 수 있었다.

Fig. 7

Sensitivity analysis of handling performance

4.2 주요 설계 인자별 공차 설계 및 평가

주요 설계 인자의 공차 개선을 위한 대상 부품을 선정하고, 부품을 조립하였을 때 공차가 최대로 발생하는 조건을 따져 최악 공차를 개선하는 방향으로 공차를 재설계하였다. 이 중 타이어 코너링 강성은 슬립각 0도 일 때 횡력의 기울기를 나타내는 지표로 조종안정성에 대한 영향도가 큰 인자이지만 타이어의 동특성과 연관되어 현재 설정된 공차보다 작게 관리하는 것이 어려워 대상 부품에서 제외하였다.

스프링 강성과 같은 부품 특성값은 Min/max 공차에 대한 규제를 축소하는 방향으로 검토를 진행하고, 나머지 지오메트리와 관련된 인자들의 경우 단순히 좌표 공차에 대한 Min/max 값을 개선 목표로 설정하기 보다는 조립성 및 호환성 확보를 고려하여 조립 기준면을 데이텀으로 설계 도면에 적용된 기하 공차에 대하여 부품이 좌우 대칭으로 조립될 수 있도록 좌우차에 대한 공차 규제를 개선하거나 새롭게 규제하였다.

좌우 동일한 위치에 조립된 상태를 정상상태로 보았을 때, 데이텀을 기준으로 한쪽은 공차 하한값, 다른 한쪽은 공차 상한값을 가지면서 좌우차가 큰 상태로 조립되는 경우를 최악 조건으로 정의하여 좌우차를 줄이는 방향으로 개선 목표를 설정하고, 업체 공정 능력 및 비용 상승을 고려하여 적용 가능한 수준의 최종 개선안을 결정하였다.

공정 관리 비용이 3 %를 초과하지 않는 범위 내에서 전륜스프링 상수의 경우 공차 범위를 50 %까지 축소하였고, 타이로드 이너 포인트는 스티어링 기어박스가 조립되는 전륜 크로스멤버의 좌면과 관련 있기 때문에 기어박스 조립 시 좌우 편차가 발생하지 않도록 조립 시 좌면 단차에 대한 공차를 37 % 정도 축소하였다. 타이로드 아우터 포인트는 전륜 너클에 조립되는 타이로드의 조립 위치와 관련이 있으며 타이로드의 조립 위치에 대한 좌우 편차를 규제하는 공차 개선안을 도출하였다. 후륜 어시스트암과 크로스멤버의 장착 점에 대해서도 좌우 장착 위치에 대한 편차 규제가 없어 공차를 새롭게 규제하는 개선안을 도출하였다.

공차 개선안에 대하여 주요 설계 인자의 공차 악조건 조합에 대해 공차가 중앙치일 때의 성능 값 대비 공차 개선 전과 후의 성능 차이를 해석 및 실차평가를 통해 확인하였다. Fig. 8의 그래프에서 1번 점은 공차 중앙치 값을 적용하였을 때 성능에 대한 해석 결과이고, 2번 점은 공차 개선 전 악조건 시, 3번 점은 공차 개선 후 악조건 시 결과이다. 해석 결과 언더스티어 구배가 11~12 % 정도로 개선 효과가 가장 컸고, 롤 오버슛 8 %, 요 오버슛 5 %, 정상상태롤 각 3 % 순으로 성능이 개선되었고, 그 밖에 성능에 대해서는 2 % 미만으로 개선 정도가 미미하였다.

Fig. 8

Simulation of handling performance before and after a tolerance improvement

실차 평가는 전륜 맥퍼슨 스트러트, 후륜 멀티링크 서스펜션이 장착된 차량으로 해석과 동일한 조건으로 실시하였다. 평가는 정상 원 선회를 제외한 스텝 스티어와 이중 차선 변경 시 조종안정성 항목 계측 및 전문 평가자의 주관 평가로 진행하였다. 시험에 사용한 샘플은 주요 설계 인자에 대해 공차가 중앙치 값인 샘플, 공차 개선 전 공차 상한치 샘플, 공차 개선 후 공차 상한치 샘플에 대하여 해석과 동일한 시험 조건으로 평가를 진행하고, 결과를 비교하였다.

Table 3의 결과와 같이 공차 개선 전 샘플에서는 해석 결과와 마찬가지로 요 및 롤 반응시간에 있어서는 거의 차이가 없었고, 이중 차선 변경 시 요 레이트 및 롤 각, 슬립각은 공차 개선 후 줄어든 것을 확인하였다. 전문 평가자의 주관 평가 결과 역시 공차 개선 전에는 요 및 슬립각 발생으로 인하여 ECS가 조기 개입하거나 좌/우 롤 각 차이가 발생하는 등 롤 및 요 성능에 있어서 성능 차이가 있다고 느꼈으나 공차 개선품을 적용한 샘플의 경우에는 공차 중앙값일 때와 동등한 수준까지 성능이 개선되었다고 평가하였다.

Measurement of handling performance before and after a tolerance improvement


5. 결 론

차량의 R&H 품질을 향상시키기 위해서는 차량 간 품질 변동성을 작게 설정하는 것이 중요한데 이를 위해 각 부품의 공차에 의하여 제품의 품질 특성이 어느 정도의 산포를 가지는지 검토하고, 성능 산포에 민감한 설계 인자를 도출할 수 있는 설계 방법론을 제안하였다. 이 방법론을 적용하여 전륜 맥퍼슨 스트러트, 후륜 멀티링크 서스펜션이 적용된 차량의 주요 설계 인자를 도출하여 공차를 개선함으로써 R&H 성능 편차가 개선되는 것을 확인할 수 있었다.

  • 1) 실험계획법을 이용하여 기존에 설정한 공차 범위의 유효성을 확인하고, 관리가 필요한 설계 인자에 대하여 공정 가능한 범위 내에서 공차를 최소화하는 설계 프로세스를 제안하였다.
  • 2) 제안한 프로세스를 이용하여 R&H 성능 가운데 승차감의 경우 부품 공차에 따른 성능 산포영향이 없는 것을 확인하였고, 조종안정성의 경우 산포에 영향이 큰 설계 인자로 코너링 강성, 전륜 스프링상수, 타이로드 이너 볼 조인트 z좌표, 타이로드 아우터 볼 조인트 z 좌표, 어시스트 암 멤버측 마운팅 z좌표 값을 주요 설계 인자로 도출할 수 있었다.
  • 3) 주요 설계 인자에 대하여 업체 공정 능력을 고려하여 개선 가능한 설계 인자를 결정하고, 개선 샘플에 대한 실차 평가를 통하여 개선 효과를 검증하였다.

References

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Fig. 1

Fig. 1
V-model for R&H performance development

Fig. 2

Fig. 2
Normal distribution curve with high variability

Fig. 3

Fig. 3
Normal distribution curve with low variability

Fig. 4

Fig. 4
Handling performance test

Fig. 5

Fig. 5
Handling performance gap between upper limit tolerance and lower limit tolerance for each design variable

Fig. 6

Fig. 6
Sensitivity analysis on handling performance of main parameters

Fig. 7

Fig. 7
Sensitivity analysis of handling performance

Fig. 8

Fig. 8
Simulation of handling performance before and after a tolerance improvement

Table 1

Design variables

Design variables
Suspension geometry Front mounting point of front lower control arm to cross member
Rear mounting point of front lower control arm to cross member
Mounting point of front lower control arm to knuckle
Point of front coil spring lower seat
Point of front coil spring upper seat
Lower mounting point of front strut
Upper mounting point of front strut
Front mounting point of front cross member
Rear mounting point of front cross member
Inner tie rod ball joint
Outer tie rod ball joint
Point of front wheel center
Mounting point of rear assist arm to knuckle
Mounting point of rear assist arm to cross member
Mounting point of rear lower arm to knuckle
Mounting point of rear lower arm to cross member
Front mounting point of rear cross member
Rear mounting point of rear cross member
Lower mounting point of rear strut
Upper mounting point of rear strut
Mounting point of trailing arm to body
Mounting point of rear upper arm to knuckle
Mounting point of rear upper arm to cross member
Point of rear wheel center
Steering geometry Steering gear position
Tire Tire cornering stiffness
Suspension properties Shock absorber damping
Spring rate
Stiffness of front cross member mounting bush
Stiffness of rear cross member mounting bush
Stiffness of front lower control arm bush
Stiffness of rear lower control arm bush
Stiffness of rear upper arm bush
Stiffness of rear assist arm bush
Stiffness of rear trailing arm bush

Table 2

Main parameters

no. Main parameters
1 Rear mounting point of front lower control arm to cross member x coordinate
2 Mounting point of front lower control arm to knuckle y coordinate
3 Lower mounting point of front strut z coordinate
4 Point of front coil spring upper seat x coordinate
5 Inner tie rod ball joint z coordinate
6 Outer tie rod ball joint x coordinate
7 Outer tie rod ball joint z coordinate
8 Mounting point of rear assist arm to cross member z coordinate
9 Front mounting point of rear cross member z coordinate
10 Front spring rate
11 Front shock absorber damping
12 Stiffness of front lower control arm bush
13 Stiffness of rear upper arm bush
14 Stiffness of rear lower control arm bush
15 Tire cornering stiffness

Table 3

Measurement of handling performance before and after a tolerance improvement

Tolerance Step steer Double lane change
Peak yaw rate (deg/s) Yaw rate response time (sec) Peak roll angle (deg) Roll angle response time (sec) Roll angle (deg) Yaw rate (deg/s) Slip angle (deg)
Before the tolerance improvement LH 12.671 0.16 2.141 0.22 5.50 32.95 3.63
RH -13.482 0.16 -2.155 0.21 6.20 41.66 5.32
After the tolerance improvement LH 12.606 0.16 2.124 0.31 5.36 31.85 3.33
RH -13.517 0.16 -2.171 0.21 6.08 40.76 5.08