차량 핸들링 성능 향상을 위한 파워트레인 마운팅 특성 연구

2.1 PT 마운트-차량 성능 상관성 검토 방법

차량 개발 단계에서 파워트레인 마운트 성능 개선을 위한 일반적인 방법으로 강성, 댐핑 등의 마운팅 특성과 차량 성능을 직접적으로 연관 짓게 된다. 예를 들어 승차감 성능 중 하나인 임팩트 바 통과 특성을 개선하기 위하여 PT 변위 제어가 요구되고 마운트의 강성을 증가시켜야 하는 것으로 알려져 있다. 하지만 FF타입의 차량인 경우 파워트레인을 지지하는 엔진, TM, 롤 로드 마운트는 비대칭 구조로 공간상에 장착되기 때문에 차량 좌표계 기준으로 각 방향 거동이 연성되어 있으며, 한 지점, 한 방향의 특성 변화가 차량 성능에 미치는 영향을 직관적으로 판단하는 것은 어렵다. 즉, 엔진 마운트의 횡 강성 증가가 선회 시 PT의 움직임에 어떠한 영향을 미치고, PT의 움직임 차이가 차량 성능에 어떠한 영향을 미치는지 정확하게 판단하기는 어렵다. 본 논문에서는 이러한 관계를 파악하기 위하여 Fig. 2와 같이 분석적 목표 전개 방법을 적용하여 단품 특성, 시스템 특성, 차량 성능 간의 상관성을 분석하고자 한다.

Fig. 2

Analytical target cascading for powertrain system (vehicle ‑ powertrain ‑ mounting)

먼저 차량 레벨에서는 게인, 반응시간, 추종성 등일반적으로 정의할 수 있는 핸들링 특성을 고려했으며, 시스템 레벨에서는 특정 선회 조건에서 발생하는 PT의 최대 횡 변위를 고려하였다. 즉, 차량-시스템간의 상관성을 파악하기 위하여 PT의 각 방향 총 강성을 변화시키고 특정 주행 조건에서 발생하는 총 변위량과 차량 성능 지표 변화를 통해 상호간에 관계를 도출하였다. 다음으로 시스템-단품 레벨에서는 PT의 각 방향 강성과 변위의 관계를 도출하였으며, 더불어 엔진, TM, 롤 로드 각 마운트의 각 방향 강성 변화가 특정 선회 조건에서 PT의 최대 횡 변위량에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 통하여 PT의 지지 강성 및 발생 변위량이 차량의 성능에 미치는 영향을 종합적으로 검토하고자 한다. 이와 같은 방법은 주파수 특성이 지배적인 NVH성능보다는 차량 및 PT가 저주파 대 변위 거동을 보이는 핸들링, 임팩트 바 통과 조건 등에서 적용하기에 적합하다.

2.2 차량 해석 모델 및 검증

본 논문에서 고려한 대상 차종은 당사에서 개발 중인 C-Segment 고성능 차량(High Performance Vehicle, HPV)이며, 추가적으로 핸들링 성능과 마운팅 강성, 스토퍼 갭 크기 특성의 효과를 파악하기 위하여 동일 Segment 일반 차량(Normal vehicle)의 마운트 특성 및 고성능차 기본 특성 대비 강성을 증감 시킨 특성(± 10, 20, 30, 40 %)과 횡 방향 스토퍼 갭을 증가(기존 1 mm→ 3 mm)시킨 샘플을 추가하여 분석하였다. 기본 파워트레인 마운트 특성과 강성 및 스토퍼 갭 크기를 추가적으로 변경 시킨 특성은 Fig. 3에서 확인할 수 있다. Fig. 3에 제시된 추가 특성은 고성능차에 적용된 비선형 정특성을 기반으로 강성의 비율과 및 스토퍼 갭을 변경한 특성이며 일반차량의 특성은 고성능 차량 대비 강성은 10 % 하향, 스토퍼 갭은 3 mm 증가한 특성이다. 해석 모델은 다물체 동역학 해석 SW인 ADAMS/Car 환경에서 개발하였다.⁹⁾

Fig. 3

Characteristics of engine mounting (lateral direction)

개발된 해석 모델의 타당성을 검증하기 위하여 Fig. 4와 같이 해석 결과와 계측 결과를 비교하였다. 시험 조건은 100 kph 이중차선변경 조건이며 대표적인 선회 거동은 횡 가속도와 요 레이트 그리고 엔진 마운트와 TM마운트의 횡 방향 변위를 비교하였다. Fig. 4에서 파란색 실선과 붉은색 실선은 각각 계측 결과와 해석 결과를 의미한다. 그림을 통해 알 수 있듯이 차량 레벨에서는 전체적으로 유사한 거동을 보이는 것을 확인할 수 있다. 엔진, TM 마운트 역시 시험, 해석 간에 거시적으로 유사한 거동을 보이나 최대 변위에서 일부 차이가 발생하는 것을 볼 수 있는데, 이러한 오차에는 다양한 원인이 기인한 것으로 사료된다. 첫째로는 계측과 연관된 오차로 변위계가 PT의 병진 운동과 더불어 회전 거동으로 인하여 발생하는 변위량까지 포함하는 등 센서 장착 방법, 센서의 노이즈와 같은 측정 오차의 영향이다. 다음으로는 단품 특성과 연관된 오차로 측정된 각 마운트 단품 특성이 실제 차량에 장착된 단품 특성과는 다소 차이가 날 수 있기 때문이다. 특히 엔진 마운트, 부시와 같은 점탄성 물질로 이루어진 단품은 차량 모델에 적용된 비선형 정강성 특성 만으로는 동특성의 영향까지 대변할 수 없다. 본 연구에서는 거시적인 정합성이 확보된 모델을 이용하여 단품, 시스템 특성 변화에 대한 상대적인 차량 거동 변화를 분석하고 이들간에 상관관계를 제시하는 것이 목적이기 때문에 세부적인 오차는 감안하도록 한다.

Fig. 4

Comparison of test(blue) and simulation(red) result

3.1 이중차선변경

이중차선변경은 운전자의 판단에 의한 조향 입력이 개입되는 폐루프 시험(Closed-loop test) 항목으로 일정한 경로를 주행하면서 차량의 반응성, 그립, 안정성 등을 평가하는 대표적인 시험 항목이다.¹⁰⁾ 실제 평가 시에는 동일 코스에 대한 최대 통과 속도를 평가하는 방법 등으로 성능을 판단하나 해석 상에서는 운전자 모델의 신뢰성 등을 이유로 속도를 80 kph로 고정한 후 정상적인 코스 통과 시 발생하는 차량 거동을 비교하였다. 판단 정량 지수로는 코스를 추종하기 위한 타이어 그립 변화를 의미하는 Peak to peak과 운전자 조타에 대한 차량 반응 발생 정도를 의미하는 시간 지연을 비교하였다. Fig. 5는 각 PT마운트 사양 변화(횡 강성, 갭)에 대한 이중차선변경 조건에서의 차량의 횡가속도 변화를 보여준다. 단품 특성 변화로 인한 거시적인 차량 레벨의 상태량 변화는 매우 미소해보이지만 명확한 성능차이와 경향성이 존재하며 이는 차량 성능 향상을 위하여 유효하다. 이는 보다 명확하게 파악하기 위하여 Fig. 6과 같이 각 상태량에 대한 Peak to peak, 시간지연 두 정량 지수에 대한 경향성을 도시하였다. 각 그래프에서 가로축은 이중차선변경 시 발생하는 PT 무게중심의 최대 횡 방향 변위를 의미하며, 세로축은 해당 정량 지수의 솔리드 마운팅(PT가 자체에 완전히 고정) 특성 대비 변화 비율을 의미한다. Fig. 6(a)에서 횡 가속도, 요 레이트, 사이드 슬립, 롤 각, 롤 레이트의 Peak to peak는 결과적으로 PT의 발생 횡 변위가 증가할수록 커지며 이는 PT가 횡 방향으로 많이 이동할수록 차량의 코스 추종성이 불리해짐을 의미한다. 각 그래프에서 파란색 영역과 푸른색 영역은 각각 스토퍼 갭이 1 mm, 3 mm인 상황에서 강성이 변화된 특성을 의미한다. 예상할 수 있듯이 스토퍼 갭이 적을수록 발생하는 횡 변위가 제어되고 추종성이 향상됨을 알 수 있다. 이와 유사한 방법으로 Fig. 6(b)는 운전자의 조타 입력에 대한 차량 반응의 시간 지연을 나타낸 그래프이며 발생 횡 변위가 클수록 횡 가속도, 요 레이트 등의 주요 상태량의 과도상태 지연 시간이 커짐을 알 수 있다. 또한 결과를 통해 강성 변화 대비 스토퍼 갭 크기의 영향도가 더 큼을 알 수 있으며, 일반 차량에 장착된 특성 대비 동일 세그먼트 고성능차량에 장착된 특성이 핸들링 성능 측면으로 보다 개선된 특성임을 확인할 수 있다.

Fig. 5

Double lane change – lateral acceleration

Fig. 6

Relationship between powertrain lateral displacement and vehicle performance index (double lane change)

3.2 스텝 스티어(J-Turn)

J턴이라고도 불리는 스텝 스티어는 이중차선변경과 더불어 차량의 과도상태, 정상상태 선회 특성을 파악할 수 있는 대표적인 시험모드이지만 이중차선변경과는 다르게 개루프 시험(Open-loop test) 항목이다.¹¹⁾ 시험 조건으로는 차속 100 kph, 정상상태 목표 횡 가속도 0.6 g를 적용하였으며 본 시험모드에서도 위와 동일하게 PT 마운팅 강성과 갭을 증감하며 시물레이션을 통한 가상 평가를 Fig. 7과 같이 수행하였다. 결과에 대하여 횡 가속도, 요 레이트 등의 대표 선회 거동 지표에 대하여 반응시간, 오버슛 비율과 같은 정량 지수를 Fig. 8과 같이 비교하였다. 여기서 반응 시간은 조타 입력이 정상상태의 50 %에 도달했을 때의 시간부터 각 상태량의 정상상태의 90 %에 도달했을 때까지의 시간을 의미하며, 오버슛 비율은 오버슛과 정상상태 값의 차이를 정상상태 값으로 나눈 비율을 의미한다. 그 중 Fig. 8(a)는 조타 입력에 대한 차량의 과도상태 반응시간에 대한 결과로 PT 횡 변위가 증가할수록 반응시간 역시 증가하는 것을 볼 수 있다. 반면에 Fig. 8(b)는 각 상태량에 대한 오버슛 비율로 순간적인 조타 입력에 대한 차량 거동 변화폭을 나타내며, 차량 안정성과 연관되어 있다. 그림을 통해 알 수 있듯이 PT의 발생 횡 변위가 감소할수록 오버슛이 증가하여 차량의 순간적인 조타 입력에 대한 거동 일체감이 향상하는 대신 안정성 측면으로는 다소 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 핸들링 성능을 우선 시하는 차량 개발 시 일반적으로 고려되는 상충관계이다. 추가적으로 단위 정상상태 조향각에 대한 각 상태량의 발생 크기를 의미하는 게인은 PT 횡 변위 감소 시 증가하며, 이 역시 핸들링 성능에 유리한 방향이다. 스텝스티어 분석 결과에서도 스토퍼 갭 축소 효과가 강성 대비 큰 것을 확인할 수 있으며 일반차량에 장착된 특성대비 고성능차량에 장착된 사양이 핸들링 성능 측면으로 보다 유리한 특성임을 확인할 수 있다.

Fig. 7

Step steer – lateral acceleration

Fig. 8

Relationship between powertrain lateral displacement and vehicle performance index (step steer)

3.3 시험 모드 별 거동 특성 원리 분석

앞서 수행한 이중차선변경, 스텝스티어 해석 결과에 대하여 거동 변화에 대한 원리를 분석하기 위하여 Fig. 9와 같이 타이어에서 발생하는 수직력 변화에 의한 하중이동(Weight transfer), 발생 총 횡력의 합(Total lateral force) 및 전/후륜 타이어의 슬립각(Front/rear tire slip angle) 변화를 확인하였다. 먼저, Fig. 9(a)의 이중차선변경 조건에서의 결과를 보면 PT의 횡변위가 증가할수록 좌우 하중이동, 타이어 슬립각, 발생 횡력이 모두 증가하는 것을 볼 수 있다. 반면에 Fig. 9(b)의 스텝 스티어 조건에서는 PT 횡 변위가 증가할수록 좌우 하중이동이 증가하나 타이어 슬립각 및 발생 횡력은 감소하는 것을 볼 수 있다. 지면과 차량간의 관계를 설명할 수 있는 타이어에서 발생하는 거동을 통해서 Fig. 10과 같이 발생 메카니즘을 분석하였다. 분석결과 PT의 횡 변위 감소 즉, 차량과 PT의 일체감 향상은 기존 사양 대비 선회 시 발생하는 차량의 좌우 하중 이동량을 감소시키고 이는 타이어에서 발생하는 횡력의 손실량을 감소시키게 된다.¹²⁾ 이는 입력되는 조타량이 고정된 개루프 모드에서는 타이어에서 발생하는 총 횡력을 증가 시켜 게인 및 반응성의 증가를 야기한다. 한편, 운전자의 조타 입력이 개입하는 폐루프 모드에서는 횡력 손실량의 감소로 동일 코스를 추종하기 위하여 필요한 슬립각이 상대적으로 감소하게 되고 동일 코스 추종을 위하여 상대적으로 적은 조향각을 필요로 하게 된다. 이는 곧 차량의 추종성 및 반응성의 향상을 의미한다. 이를 통해 개루프와 폐루프 운전 조건에서의 PT 횡 방향 변위 발생량에 따른 차량 선회 거동의 변화 원리를 정리하였다.

Fig. 9

Vehicle weight transfer, tire lateral force and slip angle change

Fig. 10

Turning mechanism and relationship with PT lateral displacement in situation for both closed and open loop situation

4.1 마운팅 강성과 변위 발생 상관성 검토

PT는 차량 내부의 한정된 공간상에 위치하며 다양한 부품들이 포함되어 있는 매우 복잡한 시스템으로 다양한 종류의 방식으로 지지되고 있다. 특히 본 논문의 분석 대상인 FF타입 고성능차량의 경우 Fig. 11과 같이 3점 관성지지 방식이 적용되어 엔진과 TM이 횡 방향으로 연결되어 있어 비대칭을 이루고 있으며 PT의 거동이 차량 좌표계 기준으로 연성되어 있다. 따라서 PT를 지지하는 마운트의 특정 방향 강성 변화가 해당 방향의 거동을 절대적으로 제어한다고 할 수 없으며 관계에 대한 분석이 필요하다. 본 절에서는 비대칭적으로 3점에서 지지되는 각 마운트의 특성이 결정짓는 PT의 종, 횡, 수직 방향에 대한 총 강성 변화가 각 방향 변위에 어떠한 영향을 미치는 지 즉, PT 시스템 총 강성과 변위의 상관관계를 제시하고자 한다. 엔진, TM, 롤 로드 마운트 각 단품의 강성 변화 대신 PT의 총 강성 변화를 주요 대상으로 분석하는 이유는 단품들의 각 방향 강성 변화에 대한 차량 성능 영향을 제시하는 것보다 직관적이며, 보다 명확하게 시스템 특성 목표를 이해할 수 있기 때문이다. Fig. 12는 이중차선변경 조건에서 PT의 각 방향 강성을 변화 시켰을 때 발생하는 PT의 각 방향 변위 변화 경향을 보여준다. 그림에서 확인할 수 있듯이 PT각 방향 강성과 발생 변위의 상관관계가 존재하며, 횡 강성과 수직강성은 증가할수록 PT의 횡 변위가 감소하지만 전후 강성의 경우 감소할수록 횡 변위가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 전후 강성에 대한 효과는 전후, 횡 방향 거동간 연성으로 인한 결과로 볼 수 있다. 각 방향 강성 변화에 대하여 종 변위와 수직 변위의 상관관계도 존재하지만 해석 결과 상으로 발생 변위량이 0.01 mm 이하이기 때문에 영향도가 매우 낮을 것으로 판단하였다. 또한 그림에서 강성 변화의 방향과 관계없이 결과적으로 횡 변위를 감소시킬 때 이중차선변경 시 발생하는 횡 가속도의 Peak to peak가 개선되는 것을 확인할 수 있다. 이를 통하여 핸들링 성능을 향상시키기 위해서는 PT의 횡 방향 대변위 거동을 축소시키는 방향으로 개발하는 것이 유리하다고 판단할 수 있다.

Fig. 11

Layout of FF type powertrain system (3 points support)

Fig. 12

Relationship between PT total stiffness and displacement

4.2 민감도 분석

본 절에서는 핸들링 성능과 상관성이 큰 횡 변위 발생 조건에 대하여 엔진, TM, 롤 로드 마운트의 각 방향 강성이 미치는 영향에 대한 민감도를 분석하였다. 민감도는 각 방향 강성을 동일 비율로 증감하며 PT의 최대 횡 변위를 파악하여 Fig. 13과 같이 산출하였다. 그림에서 PT라고 표기한 것은 엔진, TM, 롤 로드 마운트 강성을 동시 변화 시켰을 때의 민감도를 의미한다. 그림을 통해 알 수 있듯이 전체적으로 횡 방향, 수직 방향, 전후 방향 강성 순으로 횡 변위 발생에 민감하며 엔진 마운트 보다는 TM 마운트가 더 민감한 것을 확인할 수 있다. TM 마운트의 민감도가 더 큰 이유는 단품의 강성이 크기 때문에 동일 비율을 증감했을 시의 변화량이 더 큰 이유도 있겠지만, PT의 무게중심과 TM마운트의 상하 방향 위치가 엔진 마운트 대비 근접하여 보다 직접적으로 횡력을 지지하는 것에 있을 수 있다. 이와 같은 상관관계 분석을 통해 핸들링 성능의 추가 향상을 위하여 엔진 및 TM 마운트의 강성 증가를 통해 횡 변위 발생량을 줄여야 하며, 마운트의 경도가 이미 제작 가능한 최고 수준인 경우 구조 개선을 통해 횡 변위를 최대한 축소하는 방향으로 개발되어야 할 것이다.

Fig. 13

Relationship between mounting stiffness and PT lateral displacement