자동차 차체설계 - 4

4) 방진, 방음, 단열

 

 소음, 단열, 진동은 차량의 승차감과 장거리 운전에서의 운전자의 피로도를 결정한다는 점에서 중요하게 다루어져야 하고, 차체에 국한되어 결정되는 것은 아닌 복합적인 차량의 특성이나 차체 설계 단계에서 양호한 특성을 가지도록 설계할 필요가 있다. 통상 NVH 설계라 불리며 해당 특성의 발원점은 모터, 엔진 등 PT, 타이어 특성, 서스펜션, 차체, 시트, 인스트루먼트 패널 등이 있다. 상기 원인들이 공진을 결정하기 때문에  PT, 서스펜션, 타이어, 차체의 진동 특성과 고유 진동수의 관련성을 고려하여 계획 단계에서의 차체 설계를 할 필요가 있다.

 

1. 차체의 진동, 소음 특성

- 골격진동

 골조를 포함한 차체 전체의 저주파 진동으로 카 쉐이크의 원인이 된다. 굽힘진동모드의 노드가 2개인 것을 1차 진동, 3개인 것을 2차진동이라 하고, 비틀림 진동모드에서는 노드가 1개인 것을 1차, 2개인 것을 2차 진동이라 한다. 차체의 경우에는 단면 형상이 복잡하므로 3차 이상의 진동은 판별하기 어렵다.

 

- 패널진동

 차체 면을 구성하는 강판이 북의 가죽막처럼 진동하는 현상으로, 공진상태가 되어 강하게 진동하면 부밍(booming)음의 원인이 된다.

 

2. 카 쉐이크

 차량에는 주행 시 5~30Hz의 인체공학적으로 불편한 진동수가 차체에 발생한다. 휠, 타이어의 조합인 차륜의 밸런스, 진원도가 나쁜 경우 발생하고, 스프링의 공진, 엔진 마운트의 공진, 차체의 일차 공진이 복합적으로 작용하여 카 쉐이크가 발생한다. 일반적으로 차체와 다른 진동계의 결합을 공진하지 않도록 하는 것과 기계 임피던스를 높이는 방법이 사용된다. 차체의 일차 진동수는 스프링 하 고유진동수와 합치하지 않도록 약 20Hz 이상으로 변경할 필요가 있다.

 

3. 부밍음

 차내에서의 소음은 차속이 빨라지면 증가하는 경향을 가지며, 특정 속도에서 공명을 일으키며 큰 소음을 발생시킨다. 이러한 소음을 부밍이라고 하며, 해당 주파수는 30~200Hz 정도의 주파수를 가진다. 공동 공명은 차실의 형상으로 결정되는 복잡한 특성이며, 패널 진동을 컨트롤하기 위해 공진점을 이동시키거나 진동 자체를 억제하는 제진, 차실 내의 소음을 흡음재로 흡수하여 억제하는 흡음, 차실 내 공동, 공명시 음장/진동 모드 방법에 의해 소음 저감 대착을 강구한다.

 

4. 로드 노이즈

 차량이 거친 포장 노면을 주행하면 충격에 의해 타이어가 진동하고 진동이 현가계를 거쳐 차체에 전달되어 소음이 된다. 주파수는 진동원인 타이어의 측벽면과 트레드면의 고유진동수에 관련이 있고, 30~60, 80~200Hz에 집중해서 발생한다. 차속에는 크게 관계가 없다.

 

5. 바람소리

- 윈드노이즈

 고속 주행시 발생하는 2000~8000Hz의 고주파 음이다. 운인은 창의 틈에서 발생하는 공기 유출입음, 차체 요철에 의해 발생하는 바람 가르는 소리 등이 있다. 흡음 책은 고주파역에서 효과가 크기 때문에 엔진, 디퍼렌셜로이즈, 윈드노이즈 등에 효과가 좋다.

 

- 윈드쓰로브(wind throb)

 윈드플래터라고도 부르며, 15~20Hz의 저주파에서 발생하는 공기 진동현상이다. 창을 열고 고속주행으로 하면 발생하는데 차실이 공명상자 처럼 작용하여 소음이 발생한다.

 

6. 차음

 차의 공명이나 진동특성과 별개로 차내에 직접 작용하는 소음이 있다. 주로 엔진음이 있고, 해당 소음 절감이 차체 설계에서 중요한 과제 중 하나이다. 주로 데쉬패널, 프론트 플로어부를 통해 소음이 들어오므로 해당 개소에 차음/흡음재를 사용한다. 전항에서 언급된 것처럼 흡음재는 주로 고주파역에서 효과가 있으나 귀로 느꼈을 때 불편한 소음은 고주파역이므로 소음이 많이 차단되는 효과를 얻을 수 있다. 

 

7. 단열

 국내 뿐만 아니라 운용 지역에 따라 극한의 기후를 견뎌야 하므로 승차감을 위해서는 외기를 차단하여 쾌적성을 확보할 필요가 있다. 중동, 사막지역 등과 같은 고온 지역, 극지방 인근과 같은 저온 지역은 더욱 필요할 것이고, 주차 후에 급속 냉난방이 요구된다. 이때 단열은 에너지 사용과도 관련이 있고, 동시에 공조장치의 정상적인 작동과도 연관된다. 이때 논의되는 열부하는 다음과 같다.

- 환기부하 : 환기 등을 이용한 직접적인 열 전달

- 관류부하 : 차체, 유리 등 매개를 통한 열 전달

- 방사부하 : 태양 방사선으로부터의 발열

- 승객부하 : 승객의 발열

 

5) 방진( 防塵), 방수

 차내 및 트렁크룸의 위생과 쾌적성을 위해, 내장품을 기능장애나 부식으로부터 보호하기 위하여 모래 등과 같은 이물질과 액체류를 차단하는 방진, 방수 기능도 필요하다. 기밀성을 확보해야 방진성, 단열효과, 소음과 관련있는 차음성을 동시에 확보할 수 있다. 이러한 수밀성, 기밀성을 평가하는 방법으로는 샤워테스트, 호스테스트, 물이 있는 환경에서 직접 주행을 통해 판단한다.

 

6) 환기

 외기를 적절히 차단하는 것 뿐만 아니라 차내의 공기를 적절히 정화하고 리프레시 할 수 있는 공조 기능도 주행 시 쾌적성을 유지하는 데 중요하다. 승객이나 기타 요인으로부터의 이산화탄소, 수증기, 악취 등을 신선한 외기와 교체해줘야하고 쾌적성을 위해 필요한 최소 환기량을 '필요환기량'이라 한다. 이는 이산화탄소 농도기준법으로 계산하고 양은 1인당 30cc/h 정도이다.

 

 환기구의 위치는 차량의 풍동시험으로부터 결정하는데 차체의 압력분포를 고려하여 정압부분에는 외기도입구를, 부압부분에는 내기배출구를 설치한다. 외기 진입구인 카울 톱(cowl top)으로부터 벤틸레이터를 통해 실내로 공기를 주입해주고 실내 공기는 리어 필라(rear pillar)에 붙어있는 아울렛 그릴(outlet grill)이나 리어 사이드트림의 벤틸레이터 구멍으부터 펜더 내를 통해 로크 필라의 아울렛으로부터 배출되고, 도어의 틈을 통해서도 배출된다.