자동차 조향 시스템의 래틀 소음 분석

자동차의 조향 장치(steering system)에서 회전운동을 직선운동으로 변환하는 랙 앤드 피니언 기어는  소음 발생 원인이 된다. 이번 호에서는 앤시스 모션 드라이브트레인(Ansys Motion Drivetrain)을 이용한 NVH 해석을 진행하여 문제의 원인을 분석하는 방법에 대해 소개하고자 한다. 

■ 이상혁
태성에스엔이 구조3팀 수석 매니저로, Ansys Mechanical & Motion 기술지원을 담당하고 있다.
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주행 중 발생하는 자동차의 소음 및 진동은 엔진, 변속기, 기어 시스템 등 여러 복합적인 요소의 상호작용으로 발생한다. 따라서 정확한 해석기법을 통해 각 요인별 진동 특성을 파악하고 개선하는 작업이 중요하다. 특히, 기어의 진동 및 소음은 크게 와인 소음(wine noise)과 래틀 소음(rattle noise) 두 가지로 구분되며, 모두 비선형 접촉으로 이루어진다. 따라서 비선형 소음진동 특성을 고려하여 해석을 진행하고 결과를 분석할 수 있는 소음진동 해석 툴킷(Ansys Motion, Drivetrain Toolkits)을 이용하면 기어에서 발생하는 다양한 소음진동 원인들을 분석할 수 있다.

조향 시스템의 원리
조향 장치(steering system)는 운전석의 조향 핸들을 회전시키고 각 링크기구를 움직여 좌우 앞바퀴의 방향을 바꾸어 차량의 주행 방향을 제어할 수 있도록 해 주는 장치이다. 즉, 핸들부터 바퀴까지 이어지는 부품들이 조향 장치에 해당하며, <그림 1>과 같이 핸들, 조향 축, 랙 앤드 피니언 기어, 타이로드, 너클 암 등의 부품으로 이루어져 있다. 
자동차에서 축을 중심으로 회전하는 부품은 ‘암’, 밀거나 당기는 부품을 ‘로드’라고 하는데, 만약 운전자가 핸들을 돌리게 되면 핸들에 연결된 조향 축이 회전하게 되고 그 끝에 달린 피니언 기어가 회전하게 된다. 이 때 피니언 기어는 랙 기어와 톱니가 맞물려 있어, 핸들의 회전 운동을 왕복운동으로 변환하여 좌우로 움직인다. 이러한 랙의 움직임은 타이로드에 전달되고 다시 너클 암에서 최종적으로 바퀴의 방향을 바꾼다. 

 

그림 1. 조향 장치의 구성

이런 조향 장치를 구성하는 부품의 대부분은 마찰에 의하여 동력을 전달하는 기어 구조와 회전력을 전달하는 링크 구조로 되어 있어 소음 및 진동이 발생할 가능성이 높으며, 발생 시 운전자가 쉽게 인식할 수 있다. 전동식 파워 조향 장치는 기어의 마모에 의한 유격, 제조 공차 등에 의한 백래시(backlash)의 증가 및 이로 인한 진동이나 소음, 특히 구조적으로 타 부품과의 공차, 마찰에 의하여 발생하는 소음인 래틀 소음이 발생하며 이런 소음은 운전자에게 불쾌한 소음뿐만 아니라 불안감을 유발할 수 있다. 그럼 기어에서 발생하는 래틀 소음에 대해서 간략하게 살펴보도록 하자.

랙/피니언 기어의 소음진동 원인
기어의 래틀 소음은 백래시에 의해 발생하는 소음의 한 종류이다. 백래시란 <그림 2>와 같이 기어, 나사, 톱니바퀴 등 서로 맞물려 운동하는 기계장치에서 원활한 기어 물림을 위해 꼭 필요한 여유 공간이다. 기어 시스템에서 반드시 필요한 백래시이지만, 때에 따라 시스템 공진주파수 영역과 겹치며 기어 치의 앞뒷면이 충돌해 소음진동을 일으키는 주요 원인으로 작용하기도 하는데, 이를 대표하는 소음진동 특성을 래틀 소음이라고 한다.