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[자동차 이야기(45)] 자동차의 진동 현상 원인과 대책

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[자동차 이야기(45)] 자동차의 진동 현상 원인과 대책

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자동차에서의 진동과 소음 문제는 자동차의 상품성을 결정하는 중요한 요소 중의 하나로서 진동과 소음의 발생 원인이나 현상은 복합되어 있다. 차체로 전달되어 승객이 진동으로서 감지하는 경우와 소음으로서 감지하는 경우도 있기에 문제 해결이 어렵고, 그 느낌 또한 운전자나 승객에 따라 각양각색이다. 자동차에서의 주요 진동 현상은 엔진 공회전시 발생하는 경우와 주행시 발생하는 경우로 구분할 수 있어, 자동차 회사들에서 분류하고 있는 대표적인 자동차 진동 현상에 대한 정의와 발생 조건, 그 발생 기구에 대해서 설명하고자 한다.

■ 승차감에 관련된 차체의 피칭, 롤링, 바운싱 운동

자동차는, 그림 1과 같이 현가장치의 스프링를 기준으로 차체 부분(스프링 위 질량, Sprung mass)과 액슬축, 타이어의 회전하는 부분(스프링 아래 질량, Unsprung mass)으로 나눌 수 있다. 자동차가 주행하면서 차체 부분(스프링 위 질량) 전체가 하나의 상자로서 흔들리는 진동 현상이다. 흔들리는 방식은 ‘흔들흔들’ 또는 ‘울퉁불퉁’하게 흔들리는 느낌이 든다. 이것은 노면의 커다란 요철이나 이음새 부분을 지날 때, 자갈길 등을 주행할 때, 특정 속도로 파도 모양의 도로를 주행할 때 발생하게 된다. 자동차에 관련된 엔지니어들은 스프링 위 질량의 진동현상을 그림 2와 같이 방향에 따라 피칭, 롤링, 바운싱 등으로 구분하기도 한다.

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스프링 위 질량과 스프링 아래 질량. 그림=한국산업인력공단

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스프링 위 질량의 진동. 그림=한국산업인력공단


자동차가 요철이나 험한 도로를 주행하게 되면 자동차 전체의 차체 부분은 특히 상하, 좌우로 흔들리면서 강제적으로 진동을 시작하게 된다. 이때 무거운 타이어나 휠을 부착하였을 경우, 다소 무거운 현가장치와 제동장치 부품 등과 같이 스프링 아래 질량이 무거울 경우나, 쇽 업소버(Shock Absorber)의 용량 부족 또는 스프링 정수가 표준보다 강한 경우 등에는 진동이 크게 되어 자동차 내부에서의 승차감이 좋지 않게 된다. 이것은 스프링 아래 질량의 진동 특성 상의 변화에 의해 스프링 위 질량의 진동수와 공진 현상을 발생시키기 때문이다. 따라서 자동차 회사들은 자동차 초기 개발단계에서부터 현가장치의 특성과 구조에 대한 세밀한 설계와 튜닝 작업을 수행하게 된다.

■ 공회전 진동(아이들 진동)

차량이 정차중인 엔진 공회전 상태에서 발생하는 진동을 공회전 진동 혹은 아이들(Idle) 진동이라 한다. 차량이 정지 상태에 있으므로 노면 가진이나 구동계의 진동이 진동의 원인(Source)으로서 작용하지 않고 엔진의 연소에 기인하는 회전력(Torque)의 변동 등이 주요 원인이다. 공회전 시에 엔진 진동이 엔진 마운트(일본어로 ‘미미’라는 표현을 사용하는 분들도 있다), 차체, 배기계 등을 통하여 조향 휠(Steering Wheel)과 운전자의 손으로 전달되거나 시트(seat)나 차체 바닥면(floor) 등을 통하여 승객의 신체에 전달되게 된다. 특히 아이들 진동에 의한 가진력과 차체의 고유주파수가 근접하게 혹은 일치하게 되면 공진(resonance)이 발생하게 되어 조향 휠, 차체 바닥, 각종 차체 패널 및 대쉬 패널 등의 진동이 급격히 상승하고 차량 실내소음을 상승시켜 불만감이 크게 되는 경우도 발생할 수 있다.

공회전 진동의 세부 원인들로는 조정상태의 불량(부조화), 엔진 마운트의 불량(고무의 경화, 변형 및 균열, 마운트 브라켓 체결볼트의 체결불량), 배기계지지 행거(hanger) 고무와 볼트의 체결 불량 등으로 분류할 수 있지만, 가장 큰 영향을 미치는 부위는 엔진 마운트에 있다고 본다. 이 또한 자동차개발 초기 설계단계부터 엔진과 변속기의 안정적인 지지를 위한 엔진 마운트(Mounting Insulator)의 마운팅 형식과 충분한 절연율(isolation ratio) 등이 고려되어야 한다. 엔진 마운팅 형식은 지지방식에 따라 관성 주축형과 무게 중심형이 있으며, 마운팅의 개수에 따라 3점 및 4점 마운팅 방식이 있다. 수십여 년 전부터는 엔진 마운트의 절연 특성을 향상시키기 위하여 100% 고무(rubber) 형식에서 필요에 따라 액체 봉입형 마운트((Hydro mount)들이 부분적으로 사용되고 있다.

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엔진 마운트.

■ 쉐이크(shake)

자동차가 도로를 주행하게 되면 노면의 요철이 바퀴와 현가장치를 통하여 차체, 시트, 조향 휠 등을 진동시키게 된다. 평탄한 도로를 주행할 때 차체, 시트, 조향 휠 등이 상하방향 혹은 좌우방향으로 요동하는 현상을 쉐이크(shake)라고 정의한다. 비교적 굴곡이 크고 거칠은 노면을 통과할 경우에 발생하는 진동 폭이 큰 현상으로 거칠은 노면에서 차체로 전달된 반복적인 충격은 현가장치로를 통해 전달된 진동이 시트, 엔진 등과 공진하여 차량 전체가 진동하게 된다.

쉐이크 (shake)는 주행 속도에 따라 구분하기도 하는 데, 스프링 아래 질량의 고유 진동수에 가까워 공진하여 진동하는 저속 쉐이크, 엔진 회전 운동에 의한 중속 쉐이크 그리고 차체 공진에 의한 고속 쉐이크가 있다.

특히 고속도로를 주행할 때는 특정 속도 범위 내에서 연속적으로 발생되기도 하며, 일반적인 포장도로나 작은 요철 부위를 주행하는 경우에는 40∼70km/h로 주행할 때에 발생한다. 상하방향으로의 진동(front shake)은 차체, 시트와 조향 휠이 상하로 ‘부르르’ 떠는 느낌으로 심하게 진동하게 된다. 경우에 따라서는 엔진 보닛(혹은 후드)이나 룸 미러 등이 미세하게 진동되는 경우가 있기도 한다. 좌우방향으로의 진동은 차체나 시트가 좌우로 ‘부르르’ 떠는 느낌으로 진동하게 된다. 쉐이크의 주요 발생 원인으로는 노면 요철과 타이어 무게 불균형에 있다. 타이어의 편마모와 타이어 공기압 부족 등의 이유로 타이어 무게에 불균형이 있게 되면 타이어가 회전하면서 원심력의 균형이 무너져 자동차의 스프링 아래 질량과 공진하게 되고 바퀴가 크게 변동하고, 더 나아가 현가장치의 스프링이나 쇽업쇼버를 통하여 차체에 전달되고 또한 엔진에도 진동이 증폭되어 문제를 발생하므로 운전자들은 자동차의 타이어 밸런싱에 유의할 필요가 있다.

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요철로 통과시의 자동차.


■ 쉬미(Shimmy)

일반적인 도로 주행 중에 혹은 요철노면을 통과시 조향 휠이 회전 방향(시계방향 혹은 반시계방향)으로‘부르르’ 흔들리거나 조향 휠이 흔들리면서 동시에 차체도 좌우로 흔들리는 현상을 쉬미(Shimmy)라고 한다. 특히 선회 주행시 조향 휠의 조작을 불편하게 하고 조향 휠 조작에 따른 불안감과 거부감을 주게 되어 조향휠 작동이 어려운 경우가 발생할 수도 있다. 양호한 도로를 80km/h 이상으로 주행할 때 발생되는 데, 고속 쉬미(shimmy)는 양호한 도로를 100km/h 이상으로 주행할 때 한정된 주행 속도 범위내에서 발생된다. 20∼60km/h의 비교적 저속으로 주행 중 노면의 요철이나 브레이크 작동이 원인이 되어 돌발적으로 발생하는 경우에는 저속 쉬미(shimmy)라고 한다. 쉬미(shimmy) 현상은, 그림 5와 같이 타이어의 편마모, 회전부 불균형적인 힘(원심력)에 의하여 발생하고 조향장치가 공진하여 조향 휠을 진동시킨다.

조향 컬럼, 조량기어박스 및 타이로드 등으로 이루어지는 조향장치(그림 6)의 고유 진동수와 원심력에 의해 발생하는 타이어의 좌우 방향의 진동수가 일정 주행 속도가 되면 공진을 일으켜 조향 휠이 회전 방향으로 크게 진동하게 되는 것이다. 따라서 자동차 회사들은 자동차 초기 개발단계에서부터 조향장치의 특성에 대한 세밀한 설계와 튜닝 작업을 수행하게 된다. 운전자들 또한 자동차의 타이어 밸런싱에 유의할 필요가 있다.

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타이어 불균형과 타이어의 좌우방향 진동. 그림=한국산업인력공단

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유압식 동력조향장치. 그림=도서출판 골든벨


■ 브레이크 저더(brake judder)

주행하는 자동차를 제동을 하기 위해 브레이크 페달을 밟으면 대쉬 패널, 조향 핸들이 상하로 진동하거나, 조향 핸들이 좌우로 진동되는 경우도 있다. 특히 제동을 조작하는 브레이크 페달에서 진동에 의한 맥동이 운전자의 발(foor)에 전달된다. 이 현상은 브레이크 디스크의 편마모, 드럼의 편마모 등에 의해 발생한다고 볼 수 있다. 일반적으로 쉐이크(Shake)와 같은 정도 주파수 대(5∼30Hz)이지만 발생하는 진동의 크기는 쉐이크 보다 크게 나타나는 경우가 많다.

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한상욱 신한대 교수

이상과 같이 소개드린 자동차의 진동현상은 낮은 주파수로부터 높은 주파수까지 광범위하게 발생하며. 그 진동의 형태도 다양하게 나타난다. 진동 발생원으로부터 차체로 전달되어 승객이 진동으로서 감지하는 것과 소음으로서 감지하는 경우도 있다고 하였다. 주요한 진동 발생원으로는 노면 입력, 타이어, 엔진 등이 있고, 여기서 발생한 진동이 구동계, 현가계 등의 전달경로를 거쳐 차체로 전달된다. 따라서 자동차 진동 현상을 제어하기 위해서는 진동 발생원을 잘 파악하고, 진동 전달경로를 잘 고찰하여 진동전달 특성을 명확히 하는 진동 특성의 규명이 필요한 매우 어려운 작업임에는 틀림없다.


한상욱 신한대학교 기계자동차융합공학과 교수