소음과 진동의 주요 발생 원인인 엔진이 존재하지 않는 Battery Electric Vehicle이라고 하더라도 NVH 대책이 모든 면에서 쉬운 것은 아닙니다. 엔진의 소음에 섞여서 의식하지 못했던 소리에 대처했을 뿐만 아니라, Battery 탑재로 인하여 발생한 핸들링의 개선도 중요합니다. Electric Vehicle 특유의 소음을 얼마나 억제하고, 무게 증가에 어떻게 대응할 것인가에 대해서 작성하였습니다.
복잡한 엔진과 비교해 단순한 Motor의 진동
렉서스(Lexus) UX300e는 신개념의 Battery Electric Vehicle입니다. 기본으로 2.0L 직렬 4 기통 자연흡기 엔진과 CVT를 조합한 전통적인 모델 이외에도, 엔진에 모터를 조합한 하이브리드 사양도 있습니다. Battery Electric Vehicle은 이 모델을 변형해서 만들었습니다. 제품 기획 담당자는 베이스(Base)가 있다는 의미에서 좋은 면도 있지만 이를 변형해서 Battery Electric Vehicle를 만드는데 따른 어려움도 많다고 회고하였습니다.
Noise & Vibration 관점에서 엔진을 장착했던 자동차를 기본으로 Battery Electric Vehicle를 생각하면, 엔진에서 기인하는 진동이나 Nosie가 없어진다는 점이 큰 차이입니다. 뒤에서 자세히 설명하겠지만, 엔진에서 기인하는 소음이 없어지면 그때까지 가려져 있던 작은 소음이 들리게 됩니다. Battery Electric Vehicle를 만들면서 이렇게 안 들렸다가 들리기 시작하면서 신경 쓰이는 소리에 대한 대책도 요구되었습니다. 엔진을 장착한 차량과 Battery Electric Vehicle 주행 중의 진동 주파수 파형을 비교해 보면, 엔진은 시동을 걸었을 때 아주 낮은 주파수에서 굴곡이 발생합니다. 그것보다 조금 높은 지점에도 굴곡이 생기는데, 그것은 연소 타이밍에서 발생하는 진동입니다. 주로 엔진의 Torque 변동과 Piston의 왕복 관성력에 의해 발생합니다. 4 기통이라면 두 번 회전에서 1번 비율로 발생하는 진동입니다. 게다가 높은 주파수대에서는 엔진에 따라오는 배기관등이 흔들리면서 생기는 소음도 있습니다. 한편, Battery Electric Vehicle은 엔진과 관련된 이러한 성분들과는 상관없기 때문에 비교적 평탄한 주파수 특성을 보입니다. 특히 도로에서의 진동이 Noise와 Vibration에 주로 영향을 끼칩니다.
- 엔진 구역에서 발생하던 소리는 엔진에 기인하는 소음이 없어지기 때문에 그때까지 감춰져 있던 타이어 소리나 풍절음이 상당히 존재감을 드러내게 됩니다.
- 그 때문에 바닥에서 올라오는 소리나 타이어 계통에서 전해지는 소리에 대해서는 충분한 대응이 필요합니다. 낮은 주파수에 대해서는 질량이 효과가 있기 때문에 무거운 것을 소음재로 사용하는 것이 일반적입니다.
Noise와 Vibration 대책을 세울 때 이용하는 기준은 명료도 지수(Articulation Index)입니다. 회화명료도로 취급하는 지표로서, 순항하고 있을 때의 차량실내소음 크기를 주파수별로 가중치를 부여해 평가를 합니다. 속도가 빨라질수록 타이어에서 기인하는 소음이나 풍절음은 커지기 때문에, 속도에 의한 정도의 변화까지 감안해 목표를 정합니다. 그러나 물리적인 지표만으로는 판단하기 어렵습니다. 관능을 척도로 판단할 필요도 있어서 "정숙성"을 염두에 두고 개발하였습니다. 1989년에 처음 판매한 Lexus는 지금의 기준으로 보면 소음 정도가 높은 편이지만, 소음감도 면에서는 우수하고 조용하다는 느낌보다는 '감싸지는 느낌'이 든다고 합니다. 소음 정도를 낮추는 것만이 Noise와 Vibration 대책은 아닙니다. 오감을 구사해 느끼고, 여러 번의 고민 끝에 적용하는 것이 중요합니다.
"음원에 가까운 곳을 흡음할 뿐만 아니라 사람의 귀에 가까운 곳의 흡음을 적적히 하면 감쇠가 좋아지고 정숙함이 느껴집니다. 이 부분은 초대 Lexus를 포함해서 여러 자동차를 타면서 여러 번 검토한 것입니다. 너무 과하면 무향실에 있는 것처럼 기분이 나빠집니다. 적절히 하면 감쇠되는 감각이 느껴져 기분이 좋습니다. 그런 느낌을 바탕으로 다양한 시도를 해야 합니다."
ICE(내연 엔진 차량)이나 Hybrid Electric Vehicle에서도 소리는 나는데, Battery Electric Vehicle로 만든 순간부터 들리기 시작한 것은 브레이크 작동음입니다. 운전자의 감쇠요구에 대해서 회생 브레이크와 유압 브레이크의 배분을 적절히 제어하는 협조회생 브레이크를 적용하는 것은 Hybrid Electric Vehicle와 비슷합니다. 또 Hybrid Electric Vehicle에서는 신경 쓰지 않았던 유압 펌프의 작동음이 Battery Electric Vehicle에서는 신경 쓰이게 되었습니다. Hybrid Electric Vehicle 같은 경우는 엔진이 걸린 상태에서 감속하는 경우도 있지만, Battery Electric Vehicle는 항상 조용하기 때문에 유압 펌프의 작동음이 크게 들리는 기회가 많습니다. 그 때문에 귀에 거슬리게 되었다고 분석합니다.
브레이크 배관은 사일런서가 있는 Dash Panel에 고정되어 있습니다. 거기서 진동 소리로 전해져 옵니다. 그래서 진동을 차단하는 방진 클램프를 개발하여 적용했습니다. Battery Electric Vehicle에서 나는 소리는 Hybrid Electric Vehicle에서도 났던 소리이기 때문에, Battery Electric Vehicle 개발에서 일단 신경이 쓰이면 Hybrid Electric Vehicle 쪽도 신경이 쓰이게 됩니다. ICE(내연기관) 차량과 Battery Electric Vehicle 양쪽으로 기술을 적용해 상승효과를 보겠다는 생각입니다.
구동용 배터리 탑재에 따른 영향은 Battery Pack을 강성부재로 사용할 수 있기 때문에 진동 정도를 억제하는 방향으로 갖고 갈 수 있습니다. 바꿔 말하면 주파수를 높이는 방향인데, 주파수가 높아지면 변위가 작아져서 진동을 느끼지 않는 수준까지 억제할 수 있습니다. Battery Pack은 굴절뿐만 아니라 비틀림 강성을 향상하기 때문에 응답성을 높이는 측면에서 핸들링 감각 향상에 기여합니다. 차량 무게는 Power train 차이에 따라 약 280Kg이 바뀌기 때문에, 무거워진 차량무게에 대해 적정한 스프링 레이트를 선정합니다. 하체를 단단하게 하면 미세한 진폭의 입력이 직접 전달되기 쉽기 때문에 댐퍼가 피스톤 내부의 오리피스나 Oil의 성질과 상태에 관여하고, 세세한 튜닝으로 질감을 손상시키지 않도록 했습니다. 후방에는 차체의 진동감소를 높이는 Performance Damper를 추가했습니다.
Battery Pack을 바닥 아래에 탑재하면 전방뿐만 아니라 후방의 축 무게도 증가합니다. 그에 대한 대응으로 더블 위시본식 Rear suspension의 Lower arm과 Carrier Assembly는 한 단계 위 강화했습니다. 후방 Break도 한 사이즈 높였습니다. Battery Electric Vehicle이기 이전에 고급 브랜드인 "Lexus"로서의 감각에 신경 쓴 것이 UX300e의 Noise/Vibration&Tire 개발입니다.
차체 강성도(Body Stiffness)는 좋아지지만 중량은 증가
정(井) 자 구조의 보강재는 Battery Pack에 대한 밖에서의 충격을 막을 뿐만 아니라, Body Stiffness를 향상하는 효과도 발휘합니다. 그를 통해 Body의 굴절 모드가 진동억제에 대해 좋은 방향으로 작용합니다. 바닥 진동 주파수를 높은 방향으로 가져갈 수 있습니다. 주파수가 높아지면 변위는 작아져서 진동을 억제할 수 있습니다. Battery 탑재는 중량증가로 이어지지만, 관성 제원 측면에서는 장점이 큽니다. 무게 중심이 낮아지고, 중량물이 차량 중심 부분으로 모아져 선회성능을 좋게 하기 때문입니다. Battery Electric Vehicle의 엔진 구역에는 엔진이 없고 높은 주파수를 발생하는 Motor가 들어가 있습니다. 그 때문에 Dash Silencer는 높은 주파수에 맞춰서 제원을 결정합니다. 바닥이나 Wheel house의 Silencer는 Engine&Hybrid Electric Vehicle에서는 엔진 음에 가려졌던 잡음이나 풍절음의 억제를 고려해 사양을 결정합니다.
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