NVH 근본 원인 분석(NVH Root Cause Analysis) – 단계별 가이드

AVL의 예제에서 사용된 모델은 기어와 샤프트의 초기 레이아웃을 기반으로 완전히 새롭게 설계되었습니다. 이후 하우징 설계가 진행되었으며, 이는 강성 및 특정 고유 진동수를 최적화하기 위한 기본 토폴로지 최적화를 포함했습니다. AVL은 일반적인 절차를 따르고 NVH의 근원을 줄이기 위해 기어의 마이크로기하학을 최적화했습니다.

다음 단계는 다물체 동역학 시뮬레이션(Multi-Body Dynamics Simulation)을 통해 샤프트 동역학, 구조 전달 소음, 방사 소음 관점에서 임계 운전 조건(critical operating conditions)을 식별하는 것입니다. 이렇게 정의된 조건은 이후의 최적화 목표가 됩니다.

그렇다면 임계 조건을 어떻게 식별하고 이해할 수 있을까요? 이때 필요한 것이 바로 근본 원인 분석(Root Cause Analysis)입니다. 분석 결과를 기반으로, 파워트레인 하우징을 새롭게 최적화하여 방사 소음을 줄일 수 있으며, 새 설계는 다시 다물체 동역학 및 음향 분석을 통해 검증됩니다.

모델링이 완료되면, 이를 AVL EXCITE™ M과 같은 다물체 동역학 프로그램으로 이전하여 잠재적인 NVH 문제를 사전에 식별하는 4단계 근본 원인 분석을 수행해야 합니다. 이 중 하나의 핵심 작업은 공진 시 발생하는 변형 형태(deformation shape)를 분석하는 것입니다. 공진 및 모드 형상의 상호 영향은 시간 영역 솔루션을 통해서만 제대로 평가할 수 있습니다. EXCITE M은 시간 영역에서 이러한 분석을 수행하여 엔지니어들이 다양한 모드 형태의 상호작용을 확인할 수 있도록 합니다. 이는 설계자가 더 높은 주파수를 처리해야 하는 전동 파워트레인에서 특히 중요합니다.

근본 원인 분석 프로세스는 일련의 핵심 질문에 답해 나가는 방식으로 진행됩니다.

가장 먼저 대답해야 할 질문은 다음과 같습니다: 근본 원인 분석을 수행하고자 하는 임계 회전 속도는 무엇인가?

소음 피크를 줄이는 것이 최종 목표입니다. 이를 위해서는 운전 변형 형상 분석(Operational Deflection Shape Analysis, ODS)이 필요합니다 그림 1에서 이 예제는 두 가지 속도 조건이 분석 대상으로 설정되어 있으며, 그림 1의 시뮬레이션은 하우징 진동과 디퍼렌셜(굽힘 모드) 진동 간의 상호 영향을 보여줍니다. 두 번째 시나리오에서는 샤프트 시스템과 비틀림 시스템이 강조되어 있습니다.

두 번째 질문으로 넘어가 보겠습니다: 식별된 속도에서 어떤 자극 경로가 공진을 유발하나요?

이를 위해서는 수치 전달 경로 분석(NTPA)이 필요합니다. 첫 번째 단계에서는 상호 영향이 있다는 것을 확인했습니다. 해당 진동은 하우징 표면으로 전송되어 소음을 외부로 방출합니다. 이 분석의 목적은 어떤 베어링을 통해 자극이 하우징으로 전달되는지를 규명하는 것입니다. 그림 2를 보면 EXITION M이 이 분석을 통해 제공하는 시각적 결과를 확인할 수 있습니다. 본 예시에서는 베어링 4번과 6번이 가장 강한 진동을 하우징에 전달하는 것으로 나타났습니다.housing.

이러한 분석은 단순해 보일 수 있지만, 베어링 수가 많은 복잡한 시스템에서는 매우 중요한 단계가 됩니다.

세 번째 단계로 넘어갑니다: 공진 주파수에서 어떤 작동 고유 모드가 발생합니까?

이번 단계에서는 다양한 작동 모드에서의 NVH 성능을 자세히 분석합니다. 식별된 임계 주파수에 대해, 각 구성체의 운동 에너지 비율을 분석해야 합니다. 운동 에너지 비율이 낮을수록, 이는 구성체 간 고유 모드 간의 결합(coupling)이 강하다는 의미입니다. 반면 운동 에너지 비율이 높은 경우, 단일 구성체 내에서의 비결합 고유 모드를 나타냅니다.

마지막 질문으로 근본 원인 분석을 마무리합니다: 공명 진동에 가장 큰 영향을 미치는 시스템 모드는 무엇입니까?

이 질문에 대한 답은 조립된 전체 시스템 또는 단일 구성체 내에서의 시스템 모드 기여도를 알려줍니다. 이 단계에서 중요한 것은 문제가 발생하는 주파수에서 각 구성체가 어떻게 진동하는지를 분석하는 것입니다. 특정 속도와 주파수에서 어떤 구성체의 고유 모드가 임계 진동에 기여하는지 확인함으로써, 어떤 구조를 어떻게 수정해야 진동을 줄일 수 있는지 판단할 수 있습니다. 본 예시에서는 해당 분석 결과를 바탕으로 하우징의 구조적 최적화를 수행했습니다.

시스템이 로드되고 실행되는 과정에서 발생하는 현상에 대한 더 깊은 이해를 바탕으로, 다음 단계로 나아가 설계 개선을 진행할 수 있습니다.

다음 최적화 과정에서는 모드를 최대화하거나 등가 방사 전력을 최소화하는 두 가지 방법 중 하나를 선택할 수 있습니다. 목표는 임계 운전 조건에서의 진동을 줄일 수 있는 구조 설계를 도출하는 것입니다.

이 예시에서는 최적화된 하우징을 EXCITE M에서 재검토하여 변경 효과를 면밀히 분석했습니다. 그 결과, 약 5 dB 수준의 진동 피크 감소가 확인되었습니다.

Klarin, B., Resch, T., Grozdanovic, I., 및 Pevec, D., "Root Cause Analysis and Structural Optimization of E-Drive Transmission," SAE 기술 논문 2020-01-1578, 2020: E-드라이브 트랜스미션의 근본 원인 분석 및 구조 최적화