오늘은 회전체의 NVH(Noise, Vibration, Harshness)를 분석하는 오더 트래킹(Order Tracking)에 대해 알아보겠습니다.
WHAT : Order? 그게 뭔데?
Order란, 단위 회전 당 발생하는 event의 수를 말합니다.
회전체에서 주요 소음 성분으로 다루어지는데요.
회전체가 많은 자동차의 경우, 어떠한 소음이 발생 시에 해당 소음은 여러 개의 Order로 구성됩니다.
기준 회전 속도의 특정 배수에 해당하는 주파수를 '차수'라고 표현하며,
1차 Order라고 하면, 기계가 한번 회전할 때 정확히 한번 발생하는 이벤트입니다.
WHO : Order Tracking?
이렇게 소음 성분을 찾아서 어느 회전체에서 발생하는지 분석하는 것을 Order Traking 이라고 하는데요.
예를 들어, 엔진 rpm 증가에 따라 1~3차 등 각 Order의 진동이 어떻게 변하는지 분석하여 특정 Order의 진동이 비정상적으로 과하게 증가한다면 엔진 내부에 특정 부품에 문제가 있음을 알 수 있습니다. 가령 2차 오더가 과도하게 증가한다면 엔진 밸런스 문제에 기인합니다.
WHERE / WHEN : 차량을 예로 들면, 어디에서 언제 Order 성분이 발생하는지?
1. 엔진
엔진에는 크랭크 샤프트와 커넥팅 로드가 있습니다.
크랭크 샤프트 : 엔진의 커넥팅 로드가 부착되는 샤프트로 왕복운동과 회전운동을 변환할 수 있는 기계 부품
커넥팅 로드 : 피스톤의 왕복 운동을 흡수하여 크랭크축에 전달 (크랭크 샤프트의 회전운동이 플라이휠을 회전시켜 차량의 바퀴를 움직이는 것)
보통 엔진은 4행정으로 이루어지는데요. "흡입-압축-폭발-배기"의 과정으로 이루어지는 행정은, 크랭크 축이 2번 회전할 때 모든 행정이 마무리되어 1 cycle을 돕니다. 다만 이 4행정은 실린더 1개만으로는 원활히 구동할 수 없고, 마지막 배기 행정에서 피스톤이 올라오려면 다른 피스톤의 힘이 필요한데요. 4개 기통(실린더)에서 연쇄적인 폭파행정이 일어나며 다른 실린더에 계속하여 힘을 전달해주기 때문에 행정이 유기적으로 일어날 수 있게 됩니다.
4기통 4행정의 경우 4개 기통에서 번갈아가며 1번씩 폭발이 일어나므로, 크랭크 축이 2회전 돌 때 4회의 폭발이 일어납니다. 따라서 Order는 2입니다.
6기통 4행정의 경우 6개 기통에서 번갈아가며 1번씩 폭발이 일어나므로, 크랭크 축이 2회전 돌 때 6회의 폭발이 일어납니다. 따라서 Order는 3입니다.
2. 유압식 펌프
Vane Pump나 Gear Pump의 경우 Vane의 수 또는 Gear의 잇수에 따라 Order가 결정됩니다.
Vane Pump를 예로 들면, 1회전 당 펌프에서 Vane 수 만큼 오일이 토출되며, 이 주기적으로 토출되는 오일이 파이프나 호스에 압력을 가하게 되는 데 이것이 Event가 되어 소음이나 진동을 발생시키는 것입니다.
즉 Vane이 12개인 경우 Order는 12에 해당합니다.
3. 기어
치타음(Rattle Noise)라고 하는 기어가 부딪히는 소리는 기어의 잇수에 비례하며 Order를 생성합니다.
WHY : Order Tracking이 중요한 이유
기계가 속도를 변경할 때(엔진의 rpm이 증가하거나 감소할 때), 각 오더의 진동이 어떻게 변하는지를 분석하여 기계의 상태를 평가하고 문제를 진단하는 것이 가능해지기 때문입니다. 회전체에서 Order 성분이 발생하고, 그 회전체의 속도가 운행 중 계속해서 변화하기 때문이지요.
예를 들어 자동차 엔진은 500~6,000rpm까지 넓은 회전대역을 갖는데 엔진 회전에 영향을 받는 order 성분들도 회전속도에 비례하여 증가합니다. 가령 4기통 4행정 사이클의 경우 C2(Order 2) 성분은 공회전(750rpm) 시 약 25Hz의 주파수의 소리를 발생시키다가 고회전(3,000rpm)까지 변할 경우 회전수에 비례하여 100Hz로 음역대가 이동하여 소리가 발생합니다.
* 공회전 시 25Hz의 주파수를 발생시키는 건 750rpm / 60min * 2/4(2폭발 4회전) * 4(4기통) = 25Hz 라서 그렇습니다.
HOW : Order, 어떻게 확인할 수 있는지?
오더값 = 주파수(Hz) / Revolution per second(rps)
예를 들어 600rpm 제품의 경우, rps는 600rev / 60sec = 10Hz 입니다.
해당 제품에서 20Hz의 신호에 해당하는 오더값은 20Hz / 10Hz = 2 입니다.
주파수에 비례하여 일정하게 큰 성분이 존재한다면 이것이 Order 인데요.
참고로 회전속도에 관계 없이, 하나의 주파수에 큰 성분을 갖는 것은 공진주파수(Resonance Frequency)라고 합니다.
(여담) Harmonic 성분에 대하여
4기통 4행정 사이클 엔진의 경우 C2 성분이 나오는 것은 예측 가능하지만 실제로 계측해보면 C1, C4, C6의 하모닉 성분이 함께 발생합니다. 이는 흔히 발생하는 일인데요.
자동차 내에서 엔진 회전 시 피스톤만 움직이는게 아닌 주위 부품도 진동을 하며 그것들이 노이즈가 되어 피스톤과 같은 위상(Phase)으로 진동하는 것들이 C1, C4, C6의 성분으로 나타나는 겁니다.
다만 피스톤 근처에서 영향을 받으면서 진동하는데 위상이 다를 경우, 그런 것들은 C2.1, C2.3 같은 Order로 구현됩니다.
보통 회전체 설계 시 Order가 중첩되면 소음과 진동이 커지므로 성분을 회피하여 설계하지만(예. 6기통 엔진의 경우 펌프의 Vane 수를 12로 만들지 않음) 우연히 어떤 부품의 위상이 같아질 수도 있습니다.
따라서 C36 성분이 측정되면, 가능한 모든 부품을 검사해야 합니다.