I. 서  론

기술의 완숙 도가 일정 수준에 도달함에 따라 소비자들은 원치 않는 소음 등에 민감하게 반응하게 되었다.^[1] 그 일환으로 타이어, 차체성능, 전기차 등 성능이 향상되면서 차량 내부는 정숙한 수준이 되었으며, 그로 인하여 자동차 실내에서 발생하는 잡음 및 이음이 운전자와 탑승자에게 쉽게 감지되는 상황이 발생하고 있다. 특히 자동차 실내 부품인 도어트림의 경우 운전자와 탑승자 바로 옆에 위치해 어떤 내장재 부품보다 쉽게 운전자에게 소음이 감지되는 부품이다. 그중 도어트림 그립핸들의(Fig. 1 참조) 경우 항시 운전자가 탑승 시 손잡이 개념으로 잡아당기고, 비트는 등 힘을 가하는 부위로 시간이 지나고 환경(고온 및 저온)에 노출되면서 노후화가 서서히 진행되어 조립부위 미세한 변형으로 Squeak & Rattle Noise 유발하는 경우가 빈번하게 발생하고 있다. 당사 ‘A’ 제품의 그립핸들의 경우도 0.02 %(52건/338,444대)필드 클레임이 발생하여 긴급하게 대응했던 사례도 있었다.

Fig. 1.

Shape of door trim grip handle.

본 연구에서는 운전자가 항시 조작하는 도어트림 그립핸들 마찰이음을 사전에 검증하고 개선할 수 있는 시험방법이 시급하다는 것을 알았다. 그리하여 당사에서는 도어트림 그립핸들 VDS/IQS(Vehicle Dependability Study/Initial Quality Study)측면 마찰이음을 사전에 검증하고 개선할 수 있는 시험법 연구를 진행하게 되었다.

II. BSR 품질 현황

2.1 도어트림 그립핸들 BSR 품질 현황

도어트림 그립핸들은 차량 문을 여닫을 시 손잡이 같은 역할을 하는 부위로 항시 힘이 가해지는 부위다. 차량 주행거리 및 연식이 올라갈수록 그립핸들에 내구 열화를 많이 받아 소음이 발생하고 있다. 도어트림 그립핸들 필드 클레임 현상은 사운드 카메라로 가시화한^[2] Fig. 2와 같으며, 실질적으로 소음이 거슬릴 정도로 명확했다. 그립핸들 소음을 사전에 검증할 수 있는 내구 시험법 개발이 시급함을 느끼게 하는 대목이었으며, 시험법 개발을 위해 첫 번째로 BSR(Buzz, Squeak, Rattle)품질 현황을 조사하였다. 필드클레임 문제가 있었던 5 차종을 검토했으며, 그 중 도어트림 그립핸들 조립부위 상대 변위로 인한 소음이 발생한 차종을 집중적으로 검토해 보았다. 검토 결과 Fig. 3과 같이 ‘A’, ‘B’ 2 차종 이 조립부위 매칭 면 상대변위로 인한 소음이 발생했다는 것을 알았으며, ‘A’ 차종은 약 40,000 km 이상 주행 시 소음이 발생하는 내구(VDS)문제 차종, ‘B’ 차종은 약 1,000 km 이하 주행 시 소음이 발생하는 초기(IQS)문제 차종이였다. 이 두 차종은 그립핸들 내구 시험법 개발을 위한 연구 차종으로 선정하게 되었으며, 각 3개의 고품을 가지고 분석을 진행하였다.

Fig. 2.

BSR noise from a door trip grip handle.

Fig. 3.

VDS/IQS field claimed vehicles.

III. 도어트림 그립핸들 내구 시험법 연구

3.1 1차 고품 분석

도어트림 그립핸들 내구 시험 법 개발하기 전 현대/기아자동차 ES(Engineering Standard)^[3] 스펙 ES82301-01 따라 고품 분석 시 필드클레임 현상이 똑같이 재현되지 않겠냐는 의구심을 갖게 되었다. 동일 현상이 재현될 경우 별도의 도어트림 그립핸들 내구 시험법 개발이 필요 없는 상황으로 고품 분석 검증을 진행하게 되었다. Fig. 4는 ES82301-01 검증 결과 종합 내용이며, ‘A’ 내구(VDS)문제 차종은 필드 소음 발생 현상 재현이 안 되었으며, ‘B’초기(IQS)문제 차종은 정치BSR 검증 시 필드 현상이 재현된다는 것을 알 수 있었다. ES82301-01 BSR 시험법은 초기(IQS)소음 검증은 가능하나, 내구 측면의 소음 검출 어려움이 있어 당사에서는 VDS/IQS 측면을 모두 포함해서 소음을 사전에 검증할 수 있는 도어트림 그립핸들 시험법 개발이 필요하였다.

Fig. 4.

BSR test (ES82301-01) results of field claimed product.

3.2 도어트림 그립핸들 내구 시험법 개요

3.2.1 도어트림 그립핸들 사용자 모드 설명

도어트림 그립핸들은 운전자가 차량 문을 여닫을 시 손잡이 같은 역할을 하는 부위로 항시 힘이 가해지는 부위다. 운전자의 힘이 가해지는 모드(mode), 즉 도어트림 그립핸들을 쥐고, 가압하고, 비트는 모드를 반영한 시험방법 고안이 필요하였다. 고품 소음 발생 모드를 검토한 결과 쥐고, 가압할 시 간헐적으로 발생한 소음이 비트는 모드로 검토할 시 명확하고 가혹하다는 것을 알 수 있었다.

3.2.2. 도어트림 그립핸들 Moment 조건

도어트림 그립핸들 비틀림 모드를 고려하여 얼마의 힘으로 그립핸들에 모멘트(moment)를 부여할지가 중요하였다. 해외 OEM(Original Equipment Manufacturing) 도어트림 그립핸들 강성평가, 통계적인 성인남성 아귀힘 등을 고려하여 비틀림 모멘트를 벤치마킹 할 수 있었다. Fig. 5의 자세한 내용과 같이 해외OEM 도어트림 그립핸들 비틀림 강성평가 스펙 분석 결과 10 Nm(200 mm 지점 50 N 적용)의 모멘트 적용하여 검증하고 있었으며, Fig. 6의 내용과 같이 전 산업자원부 기술표준원 자료 검토 결과 성인 남성 최대 아귀힘은 400 N ~ 450 N 수준으로 그립핸들 폭(40.3 mm ~ 50.8 mm)고려 비틀림 하중 계산 결과 10 Nm이라는 것을 알 수 있었다. 해외 OEM, 통계적인 성인남성 아귀힘 자료를 통해 하중조건을 선정 할 수 있게 되었다.

Fig. 5.

Specification of a door trim grip handle strength.

Fig. 6.

Statistical data of grip strength of male.

3.2.3 도어트림 그립핸들 비틀림 내구 횟수 선정

도어트림 그립핸들 비틀림 내구를 얼마의 횟수로 내구시험을 진행할지 주요 관건이었다. 내구 횟수 선정을 위해 현대/기아자동차 ES 스펙들과 WEIBULL 분석을 검토하였다. ES 스펙은 도어트림 내구와 연관성이 있는 스펙들을 분석했으며, 그중 도어트림 암레스트 인장 하중 내구는 100,000회, 도어 개폐 내구 횟수는 일반, 중국, 중남미/인도, 택시사양의 평균을 고려하여 100,000회로 평가를 진행하고 있었다(Fig. 7 참조). 그리고 WEIBULL 분석 결과 시료 수 1개평가시 비틀림 내구회수는 82,000회 이상 필요하다는 결과를 도출할 수 있었다. 그리하여 도어트림 그립핸들 비틀림 내구는 100,000회로 선정하게 되었다(WEIBULL 분석 결과는 VI. 내용 참고.).

Fig. 7.

Selection of door trim grip handle durability test cycle.

3.2.4 도어트림 그립핸들 비틀림 내구 시스템구성

Fig. 8과 같이 도어트림 그립핸들 비틀림 내구 시스템은 그립핸들 사용자 모드를 고려하여 Jig(지그) 설계 및 제작을 하게 되었다. 일반적으로 하중만 반영을 을 하면 비트는 모드가 빠진, 손으로 그립핸들을 쥐는 모드만 반영될 뿐이었다. 그렇게 되면 사용자 모드가 재현이 안될뿐더러 그립핸들 성능 검증이 전혀 안 되는 문제를 초래하게 된다. 그리하여 사용자 모드를 고려해서 모멘트 적용할 수 있도록 지그를 설계 및 제작하게 되었으며, 제작된 지그에 원하는 모멘트를 제어하기 위해 다관절 로봇을 이용하게 되었다. 그리고 내구 시험 중 발생한 소음을 계측하기 위해 가속도 센서 2개와 마이크로폰 1개를 설치하게 되었다.

Fig. 8.

Lay out of torsional durability test for a door trim grip handle.

3.2.5 도어트림 그립핸들 비틀림 내구 프로세스 및 시험법 개발 완료

도어트림 그립핸들 VDS/IQS 고려 비틀림 내구 프로세스 개발 완료 하였으며, 자세한 내용은 Fig. 9와 같다. 그리고 도어트림 그립핸들 비틀림 내구 최종 완성된 시험법은 Fig. 10과 같으며, 실차 필드클레임 현상이 똑같이 재현됨을 알 수 있었다.

Fig. 9.

A test process for a door trim grip handle BSR durability.

Fig. 10.

Demonstration of a door trip grip handle BSR durability test.

IV. 도어트림 그립핸들 내구 시험법 유효성 검증

4.1 2차 고품 분석

개발된 도어트림 그립핸들 내구 시험법을 이용하여 ES82301-01 필드클레임 현상 재현이 안 된 1차 고품(‘A’ 내구(VDS)문제 차종, ‘B’ 초기(IQS)문제 차종)을 이용하여 재검증하였다. ‘A’ 차종은 VDS 문제 차종으로 약 30,000회에서 소음이 시작된다는 것을 알았으며, 그립핸들 조립 매칭 면 상대 변위 발생으로 소음이 발생함을 알 수 있었다(Fig. 11참조). 그리고 ‘B’ 차종은 IQS문제 차종으로 5~10회 내구 시험 시 소음이 바로 발생하였으며, ‘A’ 차종과 마찬가지로 그립핸들 조립 매칭 면 상대변위와 크롬 몰딩 재질 특성으로 소음이 발생함을 알 수 있었다(Fig. 12 참조). 두 차종 재평가를 통해 도어트림 그립핸들 내구 시험법의 유효성을 확인할 수 있었다.

Fig. 11.

‘A’ vehicle verification result (VDS noise).

Fig. 12.

‘B’ vehicle verification result (IQS noise).

4.2 양산 초품을 이용한 고품 현상 재현 및 개선

4.1에서 고품을 가지고 도어트림 그립핸들 내구 시험을 하였기 때문에 필드 현상이 동일하게 재현된 게 아니냐는 의구심을 가질 수 있었다. 그래서 시험 법 유효성 확인을 위해 양산 초품을 이용하여 고품과 같은 현상이 나오는지 추가 검증을 진행하였다. ‘A’, ‘B’ 필드클레임 차종 양산 초품을 수급해서 추가 검증은 진행하였으며, 검증결과 ‘A’ 차종은 약 50,000회에서 고품과 같은 부위에서 소음이 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, ‘B’ 차종은 약 5회 ~ 10회만에 고품과 같은 현상이 발생함을 확인할 수 있었다. 이렇게 도어트림 그립핸들 내구 시험 법을 통해 VDS/IQS측면의 소음을 사전 검증 할 수 있음을 다시 한번 확인 할 수 있었다. 여기서 그치지 않고 추가로 소음이 발생한 부위에 대해 근본개선대책 수립하여 진행하였으며, 대책 안 반영을 통해 유효성 검증까지 진행하였다. ‘A’ 차종은 소음 발생한 조립 매칭 부위에 미세 모공형상 엠보를 적용하여 도어트림 그랩핸들 내구 시험을 재평가를 진행하였으며, Fig. 13의 결과와 같이 소음 미발생함을 확인할 수 있었다. 그리고 ‘B’ 차종도 소음 발생한 조립 매칭 부위에 소음방지 윤활제(anti-friction coating)를 도포하여 Fig. 14의 결과와 같이 소음 개선 효과를 확인할 수 있었다. 그리고 ‘B’ 차종의 경우는 현재도 양산 중인 차종으로 도어트림 그립핸들 내구 시험 법에서 도출한 개선안을 반영하여 소음 개선 효과를 확인했고, 그 결과를 바탕으로 OEM(기아자동차) 담당자들과 실차 50대를 합동평가 진행하였다. Fig. 15와 같이 실차 합동 BSR 평가결과 50대 전부 문제없음을 확인할 수 있었으며, 지금 현재 양산에 문제없이 제품을 생산하고 있다.

Fig. 13.

Torsional durability test result of EMBO improvement.

Fig. 14.

Torsional durability test result of anti-friction coating improvement.

Fig. 15.

Results of joint evaluation of fifty full cars after design improvement.

V. 수평 전개

도어트림 그립핸들 내구 시험법 수평전개를 위한 개발 차종 선정 및 검토 진행하였으며, 차종은 ‘B’ 후속 차종으로 선정하게 되었다.

5.1 수평 전개를 위한 개선안 도출 및 검증

VDS/IQS측면의 소음을 사전 예측하고 예방하기 위해서 ‘B’ 후속 차종 부품별 재질 검토, 개선안 검토를 사전에 진행하였다. 개선 개념 안은 Fig. 16과 같이 기준 개념 포함해서 7가지를 도출하였다. ‘B’ 후속 차종 설계자와 협의를 통해 실질적으로 설계 반영 가능한 수준으로 개선 개념 안 3가지로 간추렸다. 3가지 개선안은 표면처리, 엠보, 윤활제이며 각 개념 안은 시편 단위와 제품 단위로 평가를 진행하였다. 시편평가는 Fig. 17과 같은 Stick-Slip 시험기를 이용하여 재료별 마찰 이음 평가를 진행하였으며, 표면처리 vs 사출 물의 조합으로 총 60회 시편 평가를 진행하였다. 시편은 각 사양 별 4번씩 평가 후 평균치로 위험도(Risk Prioty Numver, RPN) 값으로 평가하였다. 그리고 제품 단위 평가는 도어트림 그립핸들 내구 시험을 이용하여 각 사양 별 1번씩 총 20회 평가를 했다. 종합적인 결과로 시편 단위 평가 시 위험도(RPN) 값이 3이하로 나와 마찰 이음 측면에서 우수하다는 것을 알 수 있었지만, 실질적으로 제품에 반영을 했을 때는 대부분 마찰 이음이 발생함을 알 수 있었다. 이유는 엠보 사양의 경우 2 mm 이상의 너비가 확보되어야 유효성 확인이 가능하나 ‘B’ 후속 차종의 경우 너비가 2 mm 미만으로 아주 협소한 공간이어서 엠보 효과를 보지 못하고 마찰 소음이 발생함을 알 수 있었다. 반면에 소음방지 윤활제의 경우는 시편과 제품 평가 시 마찰 이음이 동시에 미발생 됨을 확인할 수 있었으며, 소음방지 윤활제는 공간 제약이 없어 시편과 제품 단위 동일 경향의 결과값이 나온다는 사실을 알 수 있었다. 그리고 설계 사양까지 만족하게 해 최종 개선안으로 선정될 수 있었다. Fig. 18의 자세한 시편과 제품 단위 평가 결과를 참고 바라며, ‘B’ 후속 차종에 사전 수평전개 검증을 완료할 수 있었다.

Fig. 16.

Seven ways to improve the ‘B’ following-up vehicle.

Fig. 17.

Stick-slip test equipment for evaluation of BSR performance (of specimens).

Fig. 18.

Stick-slip specimens test and product durability test results of ‘B’ following-up vehicle.

5.2 후속 차종 수평 전개 결과

‘B’ 후속 차종 Figs. 19와 20과 같이 수평전개 검증 결과를 진행해 봤다. ‘B’ 후속 차종은 현 수준부터 최종 선정된 개선안까지 반영하여 검증을 완료하였다. ‘B’ 후속 차종 현수준 검증 결과 약 80,000회에서 그립핸들 마찰이음이 발생하였으며, 소음 원인은 그립핸들 매칭 구조의 상대 변위 발생으로 소음이 발생함을 알았다. 5.1에서 설명하였듯이 최종 선정된 개선안인 소음방지 윤활제 적용으로 개선안 유효성 평가를 진행하였으며, 검증 결과 마찰 이음 없이 도어트림 그립핸들 내구 성능 합격함을 알 수 있었다. ‘B’ 후속 차종은 도어트림 그립핸들 내구평가 최종 검증 내용을 제품에 전부 반영 완료하여, 선행양산까지 완료하였으며, 2018년 5월 1일부로 양산을 진행하게 되었다.

Fig. 19.

Torsional durability test result of ‘B’ following-up vehicle.

Fig. 20.

Torsional durability test result of anti-friction coating improvement.

5.3. 도어트림 그립핸들 내구 시험 검증 프로세스

도어트림 그립핸들 내구 시험법은 고품을 이용한 시험법 개발, 후속 차종에 대한 수평전개를 통해 시험검증에 대한 유효성 확인 완료하였다. 이 시험법은 당사 스펙, 당사 TDP(Test Development Process), 특허 출원 완료 하였으며, 현재 당사에서 개발되는 모든 도어트림 그립핸들평가에 확대 적용 진행 중이다.

VI. 도어트림 그립핸들 내구 시험법 WEIBULL 분석

추가로 도어트림 그립핸들 내구횟수, 시험 시료 수 결정을 위해 WEIBULL 분석을 통해 확인 검증을 진행하였다. WEIBULL 분석을 위해 ‘A’ 차종 6개 샘플 양산 초품을 이용하였다. 도어트림 그립핸들 내구 시험을 통해 6개 샘플 고장 발생 시간을 측정하였다, 40,000회, 49,000회, 51,000회, 70,000회, 47,000회, 56,000회 고장 발생 기간을 관측할 수 있었으며, 측정된 6개 샘플의 고장 발생 시간을 MINITAB WEIBULL 함수를 이용해 분석해 봤다. 고장 발생 시간은 분석 결과 형상 모수가 β=5.95 확인하였으며, 고장 모드 부문 확인 결과 β>1 이상으로 마모 고장 발생 가능성이 있다는 것을 알 수 있었다(Fig. 21 참조). 그리고 WEIBULL 함수를 이용하여 시료 수 1개 일 때 필요한 내구 회수를 계산한 결과 82,000회 이상의 내구 횟수가 필요하다는 것을 알 수 있었다[방정식 (1) 참조].

Fig. 21.

Analysis of failure mode using MINITAB WEIBULL.

     (1)

역으로 100,000회 내구가 필요할 경우 필요한 시료 수를 계산해 본 결과 0.31개 즉 1개가 필요하다는 것을 산술적으로 확인할 수 있었다[방정식 (2) 참조].

     (2)

결과론적으로 3.2.3에서 언급했던 도어트림 그립핸들 내구 횟수와 WEIBULL 분석에서 나온 수치가 유사 경향임을 확인할 수 있었다.

VII. 결 론

본 연구에서는 도어트림 그립핸들에서 발생하는 마찰 이음 소음 문제를 사전에 예측하고 개선할 수 있는 내구 시험법 개발 및 개선연구에 대해 살펴보았다. 본 연구를 통해 아래와 같은 결론을 내릴 수 있게 되었다.

1) VDS/IQS고려 강건설계를 위한 도어트림 그립핸들 내구 시험법 개발을 할 수 있게 되었으며, 이 시험법을 통해 내구 측면을 고려한 BSR강건설계 tool을 확보할 수 있게 되었다.

2) ‘B’ 후속 차종 수평전개를 통해 VDS/IQS측면 도어트림 그립핸들 BSR 사전 문제점 검증 확인 및 근본 개선안 반영 완료 할 수 있게 되었다.

3) 도어트림 그립핸들 내구 시험법 도입을 통한 그립핸들이 있는 전 차종 강건 설계 방안 제시 할 수 있게 되었으며, 향후 그립핸들 필드클레임은 미발생 될 것으로 예상하고 있다.

4) 도어트림 그립핸들 BSR소음 고려 대표적인 설계 개선 방안은 그립핸들 조립 면 2 mm 이상의 너비 확보가 필요하며, 확보된 너비에 엠보 또는 소음방지 윤활제 도포를 선반영을 권장한다.