기술 자료실

비접촉 LDV를 활용한 회전 타이어 동특성 분리 측정

전기차 Tire/Road Noise 분석을 위한 회전 의존 모드 추적 방법론
 

자유 회전 중인 타이어를 일정한 에너지로 가진하고,

스캐닝 레이저 도플러 진동계(SLDV)와 디지털 영상 상관법(DIC)을 결합하여, 회전 속도에 따른 모드 분리와 주파수 이동을 정량적으로 관찰한 시험 사례입니다.
 

시험 방법

주요 시험 조건

최근 자동차 NVH 분야에서는 타이어가 유발하는 노면 소음(tire/road noise)에 대한 관심이 더욱 커지고 있습니다.

내연기관 차량에서는 엔진과 파워트레인 소음이 지배적인 경우가 많았지만, 전기차로 전환되면서 기존에 가려져 있던 타이어 소음과 구조 전달 진동이 실내 소음 품질을 좌우하는 주요 요인으로 부각되고 있습니다.

타이어는 단순한 고무 부품이 아니라 공기압, 보강재, 트레드, 사이드월, 림, 접지 조건이 결합된 복합 구조물입니다. 특히 회전 조건에서는 정상파 형태로 보이던 모드가 전진파와 후진파로 분리될 수 있고, 원심 효과 및 자이로스코픽 효과에 의해 고유주파수가 이동할 수 있습니다.

따라서 정지 상태의 모달 특성만으로는 실제 주행 조건의 동특성을 충분히 설명하기 어렵습니다.

타이어 모드 표기

모드 형상은 둘레 방향 파수 n과 단면 방향 파수 a로 구분합니다. n은 타이어 둘레에 형성되는 완전한 파의 수, a는 단면 방향의 파형 수를 의미하며, 속도 변화에 따라 특정 모드가 어떻게 이동·분리되는지를 추적하는 기준이 됩니다.

그림 1. 타이어 모드 형상 표기: 둘레 방향 파수 n과 단면 방향 파수 a

모드 분리가 발생하는 두 가지 원인

그림 2. 변형에 의한 모달 분리(좌)와 회전에 의한 모달 분리(우)

기존 회전 타이어 시험은 드럼의 클리트 또는 거친 노면으로 가진합니다.

실제 주행 조건에 가깝지만 입력 에너지가 회전 속도와 접촉 조건에 따라 달라지고, 접지 패치 변형과 회전 효과가 동시에 포함되어 순수 회전 기여분을 분리하기 어렵습니다.

제안 방법은 접촉하지 않은 자유 회전 타이어에 고무 구를 충돌시킵니다. 

고무 구의 질량과 발사 속도를 일정하게 유지하면 속도 조건이 달라도 유사한 입력 에너지로 가진할 수 있어 응답 변화의 원인을 타이어 동특성 변화로 해석하기 쉬워집니다.

그림 3. 시험 셋업: SLDV, 고속카메라 2대, 고무 구 충격 가진 장치

그림 4. SLDV 측정점(사이드월·트레드)과 DIC 전체장 측정 영역

레이저 도플러 진동계는 표면에서 반사된 레이저의 도플러 주파수 변화를 이용하여 빔 방향의 진동 속도를 측정합니다. 

센서 부착이 필요 없어 타이어 표면의 질량 부하와 케이블 영향을 제거할 수 있으며, 반복 가진을 이용하면 ODS와 모드 형상 추정이 가능합니다.

 그림 5. 25회 비주기 충격에 대한 사이드월 속도 시간 이력

25회 응답이 높은 반복성을 보이며, 평균화를 통해 짧은 충격 이후의 감쇠 응답을 충분한 시간창으로 확보했습니다.

이는 높은 모드 밀도에서 작은 주파수 이동을 식별하는 데 필요한 0.5 Hz 분해능을 유지하는 데 중요합니다.

그림 6. 정지, 1 km/h, 10 km/h 조건의 사이드월 속도 PSD 비교

그림 7. 모드 (2,0)의 속도별 피크 검출 및 분리도

모드 (2,0)은 인접 모드와 비교적 떨어져 있어 단일 지점 PSD만으로도 효율적인 추적이 가능합니다.

그림 8. 모드 (3,0)의 속도별 피크 검출 및 분리도

모드 (3,0)은 속도가 높아질수록 인접 모드와 간섭하거나 결합할 가능성이 커집니다. 이 경우 피크 선택만으로 판단하지 않고 ODS 애니메이션 또는 다점 스캐닝 결과로 진행 방향과 형상을 확인해야 합니다.

DIC는 표면 스펙클 패턴을 고속카메라로 추적하여 전체장 변위를 계산합니다.

SLDV가 높은 주파수 정확도와 속도 응답을 제공하는 반면, DIC는 한 번의 가진으로 수백 개 지점의 3차원 형상을 확보할 수 있어 반복 스캐닝 부담을 줄입니다.

그림 9. 표준 DIC와 증분 DIC의 기준 영상 갱신 방식

그림 10. DIC 데이터의 강체 운동 보상 및 주파수 필터 적용 효과

그림 11. 10, 20, 30, 40 km/h 조건의 Crosspower Sum

그림 12. 30 km/h에서 모드 (2,0)의 후진파와 전진파 모드 형상

운용 모달 해석(Operational PolyMAX)으로 얻은 모드 형상은 SLDV의 ODS와 유사한 주파수 및 진행 방향을 보였습니다.

모드 (2,0)-와 (2,0)+가 서로 반대 방향으로 회전하면서 각각 별도의 고유주파수를 형성하는 것을 확인할 수 있습니다.

그림 13. 개념 타이어 모델, 회전 모드, 회전체동역학 분산 곡선

CAE 모델 검증에 활용되는 항목

적용 가능 분야

이 방법론은 타이어 연구에 국한되지 않고, 회전 중이거나 센서 부착이 어려운 다양한 구조물의 비접촉 진동 계측에도 응용할 수 있습니다. 

특히 LDV는 표면 반사 조건과 측정 방향만 확보되면 접촉식 센서보다 빠르고 안전하게 응답을 취득할 수 있습니다.

• 시험 목적을 정지 모달, 운전 ODS, 회전 속도별 모드 추적 중 무엇으로 설정할지 먼저 구분합니다.

• LDV는 레이저 빔 방향의 속도 성분을 측정하므로 조사 방향과 실제 진동 방향의 정합성을 확인합니다.

• 사이드월의 반사율과 스펙클 상태를 확인하고, 필요 시 반사 테이프·마킹·표면 처리를 계획합니다.

• 스캐닝 포인트 수, 반복 가진 가능성, 기준 신호, 회전 속도 안정화 시간과 안전 인터록을 사전에 정의합니다.

• 모터·베어링·축·지그의 오더 성분이 결과에 포함될 수 있으므로 회전 동기 신호와 비주기 트리거 전략을 함께 설계합니다.

• 단일 피크 분석에 의존하지 않고 PSD, ODS, 모달 파라미터, 속도별 분리 폭을 함께 검토합니다.

방법론의 한계

참고문헌

D. Minervini, D. Mastrodicasa, T. Geluk, E. Di Lorenzo, “Novel methodology for isolating rotational phenomena in tire testing,” Inter-noise 2023, Chiba, Japan.

본 기술자료는 상기 논문의 시험 구성과 결과를 실무 적용 관점에서 재구성한 요약본입니다.