2022.10.27 현대자동차
현대자동차 아이오닉 6의 이상적인 승차감은 어떻게 탄생했을까?
전기차라고 해서 승차감이 불편하고 외부 소리가 더 잘 들릴까? 우수한 승차감으로 주목받고 있는 아이오닉 6를 경험하면 생각이 달라질 게 분명하다. 아이오닉 6의 승차감을 완성한 담당 연구원에게 비결을 물었다.
현대자동차의 2번째 전용 전기차인 아이오닉 6를 경험한 이들 사이에서 회자되는 이야기가 있다. 승차감이 좋고, 굉장히 조용해서 운전하는 내내 편안했다는 내용이다. 일반적으로 전기차는 엔진 소음이 없어서 주행 중 노면 소음 및 풍절음이 잘 들리고, 무거운 배터리를 탑재했기 때문에 승차감이 단단하고 묵직할 것이라고 생각하기 쉽다. 하지만 개인의 라이프스타일에 최적화된 ‘나만의 공간’을 목표로 개발된 아이오닉 6는 우수한 NVH 성능, 편안한 승차감과 역동적인 주행 성능을 위한 서스펜션 세팅에 주력해 다른 전기차와 차별화를 이뤄냈다. 담당 연구원(현대차 소음진동시험2팀 김의제 책임연구원, R&H시험1팀 서재욱 책임연구원)을 만나 아이오닉 6의 뛰어난 정숙성과 아늑한 승차감을 어떻게 구현했는지 알아봤다.
편안한 승차감과 역동적인 주행 성능의 양립을 완성하다
Q. 전기차는 무거운 배터리 때문에 대체로 승차감을 단단하게 세팅하는 걸로 알고 있다. 아이오닉 6의 서스펜션 셋업 방향은 어떻게 이뤄졌나?
서재욱 책임 | 아이오닉 6는 프로페시 콘셉트의 매끈하고 날렵한 실루엣을 계승하는 스포티한 세단 디자인에 걸맞게 역동적인 주행 성능을 목표로 개발했다. 후륜 서스펜션의 부시 강성을 아이오닉 5보다 높여 운전자가 조작하는 대로 차가 일체감 있게 반응하고 움직이도록 구현했다. 또한 무거운 전기차 배터리로 인한 낮은 무게중심과 세단의 낮은 자세, 여기에 더해 롤 거동(차의 좌우가 위아래로 움직이는 현상)을 억제해주는 스태빌라이저(stabilizer) 바의 강성을 높임으로써 스포츠카 수준의 민첩한 움직임을 보일 수 있도록 개발했다. 덕분에 아이오닉 6는 중형 패밀리 세단의 크기를 가졌지만, 운전해보면 다루기 즐겁다는 느낌을 받을 수 있을 것이다.
일반적으로 동급의 내연기관차보다 훨씬 무거운 전기차는 주행 안정성을 제어하기 위해 서스펜션을 단단하게 세팅한다. 더욱이 아이오닉 6는 운전의 즐거움을 위한 핸들링 성능을 높이고자 상대적으로 더 단단한 서스펜션 셋업이 필요했고, 이로 인해 승차감이 다소 딱딱해질 수밖에 없는 상황이었다. 하지만 전륜 서스펜션에 수직형 하이드로 로워암 G부시와 주파수 감응형 고성능 쇽업소버(Selective Damping Control, 이하 SDC3)를 적용해 역동적인 핸들링 성능을 유지하면서 편안한 승차감을 만들 수 있었다.
Q. 아이오닉 6에 현대차 최초로 적용한 수직형 하이드로 로워암 G부시의 특징과 적용 효과에 대해 좀 더 상세한 설명 부탁드린다.
서재욱 책임 | 하이드로 부시는 일반적인 고무 재질의 부시와 달리 내부에 액체를 봉입해 고무의 탄성과 액체 유로의 저항력을 효과적으로 결합한 것이다. 일반 고무 부시는 탄성이 강해 노면 요철에 의한 진동을 줄여주는 효과의 한계가 낮지만, 하이드로 부시는 액체가 유로를 지나갈 때 높은 저항을 만들어 노면 진동을 더욱 효과적으로 감쇠(힘을 줄이는 일) 시킬 수 있다. 즉, 바퀴를 타고 올라오는 노면 진동을 서스펜션에서 더 많이 흡수함으로써 운전자에게 전해지는 진동과 충격을 줄이고, 나아가 쾌적하고 편안한 승차감을 얻을 수 있어서 일부 고급차에 활용하는 부품이다.
현대차 최초로 적용했다는 내용은 수직형 타입의 하이드로 G부시를 처음 적용했다는 뜻이며, G부시는 로워암의 뒤쪽에 장착되는 부시를 가리킨다. 수직형 하이드로 부시는 내구성을 비롯해 진동 저감 및 핸들링 성능 향상 등 부시에 필요한 여러 성능을 이상적으로 구현하기가 굉장히 어려운 구조다. 하지만 아이오닉 6는 우수한 승차감과 민첩한 핸들링 성능의 양립을 달성하기 위해 하이드로 부시의 설계를 8번이나 개선하고 평가를 반복하는 과정을 거쳐 최종 목표로 했던 성능을 구현했다. 승차감에 그리 민감하지 않은 일반인도 아이오닉 6의 노면 진동 저감 성능이 매우 우수하다는 것을 알아차릴 수 있을 정도라고 말할 수 있다.
Q. 주파수 감응형 고성능 쇽업소버(SDC3)는 기존 내연기관차에 적용한 것과 같은 사양인가? 이를 아이오닉 6에 최적화하기 위한 별도의 셋업은 어떻게 이뤄졌나?
서재욱 책임 | 아이오닉 6의 SDC3는 겉보기에는 기존과 같은 부품이지만, 최적화를 위해 내부 구조를 다르게 개발했다. 일반적으로 쇽업소버는 요철을 지나거나 코너를 돌 때 차가 위아래로 흔들리는 현상을 잡아주는 역할을 하는데, 동급 내연기관차보다 훨씬 무거운 전기차는 중량에 의해 위아래로 움직이는 에너지가 커서 기존의 유압 쇽업소버로는 움직임을 제어하는 데 한계가 있기 때문이다. 이럴 경우 고속도로 이음매를 빠르게 지날 때 차가 위로 뜨거나 허둥대는 것처럼 안정적이지 않다는 느낌을 받을 수 있다.
SDC3는 기존 쇽업소버의 피스톤 로드 내부에서 쇽업소버 움직임의 속도를 제어하는 고정 밸브 아래로 주파수 감응형 밸브를 추가한 구조다. 아울러 기존 피스톤 로드 내부의 오일이 주파수 감응형 밸브의 챔버(내부 공간)로 이동할 수 있도록 새로운 유로를 적용했다. 그 결과, 저주파 거동이 발생할 때 감쇠력을 추가로 높여주는 효과를 구현할 수 있었다.
주파수 감응형 밸브는 진동의 주파수에 맞춰 감쇠력을 조절해 서스펜션 스프링이 압축됐다가 다시 늘어날 때의 리바운드 현상을 효과적으로 제어한다. 즉, SDC3는 승차감과 핸들링 성능을 동시에 높이기 위해 개발한 부품으로, 전기차인 아이오닉 6의 승차감과 주행 성능에 최적화하기 위해 주파수 감응형 밸브를 설정하고 고정 밸브를 보완하는 형태로 다듬었다. 아이오닉 6는 아이오닉 5보다 민첩한 핸들링과 고속에서의 안정적인 승차감을 갖추는 게 목표였으며, 이 과정에서 차의 조작 반응이 느려지거나 승차감이 너무 거칠어지면 두 밸브의 균형을 조절하며 최적점을 찾아가는 방향으로 개발했다.
Q. 하이드로 부시와 SDC3 외에도 아이오닉 6의 우수한 승차감을 완성하기 위해 어떤 점을 개선했는가?
서재욱 책임 | 편안한 승차감은 운전자가 시트에서 느끼는 진동이나 충격뿐만 아니라 스티어링 휠을 잡고 있는 손의 감각을 통해서도 그 차이를 느끼게 된다. 손은 매우 민감하기 때문에 지속적인 진동이나 이질적인 충격이 전해지면 운전자는 이 또한 불쾌한 승차감이라고 느낀다. 아이오닉 6는 스티어링 휠의 진동을 줄이기 위해 스티어링 휠 컬럼의 중앙에 베어링을 추가해 스티어링 휠 지지 강성을 높였다. 덕분에 불필요한 노면 충격에 의한 스티어링 휠의 흔들림을 줄여 한결 고급스러운 승차감을 구현했다.
Q. 아이오닉 6의 R&H 성능 테스트는 어떤 과정으로 이뤄졌는가?
서재욱 책임 | 일상적인 코너 주행에서도 운전의 즐거움을 제공하기 위해 남양기술연구소의 서킷 코스뿐만 아니라 국내의 수많은 와인딩 코스에서 테스트를 진행했다. 빠른 속도로 달리지 않더라도 크고 작은 코너에서 안정적인 움직임과 일체감 있는 반응을 구현하기 위해 아이오닉 6의 SDC3 쇽업소버를 세밀하게 조절하고 다시 코스 주행을 이어가는 작업을 반복했다. 또한 극한의 주행 상황에서도 우수한 승차감을 유지할 수 있도록 유럽기술연구소와 협업해 속도 무제한 도로인 독일 아우토반에서 고속 주행 안정성을 검증하고 끊임없이 소통하며 완성도를 높였다.
조용하고 아늑한 공간을 완성하는 아이오닉 6의 NVH 성능
Q. 전기차의 강점인 정숙성을 강조하기 위해서는 노면 소음과 풍절음에 대한 대비가 더 확실해야 할 것 같다. 아이오닉 6의 우수한 승차감을 구현하기 위해 어떤 부분에 주력했는가?
김의제 책임 | 아이오닉 6는 전기차 전용 플랫폼인 E-GMP를 기반으로 개발된 차다. 그렇기 때문에 경쟁사 대비 우월한 성능을 보유하고 있으면서, 같은 플랫폼을 공유한 현대차 아이오닉 5, 기아 EV6와 동등한 수준의 NVH 성능을 목표로 개발했다. 같은 플랫폼에서 개발된 서로 다른 내연기관차가 많은 부품을 공유하지만 세밀한 튜닝을 거쳐 조금씩 다른 특성을 갖추듯이, 아이오닉 6는 개발 초기부터 NVH 관련 플랫폼 개선안을 미리 반영해 기본 성능을 확보했고 전기차 세단의 특화 요소에 대한 세밀한 성능 검증을 거쳐 완성도를 높였다.
완성차의 NVH 성능에 영향을 주는 요소는 다양하다. 이 때문에 아이오닉 6를 구성하는 섀시, 차체, 내장 시스템을 통합했을 때 주파수별로 시스템 구성 요소들에 미치는 영향을 분석해 각 시스템의 NVH 성능이 균형 있게 조화를 이루도록 개선했다. 또한, 현지 평가 활동을 강화해 다양한 주행 환경에서 발생할 수 있는 문제점을 미리 파악한 뒤 사전에 개선했고, 현지 엔지니어의 의견을 개발 과정에 적극적으로 반영했다.
Q. 전기차의 경우 소음과 진동을 만드는 가장 큰 원인은 무엇이며, 이를 위한 대책은 어떻게 준비했는가?
김의제 책임 | 엔진이 없는 전기차는 상대적으로 실내에서 타이어 소음이 부각되므로, 타이어와 노면 접촉면에서 발생하는 소음과 진동이 실내로 전달되는 로드 노이즈 개선이 중요하다. 아이오닉 6는 로드 노이즈를 개선하기 위해 노면 가진력(물체에 진동을 일으키는 근원적인 힘의 크기)의 전달 경로를 따라 타이어 소음 저감, 서스펜션 진동 저감, 차체 강성 향상, 내장재 흡차음 성능 향상 방안 등을 모두 검토하고 개발했다. 타이어 소음을 줄이기 위해 아이오닉 6에는 타이어 내부의 공명음을 최소화하는 흡음재를 부착한 전기차 전용 타이어를 적용했다.
또한 아이오닉 6에는 다른 E-GMP 기반의 전기차와 마찬가지로 기존에 하나였던 상단의 카페트와 하단의 디커플러를 별도로 분리한 전면 분리형 카페트를 적용했다. 자동차 바닥의 강철판(플로어 패널) 위에 설치하는 카페트는 소음 차단을 위해 그 자체로 두껍고 단단하게 만들어져서 플로어 패널에 완전히 밀착할 수 없지만, 얇은 직물 소재로 이뤄진 하단의 디커플러는 잘 구부러지기 때문에 플로어 패널의 형상 그대로 밀착할 수 있다. 디커플러는 플로어 패널이 진동하면서 나는 소음을 줄여주며, 아이오닉 6의 패널 형상에 맞게 최적화 과정을 거쳤다.
기존에 하나였던 부품을 2개로 나눈 덕분에 중량과 원가 상승 없이 소음 및 진동을 줄여주는 효과는 높아졌다. 부품 생산 공정이 늘어난다는 문제가 있었지만, 아이오닉 6의 NVH 성능을 높이겠다는 공동의 목표와 생산팀과의 원활한 협의가 있었기 때문에 결국 양산에 성공할 수 있었다. 전면 분리형 디커플러는 로드 노이즈 성능을 강화하는 요소로 점차 확대 적용하고 있다.
Q. 타이어를 타고 실내까지 전달되는 소음과 진동을 줄이기 위해서는 서스펜션 차원에서의 대책도 필요했을 듯하다.
김의제 책임 | 서스펜션은 타이어와 차체 사이에 위치하기 때문에, 서스펜션 공진 현상에 의해 특정 주파수에서 차체에 전달되는 노면 가진력이 커질 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 리어 크로스멤버에 다이내믹 댐퍼를 적용하여 공진 진동을 저감했다. 한편, 차체 강성을 높이는 것도 차체에 전달되는 가진력을 줄여 로드 노이즈를 개선하는 효과적인 대책이다. 아이오닉 6는 차체 강성을 높이는 동시에 충돌 시 차체 변형을 최소화하기 위해 핫스탬핑 적용 부위를 늘리고 비틀림 강성도 높였다. 아울러 리어 쇽업소버를 타고 올라오는 진동을 줄이기 위해 쇽업소버가 연결되는 부위의 차체 강성을 높이면서 주변부 패널 울림도 줄여주는 별도의 보강재를 적용했다.
Q. 전기차는 다른 소음을 가려주던 엔진음과 배기음 등이 사라진 대신, 타이어 및 노면 소음을 비롯해 다른 소음이 더 잘 들릴 텐데, 다른 부분에서의 대책은 어떻게 마련했는가?
김의제 책임 | 전기차는 파워트레인 대신 전기 모터, 인버터, 감속기로 이뤄진 PE(Power Electric) 시스템이 있다. 엔진보다는 덜하지만 이런 부분에서도 소음과 진동은 발생하기 마련이다. 아이오닉 6는 PE 소음을 줄이기 위한 다양한 대책을 적용했는데, 대표적인 것이 뒷좌석 러기지 파티션(선반 역할의 차단막) 하부에 별도의 어퍼 트림을 적용한 경우다.
아이오닉 6는 세단형 전기차이기 때문에 여느 세단과 마찬가지로 뒷좌석 탑승자의 머리 뒤로 작은 짐을 올려둘 수 있는 선반이 있다. 탑승 공간과 트렁크 공간을 분리하는 동시에 트렁크를 통해 유입되는 PE 소음을 차단하기 위해 선반 하부에 흡음재가 부착된 별도 트림을 장착했다. 이와 함께 또 다른 PE 소음의 유입 경로인 벤트홀(환기 구멍)의 위치를 뒷좌석 탑승자 귀 근처에서 후방으로 옮겨 환기 성능을 유지하면서도 NVH 성능을 개선했다. 또한 전력을 이용하는 모터의 특성상 차체에 부착되는 별도의 접지선이 필요한데, 이 접지선을 통해 유입되는 PE 소음을 저감하기 위해 진동 저감 성능이 우수한 편조 접지선(부드러운 나동선이나 주석도금 처리된 구리소선을 여러 가닥으로 꼬아 평형으로 짜내는 선)을 사용했다.
사실 부품을 해체하지 않고는 눈으로 직접 볼 수 없지만, 차체 곳곳 여러 부품에 소음과 진동을 줄이기 위한 방편이 마련돼 있다. 사이드미러를 통해 유입되는 흡출음(차의 안팎을 구분하는 틈 사이로 공기가 누설될 때 나는 소음)을 저감하기 위해 안쪽의 전원 케이블을 부드러운 소재로 감싸고 연결 부품 사이의 공간에 흡음재를 적용하는 등 꼼꼼한 마감 처리를 통해 바람 소리를 줄이는 데 주력했다. 차체와 사이드미러 연결부의 두께를 줄이고 사이드미러 커버 형태를 개선한 것도 풍절음에 대한 대책이다. 아울러 스티어링 휠의 혼 커버 안에는 운전 중 손으로 느낄 수 있는 주행 진동을 줄여주는 다이내믹 댐퍼가 장착돼 있다. 이러한 요소들이 모두 E-GMP 기반의 전기차에 공통적으로 적용되는 NVH 요소들이다. 차종마다 조금씩 다르지만 동등한 NVH 성능을 개발하기 위해 적용한 것들이다.
Q. 차체 주변을 흐르는 바람 소음을 줄이기 위해 적용한 NVH 요소에 대한 특징도 설명 부탁드린다.
김의제 책임 | 앞서 말한 사이드미러 부위의 대책과 더불어 앞 창문과 옆 창문에 이중 접합 차음 유리를 적용해 상부의 풍절음을 줄였다. 옆 창문의 유리 두께는 4T(4mm)로 변경해 차음 성능을 강화했다. 측면 유리와 더욱 밀착될 수 있도록 도어 안팎 벨트의 형상을 변경한 것도 도어를 통해 유입되는 바람 소리를 줄여주는 개선안이다. 차체 하부를 지나는 바람 소리를 줄이기 위해 배터리 앞뒤로 장착한 언더커버 또한 대표적인 NVH 요소 중 하나다. 언더커버는 바람 소음도 줄여주지만, 차 아래로 흐르는 공기가 차 뒤쪽으로 원활하게 흘러 나가도록 도와줘 공력 성능 향상에도 이상적인 요소다. 차체 하부의 전면을 감싸는 언더커버의 경우 공력성능개발팀과의 협업을 통해 완성할 수 있었다.
사진. 최대일, 김범석
