1.1연구 배경 최근 자동차 개발에서 주요시 하는 5대 성능은 내구, 연비, 승차감, 충돌, NVH (Noise Vibration Harshness)이다. 현재 자동차 업계에서는 배기가스 규제와 더불어 소음 관련 규제들이 늘어가는 추세이기 때문에 NVH에 관한 성능적인 측면을 소홀이 할 수 없는 중요한 성능으로 대두되고 있다. 또한 자동차의 전반적인 구조 경량화 및 고효율화를 추구하기 때문에 엔진의 가진력 또한 많이 증가 하는 추세이며 이로 인하여 주파수 특성이 매우 복잡해지는 경향을 보이며 기존에 사용하던 방식으로 진동을 저감하는 방식은 한계점을 보이고 있다. 따라서 스마트 스트럭쳐 기반 능동형 엔진 마운팅 시스템은 ...
1.1연구 배경 최근 자동차 개발에서 주요시 하는 5대 성능은 내구, 연비, 승차감, 충돌, NVH (Noise Vibration Harshness)이다. 현재 자동차 업계에서는 배기가스 규제와 더불어 소음 관련 규제들이 늘어가는 추세이기 때문에 NVH에 관한 성능적인 측면을 소홀이 할 수 없는 중요한 성능으로 대두되고 있다. 또한 자동차의 전반적인 구조 경량화 및 고효율화를 추구하기 때문에 엔진의 가진력 또한 많이 증가 하는 추세이며 이로 인하여 주파수 특성이 매우 복잡해지는 경향을 보이며 기존에 사용하던 방식으로 진동을 저감하는 방식은 한계점을 보이고 있다. 따라서 스마트 스트럭쳐 기반 능동형 엔진 마운팅 시스템은 마운트 동특성을 연속적으로 제어하여 다양한 운전조건에서도 NVH 성능을 개선할 수 있는 핵심 기술로서 엔진 지지의 정강성 및 동강성을 동시에 실현하는 기존 마운트 기술의 대체로 주목 받고 있다.
1.2 국내·외 연구사례 이러한 한계점을 극복하기 위해 스마트 스트럭쳐를 사용해 차량 엔진에 부착되는 마운트를 제작하여 진동 제어를 목적으로 New controllable engine mounting system에 대하여 Juncheol Jeon et al 에 의하여 개발되었다. [1] 3개의 마운트를 가진 엔진을 6자유도로 고려하여, 이에 대한 응답을 수치적으로 분석하였으며, 엔진 마운팅 시스템을 개발하여 비교하였다. magnetorheological fluid actuator를 roll mount용으로 사용하였고, piezo stack actuator를 RH mount용으로 사용하여 제작하였다. 따라서 이 New engine mounting system을 사용하면 750r/min의 엔진 속도에서 30%, 2000r/min의 엔진 속도에서 17%가 개선됨을 보여주었다. 또한 구급차 bed stage에 장착하여 운행 중에 생기는 vertical, rolling 및 pitching에서 생기는 진동을 감소시켜 환자의 불편함을 해소하기 위해 MR damper를 사용해 진동을 저감시키는 것에 대하여 Hee Dong Chae 및 Seung-Bok Choi에 의하여 개발되었다. [2] 이 damper의 경우 MR 유체의 field-dependent 유동학적 특성을 기반으로 하여 디자인 및 고안되었으며 damping force의 특성은 전류 함수로서 평가되었다. sliding mode controller를 사용하여 제어하였으며, controller는 bed stage의 동적인 움직임을 기반으로 하였으며 진동 성능은 vertical 및 pitch 방향에서 평가하였다. MR 유체를 사용함으로 입력 전류에 따라 진동에 대한 응답이 감소함을 보여준다. Mohammad Elahinia et al은 엘라스토머 및 유압 마운트는 전원 스위칭과 관련된 충격 및 진동은 광범위 한 주파수를 발생시키지만 이를 완전히 격리할 수 없다는 입증을 바탕으로 하여 magnetorheological 과 electrorheological fluids를 사용하여 충격 및 진동 절연에 있어 새로운 반 능동형 액츄에이터에 대하여 제시하였다. [3] Fabian Hausberg et al은 AEMs(Active engine mounts)의 2차 경로 변화에 대한 비선형성, 부품 온도 및 예압 변화에 대한 부분을 이론적 및 실험적으로 분석을 하였으며, Fx-LMS 알고리즘을 이용하여 AEMs의 active dynamic 특성에 대하여 예측하였다. [4] 발사체와 인공위성은 비행 중 기체가 분리되며 발생하는 pyroshock는 기체 전기 부품에 오작동을 일으킬 수 있어 Ho-Kyeong Jeong et al은 형상 기억 합금의 유사 탄성을 이용하여 충격 절연체를 만들었으며 이를 통하여 주파수 튜닝을 용이하게 하였다. [5] 새로운 MS-NS(magnetic spring with negative stiffness)를 사용하여 진동 절연체 또한 개발되었다. 이는 high-static-low-dynamic stiffness의 특성을 가진다. MS-NS의 효과와 정확성을 입증하기 위해 이를 부착한 상태와 부착하지 않은 상태에 대한 전달성을 측정하여 비교하였다. 제안된 MS-NS 진동 절연체는 고유 주파수를 낮출 수 있음을 증명하였다. [6] 차량의 엔진 마운트로 사용 될 솔레노이드 액츄에이터를 최종 생산 원가에 중요한 역할을 하는 힘에 대한 사용방법을 Masih Hosseini et al이 연구하였다. 솔레노이드 액츄에이터를 비선형으로 모델링을 하였고, 이를 바탕으로 차량의 엔진 마운트 형태로 액츄에이터를 제작하였다. 실험을 통하여 동적 강성 변화에 대한 실험을 하였고, 솔레노이드의 비선형 방정식이 특정 적용 분야에서 선형화 될 수 있음을 입증하였으며, 저비용 능동형 엔진 마운트 설계에 적용하였다. [7] PZT(Piezoelectric)의 저전력, 빠른 반응력의 특성을 가지고 자동차 엔진 마운트 액츄에이터를 Li Sui와 Xin Xiong, Gengchen Shi에 의하여 디자인 및 제작이 되었다. [8] 액츄에이터는 조성방정식을 이용하여 PZT의 변형되는 길이를 계산하여 개수를 정하여 만들었으며, 시뮬레이션을 통하여 단일 주파수에서 크게 저감되는 성능을 보여 주었다. 차량의 엔진 마운트를 액츄에이터와 점성 댐퍼를 직렬로 연결하여 Roman Kraus et al이 제작, 실험을 하였다. [9] 실험을 할 때 FxLMS 알고리즘을 사용하여 질량에서 발생한 신호를 제작한 액츄에이터에 신호를 넣어 제어를 하여 주었으며, 실험을 통하여 소음과 진동이 줄어드는 것을 보여주었다.
1.3 연구 목적 위의 연구 사례를 살펴보면, 여러 종류의 스마트 물질을 사용하여 진동을 절연하기 위해 많은 연구가 진행됨을 볼 수 있다. 진동 절연을 위해 주로 사용된 물질로는 MR 유체와 ER유체로 볼 수 있다. 하지만 유체의 성질에 의하여 광범위한 진동에 대한 절연은 어려우며, 좁은 대역의 특정 진동에 대하여 절연이 가능하다. 또한 이러한 점을 보완하기 위해 피에조 액츄에이터를 점성 뎀퍼와 직렬로 연결하여 액츄에이터를 만든 사례도 볼 수 있다. 액츄에이터에 대한 입력 신호 또한 Fx-LMS를 사용하여 신호를 트레킹 한 신호를 사용하여 진동 절연을 하였다. 전체적인 실험을 보면 단일 주파수와 특정한 좁은 대역에서 실험이 진행되었다. 하지만 최근의 전기 자동차, 하이브리드 자동차들의 엔진에서는 복잡한 스펙트럼을 가지는 진동과 소음을 유발하며, 기존의 절연 방식인 구조변경을 통한 절연에도 한계가 있다. 따라서, 위에서 제안된 액츄에이터들이 가지는 유체의 특성에 제한을 받지 않고 넓은 대역의 진동 및 소음을 절연 할 새로운 액츄에이터에 대한 연구 및 개발이 이루어져야 한다. 따라서 본 연구에서는 어떠한 물체의 특성에 제한을 받지 않으며 넓은 대역에서의 진동 및 소음을 절연할 액츄에이터에 대하여 제안하며, 이게 맞게 피에조 액츄에이터와 고무 마운트를 결합한 액츄에이터에 대하여 제안하였다. 제안된 액츄에이터는 source-path-receiver의 구조를 바탕으로 하여 source에서 발생하는 진동이 path에 존재하는 액츄에이터를 통해 receiver에 전달되는 진동이 얼마나 감소하는지에 대하여 보여준다. 본 논문의 구성은 2장에서 2개의 경로를 가지는 바 형태의 6자유도를 통해 단일주파수를 가지는 sinusoid를 가할 때 계산에 의하여 도출되는 액츄에이터의 진폭과 위상을 사용해 저감 되는 정도를 보여주며 또한, NLMS를 사용하여 저감되는 경우도 보여준다. 다주파를 가지는 AM 및 FM신호를 가할 경우 Multi-NLMS를 통하여 신호를 트레킹 후 액츄에이터의 입력신호로 사용하여 어느 정도 저감이 되는지 시뮬레이션을 통해 보여준다. 3장에서는 실제 엔진과 결합하는 3개의 마운트를 모사하여 3개의 경로를 가지는 플레이트 구조에 대하여 모델링 하였으며 2장과 같이 시뮬레이션을 하였다. 또한 원리 실험 셋업을 통하여 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 4장에서는 9자유도에 대한 플레이트 구조를 모델링 하였고 시뮬레이션을 하였다. 각 장에서 시뮬레이션에 대한 분석을 하였고, 5장에서는 결론 및 향후 연구방향에 대하여 논의할 예정이다.
1.1연구 배경 최근 자동차 개발에서 주요시 하는 5대 성능은 내구, 연비, 승차감, 충돌, NVH (Noise Vibration Harshness)이다. 현재 자동차 업계에서는 배기가스 규제와 더불어 소음 관련 규제들이 늘어가는 추세이기 때문에 NVH에 관한 성능적인 측면을 소홀이 할 수 없는 중요한 성능으로 대두되고 있다. 또한 자동차의 전반적인 구조 경량화 및 고효율화를 추구하기 때문에 엔진의 가진력 또한 많이 증가 하는 추세이며 이로 인하여 주파수 특성이 매우 복잡해지는 경향을 보이며 기존에 사용하던 방식으로 진동을 저감하는 방식은 한계점을 보이고 있다. 따라서 스마트 스트럭쳐 기반 능동형 엔진 마운팅 시스템은 마운트 동특성을 연속적으로 제어하여 다양한 운전조건에서도 NVH 성능을 개선할 수 있는 핵심 기술로서 엔진 지지의 정강성 및 동강성을 동시에 실현하는 기존 마운트 기술의 대체로 주목 받고 있다.
1.2 국내·외 연구사례 이러한 한계점을 극복하기 위해 스마트 스트럭쳐를 사용해 차량 엔진에 부착되는 마운트를 제작하여 진동 제어를 목적으로 New controllable engine mounting system에 대하여 Juncheol Jeon et al 에 의하여 개발되었다. [1] 3개의 마운트를 가진 엔진을 6자유도로 고려하여, 이에 대한 응답을 수치적으로 분석하였으며, 엔진 마운팅 시스템을 개발하여 비교하였다. magnetorheological fluid actuator를 roll mount용으로 사용하였고, piezo stack actuator를 RH mount용으로 사용하여 제작하였다. 따라서 이 New engine mounting system을 사용하면 750r/min의 엔진 속도에서 30%, 2000r/min의 엔진 속도에서 17%가 개선됨을 보여주었다. 또한 구급차 bed stage에 장착하여 운행 중에 생기는 vertical, rolling 및 pitching에서 생기는 진동을 감소시켜 환자의 불편함을 해소하기 위해 MR damper를 사용해 진동을 저감시키는 것에 대하여 Hee Dong Chae 및 Seung-Bok Choi에 의하여 개발되었다. [2] 이 damper의 경우 MR 유체의 field-dependent 유동학적 특성을 기반으로 하여 디자인 및 고안되었으며 damping force의 특성은 전류 함수로서 평가되었다. sliding mode controller를 사용하여 제어하였으며, controller는 bed stage의 동적인 움직임을 기반으로 하였으며 진동 성능은 vertical 및 pitch 방향에서 평가하였다. MR 유체를 사용함으로 입력 전류에 따라 진동에 대한 응답이 감소함을 보여준다. Mohammad Elahinia et al은 엘라스토머 및 유압 마운트는 전원 스위칭과 관련된 충격 및 진동은 광범위 한 주파수를 발생시키지만 이를 완전히 격리할 수 없다는 입증을 바탕으로 하여 magnetorheological 과 electrorheological fluids를 사용하여 충격 및 진동 절연에 있어 새로운 반 능동형 액츄에이터에 대하여 제시하였다. [3] Fabian Hausberg et al은 AEMs(Active engine mounts)의 2차 경로 변화에 대한 비선형성, 부품 온도 및 예압 변화에 대한 부분을 이론적 및 실험적으로 분석을 하였으며, Fx-LMS 알고리즘을 이용하여 AEMs의 active dynamic 특성에 대하여 예측하였다. [4] 발사체와 인공위성은 비행 중 기체가 분리되며 발생하는 pyroshock는 기체 전기 부품에 오작동을 일으킬 수 있어 Ho-Kyeong Jeong et al은 형상 기억 합금의 유사 탄성을 이용하여 충격 절연체를 만들었으며 이를 통하여 주파수 튜닝을 용이하게 하였다. [5] 새로운 MS-NS(magnetic spring with negative stiffness)를 사용하여 진동 절연체 또한 개발되었다. 이는 high-static-low-dynamic stiffness의 특성을 가진다. MS-NS의 효과와 정확성을 입증하기 위해 이를 부착한 상태와 부착하지 않은 상태에 대한 전달성을 측정하여 비교하였다. 제안된 MS-NS 진동 절연체는 고유 주파수를 낮출 수 있음을 증명하였다. [6] 차량의 엔진 마운트로 사용 될 솔레노이드 액츄에이터를 최종 생산 원가에 중요한 역할을 하는 힘에 대한 사용방법을 Masih Hosseini et al이 연구하였다. 솔레노이드 액츄에이터를 비선형으로 모델링을 하였고, 이를 바탕으로 차량의 엔진 마운트 형태로 액츄에이터를 제작하였다. 실험을 통하여 동적 강성 변화에 대한 실험을 하였고, 솔레노이드의 비선형 방정식이 특정 적용 분야에서 선형화 될 수 있음을 입증하였으며, 저비용 능동형 엔진 마운트 설계에 적용하였다. [7] PZT(Piezoelectric)의 저전력, 빠른 반응력의 특성을 가지고 자동차 엔진 마운트 액츄에이터를 Li Sui와 Xin Xiong, Gengchen Shi에 의하여 디자인 및 제작이 되었다. [8] 액츄에이터는 조성방정식을 이용하여 PZT의 변형되는 길이를 계산하여 개수를 정하여 만들었으며, 시뮬레이션을 통하여 단일 주파수에서 크게 저감되는 성능을 보여 주었다. 차량의 엔진 마운트를 액츄에이터와 점성 댐퍼를 직렬로 연결하여 Roman Kraus et al이 제작, 실험을 하였다. [9] 실험을 할 때 FxLMS 알고리즘을 사용하여 질량에서 발생한 신호를 제작한 액츄에이터에 신호를 넣어 제어를 하여 주었으며, 실험을 통하여 소음과 진동이 줄어드는 것을 보여주었다.
1.3 연구 목적 위의 연구 사례를 살펴보면, 여러 종류의 스마트 물질을 사용하여 진동을 절연하기 위해 많은 연구가 진행됨을 볼 수 있다. 진동 절연을 위해 주로 사용된 물질로는 MR 유체와 ER유체로 볼 수 있다. 하지만 유체의 성질에 의하여 광범위한 진동에 대한 절연은 어려우며, 좁은 대역의 특정 진동에 대하여 절연이 가능하다. 또한 이러한 점을 보완하기 위해 피에조 액츄에이터를 점성 뎀퍼와 직렬로 연결하여 액츄에이터를 만든 사례도 볼 수 있다. 액츄에이터에 대한 입력 신호 또한 Fx-LMS를 사용하여 신호를 트레킹 한 신호를 사용하여 진동 절연을 하였다. 전체적인 실험을 보면 단일 주파수와 특정한 좁은 대역에서 실험이 진행되었다. 하지만 최근의 전기 자동차, 하이브리드 자동차들의 엔진에서는 복잡한 스펙트럼을 가지는 진동과 소음을 유발하며, 기존의 절연 방식인 구조변경을 통한 절연에도 한계가 있다. 따라서, 위에서 제안된 액츄에이터들이 가지는 유체의 특성에 제한을 받지 않고 넓은 대역의 진동 및 소음을 절연 할 새로운 액츄에이터에 대한 연구 및 개발이 이루어져야 한다. 따라서 본 연구에서는 어떠한 물체의 특성에 제한을 받지 않으며 넓은 대역에서의 진동 및 소음을 절연할 액츄에이터에 대하여 제안하며, 이게 맞게 피에조 액츄에이터와 고무 마운트를 결합한 액츄에이터에 대하여 제안하였다. 제안된 액츄에이터는 source-path-receiver의 구조를 바탕으로 하여 source에서 발생하는 진동이 path에 존재하는 액츄에이터를 통해 receiver에 전달되는 진동이 얼마나 감소하는지에 대하여 보여준다. 본 논문의 구성은 2장에서 2개의 경로를 가지는 바 형태의 6자유도를 통해 단일주파수를 가지는 sinusoid를 가할 때 계산에 의하여 도출되는 액츄에이터의 진폭과 위상을 사용해 저감 되는 정도를 보여주며 또한, NLMS를 사용하여 저감되는 경우도 보여준다. 다주파를 가지는 AM 및 FM신호를 가할 경우 Multi-NLMS를 통하여 신호를 트레킹 후 액츄에이터의 입력신호로 사용하여 어느 정도 저감이 되는지 시뮬레이션을 통해 보여준다. 3장에서는 실제 엔진과 결합하는 3개의 마운트를 모사하여 3개의 경로를 가지는 플레이트 구조에 대하여 모델링 하였으며 2장과 같이 시뮬레이션을 하였다. 또한 원리 실험 셋업을 통하여 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 4장에서는 9자유도에 대한 플레이트 구조를 모델링 하였고 시뮬레이션을 하였다. 각 장에서 시뮬레이션에 대한 분석을 하였고, 5장에서는 결론 및 향후 연구방향에 대하여 논의할 예정이다.
In recent years, the automotive industry has been very interested in NVH performance in order to improve quietness and ride comfort. Therefore, studies to reduce vibration and noise of the car have been actively conducted. However, previous studies did not concentrate on the optimization of the moun...
In recent years, the automotive industry has been very interested in NVH performance in order to improve quietness and ride comfort. Therefore, studies to reduce vibration and noise of the car have been actively conducted. However, previous studies did not concentrate on the optimization of the mount system or studied very narrow range of specific vibration and noise control. Passive or active mounts developed in the past focused on some of main frequencies, which has very small effect on the level of noise and vibration. Therefore, it is necessary to develop active mounting system that can overcome the performance limitations of existing previous studies. In this paper, the mounting system is a combination of piezo actuator and passive mount and modeled the system based on the source - path - receiver structure. All the simulation and experiment were applied to the actuator input by applying the NLMS algorithm and only the sinusoid signal was compared with the result of calculating the amplitude and phase entering the actuator input. First, we investigated vibration reduction by modeling 6 degrees of freedom with two paths. We verified that vibration reduction is reduced when inputting sinusoid, AM signal and FM signal. The actual vehicle has three mounts combined and has been expanded into a plate with three paths for simulating similarity to reality. We assume that there is an actuator only in the third path, and confirm that the vibration of the seat where the actuator exists is reduced by applying sinusoid and AM signal. Based on the simulation modeling, we constructed the actual principles experiment setup and compared the experimental results with the simulation results. This result proves that the vibration of the place where the actuator exists is reduced, and if the actuator exists in all the paths, it is expected that the vibration can be effectively reduced. Based on the following assumptions, we have simulated the assumption that there are actuators in all paths. The input signal was given equal to 6 degrees of freedom, and it was verified that the vibration of the source and the receiver is reduced more efficiently than if there is an actuator in one path.
In recent years, the automotive industry has been very interested in NVH performance in order to improve quietness and ride comfort. Therefore, studies to reduce vibration and noise of the car have been actively conducted. However, previous studies did not concentrate on the optimization of the mount system or studied very narrow range of specific vibration and noise control. Passive or active mounts developed in the past focused on some of main frequencies, which has very small effect on the level of noise and vibration. Therefore, it is necessary to develop active mounting system that can overcome the performance limitations of existing previous studies. In this paper, the mounting system is a combination of piezo actuator and passive mount and modeled the system based on the source - path - receiver structure. All the simulation and experiment were applied to the actuator input by applying the NLMS algorithm and only the sinusoid signal was compared with the result of calculating the amplitude and phase entering the actuator input. First, we investigated vibration reduction by modeling 6 degrees of freedom with two paths. We verified that vibration reduction is reduced when inputting sinusoid, AM signal and FM signal. The actual vehicle has three mounts combined and has been expanded into a plate with three paths for simulating similarity to reality. We assume that there is an actuator only in the third path, and confirm that the vibration of the seat where the actuator exists is reduced by applying sinusoid and AM signal. Based on the simulation modeling, we constructed the actual principles experiment setup and compared the experimental results with the simulation results. This result proves that the vibration of the place where the actuator exists is reduced, and if the actuator exists in all the paths, it is expected that the vibration can be effectively reduced. Based on the following assumptions, we have simulated the assumption that there are actuators in all paths. The input signal was given equal to 6 degrees of freedom, and it was verified that the vibration of the source and the receiver is reduced more efficiently than if there is an actuator in one path.
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