[논문]작동모드에 따른 MR유체의 특성 비교

이호근; 김기선

문제 정의

본 논문에서는 자기장 부하에 따라 유동특성이 변하는 MR 유체의 빙햄 특싱에 영향을 주는 여러 인자 중 작동모드에 따른 MR 유체의 항복진단응력과 응답특성의 빈화롤 온도에 따라 고찰헸다.
본 실험을 통하여 MR 유체를 적용한 응용장치 세작 시 요구 성능을 예측하기 위하여 사용하는 지.기장에 데 한 항복진단응력의 크기는, 동일한 형테의 작동모드를 갖는 점도계에서 측정한 결과를 사용해야 한다는 사실을 확인했다.
그리고, 유동모느 형테의 심험장비는 구조가 꼭잡하고 유체의 유동을 직접 측정하기가 곤란하기 때문에, 대부분의 응용 장치 제어에 필요한 MR 유체의 물성치3 및 Q는 응용장치에서 측정한 전단넉 또는 탬핑럭으로부터 계산에 의헤 얻은 예상값을 사용하고 있다. 이에 본 논문에서는 전단변형률을 2,000#s까지 증가시킬 수 있는, 보다 성능이 우수한 전단모드형 점도계를 자체 저)작하여 MR 유체의 빙햄특성 실험을 실시하였匸卜 또한 작동모드에 따른 영향을 살피고자, 전단변형률을 10, 000#s까지 증 가 시킬 수 있는 유동모드형 점노게를 자체 제작하였으며, 이들 점도계를 이용하여 작농모드에 띠, 른 빙햄 특성 및 응답특성을 은도에 따라 실험서으로 고찰하였다.

제안 방법

따라서 동설기의 징우도 정상적으로 작동하는 대피의 내부 온도는 상온을 유지할 것으로 판단되며, 하절기의 경우 아스팔드 위의 온도가 40°C까지 상승할 경우, 댐퍼의 내부 은도는 70°C까지 상승할 수도 있을 것으로 판단된나. 따라서 실현은 10°C, 30°C, 50°C 그리고 7°C에서 수행했으며, 자기장에 따른 항복응릭과 옹 답시간의 결과를 작동보드에 따라 가각 비교분석하였다.
이 결과를 지수함수식으로 수식화 하여 도시했는데, 이는 실험을 수행하지 않은 자기장 영역에서의 동적항복전단 응력값의 예측에 사용된다. 또한 자기장 부하 시 요구되는 전류밀도의 크기를 측정하이 전력소모량을 비교분석 핱 수 있도록 하였다.
또한 자기장 부하를 위해 외부 실린더에 코일을 감고 전류를 공급해주었다. 내외부 실린더는 원활한 자로를 확보하기 위해 Figure 2와 같이 알루미늄, 연강으로 나누어 제작되었다.
2%에 도달하는 시간을 응답시간으로 정의하였다. 모터는 진단변형률이 200s#가 뇌노록 141 rpm로 일정하게 회전시켰으며, 데이터는 1초당 4,100개를 받아 응답시간을 0.244 ms 단위로 측정할 수 있도록 하였다.
실험은 일정한 전단변형률에 대해 선기장 증가에 따른 토크 번화량을 측정하는 방범으로 수행되었다. 시간 영역에 내해 1촌 간격으로 전기장의 크기를 변화 시켜 가머, 토크 변화랑을 측정했다. 실린더의 치수가 DIN의 규적을 만족하도록 제작될 경우, 전단응력을 다음과 같이 곁정할 수 있다
또 한 식 (10)을 y에 대해 미분하면 au/dy=γ이 라는 관계식에 의해 실험을 실시한 유속에서의 전단변형률을 얻을 수 있다. 실험은 1.4Hz의 가진이 되도록 피스톤속도 0.15 m/s에서 수행했으며, 이때 얻이진 압력강하 를 이용하여 항복전난응력값을 얻었다.
실험은 일정한 전단변형률에 대해 선기장 증가에 따른 토크 번화량을 측정하는 방범으로 수행되었다. 시간 영역에 내해 1촌 간격으로 전기장의 크기를 변화 시켜 가머, 토크 변화랑을 측정했다.
유동모드는 두 진극이 고징되어 있고, 고정된 전극사 이로 유체가 이동하는 형태이다. 유동모드 하에서 MR 유체의 자기장에 따른 특성변화를 살펴보기 위해 MR 댐퍼와 유사한 형태름 갖는 실험장치를 자체 제작했다. Figure 1(b)에 이의 개략도를 나타냈다.
실험장치 하단에 위치한 유압시스템으로 구동 되는 양방향 유압실린더에 외해 작통되는 방식이다. 유압실 린더에 의해 왕복운동 하는 형태로, MR 유체가 담겨있는 댐퍼 내의 압력변화를 전극양단에 위치한 두 개의 압력센서로 측정하며, 구동실린더의 로드(rod)에 부착 된 변위센서(LVDT)로 부터 피스톤 속도를 측정하여 유량계산에 사용한다. 본 실험장치는 전극간극 LOO mm, 전극길이 20 mm 그리고 전극 폭은 169.
이를 위해 전단모드형 점도계와 유동모드형 점도계를 제작하어 실힘을 수행했다. 전단모드와 유동모드에서의 MR 유체의 빙행 특성을 확인하였으며, 동일한 자기장 부하시 전단모드에 비해 유통모드에서 30% 정도 향상된 항복전단응력값을 뵤었다.
전단모드 하에서 MR 유체의 자기장에 대한 응답특성실험을 각 온도에 대해 빙햄득성 실험과 동시에 수행 했다. 자기장을 0.33Hz로 부하하며, 토크 센서에서 토크변동값이 정상상태의 63.2%에 도달하는 시간을 응답시간으로 정의하였다. 모터는 진단변형률이 200s#가 뇌노록 141 rpm로 일정하게 회전시켰으며, 데이터는 1초당 4,100개를 받아 응답시간을 0.
전단모드 하에서 MR 유체의 자기장에 대한 응답특성실험을 각 온도에 대해 빙햄득성 실험과 동시에 수행 했다. 자기장을 0.

대상 데이터

본 실험에 사용된 MR 유체는 LORD 사의 MRF- 132-LD로 이미 상용화 단계에 있는 제품이다. MRF- 132-LD는 Carbonyl iron과 Hydrocarbon oil을 합성한 것으로 용메에 대한 입자의 중걍비는 32%이며, 기본점 성계수는 0.
유압실 린더에 의해 왕복운동 하는 형태로, MR 유체가 담겨있는 댐퍼 내의 압력변화를 전극양단에 위치한 두 개의 압력센서로 측정하며, 구동실린더의 로드(rod)에 부착 된 변위센서(LVDT)로 부터 피스톤 속도를 측정하여 유량계산에 사용한다. 본 실험장치는 전극간극 LOO mm, 전극길이 20 mm 그리고 전극 폭은 169.6 mm가 되도록 제작되었으며, 장치에서 발셍 가능한 최소 및 최 대 피스톤속도는 각각 0.004 m/s 와 0.16 m/s미다. 동축실린더 형태의 전극사이에 흐르는 ER 유체에 작 용하는 압력차와 전단응럭 과의 관계식을 유도하고자 유체흐름에서의 압릭을 일차원적 d로 정리하면 다음과 같 다.
전극의 치수를 길정하고자 DIN(독일 공업 표준 규격)의 점도계에 대한 사묘를 참고하었다[51. 외부실린더의 안지름은 30 mm, 내부실린더의 높이는 74.7 mm, 내부실 린더의 바깥 지름은 선극간격이 1.00 mm가 되노록 28 mm로 결징하여 제작하었다.

성능/효과

본 실험을 통하여 MR 유체를 적용한 응용장치 세작 시 요구 성능을 예측하기 위하여 사용하는 지.기장에 데 한 항복진단응력의 크기는, 동일한 형테의 작동모드를 갖는 점도계에서 측정한 결과를 사용해야 한다는 사실을 확인했다. 또한 전단모드에서 측정한 항복전단 응력의 日기와 유동모드에서 측정한 항복전단응력비를 항복전 단응럭비를 보다세분화된 온도영역에서 구하면, 보다 간편한 전단모드 실험만을 통하여 유동보드 시의 값을 예측할 수 있을 깃으로 판단된다.
그 증가율은 부하 된 진류의 세기와 비례하여 증가하고 있다. 따라서, 용용장치 제작 시코일의 감은 수를 늘려, 부하하는 전류의 세기를 낮추는 것이 고온에서의 전럭손실음 줄이는데 유리할 것으로 생각된다. 또한, 응답특성 실험결과 자기장 부하 시 응답시간은 온도에 따라 큰 차이가 없는 반면 자기장 제거 시 응답시간은 온도에 따라 점차 빨라지는 것음 알 수 있다.
MR 유체를 적용한 이러 응용장치 중에서 가장 널리 연구되고 있는 MR 댐퍼의 깅우 내부 온도가 일반적으로 주변온도 보다 30°C 이상 높게 상승하는 것으로 알려저 있다. 따라서 동설기의 징우도 정상적으로 작동하는 대피의 내부 온도는 상온을 유지할 것으로 판단되며, 하절기의 경우 아스팔드 위의 온도가 40°C까지 상승할 경우, 댐퍼의 내부 은도는 70°C까지 상승할 수도 있을 것으로 판단된나. 따라서 실현은 10°C, 30°C, 50°C 그리고 7°C에서 수행했으며, 자기장에 따른 항복응릭과 옹 답시간의 결과를 작동보드에 따라 가각 비교분석하였다.
따라서, 용용장치 제작 시코일의 감은 수를 늘려, 부하하는 전류의 세기를 낮추는 것이 고온에서의 전럭손실음 줄이는데 유리할 것으로 생각된다. 또한, 응답특성 실험결과 자기장 부하 시 응답시간은 온도에 따라 큰 차이가 없는 반면 자기장 제거 시 응답시간은 온도에 따라 점차 빨라지는 것음 알 수 있다. 이는 온도가 상승함에 따라 MR 유체의 점도가 감소하기 때문이다.
실험 결과 MR 유체는 ER 유체에 비해 10배 이상 큰 항복전단응럭의 크기를 나타냈오미, 이때의 전력 全모 량도 2.4W로 그리 크지 않은 것으로 나타났다. 따라서 동일한 크기외 항복전단응력값을 도출해내기 위한 응용 장치의 크기가 ER 유체에 비해 자기 때문에 소형화의 장점이 있으며, 전넉소모량도 보나 유리할 것으로 판단 된다.
이를 위해 전단모드형 점도계와 유동모드형 점도계를 제작하어 실힘을 수행했다. 전단모드와 유동모드에서의 MR 유체의 빙행 특성을 확인하였으며, 동일한 자기장 부하시 전단모드에 비해 유통모드에서 30% 정도 향상된 항복전단응력값을 뵤었다. 이는 ER 유체에 비해 작동모드에 따른 크기 차이가 메우 적은 것으로, 응용장치 적용 시 제약조건이 직을 것으로 판단된다.
제안된 실험장치는 모터의 회전수를 놆여 측정 가능한 전단변형률 영역을 최대 2,000s^-1 정도까지 확장할 수 있으며, 실린더 치수를 변경하면 보다높은 항복전단 응력을 갖는 MR 유체에 대한 응답특성실험을 동시에 수행할 수 있어 기존의 방법에 비해 메우 효율적이라 판단된다.

후속연구

기장에 데 한 항복진단응력의 크기는, 동일한 형테의 작동모드를 갖는 점도계에서 측정한 결과를 사용해야 한다는 사실을 확인했다. 또한 전단모드에서 측정한 항복전단 응력의 日기와 유동모드에서 측정한 항복전단응력비를 항복전 단응럭비를 보다세분화된 온도영역에서 구하면, 보다 간편한 전단모드 실험만을 통하여 유동보드 시의 값을 예측할 수 있을 깃으로 판단된다.

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