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문제 정의
- 자성유체를 댐퍼에 이용하고자 할 때 자장의 영향은 입자의 응집과 함께 복잡한 양상을 나타낼 것이 예상된다. 그러나 댐퍼의 진동 특성에 대하여 자장의 변화를 통해 제어 가능할 것으로 기대되므로 본 연구에서는 자성유체를 이용하여 점성댐퍼를 개발하고자 할 때, 기초적 자료를 영구 자석과 전자석을 사용하여 자장의 작용 이반 능동식 댐퍼의 진동특성에 미치는 영향을 실험적으로 얻고자 한다.
- 본 실험 에서는 캠에 의해 가해진 입력 진폭에 따라 자장이 없는 자성유체, 자장을 가한 자성유체로 나누어 스프링-질량 시스템의 응답특성을 알아보았다.
제안 방법
-
1 씩 변화를 주었다. 실험결과를 이용하여 자장을 가했을 경우의 각
각의 실험변수에 따른 감쇠비 변화를 구하였다
. 또한 점성댐퍼의 작동유체로 자성유체의 적용가능성을 파악하기 위하여 전자석에 함수발생기를 이용하여 자장을 인가하였다. - 계측부는 가우스 미터, 카메라, 비전보드 그리고 측정 판으로 구성되며 측정된 축력진폭을 모니터에 표시될 수 있도록 하였다.
- 그러나 장치를 구동시키기 위해 에너지를 직접 공급해야 하기 때문에 장치가 복잡하며 고가가 된다. 따라서 기존의 수동형 장치와 같이 단순한 형식을 가지고 순간적인 운동 상태에 대해서 댐퍼관을 조절하여 감쇠력을 변화시킴으로써 제어력을 발생시키는 반 능동식 장치가 제안되었다.
- 각의 실험변수에 따른 감쇠비 변화를 구하였다. 또한 점성댐퍼의 작동유체로 자성유체의 적용가능성을 파악하기 위하여 전자석에 함수발생기를 이용하여 자장을 인가하였다.
- 먼저 스프링-질량 시스템이 가지는 공진점을 측정하기 위해 자성유체를 사용하지 않은 상태에서 입력진동수에 따른 진폭비를 측정하였다.
- 스프링-질량 시스템에서 자성유체의 진동 감쇠 정도를 파악하기 위해 영구자석을 이용하였으며 자속밀도의 최대값은 영구자석 의 중심 점 에서 4200 Gauss이고 자속밀도의 분포를 측정하여 Fig. 2에 나타내었으며 실험 방법은 다음과 같다.
- 스프링-질량 시스템은 외부실린더, 내부환봉 및 스프링으로 구성되어 있으며, 스프링-질량 시스템의 진동 특성을 스프링에 의한 스프링의 진동과 외부실린더 및 내부환봉 사이의 작동유체의 점성에 의해 스프링의 진동을 감쇠시키도록 설계하였다.
- 자성유체 자체의 진동감쇠 효과와 자장의 발생에 의한 감쇠 효과를 비교하기 위하여 각각의 주요 변수에 대해서 자장 인가 유무에 따라 실험하였다. 즉, 자성유체 자체 의 경우와 자장을 가한 경우의 진동감쇠 효과를 측정하기 위해 스프링-질량 시스템의 내부환봉직경을 10, 14, 18 및 22 nui 각각에 대해 입력진폭을 1.
- 75 이상이 될 경우에 감쇠 효과가 떨어지므로 실험에서 제외하였다. 자성유체를 외부 실린더에 채우고 자장을 가한 상태에서 내부 환봉의 직경을 10, 14 및 18 飾와 같이 고정하고, 입력 진폭 a를 1.0~2.5 剛의 범위에서 0.5 urn간격으로 변화시켰다. 공진점 〃/〃ne 0.
- 자성유체를 외부 실린더에 채운 상태에서 내부 환 봉의 직경을 10, 14, 18 및 22 11皿로 고정하고 입력 진폭 a 를 L0~2.5 ㎛의 범위에서 0.5 皿1간격으로 변화시키며 실험하였다. 22 剛인 경우를 제외한 나머지의 경우에는 입력 진폭이 커짐에 따라 출력 진폭이 커지는 것을 알 수 있다.
- 자성유체를 외부 실린더와 내부 실린더 사이에 채운 상태에서 입력진폭 a를 1.0 飾, 1.5 mm, 2.0 mm 및 2.5 mm 와 같이 고정하였다. 내부 환봉의 직경은 감쇠효과가 가장 좋은 18 飾로 설정하였으며 입력진폭에 대한 출력 진폭 비 z/a를 종축에 나타내고 횡축은 시스템의 고유진동수에 대한 입력진동수비 쎄稣를 나타낸다.
- 전자석의 경우 자장실험에서 감쇠비가 가장 큰 내부환봉직경 18 mm, 입력진폭 2.5 剛로 입력진동수를 8.4 >哼< -41.9 μ%까지 2.1 m%씩 변화시키면서 모든 실험을 하였다.
- 점성댐퍼의 작동유체의 적용 및 제어 가능성을 알아보기 위해 전자석의 입력 전압에 따른 진동특성을 실험하였다. 영구자석실험에서 감쇠효과가 가장 큰 내부 환봉
- 자장 인가 유무에 따라 실험하였다. 즉, 자성유체 자체 의 경우와 자장을 가한 경우의 진동감쇠 효과를 측정하기 위해 스프링-질량 시스템의 내부환봉직경을 10, 14, 18 및 22 nui 각각에 대해 입력진폭을 1.0, 1.5, 2.0 및 2.5 剛로 변화시켜 동일한 실험을 수행하였으며, 입 력진동수는 20.94 嗖-41.89 嗖까지 2.1 씩 변화를 주었다. 실험결과를 이용하여 자장을 가했을 경우의 각
- 진동수를 측정하였다. 입력진동수 〃는 20.
- 진동여자장치는 기반 진동을 주기 위한 DC모터 와 DC전원공급기, 캐 Tachometer 디스플레이, 진동수를 측정 하기 위한 Tachometer 센서로 구성되어 있으며, 입 력진폭을 1.0, 1.5, 2.0 및 2.5 ㎛까지 조절하도록 캠이 4 종류로 설계되었다.
- 함수발생기의 입력전압을 10~50 V까지 10 V씩 증가시키면서 입력진동수에 대한 진폭을 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 실험은 자장 인가 유무로 나누어 실험을 하였는데본 실험에서 사용된 자성유체는 물이 용매인 자성유체보다 대체로 안정된 자화의 특성을 갖는 등유가 용매인 HC-50을 사용하였다.
- 실험장치는 크게 스프링-질량 시스템과 자장발생부, 줄력진폭을 측정하는 계측부, 입력진폭을 가하는 진동 여자 장치로 나뉘 어 진다.
성능/효과
- 1) 입력 진폭이 커질수록 출력 진폭은 커지지만 내부 환봉 직경이 클수록 입력 진폭에 대한 출력 진폭비는 감소한다. 본 연구에서 감쇠 효과는 외부 실린더의 내경 (24 祯)에 대한 내부 환봉 직경의 비가 0.
- 2) 자장을 가하지 않은 경우에 비해 자장을 가한 자성유체는 내부 직경이 10 mm (a=2.5 剛)인 경우 입력 진폭에 대한 출력 진폭비가 14% 감소하고, 내부 직경이 10 mm (a=2.5 飾)에 비해 14 剛인 경우 20 %, 내부직경이 14 mm (a=2.5 剛)에 비해 18 剛인 경우에는 65 %가 감소하는 것으로 나타났다.
- 3) 전자석에 입력 전압을 가할 경우 진폭비를 감소시키는 제어 가능한 진동수비 영역은 10 V일 때 0.78~ 1.21, 20V일 때는 10 V를 입력한 경우와 같으나 진폭 비는 감소하였으며 30 V일 때 0.72 ~ 1.09, 40 V 일 때 0.72 -1.09, 50 V일 때는 0.72 (25.13 ra%) -1.03 (35.6 %* ) 로 나타났다.
- 30 V 입 력시 공진이 일어나는 진동수비가 20 V를 입력했을 때와 같은 0.67에서 일어났으며 공진진동수에서의 진폭비는 20 V를 입력한 경우보다 12.6%가 감소하고, 자장을 가하지 않은 경우보다는 2.6%가 감소한 1.52로 나타났다. 이는 자장에 따른 자성유체 입자의 응집이 부가질량효과보다는 점성력의 증가로 나타나 진폭 비를 감소시킨 것으로 생각된다.
- 4) 전자석의 입력전압에 대한 진동특성을 살펴보면, 자성유체에 입력 전압이 10 V와 20 V에서는 응집이 부가 질량 효과를 나타내며 30, 40 및 50 V에서는 응집이 점성력의 증가로 나타나 진폭비를 감소시킨다. 전자석 입력 전압이 증가할수록 진폭비의 감소는 현저하게 나타나고 공진진동수비는 0.
- 40 V를 입력시 공진이 일어나는 진동수비는 0.67이었으며 진동수비 0.72~1.09인 영역에서는 모두 진동 감쇠 효과를 나타내었다. 또한 모든 진동수영역에서 30 V 를 입력한 경우보다 진폭비가 감소함을 알 수 있다.
- 6■%로 나타났다. 각각의 입력 전압에서의 진폭비를 비교해보면 10 V 와 20 V의 입력 전압에서는 자장이 가해짐에 따라 자성유체 입자의 응집이 부가질량의 효과를 나타내며 30 V, 40 V 및 50 V에서는 응집이 점성력의 증가로 나타나 진폭 비를 감소시키는 것으로 나타났다. 또한, 입력 전압이 증가할수록 진폭비의 감소는 현저하게 나타났고 공진 진동수비는 0.
- 각각의 입력 전압에서의 진폭비를 비교해보면 10 V 와 20 V의 입력 전압에서는 자장이 가해짐에 따라 자성유체 입자의 응집이 부가질량의 효과를 나타내며 30 V, 40 V 및 50 V에서는 응집이 점성력의 증가로 나타나 진폭 비를 감소시키는 것으로 나타났다. 또한, 입력 전압이 증가할수록 진폭비의 감소는 현저하게 나타났고 공진 진동수비는 0.67의 일정한 값을 나타냈다.
- 본 연구에서 감쇠 효과는 외부 실린더의 내경 (24 祯)에 대한 내부 환봉 직경의 비가 0.75가 될 때까지만 감쇠 효과가 향상됨을 알 수 있다.
- 공진점을 지난 후 출력진폭이 급격히 감소하는 것을 볼 수 있는데 이는 내부 환봉의 직경이 커짐에 따라 자성유체가 접촉하는 면이 증가하면서 마찰력이 증가하여 점성 감쇠 효과가 커지는 것으로 생각된다. 이상의 결과를 비교하면 외부 실린더에 자성유체를 채우고 자장을 가하지 않은 상태에서 입력진폭을 1.0, 1.5, 2.0 mm 및 2.5 皿1로 변화시키고 내부 환봉 직경이 10, 14 및 18 min 로 변화시켰을 때 勿/如은 0.97에서 0.85로 작아졌고 입력진폭이 커질수록 출력 진폭은 커지지만 내부 환 봉직 경이 클수록 입력진폭에 대한 출력 진폭비는 감소하였다. 따라서 자장을 가하지 않은 경우 내부 실린더의 직경이 클수록 출력 진폭도 작아지고 출력진폭비도 감소하여 감쇠 효과가 향상됨을 알 수 있다.
- 전자석에 10 V의 전압을 입력한 경우 공진현상이 일어나는 영역에서 자장을 가하지 않은 경우의 진폭비 1.56보다 12.78%가 증가한 1.76으로 나타났으며, 공진진동수는 자장을 가하지 않은 경우인 진동수비 0.84보다 적은 0.78에서 공진현상이 나타났다.
- 5 飾씩 증가시켜 주었을 때의 출력진폭 z를 나타낸다. 출력진폭이 가장 큰 공진점에서의 진동수인 시스템의 고유진동수는 입력진폭에 상관없이 34.54 로 나타났다.
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