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문제 정의
- 본 연구는 보행형 관리기의 엔진 마운트로서 방진 고무의 진동 감소 효과와, 엔진 마운트의 최적 강성 계수 및 감쇠계수를 구명하기 위하여 수행하였다
가설 설정
- (2) 가능한 한 엔진 마운트의 감쇠계수는 증가시켜야 한다.
- ① 엔진은 강체이다.
제안 방법
- 동적 모델의 유효성은 엔진의 가진 주파수에서 진동 피크의 일치 여부와 주파수 영역의 정상 오차로써 검증하였다.
- 마운트 재료의 강성과 감쇠 특성은 Fig. 4의 모형에서와 같이 마운트에 초기 하중을 가한 상태에서, 조화 가진에 대한 마운트의 반응을 측정하여 구하였다(Cho, 2000).
- 방진 효과가 가장 우수한 방진고무를 구명하기 위하여 방진고무의 강성계수와 감쇠계수를 실험적으로 구하였으며, 공회전 상태의 로터리 작업 모드에서 관리기의 핸들 진동을 측정하였다. 주파수 범위가 0-400Hz일 때, 엔진 마운트가 없는 경우, 핸들의 총 진동값은 17.
- 방진고무의 소재는 방진재로서 널리 사용되고 있는 네오프랜이었다. 방진고무의 외형은 가능한 한 시판되고 있는 형태로서 줄무늬(stripe)형과 벌집(hive)형 2종류로 하였으며, 줄무늬 형은 다시 두께가 9.20 mm인 Stripe 1형, 14.12 mm인 Stripe 2형, 21.07 mm인 Stripe 3형으로 구분하였다. 벌집형의 두께는 12.
- 본 연구에서는 보행형 관리기의 엔진 마운트로서 방진고무의 효과를 분석하고 최적 설계와 시뮬레이션 기법을 적용하여 엔진 마운트의 최적 강성계수와 감쇠계수를 구하였다.
- 따라서, 핸들 진동을 감소시키기 위해서는 엔진과 본체 사이에 적절한 엔진 마운트를 설치하여 핸들로 전달되는 엔진 진동을 감소시켜야 한다. 본 연구에서는 시판되고 있는 4가지 형태의 방진고무를 이용하여 엔진 마운트의 효과를 시험하였으며, 방진고무의 최적 강성계수와 감쇠계수를 구하였다.
- 엔진 마운트로서 4가지 형태의 방진고무를 엔진과 차체 사이에 설치하였을 때와 설치하지 않았을 때, 핸들의 총진동값을 구하고 이를 비교 분석하였다. 핸들 진동은 핸들 손잡이에 X, y, z축 방향으로 가속도 계를 설치하여 측정하였다.
- 엔진 마운트의 최적화를 위하여 엔진의 수직, 롤, 피칭 운동을 포함한 동적 모델과 동적 모델을 이용한 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 시뮬레이션 검증을 위한 예측 수직 진동의 정상 오차는 엔진의 가진 주파수에서 2.
- 엔진-마운트 모델의 검증을 위하여 엔진의 크랭크축에서 나온 동력을 관리기의 로터리에 연결하여 회전시키며 성능 시험을 수행하였다.
- 엔진-마운트의 동적 모델을 이용하여 Stripe 1을 엔진 마운트로 하였을 때 이론적으로 엔진의 진동 모드를 분석하였다. 진동 모드 해석은 MATLAB을 이용하여 수행하였으며 그 결과는 Fig.
- 엔진에서 관리기 본체로 전달되는 진동을 최소화 하기 위한 엔진 마운트의 최적화는 엔진의 동적 모델을 이용하여 시뮬레이션 기법으로 수행하였다. 즉, 엔진 진동을 최소화함으로써 본체로 전달되는 가진력을 최소화하기 위한 마운트 시스템의 최적화를 시도하였다.
- 증폭기와 테이프 레코더의 동적 범위(dynamic range)는 가속도계의 감도를 고려하여 설정하였으며, 주파수 분석은 0~400 Hz의 범위에서 FFT 분석을 실시하였다. 이때 시간과 주파수에 대한 샘플링 간격(sampling rate)은 각각 Δt = 976.6µs, Δf=0.25 Hz로 하였으며, 총진동값은 0-400 Hz 범위에서 rms 가속도를 적분하여 구하였다.
- 엔진에서 관리기 본체로 전달되는 진동을 최소화 하기 위한 엔진 마운트의 최적화는 엔진의 동적 모델을 이용하여 시뮬레이션 기법으로 수행하였다. 즉, 엔진 진동을 최소화함으로써 본체로 전달되는 가진력을 최소화하기 위한 마운트 시스템의 최적화를 시도하였다. 따라서 최적화의 대상은 주파수 영역에서 엔진의 총진동값으로 하였으며, 주파수는 500 Hz까지 포함하였다.
- 측정한 가속도 신호는 증폭한 후 테이프 레코더에 저장하였으며, 신호 분석기를 이용하여 저장한 신호의 필터링, A/D 변환, 주파수 분석을 실시하였다. 증폭기와 테이프 레코더의 동적 범위(dynamic range)는 가속도계의 감도를 고려하여 설정하였으며, 주파수 분석은 0~400 Hz의 범위에서 FFT 분석을 실시하였다. 이때 시간과 주파수에 대한 샘플링 간격(sampling rate)은 각각 Δt = 976.
- 동하중 시험은 방진고무에 초기 하중을 가한 상태에서 다시 조화 가진력을 가하여, 가진력과 방진고무의 응답 변위를 동시에 측정하는 방법으로 수행하였다(Cho, 1999). 초기 하중은 4개의 고무 마운트가 엔진을 지지하고 있기 때문에 엔진 중량의 1/4로 하였으며, 조화 가진력의 작용과 방진고무의 변위 측정은 MTS 장비 (Stable Micro Systems, 1994)를 이용하여 실시하였다. 가진력과 변 위는 MTS 장비에서 측정한 초기 상태의 불안정한 신호가 안정된 후 이를 곡선 접합(curve fitting) 방법으로 구하였다 Table 3은 이러한 방법으로 구한 4가지 형태의 방진고무에 대한 강성계수와 감쇠계수를 나타낸 것이다.
- 따라서 최적화의 대상은 주파수 영역에서 엔진의 총진동값으로 하였으며, 주파수는 500 Hz까지 포함하였다. 최적화의 설계 변수는 마운트의 강성계 수와 감쇠계수로 하였다.
- 핸들 진동은 핸들 손잡이에 X, y, z축 방향으로 가속도 계를 설치하여 측정하였다. 측정한 가속도 신호는 증폭한 후 테이프 레코더에 저장하였으며, 신호 분석기를 이용하여 저장한 신호의 필터링, A/D 변환, 주파수 분석을 실시하였다. 증폭기와 테이프 레코더의 동적 범위(dynamic range)는 가속도계의 감도를 고려하여 설정하였으며, 주파수 분석은 0~400 Hz의 범위에서 FFT 분석을 실시하였다.
- 엔진 마운트로서 4가지 형태의 방진고무를 엔진과 차체 사이에 설치하였을 때와 설치하지 않았을 때, 핸들의 총진동값을 구하고 이를 비교 분석하였다. 핸들 진동은 핸들 손잡이에 X, y, z축 방향으로 가속도 계를 설치하여 측정하였다. 측정한 가속도 신호는 증폭한 후 테이프 레코더에 저장하였으며, 신호 분석기를 이용하여 저장한 신호의 필터링, A/D 변환, 주파수 분석을 실시하였다.
대상 데이터
- 즉, 엔진 진동을 최소화함으로써 본체로 전달되는 가진력을 최소화하기 위한 마운트 시스템의 최적화를 시도하였다. 따라서 최적화의 대상은 주파수 영역에서 엔진의 총진동값으로 하였으며, 주파수는 500 Hz까지 포함하였다. 최적화의 설계 변수는 마운트의 강성계 수와 감쇠계수로 하였다.
- 본 연구에서 시험한 마운트 재료는 시중에서 쉽게 구할 수 있는 방진고무로 하였다. 방진고무의 소재는 방진재로서 널리 사용되고 있는 네오프랜이었다.
- 엔진 마운트의 최적화를 위하여 엔진의 수직, 롤, 피칭 운동을 포함한 동적 모델과 동적 모델을 이용한 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 시뮬레이션 검증을 위한 예측 수직 진동의 정상 오차는 엔진의 가진 주파수에서 2.5%이었으며 최적화를 위한 시뮬레이션 변수는 마운트의 강성계수와 감쇠계수로 하였다.
데이터처리
- 엔진-마운트의 동적 모델을 이용하여 Stripe 1을 엔진 마운트로 하였을 때 이론적으로 엔진의 진동 모드를 분석하였다. 진동 모드 해석은 MATLAB을 이용하여 수행하였으며 그 결과는 Fig. 10에서와 같다. 수직 모드(a)의 경우 진동의 크기는 엔진의 가진 주파수와 1차 하모닉 주파수(가진 주파수 * 2)에서 각각 14.
이론/모형
- 엔진의 운동 방정식은 뉴턴의 제 2법칙을 적용하여 유도하였으며, 수직, 롤링, 피칭 운동의 운동 방정 식은 각각 다음과 같이 표현된다(Lee, 2004).
성능/효과
- 엔진 가속도는 실린더 블록에 가속도계를 부착하여 측정하였다. Fig. 2에서와 같이 가진 주파수 52 Hz와 2차 하모닉 주파수 104 Hz에서 실측 가속도와 예측 가속도는 잘 일치하였으며, 정상 오차는 동적 모델의 유효성을 인정하는데 충분한 2.5%이었다. 이러한 오차는 운동 방정식에서 엔진의 전후, 좌우, 요잉 운동을 포함하지 않았기 때문인 것으로 판단된다(Park, 1998).
- 특히, Stripe 1과 Stripe 3의 방진고무는 400 Hz 이하의 저주파에서 진동 감소 효과가 각각 39%와 38%인 것으로 나타났다. 따라서 4가지 형태의 방진고무는 모두 엔진 마운트로서 적절한 것으로 나타났다.
- 이는 엔진의 종진동값이 작을수록 방진고무를 통하여 관리기 본체로 전달되는 가진력이 감소하기 때문에 이러한 원리를 이용한 것이다. 방진 효과는 Table 6에서와 같이 Stripe 1과 Hive 형태가 수직 모드와 피치 모드의 진동을 감소시키는 데 가장 효과적인 것으로 나타났다.
- 12는 강성계수가 1500 kN/m일 때 감쇠계수에 따라 엔진의 수직 진동을 시뮬레이션한 결과이다. 시뮬레이션 결과에 의하면 감쇠계수가 증가함에 따라 총진동값은 비선형적으로 급격히 감소하는 경향을 나타내었다. 즉, 엔진 진동은 감쇠계수가 크면 클수록 감소되는 것으로 나타났다.
- 11은 감쇠계수가 1500 N/m/s 일 때 강성계수에 따라 엔진의 수직 진동을 시뮬레이션한 결과이다. 시뮬레이션 결과에 의하면 강성계수가 증가함에 따라 초기에는 총진동값이 증가하여 최대값에 이르나, 강성계수가 계속 증가하면 총진동값은 다시 감소하는 경향을 나타내었다. 엔진의 진동 수준은 강성계수가 4, 100 kN/m일 때 최소가 되었다.
- 5 ~8과 Table 4에서와 같이 엔진 마운트로서 방진고무를 설치하였을 때 총진동값은 설치하지 않았을 때보다 평균 30% 감소하였다. 즉, 방진고무의 진동 감소 효과는 모두 우수한 것으로 나타났다. 특히, Stripe 1과 Stripe 3의 방진고무는 400 Hz 이하의 저주파에서 진동 감소 효과가 각각 39%와 38%인 것으로 나타났다.
- 시뮬레이션 결과에 의하면 감쇠계수가 증가함에 따라 총진동값은 비선형적으로 급격히 감소하는 경향을 나타내었다. 즉, 엔진 진동은 감쇠계수가 크면 클수록 감소되는 것으로 나타났다.
- 13은 엔진의 총진동값을 강성계수와 감쇠계수의 함수로서 나타낸 것이다. 총진동값은 감쇠계수가 클수록 감소하고, 강성계수가 4, 000 kN/m일 때 최소가 되었다. 그러나 강성계수의 범위가 500-2000 kN/m 이고 감쇠계수가 2500 N/m/s 이하일 때 총진동값은 크게 증가하였다.
- 9는 핸들의 총진동값을 방진고무의 강성계수 와 감쇠계수의 함수로서 나타낸 것이다. 총진동값은 강성계수와 감쇠계수가 각각 1500kN/m와 1800 N/m/s 일 때 최대이었으며, 2100 kN/m와 1800 N/m/s일 때 최소이었다. 핸들로 전달되는 진동 에너지는 총진동 값이 최소일 때 가장 적으므로 Stripe 1의 진동 감소 효과가 가장 우수한 것으로 나타났다.
- 즉, 방진고무의 진동 감소 효과는 모두 우수한 것으로 나타났다. 특히, Stripe 1과 Stripe 3의 방진고무는 400 Hz 이하의 저주파에서 진동 감소 효과가 각각 39%와 38%인 것으로 나타났다. 따라서 4가지 형태의 방진고무는 모두 엔진 마운트로서 적절한 것으로 나타났다.
- 총진동값은 강성계수와 감쇠계수가 각각 1500kN/m와 1800 N/m/s 일 때 최대이었으며, 2100 kN/m와 1800 N/m/s일 때 최소이었다. 핸들로 전달되는 진동 에너지는 총진동 값이 최소일 때 가장 적으므로 Stripe 1의 진동 감소 효과가 가장 우수한 것으로 나타났다. 진동 감소는 강성 계수를 2100kN/m로 고정하고 감쇠 계수를 3000 N/m/s 이상으로 할 때 가장 효과적인 것으로 판단된다.
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