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문제 정의
- 본 연구에서는 온도 변화가 타이어의 공기공동 공명 특성 및 타이어의 구조적 진동 특성에 미치는 영 향을 분석 검토하기 위하여, 승용차용 레이 디얼타이어(P205/60R 15)에 대해 타이어 주변 및 타이어 내부의 온도를 변화시키면서 압력 센서를 이용한 공기 공동 내부의 음압(acoustic pressure) 에 관한 모달 테스트와 가속도계를 이용한 타이어의 구조적모달 테스트를 실시하였다.
제안 방법
- Fig. 2와 같이, 타이어(20.7℃에서 공기압 2.2 kgf/cm2으로 설정)의 휠에 15개의 구멍을 내어 각각의 구멍에 압력센서를 삽입하고, 타이어 표면을 타격하여 압력센서를 통해 응답을 받는 공기공동의 음압에 관한 모달 테 스트(acoustic modal test)를 실시하였다. 또한 동일 타이어의 트레드 중심선을 따라 등간격으로 타이어 표면의 15개소에 반경방향(γ-반향)으로 가속도계를 부착하여 타이어의 구조적 모달 테스트를 실시하였다.
- Fig. 3과 같이 타이어에 300 kgf 의 수직하중을 가하여 지면과 접촉시킨 상태에서 음압 모달 테스트 및 구조적 모달 테스트를 실시하였다
- 2 kgf/cm2으로 설정)의 휠에 15개의 구멍을 내어 각각의 구멍에 압력센서를 삽입하고, 타이어 표면을 타격하여 압력센서를 통해 응답을 받는 공기공동의 음압에 관한 모달 테 스트(acoustic modal test)를 실시하였다. 또한 동일 타이어의 트레드 중심선을 따라 등간격으로 타이어 표면의 15개소에 반경방향(γ-반향)으로 가속도계를 부착하여 타이어의 구조적 모달 테스트를 실시하였다.
- 본 연구에서는 온도가 공기공동 공명에 미치는 효과를 살펴보기 위해, 그리고 공기공동 공명 이 타이어의 구조진동에 미치는 영향을 살펴보기 위하여, 20~45℃의 범위 에서 온도변화에 따른 모달 테스트를 실시하고 그 결과를 검토하였다 측정을 위해 15개의 압력 센서를 타이어의 공기공동에 삽입하여 음압의 모달 테스트를 실시하고, 또한 15개의 가속도계를 트레드의 중앙선을 따라 트레드 표면에 부착하여 구조적 모달 테스트를 실시하였다. 그 결과를 분석 검토한 결과 다음과 같은 사실을 새로이 발견하였다.
- 3과 같이 실험 장치를 단열재로 만든 엔클로저(enclosure)로 감싸고 온도를 조절할 수 있는 가열기(heater)로 공기의 온도가 일정 값까지 오르도록 가열하였다. 엔클로저 내부 및 타이어의 공기공동의 온도가 정상상태에 도달하였음을 확인한 다음, 두 가지 모달 테스트를 실시하였다. 이때 공기공동 내부의 온도는 측온 저항체 (RTD, resistance temperature detector)를 삽입 하여 측정하였다 그리고 두 가지 모달 테스트로부터 얻은 주파수 응답함수(FRF) 및 진동특성을 비교하여 구조진동과 공기공동 공명의 연성 여부 및 타이어의 진동 특성을 검토하였다.
- 온도변화에 따라 타이어의 공기공동의 진동형 이 타이어의 진동 특성에 미치는 영향을 검토하기 위해, 타이어 및 공기공동 내부의 온도를 20~45℃의 범위에서 변화시키면서 자유상태의 타이어와 지면접촉상태의 타이어의 표면에 가속도계를 부착하고 반경 방향으로 타격하여 모달 테스트를 실시하였다.
- 엔클로저 내부 및 타이어의 공기공동의 온도가 정상상태에 도달하였음을 확인한 다음, 두 가지 모달 테스트를 실시하였다. 이때 공기공동 내부의 온도는 측온 저항체 (RTD, resistance temperature detector)를 삽입 하여 측정하였다 그리고 두 가지 모달 테스트로부터 얻은 주파수 응답함수(FRF) 및 진동특성을 비교하여 구조진동과 공기공동 공명의 연성 여부 및 타이어의 진동 특성을 검토하였다.
- 자유상태와지면접촉 상태의 타이어에 대하여 온도 변화에 따른 구조적 진동 및 공기공동 공명의 특성 변화를 검토하기 위해 Fig. 3과 같이 실험 장치를 단열재로 만든 엔클로저(enclosure)로 감싸고 온도를 조절할 수 있는 가열기(heater)로 공기의 온도가 일정 값까지 오르도록 가열하였다. 엔클로저 내부 및 타이어의 공기공동의 온도가 정상상태에 도달하였음을 확인한 다음, 두 가지 모달 테스트를 실시하였다.
성능/효과
- 1) 자유상태의 공기공동공명 주파수를 상온에서는 4번째 공명주파수까지 측정 가능하나 온도가 중가함에 따라2번째 공명주파수까지만 측정이 가능하였다. 또한지면접촉 상태의 타이어의 경우, 온도에 상관없이 4번째 공명주파수까지 측정이 가능하였다.
- 2) 온도가 증가함에 따라 공기공동의 공명주파수는 대체로 절대온도에 비 례하여 중가한다. 이는 공명주파수가 음속에 비 례하고 음속은 0~100℃ 의 공기 중에서 공기의 절대온도에 거의 비례하기 때문이다
- 3) 자유상태 타이어의 첫 번째 공기공동의 공명 모드가 타이어의 진동 모드에 미치는 영향은 온도가 증가함에 따라 점점 감소하여 약 35℃이상이 되면 전혀 영향을 미치지 못하게 된다. 이는 온도가 중가함에 따라 첫 번째 공기공동 공명주파수와 그 공명주파수 근처 의 구조적 고유진동수 간의 간격이 점점 멀어지게 되어 공기공동 공명 모드와 구조적 진동모드의 연성이 점점 약해지기 때문이다.
- 4) 자유상태의 타이어에 대한 첫 번째 공명주파수에서 타이어의 구조 진동형은 약 35℃이하에서 공기공동 공명의 진동형과 타이어 자체의 구조진동형 이 결합하여 나타난다. 그러나 두 번째 공명주파수에서 타이어의 진동형은 온도에 상관없이 공기공동의 진동형만이 반영되어 나타난다.
- 5) 지면접촉 상태에서 측정 가능했던 4개의 공기 공동 공명주파수는 자유상태의 첫 번째와 두 번째의 공명 주파수를 중심으로 약간 큰 주파수와 약간 작은 주파수로 각각 분포한다. 이러한 현상은 본 연구에서 실시한 온도 범위에서 모두 나타난다.
- 6) 수직하중을 받는 지면접촉 타이어에서, 첫 번째 공기 공동 공명 주파수에서의 타이어의 진동형은 상온에서는 공기공동의 진동형과 구조 진동형이 중첩 되어 나타나지만, 온도가 높아짐에 따라 타이어의 구조적 진동형만이 나타난다. 그러나 두 번째 공기공동 공명주파수에서의 타이어 진동형은 온도에 상관없이 공기공동의 모드와 구조 진동형 이 결합되어 나타난다.
- 그러나 두 번째 공기공동 공명주파수에서의 타이어 진동형은 온도에 상관없이 공기공동의 모드와 구조 진동형 이 결합되어 나타난다. 그리고 세 번째 및 네 번째의 공기공동 공명주파수에서의 타이어 진동형은 온도에 상관없이 공기공동 진동형만의 영향을 받는다
- 두 번째 공기공동 주파수에서의 타이어의 진동형은 온도변화에 상관없이 상하로 흔드는 공기 공동모드와 구조 진동모드가 혼합된 진동형을 보인다. 즉, 온도가 올라가도 여전히 두 번째의 공기공동 모드는 근방의 구조진동 모드와 결합되어 차축을 상하로 흔드는 진동을 일으키 고 있음을 알 수 있다.
- 둘째, 온도가 증가함에 따라 첫 번째 공기공동 공명 주파수 근처 의 타이 어 의 구조적 진동주파수는 점점 감소하는 반면에, 첫 번째의 공기공동 공명주파수는 점점 증가하게 되어, 첫 번째 공기공동 공명주파수와 그 근처 의 타이 어 고유진동수 사이의 간격이 점점 벌어짐을 알 수 있다. 이러한 사실은 첫 번째 공기 공동 공명모드와 타이 어 의 진동모드의 연성이 점점 약해진다는 것을 의미한다.
- 이 상하로 진동하는 모드이다. 따라서 두 번째 공명주파수에서의 타이어의 진동형은 차축을 흔드는 효과가 다른 공기공동 모드보다 훨씬 클 것으로 예측된다.
- 셋째, 하중을 받는 타이어의 세 번째 고유진동형 (454 Hz) 및 네 번째의 것(461 Hz)은 중심축의 위치가 거의 변함이 없는 진동형으로서 첫 번째 및 두 번째 모드에 비해 차축을 흔드는 효과는 미미할 것으로 판단된다.
- 점점 벌어짐을 알 수 있다. 이러한 사실은 첫 번째 공기 공동 공명모드와 타이 어 의 진동모드의 연성이 점점 약해진다는 것을 의미한다. 이를 확인하기 위하여, 온도가 증가함에 따라 첫 번째 및 두 번째 공기 공동 공명 주파수에서 의 타이 어 의 진동 모드와 공기 공동 공명 주파수 근처에서의 타이어의 진동 모드를 Table 3에 정리하였다.
- 첫째, 공기공동 공명주파수가 존재하는 곳에서 FRF가 국부적으로 급격히 변화하는 형태를 보인다.
- 첫째, 자유상태의 첫 번째와 두 번째의 공명주파수를 기준으로, 하중을 받는 타이어의 공명주파수는 약간 큰 주파수와 약간 작은 주파수로 분리 된다. 그러나 하중을 받는 타이어에서, 자유상태의 세 번째와 네 번째의 공명주파수에 해당하는 공명주파수는 명 확히 측정 하기 어 려 웠다.
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