[논문]레이저 계측기를 이용한 축의 비틀림 진동에 관한 실험적 기초 연구

박일수

레이저 계측기를 이용한 축의 비틀림 진동에 관한 실험적 기초 연구
The Experimental and Basic Study on Torsional Vibration of Horizontal Rotating Shaft using a Laser Measuring Equipment 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.13 no.1, 2009년, pp.33 - 38

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the nose of cam in the automobile engine was modelled into circular disk to analyze the torsional vibration of the cam shaft. The distance between disks was fixed, but the diameter of disks was changed. The torsional vibration of the cam shaft was studied experimentally by the motion of the modelled disk with changing the disk diameter. And the sizes of the modelled disk were selected not to show the natural frequencies over all the experimental ranges. The torsional vibration meter used in this study has a laser system with non-contact measurement method, which can measure both torsional angular vibration velocity and torsional angular vibration displacement simultaneously. The Experimental analysis shows that the characteristics of the torsional vibration in the horizontal rotating shaft can be considerably affected by the arrangement of the modelled disks.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 자동차의 캠축을 대상으로 캠코를 원판으로 모델링한 회전축의 비틀림 진동을 비접촉진동계로 계측하여 실험적으로 고찰하였다

제안 방법

Fig. 2의 3가지 형식의 모델들의 질량 관성모멘트와 비틀림 스프링 상수값을 구하고, 왼쪽 끝단은 고정단으로 하고, 오른쪽 끝단은 자유단으로 간주하여 고유진동수를 구하였다.
비틀림 진동계의 측정 모드를 회전속도로 고정하고, 수평축의 RPM을 측정하고 회전속도를 일정하게 한 후 원판의 각변위와 각속도의 변화를 측정하였다. 계속적으로 변화되는 원판의 각변위와 각속도 변화의 최대값을 읽기 위하여 피크홀드 기능을 사용하여 피크치를 읽었고 오차를 줄이기 위하여 각각의 지점에서 5회씩 반복 측정하였다.
비틀림 진동 측정은 비틀림 진동 변환기에서 발생되는 10 mm간격인 두 개의 레이저 빔을 회전하는 물체에 투사시켜 비틀림 진동 변환기로 산란되어 돌아오는 레이저 빔을 도플러 변환에 의해 주파수로 변환된 회전체의 RPM, 비틀림 진동 각속도, 비틀림 진동 각변위를 비틀림 진동계에서 측정하였다. 또한, FFT 분석기로 비틀림 진동계에서 측정된 RPM, 비틀림 진동 각속도, 비틀림 진동 각변위 등을 분석하고 분석된 값을 내장된 프린터를 이용하여 출력하였다.
그래서, 본 실험장치에서는 모든 운전영역에서 RPM의 순간적 변동을 방지하고 정속성을 유지시키기 위해 회전축의 구동장치로 AC서어보 모터를 구동장치로 사용하였다. 또한, 속도제어기는 디지털 제어방식을 사용하여 정확한 회전수를 얻을 수 있었고, 정속성 또한 우수한 결과를 얻었다 시험편은 크기가 다른 3개의 원판이 부착된 수평축으로써 SM45C을 사용하여 1차 기계가공 하였으며, 진직도와 진원도를 확보하기 위하여 2차 연마가공한 후원 판은 링 체결방식으로 수평축에 결합하였다. 비틀림 진동 측정은 비틀림 진동 변환기에서 발생되는 10 mm간격인 두 개의 레이저 빔을 회전하는 물체에 투사시켜 비틀림 진동 변환기로 산란되어 돌아오는 레이저 빔을 도플러 변환에 의해 주파수로 변환된 회전체의 RPM, 비틀림 진동 각속도, 비틀림 진동 각변위를 비틀림 진동계에서 측정하였다.
레이저 계측기는 비틀림 진동 변환기의 광전 변환기로 되돌아오게 하기 위하여 회전축 링 부분의 표면에 미세한 유리구슬 층이 부착된 반사성이 높은 역반사 테이프(B&K QA0214)를 부착시켰다. 비틀림 진동 변환기와 측정면 사이의 거리는 30 cm의 거리를 두고, 측정의 방향은 목표물과 레이저 광선이 90°의 각을 이루도록 하였다.
레이저 계측기는 비틀림 진동 변환기의 광전 변환기로 되돌아오게 하기 위하여 회전축 링 부분의 표면에 미세한 유리구슬 층이 부착된 반사성이 높은 역반사 테이프(B&K QA0214)를 부착시켰다. 비틀림 진동 변환기와 측정면 사이의 거리는 30 cm의 거리를 두고, 측정의 방향은 목표물과 레이저 광선이 90°의 각을 이루도록 하였다. 비틀림 진동계의 측정 모드를 회전속도로 고정하고, 수평축의 RPM을 측정하고 회전속도를 일정하게 한 후 원판의 각변위와 각속도의 변화를 측정하였다.
또한, 속도제어기는 디지털 제어방식을 사용하여 정확한 회전수를 얻을 수 있었고, 정속성 또한 우수한 결과를 얻었다 시험편은 크기가 다른 3개의 원판이 부착된 수평축으로써 SM45C을 사용하여 1차 기계가공 하였으며, 진직도와 진원도를 확보하기 위하여 2차 연마가공한 후원 판은 링 체결방식으로 수평축에 결합하였다. 비틀림 진동 측정은 비틀림 진동 변환기에서 발생되는 10 mm간격인 두 개의 레이저 빔을 회전하는 물체에 투사시켜 비틀림 진동 변환기로 산란되어 돌아오는 레이저 빔을 도플러 변환에 의해 주파수로 변환된 회전체의 RPM, 비틀림 진동 각속도, 비틀림 진동 각변위를 비틀림 진동계에서 측정하였다. 또한, FFT 분석기로 비틀림 진동계에서 측정된 RPM, 비틀림 진동 각속도, 비틀림 진동 각변위 등을 분석하고 분석된 값을 내장된 프린터를 이용하여 출력하였다.
비틀림 진동 변환기와 측정면 사이의 거리는 30 cm의 거리를 두고, 측정의 방향은 목표물과 레이저 광선이 90°의 각을 이루도록 하였다. 비틀림 진동계의 측정 모드를 회전속도로 고정하고, 수평축의 RPM을 측정하고 회전속도를 일정하게 한 후 원판의 각변위와 각속도의 변화를 측정하였다. 계속적으로 변화되는 원판의 각변위와 각속도 변화의 최대값을 읽기 위하여 피크홀드 기능을 사용하여 피크치를 읽었고 오차를 줄이기 위하여 각각의 지점에서 5회씩 반복 측정하였다.
진동을 고찰하였다. 실험모델은 고유 진동해석을 행하여, 실험회전영역에 고유진동수가 포함되지 않도록 선정하였다.
이 연구에서는 자동차기관 캠축의 비틀림 진동을 대상으로 하여 캠축의 캠코에 해당하는 부분을 원판으로 모델링하였고, 원판 크기의 변화에 따른 원판의 운동을 비접촉식 진동계로 계측하여 축의 비틀림 진동을 고찰하였다. 실험모델은 고유 진동해석을 행하여, 실험회전영역에 고유진동수가 포함되지 않도록 선정하였다.

대상 데이터

비틀림 진동은 속도제어 서어보계에 있어 고성능의 서어보 기술을 실현하는데 장애가 되고 있다. 그래서, 본 실험장치에서는 모든 운전영역에서 RPM의 순간적 변동을 방지하고 정속성을 유지시키기 위해 회전축의 구동장치로 AC서어보 모터를 구동장치로 사용하였다. 또한, 속도제어기는 디지털 제어방식을 사용하여 정확한 회전수를 얻을 수 있었고, 정속성 또한 우수한 결과를 얻었다 시험편은 크기가 다른 3개의 원판이 부착된 수평축으로써 SM45C을 사용하여 1차 기계가공 하였으며, 진직도와 진원도를 확보하기 위하여 2차 연마가공한 후원 판은 링 체결방식으로 수평축에 결합하였다.

성능/효과

원판의 크기를 변화시켜 원판을 A, B, C 3가지 모델로 재배치하여 실험을 수행하고, 그 특성을 검토한 결과, 모델 C에서 알 수 있는 바와 같이 원판의 배치여하에 따라서 진동의 특성이 현저하게 달라질 수 있음을 알 수 있다.

후속연구

그리고 이 연구는 다음 연구의 선행적 기초연구로 다음 보고서에서는 실제 캠축을 모델링하여 강제진동 및 과도진동을 이론적으로 해석하고 실험 결과와 비교 검토한 연구결과를 발표할 예정이다.

참고문헌 (8)

中川泰任, 1988, "騷音の諸要因による生理機能 (身體的. 精神的)の變化と影響, 公害と對策" 日本機械學會論文集, Vol. 24, No. 8, pp. 11-14.
박일수, 안찬우, 1997, "단축의 비틀림 진동 특성에 관한 연구", 東亞大學？校, 生産技術硏究所, 第2卷, 第1號, pp. 23-31.
전오성, 김정태, 1995, "회전체의 비틀림 고유진동 해석", 大韓機械學會論文集, 第19卷, 第6號, pp. 351-1362.
조승호, 1989, "비틀림 진동특성을 고려한 서어보 모터계의 디지털 최적제어"", 한국정밀공학회지, 제6권, 제4호, pp. 52-60.
최명수, 문덕홍, 심재문, 2003, "디젤기관 추진축계의 설계를 위한 비틀림 진동해석 전산프로그램의 개발", 한국동력기계공학회지, 제7권, 제2호, pp. 23-28.

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양보석 외 4인, 1997, "고속엔진 축계용 점성 비틀림 진동감쇠기의 성능해석 및 실험", 한국동력기계공학회지, 제1권, 제1호, pp. 98-105.

원문보기 상세보기
문덕홍, 최명수, 심재문, 1997, "동강성계수의 전달을 이용한 축계의 비틀림진동 해석", 한국동력기계공학회지, 제1권, 제1호, pp. 91-97.

원문보기 상세보기
박일수, 2007, "Disk가 부착된 회전축의 비틀림 진동 특성에 관한 연구", 2007년도 한국동력기계공학회 추계학술대회 논문집, pp. 334-339.

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