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문제 정의
- 이 연구에서는 유한요소 해석 및 시험을 통하여 FCEV 터보 블로워의 동적 특성을 분석하였다. 회전 속도에 따른 BLDC 모터의 회전자와 임펠러의 안정성을 평가하기 위하여 유한요소 해석 모델을 구성하였다.
가설 설정
- 모터 스테이터(stator)는 강판의 적층으로 결합된 코어(core)와 필드 코일(field coil)로 구성되어 횡방향 및 종방향의 물성이 다른 특징을 보인다. 따라서, 이러한 특성을 고려하기 위하여 이 연구에서는 이방성 물질로 가정 하였다(4). 차량 프레임으로의 진동 전달을 감소시키기 위한 고무 부싱은 전후, 좌우, 상하 방향의 강성을 1차원 스프링 및 댐퍼 요소를 조합한 spring-dashpot 직렬 모델로 구성하였다.
제안 방법
- 저주파수 대역의 동특성 분석을 위하여 Fig. 12(b)와 같이 ED shaker를 이용한 1g 정현파 강제 진동 시험(sine sweep test)을 진행하였다.
- 베어링의 강성은 회전속도에 따라 감소된다. 따라서, Fig. 8과 같이 회전속도에 따른 베어링의 강성 변화를 고려하여 스프링 요소를 모델링 하였다.
- 터보 블로워의 차량 프레임 장착 시, 상하 방향 저주파수 진동은 차량 IDLE NVH 성능에 큰 영향을 준다. 따라서, 이 연구에서는 1g 정현파 가진 시험(1~300 Hz) 및 해석을 통하여 터보 블로워 상하방향 동적 특성을 분석하였으며, 그 결과는 Fig. 17과 같다. 정현파 가진 시험 결과, 모터 상단의 가속도는 비교적 저 주파수대역인 point 6에서 급격히 증가하였다.
- 유한요소의 수는 45920개, 임펠러 날개의 강성 및 질량은 등가 모델을 이용하여 구현하였다. 또한, 슬리브 및 임펠러의 열간 압입에 의한 원초 압력(pre stress)는 압력을 이용하여 구현하였다. 해석 모델의 타당성을 검증하기 위하여 모달 테스트(modal test)를 이용한 FRF 측정 결과와 고유 진동 해석(normal mode analysis) 결과를 비교하였으며, 그 결과는 Fig.
- 또한, 후방 베어링 지지부의 진동 모드와 베어링 진동 성분의 공진 현상으로 인한 소음 발생을 확인하였다. 마지막으로, 정현파 가진 시험 및 해석을 통하여 고무 부싱의 강성으로 인한 터보 블로워의 상하 방향 공진 현상을 확인하였다. 향후, 터보 블로워의 구조적 방사 소음 특성에 관한 연구를 진행할 예정이다.
- 차량 프레임으로의 진동 전달을 감소시키기 위한 고무 부싱은 전후, 좌우, 상하 방향의 강성을 1차원 스프링 및 댐퍼 요소를 조합한 spring-dashpot 직렬 모델로 구성하였다. 마지막으로, 터보 블로워 조립 조건은 RBE 요소를 이용하여 구현하였다.
- 따라서, 터보 블로워의 케이스와 임펠러 날개의 끝 사이(tip clearance)의 일정 간격은 임펠러의 러빙(rubbing)을 방지하기 위한 중요한 요소이다. 이 연구에서는 고체 요소를 이용한 선형 정적 해석 방법을 이용하여 회전 속도 50000 RPM, 분위기 온도 90 ℃에서 임펠러의 변형 해석을 수행하였으며, 그 결과는 Fig. 5와 같다. 원심력에 의한 인장력은 임펠러 날개 중 표면적이 가장 넓은 상단 부위에서 최대 0.
- 이 연구에서는 유한요소 모델을 구성하기 위하여 고체 요소(solid element)를 이용하였으며, 압입 조건을 구현하기 위하여 접촉(contact) 조건을 이용하였다. 터보 블로워의 작동 조건을 고려하여, 최대 회전 속도 50000 RPM, 분위기 온도 90℃에서 후푸 응력(Hoop stress)를 이용한 열간 압입 해석을 진행하였으며, 그 결과는 Fig.
- 회전부는 임펠러에 회전 운동을 부여하는 BLDC모터 및 rotor ass’y로 구성되며, 마지막으로 차량 장착부는 터보 블로워의 작동 시 발생하는 진동의 절연을 위한 고무 부싱 및 브라켓(bracket)으로 구성된다. 이 연구에서는 유한요소 해석(FEA)과 동특성 시험을 통하여 터보 블로워 회전부 구조적 안전성, 회전 시스템의 동특성 및 구조적 진동 특성을 분석하였다.
- 즉, 실험적 모드 해석 결과와 유한요소 해석 결과를 MAC을 통하여 상관관계를 분석할 수 있다. 이 연구에서는 진동 모드 형상의 변화를 충분히 표현 할 수 있도록 25개의 가속도 측정 지점을 이용하여 Fig. 10과 같은 모달 시험 형상(modal test geometry)을 구성하였다. 2000 Hz 대역까지 발생하는 1~4차 진동 모드는 Fig.
- 이때, N차의 위험 속도는 N배수의 기본 회전주파수 성분 (Ωexcitation = NΩref) 과 회전 시스템의 각 차수 휘돌림 진동 속도들과 일치하는 곳이다. 이 연구에서는 터보 블로워의 회전 동특성을 분석하기 위하여 유한 요소 해석을 이용하였으며, 베어링 및 베어링 지지부 강성을 구현하기 위하여 각각 2차원 및 1차원 스프링 요소를 사용하였다. 베어링의 강성은 회전속도에 따라 감소된다.
- 회전 속도에 따른 BLDC 모터의 회전자와 임펠러의 안정성을 평가하기 위하여 유한요소 해석 모델을 구성하였다. 이후, 원심력에 의한 인장력 및 열간 압입에 의한 압축 응력의 구조적 안정성을 분석하였다. 터보 블로워의 회전 동특성을 분석하기 위하여 회전 지지부 및 베어링 강성을 고려한 유한요소 모델을 구성하여 Campbell diagram을 도출하였다.
- 따라서, 이러한 특성을 고려하기 위하여 이 연구에서는 이방성 물질로 가정 하였다(4). 차량 프레임으로의 진동 전달을 감소시키기 위한 고무 부싱은 전후, 좌우, 상하 방향의 강성을 1차원 스프링 및 댐퍼 요소를 조합한 spring-dashpot 직렬 모델로 구성하였다. 마지막으로, 터보 블로워 조립 조건은 RBE 요소를 이용하여 구현하였다.
- 터보 블로워의 회전 동특성을 분석하기 위하여 회전 지지부 및 베어링 강성을 고려한 유한요소 모델을 구성하여 Campbell diagram을 도출하였다. 터보 블로워의 가속 소음 및 진동 측정 결과와의 비교 분석을 통해 1,2차 강체 진동에 의한 소음 및 진동 발생을 확인하였다. 또한, 후방 베어링 지지부의 진동 모드와 베어링 진동 성분의 공진 현상으로 인한 소음 발생을 확인하였다.
- 이 연구에서는 유한요소 모델을 구성하기 위하여 고체 요소(solid element)를 이용하였으며, 압입 조건을 구현하기 위하여 접촉(contact) 조건을 이용하였다. 터보 블로워의 작동 조건을 고려하여, 최대 회전 속도 50000 RPM, 분위기 온도 90℃에서 후푸 응력(Hoop stress)를 이용한 열간 압입 해석을 진행하였으며, 그 결과는 Fig. 4와 같다. 열간 압입 시, 최대 응력이 발생하는 지점은 슬리브의 내경 양 끝단이며, 최대 70 Mpa(von mises stress)의 압축 응력이 발생한다.
- 이 연구에서는 유한요소 해석 및 시험을 통하여 FCEV 터보 블로워의 동적 특성을 분석하였다. 회전 속도에 따른 BLDC 모터의 회전자와 임펠러의 안정성을 평가하기 위하여 유한요소 해석 모델을 구성하였다. 이후, 원심력에 의한 인장력 및 열간 압입에 의한 압축 응력의 구조적 안정성을 분석하였다.
대상 데이터
- 유한요소 모델은 rotor ass’y, 모터 케이스 및 스테이터(stator), 전/후방 베어링 지지부, 볼루트, 디퓨저 등의 케이스로 구성되어 있으며 재질은 알루미늄이다.
- 이 연구에서 사용된 터보 블로워 rotor ass’y는 Fig. 6과 같이 회전자와 임펠러로 구성되어 있으며, 무게는 1320 g이다.
- 고압의 공기를 공급하기 위해서 터보 블로워는 고속으로 회전하게 되며, 이때 발생하는 진동 및 소음은 차량의 NVH 성능에 큰 영향을 준다. 이 연구에서 사용된 터보 블로워는 원심형 블로워로 Fig. 2와 같이 구성되어 압축부, 회전부, 차량 장착부로 구성된다. 압축부는 고속 회전을 통하여 흡입 공기에 운동 에너지를 부여하는 임펠러(impeller)와 흡입 공기의 운동에너지를 압력으로 전환하는 볼루트(volute)로 구성되어 있다.
- 터보 블로워의 임펠러는 알루미늄 재질로 구성되어 있으며, 축과 임펠러의 열간 압입량은 10 μm, 임펠러 직경은 140 mm, 축 직경은 18 mm이다.
데이터처리
- 또한, 슬리브 및 임펠러의 열간 압입에 의한 원초 압력(pre stress)는 압력을 이용하여 구현하였다. 해석 모델의 타당성을 검증하기 위하여 모달 테스트(modal test)를 이용한 FRF 측정 결과와 고유 진동 해석(normal mode analysis) 결과를 비교하였으며, 그 결과는 Fig. 7과 같다. FRF 측정 결과, 1500 및 3500 Hz 대역에서 1,2차 진동 모드가 발생하였으며, 유한요소 해석을 통하여 1차 축 굽힘 진동 모드와 2차 축 및 임펠러 굽힘 혼합 진동 모드임을 알 수 있다.
이론/모형
- Rotor ass’y의 유한요소 해석 모델은 고체 요소들을 이용하여 구성하였다. 유한요소의 수는 45920개, 임펠러 날개의 강성 및 질량은 등가 모델을 이용하여 구현하였다. 또한, 슬리브 및 임펠러의 열간 압입에 의한 원초 압력(pre stress)는 압력을 이용하여 구현하였다.
- 이후, 원심력에 의한 인장력 및 열간 압입에 의한 압축 응력의 구조적 안정성을 분석하였다. 터보 블로워의 회전 동특성을 분석하기 위하여 회전 지지부 및 베어링 강성을 고려한 유한요소 모델을 구성하여 Campbell diagram을 도출하였다. 터보 블로워의 가속 소음 및 진동 측정 결과와의 비교 분석을 통해 1,2차 강체 진동에 의한 소음 및 진동 발생을 확인하였다.
성능/효과
- 7과 같다. FRF 측정 결과, 1500 및 3500 Hz 대역에서 1,2차 진동 모드가 발생하였으며, 유한요소 해석을 통하여 1차 축 굽힘 진동 모드와 2차 축 및 임펠러 굽힘 혼합 진동 모드임을 알 수 있다. 축 굽힘 모드의 주파수를 통하여, 유한요소 모델의 강성이 실 제품과 비교적 일치한다는 사실을 알 수 있다.
- 정현파 가진 시험 결과, 모터 상단의 가속도는 비교적 저 주파수대역인 point 6에서 급격히 증가하였다. 유한요소 해석 결과에서도 동일한 주파수대역에서 가속도의 급격한 증가 현상이 발생하였으며, 터보 블로워의 상단에서 집중 변위가 발생하였다. 이러한 현상은 상대적으로 낮은 고무 부싱의 강성으로 인한 상하 방향 공진 현상이 원인이라 판단된다.
- 17과 같다. 정현파 가진 시험 결과, 모터 상단의 가속도는 비교적 저 주파수대역인 point 6에서 급격히 증가하였다. 유한요소 해석 결과에서도 동일한 주파수대역에서 가속도의 급격한 증가 현상이 발생하였으며, 터보 블로워의 상단에서 집중 변위가 발생하였다.
- 15와 같으며, 주요 소음 및 진동은 point 5 주파수 대역에서 발생하였다. 해석 및 시험 결과를 통해, 소음 및 진동은 후방 베어링 BSF 4차 진동 주파수와 Fig. 16 후방 베어링 지지부(rear support) 전후 방향 진동 모드의 공진 현상으로 인해 발생하리라 판단된다.
후속연구
- 마지막으로, 정현파 가진 시험 및 해석을 통하여 고무 부싱의 강성으로 인한 터보 블로워의 상하 방향 공진 현상을 확인하였다. 향후, 터보 블로워의 구조적 방사 소음 특성에 관한 연구를 진행할 예정이다.
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