[논문]다물체 동역학 모델을 이용한 세탁기의 동적 해석

김태진; 김병진; 김승오; 민제홍; 정진태

doi:10.5050/ksnve.2012.22.1.088

문제 정의

기존 시스템에선 상단변위가 하단변위보다 컸더라도 거동 특성이 변한 시스템에선 상단변위가 하단변위보다 작을 수도 있다. 이 논문에서는 세탁기 시스템 자체의 거동 특성을 변경하지 않는 범위에서 영향인자들이 거동에 미치는 영향을 파악하기 위해 변경 가능한 인자들인 스프링 강성, 감쇠계수, 비틀림 감쇠계수를 영향인자로 설정하였고 DAFUL을 이용하여 수립한 해석모델을 통해 영향인자가 거동에 미치는 영향을 분석하였다. Figs.
이 논문에서는 시뮬레이션 모델과 실제 세탁기 시스템의 시간응답을 비교하여 해석모델의 타당성을 입증하였다. Fig.

가설 설정

스프링-댐퍼와 같이 움직이는 부분은 병진 조인트를 적용하여 현가장치 위에서만 움직이도록 구속하였고 마찰감쇠가 일어 나는 부분은 병진방향과 회전방향을 스프링 요소로 구속할 수 있는 부싱을 이용하여 모델링하였다. 현가장치가 터브나 세탁기 프레임을 이탈하지 않도록 병진방향으로 높은 강성을 적용하였고 회전방향의 감쇠항에 비틀림 감쇠계수를 적용하는 것으로 마찰 감쇠효과를 대체할 수 있다고 가정하였다. 이를 위해 Fig.

제안 방법

(1) 마찰감쇠효과를 구현하기 위해 1자유도 감쇠 진자를 제안하였고 실험을 통해 얻은 비틀림 감쇠 계수를 DAFUL로 모델링 한 부싱의 회전 감쇠항에 적용하여 실제 시스템의 마찰감쇠효과를 구현하였다. 시뮬레이션 모델과 실험값과의 오차가 10% 내외를 만족하여 제안한 내용이 타당함을 입증하였다.
이 논문에서는 상용 다물체 동역학 프로그램 DAFUL을 이용해 현가장치의 마찰감쇠효과를 고려한 세탁기 시스템을 구현하였으며 밸런서의 밸런싱 효과는 제거하였다. 각 부분은 고정, 회전, 병진 조인트(fixed, revolute, translation joint)를 적용하여 모델링을 진행하였고 현가장치의 스프링-댐퍼는 스프링 요소로, 현가장치와 터브 및 세탁기 프레임간의 접촉 부분은 6자유도를 갖는 힘 요소인 부싱 (bushing)을 이용하여 모델링하였다. 현가장치 접촉 부분의 마찰감쇠효과를 구현하기 위해 1자유도 비틀림 감쇠진자를 제안하였고 실험 결과를 모델링에 적용하였다.
동역학 모델을 위한 물성치는 실측을 통해 질량 정보를 얻었고 캐드 프로그램을 이용하여 질량 관성모멘트를 획득하였다. 구동속도 프로파일은 회전 속도계(tachometer)로 측정하여 적용하였다.
이외의 세탁기 몸체의 각 부분들은 고정 조인트를 사용 하여 한 몸체처럼 움직일 수 있도록 모델링을 수행하였다. 동역학 모델을 위한 물성치는 실측을 통해 질량 정보를 얻었고 캐드 프로그램을 이용하여 질량 관성모멘트를 획득하였다. 구동속도 프로파일은 회전 속도계(tachometer)로 측정하여 적용하였다.
세탁기 시스템의 시뮬레이션 모델링은 DAFUL을이용하여 강체로 모델링을 진행하였고 터브, 바스켓, 그리고 구동장치를 결합한 세탁기 몸체와 현가장치로 나누어 진행하였다. 세탁기 몸체의 클러치는 모터로부터 동력을 전달받아 바스켓을 구동시키는 역할을 하므로 회전 조인트를 사용하여 구속하였다.
스프링-댐퍼는 스프링 요소로 모델링하였고 실험을 통해 스프링-댐퍼의 강성과 감쇠계수를 획득하여 모델링에 적용하였다. 스프링-댐퍼와 같이 움직이는 부분은 병진 조인트를 적용하여 현가장치 위에서만 움직이도록 구속하였고 마찰감쇠가 일어 나는 부분은 병진방향과 회전방향을 스프링 요소로 구속할 수 있는 부싱을 이용하여 모델링하였다. 현가장치가 터브나 세탁기 프레임을 이탈하지 않도록 병진방향으로 높은 강성을 적용하였고 회전방향의 감쇠항에 비틀림 감쇠계수를 적용하는 것으로 마찰 감쇠효과를 대체할 수 있다고 가정하였다.
7은 완성된 시뮬레이션 모델이다. 시뮬레이션과 실제 세탁기의 비교를 위해 동일한 위치에서 응답을 측정하였으며 시간응답은 터브의 정면상단, 정면하단, 측면상단 세 부분에 가속도계를 부착하여 측정하였다. 실험은 불평형질량 300 g, 500 g을 세탁조 하단에 부착하여 진행했고 구동속도는 탈수 최고속도인 730 rpm으로 설정하였다.
이외의 부분들에 대해서도 실측과 캐드 (CAD) 프로그램, 그리고 실험을 통해 물성치를 획득하고 모델링에 적용하였다. 완성된 시뮬레이션 모델과 세탁기의 시간응답을 비교하여 모델의 신뢰성을 검증하였고 거동에 영향을 미치는 영향인자들을 선정한 후 시뮬레이션 모델을 이용하여 영향도를 분석하였다.
이 논문에서는 상용 다물체 동역학 프로그램 DAFUL을 이용해 현가장치의 마찰감쇠효과를 고려한 세탁기 시스템을 구현하였으며 밸런서의 밸런싱 효과는 제거하였다. 각 부분은 고정, 회전, 병진 조인트(fixed, revolute, translation joint)를 적용하여 모델링을 진행하였고 현가장치의 스프링-댐퍼는 스프링 요소로, 현가장치와 터브 및 세탁기 프레임간의 접촉 부분은 6자유도를 갖는 힘 요소인 부싱 (bushing)을 이용하여 모델링하였다.
이 연구에서는 세탁기 시스템의 영향인자가 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해 다물체 동역학 해석모델을 수립하였고 실험을 통해 얻은 물성치를 적용한 해석모델과 실제 측정값을 비교하여 해석모 델의 신뢰성을 검증하였다. 이 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.
현가장치가 터브나 세탁기 프레임을 이탈하지 않도록 병진방향으로 높은 강성을 적용하였고 회전방향의 감쇠항에 비틀림 감쇠계수를 적용하는 것으로 마찰 감쇠효과를 대체할 수 있다고 가정하였다. 이를 위해 Fig. 4의 비틀림 감쇠계수를 가지는 1자유도 감쇠진자를 제안하였다. Fig.
현가장치 접촉 부분의 마찰감쇠효과를 구현하기 위해 1자유도 비틀림 감쇠진자를 제안하였고 실험 결과를 모델링에 적용하였다. 이외의 부분들에 대해서도 실측과 캐드 (CAD) 프로그램, 그리고 실험을 통해 물성치를 획득하고 모델링에 적용하였다. 완성된 시뮬레이션 모델과 세탁기의 시간응답을 비교하여 모델의 신뢰성을 검증하였고 거동에 영향을 미치는 영향인자들을 선정한 후 시뮬레이션 모델을 이용하여 영향도를 분석하였다.
세탁기 몸체의 클러치는 모터로부터 동력을 전달받아 바스켓을 구동시키는 역할을 하므로 회전 조인트를 사용하여 구속하였다. 이외의 세탁기 몸체의 각 부분들은 고정 조인트를 사용 하여 한 몸체처럼 움직일 수 있도록 모델링을 수행하였다. 동역학 모델을 위한 물성치는 실측을 통해 질량 정보를 얻었고 캐드 프로그램을 이용하여 질량 관성모멘트를 획득하였다.
6은 실험을 통해 구한 주파수응답함수이다. 주파수응답함수로부터 고유진동수와 대역폭(band width), Q-factor(quality factor)를 획득한 후 이를 통해 감쇠비를 얻어 비틀림 감쇠계수를 구하였다.
8은 불평형질량 500 g을 세탁조 하단에 부착하고 구동한 실제 세탁기 시스템의 시간응답을 가속도계와 주파수 분석기를 이용하여 측정한 것이다. 초기 구동 시 피크(peak)가 생기는 구간을 과도 구간으로 설정하였고 일정한 진폭을 갖는 후반부의 구간을 정상구간으로 설정하였다. 과도응답과 정상응답의 실험값과 시뮬레이션의 비교결과는 Table 1에 나타내었다.
5는 비틀림 감쇠계수를 획득하기 위한 실험장치도이다. 충격해머(impact hammer)로 가진하여 가속도계로 응답을 측정하였고 주파수 분석기를 통해 주파수응답함수(frequency response function)를 얻었다. Fig.
각 부분은 고정, 회전, 병진 조인트(fixed, revolute, translation joint)를 적용하여 모델링을 진행하였고 현가장치의 스프링-댐퍼는 스프링 요소로, 현가장치와 터브 및 세탁기 프레임간의 접촉 부분은 6자유도를 갖는 힘 요소인 부싱 (bushing)을 이용하여 모델링하였다. 현가장치 접촉 부분의 마찰감쇠효과를 구현하기 위해 1자유도 비틀림 감쇠진자를 제안하였고 실험 결과를 모델링에 적용하였다. 이외의 부분들에 대해서도 실측과 캐드 (CAD) 프로그램, 그리고 실험을 통해 물성치를 획득하고 모델링에 적용하였다.

대상 데이터

3은 현가장치를 모델링 한것이다. 스프링-댐퍼는 스프링 요소로 모델링하였고 실험을 통해 스프링-댐퍼의 강성과 감쇠계수를 획득하여 모델링에 적용하였다. 스프링-댐퍼와 같이 움직이는 부분은 병진 조인트를 적용하여 현가장치 위에서만 움직이도록 구속하였고 마찰감쇠가 일어 나는 부분은 병진방향과 회전방향을 스프링 요소로 구속할 수 있는 부싱을 이용하여 모델링하였다.
이 논문에서 다루는 세탁기 시스템은 Fig. 1에서 보는 바와 같이 크게 터브, 바스켓, 구동장치 (driving module), 현가장치로 이루어져 있다. 각 부분의 세부 구성 요소는 Fig.

성능/효과

(2) 현가장치의 스프링 강성, 감쇠계수, 그리고 감쇠진자의 비틀림 감쇠계수를 거동에 영향을 미치는 영향인자로 설정하고 각각의 값을 변경하며 거동을 평가했을 때 비틀림 감쇠계수가 거동에 가장큰 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 또한 스프링-댐퍼의 감쇠계수가 증가하면 과도응답이 커지는 특성을 확인하였다.
(2) 현가장치의 스프링 강성, 감쇠계수, 그리고 감쇠진자의 비틀림 감쇠계수를 거동에 영향을 미치는 영향인자로 설정하고 각각의 값을 변경하며 거동을 평가했을 때 비틀림 감쇠계수가 거동에 가장큰 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 또한 스프링-댐퍼의 감쇠계수가 증가하면 과도응답이 커지는 특성을 확인하였다.
스프링 강성, 감쇠계수, 비틀림 감쇠계수가 응답에 미치는 영향을 비교해 보았을 때 비틀림 감쇠계수의 변화가 세탁기의 초기 거동에 가장 큰영향을 끼쳤고 스프링 강성과 감쇠계수는 상대적으로 미치는 영향이 적었다. 이는 현가장치의 스프링-댐퍼의 영향보다 터브 및 세탁기 프레임과의 마찰효과가 크다는 것을 의미한다.
(1) 마찰감쇠효과를 구현하기 위해 1자유도 감쇠 진자를 제안하였고 실험을 통해 얻은 비틀림 감쇠 계수를 DAFUL로 모델링 한 부싱의 회전 감쇠항에 적용하여 실제 시스템의 마찰감쇠효과를 구현하였다. 시뮬레이션 모델과 실험값과의 오차가 10% 내외를 만족하여 제안한 내용이 타당함을 입증하였다.
과도응답과 정상응답의 실험값과 시뮬레이션의 비교결과는 Table 1에 나타내었다. 실험값과 시뮬레이션의 오차는 10 % 내외를 만족하여 시뮬레이션 모델의 신뢰성을 검증하였고 마찰감쇠 효과를 구현하기 위해 제안한 비틀림 감쇠진자 모델에 대해서도 타당성을 입증하였다.
일정한 변위로 움직이고 있는 정상상태 구간에선 감쇠계수가 커질수록 감쇠력도 크게 작용하여 응답이 작아지는데 반해 과도상태구간에선 응답이 증가하는 경향을 보였다. 이를 통해 감쇠력이 커질수록 과도응답이 증가하는 현가장치 스프링-댐퍼의 특성을 확인할 수 있었다. Figs.
일반적 ㄹ으로 감쇠계수가 커지면 감쇠력도 비례하여 커지므로 응답을 감소시키는 효과가 있다. 일정한 변위로 움직이고 있는 정상상태 구간에선 감쇠계수가 커질수록 감쇠력도 크게 작용하여 응답이 작아지는데 반해 과도상태구간에선 응답이 증가하는 경향을 보였다. 이를 통해 감쇠력이 커질수록 과도응답이 증가하는 현가장치 스프링-댐퍼의 특성을 확인할 수 있었다.

후속연구

이는 현가장치의 스프링-댐퍼의 영향보다 터브 및 세탁기 프레임과의 마찰효과가 크다는 것을 의미한다. 따라서 마찰효과에 영향을 주는 그리스의 양 및 점도의 조절이 거동 개선에 큰 도움이 될 것으로 판단된다. 현가 장치의 스프링-댐퍼는 감쇠력이 커질수록 과도응답이 증가하는 특성을 보이므로 설계 시, 이 특성을 고려하여 감쇠계수를 선정하는 것이 중요하다고 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정숙성이 제품 선택의 큰 기준 중 하나가 됨에 따른 현상은?	생활수준이 향상되고 가전제품이 고급화되는 추세에 따라 세탁기와 같은 가전제품도 이러한 경향에 맞춰 성능이 다양해지고 제품의 질이 날로 발전하고 있다. 쾌적한 생활환경에 대한 요구가 높아져 정숙성이 제품 선택의 큰 기준 중에 하나가 되었기 때문에 최근에 개발되어 출시되는 세탁기는 뛰어난 세탁성능 뿐만 아니라 저진동 저소음의 성능이 확보되어야만 한다. 세탁기는 작동원리와 구조상 진동을 억제하기에 매우 어려운 가전제품이다.
	저진동 저소음 세탁기를 구현하기 위해 필요한 것은?	질량 불균형을 갖는 바스켓(basket)과 모터가 회전하면서 전체적인 세탁기 시스템의 진동을 유발하기 때문에 이를 억제하기는 쉽지 않다. 진동저감을 통한 저진동 저소음 세탁기를 구현하기 위해서는 우선적으로 세탁기의 구조를 파악하고 거동에 미치는 영향 인자에 대한 이해가 필요하다.
	세탁기가 구조적으로 진동을 억제하기에 매우 어려운 가전제품인 이유는?	세탁기는 작동원리와 구조상 진동을 억제하기에 매우 어려운 가전제품이다. 질량 불균형을 갖는 바스켓(basket)과 모터가 회전하면서 전체적인 세탁기 시스템의 진동을 유발하기 때문에 이를 억제하기는 쉽지 않다. 진동저감을 통한 저진동 저소음 세탁기를 구현하기 위해서는 우선적으로 세탁기의 구조를 파악하고 거동에 미치는 영향 인자에 대한 이해가 필요하다.

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