[논문]자동차용 연료펌프의 진동 저감에 대한 연구

김병진; 원홍인; 이성원; 박상준; 정진태

doi:10.5050/ksnve.2013.23.6.520

문제 정의

이 논문에서는 연료펌프의 저주파 진동을 저감하기 위해 동역학 해석모델을 구축하였다. 해석모델은 베어링을 포함한 연료펌프 부품의 등가강성과 베어링의 유막을 고려한 회전체 동역학모델로 구성되었으며 연료펌프의 저주파 진동에 영향을 미치는 인자를 선정하여 분석하였다.
이 연구에서는 연료펌프의 진동을 저감시키기 위하여 해석모델을 수립하고 진동에 영향을 미치는 인자를 분석하였다. 해석 수행을 위하여 연료펌프를 단순한 회전체 모델로 가정하였고 베어링을 포함한 상·하단 등가강성을 산출하여 적용하였다.
여기서 아마추어는 제조 시 축 중심으로 균일하게 만들 수 없기 때문에 불평형 질량이 형성되어 회전운동 할 때 상단과 하단에 위치되어 있는 베어링의 강성에 영향을 받아 진동이 발생하게 된다. 이 연구에서는 회전진동을 저감할 수 있는 설계요소를 분석하기 위하여 연료펌프 시스템의 단순화된 모델을 수립하였다.

가설 설정

아마추어부를 구성하는 재료들의 밀도를 고려해 전체 질량중심과 질량관성 모멘트를 갖는 하나의 강체로 고려할 수 있으며 아마추어부를 지지하는 상·하단부를 평면 운동하는 스프링 강성이 작용하는 것으로 가정하여 적용하였다.
이 연구에서는 연료펌프의 진동을 저감시키기 위하여 해석모델을 수립하고 진동에 영향을 미치는 인자를 분석하였다. 해석 수행을 위하여 연료펌프를 단순한 회전체 모델로 가정하였고 베어링을 포함한 상·하단 등가강성을 산출하여 적용하였다. 베어링에 작용하는 유막강성은 레이놀즈 방정식을 유한요소법으로 해석하는 프로그램을 이용하여 반영하였다.

제안 방법

가진신호와 진동신호는 상태증폭기(B&K Nexus)를 통하여 증폭한 후 주파수 분석기(B&K 3560C)를 이용하여 고유진동수와 고유모드를 구하였으며 구체적인 실험 구성도는 Fig. 3에 나타내었다.
또한 점성마찰계수는 연료펌프 내부를 지나가는 연료에 따라 결정이 되기 때문에 변경할 수 있는 인자가 아니다. 그러므로 간극을 조절하여 저널베어링의 유막강성에 대한 분석을 수행하여 진동을 저감할 수 있는 방안을 모색하였다. 해석에 사용된 수치는 불평형 질량에 대한 해석과 동일하며 스프링 요소를 제거한 후 저널베어링 요소를 적용하였다.
권요섭 등은⁽⁵⁾ 연료펌프 및 연료탱크 단품의 진동특성을 확인하였으며 사종성과 강태원은⁽⁶⁾ 연료펌프와 연료펌프 어셈블리 그리고 연료탱크 등의 소음특성을 순차적으로 파악하여 연료펌프로 인해 발생되는 진동이 차량 안으로 전달될 수 있음을 보였다. 그리고 심재기와 강태식은⁽⁷⁾ 임펠러(impeller)로 인한 고주파소음을 저감하기 위한 방법을 제시하여 고주파 소음이 차량 안까지 전달되는 과정에서 차폐되도록 하였다. 하지만 500 Hz 이하 주파수 영역에서 발생하는 아마추어(armature)의 회전 주파수 성분과 고조파 성분을 저감하는 방안을 제시하지 못해 이로 인해 발생하는 연료탱크의 공명형상과 차량내부로 저주파 진동이 전달되어 운전자의 승차감을 저감시키는 문제는 해결하지 못하였다.
다음으로 상단과 하단에 위치하는 저널베어링의 영향에 대한 분석을 수행하였다. 저널베어링의 유막강성에 영향을 미치는 인자는 축의 회전속도, 점성마찰계수, 베어링 길이 그리고 베어링 내경과 축의 외경의 차로 정의되는 간극이 있다.
아마추어의 상단과 하단을 지지하고 있는 베어링을 포함한 구조물의 강성과 불평형 질량의 효과를 분석하기 위하여 앞서 수립한 시뮬레이션 모델을 기반으로 시간응답 해석을 수행하였다. 등가 강성만의 효과를 분석하기 위하여 저널베어링 효과에 대한 요소는 모두 배제하였으며 연료펌프의 운전속도인 5520 RPM의 속도로 회전할 수 있도록 하였다. 연구에 사용된 연료펌프는 보통 연료펌프의 작동속도 7200 RPM과는 달리 고주파 진동을 저감하기 위해 작동속도를 5220 RPM으로 낮게 설계한 모델이다.
연료펌프의 단순 모델은 상용 다물체동역학 프로그램인 RecurDyn을 이용하여 해석되었다. 등가 강성을 구현하기 위하여 6자유도 스프링 요소를 사용하여 아마추어 반경방향으로 작용할 수 있도록 하였으며 축방향 강성은 상대적으로 강하게 부과하여 움직이지 않게 고정하였다. 저널베어링 효과는 상용프로그램에서 제공하고 있는 레이놀즈 방정식 해석을 포함한 저널베어링 요소를 이용하여 구현하였다.
해석모델은 베어링을 포함한 연료펌프 부품의 등가강성과 베어링의 유막을 고려한 회전체 동역학모델로 구성되었으며 연료펌프의 저주파 진동에 영향을 미치는 인자를 선정하여 분석하였다. 또한 해석결과를 검증하기 위하여 해석결과를 반영한 시제품을 제작 후 진동측정 실험을 수행하여 실험결과와 해석결과를 비교하였다.
개선모델은 불평형 질량 저감과 저널베어링 간극 축소를 포함한 11개 개선인자를 선정 후 직교배열표를 이용하여 12개 모델을 2개 씩 제작하여 실험하였다. 불평형 질량 저감은 상·하단 모두 기존 25 mg에서 10 mg 저감시킨 15 mg을 적용하였으며 간극은 기존 30 μm에서 15 μm로 축소하여 적용하였다.
실험구성은 모드실험과 유사하게 가속도계를 사용하여 연료펌프 작동상태의 진동신호를 채집하였으며 채집된 신호는 상태증폭기를 통해 증폭한 후 신호분석기를 통해 가속도 진동량을 측정하였다. 여기서 가속도 진동량은 측정신호의 주파수분석 결과에서 회전속도의 1배수 성분에 대한 가속도 값을 의미한다.
아마추어의 상단과 하단을 지지하고 있는 베어링을 포함한 구조물의 강성과 불평형 질량의 효과를 분석하기 위하여 앞서 수립한 시뮬레이션 모델을 기반으로 시간응답 해석을 수행하였다. 등가 강성만의 효과를 분석하기 위하여 저널베어링 효과에 대한 요소는 모두 배제하였으며 연료펌프의 운전속도인 5520 RPM의 속도로 회전할 수 있도록 하였다.
연료펌프의 단순모델 해석결과를 검증하기 위하여 연료펌프 개선모델을 제작한 후 진동량 측정 실험 및 결과분석을 수행하였다.
등가 강성을 구현하기 위하여 6자유도 스프링 요소를 사용하여 아마추어 반경방향으로 작용할 수 있도록 하였으며 축방향 강성은 상대적으로 강하게 부과하여 움직이지 않게 고정하였다. 저널베어링 효과는 상용프로그램에서 제공하고 있는 레이놀즈 방정식 해석을 포함한 저널베어링 요소를 이용하여 구현하였다.
이 논문에서는 연료펌프의 저주파 진동을 저감하기 위해 동역학 해석모델을 구축하였다. 해석모델은 베어링을 포함한 연료펌프 부품의 등가강성과 베어링의 유막을 고려한 회전체 동역학모델로 구성되었으며 연료펌프의 저주파 진동에 영향을 미치는 인자를 선정하여 분석하였다. 또한 해석결과를 검증하기 위하여 해석결과를 반영한 시제품을 제작 후 진동측정 실험을 수행하여 실험결과와 해석결과를 비교하였다.
그러므로 간극을 조절하여 저널베어링의 유막강성에 대한 분석을 수행하여 진동을 저감할 수 있는 방안을 모색하였다. 해석에 사용된 수치는 불평형 질량에 대한 해석과 동일하며 스프링 요소를 제거한 후 저널베어링 요소를 적용하였다. 해석에 사용된 저널베어링 요소에 입력된 수치는 Table 3에 나타내었으며 해석결과는 Fig.

대상 데이터

개선모델은 불평형 질량 저감과 저널베어링 간극 축소를 포함한 11개 개선인자를 선정 후 직교배열표를 이용하여 12개 모델을 2개 씩 제작하여 실험하였다. 불평형 질량 저감은 상·하단 모두 기존 25 mg에서 10 mg 저감시킨 15 mg을 적용하였으며 간극은 기존 30 μm에서 15 μm로 축소하여 적용하였다.
등가강성 적용위치는 상·하단 베어링이 결합되는 위치로 선정하였다.
등가 강성만의 효과를 분석하기 위하여 저널베어링 효과에 대한 요소는 모두 배제하였으며 연료펌프의 운전속도인 5520 RPM의 속도로 회전할 수 있도록 하였다. 연구에 사용된 연료펌프는 보통 연료펌프의 작동속도 7200 RPM과는 달리 고주파 진동을 저감하기 위해 작동속도를 5220 RPM으로 낮게 설계한 모델이다. 아마추어 진동에 대한 평가를 위하여 베어링이 위치하는 부분에서 가속도 시간응답을 구한 후 제곱평균값(RMS)을 이용해 진동량을 구하였다.
연료공급 장치는 연료탱크와 그 내부에 위치한 연료펌프, 증발가스 포집장치, 연료레일 및 분사장치 등으로 구성된다. 이 논문에서 연구된 연료펌프는 연료분사방식으로써 엔진에서 인젝터에 공급되는 연료를 유효한 압력으로 송출하는 부품이다. 연료펌프의 작동과정에서 발생하는 모터진동, 구조진동, 유체의 공동현상(cavitation) 등으로 인해 발생하는 진동이 연료탱크를 거쳐 차체 내부로 전달될 수 있다.

데이터처리

11개의 개선인자 중 이 연구에서 제시한 방법의 효과를 분석하기 위하여 평균분석법을 이용해 불평형 질량에 대한 인자와 저널베어링의 간극에 대한 인자만을 정량화 하였다. 평균분석법은 직교배열표를 이용하여 제작된 모델에서 개선인자가 반영된 모델의 실험치를 평균 낸 항목과 반영되지 않은 모델의 실험치를 평균 낸 항목을 비교하는 방법이다.
연구에 사용된 연료펌프는 보통 연료펌프의 작동속도 7200 RPM과는 달리 고주파 진동을 저감하기 위해 작동속도를 5220 RPM으로 낮게 설계한 모델이다. 아마추어 진동에 대한 평가를 위하여 베어링이 위치하는 부분에서 가속도 시간응답을 구한 후 제곱평균값(RMS)을 이용해 진동량을 구하였다. 해석은 Fig.
연료펌프의 단순 모델은 상용 다물체동역학 프로그램인 RecurDyn을 이용하여 해석되었다. 등가 강성을 구현하기 위하여 6자유도 스프링 요소를 사용하여 아마추어 반경방향으로 작용할 수 있도록 하였으며 축방향 강성은 상대적으로 강하게 부과하여 움직이지 않게 고정하였다.
베어링의 간극에 따른 해석 결과는 하단의 베어링 길이가 짧기 때문에 간극을 줄였을 때 진동량 저감률이 높게 나오는 것을 확인하였다. 이러한 해석 결과는 실제 모델을 제작하여 진동 측정결과와 비교하여 검증하였다.

이론/모형

해석 수행을 위하여 연료펌프를 단순한 회전체 모델로 가정하였고 베어링을 포함한 상·하단 등가강성을 산출하여 적용하였다. 베어링에 작용하는 유막강성은 레이놀즈 방정식을 유한요소법으로 해석하는 프로그램을 이용하여 반영하였다. 해석결과 불평형 질량을 저감함에 따라 상단부의 강성이 약하기 때문에 진동량의 저감률이 높음을 확인하였다.
정해석 결과인 변형량과 부과한 힘을 훅의 법칙(Hook's law)을 이용하여 해석모델에 적용할 등가 강성을 산출하였으며 그 결과는 Table 2에 나타내었다.

성능/효과

상단을 구성하고 있는 재료는 베어링을 제외하면 플라스틱 재질이고 하단부는 합금 재질이기 때문에 Table 1의 모드실험과 시뮬레이션 결과비교에서도 확인할 수 있듯이 고유진동수와 탄성계수가 상단이 하단보다 낮다. 그러므로 불평형 질량으로 인해 발생하는 진동을 억제하기 해서는 2-Plane 발란싱 공정에서 상단부 불평형 질량과 하단부 불평형 질량을 모두 저감하는 것이 이상적이지만 가능하다면 상단부 불평형 질량을 더욱 많이 줄여주는 것이 진동저감에 유리하다 할 수 있다. 또한 불평형 질량을 완전히 제거하는 것은 기술적으로 한계가 있기 때문에 상단부의 구조강성을 증대시켜 연료펌프의 진동을 저감하는 방법을 적용할 수 있다.
해석결과 불평형 질량을 저감함에 따라 상단부의 강성이 약하기 때문에 진동량의 저감률이 높음을 확인하였다. 베어링의 간극에 따른 해석 결과는 하단의 베어링 길이가 짧기 때문에 간극을 줄였을 때 진동량 저감률이 높게 나오는 것을 확인하였다. 이러한 해석 결과는 실제 모델을 제작하여 진동 측정결과와 비교하여 검증하였다.
9에 나타내었다. 불평형 질량 저감에 대한 것과 마찬가지로 저널베어링의 간극에 대하여 개선사항을 적용하지 않은 모델의 개선방법을 적용한 모델의 상·하단 가속도 진동량을 비교해 보면 각각 10.5 %와 23.4 % 개선되었다. 이는 베어링의 간극을 줄였을 때 해석모델의 분석결과와 일치하는 현상으로 하단부 저널베어링 길이가 상단보다 짧기 때문에 나타난다.
8에 나타내었다. 불평형 질량 저감을 시키지 않는 모델과 개선방법을 적용한 모델의 상·하단 가속도 진동량을 비교해 보면 각각 16.5 %와 0.7 % 만큼 진동이 개선되는 것을 알 수 있다. 상단이 하단보다 진동량 개선효과가 큰 것은 상단 강성이 하단강성 보다 약하기 때문에 불평형 질량을 저감할 경우 상단에서 진동량이 더 큰 폭으로 감소하게 되는 것으로 앞서 해석결과에서 보여주었던 경향과 일치한다.
자동차 제조산업의 발달과 함께 차량의 성능향상을 위한 기술발전이 이루어지고 있으며 동시에 정숙성 향상을 위한 연구가 수행되고 있다. 특히 고출력 엔진을 위한 고강성 차체 개발과 저소음 동력기관의 발전은 저진동, 저소음 차량 개발에 큰 영향을 주었다. 그렇지만 차량의 정숙성 향상과 함께 기존에는 문제 되지 않았던 차량 부품의 소음 진동 현상이 부각되고 있다.
베어링에 작용하는 유막강성은 레이놀즈 방정식을 유한요소법으로 해석하는 프로그램을 이용하여 반영하였다. 해석결과 불평형 질량을 저감함에 따라 상단부의 강성이 약하기 때문에 진동량의 저감률이 높음을 확인하였다. 베어링의 간극에 따른 해석 결과는 하단의 베어링 길이가 짧기 때문에 간극을 줄였을 때 진동량 저감률이 높게 나오는 것을 확인하였다.
7에 도시하였다. 해석결과를 살펴보면 간극을 작게 가져갈수록 상단부와 하단부의 가속도 진동량이 모두 급속하게 작아지는 경향을 보인다. 특히 하단부의 진동량이 상단부의 진동량보다 크며 간극을 감소시켰을 때 진동량의 감소 추이도 더욱 큰 것을 알 수 있다.

후속연구

해석결과를 기반으로 했을 때 하단부의 진동량을 상단부와 비슷한 수준으로 개선시키기 위해서는 하단부 베어링 간극을 줄여야 함을 알 수 있다. 하지만 베어링 간극은 베어링과 축의 마찰과 제품수명과 밀접한 관련이 있는 사항이기 때문에 추가적인 연구가 필요하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료펌프의 소음 진동특성에 대한 연구는?	연료펌프의 소음 진동특성에 대한 연구도 활발히 진행되었다. 권요섭 등은(5) 연료펌프 및 연료탱크 단품의 진동특성을 확인하였으며 사종성과 강태원은(6) 연료펌프와 연료펌프 어셈블리 그리고 연료탱크 등의 소음특성을 순차적으로 파악하여 연료펌프로 인해 발생되는 진동이 차량 안으로 전달될 수 있음을 보였다. 그리고 심재기와 강태식은(7) 임펠러(impeller)로 인한 고주파소음을 저감하기 위한 방법을 제시하여 고주파 소음이 차량 안까지 전달되는 과정에서 차폐되도록 하였다. 하지만 500 Hz 이하 주파수 영역에서 발생하는 아마추어(armature)의 회전 주파수 성분과 고조파 성분을 저감하는 방안을 제시하지 못해 이로 인해 발생하는 연료탱크의 공명형상과 차량내부로 저주파 진동이 전달되어 운전자의 승차감을 저감시키는 문제는 해결하지 못하였다.
	차량 부품의 소음 진동 현상 중 하나는?	그렇지만 차량의 정숙성 향상과 함께 기존에는 문제 되지 않았던 차량 부품의 소음 진동 현상이 부각되고 있다. 엔진이 작동하기 전 배터리에서 공급된 전원을 사용하여 작동하는 연료펌프도 그 중 하나이다. 연료펌프는 연료탱크 내에 위치하고 있는 부품으로서 작동 시 회전에 의한 진동과 전자기력에 의한 진동 그리고 유체유발진동 등이 발생한다.
	연료펌프는 어떤 부품인가?	엔진이 작동하기 전 배터리에서 공급된 전원을 사용하여 작동하는 연료펌프도 그 중 하나이다. 연료펌프는 연료탱크 내에 위치하고 있는 부품으로서 작동 시 회전에 의한 진동과 전자기력에 의한 진동 그리고 유체유발진동 등이 발생한다. 연료펌프의 진동은 단품상태에서 측정 시 500 Hz이상의 고주파 진동으로 나타나는 전자기력에 의한 진동과 유체유발진동이 500 Hz이하의 저주파 진동으로 나타나는 회전에 의한 진동보다 크게 나타난다.

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