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문제 정의
- 이 논문에서는 지게차 엔진 마운팅 시스템의 동특성 해석 및 설계 검토를 위한 전용 프로그램의 개발과 이를 이용한 엔진 관성, 마운트 동강성 등의 물성치 추정 및 엔진 마운팅 시스템의 설계 최적화 절차에 대해 설명하였다. 또한 개발된 프로그램을 이용하여 엔진 마운트 배치를 최적화함으로써 지게차의 엔진 진동을 개선한 내용을 설명하였다.
제안 방법
- 강체모드의 연성 정도를 확인하기 위하여 개발된 프로그램으로 파워트레인의 동특성 모델을 구성하고 모드에너지분포를 계산하였다. Fig.
- 개발된 프로그램을 이용하여 3톤급 지게차의 엔진 진동 저감을 위해 동특성을 분석하고 개선안을 도출하였다. 개선 적용 결과 기존 설계와 비교하여 엔진 진동이 30 % 정도 감소됨을 확인하였다.
- 부품 업체로부터 입수한 데이터의 부정확성으로 인하여 동특성 해석 모델의 해석 결과와 계측 결과의 차이가 발생하였다. 데이터의 부정확성을 해소하기 위하여 해석과 계측의 오차를 최소화하는 최적화를 진행하였다. Figs.
- 또한 TM 마운트는 프레임과의 연결 문제로 인하여 위치도 변경하기 어려운 상황이었다. 따라서 엔진 마운트의 위치와 각도를 설계 변수로 두고 최적화를 진행하였다.
- 이 논문에서는 지게차 엔진 마운팅 시스템의 동특성 해석 및 설계 검토를 위한 전용 프로그램의 개발과 이를 이용한 엔진 관성, 마운트 동강성 등의 물성치 추정 및 엔진 마운팅 시스템의 설계 최적화 절차에 대해 설명하였다. 또한 개발된 프로그램을 이용하여 엔진 마운트 배치를 최적화함으로써 지게차의 엔진 진동을 개선한 내용을 설명하였다.
- 마운트 작용하중 등 기본적으로 만족해야 할 항목이외에 엔진 마운트 위치와 각도를 현실적으로 적용 가능한 범위로 제한조건을 설정하고 엔진 진동, 롤모드 주파수 및 비연성 정도를 최소화 하는 방향으로 최적화를 수행하였다. 개선안의 강체모드를 살펴보면 Fig.
- 프로그램의 구성은 마이크로소프트사의 스프레드시트 프로그램인 엑셀(Excel)을 이용하였다. 설계 검토에 필요한 엔진 마운트 시스템의 설계변수 입력 부분과 마운트 처짐, 진동, 강체모드, 충격변위 등 설계 기준에 대한 계산 결과 부분으로 구성하였다.
- 엔진 마운팅 시스템의 데이터를 이용하여 동특성 해석 모델을 구성하였다. 부품 업체로부터 입수한 데이터의 부정확성으로 인하여 동특성 해석 모델의 해석 결과와 계측 결과의 차이가 발생하였다.
- 엔진 지게차의 진동 저감을 위해 엔진 마운팅 시스템의 설계 평가를 위한 전용 프로그램을 엔진 동특성 해석 이론을 기반으로 개발하였다. 엑셀 프로그램을 기반으로 제작되어 해 찾기 기능을 활용한 다목적 최적화가 가능하여 엔진 마운팅 시스템의 설계 기준에 대한 평가뿐만 아니라 설계 개선에 필요한 최적화가 가능하다.
- 엔진 마운팅 시스템의 설계 평가를 위해서는 엔진 강체모드에 대한 계산뿐만 아니라 엔진의 기진력에 의한 진동수준과 지면 또는 작업 충격에 의한 엔진의 충격거동에 대한 계산이 필요하다. 엔진의 진동수준은 엔진의 기진력 모델과 엔진 마운트 모델로부터 계산될 수 있고, 엔진의 충격거동은 엔진 마운트 위치에서 계측한 가속도 신호로부터 Fig. 2와 같은 방향별 충격응답스펙트럼을 구하고 이를 이용하여 엔진의 최대변위를 평가하는 방법을 이용하였다.
- 엑셀의 진화 알고리즘은 비선형 문제에 우수한 결과를 제공하며 다변수 최적화가 가능하여 엔진 마운팅 시스템처럼 여러 설계변수를 대상으로 최적화가 필요한 경우 적절하게 사용될 수 있다. 이 연구에서는 설계변수를 각 마운트의 종류, 위치 및 각도로 두고 마운트 최대처짐, 마운트 작용 하중 및 모멘트, 강체모드 주파수, 강체모드 연성정도, 엔진진동, 충격거동 등을 제한조건으로 최적화를 진행하였다. 최적화 진행시의 선택사항은 수렴도 0.
대상 데이터
- 대상 장비는 3톤급 지게차로써 파워트레인 좌우에 각각 2지점씩 총 4지점에서 마운트가 하중을 지지하는 방식이며, 4기통의 기계식 엔진을 채용하고 있다. 기계식 엔진은 부하에 따라 엔진의 회전수가 낮아지는 경우가 발생하는데, 대상 장비는 아이들 회전수에서 유압시스템이 릴리프 상태가 되면 엔진 회전수가 약 200 rpm 가량 낮아지게 된다.
데이터처리
- 프로그램의 구성은 마이크로소프트사의 스프레드시트 프로그램인 엑셀(Excel)을 이용하였다. 설계 검토에 필요한 엔진 마운트 시스템의 설계변수 입력 부분과 마운트 처짐, 진동, 강체모드, 충격변위 등 설계 기준에 대한 계산 결과 부분으로 구성하였다.
이론/모형
- 설계 검토뿐만 아니라 엔진 진동저감을 위해서는 최적설계가 요구된다. 이 연구에서는 엑셀의 해찾기 모듈에 포함되어 있는 진화(evolutionary) 알고리즘을 사용하였다. 엑셀의 진화 알고리즘은 비선형 문제에 우수한 결과를 제공하며 다변수 최적화가 가능하여 엔진 마운팅 시스템처럼 여러 설계변수를 대상으로 최적화가 필요한 경우 적절하게 사용될 수 있다.
성능/효과
- 개발된 프로그램을 이용하여 3톤급 지게차의 엔진 진동 저감을 위해 동특성을 분석하고 개선안을 도출하였다. 개선 적용 결과 기존 설계와 비교하여 엔진 진동이 30 % 정도 감소됨을 확인하였다.
- 마운트 작용하중 등 기본적으로 만족해야 할 항목이외에 엔진 마운트 위치와 각도를 현실적으로 적용 가능한 범위로 제한조건을 설정하고 엔진 진동, 롤모드 주파수 및 비연성 정도를 최소화 하는 방향으로 최적화를 수행하였다. 개선안의 강체모드를 살펴보면 Fig. 9에 나타낸 바와 같이 롤 모드의 비연성 정도가 79 %로 높아진 것을 알 수 있다.
- 또한 엔진 충격시험을 통하여 엔진 강체모드를 확인하였으며 엔진 진동에 가장 많은 영향을 주는 롤모드 주파수는 18.8 Hz로써 유압시스템 릴리프 상태의 엔진 가진 주파수인 21 Hz와 밀접한 상태이다.
- 엔진 지게차의 진동 저감을 위해 엔진 마운팅 시스템의 설계 평가를 위한 전용 프로그램을 엔진 동특성 해석 이론을 기반으로 개발하였다. 엑셀 프로그램을 기반으로 제작되어 해 찾기 기능을 활용한 다목적 최적화가 가능하여 엔진 마운팅 시스템의 설계 기준에 대한 평가뿐만 아니라 설계 개선에 필요한 최적화가 가능하다.
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