[논문]왕복운동에서의 고유주파수 변화에 따른 마찰소음 특성 연구

최호일; 강재영

doi:10.5050/ksnve.2014.24.4.332

[국내논문] 왕복운동에서의 고유주파수 변화에 따른 마찰소음 특성 연구
Characteristics of Friction Noise with Changes of the Natural Frequencies in the Reciprocating Motion 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.24 no.4, 2014년, pp.332 - 338

최호일 (Division of Automotive & Mechanical Engineering, Kongju National University) , 강재영 (Division of Automotive & Mechanical Engineering, Kongju National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Experimental study is conducted for investigating the characteristics of friction-induced noise with respect to the variation of system geometry. In this study, a vertically fixed rod is in contact with the reciprocating plate which is controlled by the step motor. Friction noise is generated during the reciprocating motion due to the frictional contact between the plastic pin and the aluminum plate. The frequencies of the friction noise are changed when the height of the rod varies. However, it is found that the vibration modes involved in the friction noise are not changed. It implies that the unstable modes remain unstable regardless of the change of the system geometry, and thus, there are the certain mode shapes which are likely to produce friction noise.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문은 우리 연구실에서 직접 설계, 제작한 기초 마찰시험기인 왕복운동 장치를 이용하여 하중을 가하여 왕복운동 하였을 때의 마찰력, 소음을 측정하고 시스템의 고유주파수의 변화를 주어 나타나는 마찰소음 특성들을 살펴보았다. 또한 모달 해석을 이용하여 각 마찰소음 피크주파수에 따른 값들을 확인하여 기여한 진동모드들을 연구하고자 하였다.
이 논문은 우리 연구실에서 직접 설계, 제작한 기초 마찰시험기인 왕복운동 장치를 이용하여 하중을 가하여 왕복운동 하였을 때의 마찰력, 소음을 측정하고 시스템의 고유주파수의 변화를 주어 나타나는 마찰소음 특성들을 살펴보았다. 또한 모달 해석을 이용하여 각 마찰소음 피크주파수에 따른 값들을 확인하여 기여한 진동모드들을 연구하고자 하였다.

제안 방법

Fig. 1에서 보는 것과 같이 왕복 마찰운동을 할 수 있는 장비를 우리 연구실에서 직접 설계, 제작하여 각 데이터를 수집하였다. 로드 센서부근의 축을 영점으로 기준을 잡고 끝에 무게 추를 달아 수평을 맞춘 다음에 핀에 연결된 로드 셀에 하중을 가하였다.
고유주파수 변화가 가능한 왕복 운동 장치를 통해 알루미늄과 플라스틱 두 가지 재질의 접촉 왕복운동에 따른 마찰력 및 소음을 시험하였다. 또한 시험 면부터 로드 셀까지의 로드 높이 h를 총 7가지 타입의 로드 높이 및 고유주파수를 변화시켜 소음을 측정하였다.
로드셀과 무게 추의 중심인 힌지 부근에 로드 센서를 장착하여 왕복운동 할 때 가해지는 힘을 측정하였고 핀의 바로 윗부분에 3축 가속도계를 부착하여 햄머링 테스트를 통한 각 축에 대한 고유 주파수를 측정하였다. 또 소음이 날 때 마이크로폰을 핀 근처에 두어 소음을 측정하여 고유 주파수와 비교해 보았다. 이와 같은 방법을 로드의 높낮이를 총 7가지의 변화를 주어 각각의 데이터를 수집하였다.
이 실험실의 환경은 습도 20 %, 온도 20 ℃의 상온 상태를 유지하였으며, 알루미늄 재질의 시편과 폴리에틸렌 재질의 플라스틱 핀에 하중을 가하여 측정하였다. 또한 15 cm 정도 떨어진 거리에 마이크로폰(sensitivity : 54.1 mV/Pa, frequency range : 20 Hz to 20 kHz)으로 측정하였고, 주변 소음상황은 마찰 소음 주파수에 영향을 주지 않았다⁽¹⁾. Fig.
고유주파수 변화가 가능한 왕복 운동 장치를 통해 알루미늄과 플라스틱 두 가지 재질의 접촉 왕복운동에 따른 마찰력 및 소음을 시험하였다. 또한 시험 면부터 로드 셀까지의 로드 높이 h를 총 7가지 타입의 로드 높이 및 고유주파수를 변화시켜 소음을 측정하였다. 초기 운동을 시작하고 소음이 나기 시작할 때 소음스펙트럼을 측정하여 FEM 모달 해석을 한 결과값과 비교를 해 보았다.
2는 이 실험에 사용된 측정 장비와 실험 순서이다. 로드셀과 무게 추의 중심인 힌지 부근에 로드 센서를 장착하여 왕복운동 할 때 가해지는 힘을 측정하였고 핀의 바로 윗부분에 3축 가속도계를 부착하여 햄머링 테스트를 통한 각 축에 대한 고유 주파수를 측정하였다. 또 소음이 날 때 마이크로폰을 핀 근처에 두어 소음을 측정하여 고유 주파수와 비교해 보았다.
이 실험실의 환경은 습도 20 %, 온도 20 ℃의 상온 상태를 유지하였으며, 알루미늄 재질의 시편과 폴리에틸렌 재질의 플라스틱 핀에 하중을 가하여 측정하였다. 또한 15 cm 정도 떨어진 거리에 마이크로폰(sensitivity : 54.
또 소음이 날 때 마이크로폰을 핀 근처에 두어 소음을 측정하여 고유 주파수와 비교해 보았다. 이와 같은 방법을 로드의 높낮이를 총 7가지의 변화를 주어 각각의 데이터를 수집하였다.
또한 시험 면부터 로드 셀까지의 로드 높이 h를 총 7가지 타입의 로드 높이 및 고유주파수를 변화시켜 소음을 측정하였다. 초기 운동을 시작하고 소음이 나기 시작할 때 소음스펙트럼을 측정하여 FEM 모달 해석을 한 결과값과 비교를 해 보았다. 그 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

대상 데이터

8의 그림은 중간길이인 M(90 mm)의 FEM모달 해석 결과이다. 재질은 핀은 플라스틱 재질인 MC 나일론이며 로드빔은 알루미늄, 로드와 무게추는 스틸이다. 각 물성치는 Table 2와 같다.

데이터처리

모터의 속도는 60 rpm의 속도로 구동하였는데 그 구동은 옆에 부착된 리미트 센서 사이를 왕복하게 되는 원리이다. 먼저 구동 값이 올바르게 나오는지 확인을 위해 선 실험(pre-run test)를 실시하여 나온 결과를 Fig. 3에 나타내었다.

성능/효과

1) 길이에 따라 소리가 발생하는 1차와 3차 모드 형상은 변하지 않았지만 주파수가 변하는 결과를 확인할 수 있었다.
2) 또한 2차 모드 형상처럼 불안정한 모드는 길이에 따라 주파수가 변하지 않고 지속적인 소음을 유발하는 결과를 확인할 수 있었다.
3) 고유주파수가 변하더라도 불안정성을 유지하는 특정 굽힘모드에서 마찰소음이 지속적으로 유발됨을 알 수 있었다.
그림에서 보는 것과 같이 모든 구간에서 약 2개내지 3개의 피크(peak) 주파수 구간을 확인할 수 있었다. 각각의 피크 주파수를 로드 높이의 변화에 따라 각각 비교해본 결과 피크 주파수는 로드 높이가 높을수록 주파수가 점점 낮아지는 두 개의 피크 주파수와 주파수의 변화가 없는 한 개의 피크 주파수가 보임을 확인할 수 있었다. 첫 번째 피크 주파수는 로드 높이가 점점 높아질수록 주파수가 낮아지는 피크 주파수로 52 mm의 S일 때 약 5200 Hz부터 점점 낮아지면서 마지막 129 mm인 L일 때 700까지 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.
그리고 6500 Hz라는 일정한 주파수의 2차 피크 주파수의 모드 형상을 확인 한 결과 연결부 빔의 1차 굽힘 모드임을 확인할 수 있었다.
첫 번째 피크 주파수는 로드 높이가 점점 높아질수록 주파수가 낮아지는 피크 주파수로 52 mm의 S일 때 약 5200 Hz부터 점점 낮아지면서 마지막 129 mm인 L일 때 700까지 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 두 번째는 90 mm인 M일 때 10000 Hz에서부터 점점 낮아지다가 마지막 129 mm인 L일 때 4500 Hz까지 낮아지는 피크 주파수를 확인할 수 있었다. 마지막으로 7개의 구간 모두가 일정한 값인 6500 Hz의 피크 주파수로 나타난 것을 확인할 수 있었다.
52 mm의 S, 65 mm의 SM, 78 mm의 MS에서의 2차 피크 주파수는 14000 Hz을 넘어야지만 확인할 수 있어서 굳이 표시하지 않았다. 따라서 마찰운동을 할 때 무수히 많은 모드 중에 특정모드가 고유주파수가 변하더라도 불안정성을 유지하면서 마찰소음을 유발할 수 있음을 확인할 수 있다. 이러한 특정 불안정 모드는 다음의 모달 해석으로 파악할 수 있다.
그리고 6500 Hz라는 일정한 주파수의 2차 피크 주파수의 모드 형상을 확인 한 결과 연결부 빔의 1차 굽힘 모드임을 확인할 수 있었다. 로드 높이 h의 변화에 영향을 받지 않는 빔이 굽힘이 일어나 약 6500Hz 부근에서 소음을 유발하는 원인임을 확인할 수 있었다.
두 번째는 90 mm인 M일 때 10000 Hz에서부터 점점 낮아지다가 마지막 129 mm인 L일 때 4500 Hz까지 낮아지는 피크 주파수를 확인할 수 있었다. 마지막으로 7개의 구간 모두가 일정한 값인 6500 Hz의 피크 주파수로 나타난 것을 확인할 수 있었다.
9와 같다. 유한요소법(FEM)을 이용한 3개의 고유모드 주파수(Fig. 9)와 마찰소음 피크 주파수(Fig. 7)가 거의 일치하고 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 특정 진동모드가 길이가 변하더라도 지속적으로 불안정성이 유지되어 마찰소음을 유발하고 있음을 알 수 있다.
각각의 피크 주파수를 로드 높이의 변화에 따라 각각 비교해본 결과 피크 주파수는 로드 높이가 높을수록 주파수가 점점 낮아지는 두 개의 피크 주파수와 주파수의 변화가 없는 한 개의 피크 주파수가 보임을 확인할 수 있었다. 첫 번째 피크 주파수는 로드 높이가 점점 높아질수록 주파수가 낮아지는 피크 주파수로 52 mm의 S일 때 약 5200 Hz부터 점점 낮아지면서 마지막 129 mm인 L일 때 700까지 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 두 번째는 90 mm인 M일 때 10000 Hz에서부터 점점 낮아지다가 마지막 129 mm인 L일 때 4500 Hz까지 낮아지는 피크 주파수를 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마찰로 인한 소음 및 진동이란?	두 물체가 접촉운동을 할 때 마찰이 발생하고 진동이 발생하게 되는데 그때 그 물체의 불안정 모드의 고유진동수로 진동하여 소음이 발생하게 된다. 마찰로 인한 소음 및 진동은 접촉운동을 할 때 마모가 되며 발생하는 주된 현상이다. 이를 제어하기 위해 현재까지 여러 가지의 연구와 실험이 진행되어 왔다.
	두 물체가 접촉운동을 할 때 소음이 발생하는 이유는?	두 물체가 접촉운동을 할 때 마찰이 발생하고 진동이 발생하게 되는데 그때 그 물체의 불안정 모드의 고유진동수로 진동하여 소음이 발생하게 된다. 마찰로 인한 소음 및 진동은 접촉운동을 할 때 마모가 되며 발생하는 주된 현상이다.
	일반적인 마찰과 진동, 소음에 관한 현상에 대해 연구한 기존 연구들의 한계는?	또한 Nam 등(8,9)은 캘리퍼 접촉강성을 고려한 브레이크 스퀼을 해석하였고, 미끄럼 속도 및 마찰 곡선에 따른 마찰 소음 특성을 연구하였다. 하지만 기존 연구들은 고유 주파수 변화에 따른, 소음 및 진동 특성에 대한 심층적인 연구를 하지 않았다.

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
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Nam, J. and Kang, J., 2013, Brake Squeal Analysis with Respect to Caliper Contact Stiffness, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 23, No. 8, pp. 717-724.

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Nam, J. and Kang, J., 2013, Characteristics of Friction Noise with Respect to Friction Curve, Transactions of The Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 23, No. 5, pp. 423-430.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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