[논문]가스 스프링 Elevation 동작에의 최적화된 피스톤 구조 설계

이정익

doi:10.5762/kais.2015.16.12.8274

가스 스프링 Elevation 동작에의 최적화된 피스톤 구조 설계
A optimized structural design of piston on moving in gas spring elevation working 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.12, 2015년, pp.8274 - 8283

초록
AI-Helper

텔레비전의 가스 스프링은 롱 스트로크 (200 ~ 300mm, TV 상승 변위) 하에서 작동 할 때 피스톤 속도의 제어가 가능하다. 이 원리에 의해서 사용자는 높낮이 조절이 가능하다. 먼저 피스톤의 흐름 해석을 수행하였다. 정확한 관형 단면을 위한 피스톤 속도 조절기술을 조사하였다. 유동률 제어 및 높낮이 작용을 위한 피스톤 구조를 제안되었다. 본 연구는 대형 텔레비전 스탠드를 통해 50 인치 이상 TV의 가스 스프링의 개발을 위한 것이다. 최적 피스톤 로드 제어를 위한 중공축(외경 19.9mm, 내경 13.9mm)에 질소 개스(0.3m/s)를 주입하였다. 그 결과, 유동율이 증대함에 따라 피스톤 로드의 압력강하는 외력의 변화 없이 증대되었다. 결과적으로, 가스스프링을 통한 변위의 제어는 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

Gas springs of the television is to control the piston speed when operating under along stroke(200~300 mm, television elevation)is possible. User by this principle is capable of elevation adjustment. First carried out a flow analysis of the piston. A piston speed adjustment technique for precise pipe type cross-section was examined. The piston structure for flow rate control and elevation action is proposed. This study is the development of a gas spring of more than 50 inch television with a large television stand. Hollow piston rod for optimal control(the outer diameter 19.9 mm, the inner diameter 13.9 mm) was injected into the nitrogen gas(0.3 mm/s) in. As a result, the flow rate the pressure drop of the piston rod as the increase was increased without any change of the external force. As a result, control of the displacement via the gas spring is possible.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

압력강하가 크면 클수록 피스톤에 가해지는 힘은 커지며 추가력을 흡수할 수 있는 충격의 범위가 커지게 된다. 따라서 다양한 형상의 오리피스를 설계하고 유동 해석하여 효과적으로 압력강하를 발생할 수 있는 유로를 설계해야하는 것이 목적이다. Fig.
본 과제에서는 오리피스를 미로(Labyrinth)형, 파이프(Pipe)형으로 나누고 개발을 진행하되 시뮬레이션과 테스트는 오리피스 지름과 길이만으로도 테스트가 용이한 파이프 형으로 진행하였다. 또한 본격적인 연구 활동으로 오리피스 홀 크기에 따른 피스톤 속도를 측정하고 반발력과 연관하고 그 상관관계를 규명하여 스탠드에 적용하는 오피피스 사양을 설계하고 높이(Elevation) 동작 시 사용자가 의도한 변위에서 높낮이 조절이 가능하고 Slip Up/Down 현상을 방지하는데 목적을 두었다. 본 연구를 통해 시뮬레이션과 테스트를 통하여 유동흐름과 압력강하를 예측 및 측정하고 높이 동작에 적합한 피스톤 단면 구조를 비교 및 제안하는데 본 연구의 목적을 두고 있다.
본 기술 개발 제품은 가스 스프링의 디지털 텔레비전 스탠드 적용에 있어서 가스 스프링의 피스톤 속도를 제어함으로써 긴 스트로크(200~ 300mm, TV Elevation 길이변위) 조건하에 가스스프링 동작 시 사용자가 의도한 높낮이 조절이 가능하게 하고 스트로크에 따라 사용자 외력의 차이가 크게 발생하는 문제를 별도의 장치를 개발하여 TV용 Elevation 기능에 감성품질을 구현하고자 한다.[4, 5] 피스톤의 속도 제어를 위해서는 피스톤 오리피스의 동작원리를 알아야 한다.
또한 본격적인 연구 활동으로 오리피스 홀 크기에 따른 피스톤 속도를 측정하고 반발력과 연관하고 그 상관관계를 규명하여 스탠드에 적용하는 오피피스 사양을 설계하고 높이(Elevation) 동작 시 사용자가 의도한 변위에서 높낮이 조절이 가능하고 Slip Up/Down 현상을 방지하는데 목적을 두었다. 본 연구를 통해 시뮬레이션과 테스트를 통하여 유동흐름과 압력강하를 예측 및 측정하고 높이 동작에 적합한 피스톤 단면 구조를 비교 및 제안하는데 본 연구의 목적을 두고 있다.

제안 방법

(a)의 상측 오리피스 직경은 Φ 0.4로 하였으나 오리피스 내 유속을 관찰하기 위해 직경의 크기를 0.4외에 Φ 0.2, 0.6, 0.8, 1.0으로 하여 위 시뮬레이션을 반복하고 상측 오리피스 유속을 수치화하여 정규화 그래프로 표현하였다.
아래 Table. 1은 피스톤 앞면과 뒷면의 오리피스 단면적 및 길이를 나타내고 있으며 각각의 미로에는 압력강하를 위하여 단면적에 차이를 두었다.
50인치 이상의 대형 TV 스탠드의 Elevation 동작용 가스 스프링의 개발에 있어 최적화된 피스톤 로드 제어를 위한 관형 단면(외경 19.9 mm, 내경 13.9 mm)에 하측 Φ 1.0x2, 상측 오리피스 면에 Φ 0.4x1의 형상을 가지며, 하측 Φ 1.0x2에 0.3 m/s의 질소기체를 주입하여 관형 오리피스와 미로형 오리피스에 적용한 결과 다음과 같은 결론을 얻게 되었다.
가스 스프링 목적에 맞는 피스톤을 설계하기 위해서는 첫 번째, 오리피스에 구멍 크기에 따른 유동흐름을 파악하여 유동속도를 산출하고 두 번째, 산출된 유동속도를 바탕으로 유동제어 실험을 진행하여 유효성을 평가한다. 마지막으로 세 번째, 최적화된 피스톤 설계를 위한 목표치를 설정하여 피스톤 오리피스 사양 및 유형을 결정하는 흐름으로 진행한다.
상기 오리피스의 시뮬레이션과 테스트 데이터를 바탕으로 피스톤 구조를 설계하고 개발하였다. 관형과 미로형 두 가지 타입을 개발하여 목업 샘플을 제작하고 테스트하면서 유효한 데이터를 확보 할 때까지 다수의 시뮬레이션과 유동제어 실험을 계속하였다. 결국 사양 및 금형수정 등 여러 번의 수정 끝에 관형과 미로형 피스톤 사양이 결정되었고 이를 위해 다음 관형, 미로형 오리피스로 나누고, 개발 적용, 결과에 대해 Table 2에 다르게 나타났다.
본 연구 개발 목적에 맞는 피스톤을 설계하기 위해서는 첫 번째, 오리피스에 홀(hole) 크기에 따른 유동흐름을 파악하여 유동속도를 산출하고 두 번째, 산출된 유동속도를 바탕으로 유동제어 실험을 진행하여 유효성을 평가한다. 마지막으로 세 번째, 최적화된 피스톤 설계를 위한 목표치를 설정하여 피스톤 오리피스 사양 및 유형을 결정하는 흐름으로 진행하였다. 먼저 오리피스 유형에 따른 피스톤을 간단하게 설계하고 위 도면 중 관형 오리피스를 기반으로 시뮬레이션을 진행하였다.
마지막으로 세 번째, 최적화된 피스톤 설계를 위한 목표치를 설정하여 피스톤 오리피스 사양 및 유형을 결정하는 흐름으로 진행하였다. 먼저 오리피스 유형에 따른 피스톤을 간단하게 설계하고 위 도면 중 관형 오리피스를 기반으로 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션은 오리피스 직경에 따른 압력강하 즉, 오리피스를 통과하기 전과 후 두 구간에서 압력의 차이에 따른 기체 유동 속도를 시뮬레이션 하였다.
마지막으로 세 번째, 최적화된 피스톤 설계를 위한 목표치를 설정하여 피스톤 오리피스 사양 및 유형을 결정하는 흐름으로 진행한다. 먼저 오리피스 유형에 따른 피스톤을 간단하게 설계하고 위도면 중 파이프형 오리피스를 기반으로 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션은 오리피스 직경에 따른 압력강하 즉, 오리피스를 통과하기 전과 후 두 구간에서 압력의 차이에 따른 기체 유동 속도를 시뮬레이션 하였다.
즉, 피스톤 속도는 유로의 크기에 비례하며 길이에 반비례한다. 본 과제에서는 오리피스를 미로(Labyrinth)형, 파이프(Pipe)형으로 나누고 개발을 진행하되 시뮬레이션과 테스트는 오리피스 지름과 길이만으로도 테스트가 용이한 파이프 형으로 진행하였다. 또한 본격적인 연구 활동으로 오리피스 홀 크기에 따른 피스톤 속도를 측정하고 반발력과 연관하고 그 상관관계를 규명하여 스탠드에 적용하는 오피피스 사양을 설계하고 높이(Elevation) 동작 시 사용자가 의도한 변위에서 높낮이 조절이 가능하고 Slip Up/Down 현상을 방지하는데 목적을 두었다.
본 연구 개발 목적에 맞는 피스톤을 설계하기 위해서는 첫 번째, 오리피스에 홀(hole) 크기에 따른 유동흐름을 파악하여 유동속도를 산출하고 두 번째, 산출된 유동속도를 바탕으로 유동제어 실험을 진행하여 유효성을 평가한다. 마지막으로 세 번째, 최적화된 피스톤 설계를 위한 목표치를 설정하여 피스톤 오리피스 사양 및 유형을 결정하는 흐름으로 진행하였다.
상기 오리피스의 시뮬레이션과 테스트 데이터를 바탕으로 피스톤 구조를 설계하고 개발하였다. 관형과 미로형 두 가지 타입을 개발하여 목업 샘플을 제작하고 테스트하면서 유효한 데이터를 확보 할 때까지 다수의 시뮬레이션과 유동제어 실험을 계속하였다.
시뮬레이션 결과를 증명하고 실제 개발 시의 변수 등을 사전에 검토해 보고자 본 연구에서는 PCB보드, 센서, 프레임 등으로 구성된 세트를 제작하여 실제 압력과 유속 변화를 테스트 하였다.
먼저 오리피스 유형에 따른 피스톤을 간단하게 설계하고 위도면 중 파이프형 오리피스를 기반으로 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션은 오리피스 직경에 따른 압력강하 즉, 오리피스를 통과하기 전과 후 두 구간에서 압력의 차이에 따른 기체 유동 속도를 시뮬레이션 하였다. 반면, 미로형 오리피스는 단면이 복잡하여 산술적인 CAE 계산으론 불가능하므로 추후 실험에 의해 파이프형 오리피스와 비교하도록 한다.
압축과 신장 시의 감쇠는 피스톤 앞, 뒷면의 구조에 의해 상이하다는 것은 위에서 이미 언급하였고 위 오리피스 구조를 효율적으로 사용하기 위하여 가변 피스톤 구조를 고안해 내었다. 원리는 비교적 간단하여 Fig.
압축과 신장 시의 감쇠는 피스톤 앞, 뒷면의 구조에 의해 상이하다는 것은 위에서 이미 언급하였고 위 오리피스 구조를 효율적으로 사용하기 위하여 가변 피스톤 구조를 고안해 내었다. 원리는 비교적 간단하여 Fig.4와 같이 피스톤 로드의 피스톤 압입부에 2단 구조를 설계하여 압축(Fig. 5), 신장(Fig. 6) 시의 운동 방향에 따라 피스톤이 유동하는 원리이며 피스톤 앞, 뒤의 와셔(washer)가 가스의 이동경로를 설정해 주는 역할을 한다.

대상 데이터

피스톤 로드 길이는 239±0.5, 실린더는 320이며, 로드가이드를 제외한 실린더는 265이다.

성능/효과

923 이란 관계식을 도출하였다. 오리피스 외경이 그림 (a), (b) 모두에서 보듯이 1.0에서 0.4까지는 유속이 완만히 증가하다가 0.2에서 급격히 증가하여 하측 오리피스 유속(inlet=0.3m/s)의 약 60배인 20m/s까지 증가하는 것을 알 수 있었다. 즉, Φ 0.
1. 오리피스의 시뮬레이션과 테스트 데이터를 바탕으로 피스톤 구조를 설계하고 개발하면서 관형과 미로형 두 가지 타입을 개발하여 목업 샘플을 제작하고 테스트하면서 유효한 데이터를 확보 할 때까지 다수의 시뮬레이션과 유동제어 실험을 계속한 결과 관형 피스톤이 가스 스프링 Elevation 동작에 최적화된 피스톤 구조임을 알 수 있었다.
2. 관형 오리피스 단면의 경우 상측 오리피스가 하나일 경우(Φ 0.4x1) 가스 주입구인 오리피스가 있는 쪽은 유속이 관찰되었으나, 상측 오리피스가 없는 반대쪽은 유속이 거의 없었다.
3. 관형 오리피스의 경우 오리피스의 직경에 따른 변화를 0.2에서 1.0까지 다양하게 주어 유속의 정규화 그래프를 얻을 수 있었다. 직경의 변화를 주었을 때 본 연구에서는 직경이 아주 작은 Φ 0.
4. 관형 오리피스의 직경에 따른 속도의 시뮬레이션과 실제 실험을 비교하여 정규화 그래프 근사값이 시뮬레이션에서는 y=19.155x^-1.923이고 실제 실험에서는 y=4.0499x^-1.923으로서 오리피스 직경에 대한 유속의 경향은 일치하지만 시뮬레이션 값이 약 20% 정도 이상 오차가 남을 알 수 있었다.
5. 실험을 통해 관형 오리피스가 직경 0.4~1.0오리피스 테스트 결과 오리피스 300 mm구간에서 slip up/down 현상이 발생한 반면, 미로형 오리피스는 0.4~06.에서는 테스트 결과 오리피스 300 mm 구간에서는 sip up/down 현상이 일어나지 않아서 관형과 미로형의 오리피스 사양을 확정 할 수 있었다.
6. 유속이 증가하면 피스톤 로드를 움직이는 압력강하 값 또한 증가하지만 실제 피스톤 로드를 움직이는 힘에는 변동이 없다는 사실을 알 수 있었고, 이를 50인치 이상 대형 TV에 적용했을 경우 유속 유동 시 발생하는 압력강하는 가스 스프링 힘엔 영향을 주지 않고, 다만, 속도 제어만 가능하므로 이를 통해 TV의 Slip up/down현상을 방지하고 사용자가 원하는 변위 제어가 가능하다.
Fig. 11에서 보듯이 하측 오리피스에 주입된 질소기체가 상측 오리피스로 배출되는 것을 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있었으며 특이사항으로서는 상측 오리피스 가스 주입구를 기준으로 림(rim)의 양쪽만 유로가 형성되는 것을 알 수 있었고 Fig. 11의 붉은색 화살표로 표시한 상측 오리피스 반대편의 기체의 유량은 미미하였다. 즉, 피스톤 로드에 장착된 관형 타입 오리피스를 가진 피스톤의 단면 전체에 질소기체를 주입하다라도 상측에 오리피스 한 개의 경우 중심으로 림의 반만의 유속으로 인장, 압축이 발생하며 나머지 반의 기체의 유량이 피스톤 로드의 인장, 압축에 미치는 영향은 미미하다는 것이다.
가장 중요한 사실은 유속이 증가할수록 압력강하 또한 증가하지만 실제 피스톤을 움직이는 힘(force)에는 변동이 없다는 사실을 알아낼 수 있었고 이는 TV Elevation 가스 스프링에 충분히 적용 가능함을 보여주었다. 즉, 기체 유동시 압력강하는 가스 스프링 힘에는 영향을 미치지 않으며 단지 속도제어만 가능하므로 이를 통해 TV의 Slip Up/Down 현상을 방지하고 사용자가 원하는 변위제어가 가능해지게 됨을 알 수 있었다.
14는 Fig 13을 정량화하여 그래프로 표시하였다. 상측 오리피스를 반대편에 한 개 추가하여 동일한 시뮬레이션을 수행했을 경우 전체적으로 유로가 형성되며, 늘어난 오리피스 수량에 반비례하여 유속은 감소한다는 것을 시뮬레이션을 통해서도 확인 할 수 있었다.
가장 중요한 사실은 유속이 증가할수록 압력강하 또한 증가하지만 실제 피스톤을 움직이는 힘(force)에는 변동이 없다는 사실을 알아낼 수 있었고 이는 TV Elevation 가스 스프링에 충분히 적용 가능함을 보여주었다. 즉, 기체 유동시 압력강하는 가스 스프링 힘에는 영향을 미치지 않으며 단지 속도제어만 가능하므로 이를 통해 TV의 Slip Up/Down 현상을 방지하고 사용자가 원하는 변위제어가 가능해지게 됨을 알 수 있었다.
최종적으로 시뮬레이션을 통해 오리피스 외경에 따른 유속변화를 알 수 있었고 관계식을 도출할 수 있었다. 특히, 직경 0.

후속연구

시뮬레이션은 오리피스 직경에 따른 압력강하 즉, 오리피스를 통과하기 전과 후 두 구간에서 압력의 차이에 따른 기체 유동 속도를 시뮬레이션 하였다. 반면, 미로형 오리피스는 단면이 복잡하여 산술적인 CAE 계산으론 불가능하므로 추후 실험에 의해 파이프형 오리피스와 비교하도록 한다.
앞서 2.1의 가스 스프링에서 오리피스의 유형에는 관형 오리피스와 미로형 오리피스가 있었으나 구조해석 편의상 관형 오리피스 연구로 한정하기로 한다. 이 이유는 관형 오리피스는 아래 CAE해석을 통해 오리피스 관로 내 변형에 대해 충분히 검증을 할 수가 있으나 미로형 오리피스의 경우 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사용자는 원하는 위치에 TV 본체를 이동시키기가 어렵게 되는 이유는?	가스스프링은 이 정지마찰력으로 인하여 사용자가 Elevation 동작을 위해 외력을 가할 시 가스 스프링의 반발력과 마찰력의 합보다 더 많은 외력을 필요로 하게 된다. 따라서 마찰력이 정지 마찰력에서 운동 마찰력으로 전환될 때 초과 외력이 발생하게 되고 초과 거리가 발생하게 된다. 이에 사용자는 원하는 위치에 TV 본체를 이동시키기가 어렵게 되는 것이다.
	최근 자동차의 급격한 수요 증대로 인한 자동차 메이커에서 어떤 변화가 생겼는가?	최근 자동차의 급격한 수요 증대로 인한 자동차 메이커에서는 각종 유공압 시스템을 이용한 전자 제어기술 발전과 더불어 차량의 본 네트를 비롯한 트렁크 등에 레이아웃 최소화를 위한 가스 스프링의 사용이 날로 증대되고 있다.[1] 가스 스프링의 비선형 변화-하중 특성으로 인해 하중지지 영역이 넓고, 승차감이 우수하여 가스 스프링을 현수장치(Suspension)에 적용하는 경우가 증가하고 있다.
	가스 스프링을 현수장치(Suspension)에 적용하는 경우가 증가하는 이유는?	최근 자동차의 급격한 수요 증대로 인한 자동차 메이커에서는 각종 유공압 시스템을 이용한 전자 제어기술 발전과 더불어 차량의 본 네트를 비롯한 트렁크 등에 레이아웃 최소화를 위한 가스 스프링의 사용이 날로 증대되고 있다.[1] 가스 스프링의 비선형 변화-하중 특성으로 인해 하중지지 영역이 넓고, 승차감이 우수하여 가스 스프링을 현수장치(Suspension)에 적용하는 경우가 증가하고 있다. 가스 스프링은 높은 반력과 긴 행정에서도 일정한 탄력 변하율을 유지하고 컴펙트한 디자인과 외형을 지니며 어떠한 적용품에도 쉽게 장착 가능한 뛰어난 조립성을 가지고 있기 때문에 코일 스프링을 대신하여 자동차뿐만 아니라 산업전반에서 이용범위가 넓다고 할 수 있다.

참고문헌 (8)

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I. S. Han, K. J. Choi, J. Y. Kim and Y. B. Lee, "The numerical analysis and experimental verification of the heat transfer effect on the highly pressured gas spring", Transactions of KSAE, Vol. 21, No. 2, pp.87-97, 2013.
S. K. Lim, C. H. Lee, I. Hwang, H. W. Kang and S. J. Park, "Design of high frequency casting machine for dental", Proceedings of KSMTE Spring Meeting, pp.264-265, 2011.
S. W. Kim and W. T. Kim, "Numerical simulation on interaction of liquid droplet-wall surface in a gas channel of a polymer electrolyte membrane full cell", Jol. of Korean Soc. of Mechanical Technology, Vol 17, No. 1, pp. 97-102, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.17958/ksmt.17.1.201502.97

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D. J. Chun and C. H. JI, "A study on the thermal load effect by piston oil jet gallery", Jol. of Korean Soc. of Mechanical Technology, Vol 14, No. 1, pp. 1-6, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.17958/ksmt.14.1.201202.1

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A. R. Ye, R. Das and H. D. Kim, "Investigation of transonic and supersonic flows over an open cavity mounted on curved wall(1)", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 39, No. 3, pp.231-236, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2015.39.3.231

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J. S. Nam, G. W. Kim, J. H. Kim and H. D. Kim, "Theoretical and computational analysis of Bernoulli Levitation flows", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 37, No. 7, pp. 629-636, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2013.37.7.629

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J. S. Kim, J. W. Kim, H. M. Kim and S. E. Yoon, "Calculation of heat loss coefficient at surcharged circular manhole using fluent model", Proceedings of the Korean water resources association conference, pp.1828-1832, 2008.

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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