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문제 정의
- 본 논문에서는 소형 압전유압펌프가 적용된 브레이크 시스템의 성능해석 및 실험을 진행하였다. 먼저 브레이크 부하를 포함한 소형 압전유압펌프 브레이크 시스템을 AMESim 프로그램을 사용하여 모델링하였다.
제안 방법
- 다음으로 압전작동기에 동일한 입력 900V, 140Hz의 전압을 인가하여 소형 브레이크 시스템의 유량의 변화를 해석하였다. 솔레노이드 밸브를 닫은 상태에서 캘리퍼의 패드가 디스크에 완전히 밀착되기까지 브레이크 회로는 개루프 유압회로가 되며, 그 이후 완전한 폐루프 유압회로가 된다.
- 동특성 시뮬레이션에서 압전작동기에 900V 의 전압을 인가하였고, 압전유압펌프의 가압 성능실험에서 가장 뛰어난 성능을 보였던 140Hz 의 작동주파수를 적용하였다[9]. Fig.
- 이와 같은 단순 브레이크 시스템 구조는 압전유압펌프 성능 검증에는 유용하나, 캘리퍼 모델이 반영되지 않아 실제 브레이크 시스템의 동특성을 알기 어렵다. 따라서 디스크, 패드, 플로팅 타입 캘리퍼 등을 추가적으로 모델링하여 전체 브레이크 시스템의 동특성에 미치는 영향을 확인하였다. 이를 위해 솔레노이드 밸브를 닫고 압전작동기에 전압을 인가하였을 때 아웃 체크밸브의 변위 및 발생 유량을 시뮬레이션 하였다.
- 펌프와 부하의 연결에 사용되는 구성품은 부하의 체적을 늘리는 원인으로, 부하부의 압축이 원활하게 일어나지 않아 부하 압력이 제대로 형성되지 않을 수 있으며, 유로가 길어지면서 생기는 압력 손실 또한 무시할 수 없다. 따라서 압력 센서, 솔레노이드 밸브 등의 하드웨어를 모두 사용할 수 있으면서 부하 유로의 길이를 최소화하는 방안을 고안하여 브레이크 회로 시스템 구성에 반영하였다.
- 브레이크 부하에 적용된 캘리퍼는 플로팅 타입으로, 브레이크 시스템의 압전유압펌프 작동기에 900V , 140Hz 의 전압을 인가하였을 때 패드의 변위와 부하 압력 형성 과정을 시뮬레이션 하였다. 또한, 체크밸브 변위 및 무부하 상태에서의 유량 시뮬레이션을 진행하였다. 체크밸브 모델의 경우, 소성변형의 방지를 위해 설계된 펌프의 스톱퍼(stopper) 및 체크밸브의 크래킹(cracking) 압력을 모델링에 반영하였고, 유량은 가압이 진행되기 전까지 부하 체적의 변화에 의해 유압 개회로가 유지되는 동안 유압 실린더 내에 발생하는 양을 계산하였다.
- 본 논문에서는 소형 압전유압펌프가 적용된 브레이크 시스템의 성능해석 및 실험을 진행하였다. 먼저 브레이크 부하를 포함한 소형 압전유압펌프 브레이크 시스템을 AMESim 프로그램을 사용하여 모델링하였다. 압전작동기 모델은 AMESim 모델링을 통해 선형 방정식으로 구성하였다.
- 본 논문에서는 제작된 소형 압전유압펌프를 실제 브레이크 부하와 연결하여 소형 유압 브레이크 시스템을 구성한 후 성능해석 및 실험을 진행하였다. 먼저 소형 압전유압펌프 및 브레이크 유압회로를 다분야 해석 프로그램인 LMS AMESim으로 모델링하여 성능해석 시뮬레이션을 수행하였으며, 성능실험을 위해 브레이크 부하부를 설계하였다. 브레이크 부하는 디스크, 패드, 플로팅 타입(floating type)의 캘리퍼로 구성된다.
- 시뮬레이션을 통한 소형 압전유압펌프 브레이크 시스템의 성능해석 결과 브레이크 작동요구도를 만족하고 있음을 확인하였고, 이를 검증하기 위해 실험을 수행 하였다. 모델링을 통해 부하 체적이 부하압 형성과정에 중요한 요인이라는 것을 알아내어 브레이크 부하와 압전유압펌프 사이의 유압라인을 최소화하여 연결하였고, 브레이크 부하의 고정을 위한 치구를 제작하였다. 브레이크 부하는 실제 차량에 사용된 구성품을 사용하 였으며 브레이크 시스템의 성능검증을 위한 실험장치를 구성하여 정상상태 부하압 및 펌프 토출 유량을 확인하였다.
- 본 논문에서는 제작된 소형 압전유압펌프를 실제 브레이크 부하와 연결하여 소형 유압 브레이크 시스템을 구성한 후 성능해석 및 실험을 진행하였다. 먼저 소형 압전유압펌프 및 브레이크 유압회로를 다분야 해석 프로그램인 LMS AMESim으로 모델링하여 성능해석 시뮬레이션을 수행하였으며, 성능실험을 위해 브레이크 부하부를 설계하였다.
- 지능재료 작동기는 기존의 펌프 작동기에 비해 소형화가 가능하여 초소형 기계부품 및 마이크로 펌프에 활발히 적용되고 있다[5-7]. 본 연구팀이 수행한 선행 연구에서는 작은 변위로 큰 힘을 발생시킬 수 있는 압전작동기를 이용한 소형 압전유압펌프를 개발하였고, 성능검증 실험을 수행하였다[8]. 다른 연구자들에 의해 제안된 지능재료 마이크로 펌프는 토출 유량이 약 3~450 cc/min 정도이며, 부하압 형성 능력은 0.
- 본 절에서는 소형 압전유압펌프 브레이크 시스템의 성능해석을 위해 브레이크 부하부를 모델링하였다. 이를 위해 캘리퍼 브레이크 타입의 실제 브레이크 구조를 압전유압펌프와 연결하여 소형 브레이크 회로를 구성하였다.
- 모델링을 통해 부하 체적이 부하압 형성과정에 중요한 요인이라는 것을 알아내어 브레이크 부하와 압전유압펌프 사이의 유압라인을 최소화하여 연결하였고, 브레이크 부하의 고정을 위한 치구를 제작하였다. 브레이크 부하는 실제 차량에 사용된 구성품을 사용하 였으며 브레이크 시스템의 성능검증을 위한 실험장치를 구성하여 정상상태 부하압 및 펌프 토출 유량을 확인하였다.
- 압전작동기 모델은 AMESim 모델링을 통해 선형 방정식으로 구성하였다. 브레이크 부하에 적용된 캘리퍼는 플로팅 타입으로, 브레이크 시스템의 압전유압펌프 작동기에 900V , 140Hz 의 전압을 인가하였을 때 패드의 변위와 부하 압력 형성 과정을 시뮬레이션 하였다. 또한, 체크밸브 변위 및 무부하 상태에서의 유량 시뮬레이션을 진행하였다.
- 브레이크 시스템의 작동원리를 고려하여, 소형 압전 유압펌프와 브레이크 부하 구성품 및 유로를 AMESim 을 이용하여 Fig. 2(b)와 같이 모델링하였다. 브레이크 작동에는 캘리퍼의 동적 거동이 중요한 영향을 미친다.
- 성능 실험을 위해 먼저 솔레노이드 밸브를 닫아 부하에 폐회로를 구성하고, 압전작동기에 동일전압을 인가하여 포화 부하 압력을 측정하였다. 토출 유량이 작동 주파수에 영향을 받아 부하 압력 형성에 영향을 미치므로, 압전작동기의 작은 변위를 고려하여 유량이 부하 압력을 형성하기에 충분할 만큼 발생할 수 있도록 적정 주파수를 인가하였다.
- 성능 실험을 진행하기 위해 실제 소형 차량에 적용되는 브레이크 부품을 부하에 적용하여 브레이크 시스템을 구성하였다. 또한 부하체적에 의한 영향을 최소화 하기 위하여 부하부의 유압 파이프는 최단 거리로 구성하였다.
- 소형 브레이크 시스템 AMESim 모델의 가압 시뮬레이션에 사용된 압전작동기 입력전압으로 900V , 140Hz 를 인가하였다. 체크밸브는 압전작동기의 작동주파수에 맞추어 고속으로 동작하며, 부하압이 상승하기 전까지 스톱퍼까지의 거리인 0.
- 소형 압전유압펌프 브레이크 시스템의 모델링을 이용하여 배압 형성에 영향을 미치는 파라미터를 분석하였다. 부하 압력 형성을 위해서는 압전유압펌프와 브레이크 부하부 간의 연결이 최대한 짧아야 한다.
- 시뮬레이션을 통한 소형 압전유압펌프 브레이크 시스템의 성능해석 결과 브레이크 작동요구도를 만족하고 있음을 확인하였고, 이를 검증하기 위해 실험을 수행 하였다. 모델링을 통해 부하 체적이 부하압 형성과정에 중요한 요인이라는 것을 알아내어 브레이크 부하와 압전유압펌프 사이의 유압라인을 최소화하여 연결하였고, 브레이크 부하의 고정을 위한 치구를 제작하였다.
- 플로팅 타입의 캘리퍼가 적용된 브레이크는 유압 실린더가 한쪽에만 있는 형식으로, 피스톤과 연결된 패드가 디스크에 닿은 뒤 반대쪽 패드가 피스톤의 반발력에 의해 디스크에 닿게 되고, 이후에 제동력이 발생한다. 시뮬레이션을 통해 부하 압력이 플로팅 타입 캘리퍼가 적용된 브레이크의 작동원리에 맞게 발생하는지 확인 하였고, 부하 모델링에 의한 동특성의 변화를 확인하기 위해 체크밸브의 변위와 펌프 유량을 시뮬레이션 하였다.
- 체크밸브 모델의 경우, 소성변형의 방지를 위해 설계된 펌프의 스톱퍼(stopper) 및 체크밸브의 크래킹(cracking) 압력을 모델링에 반영하였고, 유량은 가압이 진행되기 전까지 부하 체적의 변화에 의해 유압 개회로가 유지되는 동안 유압 실린더 내에 발생하는 양을 계산하였다. 시뮬레이션을 통해, 브레이크 부하의 추가에 따른 소형 압전유압펌프 브레이크 시스템의 동특성 변화를 확인하였다.
- 또한 부하체적에 의한 영향을 최소화 하기 위하여 부하부의 유압 파이프는 최단 거리로 구성하였다. 압전작동기에 인가하는 전압은 시뮬레이션과 마찬가지로 900V 의 크기를 유지하였고, 압력 형성에 필요한 유량이 발생할 수 있도록 125~150Hz 의고 주파수를 인가하여 각 주파수에서의 최대 부하 압력, 토출 유량을 측정하였다. 실험 결과, 최대 부하압이 69~73bar에서 형성됨을 확인하였고, 토출 유량은 주파수에 따라 162-203 cc/mim 값을 가지며 목표 항공기의 브레이크 시스템의 요구조건에 부합하는 것을 확인하였다.
- 이를 위해 솔레노이드 밸브를 닫고 압전작동기에 전압을 인가하였을 때 아웃 체크밸브의 변위 및 발생 유량을 시뮬레이션 하였다. 유량의 경우, 캘리퍼 작동에 의해 부하 체적이 변화하여 유압 개회로가 유지되는 동안 유압 실린더 내의 유량 변화를 계산하였다. 이를 통해 가압에 필요한 만큼의 유압유량이 얼마나 빨리 발생하는 지 계산할 수 있다.
- 솔레노이드 밸브를 닫은 상태에서 캘리퍼의 패드가 디스크에 완전히 밀착되기까지 브레이크 회로는 개루프 유압회로가 되며, 그 이후 완전한 폐루프 유압회로가 된다. 이러한 과정에서 발생하는 유량을 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션 결과를 Fig.
- 따라서 디스크, 패드, 플로팅 타입 캘리퍼 등을 추가적으로 모델링하여 전체 브레이크 시스템의 동특성에 미치는 영향을 확인하였다. 이를 위해 솔레노이드 밸브를 닫고 압전작동기에 전압을 인가하였을 때 아웃 체크밸브의 변위 및 발생 유량을 시뮬레이션 하였다. 유량의 경우, 캘리퍼 작동에 의해 부하 체적이 변화하여 유압 개회로가 유지되는 동안 유압 실린더 내의 유량 변화를 계산하였다.
- 본 절에서는 소형 압전유압펌프 브레이크 시스템의 성능해석을 위해 브레이크 부하부를 모델링하였다. 이를 위해 캘리퍼 브레이크 타입의 실제 브레이크 구조를 압전유압펌프와 연결하여 소형 브레이크 회로를 구성하였다.
- )과는 반비례한다. 이를 체크밸브 AMESim 모델링에 고려하였고, 브레이크 작동 시 체크밸브의 변위 시뮬레이션을 진행하였으며, 결과를 Fig. 4에 나타내었다.
- 지금까지 소형 브레이크 시스템의 AMESim 모델을 이용하여 브레이크 작동 시 체크밸브의 변위 및 유압 개회로가 유지되는 동안의 유량의 변화를 계산하였다. 이를 통해 브레이크 부하부 연결에 따른 소형 압전유 압펌프 브레이크 시스템의 동특성 변화를 확인하였다.
- 토출 유량이 작동 주파수에 영향을 받아 부하 압력 형성에 영향을 미치므로, 압전작동기의 작은 변위를 고려하여 유량이 부하 압력을 형성하기에 충분할 만큼 발생할 수 있도록 적정 주파수를 인가하였다. 이에 900V 로 입력전압을 고정하고, 125~150Hz 에서 5Hz 간격으로 작동주파 수를 조절해가며 실험을 진행하였다. 측정된 실험결과는 시뮬레이션 결과와 비교하여 Fig.
- 전절에서 얻어진 소형 압전유압펌프 브레이크 시스템의 성능 해석결과의 검증을 위해 부하압 형성 능력 및 토출 유량 측정 실험을 진행하였다. 소형 브레이크 시스템은 소형 압전유압펌프, 브레이크 부하 구성품 이외에 감압을 위한 솔레노이드 밸브, 압력 측정을 위한 압력 트랜스미터로 구성된다.
- 지금까지 소형 브레이크 시스템의 AMESim 모델을 이용하여 브레이크 작동 시 체크밸브의 변위 및 유압 개회로가 유지되는 동안의 유량의 변화를 계산하였다. 이를 통해 브레이크 부하부 연결에 따른 소형 압전유 압펌프 브레이크 시스템의 동특성 변화를 확인하였다.
- 또한, 체크밸브 변위 및 무부하 상태에서의 유량 시뮬레이션을 진행하였다. 체크밸브 모델의 경우, 소성변형의 방지를 위해 설계된 펌프의 스톱퍼(stopper) 및 체크밸브의 크래킹(cracking) 압력을 모델링에 반영하였고, 유량은 가압이 진행되기 전까지 부하 체적의 변화에 의해 유압 개회로가 유지되는 동안 유압 실린더 내에 발생하는 양을 계산하였다. 시뮬레이션을 통해, 브레이크 부하의 추가에 따른 소형 압전유압펌프 브레이크 시스템의 동특성 변화를 확인하였다.
- 다음으로 솔레노이드 밸브를 통과하는 토출 유량을 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 측정 방법은 솔레노이드 밸브에 5V 전압을 인가하여 밸브를 개방함으로써 개루프 유압 회로를 구성하고, 솔레노이드 밸브를 통해 흐르는 유압유의 질량을 전자저울을 통해 측정하여 유량을 계산한다. 실험값은 수차례 반복실험을 통해 구한 평균값을 사용하였다.
- 브레이크 작동에는 캘리퍼의 동적 거동이 중요한 영향을 미친다. 캘리퍼는 유압 브레이크에 널리 사용되는 플로팅 타입을 적용하였으며, 모델링이 플로팅 타입 캘리퍼의 작동원리에 부합하는지 확인하였다. 플로팅 타입 캘리퍼는 단일 유압 실린더에 연결된 피스톤이 유압유에 의해 한쪽의 패드를 디스크에 닿도록 밀어낸 뒤 반대쪽 패드가 반력에 의해 디스크에 닿게 되며, 그 이후에 제동력 발생을 위한 부하압이 형성되는 원리이다.
- 성능 실험을 위해 먼저 솔레노이드 밸브를 닫아 부하에 폐회로를 구성하고, 압전작동기에 동일전압을 인가하여 포화 부하 압력을 측정하였다. 토출 유량이 작동 주파수에 영향을 받아 부하 압력 형성에 영향을 미치므로, 압전작동기의 작은 변위를 고려하여 유량이 부하 압력을 형성하기에 충분할 만큼 발생할 수 있도록 적정 주파수를 인가하였다. 이에 900V 로 입력전압을 고정하고, 125~150Hz 에서 5Hz 간격으로 작동주파 수를 조절해가며 실험을 진행하였다.
- 즉, 유량은 유압 폐회로에서 부하 압력을 형성할 수 있을 만큼 발생해야 한다. 포화 압력 측정 실험과 마찬가지로, 압전작동기에 작용시키는 입력전압의 작동주파수를 125~150Hz 사이의 범위에서 5Hz 의 간격으로 실험을 진행하였다.
- 부하 구성품 중 하나인 캘리퍼의 경우, 유압 브레이크 시스템에 널리 사용되는 플로팅 타입을 적용하였다. 플로팅 타입 캘리퍼의 작동원리를 고려한 상용 코드 AMESim의 모델 링은 다음 절에서 자세히 기술하였다.
대상 데이터
- 또한, 고전압 증폭기를 통해 압전작동기에 증폭된 전압신호를 입력할 수 있다. 고전압 증폭기로는 고 주파수에서도 성능 저하가 발생하지 않는 PI사의 E-481 제품을 사용하였다[8].
- 실험에 사용된 박판 스프링 형 체크밸브는 소성변형의 방지를 위해 체크밸브로부터 0.5mm의 높이에 클로버 모양의 스톱퍼를 설계하였으며[12], 파라미터 스터디를 통해 체크밸브의 형상을 결정하고, 0.5bar의 크래킹 압력을 가지도록 설계되었다[12].
- 실험장치 구성 시 데이터 생성 및 수집을 위한 DAQ Board로는 ADC, DAC 포트가 각각 8개로 구성되어 있는 dSpace/ds1104 모델을 사용하였다. 이 보드를 이용하여 솔레노이드 개폐를 위한 신호 입력 및 압력 데이터의 수집이 가능하다.
데이터처리
- 다음으로 솔레노이드 밸브를 통과하는 토출 유량을 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 측정 방법은 솔레노이드 밸브에 5V 전압을 인가하여 밸브를 개방함으로써 개루프 유압 회로를 구성하고, 솔레노이드 밸브를 통해 흐르는 유압유의 질량을 전자저울을 통해 측정하여 유량을 계산한다.
- 이를 통해 가압에 필요한 만큼의 유압유량이 얼마나 빨리 발생하는 지 계산할 수 있다. 또한, 시뮬레이션 결과는 일정시간 동안 솔레노이드 밸브를 개방하여 저유기로 흘러가는 유압유의 질량을 측정하여 계산된 유량 실험값과 비교하여 검증하였다.
- 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 오른쪽 패드가 닿기 전까지 유량의 변화가 일정하며, 왼쪽 패드가 닿기 전까지 지속적으로 유량이 발생하다가 그 이후 유압 폐회로가 구성되어 유량은 0으로 수렴하게 된다. 시뮬레이션 결과를 이용하여 유압 개회로가 유지되는 동안 유량 변화의 평균 값을 계산하였고, 이를 실험 결과와 비교하여 모델링의 타당성을 확인하였다.
- 측정 방법은 솔레노이드 밸브에 5V 전압을 인가하여 밸브를 개방함으로써 개루프 유압 회로를 구성하고, 솔레노이드 밸브를 통해 흐르는 유압유의 질량을 전자저울을 통해 측정하여 유량을 계산한다. 실험값은 수차례 반복실험을 통해 구한 평균값을 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에는 PI사의 P– 225.40 모델을 사용하였으며, 블로킹 힘을 구현하기 위해 해당 모델의 제원을 AMESim 모델링에 적용 하였다.
- 먼저 브레이크 부하를 포함한 소형 압전유압펌프 브레이크 시스템을 AMESim 프로그램을 사용하여 모델링하였다. 압전작동기 모델은 AMESim 모델링을 통해 선형 방정식으로 구성하였다. 브레이크 부하에 적용된 캘리퍼는 플로팅 타입으로, 브레이크 시스템의 압전유압펌프 작동기에 900V , 140Hz 의 전압을 인가하였을 때 패드의 변위와 부하 압력 형성 과정을 시뮬레이션 하였다.
성능/효과
- 항공기 브레이크 시스템에 적용하기 위해선 펌프의 토출 유량보다는 부하압 형성능력이 더 중요한 요소이다. 따라서 본연구팀의 선행 연구에서 개발된 소형 압전유압펌프가 항공기 브레이크 시스템에 사용하기 매우 적합하다고 판단된다.
- 또한, 포화 부하 압력이 69~73bar로, 중소형 무인항공기의 브레이크 시스템에 적용하기에 충분한 크기로 판단된다[13,14]. 또한 유량 실험 결과, 각 작동주파수에서 중소형 무인 항공기 브레이크 시스템의 요구조건을 충족하는 유량이 측정되었으며, 실험 데이터와 시뮬레이션 결과와 차이는 약 5% 내외로 소형 브레이크 시스템 모델링이 적절히 수행되었음을 확인할 수 있다.
- 2~7 bar 정도이다[1-4]. 본 연구팀에 의해 개발된 소형 압전유압 펌프의 경우, 최대 토출 유량은 약 200 cc/min 정도로 다른 지능재료 마이크로 펌프 성능의 중간 정도이나, 토출 압력은 최대 73 bar 정도로 부하압 형성 능력이 더 뛰어나다는 것을 알 수 있다[8]. 항공기 브레이크 시스템에 적용하기 위해선 펌프의 토출 유량보다는 부하압 형성능력이 더 중요한 요소이다.
- 부하 압력 시뮬레이션 결과와 실험 결과의 오차범위는 6% 내외로, 소형 브레이크 시스템 모델링이 적절히 수행되었음을 확인할 수 있다. 또한, 포화 부하 압력이 69~73bar로, 중소형 무인항공기의 브레이크 시스템에 적용하기에 충분한 크기로 판단된다[13,14].
- 이는 부하 압력이 포화된 이후 체크밸브가 완벽하게 닫히지 않아 일부 유량이 부하에서 챔버로 역류하기 때문에 발생하는 현상이다. 소형 브레이크 유압회로의 동특성 시뮬레이션 결과를 통해 플로팅 타입 캘리퍼의 작동원리에 따른 가압 성능을 확인할 수 있다.
- 압전작동기에 인가하는 전압은 시뮬레이션과 마찬가지로 900V 의 크기를 유지하였고, 압력 형성에 필요한 유량이 발생할 수 있도록 125~150Hz 의고 주파수를 인가하여 각 주파수에서의 최대 부하 압력, 토출 유량을 측정하였다. 실험 결과, 최대 부하압이 69~73bar에서 형성됨을 확인하였고, 토출 유량은 주파수에 따라 162-203 cc/mim 값을 가지며 목표 항공기의 브레이크 시스템의 요구조건에 부합하는 것을 확인하였다. 실험결과는 시뮬레이션 결과와 비교하였 고, 토출압력은 최대 6%, 토출 유량은 최대 5% 정도의 오차를 보여 모델링의 적합성을 검증하였다.
- 실험 결과, 최대 부하압이 69~73bar에서 형성됨을 확인하였고, 토출 유량은 주파수에 따라 162-203 cc/mim 값을 가지며 목표 항공기의 브레이크 시스템의 요구조건에 부합하는 것을 확인하였다. 실험결과는 시뮬레이션 결과와 비교하였 고, 토출압력은 최대 6%, 토출 유량은 최대 5% 정도의 오차를 보여 모델링의 적합성을 검증하였다.
후속연구
- 향후 압전유압펌프가 적용된 브레이크 시스템의 모델링을 이용하여 브레이크 성능에 영향을 미치는 파라미터 분석을 추가로 수행할 예정이며, 이를 브레이크 시스템을 이용한 성능 실험에 적용할 것이다.
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