[논문]탑재형 발전기 적용에 따른 이상소음 개선 방안에 관한 연구

김선진; 김성곤; 윤성호; 신철호

doi:10.5762/kais.2020.21.6.266

탑재형 발전기 적용에 따른 이상소음 개선 방안에 관한 연구
A study on the way to improve abnormal noise by applying vehicle fitting type generator 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.6, 2020년, pp.266 - 274

김선진 (국방기술품질원 기동화력5팀) , 김성곤 (국방기술품질원 기동화력5팀) , 윤성호 (국방기술품질원 기동화력5팀) , 신철호 (국방기술품질원 기동화력5팀)

초록
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본 연구는 소형전술차량에 적용된 탑재형 발전기에 의해 발생되는 이상 소음 개선방안에 대한 것이다. 소형전술차량은 탑재형 발전기의 장착 유·무로 구분되며, 개발 시험 시 이에 따른 소음 크기의 차이는 없었다. 하지만, 차량을 운용하면서 사용자가 느끼기에 불쾌한 소음(이상 소음)이 발생된다는 지속적인 문제제기에 따라 품질개선을 수행하게 되었다. 품질개선을 수행하기에 앞서 탑재형 발전기 단품 및 장착 구조와 문제가 제기된 차량에 대한 현상 확인 및 원인 분석을 수행하였다. 이를 통해 탑재형 발전기 장착에 따라 발생하는 이상 소음은 래틀소음에 의한 것임을 확인하였다. 엔진 구동계에서 래틀소음이 발생되는 일반적인 원인은 엔진 폭발 행정시 발생되는 불규칙한 회전력의 전달과 엔진 연결기와 회전자 조립체 간 스플라인-세레이션 연결 구조에서 발생되는 기어 백래쉬에 의한 것이었다. 따라서, 본 연구에서는 원인으로 분석된 이상 소음의 원인을 해소하기 위해 댐퍼형 연결기를 적용하는 개선방안을 수립하였다. 개선 방안에 대해서는 엔진의 불규칙한 회전력의 영향성, 소음의 정도, 동특성 해석 및 단품 내구시험 등을 통해 개선효과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper reports a means of improving the abnormal noise of light tactical vehicles (LTVs) by applying a vehicle fitting type generator (hereinafter called generator). LTVs are classified as having generators, and there are no differences in the noise level. On the other hand, quality improvement was performed in response to unpleasant noise felt by the user (hereinafter called abnormal noise) during vehicle operation. To improve the quality, the generator mounting structure and the phenomenon of the vehicle in the problem were identified. Through this, it was confirmed that the noise caused by the generator installation was the rattle noise. Rattle noise at the engine driving system is normally caused by the transfer of irregular torque generated by the engine power stroke and the backlash by the spline-serration fitting structure between the engine coupler and rotor assembly in a generator. Therefore, this study established an improvement plan to apply a damper coupler to solve the cause of the abnormal noise. Regarding the improved establishment method, the improvement effect was confirmed from the influence of the irregular torque of the engine, noise level, dynamic characteristics analysis, and the endurance test of the parts.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. The install location of vehicle fitting type generator
표 Table 1. Comparison of noise sources passenger vehicle and military vehicle
그림 Fig. 2. System configuration of vehicle and generator
그림 Fig. 3. The detail configuaration of generator
그림 Fig. 4. The measurement flow of military vehicle noise
표 Table 2. The list of sensors and instrumentations for noise measurement
그림 Fig. 5. The configuration of sensors and instrumentation
그림 Fig. 6. The configuration of noise measurement
그림 Fig. 7. The appearances of damaged quad ring(left) and grease leakage(right)
그림 Fig. 8. The color map pattern of whine noise[7]
그림 Fig. 9. The color map pattern of rattle noise[9]
그림 Fig. 10. Crank irregularity
그림 Fig. 11. The configuration of crank irregularity measurement
그림 Fig. 12. The results of angular velocity between crank shaft and engine coupler
그림 Fig. 13. The flow of rattle noise generation
그림 Fig. 14. The Procedure of abnormal noise improvement
표 Table 3. The difference between before and after through improvements
그림 Fig. 15. The configuration and specifications of damper coupler
표 Table 4. The difference of angular velocity between before and after through improvements
표 Table 5. The difference of angular velocity between before and after through improvements
그림 Fig. 16. The analysis results of shaft fatigue safety factor

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 탑재형 발전기의 구조와 문제 제기된 차량의 현상 등을 통해 탑재형 발전기가 장착된 차량에서 이상 소음이 발생되는 원인을 분석하고 이를 개선하였다. 개선방안에 대해서는 전산해석, 단품 검증시험 등을 통해 개선여부를 검증하였다.
14와 같이 수립하였다. 먼저, 개선 부품은 동력성능의 유지 및 기존 부품과의 장착 호환성을 고려한 부품 설계가 필요하며, 개선된 부품에 대해서는 시뮬레이션을 통한 문제점 해소 여부, 축의 내구성 유지 여부를 확인하고 마지막으로 실차상태로 목표 소음 값 만족여부 및 개선부품에 대한 내구성 만족여부를 확인하는 것을 목표로 하였다.
위와 같은 원인분석 결과를 토대로 품질개선을 수행하기 위한 방안으로 엔진에서 발생되는 불규칙한 회전력을 상쇄할 수 있는 댐퍼형 연결기를 개발하였다.
소형전술차량에 탑재형 발전기 장착 유·무에 따른 소음의 크기에는 큰 차이는 없었으며, 정해진 규격도 모두 만족한다. 하지만, 사용자가 느끼기에 불쾌한 이상 소음이 발생된다는 문제제기를 통해 품질개선의 필요성을 확인하였다.

제안 방법

따라서, 본 논문에서는 탑재형 발전기의 구조와 문제 제기된 차량의 현상 등을 통해 탑재형 발전기가 장착된 차량에서 이상 소음이 발생되는 원인을 분석하고 이를 개선하였다. 개선방안에 대해서는 전산해석, 단품 검증시험 등을 통해 개선여부를 검증하였다.
댐퍼형 연결기 적용에 따른 동특성 해석을 통해 엔진에서 발생되는 불규칙한 힘에 의한 각속도 변동이 탑재형 발전기의 엔진 연결기에 전달되는 지를 확인하였다. 이를 위해 댐퍼형 연결기의 댐퍼 특성을 적용하여 해석한 결과, Table 5와 같이 기존의 연결기에서는 엔진의 각속도 변동이 탑재형 발전기에 영향을 주었지만, 개선된 부품을 적용하였을 때는 영향을 주지 않는 것으로 확인 되었다.
또한, 탑재형 발전기가 장착된 차량에서 발생되는 이상 소음과 함께 전체적인 소음의 정도를 줄여 차량의 감성품질을 향상시키기 위해 차량 공회전 시 실내소음 60 dB(A)를 목표로 개선을 추진하였다. 부품 개선을 위해 엔진의 동력특성, 공진 가능성 등을 고려하여 Fig.
마지막으로 댐퍼형 연결기에 대한 단품 내구 만족여부를 확인하기 위해 고속 회전 시 단품 강도 검토를 위한 버스트(Burst)시험과 실제 작동조건인 비틀림 하중을 받을 때를 재현한 비틀림 내구시험을 진행하였다. 버스트 시험은 5,400 rpm으로 5분 회전 후 부품의 파손 여부 등을 확인하는 시험이며, 비틀림 내구 시험은 엔진 최대 토크의 1.
탑재형 발전기 장착차량에서 발생되는 이상 소음에 대한 품질개선을 위해 탑재형 발전기의 엔진 연결기 사양을 변경하였다. 변경된 사양에 대해 가장 중요한 이상 소음의 개선여부 그리고 전반적으로 소음에 대한 감성품질 향상을 위한 소음 개선결과를 확인하였으며, 축계에 대한 동특성 및 내구해석과 변경된 부품에 대한 단품 내구성 검증 등을 수행하였다.
부품 개선을 위해 엔진의 동력특성, 공진 가능성 등을 고려하여 Fig. 15와 같은 형상과 성능을 갖는 댐퍼형 연결기를 개발하였으며, 최종 변경 전·후 사양은 Table 3과 같이 정리할 수 있다.
새로 개발된 댐퍼형 연결기를 적용하여 품질개선 효과를 검증하기 위해 다음과 같은 검증을 수행하였다.
소음 발생원인 분석에 앞서 문제제기 차량에 대한 소음정도를 먼저 확인하였다. 소음 측정은 Fig.
소음 측정은 차량 정지(엔진 Idling) 및 주행 시에 수행하였으며, 측정 위치는 운전자의 우측귀의 우측방향 15cm 위치이다. 소음 측정시에 실내 냉난방기는 최대 속도로 틀어놓았으며, 창문과 환기구 등은 모두 닫았다.
실제로 소형전술차량의 엔진에서 발생되는 엔진의 불규칙한 회전이 탑재형 발전기에 미치는 영향을 알아보기 위해서 엔진의 회전이 그대로 전달되는 크랭크 축에 대한 불규칙 회전여부를 확인하였다. 그 결과.
위와 같이 엔진에서 발생되는 불규칙한 회전의 전달은 엔진의 드라이브 플레이트를 통해 탑재형 발전기에 동력을 전달하게 되므로, 엔진의 불규칙한 회전이 탑재형 발전기의 엔진 연결기에 어떻게 영향을 주게 되는지 Fig. 11과 같이 두 부위에 대한 각속도를 측정하였다.
위와 같이 탑재형 발전기의 이상 소음 문제 해소를 위 해 분석한 원인과 개선방안에 대해 시험 및 해석을 통해 검증함으로써 개선여부를 검증할 수 있었다.
탑재형 발전기 장착차량에서 발생되는 이상 소음에 대한 품질개선을 위해 탑재형 발전기의 엔진 연결기 사양을 변경하였다. 변경된 사양에 대해 가장 중요한 이상 소음의 개선여부 그리고 전반적으로 소음에 대한 감성품질 향상을 위한 소음 개선결과를 확인하였으며, 축계에 대한 동특성 및 내구해석과 변경된 부품에 대한 단품 내구성 검증 등을 수행하였다.
2와 같이 전원제어기를 통해 차량 후방에 장착된 장비에 전원을 공급한다. 탑재형 발전기가 미장착된 차량의 엔진과 변속기는 엔진 측의 드라이브 플레이트와 변속기의 토크 컨버터가 볼트로 체결되어 고정되는 구조이며, 토크컨버터는 변속기의 구동축과 스플라인-세레이션으로 연결되어있으며, 탑재형 발전기가 장착된 차량은 기존의 연결구조를 최대한 적용하여 탑재형 발전기와 엔진 및 변속기 연결을 위해 2개의 연결기(Coupler)를 추가하였다.

성능/효과

1. 엔진의 각속도 변동이 탑재형 발전기의 엔진 연결기에 미치는 영향성 확인 결과 개선 전에는 서로 반대 위상을 보이던 패턴이 개선 후에는 거의 일치하는 위상을 보였다.
2. 전반적인 차량의 실내소음은 10 dB(A)정도 감소한 효과를 확인하였다.
3. 댐퍼형 연결기 적용에 따라 동특성 해석 결과 엔진의 각속도 변동이 탑재형 발전기에 영향을 미치지 않음을 확인하였고 축계 피로내구도 만족하였다.
4. 댐퍼형 연결기의 비틀림 내구 및 버스트 시험결과 규격을 만족하였다.
개선방안을 수립하기 위해 엔진-변속기 구동계에 대해 확인한 결과, 엔진의 동력을 전달받기 위해 수동변속기는 클러치디스크와 클러치커버, 자동변속기는 토크컨버터가 장착된다. 여기서 동력 전달을 위한 부품인 클러치 디스크와 토크컨버터를 살펴보면 클러치 디스크의 경우 댐퍼스프링, 자동변속기의 경우 토크컨버터 내의 유체가 댐퍼 역할을 한다는 것을 알 수 있다.
그 결과, Fig. 12와 같이 공회전 조건(750 rpm) 및 발전조건(1,200 rpm)에서 모두 엔진과 엔진 연결기의 각 속도가 반대 위상차를 가지는 것으로 확인되었다. 이와 같이 회전체에서 지속적으로 반대 위상의 힘이 작용함에 따라 엔진 연결기와 회전자조립체간 스플라인-세레이션 기어가 불균일한 회전력에 의해 마찰되며 이상 소음이 발생된 것으로 확인되었다.
또한, 문제 제기를 한 차량에 대해 소음측정을 수행한 결과 역시 개발 당시 측정 소음과 유사한 수준이었다. 다만, 소음 자체가 사용자에게 있어 불쾌함을 줄 수 있는 소음(이하 이상 소음)으로 확인됨에 따라 원인분석을 통한 개선을 통해 사용자의 감성품질의 향상이 필요함을 확인하였다.
8배로 100만회 비틀림 반복회전 후 기본성능 및 부품의 파손 여부 등을 확인하는 시험이다. 두 가지 시험을 통해 댐퍼형 연결기의 내구성을 검증한 결과 모두 규격을 만족함을 확인하였다.
또한, 변경된 부품에 의해 회전자 조립체 축계의 내구성 저하가 우려되어 축계 내구성을 확인한 결과 최소 피로 안전율 5.62로 최소요구도인 1.2를 훨씬 상회하는 것으로 확인되었다.
또한, 탑재형 발전기의 하드웨어적인 측면의 문제여부를 확인하기 위해 탑재형 발전기를 차량에서 탈거하여 확인한 결과 Fig. 7과 같이 엔진 연결기 부위의 쿼드링의 손상과 이로 인해 스플라인-세레이션 부위에 도포된 그리스가 누유되어 비산된 것을 볼 수 있었다. 다만, 그리스의 비산과 소음과의 관계는 추가적인 분석이 필요하다.
위와 같이 국방규격의 절차와 방법에 따라 문제 제기 차량에 대한 소음측정 결과, Idle 상태에서의 소음은 63 ~ 68 dB(A), 주행 중 소음은 72 ~ 75 dB(A)로 차량 개발 시 수행한 소음시험 결과와 유사한 수준이었다.
댐퍼형 연결기 적용에 따른 동특성 해석을 통해 엔진에서 발생되는 불규칙한 힘에 의한 각속도 변동이 탑재형 발전기의 엔진 연결기에 전달되는 지를 확인하였다. 이를 위해 댐퍼형 연결기의 댐퍼 특성을 적용하여 해석한 결과, Table 5와 같이 기존의 연결기에서는 엔진의 각속도 변동이 탑재형 발전기에 영향을 주었지만, 개선된 부품을 적용하였을 때는 영향을 주지 않는 것으로 확인 되었다.
12와 같이 공회전 조건(750 rpm) 및 발전조건(1,200 rpm)에서 모두 엔진과 엔진 연결기의 각 속도가 반대 위상차를 가지는 것으로 확인되었다. 이와 같이 회전체에서 지속적으로 반대 위상의 힘이 작용함에 따라 엔진 연결기와 회전자조립체간 스플라인-세레이션 기어가 불균일한 회전력에 의해 마찰되며 이상 소음이 발생된 것으로 확인되었다.
최종 검증 결과를 바탕으로 탑재형 발전기 장착차량에서 발생되는 이상 소음의 원인 뿐만 아니라 전반적인 차량의 실내소음 개선을 통해 차량의 감성품질을 향상시킬 수 있었다.
추가적인 목표로 수립하였던 ILDE 상태에서 60 dB(A) 이하의 소음 역시 개선품을 적용하였을 때 54 dB(A)로 이는 3,000 km 주행 전·후 유사한 수준으로 확인되어 전반적인 소음 역시 감소되었음을 확인하였다.

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상세보기
K. Y. Soh, S. B. Choi, K. T. Kang, "Gear rattle noise optimization of medium duty diesel engine", Proceedings of KSNVE Spring Conference, Korean Society for Noise And Vibration Engineering, Jeju, Korea, pp.67-68, April, 2010.
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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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