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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 현재 시험 운행중인 틸팅 차량의 휠 브레이크를 대상으로 유한요소해석을 이용하여 각 구성품의 모드별 고유진동수 결과를 추출하였고, 얻어진 이론적 모달 해석 결과의 신뢰성을 평가하기 위해 실험 모드해석을 동시에 수행하였다. 신뢰성이 확보된 유한요소 모델링의 단품을 Ass'y하여 스퀼소음 주파수 영역대의 복소 고유치 해석을 수행 하여 실차 시험과 비교하여 스퀼 소음을 이론적 방법을 통해 접근하고, 스퀼 소음의 해결을 위한 설계 단계에서의 해결 방안 제시를 위한 연구로 활용할 것이다.
- 본 연구에서는 휠 디스크 브레이크 시스템의 스퀼 소음의 원인을 찾기 위한 유한 요소 모델링을 수행하였다. 단품의 모델링에 대한 실험 모달 해석을 통해 신뢰성을 검증 후 Ass'y이 복소 고유치 해석을 수행하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 휠 디스크 브레이크 시스템의 스퀼 소음의 원인을 찾기 위한 유한 요소 모델링을 수행하였다. 단품의 모델링에 대한 실험 모달 해석을 통해 신뢰성을 검증 후 Ass'y이 복소 고유치 해석을 수행하였다. 실차 시험에서 발견한 스퀼 소음의 영역과 복소 고유치 해석 결과를 분석해봤을 때 틸팅 열차의 스퀼 소음 발생 영역은 2.
- 해석 결과에 보여진 모든 요소는 병진 운동(translational motion)만 고려하였고, 회전 운동(rotational motion)은 고려되지 않았다. 또한, ANSYS를 통하여 얻어진 1~ 10 kHz범위 내의 고유진동수 중에서 마찰면의 성능 변화가 크게 발생하여 스퀼의 원인이 되는 수직 방향의 거동이 발생하는 방향의 모드를 해석 대상으로 하였다. 각 단품의 유한요소해석의 모달 해석 결과를 아래의 표로 나타내었다.
- 그 이상의 진동수에서는 두드러진 피크가 발생하지 않았으며 이것은 두드러진 진동 모드가 없다는 사실일 수도 있지만 불확실한 가진도 한 원인을 했을 것으로 추측된다. 많은 이웃하는 피크의 발생은 두드러진 진동형상에 지역적인 진동이 중첩된 결과로서 모든 진동형상을 분석하여 마찰면 중심의 대표적인 진동에 대한 해석만 수행하였다.
- 브레이크 모듈의 각각 단품을 유한요소모델에 의한 이론적 모드해석과 실제 브레이크 단품의 실험적 모드해석을 결과 값을 비교 검토하였다. 실험적 모달 해석 결과에서 주로 발생한 1kHz~6kHz 범위를 중심으로 결과를 비교하였다.
- 스퀼 소음은 재연성이 적어 실험중에 소음이 실내에서 청각을 느꼈을때의 제동을 선택하였고, 그 실험에서 얻어진 데이터를 분석하여 스퀼 소음이 발생하는 주파수 영역을 발견하였다. 그림.
- 시범 운행중인 틸팅 열차의 제동부에 마이크폰(micphone)을 2개 설치하여 열차가 운전중 제동시 발생하는 소음을 측정하였다. 시험 방법은 열차가 직선 구간에서 일정 속도로 운행중에 일반 제동을 가할 때 열차가 정지까지의 신호를 측정하였다.
- 시범 운행중인 틸팅 열차의 제동부에 마이크폰(micphone)을 2개 설치하여 열차가 운전중 제동시 발생하는 소음을 측정하였다. 시험 방법은 열차가 직선 구간에서 일정 속도로 운행중에 일반 제동을 가할 때 열차가 정지까지의 신호를 측정하였다. 그림.
- 실제 틸팅 열차에서는 바퀴를 중심으로 대칭 형상으로 되어 있으나, 복소 고유치 해석 수행의 결과에 영향을 미치지 않으므로 해석 시간을 단축하기 위해 1/2형상에 대해 해석을 수행하였다. 또한, 접촉강성은 별도의 시험을 통해 구한 26600N/mm의 강성을 이용하였다.
- 유한요소 모델링의 검증을 위해 단품에 대한 실험적 모달 해석을 수행하였다. 실험 모드 해석은 탄성 고무튜브로 단품을 고정하여 자유단을 구현하였다. 이 실험에서도 스퀼 소음의 원인이 되는 수직 방향 성능해석을 위하여 1축 방향 가속도계 (accelerometer)를 사용하여 접촉면 수직방향의 가속도를 측정하였다.
- 유한요소 모델링의 검증을 위해 단품에 대한 실험적 모달 해석을 수행하였다. 실험 모드 해석은 탄성 고무튜브로 단품을 고정하여 자유단을 구현하였다.
- 실험 모드 해석은 탄성 고무튜브로 단품을 고정하여 자유단을 구현하였다. 이 실험에서도 스퀼 소음의 원인이 되는 수직 방향 성능해석을 위하여 1축 방향 가속도계 (accelerometer)를 사용하여 접촉면 수직방향의 가속도를 측정하였다. 충격해머를 이용접촉면 수직방향으로 가진 하였으며 스 퀼소음의 진동수 영역인 10kHz 까지 충분히 가진될 수 있도록 해머 팁의 선택과 충격을 가하는 방법에 특히 주의를 기울였다.
- 이렇게 하여 얻어진 복소 고유치 해석에서 주파수 대역에 따른 고유치 실수부의 분석을 수행하였다. 그림.
- 틸팅 차량의 브레이크 시스템은 그림.1과 같고, 단품의 모델링에 신뢰성 파악을 위하여 각 구성요소에 대한 유한 요소 해석을 이용한 모달 해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 실험대상 부품에 각 모드가 충실히 표현될 수 있는 위치를 선택하여 노드점을 선정하여 번호를 부여하였으며 각 노드점은 충격해머의 가진과 가속도 측정점으로 사용된다. 노드점은 모드 형상이 표혈될 수 있도록 disc 는 48개, lever 는 14개의 노드 점을 설정하여 사용하였다. disc 경우 1번 노드에 가속도계를 부착하고 1~48번까지 임팩트 햄머로 충격을 가하여 각 노드에서의 FRF(Frequency Response Function) 신호를 Smartoffice Analyzer를 이용하여 데이터 값을 얻었다.
- 실제 틸팅 열차에서는 바퀴를 중심으로 대칭 형상으로 되어 있으나, 복소 고유치 해석 수행의 결과에 영향을 미치지 않으므로 해석 시간을 단축하기 위해 1/2형상에 대해 해석을 수행하였다. 또한, 접촉강성은 별도의 시험을 통해 구한 26600N/mm의 강성을 이용하였다.
데이터처리
- 실험으로부터 얻어진 데이터 값들은 모드해석 전용 소프트웨어인 ME'scope를 이용하여 각 단품의 실험 모달해석을 수행하였다.
- 브레이크 모듈의 각각 단품을 유한요소모델에 의한 이론적 모드해석과 실제 브레이크 단품의 실험적 모드해석을 결과 값을 비교 검토하였다. 실험적 모달 해석 결과에서 주로 발생한 1kHz~6kHz 범위를 중심으로 결과를 비교하였다.
- 유한요소 해석은 ANSYS 10.0을 사용하였고, 구성품들의 경계조건은 free-free상태에서 해석을 수행하였다. 해석 결과에 보여진 모든 요소는 병진 운동(translational motion)만 고려하였고, 회전 운동(rotational motion)은 고려되지 않았다.
이론/모형
- 브레이크의 각 구성품들은 HyperMesh를 이용하여 절점(node)와 요소(element)를 생성하였다. 도표.
- 복소 고유치 해석은 고유치의 실부 부호 크기로 시스템의 불안정성을 판별하는 방법으로 해석에 효과적이지만 접촉면의 모델링이 어려운 단점이 있다. 하지만 본 연구에서는 Ansys를 이용하여 복소 고유치 해석을 수행하였다.
성능/효과
- 결과를 보면 2.5kHz, 4.8kHz, 5.4kHz가 스퀼 소음이 발생한 주파수로 판단 할 수 있다. 유한 요소 모델링에 대한 복소 고유치 해석과 실차 시험의 결과를 비교해 봤을 때 2.
-
그림.10 복소 고유치 해석 결과
결과에서 2.5kHz와 5.4kHz에서 실수부의 값이 가장 크게 나타났음을 알 수 있었다
. - 단품의 모델링에 대한 실험 모달 해석을 통해 신뢰성을 검증 후 Ass'y이 복소 고유치 해석을 수행하였다. 실차 시험에서 발견한 스퀼 소음의 영역과 복소 고유치 해석 결과를 분석해봤을 때 틸팅 열차의 스퀼 소음 발생 영역은 2.5kHz와 5.4kHz로 결론을 내리게되었다.
- 4kHz가 스퀼 소음이 발생한 주파수로 판단 할 수 있다. 유한 요소 모델링에 대한 복소 고유치 해석과 실차 시험의 결과를 비교해 봤을 때 2.5kHz와 5.4kHz에서 일치함을 알 수 있었고, 2.5kHz와 5.4kHz가 스퀼 소음이 발생하는 영역이라 판단 할 수 있었다.
- 이 실험에서도 스퀼 소음의 원인이 되는 수직 방향 성능해석을 위하여 1축 방향 가속도계 (accelerometer)를 사용하여 접촉면 수직방향의 가속도를 측정하였다. 충격해머를 이용접촉면 수직방향으로 가진 하였으며 스 퀼소음의 진동수 영역인 10kHz 까지 충분히 가진될 수 있도록 해머 팁의 선택과 충격을 가하는 방법에 특히 주의를 기울였다. 그림.
- 0을 사용하였고, 구성품들의 경계조건은 free-free상태에서 해석을 수행하였다. 해석 결과에 보여진 모든 요소는 병진 운동(translational motion)만 고려하였고, 회전 운동(rotational motion)은 고려되지 않았다. 또한, ANSYS를 통하여 얻어진 1~ 10 kHz범위 내의 고유진동수 중에서 마찰면의 성능 변화가 크게 발생하여 스퀼의 원인이 되는 수직 방향의 거동이 발생하는 방향의 모드를 해석 대상으로 하였다.
후속연구
- 신뢰성이 확보된 유한요소 모델링의 단품을 Ass'y하여 스퀼소음 주파수 영역대의 복소 고유치 해석을 수행 하여 실차 시험과 비교하여 스퀼 소음을 이론적 방법을 통해 접근하고, 스퀼 소음의 해결을 위한 설계 단계에서의 해결 방안 제시를 위한 연구로 활용할 것이다.
- 향후 단품의 모델링을 현재보다 정확도를 높여 단품의 신뢰성을 확보하여 휠 디스크 브레이크에 대한 스퀼 소음 주파수 영역을 줄이기 위한 설계를 수행 할 예정이다.
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