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문제 정의
- 현재 해외 선진업체의 오일펌프 내장형 밸런스 샤프트의 벤치마킹 및 성능시험을 거쳐 모델을 선정, 역설계 및 요소 설계를 통해 오일펌프 내장형 밸런스 샤프트 모듈의 시제품을 제작하였다. 본 논문에서는 오일펌프 내장형 밸런스 샤프트 모듈의 동특성 시험에 대한 연구 과정 및 결과를 논하고자 한다.
- 본 논문에서는 오일펌프 내장형 밸런스 샤프트의 하우징 앗세이에 대한 모달해석을 수행한 후 이에 대한 모달정보를 분석하였다.
제안 방법
- - 밸런스 샤프트 모듈 전용 시험기를 이용하여 소음 성능 시험을 수행하였다. 시험결과 저속 회전 시 개발사양과 기존사양의 차이가 크게 나지 않았으나, 고속 회전 시 개발사양의 소음 레벨이 기존사양보다 약 2dB 정도 크게 측정되었다.
- - 실험적 모달 해석 프로세스를 이용하여 밸런스 샤프트 모듈의 하우징 앗세이에 대한 모달해석을 수행하였다. 모달해석 결과 1차 고유진동수가 1238.
- 그러므로 저소음, 저진동 밸런스 샤프트 모듈을 개발하기 위해서는 구동 시 발생하는 모듈의 자체적인 소음, 진동 특성이 설계 단계에서 반영되어야 한다.4) 본 연구에서는 동보가 보유하는 있는 밸런스 샤프트 모듈 전용 시험기를 이용하여 오일펌프 외장형 밸런스 샤프트 모듈 시제품의 소음 성능 시험을 수행하였다.
- 시험에서 사용된 오일펌프 내장형 밸런스 샤프트 모듈 시제품은 현재 동보에서 생산하고 있는 제품의 차량 데이터를 기반으로 하여 동일 사양의 엔진 차량을 목표로 제작되었다. 따라서 시제품의 소음 성능을 비교하기 위해 동보 양산품과 구동소음 비교시험을 진행하였다.
- A사의 제품은 로터반경을 최소화 하면서, 불평형 질량을 집중 질량에 가깝게 설계하여, 모듈 자체의 부피 및 무게를 감소시킨 모델로써, NVH 성능의 향상 외에도, 엔진룸의 레이아웃을 고려, 공간 활용도를 높인 제품이다. 또한 용이한 조립성과 부품원수의 최적화로 인해 원가절감을 이루는 한편, 장착성이 우수한 하우징 설계구조를 채택했다. Fig.
- 또한 응답은 B&K사의 ICP 타입 3축가속도계 (Accelerometer)를 사용하여 가진에 대한 응답을 측정하였다.
- 밸런스 샤프트 모듈 전용 시험기를 이용하여 오일펌프 내장형 밸런스 샤프트 모듈을 1기 장착하여 동특성 시험을 수행하였다. 마이크로폰을 이용하여 소음을 측정하였으며, 시험 데이터 수집을 위한 DAQ 장비는 NI사의 4채널 ICP 타입 DAQ 하드웨어를 이용하였다. 수집된 데이터를 측정 / 분석하기 위하여 m+p International 사의 SmartOffice Analyzer를 이용하여 측정 및 분석을 수행하였다.
- 밸런스 샤프트 모듈 전용 시험기를 이용하여 오일펌프 내장형 밸런스 샤프트 모듈을 1기 장착하여 동특성 시험을 수행하였다. 마이크로폰을 이용하여 소음을 측정하였으며, 시험 데이터 수집을 위한 DAQ 장비는 NI사의 4채널 ICP 타입 DAQ 하드웨어를 이용하였다.
- 수집된 데이터를 측정 / 분석하기 위하여 m+p International 사의 SmartOffice Analyzer를 이용하여 측정 및 분석을 수행하였다. 밸런스 샤프트 모듈의 소음 측정 시험 조건은 Table 3에 나타낸 바와 같이 10초간은 선형 가속구간과 20초간의 등속구간, 10초간의 선형 감속구간으로 설정하여 시험을 수행하였다.
- 그리고 시험대상의 모드형상(Mode Shape)을 분석하기 위해 시험 대상을 나타내는 가진 및 응답 포인트를 설정한다. 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 시험대상인 밸런스 샤프트 모듈 하우징 앗세이의 가진 및 응답 포인트를 설정하였고, Fig. 5 와 같이 모드형상을 분석하기 위한 모달해석 모델을 정의하였다.
- 본 연구에서는 동보가 보유하고 있는 밸런스 샤프트 모듈의 시험 프로세스를 이용하여 오일펌프 내장형 밸런스 샤프트 모듈에 대한 동특성 시험을 수행하였다. 실험적 모달해석 프로세스를 이용하여 모달정보를 획득하고, 밸런스 샤프트 모듈 전용 시험기를 이용하여, 제품 성능 시험을 수행하였다.
- 따라서 이러한 문제점을 사전에 방지하기 위해서는 밸런스 샤프트 모듈의 자체적인 동적특성이 초기 설계 시에 반영되어야 한다. 본 연구에서는 임팩트 가진(excitation)을 이용한 실험적 모달해석과 밸런스 샤프트 모듈 전용 성능/내구 시험기를 이용하여 오일펌프 내장형 밸런스 샤프트 모듈의 동특성을 분석하였다.
- 소음 레벨을 실제 청감과 비슷하게 보정하기 위하여 A-Weighting 보정을 사용하였으며, 각 RPM별 1/3 옥타브 밴드 분석을 진행하였다. Fig.
- 밸런스 샤프트 모듈 전용시험기는 구동장치부, 측정 및 제어시스템부, 오일공급장치로 구성되어 있으며, 각 부에 대한 사양은 Table 2와 같다. 소음 성능 시험 시 암소음의 보장을 위해 차음 챔버 안에서 측정을 수행하였다.
- 본 연구에서는 동보가 보유하고 있는 밸런스 샤프트 모듈의 시험 프로세스를 이용하여 오일펌프 내장형 밸런스 샤프트 모듈에 대한 동특성 시험을 수행하였다. 실험적 모달해석 프로세스를 이용하여 모달정보를 획득하고, 밸런스 샤프트 모듈 전용 시험기를 이용하여, 제품 성능 시험을 수행하였다.
- 동보는 밸런스 샤프트 모듈을 생산하고 있는 업체로써 다년간 밸런스 샤프트 모듈에 대한 핵심기술 연구와 함께 엔진룸 내 공간 활용을 극대화ᆞ경량화를 위한 오일펌프 일체형 밸런스 샤프트 모듈에 대한 연구를 진행하고 있다. 현재 해외 선진업체의 오일펌프 내장형 밸런스 샤프트의 벤치마킹 및 성능시험을 거쳐 모델을 선정, 역설계 및 요소 설계를 통해 오일펌프 내장형 밸런스 샤프트 모듈의 시제품을 제작하였다. 본 논문에서는 오일펌프 내장형 밸런스 샤프트 모듈의 동특성 시험에 대한 연구 과정 및 결과를 논하고자 한다.
대상 데이터
- 시험에서 사용된 오일펌프 내장형 밸런스 샤프트 모듈 시제품은 현재 동보에서 생산하고 있는 제품의 차량 데이터를 기반으로 하여 동일 사양의 엔진 차량을 목표로 제작되었다. 따라서 시제품의 소음 성능을 비교하기 위해 동보 양산품과 구동소음 비교시험을 진행하였다.
- 오일펌프 내장형 밸런스 샤프트 모듈 시제품은 해외 선진업체의 제품들 중, 동급의 2000CC 엔진에 장착되는 A 사의 제품을 모델로 제품 설계 및 제작을 진행하였다. A사의 제품은 로터반경을 최소화 하면서, 불평형 질량을 집중 질량에 가깝게 설계하여, 모듈 자체의 부피 및 무게를 감소시킨 모델로써, NVH 성능의 향상 외에도, 엔진룸의 레이아웃을 고려, 공간 활용도를 높인 제품이다.
데이터처리
- 데이터 수집을 위한 DAQ 장비는 National Instrument사의 4채널 ICP 타입 DAQ 하드웨어를 이용하였다. 수집된 데이터를 측정 / 분석하기 위하여 m+p International SmartOffice Analyzer를 이용하여 측정 및 분석을 수행하였다.
- 마이크로폰을 이용하여 소음을 측정하였으며, 시험 데이터 수집을 위한 DAQ 장비는 NI사의 4채널 ICP 타입 DAQ 하드웨어를 이용하였다. 수집된 데이터를 측정 / 분석하기 위하여 m+p International 사의 SmartOffice Analyzer를 이용하여 측정 및 분석을 수행하였다. 밸런스 샤프트 모듈의 소음 측정 시험 조건은 Table 3에 나타낸 바와 같이 10초간은 선형 가속구간과 20초간의 등속구간, 10초간의 선형 감속구간으로 설정하여 시험을 수행하였다.
이론/모형
- 또한 응답은 B&K사의 ICP 타입 3축가속도계 (Accelerometer)를 사용하여 가진에 대한 응답을 측정하였다. 데이터 수집을 위한 DAQ 장비는 National Instrument사의 4채널 ICP 타입 DAQ 하드웨어를 이용하였다. 수집된 데이터를 측정 / 분석하기 위하여 m+p International SmartOffice Analyzer를 이용하여 측정 및 분석을 수행하였다.
- 모달해석을 위한 시험데이터는 입력원과 출력원에 대한 전달함수 데이터를 획득하여야 하는데, 본 연구에서는 모달 해석 수행을 위하여 PCB사의 Impact Hammer 가진을 이용하여 전대역가진(White Noise Excitation) 방식을 적용하였다. 또한 응답은 B&K사의 ICP 타입 3축가속도계 (Accelerometer)를 사용하여 가진에 대한 응답을 측정하였다.
성능/효과
- 이러한 정량적 수치를 통해 실제 밸런스 샤프트 모듈 구동 시 회전주파수와 큰 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다. 따라서 차량 주행 중, 엔진의 회전주파수의 가진에 의한 공진현상이 발생하지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
- 6은 모드해석 모델의 각 모드별 모드형상을 나타내는 그림이다. 밸런스 샤프트 모듈 하우징 앗세이의 1차 고유 진동수는 1238.5hz에서 발생하였으며, 이를 통해 실제 밸런스 샤프트 모듈 구동 시(Max. 9000rpm) 회전주파수와 큰 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 모달정보들은 차후 초기 설계단계에서 공진회피 설계를 위한 데이터로 사용되며, 실제 단품들에 대한 동특성이 반영되었으므로 이론적 해석모델의 검증자료로 활동된다.
- 분석 결과 고속 회전 시 개발사양의 소음 레벨이 기존 사양보다 약 2dB 정도 크게 측정되었으며, 이는 기어 및 단품류의 조립공차의 개선에 의해 해결 가능하다 사료된다.
- - 밸런스 샤프트 모듈 전용 시험기를 이용하여 소음 성능 시험을 수행하였다. 시험결과 저속 회전 시 개발사양과 기존사양의 차이가 크게 나지 않았으나, 고속 회전 시 개발사양의 소음 레벨이 기존사양보다 약 2dB 정도 크게 측정되었다. 이는 기어 및 단품류의 가공공차 및 조립공차에 기인하는 것으로 판단되며, 공차 개선에 의해 해결 가능 할것으로 판단된다.
후속연구
- 특히 디젤 엔진 차량의 개발 시 엔진 자체의 성능 및 효율을 향상시킴과 동시에 디젤 엔진의 특성상 발생되는 소음과 진동을 저감시킬 수 있는 방법의 개발이 요구되며, 이와 같은 디젤 엔진의 단점을 향상시키는 핵심 부품에 대한 연구가 필요하다. 또한 디젤 승용 차량이 출시됨에 따라 엔진룸 내 레이아웃의 최적화 및 부품 경량화를 위한 연구가 필요하다.
- 실험적 모달해석을 통해 획득한 정보들은 실제 단품들의 동특성이 반영된 것으로써, 제품 개발 초기 설계 단계에서 유용한 정보로 활용되며, 설계 검토 시 이론적 해석모델의 검증자료로 활용 가능하다. 또한, 실차 구동 조건을 반영한 시험을 통하여 제품의 설계 신뢰성 확보 및 완성제품에 대한 품질과 신뢰성을 한 차원 높일 수 있을 것으로 판단된다.
- 실험적 모달해석을 통해 획득한 정보들은 실제 단품들의 동특성이 반영된 것으로써, 제품 개발 초기 설계 단계에서 유용한 정보로 활용되며, 설계 검토 시 이론적 해석모델의 검증자료로 활용 가능하다. 또한, 실차 구동 조건을 반영한 시험을 통하여 제품의 설계 신뢰성 확보 및 완성제품에 대한 품질과 신뢰성을 한 차원 높일 수 있을 것으로 판단된다.
- 시험결과 저속 회전 시 개발사양과 기존사양의 차이가 크게 나지 않았으나, 고속 회전 시 개발사양의 소음 레벨이 기존사양보다 약 2dB 정도 크게 측정되었다. 이는 기어 및 단품류의 가공공차 및 조립공차에 기인하는 것으로 판단되며, 공차 개선에 의해 해결 가능 할것으로 판단된다.
- 9000rpm) 회전주파수와 큰 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 모달정보들은 차후 초기 설계단계에서 공진회피 설계를 위한 데이터로 사용되며, 실제 단품들에 대한 동특성이 반영되었으므로 이론적 해석모델의 검증자료로 활동된다.
- 이에 따라 기존의 인프라를 활용하면서 주어진 조건을 만족시키기 위한 연구가 이루어져야 한다. 특히 디젤 엔진 차량의 개발 시 엔진 자체의 성능 및 효율을 향상시킴과 동시에 디젤 엔진의 특성상 발생되는 소음과 진동을 저감시킬 수 있는 방법의 개발이 요구되며, 이와 같은 디젤 엔진의 단점을 향상시키는 핵심 부품에 대한 연구가 필요하다. 또한 디젤 승용 차량이 출시됨에 따라 엔진룸 내 레이아웃의 최적화 및 부품 경량화를 위한 연구가 필요하다.
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