[논문]진동/충격 완화를 위한 차량용 거치대의 개발

임형빈; 박기선; 김두환; 정진태

진동/충격 완화를 위한 차량용 거치대의 개발
Development of a Car Holder for Absorbing Vibration and Shock 원문보기

임형빈 (한양대학교 일반대학원 기계공학과) , 박기선 (한양대학교 일반대학원 기계공학과) , 김두환 (한양대학교 일반대학원 기계공학과) , 정진태 (한양대학교 공학대학 기계공학과)

In this paper, vibration sources of a car-holder are identified and the car vibrations are reduced by structural modification. For vibration identification, vibration signals are measured by an accelerometer when the car is moving. From some experiments and finite element analyses, it is also found that resonances occur because the natural frequencies of the car exist in usual driving speed range. To shift the natural frequencies outside the driving speed range, the connection part is modified to increase stiffness. It is verified that considerable amount of vibration are reduced by the structural modification.

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문제 정의

이를 위하여 우선, 차량에서 차량용 거치대에 영향을 줄 수 있는 가진원의 진동량을 채집하여 분석하였다. 그리고 기존의 거치대에 외장형 HDD 를 장착하여 차량에서 가진되는 진동량이 얼마나 영향을 주는지 파악하는 실험을 하였다. 이를 통해 개발하고자 하는 새로운 거치대에 적합한 설계 인자를 바탕으로 기본 구조를 유한요소로 모델링하여 구조적 특성과 동적 특성을 파악하였다.
새로운 거치대의 연구개발을 위해서 기존의 거치대가 실제 차량에 장착되었을 때 어떤 동특성이 나타나는지를 파악하는 것이 필요하다. 따라서 기존에 많이 사용되고 있는 거치대를 선택하여 외장형 HDD 를 장착한 후에 거치대가 외장형 HDD 에 어떠한 영향을 주는지 파악하는 실험을 하였다. 이 실험에서 차량 주행 조건은 2 절의 차량 진동 신호 측정과 같은 조건으로 하였다.
이는 체결부의 접촉불량 혹은 체결부의 구조적 결함 등에 의해서 발생한다. 본 연구는 연결부와 체결부의 구조변경을 통해서 차량 가진에 의한 거치대의 구조적 진동을 얼마나 감쇠시키는지에 초점을 맞추고 있다.
본 연구는 외장형 HDD 의 진동/충격 완화를 위한 차량용 거치대의 개발에 대한 것이다.
본 연구는 차량용 거치대의 동특성을 분석하여 완충/방진을 할 수 있는 구조에 관한 연구이다. 차량용 거치대의 전체적인 구조는 Fig.
본 연구의 목표는 차량의 외부 충격 및 진동량을 기존의 거치대보다 70%이상 완화할 수 있는 차량용 외장형 HDD 의 거치대를 개발하는 것이다. 차량용 거치대가 외부 충격이나 진동에 견딜 수 있는 안정적인 구조를 개발하기 위해서는 외부 가진에 대한 분석이 필요하고, 그 가진에 대해 강인한 구조를 가질 수 있는 거치대의 구조와 체결부의 정적/동적 안정성을 확보하여야 한다.

제안 방법

기존 거치대의 실차 테스트를 수행한 후 모달 테스팅을 통해 시스템을 분석한다. Fig.
기존 거치대의 유한요소해석 모델을 가지고 시뮬레이션을 통해서 완충/방진이 가능한 차량용 거치대의 설계변수를 도출한다. 설계변수를 도출하기 위해서는 기존 거치대의 유한요소해석 모델이 개연성이 있는가를 실험결과와 비교 검토해야 한다.
이를 통해 개발하고자 하는 새로운 거치대에 적합한 설계 인자를 바탕으로 기본 구조를 유한요소로 모델링하여 구조적 특성과 동적 특성을 파악하였다. 또한, 유한요소해석으로 특성이 파악된 기본 구조를 이용하여 시작품을 제작하여 실험적 방법을 통해 기본 구조의 동적 특성을 검증하였다. 마지막으로, 완충/방진에 적합한 차량용 거치대의 구조 설계안을 제시하였다.
또한, 유한요소해석으로 특성이 파악된 기본 구조를 이용하여 시작품을 제작하여 실험적 방법을 통해 기본 구조의 동적 특성을 검증하였다. 마지막으로, 완충/방진에 적합한 차량용 거치대의 구조 설계안을 제시하였다.
자동차용 거치대에 대한 기존 연구는 거의 없다. 본 연구에서는 모달 테스팅 이론을 통하여 모달해석⁽¹⁾을 수행하였고, 진동학에 대한 기초이론을 토대로 고유진동수^(2)~(4)를 추출하였다. 또한, 유한요소해석 툴인 ANSYS⁽⁵⁾를 이용하여 설계변수를 도출하였다.
설계 변경안을 도입하여 1 차 시작품을 알루미늄 재질로, 2 차 시작품을 플라스틱 재질로 제작하였다. 실험적 검증은 앞서 실험한 실차 테스트와 시스템 분석인 모달 테스트를 실시하였다.
설계 변경안을 도입하여 1 차 시작품을 알루미늄 재질로, 2 차 시작품을 플라스틱 재질로 제작하였다. 실험적 검증은 앞서 실험한 실차 테스트와 시스템 분석인 모달 테스트를 실시하였다. 모달 테스트 결과 1 차 시작품은 1 차 고유진동수 95Hz, 2 차 97Hz, 그리고 3 차 165Hz 가 나타났다.
차량용 거치대가 외부 충격이나 진동에 견딜 수 있는 안정적인 구조를 개발하기 위해서는 외부 가진에 대한 분석이 필요하고, 그 가진에 대해 강인한 구조를 가질 수 있는 거치대의 구조와 체결부의 정적/동적 안정성을 확보하여야 한다. 이를 위하여 우선, 차량에서 차량용 거치대에 영향을 줄 수 있는 가진원의 진동량을 채집하여 분석하였다. 그리고 기존의 거치대에 외장형 HDD 를 장착하여 차량에서 가진되는 진동량이 얼마나 영향을 주는지 파악하는 실험을 하였다.
그리고 기존의 거치대에 외장형 HDD 를 장착하여 차량에서 가진되는 진동량이 얼마나 영향을 주는지 파악하는 실험을 하였다. 이를 통해 개발하고자 하는 새로운 거치대에 적합한 설계 인자를 바탕으로 기본 구조를 유한요소로 모델링하여 구조적 특성과 동적 특성을 파악하였다. 또한, 유한요소해석으로 특성이 파악된 기본 구조를 이용하여 시작품을 제작하여 실험적 방법을 통해 기본 구조의 동적 특성을 검증하였다.
12 는 시속 100km 를 기준으로 본 데이터이다. 이유는 시속 60km 보다 공진현상이 조금 더 뚜렷하게 나타나기 때문에 시속 100km 를 기준으로 기존모델과 시작품을 비교하였다. 그래프를 비교하면 13.
차량 진동 신호를 측정하기 위한 조건 중, 차량은 H 사의 준중형 자가용을 모델로 삼았다. 차량 주행 조건은 국도에서 시속 60km, 고속도로에서 시속 100km 로 20 초간 일정하게 주행했을 때의 2가지 경우로 하고, 20 초간 0~200Hz 의 진동 신호를 가속도계와 신호분석기를 통하여 측정하였다. Fig.
두 가지 재질로 한 이유는 거치대가 알루미늄의 금속계도 양산 가능하기 때문에 선택을 하였다. 플라스틱은 일반적으로 많이 사용하는 재질이기 때문에 알루미늄 재질의 양산 비용이 높다면 대체할 방법으로 선택하였다. 두 가지 개선 모델이 모두 차량 진동의 가진에 대해 공진을 회피할 수 있는 모델이라 할 수 있다.

대상 데이터

새로운 개선모델을 2 가지 재질로 하였다. 첫 번째 개선모델은 알루미늄 재질이고 두 번째 개선모델은 플라스틱 재질이다.
차량 진동 신호를 측정하기 위한 조건 중, 차량은 H 사의 준중형 자가용을 모델로 삼았다. 차량 주행 조건은 국도에서 시속 60km, 고속도로에서 시속 100km 로 20 초간 일정하게 주행했을 때의 2가지 경우로 하고, 20 초간 0~200Hz 의 진동 신호를 가속도계와 신호분석기를 통하여 측정하였다.
새로운 개선모델을 2 가지 재질로 하였다. 첫 번째 개선모델은 알루미늄 재질이고 두 번째 개선모델은 플라스틱 재질이다. 두 가지 재질로 한 이유는 거치대가 알루미늄의 금속계도 양산 가능하기 때문에 선택을 하였다.

데이터처리

본 연구에서는 모달 테스팅 이론을 통하여 모달해석⁽¹⁾을 수행하였고, 진동학에 대한 기초이론을 토대로 고유진동수^(2)~(4)를 추출하였다. 또한, 유한요소해석 툴인 ANSYS⁽⁵⁾를 이용하여 설계변수를 도출하였다.

성능/효과

2 차에 걸쳐 설계 변경안을 적용한 시작품을 제작하여 실험 검증한 결과 진동량의 약 70%가량을 줄일 수 있었다. 그리고 시작품은 기존품에 비해서 차량 가진에 공진을 회피할 수 있는 구조이다.
8 과 같다. 그 결과를 확인해 보면 공진 주파수가 13.5Hz (상하 벤딩 모드), 15Hz (좌우 벤딩 모드), 그리고 26Hz (틸팅 모드)가 나타남을 알 수 있다. 이 중에 1 차와 2 차 모드 셰이프는 연결부의 공진이라는 것을 알 수 있다.
실험적 검증은 앞서 실험한 실차 테스트와 시스템 분석인 모달 테스트를 실시하였다. 모달 테스트 결과 1 차 시작품은 1 차 고유진동수 95Hz, 2 차 97Hz, 그리고 3 차 165Hz 가 나타났다. 2 차 시작품은 1 차 고유진동수 33.
기존품과 시작품의 고유진동수 비교를 Table 2 에서 나타냈고, Table 3 에서는 진동량을 비교 정리하였다. 본 연구 결과에서는 알루미늄 재질의 1 차 시작품과 플라스틱 재질의 2 차 시작품의 결과 진동량이 약 70% 감소한 것으로 나타났다. 하지만 알루미늄 재질은 플라스틱 재질보다는 내구성이 좋으나 양산 비용을 고려한다면 2 차 시작품인 플라스틱 재질로 양산을 하여야 할 것이다.
5 에 보이고 있다. 신호 분석 결과 기존의 거치대 역시 y 축 방향의 진동 신호가 상대적으로 크다는 것을 알 수 있었다. 즉, 차량의 진동 가진의 주방향은 y 축 방향(상하 방향)이라는 것을 알 수 있다.
거치대는 AV 시스템(DMB, 네비게이션 등) 등의 차량용 전자기기를 거치하여 오작동 없이 편리하게 사용 가능케 하는 장치이다. 특히, 본 연구에서 개발한 거치대는 AV 시스템의 보조 저장매체인 외장형 HDD 를 다양한 충격이나 진동이 발생하는 차량에 거치하여 오작동 없이 그 기능을 발휘할 수 있게 해 주는 기능을 가지고 있다. 이러한 거치대는 현재 사용이 급증하고 있는 여타의 차량용 또는 휴대용 전자기기에 사용되는 거치대에 널리 응용될 수 있다.

후속연구

5Hz 에서 피크가 나타나고 있다. 따라서 거치대의 공진을 회피하기 위해서는 대략 30Hz 이내에서는 공진주파수가 존재하지 않는 차량용 거치대를 연구개발해야 한다.
두 가지 개선 모델이 모두 차량 진동의 가진에 대해 공진을 회피할 수 있는 모델이라 할 수 있다. 앞으로 본 논문에서는 알루미늄 개선모델을 1 차 시작품이라 하고 플라스틱 개선모델을 2 차 시작품이라 명명할 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

본 연구에서 개발한 거치대의 기능은?

거치대는 AV 시스템(DMB, 네비게이션 등) 등의 차량용 전자기기를 거치하여 오작동 없이 편리하게 사용 가능케 하는 장치이다. 특히, 본 연구에서 개발한 거치대는 AV 시스템의 보조 저장매체인 외장형 HDD 를 다양한 충격이나 진동이 발생하는 차량에 거치하여 오작동 없이 그 기능을 발휘할 수 있게 해 주는 기능을 가지고 있다. 이러한 거치대는 현재 사용이 급증하고 있는 여타의 차량용 또는 휴대용 전자기기에 사용되는 거치대에 널리 응용될 수 있다.

거치대란?

앞서 설명하였듯이, 본 연구에서의 차량용 거치대는 차량의 주행 시 외장형 HDD 가 외부로부터의 진동이나 충격을 효과적으로 막을 수 있게 하는 차량용 거치대이다. 거치대는 AV 시스템(DMB, 네비게이션 등) 등의 차량용 전자기기를 거치하여 오작동 없이 편리하게 사용 가능케 하는 장치이다. 특히, 본 연구에서 개발한 거치대는 AV 시스템의 보조 저장매체인 외장형 HDD 를 다양한 충격이나 진동이 발생하는 차량에 거치하여 오작동 없이 그 기능을 발휘할 수 있게 해 주는 기능을 가지고 있다.

차량용 거치대를 구성하는 거치부, 연결부, 차량 접합부의 기능은?

그림에 나타나 있듯이 거치대는 거치부, 연결부, 그리고 차량 접합부로 구성되어 있다. 거치 부는 외장형 HDD, Navigation 등의 전자기기를 거치할 수 있는 부분이고, 차량 접합부는 차창 등에 거치대를 부착하는 기능을 한다. 그리고, 연결부는 거치부와 차량 접합부를 연결하여 거치부의 위치를 조절하는 기능을 가지고 있다. 차량용 거치대의 진동은 대부분 연결부와 거치부, 연결부와 차량 접합부의 체결부에서 많이 발생한다.

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