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문제 정의
- 또한 개발 부품에 대하여 조화가진 시험과 랜덤 가진 시험을 모두 수행할 경우 실제 차량에서 발생하는 피로손상도를 정확히 설계에 적용하기 힘들며 추가로 진동 시험시간이 대폭 증가하는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 엔진 상부에 선형시스템을 장착하고 주행시 노면 가혹도 조건에 따른 피로손상도를 도출하여 노면 조건에 따라 엔진 주변 부품의 피로손상도에 영향을 미치는 진동 성분에 대한 분석을 수행하였다. 분석을 통하여 Sine On Random(SOR) 진동 시험의 필요성을 언급하였으며 차량 엔진 주변 부품에 대한 간단한 SOR 진동 시험을 제안하였다.
가설 설정
- 55%의 동적 특성을 나타내며 상이한 노면 조건에서 동일한 주파수의 공진에 영향을 받도록 설계되었다. 또한 선형 시스템은 노치에서 명확한 취약부위를 가지고 있으며 취약부위에서 외부 진동에 의한 피로손상도가 선형적인 것으로 가정하였다.
제안 방법
- 엔진 주변 부품의 경우 주된 진동원이 엔진이기 때문에 피로손상도가 엔진의 분당회전속도인 RPM(Revolution Per Minute)에 지대한 영향을 받게 된다. 따라서 엔진 분당 회전 속도에 영향을 미치는 주행 속도에 따라 주행 모드를 선정하였으며 벨지안로와 자갈로의 경우 20,40,60km/h의 주행 속도를 선정하였고, 일반 도로의 경우 가혹한 도로의 중간 속도인 40km/h와 고RPM 영역의 피로손상도를 추가로 분석하기 위해 100km/h의 시험 속도를 선정하였다.
- 하지만 실제 물리량은 아니며 단순히 비교를 위한 피로손상도로 활용해야 한다. 본 연구에서는 가속도 피로손상도 분석에도 변형률 피로손상도의 S-N선도 기울기 정보를 활용하여 분석을 수행하여 비교 분석에 활용하였다.
- 본 연구에서는 노면의 가혹도가 낮은 노면인 일반 도로에서 높은 주행 속도인 100km/h에서 측정을 통해 상대적으로 고 RPM 영역에서의 피로손상도를 비교 분석하였으며 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 상대적으로 차량속도가 높고 고RPM 영역에서는 노면 가혹도가 매우 높은 시험모드에 비해서도 월등히 피로손상도가 높게 도출되었음을 알 수 있다.
- 따라서 본 연구에서는 엔진 상부에 선형시스템을 장착하고 주행시 노면 가혹도 조건에 따른 피로손상도를 도출하여 노면 조건에 따라 엔진 주변 부품의 피로손상도에 영향을 미치는 진동 성분에 대한 분석을 수행하였다. 분석을 통하여 Sine On Random(SOR) 진동 시험의 필요성을 언급하였으며 차량 엔진 주변 부품에 대한 간단한 SOR 진동 시험을 제안하였다.
- 1과 같은 선형 시스템을 제작하였다. 선형 시스템은 일반적으로 차량 부품에 많이 활용하는 S45C 재질을 활용하였으며 노면에 의해 차량에 전달되는 주파수 범위(10Hz~2,000Hz)안에 공진이 존재하도록 설계하였다. 시험에 활용된 선형시스템은 1차 공진점인 1162.
- 또한 노면에서 전달되는 랜덤진동의 경우 주파수 범위는 약 2000Hz까지 분포되어 있다. 선형시스템을 고정하는 지그는 엔진 브라켓 상부의 볼트에 고정하여 직접적으로 차체에서 전달되는 진동에는 영향이 없도록 제작하였다.
- 노면의 가혹도에 따른 차량 엔진에 장착된 선형 시스템의 피로손상도를 분석하기 위하여 3가지 가혹도를 가지는 노면을 선정하였다. 선형시스템의 노치부에 스트레인게이지를 장착하고 지그 부분에 가속도 센서를 장착하여 시험모드에 따라 데이터를 계측하였으며 신호처리를 통하여 비교 가능한 데이터를 추출하였다. 이론적인 방법에 따라 스트레인, 가속도 피로손상도를 도출하였으며 노면 가혹도에 따른 피로손상도를 분석하였다.
- 3에 선형시스템에 부착한 가속도 센서와 스트레인게이지를 나타내었다. 선형시스템의 피로손상도를 분석하기 위하여 취약부위인 노치부위에 스트레인게이지를 장착하였고 가속도에 의한 피로손상도 분석을 위하여 선형시스템 고정 지그에 가속도 센서를 부착하여 가속도를 측정하였다.
- 실차 주행 시험에서 측정된 가속도와 스트레인 값을 활용하여 피로손상도를 도출하였다. 피로손상도 도출의 신뢰성을 높이기 위하여 실차 주행 시험 중 측정된 스트레인과 가속도 값을 신호처리하여 저주파 변동을 제거하였다.
- 신호처리를 거친 데이터를 활용하여 피로손상도 분석을 수행하였으며 모든 시험모드에서 3번의 중복 시험을 통해 데이터의 신뢰성을 확보하였다. 엔진 상부에 장착된 선형시스템은 엔진 주변 부품의 특성에 따라 엔진 RPM에 큰 영향을 받기 때문에 엔진 RPM 분석을 위하여 CAN신호를 분석하여 RPM데이터를 획득하였다. 3가지 노면 조건에 대해 동일한 주행 속도에서 유사한 엔진 RPM을 가지는 시험 구간을 분석하여 신뢰성을 향상시켰으며 시험모드 별 RPM을 Table 3에 나타내었다.
- 선형시스템의 노치부에 스트레인게이지를 장착하고 지그 부분에 가속도 센서를 장착하여 시험모드에 따라 데이터를 계측하였으며 신호처리를 통하여 비교 가능한 데이터를 추출하였다. 이론적인 방법에 따라 스트레인, 가속도 피로손상도를 도출하였으며 노면 가혹도에 따른 피로손상도를 분석하였다. 분석 결과 엔진 상부에 장착된 부품이라 할지라도 엔진에서 발생하는 진동에만 영향을 받는 것이 아니며 노면 가혹도에도 큰 영향을 받는 것으로 분석되었다.
- 3가지 노면 조건에 대해 동일한 주행 속도에서 유사한 엔진 RPM을 가지는 시험 구간을 분석하여 신뢰성을 향상시켰으며 시험모드 별 RPM을 Table 3에 나타내었다. 일반도로 주행 시험모드인 g40,100은 약간 상이한 RPM 프로파일을 가지는 두 번의 시험을 수행하였다.
- 또한 국제규격인 ISO 16750-3(3)에서는 차량의 엔진 주변 부품과 기타 부품에 대해 상세한 진동 가진 프로파일을 제안하고 있다. 차량 엔진 주변 부품의 경우 엔진에서 발생하는 일정한 패턴을 가지는 진동에 영향을 받기 때문에 FFT(Fast Fourier Transform)형태의 조화가진 시험을 제안하고 있으며 기타 부품들은 노면에서 전달되는 랜덤 주파수를 가지는 진동에 영향을 받기 때문에 PSD(Power Spectral Density)형태의 랜덤가진 시험을 제안하고 있다. 하지만 최근 국내외 선진 차량 부품 제조사들을 중심으로 엔진 주변 부품들에 대해서도 노면에서 전달되는 랜덤 진동에 대해서도 추가로 시험하고 있는 실정으로 부품 개발 비용이 증가하고 있는 추세이다.
- 엔진은 Z축의 진동이 타축의 진동에 비하여 월등히 크기 때문에 Z축 방향으로 가속도 센서를 부착하였다. 차량에서 스트레인 측정 시에는 측정장비의 전압을 맞추기 위해 인버터를 활용하면 전원노이즈에 매우 취약해지므로 차량 전원의 전압을 그대로 활용할 수 있도록 차량 시험용 전원 변환장치를 지원하는 측정장비(dewetron)를 활용하여 전원노이즈 발생을 원천적으로 차단하였다.
- 실차 주행 시험에서 측정된 가속도와 스트레인 값을 활용하여 피로손상도를 도출하였다. 피로손상도 도출의 신뢰성을 높이기 위하여 실차 주행 시험 중 측정된 스트레인과 가속도 값을 신호처리하여 저주파 변동을 제거하였다. 특히 실차 주행 중 측정되는 스트레인 값은 저주파 변동이 매우 심한 특성을 나타내기 때문에 분석 전 신호처리는 필수적이다.
대상 데이터
- 노면 조건에 따른 엔진 주변 부품의 피로손상도 분석을 위해 다양한 노면 조건을 가지는 주행 시험 모드를 Table 1과 같이 선정 하였다. 노면 조건에 따라 선정한 도로는 3가지이며 자동차부품연구원에 구축되어 있는 PG(Proving Ground)의 벨지안로(Belgian Road)와 벨지안로 보다 더욱 가혹한 노면 조건을 가지는 자갈로(Cobblestone Road)를 선정하였다. 가혹한 노면 조건을 가지는 도로에서의 피로 손상도와 비교하기 위한 일반도로 주행 시험 모드를 선정하였으며 상세한 노면의 조건을 Fig.
- 노면의 가혹도에 따른 차량 엔진에 장착된 선형 시스템의 피로손상도를 분석하기 위하여 3가지 가혹도를 가지는 노면을 선정하였다. 선형시스템의 노치부에 스트레인게이지를 장착하고 지그 부분에 가속도 센서를 장착하여 시험모드에 따라 데이터를 계측하였으며 신호처리를 통하여 비교 가능한 데이터를 추출하였다.
- 시험 대상 차량은 국내에서 대중적으로 많이 활용되고 있는 차량을 선정하였다. 시험 대상 차량은 I4 직분사 디젤엔진을 장착하고 있는 차량으로서 엔진에서 발생하는 조화진동의 주요 주파수는 4차 오더 까지 고려했을 때 약 600Hz까지 이다. 또한 노면에서 전달되는 랜덤진동의 경우 주파수 범위는 약 2000Hz까지 분포되어 있다.
- 2와 같이 시험 대상 차량을 선정하고 엔진 브라켓 상부에 지그를 활용하여 선형시스템을 장착하였다. 시험 대상 차량은 국내에서 대중적으로 많이 활용되고 있는 차량을 선정하였다. 시험 대상 차량은 I4 직분사 디젤엔진을 장착하고 있는 차량으로서 엔진에서 발생하는 조화진동의 주요 주파수는 4차 오더 까지 고려했을 때 약 600Hz까지 이다.
- 선형 시스템은 일반적으로 차량 부품에 많이 활용하는 S45C 재질을 활용하였으며 노면에 의해 차량에 전달되는 주파수 범위(10Hz~2,000Hz)안에 공진이 존재하도록 설계하였다. 시험에 활용된 선형시스템은 1차 공진점인 1162.7Hz에서 감쇠 값이 0.55%의 동적 특성을 나타내며 상이한 노면 조건에서 동일한 주파수의 공진에 영향을 받도록 설계되었다. 또한 선형 시스템은 노치에서 명확한 취약부위를 가지고 있으며 취약부위에서 외부 진동에 의한 피로손상도가 선형적인 것으로 가정하였다.
- 엔진 주변에 장착된 선형시스템의 피로손상도 측정을 위하여 Fig. 2와 같이 시험 대상 차량을 선정하고 엔진 브라켓 상부에 지그를 활용하여 선형시스템을 장착하였다. 시험 대상 차량은 국내에서 대중적으로 많이 활용되고 있는 차량을 선정하였다.
데이터처리
- 또한 피로손상도는 데이터의 첨두치에 매우 큰 영향을 받기 때문에 신호처리를 통한 스파이크 제거도 필수적이다. 신호처리를 거친 데이터를 활용하여 피로손상도 분석을 수행하였으며 모든 시험모드에서 3번의 중복 시험을 통해 데이터의 신뢰성을 확보하였다. 엔진 상부에 장착된 선형시스템은 엔진 주변 부품의 특성에 따라 엔진 RPM에 큰 영향을 받기 때문에 엔진 RPM 분석을 위하여 CAN신호를 분석하여 RPM데이터를 획득하였다.
이론/모형
- 실차 주행 시험의 선형시스템 취약부위에서 측정된 변형률을 기반으로 피로손상도를 도출하기 위해 Minor 법을 적용하여 분석을 수행하였다. Minor법을 적용하기 위해서는 선형시스템의 구성 재질인 S45C의 대표 S-N선도 정보가 필요하며 본 연구에서 적용한 S-N선도의 기울기와 절편을 Table 2에 나타내었다.
- 해당 이론의 적용을 위해서는 측정된 변형률을 사이클 정보로 변환하는 과정이 필요하며 본 연구에서는 Rainflow Counting 기법을 적용하여 분석하였다.(4) 변형률의 피로손상도 도출 이론과 유사하게 엔진 진동에 의해 측정된 가속도 정보를 활용하여 상대적인 피로손상도를 도출할 수 있다.
성능/효과
- (4) 변형률의 피로손상도 도출 이론과 유사하게 엔진 진동에 의해 측정된 가속도 정보를 활용하여 상대적인 피로손상도를 도출할 수 있다. 물리적인 피로손상도 도출을 위해서는 Minor법을 적용하여 피로손상도를 도출해야 하지만 실질적으로 가속도센서의 활용도가 스트레인게이지보다 높아 산업 현장에서는 비교적인 작대로 활용할 수 있는 가속도를 이용한 피로손상도 분석법을 많이 활용하고 있다.
- 차량의 주요 주파수라고 할 수 있는 10~2000Hz의 주파수 중에 엔진에서 발생하는 진동의 주파수는 4기통 엔진이라고 가정하였을 경우 4차 오더 까지 고려하였을 때 약 10~600Hz의 범위를 가지게 된다. 따라서 실제 SOR 진동 가진 프로파일을 생성할 때는 엔진만을 가동하는 시험을 통해 엔진에서 발생하는 주요 주파수 대역을 분석하여 엔진에서 발생하는 조화가진의 주파수를 특정하고 전체 주파수 구간에 대핸 랜덤 가진 주파수를 선정하여 복합적인 SOR 진동 가진 프로파일을 생성하는 것이 바람직하다.
- 이론적인 방법에 따라 스트레인, 가속도 피로손상도를 도출하였으며 노면 가혹도에 따른 피로손상도를 분석하였다. 분석 결과 엔진 상부에 장착된 부품이라 할지라도 엔진에서 발생하는 진동에만 영향을 받는 것이 아니며 노면 가혹도에도 큰 영향을 받는 것으로 분석되었다. 또한 주행 속도에 따라 노면 가혹도를 무시할 만한 엔진 진동에 영향을 받는 피로손상도가 도출되기도 하였다.
- 7에 나타내었다. 상대적으로 차량속도가 높고 고RPM 영역에서는 노면 가혹도가 매우 높은 시험모드에 비해서도 월등히 피로손상도가 높게 도출되었음을 알 수 있다. 이는 엔진 주변의 부품의 경우 차량의 주행 조건에 따라서 노면 가혹도를 무시할 만한 수준의 피로손상도를 엔진 진동에 의해 받을 수도 있음을 나타낸다.
- 스트레인과 가속도 피로손상도가 유사한 경향을 나타내는 것을 알 수 있으며 이는 물성치가 필요하지 않은 가속도를 활용한 상대 피로손상도의 경향이 실제 물리량을 반영한 스트레인 피로손상도와 유사하여 유용하게 활용될 수 있음을 알 수 있다. 스트레인, 가속도 피로손상도 모두에서 일반도로 주행 시험 중 도출된 피로손상도보다 가혹한 노면 조건을 가지는 시험모드의 피로손상도가 높게 도출되었음을 알 수 있다. 이런 분석 결과는 엔진 상부 브라켓에 장착된 부품이라도 동일한 운행 조건에서는 노면의 가혹도가 부품의 피로손상도에 영향을 미침을 나타낸다.
- 6에 나타내었다. 스트레인과 가속도 피로손상도가 유사한 경향을 나타내는 것을 알 수 있으며 이는 물성치가 필요하지 않은 가속도를 활용한 상대 피로손상도의 경향이 실제 물리량을 반영한 스트레인 피로손상도와 유사하여 유용하게 활용될 수 있음을 알 수 있다. 스트레인, 가속도 피로손상도 모두에서 일반도로 주행 시험 중 도출된 피로손상도보다 가혹한 노면 조건을 가지는 시험모드의 피로손상도가 높게 도출되었음을 알 수 있다.
- 이런 분석 결과는 엔진 상부 브라켓에 장착된 부품이라도 동일한 운행 조건에서는 노면의 가혹도가 부품의 피로손상도에 영향을 미침을 나타낸다. 추가로 벨지안로 보다 더욱 가혹한 노면인 자갈로의 시험모드의 피로손상도는 벨지안로의 피로손상도 보다 높게 도출되어 노면의 가혹도가 높을수록 피로손상도가 높아지는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 따라서 엔진 주변의 부품의 경우 조화가진 진동시험만을 수행하기 보다는 조화가진과 랜덤가진의 복합적으로 적용할 수 있는 SOR 진동 시험을 수행하는 것이 바람직하다. 다만 SOR 진동 시험 프로파일의 생성에 있어 조화가진과 랜덤가진의 조합에 따라 피로손상도의 경향성을 분석해야 실제 차량에서 발생하는 피로 손상도와 유사한 진동 시험을 수행할 수 있으며 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
- 본 연구 결과에 따라 엔진 주변 부품의 경우 운전자의 습성에 따라 저 RPM영역 대에서 주로 가혹한 노면을 주행하는 차량과 고 RPM영역 대에서 주로 일반 도로를 주행하는 차량의 피로손상도가 상이한 경향을 가지고 있음을 알 수 있으며 이를 통해 ISO16750-3에서 엔진 주변 부품에 대해서는 조화 가진 진동 시험만을 제안하고 있는 것에 대해 재고해볼 필요성이 있음을 알 수 있다.
- 국제 차량 부품 진동 시험 규격인 ISO16750-3에서는 엔진 주변 부품에 대하여 FFT형태의 조화 가진 진동 시험을 제안하고 있고 기타 부품에 PSD형태의 랜덤 가진 진동 시험을 제안하고 있다. 하지만 실제 차량 엔진 주변 부품은 본 연구에서 도출된 결과에서와 같이 다양한 주행조건에서 조화가진 진동과 랜덤가진 진동에 복합적으로 영향을 받음을 알 수 있으며 실제에 가까운 진동 시험을 수행하기 위해서는 복합시험을 고려해야 한다. 이에 대한 해결책으로 Heo등이 제안한 SOR 진동 시험을 차량 부품 개발에 적용하는 방법이 있다.
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