KR100456876B1 - 부시의 복소강성계수 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부시의 복소강성계수 측정장치에 관한 것으로, 점탄성재료로 제작된 부품에 모멘트 가진력을 가해 이에 따른 회전 변위를 측정하여 이로부터 회전 방향의 복소강성계수를 얻을 수 있도록 함으로써, 점탄성재료로 제작된 부품에 대한 회전 방향의 복소강성계수를 용이하게 산출함과 더불어 이를 근거로 한 장치에 있어 성능 해석에 도움을 줄 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 부시(10)의 내측 파이프(12)를 고정시키기 위한 지지부(22)와, 이 지지부(22)의 상측에 가진되는 힘(F)을 작용받는 가압부(24)를 갖춘 지그(20)에 있어서, 상기 지그(20)에 작용하는 힘(F)의 가진점(B)이 순수한 모멘트 관계의 1-자유도계의 거동이 발생하는 위치에 선정되도록 상기 지그(20)의 회전 중심점인 축 중심(O)으로부터 충격 중심(A) 사이의 이격 거리(P)를 설정하고, 상기 가압부(24)에 장착되는 가속도계(X)를 매개로 상기 지그(20)의 가압부(24)에 작용하는 힘(F)으로부터 발생하는 순수 회전 성분을 측정하며, 이로부터 측정되는 모멘트 가진력과 회전 변위를 매개로 회전 방향 복소강성계수를 주파수의 함수로 산출하도록 된 것을 특징으로 한다.

Description

부시의 복소강성계수 측정장치{system for measuring complex stiffness coefficient of bush}

본 발명은 부시의 복소강성계수 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부시와 같은 점탄성재료에 대한 회전 방향의 복소강성계수를 현장에서 용이하면서도 정밀하게 측정할 수 있도록 하는 부시의 복소강성계수 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 현가계통에서 많이 사용되고 있는 부시는 고무와 같은 점탄성재료를 이용하여 제작되고 있는 바, 이 같은 점탄성재료에 있어 회전 방향의 복소강성계수는 차량의 운동 특성에 큰 영향을 미치기 때문에 정확한 값을 알고 있어야만 한다.

그런데, 부시와 같은 점탄성재료에 대한 복소강성계수는 거의 대부분 전용 재료 시험기를 이용하여 측정되고 있는 데, 이들 시험기들은 거의 대부분이 병진 방향의 복소강성계수만을 측정할 수 있기 때문에 회전 방향의 복소강성계수의 측정에는 어려움이 수반되고 있는 실정이다.

따라서, 부시와 같은 점탄성재료에 대한 복소강성계수에 있어서, 회전 방향의 복소강성계수는 보통 부시의 설계치를 이용한 추정치를 이용할 수 밖에 없었으나, 이는 점탄성재료의 실제 회전 방향 복소강성계수와 차이가 있으므로, 점탄성재료를 사용하고 있는 현가계통에서 성능 향상을 위해서는 보다 더 정밀한 실제의 회전 방향 복소강성계수를 측정할 필요성이 대두되고 있다.

이에 부응하여 종래에는 점탄성재료에 대한 회전 방향의 복소강성계수를 측정하기 위해 유한요소법 등을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하였지만, 이는 점탄성재료로 제작된 부품에 대한 모델링 및 계산 시간이 오래 소요된다는 단점이 있고, 또한 현장에서 용이하게 사용할 수 없다는 단점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 점탄성재료로 제작된 부품에 모멘트 가진력을 가해 이에 따른 회전 변위를 측정하여 이로부터 회전 방향의 복소강성계수를 얻을 수 있도록 함으로써, 점탄성재료로 제작된 부품에 대한 회전 방향의 복소강성계수를 용이하게 산출함과 더불어 이를 근거로 한 장치에 있어 성능 해석에 도움을 줄 수 있도록 하는 부시의 복소강성계수 측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 부시의 내측 파이프를 고정시키기 위한 지지부와, 이 지지부의 상측에 가진되는 힘을 작용받는 가압부를 갖춘 지그에 있어서, 상기 지그에 작용하는 힘의 가진점이 순수한 모멘트 관계의 1-자유도계의 거동이 발생하는 위치에 선정되도록 상기 지그의 회전 중심점인 축 중심으로부터 충격 중심 사이의 이격 거리를 설정하고, 상기 가압부에 장착되는 가속도계를 매개로 상기 지그의 가압부에 작용하는 힘으로부터 발생하는 순수 회전 성분을 측정하며, 이로부터 측정되는 모멘트 가진력과 회전 변위를 매개로 회전 방향 복소강성계수를 주파수의 함수로 산출하도록 된 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 부시의 복소강성계수의 측정을 위한 지그를 도시한 상태도.

도 2는 도 1에 도시된 지그의 자유 물체도.

도 3은 본 발명에 따른 부시의 복소강성계수의 측정시 1-자유도계의 순수한 회전 운동만을 발생시키기 위한 충격 중심(A)을 가지는 지그를 도시한 사시도.

도 4는 도 3에 도시된 지그에 부시가 고정물을 매개로 설치되는 상태를 도시한 분해 사시도.

도 5는 도 3 내지 도 4에 도시된 지그에 가속도계의 설치상태를 도시한 측면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10-부시 12-내측 파이프

20-지그 22-지지부

22a-관통구멍 24-가압부

24a-탭구멍 X-가속도계

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

본 발명은 부시와 같은 점탄성재료에 소정의 힘을 가하고서 이에 따른 변위를 측정하게 되면, 점탄성재료인 부시의 병진 방향 복소강성계수를 알 수 있고, 또한 모멘트 가진력을 가하고서 이에 따른 회전 변위를 측정하면, 점탄성재료인 부시의 회전 방향 복소강성계수를 추출할 수 있다.

여기서, 상기 부시의 복소강성계수는 통상 k(1+jη)로 표현되는 바, 이 경우 상기 k는 점탄성재료의 강성계수이고, η는 손실률이다.

한편, 점탄성재료에 대해 모멘트를 직접 가진하는 것은 매우 어렵기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 부시(10)의 내측 파이프(12)에 연결된 지그(20)의 상측 선단에 힘을 가진하여 간접적으로 부시(10)에 모멘트를 가할 수 있으며, 이때 모멘트는 가진력과 부시(10)의 축 중심(O)에서 가진점(B)까지의 길이(r)를 곱하면 얻을 수 있다.

그런데, 상기와 같은 방법으로 점탄성재료에 모멘트를 가하게 되면, 다음의 두 가지 문제점이 있다.

먼저, 상기 지그(20)에 있어 부시(10)의 축 중심(O)과 가진점(B) 사이의 길이(r)가 클수록 모멘트 가진이 원활하게 이루어질 수 있지만, 어느 정도까지의 길이가 적당한 지 판단하기 어렵고, 또한 모멘트 가진을 하기 위해 상기 지그(20)에 힘(F)을 가하면, 상기 부시(10)에서의 반력은 도 2의 지그의 자유 물체도에 도시된 바와 같이, 모멘트 성분만 있는 것이 아니라, 병진 방향의 반력(Rx,Ry)도 함께 발생한다는 것이다.

그리고, 점탄성재료에 대한 복소강성계수는 1-자유도계의 힘(혹은 모멘트)과 변위(혹은 회전변위)의 관계로부터 추출되어야 하지만, 도 2에 도시된 바와 같이 3-자유도계의 거동이 발생하면 1-자유도계로 가정하기에 무리가 따르기 때문에 그 측정값에 대한 신뢰성이 매우 저하된다.

따라서, 본 발명에서는 병진 방향의 반력(Rx,Ry)을 제거하여 상기 부시(10)의 순수한 모멘트를 가진하기 위해 가진 포인트를 충격 중심(A;center of percussion)에 두어야 한다.

즉, 상기 지그(20)에 작용하는 힘(F)의 가진점(B)이 충격 중심(A)과 일치하도록 하향 설정하게 되면, 상기 축 중심(O)에서 발생하는 병진 방향의 반력(Rx,Ry)이 각각 제거되어, 상기 축 중심(O)에는 순수한 모멘트 관계의 1-자유도계의 거동이 발생하게 되는 것이다.

이때, 상기 지그(20)의 회전 중심점인 축 중심(O)으로부터 충격 중심(A) 사이의 이격 거리(P)는 하기의 관계식으로부터 구할 수 있다.

P=ko²/ d = (k_G ²/ d)+ d -----------------------식(1)

여기서, 상기 ko는 회전 중심인 축 중심(O)에 대한 회전 반경(radius of gyration)이고, 상기 k_G는 무게 중심(G)에 대한 회전 반경이며, 상기 d는 회전 중심인 축 중심(O)으로부터 무게 중심(G)까지의 거리이다.

그리고, 상기 회전 반경(ko 또는 k_G)은 다음의 관계식을 통해 구할 수 있다.

ko²=Io / m (또는 k_G ²=I_G/ m)--------------------식(2)

여기서, 상기 Io(또는 I_G)는 회전 중심인 축 중심(O)(혹은 무게 중심(G))에 대한 지그(20)의 관성 모멘트(moment of inertia)이고, 상기 m은 지그(20)의 질량이다.

즉, 상기 식(1)과 식(2)으로부터 구한 충격 중심(A)에 힘(F)을 가진하게 되면, 상기 축 중심(O)에서는 순수한 회전 운동만 발생하는 1-자유도계가 되므로, 상기 부시(10)에 대한 회전 방향 복소강성계수를 정확히 측정할 수 있게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 부시(10)의 복소강성계수를 측정하기 위한 지그(20)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 부시(10)의 내측 파이프(12)의 양측부를 체결시켜 지지하는 지지부(22)와, 이 지지부(22)의 상측 중앙에 일체로 형성되어 가진되는 힘(F)을 작용받는 가압부(24)를 갖춘 구조로 이루어진다.

여기서, 상기 지그(20)의 지지부(22)에는 상기 부시(10)의 내측 파이프(12)의 양측부를 고정시키기 위한 고정물(26)의 삽입을 위한 관통구멍(22a)이 형성되고, 상기 지그(20)의 가압부(24)에는 가속도센서(X)의 장착을 위한 탭구멍(24a)이 형성되어 있는 바, 상기 가속도센서(X)는 지그(20)에 힘(F)을 가할 경우 발생되는 가진력의 측정을 위한 것이다.

그리고, 상기 지그(20)의 각 파트의 길이를 도 3에 도시된 바와 같이 설정해 주면, 상기 지그(20)의 회전 중심인 축 중심(O)으로부터 충격 중심(A) 사이의 이격 거리(P)는 상기 식(1)과 식(2)으로부터 유도되는 하기와 같은 관계식으로부터 구할 수 있게 된다.

P=[a²(a²+13L²)] / {6L[(L-t)t+2a²]} ------------식(3)

여기서, 상기 L은 부시(10)의 내측 파이프(12)의 길이임과 동시에 상기 지그(20)의 지지부(22)의 너비와 높이이면서 상기 지그(20)의 가압부(24)의 높이이고, 상기 t는 지그(20)의 지지부(22)의 두께이며, 상기 a는 지그(20)의 가압부(24)의 폭과 너비이다.

한편, 상기와 같이 구성된 지그(20)에 부시(10)를 도 4에 도시된 바와 같이 고정물(26)을 매개로 하여 고정한 다음, 상기 지그(20)의 가압부(24)에 도 5에 도시된 바와 같이 가속도계(X)를 장착하고서, 상기 가압부(24)의 충격 중심(A)에 힘(F)을 가하여 순수 모멘트 가진을 할 수 있고, 상기 지그(20)의 가압부(24)에 장착되는 가속도계(X)를 이용하여 순수 회전 성분을 측정할 수 있는 바, 상기 가속도계(X)는 이로부터 검출되는 가속도 신호의 질을 고려하여 지그(20)의 회전 중심인 축 중심(O)으로 멀어질수록 측정에 유리하다.

이때, 모멘트 가진력과 회전 변위를 이용하여 다음과 같은 하기의 관계식으로부터 주파수(f)의 함수로 회전 방향 복소강성계수를 추출할 수 있다.

회전 강성계수; k=(cosφ/ │θ/M│)+Io(2πf)²----식(4)

회전 손실률;η=sinφ[cosφ+Io(2πf)²│θ/M│] ---식(5)

여기서, 상기 Io와, M, θ 및, φ는 각각 회전 중심인 축 중심(O)에 대한 지그(20)의 관성 모멘트와, 모멘트 가진력, 회전각 및, 모멘트 가진과 회전 응답 사이의 위상차를 의미한다.

그리고, 상기 회전각과 모멘트 가진과 회전 응답 사이의 위상차에 대한 비의절대값(│θ/M│)은 위 시스템의 컴플라이언스이다.

따라서, 상기와 같이 부시(10)와 같은 점탄성재료에 대한 회전 방향의 복소강성계수를 측정함에 있어 회전 방향의 축 중심(O)으로부터 충격 중심(A) 사이의 이격 거리(P)를 산출하게 되면, 병진 방향의 반력(Rx,Ry)의 발생없이 순수한 회전 방향의 변위만 발생하게 되는, 즉 점탄성재료에 대한 복소강성계수가 1-자유도계의 힘(혹은 모멘트)과 변위(혹은 회전변위)의 관계로부터 얻을 수 있으므로, 측정값에 대한 높은 신뢰성을 기대할 수 있게 된다.

또한, 상기 부시(10)와 같은 점탄성재료에 대한 복소강성계수를 정확하게 추정할 수 있음에 따라, 상기 부시(10)등이 실제로 사용되고 있는 현가계통의 설계에 있어 성능 향상을 위한 자료로 사용할 수 있으며, 종래와 같이 점탄성재료에 대한 회전 방향의 복소강성계수의 측정을 위해 별도로 유한요소법 등을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 실시하거나, 점탄성재료로 제작된 부품에 대한 모델링 및 계산을 하지 않고도 현장에서 용이하게 사용할 수 있다는 장점이 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 부시의 복소강성계수 측정장치에 의하면, 점탄성재료로 제작된 부시(10)의 회전 방향의 복소강성계수를 측정함에 있어 순수한 회전 방향의 변위만을 발생하게 하도록 지그(20)의 회전 방향의 축 중심(O)으로부터 충격 중심(A) 사이의 이격 거리(P)를 산출하고서 이에 힘(F)을 가한 다음 이에 측정되는 모멘트 가진력과 회전 변위를 이용하여 주파수의 함수로부터 회전방향의 복소강성계수를 연산함으로써, 점탄성재료에 대한 복소강성계수를 측정함에 있어 1-자유도계의 힘과 변위 사이의 관계를 얻을 수 있으므로, 측정의 용이함과 더불어 신뢰성을 기대할 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims (4)

1. 부시(10)의 내측 파이프(12)의 양측부를 고정시키기 위한 관통구멍(22a)이 형성된 지지부(22)와, 상기 지지부(22)의 상부에서 외부로부터 가진되는 힘(F)을 작용받는 충격 중심(A)이 설정된 가압부(24)를 일체로 갖춘 지그(20)와;

   상기 충격 중심(A)에 힘(F)이 가진될 경우에 상기 부시(10)에서 발생되는 순수 회전 성분을 측정하고, 이로부터 측정되는 모멘트 가진력과 회전 변위를 매개로 회전 방향 복소강성계수를 주파수의 함수로 산출하기 위해 상기 가압부(24)에 설치된 가속도계(X)를 포함하고;

   상기 부시(10)의 축 중심(O)과 상기 충격 중심(A) 사이의 이격 거리(P)는 상기 지그(20)에 작용하는 힘(F)의 가진점(B)이 상기 축 중심(O)에서 순수한 모멘트 관계의 1-자유도계의 거동이 발생될 수 있도록 하는 위치에 선정되도록 상기 축 중심(O)에 대한 회전 반경(ko) 내지 상기 지그(20)의 무게 중심(G)에 대한 회전 반경(k_G)과, 상기 축 중심(O)과 상기 무게 중심(G) 사이의 거리(d)를 각각 변수로 하는 하기의 관계식으로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 부시의 복소강성계수 측정장치.

   (관계식)

   P=ko²/ d = (k_G ²/ d)+ d
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