비틀림 진동
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1. 개요
비틀림 진동은 동력 전달 시스템에서 발생하는 진동의 한 종류로, 부품의 비틀림 변형으로 인해 발생한다. 내연 기관, 전동기 구동 시스템, 철도 차량 구동계 등 다양한 시스템에서 발생할 수 있으며, 크랭크축의 파손, 플라이휠 절단, 부품 고장 등 문제를 일으킬 수 있다. 비틀림 진동은 샤프트 인코더, 듀얼 빔 레이저 등을 사용하여 측정하며, AxSTREAM RotorDynamics, ARMD TORSION 등의 상용 소프트웨어를 통해 해석할 수 있다.
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2. 비틀림 진동의 원인
비틀림 진동은 동력원에서 구동계로 유입될 수 있다. 하지만 매우 부드러운 회전 입력을 가진 구동계조차도 내부 부품을 통해 비틀림 진동이 발생할 수 있다. 일반적인 발생원은 다음과 같다.
- 왕복 압축기: 피스톤은 압축으로 인해 불연속적인 힘을 경험한다.[2]
- 유니버설 조인트: 샤프트가 평행하지 않을 경우 이 조인트의 기하학적 구조는 비틀림 진동을 유발한다.
- 스틱-슬립 현상: 마찰 요소가 맞물리는 동안 스틱-슬립 상황이 비틀림 진동을 생성한다.
- 백래시: 구동계 백래시는 회전 방향이 변경되거나 동력의 흐름(구동부 대 피동부)이 반전될 경우 비틀림 진동을 유발할 수 있다.
비틀림 진동은 내연 기관의 크랭크축에서 문제가 될 수 있다. 크랭크축 자체가 파손되거나, 플라이휠이 절단되거나, 구동 벨트, 기어 및 부착된 부품이 고장날 수 있기 때문이다. 특히 진동 주파수가 크랭크축의 비틀림 공진 주파수와 일치할 때 더욱 그렇다.
이러한 잠재적으로 유해한 진동은 종종 크랭크축의 앞쪽 노즈에 위치한 비틀림 댐퍼에 의해 제어된다(자동차에서는 종종 전면 풀리에 통합됨). 비틀림 댐퍼에는 두 가지 주요 유형이 있다.
- 점성 댐퍼는 점성 유체 내에 관성 링으로 구성된다. 크랭크축의 비틀림 진동은 유체를 좁은 통로로 밀어 넣어 진동을 열로 소산시킨다. 점성 비틀림 댐퍼는 자동차 서스펜션의 유압 쇼크 업소버와 유사하다.
- "댐퍼"의 튜닝 흡수 장치 유형은 종종 조화 댐퍼 또는 조화 밸런서라고 한다(기술적으로는 크랭크축을 감쇠하거나 밸런싱하지 않음에도 불구하고). 이 댐퍼는 스프링 요소(자동차 엔진에서는 종종 고무)와 일반적으로 크랭크축의 첫 번째 비틀림 고유 주파수에 맞춰 튜닝된 관성 링을 사용한다. 이 유형의 댐퍼는 특정 엔진 속도에서 여기 토크가 크랭크축의 첫 번째 고유 주파수를 여기시킬 때 진동을 줄이지만, 다른 속도에서는 줄이지 않는다. 이 유형의 댐퍼는 지진 발생 시 건물 움직임을 줄이기 위해 고층 빌딩에서 사용되는 튜닝 질량 댐퍼와 유사하다.
기계적 진동 및 변형은 대부분의 철도 차량 구동계 구조의 작동과 관련된 현상이다. 철도 차량의 변속 시스템에서 비틀림 진동에 대한 지식은 기계 시스템 역학 분야에서 매우 중요하다.[9] 철도 차량 구동계의 비틀림 진동은 매우 복잡하고, 다음 두 부분으로 나눌 수 있는 많은 결합된 메커니즘에 의해 생성된다.
# 철도 구동계 시스템 내의 전기 기계적 상호 작용. 여기에는 전동기, 기어, 디스크 및 기어 클러치의 구동 부품이 포함된다.[10]
# 휠-레일 접촉 영역의 부착력 변화로 인한 유연한 휠[11][12] 및 차륜 세트의 비틀림 진동.[13]
부착력의 상호 작용은 크리프 값과 관련이 있고 휠-레일 영역 조건 및 궤도 기하학(특히 궤도의 곡선 구간에서 주행할 때)에 크게 의존하는 비선형적 특징을 갖는다. 많은 현대 기계 시스템에서 비틀림 구조 변형성은 중요한 역할을 한다. 종종 비틀림 변형 가능한 요소를 사용하지 않고 강체 다물체 방법을 사용하여 철도 차량 역학을 연구한다.[14] 이 접근 방식은 휠-레일 종방향 상호 작용에 중요한 영향을 미치는 자체 여기 진동의 분석을 불가능하게 한다.[15]
구동 기계 또는 차량의 요소와 결합된 전기 구동 시스템의 동적 모델링은[16][17] 이러한 모델링의 목적이 런업, 런다운 및 휠-레일 영역의 접착 손실과 같은 시스템 작동의 과도 현상에 대한 정보를 얻는 것일 때 특히 중요하다. 전동기와 기계 간의 전기 기계적 상호 작용 모델링은 또한 구동 시스템의 자체 여기 비틀림 진동에 영향을 미친다.[18][19]
2. 1. 내연 기관
내연 기관에서는 불연속적인 연소 및 크랭크축 자체의 형상으로 인해 비틀림 진동이 발생한다.[1]2. 2. 전동기 구동 시스템
전동기 구동 시스템의 비틀림 진동은 일반적으로 구동 전동기의 회전자 회전 속도 변동을 초래한다. 평균 회전자 회전 속도에 중첩된 각속도의 이러한 진동은 전자기 플럭스의 교란을 유발하여 전동기 권선의 전류에 추가적인 진동을 일으킨다.[4] 그러면 생성된 전자기 토크도 추가적인 시간 변화하는 전기 기계적 상호 작용의 영향을 받아 구동 시스템의 추가적인 비틀림 진동을 유발한다. 구동 시스템의 기계적 진동은 전동기 권선 전류의 전기적 진동과 결합된다. 이러한 결합은 일반적으로 비선형적이며 높은 계산 부하를 나타낸다.[4]전기 기계적 진동의 고도로 비선형적이고 결합된 특성으로 인해, 종종 근사가 사용되어 이러한 진동을 해석적으로 특징지을 수 있다. 기계 및 전기 시스템 간의 진동 특성을 단순화하기 위해 기계 및 전기 부품이 분리되어 있다고 가정하는 것이 일반적이다.[4] 그런 다음 기계적 또는 전기적 측면을 정상 상태로 유지하여 다른 측면의 특성을 계산할 수 있다. 일반적인 방법은 전동기가 생성하는 전자기 토크를 시간 또는 회전자-고정자 슬립의 가정된 여기 함수로 적용하는 것이다.[4][5][6] 이는 일반적으로 주어진 전동기의 동적 거동에 대해 수행된 수많은 실험적 측정에 기반한다.[7] 이러한 목적을 위해 측정 결과를 통해, 즉 경험적으로 전동기가 생성하는 전자기적 외부 여기를 잘 근사하는 공식이 개발되었다.[7]
전동기 권선에 흐르는 전류는 정확하지만, 기계적 구동 시스템은 일반적으로 하나 또는 드물게 최대 몇 개의 회전하는 강체로 축소된다.[8] 많은 경우, 이러한 단순화는 엔지니어링 응용 분야에 충분히 유용한 결과를 제공하지만, 기계 시스템의 많은 질적 동적 특성(예: 질량 분포, 비틀림 유연성 및 감쇠 효과)이 무시되기 때문에 부정확성을 초래할 수 있다.[8] 따라서 구동 시스템의 진동 거동이 전동기 회전자 각속도 변동에 미치는 영향, 그리고 이로 인해 회전자 및 고정자 권선의 전류 진동에 미치는 영향은 임의로 높은 정확도를 제공할 수 있는 수치적 방법을 제외하고 만족스러운 정밀도로 조사할 수 없다.
3. 크랭크축 비틀림 진동
내연 기관의 크랭크축은 비틀림 진동으로 인해 파손, 플라이휠 절단, 구동 벨트, 기어 및 부착 부품 고장 등이 발생할 수 있다. 특히 진동 주파수가 크랭크축의 비틀림 공진 주파수와 일치할 때 이러한 현상이 심해진다.[3]
3. 1. 비틀림 진동 발생 원인
비틀림 진동은 동력원에서 구동계로 유입될 수 있다. 하지만 매우 부드러운 회전 입력을 가진 구동계조차도 내부 부품을 통해 비틀림 진동이 발생할 수 있다. 일반적인 발생원은 다음과 같다.- 내연 기관: 불연속적인 연소 및 크랭크축 자체의 형상으로 인해 비틀림 진동이 발생한다.[1]
- 왕복 압축기: 피스톤은 압축으로 인해 불연속적인 힘을 경험한다.[2]
- 유니버설 조인트: 이 조인트의 기하학적 구조는 샤프트가 평행하지 않을 경우 비틀림 진동을 유발한다.
- 스틱-슬립 현상: 마찰 요소가 맞물리는 동안 스틱-슬립 상황이 비틀림 진동을 생성한다.
- 백래시: 구동계 백래시는 회전 방향이 변경되거나 동력의 흐름, 즉 구동부 대 피동부가 반전될 경우 비틀림 진동을 유발할 수 있다.
비틀림 진동은 내연 기관의 크랭크축에서 문제가 될 수 있는데, 크랭크축 자체가 파손되거나, 플라이휠이 절단되거나, 구동 벨트, 기어 및 부착된 부품이 고장날 수 있기 때문이다. 특히 진동 주파수가 크랭크축의 비틀림 공진 주파수와 일치할 때 더욱 그렇다. 비틀림 진동의 원인은 여러 요인으로 귀결된다.
- 크랭크축, 커넥팅 로드 및 피스톤의 슬라이더-크랭크 메커니즘에 의해 교번 토크가 생성된다.
- 연소로 인한 실린더 압력은 연소 사이클 동안 일정하지 않다.
- 슬라이더-크랭크 메커니즘은 압력이 일정하더라도 부드러운 토크를 출력하지 않는다(예: 상사점에서는 토크가 생성되지 않음).
- 피스톤 질량과 커넥팅 로드 질량의 움직임은 종종 "관성" 토크라고 하는 교번 토크를 생성한다.
- 일렬로 배열된 6개 이상의 실린더를 가진 엔진은 길이가 길기 때문에 매우 유연한 크랭크축을 가질 수 있다.
- 2행정 엔진은 일반적으로 더 큰 행정 길이로 인해 메인 베어링과 핀 베어링 사이에 베어링 중첩이 적어 강성이 감소하여 크랭크축의 유연성이 증가한다.
- 메인 베어링과 커넥팅 로드 베어링의 오일 필름의 전단 저항을 제외하고 진동을 줄이기 위해 크랭크축에 본질적으로 감쇠가 거의 없다.
비틀림 진동이 크랭크축에서 제어되지 않으면 크랭크축이나 크랭크축에 의해 구동되는 액세서리(일반적으로 엔진 전면; 플라이휠의 관성은 일반적으로 엔진 후면의 움직임을 줄임)의 고장을 유발할 수 있다. 커플링은 진동 에너지를 열로 변환한다. 따라서, 커플링이 이로 인해 손상되지 않도록 하기 위해(하중에 따라 온도가 매우 높을 수 있음), 비틀림 진동 계산을 통해 이를 확인한다.[3]
이 잠재적으로 유해한 진동은 종종 크랭크축의 앞쪽 노즈에 위치한 비틀림 댐퍼에 의해 제어된다(자동차에서는 종종 전면 풀리에 통합됨). 비틀림 댐퍼에는 두 가지 주요 유형이 있다.
- 점성 댐퍼는 점성 유체 내에 관성 링으로 구성된다. 크랭크축의 비틀림 진동은 유체를 좁은 통로로 밀어 넣어 진동을 열로 소산시킨다. 점성 비틀림 댐퍼는 자동차 서스펜션의 유압 쇼크 업소버와 유사하다.
- "댐퍼"의 튜닝 흡수 장치 유형은 종종 조화 댐퍼 또는 조화 밸런서라고 한다(기술적으로는 크랭크축을 감쇠하거나 밸런싱하지 않음에도 불구하고). 이 댐퍼는 스프링 요소(자동차 엔진에서는 종종 고무)와 일반적으로 크랭크축의 첫 번째 비틀림 고유 주파수에 맞춰 튜닝된 관성 링을 사용한다. 이 유형의 댐퍼는 특정 엔진 속도에서 여기 토크가 크랭크축의 첫 번째 고유 주파수를 여기시킬 때 진동을 줄이지만 다른 속도에서는 줄이지 않는다. 이 유형의 댐퍼는 지진 발생 시 건물 움직임을 줄이기 위해 고층 빌딩에서 사용되는 튜닝 질량 댐퍼와 유사하다.
3. 2. 비틀림 진동 제어
비틀림 진동이 크랭크축에서 제어되지 않으면 크랭크축이나 크랭크축에 의해 구동되는 부속 장치(일반적으로 엔진 전면, 플라이휠의 관성은 일반적으로 엔진 후면의 움직임을 줄임)가 고장날 수 있다. 커플링은 진동 에너지를 열로 변환한다. 따라서 커플링이 이로 인해 손상되지 않도록(하중에 따라 온도가 매우 높을 수 있음) 비틀림 진동 계산을 통해 이를 확인한다.[3]이 잠재적으로 유해한 진동은 종종 크랭크축의 앞쪽 노즈에 위치한 비틀림 댐퍼에 의해 제어된다(자동차에서는 종종 전면 풀리에 통합됨). 비틀림 댐퍼에는 두 가지 주요 유형이 있다.
- 점성 댐퍼는 점성 유체 내에 관성 링으로 구성된다. 크랭크축의 비틀림 진동은 유체를 좁은 통로로 밀어 넣어 진동을 열로 소산시킨다. 점성 비틀림 댐퍼는 자동차 서스펜션의 유압 쇼크 업소버와 유사하다.
- "댐퍼"의 튜닝 흡수 장치 유형은 종종 조화 댐퍼 또는 조화 밸런서라고 한다(기술적으로는 크랭크축을 감쇠하거나 밸런싱하지 않음에도 불구하고). 이 댐퍼는 스프링 요소(자동차 엔진에서는 종종 고무)와 일반적으로 크랭크축의 첫 번째 비틀림 고유 주파수에 맞춰 튜닝된 관성 링을 사용한다. 이 유형의 댐퍼는 특정 엔진 속도에서 여기 토크가 크랭크축의 첫 번째 고유 주파수를 여기시킬 때 진동을 줄이지만 다른 속도에서는 줄이지 않는다. 이 유형의 댐퍼는 지진 발생 시 건물 움직임을 줄이기 위해 고층 빌딩에서 사용되는 튜닝 질량 댐퍼와 유사하다.
4. 전동기 구동 시스템의 비틀림 진동
구동 시스템의 비틀림 진동은 주로 구동 전동기 회전자의 회전 속도 변동을 일으킨다. 평균 회전자 속도에 더해진 각속도 진동은 전자기 플럭스를 교란하여 전동기 권선 전류에 추가적인 진동을 발생시킨다. 이로 인해 생성된 전자기 토크는 전기 기계적 상호작용을 통해 구동 시스템에 더 많은 비틀림 진동을 유발한다. 이러한 기계적 진동과 전동기 권선 전류의 전기적 진동 간 결합은 비선형적이며 계산량이 많다.
대부분의 철도 차량 구동계에서 기계적 진동 및 변형이 발생한다. 따라서 철도 차량 변속 시스템에서 비틀림 진동에 대한 이해는 기계 시스템 역학 분야에서 중요하다.[9]
4. 1. 전기 기계적 진동의 특징
전기 기계적 진동은 구동 시스템의 비틀림 진동이 전동기 회전자의 회전 속도 변동을 일으키면서 발생한다. 평균 회전 속도에 더해진 각속도의 진동은 전자기 플럭스를 교란시키고, 이는 전동기 권선 전류에 추가적인 진동을 유발한다. 결과적으로 생성된 전자기 토크는 전기 기계적 상호 작용에 의해 구동 시스템에 더 많은 비틀림 진동을 일으킨다.[4][5][6]이러한 전기 기계적 진동은 비선형적이고 복잡하게 얽혀 있기 때문에, 해석적으로 분석하기 위해 단순화하는 경우가 많다. 일반적인 방법은 기계 및 전기 시스템을 분리된 것으로 가정하고, 한쪽을 정상 상태로 유지하여 다른 쪽의 특성을 계산하는 것이다. 예를 들어, 전동기가 생성하는 전자기 토크를 시간 또는 회전자-고정자 슬립의 함수로 가정한다.[7]
하지만 이러한 단순화는 질량 분포, 비틀림 유연성, 감쇠 효과 등 기계 시스템의 중요한 동적 특성을 무시하기 때문에 부정확성을 초래할 수 있다. 따라서 구동 시스템의 진동 거동이 전동기 회전자 각속도 변동과 권선 전류 진동에 미치는 영향을 정확하게 조사하려면 수치적 방법이 필요하다.
철도 차량 구동계에서 비틀림 진동은 매우 복잡하며, 다음과 같은 두 가지 메커니즘으로 나눌 수 있다.[9]
- 전동기, 기어, 디스크 및 기어 클러치 등 구동 부품 간의 전기 기계적 상호 작용.[10]
- 휠-레일 접촉 영역의 부착력 변화로 인한 유연한 휠[11][12] 및 차륜 세트의 비틀림 진동.[13]
많은 현대 기계 시스템에서 비틀림 구조 변형성은 중요한 역할을 한다. 휠-레일 종방향 상호 작용에 큰 영향을 미치는 자체 여기 진동을 분석하기 위해서는 강체 다물체 방법 대신 비틀림 변형 가능한 요소를 고려해야 한다.[14][15]
전기 구동 시스템과 기계 요소의 동적 모델링은 시스템 작동의 과도 현상(예: 런업, 런다운, 휠-레일 접착 손실)에 대한 정보를 얻는 데 특히 중요하다.[16][17] 또한, 전동기와 기계 간의 전기 기계적 상호 작용 모델링은 구동 시스템의 자체 여기 비틀림 진동에도 영향을 미친다.[18][19]
4. 2. 비틀림 진동 해석 방법
구동 시스템의 비틀림 진동은 전동기 회전자의 회전 속도 변동을 일으키며, 이는 다시 전자기 토크 변화와 구동 시스템의 추가적인 비틀림 진동을 유발한다. 이러한 전기 기계적 진동은 복잡하기 때문에, 해석적 특징 분석을 위해 단순화된 근사 방법을 사용하기도 한다.[4][5][6]일반적인 방법은 전동기가 생성하는 전자기 토크를 시간 또는 회전자-고정자 슬립의 함수로 가정하여 적용하는 것이다.[7] 그러나 이 방법은 기계 시스템의 질량 분포, 비틀림 유연성, 감쇠 효과 등을 무시하여 부정확성을 초래할 수 있다. 따라서 구동 시스템의 진동 거동이 전동기 회전자 각속도 변동과 전류 진동에 미치는 영향을 정확하게 조사하려면 수치적 방법이 필요하다.
철도 차량 구동계의 비틀림 진동은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫째는 전동기, 기어, 디스크 및 기어 클러치 등 구동 부품을 포함하는 전기 기계적 상호 작용[9][10]이고, 둘째는 휠-레일 접촉 영역의 부착력 변화로 인한 유연한 휠 및 차륜 세트의 비틀림 진동이다.[11][12][13] 휠-레일 상호 작용은 궤도 조건에 크게 의존하는 비선형적인 특징을 갖는다.
강체 다물체 방법으로는 휠-레일 종방향 상호 작용에 영향을 미치는 자체 여기 진동을 분석할 수 없다.[14][15] 따라서 전기 구동 시스템의 동적 모델링은 런업, 런다운, 휠-레일 영역의 접착 손실과 같은 시스템 작동의 과도 현상에 대한 정보를 얻는 데 중요하며,[16][17] 전동기와 기계 간의 전기 기계적 상호 작용 모델링은 구동 시스템의 자체 여기 비틀림 진동에도 영향을 미친다.[18][19]
5. 철도 차량 구동계의 비틀림 진동
철도 차량의 구동계에는 비틀림 진동이 발생하지 않는다. 따라서 해당 섹션은 작성할 내용이 없다.
6. 비틀림 진동 측정
비틀림 진동 측정에는 샤프트 회전 시 발생하는 등거리 펄스를 이용하는 방법과 듀얼 빔 레이저를 이용하는 방법이 있다. 샤프트 인코더나 기어 치형 픽업 트랜스듀서(유도형, 홀 효과, 가변 리랙턴스 등)는 등거리 펄스를 생성하여 디지털 RPM 판독값이나 RPM에 비례하는 전압으로 변환한다.[1] 듀얼 빔 레이저는 샤프트 상의 서로 다른 지점에서 반사되는 두 빔의 주파수 차이를 이용하지만, 측정 범위가 제한적이고, 레이저와 부품 간 시야 확보가 필요하며, 다중 측정이 어렵다는 단점이 있다.[1]
6. 1. 샤프트 인코더 및 기어 치형 픽업 트랜스듀서
가장 일반적인 비틀림 진동 측정 방법은 샤프트가 한 바퀴 회전하는 동안 등거리 펄스를 사용하는 방식이다. 전용 샤프트 인코더뿐만 아니라 기어 치형 픽업 트랜스듀서(유도형, 홀 효과, 가변 리랙턴스 등)도 이러한 펄스를 생성할 수 있다. 결과적인 인코더 펄스 열은 디지털 RPM 판독값 또는 RPM에 비례하는 전압으로 변환된다.[1]듀얼 빔 레이저를 사용하는 것도 비틀림 진동을 측정하는 데 사용되는 또 다른 기술이다. 듀얼 빔 레이저의 작동은 샤프트의 다른 지점을 가리키는 두 개의 완벽하게 정렬된 빔의 반사 주파수 차이에 기반한다. 이 방법은 특정 장점에도 불구하고, 제한된 주파수 범위를 제공하고, 부품에서 레이저까지의 시선이 필요하며, 여러 측정 지점을 병렬로 측정해야 하는 경우 여러 레이저를 필요로 한다.[1]
6. 2. 듀얼 빔 레이저
듀얼 빔 레이저를 사용하는 것은 비틀림 진동을 측정하는 데 사용되는 또 다른 기술이다. 듀얼 빔 레이저의 작동은 샤프트의 다른 지점을 가리키는 두 개의 완벽하게 정렬된 빔의 반사 주파수 차이에 기반한다. 이 방법은 특정 장점에도 불구하고, 제한된 주파수 범위를 제공하고, 부품에서 레이저까지의 시선이 필요하며, 여러 측정 지점을 병렬로 측정해야 하는 경우 여러 레이저를 필요로 한다.7. 비틀림 진동 해석 소프트웨어
비틀림 진동 방정식 시스템을 해결할 수 있는 여러 소프트웨어 패키지가 있다. 설계 및 시스템 검증 목적으로는 비틀림 진동 전용 코드를 사용하는 것이 더 유용하며, 이를 통해 산업 표준과 쉽게 비교할 수 있는 시뮬레이션 데이터를 얻을 수 있다. 이러한 코드를 사용하면 시스템 분기, 질량-탄성 데이터, 정상 상태 부하, 과도 상태 교란 등 회전체 동역학 전문가에게 필요한 다양한 요소를 쉽게 추가할 수 있다.[20][21]
본드 그래프는 선박에 사용되는 발전기 세트와 같은 비틀림 진동을 분석하는 데 사용될 수 있다.[22]
7. 1. 상용 소프트웨어
비틀림 진동 방정식 시스템을 해결할 수 있는 많은 소프트웨어 패키지가 있다. 비틀림 진동 전용 코드는 설계 및 시스템 검증 목적으로 더욱 다재다능하며, 게시된 산업 표준과 쉽게 비교할 수 있는 시뮬레이션 데이터를 생성할 수 있다. 이러한 코드를 사용하면 시스템 분기, 질량-탄성 데이터, 정상 상태 부하, 과도 상태 교란 및 회전체 동역학 전문가에게 필요한 기타 많은 항목을 쉽게 추가할 수 있다.비틀림 진동 전용 코드는 다음과 같다.
본드 그래프는 선박에 사용되는 발전기 세트와 같은 비틀림 진동을 분석하는 데 사용할 수 있다.[22]
7. 2. 본드 그래프
본드 그래프는 선박에 사용되는 발전기 세트와 같은 비틀림 진동을 분석하는 데 사용할 수 있다.[22]참조
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2016-11-09
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http://www.softinway[...]
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2018-10-03
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