볼스크류-플라이휠 방식 이너터의 이론적 이너턴스 예측값과 실험값 비교

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확장요약문

이너터는 두 단자 간 상대가속도에 비례하는 힘을 발생시키는 2단자 기계요소로, 비례상수인 이너턴스를 장치의 실제 질량보다 훨씬 크게 구현할 수 있는 특성을 활용하여 진동 절연 및 제어 분야에서 사용되고 있다. 볼스크류-플라이휠 방식은 직선 운동을 회전 운동으로 변환하여 소형 플라이휠로도 큰 이너턴스를 얻을 수 있다. 그러나 선행 연구에서는 볼스크류 내부의 마찰 등 비이상적 거동으로 인해 실측 이너턴스가 이론값과 차이를 보이는 것이 확인되었다. 본 연구에서는 볼스크류-플라이휠 방식 이너터를 설계·제작하여, 이론적 이너턴스 예측값과 실험값을 비교하고, 윤활 조건이 이너턴스 거동에 미치는 영향을 분석하고자 한다.

리드가 L인 볼스크류에서 이상적인 이너턴스는 b = Jtotal (2π/L)2으로 주어지며, Jtotal은 플라이휠, 베어링 내륜 등 회전부 전체의 관성모멘트이다. 설계한 이너터에서 회전부를 구성하는 각 부품의 관성모멘트를 산정하여 합산한 결과 Jtotal = 22.2 kg·mm2이며, 리드가 10 mm일 때 이론적 이너턴스는 btheory ≈ 8.76 kg으로 예측된다(Table 1).

실험 장치는 Fig. 1과 같이 고정벽–로드셀–이너터–리니어 모터 순으로 직렬 구성한다. 리니어 모터 스테이지로 볼스크류 축에 정현파 변위를 가하고, 로드셀과 가속도계를 이용하여 이너터가 고정벽에 전달하는 힘과 축의 가속도를 DAQ로 동시에 측정하여 실험적 이너턴스 bexp를 산출한다. 가진 조건은 모터의 연속 정격추력(45 N)을 고려하여 진폭 1–10 mm, 주파수 1–10 Hz 범위에서 14개로 선정하였으며, 조건별로 5회 반복 측정한다.

실험 결과 가진 조건별 bexp와 btheory의 비교 결과와 함께 주파수 및 진폭에 따른 오차 경향을 제시한다. 나아가 실측 결과에서 나타나는 마찰 등 비이상적 거동의 원인을 분석하고, 동일한 볼스크류에서 윤활제 종류를 달리하여 실험 이너턴스와 이론 이너턴스의 이상적인 거동에 미치는 볼스크류의 윤활 및 마찰 조건의 영향을 분석하고자 한다.