[Vibration] 버스 좌석 진동 측정 및 분석

 

목차

 

 

 

"관련제품 문의는 로고 클릭 또는 공지사항의 연락처를 통해 하실 수 있습니다."

 

 

 

 

1. 개요

 

제품 고장이 발생하면 값비싼 수리비가 발생하거나 제품 교체가 필요합니다. 만약 고장의 원인을 완벽하게 파악하지 못한다면, Over-engineering으로 인한 비용이 반복적으로 발생하며, 이 방법으로는 고장을 해결하지는 못할 것입니다. 설계 수정에 들어가기 전, 엔지니어들은 반드시 깊은 고찰deep-knowledge이 필요합니다.

 

이번 case study는 버스 좌석 고장에 관한 것입니다. 현장에서는 가끔씩 버스 좌석 고장이 발생하지만, 현재 산업 표준 실험소에서는 예측이 불가능 합니다. Case study의 목표는 종합적인 현장 진동 데이터를 수집하고 해당 데이터를 분석하여 고장 원인을 파악하는 것입니다.

 

이 연구는 여러가지 좌석 구성과 현장의 여러 환경에 다양한 지점에 배치된 가속도계를 사용했습니다. 분석 결과, 모션 축 간 전달성transmissibility 이슈와 좌석 구성에 따라 높은 신뢰성을 보이는 이슈가 확인되었습니다.

 

 

 

2. 도입

 

이번 연구 주제는 버스 좌석이며 이 좌석은 American Seating에서 설계하였습니다. 1886년 Grand rapids School Furniture이란 이름으로 설립된 American Seating은 신뢰와 높은 가치솔루션으로 함께 대중 교통 산업을 지원하고 있습니다.

음향 및 진동 기술 분야의 혁신가인 Vibration Research는 연구를 시행하기 위해 American seating과 파트너를 맺고 있습니다.

 

연구에서 가장 중요한 문제는 금속의 피로 균열입니다. 이것은 종종 버스 좌석에서 나타납니다. 이러한 타입의 고장은 현재 산업 표준 진동 테스트에서는 발생되지 않으나 실제 버스에서는 통계학적으로 의미 있는 횟수만큼 발생합니다. 좌석 고장이 발생 시 항상 높은 비용으로 좌석을 고치거나 교체합니다. 이때 더 크고 무거운 좌석을 설치하면 앞으로의 고장은 피할 수 있지만 이러한 형태의 over-engineering은 비용이 반복적으로 발생하며, 고장의 원인을 제대로 파악하지 않고 행해진다면 이것은 올바른 솔루션이라고 볼 수 없습니다.

 

Sine dwell은 산업 표준 실험 방법입니다. 본래 20년 전쯤 제3의 업체가 개발한 테스트는 낮은 주파수 1Gpk dwell에서 100만 사이클을 수행하는 것이었으나, 실제 현장에서 측정된 진동을 검토한 후, 단일 주파수 sine dwell은 wheel 속도에 의해 가진된excited 주파수 범위와 엔진 RPM 사이에 위치한다는 것을 알게 되었습니다. Sine 테스트가 현실 세계를 대표하지 않는 다는 것은 잘 알고 있는 사실입니다; 이 케이스의 경우 더 낮은 주파수와 더 높은 주파수 범위에서 명백하게 기여하는 인자가 존재하며, 이것은 ‘수명(lifetime)’ 테스트에서 설명되어야 합니다.

 

엔지니어들은 버스 좌석의 실제 움직임을 더 잘 이해하기 위해서 첫번째로 현장으로부터 디테일한 진동데이터를 수집합니다. 이는 조건 범위 하에 있는 다른 두 도시에서 운행하는 여러 버스의 다양한 노선을 통해 수집됩니다. 이러한 넓은 범위의 현장 데이터는 증명된 기술을 통해 분석되고, 고장의 원인을 파악하게 됩니다.

 

 

 

3. 데이터 분석 기술

 

 

Sampling and Filtering

데이터 수집에 사용되는 National Instruments 장치는 샘플링 속도가 8192Hz로 제한되어 있으나, ObservVR1000은 32768Hz 속도로 기록됩니다. 하지만 향후 테스트는 이 현장 데이터를 기반으로 하며 최대 테스트 주파수가 300Hz ~ 500Hz인 유압 셰이커 hydraulic shaker에서 실행됩니다.

두 데이터 수집 장치의 샘플링 속도가 테스트 요구 사항을 초과하므로 다운 샘플링 및 필터링이 적용됩니다. 기록된 모든 시간 이력 파일은 4096Hz로 다운 샘플링 되었습니다. 그런 다음 1Hz에서 1500Hz까지 기록을 필터링하여 분석을 시행합니다

 

 

 

Characterizing the data

 

데이터를 통해 좌석에 영향을 미치는 다양한 진동 범위를 알 수 있습니다. 여러 가지의 다른 그래프들로 표현하여 이러한 진동 범위의 기본적인 이해를 높일 수 있습니다. 먼저, 버스 휠 직경과 버스 속도 범위를 이용하여 1Hz~6Hz 범위의 주요 진동 인자가 휠 속도임을 확인하였습니다.

그런 다음 엔진 효과를 확인해 봅니다. 두 버스 모두 디젤 엔진이 장착되어 있으며, 최대 작동 속도는 1100rpm이고 공회전 속도는 약 500rpm입니다. 이는 측정된 진동에서 10Hz ~ 35Hz 범위를 커버합니다. 낮은 주파수에서 또 다른 주요 원인은 버스 좌석의 구성과 구조입니다. 버스가 불규칙한 노면을 가로지르면서 충격 진동이 상호작용하며, 다양한 자연 공명과 이것의 공명의 조화로 인해 6Hz에서 180+Hz 범위에서 좌석이 높은 피크 응답을 생성합니다. 측정된 높은 주파수 특성 또한 충격 진동에 의해 발생된 것입니다.

 

 

두개의 다른 데이터 수집 시스템을 사용합니다; (1) VR사의 ObserVR1000과 (1) National Instruments LabVIEW 구성. ObserVR1000은 Wi-Fi를 이용하여 스마트폰이나 다른 모바일 기기로 조작이 가능하나 이 연구의 경우 엔지니어들은 디바이스 자체의 수동제어를 사용하였습니다.
버스는 (1)New Flyer과 (2) Nova Bus 라는 두 업체로부터 생산되었습니다.
데이터 기록 세션은 뉴욕시와 미니애폴리스시의 버스 노선을 따라서 확립되었습니다; 각 세션의 길이는 일반적으로 1시간입니다. 기록 세션과 실제 버스 노선의 중요한 차이점은 시트가 하중을 받지 않는다는 것(승객이 탑승하지 않음)과 버스가 버스 정류장마다 멈추지 않는다는 것입니다. 추가적으로 뉴욕시에서 한가지 기록 환경의 변화가 발생합니다. 뉴욕시의 폭설로 인해 버스 타이어에 체인 설치가 필수이며 이것은 진동 데이터 기록에 영향을 미칩니다

 

 

 

4. 데이터 비교

입력 데이터 vs. 응답 데이터를 비교하여 검사할 때 몇 가지 중요한 점이 두드러집니다. 먼저, 장착한 지점 사이의 분리가 기록된 진동에서 차이를 발생시키는지 아닌지를 결정하기 위해 벽에 장착된 두 입력 지점들 사이를 비교합니다. 이 차이는 매우 작으며, 무시할 수 있는 정도입니다.

 

그런 다음 어떤 입력 진동이 좌석의 공명 반응을 자극하는지 결정하기 위한 비교입니다. 좌석의 X축, 전후 동작이 가장 크며 고장을 일으키는 것으로 알려져 있습니다. 이 article의 경우, Z축 데이터는 American Seating에 독점적인 정보를 공개하지 않고 프로세스와 결과를 입증하는 데 사용될 것입니다. 낮은 주파수 반응이 가장 흥미로운 이유는 더 많은 양의 변위와 관련이 있고 자연적으로 발생하는 휠 속도 진동 및 엔진 진동에 의해 가진 되기 때문입니다.

 

각 기여 축의 효과를 이해하면 단일 축 shaker에 의해 구동될 때 향후 시험 결과를 더 잘 이해할 수 있으며 진동 테스트 과정에서 흥미로운 비교 결과를 얻을 수 있습니다. Shaker의 단일 축에서만 주행할 경우 축 외 공명은 얼마나 가진 될까요? Full level test를 실행할 때 축이 아닌 동작이 실제 데이터에서 나온 양보다 크거나 같다면 축이 아닌 곳에서 향후 시험이 필요하지 않을 수 있습니다.

 

아래의 투과성 그래프는 TopMount 가속도계의 Z축과 GrabRail 가속도계의 세 축 모두 사이의 G-to-G 응답과 관련이 있습니다

 

 

 

 

 

표준 캔틸레버cantilever로 지지되어 있는 좌석과 지지봉(stanchion)이 있는 좌석의 진동 응답은 또다른 흥미로운 비교입니다.

 

지지봉은 확실하게 추가적인 지지를 제공하며 Z-축의 움직임을 제한합니다. 이것은 좌석 자체의 진동 응답에서 확인할 수 있습니다.

 

두 좌석 타입의 진동 데이터에서는 차이점이 나타냅니다. 아래 그래프는 두 좌석 타입의 진동 데이터입니다. 대략 같은 지점에 장착된 가속도계의 응답에서 동시에 기록된 것입니다. 지지봉이 있는 좌석에서 가속 피크와 가속 spectral density (energy)이 지속적으로 낮게 나타납니다.

 

 

 

 

5. 결론

 

수집된 현장 데이터와 차후의 분석을 통하여 중요한 세가지를 확인할 수 있었습니다.

먼저, 이 연구는 진동 에너지의 3가지 주요 기여인자와 그 주파수 범위를 확인할 수 있었습니다. 좌석 설계에서 설계 변경 시 공명이 이러한 범위에 위치하지 않거나 적절히 감쇠 및 제어되는지 정확하게 확인해야 합니다.

 

둘째, 분석을 통해 stanchion 지지가 없는 좌석의 전방과 후방 움직임의 중요성을 밝혀냈습니다. 이 움직임은 승객들이 손잡이(grab-rail)를 당기고 밀어내는 동작과 결합되어 나타나는 고장의 원인으로 추측됩니다.

 

셋째, 현재의 '산업 표준' 진동 테스트는 실제 현장 상황을 효과적으로 복제하지 못한다는 것입니다. 좌석이 노출되는 대부분의 진동 에너지는 표준 시험의 1차 주파수에서 발생하지 않으며 광범위한 다른 주파수에서 광범위한 피로가 발생할 수 있습니다. 실제적이고 포괄적인 랜덤한 진동 테스트의 개발은 제품 설계를 개선하는 데 매우 중요합니다

 

 

 

참조 문헌>>

https://vibrationresearch.com/resources/analyzing-field-environments-to-understand-product-failure-causes/