자동차정비소, 자동차학과, 자동차정비기사 등 자동차정비사업 요점정리 9. 리프트 관리 7

9. 리프트 관리 7

 

나. 진동의 방지

기계진동은 다음과 같은 문제들과 관련되어 있다.
① 진동체에 의한 소음 발산
② 환경 진동 측면의 문제 - 인체의 영향, 구조물의 영향
③ 기계안전 자동문제
④ 기계가공 정밀도 문제
⑤ 기계 수명문제
환경보호의 측면에서는 이들 중에서 ①, ②항이 고려된다. 그러나 이들 다섯 가지 진
동문제에 대한 대책원리는 본질적으로 동일하다. 따라서 기계진동 방지에 대한 논술에
서는 어떤 특정한 작용목적을 가정하지는 않는다. 다만 기계소음과 진동에 대한 기본적
인 방지대책을 수립하기 위해 진동발생 과정에 대한 기계 역학적 논술은 생략하고, 일
단 발생된 진동의 전파 및 차단방법에 대해서 고찰해 보기로 한다. 진동발생과정에 대
한 이해는 기계진동방지의 근본적인 대책강구에 필수적이고 따라서 가장 효과적이지만,
이는 고도의 기계 역학적 고찰이 필요하다.
기계진동 방지기술은 크게 진동차단기의 사용과 진동체에 대한 댐핑을 고려할 것을 바탕으로 한다.
진동차단기는 본질적으로 탄성지지체를 사용하는 것이다. 이를 위해서 흔히 강철 스
프링과 고무 패드 등이 사용된다. 그러나 이들 탄성체들은 그에 고유한 진동수가 있어
서 이 주파수의 진동을 오히려 증폭시키는 효과를 준다. 진동차단 시스템에 대한 적절
한 댐핑의 사용은 전반적인 진동 차단효과를 증가시킴과 동시에 고유진동수에서의 공
진에 의한 진동증폭을 방지한다. 따라서 진동방지에는 적절한 차단기와 댐핑을 병용하는 것이 바람직하다.
진동방지의 목적은 다음의 두 가지로 나눌 수 있다.

 

① 진동발생 기계에서 외부로 진동이 전달되는 것을 방지
② 어떤 기계를 외부의 진동으로부터 보호
첫 번째 경우는 작업장내의 단조기와 같은 무거운 진동발생 기계로부터 다른 기계들
의 진동을 보호할 필요가 있을 때 취한다. 두 번째 경우의 대표적인 예는 NC선반과 같
은 정밀기계를 작업장에서 오는 진동으로부터 보호할 필요가 있을 때 취한다.
① 진동원에서의 진동제어
② 진동전달경로를 차단하는 방법
진동원에서의 진동제어는 가장 효과적이다. 그러나 실제로는 이 방법은 비용이 많이
들고 특히 기계에서 발생되는 진동을 제어하는 문제는 고도의 공학적 기술이 필요한 분
야이다. 따라서 여기서는 두 번째 방법을 이용해서 기계진동을 방지하는 실제적인 문제
에 대해서 생각해 보기로 한다.

(1) 진동 방지의 일반적 방법

진동보호대상체는 진동으로부터 보호되어야 할 기계 혹은 그 부품과 그를 받치는 설
치대로 구성된 시스템이다. 진동체는 진동하는 기계부품, 기초(base), 공장바닥 등이
되며, 특정적용목적에 따라서 이들 중 어느 하나를 의미한다. 진동원과 진동보호대상체
사이의 진동전달경로 차단에서는 흔히 다음과 같은 방법이 이용된다.

가) 진동차단기

진동차단의 예

[그림 1-68의 (a)]는 기초(base)에 직접 진동보호대상체를 놓은 경우이고, (b)는
이들 사이에 스프링형의 진동 차단기를 사용한 경우이다. 이때 사용되는 차단기는
강성이 충분히 작아서 이의 고유진동수가 차단하려고 하는 진동의 최저 진동수보다
적어도 반이상 작아야 한다.

 

나) 질량이 큰 경우 거더(girder)의 이용

 

진동보호상체를 [그림 1-69]와 같이 스프링차단기 위에 놓아 거더 위에 설치하는
경우, 블록의 질량은 차단기의 고유진동수를 낮추는 역할을 한다.

다) 2단계 차단기의 사용

그림과 같은 2단계 진동제어는 고주파 진동제어에 대단히 효과적이지만 저주파 진
동제어에는 역효과를 피하기 위해서는 진동보호 대상제의 질량 mi는 다음의 조건
을 만족해야 한다.

2단계 진동 제어

여기서 K는 차단기의 강성이고 f는 차단하려는 진동의 최저주파수이다.

라) 기초(base)의 진동을 제어하는 방법
위의 두 방법에서는 기초(base) 자체의 진동보다도 기초(base)로부터 진동보호 대
상체로의 진동전달제어에 대해서만 고려하였다. 경우에 따라서는 기초 자체의 진동
을 제어하는 것이 효과적일 수 있다.

기초대의 진동제어

가장 간단한 방법은 설치대에 큰 질량을 가해주는 것이다. 더욱 효과적인 진동제
어는 강철보강재와 댐핑 재료를 함께 사용함으로써 얻을 수 있다. 이때 강철 보강재
는 스프링과 같은 역할을 한다.
이와 같이 진동제어에 대한 일반적인 방법을 살펴 보았다. 이 방법들에서 특히 중
요한 요소는 적절한 차단기와 댐핑 재료의 선택이다. 아래에 이들에 대해서 차례로
고찰해 보기로 한다.

(2) 진동 차단기의 선택과 사용법

진동 차단기는 정상 진동으로부터 시스템을 차단할 수 있는 탄성 지지체이다. 진동 차
단기는 일반적으로 강철스프링, 천연고무 혹은 네오프렌(neoprene)과 같은 합성고무로
만들어지며, 이들의 적절한 조합으로 이용되기도 한다. 상품화된 차단기는 하우징과 적
절한 부착장치를 포함하고 있어서 실제의 응용에 직접 이용할 수 있다. [그림 1-72]는
흔히 사용되는 진동 차단기의 몇 가지 예를 보여준다.

진동 차단기의 예

진동차단기의 기본 요구조건은 다음과 같다.
① 강성이 충분히 작아서 차단능력이 있어야 한다.
② 강성은 작되 걸어준 하중을 충분히 바칠 수 있어야 한다.
③ 온도, 습도, 화학적 변화 등에 의해 견딜 수 있어야 한다.
차단기의 강성은 그에 부착된 진동보호대상체의 구조적 강성보다 작아야 하며, 차단
하려는 진동의 최저 주파수보다 작은 고유진동수를 가져야만 한다.
진동보호 대상체의 질량을 m이라고 하고, 이 질량을 강성이 K인 차단기 위에 올려놓
을 때 차단의 효과는 K가 다음의 주어진 조건을 만족시킬 때만 가능하다. 즉

여기서 f는 차단하려는 진동의 주파수이다. 일반적으로는 하나 이상의 차단기를 이용
하므로, 식에서의 강성 K는 개개의 차단기의 강성의 합이다. 대부분 실제의 문제에서
는 차단하려는 진동의 변위는 수직방향 성분이다. 따라서 만일 차단기의 변위가 그에
걸리는 힘에 비례한다면, 시스템의 고유진동수 과 차단기의 정적변위 δ와의 관계는
다음과 같이 쓸 수 있다.

여기서 정적변위 δ는 차단기에 걸리는 정적하중에 의해서 생기는 차단기의 변위이다.
강철 스프링의 경우에는 위식이 잘 맞는다.
그러나 고무 차단기의 경우에는 작은 변위에 대해서만 위식이 잘 맞는다. 시스템의 고
유진동수보다 작은 주파수를 갖는 진동에 대해서 차단기는 전혀 역할을 하지 못한다.
외부진동의 주파수가 시스템의 고유진동수에 가까이 있을 때는 공진현상이 발생하여 큰
진폭의 진동이 일어나므로 위험할 수 있다. 효과적인 진동제어는 차단기의 고유진동수
보다 큰 주파수를 갖는 진동에 대해서만 가능하다. <표 1-11>은 시스템의 고유진동수와
외부진동 주파수를 아는 경우에 차단기의 대략적인 효과를 평가하는데 이용 될 수 있다.
이제까지는 진동의 방향이 수직인 경우만 생각했다. 그러나 일반적으로 진동은 수평
성분까지도 포함한다. 이 경우에는 모든 방향으로의 강성이 충분히 작은 차단기를 선택
해야 한다. 이렇게 함으로써 각 방향에 대한 시스템의 고유진동수가 그 방향에서 지배
적인 진동 모드의 주파수보다 작도록 해야 한다.

가) 강철 스프링
하중이 큰 경우에는 강철 스프링을 사용하는 것이 바람직하다. 특히 정적변위가
5mm이상이 요구될 때는 강철 스프링의 사용이 바람직하다. 이때의 고유진동수는
2Hz이하가 된다. 그러나 강철 스프링은 내부 댐핑이 대단히 작으므로 화이버 재료
로 만든 패드와 함께 이용함으로써 댐핑을 증가시킴과 동시에 진동전달 경로가 순
전히 금속만으로 구성되는 바람직하지 않은 상황을 피하도록 한다. 강철 스프링은
일반적으로 나선형으로 만들어진다. 이때 사용되는 강재로서는 와이어, 막대, 좁은
시트메탈 등이 있다. 스프링을 사용할 때는 무엇보다도 하중에 견딜 수 있는 능력을
고려해야 한다. 특히 수직방향 하중에 이용되는 스프링은 그의 측면 안전도를 고려
해야 한다. 스프링의 지지장치 없이 스프링 자체만을 직접 이용할 때는 스프링의 직
경을 충분히 크게 함으로써 옆으로 구부러지는 것을 방지한다.
<표 1-12>는 이러한 측면 굽힘을 방지하기위한 스프링의 최소 직경을 보여준다.
큰 직경의 스프링을 사용할 공간이 충분치 않다면 [그림 1-73]에 의해서 측면강
성을 구할 수 있다.
이 그림에 의하면 스프링의 측면강성은 스프링의 높이와 직경의 함수로 주어진다.
하중이 걸렸을 때의 스프링의 안전성은 [그림 1-74]에 의해서 평가할 수 있다. 이
그림에서 스프링의 안정성은 (정적변위/스프링높이) 및 (축방향 강성)으로 주어지는
두 개의 비(比)에 의해서 결정된다.

 

<측면 굽힘 방지를 위한 스프링의 최소 직경>

나) 천연고무 혹은 합성고무 절연재(isolator)
천연고무나 합성고무(neoprene)을 이용하는 진동 차단기들은 많은 형태가 상품
화되어 있으며, 이들은 원하는 방향이 원하는 크기의 강성을 줄 수 있도록 조합사
용이 가능하다. 이러한 재료의 진동 차단기는 최저 10Hz까지의 진동제어에 이용할
수 있다. 고무차단기의 가장 큰 장점은 측면으로 미끄러지는 하중에 적합하다는 것
이다. 강철스프링에서는 측면 하중에 의한 제한이 있음을 앞에서 언급하였다. 또한
고무 차단기는 비교적 가볍고 강하며 값이 싼 장점이 있는 반면, 강성이 온도에 따
라서 크게 변하는 단점이 있다. 특히 천연고무는 강하고 상당한 댐핑을 갖고 있고
비교적 값이 싸지만, 탄화수소와 오존 등에 약하며 높은 온도에 약하다. 네오프렌
과 같은 합성고무는 이러한 화학적 성질에 대한 저항이 더욱 크고 특히 비교적 높
은 온도에도 잘 견딘다.

실리콘 합성고무는 -75℃에서 20℃까지도 이용할 수 있다. 모든 고무 차단기의
가장 큰 단점은 강성이 시간의 흐름에 따라서 천천히 그러나 계속적으로 변한다는
것이다. 이것은 무거운 하중을 걸었을 때 더욱 심하다.
고무 차단기의 강성은 그 크기와 모양, 재료의 탄성계수, 주파수, 하중의 크기에
따라 다르다. 따라서 고무 차단기를 이용할 때는 이들 모든 요소를 고려하여 가장
적절한 것을 선택해야 한다.

다) 패드
진동 차단기로서 이용되는 패드에는 다음과 같은 재료들이 흔히 사용된다.

1) 스폰지 고무
스폰지 패드는 많은 형태와 강성을 갖는 것이 상품화되어 있다. 스폰지 고무의
강성 특성은 위에서 말한 고무차단기의 그것과 비슷하다. 스폰지 고무는 액체를
흡수하려는 경향이 있으므로, 발화물질 등의 액체가 있는 곳에서 이용할 때는 플
라스틱 등으로 밀폐된 패드를 이용해야 한다.
2) 파이버 글라스(fiber glass)
파이버 글라스 패드의 강성은 주로 파이버의 밀도와 직경에 의해서 결정된다.
파이버 글라스는 많은 수의 모세관을 포함하고 있으므로 습기를 흡수하려는 경
향이 있다. 따라서 파이버 글라스 패드는 PVC 등 플라스틱 재료를 밀폐해서 사
용하는 것이 바람직하다.

3) 코르크(cork)

코르크로 만든 패드는 수분이나 석유제품에 비교적 잘 견딘다.
(3) 댐핑
진동 시스템에 대한 댐핑 처리는 다음과 같은 경우에 효과적이다.
① 시스템이 그의 고유진동수에서 강제진동을 하는 경우
② 시스템이 많은 주파수 성분을 갖는 힘에 의해서 강제진동 되는 경우
③ 시스템이 충격과 같은 힘에 의해서 진동되는 경우
거의 모든 재료는 어느 정도의 내부 댐핑을 갖고 있다. 그러나 강철과 같은 기계구조
물에 흔히 쓰이는 재료들은 변형을 받았을 때 변형에너지의 상당량을 내부에 저장하여
서, 이 저장된 에너지의 상당한 부분을 열로서 발산할 수 있는 성질을 갖고 있다. 모든
고무와 플라스틱 재료는 이러한 점성과 탄성의 복합성질을 어느 정도 갖고 있어서 점성
탄성 재료라고 볼 수 있다. 점성탄성 재료로 만든 관을 구조물의 판에 부착함으로써 시
스템의 댐핑을 증가시킨다.

이때 적절한 재료의 댐핑판과 그의 부착위치를 선정함에 있어서 다음의 사항에 주의해
야 한다.
① 댐핑판은 구조물이 진동할 때 현저한 변형을 받을 수 있는 곳에 설치해야 한다. 만
약, 특별한 위치 선정에 대한 기준설정이 곤란하다면, 구조물의 판 전체에 댐핑 처리
를 함으로써, 실제로 큰 진동을 할 수 있는 부분을 놓치지 말아야 한다.
② 댐핑판을 구조물에 완전히 부착시킴으로써 진동 에너지의 상당부분을 흡수할 수 있
도록 해야 한다.
③ 댐핑판은 그것이 흡수한 에너지의 상당부분을 열로 발산할 수 있는 높은 손실계수
를 갖는 재료이어야 한다. 댐핑판을 직접 구조물판에 부착시키는 경우, 구조물의 진
동에 의한 굽힘에 의해서 댐핑판은 늘어나게 되며 댐핑은 주로 댐핑판의 늘어남 때
문에 일어난다.
이와 같이 댐핑은 댐핑판의 두께를 증가함에 따라서 커진다. 실험에 의하면 일반적으
로 댐핑의 크기는 판 두께의 1내지 2사이의 지수 승으로 주어진다.
구조물판 두께의 2내지 4배정도 두께의 댐핑판을 사용함으로써 비교적 좋은 효과의
댐핑처리를 할 수 있다. 이 외에도 두께의 댐핑판을 이용해서 샌드위치형으로 댐핑처리
하여 댐핑을 증가시키는 방법도 있으나, 이에는 사용되는 재료의 선택과 판의 두께 등
에 조심과 기술을 요하기 때문에 여기서는 설명을 생략한다.
본 절에서 논술한 점성탄성 댐핑판은 구조물판에 견고하게 연속적으로 부착해야만 좋
은 댐핑 효과를 볼 수 있다. 접착제로서는 에폭시(epoxy)와 같은 강한 접착제를 얇은 막
으로 하여 사용한다.

(4) 기계소음 진동 방지대책의 요약

표에서 권고되는 기계소음방지 방법은 기계의 소음원 혹은 진동원에 대한 대책강구
이외의 것들이다. 즉 이들은 소음이나 진동 전달경로의 차단을 주목적으로 한다. 소음
이나 진동발생원에서의 대책강구는 효과는 크지만 일반적으로 기술적 및 경제적인 문
제가 따른다.

 

<기계 소음방지 방법 요약>