저 시-비 리- 경 지 2.0 한민

는 아래 조건 르는 경 에 한하여 게

l 저 물 복제, 포, 전송, 전시, 공연 송할 수 습니다.

다 과 같 조건 라야 합니다:

l 하는, 저 물 나 포 경 , 저 물에 적 된 허락조건 명확하게 나타내어야 합니다.

l 저 터 허가를 면 러한 조건들 적 되지 않습니다.

저 에 른 리는 내 에 하여 향 지 않습니다.

것 허락규약(Legal Code) 해하 쉽게 약한 것 니다.

Disclaimer

저 시. 하는 원저 를 시하여야 합니다.

비 리. 하는 저 물 리 목적 할 수 없습니다.

경 지. 하는 저 물 개 , 형 또는 가공할 수 없습니다.

석사학위논문

자동차 터보차저 베어링 시스템에

적용되는 스퀴즈 필름 댐퍼:

실험적 동적계수 측정을 위한 실험장치 개발

Squeeze Film Dampers

in Automotive Turbocharger Bearing Systems:

Test Rig Development for Identification of

Experimental Rotordynamic Force Coefficients

황 지 수

한양대학교 대학원

2018 년 2월

석사학위논문

자동차 터보차저 베어링 시스템에

적용되는 스퀴즈 필름 댐퍼:

실험적 동적계수 측정을 위한 실험장치 개발

Squeeze Film Dampers

in Automotive Turbocharger Bearing Systems:

Test Rig Development for Identification of

Experimental Rotordynamic Force Coefficients

지도교수 류 근

이 논문을 공학 석사학위논문으로 제출합니다.

2018 년 2월

한양대학교 대학원

융합시스템학과

황 지 수

- i -

요지

스퀴즈 필름 댐퍼는 유체 댐퍼로 회전체 베어링 시스템에 감쇠를 부여하는 요소이

다. 불균형 질량으로 인한 회전체-베어링 시스템의 응답과 회전체동역학적 불안정성

을 억제하는 효과를 지니고 있다. 이러한 스퀴즈 필름 댐퍼는 항공기 엔진, 차량용 터

보차저, 모터 등 다양한 분야에 사용되고 있다.

스퀴즈 필름 댐퍼의 설계는 시스템의 특성에 맞게 설계되어야 하지만, 레이놀즈 방

정식을 기초로 한 이론 모델로 성능을 추정하고 있다. 이에 따라 스퀴즈 필름 댐퍼에

대한 실험적 연구를 통해 이론 모델의 한계성을 입증하거나, 신뢰성을 확보하는 연구

들이 수행되어지고 있다. 이러한 실험적 연구는 항공기용 엔진 및 가스터빈에 사용되

는, 비교적 큰 사이즈의 스퀴즈 필름 댐퍼에 대해서만 이루어지고 있다. 따라서 본 논

문에서는 차량용 터보차저에 사용되는 스퀴즈 필름 댐퍼, 즉, 작은 사이즈의 스퀴즈

필름 댐퍼에 대한 실험적 연구에 필요한 실험장치 개발에 대한 연구가 수행되었다.

동적 계수 측정에 필요한 실험장치 시스템의 설계부터 조립 방법 및 실험 순서까지,

작은 크기의 스퀴즈 필름 댐퍼의 실험적 연구에 대한 기반을 다지고자 하였다.

실험 장치는 크게 저널, 베이스, 베어링 카트리지, 4개의 지지로드, 상단 구조물로

이루어진 스퀴즈 필름 댐퍼 장치와, 2개의 가진기, 데이터 획득 시스템, 오일 순환 장

치로 이루어져 있다. 스퀴즈 필름 댐퍼는 그루브를 중심으로 위, 아래 스퀴즈 필름 영

역을 가지는 형상으로 설계하였다. 실험에 사용된 저널의 직경은 10.92 mm로 차량용

터보차저와 같은 크기이다. 위, 아래 스퀴즈 필름 영역의 길이는 동일하게 4 mm, 간

극은 40 µm이고, 필름 끝은 실이 없는 형상이다. 그루브는 폭 3 mm, 깊이 3 mm를

가지는 형상으로 설계하였다. 90°로 위치한 기진기를 통해 스퀴즈 필름 댐퍼를 구현하

고, 측정된 동적 계수를 2계 자유도 시스템으로 나타날 수 있게 하였다. 중심 그루브

를 통해 스퀴즈 필름 영역에 오일을 공급하고, 다시 오일 탱크로 순활 될 수 있게 하

였다.

실험 장치의 구조적 특징을 파악하기 위해 정하중 실험, 임팩트 실험이 수행되었다.

두 가지 실험은 저널과 조립된 실험 장치에 대해 각각 수행되었다. 저널에 대한 정하

- ii -

중 실험 결과 17.32 MN/m의 강성이 측정되었다. 임팩트 실험 결과 고유진동수는

3152 Hz이고, 15.53 MN/m의 강성이 측정되었다. 조립된 실험 장치에 대한 정하중 실

험 결과 338.59 kN/m의 강성을 가지는 것으로 측정되었고, 임팩트 실험 결과 고유진

동수 144 Hz, 297.1 kN/m의 강성을 가진다는 것을 확인하였다.

이렇게 측정된 구조적 특성은 추후, 단 방향 동하중 실험 및 오일 윤활 시스템에서

의 원형 궤도 실험을 통해 스퀴즈 필름 댐퍼만의 동적계수를 산출하는데 사용 될 것

이다. 이처럼 본 연구를 통해 제안된 실험 장치는 차량용 스퀴즈 필름 댐퍼뿐만 아니

라 작은 사이즈의 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적 계수를 측정하고, 실험적 연구를 수행하

는데 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 더 나아가 작은 크기의 스퀴즈 필름 댐퍼의 연

구에 대한 기반이 될 것이라 판된된다.

- iii -

목 차

요지 ·················································································································································· i

목 차 ············································································································································· iii

List of Figures ························································································································v

List of Tables ······················································································································viii

기호설명 ···································································································································· ix

제 1장 서 론 ·······························································································································1

1.1 연구 배경 및 동향 ···········································································································4

1.2 연구 목적 및 내용 ···········································································································10

제 2장 실험장치 ········································································································14

2.1 실험장치 개요 ···················································································································14

2.2 스퀴즈 필름 댐퍼 장치 ···································································································17

2.2.1 저널 설계 ················································································································17

2.2.2 베어링 카트리지 설계 ······························································································19

2.2.3 편심 조절 장치 구성 ································································································22

2.3 데이터 획득 시스템 ·········································································································24

2.4 오일 윤활 시스템 ·············································································································25

제 3장 실험장치 조립 및 정렬 과정 ·············································································27

제 4장 실험방법 및 주파수 응답 함수 ········································································30

4.1 실험방법 ·····························································································································30

4.1.1 측정기기 보정 ············································································································30

4.1.2 정하중 실험 ················································································································30

4.1.3 임팩트 실험 ················································································································33

4.2 주파수 응답 함수 ·············································································································35

제 5장 실험결과 및 이론값과의 비교 ··········································································38

- iv -

5.1 저널의 강성 및 고유진동수 확인 ·················································································38

5.1.1 저널의 강성계수 계산 ······························································································38

5.1.2 저널의 고유진동수 계산 ··························································································40

5.1.3 정하중 실험 결과 ······································································································42

5.1.4 임팩트 실험 결과 ······································································································43

5.2 조립된 상태의 강성 및 고유진동수 확인 ···································································44

5.2.1 정하중 실험 ················································································································44

5.2.2 임팩트 실험 ················································································································45

제 6장 결론 및 향후 계획 ·································································································47

참고문헌 ······································································································································49

Abstract ·····································································································································52

부록 ···············································································································································54

부록 A: 실험장치 설계도면 ··································································································54

부록 B: 실험장치 측정결과 ··································································································73

부록 C: 측정 장비 ··················································································································79

부록 D: 변위센서 보정 ··········································································································81

부록 E: 단 방향 동하중 실험 및 원형궤도 실험 ····························································86

부록 F: 스퀴즈 필름 댐퍼 동적계수 규명 ·········································································89

헌사 ···············································································································································94

감사의 글 ·······················································································································95

- v -

List of Figures

Figure 1. Turbocharger bearing systems: TW (Turbine wheel), CW (Compressor

wheel), shaft, and bearings ·······································································································1

Figure 2. Squeeze film damper with roller bearing [1] ··················································2

Figure 3. Squeeze film in parallel with squirrel cage spring [2] ···································3

Figure 4. Forces on a bearing journal executing synchronous whirl [21] ················ 11

Figure 5. Bearing force transmissibility versus shaft speed ratio for two values of

damping [21] ································································································································11

Figure 6. Isometric views of the SFD test rig assembly ··············································14

Figure 7. Exploded view of squeeze film damper test rig ··········································15

Figure 8. Cut view of SFD test rig assembly ··································································16

Figure 9. Predicted first clamped-free mode natural frequency of journal ··············· 18

Figure 10. Journal part ···········································································································19

Figure 11. Drawing of bearing cartridge (BC): 3D model ·············································20

Figure 12. Bearing cartridge (BC) ························································································20

Figure 13. Cut view of BC at top film land (left) and bottom film land (right) ··· 21

Figure 14. Cut view of BC at central groove ···································································22

Figure 15. Eccentricity control system ················································································23

Figure 16. Assembled SFD test rig ·····················································································24

Figure 17. Schematic view of lubrication system ····························································26

Figure 18. Viscosity versus temperature, Mobil 1 ESP X1 0W-30 ····························26

Figure 19. Test setup for measurement of journal stiffness (overall view) ·············31

Figure 20. Test setup for measurement of journal stiffness (enlarged view) ········· 31

Figure 21. Test setup for measurement of assembly stiffness (overall view) ········ 32

Figure 22. Test setup for measurement of assembly stiffness (enlarged view) ····· 32

Figure 23. Test setup for journal impact test ···································································34

- vi -

Figure 24. Test setup for assembly impact test ······························································34

Figure 25. Single degree of freedom model ·······································································35

Figure 26. Freebody diagram of journal (left) and freebody diagram of journal at x

(right) ············································································································································38

Figure 27. Measured journal displacement versus applied static load ························42

Figure 28. Impact test result for journal: Accelerance versus frequency ··················43

Figure 29. Static load test result for assembled test rig ···············································44

Figure 30. Impact test result for assembled test rig : Accelerance versus

frequency ······································································································································45

Figure A.1. Drawing of journal ·····························································································54

Figure A.2. Drawing of base ··································································································55

Figure A.3. Drawing of bearing cartridge ········································································56

Figure A.4. Drawing of bearing cartridge (cut views) ···················································57

Figure A.5. Drawing of bearing cartridge cover ······························································58

Figure A.6. Drawing of upper plate ···················································································59

Figure A.7. Drawing of moving plate ··················································································60

Figure A.8. Drawing of journal support rod ····································································61

Figure A.9. Drawing of connecting rod ···············································································62

Figure A.10. Drawing of sensor adaptor for 1.9 mm diameter sensor ······················ 63

Figure A.11. Drawing of sensor adaptor for 1.6 mm diameter sensor ······················ 64

Figure A.12. Drawing of dummy of pressure sensor ······················································65

Figure A.13. Drawing of upper mount ·················································································66

Figure A.14. Drawing of upper plate support ····································································67

Figure A.15. Drawing of displacement sensor mount ·····················································68

Figure A.16. Drawing of shaker mount ···············································································69

Figure A.17. Drawing of key ··································································································70

Figure A.18. Drawing of assembled each part ··································································71

- vii -

Figure A.19. Drawing of assembled test rig with two shakers ···································72

Figure B.1. Journal measurement position ··········································································74

Figure B.2. Measurement of bearing cartridge inner diameter ·····································75

Figure B.3. Measurement of support rods length ···························································76

Figure B.4. Measurement of upper plate support length ················································77

Figure D.1. Test rig for calibration of sensors (left) and location of test surface

(right) ············································································································································81

Figure D.2. Calibration result for displacement sensor (3014 model) ························· 82

Figure D.3. Calibration result for displacement sensor (3015 model) ························· 83

Figure D.4. Calibration test rig for bearing cartridge and location of test surface 84

Figure D.5. Calibration result for displacement sensor at A (left) and at B (right)

(3014 model) ································································································································84

Figure D.6. Calibration result for displacement sensor at A (left) and at B (right)

(3015 model) ································································································································85

Figure F.1. Schematic illustration of SFD physical model ·············································89

- viii -

List of Tables

Table 1. Main dimensions for SFD (Design value) ·························································17

Table 2. Journal natural frequency and stiffness ·····························································44

Table 3. Assembled test rig natural frequency and lateral stiffness ··························46

Table B.1. Measured journal outer diameter ····································································74

Table B.2. Measured bearing cartridge inner diameter ·················································75

Table B.3. Measured support rods length ···········································································76

Table B.4. Measured upper plate support length ······························································78

Table C.1. List of Instrumentation for test rig ·································································79

Table C.1. List of Instrumentation for test rig (continued) ···········································80

Table E.1. Physical dimensions of SFD and operating condition. ······························· 87

- ix -

기호설명

film land clearance [m]

film thickness [m]

journal diameter [m],

journal radius [m],

damper axial length [m]

film land length [m]

groove width [m]

groove depth [m]

damping coefficients [N-s/m]

remnant damping coefficient [N-s/m]

stiffness coefficients [N/m]

structural support stiffness [N/m]

mass coefficients [kg]

remnant mass coefficients [kg]

bearing cartridge mass [kg]

test system natural frequency [Hz]

. Imaginary unit

bearing cartridge center and journal center

circular orbit amplitude and its components along X

and Y directions [m]

time [s]

coordinate axes

relative displacement of bearing cartridge respect to

- x -

the journal

bearing cartridge acceleration []

damping ratio [-]

oil density [] and viscosity [Pa.s]

excitation frequency [rad/s]

transmitted force from bearing to structure [N]

damping coefficients of bearing [N.s/m]

stiffness coefficients of bearing [N/m]

∞ transmitted force [N]

- 1 -

제 1장 서 론

차량용 터보차저(Automotive turbocharger)는 엔진의 배기가스를 활용하여 출력을

높이고, 연비를 개선하는데 활용됨으로써, 최근 엔진 다운사이징(down sizing)추세에

맞춰 활용되고 있다. 터보차저는 Figure 1과 같이 터빈날개, 압축기 날개, 회전축, 베

어링으로 이루어져 있다. 엔진에서 배출된 뜨거운 배기가스가 터빈 날개를 구동하고,

축과 연결된 압축기 날개를 통해 외부의 공기가 압축되어 엔진으로 들어감으로써 엔

진의 출력을 높인다.

터보차저는 크게 플로팅 링 베어링(Fully-Floating Ring Bearing, FFRB), 세미 플

로팅 링 베어링(Semi-Floating Ring Bearing, SFRB), 볼 베어링(Ball Bearing) 시스

템 3가지로 지지된다. 세미 플로팅 링 베어링, 볼 베어링의 경우 베어링과 베어링 하

우징 사이의 유막은 스퀴즈 필름 댐퍼(Squeeze Film Damper, SFD)의 역할을 한다.

(a) Floating Ring Bearing (FRB) (b) Semi-Floating Ring Bearing (SFRB)

(c) Ball Bearing (BB)

Figure 1. Turbocharger bearing systems: TW (Turbine wheel), CW

(Compressor wheel), shaft, and bearings

- 2 -

스퀴즈 필름 댐퍼는 유체 댐퍼로, 회전체-베어링 시스템에 감쇠를 부여하는 감쇠

요소로 불균형 질량으로 인한 회전체-베어링 시스템의 응답과 회전체동역학적 불안정

성을 억제하는 효과를 지니고 있다. 스퀴즈 필름 댐퍼는 Figure 2에 나타난 것과 같

이 베어링의 바깥쪽 면과, 베어링 하우징 사이의 오일 층을 의미한다. 저널의 움직임

에 따라 베어링과 베어링 하우징 사이의 유막의 두께가 변하게 됨으로써 생기는 반력

이 댐퍼로써의 역할을 하는 것이다. Figure 3은 항공기 가스 터빈에 사용되는 스퀴즈

필름 댐퍼로, Figure 2의 스퀴즈 필름 댐퍼와는 다르게 스크롤케이지를 사용한 것이

다. 스크롤케이지는 스프링 지지요소로, 축의 정렬을 맞추고, 축에 가해지는 힘과 변

형을 감소시키는 역할을 한다. 더불어 스크롤케이지는 축의 모드 형상에 있어서, 베어

링 위치에 모드 형상의 노드가 존재하는 경우 댐퍼의 역할로써 사용된다. 이러한 장

점이 있는 반면 스크롤케이지는 단가가 비싸고, 복잡한 구조를 하고 있기 때문에 사

용이 제한적이다. 때문에 주로 항공기 같이 큰 시스템에서 사용하고, 차량용 터보차저

에는 사용하지 않고 있다.

Figure 2. Squeeze film damper with roller bearing [1]

- 3 -

Figure 3. Squeeze film in parallel with squirrel cage spring [2]

이러한 스퀴즈 필름 댐퍼는 항공기의 엔진, 압축기, 차랑용 터보차저 등에 적용되어

회전체 베어링 시스템의 안정성을 개선한다. 스퀴즈 필름 댐퍼의 감쇠가 너무 크면

스퀴즈 필름 댐퍼는 시스템에 강성체로 작용하여 오히려 시스템의 응답을 악화시키

고, 너무 작으면 비효율적이게 된다. 이와 더불어 시스템의 크기와 내부 공간에 의한

많은 제약이 있기 때문에 설계 시 많은 주의가 필요하다.

스퀴즈 필름 댐퍼의 설계변수는 스퀴즈 필름 댐퍼의 간극, 축 방향 길이, 오일 점성

등이 있다. 이러한 변수에 따라 스퀴즈 필름 댐퍼의 성능은 달라진다. 하지만, 스퀴즈

필름 댐퍼의 설계 및 적용을 위하여 레이놀즈 방정식(Reynolds equation)을 기초로

한 이론 모델에 의존하여 성능을 추정하거나 경험에 의존하고 있다. 하지만 최근 실

험적 연구를 통해 기존 이론 모델에 한계가 있음이 증명되었다. 또한 이론 모델에서

는 공기 유입이나, 공동현상을 고려하지 않기 때문에 정확하게 추정하지 못하는 한계

가 있다.

따라서 본 연구에서는 실제 차량에 사용되는 스퀴즈 필름 댐퍼와 동일한 크기를 갖

는 동적계수를 실험적으로 측정 할 수 있는 실험 장치를 제안하고자 한다. 제안된 실

험 장치를 통해 정하중 실험, 임팩트 실험, 단 방향 동하중 실험을 통해 실험장치의

- 4 -

구조적 동적계수를 파악하고, 원형궤도 실험을 통해 오일 윤활 시스템에서의 동적계

수를 측정한다. 측정된 결과를 바탕으로 스퀴즈 필름 댐퍼만의 동적계수를 도출하는

것이 최종 목표이다. 이로써 작은 크기의 스퀴즈 필름 댐퍼에 대한 실험적 연구에 대

한 기반을 다지고자 한다.

1.1 연구 배경 및 동향

회전체-베어링 시스템에 적용된 스퀴즈 필름 댐퍼의 성능은 댐퍼의 설계 변수 즉,

댐퍼의 길이, 간극, 형상 및 실의 유무 등에 따라 천차만별로 달라진다. 시스템에 적

합한 스퀴즈 필름 댐퍼를 설계해야만 효율적으로 시스템의 진동을 줄일 수 있다. 신

뢰성 있는 스퀴즈 필름 댐퍼의 설계를 위해 설계변수에 대한 다양한 이론 및 실험적

연구가 진행되고 있다.

1975년 Cunningham, Fleming, Gunter[3]는 1차 굽힘 모드 이상 – 2차 굽힘 모드

미만에서 운전하는 소형 터보압축기의 동기 주파수 응답 크기와 베어링과 지지물에

가해지는 하중을 억제하기 위하여 요구되는 감쇠 계수를 갖는 스퀴즈 필름 댐퍼를 설

계하였다. 회전체-베어링 시스템의 해석 결과, 1차 굽힘 모드에서의 스퀴즈 필름 댐퍼

적용 후의 축 중심 응답 크기는 1/16, 베어링 하중은 1/36로 줄어들었으며, 1차 굽힘

모드 이상에서도 응답 및 하중의 크기가 상당히 줄어든 것을 확인하였다. 그러나 예

측된 시스템의 불균형 질량보다 더 큰 불균형 질량 값을 부여하여 해석을 수행한 결

과, 스퀴즈 필름 댐퍼를 적용하기 전보다 오히려 응답 및 베어링 하중의 크기가 2배

가량 더 커지는 것으로 나타났다. 따라서 스퀴즈 필름 댐퍼의 설계가 적절히 이루어

지지 못할 경우, 스퀴즈 필름 댐퍼를 적용하지 않은 경우보다 시스템에 더 큰 손상을

일으킬 수 있음을 확인하였다.

1977년 Gunter, Barrett, Allaire[4]는 비선형 과도응답 해석을 통해 항공기 엔진 회전

축을 지지하는 스퀴즈 필름 댐퍼의 영향을 고찰하였다. 비선형 감쇠 요소의 단 방향

하중 조건 및 센터링 스프링 장착 여부에 따른 동적 거동을 분석하기 위하여 비선형

- 5 -

과도응답 해석을 수행하였다. 해석은 댐퍼의 축 방향 길이를 11.43 mm (0.45 in), 반

지름을 64.77 mm (2.55 in), 반경 간극을 0.102 mm (4 mils), 센터링 스프링의 강성을

21.54 MN/m, 불균형 질량을 176 N/m로 부여하여 16,800 rpm에서 수행하였다. 일반

적으로 시스템에 맞게 적절히 설계된 스퀴즈 필름 댐퍼의 경우, 불균형 질량에 의한

응답을 억제하기 위해서는 동적 전달률이 1 이하여야 한다. 축 방향 길이를 11.43

mm (0.45 in)에서 22.86 mm (0.90 in)로 증가시켜 과도응답 해석을 수행한 결과, 동적

전달률이 0.65로 나타났으며, 센터링 스프링을 고려하지 않은 경우는 동적 전달률이

0.8로 나타났다. 그러나 무차원 불균형 질량의 크기를 0.25에서 0.5로 증가시키자 다시

동적 전달률이 1 이상으로 상승하였다. 동적 전달률이 크게 나타나는 것은 비선형 감

쇠 요소인 스퀴즈 필름 댐퍼의 강성 계수가 편심률에 따라 급격히 증가하기 때문인

데, 높은 강성 계수는 스퀴즈 필름 댐퍼의 성능을 저하시키는 것으로 나타났다. 해석

결과를 바탕으로 논문에서 사용한 스퀴즈 필름 댐퍼 모델에는 점프 현상이 일어나지

않기 위해 허용 가능한 수준의 불균형 질량 크기가 있으며, 동적 전달률은 오일 공급

압력을 증가시키는 방안 등을 이용하여 댐퍼 내의 강성 계수를 줄임으로써 낮출 수

있음을 확인하였다. 또한, 스퀴즈 필름 댐퍼의 정확한 성능 평가를 수행하기 위해서는

비선형 과도응답 해석이 필요하다는 것을 밝혔다.

이러한 이론적 연구 이후에 이론의 신빙성을 입증하고자 실험적 연구가 진행되었

다. 참고문헌 [5]에 따르면 1985년 San Andrés는 스퀴즈 필름 댐퍼의 실험적 연구를

통해 기존 이론 모델의 한계성을 입증하였다. 기존 이론모델에서는 스퀴즈 필름 댐퍼

의 중심 그루브가 양쪽 댐퍼를 완전히 나누어 고립시킨다고 알려져 있었지만, 중심

그루브에서의 압력측정을 통해 일정 압력이 존재함을 입증하였다. 이는 중심 그루브

의 압력 즉, 그루브에 존재하는 유체의 관성이 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적 특성에 영향

을 미친다는 것이다. 이후, 1992년 San Andrés는 선행 연구의 문제점을 해결하기 위

해 짧은 길이 베어링에 대하여 저널이 중심위치에서 작은 궤도에서 움직이는 경우에

대한 새로운 이론 모델을 제시하였다. 이 이론모델에서는 중심 그루브에서의 압축성

효과를 고려하였고, 기존 이론 모델보다 실험결과와 더욱 일치하였다.

2006년 Defaye, Arghir, Bonneau[6], 2010년 Gehannin, Arghir, Bonneau[7]는 대량 유

- 6 -

동 모델을 기초로 유체의 관성 효과와, 주입 그루브와 오리피스에서의 지역적 효과를

고려한 모델을 제시하였다. 또한 반경방향, 접선 방향의 힘을 예측하여 실험결과와 비

교한 결과, 기존 모델에서는 r/c>0.5에서 크게 달라지는 반면, 새로운 모델은 실험값

과 예측 값이 일치함을 보임으로써 대량 유동 모델이 스퀴즈 필름 댐퍼의 성능을 예

측하는데 적합하다 결론지었다.

2012년 San Andrés, Delgado[8]는 중심 그루브에 대량 유동 모델을 적용한 유한요소

모델을 소개하였다. 해석은 실제 깊이와 다른 유효 그루브 깊이개념을 사용하여 이루

어 졌다. 유효 그루브 깊이를 고려한 이론 모델의 해석 결과 한정된 범위 안에서 연

성강성과 부가 질량 계수를 예측하는데 있어 큰 개선이 이루어 졌음을 보였다. 또한,

매개변수적 연구를 통해 유효 그루브 깊이에 따라 감쇠계수는 감소하고, 부가 질량

계수의 경우는 커짐을 보였다. 이는 그루브가 존재하지 않는 것 보다 존재하는 것이

질량 계수를 크게 한다는 것을 의미하고, 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적 계수는 그루브와

관련된 함수로 나타낼 수 있다고 결론지었다.

스퀴즈 필름 댐퍼에 대한 이론적인 연구뿐만 아니라 스퀴즈 필름 댐퍼의 설계변수

(간극, 길이, 그루브의 유무, 실의 유무 등)에 대한 실험적 연구 또한 활발히 이루어지

고 있다.

1990년대에 Diaz, San Andrés[9-11]는 외부 공기 유입과 공기의 갇힘, 공동현상이 스

퀴즈 필름 댐퍼의 동적 특성에 어떠한 영향을 미치는지를 실험적으로 연구하였다. 가

장 간단한 형상을 띈 스퀴즈 필름 댐퍼를 사용하였고, 필름 랜드에 압력센서를 배치

하여 그 영향을 파악하였다. 공기 유입의 경우, 공기 유입 현상이 발생되는 궤도의 크

기를 찾고, 일정 궤도 이상에서의 실험을 통해 공기 유입을 관찰하였다. 공기의 갇힘

현상에 대한 실험은 오일에 공기를 섞어 필름 영역에 주입하는 방식을 선택하였다.

공기 유입, 갇힘, 공동현상이 발생 할 때 스퀴즈 필름 영역의 압력이 상승하지 않고

일정한 압력을 가지는 구간이 생긴다는 것을 밝혔다. 이러한 평평한 압력 구간으로

인해 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적 계수가 기존 이론모델을 사용하여 예측한 값과 다르다

는 것을 보였다. 이러한 연구에 대한 실험 장치 및 실험 방법에 관해선 참고문헌 [12]

에 자세히 기술되어 있다.

- 7 -

2004년 Delgado, San Andrés[13]는 항공기 가스터빈에 사용되는 스퀴즈 필름 댐퍼에

대한 실험적 연구를 수행하기 위한 실험 장치를 개발하였다. 저널과 베어링 카트리지

를 사용하여 구현한 스퀴즈 필름 댐퍼의 형상은 랜드 길이 25.4 mm, 반경방향 간극

0.127 mm이다. 베어링 카트리지에 90°로 연결된 2개의 가진기를 통해 스퀴즈 필름 댐

퍼를 구현하였다. 베어링 카트리지는 상단의 지지구조에서 연결된 4개의 로드에 의해

지지하였다. 상단의 지지구조는 위, 아래 판으로 나누어 필요에 의해 편심을 조절할

수 있도록 하였다. 이러한 실험 장치에 대한 설명과 더불어 데이터 획득 시스템 및

윤활 시스템에 대해 기술하였다. 또한, 실험 및 동적 계수 규명에 대한 전반적인 과정

에 대해 기술하였다.

2006년 San Andrés, Delgado[14]는 앞선 연구에서 개발한 실험 장치를 사용하여 스

퀴즈 필름 댐퍼에 대한 실험적 연구에 대해 자세히 기술하였다. 스퀴즈 필름 댐퍼의

동적 계수 측정을 위한 실험의 첫 단계로 실험장치의 구조적 강성 및 유효 질량을 파

악하기 위한 정하중 및 임팩트 실험을 수행하였다. 두 번째 단계로는 실험 장치에 가

진기를 연결하고, 오일 윤활을 제외한 채 진행한 실험으로 기계적 실의 건조 마찰력

을 측정하였다. 마지막으로 실험 장치에 오일을 공급하여 실험 시스템의 동적 계수를

측정하였다. 실험결과 시스템의 감쇠 계수는 낮은 주파수, 작은 궤도에서 가장 크게

나타났으며 이는 건조 마찰의 영향임을 밝혔다. 또한 산출된 스퀴즈 필름 댐퍼의 감

쇠 계수는 가진기의 주파수에 독립적이지만, 궤도의 크기에 따라 살짝 증가하는 경향

을 가진다는 것을 보였다. 또한, 실이 오일의 새어나감이나, 필름 랜드로의 공기 유입

을 차단함을 입증하였다.

2007년 San Andrés, Delgado[15]는 동일한 실험 장치를 사용하여 베어링 카트리지를

두 방향으로 가진하는 원형 궤도에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 앞선 연구에 이

어 오일 순환 시스템에서의 원형 궤도에 대한 실험적 연구에 대해 자세히 기술하였

다. 실험결과 앞선 오일 순환 시스템에서의 단 방향 동하중 실험과 일치하는 결과를

얻었고, 수정된 모델을 사용한 이론값과 일치함을 보였다.

참고문헌 [16]은 같은 형상의 스퀴즈 필름 댐퍼에 대한 연구로, 필름 영역의 압력을

측정하고 가진 주파수와, 궤도의 크기에 따라 실험을 수행하였다. 실험결과 가장 큰

- 8 -

궤도 크기 (74 µm, 50 Hz)에서, 또 가장 높은 주파수 (32 µm, 110 Hz)에서 스퀴즈 필

름 영역으로의 공기 유입이 일어남을 밝혔다. 또한, 실을 사용함으로써 공기 유입을

피하는데 효과적이고, 공기 유입으로 인해 성능에 대한 영향이 크지 않다는 결론을

내었다.

스퀴즈 필름 댐퍼의 실에 대한 영향에 대한 실험적 연구 이외에도, 실이 없는 스퀴

즈 필름 댐퍼의 형상에 대한 연구 또한 이루어졌다.

2012년 San Andrés[17]는 실이 없는 댐퍼의 길이에 대한 영향을 살피기 위한 실험적

연구를 수행하였다. 기존의 실험 장치와는 다른 실험 장치를 사용하였다. 기존 실험

장치는 베이스 위에 구조물을 세우고, 그 구조물에 4개의 로드를 사용하여 베어링 카

트리지를 지지하였다. 반면에, 이 실험 장치는 베이스위에 바로 지지로드를 사용하여

베어링 카트리지를 지지하였다. 또한 유압식 정하중 장치를 사용하여 편심에 따른 동

적 특성에 대한 연구도 진행하였다. 기존 실험 장치로는 편심을 구현하는데 어려움이

있었고 이를 개선한 실험 장치이다. 실험에 사용된 댐퍼는 공통적으로 중심 그루브를

중심으로 평행한 두 필름 영역을 가지는 스퀴즈 필름 댐퍼이고, 공칭 반경방향 간극

은 0.127 mm로 동일하다. 또한 두 댐퍼 모두 길이 12.7 mm, 깊이 9.5 mm의 그루브

를 가진다. 짧은 길이의 스퀴즈 필름 댐퍼는 12.7 mm, 긴 길이의 스퀴즈 필름 댐퍼는

25.4 mm를 사용하였다. 두 댐퍼에 대한 실험 결과 감쇠 계수와 관성 계수는 같은 경

향을 보였다. 하지만, 긴 댐퍼의 경우가 짧은 댐퍼보다 6배 큰 감쇠 계수를, 3배 큰

부가 질량을 가진다는 결과를 얻었다. 이와 더불어 중심 위치에서 측정된 압력을 통

해 중심 그루브는 두 필름 영역을 완벽히 분리하지 않고, 두 댐퍼에 영향을 미친다는

것을 확인하였다.

2013년 Jeung[18]은 스퀴즈 필름 댐퍼가 큰 궤도로 움직이는 경우 및 편심 조건에

따라 동적 특성이 어떻게 달라지는지를 확인하기 위한 연구를 수행하였다. 더불어, 연

구에 사용된 실험 장치와 실험 방법 및 동적 계수 규명 방법까지 자세히 기술하였다.

연구에 사용된 스퀴즈 필름 댐퍼의 형상은 필름 랜드 길이 25.4 mm, 간극 0.251 mm,

그루브의 길이 12.7 mm, 그루브 깊이 9.5 mm이다. 참고문헌 [17]의 실험 장치를 사용

하여 실험을 수행하였다. 스퀴즈 필름 댐퍼의 감쇠 계수는 편심에 따라 증가하지만,

- 9 -

관성 계수는 궤도가 커짐에 따라 감소하고, 편심에 따라 증가한다는 결론을 도출 하

였다. 이러한 실험 결과는 관성 효과를 포함하는 수정된 레이놀즈 방정식을 사용한

예측 값과 대체적으로 일치하는 결과임을 보였다. 편심이 간극의 0.51배 정도 까지는

일치하지만, 0.76배가 되었을 때는 과도하게 예측됨을 보였다. 또한 압력의 경우 궤도

의 크기가 간극의 0.61배 일 때 갑작스러운 증가와 평평한 구간이 측정되었는데, 이는

공기가 유입되어 평평한 구간이 나타남을 시사한 것이다. 스퀴즈 필름 댐퍼의 압력은

궤도의 크기와 주파수에 비례하여 증가한다는 것 또한 확인하였다.

2015년 San Andrés, Jeung[19]는 참고문헌 [17], [18]에 제시된 스퀴즈 필름댐퍼의 형

상에 대한 실험결과를 비교하였다. 두 스퀴즈 필름 댐퍼는 간극을 제외하고 모두 같

은 크기를 갖는 형상이다. 두 실험 결과에 대한 비교를 통해 간극이 작을 때 감쇠 및

관성 계수가 크게 나타남을 밝혔다.

2016년 San Andrés, Jeung, Den, Savela[20]는 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적 특성에 영

향을 미치는 설계변수에 대한 종합적인 실험적 연구를 수행하였다. 127 mm의 직경을

가지는 저널을 사용하였고, 다양한 형상을 가진 저널 및 베어링 카트리지를 이용하여

그루브 유무에 따른 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적 특성 영향, 오일 필름 두께에 따른 영

향, 실(seal) 유무에 따른 영향, 오일 주입구 수에 따른 영향, 축 방향 댐퍼 길이에 따

른 영향을 댐퍼와 저널 사이의 편심률 및 궤적 응답 크기와 비교하였다. 스퀴즈 필름

댐퍼의 감쇠 계수는 선형성을 나타낸다는 것을 실험을 통해 규명하였다. 기존 이론에

부합하는 감쇠 계수의 비선형성은 가장 단순한 형태인 오일 그루브가 존재하지 않고,

실(seal)이 장착되어 있지 않으며 축 방향 댐퍼 길이가 25.4 mm, 댐퍼 틈이 0.267

mm인 경우에만 나타나는 것으로 확인되었다.

현재까지 스퀴즈 필름 댐퍼에 대한 연구는 실험적 연구를 통해 스퀴즈 필름 댐퍼의

동적계수를 측정하고, 수정된 모델로 예측한 결과와의 비교가 주를 이루었다. 스퀴즈

필름 댐퍼의 길이, 간극, 그루브 형상 및 실의 유무, 즉, 설계변수에 대한 동적 계수의

변화에 대한 연구가 이루어 졌다. 이와 더불어, 가진 주파수와 편심에 따른 연구도 이

루어 졌다. 이러한 연구를 통해 실험 장치, 실험 방법 및 실험 결과에 대한 기반을 다

져왔다. 하지만 다양한 크기에 대한 스퀴즈 필름 댐퍼에 대한 연구는 이루어지지 않

- 10 -

았다. 최근까지 실험적 연구에 사용된 스퀴즈 필름 댐퍼는 항공기 가스터빈에 적용되

는 것과 같이 큰 사이즈의 스퀴즈 필름 댐퍼에 대한 연구만이 이루어 졌을 뿐이다.

차량용 터보차저, 모터 등에 세미 플로팅 링, 볼 베어링과 함께 사용되는 스퀴즈 필름

댐퍼에 대한 연구는 전혀 이루어지지 않고 있다.

1.2 연구 목적 및 내용

스퀴즈 필름 댐퍼는 회전체 베어링 시스템이 요구하는 성능을 갖추도록 설계되어야

한다. 스퀴즈 필름 댐퍼의 감쇠가 너무 크면 스퀴즈 필름 댐퍼는 시스템에 강성체로

작용하여 응답이 커지게 된다. 반대로 감쇠가 너무 작으면 효율적으로 응답특성을 개

선하지 못한다. 이러한 특성은 전달력과 연관이 있다. Figure 4는 저널의 휘돌림에 따

른 베어링에 작용하는 힘을 나타낸다. 여기서 는 반경방향 강성력을 ( ),

는 접선방향 감쇠력 ( )을 의미한다. 이때 베어링에서 기계구조로 전달되

는 힘, 즉, 전달력 는 두 힘 벡터의 합으로 나타낼 수 있다.

(1.1)

만약 베어링을 지지하는 부분이 매우 단단하다 가정하면 전달력은 다음과 같다.

∞

(1.2)

Figure 5는 무차원 수로 나타낸 이 두 힘의 비를 사용하여 두 가지 감쇠에 대해 회

전 속도 비에 따른 전달성을 나타낸다. Figure 5에 나타난 것과 같이 감쇠가 너무 커

지게 되면 오히려 전달력이 증가하게 되어 시스템에 악영향을 미치게 되고, 반대로

감쇠가 너무 낮다면 효율적으로 응답특성을 개선할 수 없게 된다.

- 11 -

Figure 4. Forces on a bearing journal executing synchronous whirl [21]

Figure 5. Bearing force transmissibility versus shaft speed ratio for two

values of damping [21]

- 12 -

스퀴즈 필름 댐퍼는 최근 터보기계의 효율 극대화를 위한 경량화, 소형화, 초고속화

추세에 맞추어 다양한 시스템에 적용되고 있다. 스퀴즈 필름 댐퍼의 설계변수로는 스

퀴즈 필름 댐퍼의 길이, 간극, 오일 점성이다. 스퀴즈 필름 댐퍼의 실의 유무 또한 스

퀴즈 필름 댐퍼의 설계변수가 될 수 있다. 이러한 설계변수에 따라 스퀴즈 필름 댐퍼

의 성능은 천차만별이지만, 이를 확인하는 하는 방법은 레이놀즈 방정식에 근거한 이

론적인 예측 또는 경험에 의지하는 것뿐이다.

이론적으로 설계한 스퀴즈 필름 댐퍼의 신뢰성을 평가하기 위한 연구가 이어져 왔

다. 기존 연구의 대부분은 항공기 엔진에 적용되는 스퀴즈 필름 댐퍼와 같이 큰 크기

의 스퀴즈 필름 댐퍼에 대한 연구가 이루어져 왔다. 스퀴즈 필름 댐퍼의 형상 및 설

계변수에 따라 동적특성을 관찰하고, 레이놀즈 방정식을 기초로 한 이론값과 얼마나

일치하는지를 확인하기 위한 연구가 주를 이루었다. 이와 더불어 편심, 궤도형상 및

궤도의 크기와 같은 운전 조건에 대한 특성 변화를 관찰하는 연구도 이루어지고 있

다. 하지만, 차량용 터보차저에 적용되는 스퀴즈 필름 댐퍼 같은 작은 사이즈의 스퀴

즈 필름 댐퍼에 대한 실험적 연구는 전혀 이루어지지 않았다.

따라서 본 논문에서는 차량용 터보차저에 적용되는 스퀴즈 필름 댐퍼, 즉, 작은 사

이즈의 스퀴즈 필름 댐퍼에 대한 실험적 연구를 수행 할 수 있는 실험 장치를 제안하

고자 한다. 이와 더불어, 작은 크기의 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적계수 측정을 위한 실험

장치 조립 순서 및 실험 순서에 대한 기반을 다질 것이다. 제안된 실험 장치를 통해

베어링 카트리지의 변위, 스퀴즈 필름 댐퍼 영역에서의 압력, 가진기의 하중을 측정한

다. 측정 결과를 토대로 Instrumental Variable Filter Method (IVFM)을 적용하여 스

퀴즈 필름 댐퍼의 동적 특성 계수인 강성, 감쇠 계수를 계산하는 것이 본 연구의 최

종 목표이다.

제 1장에서는 스퀴즈 필름 댐퍼의 실험적 연구를 수행하게 된 배경과 연구 동향을

기술하고 본 연구의 최종 목적과 내용에 대하여 기술하였다.

제 2장에서는 이러한 연구 배경을 바탕으로 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적 계수를 측정

하기 위한 실험 장치에 대한 전반적인 구조에 대해 기술하였다. 또한 실험 장치에 사

- 13 -

용되는 저널, 베어링 카트리지, 편심 조절 장치 등의 각 요소별 설계 목적과 근거에

대해 자세히 기술하였다. 또한 데이터 획득 시스템 및 오일 윤활 시스템 등의 전체

실험장치 구성에 대하여 기술하였다.

제 3장에서는 제 2장에서 기술한 실험 장치를 저널과 베어링 카트리지의 중심을 맞

추며 조립하는 방법 및 순서에 대하여 기술하였다.

제 4장에서는 제 2장에서 기술한 실험 장치를 사용하여 수행하게 될 실험의 목적과

과정 및 실험 데이터의 후 처리에 필요한 기초 이론에 대해 기술하였다.

제 5장에서는 스퀴즈 필름 댐퍼 실험장치의 저널에 대한 고유진동수와 강성을 측정

한 실험결과와 이론값과의 비교에 대해 기술하였다. 또한, 조립된 실험장치의 고유진

동수와 강성을 측정한 실험의 결과에 대해 기술하였다.

마지막으로, 제 6장에서는 본 연구에 대한 결론과 향후 연구 방향에 대하여 기술하

였다.

이러한 연구 과정을 통해 작은 크기의 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적 계수를 측정하기

위한 실험 장치를 제안하고, 실험장치 조립 및 실험 순서에 대해 상세히 기술하였다.

이로써 작은 크기의 스퀴즈 필름 댐퍼의 실험적 연구에 대한 기반을 마련하였다.

- 14 -

제 2장 실험장치

2.1 실험장치 개요

Figure 6은 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적계수 실험장치의 모습을 나타낸다. 실험 장치

는 크게 90°로 위치한 2개의 가진기, 스퀴즈 필름 댐퍼 장치, 오일 순환 장치로 구성

되어 있다. 90°로 2개의 가진기를 배치함으로써 실제 차량 조건과 같이 원형궤도, 타

원형 궤도를 구현할 수 있다. 또한 이를 통해 도출되는 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적 계

수는 X, Y 축의 2차원 형태로 표현할 수 있다.

Figure 6. Isometric views of the SFD test rig assembly

Figure 7은 스퀴즈 필름 댐퍼 장치의 분해조립도를 나타낸다. 스퀴즈 필름 댐퍼 장

치는 크게 저널, 베이스, 베어링 카트리지, 4개의 커넥팅 로드, 저널로드, 상단구조물로

- 15 -

이루어져 있다. 저널 베이스는 제진 테이블 위에 고정되어 있고, 그 위에 저널과 상단

구조물이 고정되어 있다. 저널은 상단 구조물로부터 저널 고정로드로 연결함으로써

저널의 휘어짐을 방지하고, 양쪽에 고정단 조건을 줄 수 있도록 하였다. 상단 구조물

은 위, 아래 판으로 나누어 설계하였다. 베어링 카트리지는 상단 판과 4개의 커넥팅

로드로 고정할 수 있도록 하였다. 이는 베어링 카트리지에 커넥팅 로드의 구조 강성

을 줌으로써 중심위치로 돌아올 수 있도록 하기 위함이다. 또한, 상단 판에 고정되어

있기 때문에, 상단 판을 움직임으로써 편심에 대한 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적계수의

변화를 측정 할 수 있게 하였다.

Figure 7. Exploded view of squeeze film damper test rig

- 16 -

Figure 8은 실험장치의 결합부의 단면도이고, Table 1은 스퀴즈 필름 댐퍼의 기본

적인 치수를 나타낸다. 10.92 mm의 외경을 가지는 저널은 제진 테이블에 고정된 저

널베이스에 고정된다. 저널과 베어링 카트리지 사이 간극(C)은 40 µm이고 윤활 되는

구간의 길이는 위, 아래 각각 4 mm이다. 그림에 나타난 것처럼, 오일은 외부의 오일

탱크로부터 베어링 카트리지의 중심 그루브로 유입된다. 이 오일은 상, 하부 필름 랜

드를 지난다. 하부 필름 랜드를 거친 오일은 베이스에 존재 하는 오일 저장고로 떨어

져 출구를 통해 다시 오일 탱크로 빠지게 되고, 상부 필름 랜드를 거친 오일은 베어

링 카트리지에 설계되어 있는 오일 출구를 통해 다시 오일 탱크로 순환한다.

Figure 8. Cut view of SFD test rig assembly

- 17 -

Geometry

Journal Diameter, D 10.92 mm

Land Length, LF 4 mm

Radial Land Clearance, C 40 µm

Damper Axial Length

(two lands + groove), 2LF+LG11 mm

Central Groove

Groove Axial length, LG 3 mm

Groove Depth, DG 3 mm

Table 1. Main dimensions for SFD (Design value)

2.2 스퀴즈 필름 댐퍼 장치

스퀴즈 필름 댐퍼 장치는 참고문헌 13-15의 실험 장치와, 참고문헌 16-20에 소개된

실험 장치를 참고하여, 본 연구의 시스템에 알맞게 설계하였다. 부록 A에 스퀴즈 필

름 댐퍼 장치에 대한 설계도면을 첨부하였다. 각각의 부품에 대한 치수는 설계도면에

자세히 표현되어있다. 또한 부록 B에는 제작되어진 주요 부품들에 대한 측정 결과가

표기되어 있다.

2.2.1 저널 설계

저널의 경우 기존 연구들과는 다르게 베이스와 분리 할 수 있는 단순 빔 형상을 가

지도록 설계하였다. 그 이유는 저널의 직경이 매우 작기 때문에 가공에 부적합 하고,

저널이 휘는 문제가 발생할 수 있기 때문이다. 실험 장치에 사용된 저널은 차량용 터

보차저의 SFRB의 외경과 같은 크기인 10.92 mm를 가지도록 설계하였다. 저널 길이

의 경우 저널의 고유진동수가 실험 장치의 작동 조건 내에 존재하지 않도록, 또한 베

어링 카트리지 위에 설치할 변위센서를 고려하여 충분한 길이를 가지도록 설계하였

다. Figure 9는 상용 유한요소 해석 프로그램을 이용한 저널의 clamped - free mode

고유 진동수 해석 결과를 나타낸다. 해석 결과, 저널의 길이가 47 mm일 때, 고유진동

수는 3672 Hz로 가진기의 최대 주파수인 3000 Hz와 분리 여유를 갖는 것으로 예측되

- 18 -

었다. 이러한 해석결과를 토대로 저널 설계를 수행하였다.

Figure 9. Predicted first clamped-free mode natural frequency of journal

또한 저널의 경우 베이스와 분리되는 형식을 선택하였다. Figure 10은 제작된 저널

의 형상을 나타낸 것이다. 저널의 상단에는 저널의 휘어짐을 방지하기 위한 저널 고

정 로드가 삽입될 부분을 가공하였다. 본 논문의 연구에선 저널 고정 로드를 사용하

지 않았지만, 저널의 휘어짐이 발생할 것을 고려하여 설계하였다. 또한 앞서 언급한

것과 같이 저널은 베이스와 분리하여 결합하는 방식을 선택하였다. 추후 저널과 베어

링 카트리지만을 교체하여 다양한 형상에 대한 연구를 수행할 수 있게 하기 위함이

다.

- 19 -

Figure 10. Journal part

2.2.2 베어링 카트리지 설계

Figure 11은 베어링 카트리지의 모습과 단면도의 3D모델이다. Figure 12는 실제 제

작된 베어링 카트리지의 모습을 나타낸다. 중심 그루브와 2개의 필름 영역을 가지는

스퀴즈 필름 댐퍼를 가지는 형상으로 설계 및 제작 하였다. 베어링 카트리지의 필름

영역 내경은 11 mm로 저널과 반경방향 40 µm의 간극을 가지도록 설계하였다. 베어

링 카트리지의 상단에는 4개의 로드, 2개의 변위센서 홀더가 위치할 수 있도록 설계

하였다. 그림에 표기된 위치는 각각 스퀴즈 필름댐퍼의 상부 필름 랜드의 중심, 그루

브의 중심, 하부 필름 랜드의 중심의 위치를 나타낸다.

- 20 -

Figure 11. Drawing of bearing cartridge (BC): 3D model

Figure 12. Bearing cartridge (BC)

Figure 13는 베어링 카트리지의 상단, 하단 필름 영역에서의 단면을 나타낸다. 상

단, 하단 필름영역에는 각각 3개의 압력센서가 120°에 위치하도록 설계하였다. 이를

통해, 스퀴즈 필름 영역의 원주방향에 따른 압력 분포를 파악하고, 공기유입이나 공동

- 21 -

현상의 발생 유무를 판별하고자 하였다.

Figure 13. Cut view of BC at top film land (left) and bottom film land (right)

Figure 14은 베어링 카트리지 그루브에서의 단면도를 나타낸다. 그루브 중심 위치

에는 그림과 같이 90°로 위치한 2개의 가진기 스팅거가 연결되는 부위, 120°씩 떨어진

3개의 오일 주입구, 하나의 압력센서가 배치될 수 있도록 설계하였다. 기존 연구에서

는 저널을 가공하여 저널을 통해 필름 영역에 오일을 순환시켰지만, 저널의 직경이

매우 작은 문제로 베어링 카트리지를 통해 오일을 주입하는 방식을 선택하였다. 이렇

게 설계된 3개의 오일 주입구는 이유는 위, 아래 필름 영역에 오일 공급이 원활하게

하기 위함이다. 그루브에서의 압력 센서는 그루브에서의 압력분포를 측정하기 위해

사용된다. 여기서 측정된 압력은 추후 기존 이론모델로 추정한 것과 비교될 것이다.

그리고 그루브에는 정하중 장치의 스팅거가 연결될 수 있도록 설계하였다. 이는 실험

장치에 설계되어 있는 편심 조절 장치로 조절에 어려움이 있을 경우를 대비한 것이

다. 자세한 내용은 편심 조절 장치에 기술되어 있다.

- 22 -

Figure 14. Cut view of BC at central groove

스퀴즈 필름 댐퍼는 2개의 스퀴즈 필름 영역과, 중심 그루브를 가지는 형상을 가지

도록 설계하였다. 베어링 카트리지와 저널의 상대 변위를 측정하기 위해 베어링 카트

리지의 가장 윗면에 변위센서가 위치한다. 저널의 직경이 10.92 mm로 매우 작기 때

문에 와전류 센서를 사용할 경우 크로스토크 (Crosstalk)이 발생하게 된다. 이러한 문

제를 해결하기 위해 광학 센서를 사용하였고, 광학 센서의 경우 신호가 오일 층을 통

과할 수 없기 때문에 베어링 카트리지의 상단에 위치하도록 하였다. 또한, 베어링 카

트리지의 가장 윗면과, 상단 스퀴즈 필름 영역 사이에 오일 출구를 설계하여 오일 순

환이 원활하게 이루어지도록 하였다.

2.2.3 편심 조절 장치 구성

실험 장치는 편심에 따른 동적 계수 변화를 측정할 수 있도록 설계되어 있다.

Figure 15는 스퀴즈 필름 댐퍼 실험 장치에 편심을 가하는 시스템을 나타낸 것이다.

편심 조절 장치는 참고문헌 13-15의 실험 장치를 참고하여 설계하였다. 기존 연구에

서는 편심 조절에 어려움이 있었지만, 본 연구에 사용된 스퀴즈 필름 댐퍼의 간극은

40 µm밖에 되지 않기 때문에 참고문헌 16-20의 실험 장치처럼 유압식 정하중 장치를

사용하는 것 보다 효율적이라 판단하였다. 위쪽 판은 4개의 지지로드로 베어링 카트

리지와 고정되어있고, 이 상단 판은 하단 판위에 볼트로 조여져 있다. 따라서 상단 판

- 23 -

을 하단 판 위 4개의 마운트에 조립되어 있는 볼트를 사용하여 X, Y축으로 밀어내어

베어링 카트리지의 위치를 조정함으로써 편심을 조절 할 수 있도록 하였다.

상단 구조물의 경우 하단 판 부분과 다리를 나누었다. 이렇게 나누게 되면 실험 장

치 조립 시 이점이 있지만, 편평도를 맞추는데 단점이 생기게 된다. 하지만 실험 장치

에 사용되는 부품이 작기 때문에 조립 시 이점을 크게 부각시키는 것이 더 효율적이

라 판단하였다.

이러한 장치로 편심을 조절하는데 어려움이 있다면, 마이크로 스테이지를 사용하여

편심을 조절할 것이다. Figure 14에서 볼 수 있듯, 중심 그루브위치에 정하중 장치를

위한 스팅거가 결합될 부위를 제작 해 놓았다. 마이크로 스테이지의 받침을 만들어

제진 테이블 위에 고정하고, 마이크로 스테이지 위에 스팅거를 결합할 수 있는 장치

를 추가 제작하여 편심을 줄 계획이다.

Figure 15. Eccentricity control system

2.2.4 실험장치 시스템 구성

Figure 16은 조립된 스퀴즈 필름 댐퍼 실험장치의 모습이다. 실험 장치는 모두 제

진 테이블 위에 고정되어있다. 최대 450 N, 3000 Hz까지 허용되는 두 개의 가진기는

X, Y 방향으로 베어링 카트리지에 스팅거로 고정되어 있다. 가진기를 통해 베어링 카

- 24 -

트리지를 가진 하여 단일 방향, 원형궤도, 타원궤도에 대한 실험을 진행 할 수 있게

하였다. 이와 동시에 실험 장치 가장 윗부분의 철판을 X, Y축으로 움직임으로써 다양

한 편심에 대해서도 실험 할 수 있도록 하였다.

기초 실험에 사용된 실험 장치에서의 가장 큰 특징은 저널 고정 로드를 사용하지

않았다는 것이다. 조립상의 이점과, 저널과 베어링 카트리지의 중심을 맞추는데 용이

하다는 장점이 있기 때문이다. 또한 본 논문에서는 실험 장치의 구조적 특성을 파악

하고, 실험장치 조립 및 실험 방법에 대한 기초를 다지는 것이 주된 목적이기 때문에

사용하지 않았다.

Figure 16. Assembled SFD test rig

2.3 데이터 획득 시스템

실험 장치에 사용된 센서는 2개의 가속도 센서, 2개의 변위센서 (광학센서), 4개의

압력센서, 2개의 로드셀이다. 데이터 획득 시스템을 통해 센서의 출력 신호를 측정하

고, 가진기의 입력 값을 조절함으로써 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적 계수가 주파수 및 궤

도에 따라 어떻게 변하는지 측정 할 수 있도록 하였다. 데이터 획득 시스템으로부터

- 25 -

얻어진 하중, 베어링 카트리지의 가속도 및 변위 등의 데이터를 토대로 수치해석 프

로그램을 통해 식별 절차를 거친 후, 댐퍼의 시스템 계수인 강성, 감쇠, 질량의 결과

를 도출한다. [부록 C]에는 실험 데이터 획득에 사용 되는 센서 및 측정 장치에 대하

여 기술되어 있다.

2.4 오일 윤활 시스템

Figure 17은 오일 윤활 시스템을 도식화 하여 나타낸 것이다. 윤활 시스템은 저장

탱크, 펌프로 구성되어있다. 오일 저장 탱크에서 펌프(0.75 kW)를 사용하여 최대 450

KPa (4.5 bar)로 스퀴즈 필름 댐퍼의 상단, 하단 필름 영역에 공급한다. 이후, 하단 필

름 영역을 통과한 오일은 베이스에 존재하는 오일 받침대로, 상단 필름 영역을 거친

오일은 상단 필름 영역 위 오일 드레인을 통해 다시 저장탱크로 순환한다. 이 때, 스

퀴즈 필름 댐퍼 장치에 공급되는 압력은 펌프에서 바로 오일 탱크로 순환하는 쪽의

밸브를 사용하여 조절한다.

실험에 사용된 오일은 Moil 1 ESP X1 0W-30로 밀도 =830 kg/m3을 가진다.

ASTM 표준에 따른 오일의 점성과 온도의 관계는 다음과 같다.

이 때, µo, To 는 기준 점성 및 온도로 각각 µo= 81.94 cP, To= 25.56 °C이다. Figure

18는 오일의 온도에 따른 점성을 나타낸다.

- 26 -

Figure 17. Schematic view of lubrication system

Figure 18. Viscosity versus temperature, Mobil 1 ESP X1 0W-30

- 27 -

제 3장 실험장치 조립 및 정렬 과정

이 장에서는 실험 장치를 저널과 베어링 카트리지의 중심을 맞추며 조립하는 순서

에 대해 기술하고자 한다. 스퀴즈 필름 댐퍼의 간극이 40 µm밖에 되지 않는 실험 장

치이기 때문에 저널과 베어링 카트리지의 중심을 맞추며 실험 장치를 조립하는 것이

정확한 실험을 위해선 무엇보다 중요하다. 시행착오를 거쳐 실험 장치의 조립과 실험

을 원활하게 진행하기 위한 순서를 확립하였다. 실험장치 조립 및 정렬과정과 전반적

인 실험에 대한 순서는 다음과 같다.

(1) 제진 테이블 위에 베이스를 고정한다.

(2) 고정된 베이스에 저널을 고정한다. 이 때, 토크렌치를 사용하여 동일한 토크 (10

N-m)로 볼트를 조이도록 한다. 또한 수평 게이지를 활용하여 저널과 베이스가 수평

하게 위치하도록 한다. 수평이 맞지 않는 경우 알루미늄 포일을 사용하여 수평을 맞

춘다.

(3) (2)번 과정까지 완료되면 저널에 대한 정하중 및 가진 실험을 수행한다.

(4) 베이스 위에 하단 판 지지대 4개를 토크렌치를 사용하여 결합한다. 위와 마찬가지

로 수평 게이지를 사용하여 수평을 맞춘다.

(5) 베어링 카트리지와 4개의 커넥팅 로드를 결합한다. 실험도중 결합이 풀리게 되면

실험을 다시 진행해야하기 때문에 가능한 세게 조이도록 한다.

(6) 베어링 카트리지 덮개와 변위센서 마운트 및 변위센서를 결합한다.

(7) 베어링 카트리지에 부착되는 부품들의 조립이 완료되면, 하단 판을 통과하여 상단

- 28 -

판과 4개의 커넥팅 로드를 토크렌치를 사용하여 결합한다.

(8) 하단 판에 편심 조절을 위한 볼트의 마운트를 결합한다. 저널 고정 로드가 필요한

경우 이 과정에서 저널에 로드를 결합한다.

(9) 변위센서 끝단과 저널 사이 거리가 센서의 선형 측정 구간 안에 들도록 맞춘다.

변위 센서의 출력을 멀티미터로 측정하여 1-3 V안에 위치하도록 조정한 후 변위센서

마운트에 고정한다.

(10) 하단 판 지지대에 하단 판을 얹고 수평계를 사용하여 수평을 맞추어 결합한다.

이 때, 상단 판과 하단 판은 결합하지 않는다.

(11) 가진기를 가진기 마운트 위에 결합되지 않은 상태로 얹고 키를 사용하여 베이스

와 가진기 마운트의 정렬을 맞춘다. 또한, 가진기의 경우 수평계를 사용하여 수평한

위치에 오도록 맞춘다.

(12) 가진기에 커넥터와 스팅거를 연결하고, 베어링 카트리지와 정렬을 맞추어 가진기

를 마운트에 결합한 후 베어링 카트리지와 연결한다.

(13) 이 상태로 상단 판과 하단 판을 결합하고, 상단 구조물에 결합된 편심 조절을 위

한 나사를 사용하여 철판이 움직이지 않도록 한다. (이는 움직이는 철판이 X, Y, 회

전 즉, 3개의 자유도를 X, Y 축 2계자유도로 바꾸기 위함이다. 하단 판을 고정할 때

편심조절 나사가 결합되는 마운트와 판 사이에 10 mm 두께의 물체를 함께 고정하는

것이 좋다.)

(14) 조립된 상태에서 베어링 카트리지의 수평 위치를 맞추는 작업을 진행한다. 수평

이 맞지 않다면, 상단 판 아래 또는 하단 판과 그 지지대 사이에 알루미늄 포일을 사

- 29 -

용하여 수평을 맞춘다.

(15) 가진기 스팅거가 베어링 카트리지와 연결된 채로 커넥터만을 분리하여 가진기와

의 결합을 해제한다.

(16) 편심 조절 나사의 X 축 방향 나사만을 풀어 상단 판을 좌, 우 끝까지 움직이며

멀티미터를 사용하여 출력 값을 측정한다.

(17) 출력된 값의 중간 값을 가지도록 상단 판을 위치한 후 X축 방향 나사를 다시 조

인다.

(18) 편심 조절 나사의 Y축 방향 나사만을 풀어 (15), (16)과정을 되풀이하여 중심을

맞춘다.

(19) (18)번 과정까지 완료되면 조립된 실험 장치에 대한 정하중 및 가진 실험을 수행

한다.

(20) 베어링 카트리지에 결합되어 있는 가진기 스팅거와, 가진기의 커넥터를 연결한

다. 이 때, 지속적으로 변위 센서에 연결된 멀티미터를 확인하며 값이 변하지 않도록

결합하는 것이 중요하다. 가진기에 스팅거와 커넥터를 결합하면서 힘이 가해질 수 있

기 때문에 결합 시 가진기 마운트를 앞뒤로 조금씩 움직이며 결합하는 것이 중요하

다.

(21) 저널과 베어링 카트리지의 중심 위치를 맞춘 후 가진기 마운트를 제진 테이블

위에 고정한다.

(22) (21)번 과정까지 완료되면 단방향 동하중 및 원형궤도 실험을 수행한다.

- 30 -

제 4장 실험방법 및 주파수 응답 함수

4.1 실험방법

4.1.1 측정기기 보정

테스트를 진행하기 전 측정기기의 보정이 수행된다. 각각 센서의 정확도, 민감도에 대

한 제조 값을 확인한다. 측정기기의 보정에 대한 실험과정과 결과는 [부록 D]에 자세

히 기술하였다. 측정기기 보정을 통해 도출한 변위 센서의 민감도는 X축의 변위를 측

정하는 3014 모델은 9.43 V/mm, Y축의 변위를 측정하는데 사용하는 3015 모델은

8.68 V/mm이다.

4.1.2 정하중 실험

저널의 강성, 조립된 상태에서의 강성을 확인하기 위해 정하중 실험을 진행한다.

Figure 19-20은 저널의 강성 값을 예측하기 위한 정하중 실험 장치를, Figure 21-22

는 4개의 로드 및 베어링 카트리지의 강성 값을 예측하기 위한 실험 장치를 나타낸

다. 마이크로스테이지 위에 힘 게이지를 고정시키고, 반대편에 변위센서를 고정하였

다. 스퀴즈필름댐퍼의 실제 반력이 작용하는 위치에 힘 게이지와, 변위센서가 위치하

도록 하였다.

실험에 사용된 기기장치는 다음과 같다.

○ 변위센서 (Model: RC20-T1T2Z, sensitivity 9.25 V/mm)

○ 신호 조절기 (Model: 482C15)

○ 신호 분석기 (Model: 35670A)

○ 힘 게이지 (Model: Shimpo MF-50KG)

- 31 -

Figure 19. Test setup for measurement of journal stiffness (overall view)

Figure 20. Test setup for measurement of journal stiffness (enlarged view)

- 32 -

Figure 21. Test setup for measurement of assembly stiffness (overall view)

Figure 22. Test setup for measurement of assembly stiffness (enlarged view)

- 33 -

저널과 조립된 실험 장치에 대한 실험과정은 다음과 같다.

(1) 변위센서를 동적 신호 수집 장치 및 멀티미터에 연결한다.

(2) 상단 스퀴즈 필름 영역의 중심 지점에 변위센서가 위치하도록 고정한다.

(3) 상단 스퀴즈 필름 영역의 중심 지점에 힘 게이지가 위치하도록 하여 마이크로 스

테이지 위에 고정한다.

(4) 마이크로 스테이지를 조절하여 저널 (혹은 베어링 카트리지)에 정하중을 가한다.

(5) 정하중에 따른 센서의 데이터를 기록한 후 곡선 맞춤을 통해 강성을 확인한다.

4.1.3 임팩트 실험

저널 및 조립된 실험장치의 고유진동수 및 강성을 확인하기 위해 임팩트 실험을

수행한다. Figure 23는 저널의 고유진동수 및 강성을 측정하기 위한 실험 장치를,

Figure 24는 조립된 실험장치의 고유진동수 및 강성을 측정하기 위한 실험 장치를 나

타낸다. 정하중 실험과 마찬가지로 스퀴즈필름댐퍼의 실제 반력이 작용하는 위치에

가속도 센서가 위치하도록 하고, 가속도 센서의 반대편에 임팩트를 가하였다. 총 10번

의 임팩트를 가하여 평균값을 측정하였다.

사용된 기기장치는 다음과 같다.

○ 가속도 센서 (Model: 352C23, sensitivity 5 mV/g)

○ 임팩트 해머 (Model: 086C01, sensitivity 11.48 mV/N)

○ 신호 조절기 (Model: 482C15)

○ 신호 분석기 (Model: 35670A)

- 34 -

Figure 23. Test setup for journal impact test

Figure 24. Test setup for assembly impact test

실험 과정은 다음과 같다.

(1) 가속도 센서와 임팩트 해머를 신호 조절기 및 신호 분석기에 연결한다.

(2) 가속도 센서는 베어링 카트리지의 상단 스퀴즈 필름 영역의 중심에 부착한다.

- 35 -

(3) 데이터 수집을 위한 준비를 한 후, 준비가 완료되면 임팩트 해머를 사용하여 가속

도 센서가 부착된 반대쪽 면을 가진한다.

(4) 반복실험을 통해 얻어진 데이터를 바탕으로 고유진동수 및 강성을 측정한다.

4.2 주파수 응답 함수

주파수 응답 함수는 외력의 주파수에 따라 시스템의 응답의 크기가 얼마나 달라지

는 지를 나타내는 함수이다. Figure 25는 1자유도 모델로 감쇠 강제 진동을 하는 시

스템을 나타낸다.

Figure 25. Single degree of freedom model

운동방정식은 다음과 같다.

(4.3.1)

이때의 해를 구하면,

cossin (4.3.2)

- 36 -

여기서 a와 b는 상수이다.

따라서 속력과 가속도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

′ sincos (4.3.3)

′′ sincos (4.3.4)

이를 운동방정식에 대입하면,

cossinsin (4.3.5)

따라서

(4.3.6)

(4.3.7)

두 식을 활용하여 상수 를 구하면

(4.3.8)

식 (4.3.8)을 식 (4.3.1)에 대입하고, 그 크기 (X(⍵))를 구하면,

(4.3.9)

따라서 시스템의 변위 응답에 대한 주파수 응답함수 H(⍵)는 다음과 같이 나타낼 수

있다.

- 37 -

(4.3.10)

주파수 응답함수의 다른 형태인 가속도 응답 함수 G(⍵)는 식 (4.3.4)와 식 (4.3.9)를

사용하여 나타낼 수 있다.

(4.3.11)

실험에 사용된 센서를 통해 변위와 가속도를 측정하기 때문에 위의 두 주파수 응답

함수만이 사용된다. 가속도 응답함수의 경우 임팩트 테스트의 결과와 곡선맞춤 하는

데 사용된다.

- 38 -

제 5장 실험결과 및 이론값과의 비교

5.1 저널의 강성 및 고유진동수 확인

5.1.1 저널의 강성계수 계산

저널의 형상을 단순 빔 형태로 가정하여 고유진동수와 강성계수를 계산하였다.

Figure 26은 저널의 이론값 계산을 위해 단순 빔이라 가정한 모델과 자유 물체도를

나타낸다. 이 때, 힘 F가 작용하는 위치는 스퀴즈필름댐퍼의 위쪽 필름영역의 중심점

으로 실제 반력이 작용하는 위치(L1)를 반영 한 것이다.

Journal

Base Base

Journal

Figure 26. Freebody diagram of journal (left) and freebody diagram of journal

at x (right)

고정단에서의 반력과 반력 모멘트는 다음과 같다.

∑

∴

∑

∴

- 39 -

Figure (b)와 같이 임의의 x위치에서의 전단력과, 모멘트는 다음과 같다.

(5.1)

(5.2)

단순 빔 모델의 모멘트, 전단력, 힘은 다음의 수식으로 나타낼 수 있다.

(5.3)

식 (5.3)을 식 (5.2)에 대입하면

(5.4)

이 식을 x에 대해 적분하면

(5.5)

(5.6)

이때, 경계조건은 다음과 같다.

→

→

(5.7)

- 40 -

따라서 C1= C2= 0이 된다. 여기서 스퀴즈필름댐퍼의 반력이 작용하는 위치 즉, x= L1

일 때,

(5.8)

(5.9)

이 때 빔의 강성 k는 다음과 같다.

(5.10)

따라서 스퀴즈필름댐퍼의 반력이 작용하는 위치 L1= 29 mm, 저널의 반지름 r=

5.46 mm, 탄성계수 E= 204 MN/m2, 원통 빔에 대한 면적모멘트 를 식

(5.10)에 대입하면 강성 k= 17.52 MN/m이다.

5.1.2 저널의 고유진동수 계산

뉴턴의 2법칙으로부터 얻어진 결과인 식 (5.3)은 빔의 수직방향 요소에 적용된다.

빔의 단위 길이당 전단력의 변화는 단위 길이당 질량 m에 수평방향 가속도

을 곱한 것과 같다.

(5.11)

- 41 -

식 (5.11)의 변수 분리 형식 해는 다음과 같다.

(5.12)

식 (5.12)를 식 (5.11)에 대입한 후 로 나누면 위치에 관한 함수와 시간에

관한 함수로 나눌 수 있다.

constant (5.13)

양쪽 모두 동일하고 독립적이기 때문에 같이 일정해야 한다. 따라서 일정한 값을 -⍵2라 하면, 시간과 관계된 미분방정식, 위치와 관련된 미분방정식을 얻을 수 있다. 이

때 위치와 관련된 미분 방정식은 다음과 같다.

(5.14)

식 (5.14)의 해는 다음과 같이 나타난다.

cos sin

cosh sinh

(5.15)

이 때, 고유 진동수 파라미터

이고 고정단과 자유단의 경계조

건 ( 일때

일때

)을 대입하여 해를 구할 수 있

다. 또한 이때의 고유진동수는 다음과 같다.

- 42 -

, Hz, ⋯ (5.16)

식 (5.16)을 사용하여 저널의 1차 고유진동수 (λ1= 1.8751)를 구하면 3520 Hz가 된

다.

5.1.3 정하중 실험 결과

Figure 27는 저널의 정하중-변형 측정 결과를 나타낸다. 저널의 정하중에 따른 변

형량은 선형으로 나타났으며, 이를 통해 계산된 저널의 강성(불확도)은 17.73 (±1.49)

MN/m로 측정되었다. 곡선맞춤1) 결과 상관인수 R2= 0.99로 측정결과를 신뢰할 수 있

음을 알 수 있다.

Figure 27. Measured journal displacement versus applied static load

1) 정하중 실험 결과에 대한 곡선 맞춤은 Microsoft EXCEL의 추세선 기능을 사용하였다.

- 43 -

5.1.4 임팩트 실험 결과

Figure 28는 10번의 저널 임팩트 실험을 통해 측정한 고유진동수의 평균 결과를 나

타낸 것이다. 저널의 고유진동수(불확도)는 3152 (±4) Hz로 측정되었다. 실험결과와

곡선맞춤2) 한 결과 상관 인수 R2= 0.99로 상당히 신뢰성 있는 결과임을 알 수 있다.

가속도 센서를 통해 측정된 저널의 강성은 15.53 MN/m로 측정되었다. 또한 곡선맞춤

을 통해 얻어진 저널의 감쇠비는 J= 0.006이다.

Figure 28. Impact test result for journal: Accelerance versus frequency

Table 2은 저널에 대한 이론값, 정하중 실험 및 임팩트 실험결과를 나타낸다. 저널의

고유진동수의 경우 이론값이 더욱 큼을 알 수 있다. 이는, 저널 고정로드를 삽입하기

위한 부분을 고려하지 않고, 설계치수로 계산한 결과이기 때문이다.

2) 임팩트 실험 결과에 대한 곡선 맞춤은 MathCAD의 genfit(vx, vy, vg, F)함수를 사용하였다. 이 때, 함

수 F는 가속도 응답함수를 사용하였다.

- 44 -

Prediction

Natural frequency, ⍵n 3520 Hz

Stiffness, K 17.52 MN/m

Static load test

Stiffness, K 17.73 MN/m (±1.49)

Impact test – Accelerance functions

Natural frequency, ⍵n 3152 Hz (±4)

Stiffness, K 15.53 MN/m

Damping ratio, 0.006

Table 2. Journal natural frequency and stiffness

5.2 조립된 상태의 강성 및 고유진동수 확인

5.2.1 정하중 실험

Figure 29는 조립된 실험장치의 정하중 실험 결과를 나타낸다. 실험결과 조립된 상

태의 강성 KS= 338.59 (±12) kN/m이다. 또한 실험 결과에 대한 상관인수 R2= 0.99로

신뢰할 수 있는 결과이다.

Figure 29. Static load test result for assembled test rig

- 45 -

5.2.2 임팩트 실험

Figure 30는 조립된 실험 장치에 대한 임팩트 실험 결과를 나타낸다. 조립된 실험

장치의 고유진동수는 144 (±4) Hz로 측정되었고, 가속도 센서를 통해 측정된 강성

KS= 291.1 kN/m이다. 실험결과에 대한 상관인수 R2= 0.99로 신뢰할 수 있는 결과이

다. 또한 곡선 맞춤을 통해 도출된 구조적 감쇠계수는 CS= 1.355 N-S/m 이고, 감쇠비

는 S= 0.002 이다.

Figure 30. Impact test result for assembled test rig: Accelerance

versus frequency

Table 3은 조립된 상태의 정하중 실험 결과, 임팩트 실험 결과를 나타낸다. 실험결

과와 예측 값은 10% 내외의 차이가 나는 것을 알 수 있다. 이 차이는 정하중 실험 및

임팩트 실험과정에서 센서와 가해지는 힘의 위치의 정렬이 맞지 않아 생기는 오차이

다.

- 46 -

Static load test

Stiffness, KS 338.59 kN/m (±12)

Impact test – Accelerance functions

Natural frequency, ⍵nS 144 Hz (±4)

Stiffness, KS 297.1 kN/m

Damping ratio, S 0.002

Table 3. Assembled test rig natural frequency and lateral stiffness

- 47 -

제 6장 결론 및 향후 계획

본 논문에서는 스퀴즈 필름 댐퍼의 실험적 연구를 수행 할 수 있는 실험 장치를 제

안하고, 실험장치의 구조적 동적 계수를 도출하였다. 먼저, 제안된 실험 장치의 각 부

품별 설계목적과 설계근거에 관하여 기술하였다. 다음으로 제안된 실험 장치를 사용

하여 실험장치의 구조적 특성과 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적 계수를 산출하기 위한 실험

방법에 대하여 기술하였다. 실험은 크게 저널과 조립된 실험 장치에 대해 정하중 실

험, 임팩트 실험이 수행되었고, 실험장치의 구조적 동적계수를 도출하였다. 이러한 일

련의 연구를 통해 작은 크기의 스퀴즈 필름 댐퍼에 대한 실험적 연구를 위한 초석을

다졌다.

1. 스퀴즈 필름 댐퍼는 중심 그루브와 2개의 스퀴즈 필름 영역을 가지는 형상으로 설

계하였다. 필름 랜드는 길이 4 mm, 간극 40 µm를 가지고, 그루브는 폭과 깊이 모

두 3 mm이다. 본 실험 장치에서는 베어링 카트리지를 4개의 지지로드로 베이스와

고정되는 상단 구조물에 연결하였는데, 이는 베어링 카트리지에 구조 강성을 주어

초기 위치로 되돌아 올 수 있도록 하기 위함이다. 또한 저널의 경우 베이스와 분리

할 수 있는 구조를 가지도록 함으로써 추 후, 다양한 형상에 대해서도 실험이 이루

어질 수 있도록 하였다.

2. 단순 빔 모델을 가정하여 저널의 고유진동수와 강성을 예측한 결과, 고유진동수는

3520 Hz, 강성은 17.52 MN/m로 예측되었다. 저널에 대한 정하중 실험결과 저널의

강성은 17.32 MN/m로 측정되었고, 임팩트 실험결과 저널의 고유진동수는 3152 Hz,

강성은 15.53 MN/m로 측정되었다. 이론값을 저널 고정로드가 삽입되는 부분을 고

려하지 않았고, 설계 치수를 사용하였기 때문에 실험과의 차이가 생겼다.

3. 조립된 실험장치의 정하중 실험 결과, 4개의 지지로드의 강성은 338.59 kN/m로 측

정되었다. 임팩트 실험의 경우 4개 지지로드의 고유진동수는 144 Hz, 강성은 297.1

- 48 -

kN/m로 측정되었다. 여기서 생긴 차이는 센서와 가해진 힘의 정렬을 정확히 맞추

지 못했기 때문이다.

향후 진행될 연구 사항은 다음과 같다.

1. 조립된 스퀴즈 필름 댐퍼 실험 장치를 가진기와 연결하여 단 방향 동하중 실험을

통해 실험장치의 구조적 동적 계수를 재확인할 것이다. 여기서 실험은 X축, Y축에

대해 각각 따로 수행 될 것이고 이를 통해 동적 계수를 2계 자유도 시스템으로 나

타낼 예정이다. 실험 방법은 부록 E에 자세히 기술되어 있다.

2. 구조적 특성 파악이 완료되면 2개의 가진기를 모두 연결하고, 실험 장치에 오일을

공급하여 오일 윤활 시스템에서의 동적 계수를 측정할 예정이다. 실험 방법은 부록

E에 자세히 기술되어 있다.

3. Instrumental Variable Filter Method (IVFM) 방법을 사용하여 스퀴즈 필름 댐퍼만

의 동적 계수를 산출한다. 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적 계수를 규명하는 방법은 부록

F에 자세히 기술되어 있다. 이렇게 산출된 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적 계수는 이론값

과의 비교를 통해 고찰 될 것이다.

이러한 일련의 연구과정을 통해 작은 크기의 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적 계수 측정을

위한 실험 장치를 제안 하였을 뿐만 아니라, 실험을 통해 실험장치의 특성을 규명하

였다. 본 논문의 연구는 작은 사이즈의 스퀴즈 필름 댐퍼에 대한 실험적 연구의 기반

이 될 것이다.

- 49 -

참고문헌

[1] Totten, G. E. (Ed.)., 2006, Handbook of Lubrication and Tribology: Volume I

Application and Maintenance, CRC Press.

[2] Zeidan, F. Y., Vance, J. M., and San Andrés, L., 1996 ‘‘Design and Application

of Squeeze Film Dampers in Rotating Machinery,’’ Proceedings of the 25th

Turbomachinery Symposium, Texas A&M University, Houston, TX, pp. 169–188.

[3] Cunningham, R. E., Fleming, D. P., and Gunter, E. J., 1975, “Design of a

squeeze-film damper for a multi-mass flexible rotor,” ASME J. Eng. Industry,

97(4), pp. 1383-1389.

[4] Gunter, E. J. , Barrett, L. E. , and Allaire, P. E. , 1977, “ Design of Nonlinear

Squeeze Film Dampers for Aircraft Engines,” ASME J. Lubr. Technol., 99(1), pp.

57–64.

[5] Della Pietra, L., and Adiletta, G., 2002, “The squeeze film damper over four

decades of investigations. Part I: Characteristics and operating features.”, The

Shock and Vibration Digest, 34(1), 3-26.

[6] Defaye, C., Arghir, M., and Bonneau, O., 2006, "Experimental Study of the

Radial and Tangential Forces in a Whirling Squeeze Film Damper," STLE Tribol.

Trans., 49(2) pp. 271-278.

[7] Gehannin, J., Arghir, M., and Bonneau, O., 2010, “Complete Squeeze-Film

Damper Analysis Based on the “Bulk Flow” Equations,” STLE Tribol. Trans.,

53(1), pp. 84-96.

[8] San Andrés, L., and Delgado, A., 2012, “A Novel Bulk-Flow Model for

- 50 -

Improved Predictions of Force Coefficients in Grooved Oil Seals Operating

Eccentrically,” ASME J. Eng. Gas Turbines Power, 134(5), 052509.

[9] Diaz, S., and San Andre´s, L., 1999, ‘‘Reduction of the Dynamic Load Capacity

in a Squeeze Film Damper Operating with a Bubbly Lubricant,’’ASME J. Eng. Gas

Turbines Power, 121, pp. 703–709.

[10] Diaz, S., and San Andre´s, L., 1999, ‘‘Air Entrainment versus Lubricant

Vaporization in Squeeze Film Dampers: An Experimental Assessment of Their

Fundamental Differences,’’ ASME Paper 99-GT-187.

[11] Diaz, S., and San Andre´s, L., 1998, ‘‘Measurements of Pressure in a Squeeze

Film Damper With an Air/Oil Bubbly Mixture,’’ STLE Tribol. Trans., 41, pp. 282

–288.

[12] Diaz, S., 1999 “The effect of air entrapment on the performance of squeeze

film dampers: Experiments and analysis,” Ph-D Dissertation, Texas A&M

University, College Station, TX.

[13] Delgado, A., and San Andrés, L., 2004, “Sealed end Squeeze Film Damper:

Test rig Description and Identification of Structural Parameters,” TRC report,

TRC-SFD-1-04, May.

[14] San Andrés, L., and Delgado, A., 2007, “Identification of force coefficients in a

squeeze film damper with a mechanical end seal—Part I: unidirectional load

Tests,” Journal of engineering for gas turbines and power, 129(3), 858-864.

[15] San Andrés, L., and Delgado, A., 2007, “Identification of Force Coefficients in

a Squeeze Film Damper With a Mechanical End Seal—Centered Circular Orbit

Tests,” Journal of Tribology, 129(3), 660-668.

- 51 -

[16] San Andrés, L., and Delgado, A., 2007, “Parameter Identification of an End

Sealed SFD Part I: Identification of Force Coefficients and Operating Conditions

Leading to Air Ingestion.,” TRC report, TRC-SFD-1-07, May.

[17] San Andrés, L., 2012, “Damping and Inertia Coefficients for Two Open Ends

Squeeze Film Dampers With a Central Groove: Measurements and Predictions,”

ASME J. Eng. Gas Turbines Power, 134(10), p. 102506.

[18] Jeung, S. H., 2013, “Performance of an Open Ends Squeeze Film Damper

Operating With Large Amplitude Orbital Motions: Experimental Analysis and

Assessment of the Accuracy of the Linearized Force Coefficients Model,” M.S.

thesis, Texas A&M University, College Station, TX.

[19] San Andrés, L., Jeung, S. H., 2015, “Experimental Performance of an Open

Ends, Centrally Grooved, Squeeze Film Damper Operating With Large Amplitude

Orbital Motions,” Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 137(3),

032508.

[20] San Andrés, L., Jeung, S. H., Den, S., and Savela, G., 2016, “ Squeeze Film

Damper: An Experimental Appraisal of Their Dynamic Performance,” Asia

Turbomachinery and Pump Symposium (ATPS), Singapore, Feb. 22–26, pp. 1–23.

[21] Vance, J. M., Zeidan, F. Y., Murphy, B., 2010, “Machinery vibration and

rotordynamics,” John Wiley & Sons.

- 52 -

Abstract

Squeeze Film Dampers in Automotive Turbocharger

Bearing Systems: Test Rig Development

for Identification of Experimental Rotordynamic

Force Coefficients

Jisu Hwang

Dept. of Interdisciplinary Engineering Systems

Graduate School of Hanyang University

Squeeze film dampers (SFDs) are widely used for rotor-bearing systems in high

performance rotating machinery, such as aircraft engines, automotive

turbochargers, electric motors, to attenuate rotor imbalance responses, as well as

to suppress rotordynamic instabilities. The forced performance of SFDs relies on

their geometrical configuration and operating conditions including fluid viscosity,

flow characteristics, configuration of journal motions, air entrapment, and location

and type of seals. The thesis introduces a new noble test rig for identification of

SFD force coefficients for automotive turbochargers. The test rig consists of a

journal, base, bearing cartridge, 4 support rods, an upper structure for applying

eccentricity, data Acquisition (DAQ) systems, and oil circulation systems. The

damper in the test rig has two parallel film lands separated by a central feeding

groove. Each film land is 4 mm long with a radial clearance of 40 μm. The

central groove is 3 mm in width and 3 mm in depth. The preliminary experiments

- 53 -

identify structural stiffnesses of the journal and the assembled bearing housing.

The scheduled future tests will provide comprehensive test data of experimentally

identified rotordynamic force coefficients of SFDs in automotive turbochargers.

- 54 -

부록

부록 A: 실험장치 설계도면

Figure A.1은 저널의 도면이다. 저널의 상단에는 저널 고정로드를 삽입 할 수 있도록,

하단에는 베이스와 고정하기 위한 볼트가 삽입되는 부분을 설계하였다. 저널의 직경은

10.92 mm로 자동차 터보차저의 축과 동일한 크기를 가지도록 설계하였다. 저널의 길이는

본문에 소개된 것과 같이 가진기의 최대 주파수 범위 안에 고유진동수가 존재하지 않도록

조절하였다.

Figure A.1. Drawing of journal

- 55 -

Figure A.2는 베이스의 설계도면이다. 베이스에는 충분한 깊이의 오일 받침과, 3개

의 오일 출구를 두어 원활하게 오일이 빠져나가도록 하였다. 베이스의 높이는 마운트

위의 가진기 중심위치를 고려하여 베어링 카트리지의 위치와, 저널의 위치를 고려하

여 결정된 크기이다. 베이스 하단에는 X, Y축으로 존재하는 가진기와의 정렬을 원활

하게하기 위한 키 홈을 설계하였다.

Figure A.2. Drawing of base

- 56 -

Figure A.3은 베어링 카트리지의 설계도면이다. 본문에 소개된 것과 베어링 카트리

지의 내경은 스퀴즈 필름 댐퍼가 40 µm를 가지도록 설계하였다. 베어링 가장 윗면에

4개의 메인로드가 일정깊이 삽입되도록 하는 부위(도면의 좌측면도 아래 단면도 참

조)를 설계하였다.

Figure A.3. Drawing of bearing cartridge

- 57 -

Figure A.4는 베어링 카트리지의 단면도를 모아놓은 도면이다. 단면 A, C는 스퀴즈

필름 댐퍼의 상단, 하단 필름 영역의 중심을 의미하고, 단면 B는 중심 그루브의 중심

위치를 나타낸다. 스퀴즈 필름 영역과, 중심 그루브에는 각종 센서가 서로 간에 간섭

이 존재 하지 않도록 원주 방향의 위치를 결정하여 설계하였다. 단면 D는 베어링 카

트리지의 수직한 방향 단면을 나타낸다. 2개의 스퀴즈 필름 영역과, 중심 그루브의 길

이에 대한 것을 자세히 나타내고 있다. 단면 E는 상단 스퀴즈 필름 영역의 위에 설계

되어 있는 오일 출구를 나타낸다.

Figure A.4. Drawing of bearing cartridge (cut views)

- 58 -

Figure A.5는 베어링 카트리지의 커버의 도면이다. 다른 부품들과는 다르게 플렉시

글라스를 재료로 선택하여 스퀴즈 필름 영역을 육안으로 직접 관찰할 수 있도록 하였

다. 베어링 카트리지 커버를 설계한 이유는 실험 도중 오일의 튐을 방지하기 위함이

다. 커버의 내경은 간극보다는 크게 설계되어 베어링 카트리지가 큰 궤도의 움직임을

그릴 때 저널과의 간섭이 없도록 하였다.

Figure A.5. Drawing of bearing cartridge cover

- 59 -

Figure A.5은 상단 구조물의 판 부분의 도면을 나타낸 것이다. 판의 중심위치에는

4개의 지지로드가 통과하는 부분과, 움직이는 판넬이 고정되는 부위를 설계하였다. 4

개 지지로드의 강성이 너무 약하다 판단되는 경우, 직경이 큰 지지로드의 사용을 고

려하여 통과하는 부분은 9 mm의 직경을 가지도록 하였다. 또한, 가장 중심에는 저널

고정 로드를 고정하기 위한 볼트가 삽입되는 부분을 설계하였다. 판의 윗면에는 X, Y

축 방향으로 각각 2개씩, 움직이는 판넬의 조정을 위한 장치의 마운트를 결합하기 위

한 부분 또한 고려하여 설계하였다.

Figure A.6. Drawing of upper plate

- 60 -

Figure A.7은 움직이는 판의 도면을 의미한다. 움직이는 판은 베어링 카트리지와

저널 사이의 편심을 조절 하는 역할을 하는 부품이다. 움직이는 판은 4개의 지지로드

로 베어링 카트리지와 결합되어 있다. 단면 A는 지지로드가 삽입되는 부분을 나타낸

것으로, 결합을 위한 볼트와 지지로드의 중심을 원활히 맞출 수 있도록 삽입 부위를

설계하였다. 이렇게 설계된 움직이는 판은 상단 구조물의 판 부분과 일정 토크로 고

정되고, 상단 구조물 판에 X, Y축을 따라 마운트 위에 고정되어 있는 볼트를 사용하

여 움직임으로써 편심을 줄 수 있도록 하였다.

Figure A.7. Drawing of moving plate

- 61 -

Figure A.8은 저널 지지로드의 도면이다. 지지로드의 양 끝단에는 무두볼트 및 일

반 볼트가 삽입될 수 있도록 가공하였다. 또한, 저널의 가장 윗면과, 상단 구조 판 사

이의 길이를 고려한 길이를 설계하였다. 필요시, 저널의 휘어짐을 방지하는 역할을 한

다. 지지로드를 사용하게 되면 저널은 고정단-자유단 조건이 아닌, 고정단-고정단 조

건이 된다.

Figure A.8. Drawing of journal support rod

- 62 -

Figure A.9는 저널 고정 로드의 도면을 나타낸다. 4개의 저널 고정 로드는 움직이

는 판과, 베어링 카트리지를 연결하고, 베어링 카트리지에 구조강성을 주어 초기 위치

로 돌아오도록 하는 역할을 한다. 저널 고정 로드와 마찬가지로 양 끝단에 볼트가 삽

입될 수 있도록 하였고, 베어링 카트리지의 가진기 스팅거 위치와, 가진기의 위치를

고려하여 길이를 선정하였다.

Figure A.9. Drawing of connecting rod

- 63 -

Figure A.10은 압력 센서의 커버의 도면이다. 압력센서를 베어링 카트리지에 고정하

기 위한 부품이다. 실험에 사용된 압력 센서는 직경 1.9 mm로 작기 때문에 센서에

나사산을 가공할 수 없었다. 이러한 이유로 볼트를 사용하여 압력센서 커버를 제작하

여 압력센서를 커버에 고정시킬 수 있도록 하였다.

Figure A.10. Drawing of sensor adaptor for 1.9 mm diameter sensor

- 64 -

Figure A.11은 Figure A.10과 같은 역할을 하는 부품이다. 이 부품은 상단, 하단 필

름 영역에 사용되는 압력센서 (직경 1.7 mm를 가지는 센서)와 결합하여 베어링 카트

리지에 고정할 수 있도록 하였다.

Figure A.11. Drawing of sensor adaptor for 1.6 mm diameter sensor

- 65 -

Figure A.12는 압력 센서와 커버를 결합한 것과 같은 모양을 가지는 더미 부품의

도면이다. 압력센서가 배치되지 않는 곳으로 오일이 흘러나올 것을 방지하기 위한 역

할을 한다. 가장 앞면에는 베어링 카트리지의 내경과 같은 곡면을 가지도록 가공하였

다.

Figure A.12. Drawing of dummy of pressure sensor

- 66 -

Figure A.13은 상단 구조 판 위에 편심을 주기위한 볼트를 고정하는 마운트의 도면

이다. M3 볼트를 사용하여 움직이는 판의 위치를 조절할 수 있도록 하였다.

Figure A.13. Drawing of upper mount

- 67 -

Figure A.14는 상단 구조 판을 받치는 지지대의 도면이다. 상단 구조물을 판과 4개

의 다리로 나눈 이유는 조립상의 이점을 살리기 위함이다.

Figure A.14. Drawing of upper plate support

- 68 -

Figure A.15는 변위센서 홀더의 도면이다. 실험 장치에 사용된 변위 센서는 직경 3

mm를 가지고, 센서 외면에 나사산이 가공되어 있는 광섬유 센서이다. 이러한 변위

센서를 베어링 카트리지 가장 윗면에 고정하여 저널과 베어링 카트리지 사이의 변위

를 측정하도록 하였다.

Figure A.15. Drawing of displacement sensor mount

- 69 -

Figure A.16은 가진기 마운트의 도면이다. 스퀴즈 필름 댐퍼 장치와 가진기의 정렬

을 원활하게하기 위한 키 홈을 설계하였다. 가진기 마운트의 한쪽 면을 단을 지게 하

여 설계하였는데, 이는 가진기와 스퀴즈 필름 댐퍼 장치 사이의 거리를 최대한 가깝

게 위치할 수 있도록 하기 위함이다.

Figure A.16. Drawing of shaker mount

- 70 -

Figure A.17은 키의 도면이다. 가진기 마운트와, 스퀴즈 필름 댐퍼의 장치의 정렬을

맞추는 역할을 한다.

Figure A.17. Drawing of key

- 71 -

Figure A.18은 각각의 부품들의 결합된 모습을 나타낸 것이고, Figure A.19는 실험

장치의 전체 시스템을 나타낸다.

Figure A.18. Drawing of assembled each part

- 72 -

Figure A.19. Drawing of assembled test rig with two shakers

- 73 -

부록 B: 실험장치 측정결과

이 장에서는 제작된 실험장치 중 정밀한 가공이 필요한 부품들에 대한 측정결과가

수록되어있다. 저널, 베어링 카트리지, 저널 고정 로드, 4개의 지지 로드, 상단 구조물

지지대에 대하여 정밀 가공이 필요한 부분에 대한 측정을 수행하였다.

측정에 사용된 측정기기는 다음과 같다.

○ Digimatic Caliper (Model: 500-785CAL, 기기오차: 20 µm)

○ Micrometer (Model: MDC-25SB, 기기오차: 2 µm)

○ Digimatic Hole tester (Model: 468-471, 기기오차: 2 µm)

B.1 저널 외경 측정

Figure B.1은 저널의 외경을 측정한 위치를 나타낸 것이다. 저널의 하단, 중간, 상단

위치로 나누어 5번씩 반복 측정 하였다. Table B.1은 각각의 위치에서 반복 측정한

결과이다. 저널의 측정결과 상단, 중간, 하단 모두 기기오차인 2 µm의 차이를 나타내

는 것으로 측정되었다.

B.2 베어링 카트리지 내경 측정

Figure B.2는 베어링 카트리지의 스퀴즈 필름 영역 내경을 측정하는 모습을 나타낸

다. 상단 필름 영역과, 하단 필름 영역의 내경을 각각 10번씩 반복 측정 하였다. 저널

과 마찬가지로 가장 정밀하게 가공되어야 하는 부위 중 하나이기 때문에 반복된 측정

을 통해 치수를 확인하였다.

Table B.2는 베어링 카트리지의 스퀴즈 필름 영역 내경을 측정한 결과를 나타낸다.

마찬가지로 기기오차 이내의 차이를 보이고, 하단 필름은 10.999 mm, 상단 필름 영역

의 내경은 10.998 mm가 측정되었다.

- 74 -

Figure B.1. Journal measurement position

　 Measurement position (mm)

Iteration Bottom Middle Top

1 10.921 10.919 10.921

2 10.92 10.919 10.919

3 10.92 10.92 10.919

4 10.921 10.919 10.92

5 10.919 10.921 10.92

Avg. 10.9202 10.9196 10.9198

Designed value 10.92

Table B.1. Measured journal outer diameter

- 75 -

Figure B.2. Measurement of bearing cartridge inner diameter

　 Measurement position (mm)

Iteration Bottom Top

1 10.999 10.998

2 10.998 11.001

3 10.997 10.998

4 11 10.999

5 11 10.998

6 10.999 10.997

7 10.998 10.997

8 11 10.998

9 10.999 10.997

10 10.999 11.001

Avg. 10.999 10.998

Designed value 11

Table B.2. Measured bearing cartridge inner diameter

- 76 -

B.3 지지로드 길이 측정

Figure B.3은 지지로드의 길이를 측정하는 것을 나타낸 것이다. Table B.3은 반복

측정 결과를 나타내는 것으로, 4개의 지지로드 모두 설계된 수치와 제작된 길이 차이

는 기기오차 이내이다. 설계치수와 같은 84 mm로 측정되었다.

Figure B.3. Measurement of support rods length

Iteration Length (mm)

1 84

2 84.01

3 84

4 83.9

5 84

Average 84

Designed value 84

Table B.3. Measured support rods length

- 77 -

B.4 상단 판 지지대 길이 측정

Figure B.4는 상단 판 지지대의 길이를 측정하는 것을 나타낸다. 판 지지대의 길이

가 동일해야만, 상단 구조물이 평평하게 자리 잡게 된다. 이러한 편평도는 베어링 카

트리지의 편평도에도 영향을 미친다. 또한, 베어링 카트리지의 가진기 스팅거 삽입 위

치와, 가진기의 중심 높낮이 차이에도 영향이 있기 때문에 중요하다. Table B.4는 상

단 판 지지대의 길이 측정 결과이다. 설계한 수치는 90 mm이지만, 제작 결과의 수치

는 4개 동일하게 모두 90.07 mm로 측정되었다. 설계 치수와는 다소 차이가 있지만,

가진기 마운트 아래 알루미늄 포일을 사용하여 베어링 카트리지의 스팅거 삽입부와

가진기의 중심을 맞출 수 있기 때문에 무방하다 결론지었다.

Figure B.4. Measurement of upper plate support length

- 78 -

Iteration Length (mm)

1 90.07

2 90.08

3 90.07

4 90.07

5 90.07

Average 90.072

Designed value 90

Table B.4. Measured upper plate support length

- 79 -

부록 C: 측정 장비

Instrumentation Vendor Model Specification

Displacement

sensorPhiltec

RC20-T

1T2Z

M3x0.5 threaded TIP option(T2),

Threaded Tip length option(T1),

Additional output with linear

range spanning 0-5 VDC(Z),

output; 0 to 5VDC max., power;

12 to 24 VDC, 1.3 mm Operating

range, 5 mV/µm Sensitivity

AccelerometerPCB

Piezotronics352C23

Miniature, lightweight (0.2 gm),

ceramic shear ICP accelerometer,

5 mV/g, 2 to 10k Hz,

Pressure

sensorKulite

XCE-062

-250A

Excitation: 10 VDC/AC, 12

VDC/AC max

Output: 100 mV nominal

Combined Non-Linearity,

Hysteresis and Repeatability:

±0.1% FSO BFSL typical, ±0.5%

FSO maximum

Resolution: Infinitesimal

XCE-080

-10BarA

Excitation: 10 VDC/AC, 12

VDC/AC max

Output: 100 mV nominal

Combined Non-Linearity,

Hysteresis and Repeatability:

±0.1% FSO BFSL typical, ±0.5%

FSO maximum

Resolution: Infinitesimal

Load cellPCB

Piezotronics208C02

Excitation: 20-30 VDC

Output: 8-14 VDC

Sensitivity: 11241 mV/kN

Temperature range: -54~121°C

Table C.1. List of Instrumentation for test rig

- 80 -

Shaker Famtech ESD-045

Max. Sine Force : 450N

Frequency Range : 5~3000Hz

Max. Displacement : 25mm

Max. Velocity sine : 1.6m/s

Frequency Resonance : Around

4,000hz

Max. Acceleration : 100g

Armature Weight : 0.45kg

Weight of Shaker : 25kg

Overall Dimension : 239L x 152D

x 220H mm

Cooling Type : Air Cooled /

Blower Model: Portable Vacuum

Power Supply Requirement: 220

VAC, 60Hz

Amplifier PA1200 : 480L x 470D

x 132H mm

Labview

National

Instruments

Corporation

NI9269

(Model

781098-

01)

Ch-Ch isolated analog output

module, 4 channels, 100kS/s per

channel simultaneous analog

output, ±10V measurement

range, 16-bit resolution

NI9220

(Model

782616-

01)

Simultaneous analog input module

16 differential channels

100kS/s per channel sample rate

±10V measurement range

16-bit resolution

CDAQ-9

174

(Model

781157-

01

CompactDAQ 4-slot USB chassis

Power cord (240V, 10A)

Table C.1. List of Instrumentation for test rig (continued)

- 81 -

부록 D: 변위센서 보정

D.1 저널에 대한 변위센서 보정

변위센서로 사용된 광학 센서의 눈금의 보정을 하는 과정을 수행하였다. 이는, 측정

타깃으로 하는 물체의 표면에 따라 실제 제조되어진 값과 다를 수 있기 때문이다.

실제로 측정하고자 하는 저널을 사용하여 Figure D.1과 같이 변위센서 보정작업을

수행하였다. 왼쪽 그림은 변위센서 보정작업에 사용된 실험 장치로, 저널과 변위센서

를 그림과 같이 설치하여 고정 한 후, 마이크로미터로 변위센서를 움직여 상대 변위

에 따라 측정 결과를 도출하여 센서의 민감도에 대한 보정작업을 수행하였다. 측정의

신뢰성을 가하기 위해 오른쪽 그림과 같이 A, B, C 세 위치에서 반복 측정을 수행하

였다.

사용 된 변위 센서는 3014 모델과 3015 모델 총 2개로, 측정 결과는 아래 그림과

같다. 먼저 Figure D.2는 3014 모델을 사용 하여 측정 한 결과로 각각 A, B, C위치에

Figure D.1. Test rig for calibration of sensors (left) and location of

test surface (right)

- 82 -

서 반복 측정한 결과의 평균을 나타낸다. A 위치에서의 민감도는 9.18 V/mm, B 위치

에서의 민감도는 9.29 V/mm, C 위치에서의 민감도는 9.82 V/mm이다. 따라서, 3104

모델에 대한 민감도 (불확도)는 약 9.43(±0.55) V/mm 이다.

(a) Test result and curve fitting at A (b) Test result and curve fitting at B

(c) Test result and curve fitting at C

Figure D.2. Calibration result for displacement sensor (3014 model)

Figure D.3은 3015모델로 A, B, C 위치에서 측정한 결과를 나타낸다. 3015 모델의

경우 3014 모델보다 낮은 결과를 보인다. A 위치에서의 민감도는 8.79 V/mm, B 위치

에서의 민감도는 8.76 V/mm, C 위치에서는 8.49 V/mm로 대략 8.68(±0.44) V/mm의

민감도를 가진다.

- 83 -

(a) Test result and curve fitting at A (b) Test result and curve fitting at B

(c) Test result and curve fitting at C

Figure D.3. Calibration result for displacement sensor (3015 model)

D.2 베어링 카트리지에 대한 변위센서 보정

조립된 실험장치의 정하중 실험에서 동일한 변위센서가 사용되기 때문에, 베어링

카트리지에 대한 변위센서 보정 작업 또한 수행하였다. X, Y축에 대해 실험이 수행되

기 때문에 A, B위치에 대해, 3번씩 측정하였다. Figure D.4는 베어링 카트리지에 대한

변위센서 보정을 위한 실험 장치를 나타낸다. 마이크로 스테이지 위에 베어링 카트리

지를 고정하고, 이를 움직여 상대변위에 따른 측정 결과를 도출하였다.

- 84 -

Figure D.4. Calibration test rig for bearing cartridge and location of test surface

Figure D.5는 3014모델에 대한 결과로 A, B위치에서 반복 측정한 결과이다. A위치

에의 민감도는 대략 9.23 V/mm, B위치에서의 민감도는 9.26 V/mm로, 대략 9.25

(±0.1) V/mm의 민감도를 가진다.

Figure D.5. Calibration result for displacement sensor at A (left) and at B

(right) (3014 model)

- 85 -

Figure D.6는 3015 모델에 대한 결과로, A, B위치에서 반복 측정한 결과를 나타낸

다. 3015 모델의 경우 대략 8.00 (±0.1)V/mm의 민감도를 가진다.

Figure D.6. Calibration result for displacement sensor at A (left) and at B

(right) (3015 model)

- 86 -

부록 E: 단 방향 동하중 실험 및 원형궤도 실험

E.1 단 방향 동하중 실험

단 방향 동하중 실험은 오일을 순환 시키지 않은 채 실험을 진행한다. 이 실험은

실험 장치의 구조 강성 (KS), 구조 감쇠 (CS), 잔류 질량 (MS)을 확인하기 위함이다.

X, Y축을 따라 가진기를 주파수 범위 10 Hz-100 Hz로 가진한다. 이 때, X축 방향의

가진기를 가진 할 때에는 Y축 방향의 가진기는 멈춰있어야 하고, 그 반대의 경우도

마찬가지로 Y축 방향의 가진기만을 가진한다. 데이터 획득 시스템은 각각의 실험에

대해 가진기로 부터 전달된 하중 FX, FY를 기록하고, 베어링 카트리지에 부착된 변위

센서를 통해 저널과 베어링 카트리지 사이의 상대 변위 (X, Y)를 측정한다.

측정 결과를 토대로 Instrument Variable Filter Method (IVFM)을 통해 지정된 주

파수 범위 내에 시스템의 유연성 행렬 (G)i, j= X, Y을 곡선 맞춤시켜 구조 변수 (K, C,

M)S를 산출한다.

실험과정은 다음과 같다.

(1) 조립 된 실험 장치에 2개의 변위센서, 2개의 가속도 센서를 연결한다.

(2) 센서를 데이터 획득 장치에 연결한다.

(3) 데이터 획득 장치 소프트웨어의 Configuration 탭에 센서의 민감도를 입력한다.

이 때 민감도는 사전에 보정 실험을 통해 얻은 결과를 사용한다.

(4) 모든 준비가 완료되면, X축을 따라 설치되어 있는 가진기를 구동시킨다. 이 때, Y

축 방향의 가진기는 연결이 해제되어 있어야 한다.

(5) X축 방향의 가진기의 주파수를 변화시키며 실험을 진행한다.

(6) 실험이 끝나면 가진기의 연결을 해제하고, Y축 방향을 따라 설치된 가진기를 연

결하여 실험을 반복한다.

(7) 이렇게 얻어진 실험 결과는 곡선 맞춤을 실시하고, 구조 변수를 확인한다.

- 87 -

E.2 원형궤도 실험 (Circular orbit tests)

이 전 실험들과는 다르게, 오일을 순환시킨 후 실험을 진행한다. 이 실험은 오일이

순환될 때 실험 장치 전체 시스템의 강성, 감쇠, 잔류질량을 확인하기 위한 실험이다.

최종적으로는, 이를 통해 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적계수를 산출하기 위한 목적이다.

위의 실험과 마찬가지로, X, Y축을 따라 가진기를 동시에 단일 주파수로 가진함으

로써 베어링 카트리지가 원형궤도를 그리도록 한다. 이 때, 7개의 궤도 크기 (r= 0.08

C ~ 0.71C), 그리고 4개의 편심 조건에 대해 실험이 진행된다. Table 2 는 스퀴즈

필름댐퍼의 형상, 작동조건 및 오일의 물성치를 나타낸다.

SFD configuration

Journal Diameter, 10.92 mm

Land Length 4 mm

Radial Land Clearance, 40 µm

Damper Axial Length

(two lands + groove), 11 mm

Groove Axial length 3 mm

Groove Depth 3 mm

Operating condition

Orbit amplitude, 0.08C – 0.71CStatic eccentricity 0.15C – 0.60C

Identification frequency range 10 Hz – 100 Hz

Lubricant properties (Mobil 1 ESP 0W-30)Supply temperature 25 °C

Lubricant viscosity 83 cP

Lubricant density 839 kg/m3

Table E.1. Physical dimensions of SFD and operating condition.

실험과정은 단 방향 정하중 실험과 유사하다. 실험 과정은 다음과 같다.

(1) 조립 된 실험 장치에 2개의 변위센서, 2개의 가속도 센서 및 압력센서를 연결한

다.

(2) 센서를 데이터 획득 장치에 연결한다.

- 88 -

(3) 데이터 획득 장치 소프트웨어의 Configuration 탭에 센서의 민감도를 입력한다.

이 때 민감도는 사전에 보정 실험을 통해 얻은 결과를 사용한다.

(4) 단 방향 정하중 실험과는 다르게 X축, Y축 가진기 모두를 연결한다.

(5) 모든 준비가 완료되면 오일 순환장치를 작동시킨다.

(6) 오일의 순환이 원활하게 이루어지면 가진기를 작동시킨다.

(7) 궤도의 크기, 편심에 따라 가진기의 주파수를 조절하며 실험을 반복한다.

(8) 이렇게 얻어진 실험 결과는 수치해석 프로그램을 통해 곡선 맞춤을 실시하고, 오

일이 윤활 되는 시스템에서의 변수를 확인한다.

(9) 이렇게 얻어진 윤활 시스템에서의 변수에서 앞선 실험으로 얻은 구조 변수를 제

하여 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적계수를 계산한다.

- 89 -

부록 F: 스퀴즈 필름 댐퍼 동적계수 규명

부록 F에서는 오일 순환 시스템에서의 실험이 완료 된 후 스퀴즈 필름 댐퍼만의 동

적 계수를 산출하는 과정에 대해 설명하고자 한다. Figure F.1 은 베어링카트리지와

고정로드의 물리적 모델을 기계적 2계 자유도로 나타낸 것이다. 시스템의 구조적 동

적 계수와 스퀴즈 필름 댐퍼의 동적 계수는 직렬 형태가 아닌, 병렬구조를 이루고 있

다. 4개의 지지 로드와 베어링 카트리지로 구성된 시스템은 구조 강성, 구조 감쇠, 잔

류 질량 ((K, C, M)S)을 가지고, 필름 영역에는 윤활유가 존재하지 않는다. 베어링 카

트리지의 유효질량 (MBC)은 시스템의 질량을 의미하기 때문에 MS는 작은 양의 잔류

질량을 나타낸다.

Figure F.1. Schematic illustration of SFD physical model

계측 장치와 4개 지지 로드의 질량기여(mass contribution)를 포함하는 베어링 카트

리지의 유효질량 (MBC)은 정적 시험에서 추정된다. 뒤이은 건조 상태에서의 정적 실

험은 구조 강성 (KS)을 산출할 수 있도록 한다.

- 90 -

물리적 실험 모델은 두 개의 자유도를 가지는 기계적 시스템으로 나타낼 수 있다.

때문에 두 개의 선형 독립적인 가진력 벡터 (FX, FY)로부터 얻어진 두 개의 독립적인

변위 벡터 (X, Y)는 시스템의 구조 변수를 확인하는데 충분하다. 따라서 단 방향 동

하중 실험을 통해 건조 상태에서의 구조 변수 (K, C, M)S를 산출할 수 있다.

댐퍼 영역을 따라 윤활유가 공급되는 조건의 동하중 테스트를 수행하기 전, 위, 아

래 필름 영역의 유동율은 측정되어야 하고, 두 필름 영역에 동일하게 흘러야 한다.

윤활 조건에서, 궤도와 정적 편심의 크기를 달리하여 진행되는 원형 궤도 테스트를

통해 윤활 조건의 시스템 계수 (K, C, M)L을 산출한다. 마지막으로 스퀴즈 필름 댐퍼

의 동적 계수는 윤활 상태의 시스템 변수에서 구조 변수를 제함으로써 결정된다.

가진기의 하중은 단일 주파수 (⍵)의 함수로 나타낼 수 있다. 하중 으

로 베어링카트리지를 X, Y축 방향으로 가진함으로써, 베어링 카트리지의 단 방향, 원

형, 타원궤도를 유도한다. X방향에 대한 단 방향 동하중 실험에서 가진력은 X축을 따

라 작용되지만, Y축에는 어떠한 힘도 작용하지 않는다. 이와 마찬가지로, Y축에 대한

단 방향 동하중 실험에서 가진력은 오직 Y축을 따라 작용한다. 따라서 두 하중의 벡

터는 선형 독립이다.

원형궤도, 중심위치, 편심위치에 대한 실험들에 대해, 단일 주파수 하중은 베어링

카트리지에 작용되어 시계방향, 반 시계방향의 궤도를 만든다. 단일 주파수 하중의 벡

터는 다음과 같다.

- 91 -

cos

sin

cos

sin

따라서, 건조 상태에 대한 운동방정식은

이고, 행렬 형태는

이다. FS= (FX, FY)T는 베어링 카트리지에 가해지는 힘의 하중 벡터이고, MBC는 베어

링 카트리지의 유효질량이다. a= (aX, aY)T는 베어링 카트리지의 가속도 벡터로, 베어

링 카트리지의 X, Y 방향에 따라 설치된 가속도 센서로 부터 측정이 된다. Z= (ZX,

ZY)T는 베어링 카트리지와 저널 사이의 상대적 변위를 나타내는 벡터이다.

스퀴즈 필름 댐퍼의 반력 벡터는 선형 형태로 다음과 같이 정의된다.

이는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

- 92 -

이 때, FSFD, MSFD, CSFD, KSFD는 각각 스퀴즈 필름 댐퍼의 반력, 질량, 감쇠, 강성을

의미한다.

윤활 조건 내 원형궤도 실험에 대한 구조변수, 스퀴즈 필름 댐퍼의 변수를 포함한

운동방정식은

이다. 시간도메인의 운동방정식을 진동수에 대한 도메인으로 변환하면

이다. 이 때, Z(⍵), F(⍵), a(⍵)는 각각 변위, 힘, 가속도의 이산푸리에변환을 나타내

고 이는 시간에 관련되어있다.

건조 조건의 실험에 대한 임피던스 행렬은 다음과 같이 정의된다.

또한, 이에 대한 유연성 행렬은 다음과 같다.

- 93 -

이후, Instrument Variable Filter Method (IVFM)을 통해 지정된 주파수 범위 내에

시스템의 유연성 행렬 (G)i,j=X, Y을 곡선 맞춤시켜 구조 변수 (K, C, M)S를 산출한다.

윤활 조건에 대한 임피던스 행렬은 다음과 같다.

임피던스 행렬을 위의 이산푸리에 변환에 치환하면 다음과 같다.

이 때, 두 개의 선형 독립적인 변위 벡터는 두 개의 선형 독립인 하중 벡터를 뒤따른

다. 따라서 위의 식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

우선, 지정된 주파수 범위 내에서 각각의 주파수 ⍵k에서의 기계적 임피던스

HK=1,2,···,Nfreq의 실수부와 허수부에 대해 곡선 맞춤을 통해 윤활 시스템에 대한 변수

(K, C, M)L가 예측된다. 이후, IVFM을 통해 지정된 주파수 범위 내 4개의 유연성 함

수 (G)i,j=X, Y를 곡선 맞춤하고, 윤활 조건에 대한 시스템 변수 (K, C, M)L를 측정 노

이즈가 적은 상태로 산출한다. 이 때, 실험 데이터와 곡선 맞춤 한 데이터 사이의 상

관 계수 (R2)는 물리적 모델이 얼마나 실제 시스템을 잘 나타내는지에 대한 지표가

된다.

- 94 -

헌사

이 논문을 나의 아버지 황도진, 나의 어머니 김미연,

나의 동생 황현수에게 바칩니다.

항상 묵묵히 응원해 주셔서 감사합니다.

- 95 -

감사의 글

부모님께

항상 사랑과 믿음으로 지원을 아끼지 않으셨던, 아버지와 어머니께 진심으로 감사

합니다. 석사 과정 2년 동안 제게 힘든 일이 있을 때마다 묵묵히 응원해 주신 덕분에

지금 이 순간이 오게 되었습니다. 무뚝뚝한 아들이라 표현은 하지 못했지만, 항상 사

랑하고, 존경하고, 감사하는 마음 간직하고 있습니다.

류근 교수님께

아무것도 모르고 대학원에 입학하여, 서툴기만 했던 저를 열정으로 지도해 주시고

이끌어 주셔서 감사합니다. 교수님의 애정 섞인 지도와, 조언들로 인해 많은 것을 배

우고 깨달을 수 있었습니다. 교수님 덕분에 연구자로써의 새로운 길을 걷게 된 것 같

습니다. 앞으로도 교수님을 가르침을 잊지 않고 사회에 나가 부끄럽지 않은 교수님의

제자가 되겠습니다.

정승화 박사님께

실험장치 개발에 가장 큰 도움을 주신 정승화 박사님께 진심이 담긴 감사의 인사를

전하고 싶습니다. 처음 연구를 계획하고, 실험 장치를 설계할 때 막막하기만 했습니

다. 하지만 박사님께서 실험 장치 설계 단계부터, 실험 준비까지, 모든 방면에 대해

가르쳐 주시고, 도와주신 덕분에 지금의 실험 장치를 제작하고, 실험 연구에 대한 전

반적인 기초를 다질 수 있었습니다. 그 과정에서 저 또한 한걸음 더 성장할 수 있었

습니다. 박사님의 도움으로 탄탄한 기반을 다졌고, 이 기반을 토대로 논문이라는 좋은

결실을 맺을 수 있도록 하겠습니다.

신규식 교수님, 김남욱 교수님께

석사논문을 작성함에 있어 부족한 점이 많았던 제게 아낌없는 지도를 해 주셔서 감

사합니다. 바쁘신 와중에도 두 분의 교수님께서 지적해 주신 부분들로 인해 논문의

- 96 -

완성도가 더욱 높아 질 수 있었습니다. 또한, 석사논문을 발표하고, 교수님께서 해 주

셨던 질문들로 인해 다시 한번 저의 연구에 대해 정리할 수 있는 기회였습니다. 이러

한 두 분의 교수님의 가르침으로 인해 제 연구의 성과와, 저 스스로도 성장할 수 있

는 기반이 되었기에 진심으로 감사의 인사를 전하고 싶습니다.

정호선 선생님께

지금의 저를 만들어주신 정호선 선생님께 감사의 인사를 전합니다. 선생님을 만나

지 못했다면 지금의 저는 없을 것입니다. 남들보다 한참을 뒤처져있던 저에게, 포기

하지 않도록 끊임없는 열정과 관심으로 지도해 주신 것 아직도 잊지 못하고 있습니

다. 항상 장난스럽게 인간 만들어 주셔서 감사하다는 말 대신, 정말 진심을 담아 감사

하고 또 감사하다는 말씀 드리고 싶습니다.

친구들에게

김영훈, 이힘, 박용, 이하섭, 이윤성, 신진수, 정호영, 이태경, 김민식. 나 드디어 졸업

이다!! 내가 힘들어 할 때마다 항상 달려와 주고, 묵묵히 응원해 줘서 고마워. 바쁘단

핑계로 많이 보지 못했던 2년이지만, 앞으로는 자주 보자!

마지막으로 연구실 동료들에게

어색함으로 대학원 생활을 시작했던 순간이 얼마 되지 않은 것 같은데 벌써 2년이

지나 졸업할 때가 되었습니다. 여러분들 덕분에 2년 동안 정말 많은 소중한 추억을

만들 수 있었고, 감사하다는 말 전해드리고 싶습니다.