Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 3 pp , ISSN 197

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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 3 pp , ISSN / eissn MR 유체물성과오리피스형상에대한 MR 댐퍼성능비교연구 권영철 1, 박삼진 1, 김기영 1, 백대성 1, 이석현 1* 1 선문대학교기계공학과 Study on Performance Comparison of MR Damper for Fluid Properties and Orifice Shapes Young-Chul Kwon 1, Sam-Jin Park 1, Ki-Young Kim 1, Dae-Sung Baek 1 and Seok-Hyun Lee 1* 1 Dept. of Mechanical Eng., Sunmoon University 요약 MR 댐퍼는자기장의영향으로인한 MR 유체의응집현상으로자기전단력을발생한다. MR 유체는기존유체와자기입자로구성되어있다. 본연구에서밀도 1.3, 1.5, 1.7g/ cm3그리고점도 1,, 1,cP를가지는 MR 유체 6 종과오리피스형상 6종에대한 MR 댐퍼의댐핑력을조사하였다. MR 유체의밀도와점도변화에따라서 MR 댐퍼의댐핑력이변하였다. 오리피스형상변화에대한댐핑력은오리피스갭이적고길이가짧을수록크게나타났다. 이들연구결과로부터 MR 댐퍼의최적설계를위해서는 MR 유체의선정과오리피스형상이중요한설계변수임을확인하였다. Abstract MR(Magneto-Rheological) damper generates the magnetic shear force due to the cohesiveness of MR fluid influenced by a magnetic field. MR fluid consists of magnetic particles and a base liquid. In the present study, the damping forces of MR damper were investigated for density 1.3, 1.5 and 1.7 g/ cm3, and viscosity and cp, and for the change of orifice shapes. It was found that the increase in the density and viscosity of MR fluid could change the damping force of MR damper due to the magnetic effects. Also, the damping forces on orifice shapes increased as the orifice gap and length decreased. These results showed that the properties of MR fluid and orifice shapes were important for the optimum design of MR damper. Key Words : Damping force, Density, MR damper, MR fluid, Orifice, Viscosity 1. 서론 차량및정밀시스템의기계적유발진동에의한진동을줄이기위해서는진동폭을줄이는것이가장효율적이다. 기계에의한진동의발생을방지하기위해진동제어방법이다방면에서제안되었고, 그중능동적인제어가가능한 MR(Magneto-Rheological) 댐퍼에관한연구가국내에서진행되고있다. MR 댐퍼의개발을위해서는 MR 유체의적용가능성과운전특성을체계적으로조사하여야한다. 그리고 MR 댐퍼의정밀운전제어를위해서 는자기장의영향에대한 MR 유체의유체거동을정확히이해할필요가있다. MR 유체는외부로부터인가되는자기장의세기에따라그결합력이변화하여그에상응하는감쇄전단력을발생시킨다. 또한 MR 유체는낮은전류로도우수한성능구현이가능하며응답반응속도가빠르다. 또한외부불순물의영향이적고상대적인운전소음이낮아기존진동저감분야외에정밀분야까지적용이가능한유체이다. 본연구는차량의진동승차감향상을위한차량반능동현가장치용 MR 댐퍼개발을위해서진행되었다. MR 본연구의일부는지식경제부산업원천기술개발사업의지원으로수행되었습니다. * Corresponding Author : Seok-Hyun Lee(Sunmoon Univ.) Tel: noguleekill@naver.com Received October 31, 213 Revised (1st November 25, 213, 2nd November 26, 213) Accepted March 6,

한국산학기술학회논문지제 15 권제 3 호, 214 댐퍼의개발을위해서는 MR 댐퍼에사용되는 MR 유체의적용가능성과운전특성을먼저조사하여야한다. 그리고 MR 댐퍼의정밀운전제어를위해서는자기장의영향을받는 MR 유체의동적거동을정확히이해하여야한다. 이를위해서는체계적인실험과해석방법을활용하여 MR 유체의유동특성과자기장특성을심도있게연구하여야한다.

그리고 Baek 등 [6] 은 MR 댐퍼에사용되는 MR 유체의화학적조성에따른물리적특성을규명하고자 216종의 MR 유체를제조하여 MR 유체의분산안정성과물리적특성을조사하였다. 본연구에서는 6종 ( 밀도 3종, 점도 2종 ) 의 MR 유체를 MR 댐퍼에적용하여 MR 유체의밀도와점도변화에따른 MR 댐퍼성능을비교하고자하였다.

1] Experiment apparatus for MR damper performance [Table 1] Specification of test system of MR damper Capacity ± 15 kn Tube bare 125 mm Rod diameter 8 mm Stroke ± 25 mm Bed size 121(W) 14(L) T9 mm

2 한국산학기술학회논문지제 15 권제 3 호, 214 댐퍼의개발을위해서는 MR 댐퍼에사용되는 MR 유체의적용가능성과운전특성을먼저조사하여야한다. 그리고 MR 댐퍼의정밀운전제어를위해서는자기장의영향을받는 MR 유체의동적거동을정확히이해하여야한다. 이를위해서는체계적인실험과해석방법을활용하여 MR 유체의유동특성과자기장특성을심도있게연구하여야한다. MR 유체에관한연구는 199년대부터여러연구기관과대학연구소를중심으로활발히이루어지고있다 [1-3]. Jeon 등 [4] 은원관내부의자기장에의한 MR 유체의특징과자연대류현상을연구하였다. 최근 Lee 등 [5] 은다양한밀도와점도를가진 MR 유체들의자기장에의한유동가시화연구를수행하였다. 그리고 Baek 등 [6] 은 MR 댐퍼에사용되는 MR 유체의화학적조성에따른물리적특성을규명하고자 216종의 MR 유체를제조하여 MR 유체의분산안정성과물리적특성을조사하였다. 본연구에서는 6종 ( 밀도 3종, 점도 2종 ) 의 MR 유체를 MR 댐퍼에적용하여 MR 유체의밀도와점도변화에따른 MR 댐퍼성능을비교하고자하였다. 그리고오리피스치수변경에따른 MR 댐퍼의성능을비교하였다. 본연구로부터획득된 MR 유체물성따른 MR 댐퍼의성능비교데이터는 MR 댐퍼의최적설계를위한기초자료로활용될수있을것이다. [Fig. 1] Experiment apparatus for MR damper performance [Table 1] Specification of test system of MR damper Capacity ± 15 kn Tube bare 125 mm Rod diameter 8 mm Stroke ± 25 mm Bed size 121(W) 14(L) T9 mm Test space (W) 14(L) (H) mm Machine space (W) 14(L) 4(H) mm Hyd. pump unit 3kW (7 lpm, Water-Cooling) 2. 실험조건및방법 2.1 MR 댐퍼실험장치 MR 댐퍼의성능을비교하기위하여 MR 댐퍼성능측정장비를사용하였다. 장비는펌프를이용하여유압을공급해주는동력부, 로드셀이장착되어있어설치된 MR 댐퍼의힘을측정하는센서부, 댐퍼에일정하게전류를인가시켜주는전력공급장치, 압력을제어하거나센서부에서보내진신호를처리하는제어부로구성되어있다. Fig. 1과 Table 1은 MR 댐퍼시험장치와주요제원을나타낸다. Fig. 2는실험에사용된 MR 댐퍼를보여준다. 본실험에사용된 MR 댐퍼는피스톤의운동으로발생하는댐퍼내부의가용부피를하단에충진된고압가스의스프링작용으로조절하는방식이다. MR 댐퍼는 MR 유체주입시공기가유입되면그성능을완벽하게발휘하지못하기때문에 MR 유체주입시댐퍼내부로공기가유입되지않도록최대한주의하였다. MR 댐퍼성능측정장비에 MR 댐퍼를설치하여 Table 2의실험조건에서 MR 댐퍼의댐핑력을측정하였다. [Fig. 2] MR damper used in present experiment 136

3 MR 유체물성과오리피스형상에대한 MR 댐퍼성능비교연구 [Table 2] Experiment conditions of MR damper performance Density (g/cm 3 ) 1.3 / 1.5 / 1.7 Viscosity (cp) / Applied current (A).3 Frequency (Hz) 1 Displacement (mm) ±5 MR damper (mm) Orifice length (O.L) : 6 Orifice gap (O.G) : 실험조건및실험방법 실험은 MR 유체를주입한 MR 댐퍼를센서부에설치하고일정한전류를인가한다. 유압에의해상하로왕복운동하는장치에의해 MR 댐퍼에힘이가해지며댐퍼내의항복응력은로드셀을통해측정된다. MR 댐퍼성능비교실험조건과실험에사용된 MR 유체의밀도와점도는 Table 2에나타나있으며, 밀도는 1.3g/ cm3, 1.5g/ cm3, 1.7g/ cm3 3 종을, 점도는 cp, cp 2 종을사용하였다. 그리고오리피스길이와오리피스갭에따른댐핑력을비교하였다. 이를위해 MR 댐퍼에인가된전류는.3A, 댐퍼내코어부의운동주파수는 1Hz로설정하였다. MR 댐퍼실험시센서부는상용전류 (6Hz) 의간섭을받으므로실험데이터에포함된노이즈를제거하기위하여 Matlab을사용하였다. 노이즈제거에는 lowpass filter 를사용하여 6Hz 이상의주파수대역을제거하여정확한실험데이터를획득하고자하였다. 3. 결과 3.1 밀도와점도에따른댐핑력변화 Fig. 3 (a) 과 (b) 는 MR 유체의점도가 cp와 cp에서밀도가 1.3g/cm 3, 1.5g/cm 3, 1.7g/cm 3 로변화할때 Fig. 2의 MR 댐퍼에대한변위-힘을보여준다. 이때오리피스길이는 6mm, 갭은.7mm이다. Fig. 3 (a) 에서점도가 cp인 MR 유체의밀도가 1.3g/ cm3에서 1.5g/ cm3로변하면댐핑력은약 12%, 1.7g/ cm3로변하면약 37% 증가하였다. Fig. 3 (b) 에서점도가 cp인 MR 유체의밀도가 1.3g/ cm3에서 1.5g/ cm3로변하면댐핑력은약 28%, 1.7g/ cm3로변하면약 46% 증가하였다. 이는 MR 유체의밀도와점도가증가하면 MR 댐퍼의댐핑력이강해지는것을의미한다. MR 유체의밀도증가는 MR 유체내의자기장의영향을받는 MR 자성파우더입자들이많아진것을의미하며, 그영향으로파우더들의자기결속력이커지게된다. 또한점도증가는 MR 유체의전단응력을증가시키며, 그결과 MR 댐퍼의감쇠댐핑력이증가된것으로이해할수있다 g/cm 3 1.3g/cm (a) 1.5g/cm 3 1.3g/cm 3 1.7g/cm (b) 1.7g/cm 3 [Fig. 3] Force-displacement curve of MR damper by viscosity changer; (a) viscosity cp (b) viscosity cp Fig. 3 (a) 와 (b) 부터, 밀도 1.3g/cm 3 인 MR 유체에서점도가 cp에서 cp로변하면 MR 댐퍼의댐핑력은약 4% 증가하고, 밀도 1.5g/cm 3 인 MR 유체에서점도가 cp에서 cp로변하면댐핑력은약 18% 증가하였다. 그리고밀도 1.7g/cm 3 인 MR 유체에서점도가 cp에서 cp로변하면댐핑력이약 11% 증가하였다. 이들결과로부터, 밀도가낮은경우보다높은경우에그리고높은점도에서 MR 댐퍼의댐핑력은더크게나타남을알수있다. 3.2 오리피스길이와갭에따른댐핑력변화 오리피스길이 (O.L) 와갭 (O.G) 의변화에따른 MR 댐퍼의댐핑력을비교하기전에먼저 MR 댐퍼오리피스길이와갭변경에대한자속밀도를검토하였다. 자속밀도를비교를위해오리피스길이는 6, 12mm를갭은.3,.5,.7mm의 6종댐퍼에대한오리피스내자기장을 Maxwell 전자장프로그램을이용하여해석하였다. 해석 137

4 한국산학기술학회논문지제 15 권제 3 호, 214 Magnetic Flux Density [T] O.L O.G 6mm_.7mm 6mm_.5mm 6mm_.3mm - -.7mm.3mm.5mm (a) L [mm] (a) Magnetic Flux Density [T] O.L O.G 12mm_.7mm 12mm_.5mm 12mm_.3mm mm 6mm L [mm] (b) [Fig. 4] Magnetic flux density along orifice length and gap; (a) orifice length 6mm (bobbin core length 45mm) (b) orifice length 12mm (bobbin core length 57mm) 시 MR 유체의밀도는 1.7g/cm 3 인점도는 cp로하였다. 보빈코어의길이는 Fig. 2에나타나있는것처럼오리피스길이가 6mm 일때는 45mm이며, 오리피스길이가 12mm 일때는 57mm이다. Fig. 4 (a) 는오리피스길이가 6mm이고갭이.3,.5,.7mm로변할때오리피스에인가되는자속밀도를보여준다. 갭이.7mm에서.5mm로줄어들면자속밀도는약 37% 증가를.7mm에서.3mm로줄어들면약 11% 증가하였다. Fig. 4 (b) 는오리피스길이가 12mm이고갭이.3,.5,.7mm로변할때오리피스에인가되는자속밀도를보여준다. 갭이.7mm에서.5mm로줄어들면자속밀도는약 23% 증가를.7mm에서.3mm로줄어들면약 83% 증가하였다. 즉, 오리피스갭이줄어들면오리피스내에인가되는자속밀도가크게증가하게된다. 그리고 Fig. 4 (a) 와 (b) 로부터오리피스갭이동일할때오리피스길이에따른자속밀도를비교할수있다. 갭 (b) [Fig. 5] Force-displacement curve of MR damper by orifice length and gap; (a) orifice gap (b) orifice length 이.7,.5,.3mm 일때, 길이가 6mm에서 12mm로늘어나면자속밀도는각각약 4, 14, 2% 정도줄어들었다. 이는오리피스길이가늘어나면오리피스내에인가되는자속밀도가낮아진다는것을의미한다. Fig. 5 (a) 와 (b) 는밀도 1.7g/cm 3, 점도 cp에서 MR 댐퍼의오리피스갭과길이변화에대한변위-힘을보여준다. Fig. 5 (a) 에서오리피스갭이.7mm에서.5mm로줄어들면댐핑력은약 6%,.5mm에서.3mm 로줄어들면댐핑력은약 52% 증가하였다. 이는 MR 유체의밀도와점도가동일한상태에서자기장의영향을받는오리피스의갭공간이줄어들어자기장에의한자속밀도가 Fig. 4 (a) 와 (b) 에서볼수있었던것처럼증가하였기때문이다. 이로부터오리피스갭이감소하면자기장에의한댐핑력과유체흐름으로발생되는점성마찰력이너무크게증가하여댐퍼내코어의왕복운동이원활하지않을수있으므로 MR 댐퍼내오리피스의갭사이즈는 MR 댐퍼의용량과용도를고려하여 MR 유체의종 138

5 MR 유체물성과오리피스형상에대한 MR 댐퍼성능비교연구 류와인가전류를선정하여야한다는것을알수있다. Fig. 5 (b) 에서오리피스길이가 6mm에서 12mm로길어지면 MR 댐퍼의댐핑력은약 3% 정도낮아진다. 이는 MR 유체의밀도와점도가동일한상태에서오리피스의길이가늘어나면서 Fig. 4 (a) 와 (b) 에서볼수있는것처럼자기장에의한낮은자속밀도때문이다. MR 댐퍼의오리피스길이는 MR 유체의종류와인가되는자기장세기에따른전자기효과를고려하여선정되어야할것이다. 실험결과로부터 MR 댐퍼설계시 MR 유체의물성에따른특성과오리피스갭과길이의선정도 MR 댐퍼의최적설계를위해서는중요한설계변수임을알수있었다. 4. 결론 본연구에서는밀도 3종, 점도 2종의 MR 유체를 MR 댐퍼에적용하여 MR 유체의물성변화에따른 MR 댐퍼성능과오리피스치수변경에따른 MR 댐퍼의성능을비교하였다. 1) MR 유체의점도 cp와 cp에서밀도가 1.3, 1.5, 1.7g/cm 3 로변화할때 MR 댐퍼의댐핑력은점도 cp에서밀도 1.3g/ cm3에서 1.7g/ cm3로변하면약 27% 그리고점도 cp에서밀도가 1.3g/ cm3에서 1.7g/ cm3로변하면약 32% 댐핑력이증가하였다. MR 유체의밀도와점도증가는 MR 댐퍼의댐핑력을변화시킬수있다는것을확인하였다. 2) 오리피스갭과길이가줄어들면오리피스내에인가되는자속밀도는증가하였다. 오리피스길이보다는갭에대한자속밀도변화폭이더크게나타났다. 3) 오리피스갭이.7mm에서.3mm로줄어들면댐핑력은약 143% 증가하였고오리피스길이가 6mm에서 12mm로길어지면 MR 댐퍼의댐핑력은약 3% 정도낮아졌다. 실험결과로부터 MR 댐퍼설계시 MR 유체의물성과오리피스형상에대한체계적인연구가필요함을확인하였다. References [2] Gavin, H., Hoagg, J. and Dobossy, M., 1. Optimal design of MR dampers, Proc. U.S.-Japan Workshop on Smart Structures for Improved Seismic Performance in Urban Regions, Seattle, WA, pp [3] Goncalves, D., Koo, J. and Ahmadian, M., 6, A review of the state of the art in Magneto-rheololgical fluid technologies (Part I : MR fluids and MR fluids models), The Shock and Vibration Digest, Vol. 38, No. 3, pp DOI: [4] Jeon, E. C., Park, J. W., Kim T. H. and Kim, S. Y., 8, A study on the rheology characteristics of magnetic fluids in a circular pipe, Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 7, No. 2, pp.38~44 [5] Lee, S. H. Kim, K. Y., Baek, D. S., Kwon, Y. C., Park. S. J., 213, Experimental study on Magnetic Flow Characteristics of MR Fluid, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 14, No. 8, pp DOI: [6] Baek, D. S., Lee, S. H. Kim, K. Y., Kwon, Y. C., 213, Experimental Study on Physical Characteristics along Chemical Compositions of MR Fluid, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 14, No. 1, pp 권영철 (Young-Chul Kwon) [ 정회원 ] 1989 년 2 월 : 부산대학교정밀기계공학과 ( 공학사 ) 1991 년 8 월 : 포스텍기계공학과 ( 공학석사 ) 1996 년 8 월 : 포스텍기계공학과 ( 공학박사 ) 1996 년 9 월 ~ 1999 년 2 월 : 한국전력전력연구원 1999 년 3 월 ~ 현재 : 선문대학교기계공학과교수 냉동공조, 열전달 [1] Yoo, J. H. and Wereley, N. M., 4. Performance of a magneto-rheololgical hydraulic power actuator system", J. Intell. Mater. Syst. Struct., Vol. 15, pp DOI: 139

한국산학기술학회논문지제 15 권제 3 호, 214 박삼진 (Sam-Jin Park) [ 정회원 ] 이석현 (Seok-Hyun Lee) [

선문대학교기계공학과교수 기계설계, CAD 냉동공조, 전산해석 213 년 2 월 : 선문대학교기계공학과 ( 공학사 ) 213 년 3 월 ~

공학사 ) 212 년 3 월 ~ 현재 : 선문대학교기계공학과 ( 대학원 ) 냉동공조, 열교환기, 전산해석 백대성 (Dae Sung

6 한국산학기술학회논문지제 15 권제 3 호, 214 박삼진 (Sam-Jin Park) [ 정회원 ] 이석현 (Seok-Hyun Lee) [ 준회원 ] 1977 년 2 월 : 서울대학교기계설계학과 ( 공학사 ) 1979 년 8 월 : 서울대학교기계설계학과 ( 공학석사 ) 1984 년 1 월 : Case Western Reserve Univ. ( 공학박사 ) 1984 년 4 월 ~ 1994 년 2 월 : 한국기계연구원책임연구원 1994 년 3 월 ~ 현재 : 선문대학교기계공학과교수 기계설계, CAD 냉동공조, 전산해석 213 년 2 월 : 선문대학교기계공학과 ( 공학사 ) 213 년 3 월 ~ 현재 : 선문대학교기계공학과 ( 대학원 ) 김기영 (Ki-Young Kim) [ 준회원 ] 212 년 2 월 : 선문대학교기계공학과 ( 공학사 ) 212 년 3 월 ~ 현재 : 선문대학교기계공학과 ( 대학원 ) 냉동공조, 열교환기, 전산해석 백대성 (Dae Sung Baek) [ 정회원 ] 199 년 2 월 : 숭실대학교화학과 ( 이학사 ) 8 년 8 월 ~ 현재 : ( 주 ) RMS 테크놀러지 ( 주 ) 개발팀장 213 년 3 월 ~ 현재 : 선문대학교기계공학과 ( 대학원 ) 자성유체및응용 131

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DBPIA-NURIMEDIA 한국소음진동공학회 2015추계학술대회논문집년 Study of Noise Pattern and Psycho-acoustics Characteristic of Household Refrigerator * * ** ** Kyung-Soo Kong, Dae-Sik Shin, Weui-Bong Jeong, Tae-Hoon Kim and Se-Jin Ahn Key Words