Design of a Two-axis Lever-type Horizontal Dynamic Anti-resonance Vibration Isolator

국문 초록 (Abstract)

이 논문은 기존 스프링-댐퍼, 엘라스토머 기반 진동 절연기의 한계를 극복하기 위해, DAVI(Dynamic Anti-resonance Vibration Isolator)를 활용하여 수평 방향 저주파 진동을 저감하는 새로운 절연 설계 방법을 제안하였다. DAVI는 레버 기구를 이용해 증폭되는 보조 질량을 이용해 특정 주파수에 반공진을 생성하고 진동 저감 대역을 만드는 장치이다. 기존 DAVI 연구들에서는 1축, 수직 방향에만 국한하여 연구된 경향이다. 본 논문에서는 DAVI를 수평 방향, 2축으로 확장시키며, 다중 레버 및 수평 방향 레버 배치에서 고려해야 하는 설계 주안점을 제시한다.
DAVI의 운동방정식과 주파수 응답을 유도하고 이론적 관점에서 특성과 핵심적인 설계 변수를 분석하고, 이를 바탕으로 새로운 2축 수평방향 레버형 반공진 진동 절연기를 설계하고 제작하였다. 실험적 방법을 통해 제작한 프로토타입의 주파수 응답을 구하고 질량비, 레버비에 따른 진동 저감 성능을 검증한다. 또한 정방향 입력이 아닌 비스듬한 방향에서 들어오는 가진력에 진동 저감 성능 유지하는지 검증하기 위해 프로토타입 셋업을 일정 각도로 회전하며 응답을 구하고 저감 성능을 평가한다. 마지막으로 설계 변수에 따른 응답 변화를 실험을 통해 검토하여, 외부 가진 주파수나 설계 조건이 변함에 따라 가변 특성을 가지도록 설계할 수 있는지 가능성을 검토한다.
실험 결과 2축 수평방향 레버형 반공진 진동 절연기는 이론적으로 검토한 DAVI의 특성을 잘 따르며, 레버비와 보조 질량의 무게를 설계 변수로 하여 반공진 주파수 위치와 진동 저감 주파수 대역을 변화시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 다양한 각도로 회전하며 가진한 결과 모든 방향에서 W/O 조건 대비 진동 저감 성능을 70% 이상 유지하며, 넓은 저감 주파수 대역으로 인해 정확히 튜닝되지 않은 근접 주파수에서도 진동 저감 성능을 낼 수 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 6
• 1.1. Research background 6
• 1.2. Previous studies 8
• 1.3. Research objectives 12
• 2. Design Principles of DAVI 13
• 2.1. Basic DAVI system 13
• 2.2. Equations of a single-axis DAVI 15
• 2.3. Key design parameters of DAVI 19
• 2.4. Design advantages of DAVI 23
• 3. Design of a Two-axis Horizontal Lever-type DAVI 26
• 3.1. Design considerations for two-axis horizontal DAVI 26
• 3.2. Equations of a two-axis DAVI 27
• 3.3. Four-lever DAVI system 30
• 3.4 Overview of the proposed prototype system 34
• 3.5. Design of the lever assembly 36
• 3.6. Design of the lower pivot 40
• 4. Experimental Study of the Two-axis Horizontal Lever-type DAVI 41
• 4.1. Experiment objectives 41
• 4.2. Experiment setup 41
• 4.3. Design of an excitation base 43
• 4.4. Frequency response analysis 44
• 4.5. Comparison with the mathematical model 47
• 4.6. Omni-directional test 48
• 5. Parametric Study 56
• 5.1. Effect of control mass variation 56
• 5.2. Effect of load mass variation 57
• 6. Conclusion 59
• References 61