패시브 제진대에 대해서 - 1

 일반적으로 패시브 제진대라 하면 에어스프링(공기스프링)을 사용한 제진대를 말하는데, 에어스프링 제진대는 좀 더 뛰어난 성능을 위해서 듀얼 챔버, 짐벌 피스톤, 가변 오리피스 등 다양한 기술을 사용하고 있습니다. 일본의 제진대 회사들은 수평방향 제진 성능을 한층 더 개선하기 위해 돔 짐벌 피스톤, 스윙 기구, 스윙암 기구, 스윙볼 등의 기술을 개발하여 적용하고 있는데, 그에 반해 미국이나 독일의 회사에는 그러한 기술이 없는 경우가 많기 때문에 일본 이외의 에어스프링 제진대는 수평방향 고유진동수가 수직방향에 비해서 약 0.5Hz 정도 높은 경향이 있습니다. 아래의 표는 유닛형 에어스프링 제진대의 고유진동수를 비교한 것입니다. 고유진동수의 특성에 대해서 간단히 설명하자면, 질량-스프링 시스템의 고유진동수 공식은 아래와 같은데, k는 강성(stiffness)이고, m은 질량입니다. 식에서 볼 수 있듯이, 질량이 증가하면 고유진동수는 감소하고, 질량이 감소하면 고유진동수는 증가하며, 강성이 증가하면 고유진동수는 증가하고, 강성이 감소하면 고유진동수는 감소합니다. 따라서 무겁거나 부드러우면 고유진동수가 낮고, 가볍거나 딱딱하면 고유진동수가 높다는 것을 알아두시면 되겠습니다.

고유진동수의 공식

고유진동수	倉敷化工株式会社 (Kurashiki Kako)	明立精機株式会社 (Meiritz)	株式会社 昭和サイエンス (Showa Science)	特許機器株式会社 (Tokkyokiki)	Bilz	Kinetic Systems	Newport	TMC
수직방향 (Hz)	1.5~2.0	1.5~2.0	1.5~2.5	1.8	1.2	1.5	1	2.1
수평방향 (Hz)	1.5~1.8	0.7~1.0	0.8~1.5	0.9	2.8	2.1	1.5	1.7

 표를 봤을 때 가장 먼저 눈에 띄는 것은 일본의 업체들은 고유진동수를 범위로 표시하고, 그 외의 업체들은 고정된 수치로 표시하는 것인데, 이는 에어스프링 제진대의 성능에 영향을 미치는 요소가 있기 때문입니다. 그 요소는 제진대에 올라가는 장비의 하중(고유진동수의 공식에서 질량에 해당)인데, 고유진동수는 장비가 무거울수록 낮아지고, 가벼울수록 높아집니다. 따라서 에어스프링 제진대의 고유진동수를 최대한 낮추려면 장비의 무게와 제진대의 허용하중을 잘 맞춰야 합니다.

 장비의 하중 외에도 제진대의 성능에 영향을 미치는 요소가 있는데, 이는 가변 오리피스로, 쿠라시키 카코의 제진대 성능 그래프 중에 오리피스의 개폐 정도(고유진동수의 공식에서 강성에 해당)에 따라서 진동전달률과 정착 시간(Settling Time)이 어떻게 변하는지를 보여주는 자료가 있습니다. 아래의 그래프를 보면 오리피스를 닫았을 때는 고유진동수가 약 3Hz이고, 7바퀴 열었을 때는 1.8Hz이며, 정착 시간의 경우, 닫았을 때는 4초이고, 2바퀴 열었을 때는 2초인 것을 확인할 수 있습니다.

쿠라시키 카코 PST-308 제품의 가변 오리피스에 따른 제진 성능 그래프

 유닛형 제진대의 고유진동수를 비교한 표를 다시 살펴보면, 수직방향 고유진동수가 가장 낮은 제품은 1Hz의 Newport이고, 수평방향 고유진동수가 가장 낮은 제품은 0.7, 0.8Hz의 메이리츠와 쇼와 사이언스입니다. 쿠라시키 카코의 돔 짐벌 피스톤을 사용한 제품은 수평방향 고유진동수가 0.8Hz인데, 이로부터 수평방향의 제진성능을 개선하는 스윙암이나 스윙볼 등의 기술을 사용하면 고유진동수가 1Hz 이하로 감소하는 것을 확인할 수 있습니다. Newport는 하이브리드 챔버 디자인을 사용하여 수직방향 고유진동수가 가장 낮은 1Hz이지만, 높이가 가장 낮은 모델이 406.4mm(16인치)로 쿠라시키 카코의 185mm나 메이리츠의 325mm보다 높이가 높은 것이 단점입니다.

 

 탁상형 에어스프링 제진대는 챔버(공기통)의 용량이 작고, 제품의 높이도 낮기 때문에, 듀얼 챔버나 짐벌 피스톤과 같은 기술을 사용할 수 없어서 고유진동수가 유닛형에 비해 약 1Hz 정도 높은 편입니다. 아래의 표는 탁상형 에어스프링 제진대의 고유진동수를 비교한 것입니다.

고유진동수	倉敷化工株式会社 (Kurashiki Kako)	明立精機株式会社 (Meiritz)	株式会社 昭和サイエンス (Showa Science)	特許機器株式会社 (Tokkyokiki)	Bilz	Kinetic Systems	Newport
수직방향 (Hz)	2.5	2.5	2.5	2.0~3.0	3	2.1	3.6
수평방향 (Hz)	2.5	2.5	2.5	2.0~3.0	3	1.8	3.2

 탁상형 제진대의 고유진동수는 수직과 수평방향의 차이가 거의 없거나 일치하는 편인데, 이는 공간이 부족하여 수평 방향 제진 성능을 개선하는 기술의 적용이 어렵기 때문인 것 같습니다. 탑재 가능한 하중은 보통 50kg이나 100kg이고, Bilz와 Kinetic Systems에는 약 200kg까지 탑재할 수 있는 제품이 있습니다.

 

 마지막으로 책상형(데스크형) 에어스프링 제진대는 고유진동수가 유닛형과 비슷한 편이며, 탑재 가능한 하중은 약 300kg입니다. 탁상형 제진대와 마찬가지로 Bilz와 Kinetic Systems에는 약 600kg까지 탑재할 수 있는 제품이 있습니다. 아래의 표는 데스크형 에어스프링 제진대의 고유진동수를 비교한 것입니다.

고유진동수	倉敷化工株式会社 (Kurashiki Kako)	明立精機株式会社 (Meiritz)	株式会社 昭和サイエンス (Showa Science)	特許機器株式会社 (Tokkyokiki)	Bilz	Kinetic Systems	TMC
수직방향 (Hz)	1.8	1.2~1.5	1.0	1.6~2.2	2	1.5	1.2
수평방향 (Hz)	1.1~1.3	1.2~1.5	0.5	1.2~1.8	1.2	1.2	1.0