7소음·진동

November 2019

특집: 운영성능및내구성평가를위한진동시험

1. 머리말

제품의 신뢰성 평가를 통한 안전성을 확보하는

것뿐만 아니라 내구성, 수명, 제품의 성능 등 다

양한 목적으로 활용되어 온 진동시험은 과거 자

동차관련산업및방위산업등제한적인분야에

집중되어 왔으나 이제는 거의 대부분의 산업 및

제품군에서활용하는필수적인신뢰성시험방법

이 되고 있다. 진동시험의 가장 큰 목적은 실제

발생하는 진동 환경을 제품에 그대로 모사하여

제품이 받는 영향과 진동 환경에 대한 특성 등을

평가하는 것이다. 따라서 실제 진동 환경 모사를

위한 다양한 진동 시험 기법들이 개발되어 왔으

며, 다양한 환경 요소를 그대로 반영할 수 있는

복합적인 진동 시험 기법들이 이미 많은 분야에

서 활용되고 있다. 다만 현재 상용화되어 업계에

서주로사용되는대다수의진동시험기는기계적

인 한계로 인해 단축 방향의 진동만을 모사하는

수준으로, 실제 자연계에서 3축 방향으로 동시에

발생하는진동에대한평가를하기에는현실적으

로한계가있다. 이러한 3축동시진동환경모사

의 본질적인 문제에 좀 더 접근하기 위하여 다축

진동에 대한 이해와 시험장비의 개발 등이 오래

전부터 이루어져왔고, 유압식이나 공압식 액추에

이터 등을 이용한 다축 시험장비의 개발뿐만 아

니라보다더정확하게진동파형을재현할수있

는 전자기식 진동시험기의 조합으로 구성된 3축

동시진동시험기가일본(IMV사) 등에서이미 20

여 년 전부터 개발되어 실제 시험에 사용되고 있

는 실정이다. 이 글에서는 앞으로 진동시험 분야

에서보다더많은분야에서활용될수있는전자

기식 진동시험기를 이용한 3축 동시 진동시험에

대해소개한다.

2. 3축동시진동시험의수요

진동시험의수요는표 1과같이실제진동을더

정확하게재현할수있는방향으로변화되고있다.

다자유도 다축 진동시험에 대한 수요는 실제로

표 2에서와같이각산업분야에서국제적인표준

으로지정혹은권장되고있는추세이다.

7소음·진동

November 2019

3축동시진동시험기술의이해

이 창 훈

(GU)

특집특집

운운영영성성능능및및내내구구성성평평가가를를위위한한진진동동시시험험

* E-mail : chlee@gu21.com

표 1 진동시험수요의변천

구분 현재 개선

진동 시험 유형이상화된 단축진동시험

실제 진동 모사시험

진동 파형정형화된랜덤파

실측 진동 파형

제어 방식 레벨 제어레벨

+위상 제어

자유도 1 자유도3 자유도~6 자유도

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8소음·진동제29권 제6호, 2019년

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3. 3축동시진동시험기의구성

전자기식가진기를이용한 3축동시진동시험기

는그림 1과같이 3대의가진기와평면베어링, 그

리고진동테이블로구성된다. 3대의가진기는서

로직교하는방향으로정렬되어각각의단축방향

으로테이블을진동시키며, cross-axial 방향의운

동을 허용하기 위한 평면 베어링이 각 축 방향의

가진기와테이블사이에결합된다. 또한그림에는

표시되지 않지만, 각각의 가진기 동작을 위한 전

력 증폭기와 개별 냉각장치(공냉식 블로어 혹은

냉각수공급라인)이연결되어전체시스템을구성

한다.

3축 동시 진동시험기는 하나의 테이블을 세 방

향으로동시에움직이게되므로, 각각의축방향에

대해 cross-axial motion이 가능하도록 베어링을

사용한다. 이 베어링은 테이블의 크기와 무게, 사

용 주파수범위, 피시험체의크기와무게등에따

라 크게 평면 베어링 방식과 ICCU(integrated

cross coupled unit ; 일본 IMV사특허) 방식으로

구분된다. 그림 2는평면베어링방식과 ICCU 방

식의 개념을 설명한 그림이며, 그림 3은 ICCU의

베어링유닛에대한상세도이다.

ICCU 방식은전자부품과같은소형피시험체를

높은주파수대역까지시험하는경우에적합하며,

평면베어링방식은상대적으로크기가큰피시험

표 2 3축 동시 진동시험표준및권고예시

구분 내용

자동차 분야

GMW 규격(제조사 자체 규격) 중 3축 평가 권고 사항GMW 148688

powertrain mounting system : inertia-reached, real-time structual durabilityGMW 141011

objective subsystem/component squeak and rattle test

인체 진동 분야

ISO5349-1, ISO 5349-2measurement and evaluationof human exposure to hand-transmitted vibration

ISO2631-1, ISO 2631-2evaluation of human exposure to whole-body vibration

방위 산업 분야MIL-STD-810H (2019)다축/다점 진동시스템의 장점에 대해 소개

철도 산업 분야IEC 61373（revised edition 2010)일본의 요청으로“multi-axis testing may be used”항목이 추가되었으며 이 항목의 적용으로 시험시간이 단축됨

그림1 3축동시진동시험기의외형도(예시)

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9소음·진동

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특집: 운영성능및내구성평가를위한진동시험

체에 대한 저주파수 시험에 유리하다. 다만, 그림

3과같이 3축동시진동시험기는구조적으로변형

이나 확장이 용이하지 않아 초기에 탑재하중 및

사용 주파수 설계 등을 위해 피시험체 대상에 대

한명확한검토가반드시필요하다.

4. 3축동시진동시험의제어

단축 진동시험기의 경우에는 일반적으로 한 개

혹은여러개(평균제어방식)의가속도입력에대

해한개의출력신호로제어되는피드백제어방

식으로 작동한다. 하지만 3축 동시 진동시험기의

경우는 3개의가진기를동작시켜야하므로, 3개의

진동축에대한개별적인가속도피드백뿐만아니

라독립된 3개의출력신호가필요하게된다. 이것

을해결하기위한가장간단한방법은 3개의독립

된 피드백 컨트롤러를 사용하면 된다. 하지만, 이

방식은각각의제어신호들이완전히독립되어있

어서 3축 동시 진동 시에 나타나는 cross-talk와

같은진동특성에대한제어및위상제어등이거

의불가능하다. 따라서, 3축동시진동시험을정확

하게 제어하기 위해서는 다중입력 다중출력

그림2 평면베어링과 ICCU 개념도

그림3 ICCU의내부상세도

그림4 3축동시진동시험기와MIMO 컨트롤러의구성도

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10소음·진동제29권 제6호, 2019년

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(multi-input multi-output ; MIMO)이가능한전

용컨트롤러를사용하여야한다.

그림 4는 3축 동시 진동시험기와 MIMO 방식

컨트롤러의구성도를보여준다.

피드백제어방식의진동시험에서출력신호와입

력신호사이에응답으로나타나는전달함수는출력

신호를 결정하는 기준이 되며 그 신호의 신뢰성은

매우중요하다. 단축진동과달리3축동시진동에서

는가진방향의진동신호는직교하는축방향의진

동신호로부터영향을받을수있는데이러한간섭

현상을 cross-talk라고하며, 3축동시진동제어를

위한 중요한 파라미터가 된다. 그림 5에서와 같이

A, B, C 방향의가진에대한각각의응답은대각선

상의응답들이며, 이 응답들을 벗어난부분(동그라

미로표시된)은진동축과직교하는다른축에의한

간섭, 즉 cross-talk를표시한다. 3축동시진동시험

에서는이러한 cross-talk의영향을분석제어할수

있어야하며, 이에따라앞서설명하였던MIMO 방

식의피드백컨트롤러가반드시필요하다.

5. 맺음말

이상으로 3축 동시 진동시험 및 시험기의 구성,

제어방식등에대해서간단히살펴보았다. 3축방

향으로분해된단축진동시험은현재까지거의모

든 산업 분야에서 표준으로 적용되어 온 시험이

며, 이 자체로 충분한 의미를 가지고 있다. 하지

만, 실제 자연계에서의 진동은 단축 방향의 개별

적인 진동의 조합이 아니라 3축 방향의 공간에서

동시에발생을하기때문에실제진동을모사하기

위해서는 3축 동시 진동시험이 보다 더 현실적인

진동을재현할수있다. 다만 3축동시진동시험기

와같은대형시스템이갖는경제성문제및시험

법의 개발 문제 등으로 인해 현재까지는 시험의

수요가지배적이지않지만, 향후 좀 더실제상황

에 가까운 진동 환경을 재현하고 그에 대한 신뢰

성평가의필요성이확대되면많은산업분야에서

반드시 필요로 하는 진동시험의 한 표준이 될 것

으로기대된다.

그림5 Cross-talk 응답이포함된3축동시진동의전달함수매트릭스

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