러닝 머신 진동 저감 효과를 위한 댐퍼 형상 연구

1. 서론

사회제도의 발달과 소득 수준의 향상으로 건강에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이에 따라 의료서비스 및 이를 제공하는 의료기기 및 운동기기에 대한 기대감도 상승하고 있는 추세이다. 건강하고 오래 사는 건강한 삶에 대한 욕구는 사람들의 기본적인 욕구로 각종 운동기기도 사람들의 기본적인 욕구를 만족시키는 방향으로 발전하고 있다. 그러나 최근 미세먼지로 인한 실외환경 악화로 인해 건강 증진을 위해 실외에서의 운동이 많은 장점이 있음에도 불구하고 실내에서의 운동이 증가하고 있으며, 이에 따라 가정에서 운동을 할 수 있는 실내용 러닝머신(Treadmill) 또는 사이클과 같은 운동기구에 대한 관심과 수요가 증가하고 있다.¹ 그러나 이러한 실내 운동기기의 사용은 층간 소음을 발생시켜서 이웃 간의 불편함을 야기하는 사회적 문제로 이어지고 있다. 특히 사용 시 진동이 크게 발생하는 러닝머신은 아파트와 같은 집합 건물에서 사회적 문제가 더욱 대두되고 있는 실정이다. 기존 진동 저감 방안으로 사용자에 의한 최대 하중 작용 시 진동을 흡수할 수 있는 형상, 경도 등은 고려되지 않은^2-5 방진고무를 적용한 댐퍼를 사용하였으나, 본 연구는 댐퍼에 최대 하중 작용 시 충격에 의해 발생하는 진동에너지를 흡수할 수 있는 여러 가지 형상 및 경도를 설계한 후진동해석을 통해 형상과 경도에 따른 외부 충격에 의한 진동저감 효과가 큰 댐퍼를 개발하고자 하였다.^6,7 댐퍼는 고무 재질로서 러닝머신의 하단부에 설치되어 달릴 때의 진동을 저감하는 역할을 한다.^8-15 댐퍼 형상은 러닝머신에 미치는 진동을 흡수하는 이중 홀 구조로 설계하였으며, 댐퍼 경도는 Hard, Middle, Soft 등의 세 가지로 설계하였다. 이러한 댐퍼 경도에 따라 기존 댐퍼 2종과 신규 개선 댐퍼 1종을 대상으로 구조해석과 실험을 통하여 댐퍼 형상, 경도별 진동 저감 효과를 검증하였다.

Table 1

Material properties for analysis of dampers

2. 댐퍼 형상 설계

2.2 댐퍼 형상 설계

본 연구에서는 외부 충격에 의해 형상이 변형할 때의 내부마찰에 의해 발생되는 고체감쇠(Hysteretic Damping)로 위치에너지의 손실을 제어하여 진동 에너지를 감쇠하기 위해 댐퍼의 형상을 세 가지로 설계하였다. Fig. 1은 형상에 따른 감쇠 능력비교를 위해 세 가지 경우의 댐퍼 형상 설계를 보여준다. Case 1은 아래쪽에 돌기모양의 홈에서 1차 감쇠와 몸체에서 2차 감쇠가 가능한 직사각형 형상의 댐퍼이며, Case 2는 외부 형상에서 감쇠가 가능한 원추형 형상의 댐퍼이다. Case 3은 신규로 설계한 댐퍼로 충격에 의한 에너지를 흡수할 수 있도록 2개의 타원홀을 삽입하여 진동을 저감할 수 있도록 설계하였다. 즉, 러닝시 충격에 의한 에너지를 상부 타원홀에서 1차 감쇠가 발생하고, 이후 하부 반타원 홈에서 2차 감쇠가 되도록 설계하여 상부의 타원홀과 하부의 반타원 홈의 형상 설계를 통해 진동 감쇠력의 차이에 의해 바닥으로의 진동 전달이 최소화되도록 설계하였다. Fig. 2는 Case 3의 댐퍼 형상 상세 설계를 보여준다.

Fig. 1

Cases of damper design for analysis

Fig. 2

Damper shape details of Case 3

3. 댐퍼 형상 선정을 위한 구조해석

3.1 구조해석 조건

러닝머신에서 댐퍼 형상과 경도에 따라 진동 저감에 미치는 영향을 알아보기 위하여 구조해석을 수행하였다. 구조해석을 위한 구속 조건은 65 kg 표준 체중의 남성이 러닝 시 충격하중의 3배를 적용하여 약 200 kg의 하중이 작용하도록 설정하였으며, 댐퍼 4개가 장착된 제품에 각 댐퍼당 50 kg 하중이 작용하여 총 하중 200 kg이 작용하도록 설정하였다. Fig. 3은 댐퍼 형상을 선정하기 위한 해석 조건을 나타낸다. 댐퍼의 충격에 의한 감쇠량을 파악하여 바닥으로의 진동 전달 강도를 확인하기 위해 기존 Cases 1과 2 댐퍼와 신규 Case 3 댐퍼의 형상에 따른 변형량에 대한 구조해석을 수행하였다. 또한, Fig. 4와 같이 탄성 계수를 이용한 값 변화를 이용하여 충격에 의한 감쇠 시 저주파 영역(50 Hz 이하) 등 댐퍼의 최적화 경도를 확인하기 위하여 구조해석을 수행하였다.

Fig. 3

Simulation condition for choosing damper shape

Fig. 4

The variation of Young’s modulus vs. The elastomer hardness degrees (Shore and IRHD)

또한, 댐퍼의 형상 변화 측정 부위는 아래와 같으며 Case 2의 경우 a 구역을 측정하고, Cases 1과 3의 경우 a , b 구역을 측정하였다. Fig. 5는 각 댐퍼 형상에서 a, b 구역을 보여준다.

Fig. 5

Dimension change measurement of damper shape

3.2 구조해석 결과

충격량에 따른 댐퍼의 전변형량(Total Deformation)에 해당하는 값에 대해 감쇠가 이루어진다. 특히 경도가 낮은 경우 감쇠가 큰 반면에 저주파 영역(50 Hz 이하)에서 비감쇠가 발생하고, 경도가 높은 경우 감쇠가 작으므로 러닝 시 관절 등의 부하가 증가할 수 있다. 따라서 이러한 경도와 탄성의 최적 조합값을 규명하기 위해 댐퍼의 형상과 경도에 따른 변형량을 확인하였다. 댐퍼 Case 1에서 a, b 두 구역의 경도에 따른 감쇠량을 확인하였다. 즉, 경도가 10씩 상승할수록 a 구역의 경우 평균 2.28 mm, b구역의 경우 평균 0.27mm씩 감쇠량이 증가하였으며, 전변형량의 경우는 평균 2.55mm의 변형량을 보였다. Fig. 6은 댐퍼 Case 1에서 쇼어 경도에 따른 해석 결과를 보여주고, Table 2는 댐퍼 Case 1에서 감쇠량에 대한 결과값을 보여준다.

Fig. 6

Analysis results of Case 1

Table 2

Analysis results of Case 1

구조해석 결과 댐퍼 Case 2에서 a 구역에 대해 경도에 따른 감쇠량을 확인하였다. 경도가 10씩 상승할수록 a 구역의 경우 평균 1.04 mm씩 감쇠량이 증가하는 현상이 나타난다. Fig. 7은 댐퍼 Case 2에서 쇼어 경도에 따른 해석 결과를 보여주고, Table 3은 댐퍼 Case 2에서 감쇠량에 대한 결과값을 보여준다.

Fig. 7

Analysis results of Case 2

Table 3

Analysis results of Case 2

구조해석 결과 댐퍼 Case 3에서 a , b 두 구역에 대해 경도에 따른 감쇠량을 확인하였다. 경도가 10씩 상승할수록 a 구역의 경우 평균 1 .83mm, b 구역의 경우 0.5mm씩 감쇠량이 증가하는 현상이 나타난다. Fig. 8은 댐퍼 Case 3에서 쇼어 경도에 따른 해석 결과를 보여주고, Table 4는 댐퍼 Case 3에서 감쇠량에 대한 결과값을 보여준다.

Fig. 8

Analysis results of Case 3

Table 4

Analysis results of Case 3

4. 결과 및 고찰

댐퍼 형상 Cases 1부터 3에 대해 구조해석을 수행한 결과 a 구역에서는 Case 1에서 감쇠량이 높고, b 구역에서는 Case 3에서 감쇠량이 높게 나타난다. Fig. 9는 댐퍼 형상 및 경도에 따른 a 구역의 감쇠량 변화를 보여주고, Fig. 10은 댐퍼 형상 및 경도에 따른 b 구역의 감쇠량 변화를 보여준다. Case별 형상에 대한 결과는 다음과 같다. Case 1의 경우 충격에 대한 감쇠량은 댐퍼의 고정부와 압축부의 최대, 최솟값의 차이가 심하여 실제 하부로의 진동이 전달된다. Case 2의 경우는 a -b 구간에서 충격량에 대한 감쇠량이 Case 1(8.36 mm), Case 2(3.47 mm), Case 3(7.13 mm) 중에서 최저이므로 바닥으로의 진동 전달이 가장 심한 것으로 판단된다.

Fig. 9

Deformation according to damper shape and hardness

Fig. 10

Deformation of “b” according to damper shape and hardness

Case 3의 경우는 댐퍼 고정부와 압축부의 최대, 최솟값의 편차가 가장 적으며, 충격량에 대한 에너지 감쇠 효과가 가장 크며 바닥으로 진동 전달이 적게 나타난다. 또한 경도가 높을 경우 감쇠률이 높지않아 바닥으로 진동 전달이 크고, 경도가 낮을 경우 감쇠률이 높아 바닥으로 진동 전달이 적다. 러닝 시 댐퍼의 고탄성에 의해 감쇠 후 상하 흔들림 발생으로 인해 사용자가 울렁증 등이 발생할 수 있으므로 쇼어 경도 60이 적합한 것으로 판단된다. Table 4는 댐퍼 Case 3에서 감쇠량 해석 결과를 보여준다. 해석 결과에서 쇼어 경도가 50, 60, 70에서 Case 3의 경우 쇼어 경도가 높을수록 댐퍼 감쇠 정도가 낮게 나타남을 알 수 있다. 실제 러닝머신에서 충격과 진동 시험을 실시하였을 때, 쇼어 경도가 60에서 러닝머신 충격과 진동이 적당한 것으로 판단된다.

Fig. 11은 러닝머신에 Case 3 댐퍼를 장착하여, Fig. 12와 같이 러닝머신 진동 측정 장면을 보여준다. Fig. 13은 Cases 1부터 3 댐퍼를 러닝머신 바닥에 장착하여 러닝머신 진동 시험을 실시하여 진동 저감 효과에 대한 결과를 보여준다. 러닝 시의 충격에 대한 진폭을 FFT 처리하여 소음값(dB)을 얻었으며, 진동 저감 효과는 Case 3의 경우 소음이 -45부터 -47 dB이고 Cases 1과 2는 -33부터 -35 dB임을 알 수 있다. 즉, 소음은 12 dB 감소함을 알 수 있다. Fig. 14는 Case 1 댐퍼 형상을 보여주고, Fig. 15는 Case 2 댐퍼 형상을 보여준다. Case 1 댐퍼 형상은 단순한 직사각형 형상이고, Case 2 댐퍼 형상은 원추형 형상이고, Case 3 댐퍼 형상은 상부에 타원홀을 바닥부에 반타원 홈을 삽입한 형상이다. Fig. 16은 Case 3 댐퍼를 보여준다. 이러한 세 가지 댐퍼 형상 중에서 Case 3 댐퍼 형상이 가장 충격과 진동 흡수 능력이 우수하여 러닝머신에 적용하여 소음 진동 시험을 실시 하였다. 시험 결과에서 Case 3 댐퍼 형상이 소음 진동 효과가 Fig. 13과 같이 우수함을 알 수 있다.

Fig. 11

Treadmill with Case 3 damper

Fig. 12

Vibration measurement of treadmill

Fig. 13

Vibration reduction effect of Cases 1, 2 and 3 damper

Fig. 14

Physical shape of Case 1 damper

Fig. 15

Physical shape of Case 2 damper

Fig. 16

Physical shape of Case 3 damper

실제 러닝머신에 설계 제작한 댐퍼를 적용하여 실험한 결과 Fig. 17과 같이 Case 1은 -41.1, Case 2는 -42.5, Case 3은 -47 dB로 최대 13%의 진동 저감 효과가 나타남을 알 수 있었다.

Fig. 17

Comparison of vibration reduction by damper of Cases 1, 2 and 3

5. 결론

본 연구는 러닝머신을 이용한 실내 운동시 발생할 수 있는 층간 소음을 줄이기 위해 여러 가지 형상의 댐퍼를 설계하여 진동해석과 실험을 통해 댐퍼 형상과 경도에 따른 진동 저감 효과가 큰 댐퍼를 개발하였다. 댐퍼 형상은 러닝 머신에 미치는 진동 저감을 고려하여 총 세 가지(신규 1종, 기존 2종)로 설계하고, 댐퍼 경도는 Hard, Middle, Soft 등의 세 가지로 설계하였다. 댐퍼 형상에 따른 구조해석을 수행한 결과 충격에너지의 다단 흡수를 고려하여 댐퍼 형상은 Case 3에서 바닥으로의 진동 차단효과가 우수하고, 댐퍼 경도가 높은 것은 상대적으로 바닥으로 진동 전달이 심하고, 소프트한 것은 상하 흔들림에 의한 울렁증 발생 우려가 있으므로 중간인 Middle 60이 적합한 것으로 판정된다. 실제 러닝머신에 설계 제작한 댐퍼를 적용한 결과 Case 1은 -41.1, Case 2는 -42.5, Case 3은 -47 dB로 최대 13%의 진동저감 효과를 얻을 수 있음을 확인하였고, 구조해석과 유사한 패턴을 보였으며 진동 저감 효과가 있음을 확인하였다.

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