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.

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

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.