KR100218749B1 - Mr유체를 이용한 방진용 마운트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 MR유체를 이용한 방진용 마운트에 관한 것으로, MR유체가 충진되는 체임버(S1,S2)가 형성된 하우징(1a,1b) 상부에 가진원과 연결된 탄성부재(2)가 삽입되어 있고, 상기 하우징(1a,1b)에 자기장을 유도하면서 하우징(1a,1b)을 상,하부 하우징(1a,1b)으로 구획하는 환형코일(3)이 삽입되어 있으며, 상기 상,하부하우징(1a,1b)사이에 원형판(4)이 상기 환형코일(3)에 내장되게 설치되어 있는 한편, 상기 하부 하우징(1b) 하부에 상기 체임버(S1,S2)내의 MR유체를 혼합시키는 유체혼합장치(6)가 설치되어, 하우징내의 유체가 유체혼합장치에 의해 균질한 상태로 유지되어, 마운트로서의 기능을 안정되게 수행할 수 있도록 한 것이다.

Description

ＭＲ유체를 이용한 방진용 마운트(A Magneto-rheological Fluid Based Mount)

본 발명은 차량이나 기계구조물에 전달되는 진동을 감쇠시키는 데 사용되는 마운트에 관한 것으로, 특히 자기장의 변화에 따라 점성이 변하는 MR유체를 이용하여 가진원에서 전달되는 진동을 감쇠시킬 수 있도록 된 MR유체를 이용한 방진용 마운트에 관한 것이다.

일반적으로 차량이나 기계구조물에 사용되는 방진용 마운트는 가진원과 구조물사이를 지지하는 동시에 가진원으로부터 구조물로의 전달력을 최소화하여 소음 및 진동을 저감하는 것으로서, 이와 같이 감쇠력을 감소시키기 위해서는 이론적으로 마운트의 강성이 작아져야 하는 반면, 가진원의 하중을 지지하기 위해서는 정적인 지지 강성을 유지해야 하는 상반된 요구 조건을 만족하도록 설계조건이 부여되어야 한다.

그런데, 방진재인 고무를 비롯해서 흔히 사용되는 고분자재료 만으로는 상기한 두 가지의 상반된 요구조건을 충족시킬 수 없고, 또한 차량이나 기계 구조물에서 요구되는 성능이 최근 승차감 향상이나 정밀운전과 같은 고품위의 기능으로 변화되는 추세에도 부응할 수 없다는 문제점이 있었다.

즉, 상기한 조건을 만족시키기 위한 마운트는 저주파수에서는 충분한 지지강성을 가지면서도 고주파 진동성분을 충분히 차단시킬 수 있는 복합적인 특성을 만족시켜야 하는 바, 최근 선진국을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있는 자기장의 변화에 따라 점성(항복응력)이 변하는 MR(Magneto-rheological)유체를 이용한 반능동 마운트는 상기한 요건을 만족시키는 데 적합한 특성을 가지고 있다.

이러한 반능동 마운트는 수동형 유체봉입 마운트보다 성능이 우수할 뿐만 아니라 많은 기계요소를 사용하지 않고 감쇠력(damping force)조절을 위해 자기장을 가하기 위한 자극판만을 첨가시키면 되므로 장치의 단순화. 경량화, 소형화가 가능하며, 가격도 저렴하고 고장가능성이 현격히 줄어든다.

그리고 광범위하고 연속적인 감쇠력을 발생시키며, 소비전력도 수 와트(Watt) 수준으로 낮고 반응속도가 1∼2 msec로 빠르다. 그리고 항상 시스템으로부터 에너지 소실(dissipation)시키므로 안정성 문제가 발생하지 않는다는 장점이 있다.

그러나, 상기한 장점에도 불구하고 현재 개발된 MR유체는 장시간 방치할 경우 기본 오일(oil)과 입자가 서로 분리 침전되어, 마운트로서의 안정성이 결여되어 실용화하기가 어렵다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 마운트로서의 공학적 성질을 만족하면서 장시간 운전되지 않을 경우 서로 분리,침전된 기본 오일과 입자를 균질한 상태로 만들어 마운트의 안정성을 향상시킬 수 있도록 된 MR유체를 이용한 마운트를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, MR유체가 충진되는 체임버가 형성된 하우징 상부에 가진원과 연결된 탄성부재가 삽입되어 있고, 상기 하우징에 자기장을 유도하면서 하우징을 상,하부 하우징으로 구획하는 환형코일이 삽입되어 있으며, 상기 상,하부 하우징 사이에 원형판이 상기 환형코일에 내장되게 설치되어 있는 한편, 상기 하부 하우징에 상기 체임버 내의 MR유체를 유동시켜 오일과 입자를 균질하게 섞어주기 위한 유체혼합장치가 설치되어 있다.

상기와 같이 이루어진 본 발명에 의하면, 하우징내의 유체가 유체혼합장치에 의해 균질한 상태로 유지되어, 마운트로서의 기능을 안정되게 수행할 수 있게 된다.

도1은 본 발명에 따른 MR유체를 이용한 방진용 마운트의 일실시례를 나타낸 구성도,

도2 내지 도 6은 본 발명의 제2실시례 내지 제4실시례를 도 1과 같이 나타낸 구성도,

도7과 도 8은 제3실시례와 제4실시례의 작동과정을 설명하기 위한 역학적 모델을 나타낸 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1a,1b : 하우징 2 : 탄성부재

3 : 환형코일 4 : 원형판

5 : 스페이서 6 : 유체혼합장치

7 : 진동판 8 : 스위치

9 : 솔레노이드 10 : 가동철심

11 : 스위치 개폐수단 21 : 제2진동판

22 : 진동전달돌기 31a,31b : 일방향밸브

32 : 리턴라인 33 : 받침판

34 : 유체출입구 35 : 지지돌기

36 : 스페이서 41a,41b : 일방향밸브

42 : 밸브블록 43 : 리저버

44 : 탄성막 45 : 지지돌기

46 : 스페이서

이하 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 MR유체를 이용한 방진용 마운트의 일실시례를 나타낸 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 MR유체가 충진되는 체임버(S1,S2)가 형성된 하우징(1a,1b) 상부에 가진원(도시되지 않음)과 연결된 탄성부재(2)가 밀봉되게 삽입되어 있고, 상기 하우징(1a,1b)에 환형코일(3)이 원주방향으로 삽입설치되어 하우징(1a,1b)을 상,하부 하우징(1a,1b)으로 구획하고 있으며, 상기 상,하부하우징(1a,1b)사이에 원형판(4)이 상기 환형코일(3)에 대응되게 설치되어 있다.

여기서, 상기 탄성부재(2)는 수직방향의 정하중을 지지하는 동시에 수평방향의 하중도 동시에 지지할 수 있도록 되어 있고, 상부 팽창강성을 형성하여 동하중을 받도록 되어 있고, 상기 원형판(4)은 상기 상,하부하우징(1a,1b)에 스페이서(5)를 매개하여 설치되면서 상기 체임버(S1,S2)를 상,하부로 구획하도록 되어 있다.

그리고, 상기 하부 하우징(1b) 하부에 체임버(S1,S2)에 충진된 MR유체를 유동시키는 유체혼합장치(6)가 설치되어 있다.

여기서, 상기 유체혼합장치(6)는 가진수단으로 이루어지고, 이 가진수단은 상기 하부하우징(1b) 저면에 하부 체임버(S2)내의 유체와 접하게 설치된 진동판(7)과, 외부전원(B+)에 스위치(8)를 매개하여 접속된 솔레노이드(9)와, 상기 진동판(7)에 일단이 결합되면서 타단이 상기 솔레노이드(9) 내부에서 슬라이딩 가능하게 설치된 가동철심(10)을 포함하여 이루어져, 상기 스위치(8)를 온/오프시킴에 따라 상기 가동철심(10)이 슬라이딩되어 상기 진동판(7)에 힘을 가하거나 가해진 힘을 해제하게 되어 있다.

또한, 상기 가동철심(10)에 스위치 개폐수단(11)이 설치되어, 상기 가동철심(10)과 연동되어 상기 스위치(8)를 간헐개폐하도록 되어 있다.

상기와 같이 이루어진 본 발명의 실시례에 따른 마운트의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.

상기 원형코일(3)에 전류가 인가됨에 따라 코일(3) 주위에 자기장이 유도되고, 이와 같이 전류에 의해 유도된 자기장은 코일(3)위쪽의 상부하우징(1a)과 상기 코일(3)내부에 설치되면서 표면이 유체에 함침된 원형판(4) 및 코일(3) 아래쪽의 하부하우징(1b)을 차례로 지나 원형코일(3)로 흘러들어가서 폐회로(이하, 이 폐회로를 형성하는 괘적선을 자기력선이라 한다)를 형성하게 된다.

여기서, 상기한 자기력선은 상기 원형판(4) 주위를 따라 상하부로 유동되는 MR유체를 관통하여 흐르게 되고, 이와 같이 자기장이 MR유체에 작용됨에 따라 상기 MR유체 점성이 변하여 진동 감쇠력이 가변되게 된다.

따라서, 가진원으로부터 전달되는 진동의 크기에 따라 상기 환형코일(3)에 인가되는 전류치를 가변시키면, 코일(3)에 유도되는 자기장의 세기가 가변되고, 이 자기장의 세기에 따라 MR유체의 점성도 가변되어져 가진원으로부터의 진동을 효과적으로 감쇠시킬 수 있게 된다.

여기서, 상기한 자기장을 MR유체에 효과적으로 작용시키기 위해 상기 상부하우징(1a) 하부와 하부하우징(1b) 및 원형판(4)을 강자성, 상부하우징(1a) 상부와 상기 탄성부재(2)에 삽입된 지지부재(12)는 상자성을 가진 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 솔레노이드(9)에 전류를 인가하면, 상기 가동철심(10)은 상기 진동판(7)을 잡아당기는 방향으로 이동하게 되고, 이에 따라 상기 진동판(7)은 가동철심(10)방향으로 팽창하게 되며, 상기 스위치개폐수단(11)은 스프링(도시되지 않음)을 압축시키며 연동되어 상기 스위치(8)를 오프시켜서 솔레노이드(9)에 인가되는 전류를 차단하게 된다.

이와 같이 솔레노이드(9)에 인가되는 전류가 차단됨에 따라 스위치개폐수단(11)에 작용되는 스프링의 탄성복원력과 팽창된 진동판(7)의 탄성복원력에 의해 상기 가동철심(10)과 진동판(7)은 원래의 위치로 복귀되고, 스위치(8)도 다시 온되면서 솔레노이드(9)에 전류를 인가하게 된다.

상기와 같이 솔레노이드(9)에 인가되는 전류의 단속이 반복적으로 이루어짐에 따라 상기 진동판(7)이 팽창 복원을 주기적으로 반복하여 진동을 일으키게 되고, 하부체임버(S2) 저면에 침전된 MR유체의 입자들은 상기와 같이 진동하는 진동판(7)에 의해 상부체임버(S1)쪽으로 유동하여 상부하우징(1a)에 채워진 MR유체와 섞이면서 체임버(S1,S2)내의 MR유체가 균질하게 된다.

한편, 도 2는 본 발명의 제2실시례를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 상기 유체혼합장치(6)가 상기 하부하우징(1b)에 설치된 제2진동판(21)으로 이루어지고, 상기 제2진동판(21)에는 상기 원형판(4)에 그 선단이 결합된 진동전달돌기(22)가 형성되어 있다.

상기 환형코일(3)에 전류를 인가하여 자기장을 발생시키면 상기 원형판(4)이 외부의 외란(disturbance)에 의해 제2진동판(21) 방향이나 그 반대방향으로 자기력을 받게 된다.

따라서, 환형코일(3)에 고주파수를 갖는 전류를 인가하면 제2진동판(21)이 주기적으로 팽창을 반복하면서 진동을 일으키게 된다.

즉, 주파수 f의 전류를 환형코일(3)에 인가하면, 2f의 주파수로 제2진동판(21)이 진동을 일으키게 된다. 이 주파수가 제2진동판(21) 또는 이 제2진동판(21)과 연결된 마운트 구조 전체의 공진주파수와 일치하게 되면, 원형판(4)이 대변위로 움직이고, 또한 하우징(1a,1b) 내부의 유체도 대변위로 상하로 움직여 오일과 입자가 서로 섞여 균질하게 된다.

이 때, 마운트내의 유체를 균질하게 만들도록 환형코일(3)에 인가하는 전류의 주파수는 마운트의 작동영역(관심영역)을 벗어난 주파수이다.

상기와 같은 제2실시례에 의하면, 자체의 구조에 의한 공진을 이용하여 유체를 섞어주므로써, 그 구성이 간단하고, 유체를 섞어주기 위한 부가적인 에너지 소요가 없게 된다.

도 3과 도 4는 본 발명의 제3,4실시례를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 상기 유체혼합장치(6)가 상기 하부하우징(1b)에 유체를 일방향으로만 흐르게 하는 체크밸브와 같은 두 개의 일방향밸브(31a,31b)와, 이 일방향밸브(31a,31b)를 서로 연결하면서 길이방향으로 신축가능한 리턴라인(32)을 포함하여 이루어져 있다.

여기서, 제3실시례는 상기 하부하우징(1b)과 일방향밸브(31a,31b)사이에 받침판(33)이 설치되고, 이 받침판(33)에는 상기 일방향밸브(31a,31b)에 각각 대응되게 형성된 유체출입구(34a,34b)와 상기 원형판(4)을 지지하는 지지돌기(35)가 형성되어 있다.

그리고, 제4실시례는 상기 원형판(4)이 스페이서(36)를 통해 지지되어 있다.

본 발명의 제3,4실시례의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.

가진원으로부터 전달된 진동에 의해 상기 탄성부재(2)는 상부체임버(S1)의 체적을 변하게 하고, 이에 따라 체임버(S1,S2)에 충진된 유체는 유동이 발생되게 되는 데, 가진원으로부터 진동이 도 7에 나타낸 바와 같이 연직하방향으로 일어나면, 상부체임버(S1)내의 유체는 화살표와 같이 하부체임버(S2)로 유동되고, 이 하부체임버(S2)내의 유체는 출구측의 일방향밸브(31a)를 통과하여 체적팽창이 가능한 리턴라인(32)에 저장되게 된다.

반대로 진동이 도 8에 나타낸 바와 같이 연직상방으로 일어나면, 리턴라인(32)에 저장된 유체는 화살표와 같이 입구측 일방향밸브(31b)를 통과하여 하부체임버(S2)로 유입되고, 이 하부체임버(S2)에 채워진 만큼의 유체는 다시 상부체임버(S1)로 유입된다.

상기와 같이, 유체의 유동이 일방향밸브(31a,31b)에 의해 한 방향(도면에서는 반시계방향)으로만 흐르게 되므로 장시간 방치로 인하여 분리, 침전이 일어난 유체가 마운트의 동작중에 섞여 균질한 상태가 된다.

여기서, 유체의 균질화 속도를 좌우하는 리턴라인(32)을 통과하는 유체의 유속은 매우 빠르다. 이를 위해서는 탄성부재(1)의 등가 피스톤면적이 리턴라인(32)의 내경보다 커야 한다. 이 때 가진원에 의해 탄성부재가 압축되는 정도는 리턴라인(32)의 체적변화에 의한다. 즉, 리턴라인(32)에 저장될 수 있는 유체의 양 이상으로는 탄성부재(1)가 압축되지 않으므로 결국 스톱퍼의 역할도 수행한다.

예컨대, 탄성부재(2)의 등가 피스톤면적이 대략 4000㎟이고, 일방향밸브(31a)와 리턴라인(32)의 내경이 15㎜ 일 때, 1㎜/s의 진동이 가진원을 통해 전달될 경우, 유량 Q=4000㎣/s 이고, 일방향밸브(31a)와 리턴라인(32)의 통과하는 유체의 유속은 22.6㎜/s가 되어 가진원 진동속도에 비해 약 23배의 증폭이 일어난다.

한편, 상기와 같이 유체가 일방향으로만 흘러 리턴라인(32)에 유량감지장치(도시되지 않음)를 설치하면 유량측정을 쉽게 할 수 있으므로, 소위 잠김(locking)현상 판단이 실시간으로 이루어져 잠김현상을 신속하게 없앨 수 있다. 여기서, 잠김현상이란 마운트에 요구되는 것 이상으로 항복응력이 상,하부체임버(S1,S2)와 원형판(4)이 이루는 간극에 유발되어 유체의 흐름이 막히는 현상으로, 이러한 경우 탄성부재(2)의 팽창강성과 감쇠에 의해서만 가진원의 하중이 지지되게 되고, 이에 따라 유체저항이나 MR유체의 항복응력에 의한 감쇠에 의한 에너지 소실(dissipation)이 시스템에 나타나지 않으므로, 진동 저감효과가 현저히 감소되며, 효율적인 MR마운트를 제어할 수 없게 되므로, 신속하게 잠금현상을 없애는 것이 필요한 것이다.

도 5와 도 6은 본 발명의 제5,6실시례를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 상기 유체혼합장치(6)가 상기 하부하우징(1b)에 장착되면서 유체를 일방향으로만 흐르게 하는 체크밸브와 같은 두 개의 일방향밸브(41a,41b)가 구비된 밸브블록(42)과, 상기 하부하우징(1b)에 설치되면서 하부 하우징(1b)과 공간부(S3)를 형성하여 압축성유체를 저장할 수 있도록 된 리저버(reservoir,43) 및, 상기 하부하우징(1b)에 상기 리저버(43)에 수용됨과 더불어 상기 밸브블록(42)하부를 감싸면서 설치된 탄성막(44)을 포함하여 이루어져 있다.

여기서, 상기 원형판(4)은 제5실시례에서는 지지돌기(45)를 매개하여 밸브블록(42)에 지지되어 있고, 제6실시례에서는 스페이서(46)를 매개하여 상부하우징(1a)과 밸브블록(42)에 지지되어 있다.

본 발명의 제5,6실시례의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.

제5,6실시례의 작동과정은 기본적으로 제3,4실시례와 유사하다. 즉, 가진원을 통해 연직하방향으로 탄성부재(2)가 압축되면, 상부체임버(S1)의 유체가 하부체임버(S2)로 유동되고, 이 하부체임버(S2)내의 유체는 밸브블록(42)의 일방향밸브(41a)를 통과하여 탄성막(44)속에 축적된다. 이 때, MR유체는 비압축성이고 두 일방향밸브(41a,41b)중 어느 하나는 닫혀 있으므로 탄성막(44)은 팽창하는 데, 그 팽창정도는 리저버(43)의 공간부(S3)에 충진된 압축성유체의 충전조건에 따라 달라진다.

상기와 같이 탄성막(44)에 축적된 유체는 어큐물레이터와 같이 압력을 형성하고, 이 압력은 탄성부재(2)가 연직상방향으로 인장될 때 즉, 상부체임버(S1)가 팽창할 때 탄성막(44) 속의 유체가 닫혀진 일방향밸브(41b)를 열고 탄성부재(2)의 흡입력과 더불어 하부체임버(S2)를 거쳐 상부체임버(S1)속으로 유입시키는 역할을 한다.

제5,6실시례에 의하면, 상기 리저버(43)에 충진되는 압축성유체의 충진압력을 조절하여 마운트의 최대변위를 임의로 조절할 수 있게 되어, 스톱퍼의 위치가 조절되는 효과를 낸다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 MR유체를 이용한 방진용 마운트에 의하면, 체임버에 채워지면서 장기간의 방치로 서로 분리, 침전된 MR유체의 기본오일과 입자를 서로 섞어주어 서로 분리, 침전되는 것을 방지함으로써 마운트로서의 안정성을 확보할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 제3실시례 내지 제6실시례와 같이 일방향밸브를 이용한 경우에는 마운트를 사용하는 모든 기간에 걸쳐 유체를 효과적으로 섞어줄 수 있고, 또한 유체를 섞어주기 위한 부가적인 에너지가 소요되지 않아 에너지 소요비용을 줄일 수 있으며, 유체의 잠김현상을 신속히 체크하여 제거할 수 있는 효과도 아울러 얻을 수 있다.

또한, 외부에 스톱퍼가 설치된 것과 같은 효과를 내므로 마운트의 최대진동변위를 조절할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (8)

1. MR유체가 충진되는 체임버(S1,S2)가 형성된 하우징(1a,1b)과, 상기 하우징(1a,1b)의 상부를 밀봉함과 동시에 상부 가진원과 연결된 탄성부재(2), MR유체에 자기장을 유도하도록 상기 하우징(1a,1b)의 원주방향으로 설치된 환형코일(3), 상기 환형코일(3)에 대응되며 체임버(S1,S2) 사이에 설치되어 MR유체의 흐름을 유도하도록 설치된 원형판(4) 및, 상기 하부 하우징(1b) 하부에 설치되어 상기 체임버(S1,S2)내의 MR유체를 혼합시키는 유체혼합장치(6)를 포함하여 이루어진 MR유체를 이용한 방진용 마운트.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 유체혼합장치(6)가 가진수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 MR유체를 이용한 방진용 마운트.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 가진수단이 상기 하부하우징(1b) 저면에 설치된 진동판(7)과, 외부전원에 스위치(8)를 매개하여 접속된 솔레노이드(9), 상기 진동판(7)에 일단이 결합되면서 타단이 상기 솔레노이드(9) 내부에서 슬라이딩 가능하게 설치된 가동철심(10) 및, 상기 가동철심(10)에 설치된 스위치 개폐수단(11)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 MR유체를 이용한 방진용 마운트.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 진동판(7)이 상기 하부하우징(1b)에 설치된 제2진동판(21)으로 이루어지고, 상기 원형판(4)이 상기 제2진동판(21)의 진동전달돌기(22)에 의해 지지된 것을 특징으로 하는 MR유체를 이용한 방진용 마운트.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 유체혼합장치(6)가 상기 하부하우징(1b)에 서로 반대 방향을 갖도록 설치된 두 개의 일방향밸브(31a,31b)와, 이 일방향밸브(31a,31b)를 서로 연결하면서 길이방향으로 신축가능한 리턴라인(32)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 MR유체를 이용한 방진용 마운트.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 유체혼합장치(6)가 상기 하부하우징(1b)저부에 서로 반대방향으로 설치된 일방향밸브(41a,41b)와, 상기 일방향밸브(41a,41b)로부터 MR유체가 유입,유출될 수 있는 탄성력을 가진 탄성막(44)을 구비하고, 상기 탄성막(44)의 주위에는 압축성유체를 충진한 공간부(S3)를 구비한 리저버(43)를 구비한 것을 특징으로 하는 MR유체를 이용한 방진용 마운트.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 일방향밸브(31a,31b, 41a,41b)와 하부하우징(1b)에 받침판(33)이 설치되고, 이 받침판(33)이 상기 일방향밸브(31a,31b)에 대응되게 형성된 유체출입구(34)와 상기 원형판(4)을 지지하는 지지돌기(35)를 갖춘 것을 특징으로 하는 MR유체를 이용한 방진용 마운트.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 환형판(4)이 강자성체로 이루어지고, 상하부에 스페이서(5)를 개재하여 상하 방향으로 일정한 간극을 유지하게 한 것을 특징으로 하는 MR유체를 이용한 방진용 마운트.

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