KR100448655B1 - 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변장치 및 가변방법 - Google Patents

차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변장치 및 가변방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변장치 및 가변방법은 토셔널 댐퍼의 공진 주파수가 회전축의 비틀림 진동 주파수보다 크면 에어 백의 공기를 공급하여 회전축의 중심과 질량체의 중심 사이의 거리를 길게 함으로써 토셔널 댐퍼의 공진 주파수가 회전축의 비틀림 진동 주파수와 같도록 하고, 토셔널 댐퍼의 공진 주파수가 회전축의 비틀림 진동 주파수보다 작으면 에어 백의 공기를 외부로 배출시켜 회전축의 중심과 질량체의 중심 사이의 거리를 짧게 함으로써 토셔널 댐퍼의 공진 주파수와 회전축의 비틀림 진동 주파수를 같도록 하며, 상기 회전축의 비틀림 진동 주파수는 회전축의 각속도를 감지하여 산출하므로 회전축의 속도에 따른 회전축의 비틀림 진동 주파수에 변화에 따라 토셔널 댐퍼의 회전 관성을 가변시켜 항상 토셔널 댐퍼의 공진 주파수가 회전축의 비틀림 진동 주파수와 같도록 함으로써 항상 회전축의 비틀림 진동을 흡수하여 소음을 감소시킬 수 있고, 시제품의 튜닝(tunning) 작업이 간단하다.

Description

차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변장치 및 가변방법{Variable Resonance frequence apparatus and method of torsional damper}
본 발명은 엔진의 토크 변동에 따른 회전축의 비틀림 진동을 흡수하는 차량용 토셔널 댐퍼에 관한 것으로서, 특히 회전축과 질량체 사이의 거리를 회전축의 속도에 따라 가변시켜 회전축의 비틀림 진동을 흡수하는 공진 주파수를 회전축의 속도 변동에 따라 가변시키는 주파수 가변형 토셔널 댐퍼에 관한 것이다.
일반적으로 차량에는 차량의 주행 상태 변화에 따른 엔진의 토크를 변속하는 변속기와 상기 변속기로부터 출력된 구동력을 전달받아 구동륜에 각각 전달하는 종감속 장치가 구비되는데, 이 변속기와 종감속 장치 사이에 드라이브 샤프트가 배치되고, 상기 종감속 장치와 구동륜 사이에 액슬 샤프트가 배치되는데, 이러한 샤프트는 엔진의 토크 변동에 따라 회전하는 회전축으로서 이 회전축에 회전축의 비틀림 진동을 흡수하는 토셔녈 댐퍼가 장착된다.
도 1은 종래 기술에 따른 토셔널 댐퍼가 도시된 단면도이다.
종래 기술에 따른 차량용 토셔널 댐퍼는 회전축(2) 일측에 형성된 삽입홀(2a)에 끼움 고정되는 삽입부(5)가 형성되고 상기 회전축(2)의 관성력을 증대시키도록 소정의 질량을 갖는 스틸재의 링(4)과, 상기 회전축(2)의 외주면에 부착된 상기 링(4)의 내주면(4a)과 외주면(4b) 사이에 배치되어 상기 회전축(2)의 비틀림 진동을 흡수하는 고무재질의 탄성부재(6)로 구성된다.
여기서, 상기 회전축(2)은 엔진의 불규칙적인 폭발로 인한 토크 변동에 따라 비틀림 진동 주파수가 상이하고, 이 비틀림 진동 주파수에 따라 소음의 크기 또한 상이한다.
따라서, 종래의 토셔널 댐퍼는 가장 큰 소음이 발생되는 특정 주파수(fs) 대역의 비틀림 진동을 흡수하는 공진 주파수(fd)를 갖도록 형성되는 바, 토셔널 댐퍼의 공진 주파수(fd)를 산출하는 식은 하기의 [식]과 같다.
[식]여기서, K는 상기 탄성부재(6)의 비틀림 강성이고, Ieq는 상기 링(4)의 등가 관성력이다.
이처럼 종래의 토셔널 댐퍼는 회전축(2)이 특정 속도로 회전되어 특정 주파수(fs) 대역의 비틀림 진동이 발생되면, 자체 공진 주파수(fd)로 인해 이 특정 주파수 (fs) 대역이 흡수되어 상기 비틀림 진동이 상쇄된다.
그러나, 종래 기술에 따른 차량용 토셔널 댐퍼는 가장 큰 소음을 발생시키는 특정 주파수(fs) 대역의 비틀림 진동만 흡수하는 바, 도 2에 도시된 바와 같이 공진 주파수가 모두 상이한 시제품(fd1, fd2, fd3)을 복수개 제작하여 각각 시험을 한 후 회전축의 비틀림 진동을 가장 많이 흡수할 수 있는 시제품을 선정해서 사용하므로 시제품의 제작 비용이 높고, 시제품 튜닝(tunning)시 교환이 어려운 문제점이 있다.
또, 상기 회전축(4)의 비틀림 공진 주파수가 상이한 경우 새로이 제작해야 하므로 범용성이 저하되는 문제점이 있다.
또, 장시간 사용시 경년 변화에 따라 탄성부재의 강성이 변화므로 공진 주파수 또한 변해 일정한 기간마다 토셔널 댐퍼를 교환해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 시제품 제작 비용이 저렴하고, 시제품의 튜닝(tunning) 작업이 간단하며, 엔진의 토크 변동에 따른 회전축의 광범위한 주파수에 대응할 수 있는 차량용 토셔널 댐퍼를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 차량용 토셔널 댐퍼가 도시된 단면도,
도 2는 종래 기술에 따른 시제작품 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 대비 소음을 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변장치 개략도,
도 4a는 본 발명의 에어 백에 공기 공급시의 작동 상태도,
도 4b는 본 발명의 에어 백으로부터 공기 배출시의 작동 상태도,
도 5는 본 발명에 따른 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변방법 블록도, 도 6은 본 발명에 따른 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변방법 순서도,
도 7은 본 발명과 종래 기술에 따른 엔진의 회전수 대비 소음을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
22 : 회전축 24 : 토셔널 댐퍼
23 : 에어 백 25 : 질량체
26 : 각속도센서 28 : 전자제어유닛(ECU)
29 : 위치센서 30 : 밸브수단
31 : 제1 포트 32 : 제2 포트
33 : 제3 포트 34 : 펌프
35 : 제1 위치 36 : 제2 위치
37 : 제3 위치 fs: 회전축의 비틀림진동주파수
fd: 토셔널 댐퍼의 공진주파수
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 차량용 공진 주파수 가변형 토셔널 댐퍼는 회전축의 외주면에 배치되어 공기의 양에 따라 회전축의 반경방향으로 수축/인장되는 탄성수단과 상기 탄성수단의 외주면에 배치된 질량체로 구성된 토셔널 댐퍼와, 상기 회전축의 비틀림 진동 주파수를 감지하는 센싱수단과, 상기 센싱수단의 신호를 입력받아 판단하는 전자제어유닛(ECU)과, 상기 전자제어유닛(ECU)의 판단이 회전축의 비틀림 진동 주파수가 상기 토셔널 댐퍼의 공진 주파수보다 큰 경우 탄성수단에 공기를 공급하고 회전축의 비틀림 진동 주파수가 토셔널 댐퍼의 공진 주파수보다 작은 경우 탄성수단의 공기를 배출시키는 밸브수단으로 구성된다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변장치 개략도이고, 도 4a는 본 발명의 에어 백에 공기 공급시의 작동 상태도이고, 도 4b는 본 발명의 에어 백으로부터 공기 배출시의 작동 상태도이고, 도 5는 본 발명에 따른 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변방법 블록도이고, 도 6은 본 발명에 따른 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변방법 순서도이고, 도 7은 본 발명과 종래 기술에 따른 엔진의 회전수 대비 소음을 나타낸 그래프이다.
상기 본 발명에 따른 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변장치는 도 3에 도시된 바와 같이 엔진의 토크를 전달받아 회전되는 회전축(22)의 외주면에 고정되어 상기 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수(fs)를 흡수하는 토셔널 댐퍼(24)와, 상기 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수를 감지하는 센싱수단(26)과, 상기 센싱수단(26)의 신호를 입력받아 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수(fs)와 상기 토셔널 댐퍼(24)의 공진 주파수(fd)를 비교 판단하는 전자제어유닛(이하 ECU라고 함)(28)과, 상기 ECU(28)에서 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수(fs)가 상기 토셔널 댐퍼(24)의 공진 주파수(fd)보다 크다고 판단하면 토셔널 댐퍼(24)에 공기를 공급하고, 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수(fs)가 토셔널 댐퍼(24)의 공진 주파수(fd)보다 작다고 판단하면 토셔널 댐퍼(24)의 공기를 배출시키도록 상기 ECU(28)에 의해 제어되는 밸브수단(30)으로 구성된다.
상기 회전축(22)은 차량의 주행 상태 변화에 따라 엔진의 토크를 변속하는 변속기와 상기 변속기로부터 동력을 전달받아 구동륜에 각각 전달하는 종감속장치 사이에 배치된 드라이드 샤프트 또는 종감속 장치와 구동륜 사이에 배치된 액슬 샤프트 등 엔진의 토크를 전달받아 회전하는 축이다.
상기 토셔널 댐퍼(24)는 내부에 충전된 공기의 양에 따라 회전축(22)의 반경방향으로 수축/인장되면서 길이가 가변되는 에어 백(23)인 탄성수단(23)과, 상기 에어 백(23)의 외주면에 상기 회전축(22)에 일정 관성을 부여하도록 소정의 질량을 갖고 둘레방향으로 등간격을 두고 4개가 배치된 질량체(25)로 구성된다.
상기 센싱수단(26)은 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수(fs)가 회전축(22)의속도와 관련되는 바, 상기 회전축(22)의 일측에 부착되어 상기 회전축(22)의 각속도를 감지하여 상기 ECU(28)에 신호를 보내는 각속도 센서(26)이다.
상기 ECU(28)에서는 상기 각속도 센서(26)로부터 신호를 받아 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수(fs)를 산출한 다음, 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수(fs)와 토셔널 댐퍼(24)의 공진 주파수(fd)를 비교 판단한다.
한편, 상기 ECU(28)는 상기 회전축(22)의 중심과 질량체(25)의 중심 사이의 거리(d)를 감지하는 위치센서(29)로부터 신호를 받아 토셔널 댐퍼(24)의 공진 주파수(fd)를 산출한다.
상기 밸브수단(30)은 상기 ECU(28)의 제어에 의해 직선 이동하는 3위치 3포트 솔레노이드 밸브(30)로서, 제1 포트(31)는 상기 에어 백(23)과 연결되어 있고, 제2 포트(32)는 상기 ECU(28)에 제어에 따라 전원이 인가되면 외부 공기를 흡입하는 펌프(34)가 장착되어 있으며, 제3 포트(33)는 대기중과 연통된다.
그리고, 제1 위치(35)는 상기 제1 포트(31)와 제2 포트(32) 사이는 차단하고 제1 포트(31)와 제3 포트(33)를 연결하며, 제2 위치(36)는 제1 포트(31)와 제2 포트(32) 및 제3 포트(33)와의 연결을 모두 차단하고, 제3 위치(37)는 제1 포트(31)와 제2 포트(32)를 연결하고 제1 포트(31)와 제3 포트(33) 사이는 차단한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변 방법을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 위치센서(29)에서 토셔널 댐퍼(24)의 질량체(25) 중심과 회전축(22)의중심 사이 거리(d)를 감지하여(S10) 이 감지 결과를 ECU(28)에 보내면, ECU(28)에서 토셔널 댐퍼(24)의 공진 주파수(fd)를 산출한다(S20).
여기서, 상기 토셔널 댐퍼(24)의 공진 주파수(fd)를 산출하는 식은 하기의 [식]과 같다.
[식],여기서, K는 에어 백(23)의 탄성계수이고, Ieq는 토셔널 댐퍼(24)의 등가회전관성이고, m은 질량체(25)의 질량이고, d는 회전축(22)의 중심과 질량체(25)의 중심 사이 거리이고, i는 토셔널 댐퍼(24) 1개당 질량체(25)의 갯수이다.
다음, 각속도 센서(26)로부터 회전축(22)의 각속도를 감지하여(S30) 이 감지 결과를 ECU(28)에 보내면, ECU(28)에서 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수(fs)를 산출하고(S40)한 다음, 상기 산출된 토셔널 댐퍼(24)의 공진 주파수(fd)와 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수(fs)를 비교 판단한다(S50, S60).
즉, 상기 ECU(28)에서 토셔널 댐퍼(24)의 공진 주파수(fd)와 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수(fs)가 같다고 판단하면, 도 3에 도시된 바와 같이 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수(fs)가 흡수되고 있는 경우이므로 에어 백(23)의 공기 양을 현 상태로 유지한다.
이 때, 솔레노이드 밸브(30)는 상기 ECU(28)로부터 제어되어 제2 위치(36)에있으므로 상기 제1 포트(31)는 제2 포트(32) 및 제3 포트(33)와 모두 연결이 차단된 상태이다.
한편, 상기 ECU(28)에서 토셔널 댐퍼(24)의 공진 주파수(fd)가 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수(fs)보다 크다고 판단하면, 도 4a에 도시된 바와 같이 상기 ECU(28)의 제어에 의해 외부 전원을 인가받아 솔레노이드 밸브(30)는 제3 위치(37)에 배치됨으로써 제1 포트(31)와 제2 포트(32)를 연결되고, 제1 포트(31)와 제3 포트(33)는 연결이 차단된 상태이다.
이 때, ECU(28)의 제어에 의해 펌프(34)가 외부 전원을 인가받아 외부 공기를 제2 포트(32), 제1 포트(31)를 통해 에어 백(23)으로 흡입시키고, 상기 에어 백(23)은 공기 흡입량에 따라 인장되어 회전축(22)의 중심과 질량체(25)의 중심 사이 거리(d)가 멀어지며, 토셔널 댐퍼(24)의 회전관성(Ieq)이 커지므로 토셔널 댐퍼(24)의 공진 주파수(fd)는 작아진다. 단, 토셔널 댐퍼(24)의 공진 주파수(fd)가 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수(fs)와 같도록 하여 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수(fs)를 흡수하는 것이 목적인 바, 토셔널 댐퍼(24)의 공진 주파수(fd)가 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수(fs)와 같을 때까지만 에어 백(23)에 공기를 공급한다(S70, S90).
또, 상기 ECU(28)에서 토셔널 댐퍼(24)의 공진 주파수(fd)가 회전축(22)의비틀림 진동 주파수(fs)보다 작다고 판단하면, 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 ECU(28)의 제어에 의해 외부 전원을 인가받아 솔레노이드 밸브(30)는 제1 위치(35)에 배치됨으로써 제1 포트(31)와 제3 포트(33)를 연결되고, 제1 포트(31)와 제2 포트(32)는 연결이 차단된 상태이다.
따라서, 상기 제3 포트(33)는 대기중과 연통되어 있어 에어 백(23)의 공기압이 대기중보다 크므로 압력차에 의해 에어 백(23)의 공기가 제1 포트(31), 제3 포트(33)를 통해 외부로 배출되고, 에어 백(23)의 수축으로 인해 회전축(22)의 중심과 질량체(25)의 중심 사이의 거리(d)가 짧아지므로 토셔널 댐퍼(24)의 회전관성(Ieq)이 작아져 토셔널 댐퍼(24)의 공진 주파수(fd)는 커지게 된다.
이 때, 상기 토셔널 댐퍼(24)의 공진 주파수(fd)가 회전축(22)의 비틀림 진동 주파수(fs)와 같을 때까지만 에어 백(23)으로 공기가 공급되도록 솔레노이드 밸브(30)가 ECU(28)에 의해 제어된다(S80, S90).
한편, 도 7에 도시된 바와 같이 'A'는 일반적인 차량의 주행시 엔진 속도로서, 본 발명의 토셔널 댐퍼(N)가 종래의 토셔널 댐퍼(O)보다 소음이 5㏈정도 감소되었음을 알 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변장치 및 가변방법은 토셔널 댐퍼의 공진 주파수가 회전축의 비틀림 진동 주파수보다 크면 에어 백의 공기를 공급하여 회전축의 중심과 질량체의 중심 사이의 거리를 길게 함으로써 토셔널 댐퍼의 공진 주파수가 회전축의 비틀림 진동 주파수와 같도록 하고, 토셔널 댐퍼의 공진 주파수가 회전축의 비틀림 진동 주파수보다 작으면 에어 백의 공기를 외부로 배출시켜 회전축의 중심과 질량체의 중심 사이의 거리를 짧게 함으로써 토셔널 댐퍼의 공진 주파수와 회전축의 비틀림 진동 주파수를 같도록 하며, 상기 회전축의 비틀림 진동 주파수는 회전축의 각속도를 감지하여 산출하므로 회전축의 속도에 따른 회전축의 비틀림 진동 주파수에 변화에 따라 토셔널 댐퍼의 회전 관성을 가변시켜 항상 토셔널 댐퍼의 공진 주파수가 회전축의 비틀림 진동 주파수와 같도록 함으로써 항상 회전축의 비틀림 진동을 흡수하여 소음을 감소시킬 수 있고, 시제품의 튜닝(tunning) 작업이 간단한 이점이 있다.

Claims (12)

  1. 회전축의 외주면에 배치되어 공기의 양에 따라 회전축의 반경방향으로 수축/인장되는 탄성수단과, 상기 탄성수단의 외측면에 배치된 질량체로 구성된 토셔널 댐퍼와; 상기 회전축의 비틀림 진동 주파수를 감지하는 센싱수단과; 상기 센싱수단의 신호를 입력받아 판단하는 전자제어유닛(ECU)과; 상기 전자제어유닛(ECU)의 판단이 회전축의 진동 주파수가 토셔널 댐퍼의 공진 주파수보다 큰 경우 탄성수단에 공기를 공급하고, 회전축의 진동 주파수가 토셔널 댐퍼의 공진 주파수보다 작은 경우 탄성수단의 공기를 배출시키는 밸브수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성수단은 에어 백인 것을 특징으로 하는 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 질량체는 상기 탄성수단의 외주면에 둘레방향으로 등간격을 두고 4개가 배치된 것을 특징으로 하는 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 센싱수단은 상기 회전축에 부착되어 상기 회전축의 각속도를 감지하는 각속도 센서인 것을 특징으로 하는 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브수단은 상기 탄성수단에 공기 공급시 상기 탄성수단과 연결된 제1 포트를 외부 공기를 흡입하는 제2 포트와 연결하고, 상기 탄성수단으로부터 공기 배출시 상기 제1 포트를 대기와 연통된 제3 포트와 연결하는 3포트 3위치 솔레노이드 밸브로 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 포트에는 탄성수단에 공기 공급시 전원을 인가받아 외부 공기를 흡입하는 펌프가 장착된 것을 특징으로 하는 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자제어유닛(ECU)는 상기 회전축의 중심과 질량체의 중심 사이 거리를 감지하는 위치센서의 신호를 입력받아 토셔널 댐퍼의 공진 주파수를 산출하는 것을 특징으로 하는 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 위치센서는 상기 질량체에 각각 장착된 것을 특징으로 하는 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변장치.
  9. 회전축의 외주면에 배치되어 공기의 양에 따라 수축/인장되는 토셔널 댐퍼의 공진 주파수를 감지하는 제1 단계와; 회전축의 각속도를 감지하여 회전축의 진동 주파수를 산출하는 제2 단계와; 상기 제1 단계에서 감지된 토셔널 댐퍼의 공진 주파수와 상기 제2 단계에서 감지된 회전축의 진동 주파수를 비교하는 제3 단계와; 상기 제3 단계에서 비교 결과에 따라 상기 토셔녈 댐퍼를 수축/인장시켜 토셔널 댐퍼의 공진 주파수를 가변시키는 제4 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 차량용 토셔녈 댐퍼의 공진 주파수 가변방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제4 단계는 제3 단계에서 토셔널 댐퍼의 공진 주파수가 회전축의 진동 주파수보다 작으면 토셔널 댐퍼의 공기를 배출시키는 공기배출과정과; 제3 단계에서 토셔널 댐퍼의 공진 주파수가 회전축의 진동 주파수보다 크면 토셔널 댐퍼에 공기를 공급하는 공급과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 토셔녈 댐퍼의 공진 주파수 가변방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제4 단계는 제3 단계에서 토셔널 댐퍼의 공진 주파수와 회전축의 진동 주파수가 같으면 토셔널 댐퍼의 공기 충전상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제4 단계는 토셔널 댐퍼의 공진 주파수를 회전축의 진동 주파수와 같도록 하여 회전축의 진동 주파수를 흡수하는 것을 특징으로 하는 차량용 토셔널 댐퍼의 공진 주파수 가변방법.
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