KR100482590B1

KR100482590B1 - 피스톤계 마찰 측정장치

Info

Publication number: KR100482590B1
Application number: KR10-2002-0084186A
Authority: KR
Inventors: 하경표
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2005-04-14
Also published as: KR20040057439A

Abstract

피스톤계 마찰 측정장치가 개시된다. 개시된 피스톤계 마찰 측정장치는, 피스톤이 승강 가능하게 구비된 실린더의 내주면에 설치된 라이너와; 상기 라이너의 외측벽에 상하로 양분되며 설치되어 상기 라이너의 외부를 감싸는 상부 및 하부 실린더 블록과; 상기 하부 실린더 블록 및 상기 라이너의 저부에 설치되어 이들을 지지하는 하부 지지대와; 상기 상부 실린더 블록 및 상기 라이너의 측벽에 설치되어 이들을 지지하는 상부 지지대와; 상기 하부 실린더 블록과 상기 하부 지지대 사이에 설치되어 상기 라이너의 상하 방향 변위를 측정하는 로드셀;을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 피스톤계의 마찰을 저감시켜 엔진의 연비를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

피스톤계 마찰 측정장치{APPARATUS FOR MEASURING FRICTION FOR PISTON SYSTEM}

본 발명은 피스톤계 마찰 측정장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 라이너(cylinder liner)의 지지구조가 보강된 피스톤계 마찰 측정장치에 관한 것이다.

도 1 및 도 2에는 피스톤계 마찰 측정장치가 각각 개략적으로 도시되어 있다.

도 1의 Furuhama의 방식은 라이너(11)의 상부에 축방향 스토퍼(stopper)(12)를 적용하여 라이너(11)가 측력을 받아 기울어지는 것을 방지하고자 하였다.

또한 라이너(11) 하단부에 원주방향으로 다수의 로드셀(load cell)(13)을 장착하여 피스톤 마찰을 측정한다.

그리고 도 2의 FEV사의 PIFFO(Piston Frictional Force Measurements During Engine Operation) 시스템은 라이너(21) 하단부에 로드셀(22)을 장착한 점은 도 1의 Furuhama의 방식과 동일하나, 측방향 지지력이 없는 점에서 Furuhama의 방식과 차이가 난다.

이와 같은 방식은 후술하는 본 발명의 방식과 함께 라이너(11,21)의 하단부에 원주방향으로 다수의 로드셀(13,22)을 장착하고, 이 로드셀(13,22)의 신호를 평균하여 마찰을 측정한다는 공통점을 지니고 있다.

그러나 종래 기술인 Furuhama의 방식과 PIFFO 시스템은 라이너 상하방향 지지력이 로드셀(13,22)에만 가해지는 것을 알 수 있다. 즉, 상하방향 지지 강성이 로드셀(13,22)의 강성에 따라 결정된다. 라이너(11,21)의 상하방향 지지 강성이 작으면 라이너(11,21)가 상하방향으로 요동이 심하게 발생하므로 고속에서 마찰 측정이 불가능한 단점을 갖게 된다.

그러므로 고속에서의 정확한 마찰 측정을 위해서는 라이너(11,21)의 상하방향 지지 강성을 크게 하는 것이 필요하나, 상기와 같은 종래의 두 기술에서는 라이너(11,21)의 상하방향 지지 강성이 로드셀(13,22)의 강성에 의해서 결정되므로 라이너(11,21)의 상하방향 지지 강성을 크게 할 수 없는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 라이너 상하방향 지지 강성을 크게 하여 마찰 측정장치의 적용 회전수를 향상시켜 고속에서의 마찰측정이 가능하도록 한 피스톤계 마찰 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 피스톤계 마찰 측정장치는, 피스톤이 승강 가능하게 구비된 실린더의 내주면에 설치된 라이너와; 상기 라이너의 외측벽에 상하로 양분되며 설치되어 상기 라이너의 외부를 감싸는 상부 및 하부 실린더 블록과; 상기 하부 실린더 블록 및 상기 라이너의 저부에 설치되어 이들을 지지하는 하부 지지대와; 상기 상부 실린더 블록 및 상기 라이너의 측벽에 설치되어 이들을 지지하는 상부 지지대와; 상기 하부 실린더 블록과 상기 하부 지지대 사이에 설치되어 상기 라이너의 상하 방향 변위를 측정하는 로드셀;을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3에는 본 발명에 따른 피스톤계 마찰 측정장치의 구성을 개략적으로 나타낸 반단면도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 피스톤계 마찰 측정장치는, 피스톤(31)이 승강 가능하게 구비된 실린더(32)의 내주면에 설치된 라이너(33)와, 이 라이너(33)의 외측벽에 상하로 양분되며 설치되어 라이너(33)의 외부를 감싸는 상부 및 하부 실린더 블록(41,42)과, 이 하부 실린더 블록(42) 및 상기 라이너(33)의 저부에 설치되어 이들을 지지하는 하부 지지대(43)와, 상기 상부 실린더 블록(41) 및 라이너(33)의 측벽에 설치되어 이들을 지지하는 상부 지지대(44)와, 상기 하부 실린더 블록(42)과 하부 지지대(43) 사이에 설치되어 라이너(33)의 상하 방향 변위를 측정하는 로드셀(45)을 포함하여 구성된다.

상기 상부 및 하부 실린더 블록(41,42), 상부 지지대(44)와 상부 실린더 블록(41), 상기 하부 지지대(43)와 하부 실린더 블록(42) 및 로드셀(45)의 결합은, 분해 및 조립이 용이한 다수개의 볼트(51)에 의해 결합된다.

특히, 라이너(33) 지지 강성 해석 결과에서 보면 라이너(33)의 지지부재용 볼트와 로드셀(45)의 체결 볼트는, 지지부재의 강성과 로드셀(45) 강성에 비해 크게 설계되어야 하므로 고강성의 볼트를 사용해야 한다. 또한 원주 방향으로 다수의 볼트가 체결된다.

그리고 상기 로드셀(45)은 하중 변화에 대한 응답 특성이 빠른 피에조 타입(piezo type)으로 이루어진다.

또한 상기 라이너(33)의 강성은 피스톤(31)의 위치에 따른 로드셀(45)의 감도 변화를 최소화하기 위해 상부 지지대(44)의 상하방향 강성에 비해 크게 설계된다.

그리고 상기 하부 지지대(43)의 강성에 의해 마찰 측정 가능 회전수가 결정되고, 이 마찰 측정 회전수를 향상시키기 위해 하부 지지대(43)의 강성은 로드셀(45)의 강성보다 크게 설계되고, 상기 하부 지지대(43)에는 로드셀(45)이 부착되므로 하부 지지대(43)는 로드셀(45)에 작용하는 힘을 분산시킬 수 있도록 상기 하부 지지대(43)와 로드셀(45)은 힘작용 방식에서 병렬로 연결된 구조로 이루어진다.

또한 상기 상부 지지대(44)의 강성은 피스톤(31)의 위치에 따른 로드셀(45)의 감도 변화를 최소화하기 위해 상하방향 강성은 작게 하고, 상기 피스톤(31)의 측력을 지탱하기 위해서 측방향 강성을 크게 하며, 이를 위해 다층구조로 설계된다.

한편, 도 3에서 설명되지 않은 참조부호 52 및 53은 오링(O-ring)과 워터 재킷(water jacket)을 나타내 보인 것이다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 피스톤계 마찰 측정장치의 작용을 설명하기로 한다.

유럽의 이산화탄소 배출량 규제나 북미의 총량 연비 규제 등 연비와 관련된 규제가 날로 강화되고 있고, 연료 소비율이 낮은 차량에 대한 시장의 요구 또한 증가하고 있어 완성차 업계에서는 차량 연비를 향상시키기 위해 많은 노력을 기울이고 있다.

이런 차량 연비를 향상시키기 위해서는 엔진의 연비를 향상시키는 것이 중요한데, 연료소비율이 낮고 효율이 높은 엔진을 개발하기 위해서는 엔진의 연소 효율뿐만 아니라 기계적 효율을 개선하는 것이 바람직하다. 그리고 엔진 각 요소에서 발생하는 마찰 손실의 저감은 기계적 효율 개선에 효과적이다.

특히, 피스톤계가 차지하는 마찰 비중이 크므로 이를 저감하는 것은 전체 엔진의 연비향상에 크게 기여할 수 있다. 또한 피스톤계 마찰 특성에 대한 규명은 피스톤계 마찰 저감을 위해 선행되어야 할 과제이므로 피스톤계 마찰 특성을 파악하는 것이 피스톤계 마찰 측정장치이다.

이러한 피스톤계 마찰 측정장치는 부동라이너 기법을 따르고 있다.

그리고 상기 라이너(33)는 상부 및 하부 실린더 블록(41,42)과 별도로 가공되고, 특수하게 설계된 지지 수단에 의해 상부 및 하부 실린더 블록(41,42)으로부터 지지된다.

그리고 상기한 부동라이너 기법은, 피스톤계 마찰에 의해 발생되는 라이너(33) 상하방향의 미소 변위를 라이너(33) 하부와 상부 및 하부 실린더 블록(41,42) 사이에 설치된 로드셀(45)로 감지하여 마찰을 측정한다. 이때 상기 라이너(33)는 상하 방향으로만 움직일 수 있도록 라이너(33) 지지 구조를 설계하는 것이 아주 중요하다.

그런데, 엔진 운전중 피스톤(31)이 라이너(33)에 가하는 힘에는 마찰력 외에도 피스톤(31) 측력이 존재하는데, 피스톤(31) 측력은 통상적으로 마찰력의 수십 배의 크기를 가지므로 이에 대한 대책을 세우지 않으면 라이너(33)가 측력을 받아 기울어지는 문제가 발생하게 된다.

따라서 본 발명은, 상기 라이너(33)가 피스톤계 마찰에 의해서 상하방향 운동을 하지만, 피스톤(31) 측력에 의해서 라이너(33)가 기울어지는 것을 막을 수 있는 라이너 지지구조이다.

즉, 본 발명의 장치에는 라이너(33)가 마찰력에 의해서 상하방향 운동은 하지만 피스톤(31) 측력에 의해서 라이너(33)가 기울어지는 것을 막을 수 있는 라이너 지지구조와, 라이너(33) 상하방향 지지 강성을 크게 하여 마찰 측정장치의 적용 회전수를 향상시킬 수 있는 라이너 지지구조가 채용되었다.

우선, 라이너(33)의 지지 강성에 대한 해석을 보다 구체적으로 설명한다.

피스톤계 마찰 측정 장치에 있어서 라이너(33)의 상하방향 지지 강성은 측정 가능 회전수와 관련하여 아주 중요하다. 상하방향 지지 강성이 작으면 라이너(33)의 상하방향 요동이 커서 측정 회전수를 높이지 못하므로 로드셀(45) 민감도가 허용하는 범위 내에서 상하방향 지지 강성을 크게 할 필요가 있다. 상부 및 하부 지지대(44,43)를 설치하였다.

이 상부 및 하부 지지대(44,43)의 라이너(33) 상하방향, 반경방향 강성은 마찰 신호에 큰 영향을 미치므로 이를 고찰하기로 한다.

도 4에는 라이너(33) 상하방향 지지 강성을 나타내 보였다. 도 2에서 ka는 상부 지지대(44)의 상하방향 지지 강성이고, kb는 하부 지지대(43)의 상하방향 지지 강성, ks는 로드셀(45)의 라이너(33) 상하방향 지지 강성을 나타낸다. 그리고 α는 피스톤(31)의 상대 위치를 나타내는 변수로, 0은 피스톤(31)이 상사점에 있는 경우를 나타내고, 1은 하사점을 나타낸다.

그리고 kl, 1은 피스톤계 마찰력 F가 작용하는 지점 위쪽 라이너(33)의 상하방향 강성을 나타내고, kl, 2는 아래쪽 강성을 나타낸다. 또한 xs는 피스톤(31) 마찰력에 의해 발생되는 로드셀(45)의 변위를 나타낸다.

피스톤계 마찰력 F와 로드셀(45)로 측정되는 힘 Fs의 관계는 아래의 식 1로 나타낼 수 있다.

상기한 식 1에서 동일한 크기의 마찰력 F에 대해서도 피스톤(31) 위치 α에 따라서 로드셀(45)로 측정되는 힘 Fs의 크기가 달라짐을 알 수 있다. 그리고 상기 피스톤(31) 위치의 영향을 줄이기 위해서는 피스톤(31) 위치에 따른 로드셀(45) 감도 변화를 작게 유지하는 것이 중요하다.

즉, 아래의 식 2의 크기를 작게 할 필요가 있는데, 이를 위해서는 kl/ka를 크게 해야 한다는 것을 알 수 있다. 즉, 상부 지지대(44)의 라이너(33) 상하방향 강성을 라이너(33)의 상하방향 강성에 비해 작게 설계할 것이 요구된다.

이 경우 마찰력과 측정된 힘의 비는 아래의 식 3으로 표현되므로 라이너(33)의 축방향 지지 강성을 크게 하여 측정 회전수를 높이기 위해서는 하부 지지대(43)의 축방향 강성을 크게 하여야 한다.

그리고 라이너(33)의 상하 진동수는 상하방향 지시 강성의 제곱근에 비례하므로 도 1,2의 종래의 장치에 비해 마찰 측정 회전수를 2배 향상시키기 위해서는 상기한 식 3에서와 같이 하부 지지대(43)의 상하방향 강성 kb를 로드셀(45) 강성 ks보다 3배 크게 하면 된다. 이와 같은 방식으로 마찰 측정 회전수를 향상시키는 것이 가능하다.

한편, 라이너(33) 반경방향으로 작용하는 피스톤(31)의 측력은 마찰력에 비해 크므로 라이너(33) 반경방향 지지 강성을 더 크게 설계해야 마찰 신호 왜곡을 방지할 수 있다.

특히, 피스톤(31) 측력이 큰 라이너(33) 상부의 반경방향 지시 강성을 크게 할 필요가 있는데, 상부 지지대(44)는 상기한 식 2와 같이 축방향 강성이 작아야 하는 제한 조건이 따르므로 이를 만족시키기 위해서 본 발명의 장치에 채용된 라이너(33)의 지지구조가 다층 지지구조로 이루어진 것이다.

폭 b, 두께 h, 길이 L을 갖는 보의 굽힘 강성과 압축 강성은 아래의 식 4와 같이 나타낼 수 있다.

이 보의 두께 h'=h/n의 n개의 보로 대체했을 때, 합계 굽힘 강성과 합계 압축 강성은 아래의 식 5로 표현되므로 이로부터 다층 지지구조를 이용하면 동일한 압축 강성을 유지하면서 굽힘 강성을 작게 하는 것이 가능한 것을 알 수 있다.

이어서, 라이너(33)의 지지 강성을 보다 구체적으로 설명한다.

상기한 바와 같은 해석 결과를 근거로 상기 라이너(33)가 마찰력에 의해서 상하방향 운동은 하지만 피스톤(31) 측력에 의해서 라이너(33)가 기울어지는 것을 막을 수 있고, 라이너(33)의 상하방향 지지 강성을 크게 하여 본 발명에 따른 피스톤계 마찰 측정장치에 적용되는 회전수를 향상시킬 수 있는 라이너 지지구조를 제공할 수 있다.

우선, 상기 라이너(33) 강성은 상기한 식 2와 같이 피스톤(31)의 위치에 따른 로드셀(45)의 감도 변화를 최소화하기 위해서 상부 지지대(44)의 상하방향 강성에 비해 크게 설계되어야 한다.

한편, 길이 방향에 따른 라이너(33)의 두께를 균일하게 유지하여 피스톤(31)의 위치에 따른 로드셀(45)의 감도변화가 없게 하는 것이 중요하다. 또한 라이너(33) 지지구조에 의한 라이너(33)의 변형 및 측력에 의한 라이너(33)의 변형이 없도록 하기 위해서도 라이너(33)는 두껍게 설계되어야 한다. 본 발명의 실시예에서는 약 10mm 정도로 하였다.

이어서, 하부 지지대(43)의 강성을 설명한다.

상기 하부 지지대(43)는 라이너(33) 상하방향 지지 강성을 결정하고, 라이너(33) 상하방향 지지 강성에 의해 측정 가능 회전수가 결정되므로 측정 가능 회전수를 높이기 위해서는 하부 지지대(43)의 강성을 크게 할 필요가 있다.

그리고 상기 하부 지지대(43)의 강성은 상기한 식 3과 같이 로드셀(45) 강성에 비해 크게 설계되어야 라이너(33) 상하방향 지지 강성을 크게 할 수 있고, 이를 통해 측정 가능한 회전수를 향상시킬 수 있다.

이에 대한 실시예로써, 본 발명에서는 0.178kN/μm의 강성을 갖는 로드셀(45) 4개를 사용하였고, 하부 지지대(43)의 강성을 3.411kN/μm(로드셀(45) 합계 강성의 4.8배)으로 하여 라이너(33)가 로드셀(45)에 의해서만 지지되는 경우에 비해 측정 가능 회전수를 1500rpm에서 3600rpm으로 2.4배 향상시켰다.

또한 상부 지지대(44)의 강성은, 피스톤(31)의 위치에 따른 로드셀(45)의 감도 변화를 최소화하기 위해 상하방향 강성은 작게 하여야 하고, 피스톤(31)의 측력을 지탱하기 위해서 측방향 강성은 크게 하여야 하므로 다층구조를 적용하였다.

이에 대한 실시예로써, 본 발명에서는 다수의 0.3mm의 박판으로 구성된 다층구조로 된 상부 지지대(44)를 적용하였다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 피스톤계 마찰 측정장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.

라이너가 마찰력에 의해서 상하방향 운동은 하지만 피스톤 측력에 의해서 라이너가 기울어지는 것을 막을 수 있는 라이너 지지구조와, 라이너 상하방향 지지 강성을 크게 하여 마찰 측정장치의 적용 회전수를 향상시킬 수 있는 라이너 지지 구조를 채용함으로써, 라이너 상하방향 지지 강성을 크게 할 수 있어 마찰 측정장치의 적용 회전수를 향상시켜 고속에서의 마찰측정이 가능하다.

따라서 이를 실 엔진에 적용하여 피스톤계의 마찰을 저감시킬 수 있어 엔진의 연비를 향상시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1 및 도 2는 종래의 기술에 따른 피스톤계 마찰 측정장치의 구성을 개략적으로 나타내 보인 반단면도.

도 3은 본 발명에 따른 피스톤계 마찰 측정장치의 구성을 개략적으로 나타내 보인 반단면도.

도 4는 도 3 장치의 라이너 상하방향 지지강성을 개략적으로 나타내 보인 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

31. 피스톤

32. 실린더

33. 라이너

41. 상부 실린더 블록

42. 하부 실린더 블록

43. 하부 지지대

44. 상부 지지대

45. 로드셀

Claims

피스톤이 승강 가능하게 구비된 실린더의 내주면에 설치된 라이너와;

상기 라이너의 외측벽에 상하로 양분되며 설치되어 상기 라이너의 외부를 감싸는 상부 및 하부 실린더 블록과;

상기 하부 실린더 블록 및 상기 라이너의 저부에 설치되어 이들을 지지하는 하부 지지대와;

상기 상부 실린더 블록 및 상기 라이너의 측벽에 설치되어 이들을 지지하는 상부 지지대와;

상기 하부 실린더 블록과 상기 하부 지지대 사이에 설치되어 상기 라이너의 상하 방향 변위를 측정하는 로드셀;을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤계 마찰 측정장치.
제1항에 있어서,

상기 상부 및 하부 실린더 블록, 상기 상부 지지대와 상기 상부 실린더 블록, 상기 하부 지지대와 상기 하부 실린더 블록 및 로드셀의 결합은 볼트에 의해 이루어진 것을 특징으로 하는 피스톤계 마찰 측정장치.
제1항에 있어서,

상기 로드셀은, 피에조 타입으로 이루어진 것을 특징으로 하는 피스톤계 마찰 측정장치.
제1항에 있어서,

상기 라이너의 강성은 상기 피스톤의 위치에 따른 상기 로드셀의 감도 변화를 최소화하기 위해 상기 상부 지지대의 상하방향 강성에 비해 크게 설계된 것을 특징으로 하는 피스톤계 마찰 측정장치.
제1항에 있어서,

상기 하부 지지대의 강성에 의해 마찰 측정 가능 회전수가 결정되고, 상기 마찰 측정 회전수를 향상시키기 위해 상기 하부 지지대의 강성은 상기 로드셀의 강성보다 크게 설계된 것을 특징으로 하는 피스톤계 마찰 측정장치.
제1항에 있어서,

상기 하부 지지대에는 상기 로드셀이 부착되므로 상기 하부 지지대는 상기 로드셀에 작용하는 힘을 분산시킬 수 있도록 상기 하부 지지대와 상기 로드셀은 힘작용 방식에서 병렬로 연결된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 피스톤계 마찰 측정장치.
제1항에 있어서,

상기 상부 지지대의 강성은 상기 피스톤의 위치에 따른 상기 로드셀의 감도 변화를 최소화하기 위해 상하방향 강성은 작게 하고, 상기 피스톤의 측력을 지탱하기 위해서 측방향 강성은 크게 하며, 이를 위해 다층구조로 설계된 것을 특징으로 하는 피스톤계 마찰 측정장치.