KR100775417B1 - 고효율, 고감쇄 특성을 갖는 원추형 방진마운트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계부품에 속하는 기술로서 기계에서 발생한 진동이 주변으로 전달되거나, 기계가 설치된 곳의 주변 진동이 기계로 전달되는 것을 차단하는 진동 방지장치, 즉 방진장치이다.

본 발명인 방진마운트는 역원추형 형상의 상부, 중간, 그리고 하부하우징 사이에 2겹 이상의 탄성체를 일체로 성형하여 제작하고, 내부 공간에 별도의 감쇄체를 삽입하여 구성된다.

본 발명은 방진고무마운트의 장점은 모두 그대로 유지하여 설치와 사용이 용이하면서도 금속스프링마운트만큼 방진효과가 크고, 횡 하중에 대해서 안전하고, 감쇄특성이 좋은 새로운 형태의 고효율, 고감쇄 특성을 자진 원추형 방진마운트이다. 또한 본 발명은 아주 간편한 레벨링장치를 구비하고 있어서 레벨링이 용이하다.

진동, 방진효율, 방진마운트, 스프링상수, 감쇄율, 원추형, 레벨링

Description

고효율, 고감쇄 특성을 갖는 원추형 방진마운트 {Conical Vibration Isolation Mount with High Efficiency and High Damping Coefficient}

도 1은 본 발명인 방진마운트의 3차원 형상이다.

도 2는 본 발명인 마운트의 상세 단면도이다.

도 3은 본 발명인 방진마운트의 탄성체의 변형특성이다.

※ 주요 구성품 명칭

10 : 레벨링장치, 20 : 상부하우징, 30 : 중간하우징

40 : 하부하우징, 50 : 탄성체, 60 : 감쇄체

본 발명은 기계부품에 속하는 기술로서, 기계에서 발생한 진동이 주변으로 전달되거나, 기계가 설치된 곳의 주변 진동이 기계로 전달되는 것을 차단하는 진동 방지장치, 즉 방진장치이다.

모터, 팬, 펌프 등의 회전 기계들과 내연기관 등의 왕복 기계는 가동중에 필연적으로 진동을 유발하는데, 이들 기계에서 발생한 진동이 주변으로 전달될 경우 사람에게 불안감, 불쾌감 등을 유발하여 생활에 피해를 유발할 뿐만 아니라, 그 기계가 설치된 건물 구조체를 손상시킬 수 있고, 부근에 설치된 정밀 설비 및 제어 시스템의 오작동을 유발하거나, 진동에 민감한 정밀 측정장비, 광학장비, 정밀가공장비들의 정밀도를 저하시키고, 이들 기계의 고장 원인이 될 수도 있다. 또한 진동이 건물 구조체에 전달될 경우 구조전달음(Structure Borne Noise)을 유발하여 소음 공해를 유발할 수 있다.

본 발명품인 원추형 방진마운트는 이와 같은 진동의 나쁜 영향을 제거하기 위하여, 진동을 유발하는 기계의 하부에 설치하여 기계에서 발생 된 진동이 주변으로 전파되는 것을 차단하는 진동 차단용 방진 마운트이다.

기계의 방진은 방진 대상 기계를 고무 패드, 고무 마운트, 금속스프링 마운트, 에어 마운트 등의 탄성체로 지지하여, 기계가 작동할 때 발생하는 진동 가진력이 구조체로 전달되는 것을 차단하거나, 또는 그 역으로 주변 진동이 보호대상의 기계로 전달되는 것을 차단하는 방법이다.

모든 탄성 재료는 모두 방진재료로 사용될 수 있는데, 그중 금속스프링은 정적변형을 크게 할 수 있어서 방진효율은 높으나, 스프링의 서징(Surging) 현상으로 고주파 진동이 잘 차단되지 않아 진동으로 인한 구조전달음(Structure Borne Noise)를 유발하는 문제가 있고, 스프링의 고정이 어려워 방진 마운트의 형상이 복잡하고, 취급이 불편하다. 그리고 금속스프링은 재료의 자체 감쇄((Damping)가 거의 없어 과도진동시간이 길고, 공진영역에서 진동이 크게 증폭되는 문제점이 있다.

탄성 재료 중에서 고무는 다양한 형상으로 만들 수 있고, 금속과 부착성이 우수하여 부착용 브래킷(Bracket)을 고무와 일체로 몰딩을 하여 방진마운트를 제작할수 있다. 이러한 고무를 이용한 방진마운트는 취급이 용이하고 방진 대상 기계 및 바닥에 고정하기에 용이하다. 그리고 고무는 재료 내부 감쇄 특성이 다소 있고, 서징현상이 발생하지 않으므로 구조전달음의 문제가 없다.

그러나 통상적인 고무마운트는, 높은 방진 효율을 위하여 그 스프링상수를 낮게 하여 큰 정적 변형이 일어나게 하려면, 마운트의 단면적을 작게 하고, 높이를 높게 하여야 하는데, 이 경우 좌굴의 위험이 있어 한계가 있다. 따라서 고무마운트는 스프링상수를 일정 이하로 낮출 수가 없어 방진효율이 제한적이다. 특히 저주파 진동의 경우 고무마운트로는 차단이 불가능하다.

또한 고무는 재료의 물성이 시간과 외부 환경에 따라 변하여 방진효과가 일정하지 못하다. 그리고, 고무마운트는 감쇄 특성도 전적으로 고무재료의 내부 감쇄특성에 의존하는 것으로 감쇄율이 10% 이하로 그다지 크지 않아, 금속스프링만큼 심하지는 않지만 여전히 공진시 진동의 증폭이 크고 과도응답시간이 길어 문제가 된다.

에어 마운트는 스프링상수를 아주 낮게 할 수가 있어서 방진효과가 아주 높고, 지진과 같은 저주파 진동까지 차단할 수가 있다. 그러나, 에어 마운트는 고가이고, 마운트 내부의 공기를 계속 확인하고 보충해 주어야 하는 등 정비, 유지가 어렵고, 사고로 인하여 파손될 경우 마운트가 그대로 주저앉아 장비가 전복될 위험이 있다.

그리고, 코르크판, 고무패드, 부직포(Felt) 등은 방진 효율이 아주 낮아 아 주 고주파 진동이니 충격성 진동의 차단에만 제한적으로 사용될 수 있다. 그리고 저주파 진동의 경우 공진에 의하여 오히려 진동을 증폭시킬 염려가 있다.

상기와 같이 기존의 방진 마운트들은 각각 장점과 단점이 있어서 사용에 상당한 주의를 요하고, 방진시스템의 설계에는 상당한 기술적 배경이 있는 고급엔지니어들이 필요하다.

고무마운트의 장점을 살리면서, 정적변형이 큰 방진마운트를 구현하기 위하여 고무의 전단변형특성을 이용한 원추형 방진고무마운트가 개발되어 있으나, 정적변형에 한계가 있고, 이와 같이 큰 정적변형을 갖는 방진마운트에 레벨링장치가 없어 사용에 제한적이었다.

진동의 차단 목적으로 사용되는 각종의 방진마운트들은 상기와 같이 장점과 함께 단점이 있어서 용도가 아주 제한적이다. 특히 고무마운트는 높은 정도의 방진을 요하는 기계에는 사용할 수 없고, 고무재료 자체의 감쇄 특성이 부족하여 방진 대상 장비의 시동과 정지 시에 위험속도(Critical Speed) 영역을 통과할 때 큰 과도진동으로 장비가 한동안 요동을 하는 문제가 있다.

만약 고무마운트로서 금속스프링마운트만큼의 큰 정적변형이 일어나게 하여 방진효율을 높게 하려면, 마운트에 작용하는 하중의 차이로 설치대상 장비가 한쪽으로 기울어질 수가 있으므로 반드시 레벨링장치가 있어야 한다.

본 발명은 상기한 방진고무마운트의 장점은 모두 그대로 유지하여 제작과 사 용이 용이하고, 금속스프링마운트와 같이 방진효과가 크고, 횡 하중에 대해서 안전하고, 감쇄특성이 좋은 새로운 형태의 방진마운트를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명인 원추형 방진마운트는 도 1에 도시된 바와 같이, 수겹의 탄성체를 역원추형으로 배치한 방진마운트이다.

본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이, 레벨링장치(10), 상부하우징(20), 중간하우징(30), 하부하우징(40), 수 겹의 탄성체(50), 그리고 감쇄체(60)로 구성되어 있다.

레벨링장치(10)은 방진대상 장비에 부착되는 부위로서, 너트판(11)과 레벨링볼트(12) 그리고 고정너트(13)으로 구성된다. 너트판(11)은 원 또는 사각형 등의 판 중앙에 하방으로 원기둥 형상의 돌출부가 형성된 것으로서, 그 중심축에는 암나사산이 관통되어 가공되어 있고, 여기에 레벨링볼트(12)가 결합된다. 그리고 이 레벨링볼트에는 고정너트(13)가 끼워진다.

너트판(11)의 상면에는 고무판(14)을 부착하여 방진 대상 장비와의 접촉을 좋게 하고, 상호간에 미끄러지는 것을 방지할 수 있다.

상부하우징(20)은 중심축 부위에 상기 레벨링장치의 너트판(11)의 돌출부가 들어갈 수 있는 원형단면의 홈이 가공되어 있고, 외면이 역원추형 형상이다.

중간하우징(30)은 상기 상부하우징(20)의 외면과 같은 기울기를 가지고, 일정 두께를 가진 속이 빈 역원추형 형상이다. 이 중간하우징과 상기 상부하우징 사 이의 공간에는 하기 탄성체가 한겹 놓이게 된다. 필요할 경우 상기 중간하우징(30)을 2겹 이상으로 사용할 수도 있다.

하부하우징(40)은 방진 대상 장비가 설치되는 바닥에 고정할 수 있는 고정홈을 가진 바닥판(41)에 탄성체가 놓일 수 있는 역원추형 자리(42)를 구비하고 있다. 바닥판의 하면에는 고무판(43)을 부착하여 장비의 설치부위와 접촉을 좋게 하고, 상호간에 미끄러지는 것을 방지할 수 있다.

탄성체(50)는 큰 정적변형을 유발하기 위하여 고무계열의 점탄성 재료를 발포시킨 발포고무를 사용한다. 사용재료로는 천연고무, 네오프렌고무, 우레탄 등이 적당하고, 큰 하중 지지능력을 갖도록 고밀도로 발포를 하여야 한다. 이 탄성체는 방진마운트가 하중을 받을 경우 수직 하방으로 변형을 하고, 하중이 제거되면 원래 형상으로 복원하는 탄성체이다.

감쇄체(60)는 실리콘 고무, 저밀도 발포우레탄 등 점성계수가 크고, 탄성계수(Young's Modulus)가 낮은 재료로 제작된다. 이 감쇄체는 탄성체에 비하여 탄성계수가 아주 낮아, 본 방진마운트의 스프링상수에는 영향을 주지 않고, 감쇄율만 증대시킨다. 감쇄체는 본 마운트의 내부 공간을 꽉 채우는 형상으로 제작되어 조립된다.

큰 감쇄가 필요하지않는 경우에 사용되는 방진마운트인 경우에는 이 감쇄체(60)을 사용하지 않을 수도 있다.

본 방진마운트는, 고무 등의 점탄성 재료의 장점인 금속 등의 타 재료와의 부착성이 우수한 점을 이용하여, 미리 가공된 상부하우징(20), 중간하우징(30), 그리고 하부하우징(40)을 탄성체(50)와 함께 금형을 이용하여 일체로 성형하여 제작할 수 있다. 그리고 감쇄체(60)는 별도로 성형을 하여 이미 성형된 방진마운트의 내부 공간에 결합하는 것이 좋다.

본 발명인 방진마운트의 기능은 다음과 같다.

상기와 같이 구성된 방진마운트의 레벨링장치의 너트판(11)에 장비의 자중에 의한 하중이 가해지면, 도 3에 도시된 바와 같이, 탄성체가 수직 하방으로 정적 변형을 일으킨다.

일반적인 고무마운트는 고무의 압축 탄성을 이용하는데, 좌굴과 횡하중에 대한 안전성 문제로 정적 변형을 크게 할 수 없고, 그만큼 방진효율이 제한된다. 그러나 본 발명인 방진마운트는 마운트가 하중을 받을 경우 탄성체에 약간의 압축변형과 함께 전단변형이 크게 일어나서 수직 하방으로 정적변형이 크게 일어난다.

고무 등의 점 탄성 재료는 횡탄성계수(전단탄성계수, 통상 G로표시)가 종탄성계수(압축 또는 인장 탄성계수, 통상 E로 표시)에 비하여 약 1/3정도로 낮아 전단변형이 훨씬 용이하게 일어난다.

질량과 스프링으로 구성되고, 스프링에 작용하는 하중이 질량에 의한 수직 하방의 중력이 대부분인 방진시스템의 고유진동수는 다음 식 1과 같이 계산된다.

그리고, 방진시스템의 진동 전달율(TR)은 장비에서 발생한 진동가진력에 대 하여 바닥으로 전달되는 진동가진력의 비인데, 진동 전달율이 작을수록 진동 차단 정도, 즉 방진 효과는 크다. 이 진동 전달율은 다음 식 2로 계산된다.

방진시스템의 방진효율(e)은 다음 식 3으로 정의되어 있다.

상기 식 2에서, r은 주파수비, f는 장비에서 발생하는 진동의 주파수, fn은 상기 1식으로 계산된 방진시스템의 고유진동수이다. 따라서 방진효과가 크려면 전달률이 작아야하고, 전단율이 작으려면 주파수비가 커야하고, 주파수비가 크려면 시스템의 고유진동수가 낮아야 하고, 시스템의 고유진동수가 낮으려면 상기 1식으로 알 수 있듯이 정적 변형이 커야한다.

본 방진마운트는 이와 같은 탄성 재료의 전단 변형특성을 이용한 것인데, 고무 등의 점탄성 재료를 발포하여 사용하면 방진마운트의 정적 변형을 20mm 이상으로 크게 일어나게 할 수 있고, 이 마운트를 사용한 방진시스템의 고유진동수 fn은

로 약 3.5Hz 가량이 되어, 방진효과가 금속스프링마운트를 사용한 경우와 동일한 수준으로 크게 된다.

만약 1800 RPM으로 회전하는 모타의 방진의 경우, 발생진동의 주파수가 1800/60 = 30(Hz)이고, 이 방진시스템의 주파수비는 r= f/fn = 30/3.5 = 8.57이 된다. 따라서 진동전달율은 TR = 1/(8.57² - 1) = 0.014가 된다. 그리고 방진효율은 98.6%가 되어 그의 완벽한 방진이 된다.

통상적인 방진마운트가 횡하중을 받게 되면 탄성체에 큰 수평 변형이 일어나는데, 이 경우 마운트의 수평저항력이 낮아 안전성에 문제가 될 수 있다. 이와 같은 문제점을 해결하고자 본 방진마운트는 탄성체 사이에 중간몸체를 삽입하여 탄성체의 두께를 1/2로 나누어 수평저항력을 증대시켰다. 필요하다면 중간몸체를 2개, 3개 등으로 다중으로 사용함으로써. 수직방향의 탄성은 낮게 유지하면서 수평방향의 탄성을 증대시켜 수평안전성을 증대시킬 수 있다.

하나의 장비에 대하여 방진을 할 경우 다수개의 방진마운트를 사용하게 되는데, 금속스프링마운트 또는 본 발명인 방진마운트와 같이 정적변형이 큰 방진마운트를 사용할 경우 각각의 방진마운트에 부가되는 하중이 균일하지 않아 장비가 한쪽으로 기울어지는 문제가 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 장비가 방진마운트 위에 설치된 상태에서 수직 하방으로 변형이 많이 생긴 방진마운트를 높게 하여 장비가 수평이 되게 하여야 한다. 이를 위하여 방진마운트에 사용하기 편리한 레벨링장치가 있어야 한다.

본 발명의 경우 레벨링볼트(12)를 그 머리 부위를 스페너 등의 공구를 이용하여 돌리면 레벨링볼트의 끝이 상부하우징(20)의 구명의 바닥면에 접촉하여 회전을 한다. 이 때, 레벨링판(11)은 장비에 밀착되어 있어서 회전을 하지 않으므로 레 벨링판이 레벨링볼트의 나사면을 따라 상승 또는 하강을 하여 방진마운트의 높이가 조정된다.

레벨링이 끝난 후에는 고정너트(13)을 장비 브래킷 면에 밀착되도록 돌려서 레벨링볼트(12)를 고정시킨다.

방진마운트의 정상적인 사용상태에서 감쇄율은 방진 효과에 큰 영향을 미치지 않아 효과계산에는 통상 고려하지 않지만, 공진영역에서의 진동과 진동의 과도응답(Transient Response)에서는 큰 영향을 미친다. 감쇄율이 낮을 경우 공진영역에서 진동이 아주 크게 증폭되고, 과도진동시간이 길어진다. 회전기계의 경우 시동시와 정지시에 기계의 회전수가 방진 시스템의 고유진동수와 일치하는 공진 영역을 반드시 지나게 되는데, 이때 감쇄율이 낮으면 공진영역을 통과할 때 장비가 크게 진동하고, 장비가 크게 요동하는 과도 진동시간이 길어져서 문제가 된다. 따라서 가동과 정지를 자주 반복하는 기계의 방진에는 감쇄율이 큰 방진마운트를 사용하여야 한다. 본 방진 마운트는 마운트의 내부 공간에 별도의 감쇄체(60)를 삽입하여 이 마운트의 감쇄성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명인 방진마운트는 미리 가공된 상부하우징(20), 중간하우징(30), 그리고 하부하우징(40)을 탄성체와 함께 금형으로 일체로 성형하여 제작할 수 있으므로 설치가 용이하고, 사용중 일체를 유지하고 있어서 사용이 편리하다.

본 방진마운트는 점탄성 재료의 전단 변형특성을 이용한 것인데, 이와 같이 고무 등의 점탄성 재료의 전단 변형 특성을 이용한 방진 마운트는 정적 변형이 20mm 이상 일어나 방진시스템의 고유진동수가 3~4Hz 가량이 되는 방진 시스템을 구성하여 저주파 진동영역에서도 고효율의 방진효과를 가진 방진시스템을 구성할 수 있다.

본 방진마운트는 탄성체 사이에 중간몸체를 삽입하여 탄성체의 두께를 1/2로 나누어 수직 저항력을 증대시켰고, 따라서 큰 수직 변형을 허용하면서도 수평안전성을 증대시켰다. 그리고 본 방진마운트는 원추형으로 축 대칭 구조를 가지므로, 모든 방향의 횡방향 하중에 저항할 수 있어 구조적으로 안정적이고, 횡방향 진동에 대해서도 진동차단효과가 있다.

본 방진마운트는 그 기본 방진재료가 발포고무, 발표우레탄 등의 점탄성재료이므로, 급속스프링에서 문제가 되는 서징의 염려가 없고, 고주파 진동에 의한 고체음의 절연효과가 우수하다. 그리고, 탄성체로 발포우레탄을 사용할 경우, 내구성이 우수하여 반영구적(수백년)으로 사용할 수 있다.

본 방진마운트는 마운트의 내부 공간에 별도의 감쇄체를 삽입하여 이 마운트의 감쇄성능을 크게 향상시켰다.

본 방진마운트는 사용이 편리한 레벨링장치를 구비하고 있어서, 정적변형이 큰 방진마운트가 가지는 문제점인 장비가 기울어지는 문제점을 해결하였다.

Claims (4)

1. 방진대상 장비에 고정되는 것으로서, 원추형 돌기가 하방으로 형성된 상부하우징(20);

   상기 고정판의 하부에 위치되고, 가운데에 중간하우징(30)이 삽입되어 2겹을 이루는 것으로서, 발포고무 또는 발포우레탄으로 제작되는 역원뿔대형의 탄성체(50);

   그리고, 상기 탄성체를 수용하는 역원추형 자리와, 설치 장소에 고정할 수 있는 고정홈을 가진 바닥판으로 구성된 를 가진 하부하우징(40);

   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방진마운트.
2. 제1항의 방진마운트에 있어서,

   상기 탄성체(50)는 중간하우징(30)이 2개 또는 3개가 등 간격으로 삽입되어 3겹 또는 4겹을 이루는 탄성체인 것을 특징으로 하는 방진마운트.
3. 제1항 또는 제2항의 방진마운트에 있어서,

   상기 고정판(20)과 상기 탄성체(50)의 하부에 형성되는 하부하우징(40)의 내부 공간을 채우는 것으로서, 실리콘고무 또는 저밀도 발포우레탄으로 제작되는 감쇄체(60)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 방진마운트.
4. 제1항 또는 제2항의 방진마운트에 있어서,

   상기 상부하우징(20)은 중심축 부위에 하기 레벨링장치(10)의 너트판(11)의 돌출부가 들어갈 수 있는 원형단면의 홈이 가공된 상부하우징(20)이고;

   중심에 나사구멍이 가공되어 있고 상기 상부하우징(20)의 홈에 삽입되는 너트판(11), 상기 너트판(11)의 나사구멍에 결합되는 레벨링볼트(12), 그리고 레벨링볼트(12)를 너트판(11)에 고정하는 고정너트(13)를 포함하여 구성되는 레벨링장치(10)를 추가로 구비하여,

   높이를 조정할 수 있는 기능을 구비한 것을 특징으로 하는 방진마운트.

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