KR100934709B1 - 형상기억 스프링을 이용한 축부재의 진동 감쇠장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전구동되는 축부재의 진동 감쇠장치에 관한 것으로서, 축부재의 중앙부를 외감하고 외측부에 압전센서가 고정된 형상기억 스프링과, 상기 형상기억 스프링에 의해 외감된 축부재의 진동량에 따라 상기 압전센서의 전기적 신호를 입력하여 상기 진동량을 측정하는 진동량 측정부와, 상기 진동량 측정부의 출력에 따라 상기 형상기억 스프링의 양 단부에 통전되는 전압을 조절하는 통전전압조절부를 구비하여, 상기 통전전압조절부의 출력되는 전압에 따라 온도를 변화를 시키는 형상기억 스프링의 온도변화에 따라 상기 축부재에 힘을 가하여 진동을 능동적으로 감쇠할 수 있도록 하였다.

구동축의 진동감쇠, 능동진동제어

Description

형상기억 스프링을 이용한 축부재의 진동 감쇠장치{Damping apparatus of shaft using shape memory spring}

본 발명은 형상기억 스프링을 이용한 구동축의 진동 감쇠장치에 관한 것으로 곡면형상의 축부재(원통형 중실축, 원통형 중공축 등)의 진동감쇠에 적용되어 차량의 구동축, 공작기계의 스핀들 등과 같은 곡면 형상의 회전하는 구동축(이하, '축부재'라고만 함)의 진동감쇠장치에 관련한 것이다.

일반적으로, 구동축의 진동감쇠 방식은 질량 댐퍼, CLD 등과 같은 방식이 채용되고 있다.

상기한 질량 댐퍼 방식은 구동축에 질량이 큰 물질을 달아 그 부분의 강성을 증가 시키고 전체 시스템의 고유진동수를 변화시켜 공진현상을 피하는 방식이다.

이 방식은 질량의 증가로 동력 전달 효율을 감소시킴은 물론 시스템에 큰 영향을 미쳐 추가적을 문제를 야기 시키기도 한다.

또한 그 수명이 짧은 문제점도 있다. 이러한 질량 댐퍼 방식은 공진 주파수 를 변화시키 방식으로 공진의 감쇠에 대한 근본적인 해결책이 될 수 없다.

또 다른 방식으로서의 CLD방식은 구동축에 얇은 층을 도포하여 부분적으로 강성을 증가시켜 진동을 감쇠하는 방식이다.

다만, 상기 CLD 방식은 진동을 감쇠시키기 방식이기는 하나 공진 시 증폭되는 변위에 대해서는 큰 효과를 보기 힘들다는 단점을 내포하고 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 축부재의 진동을 감쇠 시키고, 특히 공진 시 진동을 효과적으로 감쇠할 수 있는 축부재의 진동 감쇠장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 축부재의 진동 감쇠장치는, 상기 축부재의 중앙부를 외감하고 외측부에 압전센서가 고정된 형상기억 스프링과,

상기 형상기억 스프링에 의해 외감된 축부재의 진동량에 따라 상기 압전센서의 전기적 신호를 입력하여 상기 진동량을 측정하는 진동량 측정부와,

상기 진동량 측정부의 출력에 따라 상기 형상기억 스프링의 양 단부에 통전되는 전압을 조절하는 전압제어부를 구비하여,

상기 통전전압조절부의 출력되는 전압에 따라 온도를 변화를 시키는 형상기억 스프링의 온도변화에 따라 상기 축부재에 힘을 가하여 진동을 감쇠하도록 구성됨을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 축부재의 진동 감쇠장치의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.

본 장비는 축부재(10)의 진동 감쇠장치로서, 일반적인 주파수(비 공진주파수)의 진동과 공진주파수의 진동을 모두 효과적으로 감쇠시킬 수 있는 방식을 제시하고 있다.

본 발명은 드라이브 샤프트(Drive shafts)와 같은 자동차 구동 축부재(10) 및 이와 유사한 원통형 축 구조물의 능동 진동 감쇠에 대한 것이다. 운행 중 일어나는 구동축의 공진 현상에 초점을 맞추어 형상기억 스프링(5, Shape Memory Alloy, SMA)을 작동기로 사용하여 구동축의 진동을 제어하는 본 발명은 경제성을 높이기 위해 가공이 용이하고 가격이 저렴한 선형의 형상기억 스프링(5)을 사용한 다. 선형의 형상기억 스프링(5)을 코일형태로 구동축에 감아 구동축에 부착하고 부착된 형상기억 스프링(5)에 전압을 가하여 발생되는 저항열을 이용하여 형상기억효과를 통한 복원력을 발생시킨다. 이를 통해 구동축의 진동을 감쇠하는 것이 본 발명의 핵심이다.

본 발명의 일실시예에 따른 축부재(10)의 진동 감쇠장치는, 상기 축부재(10)의 중앙부를 외감하고 외측부에 압전센서(15)가 고정된 형상기억 스프링(5)과, 상기 형상기억 스프링(5)에 의해 외감된 축부재(10)의 진동량에 따라 상기 압전센서(15)의 전기적 신호를 입력하여 상기 진동량을 측정하는 진동량 측정부(20)와, 상기 진동량 측정부(20)의 출력에 따라 상기 형상기억 스프링(5)의 양 단부에 통전되는 전압을 조절하는 전압제어부(30)를 구비하고 있다.

또, 본 발명에서 제시하는 진동 감쇠 시스템을 구축하기위해 공진 시 축부재(10)의 변형이 큰 부분에 선형 형상기억합금을 선형이나 스트립형 코일형태로 부착한다.

또한, 상기 부착된 형상기억 스프링(5)은 일반적인 주파수(비 공진주파수)의 진동이 원통형 중공축에 가해질 경우 형상기억 스프링(5)의 부착에 의한 강성 증가로 진동을 감쇠하고 특정주파수(공진주파수)가 원통형 중공축에 가해질 경우 부착된 형상기억 스프링(5)에 전압을 가하여 생기는 저항열을 이용하여 형상기억효과에 따른 복원력을 이용하여 진동을 감쇠시킨다.

일예로, 상기 전압제어부(30)의 출력되는 전압에 따라 온도를 변화를 시키는 형상기억 스프링(5)의 온도변화에 따라 상기 축부재(10)에 힘을 가하여 진동을 감 쇠하게 되는 것이다.

본 발명은 기존은 진동감쇠 방식들과는 달리 시스템에 큰 영향을 주지 않고 진동 감쇠 효과를 줄 수 있으며, 특히 축부재(10)의 공진 시 능동적인 진동제어가 가능하여 진동감쇠 효과가 크다.

본 발명은 기존의 회전형 축부재(10) 진동감쇠 방식을 대체하는 새로운 진동감쇠 방식으로 회전형 축부재(10) 부재가 사용되는 많은 분야에의 이용이 기대된다.

이상과 같이 구성되는 본 발명의 작용을 설치방법에 따라서 설명하기로 한다.

먼저, 형상기억 스프링(5)에 형상기억 열처리를 실시하고, 형상기억 열처리된 형상기억 스프링(5)은 변태온도(Ms) 이하에서 외력에 의해 쉽게 변형되므로 그 길이가 최초설정길이(l₀) 가 되도록 외력을 인가한다. 이후 길이가 길이방향으로 늘어난 길이(l₁)로 변형된 형상기억 스프링(5)은 변태온도(Ms) 이상으로 가열되면 길이가 최초설정길이(l₀)인 최초 형상기억된 코일 스프링(5)형태로 되돌아가게 된다.

이와 같은 과정은 반영구적으로 가능하게 된다.

한편, 형상기억 스프링(5)은 열에너지를 기계적인 에너지(변위, 힘)로의 전환이 가능하며 그 수명도 반영구적일 뿐 아니라 조임력도 임의로 조절할 수 있는 재료로서 현재 로보트, 센서 액추에이터 등에 응용되어 널리 사용되고 있으며, 압전재료 역시 기계적 에너지를 전기적 에너지로 상호변환이 가능한 재료로서 센서 및 액츄에이터 등에 널리 사용되고 있다.

이제까지 알려진 형상기억 스프링(5) 재료로는 Ni-Ti, Cu-Zn-Al, Ag-Cd 등의 금속간 화합물과 형상기억폴리머 등이 있으며 압전재료로는 PZT계의 polycrystal, LiTaO₃ , Quartz 등의 단결정 등이 있다.

본 발명에서는 액튜에이터로서 형상기억 스프링(5)을 사용한 것은 압전재료에 비하여 형상기억 스프링(5)이 변위량 뿐만 아니라 조임력이 월등히 우수하기 때문에 축부재(10)의 진동을 억제하는데 유효하기 때문이며 제조가 용이하고 가격이 저렴한 장점이 있기 때문이다.

그리고, 저온에서 형상이 기억된 형상기억 스프링(5)은 변태온도(Ms) 이하로 냉각되면 외력을 받지 않고도 자발적으로 최초 형상기억된 형상으로 돌아갈 수 있게 된다.

일반적으로, 상기 형상기억 스프링(5) 재료는 그 길이의 변위를 형상회복개시온도와 형상회복 완료온도 사이에서 온도의 변화에 따라 직선적으로 조절할 수 있게 된다.

또한, 형상기억 스프링(5) 재료는 변위를 일정하게 유지하고 온도를 형상회복개시온도 이상으로 변화시킴에 따라 조임력을 생성시킨다. 즉, 조임력은 가열시 온도에 비례하여 직선적으로 증가하고 냉각 시 온도에 비례하여 감소한다.

상기와 같이 구성되는 축부재(10)의 진동 감쇠장치의 작용을 살펴보면, 상기 형상기억 스프링(5)의 외측에 부착된 압전센서(15)는 상기 형상기억 스프링(5)의 외측으로 부터 가해지는 진동양의 크기에 따라 전기적 신호를 비례적으로 발생시키고, 진동량 측정는 상기 압전센서(15)의 전기적 신호를 입력하여 진동량의 크기를 측정하며, 전압제어부(30)는 상기 진동량 측정부(20)의 출력을 인가받아 형상기억 스프링(5)의 양단에 통전되는 전압을 조절한다.

이때, 형상기억 스프링(5)은 온도가 변화되어 스프링(5)을 통하여 상기 축부재(10)의 외주부에 가해지는 조임력을 비례적으로 조절시키면서 축부재(10) 진동을 멈출 수 있게 되는 것이다.

따라서, 본 발명은 상기한 형상기억 스프링(5)을 사용하여 축부재(10)의 진동을 상기 진동의 크기에 비례하여 자동적으로 제거할 수 있게 되는 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 형상기억 스프링을 이용한 진동 감쇠장치의 구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

5 : 형상기억 스프링

10 : 축부재

15 : 압전센서

20 : 진동량 측정부

30 : 전압제어부

Claims (3)

1. 축부재의 진동 감쇠장치로서, 상기 축부재의 중앙부를 외감하고 외측부에 압전센서가 고정된 형상기억 스프링과, 상기 형상기억 스프링에 의해 외감된 축부재의 진동량에 따라 상기 압전센서의 전기적 신호를 입력하여 상기 진동량을 측정하는 진동량 측정부와, 상기 진동량 측정부의 출력에 따라 상기 형상기억 스프링의 양 단부에 통전되는 전압을 조절하는 전압제어부를 포함하며,

   상기 형상기억 스프링은, 공진 시 축부재의 변형이 큰 중앙부에 선형이나 스트립형 코일형태로 권취되고,

   상기 전압제어는 형상기억 스프링의 온도가 변화되어 일반적인 주파수(비 공진주파수)의 진동이 원통형 중공축에 가해질 경우 형상기억 스프링의 부착에 의한 강성 증가로 진동을 감쇠하고 특정주파수(공진주파수)가 원통형 중공축에 가해질 경우 부착된 형상기억 스프링에 전압을 가하여 생기는 저항열을 이용하는 형상기억효과에 따른 복원력을 이용하여 진동을 감쇠시키도록, 상기 축부재의 외주부에 가해지는 조임력을 비례적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 진동 감쇠장치.
2. 삭제
3. 삭제

Images