KR100997488B1 - 상용자동차용 압력센서 - Google Patents

상용자동차용 압력센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상용자동차용 압력센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 현재 자동차용 브레이크 시스템에 사용되는 압력센서의 경우 부품수가 많은 기계적 방식의 사용으로 인한 차량의 원가 상승을 개선하여, 스트레인 측정 방식을 이용한 압저항형 압력센서를 채택함으로써, 상용차 시스템이 갖는 고온 및 진동 등의 영향을 최소화하고, 보다 정확하고 신뢰성이 높은 상용자동차용 압력센서에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 상단에 압력입력부가 형성된 케이스; 상기 케이스의 내부에 설치되고, 상기 압력입력부를 통해 전달된 압력을 받아 변형이 발생하는 다이어프램; 및 상기 다이어프램의 하면에 부착되어 상기 변형량을 저항변화로 감지하여 압력값으로 변환하는 스트레인게이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 상용자동차용 압력센서를 제공한다.
압력센서, 스트레인게이지, 변형률

Description

상용자동차용 압력센서{Pressure sensor for commercial vehicle}
본 발명은 상용자동차용 압력센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 현재 자동차용 브레이크 시스템에 사용되는 압력센서의 경우 부품수가 많은 기계적 방식의 사용으로 인한 차량의 원가 상승을 개선하여, 스트레인 측정 방식을 이용한 압저항형 압력센서를 채택함으로써, 상용차 시스템이 갖는 고온 및 진동 등의 영향을 최소화하고, 보다 정확하고 신뢰성이 높은 상용자동차용 압력센서에 관한 것이다.
압력센서는 압력을 감지해서 전기신호로 변환시키는 목적으로 사용되는 감지기로서, 최근 가전제품을 비롯하여 자동차, 의료 기기, 환경 관련 설비와 산업체의 대규모 시스템 제어에 이르기까지 그 응용 분야가 광범위하며, 고온, 고압, 습도 및 고진동 등의 환경에서도 사용할 수 있는 소형, 경량, 저가격의 압력센서가 요구되고 있다.
압력센서를 압력 검출방식으로 크게 분류하면 기계식, 전자식, 반도체식으로 분류할 수 있다.
기계식 압력센서에는 표 1에 나타낸 바와 같이 부르돈관 방식, 다이어프램 방식, 벨로우즈 방식이 있고, 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 기계식 압력센서는, 그 중에서도 탄성식의 부르돈관(Bourdon tube) 방식이다. 부르돈관의 형상은 나선형, C형, 헬리컬(helical)형으로 구분된다.
Figure 112008023851696-pat00001
상기 전자식 압력센서는 기계적인 변위를 전기적인 신호로 변환하는 부분이 기계식과 다를 뿐 기본적으로는 기계식과 동일하며, 기계적인 변위를 전기적으로 감지하는 방식에 따라 분류하면 표 2에 나타낸 바와 같이 압전형, 스트레인게이지 방식의 압저항형, 차동변압기형, 인덕턴스 변화형, LVDT형이 있다.
Figure 112008023851696-pat00002
이 중 현재 가장 많이 사용되고 있는 형태는 전자식 압력센서 중 압전형 압력센서와 스트레인게이지(Strain gage) 방식의 압저항형 압력센서가 있다.
상기 압전형 압력센서는 수정 및 세라믹이 특정한 방향으로 압력을 받게 되면 자체 내에 전압이 유기되는 현상인 압전과, 결정체에 전압을 가하면 결정이 기계적인 변형을 일으키는 현상인 역압전을 총칭하는 압전 현상을 이용하여 입력 압력에 대응된 전기적 출력을 얻을 수 있도록 설계된 압력센서이다.
압전형 압력센서의 경우에는 동적 응답 특성이 좋고, 크기가 작고 구조가 간단하며, 시간이 경과해도 그 특성이 거의 일정한 장점을 가지고 있어서 최근 폭 넓은 영역에서 사용되고 있다.
그러나 미세한 전하를 증폭기까지 전달하는 과정에서 주변 노이즈에 노출 되기 쉽다는 점과 변형이 발생하여 측정오차가 발생 할 수 있다는 점, 그리고 압전물질(Piezoelectric Material)이 온도변화에 민감하다는 단점이 있다.
상기 압저항형 압력센서는 압력이 작용하는 길이 변환장치(다이어프램, 벨로우즈, 부르돈관)에 스트레인게이지를 부착하여 작용 압력에 비례하여 변형되는 길이 변환장치의 변형량(Strain)을 측정하는 방식이다.
그런데, 압저항형 압력센서는 노이즈에 매우 강해서 정확한 압력을 측정할 수 있다는 점과, 소형이며 응답성이 빠르다는 점, 온도와 진동 및 충격의 영향이 적다는 장점이 있으나, 스트레인게이지를 부착하는 변형 감지체의 정확한 압저항 특성을 정확하게 규명하고 사용해야 한다는 단점이 있다.
최근 압력센서 개발 동향은 기계식에서 전자식으로 전환되어가고 있는 실정이며, 자동차용 압력센서의 경우 일부 고급 차종에 한하여 전자식으로의 교체를 진행하고 있다.
즉, 독일의 메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)사의 경우 1997년 이후부터 고급 승용차에 적용되는 압력센서를 압전형 압력센서로 교체하여 사용하기 시작하였고, 이에 따라 세계적인 자동차 양산 메이커들 또한 기존 기계식 압력센서에서 전자식으로의 교체를 진행하고 있는 실정이다.
그러나 현재 자동차용 압력센서에 대한 전자식으로의 전환은 일부 고급 승용차에 국한되어 있는 실정이며, 상용자동차의 경우 운행 특성상 승용차에 비하여 가혹한 운행 조건을 갖고 있고, 압력의 발생에 따라 시스템이 가질 수 있는 고온 및 진동 등에 대한 문제 및 높은 마찰열 등의 특성으로 인한 노이즈 문제를 해결하지 못하여 현재까지도 많은 부분이 기계식 압력센서를 사용하고 있는데, 사용 부품의 수량이 10개 이상으로 많아서 그 구조가 복잡하고 형상이 크고 무거우며 신뢰성이 낮아 사용에 제한을 받고 있는 실정이다.
또한, 현재 자동차 브레이크 시스템에 사용되는 압력센서는 많은 부품이 사용되는 기계적 방식을 사용하여 원가 상승을 초래하고 있다.
최근 자동차는 생활의 필수품으로 자리 잡고 있으며, 사용 시간 또한 증가하여 보다 높은 브레이크 시스템의 안전성을 요구하고 있다. 이러한 브레이크 시스템의 핵심 부품인 압력센서의 정확도 및 신뢰성 저하는 사고를 유발할 수 있으며, 이러한 문제점을 해결하지 못할 경우 사회적으로 불안감을 조성하고 대외적인 신뢰도 역시 하락할 것이다.
따라서 브레이크 시스템의 핵심 부품인 압력센서 기술에 주도적으로 대응할 수 있기 위한 압력센서의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 압력이 다이어프램에 가해질 때 발생하는 변형률을 다이어프램의 하면에 부착된 스트레인게이지를 이용하여 측정하여 이를 압력값으로 변환함으로써, 기존의 기계식 브레이크용 압력센서가 가진 단점을 개선하여 브레이크 시스템의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 상용자동차용 압력센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상용자동차용 압력센서에 있어서,
상단에 압력입력부가 형성된 케이스; 상기 케이스의 내부에 설치되고, 상기 압력입력부를 통해 전달된 압력을 받아 변형이 발생하는 다이어프램; 및 상기 다이어프램의 하면에 부착되어 상기 변형량을 저항변화로 감지하여 압력값으로 변환하는 스트레인게이지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 구현예로서, 상기 다이어프램의 형상은 원형인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직한 구현예로서, 상기 케이스는 압력입력부가 형성된 상부케이스와, 상기 상부케이스의 하부와 결합되는 중간부케이스와, 상기 중간부케이스의 하부와 결합되고 하단에 데이터출력부가 형성된 하부케이스를 포함하고, 상기 상부케이스와 중간부케이스, 중간부케이스와 하부케이스는 서로 나사결합되는 것을 특징 으로 한다.
또한, 상기 다이어프램은 테두리부가 가운데 하면에 비해 더 돌출형성되고, 상부케이스의 내부에 삽입된 채로 다이어프램의 테두리부가 연결핀에 의해 중간부케이스의 상단에 결합되어 고정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다이어프램은 일정한 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 다이어프램은 스테인레스강 재질인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스트레인게이지는 풀 브릿지 방식의 휘스톤 브릿지 회로를 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부케이스와 중간부케이스의 나사결합시 완전한 밀폐가 이루어지도록 상부케이스의 내부에 알루미늄 재질의 패킹링이 삽입된 것을 특징으로 한다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 상용자동차용 압력센서에 의하면, 기존에 사용되는 기계식 브레이크용 압력센서가 가지고 있는 단점인 낮은 신뢰성을 개선하여 스트레인 측정방식의 다이어프램용 스트레인게이지를 이용하여 보다 정확한 압력을 측정함으로써, 브레이크 시스템의 안정성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
본 발명은 기존 압력센서들이 갖고 있는 단점과 신뢰성을 향상시키며, 스트레인 측정방식의 상용자동차용 압력센서를 제공한다.
본 발명은 상용차 시스템이 갖는 고온 및 진동 등의 영향을 최소화하기 위하여 스트레인 측정방식의 압저항형 압력센서를 사용한다.
본 발명에 따른 압저항형 압력센서는 상부, 중간부 및 하부케이스(10,11,12)와, 상부와 중앙부케이스(10,11) 사이에 설치된 다이어프램(13)과, 상기 다이어프램(13)의 하면에 설치된 스트레인게이지(14)를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 케이스는 상부케이스(10), 중간부케이스(11), 하부케이스(12)로 구성되어 있고, 상부케이스(10)의 상단부에는 압력입력부(15)가 홀형태로 형성되어 있고, 상기 상부케이스(10)의 중간에서 하방향으로 육각형 형태로 나사체결부가 형성되어 있다.
상기 나사체결부의 내주면에는 암나사부가 형성되어 중간부케이스(11)와 체결되도록 되어 있고, 중간부케이스(11)의 상단부에는 외주면에 제1수나사부가 형성되어 나사체결부에 결합되고, 중간부케이스(11)의 하단부에도 내주면에 암나사부가 형성되어 하부케이스(12)와 체결되도록 되어 있고, 하부케이스(12)의 상단부에는 외주면에 제2수나사부가 형성되어 있다.
상기 다이어프램(13)은 탄성변형체로서 하중이 가해지면 변형을 하게 되고, 그 변형량을 스트레인게이지(14)의 저항변화로 감지하여 가해진 압력을 결정하는 것이다. 이때, 상기 다이어프램(13)의 하단면과 중간부케이스(11)의 상단면에는 핀수용홈이 형성되고, 연결핀이 다이어프램(13)과 중간부케이스(11)의 핀수용홈(17) 에 각각 반씩 삽입됨으로써, 다이어프램(13)과 중간부케이스(11)가 결합되게 된다.
여기서, 스트레인 측정방식의 압력센서의 성능을 결정하는 가장 중요한 요소 중의 하나인 탄성변형체의 형상은 측정하고자 하는 압력 특성, 용량 그리고 정밀도 등에 의하여 결정되며, 본 발명에서는 원형 형태를 채택한다.
또한, 상기 탄성변형체는 가해진 하중에 반응하여 스트레인게이지(14)를 부착한 지점에 집중적으로 균일한 변형률을 발생시킬 수 있어야 하기 때문에, 유한요소 해석을 통하여 압력에 비례하여 변형률이 선형적으로 변화하는 구조를 갖는 스테인레스 강 재질의 재료를 선택한다.
상기 스트레인게이지(14)는 휘스톤 브릿지 회로를 사용하고, 휘스톤 브릿지 회로(Wheastone bridge circuit)는 정밀한 비교측정을 하는 계측기의 기본회로로서, 정밀한 스트레인을 측정할 수 있으며, 이에 따라 정밀한 압력 측정을 가능하게 해 준다.
따라서, 원형의 다이어프램(13)의 변형률 측정이 용이하도록 도 3에 도시한 바와 같이, 4개의 스트레인게이지(14)를 1세트로 구성한 원형 모양의 풀 브릿지(full bridge)방식의 다이어프램용 스트레인게이지(14)를 선택한다.
도 4는 현재 타 업체 상용차에 적용되어 있는 압력센서의 작동원리를 나타내는 도면이다.
상기 압력센서는 다이어프램 방식을 이용한 기계식 압력센서로서, 압력입력부(101)를 통해 압력이 가해지면 다이어프램(102)에 변형이 발생하며, 다이어프램(102)에 부착되어 있는 로드 버튼(103)에 상하방향변위가 생기게 된다.
상기 로드 버튼(103)은 스프링으로 고정되어 있는 브라켓(104)을 움직이게 되어 저항 접점이 변하게 되고, 이에 따라 변환된 저항(105)을 측정하여 입력된 압력을 측정하는 방식이다. 상기 제픔은 기계식 압력센서로서, 사용 부품의 수량이 많으며, 구조가 복잡하다. 또한, 신뢰성이 낮은 단점이 갖는다.
유한요소 해석을 통한 검증
1. 스트레인게이지 형식의 검토 및 적용
본 발명은 압력에 의해 주변이 고정된 다이어프램(13)의 변형을 효율적으로 측정하기 위해 스트레인게이지(14)을 사용한다. 다이어프램용 스트레인게이지(14)는 풀 브릿지 방식의 원형 게이지로서 다이어프램(13)의 유효압력에 대해서 적당한 지름의 것을 선택하면 되며, 압력입력부(15) 반대편에 부착되어 변형률을 측정한다.
주변이 고정된 다이어프램(13)이 균등한 분포하중을 받아 변형이 발생하였다면 변형률의 분포는 도 5에 도시한 바와 같다.
도시한 바와 같이, εt는 접선방향의 변형률 값이고 εr은 반지름 방향의 변형률 값을 나타내는데, 접선방향 변형률 값은 항상 양의 값인데 비해 반지름 방향의 변형률 값은 +와 - 값을 모두 나타낸다. 또한 다이어프램(13)의 중심과 외곽에서 각각 최대 값과 최소값을 가진다는 차이점도 있다.
구하고자 하는 변형률 값은 각각의 최대 값과 최소값이므로 반지름 방향의 스트레인게이지(14)는 다이어프램(13)의 외각 부분에, 접선방향의 변형률 값은 중 심부분에 부착하여 측정한다.
도 5를 보면, 다이어프램(13)의 중심부에서는 접선방향 변형률과 반지름 반향 변형 률이 거의 같음을 알 수가 있다. 따라서 실제로 게이지가 측정하는 수감 스트레 인은 반지름 반향 변형률인 εr이 된다.
이러한 이론이 실제 모델에 적용이 되는지를 확인하기 위하여 유한요소 해석을 실시해 검증해 보았다. 도 6 및 도 7은 이론에서와 동일한 형상으로 모델을 작성하여, 동일한 조건 하에서 해석을 실시하여 얻어낸 변형률 값이다.
이론과 해석을 비교해 본 결과 약간의 차이는 존재하지만, 유사한 경향을 보이는 것을 알 수 있었다. 또한 풀 브릿지 방식이기 때문에 온도와 진동의 영향을 거의 받지 않으며 스트레인 값의 보정능력이 뛰어나다.
따라서 다이어프램(13)의 압력 입력부 반대 부분에 다이어프램용 스트레인게이지(14)를 부착해 변형률을 측정하는 방식을 적용하게 되었다.
2. 탄성 변형체의 형상 및 재질 선정
1) 유한요소 해석을 이용한 다이어프램 설계 변수 평가
본 발명의 스트레인 측정방식 압력 센서는 압력이 다이어프램(13)에 가해질 때 발생하는 변형률을 다이어프램(13) 후면에 부착된 스트레인게이지(14)를 이용하여 측정하며, 이를 압력값으로 변환하는 방식이다.
따라서 다이어프램(13)의 설계 변수인 형상, 두께, 직경 및 작용압력에 대하여 유한요소 해석을 이용하여 설계 변수를 평가하였다. 다이어프램(13)의 직경은 Φ 15, 20, 40를 후보 직경으로 선정하였으며, 형상은 일반적으로 다이어프램(13) 형상으로 적용되는 두 가지 후보 형상을 선정하였다.
작용압력은 0.1, 1.5, 2.5 MPa을 분포하중으로 부과하였으며, 재질은 압저항형 압력센서에 가장 많이 사용되는 온도, 부식 및 강도 특성이 우수한 스테인레스강 630으로 선정하여 유한요소 해석을 수행하였다.
유한요소 해석 시 모든 경우에 대하여 측정되는 변형률이 스트레인게이지(14) 최대 측정 범위인 3%이내인 것을 확인하였다.
본 발명의 1안에 따른 다이어프램(13)의 밑면은 연결핀(16)에 의해 중간부케이스(11)와 고정 되는 부분이기 때문에, xyz방향 모두를 구속시켰으며, 2안에 따른 다이어프램(13)의 옆면은 용접에 의해 고정 되는 부분이기 때문에 xyz방향 모두를 구속시켰다.
표 3은 각 설계 변수에 따른 해석 조건을 나타낸 것이다. 해석모델은 약 13,000 개의 요소(element)와 약 13,000개의 절점(node)으로 구성된 8절점 육면체요소를 사용하여 구성하였다.
도 8은 다이어프램의 유한요소해석을 위한 모델과 구속 조건을 나타낸 것이다. 해석 전처리 프로그램인 I-DEAS 11에서 해석 모델을 작성하였으며, 해석의 수행은 상용 코드인 ABAQUS 6.4를 사용하였다.
Figure 112008023851696-pat00003
도 9는 다이어프램의 변형률 해석 결과를 나타낸 것으로서, 다이어프램(13) 중심 부에서 가장 크게 나타났으며 밖으로 갈수록 작아지는 경향을 보였다. 도 10~ 15는 1, 2안의 직경별, 두께별, 압력별 (0.1, 1.5, 2.5 MPa) 유한요소해석을 실시한 후, 변형률 분포를 다이어프램(13) 중심에서 반지름 방향으로 나타낸 것으로서, 최대 변형률은 스트레인게이지(14)의 최대 측정 범위인 3% 이내로 나타났다.
또한 반지름 방향 변형률 변화의 경향은 1안의 경우, 중심점 부근에서 최대 변형률이 발생하고 외부로 갈수록 감소하는 경향이 나타났으며, 2안의 경우 중심점 부근에서 최소 변형률이 나타났으며, 돌출부 이후 변형률이 급격히 증가하였다가 감 소하는 경향이 나타났다.
본 발명에서 선정한 스트레인게이지(14)의 측정방식은 4개의 스트레인게이지(14) 중 2개는 감소된 변형률을, 나머지 2개는 증가된 변형률을 측정하여 평형이 되는 원리를 이용한 방식이므로, 본 발명에서 사용될 다이어프램(13)의 형상은 1안으로 선정 하였다.
도 16~21은 1, 2안 형상에 대한 응력 해석 결과로서 다이어프램(13)의 두께가 0.5 mm일 경우에는 최대 응력이 1080과 2580 MPa로 나타나 본 발명에서 목표하는 2.5 MPa 압력 측정을 위한 다이어프램(13)의 두께로는 적합하지 않았으며, 두께가 1 mm일 경우에는 최대 응력이 288과 489 MPa로 나타나 스테인레스강 630의 항복강도인 1000 MPa를 만족하였다.
2) 다이어프램 피로해석
가) 탄성변형체 수명평가 (다이나믹 피로해석)
본 발명에서 고려하는 2가지 탄성변형체 형상에 대한 응력해석 결과, 2가지 형상 모두 직경 Φ40, 두께 0.5mm에 2.5MPa(25bar) 압력이 작용할 때 항복강도 이상의 응력이 발생되어 사용할 수 없음을 알 수 있었으며, 따라서 탄성변형체의 두께를 1mm로 변경하여 해석을 수행한 결과 항복강도 이하의 응력이 발생됨을 확인할 수 있었다.
그러나 탄성변형체는 압력을 측정하기 위하여 피로하중을 받게 되는 부품이므로 항복강도 이하의 응력이 발생되었다 하더라도, 피로하중에 의한 파괴가 발생할 수 있으므로 각 케이스 형상별 최대 작용압력에 대한 탄성변형체의 피로수명 해석을 수행하였다.
해석은 상용 피로수명 해석 프로그램인 MSC 피로 2005r2를 사용하였으며, 해석의 진행은 정적인 해석 시 발생되는 응력분포를 피로 하중으로 적용하여 수행하였다. 따라서 구속조건 및 요소(element)의 개수는 정적인 하중 해석 모델과 동일하다.
나) 탄성변형체 수명평가 결과
탄성변형체 수명평가 결과 정적 하중에 대한 응력해석에서 나타난 바와 같이 2가지 형상 모두 직경 Φ 40, 두께 0.5mm에 2.5MPa(25bar) 압력이 작용할 때 최소 수명이 나타났으며, 1안과 2안의 최소수명은 531, 10 사이클로 나타났다.
또한 이를 개선하기 위하여 두께를 1mm로 변경하였을 때, 각각 3.7×1011 사이클과 3.7×107 사이클로 수명이 개선되었으며, 일반적으로 무한수명의 기준으로 하는 106이상의 수명이 발생됨을 확인할 수 있었다.
표 4는 응력해석 결과에 따른 피로수명 해석 결과를 정리하여 나타낸 것이며, 도 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40은 MSC 피로(fatigue)에서 제공하는 절점별 수명을 최소 수명 30개만 나타낸 표이다. 또한 도 27, 29, 31, 33, 35, 37, 39, 41은 수명의 분포를 나타낸 것이다.
Figure 112008023851696-pat00004
3. 상부케이스의 재질 선정 및 유한요소 해석
1) 상부케이스의 재질 선정
본 발명의 계발을 수행함에 있어서 온도, 압력, 진동, 습도 및 부식 등 외부적인 환경 변화에 민감하지 않으며, 성형성이 우수한 재료를 선정하는 것은 매우 중요한 일이다. 따라서, 표 5에 상부케이스(10) 후보 재료의 품질 특성 및 기계적 물성을 분석하였다.
품질 특성으로는 내식성, 강도, 저온 충격치, 가공성, 자성, 경화성, 용접성을 분석하였고, 물리적 성질은 결정격자 구조, 열전도도, 475 ℃ 취성, δ 취성, 고온 취성을 분석하여 세 가지 스테인레스의 특성을 비교하였다. 그 결과 18Cr-8Ni의 스테인레스 303이 성형가공성이 가정 우수하고, 환경에 민감하지 않은 품질 특성을 갖고 있는 것을 알 수 있었다.
Figure 112008023851696-pat00005
2) 상부케이스 유한요소 해석
본 발명의 스트레인 측정방식 압력 센서에서 입력된 압력을 받는 부분은 탄성변형체와 상부케이스(10)이다. 따라서, 상부케이스(10)의 설계 변수인 재질과 작용 압력에 대하여 유한요소 해석을 이용하여 설계 변수를 평가하였다.
상부케이스(10)의 재질은 다이어프램(13)의 재질과 동일한 스테인레스 630과 가공성 및 내식성이 우수한 스테인레스 303으로 두 가지 후보 재질을 선정하였으며, 작용 압력은 0.1, 1.5, 2.5 MPa을 분포 하중으로 부과하였다.
상부케이스(10)와 중간부케이스(11)는 나사에 의해 고정되는 부분이기 때문에 xyz방향 모두를 구속시켰다. 표 6은 설계 변수에 따른 해석 조건을 나타낸 것이다.
해석 모델은 약 16,000 개의 요소(element)와 약 20,500 개의 절점(node)으로 구성된 8절점 육면체요소를 사용하여 구성하였으며, 도 38은 다이어프램의 유한요소 해석을 위한 모델과 구속 조건을 나타낸 것이다. 해석 전처리 프로 그램인 I-DEAS 11에서 해석 모델을 작성하였으며, 해석의 수행은 상용 코드인 ABAQUS 6.4를 사용하였다.
Figure 112008023851696-pat00006
도 43은 상부케이스(10)에 대한 응력 해석 결과로서 압력이 2.5 MPa일 때, 최대 응력이 11 MPa로 나타나 스테인레스강 303의 항복강도인 240 MPa를 만족하였다.
4. 씰링 방식 결정
본 발명에 따른 압저항형 압력센서의 1차 시제품을 제작 후, 비누물과 에어컴프레서를 이용하여 씰링 테스트를 실시한 결과 상부케이스(10)와 중간부케이스(11)를 연결하는 나사에서 씰링이 안되는 것을 발견했다. 시작품의 구조는 도 2 및 도 41에 도시한 바와 같이 다이어프램(13)과 중간부 케이스(11)를 연결핀(16)을 이용하여 연결하고, 상부케이스(10)와 중간부케이스(11)가 나사로 결합이 되는 구조이다.
외부 환경에 영향을 받지 않으며, 밀폐가 완벽히 될 수 있도록 알루미늄 패킹링(18)을 다이어프램(13)과 상부케이스(10)의 접촉 부위에 삽입함으로써 이 문제를 해결하였다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 상용자동차용 압력센서를 나타내는 조립도이다.
도 2는 도 1의 분해도이다.
도 3은 도 1의 다이어프램의 하면에 부착된 스트레인게이지를 나타내는 도면이다.
도 4는 현재 타 업체 상용차에 적용되는 기계식 압력센서의 작동원리를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 다이어프램의 변형률 분포를 나타내는 도면이다.
도 6 및 도 7은 이론과 동일한 형상으로 모델을 작성하고, 동일한 조건 하에서 유한요소 해석을 한 결과 변형률을 나타내는 도면 및 그래프이다.
도 8은 다이어프램의 유한요소해석을 위한 모델과 구속 조건을 나타내는 도면이다.
도 9는 다이어프램의 변형률 해석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10 내지 도 15는 1, 2안의 직경별, 두께별, 압력별(0.1,1.5,2.5 MPa) 유한요소해석을 실시한 후 변형률 분포를 나타내는 도면이다.
도 16 내지 도 21은 1, 2안 형상에 대한 응력 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 22,24,26,28,30,32,36은 MSC 피로에서 제공하는 절점별 수명을 나타내는 표이다.
도 23,25,27,29,31,33,35,37은 수명의 분포를 나타내는 도면이다.
도 38은 다이어프램의 유한요소해석을 위한 모델과 구속조건을 나타내는 도면이다.
도 39는 상부케이스에 대한 응력해석결과를 나타내는 도면이다.
도 40a 및 도 40b는 도 1에서 상부케이스의 내부에 밀폐용 패킹링이 삽입되기 전 상태를 나타내는 분해도이다.
도 41은 도 1에서 다이어프램의 하면을 나타내는 사시도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 상부케이스 11 : 중간부케이스
12 : 하부케이스 13 : 다이어프램
14 : 스트레인게이지 15 : 압력입력부
16 : 연결핀 17 : 핀수용홈
18 : 패킹링

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 상용자동차용 압력센서에 있어서,
    상단에 압력입력부가 형성된 케이스;
    상기 케이스의 내부에 설치되고, 상기 압력입력부를 통해 전달된 압력을 받아 변형이 발생하는 원형의 다이어프램; 및
    상기 다이어프램의 하면에 부착되어 상기 변형량을 저항변화로 감지하여 압력값으로 변환하는 스트레인게이지를 포함하며,
    상기 케이스는 압력입력부가 형성된 상부케이스와, 상기 상부케이스의 하부와 결합되는 중간부케이스와, 상기 중간부케이스의 하부와 결합되고 하단에 데이터출력부가 형성된 하부케이스를 포함하고, 상기 상부케이스와 중간부케이스, 중간부케이스와 하부케이스는 서로 나사결합되며,
    상기 다이어프램은 테두리부가 가운데 하면에 비해 더 돌출형성되고, 상부케이스의 내부에 삽입된 채로 다이어프램의 테두리부가 연결핀에 의해 중간부케이스의 상단에 결합되어 고정되는 것을 특징으로 하는 상용자동차용 압력센서.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 다이어프램은 일정한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 상용자동차용 압력센서.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 다이어프램은 스테인레스강 재질인 것을 특징으로 하는 상용자동차용 압력센서.
  7. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 스트레인게이지는 풀 브릿지 방식의 휘스톤 브릿지 회로를 사용하는 것을 특징으로 하는 상용자동차용 압력센서.
  8. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 상부케이스와 중간부케이스의 나사결합시 완전한 밀폐가 이루어지도록 상부케이스의 내부에 알루미늄 재질의 패킹링이 삽입된 것을 특징으로 하는 상용자동차용 압력센서.
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