KR101129302B1 - Ｍｒ 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치 - Google Patents

Ｍｒ 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 다양한 공진모드에 대한 능동적인 진동 제어가 가능한 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치는 회전 구동하는 중공축 및 상기 중공축 내에 결합되어 상기 중공축의 진동을 제어하는 진동 감쇠 조립체를 포함하되, 상기 진동 감쇠 조립체는 케이스와, 상기 케이스 내에 설치되는 고무(Rubber)와, 상기 고무(Rubber)의 중심부에 내삽되어 강성을 증가시키는 매스(Mass) 및 상기 케이스와 매스(Mass) 사이의 고무(Rubber)에 내삽되되 외부 자기장에 의해 강성 및 감쇠율이 변화되어 다양한 공진 모드에 따라 특성을 변화시키면서 진동을 제어하는 MR 엘라스토머를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

ＭＲ 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치{DEVICE FOR CONTROLLING VIBRATION OF HOLLOW SHAFT IN USING MAGNETO-RHEOLOGICAL ELASTOMER}
본 발명은 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치에 관한 것으로서 다양한 공진모드에 통합적으로 사용할 수 있는 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 회전 구동하는 중공축의 진동을 감쇠하기 위해 질량 댐퍼(Mass Damper) 방식이나 CLD(Constrained Layer Damping) 방식이 사용되고 있다.
질량 댐퍼(Mass Damper) 방식은 원통형 중공축에 질량이 큰 물질을 달아 그 부분의 강성을 증가시키고 전체 시스템의 고유 진동수를 변화시켜 공진 현상을 피하는 방식이다.
그러나 이 방식은 질량의 증가로 동력 전달 효율을 감소시킴은 물론 시스템에 큰 영향을 미쳐 추가적인 문제를 야기시킨다.
도 9는 종래의 질량 댐퍼 방식에 따라 하나의 공진모드에서 진동감쇠 효과를 나타내는 그래프이다.
구체적으로, 상기 질량 댐퍼(Mass Damper) 방식은 도 9에 도시된 바와 같이, 정해진 하나의 진동모드에만 효과를 보이며 다른 진동모드에는 적합한 효과를 보이지 못하는 문제점이 있다.
또한, 댐퍼(Damper)로 고무(Rubber)를 사용하기 때문에 사용기간이 길수록 고무(Rubber)가 경화되는 등 특성이 변화되어 그 효과가 감소하고 진동 성능에 악영향을 미치는 문제점이 있다.
더불어, 프로펠러 샤프트와 같은 자동차 구동축 및 이와 유사한 회전하는 원통형 중공축 구조물일 경우 작동기의 전원 공급을 위한 전선들이 서로 꼬이는 문제가 발생하여 제품에 적용하는데 문제점이 있다.
상기 CLD(Constrained Layer Damping) 방식은 구조물에 얇은 층(Layer)을 둘러 진동을 감쇠시키는 방식으로, 진동을 감쇠시키는 방식이기는 하나 공진시 증폭되는 변위에 대해서는 큰 효과를 얻기 힘든 문제점이 있다.
따라서, 보다 현실적으로 여러 공진모드에서 통합적으로 사용될 수 있고, 회전체 구조물에 발생할 수 있는 전선 꼬임 문제를 해결할 수 있는 능동 제어 장치의 필요성이 요구된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 발명된 것으로, 다양한 공진모드에 대한 능동적인 진동 제어가 가능한 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 회전체 구조물에 발생되는 전선 꼬임 등의 와이어링 문제를 해결할 수 있는 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치를 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치는 회전 구동하는 중공축 및 상기 중공축 내에 결합되어 상기 중공축의 진동을 제어하는 진동 감쇠 조립체를 포함하되, 상기 진동 감쇠 조립체는 케이스와, 상기 케이스의 중심부에 삽입되어 강성을 증가시키는 매스(Mass) 및 상기 케이스와 매스(Mass) 사이에 삽입되되 외부 자기장에 의해 강성 및 감쇠율이 변화되어 다양한 공진모드에 따라 특성을 변화시키면서 진동을 제어하는 MR 엘라스토머를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 매스(Mass)는 중공부가 형성된 환형 형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 중공축은 내주면에 돌출부가 형성되고, 상기 진동 감쇠 조립체는 외주면에 함몰부가 형성되며, 상기 돌출부와 함몰부의 대응결합으로 상기 진동 감쇠 조립체가 중공축에 결합될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치는 회전 구동하는 중공축 및 상기 중공축 내에 결합되어 상기 중공축의 진동을 제어하는 진동 감쇠 조립체를 포함하되, 상기 진동 감쇠 조립체는 케이스와, 상기 케이스 내에 삽입되는 고무(Rubber)와, 상기 고무(Rubber)의 중심부에 삽입되어 강성을 증가시키는 매스(Mass) 및 상기 케이스와 매스(Mass) 사이의 고무(Rubber)에 삽입되되 외부 자기장에 의해 강성 및 감쇠율이 변화되어 다양한 공진모드에 따라 특성을 변화시키면서 진동을 제어하는 MR 엘라스토머를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 MR 엘라스토머는 상기 매스(Mass)로부터 방사형으로 동일한 이격거리를 가지는 원주 상에 배치될 수 있다.
또한, 상기 MR 엘라스토머는 상기 매스(Mass)로부터 방사형으로 동일한 이격거리를 가지는 원주 상에 배치되되, 복수개가 동일한 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 MR 엘라스토머는 총 4개로 이루어지되, 각각 90도 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 매스(Mass)는 중공부가 형성된 환형 형상으로 이루어질 수 있으며, 상기 중공축은 내주면에 돌출부가 형성되고, 상기 진동 감쇠 조립체는 외주면에 함몰부가 형성되며, 상기 돌출부와 함몰부의 대응결합으로 상기 진동 감쇠 조립체가 중공축에 결합될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치에 의하면, 다양한 공진모드에 대한 능동적인 진동 제어가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 회전체 구조물에 발생되는 전선 꼬임 등의 와이어링 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 원통형 중공축 형상을 가지는 차량의 구동축, 공작기계의 스핀들 등의 제품에 상용화할 수 있어 기존의 제품을 대체할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치의 제 1구성도.
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치의 제 2구성도.
도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치의 제 1구성도.
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치의 제 2구성도.
도 6a는 본 발명의 제 2실시예에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치의 제 3구성도.
도 6b는 도 6a의 A-A선 단면도.
도 7a는 본 발명의 제 2실시예에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치의 제 4구성도.
도 7b는 도 7a의 A-A선 단면도.
도 8은 본 발명의 제 1실시예 및 제 2실시예에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치의 내부 결합도.
도 9는 종래의 질량 댐퍼 방식에 따라 하나의 공진모드에서 진동감쇠 효과를 나타내는 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치의 개략도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치의 구성도이다.
본 발명의 제 1실시예에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 중공축(100) 및 진동 감쇠 조립체(200)를 포함한다.
상기 중공축(100)은 중공 원통 형상으로 이루어질 수 있고, 프로펠라 샤프트, 차량의 구동축, 공작기계의 스핀들 등으로 사용되어 회전 구동될 수 있으며, 내주면에 상기 진동 감쇠 조립체(200)를 결합시키기 위한 돌출부(110)가 형성될 수 있다.
상기 진동 감쇠 조립체(200)는 외주면에 상기 돌출부(110)와 대응 결합하는 함몰부(211)가 형성되어 상기 중공축(100) 내에 결합되고, 상기 중공축(100)의 회전 구동에 의해 발생되는 진동을 제어할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 1실시예 및 제 2실시예에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치의 내부 결합도이다.
구체적으로, 상기 진동 감쇠 조립체(200)는 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 중공축(100)의 내주면에 형성된 돌출부(110)와 상기 진동 감쇠 조립체(200)의 외주면에 형성된 함몰부(211)의 대응결합으로 상기 중공축(100)에 결합될 수 있다.
상기 진동 감쇠 조립체(200)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 케이스(210)와, 매스(Mass,230) 및 MR 엘라스토머(240)를 포함한다.
상기 케이스(210)는 상기 진동 감쇠 조립체(200)의 외장 하우징으로, 상기 매스(Mass,230) 및 MR 엘라스토머(240)를 커버하며, 상기 함몰부(211)가 외주면에 형성된다.
상기 매스(Mass,230)는 상기 케이스(210)의 중심부에 삽입되어 강성을 증가시킬 수 있고, 고유진동수를 변화시켜 공진 현상을 회피할 수 있다.
이때, 상기 매스(Mass,230)는 금속 재질로 이루어질 수 있고, 도 2에 도시된 바와 같이 단면이 원형인 원기둥 형상으로 이루어지거나, 도 3에 도시된 바와 같이, 중공부가 형성된 환형 형상, 즉, 단면이 환형인 중공 원통 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 MR 엘라스토머(240)는 상기 케이스(210)와 매스(Mass,230) 사이에 삽입되되 도 1에 도시된 바와 같이, 솔레노이드(Solenoid,300)에 의해 발생된 외부 자기장(Magnetic Field,400)에 의해 강성 및 감쇠율이 변화되어 다양한 공진모드에 따라 특성을 변화시키면서 진동을 제어할 수 있다.
구체적으로, 차량의 속도 변화에 따라 외부 자기장(400)의 세기가 변화되고 그에 따라 MR 엘라스토머(240)의 강성이 변화되어 다양한 공진모드에 대한 진동을 제어(피드포워드 제어)하거나, 프로펠라 샤프트의 특정 위치에 가속도 센서로 진동 주파수를 측정하고 그에 따라 MR 엘라스토머에 가해지는 외부 자기장을 변화시킴으로서 프로펠라 샤프트에 생성되는 진동을 제어(피드백제어)할 수 있다.
한편, 상기 MR 엘라스토머(Magneto-Rheological Elastomer,MRE)는 스마트 재료(smart material)의 한 종류로서 자기유동학적 유체(Magneto-Rheological Fluid,MRF)의 한 지류로 간주될 수 있다.
구체적으로, 상기 MRF는 자기력에 의해 극성을 가질 수 있는 입자들이 점성유체 안에 불규칙적으로 분포하며, 외부 자기장의 방향에 따라 입자들이 체인 형태로 정렬하여 기계적 성질이 변할 수 있다.
상기 MRF의 경우, 유체와 입자가 적절히 섞여 있어야 최적의 성능을 발휘하기 때문에 잔유물이 발생하거나, 사고 발생 또는 액체의 누수로 환경 오염 문제가 발생할 수 있다.
한편, 상기 MRE는 천연 고무(Natural Rubber,NR), 실리콘 고무(Silicon Rubber,SR)와 같은 폴리머에 CIP(Carbonyl Iron Powder) 등의 자기장에 의해 극성을 가지는 입자를 첨가한 고체로, 복합재 안에 포함된 입자들이 항복 전 상태에서 작동할 수 있다.
상기 MRE는 상기 MRF와 달리 잔유물이 발생하지 않고, 액체 누수에 의한 환경 오염이 방지되며, 변화시켜야 하는 강성의 범위가 넓으므로 중공축의 다양한 공진을 제어할 수 있다.
이하, 본 발명의 제 2실시예에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치의 제 1구성도이고, 도 5는 제 2구성도이며, 도 6a는 제 3구성도이다. 또한, 도 6b는 도 6a의 A-A선 단면도이고, 도 7a는 제 4구성도이며, 도 7b는 도 7a의 A-A선 단면도이다.
본 발명의 제 2실시예에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치는 도 4 내지 도 7b에 도시된 바와 같이, 중공축(100) 및 진동 감쇠 조립체(200)를 포함한다.
상기 중공축(100)은 본 발명의 제 1실시예에 따른 중공축과 동일하게 중공 원통 형상으로 이루어져 회전 구동되되 내주면에 상기 진동 감쇠 조립체(200)를 결합시키기 위한 돌출부(110)가 형성될 수 있고, 상기 진동 감쇠 조립체(200)는 외주면에 상기 돌출부(110)와 대응 결합하는 함몰부(211)가 형성되어 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 중공축(100)의 내주면에 결합됨으로써 상기 중공축(100)의 회전 구동에 의해 발생되는 진동을 제어할 수 있다.
상기 진동 감쇠 조립체(200)는 케이스(210)와, 고무(Rubber,220)와, 매스(Mass,230) 및 MR 엘라스토머(240)를 포함한다.
상기 케이스(210)는 상기 진동 감쇠 조립체(200)의 외장 하우징으로, 상기 매스(Mass,230)와, 고무(Rubber,220) 및 MR 엘라스토머(240)를 커버하며, 상기 함몰부(211)가 외주면에 형성된다.
상기 고무(Rubber,220)는 상기 케이스(210) 내에 삽입되며 상기 매스(Mass,230) 및 MR 엘라스토머(240)를 고정한다.
상기 매스(Mass,230)는 상기 고무(Rubber,220)의 중심부에 삽입되어 강성을 증가시킬 수 있고, 고유진동수를 변화시켜 공진 현상을 회피할 수 있다.
이때, 상기 매스(Mass,230)는 금속 재질로 이루어질 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이 단면이 원형인 원기둥 형상으로 이루어지거나, 도 5에 도시된 바와 같이, 중공부가 형성된 환형 형상, 즉, 단면이 환형인 중공 원통 형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 매스(Mass,230)는 도 6a에 도시된 바와 같이 단면이 다각형인 다각기둥 형상으로 이루어지거나, 도 7a에 도시된 바와 같이, 중공부가 형성된 환형 형상, 즉, 단면이 환형 다각형인 중공 다각기둥 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 MR 엘라스토머(240)는 도 4 내지 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 케이스(210)와 매스(Mass,230) 사이의 고무(Rubber,220)에 삽입되되 외부 자기장(Magnetic Field)에 의해 강성 및 감쇠율이 변화되어 다양한 공진모드에 따라 특성을 변화시키면서 진동을 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 MR 엘라스토머(240)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 매스(Mass,230)로부터 방사형으로 동일한 이격거리를 가지는 원주 상에 배치될 수 있다.
또한, 상기 MR 엘라스토머(240)는 도 6 내지 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 매스(Mass,230)로부터 방사형으로 동일한 이격거리를 가지는 원주 상에 배치되되, 복수개가 동일한 간격으로 이격되어 배치될 수 있으며, 이때, 상기 MR 엘라스토머(240)는 총 4개로 이루어지되, 각각 90도 간격으로 이격되어 배치될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100:중공축 110:돌출부
200:진동 감쇠 조립체 210:케이스
211:함몰부 220:고무(Rubber)
230:매스(Mass) 240:MR 엘라스토머
300:솔레노이드(Solenoid) 400:외부 자기장(Magnetic Field)

Claims (7)

  1. 회전 구동하는 중공축; 및
    상기 중공축 내에 결합되어 상기 중공축의 진동을 제어하는 진동 감쇠 조립체를 포함하되,
    상기 진동 감쇠 조립체는,
    케이스;
    상기 케이스의 중심부에 삽입되어 강성을 증가시키는 매스(Mass); 및
    상기 케이스와 매스(Mass) 사이에 삽입되며, 외부 자기장에 의해 강성 및 감쇠율이 변화되어 다양한 공진모드에 따라 특성을 변화시키면서 진동을 제어하는 MR 엘라스토머를 포함하는 것을 특징으로 하는 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치.
  2. 회전 구동하는 중공축; 및
    상기 중공축 내에 결합되어 상기 중공축의 진동을 제어하는 진동 감쇠 조립체를 포함하되,
    상기 진동 감쇠 조립체는,
    케이스;
    상기 케이스 내에 삽입되는 고무(Rubber);
    상기 고무(Rubber)의 중심부에 삽입되어 강성을 증가시키는 매스(Mass); 및
    상기 케이스와 매스(Mass) 사이의 고무(Rubber)에 삽입되며, 외부 자기장에 의해 강성 및 감쇠율이 변화되어 다양한 공진모드에 따라 특성을 변화시키면서 진동을 제어하는 MR 엘라스토머를 포함하는 것을 특징으로 하는 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 MR 엘라스토머는,
    상기 매스(Mass)로부터 방사형으로 동일한 이격거리를 가지는 원주 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 MR 엘라스토머는,
    상기 매스(Mass)로부터 방사형으로 동일한 이격거리를 가지는 원주 상에 배치되되, 복수개가 동일한 간격으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 MR 엘라스토머는 총 4개로 이루어지되, 각각 90도 간격으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 매스(Mass)는 중공부가 형성된 환형 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 중공축은 내주면에 돌출부가 형성되고,
    상기 진동 감쇠 조립체는 외주면에 함몰부가 형성되며,
    상기 돌출부와 함몰부의 대응결합으로 상기 진동 감쇠 조립체가 중공축에 결합되는 것을 특징으로 하는 MR 엘라스토머를 이용한 중공축의 진동 제어 장치.
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