KR101219338B1 - 크랭크 트레인용 온／오프식 ｔ／ｖ 댐퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 크랭크 트레인의 온/오프식 T/V 댐퍼에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 크랭크 트레인의 선단부 진동을 최소화시키면서 설계 가이드라인을 만족시킬 수 있도록 한 새로운 구조의 크랭크 트레인용 온/오프식 T/V 댐퍼에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 크랭크샤프트 및, 이 크랭크샤프트에 체결된 타이밍 체인 스프로킷과, 이 타이밍 체인 스프로킷에 인접되며 크랭크샤프트에 장착되는 허브와, 이 허브의 외주면에 장착되며 러버와 링으로 이루어진 T/V댐퍼를 포함하는 차량용 크랭크 트레인의 온/오프식 T/V 댐퍼에 있어서, 상기 허브의 축 외경 및 스프로킷의 외경면에 걸쳐 장착되는 베어링과; 상기 링의 내주면에 선단부가 축방향을 따라 왕복 운동 가능하게 장착되고, 하단부는 상기 허브의 내주면에 밀착 가능하게 형성된 보조링과; 상기 허브의 내주면 및 이와 마주보는 위치인 보조링의 하단부 일표면에 부착되는 마찰재와; 상기 보조링의 하단부 타표면을 유압의 힘으로 가압할 수 있도록 한 유압제공부와; 상기 유압제공부를 제어하는 유압제어회로부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 크랭크 트레인의 온/오프식 T/V 댐퍼를 제공한다.

크랭크 트레인, T/V댐퍼, 비틀림 진동, 설계 가이드 라인

Description

크랭크 트레인용 온／오프식 Ｔ／Ｖ 댐퍼{T/V Damper for Crank train of vehicle}

도 1은 종래의 크랭크 트레인 구조를 설명하는 개략도,

도 2는 종래의 T/V 댐퍼의 고유진동수(ω)를 조정하는 방법으로서, T/V 댐퍼가 없는 "w/o Damper" 조건에서의 크랭크 트레인 비틀림진동을 평가한 결과를 나타내는 그래프,

도 3은 "w/o Damper" 조건에서의 평가 결과에서 발생한 피크(Peak)로부터 얻은 크랭크 트레인의 비틀림 고유진동수를 기준으로 T/V 댐퍼의 고유진동수를 튜닝(Tuning)하는 것을 설명하는 그래프,

도 4는 종래의 크랭크 트레인 비틀림 진동 제어인자별 민감도 분석(DFSS)한 결과의 그래프,

도 5는 본 발명에 따른 크랭크 트레인 구성을 설명하는 개략도,

도 6은 본 발명에 따른 크랭크 트레인을 적용한 경우, 크랭크 트레인의 비틀림 진동 과다 영역을 제거할 수 있음을 설명하는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 크랭크샤프트 12 : 타이밍 체인 스프로킷

14 : 허브 16 : T/V 댐퍼

18 : 러버 20 : 링

22 : 보조링 24 : 베어링

26 : 피스톤 28 : 유압실린더

30 : 홈 32,34 : 마찰재

36 : 유압펌프 38 : 스러스트 베어링

40 : 크랭크 포지션 센서 42 : ECU

본 발명은 차량용 크랭크 트레인의 온/오프식 T/V 댐퍼에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 크랭크 트레인의 선단부 진동을 최소화시키면서 설계 가이드라인을 만족시킬 수 있도록 한 새로운 구조의 크랭크 트레인용 온/오프식 T/V 댐퍼에 관한 것이다.

엔진에서 크랭크 트레인은 엔진하부에 장착되어 연소실내의 연소폭발에 의한 왕복운동을 회전운동으로 전환하는 역할을 하는 부품으로서, 엔진의 선단부 방향으로는 타이밍계와 벨트 시스템에 동력을 전달하여 밸브를 개폐시키고, 동시에 벨트를 통하여 엔진의 여러 기능부품(워터펌프, 알터네이터, 에어컨, PS펌프 등)을 작동시키는 역할을 하게 된다.

또한, 상기 크랭크 트레인은 엔진 후방향으로는 드라이브 플레이트/토크 컨버터(자동변속기 경우) 혹은 플라이휠/클러치(수동변속기 경우)를 통하여 변속기에 차량의 구동 토크를 전달하는 역할을 한다.

즉, 엔진 구성품 중 크랭크 트레인은 가장 중요한 구성품 중의 하나이며, 그 개발 과정에서 크랭크 트레인의 성능인자로서 반드시 고려해야하는 것이 비틀림 진동량이며, 따라서 크랭크 트레인의 선단부 비틀림 진동량에 대한 설계 가이드 라인(<0.1deg)을 정하여 개발하고 있다.

여기서, 종래의 크랭크 트레인 구조 및 크랭크 트레인의 일구성인 T/V 댐퍼의 고유진동수 튜닝 과정을 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 크랭크 트레인은 크랭크샤프트(10) 및, 이 크랭크샤프트(10)에 체결된 타이밍 체인 스프로킷(12)과, 이 타이밍 체인 스프로킷(12)에 인접되며 크랭크샤프트(10)에 장착되는 허브(14)와, 이 허브(14)의 외주면에 장착되는 T/V(Torsional Vibration) 댐퍼(16)를 포함하여 구성되어 있다.

상기 타이밍 체인 스프로킷은 체인을 통한 밸브 시스템 구동을 위한 부품이고, 상기 허브는 벨트를 통해 엔진 악세서리 부품의 구동을 위한 부품이며, 상기 T/V 댐퍼는 러버와 링으로 구성되어 크랭크 트레인의 선단부에 대한 비틀림 진동을 저감시키는 부품이다.

상기 T/V 댐퍼의 고유진동수(ω)를 조정(Tuning)하는 방법은 다음과 같이 진행된다.

먼저, T/V 댐퍼가 없는 "w/o Damper" 조건에서의 크랭크 트레인 비틀림진동 을 평가하는데, 대부분 첨부한 도 2의 그래프에서 보는 바와 같이, 설계 가이드 라인(<0.1deg)에 불만족하게 된다.

다음으로, "w/o Damper" 조건에서의 평가 결과에서 발생한 피크(Peak)로부터 크랭크 트레인의 비틀림 고유진동수를 알게 되는데, 이 값을 기준으로 T/V 댐퍼의 고유진동수를 시험으로 튜닝(Tuning)하여, 크랭크 트레인 선단부 비틀림진동을 최소화하는 값으로 최적화시키게 된다.

그러나, 첨부한 도 3의 그래프에 나타낸 바와 같이, T/V 댐퍼의 고유진동수를 시험을 여러차례 걸쳐 튜닝(Tuning)하게 되는 바, T/V댐퍼의 고유진동수를 작게하면 4차 오더(order) 성분의 1번째 피크값은 감소하나 6차 오더 성분의 2번째 피크값이 증가하고, 반대로 T/V댐퍼의 고유진동수를 작게하면 6차 오더(order) 성분의 2번째 피크값은 감소하나 4차 오더 성분의 1번째 피크값이 증가하는 모순된 결과가 발생된다.

결국, 309Hz의 T/V 댐퍼를 선택 적용하여, 크랭크 트레인의 선단부 진동을 최소화하였으나, 설계 가이드라인을 만족시키지 못하는 단점이 있었다.

이에, 본 발명자는 위와 같은 단점에 대한 근본적인 원인 분석을 위하여, 크랭크 트레인 비틀림 진동 제어인자별 민감도 분석(DFSS)을 하였는 바, 그 결과는 다음과 같다.

1) 아래의 표 1에 기재된 바와 같이 메인 베어링 저널(Main Bearing jounal) 폭, 핀 직경(Pin Dia), 저널 직경 등의 크랭크샤프트 설계인자와, T/V 댐퍼 고유진동수 및 링 인너시어(Ring Inertia) 등의 T/V 댐퍼와 관련된 설계인자로 전체 제어 인자를 구성하였다.

2) 4차 오더 1번째 피크 및 6차 오더 2번째 피크를 분석한 결과는 보여주는 첨부한 도 4의 그래프에 나타낸 바와 같이, 크랭크샤프트와 관련한 설계인자는 4차 오더(Oder) 1번째 피크(Peak) 값에 영향도 있으나, 6차 오더(Order) 2번째 피크(Peak)값에는 거의 영향도가 없다.

즉, 4차 오더 1번째 피크값은 크랭크 트레인 전체 비틀림강성에 기인한 고유진동 모드이며, 6차 오더 2번째 피크값은 T/V 댐퍼 자체의 고유진동 모드임을 알 수 있었다.

결과적으로, 4차 오더 1번째 및 6차 오더 2번째 피크값 두 가지를 동시에 만족하기 위해서는 기본적으로 크랭크 트레인 강성을 증대하여 T/V 댐퍼 자체의 비틀림 모드인 6차 오더 2번째 피크값을 엔진운전영역(Rated RPM) 밖으로 회피시켜야 함을 알 수 있었다.

그러나, 크랭크 샤프트의 근본적인 비틀림 강성을 증대시키기 위해서는 위와 같은 분석 결과에서와 같이 저널 및 핀의 직경을 증가시켜야 하나, 이는 엔진의 기본 설계제원을 변경시키는 결과를 초래하므로, 결국 종래의 기술로는 위와 같은 문제점을 해결할 수 없다.

이와 같이, 크랭크 트레인의 비틀림진동이 일정 기준(설계 가이드 라인, <0.1deg)을 만족하지 못할 경우에 다음과 같은 문제점이 발생될 수 있다.

1) 타이밍 체인과 벨트의 비정상 거동을 유발하여, 체인/벨트 내구 및 엔진 전방부의 소음문제를 야기시킨다.

2) 크랭크샤프트 자체의 비틀림 응력(Torsional Stress) 증가에 의한 피로내구 문제가 발생한다.

3) 베어링을 통해 크랭크 트레인이 장착되는 블럭하부에 가진력을 발생시켜 엔진 하부의 럼블(Rumble)성 소음을 발생시킨다.

4) 엔진 후방으로는 드라이브 플레이트 등의 내구성 문제를 발생시킨다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 크랭크 트레인의 선단부 진동을 최소화시키면서 T/V 댐퍼의 설계 가이드라인을 만족시킬 수 있도록 한 새로운 구조의 크랭크 트레인용 온/오프식 T/V 댐퍼를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 크랭크샤프트 및, 이 크랭크샤프트 에 체결된 타이밍 체인 스프로킷과, 이 타이밍 체인 스프로킷에 인접되며 크랭크샤프트에 장착되는 허브와, 이 허브의 외주면에 장착되며 러버와 링으로 이루어진 T/V댐퍼를 포함하는 차량용 크랭크 트레인의 온/오프식 T/V 댐퍼에 있어서, 상기 허브의 축 외경 및 스프로킷의 외경면에 걸쳐 장착되는 베어링과; 상기 링의 내주면에 선단부가 축방향을 따라 왕복 운동 가능하게 장착되고, 하단부는 상기 허브의 내주면에 밀착 가능하게 형성된 보조링과; 상기 허브의 내주면 및 이와 마주보는 위치인 보조링의 하단부 일표면에 부착되는 마찰재와; 상기 보조링의 하단부 타표면을 유압의 힘으로 가압할 수 있도록 한 유압제공부와; 상기 유압제공부를 제어하는 유압제어회로부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 크랭크 트레인의 온/오프식 T/V 댐퍼를 제공한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 유압제공부는: 유압펌프와; 유압펌프의 구동으로 제공되는 유압으로 작동하는 피스톤을 갖는 유압실린더와; 상기 피스톤의 끝단 표면에 부착되어 상기 보조링의 하단부 타표면에 밀착될 때 롤링되는 트러스트 베어링으로 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 유압제어회로부는 크랭크 포지션 센서와, 이 크랭크 포지션 센서의 신호를 전송받아 상기 유압펌프에 온/오프 신호를 전송하는 ECU로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 5는 본 발명에 따른 크랭크 트레인 구성을 설명하는 개략도이고, 도 6은 본 발명에 따른 크랭크 트레인을 적용한 경우, 크랭크 트레인의 비틀림 진동 과다 영역을 제거할 수 있음을 설명하는 그래프이다.

전술한 바와 같이, 크랭크 트레인은 크랭크샤프트(10) 및, 이 크랭크샤프트(10)에 체결된 타이밍 체인 스프로킷(12)과, 이 타이밍 체인 스프로킷(12)에 인접되며 크랭크샤프트(10)에 장착되는 허브(14)와, 이 허브(14)의 외주면에 장착되는 러버(18)와 링(20)으로 이루어진 T/V댐퍼(16)를 포함하여 구성되어 있다.

여기서, 상기 허브(14)의 축 외경 및 스프로킷(12)의 외경면에 걸쳐 베어링(24)이 장착되는 바, 상기 베어링(24)의 외경면에는 후술하는 바와 같이, 피스톤(26)을 갖는 유압실린더(28)와 보조 링(22)의 하단끝이 밀착되어 슬라이딩된다.

또한, 상기 링(20)의 내주면에 축방향을 따라 왕복 운동하게 되는 보조링(22)이 장착되는데, 이 보조링(22)의 선단부는 링(20)의 내주면에 형성된 홈(30)을 따라 왕복 운동 가능하게 삽입되고, 보조링(22)의 하단부는 상기 허브(14)의 내주면에 밀착 가능하게 위치된다.

이때, 상기 링(20)의 내주면에 형성된 홈(30)에 상기 보조링(22)의 선단부는 요철 결합을 하여, 축방향으로는 왕복 직선 운동이 가능하고, 회전방향으로 링(20)과 함께 회전을 하게 된다.

또한, 상기 허브(14)의 내주면 및 이와 마주보는 위치인 보조링(22)의 하단부 일표면에는 마찰재(32,34)가 부착되는 바, 허브(14)에 보조링(22)이 밀착될 때 상대적인 회전운동을 구속시키는 역할을 하게 된다.

상기 보조링(22)의 하단부 타표면에는 유압의 힘 보조링을 가압할 수 있도록 한 유압제공부가 이격 배치된다.

상기 유압제공부는 상기 보조링(22)의 하단부 타표면과 이격 배치되는 피스톤(26)을 갖는 유압실린더(28)와, 이 유압실린더(28)에 유압을 제공하는 유압펌프(36)와, 상기 피스톤(26)의 끝단 표면에 부착되어 상기 보조링(22)의 하단부 타표면에 밀착될 때 롤링되는 트러스트 베어링(38)으로 구성된다.

한편, 상기 유압제공부에는 유압제어회로부가 연결되는데, 이 유압제어회로부는 크랭크 포지션 센서(40)와, 이 크랭크 포지션 센서(40)의 신호를 전송받아 상기 유압펌프(28)에 온/오프 신호를 전송하는 ECU(42)로 구성된다.

여기서, 상기와 같은 구성으로 이루어진 크랭크 트레인의 온/오프식 T/V 댐퍼에 대한 작동 상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 링(20)과 보조링(22)에 의한 관성력(Inertia)과 링의 내경면에 배치된 러버의 특성에 의한 T/V 댐퍼 고유진동수를 4차 오더(Order)의 1번째 피크(Peak)를 최소화시키는 주파수로 조정(Tuning)한다.

이어서, 4차 오더의 1번째 피크를 최소화시키는 T/V 댐퍼 고유진동수 조정에 의해 6차 오더의 2번째 피크가 설계 가이드 라인 이상으로 증가한 엔진운전영역(5000~6000RPM)이 발생한다.

이때, 엔진 운전 중, 크랭크 포지션 센서(40)로부터 크랭크 트레인 회전속도(RPM)를 측정하여 ECU(42)로 전달한다.

상기 크랭크 트레인의 회전속도가 일정구간(5000RPM 이상) 일때, 상기 ECU(42)의 작동 신호에 상기 유압펌프(36)는 작동(ON)하게 된다.

따라서, 상기 유압실린더(28)에 유압이 제공되는 동시에 피스톤(26)이 전진 운동을 하면서, 피스톤(26) 끝단의 트러스트 베어링(38)이 보조링(22)의 하단부 표면에 맞닿게 되며, 결국 보조링(22)은 축방향으로 밀리게 되는 동시에 허브(14)의 마찰재(32)와 보조링(22)의 마찰재(34)가 서로 밀착되는 상태가 된다.

이와 동시에, 상기 보조링(22)의 선단부는 링(20)의 홈(30)을 따라 축방향으로 삽입 이동되는 상태가 된다.

이에, 상기 보조링(22)의 마찰재(34) 및 허브(14)의 마찰재(32)간의 마찰력으로 인하여, 허브(14)의 상대 회전운동이 구속된다.

이때, T/V 댐퍼는 w/o(without T/V 댐퍼 조건 즉, T/V 댐퍼 미작동 조건이다.

반면에, 크랭크트레인이 4000RPM 이하로 회전할 때, 크랭크 포지션 센서(40)가 이를 감지하여, ECU(42)로 전송하면, ECU(42)로부터 유압펌프(36)에 오프(OFF) 신호가 전송되어, 유압펌프(36)가 정지된다.

따라서, 상기 보조링(22)이 허브(14)로부터 이격되면서 허브에 대한 상대 회전운동 구속이 해제된다.

이에 따라, 첨부한 도 6에 도시된 바와 같이, 크랭크 트레인 비틀림 진동 과다 영역을 제거하여, 설정된 목표값(<0.1deg)을 달성할 수 있게 되고, 결국 크랭크 트레인의 선단부 진동을 최소화시키면서 T/V 댐퍼의 설계 가이드라인을 만족시킬 수 있게 된다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 크랭크 트레인의 온/오프식 T/V 댐퍼에 의하면, 크랭크 트레인의 회전속도가 일정구간(5000RPM 이상) 일때, T/V 댐퍼 미작동되게 하고, 크랭크트레인이 4000RPM 이하로 회전할 때 T/V 댐퍼를 작동되게 함으로써, 크랭크 트레인의 선단부 진동을 최소화시키면서 T/V 댐퍼의 설계 가이드라인을 만족시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 크랭크샤프트(10) 및 상기 크랭크샤프트(10)에 체결된 타이밍 체인 스프로킷(12)과, 상기 타이밍 체인 스프로킷(12)에 인접되며 크랭크샤프트(10)에 장착되는 허브(14)와, 상기 허브(14)의 외주면에 장착되며 러버(18)와 링(20)으로 이루어진 T/V댐퍼(16)를 포함하는 차량용 크랭크 트레인의 온/오프식 T/V 댐퍼에 있어서,

   상기 허브(14)의 축 외경 및 스프로킷의 외경면에 걸쳐 장착되는 베어링(24)과;

   상기 링(20)의 내주면에 선단부가 축방향을 따라 왕복 운동 가능하게 장착되고, 하단부는 상기 허브(14)의 내주면에 밀착 가능하게 형성된 보조링(22)과;

   상기 허브(14)의 내주면 및 상기 허브 내주면과 마주보는 위치인 보조링(22)의 하단부 일표면에 부착되는 마찰재(32,34)와;

   상기 보조링(22)의 하단부 타표면을 유압의 힘으로 가압할 수 있도록 한 유압제공부와;

   크랭크 포지션 센서(40)와, 상기 크랭크 포지션 센서(40)의 신호를 전송받아 유압펌프(36)에 온/오프 신호를 전송하는 ECU(42)로 구성되어, 상기 유압제공부를 제어하는 유압제어회로부;

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 크랭크 트레인의 온/오프식 T/V 댐퍼.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 유압제공부는:

   유압펌프(36)와;

   상기 유압펌프(36)의 구동으로 제공되는 유압으로 작동하는 피스톤(26)을 갖는 유압실린더(28)와;

   상기 피스톤(26)의 끝단 표면에 부착되어 상기 보조링(22)의 하단부 타표면에 밀착될 때 롤링되는 트러스트 베어링(38)으로 구성된 것을 특징으로 하는 크랭크 트레인의 온/오프식 T/V 댐퍼.
3. 삭제

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