KR101585486B1

KR101585486B1 - 판스프링 가변밸브의 가변토크구조

Info

Publication number: KR101585486B1
Application number: KR1020150019902A
Authority: KR
Inventors: 양영덕
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-02-10
Filing date: 2015-02-10
Publication date: 2016-01-14

Abstract

본 발명은 배기가스의 유동을 제어하는 가변밸브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일측에 개구부가 형성된 하우징에 회동 가능하게 결합되어 개구부를 개폐시키는 밸브커버 및 상기 하우징의 타측에 결합된 판스프링 지지부와 밸브커버 사이에 장착되어 밸브커버를 탄성적으로 가압하는 판스프링을 포함하되, 상기 판스프링의 하부면은 밸브커버 방향으로 연장되어 가변토크부가 형성되고, 상기 밸브커버에는 가변토크부의 위치에 대응하여 토크돌기가 돌출되는 것을 특징으로 하여, 차량의 아이들시에는 판스프링의 토크값이 커져 배기 부밍 성능이 개선되고, 차량의 주행시에는 판스프링의 토크값이 작아져 동력 성능을 극대화할 수 있는 판스프링 가변밸브의 가변토크구조에 관한 것이다.

Description

판스프링 가변밸브의 가변토크구조{TORQUE VARIABLE STRUCTURE OF LEAF SPRING TYPE VARIABLE VALVE}

본 발명은 배기가스의 유동을 제어하는 가변밸브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 판스프링의 하부면에 형성된 가변토크부와 밸브커버에 형성된 토크돌기를 이용하여 차량의 상태에 따라 판스프링의 토크를 가변시킬 수 있는 판스프링 가변밸브의 가변토크구조에 관한 것이다.

일반적으로 가변밸브는 액체 또는 기체 등 유체의 유량을 제어하기 위한 목적으로 사용되는 것으로서, 유체의 유압에 따라 밸브커버(게이트)가 개방 또는 폐쇄되는 방식으로 작동된다.

이러한 가변밸브가 사용되는 하나의 예로서는, 차량의 배기장치에 설치되는 소음기(muffler)의 내부에 장착되어 배기가스의 유동을 제어하는 원판형 가변밸브가 있다.

차량 엔진 내부에서 연소되는 배기가스는 상당히 고온이고 그 속도도 거의 음속에 달해 그대로 대기중에 방출하면 격렬한 폭음을 내기 때문에, 차량의 배기가스 통로 상에는 배기가스의 온도와 압력을 낮추어 배기소음을 저하시킬 수 있도록 별도의 소음기가 장착된다.

일반적으로 소음기는 소정의 크기를 갖는 통 모양으로 형성되며, 내부에 다수의 파이프 및 배플(baffle)이 장착되어 배기가스의 유동시 배기가스의 팽창, 공명 및 흡음을 유도하여 배기소음이 낮아질 수 있도록 구성된다.

한편, 이러한 소음기는, 배기소음을 줄이기 위해 배기 저항을 높이면 배기 행정에 가해지는 저항 즉, 배압이 높아져 엔진의 출력이 저하되고, 이와 반대로 엔진의 출력 손실을 막기 위해 배기 저항을 줄이면 배기소음이 증대되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 배기소음이 문제가 되는 저속구간에서는 배압을 높여주고, 엔진 출력이 문제가 되는 중·고속구간에서는 배압을 낮추어 줄 수 있도록 내부에 가변밸브가 설치된 소음기가 개발되어 사용되고 있다.

도 1은 종래 일반적으로 사용되는 가변밸브의 모습을 도시한 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 가변밸브는, 소음기(미도시) 내부에 장착된 파이프 또는 소음기의 내부 공간을 구획하도록 벽면을 형성하는 배플에 결합되는 하우징(1) 및 상기 하우징(1)에 형성된 개구부를 개폐할 수 있도록 힌지 결합되는 밸브커버(2)를 포함한다.

상기 밸브커버(2)는 하우징(1)의 일측에 장착된 샤프트(3a)를 회전축으로 회동 가능하게 장착되고, 상기 샤프트(3a)에는 일단이 밸브커버(2)에 접촉되어 밸브커버(2)를 탄성적으로 가압하는 토션스프링(3)이 삽입된다.

상기와 같이 구성된 가변밸브는 배기가스의 압력이 토션스프링(3)의 탄성력을 초과하여 발생하면 밸브커버(2)가 개방되고, 배기가스의 압력이 토션스프링(3)의 탄성력보다 작으면 밸브커버(2)가 폐쇄되도록 작동한다.

즉, 이러한 가변밸브는 저속구간에서 폐쇄 상태가 되어 저주파 소음을 감쇄시키고, 중·고속구간에서 점차 개방되면서 고주파 소음을 감쇄시킴과 동시에 배기가스의 저항을 줄여 엔진의 출력에는 영향을 미치지 않게 설계된다.

그러나 종래 가변밸브는 일정 고온 이상의 사용 환경에서 스프링 특성이 현저히 떨어져 정밀한 유량 제어가 불가능하고, 설계치 이상의 밸브 개방이 발생하면 주변 부품과의 간섭이 발생하는 문제점이 있다.

또한, 종래 가변밸브는 토션스프링(3)의 일단이 단순히 점 접촉되어 밸브커버(2)를 지지하므로 밸브커버(2)의 거동을 강건하게 지지하지 못하고, 이에 따라 밸브 자체의 떨림에 의한 이음(異音)이 발생되는 문제점이 있다.

아울러, 종래 가변밸브는 처음 스프링의 토크값이 설정되면 일정한 기울기를 가지는 하중-변위 곡선을 따라 거동하게 되므로, 차량의 아이들(IDLE)시 배기 부밍 소음이 발생되거나 또는 차량의 주행시 동력 성능이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 차량의 아이들시에는 판스프링의 토크값이 커져 배기 부밍 성능이 개선되고, 차량의 주행시에는 판스프링의 토크값이 작아져 동력 성능을 극대화할 수 있는 판스프링 가변밸브의 가변토크구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 판스프링 전체가 밸브커버를 지지함으로써, 고온 환경에서 스프링 특성 저하에 상대적으로 유리하고 가변밸브 자체의 떨림에 의한 이음이 감소되는 판스프링 타입 가변밸브의 가변토크구조를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 일측에 개구부가 형성된 하우징에 회동 가능하게 결합되어 개구부를 개폐시키는 밸브커버; 및 상기 하우징의 타측에 결합된 판스프링 지지부와 밸브커버 사이에 장착되어 밸브커버를 탄성적으로 가압하는 판스프링; 을 포함하되, 상기 판스프링의 하부면은 밸브커버 방향으로 연장되어 가변토크부가 형성되고, 상기 밸브커버에는 가변토크부의 위치에 대응하여 토크돌기가 돌출되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 판스프링 가변밸브의 가변토크구조에서 상기 가변토크부는, 그 끝단이 하부를 향해 굴곡되어 밸브커버의 개방시 토크돌기와 접촉되도록 형성되는 것이 바람직하다.

아울러, 본 발명의 실시예에 따른 판스프링 가변밸브의 가변토크구조에서 상기 밸브커버의 폐쇄시, 판스프링의 하부면 전체는 밸브커버와 면접촉되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 판스프링 가변밸브의 가변토크구조에서 상기 밸브커버의 개방시, 토크돌기가 가변토크부를 상향 이동시킴에 따라 판스프링의 하부면은 밸브커버로부터 이격되는 것이 바람직하다.

나아가, 본 발명의 실시예에 따른 판스프링 가변밸브의 가변토크구조에서 상기 판스프링의 상부면에는, 상부 굽힘부가 하부방향을 향해 굴곡 형성되어 밸브커버의 과도한 개방을 방지하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명은, 차량의 상태에 따라 판스프링의 토크값이 가변될 수 있도록 구성되어 차량의 NVH(Noise, Vibration & Harshness) 성능 및 동력 성능을 모두 만족시키는 효과가 있다.

구체적으로 차량의 아이들시 판스프링의 하부면 전체는 밸브커버를 강건하게 지지하여 배기 유동을 축소함으로써 배기 부밍 성능을 개선하고, 차량의 주행시 판스프링의 하부면은 밸브커버로부터 이격되어 밸브커버의 거동토크가 감소됨으로써 동력 성능이 극대화된다.

또한, 본 발명은, 판스프링이 넓은 면적에 걸쳐 밸브커버를 지지할 수 있도록 구성함으로써, 가변밸브 자체의 떨림에 의한 이음을 현저하게 감소시키는 효과가 있다.

아울러, 본 발명은, 종래 가변밸브와 같이 토션스프링의 한 가닥에 의존하는 밸브커버 지지 방식이 아닌 판스프링 전체에 의한 밸브커버 지지 방식을 사용함으로써, 일정 고온 이상의 사용 환경에서도 스프링 특성이 현저히 떨어지지 않는 장점이 있다.

나아가, 본 발명은, 판스프링의 상부면에 하부방향을 향해 굴곡 형성된 상부 굽힘부를 구비함으로써, 밸브커버의 과대 개방을 방지하여 주변 부품과의 간섭 현상을 현저히 감소시키는 효과가 있다.

도 1은 종래 일반적으로 사용되는 가변밸브의 모습을 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 판스프링 가변밸브의 가변토크구조의 모습을 도시한 사시도.
도 3a는 차량의 아이들시 본 발명의 일실시예에 따른 판스프링 가변밸브의 가변토크구조의 모습을 도시한 측면도.
도 3b는 차량의 아이들시 본 발명의 일실시예에 따른 판스프링과 밸브커버의 거동을 도시한 단면도.
도 4a는 차량의 주행시 본 발명의 일실시예에 따른 판스프링 가변밸브의 가변토크구조의 모습을 도시한 측면도.
도 4b는 차량의 주행시 본 발명의 일실시예에 따른 판스프링과 밸브커버의 거동을 도시한 부분 단면도.
도 5는 종래 가변밸브의 하중-변위 곡선과 본 발명의 일실시예에 따른 판스프링 가변밸브의 하중-변위 곡선을 도시한 그래프.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 판스프링 가변밸브의 가변토크구조의 모습을 도시한 사시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 판스프링 가변밸브의 가변토크구조는, 일측에 개구부(12)가 형성된 하우징(10)에 회동 가능하게 결합되어 개구부를 개폐시키는 밸브커버(20) 및 상기 하우징(10)의 타측에 결합된 판스프링 지지부(40)와 밸브커버(20) 사이에 장착되어 밸브커버를 탄성적으로 가압하는 판스프링(30)을 포함한다.

상기 하우징(10)의 일측(도시된 실시예에서 좌측)에는 배기가스가 통과될 수 있도록 원형의 개구부(12)가 형성되고, 하우징(10)의 타측(도시된 실시예에서 우측)에는 한 쌍의 힌지 지지부(14)가 서로 마주보도록 형성된다.

상기 힌지 지지부(14)에는 원판형의 밸브커버(20)가 샤프트(16)를 매개로 힌지 결합되어 있으며, 이러한 밸브커버(20)의 회전 운동에 따라 하우징의 개구부(12)는 개방 또는 폐쇄된다.

상기 하우징(10)의 타측에 형성된 힌지 지지부(14)의 상단에는 판 형태로 형성된 판스프링 지지부(40)가 고정 결합되고, 판스프링 지지부(40)와 밸브커버(20)의 사이에는 판스프링(30)이 설치되어 밸브커버를 탄성적으로 가압한다.

상기 판스프링(30)은 밸브커버(20)를 폐쇄시키는 방향으로 밸브커버에 탄성력을 제공하는 역할을 하며, 이에 따라 밸브커버(20)는 배기가스의 압력이 판스프링의 탄성력보다 낮으면 폐쇄 상태를 유지하고, 배기가스의 압력이 판스프링의 탄성력보다 높으면 개방된다.

이때, 상기 판스프링(30)의 상부면(32)은 판스프링 지지부(40)와 면 접촉되고, 판스프링(30)의 하부면(34)은 밸브커버(20)와 면 접촉되며, 이에 따라 밸브커버(20)는 종래 토션스프링(도 1의 3)에 의해 지지되는 것보다 강건하게 지지되어 밸브커버 자체의 떨림에 의한 이음이 감소되는 효과가 발생한다.

또한, 상기 판스프링 지지부(40)의 중앙에는 판스프링(30)의 폭과 동일한 폭으로 안착부(42)가 함몰 형성되며, 판스프링의 상부면(32)은 안착부(42)에 삽입되어 좌면(座面) 구속된다.

이와 같이, 상기 판스프링(30)을 좌면 구속을 통해 조립함으로써, 별도의 볼팅 또는 용접 결합은 필요가 없어지며 판스프링의 열충격 및 내구성 감소가 방지되는 효과가 있다.

도시된 실시예에서와 같이, 상기 판스프링의 상부면(32)에는 상부 굽힘부(32a)가 하부방향을 향해 굴곡 형성되어 밸브커버(20)의 과도한 개방을 방지할 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다.

구체적으로, 상기 상부 굽힘부(32a)는, 판스프링의 상부면(32) 끝단에서 하측으로 약 90° 정도 굴곡된 후, 다시 안쪽으로 약 90° 정도 말려 들어간 형태로 형성된다(도 3b 참조).

즉, 상기 판스프링(30)은 전체적으로 골뱅이(@) 형태와 유사하게 형성되고, 밸브커버(20)의 개방시 상부 굽힘부(32a)의 하단이 판스프링의 하부면(34)과 접촉 지지됨으로써, 밸브커버의 과다 개방이 방지되는 것이다.

이때, 상기 상부 굽힘부(32a)의 하단과 판스프링 하부면(34) 사이의 이격 거리는, 가변밸브와 주변 부품 사이의 배치관계, 판스프링의 스프링 특성, 밸브커버 개방시 배기가스의 유동량 등을 고려하여 다양하게 형성될 수 있으나, 대략 상부 굽힘부(32a) 높이의 절반(1/2) 정도 거리로 형성되는 것이 바람직하다.

이는, 상기 상부 굽힘부(32a)의 하단과 판스프링 하부면(34) 사이의 이격 거리가 상부 굽힘부 높이의 절반보다 더 멀면 밸브커버의 과다개방 제한 효과가 미비해지고, 상부 굽힘부(32a)의 하단과 판스프링 하부면(34) 사이의 이격 거리가 상부 굽힘부 높이의 절반보다 더 가까우면 밸브커버의 개방을 지나치게 제한하여 배기가스의 저항(배압)이 너무 높아지게 되기 때문이다.

나아가, 상기 판스프링의 하부면(34)에는 밸브커버(20) 방향으로 연장된 가변토크부(34a)가 형성되고, 상기 밸브커버(20)에는 가변토크부의 위치에 대응하여 토크돌기(22)가 돌출 형성되는데, 이에 대한 자세한 설명은 아래에서 하기로 한다.

도 3a는 차량의 아이들시 본 발명의 일실시예에 따른 판스프링 가변밸브의 가변토크구조의 모습을 도시한 측면도이고, 도 3b는 차량의 아이들시 본 발명의 일실시예에 따른 판스프링과 밸브커버의 거동을 도시한 단면도이며, 도 4a는 차량의 주행시 본 발명의 일실시예에 따른 판스프링 가변밸브의 가변토크구조의 모습을 도시한 측면도이며, 도 4b는 차량의 주행시 본 발명의 일실시예에 따른 판스프링과 밸브커버의 거동을 도시한 부분 단면도이고, 도 5는 종래 가변밸브의 하중-변위 곡선과 본 발명의 일실시예에 따른 판스프링 가변밸브의 하중-변위 곡선을 도시한 그래프이다.

도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 차량의 아이들시 판스프링(30)의 탄성력은 배기가스의 압력에 의한 하중보다 상대적으로 더 크며, 이에 따라 상기 밸브커버(20)는 개구부(12)를 폐쇄한다.

이때, 상기 가변토크부(34a)와 토크돌기(22)는 접촉되어 있지 않고, 판스프링의 하부면(34) 전체가 밸브커버(20)의 상부면과 면 접촉되어 밸브커버를 강건하게 지지하고 있으므로, 밸브커버(20)를 움직이기 위한 토크값은 커지게 된다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 차량의 아이들시 본 발명에 따른 밸브커버(20)와 종래 밸브커버(도 1의 2)에 동일한 하중이 가해진다면, 본 발명에 따른 밸브커버(20)가 종래 밸브커버보다 더 조금만 움직이게 된다.

따라서, 가변밸브를 통과하는 배기가스의 유동량은 종래에 비해 줄어들게 되고, 이에 따라 차량의 배기 부밍 성능이 종래에 비해 현저히 개선되는 효과가 있다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 차량의 주행시 배기가스의 압력에 의한 하중은 판스프링(30)의 탄성력보다 커지고, 이에 따라 상기 밸브커버(20)는 판스프링의 탄성력을 이겨내고 개구부(12)를 개방한다.

이때, 그 끝단이 하부를 향해 굴곡된 형태로 형성되는 가변토크부(34a)는 토크돌기(22)와 접촉되어 상부로 들어 올려지며, 판스프링의 하부면(34)은 밸브커버(20)로부터 이격(도 4b에서 'G'로 표시)되어 판스프링 하부면(34)의 전단 부분(도 4b에서 'A'로 표시)과 판스프링 하부면(34)의 후단 부분(도 4b에서 'B'로 표시)만 밸브커버를 지지하므로, 밸브커버(20)를 움직이기 위한 토크값은 작아지게 된다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 차량의 주행시 본 발명에 따른 밸브커버(20)와 종래 밸브커버(도 1의 2)에 동일한 하중이 가해진다면, 본 발명에 따른 밸브커버(20)가 종래 밸브커버보다 더 많이 움직이게 된다.

따라서, 가변밸브를 통과하는 배기가스의 유동량은 종래에 비해 많아지게 되고, 소음기 내부의 배압이 낮아져 차량의 동력 성능은 종래에 비해 현저히 개선되는 효과가 있다.

결과적으로, 본 발명은 가변토크부(34a)와 토크돌기(22)를 이용하여 차량의 아이들시와 차량의 주행시 밸브커버를 움직이기 위한 토크값이 가변되도록 구성됨으로써, 배기 부밍 소음 감소와 동력 성능 증대를 동시에 달성할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

10 : 하우징
12 : 개구부
14 : 힌지 지지부
16 : 샤프트
20 : 밸브커버
22 : 토크돌기
30 : 판스프링
32 : 판스프링의 상부면
32a : 상부 굽힘부
34 : 판스프링의 하부면
34a : 가변토크부
40 : 판스프링 지지부
42 : 안착부

Claims

일측에 개구부가 형성된 하우징에 회동 가능하게 결합되어 개구부를 개폐시키는 밸브커버; 및
상기 하우징의 타측에 결합된 판스프링 지지부와 밸브커버 사이에 장착되어 밸브커버를 탄성적으로 가압하는 판스프링; 을 포함하되,
상기 판스프링의 하부면은 밸브커버 방향으로 연장되어 가변토크부가 형성되고,
상기 밸브커버에는 가변토크부의 위치에 대응하여 토크돌기가 돌출되는 것을 특징으로 하는 판스프링 가변밸브의 가변토크구조.
제 1 항에 있어서,
상기 가변토크부는, 그 끝단이 하부를 향해 굴곡되어 밸브커버의 개방시 토크돌기와 접촉되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 판스프링 가변밸브의 가변토크구조.
제 1 항에 있어서,
상기 밸브커버의 폐쇄시, 판스프링의 하부면 전체는 밸브커버와 면접촉되는 것을 특징으로 하는 판스프링 가변밸브의 가변토크구조.
제 1 항에 있어서,
상기 밸브커버의 개방시, 토크돌기가 가변토크부를 상향 이동시킴에 따라 판스프링의 하부면은 밸브커버로부터 이격되는 것을 특징으로 하는 판스프링 가변밸브의 가변토크구조.
제 1 항에 있어서,
상기 판스프링의 상부면에는, 상부 굽힘부가 하부방향을 향해 굴곡 형성되어 밸브커버의 과도한 개방을 방지하는 것을 특징으로 하는 판스프링 가변밸브의 가변토크구조.