KR102581054B1

KR102581054B1 - 차량용 발전기

Info

Publication number: KR102581054B1
Application number: KR1020210059192A
Authority: KR
Inventors: 강경호
Original assignee: 현대로템 주식회사
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2023-09-20
Also published as: KR20220151897A

Abstract

본 발명은 차량용 발전기에 관한 것으로서, 특히 비틀림 댐퍼를 구비하여 공진 주파수 이상의 운전속도에서 비틀림 공진으로 인한 축 또는 커플러의 파손을 예방하고 스플라인 연결 구조에 의한 백래쉬와 치타음의 발생을 방지하는 차량용 발전기에 관한 것이다. 구성은 중앙에 발전기의 축과 결합을 위한 결합부가 형성되고, 가장자리 부분에는 엔진과의 조립을 위한 복수 개의 체결구멍이 형성되며 상기 결합부의 외주 방향으로는 엔진의 비틀림 토크가 과다하게 발생하여 토크전달이 이루어질 경우, 토크의 변화를 억제하도록 작동되는 2단의 비틀림 강성을 갖는 제1 단 스프링과 제2 단 스프링으로 이루어지는 스프링과, 상기 스프링이 형성되는 1차측 회전부와 2차측 회전부로 구성되며, 상기 1차측 회전부는 엔진의 관성과 발전기 회전축의 관성 차이값을 최소화하기 위해 관성이 2차측 회전부의 관성에 비해 큰 비틀림댐퍼를 포함하여 차량의 엔진 및 변속기 사이에 직접 연결되는 차량용 발전기에 있어서, 상기 비틀림 댐퍼의 스프링은 엔진의 토크전달이 비틀림 댐퍼의 비틀림 각도 4°미만에서 제1 단 스프링만 토크 변화를 억제하도록 작동되는 것을 특징으로 한다.

Description

차량용 발전기{Vehicle Generator}

본 발명은 차량용 발전기에 관한 것으로서, 특히 비틀림 댐퍼를 구비하여 공진 주파수 이상의 운전속도에서 비틀림 공진으로 인한 축 또는 커플러의 파손을 예방하고 스플라인 연결 구조에 의한 백래쉬와 엔진 토크 맥동에 의해 발생되는 치타음을 방지하는 차량용 발전기에 관한 것이다.

일반적으로 차량에 설치되는 엔진은 연료의 종류에 따라 디젤, 가솔린, LPG 엔진으로 구분되며, 실린더 내에서 연료와 공기의 혼합기체를 점화, 폭발시켜 피스톤의 왕복운동으로 크랭크축과, 이 크랭크축의 단부에 크랭크휠을 회전시킴으로써, 열에너지를 기계적 에너지로 바꿔 차량에 동력을 공급하는 내연기관이다.

또, 변속기는 엔진의 크랭크휠에 연결되어 엔진에서 발생하는 동력을 속도에 따라 필요한 회전력으로 바꾸어 전달하는 장치로써, 현재에는 차량의 주행속도와 부하(負荷)에 맞추어 자동으로 최적의 토크 변환을 얻을 수 있도록 마찰클러치를 없애고, 유체를 이용하여 엔진의 동력을 전달하는 토크컨버터를 장착한 자동변속기가 많이 사용되고 있다.

따라서, 종래의 차량은 전기모터에 전기를 공급하는 축전지를 충전하기 위해 발전기가 필요함에 따라, 도 1에 도시된 바와 같이, 차량용 발전기(100)가 차량의 엔진(10) 및 변속기(20) 사이에 직접 연결되어 상시 발전으로 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하여 축전지에 전기를 충전하게 하였다.

그러나, 종래의 차량용 발전기는 엔진에서 발생된 토크 변동이 발전기와 커플링의 축계에 직접 전달되는 구조 즉, 엔진의 토크 맥동을 흡수할 수 있는 구조가 없기 때문에 발전기 회전자의 관성이 엔진 내부 축계의 관성보다 클 경우 엔진 운전 영역 내에서 비틀림 공진이 발생되어 축계에 과다한 변위를 발생시켜 축 또는 커플러의 파손을 야기할 수 있는 문제점이 있었다.

또, 발전기와 커플러의 조립 구조 상 스플라인 연결구조를 채택하게 되는데 스플라인 구조는 백래쉬를 가지게 되므로 백래쉬에 의한 치타음이 발생하므로 지속적인 소음과 마모로 내구성이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 스플라인 연결부에서 발생된 마모는 기어면에서 금속분진을 발생시키기 때문에 영구자석형 발전기 회전자에 배치된 자석에 흡착되어 발전기 성능을 저하시키는 원인이 되는 문제점이 있었다.

공개특허 제10-2015-0112064호 등록번호 제10-1316601호

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 엔진 운전 영역 내에서 비틀림 공진 발생으로 인한 축 또는 커플러의 파손을 예방하는 차량용 발전기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중앙에 발전기의 축과 결합을 위한 결합부가 형성되고, 가장자리 부분에는 엔진과의 조립을 위한 복수 개의 체결구멍이 형성되며 상기 결합부의 외주 방향으로는 엔진의 비틀림 토크가 과다하게 발생하여 토크전달이 이루어질 경우, 토크의 변화를 억제하도록 작동되는 2단의 비틀림 강성을 갖는 제1 단 스프링과 제2 단 스프링으로 이루어지는 스프링과, 상기 스프링이 형성되는 1차측 회전부와 2차측 회전부로 구성되며, 상기 1차측 회전부는 엔진의 관성과 발전기 회전축의 관성 차이값을 최소화하기 위해 관성이 2차측 회전부의 관성에 비해 큰 비틀림댐퍼를 포함하여 차량의 엔진 및 변속기 사이에 직접 연결되는 차량용 발전기에 있어서, 상기 비틀림 댐퍼의 스프링은 엔진의 토크전달이 비틀림 댐퍼의 비틀림 각도 4°미만에서 제1 단 스프링만 토크 변화를 억제하도록 작동되는 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명은 차량용 발전기에 있어서, 상기 비틀림 댐퍼의 스프링은 엔진의 비틀림 토크전달이 비틀림 댐퍼의 비틀림 각도 4°이상에서는 제1 단 스프링과 제2 단 스프링이 모두 비틀림 압축 강성을 발휘하여 토크 변화 및 이에 따른 댐퍼의 하중변화를 억제하도록 작동되는 것을 특징으로 한다.

삭제

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 차량용 발전기는 링기어 조립체에 조립이 가능한 비틀림 댐퍼와 변속기와 체결이 가능한 커플러를 구비함으로써, 엔진 운전 영역 내에서 비틀림 공진 발생을 방지하여 축 또는 커플러의 파손을 예방하는 효과가 있다.

또, 본 발명은 공진주파수 이상의 운전속도에서 공진특성으로 인해 비틀림 각도가 공진점 이후로 감쇠되어 입력되는 토크 맥동보다 출력 토크 맥동이 줄어드는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 사용 운전 조건 내에 공진이 발생하여도 토크 맥동과 백래쉬로 인한 치타음의 발생을 방지하여 소음과 마모로 인한 내구성 저하를 예방하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 차량의 엔진 및 변속기 사이에 결합된 차량용 발전기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량용 발전기를 엔진과 변속기사이에 조립 상태를 개략적으로 분리하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 비틀림 댐퍼의 구조를 확대한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 비틀림 댐퍼의 스프링에 의한 2단 강성을 구현할 수 있는 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 비틀림 댐퍼의 스프링에 의한 2단 강성 특성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 비틀림 댐퍼가 발전기의 회전축에 결합될 수 있는 상태를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 도 2의 조립 상태를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 요부 단면도이다.
도 9는 도 8의 요부 확대도이다.
도 10은 본 발명에 따른 차량용 발전기의 엔진 부하곡선에서의 댐퍼 운전가능 속도영역을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 차량용 발전기의 비틀림 댐퍼에 대한 공진특성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 1자유도의 감쇠 강제진동을 해석할 경우 그래프이다.
도 13은 본 발명에 따른 차량용 발전기의 비틀림 댐퍼의 히스테리시스 토크 발생 특성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 실린더 수에 따라 엔진의 토크 맥동 파형이 달리 형성되는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 차량용 발전기의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야함을 명시한다.

도 2 내지 도 14에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 차량용 발전기(200)는 중앙에 발전기(200)의 회전축(200a)과 결합을 위한 결합부(211)가 형성되고, 가장자리 부분에는 엔진(300)과의 조립을 위한 복수 개의 체결구멍(212)이 형성되며, 상기 결합부(211)의 외측으로는 엔진(300)의 비틀림 토크가 과다하게 발생하여 토크전달이 이루어질 경우 토크의 변화를 억제하도록 작동되는 스프링(213)이 형성된 비틀림 댐퍼(210)를 포함하여 이루어진다.

여기서, 상기 발전기(200)의 회전축(200a)은 외면에 여러 줄의 키(key)를 절삭한 스플라인(spline) 구조로 형성된다.

그리고, 상기 비틀림 댐퍼(210)의 결합부(211)는 상기 발전기(200)의 회전축(200a)과 결합하기 위한 스플라인 보스(spline boss) 구조로 형성된다.

또, 상기 비틀림 댐퍼(210)는 엔진(300)의 관성과 발전기(200)의 회전축(200a)의 관성 차이값을 최소화 하기 위해 1차측 회전부(214)와 2차측 회전부(215)로 구성된다.

그리고, 상기 비틀림 댐퍼(210)는 엔진(300)의 관성과 발전기(200)의 회전축(200a)의 관성 차이값을 최소화 하기 위해 1차측 회전부(214)의 관성이 2차측 회전부(215)의 관성에 비해 큰 특징을 가진다.

예컨대, 상기 엔진(300)의 회전방향은 고정이고, 발전기(200)의 회전자 관성이 엔진(300)의 회전자 관성보다 크기 때문에 엔진(300)의 관성과 발전기 회전축(200a)의 관성 차이값을 최소화 하기 위해 상기 비틀림 댐퍼(210)의 1차측 회전부(214)의 관성을 2차측 회전부(215)의 관성에 비해 최대한 증가시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 비틀림 댐퍼(210)의 스프링(213)은 2단의 비틀림 강성을 가지도록 1차측 회전부(214)와 2차측 회전부(215) 사이에 형성되는 제1 단 스프링(213a)과 제2 단 스프링(213b)으로 구성된다.

즉, 상기 비틀림 댐퍼(210)의 스프링(213)은 도 4에 도시된 바와 같이 2단의 비틀림 강성을 구현하기 위해 제1 단 스프링(213a)과 제2 단 스프링(213b)으로 2개가 조립 형성된다.

이러한 구성의 상기 비틀림 댐퍼(210)를 구비하는 발전기(200)는, 예컨대 이상 연소 등에 의해 엔진(300)의 비틀림 토크가 과다하게 발생되어 토크전달이 이루어지면 도 5에 도시된 바와 같이 비틀림 각도 이상에서 강성이 변경되어 토크의 변화 및 이에 따른 댐퍼의 하중변화를 억제하도록 작동되게 된다.

예컨대, 상기 엔진(300)의 토크전달이 비틀림 댐퍼(210)의 비틀림 각도 4°미만에서는 제1 단 스프링(213a)의 비틀림 강성 내에서 토크 변화 및 이에 따른 댐퍼의 하중변화를 억제하도록 작동된다.

그러나, 상기 엔진(300)의 이상 연소 등으로 인해 엔진(300)의 비틀림 토크가 과다하게 발생되어 토크전달이 비틀림 댐퍼(210)의 비틀림 각도 4°이상에서는 제1 단 스프링(213a)과 제2 단 스프링(213b)이 모두 비틀림 압축 강성을 발휘하여 토크 변화 및 이에 따른 댐퍼의 하중변화를 억제하도록 작동된다.

또, 상기 비틀림 댐퍼(210)의 강성 및 관성값은 전체 축계의 비틀림 공진주파수(공진점) 영역이 엔진(300)의 아이들 회전수 이내 또는 발전개시 속도와 엔진(300)의 아이들 회전수 사이에서 결정되는 것이 바람직하다.

즉, 고유 진동수(Natural frequency)는 회전운동의 경우, 관성과 비틀림 강성(스프링 상수)으로 결정된다.

따라서, 상기 비틀림 댐퍼(210)의 강성 및 관성에 의한 공진주파수 결정은 1자유도의 비감쇠 자유진동을 해석하면 고유진동수는 ω_n 으로 계산된다.

m : 질량 또는 관성

K : 강성(스프링 상수)

F(t) : 가진력(엔진의 폭발행정에 따른 토크맥동)

그러므로, 본 발명에 따른 상기 비틀림 댐퍼(210)의 강성 및 관성값을 전체 축계의 비틀림 공진주파수(공진점) 설정 영역은 도 10에 도시된 바와 같이 엔진(300)의 아이들 회전수 이내 또는 발전개시 속도와 엔진(300)의 아이들 회전수 사이에서 결정될 수 있다.

여기서, 공진주파수 이상의 운전속도에서는 도 11 도시된 바와 같은 공진특성으로 인해 비틀림 각도가 공진주파수(공진점) 이후로 감쇠되어 입력되는 토크 맥동보다 출력 토크 맥동이 줄어드는 특성을 가지게 되기 때문이다.

예컨대, 공진주파수 이상의 운전속도에서는 공진특성으로 인해 비틀림 각도가 감쇠되는 근거는, 1 자유도의 감쇠 강제진동을 해석하면 아래의 식과 같이 계산될 수 있다.

m : 질량 또는 관성

K : 강성(스프링 상수)

C : 댐핑(히스테리시스 토크 마찰력)

F(t) : 가진력(엔진의 폭발행정에 따른 토크맥동)

도 12에 도시된 바에서 알 수 있듯이, 1차 고유진동수 이후 진폭이 1보다 작아진다.

즉, 사용하지 않는 운전점에 공진을 위치시켜 이후 영역의 진폭을 감쇠시키면 진동을 줄일 수 있다.

여기서, 현실적으로 운전점 밖으로 공진을 회피시켜도 되지만, 중량과 체적 한계로 불가능한 경우가 많다. 특히 엔진 회전체의 경우 특히 그렇다.

또한, 상기 비틀림 댐퍼(210)는 발전기(200)의 사용 운전 조건 내에 공진이 발생하여도 기존 구조와 달리 백래쉬로 의한 치타음이 발생되지 않도록 도 13에 도시된 바와 같이 댐핑 특성인 히스테리시스(hysteresis characteristic) 특성을 가지는 것이 바람직하다.

이는 실제 비틀림 댐퍼 측정 시 발생되는 히스테리시스 토크로, 한바퀴 정/역 비틀림 시 마찰로 손실되는 에너지를 의미한다.

여기서, 엔진(300)의 압축 배기 폭발 행정에 의해 발생된 폭발압력은 크랭크 축에 의해 비틀림 토크로 발생되는데 이러한 토크는 도 14에 도시된 바와 같이 엔진(300)의 출력량에 따라 다르고 특히 공진점에서 증가하는 경향을 가져 운전조건 내에 공진이 있을 경우 발전기 축(200a)에 토크 맥동의 형태로 전달된다.

이러한 토크 맥동은 스플라인 구조로 체결되는 발전기 축(200a)과 결합부(211) 사이에 존재하는 백래쉬에 작용하여 치타음과 기어부 마모를 발생시킨다. 치타음은 백래쉬의 크기가 커질수록 증가하는 경향을 가지는데, 백래쉬를 줄일 경우 발전기 축(200a)과 결합부(211)의 조립이 불가능해진다.

또한, 토크 맥동에 의해 스플라인 구조의 치 접합면에 발생된 마모는 백래쉬를 계속 증가시키는 원인이 된다.

그러나, 본 발명에 따른 비틀림 댐퍼(210)는 히스테리시스(hysteresis characteristic) 특성으로 히스테리시스 토크를 증가시킴으로써 운전영역 내 공진점에서 발전기 축에 전달되는 토크 맥동 성분을 감소시켜 치타음을 효율적으로 제거할 수 있다. 공진주파수 이후의 운전영역에서는 비틀림 댐퍼가 가지는 도 12에 도시된 바와 같은 특성에 의한 진동 감쇠특성으로 토크 맥동 성분의 감소가 가능한 특징이 있다.

또, 상기 발전기(200)는 일측면에 상기 비틀림 댐퍼(210)가 결합되고, 대향하는 타일측면에는 커플러(220)가 결합된다.

여기서, 상기 커플러(220)는 체결볼트(미도시)를 이용하여 발전기(200)의 타 일측 및 변속기(400)와 체결되어 발전기(200)의 회전축(200a)과 함께 회전한다.

이와 같은 상기 커플러(220)의 구성은 특허 공개번호 제10-2015-0112064호에 상세하게 개시되어 있으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명에 따른 차량용 발전기(200)는 차량에 전력을 공급하기 위해 사용되는 것으로, 엔진(300)과 변속기(400) 사이에 체결되는 구조에 한정되는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명에 따른 발전기(200)는 상기 엔진(300)을 원동기로 하여 엔진(300)의 동력 일부를 발전하고 나머지 동력을 변속기(400)로 전달하는 구조를 가진다.

이를 위해, 상기 엔진(300)은 일측으로 형성되는 크랭크축(310)과 링기어 조립체(320)를 포함하여 이루어진다.

한편, 본 발명은 상기 발전기(200)를 구비하는 차량(미도시)을 더 제공할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 상태를 설명하면 다음과 같다.

예컨대, 차량의 정지(엔진 공회전) 및 주행시, 엔진(300)이 연료와 공기의 혼합기체를 점화, 폭발시켜 크랭크축(310)을 회전시킴에 따라, 크랭크축(310)과 결합된 발전기(200)가 회전하게 된다.

그리고, 본 발명에 따른 차량용 발전기(200)는 축(200a)의 회전에 의해 전기에너지를 생성하게 된다.

이때, 상기 엔진(300)이 이상 연소 등에 의해 비틀림 토크가 과다하게 발생되어 토크전달이 이루어지면 상기 발전기(200)의 비틀림 댐퍼(210)는 제1 단 스프링(213a)과 제2 단 스프링(213b)이 모두 비틀림 압축 강성을 발휘하여 토크 변화를 억제하게 된다.

또, 본 발명에 따른 차량용 발전기(200)는 사용 운전 조건 내(예컨대, 아이들 속도와 발전개시 속도 사이)에 공진이 발생하여도 히스테리시스(hysteresis characteristic) 특성을 가지므로 엔진(300)에서 발생된 토크 맥동을 감소시킬 수 있다.

공진점 이후 운전영역(예컨대, 일반 주행 영역인 1,800RPM ∼ 2,500RPM 영역)에서는 공진이후의 진동변위 감쇠특성에 의해 엔진(300)에서 발전기(200)로 전달되는 토크 맥동 성분이 줄어들게 된다.

계속해서, 상기 발전기 축(200a)이 회전하면, 발전기(200)의 축(200a)과 함께 회전하는 커플러(220)와 체결된 변속기(400)는 엔진(300)의 회전력을 전달받게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 차량용 발전기는 엔진의 토크 맥동을 흡수 및 감쇠할 수 있는 비틀림 댐퍼를 구비하여 발전기 회전자의 관성이 엔진 내부 축계의 관성보다 클 경우 엔진 운전 영역 내에서 비틀림 공진 및 토크 맥동으로 인해 발생하는 축계에 과다한 변위와 커플러의 파손, 치타음 발생을 예방할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.

200 : 차량용 발전기 200a : 회전축
210 : 비틀림 댐퍼 211 : 결합부
212 : 체결구멍 213 : 스프링
213a : 제1 단 스프링 213b : 제2 단 스프링
214 : 1차측 회전부 215 : 2차측 회전부
220 : 커플러 300 : 엔진
310 : 크랭크축 320 : 링기어 조립체
400 : 변속기

Claims

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중앙에 발전기의 축과 결합을 위한 결합부가 형성되고, 가장자리 부분에는 엔진과의 조립을 위한 복수 개의 체결구멍이 형성되며 상기 결합부의 외주 방향으로는 엔진의 비틀림 토크가 과다하게 발생하여 토크전달이 이루어질 경우, 토크의 변화를 억제하도록 작동되는 2단의 비틀림 강성을 갖는 제1 단 스프링과 제2 단 스프링으로 이루어지는 스프링과, 상기 스프링이 형성되는 1차측 회전부와 2차측 회전부로 구성되며, 상기 1차측 회전부는 엔진의 관성과 발전기 회전축의 관성 차이값을 최소화하기 위해 관성이 2차측 회전부의 관성에 비해 큰 비틀림댐퍼를 포함하여 차량의 엔진 및 변속기 사이에 직접 연결되는 차량용 발전기에 있어서,
상기 비틀림 댐퍼의 스프링은 엔진의 토크전달이 비틀림 댐퍼의 비틀림 각도 4°미만에서 제1 단 스프링만 토크 변화를 억제하도록 작동되는 것을 특징으로 하는 차량용 발전기.
제7항에 있어서,
상기 비틀림 댐퍼의 스프링은 엔진의 비틀림 토크전달이 비틀림 댐퍼의 비틀림 각도 4°이상에서는 제1 단 스프링과 제2 단 스프링이 모두 비틀림 압축 강성을 발휘하여 토크 변화 및 이에 따른 댐퍼의 하중변화를 억제하도록 작동되는 것을 특징으로 하는 차량용 발전기.
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