KR102637551B1 - Active dynamic absorber using negative stiffness phenomenon - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음의 강성(negative stiffness) 현상을 이용하는 능동형 흡진기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 적절한 배열에 의하여 음의 강성(negative stiffness) 현상이 발생하도록 구성한 판 스프링 구조체를 이용한 능동형 흡진기에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 복수개의 판 스프링을 음의 강성 현상이 발생하도록 배치시킨 판 스프링 구조체를 적용하여, 낮은 강성을 유지하면서도 해당 판 스프링에 허용되는 강도보다 충분히 작은 응력을 발생시키도록 구현할 수 있는 능동형 흡진기를 제공한다.
The present invention relates to an active absorber using the negative stiffness phenomenon, and more specifically, to an active absorber using a leaf spring structure configured to generate a negative stiffness phenomenon by appropriate arrangement. .
According to the present invention, by applying a leaf spring structure in which a plurality of leaf springs are arranged to generate a negative stiffness phenomenon, an active type that can be implemented to generate a stress sufficiently smaller than the strength allowed for the leaf spring while maintaining low rigidity. Provides a reducer.

Description

음의 강성(negative stiffness) 현상을 이용하는 능동형 흡진기{Active dynamic absorber using negative stiffness phenomenon}Active dynamic absorber using negative stiffness phenomenon}

본 발명은 음의 강성(negative stiffness) 현상을 이용하는 능동형 흡진기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 적절한 배열에 의하여 음의 강성(negative stiffness) 현상이 발생하도록 구성한 판 스프링 구조체를 이용한 능동형 흡진기에 관한 것이다.The present invention relates to an active absorber using the negative stiffness phenomenon, and more specifically, to an active absorber using a leaf spring structure configured to generate a negative stiffness phenomenon by appropriate arrangement. .

능동형 흡진기를 구성하기 위해서는 낮은 강성을 유발하는 것이 유리하다. 강성을 유도하는 기존의 기계부품으로 코일스프링이 주로 사용되나 일반적으로 구조적인 특징에 기인하여 낮은 고유진동수를 유지하기 위하여 10 Hz 이하의 낮은 강성의 코일스프링을 이용하면 하중을 이기지 못하고 완전히 압착되어 스프링의 기능을 유지할 수 없거나 파손이 발생된다. 또한 낮은 강성을 만들기 위해서는 긴 스프링이 필요하게 되어 큰 공간을 차지하며 따라서 실용적인 크기의 설계 결과를 만족시키기 어려운 문제점이 있었다.In order to construct an active reducer, it is advantageous to induce low stiffness. Coil springs are mainly used as existing mechanical parts that induce rigidity, but in general, due to their structural characteristics, in order to maintain a low natural frequency, if low rigidity coil springs of 10 Hz or less are used, the spring cannot overcome the load and is completely compressed. The function cannot be maintained or damage occurs. In addition, in order to create low rigidity, a long spring is required, which takes up a large space, making it difficult to satisfy design results of a practical size.

이를 극복하기 위한 방안으로 판 스프링을 사용할 수 있다. 그러나 일반적인 판 스프링을 사용하는 경우, 효과적인 능동형 흡진기의 기능을 수행하기 위하여, 낮은 강성을 유지하면서도 해당 판 스프링에 허용되는 강도보다 충분히 작은 응력을 발생시키도록 구현하는 것은 현재까지 매우 어려운 과제로 남아 있다.As a way to overcome this, leaf springs can be used. However, when using a general leaf spring, it remains a very difficult task to generate a stress that is sufficiently smaller than the strength allowed for the leaf spring while maintaining low rigidity in order to function as an effective active reducer. .

KRKR 10-1266831 10-1266831 B1B1

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 복수개의 판 스프링을 음의 강성 현상이 발생하도록 배치시킨 판 스프링 구조체를 적용하여, 낮은 강성을 유지하면서도 해당 판 스프링에 허용되는 강도보다 충분히 작은 응력을 발생시키도록 구현할 수 있는 능동형 흡진기를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was created to solve this problem, by applying a leaf spring structure in which a plurality of leaf springs are arranged to generate a negative stiffness phenomenon, while maintaining low rigidity, the strength is sufficiently smaller than the allowable strength of the leaf spring. The purpose is to provide an active reducer that can be implemented to generate stress.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 음의 강성(negative stiffness) 현상을 이용하는 판 스프링(plate spring) 구조체는, 상기 판 스프링 구조체에 연결된 제1 동조질량부; 판 스프링의 테두리부와 결합되어 해당 판 스프링을 지지하는 지지부; 테두리(이하, '제1 테두리부'라 한다)가 상기 지지부와 결합되어 지지되고, 상기 제1 동조질량부의 질량을 포함하는 전체 동조질량의 적어도 일부에 의하여 사전변위가 가해지는 제1 판 스프링; 및, 테두리(이하, '제2 테두리부'라 한다)가 상기 지지부와 결합되어 지지되면서 상기 제1 테두리부와 접하며, 상기 제1 판 스프링 하부에 위치하고, 상기 전체 동조질량의 적어도 일부에 의하여 사전변위가 가해지는 제2 판 스프링을 포함하고, 상기 전체 동조질량의 거동에 의하여 상기 제1 판 스프링 또는 제2 판 스프링 중 적어도 하나에 음의 강성 현상이 발생되며, 상기 전체 동조질량은, 상기 판 스프링 구조체에 연결된 다른 동조질량부(이하 '제2 동조질량부'라 한다)가 있는 경우에는 상기 제1 동조질량부의 질량과 상기 제2 동조질량부의 질량을 합한 질량이고, 상기 판 스프링 구조체에 연결된 다른 동조질량부가 없는 경우에는 상기 제1 동조질량부의 질량이다.
상기 판 스프링 구조체는, 테두리(이하, '제3 테두리부'라 한다)가 상기 지지부와 결합되어 지지되고, 상기 제2 판 스프링 하부에 위치하며, 상기 전체 동조질량의 적어도 일부에 의하여 사전변위가 가해지는 제3 판 스프링; 및, 테두리(이하, '제4 테두리부'라 한다)가 상기 지지부와 결합되어 지지되면서 상기 제3 테두리부와 접하며, 상기 제3 판 스프링 하부에 위치하고, 상기 전체 동조질량의 적어도 일부에 의하여 사전변위가 가해지는 제4 판 스프링을 더 포함할 수 있고, 상기 전체 동조질량의 거동에 의하여 상기 제3 판 스프링 또는 제4 판 스프링 중 적어도 하나에 음의 강성 현상이 발생될 수 있다.
상기 제1 동조질량부는, 상기 판 스프링 구조체의 각 판 스프링 사이 공간들 중 적어도 하나에 구비되면서 각각은 상부면이 그 상부의 판 스프링의 하부면과 접하며 하부면이 그 하부의 판 스프링의 상부면과 접하여, 상기 상부의 판 스프링과 상기 하부의 판 스프링 사이에 일정 간격을 유지시키는 라이너를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 음의 강성(negative stiffness) 현상을 이용하는 능동형 흡진기는, 음의 강성 현상을 이용하는 상기 판 스프링 구조체; 상기 판 스프링 구조체에 연결된 제2 동조질량부; 전체 동조질량부와 하부의 흡진 대상체 사이에 힘을 제공하는 액츄에이터를 포함하고, 상기 전체 동조질량부는, 상기 판 스프링 구조체의 제1 동조질량부; 및 상기 제2 동조질량부를 포함하며, 상기 제2 동조질량부는, 상기 판 스프링 구조체의 구성에 기재된 '다른 동조질량부(이하 '제2 동조질량부'라 한다)'를 의미한다.
상기 액츄에이터는, 제어기에 의해 제어되는 전류가 흐르는 보이스 코일(voice coil); 및, 상기 보이스 코일 내부에 위치하는 영구자석을 구비할 수 있다.
상기 제2 동조질량부는, 상기 영구자석을 포함할 수 있다.
상기 전체 동조질량부의 질량(이하 '전체 동조질량'이라 한다)의 거동에 의하여 상기 판 스프링 구조체에 음의 강성 현상이 발생될 수 있다.
In order to achieve this purpose, a plate spring structure using the negative stiffness phenomenon according to the present invention includes a first tuning mass connected to the plate spring structure; A support portion coupled to the edge portion of the leaf spring to support the leaf spring; a first leaf spring whose edge (hereinafter referred to as 'first edge portion') is coupled to and supported by the support portion, and on which a pre-displacement is applied by at least a portion of the total tuning mass including the mass of the first tuning mass portion; And, an edge (hereinafter referred to as a 'second edge part') is coupled to and supported by the support part and is in contact with the first edge part, is located below the first leaf spring, and is preset by at least a portion of the total tuning mass. It includes a second leaf spring to which displacement is applied, wherein a negative stiffness phenomenon is generated in at least one of the first leaf spring and the second leaf spring due to the behavior of the entire tuning mass, and the total tuning mass is If there is another tuned mass unit (hereinafter referred to as 'second tuned mass unit') connected to the spring structure, the mass is the sum of the mass of the first tuned mass unit and the mass of the second tuned mass unit, and is connected to the leaf spring structure. If there is no other tuning mass part, it is the mass of the first tuning mass part.
The leaf spring structure has an edge (hereinafter referred to as 'third edge portion') coupled to and supported by the support portion, is located below the second leaf spring, and has a pre-displacement caused by at least a portion of the total tuning mass. a third leaf spring applied; And, an edge (hereinafter referred to as 'fourth edge part') is coupled to and supported by the support part, is in contact with the third edge part, is located below the third leaf spring, and is pre-aligned by at least a portion of the total tuning mass. It may further include a fourth leaf spring to which displacement is applied, and a negative stiffness phenomenon may be generated in at least one of the third leaf spring or the fourth leaf spring due to the behavior of the entire tuned mass.
The first tuning mass portion is provided in at least one of the spaces between each leaf spring of the leaf spring structure, each of which has an upper surface in contact with a lower surface of the upper leaf spring and a lower surface of which is an upper surface of the lower leaf spring. It may include a liner that is in contact with and maintains a certain gap between the upper leaf spring and the lower leaf spring.
According to another aspect of the present invention, an active absorber using a negative stiffness phenomenon includes the leaf spring structure using the negative stiffness phenomenon; a second tuned mass connected to the leaf spring structure; It includes an actuator that provides force between the entire tuning mass portion and the lower absorption object, wherein the entire tuning mass portion includes: a first tuning mass portion of the leaf spring structure; and the second tuning mass part, wherein the second tuning mass part means 'another tuning mass part (hereinafter referred to as 'second tuning mass part')' described in the configuration of the leaf spring structure.
The actuator includes a voice coil through which a current controlled by a controller flows; And, a permanent magnet located inside the voice coil may be provided.
The second tuning mass unit may include the permanent magnet.
A negative stiffness phenomenon may occur in the leaf spring structure due to the behavior of the mass of the entire tuning mass (hereinafter referred to as 'total tuning mass').

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본 발명에 의하면, 복수개의 판 스프링을 음의 강성 현상이 발생하도록 배치시킨 판 스프링 구조체를 적용하여, 낮은 강성을 유지하면서도 해당 판 스프링에 허용되는 강도보다 충분히 작은 응력을 발생시키도록 구현할 수 있는 능동형 흡진기를 제공하는 효과가 있다.According to the present invention, by applying a leaf spring structure in which a plurality of leaf springs are arranged to generate a negative stiffness phenomenon, an active type that can be implemented to generate a stress sufficiently smaller than the strength allowed for the leaf spring while maintaining low rigidity. It has the effect of providing a reducer.

도 1은 수동형 흡진기 및 능동형 흡진기의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 수동형 흡진기 및 능동형 흡진기의 성능을 비교하기 위한 도면이다.
도 3은 액츄에이터(actuator)로 사용되는 보이스 코일 모터(voice coil motor)의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 액츄에이터에서 발생하는 가진력이 흡진 대상체에 미치는 영향을 확인하기 위한 시뮬레이션 모델을 도시한 도면이다.
도 5는 액츄에이터의 입력에 의한 흡진 대상체의 가속도 응답을 나타내는 도면이다.
도 6은 판 스프링(plate spring)의 형상 및 등가강성을 도시한 도면이다.
도 7은 판 스프링에 사용되는 재료인 SM45C의 기계적 물성값을 도시한 도면이다.
도 8은 판 스프링의 패턴 수에 따른 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 패턴 수 11인 경우의 4중 구조의 판 스프링에 대하여 응력집중 부분을 보강하여 해석한 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 질량을 2kg으로 설계한 경우의 능동형 흡진기의 고유진동해석을 수행한 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 4중 판 스프링 구조물을 도시한 도면이다.
도 12는 4중 판 스프링 구조물을 적용한 능동형 흡진기의 구조를 나타내는 도면이다.
도 13은 보(beam)에서 발생되는 버클링(buckling) 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 음의 강성(negative stiffness) 현상을 이용하는 4중 판 스프링 구조물을 도시한 도면이다.
1 is a diagram showing the structures of a passive reducer and an active reducer.
Figure 2 is a diagram for comparing the performance of a passive reducer and an active reducer.
Figure 3 is a diagram showing the structure of a voice coil motor used as an actuator.
Figure 4 is a diagram illustrating a simulation model for confirming the effect of the exciting force generated from the actuator on the object to be absorbed.
Figure 5 is a diagram showing the acceleration response of the absorption object due to the input of the actuator.
Figure 6 is a diagram showing the shape and equivalent stiffness of a plate spring.
Figure 7 is a diagram showing the mechanical properties of SM45C, a material used in leaf springs.
Figure 8 is a diagram showing analysis results according to the number of leaf spring patterns.
Figure 9 is a diagram showing the analysis results of reinforcing the stress concentration part of a four-layer leaf spring with a pattern number of 11.
Figure 10 is a diagram showing the results of natural vibration analysis of an active absorber when the mass is designed to be 2 kg.
Figure 11 is a diagram showing a quadruple leaf spring structure.
Figure 12 is a diagram showing the structure of an active reducer using a quadruple leaf spring structure.
Figure 13 is a diagram for explaining the buckling phenomenon occurring in a beam.
Figure 14 is a diagram showing a quadruple leaf spring structure using the negative stiffness phenomenon.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor should appropriately use the concept of terms to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle of definability. Accordingly, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent the entire technical idea of the present invention, so at the time of filing this application, various alternatives are available to replace them. It should be understood that equivalents and variations may exist.

도 1은 수동형 흡진기 및 능동형 흡진기의 구조를 나타내는 도면이다.1 is a diagram showing the structures of a passive reducer and an active reducer.

흡진기(Dynamic Absorber) 또는 TMD(Tuned Mass Damper)는 구조물이 고유진동수와 외부에서 가진되는 가진력이 일치하는 공진현상을 일으킬 때 추가적으로 부착하는 진동제어장치로서, 기존의 구조물을 변경하지 않고 추가적인 장치를 부착함으로써 구조물의 진동억제 성능을 높이는 장치이다.An absorber (Dynamic Absorber) or TMD (Tuned Mass Damper) is a vibration control device that is additionally attached when a structure generates a resonance phenomenon where the natural frequency and external excitation force match. Additional devices are attached without changing the existing structure. This is a device that improves the vibration suppression performance of the structure.

도 1(a)의 수동형 흡진기는, 외부에서 에너지를 공급받지 않는 수동형 요소를 이용하며, 적절한 크기의 동조질량 또는 추가질량(이하 '동조질량(tuned mass)'으로 칭한다) mtuned를 선정하고 구조물의 특성을 고려한 강성(Koptimal)과 감쇠(Coptimal)을 설계하여 부착함으로써 구현된다.The passive absorber in Figure 1(a) uses a passive element that does not receive energy from the outside, selects a tuned mass or additional mass of an appropriate size (hereinafter referred to as 'tuned mass') m tuned , and installs the structure. It is implemented by designing and attaching stiffness (K optimal ) and damping (C optimal ) considering the characteristics of .

도 1(b)의 능동형 흡진기는, 수동형 흡진기에 센서와 액츄에이터(actuator)를 부착하고 제어기(controller)를 통한 알고리즘의 구현으로 더욱 좋은 성능과 튜닝의 편리성을 가지게 되는 진동억제장치이다. 이는 최적의 매개변수 값을 갖는 강성(Koptimal)과 감쇠(Coptimal) 대신 적절한 크기의 강성 Ka를 가지고 있으며, 액츄에이터가 센서로 받은 신호를 이용하여 제어동작을 수행하여 흡진 대상체의 질량(M)과 능동흡진기의 동조질량 mtuned 사이에 적절한 힘(f)을 공급함으로써 더욱 우수한 성능을 유도할 수 있다. 도시된 흡진 대상체는 다양한 장비 및, 그러한 장비가 놓여지는 베이스 테이블을 의미하며, 그 총 질량은 M이다. 하부에 스프링(k)과 댐퍼(c)로 구성된 진동 아이솔레이터(vibration isolator)를 구비한다.The active extractor of Figure 1(b) is a vibration suppression device that has better performance and convenience of tuning by attaching a sensor and an actuator to a passive extractor and implementing an algorithm through a controller. Instead of stiffness (K optimal ) and damping (C optimal ) with optimal parameter values, it has an appropriate stiffness K a , and the actuator performs control operations using the signal received from the sensor to determine the mass (M) of the absorption object. Better performance can be achieved by supplying an appropriate force (f) between ) and the tuned mass m tuned of the active absorber. The illustrated exhaust object refers to various equipment and a base table on which such equipment is placed, and its total mass is M. A vibration isolator consisting of a spring (k) and a damper (c) is provided at the bottom.

도 2는 수동형 흡진기 및 능동형 흡진기의 성능을 비교하기 위한 도면이다.Figure 2 is a diagram for comparing the performance of a passive reducer and an active reducer.

도 2(a)는 흡진기가 없는 경우(without TMD), 수동형 흡진기(Optimal TMD) 및 능동형 흡진기(Active TMD)가 설치된 경우 각각에 대한 임펄스 응답이며, 도 (b)는 각각의 경우에 대하여 진폭(magnitude) 및 위상(phase)에 대한 보데 플롯(Bode plot)를 나타낸다. 도면을 참조하면, 능동형 흡진기의 경우가 수동형 흡진기의 경우보다도 충격응답이 빠르게 사라지며 주파수 측면에서도 피크가 거의 사라지는 우수한 성능을 보이고 있다.Figure 2(a) is the impulse response for the case without an absorber (without TMD), a passive absorber (Optimal TMD), and an active absorber (Active TMD), respectively, and Figure 2(b) shows the amplitude ( Shows a Bode plot for magnitude and phase. Referring to the drawing, the active absorber shows excellent performance with the shock response disappearing faster than the passive absorber and the peak almost disappearing in terms of frequency.

도 3은 액츄에이터(actuator)로 사용되는 보이스 코일 모터(voice coil motor)의 구조를 나타내는 도면이다.Figure 3 is a diagram showing the structure of a voice coil motor used as an actuator.

보이스 코일 모터는 코일 및, 코일 내부에 영구자석(permanent magnet)을 포함하며, 코일에 흐르는 전류를 제어함으로써 구동되는 힘을 제어할 수 있는 선형 액츄에이터이다. 이러한 액츄에이터는 제어기에서 공급되는 제어신호를 변경함으로써 구동력이 제어되므로 능동형 흡진기의 설계는 결국 적절한 크기의 강성 ka를 선정하는 것이 중요하다. A voice coil motor is a linear actuator that includes a coil and a permanent magnet inside the coil, and can control the driving force by controlling the current flowing in the coil. Since the driving force of these actuators is controlled by changing the control signal supplied from the controller, it is important to select an appropriate stiffness k a in the design of the active absorber.

도 4는 액츄에이터에서 발생하는 가진력이 흡진 대상체에 미치는 영향을 확인하기 위한 시뮬레이션 모델을 도시한 도면이다.Figure 4 is a diagram illustrating a simulation model for confirming the effect of the exciting force generated from the actuator on the object to be absorbed.

능동형 흡진기는 동조질량 mtuned와 강성 ka를 결정하는 문제로 귀결된다. 일반적으로 mtuned는 클수록 효과적이지만 능동형 흡진기를 이용하는 흡진 대상체의 질량 M을 기준으로 큰 값을 갖는다면 현실적으로 구현에 문제가 발생하므로 M의 5~10 % 수준으로 결정하는 것이 일반적이다. 따라서 강성 ka의 결정이 중요한 문제로 남게 된다. The active absorber comes down to the problem of determining the tuned mass m tuned and the stiffness k a . In general, the larger m tuned , the more effective it is, but if it has a large value based on the mass M of the absorption object using an active absorber, problems in realistic implementation may arise, so it is generally set at 5 to 10% of M. Therefore, determination of stiffness k a remains an important issue.

도 4는 강성 ka와 액츄에이터에서 발생하는 가진력이 구조물의 질량 M에 미치는 영향을 확인하기 위한 시뮬레이션 모델이다. 하단에 배치된 구조물을 1 자유도로 가정하고 질량 100 kg, 고유진동수 5 Hz로 설정한다. 왜냐하면 방진성능은 낮은 고유진동수가 유리하기 때문에 대부분의 방진테이블은 낮은 고유진동수를 유도하는 저강성의 재료가 이용되기 때문이다. 이때 능동형 흡진기를 구성하는 추가 질량 mtuned는 5 kg, 강성 Ka는 TMD의 고유진동수 fna가 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz 가 되도록하는 강성을 설정한다. 이때 낮은 고유진동수는 낮은 강성에 기인한다. 본 모델을 이용하여 액츄에이터의 입력에 대한 흡진 대상체의 질량 M의 가속도를 주파수 응답으로 나타낼 수 있다. Figure 4 is a simulation model to check the effect of stiffness k a and exciting force generated from the actuator on the mass M of the structure. The structure placed at the bottom is assumed to have 1 degree of freedom, and the mass is set to 100 kg and the natural frequency is set to 5 Hz. This is because low natural frequencies are advantageous for vibration isolation performance, so most vibration isolation tables use low-rigidity materials that induce low natural frequencies. At this time, the additional mass m tuned , which constitutes the active absorber, is set to 5 kg, and the stiffness K a is set so that the natural frequencies f na of the TMD are 5 Hz, 10 Hz, and 20 Hz. At this time, the low natural frequency is due to low rigidity. Using this model, the acceleration of the mass M of the absorbing object relative to the input of the actuator can be expressed as a frequency response.

도 5는 액츄에이터의 입력에 의한 흡진 대상체의 가속도 응답을 나타내는 도면이다.Figure 5 is a diagram showing the acceleration response of the absorption object due to the input of the actuator.

동일한 액츄에이터의 입력에 대하여 큰 가속도를 나타내게 된다면 액츄에이터에서 발생하는 가진력이 구조물에 많은 영향을 끼치게 되어 바람직한 설계 결과로 판단할 수 있다. 도 5는 본 모델의 해석 결과를 보인 것이다. 액츄에이터의 구동에 기인한 구조물의 가속도는 관심이 있는 구조물의 고유진동수인 5 Hz 내외의 대역에서 fna가 낮을수록 큰 값을 보이는 것을 확인할 수 있다. 즉, 능동형 흡진기를 구성하는 강성이 높으면 제어가 필요한 구조물의 고유진동수에서 영향력이 적게 되어, 좋은 제어 특성을 기대하기 어렵다. 그에 비하여 능동형 흡진기의 낮은 강성은 관심있는 5 Hz 내외의 액츄에이터에서 큰 구동력을 보이므로 좋은 제어 특성을 기대할 수 있다.If a large acceleration occurs with respect to the input of the same actuator, the exciting force generated from the actuator will have a significant impact on the structure, which can be judged as a desirable design result. Figure 5 shows the analysis results of this model. It can be seen that the acceleration of the structure due to the driving of the actuator shows a larger value as f na is lower in the band of around 5 Hz, which is the natural frequency of the structure of interest. In other words, if the stiffness of the active absorber is high, it has less influence on the natural frequency of the structure that needs to be controlled, making it difficult to expect good control characteristics. In contrast, the low rigidity of the active extractor shows a large driving force in the actuator of interest around 5 Hz, so good control characteristics can be expected.

도 6은 판 스프링(plate spring)의 형상 및 등가강성을 도시한 도면이고, 도 7은 판 스프링에 사용되는 재료인 SM45C의 기계적 물성값을 도시한 표이다.Figure 6 is a diagram showing the shape and equivalent stiffness of a plate spring, and Figure 7 is a table showing the mechanical properties of SM45C, a material used in the plate spring.

도 6(a)는 양단에서 지지되는 보 및, 그에 대한 등가강성을 수식으로 나타낸 도면이며, 도 6(b)는 본 발명에서 사용되는 판 스프링을 위에서 바라본 형상을 나타내는 도면이다. Figure 6(a) is a diagram showing a beam supported at both ends and its equivalent stiffness in a mathematical manner, and Figure 6(b) is a diagram showing the shape of the leaf spring used in the present invention as seen from above.

앞서 전술한 바와 같이, 능동형 흡진기를 구성하기 위해서는 낮은 강성을 유발하는 것이 유리하다. 강성을 유도하는 기존의 기계부품으로 코일스프링이 주로 사용되나 일반적으로 구조적인 특징에 기인하여 낮은 고유진동수를 유지하기 위하여 10 Hz 이하의 낮은 강성의 코일스프링을 이용하면 하중을 이기지 못하고 완전히 압착되어 스프링의 기능을 유지할 수 없거나 파손이 발생된다. 또한 낮은 강성을 만들기 위해서는 긴 스프링이 필요하게 되어 큰 공간을 차지하며 따라서 실용적인 크기의 설계 결과를 만족시키기 어려운 문제점이 있다.As previously mentioned, in order to construct an active absorber, it is advantageous to induce low stiffness. Coil springs are mainly used as existing mechanical parts that induce rigidity, but in general, due to their structural characteristics, in order to maintain a low natural frequency, if low rigidity coil springs of 10 Hz or less are used, the spring cannot overcome the load and is completely compressed. The function cannot be maintained or damage occurs. In addition, in order to create low rigidity, a long spring is required, which takes up a large space, making it difficult to satisfy design results of a practical size.

따라서 작은 공간에서 낮은 강성을 유지하기 위하여 아래의 도 6과 같은 판 스프링(1110)을 이용하기로 한다. 이는 양단지지보를 사용하여 적절한 강성을 유발하는 구조를 여러 개 사용하여 하중점을 일치시킨 구조로 공간절약을 위하여 회전형으로 설계한다. 도 6(a)를 참조하면, 양단지지보의 등가강성은 길이(l), 재료의 탄성계수(E), 그리고 단면의 면적관성모멘트(I)로 결정된다. 또한 이때 발생하는 수직응력(stress)는 후크의 법칙을 기반으로 유도되는 굽힘공식에 의하여 결정된다.Therefore, in order to maintain low rigidity in a small space, a leaf spring 1110 as shown in Figure 6 below is used. This is a structure in which the load points are aligned by using multiple structures that induce appropriate rigidity using double-end support beams, and is designed in a rotation type to save space. Referring to Figure 6(a), the equivalent stiffness of the double end support beam is determined by the length (l), the elastic modulus of the material (E), and the area moment of inertia of the cross section (I). Additionally, the vertical stress that occurs at this time is determined by the bending formula derived based on Hooke's law.

판 스프링(1110)은, 판(plate) 위에 홈 형태로 형성시킨 다수의 패턴(100)을 형성시킨다. 판 스프링(1110)은, 상, 하 방향의 힘이 가해질 때, 이러한 패턴(100)에 의해 상,하 방향의 변위(displacement)가 발생하면서 스프링의 기능을 수행한다.The leaf spring 1110 forms a plurality of patterns 100 formed in the shape of grooves on a plate. The leaf spring 1110 performs the function of a spring by generating displacement in the up and down directions due to the pattern 100 when force in the up and down directions is applied.

판 스프링(1110)의 설계를 위하여 판(plate)의 두께, 보의 너비, 보의 개수 등이 설계 매개변수로 활용된다. 하나의 보를 설계하고 이를 회전방향으로 패턴 복사를 수행하여 그 개수를 정할 수 있다. 가해지는 하중을 능동형 흡진기의 동조질량 및 구동기의 힘, 그리고 안전율을 감안하여 200 N으로 선정하고 다양한 해석을 수행함으로써 적절한 형상 설계를 수행한다. 사용되는 재료인 SM45C는 도 7의 표에서 인장허용강도(Tensile Strength)가 490 MPa임을 확인할 수 있다. 즉 가해지는 하중에 대하여 많은 변위가 유발되어 낮은 강성을 유지하면서 발생되는 응력은 허용인장강도 이하로 유지하도록 한다. For the design of the leaf spring 1110, the thickness of the plate, the width of the beam, the number of beams, etc. are used as design parameters. You can design one beam and determine its number by copying the pattern in the direction of rotation. The applied load is selected as 200 N considering the tuning mass of the active extractor, the force of the actuator, and the safety factor, and an appropriate shape design is performed by performing various analyzes. It can be seen from the table in FIG. 7 that SM45C, the material used, has a tensile strength of 490 MPa. That is, a large amount of displacement is induced in response to the applied load, so that low rigidity is maintained while the generated stress is maintained below the allowable tensile strength.

도 8은 판 스프링의 패턴 수에 따른 해석 결과를 나타내는 도면이다.Figure 8 is a diagram showing analysis results according to the number of leaf spring patterns.

도 8(a)는 두께 4mm, 1개의 판을 사용한 단일 판 스프링의 해석 결과이고, 도 8(b)는 2개의 판을 사용한 2중 판 스프링의 해석 결과이며, 도 8(c)는 4개의 판을 사용한 4중 판 스프링의 해석 결과이다. 각 표에서, 'Pattern'은 패턴의 수이고, 'Disp.'는 판 스프링의 상하 최대 변위, 'Stress'는 판 스프링이 받는 응력을 의미한다. 또한 도 8(b) 및 (c)에서 't'는 각 판의 두께를 의미한다. 각 표는, 패턴의 수를 바꾸어가며 정해석(static analysis)를 수행한 결과이다.Figure 8(a) is the analysis result of a single leaf spring with a thickness of 4 mm and using one plate, Figure 8(b) is the analysis result of a double leaf spring using two plates, and Figure 8(c) is the analysis result of four plates. This is the analysis result of a quadruple leaf spring using plates. In each table, 'Pattern' refers to the number of patterns, 'Disp.' refers to the maximum vertical displacement of the leaf spring, and 'Stress' refers to the stress received by the leaf spring. Also, in Figures 8(b) and (c), 't' refers to the thickness of each plate. Each table is the result of static analysis while changing the number of patterns.

도 8(a)의 단일 판 스프링에서, 패턴이 8일 때 변위 12.8 mm가 발생하며, 그 때의 응력은 허용강도보다 매우 큰 값을 가진다.In the single leaf spring of Figure 8(a), when the pattern is 8, a displacement of 12.8 mm occurs, and the stress at that time has a value much larger than the allowable strength.

도 8(b)의 2중 판 스프링에서, 병렬지지 구조는 각 스프링의 강성이 더해지는 결과를 유발하므로 단일 판 스프링의 경우와 동일한 강성을 만들기 위해서는 절반 크기의 강성을 가지는 판 스프링을 2장 이용하면 된다.In the double leaf spring of Figure 8(b), the parallel support structure results in the stiffness of each spring being added, so to create the same stiffness as in the case of a single leaf spring, two leaf springs with half the stiffness must be used. do.

해석결과는 도 8(b)의 표와 같다. 두께가 1.5 mm이고 패턴이 5일 때 변위는 25.6 mm로 매우 낮은 강성을 가지게 되나 응력이 허용응력을 크게 상회하여 사용이 불가하다. 그러나 두께가 2.0mm이고 패턴이 8일 때 16.0 mm의 변위를 가지나 응력은 단일 판 스프링의 12.8 mm의 변위를 가지는 경우에 비하여 작음을 알 수 있다.The analysis results are as shown in the table in Figure 8(b). When the thickness is 1.5 mm and the pattern is 5, the displacement is 25.6 mm, which means it has very low rigidity, but it cannot be used because the stress greatly exceeds the allowable stress. However, when the thickness is 2.0 mm and the pattern is 8, it has a displacement of 16.0 mm, but the stress is smaller than that of a single leaf spring with a displacement of 12.8 mm.

즉 패턴과 두께의 조정에 따라 더욱 큰 변위와 낮은 응력을 보이는 구조설계가 가능함을 확인할 수 있다. 또한 2중 구조의 병렬 판 스프링은 변위 대 응력 비율에서 유리하다. 따라서 판 스프링을 4중으로 확장하면 더 좋은 결과를 기대할 수 있다.In other words, it can be confirmed that structural design with greater displacement and lower stress is possible by adjusting the pattern and thickness. Additionally, double-structured parallel leaf springs are advantageous in terms of displacement-to-stress ratio. Therefore, better results can be expected by expanding the leaf spring to quadruple.

도 8(c)는 4중 병렬 구조로 판 스프링을 배치하고 다양한 패턴의 변화에 따른 변위와 응력을 해석한 결과를 나타낸 것이다. 도 8(c)의 표에서는 각 판의 두께를 1.5 mm로 고정하고 패턴 수만 변화시킨 결과이다.Figure 8(c) shows the results of arranging leaf springs in a quadruple parallel structure and analyzing the displacement and stress according to changes in various patterns. The table in Figure 8(c) shows the results of fixing the thickness of each plate to 1.5 mm and changing only the number of patterns.

패턴의 수가 증가하면 변위가 비례적으로 증가하나 응력은 비례적이지 않음을 확인할 수 있다. 응력은 패턴이 10일 때 가장 작으나 변위는 단일, 또는 2중에 비하여 매우 크게 증가함을 확인할 수 있다. 2중 구조의 16.0 mm 변위에서 응력 709 MPa에 비하여 4중 구조의 패턴 10에서는 변위가 19.3 mm로 증가하였지만 응력은 554 MPa로 오히려 크게 감소하였다.It can be seen that as the number of patterns increases, the displacement increases proportionally, but the stress is not proportional. It can be seen that the stress is the smallest when the pattern is 10, but the displacement increases significantly compared to single or double patterns. Compared to the stress of 709 MPa at the 16.0 mm displacement of the double structure, the displacement increased to 19.3 mm in pattern 10 of the quadruple structure, but the stress decreased significantly to 554 MPa.

본 설계에서 사용된 액츄에이터의 보이스 코일 모터는 Stroke가 +/- 15 mm이므로 4중 구조에서 패턴이 11일 때 변위 21.2 mm는 구현되지 않는다. 따라서 이를 채택하여도 발생되는 응력은 허용강도 이하일 것으로 추정되므로 이를 선택하고, 국부적인 응력 발생 부위를 보강하면서 유한요소 해석을 이용하여 응력을 확인하는 과정을 반복하였다.The voice coil motor of the actuator used in this design has a stroke of +/- 15 mm, so when the pattern is 11 in the quadruple structure, the displacement of 21.2 mm is not implemented. Therefore, even if this was adopted, the stress generated was estimated to be below the allowable strength, so this was selected, and the process of confirming the stress using finite element analysis was repeated while reinforcing the local stress generation area.

도 9는 패턴 수 11인 경우의 4중 구조의 판 스프링에 대하여 응력집중 부분을 보강하여 해석한 결과를 나타내는 도면이다.Figure 9 is a diagram showing the analysis results of reinforcing the stress concentration part of a four-layer leaf spring with a pattern number of 11.

두께 1.5 mm, 패턴 수 11의 4중 구조의 판 스프링에 응력이 집중되는 부분을 보강하여 해석한 결과를 보인 것이다. 200 N의 하중에 대하여 변위는 21.2 mm를 보이며 그때의 응력은 335 MPa로 감소한 것을 확인할 수 있다. 또한 아까 언급한 바와 같이 액츄에이터의 보이스 코일 모터는 Stroke가 +/-15 mm이므로 실제 발생되는 응력은 이에 비례적으로 감소하여 237 MPa로 추정할 수 있으며 이는 허용강도에 비하여 절반 정도 수준으로서, 안전율 200 %로 구동에 문제가 없는 설계임을 확인할 수 있다.The analysis results are shown by reinforcing the area where stress is concentrated on a four-layer leaf spring with a thickness of 1.5 mm and a number of patterns of 11. It can be seen that for a load of 200 N, the displacement is 21.2 mm and the stress at that time has decreased to 335 MPa. In addition, as mentioned earlier, the actuator's voice coil motor has a stroke of +/-15 mm, so the actual stress generated is reduced proportionally and can be estimated at 237 MPa, which is about half the allowable strength, with a safety factor of 200. You can confirm that the design has no problems with operation by using the %.

도 10은 질량을 2 kg으로 설계한 경우의 능동형 흡진기의 고유진동해석을 수행한 결과를 나타내는 도면이다.Figure 10 is a diagram showing the results of natural vibration analysis of an active absorber when the mass is designed to be 2 kg.

도 10(a)의 모드 1의 고유진동수가 수직방향의 모드 형상을 보이며, 10.4 Hz의 고유진동수를 가짐을 확인할 수 있다.It can be confirmed that the natural frequency of mode 1 in Figure 10(a) shows a vertical mode shape and has a natural frequency of 10.4 Hz.

도 11은 4중 판 스프링 구조체(1100)를 도시한 도면이고, 도 12는 4중 판 스프링 구조체(1100)를 적용한 능동형 흡진기(1000)의 전체적인 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 11 is a diagram showing the quadruple leaf spring structure 1100, and FIG. 12 is a diagram showing the overall structure of the active reducer 1000 to which the quadruple leaf spring structure 1100 is applied.

지지부(1130)는 진동제어의 흡진 대상체의 질량 M과 체결되며 판 스프링(1110)의 지지를 받는 중간부분은 여러 개의 라이너(liner)(1120)를 이용하여 판 스프링(1110) 간의 간격을 조정하고 있다. 이 부분은 액츄에이터(1200)의 구동력이 가해지는 능동형 흡진기(1000)의 동조질량부에 해당된다. 액츄에이터가 구동하지 않는 경우에도 중력에 기인한 정하중을 받아 4개의 판 스프링(1110) 모두는 아래 방향으로 처짐이 발생하게 된다. The support portion 1130 is connected to the mass M of the vibration control absorbing object, and the middle portion supported by the leaf spring 1110 adjusts the gap between the leaf springs 1110 using several liners 1120. there is. This part corresponds to the tuning mass part of the active extractor 1000 to which the driving force of the actuator 1200 is applied. Even when the actuator is not driven, all four leaf springs 1110 sag in the downward direction due to static load due to gravity.

도 12(a)는 능동형 흡진기(1000)의 단면을 사시도로서 도시한 도면이며, 도 12(b)는 능동형 흡진기의 형상을 사시도로서 도시한 도면이다.FIG. 12(a) is a perspective view showing a cross-section of the active reducer 1000, and FIG. 12(b) is a perspective view showing the shape of the active reducer.

도 12에서, 동조질량 mtuned는 라이너(1120)의 질량과 액츄에이터인 보이스 코일 모터(1200)의 영구자석(Permanent Magnet)(1220)의 질량의 합이 된다. 한편 보이스 코일 모터의 코일부(1210)는 하단에 고정되어 진동 제어의 대상이 되는 흡진 대상체(M)과 고정된다.In FIG. 12, the tuned mass m tuned is the sum of the mass of the liner 1120 and the mass of the permanent magnet 1220 of the voice coil motor 1200, which is an actuator. Meanwhile, the coil unit 1210 of the voice coil motor is fixed to the bottom and is fixed to the absorption object M that is the object of vibration control.

도 11의 4중 판 스프링 구조체(1100)를 채택한 능동형 흡진기(1000)는, 고유진동수가 초기상태에서 10.9 Hz가 됨을 확인할 수 있었으며, 동강성 ka는 9380.9 N/m임이 확인되었다. It was confirmed that the active absorber 1000 adopting the quadruple leaf spring structure 1100 of FIG. 11 had a natural frequency of 10.9 Hz in the initial state, and the dynamic stiffness ka was confirmed to be 9380.9 N/m.

이하에서는 도 13을 참조하여 4중 판 스프링 구조체(1100)의 이와 같은 강성을 줄이기 위해 적용되는 원리를 설명하고, 도 14를 참조하여 그러한 원리를 적용한 본 발명의 4중 판 스프링 구조체(1100)를 설명하기로 한다.Hereinafter, the principle applied to reduce the rigidity of the quadruple leaf spring structure 1100 will be described with reference to FIG. 13, and the quadruple leaf spring structure 1100 of the present invention to which such principle is applied will be described with reference to FIG. 14. Let me explain.

도 13은 보(beam)에서 발생되는 버클링(buckling) 현상을 설명하기 위한 도면이다.Figure 13 is a diagram for explaining the buckling phenomenon occurring in a beam.

음강성은 스프링의 강성(k)과 외력(F), 변위(x)의 관계를 나타내는 F=kx에서 강성의 값이 음이 됨을 의미하는 것으로 일반적인 기계구조물에서는 물리적으로 가질 수 없는 구조로 여겨진다. 그러나 도 13과 같이, 긴 세장비의 보에서 발생되는 버클링(Buckling) 현상을 이용하여 구현하는 방법이 연구되어왔다.Negative stiffness means that the stiffness value is negative at F=kx, which represents the relationship between spring stiffness (k), external force (F), and displacement (x), and is considered a structure that cannot be physically achieved in general mechanical structures. However, as shown in FIG. 13, methods for implementing the method using the buckling phenomenon occurring in long slender beams have been studied.

도 13(a)의 (1)은 수직으로 양단이 고정된 보의 초기상태로 이미 선하중이 가해져 버클링 상태로 시작된다. 이때 중앙에 수평방향으로 가해지는 힘 Ft가 작을 경우 미소한 크기에 대하여 양의 강성(positive stiffness)을 갖는 것은 자명하다. 이는 도 13(b)의 그래프에서 구간 (1)에 해당된다. 가로축의 변위와 세로축의 힘으로 결정되는 강성은 기울기가 되며 이는 양의 부호를 가진다.(1) in Figure 13(a) is the initial state of a beam with both ends fixed vertically, and a line load is already applied and it starts in a buckling state. At this time, if the force F t applied in the horizontal direction to the center is small, it is obvious that it has positive stiffness for a very small size. This corresponds to section (1) in the graph of Figure 13(b). The stiffness determined by the displacement of the horizontal axis and the force of the vertical axis becomes the slope, which has a positive sign.

그러나 지속적인 하중이 가해져서 도 13(a)의 (2)의 상태로 천이될 때 버클링 상태에서 도 13(a)의 (3)의 상태로 자력으로 이동하게 된다. 즉 천이 구간에서는 작은 외력 Ft가 음이 되어도 (3)번 상태로 이동하게 되므로 오히려 음의 강성(negative stiffness) 현상을 나타내는 효과를 보인다. 이는 도 13(b)의 그래프에서 구간 (2)를 나타낸 것으로서, 기울기는 음의 부호를 가지게 된다. 따라서 이 천이특성을 보이는 변위 구간은 음의 강성을 가지는 구조이다.However, when a continuous load is applied and the state transitions to (2) in Figure 13(a), it moves from the buckling state to the state (3) in Figure 13(a) by magnetic force. In other words, in the transition section, even if the small external force F t becomes negative, it moves to state (3), so it shows the effect of showing the phenomenon of negative stiffness. This shows section (2) in the graph of Figure 13(b), and the slope has a negative sign. Therefore, the displacement section showing this transition characteristic is a structure with negative stiffness.

도 14는 음의 강성(negative stiffness) 현상을 이용하는 4중 판 스프링 구조체(1100)를 도시한 도면이다.FIG. 14 is a diagram illustrating a quadruple leaf spring structure 1100 using the negative stiffness phenomenon.

도 14(a)의 초기 상태에서 각 판 스프링(1110) 들이 지지부(1130)에서 접하는 방식으로 지지되도록 하면 라이너(1120)에 의하여 자연스럽게 선하중이 가해지게 되어 도 14(b)와 같은 형상으로 거동하게 된다. 이때 '접하는'이라는 표현은 반드시 도 14와 같이 각 판 스프링(1110) 들이 지지부(1130)에서 '만나는' 것에 한정되지 않으며, 서로 충분히 근접했다는 의미를 포괄하며, 이하 동일하게 적용된다.In the initial state of FIG. 14(a), if each leaf spring 1110 is supported in a way that touches the support part 1130, a line load is naturally applied by the liner 1120, and the shape behaves as shown in FIG. 14(b). I do it. At this time, the expression 'contact' is not necessarily limited to 'meeting' each leaf spring 1110 at the support portion 1130 as shown in FIG. 14, but encompasses the meaning of being sufficiently close to each other, and the same applies hereinafter.

즉, 판 스프링 1(1111)이 지지부(1130)와 결합되는 부분과 판 스프링 2(1112)가 지지부(1130)와 결합되는 부분이, 도 14(a)와 같이 서로 지지부(1130)에서 서로 접하며, 판 스프링 3(1113)이 지지부(1130)와 결합되는 부분과 판 스프링 4(1114)가 지지부(1130)와 결합되는 부분이, 도 14(a)와 같이 서로 지지부(1130)에서 서로 접하는 상태로 형성된다.That is, the part where leaf spring 1 (1111) is coupled to the support part 1130 and the part where leaf spring 2 (1112) is coupled to the support part 1130 contact each other at the support part 1130, as shown in FIG. 14(a). , the portion where leaf spring 3 (1113) is coupled to the support portion 1130 and the portion where leaf spring 4 (1114) is coupled to the support portion 1130 are in contact with each other at the support portion 1130 as shown in FIG. 14(a). is formed by

도 14(a)의 구조가 질량체에 의해 하중을 받아 변형되면 도 14(b)와 같은 형상으로 거동하게 된다. 이때, 라이너(1120)가 그러한 사전변위를 일으키는 동조질량의 일부를 구성하며, 도 12를 참조하여 전술한 바와 같은 액츄에이터(1200)의 영구자석(1220) 역시 동조질량의 일부를 구성한다. 즉 상단부터 판 스프링 1(1111)과 판 스프링 3(1113)은 도 13을 참조하여 설명한 바와 같은 음의 강성(negative stiffness) 구조에서 천이구간에 놓이게 되어 음의 강성이 유도된다. 그러나 판 스프링 2(1112)과 판 스프링 4(1114)는 일반적인 양의 강성(positive stiffness)을 가지는 거동을 수행하며 전체 시스템의 강성은 개별적인 판 스프링(1111,1112,1113,1114)들의 강성의 합으로 나타나므로 항상 음의 강성이라고 간주될 수 없다. 그러나 일반적인 4중 판 스프링의 설치 구조에 비하여 더욱 낮은 강성을 유발하게 된다. 또한 선하중의 크기는 판 스프링 사이에 삽입되는 라이너(1120)의 두께에 따라 조정이 용이하여 적절한 낮은 강성으로 조정할 수 있는 구조를 가지게 된다. When the structure in Figure 14(a) is deformed under a load from a mass, it behaves in the same shape as Figure 14(b). At this time, the liner 1120 constitutes a part of the tuning mass that causes such prior displacement, and the permanent magnet 1220 of the actuator 1200 as described above with reference to FIG. 12 also forms part of the tuning mass. That is, from the top, leaf spring 1 (1111) and leaf spring 3 (1113) are placed in a transition section in the negative stiffness structure as described with reference to FIG. 13, thereby inducing negative stiffness. However, leaf spring 2 (1112) and leaf spring 4 (1114) perform behavior with general positive stiffness, and the stiffness of the entire system is the sum of the stiffnesses of the individual leaf springs (1111, 1112, 1113, and 1114). Therefore, it cannot always be considered negative stiffness. However, this results in lower rigidity compared to the general quadruple leaf spring installation structure. In addition, the size of the line load can be easily adjusted depending on the thickness of the liner 1120 inserted between the leaf springs, resulting in a structure that can be adjusted to an appropriately low rigidity.

여기서 하중에 더 가해져서 판 스프링 1(1111)과 판 스프링 3(1113)이 천이구간을 넘어가게 되면 다시 양의 강성이 유발되므로 강성의 크기는 다시 일반적인 4중 판 스프링의 설치 구조와 동일한 크기를 가지게 된다. 그러므로 낮은 강성을 유지하기 위해서는 천이구간 안에서만 동작하도록 설정한다.Here, when additional load is applied and leaf spring 1 (1111) and leaf spring 3 (1113) exceed the transition section, positive rigidity is again induced, so the size of the rigidity is again the same size as the installation structure of a general quadruple leaf spring. have it Therefore, in order to maintain low rigidity, set it to operate only within the transition section.

이와 같이 형성된 음의 강성(negative stiffness) 현상을 이용하는 4중 판 스프링 구조체(1100)는, 도 14(b)의 정적 처짐(static deflection) 상태에서 고유진동수의 크기가 7.9 Hz인 것으로 측정되었으며, 또한 이러한 판 스프링 구조체(1100)가 적용된 능동형 흡진기(1000)에 대하여 동조질량 mtuned를 고려하여 동강성을 추출하면 ka가 4927.7 N/m임이 확인되어, 도 12의 능동형 흡진기에 비해 44.5%의 강성이 강성이 감소하였음을 알 수 있다. 이로부터 도 14의 음의 강성(negative stiffness) 현상을 이용하는 4중 판 스프링 구조체(1100)가 능동형 흡진기(1000)에 장착되는 경우, 매우 유효한 효과를 가짐을 확인할 수 있다.The quadruple leaf spring structure 1100 using the negative stiffness phenomenon formed in this way was measured to have a natural frequency of 7.9 Hz in the static deflection state of Figure 14(b), and When the dynamic stiffness of the active extractor (1000) to which this leaf spring structure (1100) is applied is extracted considering the tuned mass m tuned , it is confirmed that ka is 4927.7 N/m, which is 44.5% of the stiffness compared to the active extractor of Figure 12. It can be seen that the stiffness has decreased. From this, it can be confirmed that when the quadruple leaf spring structure 1100 using the negative stiffness phenomenon of FIG. 14 is mounted on the active extractor 1000, it has a very effective effect.

1000: 능동형 흡진기
1100: 판 스프링(plate spring) 구조물
1110: 판 스프링
1111: 판 스프링 1
1112: 판 스프링 2
1113: 판 스프링 3
1114: 판 스프링 4
1120: 라이너(liner)
1130: 지지부
1200: 액츄에이터
1210: 보이스 코일(voice coil)
1220: 영구자석(permanet magnet)
1000: Active reducer
1100: plate spring structure
1110: leaf spring
1111: Leaf spring 1
1112: leaf spring 2
1113: leaf spring 3
1114: Leaf spring 4
1120: liner
1130: support part
1200: actuator
1210: voice coil
1220: permanent magnet

Claims (7)

음의 강성(negative stiffness) 현상을 이용하는 판 스프링(plate spring) 구조체로서,
상기 판 스프링 구조체에 연결된 제1 동조질량부;
판 스프링의 테두리부와 결합되어 해당 판 스프링을 지지하는 지지부;
테두리(이하, '제1 테두리부'라 한다)가 상기 지지부와 결합되어 지지되고, 상기 제1 동조질량부의 질량을 포함하는 전체 동조질량의 적어도 일부에 의하여 사전변위가 가해지는 제1 판 스프링; 및,
테두리(이하, '제2 테두리부'라 한다)가 상기 지지부와 결합되어 지지되면서 상기 제1 테두리부와 접하며, 상기 제1 판 스프링 하부에 위치하고, 상기 전체 동조질량의 적어도 일부에 의하여 사전변위가 가해지는 제2 판 스프링
을 포함하고,
상기 전체 동조질량의 거동에 의하여 상기 제1 판 스프링 또는 제2 판 스프링 중 적어도 하나에 음의 강성 현상이 발생되며,
상기 전체 동조질량은,
상기 판 스프링 구조체에 연결된 다른 동조질량부(이하 '제2 동조질량부'라 한다)가 있는 경우에는 상기 제1 동조질량부의 질량과 상기 제2 동조질량부의 질량을 합한 질량이고,
상기 판 스프링 구조체에 연결된 다른 동조질량부가 없는 경우에는 상기 제1 동조질량부의 질량인,
음의 강성 현상을 이용하는 판 스프링 구조체.
A plate spring structure that utilizes the phenomenon of negative stiffness,
a first tuned mass connected to the leaf spring structure;
A support portion coupled to the edge portion of the leaf spring to support the leaf spring;
a first leaf spring whose edge (hereinafter referred to as 'first edge portion') is coupled to and supported by the support portion, and on which a pre-displacement is applied by at least a portion of the total tuning mass including the mass of the first tuning mass portion; and,
An edge (hereinafter referred to as a 'second edge part') is coupled to and supported by the support part and is in contact with the first edge part, is located below the first leaf spring, and has a pre-displacement caused by at least a portion of the total tuning mass. Second leaf spring loaded
Including,
A negative stiffness phenomenon is generated in at least one of the first leaf spring and the second leaf spring due to the behavior of the entire tuned mass,
The total tuned mass is,
If there is another tuning mass part (hereinafter referred to as 'second tuning mass part') connected to the leaf spring structure, the mass is the sum of the mass of the first tuning mass part and the mass of the second tuning mass part,
If there is no other tuning mass connected to the leaf spring structure, the mass of the first tuning mass is,
Leaf spring structure that utilizes the negative stiffness phenomenon.
청구항 1에 있어서,
테두리(이하, '제3 테두리부'라 한다)가 상기 지지부와 결합되어 지지되고, 상기 제2 판 스프링 하부에 위치하며, 상기 전체 동조질량의 적어도 일부에 의하여 사전변위가 가해지는 제3 판 스프링; 및,
테두리(이하, '제4 테두리부'라 한다)가 상기 지지부와 결합되어 지지되면서 상기 제3 테두리부와 접하며, 상기 제3 판 스프링 하부에 위치하고, 상기 전체 동조질량의 적어도 일부에 의하여 사전변위가 가해지는 제4 판 스프링
을 더 포함하고,
상기 전체 동조질량의 거동에 의하여 상기 제3 판 스프링 또는 제4 판 스프링 중 적어도 하나에 음의 강성 현상이 발생되는 것
을 특징으로 하는 음의 강성 현상을 이용하는 판 스프링 구조체.
In claim 1,
A third leaf spring whose edge (hereinafter referred to as 'third edge portion') is coupled to and supported by the support portion, is located below the second leaf spring, and has a pre-displacement applied by at least a portion of the total tuning mass. ; and,
An edge (hereinafter referred to as 'fourth edge part') is coupled to and supported by the support part and is in contact with the third edge part, is located below the third leaf spring, and has a pre-displacement caused by at least a portion of the total tuning mass. 4th leaf spring loaded
It further includes,
A negative stiffness phenomenon occurs in at least one of the third leaf spring or the fourth leaf spring due to the behavior of the entire tuned mass.
A leaf spring structure using the negative stiffness phenomenon characterized by .
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제1 동조질량부는,
상기 판 스프링 구조체의 각 판 스프링 사이 공간들 중 적어도 하나에 구비되면서 각각은 상부면이 그 상부의 판 스프링의 하부면과 접하며 하부면이 그 하부의 판 스프링의 상부면과 접하여, 상기 상부의 판 스프링과 상기 하부의 판 스프링 사이에 일정 간격을 유지시키는 라이너
를 포함하는 것을 특징으로 하는 음의 강성 현상을 이용하는 판 스프링 구조체.
In claim 1 or claim 2,
The first tuning mass unit,
It is provided in at least one of the spaces between each leaf spring of the leaf spring structure, and each has an upper surface in contact with the lower surface of the upper leaf spring and a lower surface in contact with the upper surface of the lower leaf spring, and the upper surface is in contact with the upper surface of the leaf spring. A liner that maintains a certain gap between the spring and the lower leaf spring.
A leaf spring structure using a negative stiffness phenomenon comprising a.
음의 강성(negative stiffness) 현상을 이용하는 능동형 흡진기로서,
음의 강성 현상을 이용하는 청구항 1의 판 스프링 구조체;
상기 판 스프링 구조체에 연결된 제2 동조질량부;
전체 동조질량부와 하부의 흡진 대상체 사이에 힘을 제공하는 액츄에이터
를 포함하고,
상기 전체 동조질량부는,
상기 판 스프링 구조체의 제1 동조질량부; 및
상기 제2 동조질량부
를 포함하며,
상기 제2 동조질량부는,
청구항 1에 기재된 '다른 동조질량부(이하 '제2 동조질량부'라 한다)'를 의미하는,
음의 강성 현상을 이용하는 능동형 흡진기.
An active absorber that utilizes the phenomenon of negative stiffness,
The leaf spring structure of claim 1 utilizing the negative stiffness phenomenon;
a second tuned mass connected to the leaf spring structure;
An actuator that provides force between the entire tuned mass and the lower absorption object.
Including,
The entire tuned mass portion is,
a first tuned mass portion of the leaf spring structure; and
The second tuned mass portion
Includes,
The second tuned mass unit,
Means 'another tuned mass part (hereinafter referred to as 'second tuned mass part')' described in claim 1,
Active reducer that utilizes the negative stiffness phenomenon.
청구항 4에 있어서,
상기 액츄에이터는,
제어기에 의해 제어되는 전류가 흐르는 보이스 코일(voice coil); 및,
상기 보이스 코일 내부에 위치하는 영구자석
을 구비하는 것을 특징으로 하는 음의 강성 현상을 이용하는 능동형 흡진기.
In claim 4,
The actuator is,
A voice coil carrying a current controlled by a controller; and,
Permanent magnet located inside the voice coil
An active reducer that utilizes the negative stiffness phenomenon, characterized in that it has a.
청구항 5에 있어서,
상기 제2 동조질량부는,
상기 영구자석
을 포함하는 것을 특징으로 하는 음의 강성 현상을 이용하는 능동형 흡진기.
In claim 5,
The second tuned mass unit,
The permanent magnet
An active reducer that utilizes the negative stiffness phenomenon, comprising:
청구항 4에 있어서,
상기 전체 동조질량부의 질량(이하 '전체 동조질량'이라 한다)의 거동에 의하여 상기 판 스프링 구조체에 음의 강성 현상이 발생되는 것
을 특징으로 하는 음의 강성 현상을 이용하는 능동형 흡진기.
In claim 4,
A negative stiffness phenomenon occurs in the leaf spring structure due to the behavior of the mass of the entire tuning mass (hereinafter referred to as 'total tuning mass').
An active absorber that utilizes the negative stiffness phenomenon characterized by .
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