KR20090112177A - 능동 동흡진기 - Google Patents

Abstract

질량체를 케이스에 연결하는 스프링 중, 일부를 강성 가변제어가 가능한 강성 가변 스프링으로 변경함으로써 진동체의 상쇄하고자 하는 주가진력의 주파수 근처 대역으로 그 고유 주파수를 가변시켜 진동 주파수 범위 전 영역에 걸쳐 정밀한 제어와 높은 효율을 얻을 수 있는 능동 동흡진기를 제공한다.

능동 동흡진기, 질량체, 에어 스프링, 강성 가변 스프링

Description

능동 동흡진기{Active Dynamic Vibration Absorber}

본 발명은 능동 동흡진기에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 구동기를 사용하여 스프링-질량계의 질량체를 왕복운동시키고, 이로써 얻어지는 관성력(제어력)을 사용하여 진동체의 진동을 상쇄시켜 NVH 성능을 개선하고, 그 효율을 향상시키는 능동 동흡진기에 관한 것이다.

능동 동흡진기 (Active Dynamic Vibration Absorber)는 스프링과 질량체, 및 질량체를 왕복 운동시킬 수 있는 전동식, 전자식 또는 공압식 구동기로 구성된다.

이러한 능동 동흡진기의 진동 저감 원리는, 도 1에 도시한 바와 같이, 구동기(101)를 사용하여 질량체(103)를 왕복 운동시키고, 이렇게 왕복 운동되는 질량체(103)로 인해 발생되는 관성력(제어력)을 저감시키고자 하는 가진 진동수를 가지면서 동시에 위상은 정반대가 되도록 제어하면, 진동체(105)의 진동에 의한 주가진력을 상쇄시켜 진동을 저감시킨다.

즉, 구동기(101)의 작동 전류나 전압의 주파수를 제어하여 저감시키고자 하는 가진 진동수를 가변시킬 수 있으며, 관성력(제어력)의 크기 또한 작동 전류나 전압의 크기를 제어하여 가변할 수 있다.

이러한 능동 동흡진기 중, 전자식 구동기를 갖는 능동 동흡진기는 스프링을 이용하여 질량체를 케이스(Case)에 고정하고, 질량체 상부와 하부에 각각 코어와 코일로 구성된 전자석을 배치하여 상부의 전자석과 하부의 전자석을 교대로 온오프(On-Off)시켜 질량체가 왕복운동 하도록 하여 질량체의 관성력(제어력)이 발생되도록 하고, 이 관성력(제어력)이 스프링을 통해 외벽에 전달되어 진동체(차체의 샤시 등)에 고정된 외벽을 통해 진동체에 전달됨으로써 절연계를 통해 진동체로 전달된 주가진력을 상쇄하여 진동을 저감하는 원리를 갖는다.

또한, 도 2에 도시한 바와 같은, 전동식 구동기를 갖는 능동 동흡진기(200)는 케이스(211) 내부에서 영구자석(201)과 코일(203)로 구성된 전동식 구동기(205)를 사용하여 코일(203)에 순방향과 역방향 전류를 사인파 형태로 입력하고, 이때 발생되는 로렌쯔력을 이용하여 질량체(즉, 금속코어)가 왕복운동 하도록 한다.

여기서, 질량체는 상기 코일(203)이 감기는 코일부(207)와 상기 영구자석(201)이 구성되는 코어부(209) 2가지 중 하나가 되어 상부 스프링(213)과 하부 스프링(215)에 의해 케이스(211)에 설치되고, 다른 한쪽은 진동체(미도시)에 고정되도록 하는 것이 일반적이다.

이와 같이, 가진체의 주가진력을 효과적으로 저감시키기 위해서는 가진력과 동일한 주파수를 가지며, 가진력와 정반대의 위상을 갖고, 가진력과 동등한 크기를 갖는 제어력을 발생시켜야 하는데, 이러한 원리를 갖는 능동 동흡진기(200)는 그 스프링과 질량체가 갖는 고유 주파수와 근접한 주파수로 가진되도록 하여 공진에 의해 다른 주파수 대역의 동일한 크기의 입력에 비하여 더 큰 제어력을 발생시킬 수 있다.

반면, 상기한 능동 동흡진기는 공진이 커질수록 정밀한 제어가 어려워지므로 공진을 사용하여 그 효율을 향상시키는 것은 한계가 있어, 제어하고자 하는 주가진력의 범위를 설정하고 이러한 주가진력의 최소 주파수보다 고유 주파수가 더 낮은 값을 갖도록 설계하는 것이 일반적이다.

즉, 상기한 능동 동흡진기는 그 고유 주파수 근처 대역의 주파수로 작동시킬 경우, 공진에 의해 동일한 크기의 입력 전류일 때와 비교하여 보다 큰 관성력을 얻을 수 있는 장점은 있으나, 공진에 의해 주파수와 그 크기, 및 위상의 제어가 어려워지는 단점을 가지고 있다.

따라서 종래의 능동 동흡진기는, 도 3에서 도시한 바와 같이, NVH 성능을 개선하고자 하는 진동체의 진동 주파수 범위를 고려하여 능동 동흡진기의 고유 주파수가 진동 주파수 범위를 벗어나도록 설계하였다.

그러나 이와 같은 종래의 능동 동흡진기는 그 고유 주파수가 설계 시에 고정되어 진동체의 진동 주파수 범위 중, 낮은 주파수 대역의 진동을 상쇄할 때는 높은 효율을 얻을 수 있으나, 높은 주파수 대역의 진동을 상쇄할 때는 효율면에서 손실이 발생하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 스프링-질량계의 고유 주파수는 스프링의 강성과 질량체의 질량에 따라 결정되므로 스프링의 강성을 조절하면 스프링-질량계의 고유 주파수를 임의로 가변할 수 있는 점에 착안하여 발명된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 질량체를 케이스에 연결하는 스프링 중, 일부를 강성 가변제어가 가능한 강성 가변 스프링으로 변경함으로써 진동체의 상쇄하고자 하는 주가진력의 주파수 근처 대역으로 그 고유 주파수를 가변시켜 진동 주파수 범위 전 영역에 걸쳐 정밀한 제어와 높은 효율을 얻을 수 있는 능동 동흡진기를 제공하는 것이다.

상기한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 능동 동흡진기는 복수의 스프링수단을 이용하여 질량체를 케이스에 설치한 상태로, 구동기에 의해 상기 질량체를 왕복운동시켜 얻어지는 관성력을 이용하여 진동체의 진동을 상쇄시키는 능동 동흡진기에서,

상기 복수의 스프링수단 중, 하나의 스프링수단은 공기압을 이용하여 그 강성을 가변하여 진동을 저감하고자 하는 진동체의 주가진력의 주파수 근처 대역으로 그 고유 주파수를 가변하는 강성 가변 스프링으로 이루어진다.

상기 강성 가변 스프링은 공기압에 의해 그 강성이 가변되는 에어 스프링으로 이루어지는 것으로 할 수 있다.

상기 강성 가변 스프링은 다른 하나의 스프링수단에 대하여 상부에서, 상기 질량체와 케이스 사이에 설치되는 것으로 할 수 있다.

즉, 상기한 본 발명의 능동 동흡진기의 보다 구체적인 구성으로, 진동체에 설치되는 케이스와, 상기 케이스의 내부에 고정 설치되어 구동기 역할을 하는 코일부와, 상기 케이스의 내부에서 상기 코일부의 내주면에 영구자석이 대응하도록, 일측에 상기 영구자석을 구성하여 질량체 역할을 하는 코어부와, 상기 코어부의 상단과 하단을 각각 상기 케이스의 상부 내면과 하부 내면에 지지하는 상부 및 하부 스프링을 포함하는 능동 동흡진기에서,

상기 상부 스프링은 공기압을 이용하여 그 강성을 가변하여 상기 진동체의 주가진력의 주파수 근처 대역으로 그 고유 주파수를 가변하는 강성 가변 스프링으로 이루어지며, 상기 강성 가변 스프링은 공기압에 비례하여 그 강성이 가변되는 에어 스프링으로 이루어지는 것으로 할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 능동 동흡진기에 의하면, 질량체를 케이스에 연결하는 스프링 중, 일부를 강성 가변제어가 가능한 강성 가변 스프링으로 변경함으로써 진동체의 상쇄하고자 하는 주가진력의 주파수 근처 대역으로 능동 동흡진기의 고유 주파수를 옮겨 공진 효과를 최대한 활용할 수 있도록 함으로써 진동 주파수 범위 전 영역에 걸쳐 정밀한 제어와 높은 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 능동 동흡진기의 구성 단면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 능동 동흡진기에 적용되는 에어 스프링의 부분 절개 사시도이다.

본 실시예에 따른 능동 동흡진기의 기본적인 구성은, 도 4에서 도시한 바와 같이, 진동체(미도시)에 설치되는 원통형의 케이스(1)가 구비된다.

상기 케이스(1)의 내부에는 영구자석과 함께 구동기 역할을 하는 코일부(3)가 케이스(1)에 고정 설치된다.

즉, 상기 코일부(3)는 상기 케이스(1)의 하면 중앙에 체결되는 원형의 보빈(5)의 외주에 코일(7)을 감아서 구성된다.

그리고 상기 코일부(3)의 내주면에 대응하여 질량체 역할을 하는 코어부(9)가 구성되는데, 상기 코어부(9)는 상기 코일에 대응하여 영구자석(11)이 대응하도록, 일측 둘레를 따라 영구자석(11)을 구성하는 금속코어(13)로 형성된다.

또한, 상기 코어부(9)는 그 상단과 하단이 각각 상부 스프링(15)과 하부 스프링(17)을 통하여 상기 케이스(1)의 상부 내면과 하부 내면에 지지되어 케이스(1)에 대하여 진동 가능하게 설치된다.

이러한 능동 동흡진기에서, 본 실시예의 특징적 기술은 상기 상부 스프링(15)이 강성 가변 스프링으로 구성되는 것이다.

즉, 상기 강성 가변 스프링은 공기압에 따라 그 강성을 가변함으로써 상기 진동체의 주가진력의 주파수 근처 대역으로 능동 동흡진기의 고유 주파수를 가변하는 역할을 하며, 본 실시예에서는 도 5에 도시한 바와 같이, 링 형상의 에어 스프 링(21)을 적용하였다.

본 실시예에 따른 강성 가변 스프링은, 상기와 같이 공기압에 비례하여 그 강성이 가변되는 에어 스프링(21)을 적용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 외부 신호에 반응하여 그 강성을 가변하면서, 질량체인 코어부(9)를 탄성적으로 지지할 수 있는 구성이면 적용이 가능하다.

따라서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 능동 동흡진기는 차량에 적용된 경우에, 도 6에서 도시한 바와 같이, 상부 스프링(15)인 에어 스프링(21)에 공기압을 주입하거나 배출하여 그 강성을 가변함으로써, 그 고유 주파수를 운전조건에 따라 가변시켜 정밀한 제어와 높은 효율을 동시에 구현하게 된다.

이러한 능동 동흡진기의 고유 주파수는 능동 동흡진기 시스템 전체 강성값에 비례하므로 에어 스프링(21)에 공기를 주입하여 강성을 증가시키면, 그 고유 주파수는 증가되고, 에어 스프링(21)에 공기를 빼내면 강성이 감소되어 고유 주파수 역시 감소된다.

예를 들어, 도 7에서 도시한 바와 같이, 40~200Hz의 진동체의 진동 주파수 범위내에서 엔진 RPM이 증가하는 경우와 같이 상쇄하고자 하는 진동체의 진동 주파수가 60Hz가 되면 강성 가변이 가능한 상기 에어 스프링(21)에 공기압을 주입하여 그 강성을 증가시켜 능동 동흡진기의 고유진동수를 50Hz로 증가시킬 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 능동 동흡진기는 고유 주파수가 고정된 기존의 능동 동흡진기와 비교하여 공진 효과를 더 크게 이용할 수 있으므로 동일한 크기의 입력전류에 대하여 더 큰 관성력(제어력)을 얻을 수 있어 효율이 증대된다.

한편, 도 8에서 도시한 바와 같이, 40~200Hz의 진동체의 진동 주파수 범위내에서 엔진 RPM이 더욱 증가하여 상쇄하고자 하는 진동체의 진동 주파수가 90Hz가 되면 강성 가변이 가능한 에어 스프링(21)의 공기압을 더 주입하여 강성을 더 증가시킴으로써, 능동 동흡진기의 고유 주파수를 80Hz로 증가시킬 수 있다.

이러한 작동으로 본 실시예에 따른 능동 동흡진기는 높은 효율을 낼 수 있도록 주가진력 전체 범위내에서 공진 효과를 사용할 수 있도록 운전조건에 따라 강성을 제어하는 제어 알고리즘을 가지며, 진동 주파수 전 영역에 걸쳐 효율 손실 없이 진동체의 진동 상쇄가 가능하게 된다.

여기서, 상기 강성 가변 스프링인 에어 스프링(21)을 상부 스프링(15)에 적용하는 이유는 질량체인 코어부(9)를 지지하는 하부 스프링(17)이 파손될 경우, 능동 동흡진기가 작동될 수 없으므로 fail-safety를 고려하여 하부 스프링(17)은 기계적인 스프링인 코일 스프링을 사용하고 상부 스프링(15)은 강성 가변이 가능한 에어 스프링(21)을 적용하는 것이다.

본 발명의 개념은 전자식 구동기를 사용하는 능동 동흡진기뿐만 아니라, 전동식 구동기를 사용하는 능동 동흡진기에도 적용될 수 있으며 코어부가 질량체일 경우나 코일부가 질량체일 경우에도 모두 적용 가능하다.

이상에서는 현재로서 실질적이라 고려되는 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것으로 이해되어서는 안된다. 오히려, 전술한 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포 함하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 일반적인 능동 동흡진기의 개념도이다.

도 2는 종래기술에 따른 능동 동흡진기의 일례에 따른 구성 단면도이다.

도 3은 고유 주파수를 30Hz로 설계한 상태 일반적인 능동 동흡진기의 주파수와 그 세기의 그래프이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 능동 동흡진기의 구성 단면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 능동 동흡진기에 적용되는 에어 스프링의 부분 절개 사시도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 능동 동흡진기의 고유 진동수 가변을 위한 작동 상태도이다.

도 7과 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 능동 동흡진기의 고유 주파수 가변작동에 따른 주파수와 그 세기의 그래프이다.

Claims (3)

1. 복수의 스프링수단을 이용하여 질량체를 케이스에 설치한 상태로, 구동기에 의해 상기 질량체를 왕복운동시켜 얻어지는 관성력을 이용하여 진동체의 진동을 상쇄시키는 능동 동흡진기에 있어서,

   상기 복수의 스프링수단 중, 하나의 스프링수단은

   공기압을 이용하여 그 강성을 가변하여 진동을 저감하고자 하는 진동체의 주가진력의 주파수 근처 대역으로 그 고유 주파수를 가변하는 강성 가변 스프링으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 능동 동흡진기.
2. 제1항에서,

   상기 강성 가변 스프링은

   공기압에 의해 그 강성이 가변되는 에어 스프링으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 능동 동흡진기.
3. 제1항에서,

   상기 강성 가변 스프링은

   다른 하나의 스프링수단에 대하여 상부에서, 상기 질량체와 케이스 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 능동 동흡진기.

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