KR20120001375A

KR20120001375A - 차량용 전동식 능동 동흡진기 장치

Info

Publication number: KR20120001375A
Application number: KR1020100062123A
Authority: KR
Inventors: 김장호
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2012-01-04
Also published as: KR101184286B1; US8662266B2; US20110316363A1; DE102010060589A1; JP5770442B2; JP2012013221A

Abstract

본 발명은, 차량의 프레임에 장착되어 차량의 진동을 감쇠시키는 동흡진기를 구비한 차량용 전동식 능동 동흡진기 장치에 있어서, 상기 동흡진기는 코일부의 전원인가에 따라 하우징 내에서 판스프링과 결합된 요크부를 진동시키도록 구성되되, 상기 요크부는, 판형의 내부자성체를 구비하고 상단과 하단의 각각에서 판스프링들과 결합된 내부요크; 및 상기 내부요크가 삽입되도록 상면과 하면이 개구된 형상이고 내부자성체가 끼워지도록 안쪽으로 지지부재가 형성된 외부요크;를 포함하여 구성되고, 상기 코일부는 상측코일부와 하측코일부로 구성되어 상기 내부요크와 외부요크 사이로 지지부재의 상측에는 상측코일부가 장착되고 지지부재의 하측에는 하측코일부가 장착되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성의 본 발명은, 코일부가 요크부의 상하로 배치되어 상기 요크부를 더 효율적으로 진동시킬 수 있으며, 진동의 제어 또한 더 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있고 외부자성체를 구비하여 상기와 같은 효과를 더 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

차량용 전동식 능동 동흡진기 장치{Electromotive active dynamic vibration absorber apparatus for vehicle}

본 발명은 차량용 전동식 능동 동흡진기 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 코일부를 상하로 배치시켜 성능은 더욱 향상된 전동식 능동형 동흡진기 장치에 관한 것이다.

엔진의 구동에 따라 차량에는 진동이 발생하기 때문에, 이러한 진동을 감쇠시키기 위한 연구와 개발이 진행되어 왔다.

동흡진기는 발생 진동에 대한 안티노드(Anti-Node)를 고의로 일으켜 진동의 진폭을 감쇠시키는 장치로서, 자동차의 진동 감쇠를 위한 장치로 널리 사용되어 왔다.

상기 동흡진기는 질량-스프링계(mass-spring system)를 이룬다. 그리고, 상기 동흡진기 중 발생된 진동을 감지하고 그 진동폭과 주파수에 따라 진동폭 및 주기를 조절하여 감쇠시키는 방식을 능동 동흡진기라 한다. 상기 능동 동흡진기를 구성하는 장치는 질량-스프링계인 동흡진기와 상기 동흡진기를 전기 에너지로서 왕복 운동시킬 수 있는 센서 및 장치를 포함한다.

도 1a 를 참조하면, 엔진(engine)의 진동은 엔진마운트(engine mount)를 통하여 섀시(chassis)로 전달되어 차체 전체를 진동시킨다. 비록 엔진마운트에서 일정 수준까지 엔진의 진동은 감쇠되나 이는 충분하지 못하다. 따라서 엔진에서 전달된 진동을 감쇠시키기 위해 능동 동흡진기 장치가 추가적으로 설치된다. 도시된 바와 같은 능동 동흡진기 장치는 동흡진기(vibration absorber)이외에도 섀시의 진동의 크기 및 방향 등을 감지하는 가속도계(accelerometer)와 엔진 회전 속도를 감지하며 가속도계에서 신호를 받고 동흡진기를 제어하는 컨트롤러(controller) 및 컨트롤러에서 제공된 전기적신호를 증폭하는 증폭기(amplifier)를 포함하여 구성된다. 이와 같이 구성된 능동 동흡진기 장치는 도면의 우측에 도시된 바와 같이, 엔진에서 발생되어 엔진마운트를 통해 전달된 진동과 위상(phase)이 반대되는 진동을 동흡진기에서 발생시켜 섀시에서의 진동을 상쇄시키는 효과를 갖는다. 이와 같은 구성의 능동 동흡진기는 엔진의 rpm 에 따라 상이하게 발생되는 진동에 따라 전기적 신호를 제어하여 반대 위상을 갖는 진동을 발생시킬 수 있으므로, 차량의 저속 및 고속 운행시에도 엔진의 진동을 더욱 효과적으로 제어할 수 있다.

이러한 능동 동흡진기 장치에서 동흡진기는, 전기적 신호에 의해 진동하도록 내부에 코일이 감겨진 코일부와 코일에서 전기가 발생하면 전기적인 힘에 의해 움직이며 일정한 질량을 갖는 요크부를 내장한다. 상기 요크부는 서로 다른 방향을 향하여 연속적으로 힘을 받아 상하로 움직이되, 이러한 움직임이 진동으로 전환되도록 요크부의 상부면과 하부면에 각각 판스프링이 부착된다.

도 1b 는 종래의 동흡진기에서 요크부(3)에 판스프링들(2a, 2b)이 장착된 모습을 도시한 단면도이다. 도면을 참조하면, 상기 요크부(3)는 상측 및 하측 각각이 볼록하게 돌출되어 판스프링들(2a, 2b)과 결합되며, 상기 판스프링들(2a, 2b)이 하우징(4)에 체결되어 진동을 전달하는 구조를 갖는다. 그러나, 이와 같은 구조는 자기장을 발생시켜 요크부(3)를 진동시키는 코일부(1)가 상측에만 배치된다. 따라서, 자기장이 일측에만 편중되는 구조를 갖게 되므로 이를 더 효율적으로 개선할 필요가 있었다.

이에 따라, 본 발명은 더욱 효과적이고 효율적으로 진동을 발생시키는 동흡진기를 제공하는 것에 주목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 차량의 프레임에 장착되어 차량의 진동을 감쇠시키는 동흡진기를 구비한 차량용 전동식 능동 동흡진기 장치에 있어서, 상기 동흡진기는 코일부의 전원인가에 따라 하우징 내에서 판스프링과 결합된 요크부를 진동시키도록 구성되되, 상기 요크부는, 원통형 형상이며 원판형의 내부자성체를 구비하고 판스프링과 결합된 내부요크; 및 상기 내부요크가 삽입되도록 상면과 하면이 개구된 원통형상이고 내부자성체가 끼워지도록 안쪽으로 지지부재가 형성된 외부요크;를 포함하여 구성되고, 상기 코일부는 상측코일부와 하측코일부로 구성되어 상기 내부요크와 외부요크 사이로 지지부재의 상측에는 상측코일부가 장착되고 지지부재의 하측에는 하측코일부가 장착되는 것을 특징으로 한다..

아울러, 상기 외부요크의 외주면에는 둘레를 따라 끼움홈이 형성되고, 상기 끼움홈에 외부자성체가 장착된다.

그리고, 상기 외부요크는 지지부재의 외측으로 연결스포크(connector spoke)가 형성되되, 상기 연결스포크는 홀(hole)들이 형성되어 서로 소정의 간격을 두고 산개(散開)된 구조를 갖거나 또는 일체형으로서 하나로 형성된 구조를 갖는다. 더 상세하게는, 상기 연결스포크는, 상측코일부와 하측코일부의 분리 여부에 따라 일정한 간격으로 홀(hole)이 형성되거나 형성되지 않을 수도 있다.

상기 코일부가 안착되는 내부요크와 외부요크 사이에는 코일하우징이 장착되되, 상기 코일하우징은 요크부의 상측과 하측에서 각각 삽입가능하도록 상측코일하우징과 하측코일하우징으로 분리구성된다.

상기 코일하우징은 다수 개의 개구홈이 표면에 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 판스프링과 결합하는 내부요크의 상단 및 하단은 비자성체 재질로 제조되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성의 본 발명은, 코일부가 요크부의 상하로 배치되어 상기 요크부를 더 효율적으로 진동시킬 수 있으며, 진동의 제어 또한 더 용이하게 수행할 수 있는 효과가 있고 외부자성체를 구비하여 상기와 같은 효과를 더 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

상기 외부요크는 상하로 개구된 홀들이 형성되도록 다수 개의 연결스포크가 이격된 형태로 구성됨으로서, 상측코일부와 하측코일부에서 형성한 자기력선이 더 효율적으로 연동하여 요크부를 진동시킬 수 있는 효과가 있다.

그리고, 코일하우징을 구비하여 진동에서 코일부를 보호하며, 요크부의 상단과 하단을 비자성체로 구성하여 자기장의 형성 범위를 조절하는 효과가 있다. 이러한 자기장의 제한은 외부 기기들이 자력(磁力)에 영향을 받는 것을 방지하는 효과가 있다.

도 1a 는 차량에 설치되는 능동 동흡진기 장치의 구성을 나타낸 모식도이고,
도 1b 는 종래의 동흡진기의 단면도이고,
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동흡진기의 단면도이고,
도 3 은 본 발명의 외부요크에 코일하우징이 결합되는 모습을 도시한 사시도이고,
도 4 는 도 3 에서 코일하우징이 결합됐을 때, A-A' 부분의 단면도이고,
도 5a 는 다른 실시예에 따른 외부하우징의 사시도이고,
도 5b 는 다른 실시예에 따른 외부하우징의 평면도 및 B-B' 부분의 단면도이고,
도 6 은 도 5a 에 도시된 외부요크에 결합되는 코일하우징의 사시도이고,
도 7 은 내부요크의 상단과 하단에 비자성체를 결합시켰을 때, 자기장의 변화를 비교하여 나타낸 단면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동식 능동 동흡진기 장치에서 동흡진기의 구조에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 동흡진기는 차량의 섀시 또는 서브프레임에 장착되되, 전술한 바와 같은 컨트롤러 및 증폭기로부터 전기적 신호를 인가받아 진동하도록 구성된다. 도 2 에 도시된 동흡진기는 (도 1b 에 도시된 바와 같이) 하우징에 판스프링 및 요크부를 내장하되, 상기 하우징은 도면을 더 간결하고 명확하게 나타내기 위해 생략되었다.

상기 동흡진기는 하우징에 판스프링들(60, 70)이 평행하게 고정설치되며, 상기 판스프링들(60, 70) 사이에 요크부가 장착된다. 그리고, 상기 요크부를 진동시키는 코일부 또한 하우징에 고정설치된다.

상기 요크부는, 원통형 형상이며 중간 위치에 원판형의 내부자성체(10c)를 구비하고 상단과 하단에서 각각의 판스프링(60, 70)과 결합된 내부요크(10);와 상기 내부요크(10)가 안쪽으로 삽입가능하도록 상면과 하면이 개구된 원통형 형상인 외부요크(20);를 포함하여 구성된다. 상기 내부요크(10)는 상단과 하단의 종방향 중심이 상하로 각각 돌출되어 각각의 판스프링들(60, 70)에 볼트결합되어 고정되며, 상기 판스프링들(60, 70)은 하우징 내에 고정결합되어 있다. 그리고, 상기 내부자성체(10c)는 영구자석이며, 상기 내부자성체(10c)의 상면 및 하부면에 결합된 상측요크부(10a)와 하측요크부(10b)는 자화(磁化)되도록 금속재질로 형성된다. 상기 상측요크부(10a)와 하측요크부(10b) 및 내부자성체(10c)는 외부요크(20)의 지지부재(21)가 끼워져 고정될 수 있도록 오목한 부분이 형성된다. 참고적으로, 상기 지지부재(21)의 내주면에 암나사산을 형성하고 상측요크부(10a) 및 하측요크부(10b)에 테두리에 숫나사산을 형성하면, 도 2 에 도시된 바와 같이 내부자성체(10c)를 사이에 두고 상측요크부(10a)와 하측요크부(10b)를 용이하게 결합시킬 수 있다.

한편, 상기 외부요크(20)는 내부자성체(10c)가 지지되도록 안쪽으로 링(ring) 형상의 지지부재(21)가 형성되고, 바깥쪽 부분은 외주면에서 테두리를 따라 홈이 형성되고 외부자성체(22)가 장착된다. 그리고, 상기 외부자성체(22)가 결합되는 외곽부분은 자화되는 금속재질로 구성되고 지지부재(21)는 비자성의 재질로 제조되는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성된 외부요크(20)는 상기 외부자성체(22)가 도시된 바와 같이 내부자성체(10c)와 극성이 반대방향을 향하도록 배치되어 화살표 모양과 같은 자기력선을 형성시킨다.

한편, 상기 내부요크(10)와 외부요크(20) 사이에는 상측과 하측에 각각 소정의 공간이 형성되며, 상기 공간으로 코일부가 장착된다. 즉, 상측코일부(40) 및 하측코일부(50)가 위아래로 나란하게 장착된다. 상기 상측코일부(30)와 하측코일부(50)는 진동하지 않도록 하우징에 고정설치된다. 상기 코일부는 코일이 소정의 권수로 코일이 권취되어 있으며, 전술한 바와 같은 컨트롤러와 증폭기를 통하여 전류가 흐르도록 구성된다.

한편, 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 동흡진기는 요크부의 진동시 코일부를 보호하며 열배출을 용이하게 하도록 코일하우징(30)을 더 포함한다. 상기 코일하우징(30)은 외부요크(20)의 상측과 하측에서 배치될 수 있도록 상측코일하우징(30a)과 하측코일하우징(30b)으로 분리돼 구성된다. 그리고, 상기 코일하우징(30)은 요크부의 진동에 따른 열배출을 촉진하도록 다수 개의 개구홈(31)이 둘레를 따라 표면에 형성된다.

더 상세히 설명하면, 상측코일하우징(30a)과 하측코일하우징(30b)을 각각 분리 제작한 후 결합시키는 방식으로 코일하우징(30)을 구성할 경우, 도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 상기 외부요크(20)는 외부자성체(22)가 결합된 외각 부분과 내측의 지지부재(21)를 연결하는 연결스포크(23)를 (사이에 홀들을 형성하지 않고) 하나의 일체형으로 구성하는 것이 바람직하다.

그리고, 상측코일하우징과 하측코일하우징을 일체로 성형하여 조립공정을 줄이고자 할 경우에는, 도 5a 및 도 5b 에 도시된 바와 같이, 상기 외부요크(20)의 외부자성체(22)가 결합된 외각 부분과 내측의 지지부재(21)에 사이에 (일정 간격으로 홀들을 형성함으로서) 다수 개의 연결스포크들(24)들을 산개(散開)시키도록 형성할 수 있다. 즉, 이웃하는 연결스포크(24)들은 서로 이격되어 형성되어 그 사이에는 상하를 개구하는 홀(hole)이 형성된다.

그리고, 이와 같이 연결스포크(24)들을 형성할 경우, 진동에 따른 내부요크(10)와 외부요크(20) 간의 부정합을 방지하고 강성을 보강하고자하는 설계요구에 따라 연결스포크(24)들에 리브(rib)(25a) 또는 홈(25b)을 형성할 수 있다. 이 경우, 도 6 에 도시된 바와 같이, 상측코일하우징(30a)과 하측코일하우징(30b)이 결합되는 연결부분에 끼움홈(32)을 형성하여 작동 질량이 진동할 때 상기 연결스포크(24)들의 운동에 간섭을 발생시키지 않도록 한다.

한편, 도 7 에 도시된 바와 같이, 요크부의 상단과 하단에서 더 구체적으로는 판스프링들(60, 70)과 체결되는 내부요크(10)의 상단과 하단 부분을 비자성체(12a, 12b)로 형성하여, 자기장의 형성범위를 축소할 수도 있다. 이는 주변 장치가 자기장의 영향을 받지 않도록 제안된 것이며, 설계에 따라 상기 비자성체의 크기 및 형태는 다양하게 구성될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 동흡진기의 동작 상태를 더 상세히 설명한다.

도 2 를 참조하면, 상기 상측코일부(40)와 하측코일부(50)는 전술한 바와 같은 컨트롤러 및 증폭기를 통하여 전원을 인가받도록 구성된다. 그리고, 상기 요크부는 내측요크(10)의 중간에 위치하는 내부자성체(10c) 및 외측요크(20)의 외곽에 끼워진 외부자성체(22)에 의해 자화(磁化)되어 있다. 즉, 전술한 바와 같이, 상기 내측요크(10)는 영구자석인 내측자성체(10c)가 상면과 하면에 결합된 상측요크부(10a)와 하측요크부(10b)를 N극이 위를 향하도록 자화되었고, 내측자성체(10c)와 반대방향으로 결합된 외측자성체(22)는 외측요크(20)를 S극이 위를 향하도록 자화시킨 상태이다. 이때, 도 2 와 같은 자기력선의 모양에 가깝도록 자기력선이 형성되도록 상기 지지부재(21)는 비자성체로 제조되는 것이 바람직하다.

이와 같이, 구성된 요크부는 하우징(미도시)내부는 폐회로를 구성하며 도 2 에서 화살표로 표기된 바와 같이 자기장이 구성된다.

내부자성체(10c)를 포함한 내부요크(10) 및 외부자성체(22)를 포함한 외부요크(20)는 하나의 작동질량(moving mass)으로서 코일부들이 전류 흐름에 따라 상하로 진동하여 관성력을 발생시키며, 이러한 관성은 상측 및 하측의 판스프링(60, 70)을 통하여 하우징이 부착된 섀시 또는 서브프레임으로 전달된다. 더 상세하게는, 상측코일부(40) 및 하측코일부(50)를 흐르는 전류의 방향에 따라 로렌츠의 힘(Lorentz force)에 의해 요크부 전체는 힘을 받는 방향으로 이동하게 되므로, 코일부에 흐르는 전류의 위상을 연속적으로 변화시키면 요크부는 진동하도록 구동력이 발생하게 된다. 즉, 영구자석에 의해 코일부에 가해지는 자기장의 방향은 상측코일부와 하측코일부 각각에서 서로 반대 방향이어야 한다. 따라서, 상측코일부와 하측코일부에 전류가 인가되어 발생되는 힘의 방향을 일치시키기 위해서는, 상측코일부와 하측코일부에 인가되는 전류의 위상 또한 서로 반대가 되도록 제어되어야 한다.

상기 로렌츠의 힘은 코일의 권선수, 자속밀도, 도선의 길이, 전류의 세기와 비례하므로, 컨트롤러가 전류의 세기 및 상측코일부와 하측코일부로 흐르는 전류의 위상을 제어하여 동흡진기의 진동을 제어할 수 있다. 이때, 자기장의 변화에 따른 구동력은,

(m:작동질량의 질량, x: 작동질량의 변위, c: 스프링 감쇠 계수, k: 스프링 탄성 계수) 로 계산된다. 이러한 구동력에 의해 작동질량(외부요크, 내부요크 및 외부자성체의 운동시 합산 질량)이 움직이면, 작동질량의 관성력이 서브프레임에 전달되어 엔진의 가진력을 상쇄시킨다. 이때, 서브프레임을 실질적으로 감쇠시키는 전달력은

로 계산된다.

한편, 참고적으로 도 7 에 도시된 바와 같이 내부요크의 상단과 하단에 비자성체들(12a, 12b)이 구비하는 구성의 경우, 작동질량의 감소로 인한 전달력 F_T 의 저하를 억제하고자 상기 비자성체들은 가급적 밀도가 큰 재질로 제조되는 것이 바람직하다.

아울러, 종래의 동흡진기 구조와 비교하면, 하부코일부 및 하부코일하우징을 형성하기 위해, 상기 요크부는 하측부분에서 작동질량의 중량이 감소될 수 있으므로 이를 보상하기 위해 비자성체 재질의 선정시 가급적 요크부의 재질보다 밀도가 높은 재질을 선정하는 것이 바람직하다.

이상과 같이 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

10 : 내부요크
20 : 외부요크
30 : 코일하우징
40 : 상측코일부
50 : 하측코일부
60, 70 : 판스프링

Claims

차량의 프레임에 장착되어 차량의 진동을 감쇠시키는 동흡진기를 구비한 차량용 전동식 능동 동흡진기 장치에 있어서,
상기 동흡진기는 코일부의 전원인가에 따라 하우징 내에서 판스프링과 결합된 요크부를 진동시키도록 구성되되,
상기 요크부는, 판형의 내부자성체를 구비하고 상단과 하단의 각각에서 판스프링들과 결합된 내부요크; 및 상기 내부요크가 삽입되도록 상면과 하면이 개구된 형상이고 내부자성체가 끼워지도록 안쪽으로 지지부재가 형성된 외부요크;를 포함하여 구성되고,
상기 코일부는 상측코일부와 하측코일부로 구성되어 상기 내부요크와 외부요크 사이로 지지부재의 상측에는 상측코일부가 장착되고 지지부재의 하측에는 하측코일부가 장착되는 것을 특징으로 하는 차량용 전동식 능동 동흡진기 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 외부요크의 외주면에는 둘레를 따라 끼움홈이 형성되고, 상기 끼움홈에 외부자성체가 장착된 것을 특징으로 하는 차량용 전동식 능동 동흡진기 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 외부요크는 지지부재의 외측으로 연결스포크(connector spoke)가 외주면을 따라 형성되되, 상측코일부와 하측코일부의 분리 여부에 따라 홀(hole)이 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 전동식 능동 동흡진기 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 코일부가 안착되는 내부요크와 외부요크 사이에는 코일하우징이 장착되되, 상기 코일하우징은 요크부의 상측과 하측에서 각각 삽입가능하도록 상측코일하우징과 하측코일하우징으로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 전동식 능동 동흡진기 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 코일하우징은 다수 개의 개구홈이 표면에 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 전동식 능동 동흡진기 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 판스프링과 결합하는 내부요크의 상단 및 하단은 비자성체 재질로 제조되는 것을 특징으로 하는 차량용 전동식 능동 동흡진기 장치.