KR20180110372A

KR20180110372A - 스마트 액티브 마운트

Info

Publication number: KR20180110372A
Application number: KR1020170039787A
Authority: KR
Inventors: 김승원
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2018-10-10
Also published as: KR102322368B1; US10538154B2; US20180281579A1; CN108656915A; DE102017120274A1; DE102017120274B4

Abstract

본 발명은 차량용 스마트 액티브 마운트에 관한 것으로서, 제어기와 마운트, 엔진 ECU 사이를 연결하는 복잡한 와이어링, 진공 부압 호스, 제어기 등을 삭제할 수 있고, 원가 절감 및 중량 저감, 패키지 레이아웃 개선을 도모할 수 있는 스마트 액티브 마운트를 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 케이스 내부에 설치되어 인너코어가 고정되고 액실을 형성하는 인슐레이터; 상기 케이스 내부에 설치되어 상기 액실을 상부 액실과 하부 액실로 구획하고 상, 하부 액실 간 유체 흐름을 유도하기 위한 오리피스를 갖는 오리피스 하판; 상기 오리피스 하판의 상측에 설치되는 오리피스 상판; 상기 오리피스 하판과 오리피스 상판 사이에 설치되는 멤브레인; 상기 케이스 내부에서 오리피스 하판의 하측에 설치되어 오리피스 하판과 함께 상기 하부 액실을 형성하는 다이어프램; 상기 멤브레인과 오리피스 하판 사이에 형성되는 에어 챔버; 상기 에어 챔버에 연결되어 에어 챔버 내측과 대기 측 사이를 선택적으로 연결하도록 개폐 작동하는 솔레노이드 밸브; 및 상기 다이어프램에 설치되고 다이어프램의 움직임이나 변형에 의해 전기에너지를 생성하여 솔레노이드 밸브의 작동 전력으로 공급하는 발전기를 포함하는 스마트 액티브 마운트가 개시된다.

Description

스마트 액티브 마운트{Smart active mount}

본 발명은 차량용 마운트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제어기와 마운트, 엔진 ECU 사이를 연결하는 복잡한 와이어링, 진공 부압 호스, 제어기 등을 삭제할 수 있고, 원가 절감 및 중량 저감, 패키지 레이아웃 개선을 도모할 수 있는 스마트 액티브 마운트에 관한 것이다.

차량에 적용되는 기술이 점차 발전하고 저진동, 저소음의 소비자 요구가 증대됨에 따라 차량에서의 소음 및 진동, 충격을 분석하여 승차감을 극대화하려는 노력이 계속되고 있다.

차량 주행시 특정 RPM 영역에서 발생하는 엔진 진동은 차체를 통해 특정 주파수로 차량 실내에 전달되고, 이때 엔진의 폭발 성분이 차량 실내에 미치는 영향은 매우 크다.

일반적으로 차량의 엔진에서는 피스톤과 커넥팅 로드의 상하운동에 따른 주기적인 중심위치의 변화, 실린더 축 방향으로 작용하는 왕복운동 부분의 관성력, 커넥팅 로드가 크랭크축의 좌우로 흔들리는 것에 의한 관성력, 크랭크축에 가해지는 회전력의 주기적인 변화 등으로 인해 구조적으로 항상 진동이 발생한다.

따라서, 차량의 엔진과 차체 사이에는 엔진을 지지하는 동시에 엔진으로부터 전달되는 소음 및 진동을 감쇄시키는 엔진 마운트가 장착되고, 엔진 마운트는 크게 러버식 엔진 마운트, 에어 댐핑 마운트, 유체 봉입식 엔진 마운트로 구분된다.

이 중에서 유체 봉입식 엔진 마운트(유체 마운트)는 인슐레이터 아래에 봉입된 유체가 상부액실과 하부액실을 유동함에 따라 댐핑력이 발생하는 구조를 가지며, 상황에 따라 고주파 진동(저변위 진동)과 저주파 진동(대변위 진동)을 모두 감쇄시킬 수 있는 장점이 있다.

최근에는 유체 봉입식 엔진 마운트의 진동 절연 특성을 향상시키기 위해 액티브 엔진 마운트, 세미 액티브 마운트 등의 개발이 이루어지고 있다.

액티브 엔진 마운트는 차량의 운전 상태, 엔진 상태, 가속도 신호 등에 따라 엔진 마운트에 가해지는 진동 중 NVH(Noise, Vibration and Harshness) 성능을 가장 악화시키는 진동 성분의 주파수와 동일한 주파수의 제어력을 발생시켜 차체로 전달되는 진동을 저감함으로써 차량의 승차감 및 주행성능을 향상시킨다.

세미 액티브 마운트는 한국공개특허 제10-2013-0003749호, 한국공개특허 제10-2013-0003751호 등에 다양한 형태의 것들이 개시되어 있다.

일반적으로 엔진(또는 파워 트레인)과 차체 사이에 설치되는 세미 액티브 마운트(semi active mount)는 마운트의 동특성을 온/오프(on/off) 제어함으로써 엔진 구동에 따른 진동을 효과적으로 저감한다.

이러한 세미 액티브 마운트는, 상, 하부 액실을 이어주는 내부유로와 함께, 대기공급통로에 연계되어 특성변화수단으로 작용하는 에어 챔버(air chamber)를 갖추고 있으며, 상기 내부유로를 바이패스(By-Pass) 방식으로 제어하는 진공 부압식과, 내부유로를 솔레노이드 밸브에 의한 볼륨-스티프니스(volume-stiffness) 방식으로 제어하는 전자식으로 구분된다.

상기 바이패스 방식과 볼륨-스티프니스 방식은 구현 방법이나 나타나는 동특성의 경향이 다르며, 도 1에 나타낸 바와 같이 바이패스 방식은 저주파 영역에서 볼륨-스티프니스 방식에 비해 손실계수(댐핑)가 크다.

또한, 도 2에 나타낸 바와 같이 저주파 영역에서는 바이패스 방식이 볼륨-스티프니스 방식에 비해 낮은 동특성을 나타내고, 고주파 영역에서는 바이패스 방식이 볼륨-스티프니스 방식에 비해 높은 동특성을 나타낸다

통상적으로 사용되는 바이패스 방식은 엔진(흡기 매니폴드)의 진공압을 이용하는 방식이 대부분을 차지하고 있는데, 이는 레이아웃의 어려움이나 연소 배압의 손해 등과 같은 단점을 나타낸다.

한편, 볼륨-스티프니스 방식으로 제어하는 전자식에서는 구동기인 전자식 솔레노이드 밸브를 이용하여 손실계수(댐핑) 및 동특성의 제어가 가능하며, 이 솔레노이드 밸브는 특성변화수단인 에어 챔버가 대기와 선택적으로 연결될 수 있게 개폐 작동된다.

즉, 전자식으로 개폐 제어가 가능한 솔레노이드 밸브를 닫아주면, 에어 챔버와 대기 사이의 공기 흐름이 차단되고, 에어 챔버의 내부가 밀봉되면서 에어 챔버가 단단해지므로 손실계수(댐핑)가 상승하여 승차감이 개선될 수 있다.

반면, 솔레노이드 밸브를 열어주면, 에어 챔버와 대기 사이의 공기 이동이 가능해지고, 결국 에어 챔버가 소프트해지므로 동특성이 하향(절연 성능 개선)된다.

이에 공회전시에는 에어 챔버에서 공기가 출입할 수 있게 솔레노이드 밸브를 열어주고(동특성 하향), 주행시에는 공기를 에어 챔버 내에 가둬둘 수 있게 솔레노이드 밸브를 닫아주어 에어 챔버와 대기 사이를 차단한다(손실계수 상승).

이와 같이 솔레노이드 밸브를 이용하여 에어 챔버와 대기 사이를 개폐하는 방식으로 손실계수 및 동특성의 제어가 가능하고, 여기서 솔레노이드 밸브는 저전력으로 제어가 가능하다.

이러한 전자식은 진공 부압식과 비교하여 고주파 동특성이 낮고(넓은 영역에서 동특성이 낮음), 전자기의 힘을 이용하기 때문에 연소압의 손해가 없어 엔진 출력에 영향을 주지 않으며, 진공 부압 전달을 위한 호스 대신 레이아웃 설정이 쉬운 전선(와이어링)을 이용하므로, 그 적용이 늘고 있는 추세이다.

한편, 엔진 마운팅 기술에 있어서 주행 진동 저감과 공회전 진동 저감은 상충 성능이다.

주행 진동을 개선하기 위해서는 손실계수(댐핑)가 커야 하고, 공회전 진동을 개선하기 위해서는 저주파 영역에서의 동특성이 낮아야 한다.

하지만, 유체 마운트의 특성상 댐핑이 크면 동특성이 커져서 절연율이 나쁘고, 동특성을 낮게 하면 댐핑이 작게 된다.

따라서, 엔진 마운트는 주행 진동 저감과 공회전 진동 저감을 동시에 만족시키기가 어렵다.

이에 따라 주행 조건별로 마운트 특성을 가변시키는 세미 액티브 마운트의 적용이 확대되고 있다.

세미 액티브 마운트에서는 주행시 댐핑 성능을 높이고 공회전시 동특성을 낮추기 위해 전자식과 진공 부압식을 이용하여 제어하고 있다.

하지만, 구동기로 이용되는 솔레노이드 밸브 외에, 엔진 ECU와 연결되는 고가의 제어기, 제어기와 마운트(솔레노이드 밸브), 엔진 ECU 사이를 연결하기 위한 복잡한 와이어링, 진공 부압 호스 등의 많은 부가 장치가 필요하고, 결국 원가 상승 및 중량 증가의 문제점이 있다.

또한, 주변 패키지 레이아웃 측면에서 불리하여 적용에 어려움이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 제어기와 마운트, 엔진 ECU 사이를 연결하는 복잡한 와이어링, 진공 부압 호스, 제어기 등을 삭제할 수 있고, 원가 절감 및 중량 저감, 패키지 레이아웃 개선을 도모할 수 있는 스마트 액티브 마운트를 제공하는데 그 목적이 있다.

특히, 차량 및 엔진 운전 조건에 따라 제어기 없이 자동으로 주행 진동(댐핑 및 손실계수 상승)과 공회전 진동(동특성 하향)을 제어할 수 있는 차량용 스마트 액티브 마운트를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따르면, 케이스 내부에 설치되어 인너코어가 고정되고 액실을 형성하는 인슐레이터; 상기 케이스 내부에 설치되어 상기 액실을 상부 액실과 하부 액실로 구획하고 상, 하부 액실 간 유체 흐름을 유도하기 위한 오리피스를 갖는 오리피스 하판; 상기 오리피스 하판의 상측에 설치되는 오리피스 상판; 상기 오리피스 하판과 오리피스 상판 사이에 설치되는 멤브레인; 상기 케이스 내부에서 오리피스 하판의 하측에 설치되어 오리피스 하판과 함께 상기 하부 액실을 형성하는 다이어프램; 상기 멤브레인과 오리피스 하판 사이에 형성되는 에어 챔버; 상기 에어 챔버에 연결되어 에어 챔버 내측과 대기 측 사이를 선택적으로 연결하도록 개폐 작동하는 솔레노이드 밸브; 및 상기 다이어프램에 설치되고 다이어프램의 움직임이나 변형에 의해 전기에너지를 생성하여 솔레노이드 밸브의 작동 전력으로 공급하는 발전기를 포함하는 스마트 액티브 마운트를 제공한다.

바람직하게는 상기 솔레노이드 밸브는 발전기로부터 작동 전력이 인가됨에 따라 닫힘 작동하는 노말 오픈 타입의 솔레노이드 밸브가 될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 액티브 마운트는 상기 발전기로부터 출력되는 전력을 변환하여 솔레노이드 밸브의 작동 전력으로 공급하는 전력변환장치를 더 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 전력변환장치는 발전기에서 출력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 솔레노이드 밸브에 인가할 수 있도록 교류를 직류로 변환하는 정류 회로를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 발전기의 출력단이 전력변환장치의 입력단에 와이어링을 통해 직결되고, 변환된 전력이 출력되는 상기 전력변환장치의 출력단이 솔레노이드 밸브의 전원입력단에 와이어링을 통해 직결된 구조가 될 수 있다.

또한, 상기 발전기는 나노 입자 크기의 압전 물질을 포함하는 복합재 및 전극을 가지면서 다이어프램에 일체로 설치된 나노 발전기가 될 수 있다.

또한, 상기 나노 발전기는 다이어프램을 기재로 하여 상기 복합재가 다이어프램 상에 적층된 구조의 나노 발전기일 수 있다.

이로써, 본 발명에 따른 스마트 액티브 마운트에서는 다이어프램의 움직임에 따라 다이어프램에 일체로 구성된 나노 발전기의 작동이 자동으로 온/오프되고, 나노 발전기에서의 전력 공급 여부에 따라 나노 발전기의 전력으로 작동하는 솔레노이드 밸브의 온/오프가 자동으로 이루어지도록 구성됨으로써, 솔레노이드 밸브의 작동을 제어하는 종래의 제어기가 삭제될 수 있고, 제어기와 마운트, 엔진 ECU 사이를 연결하는 복잡한 와이어링, 진공 부압 호스 등이 삭제될 수 있다.

따라서, 부품 수 축소, 원가 절감 및 중량 저감, 패키지 레이아웃 개선 등의 분명한 효과가 있게 된다.

이러한 본 발명의 스마트 액티브 마운트는 엔진 마운트로 유용하게 적용 가능하다.

도 1은 바이패스 방식과 볼륨-스티프니스 방식의 마운트가 나타내는 손실계수를 예시한 도면이다.
도 2는 바이패스 방식과 볼륨-스티프니스 방식의 마운트가 나타내는 동특성을 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 액티브 마운트의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 4는 나노 발전기의 구성을 예시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 액티브 마운트에서 전력변환장치의 구성을 예시한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 제어기와 마운트, 엔진 ECU 사이를 연결하는 복잡한 와이어링, 진공 부압 호스, 제어기 등을 삭제할 수 있고, 원가 절감 및 중량 저감, 패키지 레이아웃 개선을 도모할 수 있는 스마트 액티브 마운트를 제공하고자 하는 것이다.

특히, 차량 및 엔진 운전 조건에 따라 제어기 없이 자동으로 주행 진동(댐핑 및 손실계수 상승)과 공회전 진동(동특성 하향)을 제어할 수 있는 차량용 스마트 액티브 마운트를 제공하고자 하는 것이다.

이러한 본 발명의 스마트 액티브 마운트는 차량용 마운트로 사용될 수 있는 것으로, 차량에서 파워 트레인에 적용될 수 있고, 차량의 엔진 마운트로 유용하게 적용 가능하다.

본 발명에 따른 스마트 액티브 마운트는 유체 봉입식 마운트 중 솔레노이드 밸브를 구비하고 볼륨-스티프니스 방식으로 진동을 제어하는 종래의 전자식 액티브 마운트를 개선한 것으로, 도 3을 참조하여 구성에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 액티브 마운트의 구성을 나타내는 단면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 스마트 액티브 마운트는 엔진과 같은 마운팅 대상 장치와 차체 사이에 진동 절연을 위해 설치되는 것으로, 도시된 바와 같이, 대상 장치(예를 들면, 엔진) 측에 체결되는 센터볼트(center bolt)(14), 센터볼트(14)가 관통하여 결합되는 인너코어(inner core)(15), 인너코어(15)와 일체로 성형되는 고무 재질의 인슐레이터(13)를 포함한다.

상기 인슐레이터(13)는 메인 러버 또는 마운트 러버라 칭하기도 하는 것으로, 케이스(10)의 상부에 위치하여 인너코어(15)를 고정하고, 내부에 액실을 형성하고 있다.

상기 케이스(10)는 상부 몸체(11)와 하부 몸체(12)를 포함하여 구성되는데, 인슐레이터(13)의 하부가 케이스(10)의 하부 몸체(12)에 내측으로 끼워져 조립되고, 이때 케이스(10)의 하부 몸체(12)가 인슐레이터(13)의 하부를 둘러싸도록 결합되어 있다.

상기 케이스(10)의 하부 몸체(12)는 미도시된 마운팅 브라켓을 통해 차체 측에 체결된다.

또한, 케이스(10)의 내부에는 상기 액실을 상부 액실(C1)과 하부 액실(C2)로 구획하고 상부 액실(C1)과 하부 액실(C2) 사이의 유체 흐름을 유도하기 위한 오리피스(16a)를 가지는 오리피스 하판(16)이 횡방향으로 설치된다.

또한, 상기 오리피스 하판(16)에는 멤브레인(membrane)(18)이 설치된다.

이때, 케이스(10)의 내부에서 오리피스 하판(16)의 상측으로 오리피스 상판(17)이 조립되고, 오리피스 하판(16)과 오리피스 상판(17) 사이에 멤브레인(18)이 삽입되어 설치될 수 있다.

상기 오리피스 상판(17)에는 홀(미도시)이 형성되고, 이 오리피스 상판(17)의 홀을 통해 상부 액실(C1)과 오리피스 하판(16)의 유체 통로인 오리피스(16a) 사이가 유체 이동이 이루어질 수 있게 연통되어 있다.

또한, 케이스(10)의 내부에서 오리피스 하판(16)의 하측으로는 하부 액실(C2)을 형성하는 다이어프램(19)이 설치된다.

이러한 구성의 마운트는 오리피스 하판(16)과 인슐레이터(13) 사이에 상부 액실(C1)을 가지며, 동시에 오리피스 하판(16)과 다이어프램(19) 사이에 하부 액실(C2)을 가진다.

결국, 케이스(10)의 내부에서 인슐레이터(13)와 다이어프램(19)이 액실을 형성하고, 오리피스 하판(16) 및 멤브레인(18)이, 상기 액실을, 인슐레이터(13)와의 사이에 유체가 채워지는 상부 액실(C1)과, 다이어프램(19)과의 사이에 유체가 채워지는 하부 액실(C2)로 구획하고 있는 구조가 된다.

상기 다이어프램(19)은 마운트에 입력되는 진동 상태 및 진동으로 인한 상, 하부 액실(C1,C2) 간의 유체 흐름 상태, 하부 액실(C2) 내 유체 압력 상태 등에 따라 변형될 수 있고, 다이어프램(19)이 변형될 경우 유체가 채워진 하부 액실(C2)의 용적 또한 변화하게 된다.

또한, 케이스(10)의 내부에서 멤브레인(18)과 오리피스 하판(16) 사이에는 특성변화수단으로 작용하는 에어 챔버(21)가 마련되고, 이 에어 챔버(21)에는 대기와의 사이에서 공기가 출입하도록 되어 있다.

또한, 전력을 공급받아 작동하는 솔레노이드 밸브(40)가 에어 챔버(21)에 연결되도록 설치되고, 이 솔레노이드 밸브(40)는 케이스(10) 외부에 위치된다.

상기 솔레노이드 밸브(40)는 에어 챔버(21)와 대기 사이를 선택적으로 연결하도록 개폐 작동되는데, 노말 오픈 타입의 밸브가 될 수 있다.

즉, 평상시 열려 있다가 솔레노이드 코일에 작동 전력이 인가되면 밸브가 닫히는 노말 오픈 타입의 솔레노이드 밸브(40)가 적용될 수 있는 것이며, 작동 전력이 인가되지 않을 경우 내장된 스프링(미도시)의 힘에 의해 솔레노이드 밸브(40)가 열림 상태가 되고(오프(off) 상태), 작동 전력이 인가될 경우에만 닫힘 작동하게 된다(온(on) 상태).

결국, 본 발명의 실시예에 따른 스마트 액티브 마운트에서는 작동 전력이 공급되어 솔레노이드 밸브(40)가 닫히면, 에어 챔버(21)와 대기 사이의 공기 흐름이 차단되고, 에어 챔버(21)의 내부가 밀봉된 상태로 에어 챔버(21)가 단단해지므로 손실계수(댐핑)가 상승한다.

반면, 작동 전력이 공급되지 않아 솔레노이드 밸브(40)가 열리면, 에어 챔버(21)와 대기 사이의 공기 이동이 가능해지고, 결국 에어 챔버(21)가 소프트해지므로 동특성이 하향(절연 성능 개선)된다.

한편, 본 발명에 따른 스마트 액티브 마운트는, 마운트에 입력되는 진동 상태 및 진동으로 인한 상, 하부 액실(C1,C2) 간의 유체 흐름 상태, 하부 액실(C2) 내 유체 압력 상태 등에 따라 발생하는 다이어프램(19)의 변형에 의해 전기에너지를 생성하는 발전기(20)를 포함한다.

이때, 압력이나 구부러짐 등과 같은 물리적인 힘이 가해질 때 전기에너지를 생성하는 나노 입자 크기의 압전 물질을 포함하는 나노 복합재(nano composite) 및 전극을 포함하는 나노 발전기(nano generator)(20)를 다이어프램(19)에 일체로 설치하여 구비하는 것이 가능하다.

바람직하게는, 물리적인 힘이 가해질 때 전기에너지를 생성하는 압전 나노입자, 즉 나노 스케일의 입자 크기를 가지는 압전 물질을 포함하는 복합재를 이용하여 나노 발전기(20)를 구성함에 있어서, 다이어프램(19)을 상기 복합재가 적층되는 기재로 사용하여 다이어프램(19)과 일체화된 나노 발전기(20)를 구성할 수 있고, 이를 통해 다이어프램(19)이 움직여 변형함에 따라 다이어프램 상의 나노 발전기(20)가 전기를 발생시키도록 한다.

이와 같이 본 발명에 따른 스마트 액티브 마운트는 케이스(10) 내부에 설치되는 다이어프램(19)에 굽힘 등의 물리적인 힘이 가해질 때 다이어프램 일체의 나노 발전기(20)가 자가 발전을 하도록 구성된 점에 주된 특징이 있다.

특히, 본 발명에 따른 스마트 액티브 마운트는 압전 나노입자를 포함하는 복합재로 이루어진 나노 발전기(20)가 다이어프램(19) 상에 일체로 구성됨으로써 자체적으로 솔레노이드 밸브(40)의 구동을 위한 전력을 발생시키도록 되어 있다.

큰 외부 진동이 센터볼트(14) 및 인너코어(15) 등을 통해 마운트에 입력되고 있으면 유체를 통해 전달되는 압력이나 힘에 의해 다이어프램(19)이 반복적으로 변형되고, 구부림과 같은 다이어프램(19)의 변형이 반복되는 동안 나노 발전기(20)는 전기를 발생시킨다.

그리고, 본 발명에 따른 스마트 액티브 마운트에서는 큰 진동이 입력됨에 따라 다이어프램(19)의 반복적인 변형으로 나노 발전기(20)에서 발생하는 전기에너지를 전력변환장치(30)를 통해 직류로 변환하고, 직류로 변환된 전력을 솔레노이드 밸브(40)에 작동 전력으로 공급한다.

나노 발전기(20)가 일체로 구성된 다이어프램(19)의 발전 전력을 직류 형태로 변환하여 솔레노이드 밸브(40)의 작동 전력으로 공급하는 것이며, 솔레노이드 밸브(40)가 노말 오픈 타입의 밸브라면, 다이어프램(19)이 변형되어 나노 발전기(20)가 발전을 하고 있을 때마다, 즉 나노 발전기(20)의 발전 작동에 의해 생성된 전기에너지(발전 전력)가 인가될 때마다, 솔레노이드 밸브(40)는 닫힘 상태(작동 온(on))가 된다.

또한, 나노 발전기(20)에서 전력이 생성되지 않을 경우, 즉 다이어프램(19)이 변형되지 않고 나노 발전기(20)가 발전을 하고 있지 않을 경우, 솔레노이드 밸브(40)는 작동 전력을 공급받지 못하므로 열림(작동 오프(off)) 상태를 유지하게 된다.

마운트에 설치되는 공지의 솔레노이드 밸브(40)는 저전력으로 작동 및 제어가 가능하고, 따라서 압전 나노 발전기(20)의 발전 전력으로도 개폐 작동이 가능하다.

이와 같이 본 발명에 따른 스마트 액티브 마운트에서는 다이어프램의 변형 및 나노 발전기의 발전 여부(전력 생성 여부)에 따라 나노 발전기의 발전 전력이 솔레노이드 밸브에 선택적으로 인가되고, 전력 인가 여부에 따라 솔레노이드 밸브의 개폐 작동이 이루어지게 된다.

결국, 종래에는 엔진 ECU에 연결되는 별도의 제어기가 구비되고 상기 제어기가 엔진 ECU에서 수신된 엔진 회전수(RPM) 등의 차량 운전 정보에 기초하여 솔레노이드 밸브의 개폐 작동을 제어하였으나, 본 발명에 따른 스마트 액티브 마운트에서는 별도의 제어기 없이, 그리고 제어기가 솔레노이드 밸브를 전자적으로 제어하는 과정 없이, 나노 발전기(20)가 일체로 구성된 다이어프램(19)의 자가 발전이 이루어질 경우, 솔레노이드 밸브(40)가 전력변환장치(30)를 통해 다이어프램(19)의 발전 전력을 인가받아 자동으로 작동하게 된다.

압전 나노입자를 가지는 복합 물질에서 전기를 발생시키도록 구성한 나노 발전기에 대해서는 다양한 연구를 통해 이미 개발되어 알려져 있으며, 압전 물질의 종류나 형태는 다양하게 알려져 있다.

나노 발전기는 나노 입자 크기의 압전 물질을 사용하여 전기를 생산하는 발전기로, 전극을 구비하고 내측에 압전 물질을 포함하는 판 상의 복합재에 압력이나 굽힘 등과 같은 물리적인 힘이 가해질 때 전기가 발생하는 특성인 압전 효과를 이용한다.

나노 발전기 개발을 위한 압전 물질로는 2005년 미국 조지아공대 왕중린 교수팀이 세계 최초로 나노 발전기 개념을 제시하면서 적용한 산화아연(ZnO)이 알려져 왔다.

또한, 왕중린 교수팀은 2010년 산화아연보다 15 ~ 20배 높은 압전 특성을 갖고 있는 세라믹 박막 물질인 티탄산화바륨(BaTiO₃)을 사용하여 효율을 더욱 향상시킨 나노 발전기를 개발한 바 있다.

최근에는 다양한 연구자에 의해 나노 발전기의 개발이 이루어지고 있으며, 나노 복합재를 이용하여 적은 비용으로도 대면적 생산이 가능한 다양한 나노 발전기가 개발되어 있다.

또한, 최근의 나노 발전기는 티탄산화바륨 등의 압전 물질을 이용하여 간단한 코팅 공정을 통해 제작될 수 있기 때문에 적은 비용으로도 넓은 면적에 쉽게 제작할 수 있다.

일례로, 도 4에 예시한 바와 같이, 플렉서블 기재(2), 전극(3,4), 압전 나노입자(5)를 포함하는 복합재인 복합물질층(압전소자층)(6)을 적층한 나노 발전기(1)가 알려져 있다.

또한, 압전 물질의 나노 입자와 고분자로 구성된 압전소자층을 플렉서블 기재에 다층으로 적층한 적층형 플렉서블 나노 발전기가 알려져 있다(한국공개특허 제10-2016-0100053호 등).

또한, 고효율의 압전 나노입자인 티탄산화바륨과 비표면적이 크고 전기전도성이 높은 탄소나노튜브나 산화 그래핀(RGO)을 폴리머(PDMS:Polydimethylsiloxane)와 혼합한 다음, 그 혼합물을 기재에 코팅하는 간단한 코팅 공정을 통하여 넓은 면적의 막 구조를 가지는 나노 발전기를 제작하는 기술이 알려져 있다.

따라서, 본 발명에 따른 스마트 액티브 마운트를 제작함에 있어서, 상기한 나노 발전기 제작 기술을 응용하여, 티탄산화바륨 등과 같은 나노 입자 크기의 압전 물질이 포함된 복합 물질을 넓은 면적의 고무 막판으로 제작되는 다이어프램에 코팅할 경우, 볼륨-스티프니스 방식의 다이어프램을 나노 복합 자가 발전기로 구성하는 것이 가능하다.

본 발명에서 나노 발전기의 구성이나 그 제조 방법에 대해서는 특정하게 한정하지 않으며, 다이어프램에 굽힘 등의 변형이 발생하였을 때 압전 나노입자(압전 물질)를 포함하는 복합 물질에 물리적인 힘이 가해짐으로써 전기에너지를 생성할 수 있는 것이라면 공지의 나노 발전기 중 하나가 채택 및 적용될 수 있다.

또한, 압전 물질의 종류나 형태, 압전 물질과 함께 복합 물질을 구성하는 혼합 물질 등의 종류 등에 있어서 특정하게 한정하지 않으며, 나노 발전기에 대해서는 다양하게 알려져 있으므로 나노 발전기의 구성 및 그 제조 방법에 대해 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 별도로 제작된 나노 발전기(20)를, 박막에 부착하여 고정할 수 있는 접착제나 고정수단을 사용하여, 다이어프램(19)에 부착 및 고정함으로써, 다이어프램(19)과 일체로 된 나노 발전기(20)를 구성할 수 있고, 또는 기재가 되는 다이어프램(19) 상에 압전 나노입자를 포함하는 복합 물질을 코팅하는 방식으로 다이어프램(19)과 일체로 된 나노 발전기(20)를 구성할 수 있다.

도 5는 압전 에너지, 즉 다이어프램의 굽힘 등 변형에 의해 생성된 발전 전력을 교류에서 직류 형태로 변환해주는 전력변환장치의 일례를 나타낸 것으로, 다이오드(D)와 커패시터(C)를 이용한 정류 회로를 포함하는 전력변환장치로서 간단한 구성의 풀-브릿지 컨버터를 예시하고 있다.

도 5에서 부하는 솔레노이드 밸브를 의미한다.

도 5는 나노 발전기에서 생성된 전기에너지를 교류에서 직류로 변환하여 구동기인 솔레노이드 밸브(40), 보다 상세하게는 밸브 내 솔레노이드 코일(미도시)에 인가할 수 있도록 구성된 풀-브릿지 방식의 전력변환장치(30)를 예시한 것으로, 예시한 구성에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

발전 전압을 정류하여 교류에서 직류 형태로 변환한 후 출력할 수 있는 전력변환장치에 대해서는 다양하게 알려져 있으므로, 본 발명에서 전력변환장치의 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 하며, 나노 발전기의 출력을 고려하여 공지의 전력변환장치 중 적합한 하나를 채택하여 본 발명에서 적용하는 것이 가능하다.

본 발명에서 다이어프램(19)에 일체로 구성되는 나노 발전기(20)의 출력단이 되는 전극이 전력변환장치(30)의 입력단에 와이어링을 통해 직결되고, 변환된 전력이 출력되는 전력변환장치(30)의 출력단과 솔레노이드 밸브(40)의 전원입력단인 전원공급커넥터(41)가 와이어링을 통해 직결된다.

이로써 나노 발전기(20)에서 발생한 전압이 전력변환장치(30)로 입력되어 직류 형태로 변환될 수 있고, 전력변환장치(30)에서 직류 형태로 변환되어 출력되는 전력이 솔레노이드 밸브(40)에 공급될 수 있게 된다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 스마트 액티브 마운트에서는 진동에 의해 다이어프램(19)의 움직임 및 변형이 발생할 때 나노 발전기(20)에서 전력을 생성하고, 이 전력을 솔레노이드 밸브(40)를 구동하는데 사용한다.

예를 들어, 거친 노면을 주행할 때, 다이어프램(19)의 움직임이 커지면 나노 발전기(20)에서 생성되는 전력이 증가하고, 나노 발전기(20)에서 생성되는 전력이 증가하여 일정 수준에 도달하면 솔레노이드 밸브(40)를 닫힘이 이루어지도록 구동시킬 수 있다.

반대로, 엔진의 공회전시에는 다이어프램(19)의 움직임이 작거나 발생하지 않으며, 이에 나노 발전기(20)에서 전력이 생성되지 않거나 작아서 솔레노이드 밸브(40)는 내장된 스프링의 힘에 의해 닫힌 상태가 된다.

이와 같은 본 발명의 스마트 액티브 마운트는 별도의 에너지 저장장치나 제어기를 구비하지 않으며, 특별한 제어 과정 없이 다이어프램(19)의 움직임이 발생한 경우(굽힘 등의 변형이 발생한 경우)에만 나노 발전기(20)의 자가 발전에 의해 전력이 출력되고, 이때 출력되는 전력에 의해 자동으로 구동기인 솔레노이드 밸브(40)가 작동하게 된다.

이하, 본 발명에 따른 스마트 액티브 마운트의 작동 상태에 대해 설명하면 다음과 같다.

차량의 주행시에는 노면 가진, 차체 진동, 파워 트레인의 유동 등으로 인해 큰 진동이 발생하고, 이때 엔진 측으로부터 전달되는 외부 진동에 의해 센터볼트(14)와 인너코어(15)가 상하로 크게 움직이게 된다.

이와 동시에 마운트 내 상부 액실(C1)로부터 하부 액실(C2)로 이동하는 유체의 유량이 증가하면 다이어프램(19)이 크게 팽창하여 구부러지는 변형이 발생한다.

또한, 진동에 의해 인너코어(15)가 상하로 크게 움직이면 상부 액실(C1)과 하부 액실(C2) 사이에 큰 유량의 유체 흐름이 발생하고, 다이어프램(19)의 팽창과 수축 변형이 반복적이고 지속적으로 발생한다.

이에 따라 다이어프램(19)에 일체로 구성된 나노 발전기(20)에서 교류 형태의 전압이 발생하여 전력변환장치(30)로 입력되고, 전력변환장치(30)에서 직류 형태로 변환된 전력이 구동기인 솔레노이드 밸브(40)로 공급된다.

이로써 노말 오픈 타입의 솔레노이드 밸브(40)가 작동하여 닫히게 되고, 에어 챔버(21)의 내부와 대기 사이가 차단되면서 특성변화수단인 에어 챔버 내에 공기가 가둬지게 된다.

결국, 마운트의 특성이 변화하여 유체 마운트의 특성이 나타나는데, 에어 챔버(21)가 단단해지고, 손실계수(댐핑)가 상승하게 되어 승차감이 향상된다.

반면, 엔진 공회전시에는 작은 진동이 마운트에 입력된다.

이때, 인너코어(15)가 상하로 작게 움직이면서 다이어프램(19)의 변화 및 변형이 발생하지 않으며(또는 변형이 매우 작음), 이에 나노 발전기(20)에서 발전이 이루어지지 않으면서 전력이 생성되지 않는다(또는 솔레노이드 밸브를 구동시킬 수 없는 수준의 미소 전력이 발생함).

이에 솔레노이드 밸브(40)에 대한 전력 공급이 이루어지지 않는 상태가 되므로 솔레노이드 밸브는 스프링의 힘에 의해 열린 상태가 되고, 에어 챔버(21)의 내부가 공기의 출입이 가능한 상태, 즉 대기 측에 개방된 상태가 된다.

이에 마운트는 특성이 변화하여 볼륨-스티프니스 특성을 나타내게 되고, 동특성이 하향되면서 엔진과 차체 간의 진동 절연 성능이 증대된다.

이와 같이 하여, 본 발명의 스마트 액티브 마운트에서는 다이어프램의 움직임에 따라 다이어프램에 일체로 구성된 나노 발전기의 작동이 자동으로 온/오프되고, 나노 발전기에서의 전력 공급 여부에 따라 나노 발전기의 전력으로 작동하는 솔레노이드 밸브의 온/오프가 자동으로 이루어지도록 구성됨으로써, 솔레노이드 밸브의 작동을 제어하는 종래의 제어기가 삭제될 수 있고, 제어기와 마운트, 엔진 ECU 사이를 연결하는 복잡한 와이어링, 진공 부압 호스 등이 삭제될 수 있다.

따라서, 부품 수 축소, 원가 절감 및 중량 저감, 패키지 레이아웃 개선의 효과가 있게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 케이스 11 : 상부 몸체
12 : 하부 몸체 13 : 인슐레이터
14 : 센터볼트 15 : 인너코어
16 : 오리피스 하판 16a : 오리피스
17 : 오리피스 상판 18 : 멤브레인
19 : 다이어프램 20 : 나노 발전기
30 : 전력변환장치 40 : 솔레노이드 밸브
41 : 전원공급커넥터 C1 : 상부 액실
C2 : 하부 액실

Claims

케이스 내부에 설치되어 인너코어가 고정되고 액실을 형성하는 인슐레이터;
상기 케이스 내부에 설치되어 상기 액실을 상부 액실과 하부 액실로 구획하고 상, 하부 액실 간 유체 흐름을 유도하기 위한 오리피스를 갖는 오리피스 하판;
상기 오리피스 하판의 상측에 설치되는 오리피스 상판;
상기 오리피스 하판과 오리피스 상판 사이에 설치되는 멤브레인;
상기 케이스 내부에서 오리피스 하판의 하측에 설치되어 오리피스 하판과 함께 상기 하부 액실을 형성하는 다이어프램;
상기 멤브레인과 오리피스 하판 사이에 형성되는 에어 챔버;
상기 에어 챔버에 연결되어 에어 챔버 내측과 대기 측 사이를 선택적으로 연결하도록 개폐 작동하는 솔레노이드 밸브; 및
상기 다이어프램에 설치되고 다이어프램의 움직임이나 변형에 의해 전기에너지를 생성하여 솔레노이드 밸브의 작동 전력으로 공급하는 발전기를 포함하는 스마트 액티브 마운트.
청구항 1에 있어서,
상기 솔레노이드 밸브는 발전기로부터 작동 전력이 인가됨에 따라 닫힘 작동하는 노말 오픈 타입의 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 스마트 액티브 마운트.
청구항 1에 있어서,
상기 발전기로부터 출력되는 전력을 변환하여 솔레노이드 밸브의 작동 전력으로 공급하는 전력변환장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 액티브 마운트.
청구항 3에 있어서,
상기 전력변환장치는 발전기에서 출력되는 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 솔레노이드 밸브에 인가할 수 있도록 교류를 직류로 변환하는 정류 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 액티브 마운트.
청구항 3에 있어서,
상기 발전기의 출력단이 전력변환장치의 입력단에 와이어링을 통해 직결되고, 변환된 전력이 출력되는 상기 전력변환장치의 출력단이 솔레노이드 밸브의 전원입력단에 와이어링을 통해 직결되는 것을 특징으로 하는 스마트 액티브 마운트.
청구항 1에 있어서,
상기 발전기는 나노 입자 크기의 압전 물질을 포함하는 복합재 및 전극을 가지면서 다이어프램에 일체로 설치된 나노 발전기인 것을 특징으로 하는 스마트 액티브 마운트.
청구항 6에 있어서,
상기 나노 발전기는 다이어프램을 기재로 하여 상기 복합재가 다이어프램 상에 적층된 구조의 나노 발전기인 것을 특징으로 하는 스마트 액티브 마운트.