KR20190092400A

KR20190092400A - 토셔널 댐퍼

Info

Publication number: KR20190092400A
Application number: KR1020197015019A
Authority: KR
Inventors: 아키라 안도; 사토시 타베이; 유토 카타카이; 타카아키 치바
Original assignee: 가부시키가이샤 후코쿠
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2019-08-07
Also published as: JP2018096455A; KR102452227B1; WO2018109994A1; JP6923315B2

Abstract

토셔널 댐퍼의 내구성을 향상시킨다. 토셔널 댐퍼(10)의 댐퍼 허브(11)와 관성링(12) 사이에 장착되는 고무 부재(13)는 EPDM을 주성분으로 하는 고무 조성물로 이루어지며, 표면 온도가 60±5℃일 때의 손실 계수(tanδpi)는 0.27 이상이다. 또, 토셔널 댐퍼(10)의 공진점에서의 연속 가진 시에 있어서의 고무 부재(13)의 표면 도달 최고 온도(T_max)는 T_max=α×ln(tanδpi)+β≤100(식 중 α는 -46.9 내지 -60.4 범위의 계수를 나타내고, β는 +9.4 내지 +27.7 범위의 계수를 나타낸다)을 충족시킨다.

Description

토셔널 댐퍼

본 발명은 차량의 엔진의 크랭크 샤프트나 캠 샤프트 등의 회전축에 장착되어 상기 회전축의 비틀림 진동을 흡수하는 토셔널 댐퍼(torsional damper)에 관한 것이다.

차량 등의 엔진의 크랭크 샤프트나 캠 샤프트 등의 회전축의 회전을 피(被)구동 기기로 전달하는 토셔널 댐퍼는 회전축에 장착되는 댐퍼 허브와, 이 댐퍼 허브의 직경 방향으로 배치되는 관성링을 가지며, 댐퍼 허브 외주면과 관성(慣性)링 내주면의 간극부에는 고무 부재가 개재하고 있다.

댐퍼 허브와 관성링 사이에 장착된 상기 고무 부재는 차량 등의 주행 시에 발생되는 회전축의 비틀림 진동을 줄여서 회전축의 파손을 방지하고, 엔진 진동의 소음이나 진동을 줄이는 역할을 하는 중요한 부재이다.

특허문헌 1에는 에틸렌·프로필렌 고무를 포함하는 고무 조성물을 가교해서 얻어지며, -40℃ 내지 150℃에서의 손실 계수(tanδ)가 0.35를 초과하는 댐퍼용 고무 부재가 개시되어 있다.

특허문헌 2에는 에틸렌·프로필렌·디엔 고무(EPDM)를 주 재료로 하며, 손실 계수의 온도 의존성이 50℃에서의 온도 변화 당 15% 이내의 변화률이 되도록 설정된 고무 부재를 가황(加黃) 접착한 러버 댐퍼 장치가 개시되어 있다.

특허문헌 3에는 토셔널 댐퍼의 허브와 관성링에 가교되며, 약 120℃ 내지 140℃의 고온 분위기에서도 우수한 내열성을 나타내는 토셔널 댐퍼용 EPDM 조성물이 개시되어 있다.

JP

2007-009073

A

JPH11-210832 A

JP

4140415

B

토셔널 댐퍼의 내구성을 향상시키기 위해서는 차량 등의 엔진 가동 시에 있어서의 고무 부재의 온도 상승을 억제하는 것이 과제로 되는데, 토셔널 댐퍼에 적용되는 기존의 고무 부재는 차량 등의 엔진 가동시에 있어서의 온도 상승이 크고, 이것이 토셔널 댐퍼의 내구성 향상을 방해하는 요인으로 되어 있었다.

본 발명의 목적은 고무 부재의 온도 상승을 억제해서 내구성을 향상시킨 토셔널 댐퍼를 제공하는데 있다.

본원에서 개시되는 발명들 중 대표적인 것의 개요를 간단하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 회전축에 장착되어 상기 회전축과 일체적으로 회전되는 댐퍼 허브와 상기 댐퍼 허브에 고무 부재를 개재해서 장착된 관성링을 가진 토셔널 댐퍼로서, 상기 고무 부재는 EPDM을 주 성분으로 하는 고무 조성물로 이루어지고, 또 표면 온도가 60±5℃일 때의 손실 계수(tanδpi)가 0.27 이상이고, 상기 토셔널 댐퍼의 공진점에서의 연속 가진(加振) 시에 있어서의 상기 고무 부재의 표면 도달 최고 온도(T_max)는 T_max=α×ln(tanδpi)+β≤100(식 중 α는 -46.9 내지 -60.4 범위의 계수를 나타내고, β는 +9.4 내지 +27.7 범위의 계수를 나타냄)을 충족시킨다.

본원에서 개시되는 발명들 중 대표적인 것에 의해 얻어지는 효과를 간단하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따르면 댐퍼 허브와 관성링 사이에 장착되는 고무 부재의 온도 상승을 억제할 수 있으므로 내구성이 향상된 토셔널 댐퍼를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태인 토셔널 댐퍼를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 토셔널 댐퍼의 일부 파단 사시도이다.
도 3은 토셔널 댐퍼에 장착된 고무 부재의 비틀림 각도의 측정 방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 도 1에 나타내는 토셔널 댐퍼의 고무 부재를 구성하는 고무 조성물에 포함되는 카본 블랙의 양과 손실 계수(tanδi)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 나타내는 토셔널 댐퍼의 조립 방법을 나타내는 일부 파단 사시도이다.
도 6은 도 1에 나타내는 토셔널 댐퍼 주요부 확대도(평균 압축률 설명도)이다.
도 7은 토셔널 댐퍼에 장착된 고무 부재의 표면 온도 측정 방법을 나타내는 도면이다.

이하에 본 발명의 실시형태를 도면에 의거해서 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시형태인 토셔널 댐퍼를 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1에 나타내는 토셔널 댐퍼의 일부 파단 사시도이다.

본 실시형태의 토셔널 댐퍼(10)는 차량 등의 엔진의 크랭크 샤프트 첨단에 장착되어 해당 크랭크 샤프트의 회전을 얼터네이터(alternator)나 파워 스티어링 등의 피구동 기기로 전달하기 위해 사용되는 것으로서 댐퍼 허브(11)와 관성링(12)과 고리 형상의 댐퍼 고무 부재(13)를 구비한다.

댐퍼 허브(11)는 직경 방향으로 연장되는 디스크부(11a)와 이 직경 방향 중앙부에 일체로 형성된 보스(boss)부(11b)를 가지고, 보스부(11b)가 크랭크 샤프트 첨단에 체결되어 중심축(C)을 중심으로 회전 구동된다. 댐퍼 허브(11)는 FC250, FCD450 등의 주철로 이루어진다.

관성링(12)은 댐퍼 허브(11)의 직경 방향 외측에 배치되어 있으며, 그 외주면에 벨트가 걸리는 풀리(pulley)홈(12a)이 형성되어 동력 전달용 풀리를 구성하고 있다. 관성링(12)은 FC250 등의 주철로 이루어진다.

댐퍼 허브(11)와 관성링(12) 사이에 장착된 고무 부재(13)는 댐퍼 허브(11)의 중심축(C)과 동축(同軸)의 외주면과, 이 외주면에 대향하는 관성링(12)의 내주면의 간극부에 삽입되며, 차량 등의 주행 중에 발생되는 크랭크 샤프트의 비틀림 진동을 줄여서 파손을 방지하고, 엔진 진동의 소음이나 진동을 낮게 하는 역활을 한다.

본 발명자들은 차량 등의 엔진 가동 시에 있어서의 상기 고무 부재(13)의 온도 상승을 억제하기 위해 토셔널 댐퍼 장착 후의 고무 부재(13)의 발열량과 60도에서의 손실 계수(tanδpi)의 관계에 대해 예의 검토한 결과 손실 계수(tanδpi)가 큰 고무 부재는 고무 부재 자체의 발열량이 적다는 지견을 얻었다. 이하 그 이유와 실험 결과에 대해 설명한다.

참고로 이하에서는 토셔널 댐퍼 장착 후의 고무 부재(13)의 60℃에서의 손실 계수를 tanδpi, 토셔널 댐퍼 장착 후의 고무 부재(13)의 120℃에서의 손실 계수를 tanδph, 토셔널 댐퍼 장착 전의 고무 부재(13)의 60℃에서의 손실 계수를 tanδi, 토셔널 댐퍼 장착 전의 고무 부재(13)의 120℃에서의 손실 계수를 tanδh로서 기재한다.

<고무 부재의 손실 계수(tanδpi)와 비틀림 각도(θts)의 관계에 대해>

우선 도 3에 나타내는 것 같은 엔진의 크랭크 샤프트에 상당하는 지그(101)에 토셔널 댐퍼(100)를 장착하고, 지그(101)와 토셔널 댐퍼(100)에 장착된 두 개의 가속도 센서(102, 103)를 사용해서 토셔널 댐퍼(100)에 장착된 고무 부재의 비틀림 각도를 측정했다. 토셔널 댐퍼(100)의 고무 부재에는 본 발명의 고무 부재와 비교예의 고무 부재를 사용하고, 공진점 추적법에 의해 EPDM을 주 성분으로 하는 총 4종류의 고무 부재의 비틀림 각도(θts)를 측정했다. 그 결과를 표1에 나타낸다.

<측정 조건>

·가진(加振) 진폭:±0.35×10^-3rad(±0.02°)

·스위프(sweep) 속도:100Hz/min

	실시예1	실시예4	비교예1	비교예2
고무 부재 비트림 각도 (θts)(°)	0.26	0.18	0.41	0.36

또, 후술하는 실시예에 기재되는 측정 방법에 의해 위에서 언급한 네 가지 고무 부재의 손실 계수(tanδpi)를 측정하고, 고무 부재의 비틀림 각도(θts)와 고무 부재 표면 온도 60℃에서의 손실 계수(tanδpi)의 관계를 플롯한 것이 표2이다.

일반적으로 고무 부재와 같은 내부 감쇠가 큰 점탄성체에 진동 에너지를 주면 이 에너지의 일부는 탄성 에너지로서 저장되고, 나머지 에너지는 진동의 감쇠에 의해 열이 되어 점탄성체의 온도를 상승시킨다.

여기서 외력이 진동의 1사이클에 대해 행한 단위 체적 당의 일은 계(系)가 획득한 단위 체적 당의 열량(Q)과 동일한 것으로 알려져 있다. 이 때 열량(Q)은 아래 수학식(1)으로 나타난다.

(식 중 τ(t)는 외력으로서의 전단(剪斷)력, A는 전단 면적, h는 전단 두께, u는 점탄성체의 변위를 각각 나타낸다)

상기 수학식(1) 중의 du(t)를 전단 일그러짐dγ(t)를 사용해서 나타내면 다음 수학식(2)이 유도된다.

(식 중 G"(ω, T)는 손실 전단 탄성률, γ는 전단 일그러짐, ω는 각진동수, T는 온도를 각각 나타낸다)

또, 일반적으로 손실 계수(tanδ)는 다음 수학식(3)으로 나타난다.

(식 중 G'(ω, T)는 전단 탄성률을 나타낸다)

따라서 상기 수학식(2)과 수학식(3)으로부터 최종적으로 열량(Q)은 다음 수학식(4)으로 나타난다.

(식 중 f는 주파수, γ는 전단 일그러짐을 각각 나타낸다)

표2에 나타내는 바와 같이 토셔널 댐퍼 장착 후의 고무 부재의 비틀림 각도(θts)는 고무 부재의 표면 온도 60℃에서의 손실 계수(tanδpi)가 커짐에 따라 작게 되어 가는 것을 알 수 있다. 특히 표2로부터 알 수 있듯이 고무 부재의 비틀림 각도와 고무 부재의 표면 온도 60℃에서의 손실 계수(tanδpi) 사이에는 명백한 마이너스의 상관이 인정되어 아래 식으로 나타나는 것을 알 수 있었다.

고무 부재의 비틀림 각도(θts)=α×ln(tanδpi)+β

단, α=-0.239 내지 -0.245 범위의 계수

β=-0.0653 내지 -0.0753 범위의 계수

α 및 β의 계수는, 고무 비틀림 각도의 측정 오류(± 0.005°) 및 손실 계수(tanδpi)의 측정 오류(± 0.005)로부터 발생하는 계수이다.

α 및 β의 계수는 고무 비틀림 각도의 측정 오차(± 0.005°) 및 손실 계수(tanδpi)의 측정 오차(± 0.005)로 인해 생기는 계수이다.

이와 같이 고무 부재의 비틀림 각도(θts)와 고무 부재의 표면 온도 60℃에서의 손실 계수(tanδpi)는 마이너스의 상관을 가진다.

즉, 고무 부재의 표면 온도 60℃에서의 손실 계수(tanδpi)가 큰 고무 부재일수록 전단 일그러짐(γ)이 작아 토셔널 댐퍼에 주는 에너지가 작게 되는 것을 의미하고, 그 결과 상기 식(4)으로부터 손실 계수(tanδpi)가 큰 고무 부재일수록 열량(Q)이 작게 되므로 온도 상승이 작게 되는 것이 추정된다.

그래서 본 발명자들은 토셔널 댐퍼 장착 후의 고무 부재의 표면 온도 60℃에서의 손실 계수(tanδpi)와 고무 부재의 표면 최대 온도가 정상 상태로 되었을 때의 표면 도달 최고 온도의 관계에 대해 아래와 같은 검토를 실시했다.

<고무 부재의 표면 온도 60℃에서의 손실 계수(tanδpi)와 표면 도달 최고 온도(T_max)의 관계에 대해>

후술하는 실시예에 기재되는 공진점 추적법을 사용해서 상이한 손실 계수(tanδpi)를 가진 대표적인 두 가지 고무 부재(표1에 나타내는 본 발명품 및 비교예품)의 표면 도달 최고 온도를 비접촉 표면 온도계로 측정했다. 그 결과를 표3에 나타낸다.

표3으로부터 알 수 있는 바와 같이 고무 부재의 표면 온도는 적어도 시험 개시부터 30분이 경과된 시점에서 정상 상태가 된다.

아울러 고무 부재의 표면 온도 60℃에서의 손실 계수(tanδpi) 및 120℃에서의 손실 계수(tanδph)와 표면 도달 최고 온도의 관계를 플롯한 것을 표 4에 나타낸다.

여기서 표면 온도의 측정은 도 7에 나타내는 바와 같이 고주파 비틀림 진동 시험기에 직접적으로 토셔널 댐퍼(100)를 설치하고, 공진 주파수인 공진점을 연속적으로 추적하면서(공진점 추적법) 하기 조건으로 비접촉 표면 온도계에 의해 측정했다.

<측정 조건>

·가진 진폭:±0.05°

·공진 주파수:400Hz(+0Hz 내지 -30Hz)

여기서 공진 주파수는 고주파 비틀림 진동 시험기에 의한 공진 스위프법(고유 진동수 측정)을 사용해서 아래 측정 조건에서 측정한 것이다. 또, 공진 주파수의 오차(+0Hz 내지 -30Hz)는 시험 시간이 경과됨에 따라 공진 주파수가 변동하는 오차이다.

<측정 조건>

·가진 진폭:± 0.85×10^-3rad(± 0.05°)

·스위프 속도:100Hz/min

그런데 일반적으로 토셔널 댐퍼의 공진 주파수(fn)는

fn=(1/2π)×(k/Id)^1/2

(여기서 k:스프링 정수, Id:관성 질량으로 나타난다)

따라서 공진 주파수는 스프링 정수인 고무 부재 및 댐퍼의 관성 질량에 따라 다양

한 값이 될 수 있는 데 본 측정에 사용한 토셔널 댐퍼의 공진 주파수는 400Hz이었다.

그 결과 표 4에 나타내는 바와 같이 고무 부재의 표면 온도 60℃에서의 손실 계수(tanδpi)와 고무 부재의 표면 도달 최고 온도 사이에는 양호한 마이너스의 상관 관계가 있고, 고무 부재의 표면 온도 60℃에서의 손실 계수(tanδpi)가 커짐에 따라 고무 부재의 표면 도달 최고 온도가 내려 가는 것이 판명되었다. 이는 고무 부재의 표면 온도 60℃에서의 손실 계수(tanδpi)가 커질수록 전단 일그러짐(γ)(≒비틀림 각도)가 작게 되어 토셔널 댐퍼에 제공되는 에너지가 작게 되므로 상기 식(4)으로부터 열량(Q)이 작게 되어 온도 상승이 작게 된다는 가설을 검증할 수 있었다.

또, 고무 부재의 표면 온도 60℃에서의 손실 계수(tanδpi)와 고무 부재의 표면 도달 최고 온도의 마이너스의 상관 관계는 표면 온도 60℃에 있어서 특히 양호하고, 표면 온도 60℃에서의 손실 계수(tanδpi)와 고무 부재의 표면 도달 최고 온도(T_max) 사이에는 수학식(5)과 같은 관계가 있는 것을 알수 있었다.

(식 중 α는 -46.9 내지 -60.4 범위의 계수를 나타내고, β는 +9.4 내지 +27.7 범위의 계수를 나타낸다)

여기서 수학식(5) 중의 계수 α, β는 손실 계수(tanδpi)의 측정 오차 ±0.005, 표면 온도 측정 오차 ±5℃에서 얻어지는 계수이다. 또, 표면 도달 최고 온도(T_max)라 함은 고무 부재의 온도 상승+환경 온도(표 4의 경우에는 23℃)를 의미한다.

한편 고무 부재의 표면 온도 120℃에서의 손실 계수(tanδph)와 표면 도달 최고 온도(T_max) 사이에는 양호한 상관이 얻어지지 않는다. 이는 EPDM 고무 조성물의 특성, 예컨대 고온 시의 손실 계수 개선을 위해 첨가하는 첨가제로 인해 EPDM의 고무 가교 밀도가 변화되어 고온측(여기서는 120℃) 손실 계수(tanδph)와 고무 부재의 표면 도달 최고 온도와의 양호한 상관이 얻어지지 않는 것으로 생각되기 때문이다.

또, 고무 부재의 표면 온도가 100℃보다 상승되면 고무 부재를 구성하는 고무 조성물의 재료 특성(예를 들어 인장 강도, 모듈러스 등)이 저하되어 내구성이 악화된다. 그러므로 상한 온도를 100℃로 했다.

다음으로 본 실시형태의 고무 부재(13)의 구성에 대해 상세하게 설명한다.

본 실시형태의 고무 부재(13)는 에틸렌·프로필렌·디엔 삼원 코폴리머(EPDM)를 주성분으로 한 고무 조성물을 통상적인 방법에 의해 소정 형상(본 예에서는 원통형)으로 가황 성형함으로써 얻어진 것이다.

또, 상기 고무 조성물에 첨가하는 카본 블랙량과 토셔널 댐퍼 장착 전의 고무 부재 단체의 손실 계수(tanδi) 사이에는 상관 관계가 있어 도 4에 나타내는 바와 같이 카본 블랙량의 증가에 비례해서 손실 계수(tanδi)도 또한 커진다. 따라서 상기 고무 조성물에는 EPDM 100중량부 대비 카본 블랙 100중량부 이상을 첨가하는 것이 바람직하다.

아울러 상기 고무 조성물에는 프로세스 오일이 50중량부 이상이 첨가되고, 상기 EPDM의 폴리머 분율은 20% 이상 40% 이하인 것이 바람직하다(후술하는 실시예의 표 6 참조)

또, 내구성의 관점에서 상기 고무 조성물에는 EPDM 100중량부 대비 카본 블랙 140중량부 이상, 프로세스 오일 70중량부 이상을 각각 첨가하는 것이 더욱 바람직하다(후술하는 실시예의 표 6 참조).

아울러 고무 조성물에 첨가하는 카본 블랙의 입경과 고무 부재의 60℃에서의 손실 계수(tanδi) 사이에도 상관 관계가 있어 카본 블랙의 입경이 작을수록 손실 계수(tanδi)가 커진다.

바꾸어 말하면 카본 블랙의 요오드 흡착량이 많을수록 카본 블랙의 입경이 작게 되어 고무 부재의 60℃에서의 손실 계수(tanδi)가 커진다. 또, DBP(가소제:프탈산 디부틸(Dibutyl phthalate)) 흡유(吸油)량이 많을수록 카본 블랙의 스트럭처(structure)가 커져 전도성이 향상되므로 고무 부재를 토셔널 댐퍼에 장착했을 때에 토셔널 댐퍼의 대전을 방지할 수 있는 동시에 내구성을 향상시킬 수 있다.

구체적으로 고무 조성물에 첨가하는 카본 블랙은 요오드 흡착량이 70mg/g 이상 150mg/g 이하이고, DBP 흡유량이 40ml/100g 이상 120ml/100g 이하인 것이 바람직하다(표 5 참조)

그런데 고무 조성물에는 카본 블랙에 추가해서 가황제로서 과산화물, 공가교제 등이 함유된다.

과산화물로서는

1,1- 비스(tert-부틸퍼옥시)시클로헥산,

2,5-디메틸-2,5-디(tert-부틸퍼옥시)헥산,

2,5-디메틸-2,5-디(tert-부틸퍼옥시)헥신-3,

2,5-디메틸-2,5-디(벤조일퍼옥시)헥산,

1,3-디(2-tert-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠,

디-tert-부틸퍼옥시드,

디큐밀퍼옥시드,

N-부틸-4,4-디(tert-부틸퍼옥시)발레레이트,

tert-부틸큐밀퍼옥시드,

등이 사용될 수 있다.

공가교제로서는

트리알릴이소시아네이트,

에틸렌글리콜디메타크릴레이트,

트리메틸올프로판트리메타크릴레이트,

트리알릴시아누레이트,

퀴논디옥심,

폴리부타디엔,

등이 사용될 수 있다.

또, 고무 조성물에는 상술한 성분 이외에도 주지된 고무 첨가제(프로세스 오일(광물유), 가소제, 아연화, 스테아르산아연, 노화 방지제 등)가 포함된다.

본 실시형태의 토셔널 댐퍼(10)는 상기와 같은 고무 조성물을 가황 성형해서 고리 형상의 댐퍼 고무 부재(13)를 제작한 후, 도 5에 나타내는 바와 같이 댐퍼 허브(11)의 보스부(11b)가 연직 방향이 되도록 댐퍼 허브(11)와 관성링(12)을 받침대(도시하지 않음) 상에 배치한 상태로 프레스 등의 압입(壓入) 지그를 사용해서 댐퍼 허브(11)의 외주면과 관성링(12)의 내주면의 간극부(14)에 댐퍼 고무 부재(13)를 압입함으로써 제조할 수 있다. 이와 같이 해서 제조된 부품을 압입형 토셔널 댐퍼라고 한다.

댐퍼 허브(11)와 관성링(12)의 간극부(14)에 고무 부재(13)를 압입할 때에는 고무 부재(13)의 평균 압축률이 10% 이상 40% 이하로 되는 것 같은 압력으로 하는 것이 바람직하다. 고무 부재(13)의 평균 압축률이 10% 미만인 경우에는 토셔널 댐퍼(10)의 슬립 토크가 소망의 값으로 되지 않아 동력이 벨트로 전달되기 어려워진다. 또, 40%보다 큰 압축률인 경우에는 고무 부재(13)에 대한 응력 집중으로 인해 균열이 발생해서 내구성이 열화되므로 바람직하지 못하다.

또, 댐퍼 고무 부재(13)의 평균 압축률은 10% 이상 30% 미만인 것이 더욱 바람직하다. 평균 압축률이 상기 범위 내이면 특히 내구 시험에 있어서 관성링(12) 혹은 댐퍼 허브(11)와의 마찰로 인한 고무 마모분(粉)의 발생을 억제할 수 있으므로 양호한 내구성을 얻을 수 있다. 그 위에 압입성이 양호하게 되므로 안정된 치수 정밀도를 구현할 수 있다.

여기서 고무 부재(13)의 압축률이라 함은 토셔널 댐퍼의 반경 방향 압축률이고, 반경 방향 압축률이라 함은 도 5의 고무 부재(13)의 장착 전의 두께(t0)가 장착에 의해 압축되어서 두께가 (t1)이 되는 것이며, 반경 방향 압축률은 수학식(6)으로 나타난다.

그런데 도 6에 나타내는 바와 같이 고무 부재(13)를 댐퍼 허브(11) 및 관성링(12)에 삽입할 때에는 댐퍼 허브(11)와 관성 링(12)의 간극부는 일정 간격이 아니고 고무 부재(13)의 압입 방향 입구부분은 고무 부재(13)를 삽입하기 쉽도록 넓은 간극부를 가진다.

또, 토셔널 댐퍼의 종류에 따라서는 관성링 내주의 중앙부, 허브 중앙부 부근에 압입한 고무 부재의 좌우 방향(지면 상)으로의 고무 부재의 빠짐을 방지하기 위해 볼록 형상의 돌기가 설치된다.

이와 같이 토셔널 댐퍼에 고무 부재를 압입했을 경우에는 관성링 내주면과 허브 외주면에 의해 형성되는 간극부는 일정하지 않다. 즉, 도 6에서와 같이 t1 내지 t5과 같은 공극 거리를 가진다. 그러므로 고무 부재의 압축률은 부분적으로 상이한 압축률이 된다.

그래서 수학식(7)으로 나타내는 것 같은 압축률이 상이한 영역의 가중 평균 압축률을 평균 압축률로 했다.

단, t₀:압입 전의 고무 부재의 두께

t_n:상이한 공극부에 삽입(압입)했을 때의 최대 공극 간격부분의 고무 부재의 두께

L₀:토셔널 댐퍼의 폭

L_n:토셔널 댐퍼 각종 공극부 각각의 폭방향 길이

n:압축률이 상이한 영역의 수치로서 1에서 5까지의 정수.

여기서 t1, t5는 경사를 가진 개구 부분(L1, L5)의 중심 위치(L1/2, L5/2)에서의 공극 거리이다.

또, L5가 경사부를 가지지 않아 개구하고 있지 않을 경우에 t5=t4라면 n=4가 된다. 아울러 중앙부의 볼록부가 없을 경우도 있어 그 경우에 t2에서 t4까지가 동일한 공극 거리이면 n=3이 된다.

이와 같이 간극부 간격이 동일한 영역은 n=1로 카운팅하고, 간극부 간격이 상이한 영역이 있으면 n이 점차로 늘어나며 임의의 간극부 간격에 따라 n은 최대로 5까지를 취할수 있다.

또, 토셔널 댐퍼(10)의 내구성을 향상시키는 관점에서 토셔널 댐퍼 장착 전의 고무 부재(13)는 300% 신장 시의 모듈러스(Mpa)와 50% 신장 시의 모듈러스(Mpa)의 비(300% 신장 시 모듈러스/50% 신장 시 모듈러스)를 7.2 이상으로 하는 것이 바람직하다. 300% 신장시 의 모듈러스와 50% 신장 시의 모듈러스의 비(300% 신장 시 모듈러스/50% 신장 시 모듈러스)가 7.2보다 작을 경우에는 외력을 인가했을 때의 고무 부재의 일그러짐이 커져 내구 시에 고무 부재가 파손될 수 있다.

본 실시형태의 토셔널 댐퍼(10)의 제조 방법으로서는 상술한 압입법 이외에도 고무 부재(13)를 구성하는 댐퍼 고무 조성물을 댐퍼 허브(11)와 관성링(12)의 간극부(14)에 주입해서 가열하는 가황 접착법이 있다. 가황 접착법에 의해 제조된 부품을 가황 접착형 토셔널 댐퍼라고 한다.

가황 접착법에 따르면 압입법에 비해 고무 부재 본래의 특성을 발휘하기 쉽지만 접착 불량을 야기하기 쉬우므로 댐퍼 허브(11)나 관성링(12)과의 접착력을 높이기 위한 조정이 필요하게 된다. 압입법에서는 고무 부재가 압축되므로 댐퍼 고무 조성물 본래의 특성이 다소 희생되지만 압입이라는 간이한 공정에 의해 접착 불량을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

(실시예)

다음으로 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

<고무 부재의 제조>

(댐퍼 고무 조성물의 조정 공정)

우선, 3.5리터 반바리 믹서(Bunbury mixer)에 EPDM 100중량부를 투입하고 회전수 40rpm로 1분간 소련(素練)한 후 카본 블랙 100중량부, 프로세스 오일 50중량부, 아연화 5중량부, 스테아르산아연 1중량부, 노화 방지제 2중량부를 투입해서 2분간 혼련하고, 이어서 1분간 혼련(混練)한 후 혼련물을 반바리 믹서로부터 배출했다. 계속해서 배출된 혼련물을 롤 간격 5mm로 한 12인치 롤에 들러 감아 시트 형태로 성형하고 성형된 반죽을 실온에서 12시간 이상으로 내버려 두었다.

다음으로 상기 반죽을 롤 간격 4mm로 한 6인치 롤에 들러 감고 과산화물로서 2,5-디메틸-2,5-디(tert-부틸퍼옥시)헥산 3.5중량부 및 공가교제로서 트리메틸올프로판트리메타크릴레이트 2중량부를 혼련해서 뒤집기를 좌우로 3회씩 실시하고, 계속해서 둥글리기를 5회 실시한 후 시트 형태로 성형했다.

(댐퍼 고무 조성물의 가황 공정)

다음으로 상기 시트를 금형에 장착하고 180℃에서 10분간 프레스 가황을 실시해서 두께가 2mm의 고무 시트를 제작한 후 150℃의 항온조에서 6시간 동안 가열 처리를 실시했다.

또, 댐퍼 고무 조성물의 조성비를 바꾼 것 이외에는 상기와 동일한 방법으로 표6에 나타내는 실시예2 내지 실시예5 및 비교예1,2의 고무 부재를 제작했다. 단, 실시예1 내지 실시예5에서는 요오드 흡착량 및 DBP 흡유량이 도 5의 파선으로 나타내는 범위에 있는 카본 블랙1을 사용했고, 비교예2에서는 카본 블랙2를 사용했다.

<고무 부재의 평가>

1. 하기 조건에 따라 JIS K6394에 의거해서 실시예1 내지 실시예5 및 비교예2의 고무 부재의 60℃에서의 손실 계수(tanδi), 120℃에서의 손실 계수(tanδh) 및 손실 계수비(tanδh/tanδi)를 각각 측정했다. 결과를 표6에 나타낸다.

측정기:우에시마 제작소사 제조 점탄성 아날라이저 YR-7130

변형 방법:인장

주파수:100Hz

진폭:±1%

프리로드:480mN

시험편 형상:가황 성형 후의 고무 부재로부터 채취한

20mm(잡기 간격)×4mm(폭)×2mm(두께)의 단책(短冊) 형상편

2. JIS K6253에 의거해서 듀로미터(Durometer)A를 사용하고 1초 이내에 판독하는 방식으로 실시예1 내지 실시예5 및 비교예2의 고무 부재의 경도를 측정했다. 결과를 표6에 나타낸다.

3. JIS K6251에 의거해서 실시예1 내지 실시예5 및 비교예2의 고무 부재의 인장 강도(Mpa), 신장(％) 및 모듈러스(modulus)(300% 신장 시의 모듈러스, 50% 신장 시의 모듈러스 및 그들의 비)를 측정했다. 결과를 표6에 나타낸다.

<압입형 토셔널 댐퍼의 평가>

1. 실시예1 내지 실시예5 및 비교예1,2의 고무 조성물을 사용해서 고리 형상의 고무 부재(도 5의 고무 부재(13) 참조)를 제작하고, 허브와 관성 링의 간극부에 평균 압축률 10 내지 40%로 압입해서 토셔널 댐퍼를 제조했다.

다음으로 토셔널 댐퍼(실시예1 내지 실시예5, 비교예1,2)에 장착된 고무 부재의 표면 온도 60℃에서의 손실 계수(tanδpi), 고무 부재의 표면 온도 120℃에서의 손실 계수(tanδph) 및 손실 계수비(tanδph/tanδpi)를 고주파 진동 시험기에 의한 공진 스위프(sweep)법(고유 진동수 측정)으로 측정했다.

<측정 조건>

·고무 온도:60±5℃, 120±5℃

·가진 진폭:±1.7×10^-3rad(±0.1°)

·스위프 속도:100Hz/min

2. 또, 토셔널 댐퍼(실시예1 내지 실시예5, 비교예1,2)의 공진점에서의 연속 가진 시(앞에서 언급한 공진점 추적법)에 있어서의 각 고무 부재의 표면 도달 최고 온도를 비접촉 표면 온도계에 의해 측정하고, 동시에 동일한 방법에 의해 소정 시간 경과 후의 내구성 평가를 실시했다. 결과를 표 6에 나타낸다. 여기서 표 6의 내구성에 대해서는 소정 시간 경과 전에 고무의 파손이 있었던 것을 「×(벌점)」으로 했고, 소정 시간 경과 후에는 고무 부재의 외관에 이상이 없었지만 소정 시간 이상으로 고무 부재의 물성치(예를 들어 모듈러스)가 변화한 것을 「○(동그라미)」로 했으며, 소정 시간 경과 후에 고무 부재의 외관에 이상이 없어 물성치 변화도 없었던 것을 「◎(이중 동그라미)」로 했다.

표 6에 나타내는 바와 같이 실시예1 내지 실시예5의 토셔널 댐퍼는 고무 부재의 온도 상승을 억제해서 양호한 내구성을 나타내는 것을 알 수 있었다.

이상으로 본 발명의 토셔널 댐퍼에 대해 상세하게 설명했으나 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고 그 요지로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경이 가능하다. 예를 들면 본 발명의 토셔널 댐퍼는 자동차, 건설 기계, 선박 등의 크랭크 샤프트뿐만 아니라 엔진의 캠 샤프트 등과 같은 다양한 회전축의 비틀림 진동을 적게 하기 위해 적용할 수 있고, 외주면에 풀리 홈이 형성되어 있지 않은 타입의 관성링을 가진 토셔널 댐퍼나, 보스부를 갖추지 않는 허브를 가진 토셔널 댐퍼 등에 적용할 수도 있다.

10 : 토셔널 댐퍼
11 : 댐퍼 허브
11a : 디스크부
11b : 보스(boss)부
12 : 관성링
12a : 풀리 홈
13 : 고무 부재
14 : 간극부
101 : 지그
102,103 : 가속도 센서

Claims

회전축에 장착되어 상기 회전축과 일체적으로 회전되는 댐퍼 허브와,
상기 댐퍼 허브에 고무 부재를 개재해서 장착된 관성링
을 가진 토셔널 댐퍼로서,
상기 고무 부재는 EPDM을 주성분으로 하는 고무 조성물로 이루어지고,
상기 댐퍼 허브와 상기 관성링 사이에 장착된 상기 고무 부재는 표면 온도가 60±5℃일 때의 손실 계수(tanδpi)가 0.27 이상이며,
상기 토셔널 댐퍼의 공진점에서의 연속 가진 시에 있어서의 상기 고무 부재의 표면 도달 최고 온도(T_max)는 아래 수학식
T_max=α×ln(tanδpi)+β≤100
(식 중 α는 -46.9 내지 -60.4 범위의 계수를 나타내고, β는 +9.4 내지 +27.7 범위의 계수를 나타낸다)
을 충족시키는 토셔널 댐퍼.
제1항에 있어서,
상기 토셔널 댐퍼 장착 전의 상기 고무 부재의 60℃에서의 손실 계수(tanδi)가 0.33 이상인 토셔널 댐퍼.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 고무 부재는 상기 고무 조성물을 가황 성형한 것이고,
상기 고무 조성물에는 상기 EPDM 100중량부 대비 카본 블랙 100중량부 이상, 프로세스 오일 50중량부 이상이 각각 첨가되며,
상기 EPDM의 폴리머 분율은 20% 이상 40% 이하인 토셔널 댐퍼.
제3항에 있어서,
상기 고무 조성물에 첨가된 상기 카본 블랙은 요오드 흡착량이 70mg/g 이상 150mg/g 이하이고, DBP 흡유량이 40ml/100g 이상 120ml/100g 이하인 토셔널 댐퍼.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고무 부재는 300% 신장 시의 모듈러스(modulus)와 50% 신장 시의 모듈러스의 비가 7.2 이상인 토셔널 댐퍼.
제1항, 제2항, 제3항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고무 부재는 상기 댐퍼 허브와 상기 관성링 사이에 아래 수학식으로 나타내는 반경 방향의 평균 압축률로 압입(壓入)되어 있는 토셔널 댐퍼.

단, t₀:압입 전의 고무 부재의 두께
t_n: 상이한 공극부로 삽입(압입)했을 때의 고무 부재의 두께
L₀:토셔널 댐퍼의 폭
L_n:토셔널 댐퍼 각종 공극부 각각의 폭 방향 길이
n:압축률이 상이한 영역의 수로서, 1에서 5까지의 정수.