KR20190107803A - 방진용 스프링-고무 마운트 - Google Patents

방진용 스프링-고무 마운트 Download PDF

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KR20190107803A KR1020180028979A KR20180028979A KR20190107803A KR 20190107803 A KR20190107803 A KR 20190107803A KR 1020180028979 A KR1020180028979 A KR 1020180028979A KR 20180028979 A KR20180028979 A KR 20180028979A KR 20190107803 A KR20190107803 A KR 20190107803A
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윤은중
이재국
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(주)엔에스브이
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Abstract

본 발명은, 장구형 스프링을 스프링-고무 마운트에 최초로 적용한 개선된 구조를 통하여 진동 전달율을 감소시켜 방진 효과를 높인다는 효과를 발휘한다. 본 발명은 스프링과 스프링을 수용하는 고무로 이루어지는 방진용 스프링-고무 마운트로서, 상기 스프링은 스프링의 길이 방향 중심을 향하여 테이퍼 지며, 스프링 양단에서의 직경이 동일한 장구형 스프링이고, 상기 고무에는 상기 스프링을 수용하는 적어도 하나의 홀이 형성되고, 상기 홀에는 상기 스프링을 수용하도록, 폭이 좁은 중앙부와 중앙부를 중심으로 상부 및 하부로 갈수록 직경이 증가하는 상부 및 하부로 이루어지는 스프링 지지대를 설치한 구조로 되어 있다

Description

방진용 스프링-고무 마운트{Vibration Isolation spring-rubber mount}
본 발명은 방진(防振)용 스프링-고무 마운트에 관한 것이다. 더욱, 구체적으로 본 발명은 소위, 장구형(hourglass type) 스프링을 방진 기구에 적용하여 고유 진동수를 낮춤으로써 방진 효율을 향상시킨 방진용 스프링-고무 마운트에 관한 것이다.
각종 펌프나 송풍기 또는 공조기등 회전이나 왕복운동으로 기전력을 발생시키는 설비의 하부에는 그 설비로부터 발생되는 진동이 바닥으로 전달되는 것을 차단하기 위하여 스프링 마운트가 설치되고 있다. 스프링 마운트는 주로 스프링으로 진동을 줄이며, 상하 방향의 진동을 흡수하고 수평 방향의 기진력이나 반력이 크지 않은 경우에는 개방형을 사용하고, 수평 반력이 크거나 장비를 고효율로 방진해야 하는 경우는 횡 방향의 진동을 감쇄시키는 밀폐형을 사용한다.
출원인은 등록실용신안 제20-345403호에서, 상부 하우징과 하부 하우징 사이에 직경이 일정한 코일 스프링을 설치한 스프링 마운트를 제안하였다.
한편, 최근 지진에 의한 진동이 심각한 재해의 원인으로 부각되고 있고, 방진 효과를 높이기 위하여 스프링에 더하여 방진고무, 오일 댐퍼 및 베이스와 같은 프레임을 연결한 복합형의 마운트가 개발되고 있다. 이러한 하이브리드형 마운트는 보호 대상, 부착 위치, 주 방진 방향에 따라 다양한 설계가 가능하다.
예를 들어 한국특허 제10-0927954호는 베이스의 중앙에 오일 댐퍼를 설치하고, 그 주위에 스프링이 상호 연결되도록 설치하고, 보호 기기와 결합된 연결프레임에는 방진 고무를 설치한 내진용 스프링 댐퍼 마운트를 개시하고 있다.
한국특허 제10-1375336호는 사각바로 프레임을 형성하고 사각바 사이에 충격 흡수용 고무판을 설치하고, 고무판 사이에 진동 흡수부를 설치한 내진용 방진 스프링 마운트를 개시하고 있다.
이상의 스프링 마운트는 어느 정도 방진 효과는 있으나, 구조가 복잡하며, 진동 방지 효율면에서의 개선은 이루어지지 않고 있는 실정이다.
출원인은 이러한 점에 착안하여 기존의 스프링-고무 마운트에 사용되는 압축 스프링으로 직경이 일정한 원통형 스프링의 개선에 주목하게 되었다. 본 발명은 스프링의 구조 개선과, 이에 따른 스프링 수용 부재로서 고무 부재의 개선이라는 관점을 조합하여 안출된 것이다
그러므로, 본 발명은 고유 진동수를 낮춤으로써 방진 효율을 향상시킨 개선된 구조의 방진용 스프링-고무 마운트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 스프링과 스프링을 수용하는 고무로 이루어지는 방진용 스프링-고무 마운트로서, 상기 스프링은 스프링의 길이 방향 중심을 향하여 테이퍼 지며, 스프링 양단에서의 직경이 동일한 장구형 스프링이고, 상기 고무에는 상기 스프링을 수용하는 적어도 하나의 홀이 형성되고, 상기 홀에는 상기 스프링을 수용하도록, 폭이 좁은 중앙부와 중앙부를 중심으로 상부 및 하부로 갈수록 직경이 증가하는 상부 및 하부로 이루어지는 스프링 지지대를 설치한, 스프링-고무 마운트를 제공한다.
상기 스프링에는 길이 방향을 따라 적어도 상부, 중앙부 및 하부로 3분할되는 직경 가변 영역이 형성될 수 있다.
상기 스프링의 전체 턴수는 5 내지 7일 수 있다.
상기 스프링의 최대 직경(r1)은 상부와 하부에, 최소 직경(r2)은 중앙부에 형성되며, 최대 직경에 대한 최소 직경의 직경비(r=r2/r1)는 0.5 내지 0.8일 수 있다.
상기 스프링의 최대 높이(h)를 기준으로, 스프링이 최대로 압축된 경우의 밀착 높이(h')의 비율(hr = h'/h)은 0.5 내지 0.8일 수 있다.
상기 스프링-고무 마운트의 정적 변위는 10mm 이상일 수 있다.
본 발명은 스프링-고무 마운트의 진동 전달율을 감소시켜, 방진 효율을 획기적으로 높인 방진용 스프링-고무 마운트를 제공하는 효과가 있다.
본 발명은, 장구형 스프링을 스프링-고무 마운트에 최초로 적용한 개선된 구조의 방진용 스프링-고무 마운트를 제공하는 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링-고무 마운트의 전체 사시도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링의 측단면도;
도 3은 도 2의 사시도;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀의 측단면도;
도 5는 도4의 홀에 스프링이 권취된 것을 도시한 측단면도; 그리고
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링-고무 마운트를 적용한 경우 진동비에 따른 진동 전달율의 그래프이다.
이하 본 발명의 일부 실시예를 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링-고무 마운트의 원리에 대하여 설명한다.
일반적으로 스프링은 고유 진동수는 낮으나 감쇠(댐핑, damping)력이 작고, 고무는 감쇠력은 우수하나 고유 진동수가 높은 성질을 가지므로, 양자를 조합하여 사용하면 장점을 부각시키고 단점을 상쇄하는 상승 효과를 기대할 수 있다.
질량(m), 스프링 상수(k)인 물체의 고유 진동수(fn)는
fn = (1/2π)(k/m)1/2
Figure pat00001
15.76/(δ1 /2) (δ: 정적 변위)
이다. 정적변위(static deflection)는 하중에 의해 탄성체가 변형되는 길이를 말한다. 물체의 고유 진동수는 정적 변위에 의해 결정된다.
본 발명은 스프링과 고무 부재의 구조적 개선과 양자의 결합을 통해 스프링-고무 마운트의 정적 변위를 증가시켜 고유 진동수를 낮추는 것을 특징으로 한다. 스프링 마운트가 장착되는 산업설비나 기기의 작동 주파수는 통상 스프링 마운트의 고유 진동수보다 높다. 따라서, 고유 진동수를 더 낮추면 진동 전달율을 줄여 방진 효율을 높일 수 있다.
선행기술의 고무-스프링 마운트의 정적 변위는 5.5mm가 최대이었다. 본 발명은 장구형 스프링을 사용함으로써 정적 변위를 최소 10mm로 연장하여 고유 진동수를 낮출 수 있는 새로운 구조의 스프링-고무 마운트(1)를 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링-고무 마운트(1)의 전체 사시도이다.
스프링-고무 마운트(1)는 넓은 평판형의 고무(2)와, 고무(2)의 홀(20)에 수용된 스프링(4)을 포함한다. 홀(20)은 도시한 예에서는 9개이나, 고무(2)의 중앙은 삭제하여 8개를 설치하는 등 다양한 변형이 가능하다. 고무(2)의 크기는 피설치 장비의 규격에 따라 다르다. 펌프 장비에 설치되는 경우 예를 들어 가로 100mm, 세로 100mm, 높이 30mm일 수 있다. 스프링-고무 마운트(1)는 주로 피설치 장비의 하부에, 지면에 인접하여 바람직하게는 복수 개 균형 있게 설치됨으로써 방진 기능을 수행한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 스프링(4)에 대하여 설명한다. 본 발명의 스프링은 압축 스프링이며, 길이에 따라 직경이 일정하지 않은 소위 '장구형 스프링'(hourglass spring)에 속한다. 이하 별도로 언급하지 않는 한 본 발명의 스프링(4)은 스프링의 길이 방향 중심을 향하여 테이퍼 지며, 스프링 양단에서의 직경이 동일한 가변형 스프링을 의미하는 것으로 한다.
도 2는 스프링(4)의 측단면도이고, 도 3은 그 사시도이다. 도면에서는 전체 설명을 위하여 정적 변위가 없는 상태를 기준으로 하였다.
스프링(4)은 상단에서 하단에 걸쳐 복수개의 연속된 코일(401,...,408)로 이루어진다. 코일(401,...,408)은 편의상 진행 방향과 경사 각도에 따라 구분하였다. 코일(401,...,408)은 전체적으로 장구형상이다. 최상단의 1단 코일(401)의 시작점, 즉 좌측 단부 지점은 지점(P1), 3차 코일(403)과 4차 코일(404)의 교차점은 지점(P2), 4차 코일(404)과 5차 코일(405)의 교차점은 지점(P3), 5차 코일(405)과 6차 코일(406)의 교차점은 지점(P4), 그리고, 최하단의 8단 코일(408)의 종점, 즉 좌측 단부 지점은 지점(P5)을 이룬다. 지점(P3)은 스프링(4)의 길이 방향 중심이며, 지점(P3)을 중심으로 상부와 하부의 구조는 실질적으로 대칭이다.
또, 길이 방향으로 보아 지점(P1,P2) 사이는 스프링(4)의 상부(40a), 지점(P2,P4) 사이는 중앙부(40b), 그리고 지점(P4,P5) 사이는 하부(40c)를 이룬다.
이상의 구조의 본 발명의 스프링(4)을 구현하기 위해서는, 최소한 상부, 중앙부 및 하부로 3분할되는 직경 가변 영역을 제공하도록, 스프링(4)의 전체 턴수가 결정되어야 한다. 예를 들어, 전체 턴수는 5 내지 7일 수 있다. 턴수는 스프링(4)의 두께(t)에 따라서 달라질 수 있다.
다음, 스프링(4)의 직경은 외경 또는 내경을 기준으로 하는데, 외경은 내경이 정해지면 스프링(4)의 두께(t)에 따라 자연히 그 값이 계산되므로 편의상 여기서의 직경은 내경을 의미하는 것으로 한다. 도시한 것과 같이, 스프링(4)의 최대 내경은 제1코일(401)과 제2코일(402)이 이루는 경사원(따라서, 제8코일(408)과 제7코일(407)이 이루는 경사원)을 수평면에 투사한 경우의 직경(r1)이 되며, 스프링(4)의 최소 내경은 제4코일(404)과 제5코일(405)이 이루는 경사원을 수평면에 투사한 경우의 직경(r2)이 된다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 직경(r1)은 상부(40a)와 하부(40c)에, 직경(r2)은 지점(P3)을 기준으로 연장되는 상부 및 하부 코일(404,405)에 의하여 형성된다.
직경(r1)은 스프링(4)이 장착되는 홀(20)의 크기에 영향을 받아 결정되므로, 사전에 소정값으로 설정된다고 가정하면, 스프링(4) 성능 향상을 위하여 직경(r2)이 고려될 필요가 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 직경비(r=r2/r1)는 0.5 내지 0.8인 것이 바람직하다. 직경비가 0.5 미만이면, 정적 변위값이 과도하게 커서 코일 두께(t)나 중량을 증대시켜야 하며, 0.8을 초과하면 스프링(4)의 비틀림 응력이 커져 내구성이 약해지고 변형 또는 파손될 우려가 있다.
본 발명의 스프링(4)의 최대 높이(h)는 10mm 이상의 정적 변위를 제공하는 하중을 가하는 경우, 비틀림 응력이 크지 않고 변형 또는 파손되지 않도록 설계된다. 최대 높이(h)는 스프링(4)이 장착되는 고무(2)의 높이에 영향을 받아 결정되므로, 최대 높이(h)를 기준으로, 스프링(4)이 최대로 압축된 경우의 밀착 높이(h')의 비율(hr)을 적절한 물성 요소로 고려할 수 있다. 높이 비율(hr)이 결정되면 적절한 강도를 가지는 스프링(4)을 제작할 수 있다. 본 발명에 의하면, 높이 비율(hr)은 0.1 내지 0.25의 범위가 바람직하다. 높이 비율(hr)이 0.1 미만이면, 스프링 탄성 계수가 과도하여 진동력 감쇄 효과가 크지 않고, 0.25를 초과하면 스프링(4)의 비틀림 응력이 커져 내구성이 약해지고 변형 또는 파손될 우려가 있다.
특히, 본 발명의 스프링(4)의 최대 높이(h)는 12mm 이상의 정적 변위가 가능함이 확인되었다.
이하, 본 발명의 고무(2)에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀(20)의 측단면도, 도 5는 도4의 홀(20)에 스프링(4)이 권취된 것을 도시한 측단면도이다.
도 1, 도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 홀(20)의 상부에는 입구로서 테두리(22)가 위치하고, 테두리(22)의 내부단에서 아래로는 홀(20)의 하면에 이르기까지 중실(中實)형의 스프링 지지대(50)가 형성된다. 스프링 지지대(50)의 외면으로는 스프링(4)이 끼워지며, 따라서 스프링 지지대(50)는 전체적으로 모래시계형으로, 하부로 갈수록 폭이 좁아지는 상부(34)와, 네크를 이루는 협소한 직경의 중앙부(36)와, 하부로 갈수록 폭이 커지는 하부(38)를 포함한다.
홀(20)의 측벽(30)과 스프링 지지대(50) 사이에는 공간(S)이 형성되고 공간(S)을 통하여 스프링(4)이 장착된다. 스프링(4)의 각 지점(P1,...,P5)에 대응하여 편의상, 홀(20) 내부에 지점(P1',...,P5')을 표시하였다.
상부(34)와, 중앙부(36)와 하부(38)의 직경은 대응하는 스프링(4)의 높이에서의 내경 보다 근소하게, 예를 들어 1 - 2mm 작게 제작되어, 스프링(4)이 스프링 지지대(50)에 타이트하게 권취됨으로써 스프링(4)이 상하 또는 좌우로 움직이거나 헐거워지는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 상부(34)와, 중앙부(36)와 하부(38)의 높이는 스프링(4)의 상부(40a), 중앙부(40b) 및 하부(40c)의 높이에 각각 대응한다.
도시한 것과 같이, 홀(20)은, 고무(2)의 평평한 상면(200)과 측벽(30)의 중앙 부근이 균일한 평면을 이루도록 상면(200)에서 일정 길이 상부로 돌출되어 있다. 따라서, 스프링(4)의 상당 부분도 홀(20) 안에서 상면(200)을 넘어 위로 연장된다. 외부 돌출 길이는 진동 전달력, 정적 변위 및 피설치장비의 스펙에 따라 결정된다. 미설명부호 (24)는 테두리(22)의 탄성 변형을 보조하기 위한 슬롯이다.
스프링(4)은 홀(20)의 하부로부터 삽입하는 것도 가능하며, 또는 이와 달리 스프링 지지대(50)를 하부에서 상부로 연장시키고 스프링(4)은 테두리(22)를 통해 위에서 삽입하는 등 다양한 변경이 가능하다.
<실험예>
출원인은 두께(t)가 1mm, 상부 및 하부의 내경(r)이 22mm, 중앙부의 내경(r1)이 12mm, 최대 높이(h)가 28mm, 밀착 높이(h')가 3mm, 그리고 6턴을 감은 스프링(4)을 제작하고 이를 8개의 홀(20)을 구비한 고무(2)에 장착하였다. 10mm의 정적 변위를 달성하도록 0.4kgf의 하중을 가한 결과 23kgf/mm2의 응력이 발생하였으며, 50 kgf/mm2 이하를 만족해야 하는 비틀림 응력 조건을 충족하였다.
이상 실험예의 스프링(4) 및 도 6을 참조로, 기존기술과 대비한 본원발명의 스프링-고무 마운트(1)의 효과에 대하여 더 구체적으로 설명한다.
도 6에서, 가로축은 (진동주파수/고유주파수)의 비율을 나타내고, 세로축은 진동 전달율을 나타낸다. 피측정설비의 종류에 따라 진동 감쇄비가 달라지는데, 본 실시예에서는 6개의 그래프 중 진동 감쇄비가 0.05인 펌프 장치를 대표로 설명한다. 그러나, 다른 피측정설비에 대해서도 마찬가지 설명이 적용됨은 물론이다. 펌프 장치의 진동주파수, 즉 스프링-고무 마운트(1)에 인가되는 실제 동작 주파수는 30hz로 설정하였다.
선행기술에서는 정적 변위가 5.5mm로 제한되었고, 따라서 고유진동수는 fn
Figure pat00002
15.76/(δ1 / 2)으로부터 약 6.7hz이다. 본 발명의 실시예에서는 정적 변위가 10mm 이므로, 고유진동수는 fn
Figure pat00003
15.76/(δ1 / 2)으로부터 약 5.0hz이다. 따라서, 수평축을 따른 (진동주파수/고유주파수)의 비율이, 선행기술의 (30/6.7)
Figure pat00004
4.48에서 (30/5) = 6으로 변화하며, 진동 전달율은 도 6의 (a)에서 (b)로, 즉 0.05에서 0.03으로 감소한다. 진동 전달율의 감소는 스프링-고무 마운트(1)의 방진 효율이 적어도 40% 이상 개선되었음을 의미한다. (진동주파수/고유주파수)의 비율이 높다는 것은, 두 주파수가 일치하여 진동폭이 급격하게 증가하는 공진을 더 확실히 방지할 수 있다는 점에서, 안전 면에서도 유리하다고 할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 특징은 가변형 스프링을 스프링-고무 마운트에 최초로 적용한 점에 있다. 따라서 본 발명에 대해서는 다양한 변형이 가능하다. 가령, 스프링-고무 마운트의 구조인 한 평판의 고무 대신 단일홀 구조의 독립형 마운트로도 제작할 수 있다. 스프링과 고무의 경우, 상부 중앙부 및 하부로 구획되고, 직경이 길이 방향을 따라 가변하는 한, 형상, 크기, 수치 및 재질이 본 발명의 권리범위를 제한하는 것으로 해석해서는 아니 될 것이다.
(1): 스프링-고무 마운트 (2): 고무 (4): 스프링 (20): 홀 (50): 스프링 지지대

Claims (6)

  1. 스프링과 스프링을 수용하는 고무로 이루어지는 방진용 스프링-고무 마운트로서,
    상기 스프링은 스프링의 길이 방향 중심을 향하여 테이퍼 지며, 스프링 양단에서의 직경이 동일한 가변형 스프링이고,
    상기 고무에는 상기 스프링을 수용하는 적어도 하나의 홀이 형성되고,
    상기 홀에는 상기 스프링을 수용하도록, 폭이 좁은 중앙부와 중앙부를 중심으로 상부 및 하부로 갈수록 직경이 증가하는 상부 및 하부로 이루어지는 스프링 지지대를 설치한, 스프링-고무 마운트.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 스프링에는 길이 방향을 따라 적어도 상부, 중앙부 및 하부로 3분할되는 직경 가변 영역이 형성된, 스프링-고무 마운트.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 스프링의 전체 턴수는 5 내지 7인, 스프링-고무 마운트.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 스프링의 최대 직경(r1)은 상부와 하부에, 최소 직경(r2)은 중앙부에 형성되며, 최대직경에 대한 최소 직경의 직경비(r=r2/r1)는 0.5 내지 0.8인 스프링-고무 마운트.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 스프링의 최대 높이(h)를 기준으로, 스프링이 최대로 압축된 경우의 밀착 높이(h')의 비율(hr = h'/h)은 0.5 내지 0.8인 스프링-고무 마운트.
  6. 제 1항 내지 제 5항중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 스프링-고무 마운트의 정적 변위는 10mm 이상인 스프링-고무 마운트.
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KR102210963B1 (ko) * 2020-08-31 2021-02-03 (주)영진브이엔씨 내진 스토퍼 방진스프링 복합 방진가대

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