KR20200073796A

KR20200073796A - Method of controlling inertia for reducing torque fluctuation of engine

Info

Publication number: KR20200073796A
Application number: KR1020180162366A
Authority: KR
Inventors: 김인수; 신재현
Original assignee: 르노삼성자동차 주식회사
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2020-06-24

Abstract

The present invention relates to a connection structure of a mechanical element for transmitting engine power to a drive shaft. According to the present invention, a connection structure of a mechanical element for transmitting power of an engine (1) to a drive shaft connects a structural position of an engine in an A/C compressor and alternator (100) to a second flywheel (30) to change the position to the rear of the engine while transmitting power of the engine (1) in the order of an engine crank (10), a first flywheel (20), the second flywheel (30), the A/C compressor and alternator (100), and a gearbox (40), so as to absorb the amount of torque fluctuation caused by the engine explosion, thereby causing the inertia of the A/C compressor and alternator (100) to act toward the gearbox (40).

Description

Connection structure of mechanical elements that transmit engine power as a drive shaft to reduce torque fluctuations in an internal combustion engine. {METHOD OF CONTROLLING INERTIA FOR REDUCING TORQUE FLUCTUATION OF ENGINE}

본 발명은 내연기관의 엔진에 관한 것이며, 특히 불규칙한 엔진 토크 변동(engine torque fluctuation)의 전달을 줄이기 위한 방법론에 관한다.The present invention relates to an engine of an internal combustion engine, and more particularly to a methodology for reducing transmission of irregular engine torque fluctuations.

자동차에서는 다양한 진동이 발생한다. 그리고 차량 내외부에서 발생하는 진동과 소음(NVH: Noise, vibration and harshness)에 대응하기 위한 기술 솔루션이 알려져 있다. 자동차 메이커의 입장에서는, 정숙성과 안락한 승차감에 대한 운전자의 욕구가 계속 증대되고 있고, NVH 특성이 차량 구입에 미치는 영향이 날로 커지기 때문에 그러한 기술 솔루션은 항상 중요하게 고려되고 있다. Various vibrations occur in automobiles. In addition, a technology solution for responding to noise, vibration and harshness (NVH) generated inside and outside the vehicle is known. From the automaker's point of view, such a technical solution is always considered important because the driver's desire for quietness and comfortable ride continues to increase, and the effect of NVH characteristics on the vehicle purchase is increasing.

특히 내연기관 차량에서는 엔진 자체가 주요 진동 및 소음원이 된다. 엔진의 폭발력 및 관성력, 엔진의 토크 변동, 고유한 공진계 및 전달계의 메커니즘으로 말미암아 진동의 발생과 전달을 피할 수 없게 되고, 따라서 이를 어떻게 저감할 것인지가 관건이다. 특히 엔진이 문제이다. 엔진은 폭발행정에서 발생되는 동력으로 크랭크샤프트를 회전시킨다. 그리고 크랭크샤프트에서는 비틀림 진동이 발생하며, 이와 같은 회전 진동은 연속적인 차량의 구동에 바람직하지 못하므로, 크랭크샤프트에는 비교적 큰 회전 관성을 제공하는 플라이휠을 장착하여, 엔진 작동에 따라 초래되는 회전 진동을 완화 내지는 저감시키고 있다. 또한 이런 상황에서 엔진의 토크 변동을 줄이기 위해 DMF(Dual Mass Flywheel)을 적용하고 있다. In particular, in an internal combustion engine vehicle, the engine itself is a major source of vibration and noise. Due to the engine's explosive and inertial forces, engine torque fluctuations, and the mechanism of the unique resonant and transmission systems, the generation and transmission of vibrations is inevitable, so the key is how to reduce them. In particular, the engine is a problem. The engine rotates the crankshaft with the power generated by the explosive stroke. In addition, torsional vibration occurs in the crankshaft, and since such rotational vibration is not desirable for continuous driving, the crankshaft is equipped with a flywheel that provides relatively large rotational inertia, thereby reducing rotational vibration caused by engine operation It is eased or reduced. Also, in this situation, DMF (Dual Mass Flywheel) is applied to reduce the torque fluctuation of the engine.

그러나 엔진의 고출력화와 컴팩트화가 지속적으로 도모되는 상황에서 엔진의 토크 변동이 더욱 증가하는 경향이 있으며, 종래의 DMF만으로는 충분히 진동 저감을 하기 어려운 상황이다. 본 발명의 발명자들은 이러한 문제를 해결하기 위하여 고심하면서 논의하고 공동 연구한 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.However, in a situation in which engine power generation and compactness are continuously being promoted, the torque fluctuation of the engine tends to increase further, and it is difficult to sufficiently reduce vibration with a conventional DMF alone. The inventors of the present invention have deliberately discussed and jointly studied to solve this problem, and have come to complete the present invention.

본 발명의 목표는 종래의 DMF 메커니즘에서 이차 관성을 크게 증대시킴으로써 드라이브샤프트로 전달되는 토크 변동을 저감시킬 수 있는 새로운 방법론을 제안함에 있다.An object of the present invention is to propose a new methodology that can reduce torque fluctuations transmitted to a drive shaft by greatly increasing secondary inertia in a conventional DMF mechanism.

또한, 본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위해 엔진의 물리적 구조에서 중량물이 가능한 한 엔진 뒤쪽으로 보내는 것이 타당하다는 결론에 이르렀다. 그러려면 엔진의 앞쪽에 위치하는 컴포넌트 중 중량이 큰 에어컨 콤프레샤와 알터네이터의 위치를 엔진 뒤쪽으로 위치를 시프트하는 것이 필요하다. 이렇게 함으로써 기어박스 쪽으로 관성을 작용하도록 제어할 수 있게 된다.In addition, the present invention has reached the conclusion that it is feasible to send heavy objects as far behind the engine as possible in the physical structure of the engine to achieve the above object. To do this, it is necessary to shift the position of the heavy air conditioner compressor and alternator among the components located in front of the engine to the rear of the engine. In this way, it can be controlled to act inertia toward the gearbox.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론 할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.On the other hand, other objects not specified in the present invention will be additionally considered within a range that can be easily inferred from the following detailed description and its effects.

위와 같은 과제를 달성하 위하여, 본 발명은 구동축에 엔진의 동력을 전달하는 기계 요소의 연결 구조로서, 엔진 크랭크, 제1플라이휠, 제2플라이휠, A/C 콤프레샤 및 알터네이터, 기어박스 순서로 엔진의 동력을 전달하고 엔진의 폭발에 따른 토크 변동량을 흡수하도록 상기 A/C 콤프레샤 및 알터네이터의 엔진에서의 구조적 위치를 상기 제2플라이휠에 연결하여 엔진 뒤쪽으로 변경함으로써 상기 A/C 콤프레샤 및 알터네이터의 관성이 상기 기어박스 쪽으로 작용하도록 하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above problems, the present invention is a connection structure of a mechanical element that transmits the power of the engine to the drive shaft, the engine crank, the first flywheel, the second flywheel, A/C compressor and alternator, the gearbox in the order of the engine Inertia of the A/C compressor and alternator by changing the structural position in the engine of the A/C compressor and alternator to the rear of the engine by transmitting power and absorbing the amount of torque fluctuation caused by the explosion of the engine It characterized in that to act toward the gearbox.

위와 같은 본 발명의 과제해결수단을 통해서 본 발명처럼 A/C 콤프레샤와 알터네이터를 제2플라이휠에 연결하는 위치로 그 위치를 엔진 뒤쪽으로 시프트하는 경우, 전 영역의 rpm에서 필터링 팩터가 향상됨을 확인할 수 있었으며, 또한 NVH도 약 3~10dB 의미 있게 개선되었다. Through the above-described problem solving means of the present invention, when the position is shifted to the rear of the engine to a position connecting the A/C compressor and the alternator to the second flywheel as in the present invention, it can be confirmed that the filtering factor is improved at rpm in all areas. There was also a significant improvement in NVH by about 3 to 10 dB.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.On the other hand, even if the effects are not explicitly mentioned herein, it is noted that the effects described in the following specification expected by the technical features of the present invention and the potential effects thereof are treated as described in the specification of the present invention.

도 1은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 있어서 엔진을 구성하는 기계 요소의 연결 구조를 개략적으로 모델링한 도면이다.
도 2는 실제 엔진(1)에서 A/C 콤프레샤(113)와 알터네이터(111)의 위치를 엔진의 방향에서 어느 쪽으로 시프트하는지 개념적으로 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1에 따른 필터링 팩터의 성능과 도 4에 따른 필터링 팩터의 성능을 비교한 도면이다.
도 4는 종래의 차량에서 엔진을 구성하는 기계 요소의 연결 구조를 나타내는 도면이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.1 is a diagram schematically modeling a connection structure of mechanical elements constituting an engine in a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram conceptually explaining the position of the A/C compressor 113 and the alternator 111 in the engine 1 in which direction the engine is shifted.
FIG. 3 is a diagram comparing the performance of the filtering factor according to FIG. 1 with the performance of the filtering factor according to FIG. 4.
4 is a view showing a connection structure of mechanical elements constituting an engine in a conventional vehicle.
※ The accompanying drawings indicate that they are exemplified by reference for understanding of the technical idea of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereby.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, a configuration of the present invention guided by various embodiments of the present invention and effects resulting from the configuration will be described with reference to the drawings. In the description of the present invention, if it is determined that the subject matter of the present invention may be unnecessarily obscured by those skilled in the art with respect to known functions related thereto, the detailed description thereof will be omitted.

도 4는 종래의 구동축에 엔진의 동력을 전달하는 기계 요소의 연결 구조를 개략적으로 모델링해서 나타내었다. 4 schematically modeled and shows a connection structure of a mechanical element that transmits engine power to a conventional drive shaft.

A/C 콤프레샤 및 알터네이터(110), 엔진 크랭크(11), 제1플라이휠(21), 제2플라이휠(31), 기어박스(41) 및 타이어(51)의 순서로 스프링(5, 16, 26, 35, 46)을 통해 기계요소들이 서로 연결되면서, 엔진에서 발생한 동력을 타이어(51)까지 전달한다. 이런 전달계를 통해 토크 변동이 타이어까지 전해지며, 차량 안에 있는 사용자가 그것을 체감한다.Spring (5, 16, 26) in order of A/C compressor and alternator (110), engine crank (11), first flywheel (21), second flywheel (31), gearbox (41) and tire (51) , 35, 46 ), while the mechanical elements are connected to each other, power generated from the engine is transmitted to the tire 51. Through this transmission system, torque fluctuations are transmitted to the tire, and the user inside the vehicle feels it.

엔진의 앞쪽에 설치되어 있는 엔진 액세서리로는 A/C 콤프레샤, 알터네이터, 워터 펌프, 아이들러(idler), 텐셔너(tensioner) 등이 있다. 이들 액세서리는 엔진 크랭크 샤프트에 벨트로 연결되어 회전을 한다. 크랭크 샤프트 관점에서는, 엔진의 앞쪽에 설치되어 있는 이러한 액세서리들은 모두 크랭크 샤프트에 붙어 있는 회전하는 관성을 구성한다. 이들 액세서리 중에서 가장 큰 중량물은 A/C 콤프레샤와 알터네이터이고, 이것이 미치는 관성이 가장 크다 하겠다.Engine accessories installed at the front of the engine include an A/C compressor, an alternator, a water pump, an idler, and a tensioner. These accessories are belted to the engine crankshaft and rotated. From the crankshaft point of view, all of these accessories installed at the front of the engine constitute the rotating inertia attached to the crankshaft. The largest weight among these accessories is the A/C compressor and alternator, which is said to have the greatest inertia.

도시되어 있는 것처럼, 종래에는 A/C 콤프레샤 및 알터네이터(110)가 엔진 앞쪽에 설치되어 있기 때문에, 제2플라이휠(31)은 기어박스(41)에 연결되어 있는 구조였다.As shown, since the conventional A/C compressor and alternator 110 are installed in front of the engine, the second flywheel 31 is a structure connected to the gearbox 41.

이제 본 발명의 원리를 살펴보자. 도 1은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 구동축에 엔진의 동력을 전달하는 기계 요소의 연결 구조를 개념적으로 나타내었다. 엔진 크랭크(10), 제1플라이휠(20), 제2플라이휠(30), A/C 콤프레샤 및 알터네이터(100), 기어박스(40) 및 타이어(50)의 순서로 스프링(15, 25, 36, 37, 45)을 통해 기계요소들이 서로 연결되면서, 엔진에서 발생한 동력을 타이어(50)까지 전달한다. 이런 전달계를 통해 토크 변동이 타이어까지 전해지며, 차량 안에 있는 사용자가 그것을 체감한다. Now let's look at the principles of the present invention. 1 conceptually illustrates a connection structure of a mechanical element that transmits engine power to a drive shaft according to a preferred embodiment of the present invention. Spring (15, 25, 36) in order of engine crank (10), first flywheel (20), second flywheel (30), A/C compressor and alternator (100), gearbox (40) and tire (50) , 37, 45), while the mechanical elements are connected to each other, power generated from the engine is transmitted to the tire 50. Through this transmission system, torque fluctuations are transmitted to the tire, and the user inside the vehicle feels it.

본 발명의 주요한 원리는 A/C 콤프레샤 및 알터네이터(100)를 엔진의 후단으로 그 위치를 변경한다. 그렇게 하여 타이어로 동력을 전달할 때, 제2플라이휠(30) 다음에 A/C 콤프레샤 및 알터네이터(100)의 관성이 기어박스(40)로 작용하도록 하는 것이다.The main principle of the present invention changes the position of the A/C compressor and alternator 100 to the rear end of the engine. Thus, when transmitting power to the tire, the second flywheel 30 is followed by the inertia of the A/C compressor and the alternator 100 to act as the gearbox 40.

엔진이 폭발력을 엔진 크랭크(10)를 통해 제1플라이휠(20)에 전해진다. 플라이휠은 엔진이 폭발함에 따라 발생하는 변동량을 흡수하고 엔진 후단 쪽으로 회전을 균일하게 전달하기 위한 기계요소이다. 전술한 것처럼 근래에는 플라이휠을 두 개로 분리해서 제1플라이휠(20)은 엔진 쪽에 붙고, 제2플라이휠(30)은 기어박스의 클러치 팩 쪽에 붙이고 있다. 그리고 그 사이에 스프링(25)이 개재된다.The engine transmits the explosive power to the first flywheel 20 through the engine crank 10. The flywheel is a mechanical element that absorbs the fluctuations that occur as the engine explodes and transmits rotation uniformly toward the rear end of the engine. As described above, recently, the flywheel is divided into two, and the first flywheel 20 is attached to the engine side, and the second flywheel 30 is attached to the clutch pack side of the gearbox. And the spring 25 is interposed in between.

위와 같은 기계 요소에 의해 엔진의 크랭크 플라이휠(20, 30)은 약 5Hz 영역의 공진 주파수를 가지게 된다. Due to the above mechanical elements, the crank flywheels 20 and 30 of the engine have a resonance frequency of about 5 Hz.

잠시 도 4를 다시 살펴보자. 보통 플라이휠(31)은 기어박스(41)와 연결되고, 차축으로 연결되어 타이어(51)로 동력을 전달한다. 이때의 차축을 스프링으로 간주된다. 차축에서의 고유진동수가 낮게 설정되어야 플라이휠에 걸리는 토크 변동을 줄일 수 있는데, 관성이 키우거나, 차축의 강성이 떨어져야만 고유진동수가 낮아진다. 본 발명의 발명자는 차축의 강성이 낮아진다면 차축이 파손될 수 있고, 차량에서는 그래서는 안 되기 때문에 결국 후자의 방법을 연구하게 되었다. 즉, 관성을 키우는 방법을 통해 고유진동수를 낮추는 것이다.Let's look at Figure 4 again for a moment. Normally, the flywheel 31 is connected to the gearbox 41 and is connected to the axle to transmit power to the tire 51. The axle at this time is considered a spring. When the natural frequency at the axle is set to be low, the torque fluctuation applied to the flywheel can be reduced. However, the natural frequency is lowered only when the inertia increases or the axle rigidity decreases. The inventor of the present invention studied the latter method because the axle may be damaged if the stiffness of the axle is lowered, and not so in a vehicle. That is, the natural frequency is lowered through a method of increasing inertia.

그 해결책이 바로 도 1과 같은 순서로 중량이 많이 나가는 A/C 콤프레샤 및 알터네이터(100)의 위치를 변경하여 기어박스(40) 쪽에 관성으로 작용하게 하는 것이다. 그러면 차축에 가해지는 고유진동수를 낮출 수 있고, 결과적으로 토크 변동을 줄일 수 있게 된다. 즉 DMF 메커니즘에서, 엔진 앞쪽 액세서리 중에서 비교적 중량이 큰 A/C 콤프레샤 및 알터네이터(100)의 위치를 제2플라이휠(30)에 연결하여 엔진 뒤쪽 기어박스(40) 쪽으로 변경함으로써 이차 관성을 크게 증대시킬 수 있고, 그것을 통해 차축으로 전달되는 토크 변동을 저감시킨다.The solution is to change the position of the A/C compressor and the alternator 100, which are heavy in the order shown in FIG. 1, to act as an inertia on the gearbox 40 side. Then, the natural frequency applied to the axle can be lowered, and as a result, the torque fluctuation can be reduced. That is, in the DMF mechanism, by connecting the positions of the relatively heavy A/C compressor and alternator 100 among the engine front accessories to the second flywheel 30, the secondary inertia is greatly increased by changing the gearbox 40 at the rear of the engine. And reduce torque fluctuations transmitted through it to the axle.

요컨대 도 2의 엔진(1)에서, 앞쪽에 위치하는 알터네이터(111)와 A/C 콤프레샤(113)를 뒤쪽 화살표 방향으로 위치를 변경하는 설계가 필요한 것이다. 이때 엔진의 동력을 타이어에 전달하는 기계요소의 연결구조는 도 1의 순서와 같다.In short, in the engine 1 of FIG. 2, a design is required to change the position of the alternator 111 and the A/C compressor 113 positioned in the front in the direction of the back arrow. At this time, the connection structure of the mechanical element that transmits the power of the engine to the tire is the same as that of FIG. 1.

한편, 힘의 전달력(TR)은 기초부로 전달되는 힘을 기계에 작용하는 힘으로 나눈 값으로 아래의 식 1로 얻을 수 있다.On the other hand, the force transmission force (TR) is obtained by dividing the force transmitted to the base by the force acting on the machine by Equation 1 below.

(η은 주파수 비이며, ξ는 감쇠비) (식 1)

(η is the frequency ratio, ξ is the attenuation ratio) (Equation 1)

위 식에서 ξ = 0 이라면, 전달력은 다음 식 2와 같다.In the above equation, if ξ = 0, the transfer force is as shown in Equation 2.

(식 2)

(Equation 2)

그리고 전달률(TR)에 대한 역수가 필터링 팩터가 된다. 즉 필터링 팩터(FILT)는 식 3과 같다.Then, the inverse of the transmission rate TR becomes a filtering factor. That is, the filtering factor (FILT) is as shown in Equation 3.

(식 3)

(Equation 3)

필터링 팩터가 크면 진동 전달이 잘 되지 않음을 의미한다. 도3를 보자. 도 3은 엔진의 RPM과 필터링 팩터 사이의 관계를 나타낸다.If the filtering factor is large, it means that the vibration transmission is poor. See FIG. 3. 3 shows the relationship between the engine RPM and the filtering factor.

a 선은 도 1의 실시예의 해석결과 값이며, b선은 종래의 도 4의 해석결과 값을 나타낸다. c선은 엔지니어가 목표로 설계하는 필터링값을 나타낸다. 이 값은 엔지니어가 목표 설계를 어떻게 하느냐에 따라 달라질 수 있다. 도 3에서는 약 10dB 필터링으로 필터링 팩터를 약 3.12 또는 3.17 정도의 값이었다. Line a is the analysis result value of the embodiment of FIG. 1, and line b is the conventional analysis result value of FIG. The c line represents the filtering value that the engineer designs as the target. This value can vary depending on how the engineer designs the target. In FIG. 3, the filtering factor was about 3.12 or 3.17 with a 10 dB filtering.

도시되어 있는 것처럼, A/C 콤프레샤와 알터네이터를 제2플라이휠에 연결하는 위치로 그 위치를 뒤쪽으로 시프트하는 경우, 전 영역의 rpm에서 약 1~3 정도 필터링 팩터가 높아짐을 확인할 수 있었다. 이는 NVH 관점에서 보면 약 3~10dB 개선됨을 의미한다. 따라서 A/C 콤프레샤와 알터네이터를 도 1처럼 변경함으로써 차축을 통해 전달되는 토크 변동을 파격적으로 개선할 수 있으며, 또한 NVH 성능도 효과적으로 높일 수 있다는 결론에 이른다. 이뿐만 아니라 lock-up rpm을 획기적으로 낮출 수도 있으므로 연비 개선과 CO₂ 역시 저감하는 성능 개선도 얻게 된다.As shown, when the A/C compressor and the alternator are shifted backward to the position connecting the second flywheel, it was confirmed that the filtering factor is increased by about 1 to 3 at the rpm of the entire area. This means about 3~10dB improvement from the NVH point of view. Thus, by changing the A/C compressor and alternator as shown in FIG. 1, it is concluded that torque fluctuation transmitted through the axle can be dramatically improved, and NVH performance can be effectively increased. In addition, since the lock-up rpm can be significantly lowered, the fuel efficiency improvement and CO ₂ reduction performance are also improved.

그것도 부가적인 관성 증가 없이도 개선할 수 있다는 점이 괄목할 만하다.It is remarkable that it can be improved without additional inertia.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.The scope of protection of the present invention is not limited to the description and expression of the embodiments explicitly described above. In addition, it is once again pointed out that the scope of the present invention may not be limited by the obvious changes or substitutions in the technical field to which the present invention pertains.

Claims

In the connection structure of the mechanical element that transmits the power of the engine to the drive shaft, the engine crank, the first flywheel, the second flywheel, the A/C compressor and alternator, and the gearbox are transmitted in order, absorbing torque fluctuations due to the engine explosion The A/C compressor and alternator have a structural position in the engine connected to the second flywheel to change the rear of the engine so that the inertia of the A/C compressor and alternator acts toward the gearbox. The connection structure of the mechanical elements that transmit the power of the engine.