KR20240093972A - 토셔널 댐퍼 - Google Patents

Abstract

허브의 방사음을 줄인 토셔널 댐퍼의 제공을 과제로 한다. 허브와 링의 공진 주파수비에 대한 스프링비의 값이 0.9 이상이 되는 토셔널 댐퍼에 의해 해결한다.

Description

토셔널 댐퍼

본 발명은 토셔널 댐퍼(torsional damper)에 관한 것이다.

토셔널 댐퍼의 허브로부터 방사되는 소음 저감 대책으로서 소리의 간섭을 이용한 방법이 제안되어 있다.

예를 들면 특허 문헌 1에는, 크랭크 샤프트의 전단(前端)에 결합되는 보스부를 구비한 크랭크 풀리에서, 상기 보스부의 전면 외연(外緣)을 따라 형성되고, 상기 크랭크 샤프트를 통해 상기 보스부의 전면 중앙으로부터 방사되는 방사음을 음파의 간섭을 이용하여 음소거하는 공동(空洞)부를 더 구비하고, 상기 공동부는 복수의 공간으로 구획되는 것을 특징으로 하는 크랭크 풀리가 기재되어 있다.

[특허 문헌 1] 일본공개특허 2020-41684호 공보

특허 문헌 1로 대표되는 종래의 토셔널 댐퍼에서는, 음소거 기능을 부여하기 위해 허브에 공동부를 만들 필요가 있기 때문에, 방사음의 주파수에 따라 필요한 공동 용적 및 개구 면적을 설정할 필요가 있으며, 토셔널 댐퍼의 사이즈에 따라서는 성립하지 않는 것으로 상정되어 범용성이 부족했다.

토셔널 댐퍼는 크랭크 샤프트에 체결하는 허브와, 댐퍼·매스를 이루는 진동 링과, 댐퍼·스프링을 이루는 고무 링으로 구성되고, 진동 링이 회전 방향으로 공진함으로써 크랭크 샤프트의 비틀림 공진을 억제(흡진)한다. 진동 링의 회전 방향 공진 주파수는 대략 300~600Hz가 되는 경우가 많다.

한편, 진동 링은 축방향으로도 공진하여, 주파수는 비틀림 진동과 동일한 정도의 수백Hz가 된다.

허브로부터 방사되는 소음은 허브의 축방향 로컬 공진이 문제가 되는 경우가 많으며, 그 주파수는 수천Hz로 고주파이다. 허브로부터 방사되는 방사음은 허브의 로컬 공진이 가장 크기 때문에 소정의 방진 수단에 의해 진동을 줄여 방사음을 줄이는 기술이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결한다. 즉, 본 발명은, 허브의 방사음을 줄인 토셔널 댐퍼를 제공한다.

본 발명은 진동 링의 축방향 진동을 동흡진(動吸振) 기구로서 허브의 축방향 로컬 공진을 억제하여 허브의 방사음을 줄인 토셔널 댐퍼이다.

본 발명은, 허브와 링의 공진 주파수비에 대한 스프링비의 값이 0.9 이상이 되는 토셔널 댐퍼이다.

본 발명에 의하면, 허브의 방사음을 줄인 토셔널 댐퍼를 제공할 수 있다.

[도 1] 스프링비를 파라미터로 한 진동 계산에서의 허브의 로컬 공진을 도시한 그래프이다.
[도 2] 스프링비를 파라미터 스터디(parameter study)한 그래프이다.
[도 3] 스프링비/허브와 링의 공진 주파수비와, 허브 공진 배율비의 관계를 도시한 그래프이다.
[도 4] 본 발명의 토셔널 댐퍼의 실시 형태를 예시한 개략 사시도이다.
[도 5] 도 4에 도시한 토셔널 댐퍼의 개략 단면 사시도이다.

본 발명에 대해 설명하기로 한다.

상술한 바와 같이 허브로부터 방사되는 소음은 허브의 축방향 로컬 공진이 문제가 되는 경우가 많으며, 그 주파수는 수천Hz로 고주파이다. 허브로부터 방사되는 방사음은 허브의 로컬 공진이 가장 크기 때문에 소정의 방진 수단에 의해 진동을 줄여 방사음을 줄이는 기술이 필요하다.

여기서, 진동 링의 축방향 공진 주파수와 허브의 로컬 공진 주파수는 크게 괴리되기 때문에, 진동 링을 동흡진기로 하여 허브 공진을 억제하기는 어렵다.

그러나 댐퍼·스프링을 이루는 고무 부재는 점탄성 감쇠 구조의 특성으로서 주파수 의존성과 진폭 의존성을 가지며, 고주파이면서 미세 진폭일수록 동적 스프링 정수가 커지는 경향을 나타낸다.

일반적인 토셔널 댐퍼에 이용되는 고무는 비틀림 및 축방향 공진 주파수(수백Hz)에서의 동적 스프링 정수를 1로 하면, 허브 로컬 공진의 수천Hz에서 2배 정도의 동적 스프링 정수가 된다.

허브 로컬 공진 주파수에서의 고무의 동적 스프링 정수를, 진동 링의 축방향 공진 주파수에서의 고무의 동(動)스프링 정수로 나눈 값을 스프링비로 정의하면, 이 스프링비를 파라미터로 한 진동 계산에서 허브의 로컬 공진은 도 1에 도시한 변화가 발생한다.

도 1의 진동 모델에서는 허브의 로컬 공진 주파수를 2000Hz로 하고 진동 링의 축방향 공진 주파수를 600Hz로 가정한다. 주파수의 비는 2000÷600=3.33이 된다.

스프링비를 파라미터 스터디한 도 2에서, 주파수:3.33에 가까운 스프링비:3은 허브의 로컬 공진을 동흡진 효과에 의해 제진(制振)하는 효과가 인정된다.

이상으로부터, 허브의 로컬 공진 주파수와 진동 링의 축방향 공진 주파수의 비(이하, 주파수비)에 가까운 스프링비(=허브 로컬 공진 주파수의 동스프링 정수/진동 링 축방향 공진 주파수의 동스프링 정수)가 되는 특성을 가지는 고무 재료를 사용함으로써, 진동 링이 동흡진기로서 작용하여 허브의 로컬 공진을 제진하여, 허브로부터의 방사음을 줄일 수 있다.

허브의 방사음은 허브의 진동을 1/√2=0.7071배로 변화시킴으로써 방사음의 저감 효과를 청감(聽感) 레벨로 확인할 수 있다. 허브의 로컬 공진 주파수를 진동 링의 축방향 공진 주파수로 나눈 주파수비와, 허브 공진시의 고무의 동스프링 정수를 진동 링 공진시의 고무 동스프링 정수로 나눈 스프링비, 이들 주파수비와 스프링비의 비율을 횡축으로 하고, 허브 공진시의 진동 전달율(=공진 배율)을 스프링비가 1.0인 공진 배율로 나눈 공진 배율을 종축으로 하여 그래프화하여 0.7071배 이하가 되는 것은, 횡축 0.9 이상인 영역이 된다(도 3 참조).

예를 들면, 허브의 로컬 공진:2000Hz, 진동 링의 축방향 공진:600Hz로 하면, 주파수비는 2000/600=3.33배이며, 3.33×0.9≒3배이므로, 2000Hz의 고무의 동스프링 정수는 600Hz의 동스프링 정수의 3배 이상이 되는 고무 특성이다.

이상으로부터, 허브와 링의 공진 주파수비에 대한 스프링비의 값이 0.9 이상이 되는 토셔널 댐퍼는, 허브의 방사음이 저감된 것이라고 볼 수 있다.

이러한 토셔널 댐퍼가 본 발명의 토셔널 댐퍼이다.

본 발명의 토셔널 댐퍼는, (스프링비)/(허브와 링의 공진 주파수비)의 값이 0.9 이상이 되는 토셔널 댐퍼이다.

여기서 분자가 되는 "스프링비"는 "허브 단체(單體)의 공진 주파수에서의 고무 링의 축방향 동적 스프링 정수(N/mm)"를 "진동 링을 매스, 고무 링을 스프링으로 한 진동계의 축방향 공진 주파수에서의 고무 링의 축방향 동적 스프링 정수(N/mm)"로 나눈 값이다.

즉,

스프링비=(허브 단체의 공진 주파수에서의 고무 링의 축방향 동적 스프링 정수(N/mm))/(진동 링을 매스, 고무 링을 스프링으로 한 진동계의 축방향 공진 주파수에서의 고무 링의 축방향 동적 스프링 정수(N/mm))이다.

여기서 "허브 단체의 공진 주파수에서의 고무 링의 축방향 동적 스프링 정수(N/mm)"는, 다음과 같이 구한 값을 의미하는 것으로 한다.

처음에 토셔널 댐퍼를 병진(竝進) 방향 가진기(加振機)에 체결하여 축방향으로 가진한다.

다음으로, 가진축(加振軸), 허브 외주부, 진동 링의 3곳에 가속도 픽업을 결합한다.

다음으로, 저주파에서부터 고주파까지 가진하여 진동 전달율을 계측한다.

다음으로, 허브 각 부위의 치수를 재서 FEM 해석으로 허브의 관성 질량 분포와 스티프니스(stiffness) 분포를 산출한다.

다음으로, 허브 공진계 및 진동 링 공진계의 운동 방정식(컴퓨터 소프트)에 진동 전달율 및 FEM 해석 결과를 입력하여, 고무 링 축방향 스프링 정수의 주파수 의존성을 산출한다.

이와 같이 하여 허브 단체의 공진 주파수와 고무 링의 축방향 동적 스프링 정수는 실측과 컴퓨터 계산으로 구한다.

또 "진동 링을 매스, 고무 링을 스프링으로 한 진동계의 축방향 공진 주파수에서의 고무 링의 축방향 동적 스프링 정수(N/mm)"는, 고무의 스프링 정수를 실측하는 하드웨어적인 기능, 소프트웨어가 탑재되어 있는 계측 장치를 이용하여 구한 값을 의미하는 것으로 한다.

또, 분모가 되는 "허브와 링의 공진 주파수비"는 "허브 단체의 축방향 공진 주파수(Hz)"를 "진동 링을 매스, 고무 링을 스프링으로 한 진동계의 축방향 공진 주파수(Hz)"로 나눈 값이다.

즉,

(허브와 링의 공진 주파수비)=(허브 단체의 축방향 공진 주파수(Hz))/(진동 링을 매스, 고무 링을 스프링으로 한 진동계의 축방향 공진 주파수(Hz))이다.

여기서 "허브 단체의 축방향 공진 주파수"는, 상술한 바와 같이, 가진기에 결합하고 가진축과 허브 외주부에 가속도 픽업을 결합하여 저주파로부터 고주파까지 가진(加振)시키고, 진동 전달율을 계측하여 구한 값을 의미하는 것으로 한다.

또 "진동 링을 매스, 고무 링을 스프링으로 한 진동계의 축방향 공진 주파수(Hz)"는, 상술한 바와 같이, 가진기에 의한 실측이나 해머링에 의한 모달 해석으로 구한 값을 의미하는 것으로 한다.

본 발명의 토셔널 댐퍼의 구체예에 대해, 도면을 이용하여 설명하기로 한다.

도 4는, 본 발명의 토셔널 댐퍼의 실시 형태를 예시한 개략 사시도이며, 도 5는 도 4에 도시한 토셔널 댐퍼의 개략 단면 사시도이다.

도 4, 도 5에 예시하는 실시 형태의 토셔널 댐퍼(1)는, 차량 등의 엔진의 크랭크 샤프트의 선단에 결합하여 이용할 수 있다. 토셔널 댐퍼(1)는, 크랭크축의 샤프트의 비틀림 공진을 흡수하고, 또 엔진의 진동, 소음을 억제하는 기능을 구비한다. 또한 크랭크 샤프트의 회전을 벨트를 통해 보조 기기에 동력을 전달하는 구동 풀리의 역할도 한다.

토셔널 댐퍼(1)는 허브(3)와 진동 링(5)과 고무 링(7)을 가진다.

허브(3)는, 보스부(31), 스테이부(33) 및 림부(35)로 이루어진다.

보스부(31)는, 허브(3)에서의 직경 방향의 중앙부에 마련되어 있다. 보스부(31)가 크랭크 샤프트의 선단에 체결되어, 허브(3)가 중심축(X)을 중심으로 회전 구동한다.

스테이부(33)는, 보스부(31)로부터 직경 방향으로 연장되어 있다.

림부(35)는, 스테이부(33)의 외주측에 마련되어 있다. 림부(35)는 원통형이며, 림부(35)의 외주측에 고무 링(7)을 통해 진동 링(5)이 연결된다.

보스부(31), 스테이부(33) 및 림부(35)의 각각은, 주철 등의 금속 재료 등을 원료로서 이용하여 성형할 수 있다. 특히, 편상(片狀) 흑연 주철, 구상(球狀) 흑연 주철, 자동차 구조용 열간 압연 강판 등을 이용하여 성형할 수 있다. 편상 흑연 주철의 예로서는, FC100, FC150, FC200, FC250, FC300, FC350 등을 들 수 있다. 구상 흑연 주철의 예로서는, FCD350-22, FCD350-22L, FCD400-18, FCD400-18L, FCD400-15, FCD450-10, FCD500-7, FCD600-3, FCD700-2, FCD800-2, FCD400-18A, FCD400-18AL, FCD400-15A, FCD500-7A, FCD600-3A 등을 들 수 있다. 자동차 구조용 압연 강판의 예로서는, SAPH310, SAPH370, SAPH410, SAPH440 등을 들 수 있다.

진동 링(5)은, 허브(3)의 직경 방향 외측에 배치되어 있으며, 그 외주면에 벨트가 걸리는 풀리 홈(51)이 마련되어 있다. 풀리 홈(51)은 동력 전달용 풀리로서 기능한다.

진동 링(5)은 주철 등의 금속 재료 등을 원료로서 이용하여 성형할 수 있다. 원료로서 편상 흑연 주철을 사용할 수 있다. 편상 흑연 주철은 진동을 흡수하는 능력이 우수하고 내마모성도 우수하기 때문이다. 편상 흑연 주철의 예로서는, FC100, FC150, FC200, FC250, FC300, FC350 등을 들 수 있다.

고무 링(7)은, 허브(3)의 외주면과 진동 링(5)의 내주면 간의 간극부에 삽입되어 있다. 고무 링(7)은 차량 등의 주행중에 발생하는 크랭크 샤프트의 비틀림 진동을 줄여 파손을 방지하거나 엔진 진동의 소음이나 진동을 줄이는 역할을 한다.

고무 링(7)은, 허브와 링의 공진 주파수비에 대한 스프링비의 값이 0.9 이상이 되는 토셔널 댐퍼를 얻기 위해, 중요한 역할을 담당한다.

고무 링(7)은 tanδ가 0.27 이상이며 동배율(動倍率)이 1.61 이하인 것이 바람직하고, tanδ가 0.27 이상이며 동배율이 1.46 이하인 것이 보다 바람직하고, tanδ가 0.35 이상이며 동배율이 1.46 이하인 것이 더욱 바람직하다.

여기서 tanδ는, 가진 주파수를 100Hz, 고무 변형을 1%, 온도를 60℃로 하고, 그 외에는 종래 공지의 방법에 따라 측정하여 얻은 값을 의미하는 것으로 한다.

또 동배율은, 가진 주파수를 100Hz/1Hz, 고무 변형을 1%, 온도를 60℃로 하고, 그 외에는 종래 공지의 방법에 따라 측정하여 얻은 값을 의미하는 것으로 한다.

본 출원은, 2022년 1월 13일에 출원된 일본출원 제2022-3618호를 기초로 하는 우선권을 주장하고 그 개시 전부를 여기에 편입시킨다.

Claims (1)

1. 허브와 링의 공진 주파수비에 대한 스프링비의 값이 0.9 이상이 되는 토셔널 댐퍼.