[논문]직동식 오일 펌프의 소음 발생 메커니즘 규명과 개선에 관한 실험적 연구

정병환; 정원조; 신달흔

직동식 오일 펌프의 소음 발생 메커니즘 규명과 개선에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Identification of Noise Generation Mechanism And Its Improvement in Gerotor Oil Pump 원문보기

정병환 (현대자동차) , 정원조 (현대자동차) , 신달흔 (현대자동차)

Whine noise in engine oil pump system was issued in developing an engine. Generally, A noise of engine oil pump largely are classified two cases. The first one is a gearing noise caused by relative motion of inner rotor and outer rotor. The other is fluid pulsation noise caused by oil pressure fluctuation. The aim of the paper is to identify a noise mechanism in engine oil pump and improve its Noise. Also, it suggests to the guide line on the design of oil pump.

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문제 정의

또한 기존의 소음 저감 방식과 달리 오일의 댐핑 특성을 이용하여 소음을 저감하고자 본 연구에서 시험을 행하였다.
본 연구에서는 직동식 오일 펌프에서 발생하는 Whine성 고주파 소음의 발생 현상에 대한 원리를 규명하였다. 그리고 설계 인자들에 대한 실험을 통하여 인자별 개별 기여도를 확인하여 소음,진동에 최적화된 오일펌프 설계 가이드를 제시하고자 한다. 또한 기존의 소음 저감 방식과 달리 오일의 댐핑 특성을 이용하여 소음을 저감하고자 본 연구에서 시험을 행하였다.
앞에서 설명한 치합 소음의 주된 원인은 보기류 벨트 장력에 의한 크랭크샤프트 외력이다. 따라서 치합되는 위치와 중첩되지 않도록 벨트의 장력 방향을 변경해서 오일펌프 진동 및 소음에 영향을 미치는지 확인해 보았다. Fig 7.
본 연구에서는 엔진 오일의 댐핑 효과를 이용하여 맥동에 의한 토출 소음을 개선하고자 하였다. Fig18 에서 보듯이 오일 펌프의 Sealing 면에서 압축되어진 고압의 오일이 빠져나갈 때, 토출 유로로 직접 방출되지 않고 오일이 담겨져 있는 Oil Pool 의 오일과 충돌함으로써 에너지를 감소시킨다.
본 연구에서는 직동식 오일 펌프에서 발생하는 Whine성 고주파 소음의 발생 현상에 대한 원리를 규명하였다. 그리고 설계 인자들에 대한 실험을 통하여 인자별 개별 기여도를 확인하여 소음,진동에 최적화된 오일펌프 설계 가이드를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 크랭크샤프트에 직접 연결되어 구동되는 직동식(Gerotor) 오일 펌프에 대하여 실 엔진 구동 상태에서 발생하는 소음 및 진동에 대해 연구하였다. 직동식 오일펌프는 Fig1.

제안 방법

이는 내·외접 기어가 치합되는 과정에서 치가 초기 맞물려 들어갈 때와 빠져 나올 때 발생하는 소음이다. (2*N = 16 차, N:내접기어 잇수, 8 개) 소음 특성 분석을 토대로 발생 원인에 대해 조사를 하였다.
은 변경 전의 기존 방식과 벨트의 장력 방향을 변경한 모습을 나타낸 것이다. ADT(Auto Driven Tensioner)를 적용하여 벨트의 장력을 엔진 상부 방향으로 가해지도록 벨트의 Layout 을 변경하였다.
Sealing 각도에 의한 압력, 소음 기여도를 확인 하기 위해 Fig16 와 같이 Sealing 각도(Θ )에 따른 엔진에서의 소음 및 진동을 비교 평가하였다.
감마 1.6L 엔진이 탑재된 차량에서의 실내소음 을 평가하였다. 측정 조건은 변속 고정단(3 단)에서 엔진을 rpm sweep 하였다.
이는 치합 소음과는 다른 발생 원인으로 판단하였고 이에 대한 원인 조사가 필요하였다. 그리고 치합 소음 개선안 중 외접 로터 Body 간극의 개선 방안은 향후 내구 진행함에 따라 마찰 에 의한 간극 증대가 발생하여 오일 압력 저하 및 간극에 의한 품질 산포가 우려되어 보다 강건한 개 선 방안인 ADT 를 적용한 장력 방향 변경안과 외 Body 간극접 로터 Body 간극 150 ㎛ 사양으로 시험하였다.
급격히 확장된 공간으로 오일이 빠져 나갈때 압 력 변동이 발생하게 되고 이를 저감하기 위해 토출 유로의 단면적의 변화율을 최소화함으로써 개선에 효과가 있을 것으로 판단하였다. 이에 대한 효과를 확인하기 위해 Fig14 에서와 같이 토출부에 구배(경사) 각도를 달리하여 대상 엔진에서 시험을 하였다.
본 개선안의 효과를 파악하기 위해서 Oil Pool 높이 및 길이를 변경하여 Pool 용량 및 Overflow 양에 대한 압력, 소음 기여도를 평가하였다.
본 연구를 통하여 저소음 오일펌프 설계 가이드 라인을 제시하여 개발 방향을 설정하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이러한 이유로 벨트장력에 강건한 설계인자가 필요하였다. 앞에서 설명한 메커니즘을 토대로 P1 성분이 증대되어 Housing 으로 전달되는 과정에서 진동을 저감시킬 수 있는 방안에 대해 검토를 실시하였다
(4) 맥동 소음은 고압의 오일이 토출 유로의 급격한 공간 확대에 의한 오일 압력 변동이 크게 발생하여 소음으로 유발된다. 이를 최소화하기 위한 토출 유로 구배 및 Sealing 각도 최적화를 통해 소음을 개선하였으며 오일 펌프 설계 Guide Line 을 제 시하였다.
더욱이 엔진 rpm 이 상승함에 따라 오일 압력 증대되고 압력의 변화가 크게 발생하여 맥동에 의한 치 맞물림 발생으로 고차 Harmonic 성분을 가지게 되는 맥동 소음을 유발하게 되는 것이다. 이에 대한 상관관계를 확인하기 위해 대상엔진에서 맥동 소음과 토출 압력을 측정하였다
진동 전달 측면을 고려하였을 때, 외접 로터와 Housing 의 간극을 증대하여 진동 전달을 감소시킬 수 있을 것으로 추론하였다. 해당 인자에 대한 오일 펌프 소음에 영향을 미치는지 대상 엔진에서 확인 하였다.

대상 데이터

본 시험에 사용된 오일펌프 릴리프 밸브의 개변 압력은 약 4.5Bar 로 설정이 되어 있다. 그리고 고속으로 갈수록 밸브 개변 압력이 낮아지게 된다.

성능/효과

(1) 엔진 오일펌프 Whine 소음의 발생 원인을 규명하였고 엔진 rpm 에 따른 소음 특성을 도시화하여 이를 통한 개선 방향을 제시할 수 있었다.
(2) 중,저속 rpm 영역에서 발생하는 Whine 소음 은 내·외접 로터의 상대 운동에 의한 치합 소음임을 규명하였으며, 이의 개선안으로 벨트 장력 방향 변 경을 통한 가진력 측면과 외접 로터 Body 간극 증 대를 통한 전달계 측면에서의 소음 개선을 하였다.
(3) 고속 rpm 영역에서 발생하는 Whine 소음은 토출부 오일 압력과 소음과의 상관성을 통해 압력 변동에 의한 맥동 소음임을 규명하였다.
(4) 맥동 소음은 고압의 오일이 토출 유로의 급격한 공간 확대에 의한 오일 압력 변동이 크게 발생하여 소음으로 유발된다. 이를 최소화하기 위한 토출 유로 구배 및 Sealing 각도 최적화를 통해 소음을 개선하였으며 오일 펌프 설계 Guide Line 을 제 시하였다.
(5) 맥동 소음 저감을 위한 토출부 구배방식은 설계적인 제약이 있으므로 설계 제약을 받지 않는 강건한 오일펌프 설계를 위하여 오일댐핑 효과를 이용한 Oil Pool 방식을 제안하였으며, 이를 통한 큰 소음 개선 효과를 확인할 수 있었다.
치합 위치와 중복되지 않도록 변경한 결과, 16 차 오일펌프 소음이 크게 개선되었다. 또한 개발 목표치를 만족하는 수준으로 개선되었다.
소음 기여도는 벨트 장력 방향 변경에 따른 기여도와 동등 수준의 개선 효과를 얻을 수 있었다.
Fig22 는 6000rpm 고속에서 릴리프 밸브의 변위 특성을 유동해석으로 나타낸 결과이다. 오일풀 적용으로 맥동 압력의 저감되어 릴리프 밸브의 최대 개변량 및 진폭이 크게 감소되었다. 즉, 릴리프 밸브의 거동 안정화로 밸브의 개변 시점이 지연되어 유량이 증대되는 것으로 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

Whine 성 고주파 소음은 무엇의 요인이 되는가?

이미지 형성에 악영향을 미칠 수 있는데 이러한 고주파 소음 중에서도 엔진의 윤활 성능에 중요한 차량의 발달과 더불어 차량의 정숙성과 편안한 안락함에 대한 운전자들의 요구 수준이 크게 높아지 고 있다. 차량에서 발생하는 엔진 소음 중에 Whine 성 고주파 소음은 운전자들에게 불쾌감을 주며 차 량의 브랜드 역할을 하는 직동식 오일펌프는 내·외 접 로터의 치물림에 의한 치합 소음 및 오일 토출 압력 변동에 의한 맥동 소음과 같은 고주파 Whine 소음을 유발시키는 주 요인이 되고 있다.

오일펌프의 구동방식은 일반적으로 어떤 방식으로 구별될 수 있는가?

일반적으로 오일펌프의 구동방식은 크게 (1) 크 랭크샤프트의 회전 동력을 이용하여 기어 및 벨트 로 구동시키는 간접 구동 방식 (2) 크랭크샤프트에 직결되어 구동되는 직접 구동 방식 (3) 발란스샤프 트 모듈등에 내장되어 구동되는 방식으로 구별할 수 있다.

오일 펌프의 소음 특성은 크게 어떻게 나타내어 지는가?

이러한 오일 펌프의 소음 특성은 크게 두 가지로 나타내어진다. 첫 번째는 내·외접 로터의 상대 운동 에 의한 치합 소음으로 주로 중·저속 rpm 영역에서 발생한다. 다른 하나는 오일 압력 변동에 의한 맥동 소음으로 주로 중·고속 rpm 영역에서 발생하며 고 차 Harmonic 성분으로 나타난다. Fig 3.

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