KR0131299B1 - 자동차의 조향륜 현가장치 - Google Patents

Abstract

휠을 회전 가능하게 지지하여 주는 조향너클과; 상단이 휠보다 높은 높이를 가지고 휠측으로 만곡되고 하측부분이 내외측으로 분기되어 외측 돌출부의 연결부는 조향너클의 상단과 연결되며 내측 돌출부는 스트러트 아암의 하단 연결부재의 외측단이 피봇 연결되는 커넥팅 아암과; 양단에 연결부가 형성되어 차체와 커넥팅 아암의 상단을 연결하여 주는 어퍼 콘트롤 아암과; 전후로 배치되는 2개의 아암으로 형성되며 그의 양단에 연결부가 형성되어 차체와 조향너클의 하부를 연결하여 주는 로워 콘트롤 아암과; 쇽 업소오버와 스프링의 조립체로 구성되어 상단이 인슐레이터 지지부로 차체에 지지되고 그의 하단이 커넥팅 아암의 하부로 연결되는 스트러트 아암과; 상기 스트러트 아암의 하단과 로워 콘트롤 아암 사이에 하단이 휠측으로 약간 기울어진 상태로 연결되는 콘트롤 링크를 구비하여 구성되는 자동차의 조향륜 현가장치를 제공함으로써, 가상 킹핀(kingpin)축의 설정을 용이하게 하고 가상의 링크를 만들어 롤센터(Roll-Center)의 높이 변화율을 작게 하여 조정 안전성을 향상시키고, 캠버 및 트레드 변화에 대한 설계 자유도를 높힐 수 있도록 하며, 특히 현가장치의 점유공간을 작게하여 엔진 룸의 유효체적을 최대한으로 넓게 확보할 수 있도록 한 것이다.

Description

자동차의 조향륜 현가장치

제 1도는 본 발명에 의한 현가장치의 사시도.

제 2도는 본 발명에 의한 현가장치의 정면도.

제 3도 내지 제 4도는 본 발명의 작용에 의하여 얻을 수 있는 효과의 설명도.

제 5도는 본 발명의 작용효과를 설명하기 위한 개략적인 구성도.

제 6도 (a)(b)는 종래 기술의 설명을 위한 현가장치의 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 휠 2 : 조향너클

10 : 커넥팅 아암 20 : 어퍼 콘트롤 아암

30 : 로워 콘트롤 아암 40 : 스트러트 아암

50 : 콘트롤 링크

본 발명은 자동차의 조향륜 현가장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가상 킹핀(kingpin)축의 설정을 용이하게 하고 가상의 링크를 만들어 롤센터(Roll-Center)의 높이 변화율을 작게 하여 조정 안전성을 향상시키고, 캠버 및 트레드 변화에 대한 설계 자유도를 높힐 수 있도록 하며, 특히 현가장치의 점유공간을 작게하여 엔진 룸의 유효체적을 최대한으로 넓게 확보할 수 있도록 한 자동차의 조향륜 현가장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에 있어서의 현가장치(Suspension System)라 함은 차축과 프레임을 연결하고, 주행중 노면으로부터 받는 진동과 충격을 흡수하여 승차감과 자동차의 안전성을 향상시키는 장치로서, 노면에서의 충격을 완화하기 위하여 상하방향의 연결이 유연하여야 하고, 휠에 발생되는 구동력, 제동력, 선회시의 원심력등을 이겨낼 수 있는 수평 방향의 연결이 견고해야만 한다.

상기와 같은 현가장치에는 구조상으로 일체 차축 현가장치와, 독립 현가장치로 구분되는데, 일체 차축 현가장치는 버스, 화물차등과 같은 대형차량과 승용차의 뒤차축에 적용되며, 독립 현가장치는 차축을 분할하여 양 휠이 서로 관계없이 움직이게하여 승차감과 안정성이 향상되도록 한 것으로서 승용차에 주로 적용되고 있다.

이러한 현가장치에 있어서, 본 발명은 독립 현가장치에 관계되는데, 독립 현가장치에는 여러종류의 현가장치가 있으며 조향륜에 적용되는 현가장치로는 주로 맥퍼슨 타입(MacPherson strut type) 현가장치와 위시본 타입(Wishbone type) 현가장치가 적용되고 있다.

상기와 같은 조향륜 현가장치에 있어서는 노면으로부터 받는 진동이나 충격을 흡수함은 물론 주행중 자동차의 바른 자세를 유지하여 주어 주행 안정성을 확보하고 선회시 조종 안정성을 확보할 수 있도록 설계되고 있다.

즉, 조향륜은 조향동작을 하기 때문에 킹핀을 중심으로 하여 좌우로 방향을 변환시킬 수 있도록 설치되며, 또한 어떤 기하학적인 각도를 두고 설치되어 상기 조향륜으로서의 조건을 만족시킬 수 있도록 하고 있다.

이와 같이 조향륜이 기하학적인 각을 두고 설치되는 것을 휠 얼라인먼트(Front Wheel Alignment)라 하며, 상기의 휠 얼라인먼트에는 여러 요소로 구별되나 이의 요소들이 서로 보완작용은 조향륜으로서의 이상적인 작용이 이루어지도록 하게 되는데, 휠 얼라인먼트의 요소중 킹핀 경사각은 캠버(Camber)와 함께 핸들의 조작력을 경감시키고 제동 및 주행시의 충격을 흡수하며, 핸들의 복원력을 증대시켜 주게 되므로 직진성을 안정되게 하여 자동차의 주행 안정성과 선회시의 조종 안정성을 확보할 수 있도록 하고 있다.

상기에서 킹핀 경사각은 자동차를 앞에서 보았을 때 킹핀축이 수선에 대하여 일정 각도를 두고 설치되어 있는 것을 의미하며, 이의 킹핀축과 휠의 중심선과의 거리를 오프셋(Offset)이라 하는데, 보통 휠 센터에서의 오프셋과 지면에서의 오프셋 두가지로 분류하여 휠 센터에서의 오프셋은 주로 구동력이나 엔진 브레이크가 걸릴 때 직진성에 영향을 미치며 지면에서의 오프셋 량이 적으면 적을수록 조향에 대한 민감성이 감소되어 안전성이 좋아지게 되고 제동 및 선회시의 조종 안정성이 좋아지게 된다.

그리고 자동차의 안전성에 있어서는 차체의 진동과도 밀접한 관계가 있는데, 자동차는 주행중에 차체의 상하진동(Bounce) 이외에 로울링(Rolling), 피칭(Picthing), 요우잉(Yawing)이 일어나기 마련이며, 이들 진동을 유연하게 흡수하여야만 승차감은 물론 안정성이 향상되게 된다.

이와 같은 차체의 진동에 있어서, 자동차의 선회시에 발생되는 진동은 차체가 옆방향으로 진동하는 것을 뜻하는 로울링이 심하게 발생되며, 이의 로울링이 선회시의 안정성에 많은 영향을 미치게 된다.

즉, 로울링은 어떤점을 기준으로 하여 발생되며, 이 점을 로울센터(Roll Center)라고 칭하며 자동차의 로울링은 차체의 무게 중심이 로울센터보다 높기 때문에 발생 되는데, 롤 센터 높이가 많이 변하면 한쪽에서 다른쪽으로의 무게 이동량이 많이 변하게 되고, 이러한 현상은 타이어에서의 슬립 앵글 변화가 많이 발생되므로 조향변화가 심하게 되어 직진 안전성을 비롯한 조종 안정성이 나빠지게 된다.

따라서 일반적으로 주행 안정성을 확보하기 위하여는 롤 센터 높이 변화율이 작은 것이 바람직하다.

상기와 같은 내용을 고려하여 종래 조향륜 현가장치를 살펴보면 다음과 같다.

제6도 (a)는 일반적인 맥퍼슨 타입 현가장치로서, 맥퍼슨 현가장치는 조향너클(71)과 일체로 되어 있으며, 쇽 업소오버(72)가 내부에 포함되어 있는 스트러트 아암(73)과, 로워 아암(74) 및 보올 죠인트(75)로 구성된다.

이러한 현가장치에 있어서는 구조가 간단하고 스프링 밑 질량이 작으며 엔진룸의 유효체적을 간단하게 할 수 있다는 장점은 있으나, 킹핀 오프셋(a)을 줄이거나 ' - '로 하기 위하여는 스트러트 아암(73)의 상측지지점(76)을 엔진룸측으로 이동시키거나 보올 죠인트(75) 부분을 외측으로 이동시켜야 하는데, 상기에서와 같이 스트러트 아암(73)의 상측지지점(76)을 엔진룸측으로 이동시키는 경우에는 엔진 룸의 유효체적이 줄어들고 킹핀 각(α)이 지나치게 크게 되어 선회성능에 악영향을 미친다는 문제점이 있다.

그리고 보올 죠인트(75)을 외측으로 이동시키는 경우에는 휠(77)측으로 형성되는 브레이크 디스크와의 간섭으로 이동시키는 것이 거의 불가능하여 킹핀 오프셋(a)을 작게하는데에 많은 어려움이 있다는 문제점이 있다.

제6도 (b)는 일반적인 위시본 타입 현가장치로서, 어퍼 및 로워 콘트롤 아암(81)(82)와, 조향너클(83)과, 쇽 업소오버(84)를 포함하는 스프링 조립체(85)과, 상기 어퍼 및 로워 콘트롤 아암(81)(82)를 조향너클(83)과 연결시켜주는 보올이음(86)(87)으로 구성되는데, 이 또한 킹핀 오프셋(a)을 조정하기 위하여는 어퍼 콘트롤 아암(81)의 차체측 연결부(88)를 엔진룸측으로 이동시키거나 로워 콘트롤 아암(82)의 보올이음(87)을 외측으로 이동시켜야만 한다.

그러나 상기와 같은 위시본 타입 현가장치의 경우에도 전자의 맥퍼슨 현가장치와 마찬가지로 어퍼 콘트롤 아암(81)의 차체측 연결부(88)을 엔진룸측으로 이동시키는 경우에는 엔진 룸의 유효체적이 줄어들고 킹핀 각(α)이 지나치게 크게 되어 선회성능에 악영향을 미치게 되고, 로워 콘트롤 아암(82)의 보올이음(87)을 외측으로 이동시키는 경우에는 휠(89)측으로 형성되는 브레이크 디스크와의 간섭으로 이동시키는 것이 거의 불가능하여 킹핀 오프셋(a)을 작게하는데에 많은 어려움이 있다는 문제점이 있다.

이러한 점을 고려하여 볼 때 종래의 맥퍼슨 타입 현가장치와 위시본 타입 현가장치에 있어서는 킹핀 각 설정의 설계 자유도가 극히 작은 범위로 한정되어 킹핀 오프셋(a)의 크기를 줄일 수 없는 바, 현가장치의 기능을 향상시키는데 한계가 있었다.

또한, 양자 공통적으로 휠의 상하 운동이 단순히 길이가 짧은 콘트롤 아암에 의존하여 회전하게 되는 바, 로울센터의 높이 변화가 큰차로 변화하게 되어 상대적으로 주행 안정성이 결여 된다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 제반 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 가상 킹핀축(kingpin)의 설정을 용이하게 하고 가상의 링크를 만들어 롤 센터(Roll-Center)의 높이 변화율을 작게 하여 조정 안전성을 향상시키는데에 있다.

본 발명의 다른 목적은 캠버 및 트레드의 변화와 킹핀 축을 상호 독립적으로 설정할 수 있도록 하여 설계 자유도를 높힐 수 있도록 하는데에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 현가장치의 점유공간을 작게하여 엔진룸의 유효체적을 최대한 크게 확보하는데에 있다.

이를 실현하기 위하여 본 발명은 휠을 회전가능하게 지지하여 주는 조향너클과; 상단이 휠보다 높은 높이를 가지고 휠측으로 만곡되고 하측부분이 내외측으로 분기되어 외측 돌출부의 연결부는 조향너클의 상단과 연결되며 내측 돌출부는 스트러트 아암의 하단 연결부재의 외측단이 피봇 연결되는 커넥팅 아암과; 양단에 연결부가 형성되어 차체와 커넥팅 아암의 상단을 연결하여 주는 어퍼 콘트롤 아암과; 전후로 배치되는 2개의 아암으로 형성되며 그의 양단에 연결부가 형성되어 차체와 조향너클의 하부를 연결하여 주는 로워 콘트롤 아암과; 쇽 업소오버와 스프링의 조립체로 구성되어 상단이 인슐레이터 지지부로 차체에 지지되고 그의 하단이 커넥팅 아암의 하부에 연결되는 스트러트 아암과; 상기 스트러트 아암의 하단과 로워 콘트롤 아암 사이에 하단이 휠측으로 약간 기울어진 상태로 연결되는 콘트롤 링크를 구비하여 구성되는 자동차의 조향륜 현가장치를 제공함에 특징이 있다.

이하, 상기의 목적을 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도 및 제2도는 본 발명에 의한 현가장치의 일실시예의 사시도 및 정면도로서, 본 발명에 의한 현가장치는 휠(1)를 회전가능하게 지지하는 조향 너클(2)과; 상기 조향 너클(2)의 상측으로 연결되는 커넥팅 아암(10)과; 상기 커넥팅 아암(10)의 상단과 조향 너클(2)의 하단을 차체(3)에 연결하여 주어 휠(1)을 포함하는 조향너클(2)이 차체(3)에 대하여 상하운동을 가능케 하는 어퍼 및 로워 콘트롤 아암(20)(30)과; 완충부재인 스트러트 아암(40)과; 상기 스트러트 아암(40)의 하단과 로워 콘트롤 아암(30)의 사이를 연결하여 주는 콘트롤 링크(50)를 구비하여 구성된다.

상기 조향 너클(2)은 종래와 마찬가지로 휠(1)을 회전 가능하게 지지하며, 조향 구동륜인 경우에는 도면에서와 같이 중앙부에 관통공(4)이 형성되어 이에 구동축(5)이 관통되어 그의 선단으로는 미도시된 스핀들이 장착되어 휠(1)을 구동시키게 된다.

그리고 상기 조향너클(2)의 후측에는 돌출부(6)가 형성되어 공지의 타이로드(7)가 볼 죠인트 연결되어 조향시 타이로드(7)의 동작에 의하여 조향너클(2)의 조향이 이루어지도록 형성된다.

상기 조향 너클(2)의 상단에 연결되는 커넥팅 아암(10)은 상단이 휠(1)보다 높은 높이를 가지고 휠측으로 만곡되어 이의 상단이 휠(1)의 상부로 부터 상호 간섭이 일어나지 않을 간격으로 이격되는 위치에 배치되어 휠(1)의 중심선 내측의 상부에 위치하게 된다.

그리고 상기 커넥팅 아암(10)의 하측은 내외측으로 분기되어 외측 돌출부(11)의 연결부(12)는 볼 죠인트 방식으로 조향너클(2)의 상단과 연결되며, 내측 돌출부(13)에는 스트러트 아암(40)의 하단이 피봇 연결된다.

상기 커넥팅 아암(10)의 상단과 차체(3)를 연결하여 주는 어퍼 콘트롤 아암(20)은 내측단이 분기되면서 2개의 차체측 연결부(21)가 형성되어 차체(3)의 브라켓(23)과 고무부시를 개재시켜 피봇 연결되며, 휠측 연결부(22)는 커넥팅 아암(10)의 상단 양측에 고무 부시를 개재시켜 피봇 연결된다.

그리고 상기 조향너클(2)의 하단을 차체(3)와 연결하여 주는 로워 콘트롤 아암(30)은 전후 2개의 아암으로 형성되며, 그의 양단에는 연결부(31)(32)가 형성되어 차체측 연결부(31)는 차체(3)의 브라켓(33)에 고무부시를 개재시켜 피봇 연결되고, 휠측 연결부(32)는 평면상으로 한데 모아져 조향너클(2)의 하면에 볼 죠인트 연결된다.

상기 콘트롤 아암(20)(30)들을 차체(3)와 조향너클(2)을 연결하는데에 사용되는 고무부시와 볼 죠인트는 종래 현가장치에 적용되는 것과 동일한 것을 사용하게 되며, 이들을 조향 너클(2)을 포함하는 휠(1)이 차체(3)에 대하여 상하운동이 가능하도록 한다.

그리고 상기 연결부(21)(22)(31)에 사용되는 고무부시는 적당한 탄성을 갖고 컨트롤 아암(20)(30)의 상하 유동을 적정하게 제어하게 된다.

완충부재인 스트러트 아암(40)은 쇽 업소오버(41)와 스프링(42)의 조립체로 구성되어 상단이 인슐레이터 지지부(43)로 차체(3)에 지지되고 그의 하단은 상기한 바와 같이 커넥팅 아암(10)의 하부 내측 돌출부(13)에 연결부재(44)를 개재시켜 피봇 연결되어 차체(3)의 상하방향으로 입력되는 충격을 흡수 감쇠하면서 지지하게 된다.

상기 스트러트 아암(40)의 하단 연결부재(44)의 내단과 로워 콘트롤 아암(30)을 연결하는 콘트롤 링크(50)는 상하단부에 연결부(51)(52)가 형성되어 고무부시를 개재시켜 피봇 연결되며, 콘트롤 링크(50)의 하측부가 휠측으로 약간 기울어진 상태로 연결된다.

그리고 상기 콘트롤 링크(50)의 중심부에는 관통공(53)이 형성되어 구동축(5)이 관통되도록 형성하였다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 작용효과를 제3도 내지 제5도를 보면서 설명하되, 제3도에서는 각 연결부에 대한 부호를 설명의 편의상 P_{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8}으로 부여하였음을 전제하며, 그에 대한 설명은 다음과 같다.

즉, 휠(1)이 상하진동을 하거나 차체가 로울링시 현가장치를 구성하는 각 부품들의 순간 중심을 살펴보면 차체(3)대한 어퍼, 로워 컨트롤 아암(20)(30)의 순간 중심은 이들 아암(20)(30)들을 상호 차체(3)와 연결하여주는 연결점 P₁, P₆이 순간중심이 되고, 어퍼 콘트롤 아암(20)과 연결부재(44)에 대한 커넥팅 아암(10)의 순간 중심은 커넥팅 아암(10)을 연결하여 주는 연결점 P₂, P₄가 되고, 커넥팅 아암(10)및 로워 콘트롤 아암(30)에 대한 휠(1)의 순간중심은 연결점 P5, P8가 된다.

그리고 차체(3)에 대한 커넥팅 아암(10)의 순간중심은 P₂, P₁의 연장선과 P₄, P₃의 연장선이 만나는 교점(C1)이 되고, 차체(3)에 대한 휠(1)의 순간 중심은 P₅, C₁의 연장선과 P₈, P₆의 연장선이 만나는 교점(C₂)이 된다.

따라서 차체(3)에 대한 휠(1)의 순간중심(C₂)과, 커넥팅 아암(10)과 조향너클(2)의 연결점인 P₅를 연결하여 도면에서 점선으로 도시한 선분이 가상의 스윙아암 즉, 가상의 어퍼 콘트롤 아암이 된다.

이에따라 가상의 어퍼 콘트롤 아암인 선분의길이는 제4도에서와 같이 대단히 길어서 순간중심(C₁)의 상하 변위에 대한의 선회각은 극히 미소하다.

그러므로 순간중심(C₂)의 높이 변화는 상대적으로 작게 되며, 이것은 순간중심 C₂과 휠(1)의 접지부와의 연결선과 차체의 센터라인(CL)의 교점이 되는 로울 센터(RC)의 높이(H) 변화가 작게 이루어지는 것을 의미하며, 로울 센터(RC)의 높이(H) 변화가 작다는 것은 주행 안정성이 상대적으로 안정되는 것이므로 주행 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.

그리고 상기 작용효과에 차체의 높이를 낮출 수 있는 바, 운전자의 시계를 높히고 히트 포인트(Hip Point)를 내릴 수 있어 자동차의 설계시 차체 중심을 낮출 수 있으며, 킹핀축 주위의 관성 모우멘트가 작아져 시미(Shimmy)현상을 억제하는데 매우 유리하다.

상기와 같은 현가장치에 있어서의 킹핀축(K)은 제5도에서와 같이 어퍼 컨트롤 아암(20)의 휠측 연결부(22)인 P₂와 로워 콘트롤 아암(30)의 휠측단을 연장하여 교차되는 교차점(B₂)이 연결되는 가상 선분으로 형성되는 바, 킹핀축(K)의 설정시 커넥팅 아암(10)의 만곡정도와 어퍼 콘트롤 아암(20)의 길이에 의하여 용이하게 조정 설정할 수 있으므로 조향현상에 대한 민감도를 감소시켜 직진 안정을 위시한 제반 조종 안정성을 향상시킬 수 있게 되며, 캠버와 트레드 변화와는 관계없이 독립적으로 설정할 수 있게 된다.

그리고 킹핀축의 설정시 어퍼 콘트롤 아암(20)의 차체측 연결부(21)를 엔진룸측으로 이동시키지 않고, 휠측 연결부(22)를 휠측으로 이동시키면서 설정하게 되는 바, 엔진의 유효체적을 제5도의 점선으로 표시된 종래에 비하여 크게 확보할 수 있게 된다.

Claims (1)

1. 휠(1)을 회전 가능하게 지지하며 후측에 돌출부(5)가 형성되어 공지의 타이로드(6)가 볼 죠인트 연결되어 조향시 타이로드(6)의 동작에 의하여 조향이 이루어지도록 하는 조향너클(2)과; 상단이 휠(1)보다 높은 높이를 가지고 휠측으로 만곡되어 이의 상단이 휠(1)의 상부에 위치하며, 하측은 내외측으로 분기되어 외측 돌출부(11)의 연결부(12)는 볼 죠인트 방식으로 조향너클(2)의 상단과 연결되며, 내측 돌출부(13)에는 스트러트 아암(40)의 하단이 피봇 연결되는 커넥팅 아암(10)과; 내측단이 전후측으로 분기되어 2개의 차체측 연결부(21)를 갖고 차체(3)의 브라켓(23)과 고무부시를 개재시켜 피봇 연결되며, 휠측 연결부(22)는 커넥팅 아암(10)의 상단에 고무 부시를 개재시켜 피봇 연결되는 어퍼 콘트롤 아암(20)과; 전후 2개의 아암으로 형성되며, 그의 양단에는 연결부(31)(32)가 형성되어 차체측 연결부(31)는 차체(3)의 브라켓(33)에 고무부시를 개재시켜 피봇 연결되고, 휠측 연결부(32)는 평면상으로 한데 모아져 조향너클(2)의 하면에 볼 죠인트 연결되는 로워 콘트롤 아암(30)과; 쇽 업소오버(41)와 스프링(42)의 조립체로 구성되어 상단이 인슐레이터 지지부(43)로 차체(3)에 지지되고 그의 하단은 상기한 바와 같이 커넥팅 아암(10)의 하부 내측 돌출부(13)에 연결부재(44)를 개재시켜 피봇 연결되어 차체(3)의 상하방향으로 입력되는 충격을 흡수 감쇠하면서 지지하는 스트러트 아암(40)과; 상하단부 연결부(51)(52)가 형성되어 하측부가 휠측으로 약간 기울어진 상태로 상기 스트러트 아암(40)의 하단 연결부재(44)의 내단과 로워 콘트롤 아암(30)을 피봇 연결하는 콘트롤 링크(50)를 구비하여 구성되는 자동차의 조향륜 현가장치.