KR0142554B1 - 자동차의 조향륜 현가장치 - Google Patents

Abstract

멀티 링크 타입 현가장치에 있어서, 하측부에 외측으로 돌설되는 커넥팅 아암을 갖고 상측이 인슐레이터 연결부로 차체에 현가지지 되어 차체에 대하여 상하부로 배치되는 스트러트 아암과; 양선단의 연결부가 차체측과 커넥팅 아암의 내측에 피봇 연결되는 한쌍의 어퍼아암과; 상기 커넥팅 아암의 외측단이 상단에 보올 이음으로 결합되며 휠을 회전 가능하게 지지함과 동시에 조향을 위한 타이로드에 의해 조타가 가능하도록 연결되는 조향너클과; 차체측 연결부가 차체측에 피봇 연결되고, 휠측단이 상기 조향너클의 하부 내측에 보올 이음 연결되는 한쌍의 로워 아암을 포함하여 이루어지는 자동차의 조향륜 현가장치를 제공함으로써, 가상 킹핀(kingpin)축의 설정을 용이하게 하고 가상의 링크를 만들어 롤센터(Roll-Conter)의 높이 변화율을 작게 하여 설계 자유도를 높히고 조향 현상에 대한 민감도를 감소시켜 직진 안정성을 위시한 제반 조종 안정성을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

자동차의 조향륜 현가장치

제 1 도는 본 발명에 의한 현가장치의 사시도.

제 2 도는 본 발명에 의한 현가장치의 작동 설명을 위한 정면도.

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

제5도 (a))(b)는 본 발명에 의하여 나타나는 캠버와 트레드 변화를 종래와 비교한 그래프선도.

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

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:스트러트 아암 2,3:어퍼 아암

4:조향너클 5:커넥팅 아암

6,7:로워 아암 11:휠

13,14,15,16,18,19,20,21:연결부 17:보올이음

본 발명은 자동차의 조항륜 현가장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가상 킹핀(kingpin)축의 설정을 용이하게 하고 가상의 링크를 만들어 롤센터(Roll-Center)의 높이 변화율을 작게 하여 설계 자유도를 높히고 조향 현상에 대한 민감도를 감소시켜 직진 안정성을 위시한 제반 조종 안정성을 향상시킬 수 있는 자동차의 조향륜 현가장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에 있어서의 현가장치(Suspension System)라함은 차축과 프레임을 연결하고, 주행중 노면으로부터 받는 진동과 충격을 흡수하여 승차감과 자동차의 안정성을 향상시키는 장치로서, 노면에서의 충격을 완화 하기 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 한것으로서 승용차에 주로 적용되고 있다.

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

상기와 같은 조향륜 현가장치에 있어서는 노면으로 부터 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 기하학인 각도를 두고 설치되어 상기 조향륜으로서의 조건을 만족시킬 수 있도록 하고 있다.

이와같이 조향륜이 기하학적인 각을 두고 설치되는 것을 휠 얼라인먼트(Front Wheel Alignment)라 하며, 상기의 휠 얼라인먼트에는 여러 요소로 구별되나 이의 요소들이 서로 보완작용을 하면서 조향륜으로서의 이상적인 작용이 이루어지도록 하게 되는데, 휠 얼라인먼트의 요소 중 킹핀 경사각은 캠버(Camber)와 함께 핸들의 조작력을 경감시키고 제동및 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 킹핀이 수선에 대하여 일정 각도를 두고 설치되어 있는 것을 의미하며, 이의 킹핀 중심선과 휠의 중심선과의 거리를 오프셋(Offset)이라 하는데, 이의 오프셋 량은 적으면 적을수록 조향에 대한 민감성이 감소되어 안정이 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(Rolliong), 피칭(Piching), 요우잉(Yawing)이 일어나기 마련이며, 이들 진동을 유연하게 흡수하여야만 승차감은 물론 안정성이 향상되게 된다.

이와같은 차체의 진동에 있어서, 자동차의 선회시에 발생되는 진동은 차체가 옆 방향으로 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 칭하는데, 자동차의 로울링은 차체 중심이 로울센터보다 높기 때문에 발생되는 바, 선회시 로울 센터의 높이 변화율이 작아야만 안정성이 향상된다.

상기와 같은 내용을 고려하여 종래 조향륜 현가장치를 살펴보면 다음과 같다.

제6도 (a)는 일반적인 맥퍼슨 타인 현가장치로서, 맥퍼슨 현가장치는 조향너클(51)과 일체로 되어 있으며, 쇽 업소오버(52)가 내부에 포함되어 있는 스트러트 아암(53)과, 스프링(54), 콘트롤 아암(55) 및 보올이음(56)으로 구성된다.

이러한 현가장치에 있어서는 구조가 간단하고 스프링 밑 질량이 작으며 엔진룸의 유효체적을 간단하게 할 수 있다는 장점은 있으나, 킹핀 오프셋(a)를 줄이거나 '-'로 하기 위하여는 스트러트 아암(53)의 상측 지지점 (57)을 엔진룸측으로 이동시키거나 보올이음(56)부분을 외측으로 이동시켜야 하는데, 상기에서와 같이 스트러트 아암(53)의 상측 지지점(57)을 엔진룸측으로 이동시키는 경우에는 엔진 룸의 유효체적이 줄어들고 킹핀 각( )이 지나치게 크게 되어 선회성능에 악영향을 미친다는 문제점이 있다.

그리고 보올이음(56)을 외측으로 이동시키는 경우에는 휠(58)측으로 형성되는 브레이크 디스크와의 간섭으로 이동시키는 것이 거의 불가능하여 킹핀 오프셋(a)을 작게하는데에 많은 어려움이 있다는 문제점이 있다.

이에따라 캠버각과 트레드 변화가 제5도의 (a)(b)에 표시된 점선과 같이 나타나게 되어 주행 및 선회시 안정성이 결여된다는 문제점이 있다.

제5도 (b)는 일반적인 위시본 타입 현가장치로서, 어퍼 및 로워 콘트롤 아암(61)(62)와, 조향너클(63)과, 쇽 업소오버(64)를 포함하는 스프링 조립체(65)과, 상기 어퍼 및 로워 콘트롤 아암(61)(62)를 조향너클(63)과 연결시켜주는 보올이음(66)(67)으로 구성되는데, 이 또한 킹핀 오프셋(a)을 조정하기 위하여는 어퍼 콘트롤 아암(61)의 차체측 연결부(68)를 엔진룸측으로 이동시키거나 로워 콘트롤 아암(62)의 보올이음(67)을 외측으로 이동시켜야만 한다.

그러나 상기와 같은 위시본 타입 현가장치의 경우에도 전자의 맥퍼슨 현가장치와 마찬가지로 어퍼 콘트롤 아암(61)의 차체측 연결부(68)을 엔진룸측으로 이동시키는 경우에는 엔진 룸의 유효체적이 줄어들고 킹핀각( )이 지나치게 크게 되어 선회성능에 악영향을 미치게 되고, 로워 콘트롤 아암(62)의 보올이음(67)을 외측으로 이동시키는 경우에는 휠(69)측으로 형성되는 브레이크 디스크와의 간섭으로 이동시키는것이 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 줄일수 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 킹핀(kingpin)축의 설정을 용이하게 하고 가상의 링크를 만들어 롤 센터(Roll - Center)의 높이 변화율을 작게 하여 조정 안정성을 향상시키는데에 있다.

본 발명의 다른 목적은 캠버및 트레드의 변화와 킹핀축을 상호 독립적으로 설정할 수 있도록 하여 설계 자유도를 높힐 수 있도록 하는데에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 조향 현상에 대한 민감도를 감소시켜 직진 안정성을 위시한 제반 조종 안정성을 향상시킬 수 있도록 하는데에 있다.

이를 실현하기 위하여 본 발명은 상기의 맥퍼슨 타입 현가장치와 위시본 타입 현가장치를 복합시킨 멀티링크 타입의 현가장치로서, 이들의 장점 특성을 최대화 할 수 있도록 한 것이다.

즉, 멀티 링크 타입 현가장치에 있어서, 하측부에 외측으로 돌설되는 커넥팅 아암을 갖고 상측이 인슐레이터 연결부로 차체에 현가지지 되어 차체에 대하여 상하부로 배치되는 스트러트 아암과; 양선단의 연결부가 차체측과 커넥팅 아암의 내측에 피봇 연결되는 한쌍의 어퍼아암과; 상기 커넥팅 아암의 외측단이 상단에 보올 이음으로 결합되며 휠을 회전 가능하게 지지함과 동시에 조향을 위한 타이로드에 의해 조타가 가능하도록 연결되는 조향너클과; 차체측 연결부가 차체측에 피봇 연결되고, 휠측단이 상기 조향너클의 하부 내측에 보올 이음 연결되는 한쌍의 로워 아암을 포함하여 이루어지는 자동차의 조향륜 현가장치를 제공함에 특징이 있다.

상기 한쌍의 어퍼아암은 전,후측으로 소정의 간격을 두고 평행하게 배치되며, 상기 한쌍의 로워 아암은 휠측 연결부가 조향너클의 하측에 평면상으로 모아져 연결되고, 차체측 연결부가 확개되어 차체에 연결된다.

상기에서 커넥팅 아암과 조향너클의 상측단이 연결되는 연결부가 커넥팅에 대한 조향너클의 순간중심으로 이루어지며, 상기 어퍼아암을 내측으로 연결하는 가상의 연장선과, 스트러트 아암의 축방향에 대하여 상측 연결부에서 직교하는 가상의 연장선 교점이 차체에 대한 커넥팅 아암의 순간중심으로 이루어진다.

또한, 상기 차체에 대한 커넥팅 아암의 순간 중심과, 커넥팅 아암에 대한 휠의 순간중심을 연결하는 선분이 가상의 어퍼아암으로 이루어지게 되며, 상기 커넥팅 아암과 조향너클의 상측을 연결하여 주는 연결부와, 한쌍의 어퍼아암을 휠측단으로 연장하여 교차하는 점을 연결하는 연결선이 가상의 킹핀 축으로 이루어진다.

자동차의 멀티 타입 현가장치에 있어서, 어퍼아암을 내측으로 연결하는 가상의 연장선과, 스트러트 아암의 축방향에 대하여 상측 연결부에서 직교하는 가상 연장선의 교점으로 이루어지는 차체에 대한 커넥팅 아암의 순간 중심과; 커넥팅 아암과 조향너클의 연결부인 커넥팅 아암에 대한 휠의 순간중심을 연결하는 가상의 어퍼아암과;

로워 아암의 양측 연결부를 연결하는 연장선이 만나는 교점이 차체에 대한 휠의 순간중심이 되도록 다수의 링크가 연결됨을 특징으로 하는 자동차의 조향륜 현가장치를 제공한다.

상기의 차체에 대한 휠의 순간중심과 휠의 접지부가 연결되는 가상의 연결선이 차체 센터라인과 만나는 지점에서 로울센터가 형성된다.

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

제1도는 본 발명에 의한 현가장치의 일 실시예도로서, 상기 스트러트 아암(1)은 쇽 업소오버(8)와 스프링(9)의 조립체로 구성되어 상단이 인슐레이터 연결부(10)로서 차체에 현가 지지되며, 하단은 커넥팅 아암(5)을 개재시켜 조향너클(4)과 연결되어 휠(11)로 부터 차체의 상하방향으로 입력되는 힘을 주로 지지하게 된다.

상기 어퍼 아암(2)(3)은 동일 길이를 갖는 원주봉으로 형성되며, 그 양선단에 연결부(13)(14)(15)(16)를 두고 차체 도면에서는 크로스 멤버(12)와 커넥팅 아암(5)에 전, 후 평행되게 미도시된 탄성부시를 개재시켜 연결된다.

커넥팅 아암(5)은 스트러트 아암(12)의 하측에 일체로 형성되며 외측으로 돌설되는 선단이 조향너클(4)의 상단에 보올이음(17)으로 연결되어 조향 너클(4)과 어퍼아암(2)(3) 사이에 개재되어 휠(11)로 부터 전달되는 입력을 중계하게 된다.

상기에서 어퍼아암(2)(3)과 커넥팅 아암(5)을 연결하는 연결부(14)(16)의 위치와 보올이음(17)의 위치는 설계상의 문제가 되는 것으로서, 이들의 위치는 본 발명에 의한 현가장치의 작용에 영향을 미치지 않고 단순히 그의 위치에 따른 특성에 관계된다.

로워아암(6)(7)은 상기 어퍼아암(2)(3)과 마찬가지로 원주봉으로 형성되어 양 선단으로 연결부(18)(19)(20)(21)를 두고 크로스 멤버(12)와 조향너클(4)에 연결되어지되, 내측단 연결부(18)(20)는 탄성부시를 개재시켜 연결되고 외측단 연결부(19)(21)는 보올이음으로 연결되는데, 내측 연결부(18)(20)는 전, 후측으로 큰 거리를 두고 연결되고 외측 연결부(19)(21)는 한데 모아지는 형태로서 전,후 작은 거리를 두고 조향너클(4)의 하측에 연결되어 평면에서 보았을때 삼각형으로 연결된다.

상기의 구성에 있어서, 어퍼아암(2)(3) 및 로워 아암(6)(7)의 내측 연결부(13)(15),(18)(20)와 외측 연결부(14)(16),(19)(21)의 높이는 필요로 하는 현가장치의 특성에 따라 변형이 가능한데, 본 발명에서는 그 일예로 어퍼 아암(2)(3)의 경우에는 수평이 유지되도록 하고 로워아암(6)(7)은 내측단이 외측단에 비하여 높게 하여 도시한것으로서, 이에 한정되지 않는다.

도면 중 미설명 부호 22는 조향륜에 있어서의 휠(11)의 방향을 전환시키는 타이로드로서, 조향너클(4)과는 보올이음(23)으로 연결된다.

이와같이 구성되는 본 발명의 작용효과를 제2도 내지 제4도를 보면서 설명하면 다음과 같다.

즉, 휠(11)이 상하진동을 하거나 차체가 로울링시 커넥팅 아암(5)이 어퍼아암(2)(3)의 내측 연결부(13)(15)를 기준으로 하여 승강이 이루어지게 되는 바, 커넥팅 아암(5)의 차체에 대한 순간중심(C₁)은 어퍼아암(2)(3)의 내측 연장선에 위치하게 되고, 그의 위치는 스트러트 아암(1)의 축방향에 대하여 상측 연결부(10)에서 수직으로 연장되어 상기 어퍼아암(2)(3)의 연장선과 만나는 점에서 위치하게 된다.

그리고 휠(11)의 커넥팅 아암(5)에 대한 순간중심은 조향너클(4)과 커넥팅 아암(5) 연결부분인 보올이음(17)이 고정힌지로서 가동힌지를 겸하게 되므로 이의 보올이음(17)부분이 순간중심(C₂)이 된다.

따라서 상기 두개의 순간중심(C₁)(C₂)를 연결하여 도면에서 점선으로 도시한 선분이 가상의 스위아암 즉, 가상의 어퍼아암이 된다.

또한, 휠(11)의 차체에 대한 순간중심(C₃)은의 연장선과 로워 아암(6)(7)의 연장선과의 교점으로 이것은 휠(11)의 상하 운동시 변하게 된다.

이때, 가상의 어퍼 아암의 길이는 제3도에서와 같이 대단히 길어서 순간중심(C₂)의 상하 변위에 대하의 선회각은 극히 미소하다.

이에따라 순간중심(C₁)의 높이 변화는 상대적으로 작게 되며, 이것은 순간중심 C₃와 휠(11)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 안정성을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

또한, 킹핀축이 제4도에서와 같이 커넥팅 아암(5)과 조향너클(4)의 연결부(17)인 C₂와 양 로워 아암(6)(7)의 외측을 연장하여 교차되는 교차점(C₄)이 연결되는 선분으로 형성되는 바, 킹핀의 접지 오프셋(a)과 휠 센터 오프셋(b)을 줄이고자 하는 경우에는 커넥팅 아암(5)의 돌출부를 신축시키거나 로워아암(6)(7)의 외측 연결부(19)(21)의 거리 및 길이를 신축시켜 조정이 가능하게 된다.

이와같이 킹핀축의 기울기를 임의로 작게 형성할 수 있기 때문에 선회시의 캠버각 변화를 제5도 (a)에서와 같이 실선과 같이 -경향으로 이상적인 설정이 기능하며, 상기와 같은 캠버변화에 의하여 제5도 (b)의 실선과 같은 이상적인 휠의 트레드 변화를 얻을 수 있는 바, 주행 안정성 및 승차감을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 킹핀 오프셋(a)(b)의 대폭 조정이 용이하여 조향현상에 대한 민감도를 감소시켜 직진 안정을 위시한 제반 조종 안정성을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

그리고 일반적인 맥퍼슨 타입 현가장치에서는 스프링을 차체와의 마찰간섭을 피하기 위하여 편심시켜야 하고 그 외경 자체가 커져야 하며, 조향시 스트러트 아암 자체도 킹핀축을 중심으로 회전을 하므로 간섭이 일어나지 않도록 일정의 공간을 확보 해야 하지만 본 발명에 의하면 스트러트 아암(1)의 상측 연결부(10)를 외측으로 밀어내어 엔진룸의 유효체적을 크게 할 수 있게 된다.

상기와 같은 효과와 더불어 차체의 높이를 낮출 수 있는 바, 운전자의 시계를 높히고 히프 포인트(Hip Point)를 내릴 수 있어 자동차의 설계시 차체 중심을 낮출 수 있으며, 킹핀축 주위의 관성 모우멘트가 작아져 시미(Shimmy)현상을 억제하는데 유리한 발명인 것이다.

Claims (5)

1. 휠을 회전 가능하게 지지하는 조향너클과; 상기 조향너클의 상,하부를 차체측과 연결하여 주는 어퍼 및 로워 아암과; 상측이 인슐레이터 연결부로 차체에 현가 지지되고 하측이 상기 너클과 연결되어 차체에 대하여 상하부로 배치되는 스트러트 아암과; 를 포함하여 이루어지며, 상기 스트러트 아암의 중간부 배치되어 커넥팅 아암이 배치되어 이의 내측단에 어퍼아암이 피봇 연결되고, 외측단이 상기 조향너클의 상단부와 볼 이음으로 연결되는 자동차의 현가장치에 있어서, 상기 어퍼 아암은 전,후 소정의 간격을 두고 평행하게 배치되는 2개의 아암으로 이루어지고, 상기 로워 아암은 전, 후 한쌍의 아암으로 형성이루어지며, 그의 휠 측단 연결부가 동일 평면상으로 모아져 조향 너클의 하측부와 볼 이음으로 연결되고, 차체측 연결부가 확개되어 차체에 피봇연결됨을 특징으로 하는 자동차의 조향륜 현가장치.
2. 제1항에 있어서, 차체에 대한 휠의 순간중심이 어퍼아암을 내측으로 연결하는 연장선과, 스트러트 아암의 축방향에 대하여 상측 연결부에서 직교하는 가상의 연장선이 교차하는 교점이 되도록; 상기 어퍼아암을 거의 수평의 상태로 배치하고, 스트러트아암의 상측단이 차체측으로 일정각 기울어지게 배치함을 특징으로 하는 자동차의 조향륜 현가장치.
3. 제2항에 있어서 어퍼아암이 차체에 대한 커넥팅 아암의 순간중심과, 커넥팅 아암과 조향너클을 연결하는 볼 이음부를 연결하는 선분에 의하여 가상적으로 이루어지는 자동차의 조향륜 현가장치.
4. 제1항에 있어서, 킹핀축이 커넥팅 아암과 조향너클을 연결하는 볼 이음과, 한쌍의 로워 아암을 휠측단으로 연장하여 교차하는 점을 상호 연결하는 가상의 축으로 이루어짐을 특징으로 하는 조향륜 현가장치.
5. 자동차의 멀티 타입 현가장치에 있어서, 가상의 어퍼아암이 어퍼어암을 내측으로 연결하는 연장선과, 스트러트 아암의 축방향에 대하여 상측 연결부에서 직교하는 가상의 연장선이 교차되는 교점과, 커넥팅 아암과 조향너클을 연결하는 볼 이음부를 연결하는 선분에 의하여 가상적으로 이루어지고, 킹핀축이 커넥팅 아암과 조향너클을 연결하는 볼 이음과, 한쌍의 로워 아암을 휠측단으로 연장하여 교차하는 점을 상호 연결하는 가상의 축으로 이루어짐을 특징으로 하는 조향륜 현가장치.