KR100293680B1 - 자동차의 전륜현가장치 - Google Patents

Abstract

필요에 따라 롤 센터의 높이와 캠버 및 트레드 등을 효과적으로 제어하여 최소의 에너지와 최소의 원가로 현 주행 상태에서의 최적의 지오메트리 상태를 얻을 수 있는 자동차의 전륜 현가장치를 제공할 목적으로;

유압 동력원에 의하여 신축동작이 이루어지는 구동수단과; 상기 구동수단의 직선 왕복 운동을 전달받아 회전 운동으로 변환하는 회동수단과; 상기 회동수단에 의하여 내단부가 호형 궤적을 따라 승강하는 휠 캐리어의 차폭 방향 지지수단과; 거의 수직의 상태에서 상기 휠 캐리어의 상단부를 차체에 연결함과 동시에 노면으로부터 입력되는 충격을 완화 감쇠시키는 완충수단과; 를 포함하여 이루어지는 자동차의 전륜 현가장치를 제공한다.

Description

자동차의 전륜 현가장치

본 발명은 필요에 따라 롤 센터의 높이와 캠버 및 트레드 등을 제어하여 현 주행 상태에서의 최적의 지오메트리 상태를 얻을 수 있는 자동차의 전륜 현가장치에 관한 것이다.

자동차에 있어서의 현가장치는 차체와 차륜 사이에 존재하면서 이 2개의 강체를 하나 혹은 다수의 컨트롤 아암으로 연결하여 상하 방향으로는 스프링과 쇽 업소오버에 의하여 지지되고, 기타 방향으로는 높은 강성과 유연성을 적절히 조화시킴으로써, 차체와 차륜 사이의 상대운동을 기계적으로 적절히 조화시켜 주행 중 노면으로부터 받는 진동과 충격을 흡수하여 승차감과 선회 안정성을 향상시키는 장치이다.

이러한 현가장치는 노면으로부터의 입력에 대한 여러부문의 성능을 만족시키기 위하여 다음의 3가지 조건이 요구되고 있다.

첫째, 조종 안정성을 위하여 타이어는 노면에 대하여 이상적인 자세를 유지케 하여 노면에 대한 그립(Grip)력을 극대화하고, 차체는 나름대로 최상의 자세를 유지하여 목적하는 차량 운동상태를 가능케 하여야 하며, 특히 어떠한 상태에서도 항상 다음 동작을 얻을 수 있는 순간력을 지님과 동시에 운전자의 의도하는 방향 및 순간 외에는 외부 입력에 의한 어떠한 거동도 허용하면 안된다.

둘째, 안락감을 위하여 어떠한 충격도 준민하게 흡수할 수 있도록 하여 차내에 있는 탑승자들로 하여금 불쾌감을 느끼지 못하도록 하여야 한다.

셋째, 충돌시 이의 충돌 에너지의 흡수에 기여토록 하여 충돌 안전성을 증대시킬 수 있도록 하여야 한다.

이에 따라 근자에는 상기와 같은 현가장치의 요구조건을 충족시키기 위한 수단으로 액티브 컨트롤 서스펜션(Active Control Suspension)의 연구가 활발하게 이루어졌다.

그러나 자동차는 수많은 부품들의 조합으로 이루어지고, 이의 복잡함 속에서 나름대로의 질서를 갖고 작동이 이루어지게 되는 바, 이의 질서를 올바르게 이해하기란 대단히 어려운 일이다.

그런데, 이러한 질서를 완전히 이해하지 못한 상태에서 어떤 상황에 어떤 성능을 꾀하기 위하여 이 질서를 임의의 논리를 갖고 개발한다는 것은 매우 무모한 일이 될 수 있다.

이는 자동차의 어떠한 거동을 느끼는 순간에는 관점에 따라 수 많은 성능이 공하기 때문이며, 이러한 수 많은 성능을 동시에 이상적인 상태로 제어한다는 것은 어려울 뿐만 아니라 상당히 복잡하고 비효율적이기 때문이다.

따라서 본 발명자는 상기와 같은 다양한 현상들에 대한 원인을 제어할 수 있다면 그 근원적인 대책이 마련될 수 있는 것이며, 일예로서, 롤과 피치 등을 보면 일어나는 현상을 제어하는 것보다는 롤과 피치 등의 원인이 될 수 있는 요소들을 제어하는 것이 효율적이라는 것을 인식하게 되었다.

그리고 종래의 액티브 컨트롤 서스펜션에 있어서는 차체의 롤과 피치 등을 감지하여 이에 반대되는 방향으로 힘을 가해야 하므로 많은 에너지를 필요로 하였다.

즉, 유압 또는 공압을 이용하는 경우 액튜에이터가 담당해야 할 기계적인 에너지를 W라고 할 때, 이를 구하는 식은 W=F⋅S=|F||S|Cosθ 이 된다.

이때 F는 액튜에이터에 연결된 어떤 링크 혹은 시스템에 의해 발생시켜야 하는 힘, S는 액튜에이터의 작동 행정, 그리고 θ는 실제 최종 제어 대상 부품 혹은 시스템에 걸리는 반력과 액튜에이터에 의해 제어하려는 힘의 방향과의 각을 의미하는 것으로서, 종래의 것은 직립된 상태에서 제어가 이루어지게 되는 바, 거의 0° 또는 180°근처가 된다.

이에 따라 소비되는 에너지의 량(W)은 최대일수 밖에 없으며, 설사 기계적인 일을 하지 않더라도 (S = 0) 외력에 대해 평형을 유지하기 위해 소요되는 추가 에너지량 역시 상당히 크다.

결국 상기와 같은 에너지 소비를 충당하기 위하여는 대용량의 유압펌프와 고정밀도의 액튜에이터 및 밸브류 등을 필요로 하기 때문에 시스템이 복잡해질 뿐만 아니라 크기도 커져 중량이 증대되고 가격도 상당이 높아질 수 밖에 없으며, 제어의 개념이 효율적이지 못하여 고도의 성능을 구현하는 데에는 한계가 있다는 것을 인식하게 되었다.

이에 따라 본 발명은 주행 상황에 따라 현가기구의 링크 마운팅 위치의 높이를 변화시켜 롤 센터의 변화를 발생케하여 롤 센터 높이 변화에 따른 직진 주행 안정성을 도모하고 조종 안정성에 악영향을 미치는 롤을 방지하고, 운행조건에 따라 타이어가 노면에 대하여 이상적인 자세를 유지하여 목적하는 차량의 운동상태를 가능케 할 수 있는가를 예의 연구한 결과 본 발명을 제안하게 되었다.

따라서 본 발명은 필요에 따라 롤 센터의 높이와 캠버 및 트레드 등을 효과적으로 제어하여 최소의 에너지와 최소의 원가로 현 주행 상태에서의 최적의 지오메트리 상태를 얻을 수 있는 자동차의 전륜 현가장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 현가장치의 사시도.

도 2는 본 발명에 의한 현가장치에 있어서, 롤 센터의 하강시의 작동 상태도.

도 3은 본 발명을 운용하기 위한 동력원 구성을 나타낸 블록도.

도 4는 본 발명에 의한 현가장치에 있어서, 롤 센터의 상승시의 작동 상태도.

도 5는 본 발명의 작동에 따른 롤 센터의 변화 상태를 보인 도면.

도 6은 본 발명의 작동에 따른 캠버 및 트레드 변화 상태를 보인 도면이다.

이를 실현하기 위하여 본 발명은 유압 동력원에 의하여 신축동작이 이루어지는 구동수단과;

상기 구동수단의 직선 왕복 운동을 전달받아 회전 운동으로 변환하는 회동수단과;

상기 회동수단에 의하여 내단부가 호형 궤적을 따라 승강하는 휠 캐리어의 차폭 방향 지지수단과;

거의 수직의 상태에서 상기 휠 캐리어의 상단부를 차체에 연결함과 동시에 노면으로부터 입력되는 충격을 완화 감쇠시키는 완충수단과;

를 포함하여 이루어지는 자동차의 전륜 현가장치를 제공함에 특징이 있다.

상기에서 구동수단은 액튜에이터로 이루어지며, 회동수단은 상기 액튜에이터의 직선 왕복운동을 회전 운동으로 변환시켜 주는 벨 크랭크로 이루어짐을 특징으로 한다.

이에 따라 상기 구동수단의 직선 왕복 운동이 회동수단을 통해 회전 운동으로 바뀌면서 차폭방향 지지수단의 내단부가 상하 승강하면서 롤 센터의 높이 조절하게 되며, 차폭방향 지지수단의 내단부가 승강시 호형운동으로 휠 캐리어의 하측부분을 내,외측으로 당기거나 밀게 됨으로써, 캠버 및 트레드 제어가 가능해지는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에서와 같이, 엔진룸의 후측에 차폭 방향으로 배치되는 서브 프레임(2)의 중앙부에는 유압에 의하여 신축 작용이 이루어지는 구동수단인 액튜에이터(4)의 후단부가 각각 고정된다.

그리고 상기 액튜에이터(4)의 양 단부에는 회동수단인 벨 크랭크(6)의 수직부(8) 선단과 힌지 연결되며, 이 벨 크랭크(6)의 수평부(10)는 휠 캐리어(12)를 차체에 차폭 방향으로 연결하여 주는 차폭방향 지지수단인 로워 컨트롤 아암(14)의 차체측 전측 연결부(16)와 연결된다.

이에 따라 액튜에이터(4)의 신축 작동시 이 벨 크랭크(6)가 회전하면서 로워 컨트롤 아암(14)의 차체측단을 승강시킬 수 있게 된다.

상기에서 벨 크랭크(6)는 수직부(8)와 수평부(10)가 만나는 중앙부분이 서브 프레임(2)에 힌지 고정되며, 로워 컨트롤 아암(14)은 통상적인 A자형 아암으로 이루어져 1개의 휠측 연결부(18)와 2개의 차체측 연결부(20)(16)가 형성된다.

이에 따라 휠측 연결부(16)에는 도 2에서와 같이 휠 캐리어(12)의 하단부가 연결되며, 내측부의 2개의 연결부(20)(16) 중 후측 연결부(20)는 수직형 고무부시를 개재시켜 서브 프레임(2)에 연결되고, 전측 연결부(16)는 상기한바와 같이, 벨 크랭크(6)의 수평부(10) 선단과 수평형 고무부시를 이용하여 연결된다.

상기에서 연결부(16)(20)에 적용되는 수평, 수직형 부시라고 함은 부시의 축이 어떻게 배치되는가에 따라 분류한 것으로서, 수평형은 그 축방향이 수평의 상태로 배치된 것이고, 수직형은 그 축방향이 수직의 상태로 배치된 것을 의미한다.

그리고 상기 부시들은 적절한 강성과 유연성을 갖고, 노면으로부터 입력되는 진동이나 충격을 완화하여 조종성 및 안정성을 확보하도록 하는 것으로서, 이들 구조는 공지의 것인 바, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 휠 캐리어(12)는 도 2에서와 같이, 휠(22)을 회전 가능하게 지지하며, 그의 상단부는 완충수단인 스트러트 어셈블리(24)의 하단부와 연결되는데, 이의 스트러트 어셈블리(24)는 코일 스프링(26)과 쇽 업소오버(28)가 일체로 형성되어 그 상측단이 인슐레이터(30)를 개재시켜 차체에 현가 지지된다.

도면 중 미설명 부호 32은 조향을 위한 조향기구를 지칭하고, 34은 타이어를 지칭한다.

상기와 같은 본 발명의 현가장치에 적용되는 액튜에이터(4)는 도 3 에서 도시한바와 같이, 유압펌프(36)에서 공급되는 유압을 제어하는 방향 전환밸브(38)로부터 공급되는 유압의 방향에 따라 신축 동작이 이루어지게 된다.

상기에서 방향 전환밸브(38)는 컨트롤러(40)의 제어에 따라 동작이 이루어지게 되는데, 이의 컨트롤러(40)는 감지수단을 형성하는 차속센서(42), 조향각 센서(44), 횡가속도 센서(46)으로부터 입력되는 전기적인 신호를 기 압력되어진 테이터와 비교 분석하여 방향 전환밸브를 제어하게 된다.

물론, 상기에서 감지수단은 이에 한정되는 것은 아니고, 정교한 제어를 위하여는 기타 다른 센서로부터 정보를 얻을 수도 있으며, 상기에서 유압펌프(36)는 엔진의 시동시 항시 회전하면서 유압을 발생시켜 공급하게 되지만, 이외에 전기적인 모터를 사용할 수 도 있다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 의하면, 노면으로부터 입력되는 충격은 기존의 현가장치와 마찬가지로 고무부시와 완충수단을 형성하는 스트러트 어셈블리(24)에 흡수되어진다.

이러한 기능을 수행하는 과정에서 차량의 주행조건이 감지센서들로부터 롤 센터를 하강시켜야 한다는 조건이 입력되면, 컨트롤러(40)에서는 액튜에이터(4)가 신장될 수 있도록 유압의 방향을 제어하게 된다.

그러면 도 2에서와 같이 액튜에이터(4)가 신장되면서 벨 크랭크(6)를 시계방향으로 회전시킴으로써, 로워 컨트롤 아암(14)의 차체측단을 하강시켜 롤 센터를 낮추게 된다.

그리고 상기와는 반대로 차량의 주행조건이 감지센서들로부터 롤 센터를 상승시켜야 한다는 조건이 입력되면, 컨트롤러(40)에서는 액튜에이터(4)가 수축될 수 있도록 유압의 방향을 제어하게 된다.

그러면 도 4에서와 같이 액튜에이터(4)가 수축되면서 벨 크랭크(6)를 반시계방향으로 회전시킴으로써, 로워 컨트롤 아암(14)의 차체측단을 상승시켜 롤 센터를 높이게 된다.

상기와 같은 롤 센터의 높이 변화를 살펴보면, 도 5에서와 같이, 정상적인 상태에서 차체에 대한 휠(22)의 순간중심은 스트러트 어셈블리(24)의 상측 연결부에서 이에 직교하는 방향으로 형성되는 가상의 선과, 로워 컨트롤 아암(14)의 양 연결부(16)(18)를 연결하는 선의 교점(C1)이 된다.

이에 따라 상기 순간중심(C1)과, 휠(22)의 접지부와의 연결선과 차체의 센터라인(CL)의 교점이 롤 센터(RC1)가 되며, 따라서 롤 센터의 높이 H1이 된다.

따라서 차량은 롤 센터의 조절이 이루어지지 않는 한 상기의 롤 센터(RC1)를 기준으로 롤링이 이루어지게 된다.

그리고 상기의 상태에서 로워 컨트롤 아암(14)의 내단부를 하강시키는 경우에는 상기 스트러트 어셈블리(24)의 상부 연결부에서 직교하는 가상의 선과, 하강된 상기 로워 컨트롤 아암(14)의 양 연결부(16)(18)를 연결하는 선과의 교점이 순간중심(C2)이 되며, 이의 순간중심과(C2)과, 휠(22)의 접지부와의 연결선과 차체의 센터라인(CL)의 교점이 롤 센터(RC2)가 되며, 따라서 롤 센터의 높이 H2가 된다.

따라서 차량은 상기의 롤 센터(RC2)를 기준으로 롤링 이루어지게 된다.

또한, 상기와는 반대로 로워 컨트롤 아암(14)의 내단부를 상승시키는 경우에는 상기 스트러트 어셈블리(24)의 상부 연결부에서 직교하는 가상의 선과, 상승된 상기 로워 컨트롤 아암(14)의 양 연결부(16)(18)를 연결하는 선과의 교점이 순간중심(C3)이 되며, 이의 순간중심과(C3)과, 휠(22)의 접지부와의 연결선과 차체의 센터라인(CL)의 교점이 롤 센터(RC3)가 되며, 따라서 롤 센터의 높이 H3가 된다.

따라서 차량은 상기의 롤 센터(RC3)를 기준으로 롤링 이루어지게 된다.

이와 같이 본 발명은 도로의 조건 또는 차체의 상태의 상태에서 따라 롤 센터의 높이를 조절하면서 차체에 롤 발생을 최소화할 수 있게 되는 것이다.

도 6은 캠버의 변화를 보인 도면으로써, 먼저 로워 컨트롤 아암(14)의 내단부를 하강시키는 경우에는 벨 크랭크(6)의 수평부(10)가 하강하면서 로워 컨트롤 아암(14)의 하단부를 하강시킴과 동시에 일점쇄선과 같이 외측으로 밀게 되는 바, 휠(22)은 부(-)의 캠버로 변화됨과 동시에 트레드가 증가된다.

그리고 로워 컨트롤 아암(14)의 내단부를 상승시키는 경우에는 벨 크랭크(6)의 수평부(10)가 상승하면서 로워 컨트롤 아암(14)의 하단부를 상승시킴과 동시에 이점쇄선과 같이 내측으로 당기게 되는 바, 휠(22)은 정(+)의 캠버로 변화됨과 동시에 트레드가 감소된다.

또한, 상기와 같은 현가장치에 의하면, 액튜에이터(4)가 수평의 상태로 배치되고, 벨 크랭크(6)를 개재시켜 로워 컨트롤 아암(14)아암과 연결이 이루어지게 되는 바, 액튜에이터의 작동각 θ가 90°정도가 됨으로써, 이의 작동각을 기계적인 에너지를 구하는 식에 대입하여 볼 때 W=F⋅S=|F||S|Cosθ 에 대입시켜 볼 때 에너지 소비율은 최소의 상태가 된다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 운전 조건에 따라 롤 센터의 높이와 캠버 및 트레드 등이 현 주행 상태에서의 최적의 지오메트리 상태를 얻을 수 있도록 변화됨으로써, 선회 및 직진 운행시 안정성을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 에너지 소비량을 최소화 할 수 있는 바, 유압 시스템을 경량화하고 제조비용을 절감할 수 있으며, 효율적인 제어로 인한 고성능 구현이 용이한 발명인 것이다.

Claims (5)

1. 유압 동력원에 의하여 신축동작이 이루어지는 구동수단과;

   상기 구동수단의 직선 왕복 운동을 전달받아 회전 운동으로 변환하는 회동수단과;

   상기 회동수단에 의하여 내단부가 호형 궤적을 따라 승강하는 휠 캐리어의 차폭 방향 지지수단과;

   거의 수직의 상태에서 상기 휠 캐리어의 상단부를 차체에 연결함과 동시에 노면으로부터 입력되는 충격을 완화 감쇠시키는 완충수단과;

   를 포함하여 이루어지는 자동차의 전륜 현가장치.
2. 청구항 1에 있어서, 구동수단인 액튜에이터는 유압에 의하여 신축 동작을 이룰 수 있는 유압 실린더로 이루어짐을 특징으로 하는 자동차의 전륜 현가장치.
3. 청구항 1에 있어서, 회동수단은 상기 액튜에이터의 직선 왕복운동을 회전 운동으로 변환시켜 주는 벨 크랭크로 이루어지는 자동차의 전륜 현가장치.
4. 청구항 1에 있어서, 차폭방향 지지수단은 A 형 로워 컨트롤 아암으로 형성하되, 휠측 연결부에는 휠 캐리어의 하단부와 연결되고, 내측부의 2개의 연결부 중 후측 연결부는 수직형 고무부시를 개재시켜 서브 프레임에 연결되며, 전측 연결부는 벨 크랭크의 수평부 선단과 수평형 고무부시를 이용하여 연결됨을 특징으로 하는 자동차의 전륜 현가장치.
5. 수평방향으로 배치되어 유압 동력원에 의하여 신축동작이 이루어지는 액튜에이터와;

   상기 액튜에이터의 직선 왕복 운동을 전달받아 회전 운동으로 변환하는 벨 크랭크와;

   상기 벨 크랭크에 의하여 내단부가 호형 궤적을 따라 승강하는 휠 캐리어의 로워 컨트롤 아암과;

   거의 수직의 상태에서 상기 휠 캐리어의 상단부를 차체에 연결함과 동시에 노면으로부터 입력되는 충격을 완화 감쇠시키는 스트러트 어셈블리와;

   를 포함하여 이루어지는 자동차의 전륜 현가장치.

Images