KR100660390B1 - 자기유체를 이용한 쇽 업소버 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 자기유체를 이용한 쇽 업소버는, 자성유체가 충진된 실린더의 내부에 피스톤을 내장시키고, 피스톤의 상면에는 실린더의 상면 중앙을 통해 유통되는 피스톤로드를 일체형으로 형성하여, 피스톤로드를 통하여 피스톤의 코일에 전원을 공급시키도록 하되, 상기 피스톤의 상면에 일체형으로 형성되는 피스톤로드를 영구자석과 절연체를 교호로 적층시켜 형성하고, 이들 영구자석과 절연체로 된 피스톤로드의 외측에 센서를 설치하여서 된 것으로서, 충격이나 진동에 의해 피스톤로드를 형성하는 영구자석층이 유통되는 정도를 센서에 의해 센싱하여 코일에 인가되는 전류량을 단속하여 자성유체의 점도를 변화시켜줌으로서 반발력을 가변시켜 줄 수 있고, 영구자석층이 유통되는 정도를 센서에 의해 센싱하여 코일에 인가되는 전류량을 조절하여 피스톤의 주변에 형성되는 자기장을 변화시켜 줌으로서 자성유체의 젤 상태를 변화시켜 불규칙하고 급속하게 입력되는 충격과 진동을 신속하고 원활하게 순응하면서 감쇄시킬 수 있다.

실린더. 피스톤. 피스톤로드. 영구자석. 절연체. 센서.

Description

자기유체를 이용한 쇽 업소버{A Shock Absorber}

도 1은 종래의 쇽 업소버의 구조를 보인 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 자기유체를 이용한 쇽 업소버의 구조를 보인 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1. 10: 쇽업소버 2. 11: 실린더 3. 12: 피스톤

4. 13: 코일 5. 14: 가이드레일 6. 16: 피스톤로드

7. 15: 자성유체 17: 영구자석 18: 절연체

19: 홀센서(Hall 센서)

본 발명은 충격이나 진동을 완화시켜 주도록 하는데 사용되어지는 쇽업소버(Shock Absorber)에 있어서, 가해지는 충격이나 진동의 크기에 따라 자성유체의 점도를 변화시켜 반발력을 가변시켜 주고 또한 상대적인 위치를 알 수 있는 주도록 된 자기유체를 이용한 쇽 업소버에 관한 것이다.

이를 좀 더 상세히 설명하면, 자성유체가 충진된 실린더의 내부에 피스톤을 내장시키고, 피스톤의 상면에는 실린더의 상면 중앙을 통해 유통되는 피스톤로드를 일체형으로 형성하여, 피스톤로드를 통하여 피스톤의 코일에 전원을 공급시키도록 하되, 상기 피스톤의 상면에 일체형으로 형성되는 피스톤로드는 영구자석과 절연체를 교호로 적층시켜 형성하고, 이들 영구자석과 절연체로 된 피스톤로드의 외측에 센서를 설치하여, 충격이나 진동에 의해 영구자석이 유통되는 정도와 상대적인 위치를 센서에 의해 센싱하여 코일에 가해지는 전원을 단속함으로서 자성유체의 점도를 변화시켜 반발력을 가변시켜 주고 차량의 자세를 제어할 수 있도록 된 자기유체를 이용한 쇽 업소버를 제공하려는 것이다.

통상적으로 쇽업소버(Shock Absorber)는 스프링과 함께 충격을 흡수하여 충격을 멈추게 하는 작용을 하게 되며, 특히 자동차에 있어서는 타이어에 가해지는 충격 및 진동(고유진동)을 흡수하여 차체에 전달되는 것을 환화시켜 주는 충격완화장치로서 자동차의 안전성과 승차감을 크게 향상시켜 주게 된다.

쇽업소버(Shock Absorber)는 외부에서 입력되는 충격력(압력)과는 무관하게 초기에 설정된 감쇄력만을 발생시키는 수동 쇽업소버(Passive Shock Absorber)를 비롯하여 외부에서 입력되는 충격력(압력)에 따라 감쇄력을 변화시키도록 하는 반능동 쇽업소버(Semi-Active Shock Absorber) 및 외부의 충격력(압력)에 대해 반작용하면서 충격을 감소키도록 하는 능동 쇽업소버(Active Shock Absorber)등이 알려져 있다.

근자에는 능동 쇽업소버에 비해 성능은 다소 떨어지지만 작은 에너지로 수동 쇽업소버보다는 성능이 향상되어지도록 된 반능동 쇽업소버에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는데, 자기유체(Magnetic Fluid:자기유변유체)를 지능형 재료(Smart Meterial)로 이용하도록 하는 쇽업소버에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있다.

특히, 상기 자기유체(자기유변유체)는 상자성 입자를 포함하는 비콜로이드용액으로서, 자기장이 인가되지 않으면 상온에서 0.20Pa-sec ~ 0.30Pa-sec의 점성을 갖고, 자기장(150KA/m ~ 250KA/m(2KOe ~ 3KOe))이 가해지면 50KPa ~ 100KPa의 높은 응력을 갖으며, 빠른 응답시간에 의해 자기포화(Magnectic Saturation)에 대한 최대 항복응력이 제한되며, 뿐만 아니라 작동온도범위(-40℃ ~ 150℃)가 대단히 넓고 불순물에 대해서는 상당히 둔감한 특성을 갖는 것으로 알려져 있다.

즉, 자기유체(자기유변유체)는 자기장이 가해질 경우에 유체에 함유된 입자가 체인을 형성하여 유체의 전단 항복능력이 변하게 되는데, 자기장이 인가되지 않은 상태에서는 액체상태인 뉴토니안 유체(Newtonian Fluid)의 상태를 나타내고, 자기장이 인가되면 유체중의 입자가 체인을 형성하여 항복응력을 가지면서 토크가 증가하는 젤 상태인 빙햄 유체(Bingham Fluid)의 상태로 변하는 것으로 알려져 있다.

상기와 같은 자기유체(Magnetic Fluid:자기유변유체)를 이용하는 종래의 쇽업소버로서는 도 1에 예시된 바와 같은 쇽업소버(1)가 알려져 있다.

이는 원통형으로 된 실린더(2)의 내부에는 코일(4)이 구비된 피스톤(3)이 원활하게 상하 이동할 수 있도록 내장되어 있고, 피스톤(3)의 외면에는 등 간격으로 유지되는 복수개의 가이드레일(5)이 수직으로 형성되어 있으며, 피스톤(3)의 상면에는 실린더(2)의 상측으로 삽입되어 노출되고 코일(4)에 전원을 공급할 수 있도록 전선이 중앙선상에 구비된 피스톤로드(6)가 일체형으로 형성되어 있으며, 실린더(2)의 내부에는 자성유체(7)가 충진되어 있다.

이는 노면에서 발생하는 자유진동에 의해 스프링(구체적으로 도시하지 아니함)이 압축될 때에는 급격히 압축되어지고, 스프링이 늘어날 때에는 피스톤로드(6)에 구비된 전선을 통하여 코일(4)에 전원이 인가되면서 자기유체(7)를 젤 상태로 변화시켜 저항력을 크게 하면서 서서히 작동되도록 함으로써 스프링의 상하 운동에너지를 열에너지로 변환시키는 감쇄기능을 수행하게 되며, 코일(4)에 인가되는 전류의 양을 조절하여 피스톤(3)의 주변에 형성되는 자기장을 변화시켜 줌으로서 자기유체(7)의 상태(젤)를 변화시켜 감쇄특성을 가변시킬 수 있게 된다.

그러나 이는 코일(4)에 인가되는 전류를 양을 조절하여 피스톤(3)의 주변에 형성되는 자기장을 변화시켜 주므로 자성유체(7)의 젤 상태를 변화시켜 감쇄시키도록 하고 있으나, 자동차가 고속으로 운행할 때에 타이어로부터 매우 불규칙하고 급속하게 입력되는 충격과 진동을 예측하여 감쇄시킬 수 없는 문제와 차량의 승차인원 및 화물의 적재에 따른 상대적인 차량의 자세를 판단할 수 없는 문제가 있다.
이와 같이 노면의 상태에 따라 매우 불규칙하고 급속하게 입력되려는 충격과 진동을 미리 예측하여 충격량을 흡수하도록 하고 차량의 자세를 판단하기 위해서는 고가의 장치(장비)를 별도로 설치하여야 하는 문제가 있고 , 별도로 설치되는 장치에 의해 예측되는 충격과 진동 상대적인 위치에 순응하여 쇽업소버(1)가 극히 짧은 시간에 응답(작동)할 수 있도록 설치해 주어야 하는 기술적인 문제가 발생하게 된다.

상기와 같은 문제를 다소나마 해소할 수 있도록 하기 위하여 제안된 것으로서는 국내 공개특허 공개번호 제10-2004-27137호 "현가장치용 자기 충전식 액티브쇽업소버"가 알려져 있다.

이는 원통형으로 되고 자성유체가 충진된 실린더의 내부에는 코일이 구비되고 외면에 가이드레일이 형성된 피스톤이 원활하게 상하 이동할 수 있도록 내장되어 있고, 피스톤의 상면에는 실린더의 상측으로 삽입되어 노출되고 코일에 전원을 공급할 수 있도록 전선이 중앙선상에 구비된 피스톤로드가 일체형으로 형성된 것에 있어서, 상기 실린더와 피스톤로드의 길이를 길게 형성하여 피스톤의 상측에서 실린더의 내면에는 인술레이터와 영구자석을 반복적으로 적층시키고, 그 내측 피스톤로드에는 인술레이터와 보조코일을 반복적으로 적층 형성하여서 된 것이다.
이는, 자동차가 운행하면서 발생하는 타이어와 차체(실린더와 피스톤로드)와의 사이에서 발생하는 상대적 운동에 의해 쇽업소버의 실린더의 내부에 형성된 보조코일과 영구자석과의 사이에서는 기전력이 발생하게 되고, 이 기전력의 방향과 크기를 제어부에서 감지하여 실린더와 피스톤로드의 상대운동을 감지하게 되고, 실린더와 피스톤로드의 상대운동에 따라 코일에서 자기에너지가 발생되어지도록 하여 충진된 자성유체의 점성을 변화시켜 감쇄력을 제어하게 된다.

그러나, 이는 피스톤의 상측에서 길이가 길게 형성된 실린더의 내면에는 인술레이터와 영구자석을 반복적으로 적층시키고 그 내측 피스톤로드에는 인술레이터와 보조코일을 반복적으로 적층시켜 자기에너지발생부를 형성하여서 된 것이나, 운행하는 자동차의 충격과 진동(실린더와 피스톤로드와의 상대적운동)에 의해 발생되는 영구자석과 보조코일과의 기전력의 방향과 크기를 용이하게 센싱(체크)할 수 없는 문제가 있고, 실린더의 길이가 길고 코일은 실린더의 내부 하측에 위치하게 되므로 코일에서 발생되는 열기(자기에너지)가 보조코일과 영구자석으로 이루어지는 자기에너지발생부의 상측에 까지 미치지 못하여 실린더의 내부에 충진되어 있는 자기유체에서 상측에 위치하는 자기유체와 하측에 위치하는 자기유체의 점성이 서로 다르게 되어 피스톤이 충격과 진동(실린더와 피스톤로드와의 상대적운동)에 순응하면서 원활하게 작동하지 못하여 감쇄능력이 떨어지게 되는 문제가 있으며, 실린더의 내부에 설치되는 영구자석과 피스톤로드에 설치되는 보조코일의 위치가 정확하게 일치되지 않게 되면 피스톤이 작동되는 범위를 정확하게 설정할 수 없을 뿐만 아니라 자성유체의 점성도도 달라지게 되어 감쇄 기능이 떨어지게 되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해소할 수 있도록 더욱 개선된 자기유체를 이용한 쇽 업소버를 제공하려는 것이다.

본 발명은, 자성유체가 충진된 실린더의 내부에 피스톤을 내장시키고, 피스톤의 상면에는 실린더의 상면 중앙을 통해 유통되는 피스톤로드를 일체형으로 형성하여, 피스톤로드를 통하여 피스톤의 코일에 전원을 공급시키도록 하되, 상기 피스톤의 상면에 일체형으로 형성되는 피스톤로드를 영구자석과 절연체를 교호로 적층시켜 형성하고, 이들 영구자속과 절연체로 된 피스톤로드의 외측에 홀(Hall)센서를 설치하여서 된 자기유체를 이용한 쇽 업소버를 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 충격이나 진동에 의해 피스톤로드를 형성하는 영구자석층이 유통되는 정도를 센서에 의해 센싱하고 피스톤로드의 상대적인 위치를 센싱하여 코일에 가해지는 전원(인가되는 전류량)을 단속하여 자성유체의 점도를 변화시켜줌으로서 반발력을 가변시켜 주도록 된 자기유체를 이용한 쇽 업소버를 제공하려는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 영구자석층이 유통되는 정도를 센서에 의해 센싱하여 코일에 인가되는 전류량을 조절하여 피스톤의 주변에 형성되는 자기장을 변화시켜 줌으로서, 자성유체의 젤 상태를 변화시켜 불규칙하고 급속하게 입력되는 충격과 진동을 신속하고 원활하게 순응하면서 감쇄시킬 수 있도록 된 자기유체를 이용한 쇽 업소버를 제공하려는데 있다.

본 발명의 상기 및 기타 목적은,

원통형으로 되고 자성유체(15)가 충진되는 실린더(11)의 내부에 피스톤(12)을 상하 이동할 수 있도록 내장하되, 피스톤(12)에는 코일(13)을 구비하고 외면에는 복수 개의 가이드레일(14)을 수직으로 형성하며, 피스톤(12)의 상면에는 피스톤로드(16)를 일체형으로 형성하여 커버(11-1)의 중앙으로 삽입되어 상측으로 노출되도록 하고 피스톤(12)의 코일(13)에 전원을 공급할 수 있도록 전선을 중앙선상으로 설치하여서 된 것에 있어서;

상기 피스톤(12)의 상면 중앙에 형성되는 피스톤로드(16)를 영구자석(17)과 절연체(18)를 교대로 적층시켜 형성한 것과;

커버(11-1)에는 절연체(18)와 교대로 적층되는 영구자석(17)을 센싱할 수 있도록 센서(19)를 설치한 것;이 포함되는 것을 특징으로 하는 쇽업소버(10)에 의해 달성된다.

본 발명의 상기 및 기타 목적과 특징은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명에 의해 더욱 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

첨부도면 도 2 내지 도 3b는 본 발명에 따른 쇽업소버(10)의 구체적인 실현 예를 보인 것으로서, 도 2는 본 발명에 따른 쇽업소버(10)의 구조를 보인 단면도이고, 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 쇽업소버(10)에 설치되는 영구자석(17) 및 그 영구자석(17)과 절연체(18)의 결합상태를 보인 평면도 및 측면도이다.

본 발명에 따른 쇽업소버(10)는 다음과 같이 형성(구성)하였다.

실린더(11)를 원통형으로 형성하여 상측에 커버(11-1)를 밀폐되게 결합시키되 실린더(11)의 내부에는 자성유체(15)를 충진시키고 피스톤(12)을 상하 이동시킬 수 있도록 내장시키되, 피스톤(12)에는 코일(13)을 설치하였고, 외면에는 복수 개의 가이드레일(14)을 수직으로 형성하였다.

피스톤(12)의 상면에는 피스톤로드(16)를 일체형으로 형성하여 커버(11-1)의 중앙으로 삽입시켜 상측으로 노출되도록 하였고, 피스톤로드(16)의 중앙선상에는 피스톤(12)의 코일(13)에 전원을 공급할 수 있도록 전선을 설치하였다.

특히 상기 피스톤(12)의 상면 중앙에 형성되는 피스톤로드(16)는, 도 3a에 예시된바와 같이 N극(17-1)과 S극(17-2)으로 되는 영구자석(17)을 도 2 및 도 3b에 도시된 바와 같이 절연체(18)와 교대로 적층시키되, 상하로 인접하여 적층되는 영구자석(17)은 N극(17-1)과 S극(17-2)이 반복적으로 유지되도록 즉, 상부에 설치되는 영구자석(17)의 극성이 좌측이 N극(17-1) 우측이 S극(17-2)으로 배치되면, 그 하부에 위치되는 영구자석(17)은 좌측이 S극(17-2) 우측이 N극(17-1)으로 배치되고, 또 그 하부에 위치되는 영구자석(17)은 좌측이 N극(17-1) 우측이 S극(17-2)으로 배치된다.
따라서 상하로 복수 개가 적층 되는 영구자석(17)의 좌측 극성을 상부에서 하부로 나열해보면 N극(17-1) S극(17-2) N극(17-1)의 순서로 배치되고 우측 극성을 상부에서 하부로 나열해보면 S극(17-2) N극(17-1) S극(17-2)으로 배치되는 것이다.

실린더(11)의 상측에 밀폐되게 장착되는 커버(11-1)의 내부에는 절연체(18)와 교대로 적층되는 영구자석(17)을 센싱할 수 있도록 센서(19)를 설치하되, 영구자석(17)의 외면과 인접하도록 설치하여 용이하게 센싱할 수 있도록 하였다.
상기 센서(19)로는 홀(Hall)센서를 들 수 있으며, 센서(19)에서 센싱된 정보를 메인컨트롤부(구체적을 도시하지 아니함)에 제공하여 코일(13)에 공급되는 전원(전류)를 컨트롤하여 자성유체(15)의 점성도를 가변시키게 된다.

이하 본 발명에 따른 쇽업소버(10)의 작동관계를 설명한다.

자동차를 운행하게 되면 타이어와 차체와의 사이에는 상대적운동이 발생하게되고, 이와같이 상대적으로 발생하는 상대적운동에 의해 쇽업소버(10)의 실린더(11)에서 작동하는 피스톤(12)과 피스톤로드(16)는 동일한 운동을 실행하게 된다.

실린더(11)에서 피스톤(12)과 피스톤로드(16)가 작동하여 실린더(11)의 내측(하측)으로 이동하게되면 커버(11-1)에 매설된 센서(19)가 피스톤로드(16)를 형성하고 있는 영구자석(17)을 감지하게 되는데, 센서(19)는 영구자석(17)에서 발생되는 자력의 펄스파형을 센싱하여 메인컨트롤부(구체적을 도시하지 아니함)에 제공하게 되고, 메인컨트롤부에서는 입력되는 펄스파형의 듀티비와 상대적인 위치를 감지하게 된다.

메인컨트롤부가 센서(19)에서 입력되는 펄스파형을 감지하여 미리 설정된 프로그램에 의해 피스톤(12)을 형성하는 코일(13)에 전기(전류량)를 공급하게 되며, 코일(13)에 전류가 인가되면 코일(13)에서는 자기장이 발생하게 되고, 코일(13)에서 발생되는 자기장에 의해 자성유체(15)의 점성이 변화하게 되며, 자성유체(15)의 점성이 변하게 되면 피스톤(12)과 피스톤로드(16)가 작동되는 충격 즉, 감쇄력(반발력)을 제어할 수 있으며 또한 피스톤로드의 상대적인 위치를 알 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명에 따른 쇽업소버(10)는 자동차의 차량자세와 자동차 및 기타장비를 운행할 때에 발생되는 충격과 진동에 의해 실린더(11)에서 피스톤(12)이 작동하면서 충격을 감쇄시킬 때 피스톤로드(16)를 형성하는 영구자석(17)이 센서(19)에 센싱되는 정도에 따라 자성유체(15)의 점도가 유기적으로 변화되면서 반발력을 가변시켜 주게 되는 것이다.

상기와 같이 본 발명에 대하여 특정한 실시 예를 설명 및 도시하였지만, 본 발명은 기술사상범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있음은 당업자에 있어 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 본 발명의 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

본 발명에 따른 자기유체를 이용한 쇽 업소버는, 자성유체가 충진된 실린더의 내부에 피스톤을 내장시키고, 피스톤의 상면에는 실린더의 상면 중앙을 통해 유통되는 피스톤로드를 일체형으로 형성하여, 피스톤로드를 통하여 피스톤의 코일에 전원을 공급시키도록 하되, 상기 피스톤의 상면에 일체형으로 형성되는 피스톤로드를 영구자석과 절연체를 교호로 적층시켜 형성하고, 이들 영구자속과 절연체로 된 피스톤로드의 외측에 센서를 설치하여서 된 것으로서, 충격이나 진동에 의해 피스톤로드를 형성하는 영구자석층이 유통되는 정도를 센서에 의해 센싱하여 코일에 인가되는 전류량을 단속하여 자성유체의 점도를 변화시켜 줌으로써 반발력을 가변시켜 줄 수 있고, 영구자석층이 유통되는 정도를 센서에 의해 센싱하여 코일에 인가되는 전류량을 조절하여 피스톤의 주변에 형성되는 자기장을 변화시켜 줌으로써 자성유체의 젤 상태를 변화시켜 불규칙하고 급속하게 입력되는 충격과 진동을 신속하고 원활하게 순응하면서 감쇄시킬 수 있으며, 영구자석과 센서에 의해 승차인원과 화물의 적재에 따른 차량의 자세를 판단할 수 있는 것이다.

Claims (3)

1. 원통형으로 되고 자성유체(15)가 충진되는 실린더(11)의 내부에는 피스톤(12)을 상하 이동할 수 있도록 내장하되, 피스톤(12)에는 코일(13)을 구비하고 외면에는 복수 개의 가이드레일(14)을 수직으로 형성하며, 피스톤(12)의 상면에는 피스톤로드(16)를 일체형으로 형성하여 커버(11-1)의 중앙으로 삽입되어 상측으로 노출되도록 하고 피스톤(12)의 코일(13)에 전원을 공급할 수 있도록 전선을 중앙선상으로 설치한 것에 있어서;

   상기 피스톤(12)의 상면 중앙에 형성되는 피스톤로드(16)는 영구자석(17)과 절연체(18)를 교대로 적층시켜 형성한 것과;

   커버(11-1)의 내부에는 절연체(18)와 교대로 적층되는 영구자석(17)을 센싱할 수 있도록 센서(19)를 설치한 것;이 포함되는 것을 특징으로 하는 자기유체를 이용한 쇽 업소버.
2. 청구항 1에 있어서, 피스톤(12)의 상면 중앙에 절연체(18)와 교대로 설치되는 영구자석(17)은;

   N극(17-1)과 S극(17-2)이 상호 반복적으로 형성되도록 극성을 반대로 하여 적층시킨 것;을 특징으로 하는 자기유체를 이용한 쇽 업소버.
3. 청구항 1에 있어서, 커버(11-1)의 내부에 설치되어 영구자석(17)을 센싱하는 센서(19)는;

   홀(Hall)센서인 것;을 특징으로 하는 자기유체를 이용한 쇽 업소버.

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