KR100696934B1 - 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버 - Google Patents

Abstract

본 발명은 너트 앤 스크류(nut & ball screw)를 이용하여 피스톤 측의 습동저항에 따른 마찰력을 감쇠력으로 변환시킬 수 있고, 상대적으로 작은량의 자기유변유체를 이용하며, 피스톤 로드의 직선왕복운동 속도를 제어할 수 있는 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 본 발명의 목적은 자기장(n)의 인가에 의해 응력변화를 갖는 자기유변유체에서 회전판(22)이 회전되므로써 감쇠력이 발생되도록 회전식 밸브부(20)를 구비한 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버에 있어서, 스크류축(11)에 축결합되어 회전하는 회전축(21)과, 상기 회전축(21)에 고정된 회전판(22)과, 분해 조립 가능한 중공형 밸브케이싱(24)의 내부 공간에서, 유체가이드(25)에 안착된 전자석 코일디스크(23a, 23b)를 포함하는 회전식 밸브부(20)와, 상기 회전축(21)에 축결합되는 스크류축(11)과, 상기 스크류축(11)의 나사대우인 볼너트(12)에 의해서 상기 피스톤 로드(17)의 직선왕복운동을 회전운동으로 변환시키는 나사대우부(10)와, 상기 회전식 밸브부(20)의 상부에 상기 회전축(21)의 회전 속도를 감지하는 속도센서(45)가 장착되어 있고, 상기 속도센서(45)에 의해서 상기 밸브부(20)의 전자석 코일디스크(23a, 23b)에 전류 공급을 제어하는 속도감지부(40)를 포함하되, 상기 유체 가이드(25)는 상기 벨브케이싱(24)과 회전판(22) 사이의 공극에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버에 의해 달성된다.

Description

자기유변유체를 이용한 쇼크업소버{Shock absorber using magnetorheological fluid}

도 1의 (a)와 (b)는 일반적인 자기유변유체의 특성을 설명하기 위한 간략도,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버의 구성을 설명하기 위한 단면도,

도 3은 도 2에 도시된 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버의 중요부위를 설명하기 위한 블럭도,

도 4는 도 2에 도시된 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버의 결합관계를 설명하기 위한 분해사시도,

도 5는 도 2에 도시된 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버의 작동관계를 설명하기 위한 단면도.

♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣

10 : 나사대우부 11 : 스크류축

12 : 볼너트 17 : 피스톤 로드

20 : 회전식 밸브부 21 : 회전축

22 : 회전판 23a, 23b : 전자석 코일디스크

27 : 밸브블럭 32, 33 : 스러스트 베어링

40 : 속도감지부 45 : 속도센서

본 발명은 자기유변유체(magnetorheological fluid)를 쇼크업소버에 관한 것이며, 특히, 자기장내에서 항복 응력을 갖는 자기유변유체의 특성을 이용하여 자동차의 현가장치에 사용되며, 피스톤축의 직선왕복운동 속도를 제어할 수 있는 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버에 관한 것이다.

일반적으로 기계장치에는 에너지 발산을 위해 쇼크업소버(shock absorber)를 사용한다. 이런 쇼크업소버는 자동차의 현가 장치 및 엔진 마운트와 같은 선형 운동을 하는 시스템에 사용되는 선형 쇼크업소버와, 회전운동을 하는 기계 장치에 사용하는 회전 쇼크업소버 등이 있다.

또한, 쇼크업소버는 외부 입력에 관계없이 초기에 설정된 일정한 감쇠력만을 발생시키는 수동 쇼크업소버(passive shock absorber)와, 외부 입력의 변화에 따라 시스템의 감쇠력을 변화시킬 수 있는 반능동 쇼크업소버(semi-active shock absorber) 및, 외부 입력에 대해 반작용력을 발생시켜 진동을 감소시키는 능동 쇼크업소버(active shock absorber)등이 있다.

이들 중에서, 성능 대 에너지 소비면을 고려하여, 근래에는 능동 쇼크업소버 에 비해 성능은 떨어지지만, 적은 에너지로 수동 쇼크업소버보다 상당히 향상된 성능을 반능동 쇼크업소버의 연구와 노력이 진행 중이다.

따라서, 반능동 쇼크업소버 또는 감쇠기(damper)에 대한 연구는 이미 상당 수준 이루어져 있으며, 이러한 장치를 개발, 적용하기 위해서 지능형 재료(smart material)중 가제어성 유체인 자기유변유체가 이용된다.

여기에서, 자기유변유체는 미소의 상자성 입자를 포함하는 비콜로이드 용액으로, 자기장을 인가하지 않을 경우상온에서 0.20Pa-sec ∼ 0.30Pa-sec의 점성을 가지고 150㎄/m ∼ 250㎄/m(2kOe ∼ 3kOe)의 자기장이 가해지면 50㎪ ∼ 100㎪의 높은 항복 응력을 갖는다. 또한, 자기유변유체는 빠른 응답시간으로 자기 포화(magnetic saturation)에 의해 최대 항복 응력이 제한되며, 또한 -40℃ ∼ 150℃의 작동 범위와 유입되는 불순물에 대해서 상당히 둔감한 특성을 갖는다.

이런 특성을 갖는 자기유변유체는 자기장이 가해질 경우에 유체에 포함된 입자가 체인을 형성하게 되어 유체의 전단 항복 응력이 변화하게 된다. 따라서, 자기장 비인가 시에 뉴토니안 유체(newtonian fluid)의 거동을 나타내지만, 자기장 인가시에는 유체 중에 분산된 입자가 체인을 형성하게 되어 전단 변형률이 발생하지 않은 상태에서도 항복 응력을 가지며, 각속도의 증가에 따라서 소산되는 토크가 증가하는 빙햄 유체(bingham fluid)의 거동을 나타낸다. 즉, 자기유변유체는 자기장 비인가시 액체 상태이던 것이 자기장 인가시 젤 상태로 변하게 된다.

종래기술에 따른 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버의 작동 원리를 설명하기 위해 도 1의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 자기장을 발생시킬 수 있는 자기극(1, 2)과, 상기 자기극(1, 2)의 사이에 상자성의 비콜로이드입자들로 이루어진 자기유변유체(3)가 배치되어 있다.

이런 자기유변유체(3)는 자기장이 인가된 각각의 자기극(1', 2')의 사이에서 자기장의 유동 방향(c)으로 체인을 형성하며, 젤 상태의 빙햄유체(3')로 변하게 된다. 따라서 이렇게 점성이 변한 빙햄유체(3')는 항복 응력이 증가하게 된다.

그러나, 종래 기술에 따른 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버는 자기장을 인가한 공극 사이에서 자기유변유체에 저항을 발생시키므로써, 다량의 자기유변유체가 필요하고 피스톤 측의 습동저항에 의한 마찰력을 증가시키는 단점이 있다.

따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 본 발명의 목적은 너트 앤 스크류(nut & ball screw)를 이용하여 피스톤 측의 습동저항에 따른 마찰력을 감쇠력으로 변환시킬 수 있고, 상대적으로 작은량의 자기유변유체를 이용하며, 피스톤 로드의 직선왕복운동 속도를 제어할 수 있는 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 본 발명의 목적은 자기장의 인가에 의해 응력변화를 갖는 자기유변유체에서 회전판이 회전되므로써 감쇠력이 발생되도록 회전식 밸브부를 구비한 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버에 있어서, 스크류축에 축결합되어 회전하는 회전축과, 상기 회전축에 고정된 회전판과, 분해 조립 가능한 중공형 밸브케이싱의 내부 공간에서, 유체가이드에 안착된 전자석 코일디스크를 포함하는 회전식 밸브부와, 상기 회전축에 축결합되는 스크류축과, 상기 스크류축의 나사대우인 볼너트에 의해서 상기 피스톤 로드의 직선왕복운동을 회전운동으로 변환시키는 나사대우부와, 상기 회전식 밸브부의 상부에 상기 회전축의 회전 속도를 감지하는 속도센서가 장착되어 있고, 상기 속도센서에 의해서 상기 밸브부의 전자석 코일디스크에 전류 공급을 제어하는 속도감지부를 포함하되, 상기 유체 가이드는 상기 벨브케이싱과 회전판 사이의 공극에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 쇼크업소에 의해 달성된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 회전축은 중공형 밸브블럭의 내부와 외부에서 스러스트 베어링들에 의해 회전할 수 있게 결합되며, 와셔와 고정너트에 의해 축방향으로 이탈하지 않게 결합되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 회전축은 스크류축과 동시에 회전할 수 있게 고정핀으로 축결합되어 있는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버의 구성을 설명하기 위한 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버의 중요부위를 설명하기 위한 블록도이고, 도 4는 도 2에 도시된 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버의 결합관계를 설명하기 위한 분해사시도이며, 도 5는 도 2에 도시된 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버의 작동관계를 설명하기 위한 단면도이다.

도 2에 보이듯이, 본 발명의 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버는 본체부(30)의 내부에 나사대우부(10)와 회전식 밸브부(20) 및 속도감지부(40)를 갖는다.

먼저, 나사대우부(10)는 스크류축(11)에 나사대우식으로 결합된 볼너트(12)와, 스크류축(11)을 축심에 삽입한 피스톤 로드(17) 및, 어댑터(14)를 구비하고 있다. 이런 나사대우부(10)는 피스톤 로드(17)에 축결합된 볼너트(12)와 어댑터(14)의 이동시, 스크류축(11)을 회전시키도록 구성되어 있다.

또한, 회전식 밸브부(20)는 스크류축(11)과 축결합되어 회전하는 회전축(21)과, 회전판(22) 및, 분해 조립 가능한 중공형 밸브케이싱(24)의 내부 공간에서, 유체가이드(25)에 안착된 전자석 코일디스크(23a, 23b)를 구비하고 있다.

이런 회전식 밸브부(20)에서 유체가이드(25)는 밸브케이싱(24)과 회전판(22)의 사이 공극에 배치되어서, 전자석 코일디스크(23a, 23b)를 안착시키기 위한 코일 보빈과 같은 역할을 한다. 이런 회전식 밸브부(20)는 상대적으로 작은 양의 자기유변유체를 내부에 채우고 있다.

그러한 회전식 밸브부(20)는 전자석 코일디스크(23a, 23b)의 자기장을 자기유변유체에 인가시키고, 이런 자기유변유체의 내부에서 회전판(22)이 회전할 경우, 전단 항복 응력에 대응한 감쇠력을 발생시킨다.

또한, 속도감지부(40)는 일반적인 속도센서를 구비하고, 회전축(21)의 회전수를 감지하여 피스톤 로드(17)의 이동속도를 계산하고, 전자석 코일디스크(23a, 23b)에 공급되는 전류의 크기를 제어하므로써, 회전식 밸브부(20)의 전단 항복 응력을 증가 또는 감소시킬 수 있도록 구성되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 이런 속도감지부는 속도센서에 전기적으로 접속된 신호처리부(43)와, 신호처리부(43)에서 변환된 제어신호에 따라 상기 회전식 밸브부의 전자석 코일디스크(23a, 23b)에 공급되는 전원(42)을 제어하는 통상적인 전류 제어회로(41)로 구성되어 있다.

아래에서, 앞서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명의 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버의 결합관계에 대해서 설명하겠다.

도 4에 도시된 바와 같이, 피스톤 로드(17)는 외부튜브(36)의 내부 축심에 배치된다. 이런 피스톤 로드(17)는 외부튜브(36)와 하부고정단(37)과 부시(18) 및 하부지지단(19)들과 축방향으로 삽입된다.

또한, 스크류축(11)은 피스톤 로드(17)의 장착구멍(13)에 축심방향으로 삽입되고, 비접촉하게 배치된다.

이런 스크류축(11)을 삽입한 이런 피스톤 로드(17)의 일 측단은 어댑터(14)의 고정구멍(15)에 억지끼움식으로 고정된다.

그리고, 어댑터(14)는 볼트에 의해서 볼너트(12)와 고정된다. 이때, 스크류축(11)은 어댑터(14)를 관통하여 볼너트(12)의 축심에 나사대우식으로 결합된다.

이렇게 나사대우식으로 결합된 피스톤 로드(17)와 어댑터(14) 및 볼너트(12)는 압축 또는 인장력에 의해서 축방향으로 직선왕복이동하고, 나사대우식으로 결합된 스크류축(11)을 회전시키므로써, 기계적 습동저항에 따른 감쇠력을 발생시킨다.

또한, 스크류축(11)은 회전축(21)을 회전시킬 수 있게 고정핀(28)으로 축결합되어 있다.

이런 회전축(21)의 상단부에는 회전수 측정용 반사구(44)가 형성되며, 고정너트(35)에 의해 결합될 수 있게 나사산이 형성되어 있다. 또한, 회전축(21)의 중앙에는 회전판(22)을 장착할 수 있게 원형턱이 형성되어 있다.

이런 회전축(21)은 내부하우징(26)과 밸브커버(29)와 밸브어댑터(36)와 유체가이드(25)를 차례로 관통하여 회전판(22)에 결합된다. 그리고, 이 결합된 부위는 밸브케이싱(24)에 안착된다.

여기에서, 전자석 코일디스크(23a, 23b)는 유체가이드(25)에 안착되어 있고, 밸브케이싱(24)은 밸브블럭(27)에 체결되어 있다. 그리고, 회전축(21)은 중공형 밸브블럭(27) 일측의 내부와 외부에서 스러스트 베어링(32, 33)들에 의해 회전할 수 있게 결합되며, 와셔(34)와 고정너트(35)에 의해 축방향으로 이탈하지 않게 결합된다. 또한, 밸브블럭(27)은 중공형 밸브하우징(31)의 내부에 안착된다.

여기에서, 자기유변유체는 밸브블럭(27)의 주입통로(27a)와 같이, 밸브하우징(31)과 밸브케이싱(24)을 축방향으로 관통하여 서로 일치하는 주입통로를 통하여 밸브케이싱(24)의 내부로 유입된다.

또한, 전자석 코일디스크(23a, 23b)의 인출선(도시 안됨)은 밸브하우징(31)과 밸브블럭(27) 및 밸브케이싱(24)을 지름방향으로 관통하는 인출선 구멍을 통하여 외부의 제어회로에 전기적으로 접속되어 있다.

또한, 차량의 쇼크업소버가 장착되는 아이 하우징(39 ; eye housing)의 내부에는 속도센서(45)가 장착되어 있다. 이런 속도센서(45)는 회전축(21)의 상단부에 형성된 회전수 측정용 반사구(44)에 의해서 회전축(21)의 회전수를 측정할 수 있도록 되어 있다. 이런 속도센서(45)의 전출선은 상술한 바와 같은 신호처리부와 전기적으로 접속되어 있다.

아래에서 앞서 상술한 바와 같은 본 발명의 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버의 작동방법에 대해서 설명하겠다.

먼저, 본 발명의 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버에 전기적으로 접속된 속도감지부의 전원을 온(ON)한다.

그런 경우, 도 3과 도 5에 도시된 바와 같이, 전류 제어회로(41)에 의해서 전원(42)의 전류가 전자석 코일디스크(23a, 23b)에 전달되고, 소정크기의 자기장(n)이 발생된다.

이때, 외부의 압축력이 축방향(d)으로 가해질 경우, 피스톤 로드(17)는 압축된다. 이런 피스톤 로드(17)와 결합된 어댑터(14) 및 볼너트(12)는 스크류축(11)을 따라 직선이동한다. 이때, 볼너트(12)의 나사골에 채워진 볼(16)들의 순환에 의해서, 스크류축(11)이 회전된다. 이렇게 회전하는 스크류축(11)은 볼너트(12)에 의해서 습동저항을 만들고, 이로 인하여 감쇠력을 발생한다.

또한, 회전하는 스크류축(11)은 회전축(21) 및 회전판(22)과 함께 회전한다. 그리고, 회전판(22)은 소정크기의 자기장에 의해 변형된 전단 항복 응력을 갖는 자기유변유체에 의해서, 감쇠력을 발생시킨다.

이런 감쇠력들은 피스톤 로드(17)의 왕복이동속도와 충격을 저감시킨다.

이때, 속도센서(45)는 회전축(21)과 동일하게 회전하는 회전수 측정용 반사구(44)의 회전수를 감지한 신호를 신호처리부(43)에 전달한다. 그리고, 신호처리 부(43)는 회전축(21)의 속도를 계산하고, 계산된 값에 대응한 피스톤 로드(17)의 이동 속도를 산출한다. 또한, 신호처리부(43)는 피스톤 로드(17)의 이동 속도에 따른 감쇠력의 크기를 제어하는 제어신호를 전류 제어회로(41)에 전달한다. 전류 제어회로(41)는 제어신호에 대응한 전원(42)의 전류를 제1, 제2코일디스크(23a, 23b)에 공급하고, 변형된 크기의 자기장을 발생되도록 한다.

이렇게 변형된 크기의 자기장에 의해서 자기유변유체는 입자들간의 결합력이 변화되어서, 회전판(22)과의 전단 항복 응력을 증가 또는 감소시킨다.

따라서, 본 발명의 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버는 전자석 코일디스크(23a, 23b)에 공급되는 전류의 크기를 제어하므로써, 회전판(22)에 결합된 피스톤 로드(17)의 이동 속도를 제어할 수 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버는 너트 앤 스크류를 이용하여 피스톤 측의 습동저항에 따른 마찰력을 변환시켜 감쇠력을 얻을 수 있기 때문에, 안정적인 감쇠력을 발생시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버는 회전축의 회전속도에 따른 전류 제어에 의해서, 자기유변유체와 회전판간의 전단 항복 응력을 변형시킬 수 있기 때문에, 피스톤 로드의 이동 속도를 정밀하게 제어할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버는 너트 앤 스크류를 이 용하므로써, 적은량의 자기유변유체를 사용할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버는 직접적인 전단 항복 응력을 발생시키는 기존의 쇼크업소버에 비해서 상대적으로 큰 감쇠력을 발생시킬 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (3)

1. 자기장(n)의 인가에 의해 응력변화를 갖는 자기유변유체에서 회전판(22)이 회전되므로써 감쇠력이 발생되도록 회전식 밸브부(20)를 구비한 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버에 있어서,

   스크류축(11)에 축결합되어 회전하는 회전축(21)과, 상기 회전축(21)에 고정된 회전판(22)과, 분해 조립 가능한 중공형 밸브케이싱(24)의 내부 공간에서, 유체가이드(25)에 안착된 전자석 코일디스크(23a, 23b)를 포함하는 회전식 밸브부(20)와,

   상기 회전축(21)에 축결합되는 상기 스크류축(11)과, 상기 스크류축(11)의 나사대우인 볼너트(12)에 의해서 상기 피스톤 로드(17)의 직선왕복운동을 회전운동으로 변환시키는 나사대우부(10)와,

   상기 회전식 밸브부(20)의 상부에 상기 회전축(21)의 회전 속도를 감지하는 속도센서(45)가 장착되어 있고, 상기 속도센서(45)에 의해서 상기 밸브부(20)의 전자석 코일디스크(23a, 23b)에 전류 공급을 제어하는 속도감지부(40)를 포함하되,

   상기 유체 가이드(25)는 상기 벨브케이싱(24)과 회전판(22) 사이의 공극에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버.
2. 제1항에 있어서,

   상기 회전축(21)은 중공형 밸브블럭(27)의 내부와 외부에서 스러스트 베어링(32, 33)들에 의해 회전할 수 있게 결합되며, 와셔(34)와 고정너트(35)에 의해 축방향으로 이탈하지 않게 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버.
3. 제1항에 있어서,

   상기 회전축(21)은 스크류축(11)과 동시에 회전할 수 있게 고정핀(28)으로 축결합되어 있는 것을 특징으로 하는 자기유변유체를 이용한 쇼크업소버.

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