KR100831168B1

KR100831168B1 - 댐핑 보조구가 장착된 자기유동성 댐퍼

Info

Publication number: KR100831168B1
Application number: KR1020060095394A
Authority: KR
Inventors: 김태식; 홍금식; 홍경태; 허창도
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-05-21
Also published as: KR20070056930A

Abstract

본 발명은 댐핑 보조구가 장착된 자기유동성 댐퍼에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로드가 축설된 피스톤밸브 어셈블리의 상부면에 댐핑 보조구가 형성됨으로써 차량의 운행 중 내적인 결함이나 외적인 원인에 의해 반능동 현가시스템의 자기유동성 댐퍼에 전류공급이 차단되는 경우에도 댐핑력의 저하없이 안전하게 차량을 운행할 수 있도록 한 댐핑 보조구가 장착된 자기유동성 댐퍼에 관한 것이다.

주오리피스공, 보조오리피스공, 로드, 피스톤밸브 어셈블리.

Description

댐핑 보조구가 장착된 자기유동성 댐퍼{A magneto-rheological damper with assisting device for damping}

도 1은 본 발명의 전류 미공급상태의 자기유동성 댐퍼의 내부 상세도

도 2는 본 발명의 전류 공급상태의 자기유동성 댐퍼의 내부 상세도

도 3은 본 발명의 댐핑 보조구가 장착된 자기유동성 댐퍼의 유체흐름도

도 4는 본 발명의 종래의 자기유동성 댐퍼의 내부 상세도

도 5는 본 발명의 종래의 자기유동성 댐퍼의 유체흐름 단면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

A : 댐퍼

100 : 로드 200 : 피스톤밸브 어셈블리

300 : 댐핑 보조구

1 : 보조오리피스공 2 : 주오리피스공

3 : 덮개판 4 : 전자석

5 : 스프링 6 : 자기유동성 유체

7 : 자기력 발생부

C-100 : (종래) 댐퍼

C-1 : 로드 C-2 : 피스톤밸브 어셈블리

C-3 : 자기력 발생부 C-4 : 주오리피스공

C-5 : 자기유동성 유체

일반적으로 차량용 현가시스템은 제어력의 발생 방법에 따라 수동 현가시스템, 능동 현가시스템 그리고 반능동 현가시스템으로 분류되어진다.

수동 현가시스템은 차체의 중량을 지지하기 위한 현가스프링과 일정한 크기 의 유로를 가진 감쇠기로 구성되는데 고정된 유로에서 얻어지는 일정한 크기의 감쇠특성은 다양한 노면입력에 따른 모든 주파수대역에서 승차감과 안정성을 개선시키기에는 불가능하다.

능동 현가시스템은 차체의 진동을 제어할 목적으로 별도의 구동기를 사용하므로 원하는 크기와 방향으로 제어력을 연속적으로 발생시켜 원하는 제어입력을 얻을 수 있으나 수동 현가시스템과 비교하여 부가적으로 추가해야 할 장치의 비용이 많이 소요되므로 비경제적이다.

그러나 반능동 현가시스템은 능동 현가시스템에 비해 시스템 구조가 간단하고 제어에 필요한 에너지 소모가 적으며, 수동 현가시스템에 비해 차체 공진점에서의 진동 절연이 큰 효과가 있다.

반능동 현가시스템을 구성하기 위해서는 댐핑계수를 변화시킬 수 있는 가변형 댐퍼가 필요하다.

가변형 댐퍼에 있어서, 현재까지 개발된 것으로는 이산감쇠력 가변형(Discrete Damping Control)댐퍼, 유압 무단계 가변 감쇄력 제어(CDC : Continuous Damping Control)댐퍼, 전기유동성(ER : Electro-rheological)댐퍼, 자기유동성 (MR : Magnetic-rheological)댐퍼 등이 있다.

스텝모터를 이용하여 오리피스의 크기를 변화시켜 댐핑계수를 바꾸는 이산감쇠력 가변형 댐퍼나 유압 솔레노이드 밸브를 이용한 유압 무단계 가변 감쇄력 제어댐퍼는 1~4 Hz정도의 외란에 대한 진동제어는 가능하나 더 높은 주파수에서는 적절한 성능을 발휘하지 못하는 것으로 알려져 있다.

이에 반해 전기유동성 유체나 자기유동성 유체를 이용한 댐퍼는 이 자기유동성 유체들의 빠른 항복변화 응답때문에 더 넓은 주파수의 진동영역에서도 충분하고 빠른 진동감쇠특성을 얻을 수 있으나 자기유동성 유체가 전기유동성 유체보다 동일한 전류량 공급시 20~50배 정도의 높은 강도를 가지고, 생산과정 중 생길 수 있는 불순물에 대한 성능저하의 영향과 침전현상이 비교적 적어 자기유동성 유체가 차량에 많이 사용하고 있는 추세이다.
여기서, 항복변화란 전단력에 의해 유체를 지탱하는 형상이 변화하는 것을 나타내는 것으로, 즉, 자기유동성 유체의 항복변화는 유체에 작용하는 자기장의 크기에 따라 항복전단력이 달라져 유체의 점도가 달라지는 것으로, 이와 관련하여 빠른 항복변화 응답이란 자기장에 의하여 유체의 점도가 빨리 변화하여 빠른 점도변화를 줄 수 있다는 의미이다.

이러한 자기유동성 유체가 적용되는 종래 댐퍼의 구성과 그 작동메커니즘을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 종래의 자기유동성 댐퍼의 내부 사시도이고, 도 5는 본 발명의 종래의 자기유동성 댐퍼의 유체흐름 단면도로서,

로드(C-1)의 종단부에는 원통형의 피스톤밸브 어셈블리(C-2)가 형성되고, 상기 피스톤밸브 어셈블리(C-2)의 중심부에는 전류의 공급을 받으면 자기력을 발생시키는 자기력 발생부(C-3)가 형성되어 있으며, 상기 피스톤밸브 어셈블리(C-2)의 상부 둘레면에는 일정너비의 주오리피스공(C-4)이 길이방향으로 관통형성되어 자기유동성 유체(C-5)가 드나드는 구성으로,

자기유동성 댐퍼(C-100)에 전류가 공급되면 피스톤밸브 어셈블리(C-2)의 중심부의 자기력 발생부(C-3)에는 자기력이 발생하게 되며 자기력을 받게 되는 자기유동성 유체(C-5)는 점도가 상승하게 된다.(표1, 표2 참조)
이에 따라 점도가 상승한 자기유동성 유체(C-5)는 주오리피스공(C-4)의 통과시, 자기력을 받지 않을 때보다 훨씬 큰 저항력을 발휘하게 되며 이에 따라 댐퍼(C-100)에 높은 댐핑력을 제공하게 되는 것이다.

아래에 기재된 표1과 표2을 분석하면 공급하는 전류량의 크기에 따라 자기유동성 유체(C-5)의 점도는 더욱 상승하고 이에 비례하여 주오리피스공(C-4)을 통과시 자기유동성 유체(C-5)의 저항력은 더욱 커지게 됨에 따라 댐핑력이 증가하는 것을 알 수 있으며, 이런 원리를 이용하여 전류량을 조절함으로서 댐퍼(C-100)의 댐핑력를 조절하게 되는 것이다.

표 1. 2암페어(A)의 전류량을 공급했을 때의 댐핑력

표 2. 3암페어(A)의 전류량을 공급했을 때의 댐핑력

표 3. 0암페어(A)의 전류량을 공급했을 때의 댐핑력

그러나, 차량의 주행 중에 차량의 외적인 원인이나 내적인 결함에 의해 댐퍼(C-100)에 전류를 공급하지 못하게 되는 경우에는 댐퍼(C-100)에는 전류의 미공급으로 자기장이 발생하지 않게 되고 주오리피스공(C-4)을 통과하는 유체는 점도의 상승없이 그대로 주오리피스공(C-4)을 통과하게 되므로 전류 공급시와 비교하여 유체의 저항력은 현저히 떨어지게 됨에 따라 댐핑력도 현저하게 감소하여(표3 참조) 댐퍼(C-100)에 안정적인 댐핑력을 제공할 수 없게 되므로 차량 안정성과 주행성이 극히 나빠지는 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로,

다수개의 보조오리피스공이 관통된 댐핑 보조구를 주오리피스공의 상부 둘레면에 형성하되, 전류가 공급될 경우에는 주오리피스공을 통하여 유체가 드나들게 되고 전류 공급이 차단될 경우에는 주오리피스공보다 단면적이 작은 보조오리피스공을 통하여 유체가 흐르게 하도록 하므로서 전류의 중단시에도 단면적의 축소로 인한 유체속도 향상으로 댐핑력의 저하를 방지하므로서 차량의 주행성과 안정성을 유지시키는 댐핑 보조구가 장착된 자기유동성 댐퍼를 제공하는 데 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적 달성을 위한 구성을 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 구성을 종래의 기술과 대비하여 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 전류 미공급상태의 자기유동성 댐퍼의 내부 사시도이고, 도 2는 본 발명의 전류 공급상태의 자기유동성 댐퍼의 내부 사시도이며, 도 3은 본 발명인 자기유동성 댐퍼의 유체흐름도로서,

본 발명의 개략적인 구성으로는 종래 댐퍼의 구성에 보조오리피스공(1)이 형성된 댐핑 보조구(300)가 추가되는 구성으로서, 보다 상세하게는

로드(100)가 축설되는 원통형의 피스톤밸브 어셈블리(200)의 상부면에는 보조오리피스공(1)이 다수 관통형성된 댐핑 보조구(300)가 전류의 공급여부에 따라 로드(100)를 축으로 회전하여 주오리피스공(2)의 개구단면을 개폐할 수 있도록 구성된 것으로 상기 댐핑 보조구(300)는 보조오리피스공(1)이 다수 형성된 두개의 대칭형성된 부채형의 덮개판(3)과 그 중심부의 전자석(4)과 스프링(5)으로 구성되는 것으로, 상기 스프링(5)의 일측은 로드(100)에 고정체결되고 타측은 전자석(4)에 고정체결되어 덮개판(3)이 자기력(전류가 공급될 경우 전자석(4)의 자기력과 피스톤밸브 어셈블리(200)의 중심부에 형성된 자기력의 충돌에 의한 힘)에 의해 회전을 하게 되면 스프링(5)도 함께 탄성있게 늘어나게 되고 자기력이 소멸되는 경우에는 스프링(5)의 탄성력에 의해 덮개판(3)은 원래 위치로 되돌아오는 구조로 되어 있다.

상기와 같은 본 발명의 구성에 대한 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 구성으로 댐퍼(A)에 전류가 공급될 때에는 피스톤밸브 어셈블리(200)의 상부면에 형성된 댐핑 보조구(300)가 회전함으로써 주오리피스공(2)이 개방되어 자기유동성 유체(6)는 주오리피스공(2)을 통하여 흐르게 되는데 이 때, 자기유동성 유체(6)는 자기력 발생부(7)의 자기력을 받게 되며 공급되는 전류량의 세기에 비례하여 점도가 높아지는 것을 이용하여 댐퍼(A)의 댐핑력을 조절하게 되는 것이다.
이를 보다 상세하게 설명하면, 피스톤밸브 어셈블리(200)의 중심부에 형성된 자기력 발생부(7)에 전류를 공급하게 되면 자기력이 발생하게 되며 상기 자기력은 댐핑 보조구(300)의 전자석(4)의 자기력과 충돌하게 되면서 덮개판(3)이 회전을 하게 되는 바, 이를 보다 상세하게 설명하면, 피스톤밸브 어셈블리(200)의 외주연에는 자기력선이 수회 감겨져 있으며 이에 전원을 공급하게 되면, 자기력 발생부(7)에는 자기력이 발생하게 되고, 자기력이 발생하는 피스톤밸브 어셈블리(200)는 자석화되어 상단은 자기력선이 감긴 방향에 따라 N극 혹은 S극으로 형성된다.
이러한 피스톤밸브 어셈블리(200)의 상측에 설치되는 댐핑보조구(300)의 중앙에 위치하는 전자석(4) 하단의 자성을 상기 피스톤밸브 어셈블리(200)의 상단 자성과 달리하여 설치하게 되면 피스톤밸브 어셈블리(200)의 상단과 전자석(4)의 하단 사이에는 척력이 발생하게 된다.
이와 같이 설치되는 피스톤밸브 어셈블리(200)는 회전하지 아니하고 상하로만 움직이도록 고정되어 있고, 댐핑보조구(300)는 로드(100)에 축설되어 상하로는 움직이지 아니하도록 고정되고 회전만 가능하게 설치됨으로써 피스톤밸브 어셈블리(200)의 상측에 설치된 댐핑보조구(300)가 한쪽 방향으로 회전하게끔 오프셋을 설정하게 되면 댐핑보조구(300)의 덮개판(3)은 한쪽 방향으로만 회전하게 되는 것이다.
여기서, 일측은 전자석(4)에 고정체결되고 타측은 로드(100)에 고정체결되는 스프링(5)은 덮개판(3)이 자기력에 의해 회전을 하게 되면 탄성있게 늘어나게 되는 것으로, 보다 상세하게 설명하면, 자기력 발생부(7)에 전원이 공급될 경우에는 댐핑보조구(300)의 덮개판(3)은 주오리피스공(2)이 형성되지 아니한 위치로 회전되어 있고, 전원이 차단된 경우에는 댐핑보조구(300)의 덮개판(3)은 주오리피스공(2)이 형성된 위치로 역회전을 하여 주오리피스공(2)을 보조오리피스공(1)이 형성된 덮개판(3)으로 덮게 되는데, 상기와 같은 회전은 피스톤밸브 어셈블리(200)와 댐핑보조구(300)의 중앙에 형성되어 있는 전자석(4)의 척력과 스프링(5)으로 이루어진 구성에 의해 가능한 것으로, 전원이 공급될 경우에는 상기와 같이 댐핑보조구(300)가 스프링(5)을 인장시킴과 동시에 회전을 하여 주오리피스공(2)이 형성되지 아니한 위치로 덮개판(3)을 회전시키게 되나, 전원이 차단되어 피스톤밸브 어셈블리(200)와 전자석(4) 사이에 척력이 작용하지 아니하면 스프링(5)의 탄성에 의해 댐핑보조구(300)는 회전하였던 방향의 반대로 역회전하여 보조오리피스공(1)이 형성된 덮개판(3)은 주오리피스공(2)을 덮게 되는 것이다.
이 때, 댐핑보조구(300)의 회전각도는 댐핑보조구(300)와 피스톤밸브 어셈블리(200)의 로드(100)에 체결된 스프링(5)의 최대인장길이에 따라 달라지게 되는데, 피스톤밸브 어셈블리(200)와 댐핑보조구(300)의 중앙에 형성된 전자석(4) 사이에 형성되는 척력과 설정된 오프셋으로 댐핑보조구(300)가 한쪽 방향으로 회전을 하게 되면서 스프링(5) 또한 인장되는 것으로, 상기 스프링(5)이 더 이상 인장되지 아니하게 되면 댐핑보조구(300)는 회전을 못하게 되어 스프링(5)이 인장된 채로 정지하게 된다.
이 때의 덮개판(3) 위치는 주오리피스공(2)이 형성되지 아니하는 부분에 위치하게 되며, 주오리피스공(2)을 통과하는 유체(6)는 자기력 발생부(7)의 자기장에 의한 점도변화로 댐핑력을 제공하게 되며 이 때의 댐핑력은 자기력 발생부(7)에 전달되는 전류의 세기에 따라 달라지게 되며, 자기력 발생부(7)에 전원이 차단될 때에는 상기와 같이 스프링(5)의 인장과 함께 주오리피스공(2)이 형성되지 아니한 부분으로 회전되어 있던 댐핑보조구(300)의 덮개판(3)은 피스톤밸브 어셈블리(200)와 전자석(4) 사이에 더 이상 작용하지 척력이 작용하지 아니하므로 스프링(5)의 탄성에 의해 다시 역방향으로 회전을 하게 되고, 이 때 보조오리피스공(1)이 형성된 덮개판(3)은 주오리피스공(2)을 덮게 되어 유체(6)는 보조오리피스공(1)을 통과하게 되는 것이다.

차량의 내적인 결함이나 외적인 원인으로 댐퍼(A)에 전류공급이 중단되면 피스톤밸브 어셈블리(200)의 중앙부에 형성된 자기력 발생부(7)에는 더 이상 자기력이 형성되지 않으므로 덮개판(3)은 스프링(5)의 탄성력에 의해 원래의 상태로 돌아가게 됨에 따라 보조오리피스공(1)이 다수 형성되어 있는 덮개판(3)은 주오리피스공(2)의 개구면을 차단하게 되며 이 때, 자기력을 받지 못해 점도가 낮아진 자기유동성 유체(6)는 보조오리피스공(1)을 통해서만 흐르게 되며, 보조오리피스공(1)을 통과하는 자기유동성 유체(6)의 점도는 자기력의 영향을 받을 때보다는 낮으나 자기유동성 유체(6)가 흐르는 단면적이 주오리피스공(2)의 단면적보다 훨씬 작으므로 단면적의 차이로 더욱 큰 저항을 발휘하게 되는 것으로 이를 아래의 식으로 설명하면,

여기서 F는 댐핑력이고 μ는 유체의 점도이며, A는 오리피스공의 단면적이고, V는 유체의 속도로서, 전류가 공급될 때에는 단면적과 유체 속도는 일정한 상태에서 유체의 점도가 상승하므로서 댐핑력이 증가하나, 전류가 공급되지 않을 경우에는 유체의 점도는 변화가 없으므로 유체의 점도는 일정하며 보조오리피스공(1)의 단면적은 주오리피스공(2)의 단면적에 비해 작아지나 보조오리피스공(1)을 통과하는 유체(6)는 더욱 더 큰 저항을 받게 되어 저항력은 댐핑력으로 전환되어 결과적으로 이 때의 댐핑력은 전류가 공급될 때의 댐핑력과 비교하여도 저하되지 않고 유지되는 것이다.
따라서, 자기력 발생부(7)에 전류가 공급되지 않을 때, 유체의 점도는 변화하지 아니하여 주오리피스공(2)을 통과할 경우 댐핑력이 전혀 발생되지 아니하게 되나, 본 발명에 의해 보조오리피스공(1)이 형성된 댐핑보조구(300)의 덮개판(3)이 주오리피스공(2)을 덮게 되면 유체는 주오리피스공(2)의 크기보다 작은 보조오리피스공(1)을 통해 흐르게 됨에 따라 저항을 크게 받게 되어 전원이 차단되더라도 상기와 같이 유체(6)가 보조오리피스공(1)을 통과시 발생하는 저항력으로 피스톤밸브 어셈블리(200)는 어느 정도의 댐핑력을 유지하게 되는 것이다.
즉, 덮개판(3)에 형성된 보조오리피스공(1)에 의한 저항력은 댐핑력으로 전환되어 전원이 차단되더라도 어느 정도의 댐핑력을 제공하게 되는 것이다.

상기와 같은 구성의 본 발명은 종래 댐퍼의 피스톤밸브 어셈블리의 일단면에 보조오리피스공이 관통형성된 댐핑 보조구를 추가구성하므로서 차량의 내적인 결함이나 외적인 원인으로 댐퍼에 전류공급이 차단되더라도 주오리피스공의 개구면적보다 작은 보조오리피스공을 통한 유체 속도 증대로 댐핑력의 저하를 방지하여 안전한 운행을 할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims

로드의 종단부에 원통형의 피스톤밸브 어셈블리가 형성되고, 상기 피스톤 밸브 어셈블리의 중심에는 전류의 공급에 의해 자기장을 발생시키는 자기장 발생부가 형성되어 있으며 그 상부 둘레면에는 자기유동성 유체가 드나드는 주오리피스공이 길이방향으로 관통형성되어 전류가 공급되면 자기력 발생부에는 자기력이 형성되고 주오리피스공을 드나드는 유체는 상기 자기력에 의한 점도의 상승으로 댐퍼에 안정된 댐핑력을 제공하는 자기유동성 댐퍼에 있어서,

상기 피스톤밸브 어셈블리의 상부면에 전류의 공급여부에 따라 자기력으로 회전하여 주오리피스공의 개구면이 대응되는 위치에서 개방 또는 차단할 수 있는 댐핑 보조구가 형성되는 것을 특징으로 상기 댐핑 보조구는 보조오리피스공이 다수 형성된 부채형의 덮개판과 그 중심부의 전자석과 스프링으로 구성되는 것을 특징으로 하는 댐핑 보조구가 장착된 자기유동성 댐퍼.
제 1 항에 있어서, 상기 스프링은 자바라식으로서 그 일측은 로드에 고정체결되고 타측은 전자석에 고정체결되어 덮개판이 자기력에 의해 회전을 하게 되면 스프링도 함께 탄성있게 늘어나게 되고 자기력이 소멸되는 경우에는 스프링의 탄성력에 의해 덮개판은 원래 위치로 복귀되는 구조로 된 것을 특징으로 하는 댐핑 보조구가 장착된 자기유동성 댐퍼.