KR100845764B1 - 공기 현가장치 - Google Patents

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KR100845764B1
KR100845764B1 KR1020070030854A KR20070030854A KR100845764B1 KR 100845764 B1 KR100845764 B1 KR 100845764B1 KR 1020070030854 A KR1020070030854 A KR 1020070030854A KR 20070030854 A KR20070030854 A KR 20070030854A KR 100845764 B1 KR100845764 B1 KR 100845764B1
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Abstract

본 발명은 압축공기를 이용하여 자동차의 진동이나 충격을 흡수하는 공기 현가장치에 관한 것으로, 다이어프램의 유효수압면적을 가변시키는 피스톤의 형상이 가변되도록 하여 스프링 상수를 실시간으로 제어할 수 있는 공기 현가장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 공기 현가장치는 차체측 프레임과 연결되는 상부 조인트와, 차축과 연결되어 노면으로부터 전달되는 진동을 전달하는 피스톤과, 상기 상부 조인트와 상기 피스톤 사이에 밀봉되게 설치되어 압축공기가 저장되며 상기 피스톤의 승강에 따라 피스톤의 외측면과 접촉하며 팽창/수축하는 다이어프램과, 상기 다이어프램과 접촉가능하게 상기 피스톤의 외둘레면에 형성된 격벽과, 상기 격벽의 내측의 피스톤에 설치되며 상기 격벽의 외경을 가변시키기 위해 각각 개별적으로 제어되는 다수의 액츄에이터를 포함한다.
현가장치, 공기, 스프링, 피스톤, 실린더, 외경, 가변

Description

공기 현가장치 {PISTON OF AIR SUSPENSION}
도 1은 일반적인 공기 현가장치의 배치를 나타낸 구성도가 도시된 도.
도 2는 종래 기술에 따른 공기 현가장치를 개략적으로 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 공기 현가장치의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 공기 현가장치의 확대 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
52 : 공기 현가장치 60 : 다이어프램
62 : 상부 조인트 64 : 피스톤
65 : 요홈부 66 : 격벽
68 : 중공부 70 : 액츄에이터
72 : 실린더 74 : 보조지지부
76 : 유로 77 : 분기관
78 : 밸브
본 발명은 압축공기를 이용하여 자동차의 진동이나 충격을 흡수하는 공기 현 가장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공기 현가 장치에 전달되는 충격량에 따라 공기실을 지지하는 피스톤의 면적이 가변되도록 하여 공기 현가장치의 탄성력을 제어할 수 있는 공기 현가장치에 관한 것이다.
일반적인 공기 현가장치의 배치를 나타낸 구성도가 도시된 도 1과 종래 기술에 따른 공기 현가장치를 개략적으로 나타낸 구성도인 도 2를 참고하면, 차체의 하부와, 바퀴(15)의 축 사이에 설치되어 차체에 발생되는 진동 또는 충격을 완충, 감쇠한다.
공기 현가장치(12)는 에어 컴프레서(1)가 엔진으로 구동되며 여기서, 압축된 공기는 워터 트랩(2) 및 체크 밸브(3)를 거쳐서 메인 에어 탱크(5)에 저장된다. 그리고, 상기 메인 에어 탱크(5) 내의 압력은 압력 조정기(4)에 의해 일정 범위내로 조정되며, 일측에는 공기 압력의 이상시 이를 제어하기 위한 안전 밸브(6)가 설치되어 있다.
상기 메인 에어 탱크(5) 내의 공기는 공기 파이프(7), 레벨링 밸브(8) 및 서지 탱크(10)를 경유하여 공기 현가장치(12)로 들어오게 된다. 상기 공기 현가장치(12)는 하중이 감소하여 차고가 높아지면, 상기 레벨링 밸브(8)가 작동하여 상기 공기 현가장치(12) 내의 공기를 상기 서지 탱크(10)측으로 방출하며, 하중이 증가하여 차고가 낮아지면 장치된 서지 탱크(10)로부터 상기 공기 현가장치(12)에 공기를 공급하여 차고를 일정하게 유지하게 되어 있다.
이를 위해, 상기 공기 현가장치(12)는 공기를 저장하여 스프링 기능을 수행하기 위한 다이어프램(20)을 포함하며, 상기 공기 현가장치(12)는 차량의 하중에 따라 다 이어프램(20)의 내압이 변화된다. 또한, 상기 공기 현가장치(12)는 상기 다이어프램(20)의 내압이 변화됨에 따라 스프링 상수가 달라진다. 이와 같이, 상기 공기 현가장치(12)는 스프링 상수가 하중에 따라 변화하므로 하중이 변동하여도 스프링의 고유 진동수는 그다지 변화하지 않으면서 승차감을 일정하게 유지하게 된다.
도 2를 참고하여 공기 현가장치의 구성을 살펴보면, 공기 현가장치(12)는 압축공기를 저장하기 위한 다이어프램(20)을 포함하고, 상기 다이어프램(20)은 차체측 프레임에 연결되는 상부 조인트(22)와, 차체의 바퀴(도 1의 15)측과 결합하는 피스톤(24) 사이에 밀봉되게 결합된다. 이와 같이, 상기 다이어프램(20)은 상기 상부 조인트(22)와 상기 피스톤(24) 사이에 밀봉되고, 내부에 공기가 충진됨에 따라 에어 스프링의 기능을 갖게 되며, 내부에 충진된 공기의 압력에 따라 일정한 스프링 상수를 갖게 된다.
또한, 상기 피스톤(24)은 외둘레면에 요홈부(25)가 형성되어 있으며, 상기 요홈부(25)는 상기 피스톤(24)의 승강시 상기 다이어프램(20)과 굴곡되게 접촉된다. 즉, 상기 요홈부(25)는 상기 다이어프램(20)의 접촉이 완곡하게 이루어지도록 상시 피스톤(24)의 외경이 상단부에서 하단부로 갈수록 완만하게 작아지는 형태로 이루어진다.
이때, 상기 다이어프램(20)의 팽창 외경은 상기 피스톤(24) 외경 변화에 따라 달라지고, 이에 따라 상기 다이어프램(20)이 축 방향으로 공기압력을 받게 되는 면적인 유효수압면적이 변하게 된다. 여기에서, 상기 다이어프램(20)의 유효수압면적은 공기 현가장치(12)의 스프링 상수를 결정하는 중요한 설계 파라메터가 되고 있다.
그러나 종래의 공기 현가장치(12)는 피스톤(24)의 외형에 따라 일정한 스프링 특성을 갖게 됨에 따라 차체의 하중 변화에 따라 상기 다이어프램(20)의 형태가 변형되며 유효수압면적이 변형되는 문제가 있다. 이와 같은 다이어프램(20)과 피스톤(24)의 유효수압면적의 변화는 스프링 변위에 대한 스프링 반력의 변화를 통해 스프링 상수를 높이거나 낮추는 요인이 되므로, 스프링 상수와 관련된 성능 설계에 있어 피스톤(24) 형상은 하나의 중요한 설계 파라메터가 되고 있으나, 종래에는 하나의 피스톤(24) 형상에 따라 하나의 스프링 특성을 갖게 되는 한계가 있다. 또한, 종래의 공기 현가장치(12)는 상기 다이어프램(20)의 가변성에 따라 스프링 상수를 정확하게 설정하기 곤란하고, 기준 높이에서 하중 변화에 따라 다이어프램(20)의 내압이 변화되는 문제다. 따라서, 현재의 추세는 차량이 상하로 요동될 때 다이어프램(20)의 체적변화가 절절하게 이루어지도록 하는 공기 현가장치(12)의 개발이 지속적으로 요구되고 있다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다이어프램의 유효수압면적을 가변시키는 피스톤의 형상이 가변되도록 하여 스프링 상수를 실시간으로 제어할 수 있는 공기 현가장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 공기 현가장치는 차체측 프레임과 연결되는 상부 조인트와, 차축과 연결되어 노면으로부터 전달되는 진동을 전달하는 피스톤과, 상기 상부 조인트와 상기 피스톤 사이에 밀봉되게 설치되어 압축공기가 저장되며 상기 피스톤의 승강에 따라 피스톤의 외측면과 접촉하며 팽창/수축하는 다이어프램과, 상기 다이어프램과 접촉가능하게 상기 피스톤의 외둘레면에 형성된 격벽과, 상기 격벽 내측의 피스톤에 설치되어 상기 격벽을 지지하며, 상기 격벽의 외경을 가변하기 위해 상기 피스톤의 반경방향으로 신축하도록 각각 개별적으로 제어되는 다수의 액츄에이터를 포함한다.
여기에서, 상기 격벽은 탄성재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 액츄에이터는 상기 피스톤의 내측면과 상기 격벽 사이에 설치된 실린더와, 상기 실린더에 작동유체를 공급하기 위해 유로로 연결된 펌핑부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 실린더와 상기 펌핑부를 연결하는 유로에는 상기 실린더에 저장된 작동유체의 출입을 제어하는 밸브가 더 설치될 수 있다. 또한, 상기 실린더는 튜브형태로 이루어져 반경 방향으로만 팽창/수축되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 실린더의 상, 하부에 설치되어 외형이 변형되며 상기 실린더와 상기 피스톤의 외주면을 완만하게 연결되도록 지지하는 보조지지부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 보조지지부는 튜브형태로 이루어져 내부에 작동유체가 밀봉될 수 있다. 또한, 상기 작동유체는 공기 또는 오일인 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 공기 현가장치의 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 공기 현가장치의 확대 단면도이다.
본 발명에 따른 공기 현가장치(52)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상부에 차 체측 프레임에 연결된 상부 조인트(62)가 마련되고, 하부에는 차축과 연결되는 피스톤(64)이 마련된다. 그리고, 상기 상부 조인트(62)의 하단과 상기 피스톤(64)의 상단에는 다이어프램(60)이 밀봉되게 설치된다. 상기 다이어프램(60)에는 상기 상부 조인트(62)로부터 공급되는 공기가 압축되어 저장된다. 이와 같이, 상기 다이어프램(60)은 내부에 공기가 밀폐됨에 따라 에어 스프링의 기능을 수행하게 되어 노면으로부터 전달되는 진동을 완충한다. 따라서, 상기 공기 현가장치(52)는 상기 다이어프램(60)의 내압이 변화됨에 따라 스프링 상수가 달라진다.
또한, 상기 다이어프램(60)은 중간부분이 최하부로 처져 굴곡진 형태로 유지되며, 내부의 공기압을 조절함에 따라 팽창/수축하며 차체를 승강시키게 된다.
또한, 상기 피스톤(64)은 외둘레면에 전체적으로 굴곡진 형태를 갖는 요홈부(65)가 형성된다. 상기 요홈부(65)는 상기 피스톤(64)의 승강시 상기 다이어프램(60)의 측면과 굴곡되게 접촉된다. 여기에서, 상기 요홈부(65)는 상기 다이어프램(60)의 접촉이 완만하게 이루어지도록 상기 피스톤(64)의 외경이 상단부에 하단부로 갈수록 완만하게 작아지는 형태로 이루어진다.
한편, 본 발명에 따른 공기 현가장치(52)의 일부를 확대한 단면도인 도 4를 참고하면, 상기 피스톤(64)은 상기 다이어프램(60)과 접촉하는 외둘레면의 일부가 격벽(66)으로 이루어지고, 상기 격벽(66)의 내측에는 각각 개별적으로 제어되는 다수의 액츄에이터(70)가 설치된다.
따라서, 상기 격벽(66)은 각각의 액츄에이터(70)의 작동에 따라 지지되는 압력이 달라지며 상기 격벽(66)에 접촉하는 상기 다이어프램(60)의 접촉면적을 개별 적으로 제어할 수 있다. 또한, 상기 피스톤의 외경이 각각의 액츄에이터에 의해 가변되는 격벽에 의해 다르게 제어되므로 이를 이용하여 상기 다이어프램의 유효수압면적을 연속적으로 제어할 수 있다.
한편, 각각의 액츄에이터(70)는 상기 피스톤(64)에 형성된 중공부(68)와 상기 격벽(66) 사이에 설치된 실린더(72)들과, 상기 실린더(72)들로 작동유체를 공급하기 위한 (도시되지 않은) 펌핑부를 포함한다. 또한, 상기 격벽(66)은 탄성재질로 이루어지고, 상기 격벽(66)의 상부와 하부는 상기 중공부(68)의 상부와 하부에 각각 고정유지되며, 안쪽 부분은 상기 격벽(66)의 탄성력에 의해 팽창 또는 수축 가능하게 된다.
여기에서, 상기 실린더(72)들은 상기 펌핑부와 연결된 유로를 가지며, 상기 유로(76)는 각각의 실린더(72)들과 연결하기 위한 분기관(77)을 더 포함한다.
또한, 각각의 분기관(77)에는 작동유체의 출입을 제어하는 밸브(78)가 각각 설치된다. 여기에서, 상기 펌핑부 및 각각의 밸브(78)들은 상기 공기 현가장치(52)를 제어하는 중앙처리장치(ECU)에 의해 제어된다. 더불어, 각각의 밸브(78)들은 솔레노이드 밸브로 이루어져, 상기 중앙처리장치(ECU)의 제어신호에 따라 전기적으로 작동된다.
이와 같이, 상기 펌핑부 및 상기 밸브(78)들의 작동에 의해 각각의 실린더로 공급되는 작동유체가 제어됨에 따라 각각의 실린더(72)가 선택적으로 팽창하며, 상기 실린더(72)와 맞닿은 격벽(66)을 팽창시킨다. 이와 같이 각각의 실린더(72)는 상기 펌핑부 및 상기 밸브(78)에 의해 선택적으로 작동유체가 공급된 후, 상기 밸 브(78)가 분기관(77)을 잠그게 되면, 각 실린더(72)의 압력이 유지되며 격벽을 지지하게 된다. 따라서, 상기 다이어프램(60)은 상기 피스톤(64)의 격벽(66)이 각각의 실린더(72)들에 의해 팽창/수축됨에 따라 상기 다이어프램(60)을 연속적으로 지지하게 된다.
더불어, 각각의 실린더(72)들은 서로 개별적으로 이루어진 튜브형태로 이루어져 상기 피스톤(64)의 길이방향으로 적층되며, 각각의 실린더(72)들은 반경방향으로만 팽창/수축되도록 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 실린더(72)로 공급되는 작동유체는 공기 또는 오일(oil)일 수 있으며, 바람직하게는 비압축성 유체인 오일인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 액츄에이터(70)는 상기 실린더(72)들의 최상부 및 최하부에 보조지지부(74)가 설치된다. 상기 보조지지부(74)는 각각의 실린더(72)들의 형상이 변경될 경우, 상기 피스톤(64)의 외주면과 상기 실린더 사이의 단차를 완만하게 유지되도록 하여 상기 다이어프램(60)이 급격하게 굴곡되는 것을 방지한다. 이를 위해 상기 보조지지부(74)는 내부에 작동유체가 충진되어 밀봉되며, 탄성변형이 가능하며, 튜브형태로 형성된다.
전술된 바와 같이 구성된 공기 현가장치의 작동을 살펴보면 다음과 같다.
차량이 주행하게 되면, 노면의 상태에 따라 진동이 전달되며, 이러한 진동은 차체와 차축 사이에 설치된 공기 현가장치(52)에 의해 흡수된다.
상기 공기 현가장치(52)는 다이어프램(60)에 저장된 공기가 차축에 연결된 피스톤(64)이 승강함에 따라 압축되며, 상기 피스톤(64)의 외주면을 따라 승강하는 과정에서 진동을 흡수하게 된다. 여기에서, 상기 다이어프램(60)은 상기 피스톤(64)의 외주면 형상에 따라 공기압력을 받는 유효수압면적이 결정되며, 상기 유효수압면적에 따라 스프링 특성이 달라진다.
일례로, 상기 피스톤(64)은 액츄에이터(70)의 작동에 의해 외주면의 형상이 가변되며 다이어프램(60)의 유효수압면적을 연속적으로 가변시켜 스프링 특성을 조절할 수 있다. 이를 위해, 각각의 실린더(64)는 상기 분기관(77)에 설치된 상기 밸브(76)가 선택적으로 개방됨에 따라 펌핑부로부터 공급된 작동유체가 충진된다. 그리고, 각각의 실린더(64)에 적정량의 작동유체가 공급되면 밸브(76)가 잠겨 작동유체가 빠져나가지 않도록 한다. 이와 같이, 각각의 실린더(64)에 작동유체가 공급되면, 각각의 실린더(64)는 반경방향으로 팽창하게 되고, 이에 따라 상기 실린더(64)에 지지되는 격벽(66)의 외경이 변하게 된다. 따라서, 상기 다이어프램(60)은 지지되는 격벽(66)에 따라 유효수압면적이 변하게 된다. 한편, 상기 다이어프램(60)은 상기 격벽(66)이 각각의 실린더(64)에 따라 그 외경이 달라지는바, 상기 다이어프램(60)의 유효수압면적이 상기 격벽(66)의 접촉위치에 따라 연속적으로 달라진다.
한편, 상기 펌핑부가 작동하지 않는 상태에서 상기 분기관(77)의 밸브(78)가 선택적으로 개방됨에 따라, 개방된 밸브(78)와 연결된 실린더의 작동유체가 빠져나가게 되어 상기 격벽(66)을 지지하는 압력이 낮아지게 되어 상기 피스톤(64)의 외경이 선택적으로 감소된다. 따라서, 상기 피스톤(64)의 격벽(66)에 접촉하는 위치에 따라 상기 다이어프램(60)의 유효수압면적이 연속적으로 달라진다.
이와 같이, 상기 공기 현가장치(52)는 상기 피스톤(64)의 외주면 형상이 그 내측에서 상기 다이어프램(60)을 지지하는 각각의 실린더(72)의 압력이 변함에 따라 유효수압면적을 가변하게 되며, 이에 따라 스프링 특성을 조절하게 된다.
이상에서는 본 발명이 특정 실시예를 중심으로 하여 설명되었지만, 본 발명의 취지 및 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 변형, 변경 또는 수정이 당해 기술분야에서 있을 수 있으며, 따라서, 전술한 설명 및 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석돼야 한다.
전술된 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 공기 현가장치는 피스톤의 외경을 변화시켜 스프링 유효면적을 제어할 수 있어 공기 현가장치의 높이를 일정하게 유지하면서 차체의 하중에 상관없이 다이어프램 내의 압력을 일정하게 유지할 수 있다. 이와 같이, 상기 공기 현가장치는 하중에 상관없이 다이어프램 내의 압력이 일정하게 유지됨에 따라 공기 현가장치의 전체 작동 압력 범위를 낮출 수 있어 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 공기 현가장치는 피스톤 형상의 가변에 따라 스프링 특성을 제어할 수 있어 주행 특성에 따른 차량의 거동을 제어할 수 있다. 특히, 상기 공기 현가장치는 각각의 실린더를 선택적으로 제어함에 따라 상기 피스톤의 외형을 개별적으로 제어할 수 있으며, 유효수압면적을 연속적으로 가변시킴에 따라 스프링 상수를 연속적으로 제어할 수 있다.

Claims (8)

  1. 차체측 프레임과 연결되는 상부 조인트와,
    차축과 연결되어 노면으로부터 전달되는 진동을 전달하는 피스톤과,
    상기 상부 조인트와 상기 피스톤 사이에 밀봉되게 설치되어 압축공기가 저장되며 상기 피스톤의 승강에 따라 피스톤의 외측면과 접촉하며 팽창/수축하는 다이어프램과,
    상기 다이어프램과 접촉가능하게 상기 피스톤의 외둘레면에 형성된 격벽과,
    상기 격벽 내측의 피스톤에 설치되어 상기 격벽을 지지하며, 상기 격벽의 외경을 가변하기 위해 상기 피스톤의 반경방향으로 신축하도록 각각 개별적으로 제어되는 다수의 액츄에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 현가장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 격벽은 탄성재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 공기 현가장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 액츄에이터는 상기 피스톤의 내측면과 상기 격벽 사이에 설치된 실린더와,
    상기 실린더에 작동유체를 공급하기 위해 유로로 연결된 펌핑부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 현가장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 실린더와 상기 펌핑부를 연결하는 유로에는 상기 실린더에 저장된 작동유체의 출입을 제어하는 밸브가 더 설치된 것을 특징으로 하는 공기 현가장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 실린더는 튜브형태로 이루어져 반경방향으로만 팽창/수축되는 것을 특징으로 하는 공기 현가장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 실린더의 상, 하부에 설치되어 외형이 변형되며 상기 실린더와 상기 피스톤의 외주면을 완만하게 연결되도록 지지하는 보조지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 현가장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 보조지지부는 튜브형태로 이루어져 내부에 작동유체가 밀봉된 것을 특징으로 하는 공기 현가장치.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 작동유체는 공기 또는 오일인 것을 특징으로 하는 공기 현가장치.
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