KR100869216B1 - 타이어 공기압 조절용 로터리 밸브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 타이어 공기압 조절용 로터리 밸브에 관한 것으로서, 차량의 주행중에 주행여건 및 노면상황에 맞게, 간단하고 신뢰성 있는 구조로 타이어의 내부공기압을 가감하여, 차량의 조종안정성, 회전저항, 안락성, 트랙션 성능 등을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 타이어 공기압 조절용 로터리 밸브는, 타이어 및 휠 조립체(10)와 함께 회전하도록 설치되고, 타이어 내부와 통하는 공기유로(31)를 구비하는 로터(30)와; 상기 로터의 공기유로와 통하는 가압공기유로(41) 및 감압공기유로(42)를 구비하는 스테이터(40)와; 상기 가압공기유로와 공기압축기(70)를 연통시키는 제1포트(51)를 구비하여, 상기 제1포트를, 내장된 제1스프링(52)의 탄성력, 타이어의 내부공기압 및 공기압축기의 공기압에 따라 선택적으로 개폐하는 가압밸브(50)와; 그리고 상기 감압공기유로와 공기압축기를 연통시키는 제2포트(61) 및 상기 감압공기유로와 외부를 통하게 하는 대기압포트(62)를 구비하여, 상기 대기압포트를, 내장된 제2스프링(63)의 탄성력, 타이어의 내부공기압 및 공기압축기의 공기압에 따라 선택적으로 개폐하는 감압밸브(60);를 포함하여 이루어진다.
타이어, 공기압, 조절, 로터리밸브, 가압, 감압, 공급, 배출

Description

타이어 공기압 조절용 로터리 밸브 {ROTARY VALVE FOR REGULATING TIRE PRESSURE}
본 발명은 타이어 공기압 조절용 로터리 밸브에 관한 것으로서, 특히 차량의 주행중에 주행여건 및 노면상황에 맞게, 간단하고 신뢰성 있는 구조로 타이어의 내부공기압을 가감하여, 차량의 조종안정성, 회전저항, 안락성, 트랙션 성능 등을 향상시킬 수 있는 타이어 공기압 조절용 로터리 밸브에 관한 것이다.
타이어는 차량의 하중을 지지하고, 가속, 감속 등 차량의 모든 운동에 깊게 관여하고 있는 성능 부품이다. 이러한 타이어의 성능은 그 내부공기압에 큰 영향을 받게 되는데, 예컨대 EP 147008, US 6943673, US 6941989, US 6498967 등에는 주행중 차량의 공기압 조절에 관한 기술이 제안되어 있다. 이러한 기술들은 북미 지역에서 수년 전부터 농경차량, 상용차량, 트럭, 버스, 군용차량 등을 대상으로 일부 적용되어, 차량의 마일리지 증가 또는 작업효율 상승, 사고방지 등의 목적으로 발전해 왔다.
또한, 한국 등록특허 제580529호에는 주행중 선회시, 원심력의 작용에 따라 차체의 거동자세가 불안정하게 될 때, 좌·우측 차륜에 구비된 타이어에 대한 공기 압을 능동적으로 조절하여 차량의 거동자세를 안정화시켜, 더 안정된 주행을 도모할 수 있도록 하는 기술이 제안되어 있다.
이러한 기술들에 있어서, 그 전체적인 시스템의 구성 및 외적인 형태의 대부분은 가장 핵심이 되는 요소인 로터리 밸브 유닛에 의해 결정되며, 그 형태 또는 적용차량이나 사용조건에 따라 많이 달라진다.
예컨대, 도 1a에는 종래 타이어 공기압 조절 시스템에 채용된 로터리 밸브의 예가 도시되어 있고, 도 1b에는 그 회로도가 도시되어 있는데, 이 로터리 밸브는 자체적으로 체크밸브 기능을 포함하고 있으며, 시스템 제어에 따라 타이어의 내부공기압을 가압 또는 감압할 수 있는 구조로 되어 있다.
즉, 타이어 공기압 조절 시스템의 경우, 앞쪽 좌우의 타이어들의 공기압을 제어하기 위한 로터리 밸브(FL, FR)와, 뒤쪽 좌우의 타이어들의 공기압을 제어하기 위한 로터리 밸브(RL, RR)와, 모터(M)에 의해 구동되는 공기압축기(C), 에어탱크(AT), 다수의 방향밸브(V) 등을 구비하고 있다.
그런데 상기 로터리 밸브는, 타이어 및 휠 조립체와 함께 회전하는 로터(R)와 스테이터(S) 사이의 내부에, 대단히 복잡한 형태로 된 고무 재질의 다이어프램(D)이 내장되어 있고, 감압시 회로 전체에 진공상태를 부여해야만 다이어프램(D)이 들어 올려져 타이어의 내부공기압이 감소한다. 따라서 에어라인 등이 손상된 경우, 진공이 잘 형성되지 않는다는 점과, 반응이 느리다는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 고려하여 이루어진 것으로서, 차량의 주행중에 주행여건 및 노면상황에 맞게, 간단하고 신뢰성 있는 구조로 타이어의 내부공기압을 가감하여, 차량의 조종안정성, 회전저항, 안락성, 트랙션 성능 등을 향상시킬 수 있는 타이어 공기압 조절용 로터리 밸브를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 타이어 공기압 조절용 로터리 밸브는, 타이어 및 휠 조립체와 함께 회전하도록 설치되고, 타이어 내부와 통하는 공기유로를 구비하는 로터와; 상기 로터의 공기유로와 통하는 가압공기유로 및 감압공기유로를 구비하는 스테이터와; 상기 가압공기유로와 공기압축기를 연통시키는 제1포트를 구비하여, 상기 제1포트를, 내장된 제1스프링의 탄성력, 타이어의 내부공기압 및 공기압축기의 공기압에 따라 선택적으로 개폐하는 가압밸브와; 그리고, 상기 감압공기유로와 공기압축기를 연통시키는 제2포트 및 상기 감압공기유로와 외부를 통하게 하는 대기압포트를 구비하여, 상기 대기압포트를, 내장된 제2스프링의 탄성력, 타이어 내부공기압 및 공기압축기의 공기압에 따라 선택적으로 개폐하는 감압밸브;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 타이어 공기압 조절용 로터리 밸브에 의하면, 가압 및 감압을 위한 다이어프램과 같은 복잡한 구조의 장치가 필요없이, 고압의 압축공기만 제공되면 타이어 내부공기압을 가압 및 감압할 수 있게 되므로 구조를 단순화할 수 있다. 또한, 에어라인이 복잡하지 않고 진공을 형성할 필요가 없어 내구성이 향상되므로, 반응이 빨라, 차량의 조정안정성, 회전저항, 주행안정성 등의 타이어 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 타이어의 내부공기압을 Pt, 공기압축기에 의해 생산된 압축공기의 압력을 Pc, 가압밸브의 볼의 단면적을 Ab, 제1스프링의 스프링 상수를 Ks1, 제1스프링의 변위를 x1, 제2스프링의 스프링 상수를 Ks2, 제2스프링의 변위를 x2, 스풀밸브의 좌측 단면적을 Asl, 스풀밸브의 우측 단면적을 Asr이라고 하면, 가압밸브와 감압밸브에 작용하는 힘의 역학관계는 다음과 같은데, 특히 스프링 장착시에 발생하는 초기 압축변위를 무시할 경우, 스프링에 의해 발생하는 힘은 다음과 같이 표현될 수 있다.
제1스프링의 탄성력(힘) : FKs1=Ks1*x1
제2스프링의 탄성력(힘) : FKs2=Ks2*x2
또한, 면적 A에 압력 P가 작용할 경우, 여기에 작용하는 힘은 A*P의 곱으로 표현되므로, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Pc=Pc*Asr (공기압축기의 압축공기가 스풀밸브에 작용하는 힘)
Pt=Pt*Asl (타이어의 내부공기압이 스풀밸브에 작용하는 힘)
여기서, Asl=Asr (스풀의 좌·우측 면적은 동일함)
시스템에서 이루어지는 가압절차는, 도 2와 도 3을 통해 다음과 같이 설명할 수 있다.
공기압축기에서 생산된 압축공기의 공기압을 Pc, 타이어의 내부공기압을 Pt, 스프링 상수 Ks1 및 변위 x1에 의해 발생하는 제1스프링의 스프링력 FKs1과, 상기한 단위면적과 작용압력의 곱이 힘으로 표현됨을 염두에 두면, 가압시는 다음과 같이 작동된다.
즉, 압력조절유닛(PCU: Pneumatic Control Unit)(80)의 제2포트(61)측에 설치된 On/Off밸브(55)를 차단한 상태에서, 압력조절유닛의 제1포트(51)측에 설치된 On/Off밸브(54)를 개방하면, 공기압축기(70)에서 생산된 압축공기의 공기압이 제2포트의 감압밸브(60)에는 가해지지 않지만, 상기 제1포트(51)의 가압밸브(50)에는 공기압이 가해지게 된다.
이때, 공기압축기(70)에서 생산된 압축공기가 가압밸브(50)의 볼(53)에 작용하는 힘(FPc)보다 타이어의 내부공기압이 볼(53)에 작용하는 힘(FPt)과 제1스프링(52)이 볼(53)에 작용하는 스프링력(FKs1)의 합력이 작으면, 즉 아래와 같은 관계가 성립되면, 가압밸브가 개방되어 타이어 내부로 압축공기가 공급된다.
Pc〉FPt+FKs1
이후, On/Off밸브(54)를 차단하면, 제1포트를 통한 압축공기의 공급이 차단되므로, 힘의 대소관계가 바뀌어 가압밸브의 볼(53)이 우측으로 이동하고, 그 결과 가압밸브가 폐쇄되어 타이어의 내부공기압이 일정압력을 유지하게 된다.
Pt+FKs1〉FPc
감압절차는 도 2와 도 4를 통해 다음과 같이 설명할 수 있다.
공기압축기의 공기압을 Pc, 타이어 내부공기압을 Pt, 스프링 상수 Ks2 및 변위 x2 의해 발생하는 스프링력을 FKs2, 상기한 단위면적과 작용압력의 곱이 힘으로 표현됨을 염두에 두면, 가압시는 다음과 같이 작동된다.
제1포트(51)측에 설치된 On/Off밸브(54)를 차단하여, 타이어 내부로 작용하는 압력을 차단한다. 반면, 제2포트(61)측에 설치된 On/Off밸브(55)는 개방하여, 압축공기가 감압밸브의 밸브 스풀(64)에 전달되도록 한다.
이때, 압축공기에 의한 힘(FPc)이 타이어 내부의 압력에 의해 발생하는 힘 (FPt)과 스프링력(FKs2)의 합보다 크게 되면, 밸브 스풀(64)이 힘의 대소관계에 의해 도 4와 같이 좌측으로 이동하게 되고, 그 결과, 밸브 스풀(64) 일측에 형성된 개구(O)와 대기압포트(62)가 일치되어 타이어 내부의 공기압이 감소한다.
Pc〉FPt+FKs2
이후, On/Off밸브(55)를 차단하면, 밸브 스풀(64)이 우측으로 이동하여 대기압포트(62)는 폐쇄되고, 타이어 내부의 공기압은 일정 상태를 유지하게 된다.
Pt+FKs2〉FPc
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 2에는 본 발명에 따른 타이어 공기압 조절용 로터리 밸브가 도시되어 있다.
본 발명에 따른 타이어 공기압 조절용 로터리 밸브(20)는, 로터(30)와, 스테이터(40)와, 가압밸브(50)와, 그리고 감압밸브(60)를 포함하여 이루어진다.
상기 로터(30)는, 타이어 및 휠 조립체(10)와 같이 회전하도록 설치되는데, 예컨대 그 중앙을 관통하는 공기유로(31)를 구비하고 있으며, 상기 공기유로(31)는 타이어 내부와 통하게 된다.
상기 스테이터(40)는 로터(30)의 외측에 설치되는 것으로서, 로터(30)가 타이어 및 휠 조립체(10)와 함께 회전하는 중에도 상기 로터(30)의 공기유로(31)와 통하는 가압공기유로(41) 및 감압공기유로(42)를 구비한다. 이러한 구조로서, 예컨대 슬립 링(Slip Ring) 구조가 채용될 수 있다.
상기 스테이터(40)에는 가압밸브(50)와 감압밸브(60)가 설치되는데, 상기 가압밸브(50)는 상기 스테이터(40)의 가압공기유로(41)와 공기압축기(70)를 연통시키는 제1포트(51)를 구비한다. 또한, 상기 감압밸브(60)는 스테이터(40)의 감압공기유로(42)와 공기압축기(70)를 연통시키는 제2포트(61)와, 상기 감압공기유로(42)와 외부를 통하게 하는 대기압포트(62)를 구비한다.
공기압축기(70)로부터 상기 제1포트(51)와 제2포트(61)로의 압축공기의 공급 은 압력조절유닛(80)을 통해 수행될 수 있다.
상기 가압밸브(50)는 제1포트(51)를 개폐함으로써, 상기 제1포트(51)의 개방시 공기압축기(70)로부터 공급되는 압축공기를 타이어 내부로 공급하여 타이어의 내부공기압을 상승시키도록 구성되어 있는데, 그 내부에는 제1스프링(52)에 의해 볼(53)이 탄성적으로 내장되어 있다. 따라서 볼(53)에 작용하는 제1스프링(52)의 탄성력과 타이어의 내부공기압에 의한 힘과 공기압축기(70)의 공기압에 의한 힘의 대소 크기에 따라, 상기 볼(53)이 상기 제1포트(51)를 선택적으로 개폐하게 된다.
또한, 상기 감압밸브(60)는 그 대기압포트(62)를 개폐함으로써, 상기 대기압포트(62)의 개방시 타이어 내부의 공기를 외부로 배출시켜 타이어 내부의 공기압을 감소시키도록 구성되어 있는데, 그 내부에는 제2스프링(63)에 의해 밸브 스풀(64)이 탄성적으로 내장되어 있다. 따라서 상기 밸브 스풀에 작용하는 제2스프링(63)의 탄성력, 타이어 내부공기압에 의한 힘 및 공기압축기(70)의 공기압에 의한 힘의 대소 크기에 따라, 일측에 개구(O)가 형성된 밸브 스풀(64)이 대기압포트(62)를 선택적으로 개폐하게 된다.
예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 차량 주행 중에 주행조건 및 노면상태에 따라 타이어가 굴신운동을 함으로써, 타이어 내부공기압이 급격하게 변화하게 되는데, 이 경우 제2포트(61)측에 연결된 On/Off밸브(55)는 차단하여 압축공기의 공급을 중단하고, 제1포트(51)측에 연결된 On/Off밸브(54)는 개방하여 압축공기가 타이어 내부로 공급될 수 있도록 한다.
이때, 압축공기에 의한 힘(FPc)이 타이어 내부의 압력에 의해 발생하는 힘(FPt)과 제1스프링의 스프링력(FKs1)의 합력보다 크게 되면, 다음과 같이 볼 밸브 형태의 가압밸브(50)가 개방되어 타이어 내부로 압축공기가 공급된다.
Pc〉FPt + FKs1
즉, 공기압축기(70)의 공기압에 의해 발생하는 힘(FPc)이, 제1스프링(52)의 탄성력(FKs1)과 타이어의 내부공기압에 의해 발생하는 힘(FPt)의 합보다 클 때, 압축공기의 압력을 받는 볼(53)에 의해 제1스프링(52)이 가압공기유로(41) 쪽으로 압축됨으로써, 가압공기유로(41)가 공기압축기(70)와 통하게 되어 타이어 내부로 압축공기가 공급될 수 있다. 반면, 공기압축기(70)의 공기압에 의해 볼(53)의 단면적(Ab)에 발생하는 힘(FPc)이 제1스프링(52)의 탄성력(FKs1)과 타이어 내부공기압에 의해 볼의 단면적에 발생하는 힘(FPt)의 합력보다 작을 때, 제1스프링(52)의 복원력에 의하여 제1포트(51)가 폐쇄됨으로써, 공기압축기(70)로부터 타이어에 대한 압축공기의 공급이 차단된다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 감압밸브(60)의 제2스프링(63)에 의해 발생하는 탄성력을 FKs2라 할 때, FPt + FKs2〉FPc 를 만족하면, 대기압포트(62)가 폐쇄된다. 이때, 제1포트는 On/Off밸브(54)에 의해 폐쇄된 상태이다.
반면, 감압밸브(60)가 FPc〉FPt+FKs2를 만족할 때, 대기압포트(62)와 밸브 스풀의 개구(O)가 연통하여, 타이어 내부로부터 공기가 배출되어 타이어 내부공기압이 감소하게 된다. 이때, 제1포트는 On/Off밸브(54)에 의해 차단된 상태이다.
즉, 공기압축기(70)의 공기압(Pc)이 밸브 스풀(64)의 단면적에 작용하여 발생하는 힘(FPc)이 상기 제2스프링(63)의 탄성력(FKs2) 및 밸브 스풀의 단면적에 작용하는 타이어의 내부공기압에 의한 힘(FPt)의 합력보다 클 때, 압축공기의 압력을 받는 밸브 스풀(64)에 의해 제2스프링(63)이 감압공기유로(42) 쪽으로 압축됨으로써, 감압공기유로(42)와 밸브 스풀의 개구(O)와 대기압포트(62)가 연통하게 되어 타이어 내부로부터 공기가 외부로 배출될 수 있다. 반면, 공기압축기(70)의 공기압에 의해 발생하는 힘(FPc)이 제2스프링(63)의 탄성력(FKs2)과 타이어 내부공기압에 의한 힘(FPt)의 합력보다 작을 때, 제2스프링(63)의 복원력에 의하여 대기압포트(62)가 폐쇄됨으로써 타이어로부터 공기배출이 차단된다.
따라서, 본 발명에 따른 타이어 공기압 조절용 로터리 밸브에 있어서는, 가압 및 감압을 위한 다이어프램과 같은 복잡한 구조의 장치가 필요없이, 고압의 압축공기 및 On/Off밸브만 제공되면, 타이어 내부공기압에 대한 가압 및 감압이 가능하다.
도 1a는 종래 타이어 공기압 조절용 로터리 밸브의 예를 나타내는 단면도이다.
도 1b는 종래 타이어 공기압 조절시스템의 예를 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 타이어 공기압 조절용 로터리 밸브를 나타내는 단면도이다.
도 3은 가압밸브의 동작상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 감압밸브의 동작상태를 나타내는 도면이다.
<도면 부호의 설명>
10: 타이어 및 휠 조립체, 20: 로터리 밸브,
30: 로터, 31: 공기유로,
40: 스테이터, 41: 가압공기유로,
42: 감압공기유로, 50: 가압밸브,
51: 제1포트, 52: 제1스프링,
54: 가압측 On/Off밸브, 55: 감압측 On/Off밸브,
60: 감압밸브, 61: 제2포트,
62: 대기압포트, 63: 제2스프링,
70: 공기압축기, 80 : 압력조절유닛(PCU),
Ks1: 제1스프링 상수, Ks2: 제2스프링 상수,
x1: 제1스프링 변위, x2: 제2스프링 변위,
Ab: 체크밸브 볼의 단면적, Asl: 스풀밸브의 좌측 단면적,
Asr: 스풀밸브의 우측 단면적,
여기서, Asl=Asr (스풀밸브의 좌·우측 단면적이 동일)
Pc: 공기압축기의 공기압, Pt: 타이어의 내부공기압,
Ks1: 제1스프링에 의한 스프링력(FKs1=Ks1*x1),
Ks2: 제2스프링에 의한 스프링력(FKs2=Ks2*x2),
Pc: 공기압축기의 압축공기가 밸브를 미는 힘(FPc=Pc*Asr),
Pt: 타이어의 내부공기압이 밸브에 작용하는 힘(FPt=Pt*Asl)

Claims (2)

  1. 타이어 및 휠 조립체(10)와 함께 회전하도록 설치되고, 타이어 내부와 연통하는 공기유로(31)가 형성된 로터(30);
    상기 공기유로(31)와 연통하는 가압공기유로(41) 및 감압공기유로(42)가 형성된 스테이터(40);
    상기 가압공기유로(41)와 연통하는 제1포트(51)에 제1스프링(52)과 볼(53)이 내장된 구성으로서, 상기 볼(53)에 대하여 반대방향으로 작용하는 제1스프링(51)의 탄성력(FKs1) 및 타이어의 내부공기압에 의한 힘(FPt)의 합력(FPt+FKs1)과 공기압축기(70)의 압축공기에 의한 힘(FPc)의 균형관계에 따라, 상기 제1포트(51)가 개폐되는 가압밸브(50); 그리고
    상기 감압공기유로(42)와 연통하는 제2포트(61)에 제2스프링(63)과 밸브 스풀(64)이 내장되되 상기 제2포트(61)의 일측에는 대기압포트(62)가 형성되고 상기 밸브 스풀(64)의 일측에는 개구(O)가 형성됨으로써, 상기 밸브 스풀(64)에 대하여 반대방향으로 작용하는 제2스프링(63)의 탄성력(FKs2) 및 타이어의 내부공기압에 의한 힘(FPt)의 합력(FPt+FKs2)과 공기압축기(70)의 압축공기에 의한 힘(FPc)의 균형관계에 따라, 상기 밸브 스풀(64)의 제2포트(61) 내에서의 위치가 변화하여 상기 대기압포트(62)와 개구(O)가 선택적으로 일치되는 감압밸브(60);를 포함 하는 것을 특징으로 하는 타이어 공기압 조절용 로터리 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가압밸브(50)의 볼(53)에 가해지는 힘이
    Pt+FKs1〉FPc를 만족하는 경우 상기 제1포트(51)가 폐쇄되고,
    Pc〉FPt+FKs1을 만족하는 경우 상기 제1포트(51)가 개방되어 타이어 내부로 압축공기가 공급되며;
    상기 감압밸브(60)의 밸브 스풀(64)에 가해지는 힘이
    Pt+FKs2〉FPc를 만족하는 경우 상기 대기압포트(62)가 폐쇄되고,
    Pc〉FPt+FKs2를 만족하는 경우 상기 대기압포트(62)와 개구(O)가 일치되어 타이어의 내부공기압이 감압하는 것을 특징으로 하는 타이어 공기압 조절용 로터리 밸브.
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