KR101008298B1 - 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치는 일단이 차체에 연결되어 고정되고 내부에 가스가 충진된 제1 실린더와, 내부에 자기유변유체가 충진된 상태로, 제1 실린더의 내부로 삽입되어 있고, 외부충격에 따라 제1 실린더의 내부를 슬라이딩 운동하는 댐핑 실린더와, 일단이 차체에 연결되어 고정된 상태로 제1 실린더와 댐핑 실린더의 내부를 관통하여 연장 형성되고, 내부에 전류관로가 형성되어 있는 피스톤 로드와, 댐핑 실린더의 내부에 형성되어 피스톤로드에 형성되어 있는 전류관로로부터 공급받는 제어전류에 따라 자기유변유체의 유량을 조절하는 자기유변유체 조절밸브 및 연통홀을 통하여 제1 실린더와 연통된 상태로 제1 실린더의 측부에 형성되어 있고, 내부에 가스가 충진된 제2 실린더를 포함한다.

본 발명에 따르면, 큰 용량을 요구하는 시스템에 효율적으로 적용 가능한 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치를 제공되는 등의 효과가 있다.

자기유변유체, 제1 실린더, 제2 실린터, 댐핑 실린더, 피스톤 로드

Description

자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치{UNIFICATED SUSPENSION APPARATUS USING MAGNETO-RHEOLOGICAL FLUID}

본 발명은 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치에 관한 것이다.

일반적으로 차량의 현가장치는 지면으로부터 차량까지의 높이인 차고를 유지하고 차량의 무게를 지탱하며 차량이 지면으로부터 받는 충격을 완화하는 역할을 수행하는 장치로서, 탄성력을 가지는 스프링 장치와 흡수력을 가지는 댐퍼 장치로 구성되어 있다.

이러한 현가장치에 자기유변유체를 적용하는 기술이 알려져 있다.

자기유변유체(Magneto-Rheological Fluid)는 일반조건에서는 엔진오일과 유사한 점도를 갖는 액체이지만 전자석 등에 의해 자기장이 형성되는 경우에 한해 수백분의 일초 만에 거의 고체와 같은 특성을 나타낸다. 그러나 자기유변유체는 자기장이 사라지면 다시 일반 액체와 같은 특성으로 돌아간다.

이러한 자기유변유체는 1940년대 Jacob Rainbow에 의해 개발되어, 지난 수년간 자기유변유체(magneto-rheological fluid)를 응용할 수 있는 기술들이 발전하기 전까지 자기유변유체는 그 원리적인 응용단계를 벗어나지 못했으나 MR유체 제작기술의 발달, 정교한 알고리즘, 빠른 제어회로, 센서들이 자기유변유체를 실제산업에서 응용할 수 있는 단계로 부상시켰다.

미국 North Carolina주의 Lord Corp에 따르면, 1991년부터 개발되기 시작한 자기유변유체(magneto-rheological fluid)를 이용한 다양한 응용제품이 개발됐다. Lord Corp.의 가장 큰 기술적인 장벽은 자기유변유체를 사용하면서도 침전을 야기하지 않는 기술을 개발하는 것이었는데 이를 극복하기 위해 약 6년이 투자됐다. Lord사의 자기유변유체는 기름과 같은 액체에 의해 운반되는 마이크론 크기의 철 입자들이다.

1997년 Lord사는 자기유변유체를 트럭의 완충장치에 사용해 도로 조건과 운전조건에 따라 완충정도를 조절 가능하게 했다. 자기장의 변화에 따라 자기유변유체의 완충특성은 최고 1초에 500번까지 변한다. 다시 설명하면 완충 기능이 실시간으로 변하는 능동적인 특성이 있다.

또, 미국 자동차용 부품 제작 업체중 하나인 Delphi사는 자기유변유체를 이용한 자동차 부품 제작에 관심을 갖고 Lord사와 비슷한 시기에 연구를 해 왔다. 1999년 Delphi사는 Lord사로부터 MagneRide 반능동(semi-active) 자동차 완충기 제작을 수주했었다. 이 완충기에는 기존의 완충기에 비해 40% 정도 적은 수의 부속이 이용됐고 기존의 shock absorber 액체가 불필요하게 됐다.

이와 같이, 자기유변유체가 완충기에 전격적으로 쓰이기까지는 최신 센서 기술과 제어 기술이 커다란 몫을했다. GM이 사용할 MagneRide에는 바퀴와 차체의 상 대 거리를 측정하는 네 개의 센서를 포함한 센서 배열과 제어 모듈이 연결돼 있다. 댐핑(Damping)은 매 1/1000초 마다 조정된다. Delphi사의 초기 문제는 내구성이었지만 지속적인 연구 결과 기존의 기계식 완충기 수준의 내구성이 갖춰졌다.

Lord사는 완충기 이외에도 자기유변유체의 응용범위를 넓혀갔다. By-wire 제어 시스템의 tactile feedback과 건물과 교량의 seismic 및 wind mitigation 시스템, 자동차용 방열기 클러치 등이 그 단적인 예이고 현재 많은 응용범위의 산업기기가 자기유변 유체를 이용해 연구되고 있다.

도 1에 이러한 자기유변유체를 적용한 종래의 현가장치가 개시되어 있다.

도 1은 대한민국 특허공개공보 제2000-0055851호에 개시된 자기유변유체를 이용한 감쇠력 가변 댐퍼를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 인너튜브(5)와 아우터튜브(6) 사이에 단방향 유로(3)를 형성함으로써, 감쇠력이 바디밸브(7)를 통해서만 발생하여 댐퍼의 감쇠력 제어가 용이해진다.

그러나 이러한 종래의 기술에 따르면, 차량 등에 큰 감쇠력이 급격히 요구될 경우, 현가장치의 감쇠력이 가변범위를 벗어날 수 있기 때문에, 제대로 감쇠력을 발휘하지 못하여 과도한 충격이 탑승자뿐만 아니라, 차량의 다른 부품에까지 전달되어 승차감 저하는 물론 위험을 초래하는 등의 문제점이 있다.

본 발명은 큰 용량을 요구하는 시스템에 효율적으로 적용 가능한 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 자기유변유체를 이용하여 감쇠력을 실시간으로 조절할 수 있는 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명은 별도의 외부 실린더를 이용하여 현가장치의 전체 길이를 증가시키지 않으면서도 감쇠 용량을 향상시킬수 있는 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치는 일단이 차체에 연결되어 고정되고 내부에 가스가 충진된 제1 실린더와, 내부에 자기유변유체가 충진된 상태로, 상기 제1 실린더의 타단으로부터 상기 제1 실린더의 내부로 삽입되어 있고, 외부충격에 따라 상기 제1 실린더의 내부를 슬라이딩 운동하는 댐핑 실린더와, 일단이 상기 차체에 연결되어 고정된 상태로 상기 제1 실린더와 상기 댐핑 실린더의 내부를 관통하여 연장 형성되고, 내부에 전류관로가 형성되어 있는 피스톤 로드와, 상기 댐핑 실린더의 내부에 형성되어 상기 피스톤로드에 형성되어 있는 전류관로로부터 공급받는 제어전류에 따라 상기 자 기유변유체의 유량을 조절하는 자기유변유체 조절밸브 및 연통홀을 통하여 상기 제1 실린더와 연통된 상태로 상기 제1 실린더의 측부에 형성되어 있고, 내부에 가스가 충진된 제2 실린더를 포함하여 구성된다.

상기 댐핑 실린더 내부에 삽입되어 있고, 상기 댐핑 실린더의 운동에 따라 상기 피스톤 로드가 상기 댐핑 실린더의 내부로 유입되는 양이 변화함에 따라 발생하는 상기 댐핑 실린더의 내부 부피변화를 보상하기 위한 축압 피스톤을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 축압 피스톤은 상기 댐핑 실린더와 반대방향으로 운동함으로써, 상기 댐핑 실린더의 내부 부피변화를 보상하는 것을 특징으로 한다.

상기 축압 피스톤의 최대운동범위를 제한하기 위한 스토퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 큰 용량을 요구하는 시스템에 효율적으로 적용 가능한 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치를 제공되는 효과가 있다.

또한, 자기유변유체를 이용하여 감쇠력을 실시간으로 조절할 수 있는 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치를 제공되는 효과가 있다.

또한, 별도의 외부 실린더를 이용하여 현가장치의 전체 길이를 증가시키지 않으면서도 감쇠 용량을 향상시킬수 있는 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치를 제공되는 효과가 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치의 개념도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치는 차륜의 자운스/리바운드(JOUNCE/REBOUND)시에 발생하는 충격을 흡수하기 위한 제1 스프링장치(10a)와 제2 스프링장치(10b), 충격을 흡수하고 진동하는 제1 스프링장치(10a))와 제2 스프링장치(10b)의 진동을 신속히 감쇠시키며 일정한 차고 상태를 유지하는 댐핑장치(20)로 구성된다. 스프링장치(10a, 10b)와 댐핑장치(20)가 일체형으로 구성되어 있고, 차량의 설계 용이성을 고려한 2중의 실린더 구조를 갖는 스프링 장치(10a, 10b)로 구성되어 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치의 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치는 제1 실린더(12), 댐핑 실린더(27), 피스톤 로드(23), 자기유변유체 조절밸브(21), 제2 실린더(14), 축압 피스톤(25) 및 스토퍼(26)를 포함하여 구성된 다.

제1 실린더(12)는 일단이 차체 구조물에 연결되어 고정되어 있으며, 스프링 기능을 하기 위하여 내부에 예를 들어 질소가스(11a)가 충진되어 있다.

제2 실린더(14)는 연통홀(13)을 통하여 제1 실린더(12)와 연통된 상태로 제1 실린더(12)의 측부에 형성되어 있다. 제2 실린더(14)의 내부에도 예를 들어 질소가스(11b)가 충진되어 있다.

이와 같이, 차체의 기하학적인 구속조건을 고려하여 제1 실린더(12)의 외부 측벽에 별도의 제2 실린더(14)를 형성하고, 제1 실린더(12) 및 제2 실린더(14) 내부에 스프링 기능을 하기 위한 질소가스(11a, 11b)를 충진하고, 제1 실린더(12)와 제2 실린더(14)를 서로 연결하기 위한 연통홀(13)을 형성함으로써, 보다 큰 용량의 스프링력을 발생시킬 수 있다.

피스톤 로드(23)는 일단이 차체에 연결되어 고정된 상태로 제1 실린더(12)와 댐핑 실린더(27)의 내부를 관통하여 연장 형성되고, 내부에 전류관로(28)가 형성되어 있다.

이러한 피스톤 로드(23)는 자기장의 유변학적 특성에 따라 감쇠력을 변화시키는 자기유변유체 조절밸브(21)와 연결되어 있으며, 그 내부에 형성되어 있는 전류관로(28)를 통하여 자기유변유체 조절밸브(21)에 제어전류를 인가하도록 구성되어 있다. 이러한 피스톤 로드(23)는 제1 실린더(12)에 고정되어 있어 제1 실린더(12)와 같은 동작을 하게 된다.

댐핑 실린더(27)는 내부에 자기장의 유변학적 특성에 따라 점성이 달라지는 자기유변유체(Magneto-rheological Fluid, 22)가 충진된 상태로, 제1 실린더(12)의 타단으로부터 제1 실린더(12)의 내부로 삽입되어 있고, 외부충격에 따라 제1 실린더(12)의 내부를 슬라이딩 운동한다.

자기유변유체 조절밸브(21)는 댐핑 실린더(27)의 내부에 형성되어 피스톤 로드(23)에 형성되어 있는 전류관로(28)로부터 공급받는 제어전류에 따라 자기유변유체(22)의 점성을 제어함으로써 흐르는 자기유변유체(22)의 유량을 조절한다.

축압 피스톤(25)은 댐핑 실린더(27) 내부에 삽입되어 있고, 댐핑 실린더(27)의 운동에 따라 피스톤 로드(23)가 댐핑 실린더(27)의 내부로 유입되는 양이 변화함에 따라 발생하는 댐핑 실린더(27)의 내부 부피변화를 보상하기 위한 수단이다. 보다 구체적으로, 축압 피스톤(25)을 기준으로 일측에는 피스톤 로드(23)에 의한 댐핑 실린더(27)의 내부 부피변화를 보상하기 위한 질소가스(24)가 충진되어 있고, 다른 일측에는 자기유변유체(22)가 충진되어 있다. 질소가스(24)와 자기유변유체(22) 사이에는 축압 피스톤(25)이 있기 때문에, 질소가스(24)와 자기유변유체(22)는 서로 섞이지 않는다. 이러한 축압 피스톤(25)은 댐핑 실린더(27)와 반대방향으로 운동함으로써, 댐핑 실린더(27)의 내부 부피변화를 보상하는 것이다.

스토퍼(26)는 축압 피스톤(25)의 최대운동범위를 제한하기 위한 수단이다.

이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치의 구체적인 동작과정을 설명한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기유변유체를 이용한 일체 형 현가장치는 압축 과정인 자운스(Jounce) 운동과 신장 과정인 리바운드(Rebound) 운동을 반복함으로써, 차체에 가해지는 외부 충격을 흡수하게 된다.

도 5는 자운스 방향 운동을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 자운스 방향 운동인 경우 댐핑 실린더(27)가 차체 쪽으로 이동함에 따라 제1 실린더(12)와 제2 실린더(14)에 들어 있는 질소가스(11a, 11b)가 압축된다. 이에 따라 차량 운행조건에 맞는 스프링력이 발생된다. 또한 댐핑 실린더(27) 내부에 있는 자기유변유체 조절밸브(21) 내부의 유체가 흐르는 관로 속에 설치된 조리개인 오리피스(orifice, 29)를 통해 지면쪽의 자기유변유체(22)가 차체쪽 방향으로 이동하게 된다. 이때 피스톤 로드(23) 내부에 있는 전류관로(28)를 통해 자기유변유체 조절밸브(21)에 전류를 인가함에 따라 자기유변유체 조절밸브(21) 내부의 오리피스(29)를 통과하는 자기유변유체(22)의 점성을 변화시켜 차량의 요구조건에 맞는 감쇠력을 발생시키게 된다.

또한 자운스 운동시 피스톤 로드(23)는 댐핑 실린더(27) 내부로 유입되는데, 이때 유입된 피스톤 로드(23)의 부피를 보상해주기 위해 질소가스(24)는 압축되며 축압 피스톤(25)은 지면쪽 방향으로 이동하게 된다.

도 6은 리바운드 방향 운동을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 리바운드 방향 운동시 제1 실린더(12)와 제2 실린더(14)에 들어 있는 질소가스(11a, 11b)는 팽창하게 되며, 이에 따라 댐핑 실린더(27)는 지 면 방향으로 이동하게 된다. 이때 자기유변유체(22)는 자기유변유체 조절밸브(21)를 기준으로 차체쪽 방향에서 지면쪽 방향으로 자기유변유체 조절밸브(21) 내부의 오리피스(29)를 통해 이동하게 되며, 자운스 운동과 동일하게 차량 운행조건에 맞는 감쇠력을 발생시키게 된다. 또한 리바운드 운동시 피스톤 로드(23)의 이동에 따른 댐핑 실린더(27) 내부의 부피변화로 인해 질소가스(24)는 팽창하게 되고 축압 피스톤(25)은 차체쪽 방향으로 이동하게 된다. 축압 피스톤(25)의 최대 이동 변위는 스토퍼(26)에 의해 구속된다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

도 1은 종래의 현가장치를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치의 개념도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치의 단면도다.

도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

***** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *****

10a: 제1 스프링장치 10b: 제2 스프링장치

11a, 11b, 24: 질소가스 12: 제1 실린더

13: 연통홀 14: 제2 실린더

20: 댐핑장치 21: 자기유변유체 조절밸브

22: 자기유변유체 23: 피스톤 로드

25: 축압 피스톤 26: 스토퍼

27: 댐핑 실린더 28: 전류관로

29: 오리피스

Claims (4)

1. 일단이 차체에 연결되어 고정되고 내부에 가스가 충진된 제1 실린더;

   내부에 자기유변유체가 충진된 상태로, 상기 제1 실린더의 타단으로부터 상기 제1 실린더의 내부로 삽입되어 있고, 외부충격에 따라 상기 제1 실린더의 내부를 슬라이딩 운동하는 댐핑 실린더;

   일단이 상기 차체에 연결되어 고정된 상태로 상기 제1 실린더와 상기 댐핑 실린더의 내부를 관통하여 연장 형성되고, 내부에 전류관로가 형성되어 있는 피스톤 로드;

   상기 댐핑 실린더의 내부에 형성되어 상기 피스톤로드에 형성되어 있는 전류관로로부터 공급받는 제어전류에 따라 상기 자기유변유체의 점성을 조절하는 자기유변유체 조절밸브; 및

   연통홀을 통하여 상기 제1 실린더와 연통된 상태로 상기 제1 실린더의 측부에 형성되어 있고, 내부에 가스가 충진된 제2 실린더를 포함하는, 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 댐핑 실린더 내부에 삽입되어 있고, 상기 댐핑 실린더의 운동에 따라 상기 피스톤 로드가 상기 댐핑 실린더의 내부로 유입되는 양이 변화함에 따라 발생하는 상기 댐핑 실린더의 내부 부피변화를 보상하기 위한 축압 피스톤을 더 포함하 는 것을 특징으로 하는, 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 축압 피스톤은 상기 댐핑 실린더와 반대방향으로 운동함으로써, 상기 댐핑 실린더의 내부 부피변화를 보상하는 것을 특징으로 하는, 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치.
4. 제2 항에 있어서,

   상기 축압 피스톤의 최대운동범위를 제한하기 위한 스토퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기유변유체를 이용한 일체형 현가장치.

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