KR101211421B1 - 차량용 토션빔 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량용 토션빔에 관한 것으로서, 특히, 토션빔을 제작할 때에 나타나는 스프링백 현상을 감소시키고 차량이 선회할 때에 발생되는 롤언더스티어를 개선할 수 있는 차량용 토션빔에 관한 것이다.
본 발명은, 트레일링암과 결합되는 연결부와, 트레일링암으로부터 전달되는 외력에 대한 비틀림강성을 결정하고 돌출부를 구비하는 강성부와, 연결부와 강성부를 일체로 연결하는 가변부를 포함하는 차량용 토션빔을 제공한다.

Description

차량용 토션빔 {TORSION BEAM FOR VEHICLES}

본 발명은 차량용 토션빔에 관한 것으로서, 특히, 토션빔을 제작할 때에 나타나는 스프링백 현상을 감소시키고 차량이 선회할 때에 발생되는 롤언더스티어를 개선할 수 있는 차량용 토션빔에 관한 것이다.

일반적으로 차량은 불균일한 노면을 주행하게 되므로 소음을 수반하는 진동을 받게 되는데, 차체가 흔들리는 현상을 방지하기 위해 스프링과 쇽 업소버 및 스태빌라이저 등의 부재가 설치된다.

이러한 부재들은 댐핑력 및 차고 조종의 기능을 주로 행하면서 차량의 승차감과 안정성을 개선하는 역할을 한다.

이와 같은 현가장치 중 리어 현가장치는 보통 3개 내지 5개의 링크를 사용하여 액슬의 위치를 결정하는 멀티링크 리어 현가장치를 이룬다.

이러한 현가장치가 지지되는 로워암의 일단은 차륜의 너틀(또는 캐리어)부위에 부시에 의해 체결되고, 로워암의 타단은 크로스멤버(또는 서브프레임)에 부시 체결된다.

여기서, 로워암 및 크로스멤버와 같은 부재를 현가부재라 하며, 소형차에는 로워암 및 크로스멤버 대신에 트레일링암과 토션빔이 설치된다.

상기한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래기술을 의미하는 것은 아니다.

일반적인 차량용 토션빔은 튜뷸러빔인 경우에 파이프 모양의 작업 대상물에 프레스공정을 행하여 '∧'모양의 단면을 성형하기 때문에 토션빔의 제작을 완료한 이후에 토션빔의 하단부가 외측 방향으로 벌어지는 스프링백 현상이 발생되는 문제점이 있다.

또한, 일반적인 차량용 토션빔은 횡강성을 향상시키기 위해 튜뷸러빔을 사용하는 경우에 토션빔의 전단중심이 낮아지기 때문에 차량이 선회할 때에 토우인이 이루어지는 각도가 작아져 롤언더스티어가 나빠지고, 불균일한 노면을 주행할 때에 차량의 롤링이 증가되는 문제점이 있다.

따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.

본 발명은 토션빔을 제작할 때에 나타나는 스프링백 현상을 감소시키고 차량이 선회할 때에 발생되는 롤언더스티어를 개선하고 불균일한 노면을 주행할 때에 차량의 롤링을 감소시킬 수 있는 차량용 토션빔을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 트레일링암과 결합되는 연결부와, 상기 트레일링암으로부터 전달되는 외력에 대한 비틀림강성을 결정하고 돌출부를 구비하는 강성부와, 상기 연결부와 상기 강성부를 일체로 연결하는 가변부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 토션빔을 제공한다.

또한, 상기 연결부는 파이프 모양의 작업 대상물에 프레스공정을 행하여 사각 모양의 단면 형상을 이루고 상기 트레일링암이 결합되는 안착홈부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 강성부는 파이프 모양의 작업 대상물에 프레스공정을 행하여 단면 형상이 '∧'모양으로 절곡되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 돌출부는 상기 강성부의 상면이 상기 연결부의 상면과 비교하여 높게 절곡되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 돌출부는 상기 강성부의 하면이 상기 연결부의 상면과 비교하여 높게 절곡되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 돌출부는 상기 트레일링암 높이의 15~18%에 해당하는 높이로 돌출되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 차량용 토션빔은 제작공정이 진행되는 동안 토션빔의 중앙부에 소형변형이 집중되므로 토션빔의 제작이 완료된 후에 하단부가 외측 방향으로 벌어지는 스프링백 현상이 감소되어 정확한 형상의 토션빔을 제작할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 차량용 토션빔은 전단중심이 트레일링암의 상면과 비교하여 상측에 위치되므로 차량이 선회할 때에 토우인 각도가 증가되어 롤언더스티어가 개선되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔이 설치되는 현가장치가 도시된 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔이 설치되는 현가장치가 도시된 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔과 트레일링암의 연결부위가 도시된 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔이 도시된 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔이 도시된 단면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 A-A선 단면도이다.
도 7은 도 4에 도시된 B-B선 단면도이다.
도 8은 도 4에 도시된 C-C선 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔의 돌출부 높이에 따른 토우인 각도 변화가 도시된 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔의 돌출부 높이에 따른 횡강성 변화가 도시된 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 차량용 토션빔의 일 실시예를 설명한다.

이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.

그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔이 설치되는 현가장치가 도시된 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔이 설치되는 현가장치가 도시된 정면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔(100)이 설치되는 현가장치는 승용 후륜 현가계에서 널리 사용되는 반독립형 현가계로서, 좌우에 전후방향으로 트레일링암(82)이 배치되고, 트레일링암(82)의 중앙부에서 좌우 트레일링암(82)을 횡방향으로 연결하는 토션빔(100)이 설치된다.

트레일링암(82)의 앞쪽에는 부싱을 장착하기 위한 부싱파이프와 스프링시트 (84), 댐퍼브래킷(86) 및 스핀들브래킷(88)이 설치된다.

토션빔(100)은 트레일링암(82) 앞쪽에 있는 부싱을 통해 차체와 연결되고, 차량의 조종안정성 개선을 위해 차량의 횡방향과 부싱의 축방향에 약간의 틸팅각을 부여하여 횡력에 의한 토우아웃을 감소시킨다.

토션빔(100)은 적절한 굽힘강성과 비틀림강성이 요구되는데, 굽힘강성은 차량이 고속으로 선회할 때에 타이어에서 받는 코너링포스(cornering force)를 지지하기 위해 요구되는 강성이고, 비틀림강성은 차량에 과도한 롤각이 발생하는 것을 억제하기 위해 요구되는 강성이다.

본 실시예의 토션빔(100)은 파이프 모양의 작업 대상물에 프레스공정을 행하여 이루어지는 튜뷸러(tubular)빔이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔과 트레일링암의 연결부위가 도시된 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔이 도시된 정면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔이 도시된 단면도이다.

또한, 도 6은 도 4에 도시된 A-A선 단면도이고, 도 7은 도 4에 도시된 B-B선 단면도이고, 도 8은 도 4에 도시된 C-C선 단면도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔의 돌출부 높이에 따른 토우인 각도 변화가 도시된 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔의 돌출부 높이에 따른 횡강성 변화가 도시된 그래프이다.

도 3 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔(100)은 트레일링암(82)과 결합되는 연결부(10)와, 트레일링암(82)으로부터 전달되는 외력에 대한 비틀림강성을 결정하고 돌출부(50)를 구비하는 강성부(30)와, 연결부(10)와 강성부(30)를 일체로 연결하는 가변부(70)를 포함한다.

연결부(10)는 파이프 모양의 작업 대상물에 프레스공정을 행하여 사각 모양의 단면 형상을 이루고 트레일링암(82)이 결합되는 안착홈부(12)가 형성된다.

안착홈부(12)에 트레일링암(82)을 삽입하고 연결부(10)와 트레일링암(82)의 접촉부위를 용접하면 사각 모양의 단면 형상을 이루는 연결부(10)의 단부가 트레일링암(82)의 둘레면에 접합된다.

따라서 연결부(10)의 상면(32)은 트레일링암(82)의 상면과 거의 유사한 높이를 이루게 되고, 연결부(10)의 하면(34)은 트레일링암(82)의 하면과 거의 유사한 높이를 이루게 된다.

강성부(30)는 파이프 모양의 작업 대상물에 프레스공정을 행하여 단면 형상이 '∧'모양으로 절곡되어 이루어지고, 도 8에 도시된 바와 같이 상면(32)과 하면(34)이 거의 밀착되게 배치된다.

따라서 강성부(30)는 제1경사면(36)과 제2경사면(38)이 형성되고, 제1경사면(36)과 제2경사면(38) 사이에는 곡선으로 이루어지는 원호부가 형성된다.

제1경사면(36)과 제2경사면(38)의 연장선의 교차점이 전단중심(G)을 이루게 되며, 전단중심(G)이 높이에 따라 롤센터의 높이가 결정되며, 롤센터는 높을수록 차량의 롤링이 감소되는 효과가 나타나게 된다.

가변부(70)는 강성부(30)와 연결부(10) 사이의 연결부위에 응력이 집중되는 것을 억제하기 위해 강성부(30)와 연결부(10)를 완만한 곡선으로 연결시키는 부분이다.

돌출부(50)는 강성부(30)의 상면이 연결부(10)의 상면과 비교하여 높게 절곡되어 이루어지므로 돌출부(50)를 이루는 강성부(30)의 상면은 연결부(10)의 상면 및 트레일링암(82)의 상면과 비교하여 높게 위치하게 된다.

돌출부(50)가 형성되어 강성부(30)의 상면(32)이 상승되면 제1경사면(36) 및 제2경사면(38)의 경사 각도가 상승되므로 제1경사면(36)의 연장선과 제2경사면(38)의 연장선 사이의 교차점에 형성되는 전단중심(G)도 상승된다.

따라서 토션빔(100)의 전단중심(G)이 상승되고, 차량의 롤센터 또한 상승되어 차량의 롤링이 감소되는 효과가 나타나게 된다.

또한, 돌출부(50)는 강성부(30)의 하면(34)이 연결부(30)의 상면과 비교하여 높게 절곡되어 이루어지므로 강성부(30)의 하면에 의해 계산되는 전단중심(G) 및 롤센터가 상승되므로 차량의 롤링이 보다 효과적으로 감소됨을 알 수 있다.

돌출부(50)의 높이(h)는 트레일링암(82) 높이(H)의 15~20%에 해당하는 높이로 돌출되는 것이 바람직하다.

이는 돌출부(50)의 높이(h)를 단계적으로 높이면서 토션빔(100)의 비틀림강성 및 횡강성을 측정하여 얻어진 실험치에 의한 범위이다.

도 9를 참조하면, 차량이 고속으로 선회할 때 차체는 원심력에 의해 바깥쪽으로 기울어지는 롤(roll)이 발생하게 되는데, 차량에 롤이 발생하면 토션빔(100)의 좌우 휠의 중심이 서로 반대방향으로 운동한다.

이때, 토션빔(100)의 전단중심이 높아지면 휠의 상측으로 롤링될 때에 토우인 (toe-in)각이 증가하여 롤언더스티어가 향상되는 효과가 나타나게 된다.

도 9에 도시된 그래프는, 본 실시예의 토션빔(100)과 종래 기술의 토션빔의 롤링 조건에서 휠의 중심 수직변위와 토우인 각도를 비교한 것이다.

도 9에 도시된 바와 같이 동일한 휠의 중심 수직변위에 대하여 본 실시예의 토션빔(100)은 종래 기술의 토션빔과 비교하여 양의 토우각, 즉, 토우인 각도가 약 2배 정도 증가함을 알 수 있다.

이는 본 실시예의 토션빔(100) 전단중심(G) 높이가 종래 기술에 따른 토션빔(100)의 전단중심(G)과 비교하여 높기 때문에 롤언더스티어가 개선되는 것이다.

도 10을 참조하면, 돌출부(50)의 높이(h)를 단계적으로 높이면서 토션빔(100)의 횡강성을 측정한 결과, 돌출부(50)의 높이(h)를 단계적으로 증가시키면 토션빔(100)의 횡강성이 선형적으로 감소됨을 알 수 있다.

돌출부(50)의 높이가 0일 때 토션빔(100)의 횡강성을 100%라고 가정하면 돌출부(50)의 높이(h)가 트레일링암(82)의 높이(H)의 20%에 해당되는 경우에 토션빔(100)의 횡강성이 10% 감소하게 된다.

상기한 바와 같이 도 9 및 도 10에 도시된 그래프를 종합하여 판단하면 돌출부(50) 높이(h)가 트레일링암(82) 높이(H)의 20%를 초과하면 토션빔(100)의 횡강성이 90% 미만으로 작아지기 때문에 트레일링암(82)으로부터 전달되는 횡방향의 외력에 의해 토션빔(100)이 변형되거나 파손되는 문제가 발생될 수 있다.

또한, 돌출부(50) 높이(h)가 트레일링암(82) 높이(H)의 15% 미만인 경우에는 휠의 수직변위에 대한 토우인 각도의 증가량이 작으므로 롤언더스티어가 개선되지 않게 되므로 돌출부(50) 높이(h)는 트레일링암(82) 높이(H)의 15~20% 내에 포함되는 것이 바람직함을 알 수 있다.

또한, 차량이 고속으로 선회할 때 차체는 전후 현가계의 롤센터 높이를 지나는 축을 중심으로 회전하는 롤운동이 발생하게 된다.

차량의 질량중심은 전후 현가계를 연결한 선보다 높게 위치하기 때문에 후륜 토션빔(100)의 롤센터를 높게 하면 차량질량의 원심력에 의한 모멘트를 줄이는 효과가 나타나므로 차체의 롤각(roll angle)이 감소하게 된다.

롤센터의 높이는 이론적으로 강성부(30) 단면의 전단중심(G)과 트레일링암(82) 부시중심의 상대 높이차에 비례하므로 돌출부(30) 높이(h)가 트레일링암(82) 높이(H)의 18%를 이루도록 형성되면 토션빔(100)의 롤센터 높이는 약 14% 증가하게 된다.

여기서, 전단중심(G) 및 부시중심으로부터 롤센터의 높이를 산출하는 방법은 당업자가 용이하게 실시할 수 있는 것이므로 구체적인 산출방법은 생략하기로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 토션빔의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

토션빔(100)을 제작할 때에 강성부(30)는 파이프 형상의 작업 대상물에 프레스공정이 이루어져 상면(32)과 하면(34)이 거의 접촉되는 '∧'모양의 단면을 이루게 된다.

이때, 강성부(30)의 상면(32) 및 하면(34)이 상측으로 볼록하게 돌출되는 돌출부(50)가 형성되므로 강성부(30)의 상부에 소성변형이 집중된다.

상기한 바와 같이 강성부(30)의 상부에 집중되는 소성변형에 의해 강성부(30)의 하단부를 내측 방향으로 모으는 응력이 발생되므로 토션빔(100)의 제작이 완료된 후에 강성부(30)의 양측 하단부가 외측 방향으로 벌어지는 스프링백 현상을 방지할 수 있게 된다.

이렇게 제작된 토션빔(100)이 차량의 후륜 현가계에 설치되면 차량이 선회하가 불균일한 노면을 주행하는 경우에 토션빔(100)의 돌출부(50)에 의해 전단중심(G)이 상승된 상태이므로 차량의 롤센터가 상승된 상태를 이루고 토우인 각도가 증가되어 차량의 롤링을 감소시키게 된다.

따라서 차량이 선회하는 경우에 운전자나 탑승자가 느끼는 쏠림현상이 감소되고, 차량이 불균일한 노면을 주행할 때에 차량의 롤링이 감소되므로 승차감이 향상되는 효과가 나타나게 된다.

이로써, 토션빔을 제작할 때에 나타나는 스프링백 현상을 감소시키고 차량이 선회할 때에 발생되는 롤언더스티어를 개선하고 불균일한 노면을 주행할 때에 차량의 롤링을 감소시킬 수 있는 차량용 토션빔을 제공할 수 있게 된다.

본 발명은 도면에 도시되는 일 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

또한, 차량용 토션빔을 예로 들어 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 차량이 아닌 다른 제품에도 본 발명의 토션빔이 사용될 수 있다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

10 : 연결부 12 : 안착홈부
30 : 강성부 32 : 상면
34 : 하면 36 : 제1경사면
38 : 제2경사면 50 : 돌출부
70 : 가변부 82 : 트레일링암
84 : 스프링시트 86 : 댐퍼브래킷
88 : 스핀들브래킷 100 : 토션빔

Claims (6)

1. 트레일링암과 결합되는 연결부;
   상기 트레일링암으로부터 전달되는 외력에 대한 비틀림강성을 결정하고 돌출부를 구비하는 강성부; 및
   상기 연결부와 상기 강성부를 일체로 연결하는 가변부를 포함하고;
   상기 강성부는 파이프 모양의 작업 대상물에 프레스공정을 행하여 단면 형상이 '∧'모양으로 절곡되어 이루어지고;
   상기 돌출부는 상기 강성부의 상면이 상기 연결부의 상면과 비교하여 높게 절곡되어 이루어지고;
   상기 돌출부는 상기 강성부의 하면이 상기 연결부의 상면과 비교하여 높게 절곡되어 이루어지고;
   상기 돌출부는 상기 트레일링암 높이의 15~18%에 해당하는 높이로 돌출되고;
   상기 돌출부는 상기 상면과 상기 하면이 밀착되는 것을 특징으로 하는 차량용 토션빔.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 연결부는 파이프 모양의 작업 대상물에 프레스공정을 행하여 사각 모양의 단면 형상을 이루고 상기 트레일링암이 결합되는 안착홈부가 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 토션빔.
   
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