KR101389284B1 - 쇽 업소버 이물 실드 - Google Patents

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테네코 오토모티브 오퍼레이팅 컴파니 인코포레이티드
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Abstract

쇽 업소버 피스톤 로드의 진동을 억제하도록 설계된 동적 흡진기를 포함하는 쇽 업소버. 동적 흡진기는 댐핑 질량을 포함하는데, 댐핑 질량을 이물 실드로 구성하여 쇽 업소버를 오염으로부터 보호한다.
Figure R1020097019457
현가시스템, 댐퍼, 업소버, 동적 흡진기, 공진주파수, 피스톤 로드,

Description

쇽 업소버 이물 실드{Shock Absorber Dirt Shield}
본 발명은 차량 현가시스템에 이용하는 댐퍼 또는 쇽 업소버에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 차량 객실에 전달되는 진동 및/또는 소음을 감소시키도록 동적 흡진기(dynamic vibration absorber)를 포함하는 댐퍼 또는 쇽 업소버에 관한 것이다.
본 난에 기재하는 것은 본 기술에 관한 배경정보를 제시하는 것뿐이고 선행기술을 구성하지 않을 수 있다.
쇽 업소버는 자동차 현가시스템 및 다른 차량 현가시스템들과 함께 이용되어 차량의 운행 중 발생하는 불필요한 진동을 흡수한다. 이 불요 진동을 흡수하기 위해서, 쇽 업소버들은 차량의 스프링상 질량(sprung mass: 차체)과 스프링하 질량(unsprung mass: 현가시스템) 사이에 연결된다. 피스톤이 쇽 업소버의 압력튜브 내에 위치되면서 차량의 스프링상 질량에 연결된다. 이 압력튜브는 차량의 스프링하 질량에 연결되고 보통 유압작동유로 채워져 있다. 쇽 업소버가 압축 또는 신장될 때 피스톤은 압력튜브 내 유압작동유의 흐름을 제한할 능력을 갖기 때문에 쇽 업소버는 진동에 반작용하는 감쇠력을 발생시킬 수 있는 것이며 그러한 진동은 감 쇠가 없었다면 현가장치(스프링하 질량)에서 차체(스프링상 질량)로 전달되었을 것이다.
종래의 듀얼 튜브 쇽 업소버는 피스톤을 내설한 압력튜브와 압력튜브를 둘러싼 저장튜브를 포함한다. 피스톤 로드가 피스톤에 연결되고 또한 압력튜브 및 저장튜브의 상단부를 통해 뻗어있다. 압력튜브의 하단부에서 베이스 밸브가 압력튜브와 저장튜브 사이에 위치된다. 베이스 밸브는 압력튜브로 정해지는 작동 챔버와 저장튜브로 정해지는 저장챔버 사이에서 유체 흐름을 제어한다. 감쇠력의 생성은 여러 통로로 흐르는 유체의 유동을 제한하는 것과 피스톤 내 밸브작동을 통해 작동챔버 내부의 피스톤의 양단부 사이에서 유체의 통과를 조절하는 것과 또한 유체의 유동을 제한하는 것과 베이스 밸브 내 밸브작동을 통해 작동챔버와 저장챔버 사이 베이스 밸브의 양단부 사이에서 유체의 통과를 조절하는 것에 의하여 이루어진다.
피스톤 로드가 피스톤의 한편에만 위치된 것 때문에 압축(compression) 행정과 신장(rebound) 행정에서 변위되는 유체량이 서로 다르게 된다. 이러한 유체량 차이를 로드 체적(rod volume)이라 칭한다. 이 로드 체적만큼의 유체가 압축행정 동안에 압력튜브로부터 밀려나와 베이스 밸브를 통과해서 저장튜브로 들어간다.
피스톤 로드는 그 하단부 측이 피스톤에 의하여 지지되고 로드 가이드(rod guide)에 의하여 쇽 업소버의 상단부 측에 슬라이딩 가능하게 수용된다. 따라서 로드 가이드는 로드를 위해 슬라이드 베어링의 기능을 한다. 로드 가이드는 피스톤 로드를 압력튜브 안에 정위치시키고 압력튜브와 저장튜브 모두를 위한 밀폐부재로 작용한다. 피스톤 로드가 로드 가이드를 통하여 부드러운 슬라이딩이 되도록, 로드 가이드의 베어링부분의 내측연과 피스톤 로드의 외주연 사이에 약간의 간격이 형성된다. 이 약간의 간격은 유압 작동유로 하여금 피스톤 로드와 로드 가이드 사이의 경계면을 윤활하도록 해준다.
현가시스템은 승용차에서 내부구조로 인해 발생하는 소음의 중요한 원인이다. 쇽 업소버가 일으키는 고주파 힘(50-1000 Hz)은 쇽 업소버 레벨에서 전혀 또는 거의 들리지 않는다. 유압 천이, 즉 체크밸브들의 개폐 및 다양한 부품 간의 마찰이 대부분 이와 같은 비선형 행동의 핵심 요인이다.
이들 진동은 차체를 통하여 전달되고 국부적으로 이들 진동은 플로어 팬(Floor Pan), 프레임 기타 다양한 국부 구조물에서 감쇠된다. 그렇게 되면 이 구조물들은 대부분 150-300 Hz 주변에 위치되는 통상 저주파의 "노킹(knocking)" 잡음을 발생시킨다. 천이에 기인한 이 "노킹" 잡음은 일반적으로 덜그럭 또는 킥킥 잡음(chuckle noise)으로 알려져 있다.
쇽 업소버의 탑 마운팅(top mounting)은 쇽 업소버와 차체 사이의 고무 인터페이스이고 이 마운트는 상기한 진동을 충분히 여과해야 하도록 되어있다. 최적의 소음진동(NVH: noise, vibration, harshness) 성능에는 고주파수에서 낮은 동적 강성이 필요하다. 그러나, 이 성능요건은 핸들링, 스티어링 및 브레이크 작동처럼 높은 정적 강성이 필요한 경우에서의 준정적(quasi static) 성능에 따라야 하는 것이다.
문제의 핵심 요인은 불충분 댐핑 쇽 업소버 피스톤 로드로 판별되었다. 피스톤 로드는 로드 질량, 톱 마운트 동적 강성 및 댐퍼 오일 압축성에 의해 결정되는 150-400 Hz 범위의 공진으로 진동한다. 도 6은 어느 쇽 업소버의 스프링-질량-댐퍼 시스템에 대한 기계적 등가 도면이다. 도 6에서와 같이, 실제로 2개 등급의 자유(진동질량 2개)가 있다. 첫째 것은 피스톤 로드, 둘째 것은 하나 또는 복수의 댐퍼 튜브이다. 그러나, 피스톤 로드가 전달하는 힘이 최고값이므로 이 공진이 가장 우세하게 된다. 로드 공진 주파수를 구하는 공식은 다음과 같다:
Figure 112009057320897-pct00001
여기(excitation)를 일으키는 것은 유압 천이, 체크밸브들의 개폐 및 쇽 업소버 운동 천이점들에서의 마찰인데, 이것들이 압력파를 발생시킨다. 이들 압력파는 피스톤 로드 몸체를 여기시켜 고유 공진값으로 진동하게 한다. 블리드(bleed)에 의한 내적 유압댐핑은 최종적인 피스톤 로드 가속레벨과 전달된 힘을 저하시킨다. 도 7은 특정 쇽 업소버의 공진 시뮬레이션 값과 계측값을 도시한다. 도 7은 공진주파수가 약 320 Hz에 위치한 것을 보여준다. NVH 성능을 향상시키기 위해 이 공진주파수를 감축하거나 제거하는 것이 바람직하다.
본 기술은 쇽 업소버의 피스톤 로드용으로 튜닝된 동적 흡진기를 제공한다. 이 튜닝된 동적 흡진기는 특정 공진주파수에서 진동을 억제하는 유효하고 쉬운 방안이다. 튜닝된 동적 흡진기는 단순한 스프링/질량 시스템을 더함으로써 1차 시스템의 공진을 억제하도록 설계된다. 부가 시스템의 스프링상수와 질량 선택은, 이 시스템이 "문제" 시스템의 공진주파수와 동일한 공진주파수를 가져야 한다. 쇽 업소버용 이물 실드를 튜닝된 동적 흡진기가 되도록 설계한다.
그 밖의 응용분야는 여기 제시되는 설명으로부터 명확할 것이다. 설명과 특정사례는 예시 목적일 뿐 본 기술의 범위를 제한하려는 의도가 아니다.
도면과 설명은 예시 목적일 뿐 본 기술의 범위를 제한하려는 의도가 아니다.
도 1은 본 기술에 따른 튜닝된 동적 흡진기를 포함하는 쇽 업소버들을 포함하는 자동차의 대략사시도.
도 2는 본 기술에 따른 튜닝된 동적 흡진기를 포함하는 쇽 업소버의 측면 부분단면도.
도 3은 도 2의 튜닝된 동적 흡진기의 확대단면도.
도 4는 쇽 업소버와 동적 흡진기의 등가 기계 시스템 도면.
도 5는 피스톤 로드와 동적 흡진기의 공진을 나타내는 그래프.
도 6은 동적 흡진기 없는 쇽 업소버의 등가 기계 시스템 도면.
도 7은 동적 흡진기가 없는 경우 피스톤 로드의 공진을 나타내는 그래프.
이하의 설명은 일반적인 원리를 설명하기 위한 것이고 본 기술, 응용 또는 용법을 제한하는 의미로 해석되어서는 안 된다.
상이한 도면에 걸쳐서 동일한 참조부호가 동일 또는 대응부분을 나타냄을 고려하고 도 1을 참조하면, 본 기술에 따른 동적 흡진기를 포함하는 쇽 업소버들을 채용한 차량을 전체적으로 부호 10으로 나타낸다. 차량(10)은 뒷 현가시스템(12), 앞 현가시스템(14) 및 차체(16)를 포함한다. 뒷 현가시스템(12)은 한 쌍의 후륜(18)을 작동 관계로 지지하게 된 한 쌍의 뒷 현가 암(arm)을 포함한다. 각각의 뒷 현가 암은 쇽 업소버(20)와 코일 스프링(22)에 의하여 차체(16)에 부착된다. 비슷하게, 앞 현가시스템(14)은 한 쌍의 전륜(24)을 작동 가능하게 지지하게 된 한 쌍의 현가 암을 포함한다. 각 현가 암은 쇽 업소버(26)와 코일 스프링(28)에 의하여 차체(16)에 부착된다. 뒷 쇽 업소버(20)들과 앞 쇽 업소버(26)들은 차량(10)의 스프링하 부분(unsprung portion), 즉 앞뒤 현가시스템(12, 14)이 차량(10)의 스프링상 부분(sprung portion), 즉 차체(16)에 대하여 상대운동하는 것을 감쇄시키는 역할을 한다. 차량(10)을 설명할 때 앞뒤 독립 현가시스템(12, 14)을 갖는 승용차인 것으로 설명하였으나 쇽 업소버(20 및 26)들은 다른 유형의 현가장치와 스프링들을 갖는 다른 차량에도 사용 가능하고 공기 스프링, 판 스프링, 비독립 앞 현가시스템 및/또는 비독립 뒷 현가시스템을 채용하는 차량 외 다양한 차량을 포함하는 다양한 응용처에도 사용 가능하다. 또한, 여기서 사용하는 "쇽 업소버"는 일반적으로 댐퍼를 의미하고 그에 따라 맥퍼슨 스트러트, 스프링 시트(seat) 유닛과 이 분야에서 알려진 다른 쇽 업소버 디자인을 포함한다.
이제 도 2를 참조하면, 뒷 쇽 업소버(20)를 더욱 자세히 볼 수 있다. 도 2가 뒷 쇽 업소버(20)만을 보여주고 있으나, 앞 쇽 업소버(26)도 본 기술에 따른 동적 흡진기를 포함하도록 설계된다는 점을 지적한다. 앞 쇽 업소버(26)가 뒷 쇽 업소버(20)와 다른 단 한 가지는 차량(10)의 스프링상 부분과 스프링하 부분에 연결되는 방식에 있다. 쇽 업소버(20)는 압력튜브(30), 피스톤 조립체(32), 피스톤 로 드(34), 저장튜브(36) 및 베이스 밸브 조립체(38)를 포함한다.
압력튜브(30)는 작동챔버(42)를 형성한다. 피스톤 조립체(32)는 압력튜브(30) 안에 슬라이딩 가능하게 배치되고 작동챔버(42)를 상측 작동챔버(44)와 하측 작동챔버(46)로 분할한다. 실(seal)(48)은 피스톤 조립체(32)와 압력튜브(30) 사이에 배치되어 피스톤 조립체(32)가 압력튜브(30)에 대해 심한 마찰력을 발생시킴 없이 슬라이딩 운동하도록 하는 동시에 상측 작동챔버(44)를 하측 작동챔버(46)로부터 밀봉한다. 피스톤 로드(34)는 피스톤 조립체(32)에 부착되고 상측 작동챔버(44)를 통과하며 더 나아가 압력튜브(30)와 저장튜브(36) 양자의 상단부를 밀폐하는 상측 로드 가이드(50)를 관통하여 연장한다. 실링 시스템(52)은 로드 가이드(50), 저장튜브(36) 및 피스톤 로드(34) 사이의 경계를 밀봉한다. 피스톤 로드(34)의 피스톤 조립체(32) 반대측 단부는 차량(10)의 스프링상 부분에 고정되게 되어 있다. 피스톤 조립체(32) 내에서의 밸브작동이 피스톤 조립체(32)의 압력튜브(30) 내 이동 중 상측 작동챔버(44)와 하측 작동챔버(46) 사이 유체 이동을 제어한다. 피스톤 로드(34)가 상측 작동챔버(44)를 관통하지만 하측 작동챔버(46)를 지나지는 않기 때문에 피스톤 조립체(32)가 압력튜브(30)에 상대 이동하는 것이 상측 작동챔버(44)에서의 유체변위량과 하측 작동챔버(46)에서의 유체변위량을 비교할 때 차이를 발생시키게 된다. 이 유체변위량 차이가 로드(rod) 체적과 같고 이는 밸브 조립체(38)를 통하여 흐른다.
저장튜브(36)는 압력튜브(30)를 둘러싸고 양 튜브 사이에 저장챔버(54)를 형성한다. 저장튜브(36)의 하단부는 차량(10)의 스프링하 부분에 연결되는 말단 캡(56)으로 밀폐된다. 저장튜브(36)의 상단부는 그 열린 단부를 기계적으로 변형하여 보유플랜지(58)를 형성하는 방법으로 상측 로드 가이드(50)에 부착된다. 베이스 밸브 조립체(38)는 하측 작동챔버(46)와 저장챔버(54) 사이에 배치되어 유체, 즉 로드 체적만큼의 유체의 흐름을 제어한다. 쇽 업소버(20)가 길어지면(신장: rebound), 하측 작동챔버(46)에 추가의 유량이 필요해진다. 따라서, 유체는 저장챔버(54)에서 베이스 밸브 조립체(38)를 통해 하측 작동챔버(46)로 흐르게 된다. 쇽 업소버(20)가 짧아지면(압축), 여분의 유체가 하측 작동챔버(46)에서 제거되어야 한다. 따라서, 유체는 하측 작동챔버(46)에서 베이스 밸브 조립체(38)를 통해 저장챔버(54)로 흐르게 된다. 신장행정 가운데 쇽 업소버(20)의 댐핑특성은 피스톤 조립체(32)에서의 밸브작동에 의하여 제어되고 압축행정 가운데 쇽 업소버(20)의 댐핑특성은 베이스 밸브 조립체(38)에서의 밸브작동에 의하여 제어된다.
동적 흡진기(70)는 피스톤 로드(34)에 부착되어 피스톤 로드(34)의 진동을 그 공진주파수에서 억제한다. 동적 흡진기(70)는 피스톤 로드(34)를 물과 다른 오염물로부터 보호하고 차폐하는 이물 실드로서도 기능한다. 동적 흡진기(70)는 댐핑질량(72), 캡(74), 리테이너(76) 및 한 쌍의 엘라스토머 마운트(elastomeric mount)(78)를 포함한다.
댐핑질량(72)은 쇽 업소버(20)를 위한 이물 실드를 형성하는 컵형 요소이다. 도 3에서 컵형 댐핑질량(72)의 바닥(80)은 피스톤 로드(34)와 캡(74)이 관통하는 구멍(82)을 형성한다. 컵형 댐핑질량(72)의 환형벽(84)은 바닥(80)에서부터 축 방향으로 연장하여 저장튜브(36)와 피스톤 로드(34)를 덮는다.
도 2와 3에 나타낸 것과 같이 캡(74)에 의하여 환형몸체(86)가 형성되어 피스톤 로드(34)의 측면으로 뻗어 내려가고, 상측 플랜지(88)가 형성되어 환형몸체(86)로부터 방사상 안쪽으로 뻗어 피스톤 로드(34)의 어깨와 접하고, 하측 플랜지(90)가 형성되어 환형몸체(86)로부터 방사상 바깥으로 뻗어 컵형 댐핑질량(72) 안에서 바닥(80) 아래쪽 위치로 도달한다. 차량 조립시에는 준비된 쇽 업소버용 상측 마운트가 상측 플랜지(88)와 결합하여 동적 흡진기(70)를 피스톤 로드(34)에 고정시킨다.
리테이너(76)는 암나사가 있는 환형벽(92)과 환형벽(92)에서 방사상 바깥으로 뻗은 플랜지(94)를 형성한다. 환형벽(92)의 암나사는 캡(74)의 환형몸체(86) 상 숫나사와 나사결합한다. 리테이너(76)가 캡(74)과 나사결합하는 것으로 설명되었으나 리테이너(76)가 캡(74)에 부착되는 방식은 당업자에 알려진 다른 어느 방식으로든지 가능하다. 캡(74)과 리테이너(76)는 리텐션 메커니즘을 형성하여 댐핑 질량(72)을 피스톤 로드(34)에 고정시킨다.
하나의 엘라스토머 마운트(78)는 리테이너(76)의 플랜지(94)와 댐핑질량(72)의 바닥(80) 사이에 위치된다. 다른 엘라스토머 마운트(78)는 댐핑질량(72)의 바닥(80)과 캡(74)의 하측 플랜지(90) 사이에 위치된다. 엘라스토머 마운트들(78)을 오-링으로 도시하였으나 엘라스토머 마운트(78) 하나 또는 둘 모두를 특정 성능요건에 맞게 임의의 형태로 만드는 것은 본 기술의 범위 내에 있다.
동적 흡진기(70)는 피스톤 로드(34)의 진동을 억제하는 부가 질량을 제공한다. 댐핑 질량(72)은 한 쌍의 엘라스토머 마운트(78)를 이용하여 캡(74)으로부터 분리된다. 엘라스토머 마운트(78)의 압축비가 프리로드(preload)를 결정하고 그로 인하여 동적 흡진기(70)의 강성을 결정한다. 따라서, 동적 흡진기의 튜닝은 엘라스토머 마운트(78)에 걸리는 프리로드 변경, 엘라스토머 마운트(78)의 디자인 변경 및/또는 엘라스토머 마운트(78)의 재료 변경에 의하여 달성할 수 있다. 엘라스토머 마운트(78)는 또한 시스템에 추가적 댐핑을 제공하여 공진이 유입되는 것을 억제하는 추가의 장점을 보여준다.
동적 흡진기(70)는 특정 공진주파수에서 진동을 억제하는 효율적이고 용이한 방법이다. 동적 흡진기(70)는 단순한 스프링/질량 시스템을 더해줌으로써 1차 시스템의 공진을 억제하도록 튜닝된다. 부가 시스템의 스프링상수와 질량 튜닝은, 이 시스템의 자체 공진주파수가 피스톤 로드(34)의 공진주파수와 같도록 이루어져야 한다. 도 4는 도 6의 쇽 업소버의 시스템 등가구성도에 동적 흡진기(70)를 더한 것이다. 도 4에서, 시스템은 하부 마운트 부싱을 매우 단단한 것으로 가정하여 생략하는 방법으로 단순화되었다.
피스톤 로드 공진은 다음 등식의 세트로 계산될 수 있다.
Figure 112009057320897-pct00002
Km, Kd 및 KDVA는 각각 상측 마운트, 쇽 업소버(20) 및 동적 흡진기(70)의 복소 동적 강성(complex dynamic stiffness)이다. Mrod and MDVA는 피스톤 로드(34) 및 동적 흡진기(70)의 모드질량(modal mass)이다.
동적 흡진기(70)는 그 공진주파수가 피스톤 로드(34)의 주파수와 같도록 설 계된다. 따라서,
Figure 112009057320897-pct00003
그 결과가 도 7의 단일 공진최대값이 두 최대값으로 분할되는 양상으로 나타난다. 동적 흡진기(70)를 포함하는 쇽 업소버의 시뮬레이션 및 계측 공진값을 도시하는 도 5에 나타낸 것과 같이 하나의 최대값은 단일 공진최대값보다 작고 다른 최대값은 이 공진최대값보다 커진다.

Claims (16)

  1. 유체챔버를 형성하는 압력튜브;
    상기 유체챔버 내에 배치되어 상기 유체챔버를 상부 작동챔버와 하부 작동챔버로 분할하는 피스톤 조립체;
    상기 피스톤 조립체에 부착되고 상기 압력튜브의 일단부를 통해 상기 피스톤으로부터 연장된 피스톤 로드; 및
    상기 피스톤 로드에 결합되는 리텐션 메커니즘, 댐핑 질량, 및 상기 댐핑 질량과 상기 리텐션 메커니즘 사이에 배치되어 상기 댐핑 질량과 상기 리텐션 메커니즘이 직접 접촉하지 못하게 하는 엘라스토머 부재를 포함하여 상기 피스톤 로드에 부착된 동적흡진기를 포함하되,
    상기 리텐션 메커니즘은 상기 피스톤 로드에 부착된 캡 및 상기 캡에 부착된 리테이너를 포함하고,
    상기 캡에 부착되는 상기 댐핑 질량은 상기 엘라스토머 부재에 결합하는 바닥 및 상기 바닥에 부착된 환형벽을 포함하는 컵 형으로 형성되어, 상기 바닥과 상기 엘라스토머 부재 사이의 결합으로만 상기 댐핑 질량이 부착되며,
    상기 엘라스토머 부재는 상기 리테이너와 상기 댐핑 질량 사이에 배치되는 제1 엘라스토머 마운트 및 상기 댐핑 질량과 상기 캡 사이에 배치되는 제2 엘라스토머 마운트를 포함하는 쇽 업소버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 동적 흡진기의 공진 주파수가 상기 피스톤 로드의 공진 주파수와 같은 쇽 업소버.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 댐핑 질량이 상기 쇽 업소버의 이물 실드를 포함하는 쇽 업소버.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리테이너가 상기 캡과 움직일 수 있게 결합하고, 이 움직일 수 있는 결합에 의해 상기 리테이너와 상기 캡 사이에 조정 메커니즘이 형성되는 쇽 업소버.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 리테이너가 상기 캡과 나사산으로 결합하는 쇽 업소버.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압력튜브 둘레로 배치되는 저장튜브로서, 상기 압력튜브와 상기 저장튜브 사이에 저장챔버를 형성하는 저장튜브; 및 상기 유체챔버와 상기 저장챔버 사이에 배치된 베이스 밸브 조립체를 더 포함하는 쇽 업소버.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 동적 흡진기의 공진 주파수가 상기 피스톤 로드의 공진 주파수와 같은 쇽 업소버.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 댐핑 질량이 상기 쇽 업소버의 이물 실드를 포함하는 쇽 업소버.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 리테이너가 상기 캡과 움직일 수 있게 결합하고, 이 움직일 수 있는 결합에 의해 상기 리테이너와 상기 캡 사이에 조정 메커니즘이 형성되는 쇽 업소버.
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