KR20020044445A - 자기유변유체를 이용한 쇽 업소버 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기유변유체를 사용하여 감쇠력을 조절할 수 있는 쇽 업소버를 개시한다.
본 발명은 점도 특성이 고정된 유체가 저장되는 제 1 실린더부(고정유체부)와 자기유변유체가 저장되는 제 2 실린더부로 구분되는 실린더 조립체와; 제 1 로드부, 제 2 로드부, 자기유변유체 챔버 및 가변유체 유입통로를 구비하는 피스톤 로드 조립체와; 자성재질로 이루어진 몸체부가 상기 제 2 로드부 하단에 결합되어 제 2 실린더 내부에서 섭동가능하도록 설치되며, 몸체부의 일단에 고정유체가 통과할 수 있는 고정유체 유로와 자기유변유체가 통과할 수 있는 자기유변유체 유로가 서로 독립되게 형성되며, 상기 자기유변유체 유로를 통과하는 자기유변 유체의 점성을 변화시킬 수 있도록 자기장 조절 수단이 설치됨으로써 감쇠력을 조절할 수 있는 자기유변유체와 일반 유체를 단일의 쇽 업소버에 적용함으로써 각각의 잇점을 동시에 활용할 수 있도록 하여 감쇠 성능 및 쇽 업소버의 기능성을 대폭적으로 향상시킬 수 있다.

Description

자기유변유체를 이용한 쇽 업소버{SHOCK ABSORBER USING MAGNETORHEOLOGICAL FLUID}
본 발명은 자기유변유체를 이용한 쇽 업소버에 관한 것으로, 감쇠력을 조절할 수 있는 자기유변유체와 유체의 기본 점성이 높아 감쇠 성능이 우수한 일반 유체를 단일의 쇽 업소버에 적용함으로써 각각의 잇점을 동시에 활용할 수 있도록 한 자기유변유체를 이용한 쇽 업소버에 관한 것이다.
현가장치는 주로 차체와 차축 사이에 설치되어 주행 중 노면으로부터 전달되는 충격이나 진동을 완화시켜 바퀴와 노면의 점착성을 향상시키고 승차감을 양호하게 해주는 장치이다.
특히, 쇽 업소버(shock absorber)는 노면에서 발생한 스프링의 자유진동을 흡수하여 승차감을 향상시키는 것으로, 스프링이 압축될 때에는 급격히 압축되고 늘어날 때는 유체의 저항력을 크게 하며 서서히 작동함으로서 스프링의 상하운동 에너지를 열에너지로 변환시키는 일을 한다.
쇽 업소버는 외부 입력에 관계없이 초기에 설정된 일정한 감쇠력만을 발생시키는 수동 쇽 업소버(passive shock absorber)와, 외부 입력의 변화에 따라 시스템의 감쇠력을 변화시킬 수 있는 반능동 쇽 업소버(semi-active shock absorber) 및 외부 입력에 대해 반작용력을 발생시켜 진동을 감소시키는 능동 쇽 업소버(active shock absorber)등이 있다.
이들 중에서, 성능 대 에너지 소비면을 고려하여, 근래에는 능동 쇽 업소버에 비해 성능은 떨어지지만, 적은 에너지로 수동 쇽 업소버보다 상당히 향상된 성능을 갖는 반능동 쇽 업소버의 연구와 노력이 진행 중이다.
이러한 연구와 노력의 일환으로 지능형 재료(smart material) 중에서 제어하기 쉬운 유체인 자기유변유체를 이용한 감쇠장치가 상당한 수준으로 개발되어 있다.
자기유변유체는 미소의 상자성 입자를 포함하는 비콜로이드 용액으로, 자기장을 인가하지 않을 경우 상온에서 0.20Pa-sec ∼ 0.30Pa-sec의 점성을 가지고 150㎄/m ∼ 250㎄/m(2kOe ∼ 3kOe)의 자기장이 가해지면 50㎪ ∼ 100㎪의 높은 항복 응력을 갖는다. 또한, 자기유변유체는 빠른 응답시간으로 자기 포화(magnetic saturation)에 의해 최대 항복 응력이 제한되며, 또한 -40℃ ∼ 150℃의 작동 범위와 유입되는 불순물에 대해서 상당히 둔감한 특성을 갖는다.
이런 특성을 갖는 자기유변유체는 자기장이 가해질 경우에 액체 상태에서 젤 상태로 변하면서 유체에 포함된 입자가 체인을 형성하게 되어 유체의 전단 항복 응력이 변화하게 된다. 즉, 자기장이 인가되지 않았을 때에는 뉴토니안 유체(newtonian fluid)의 거동을 나타내지만, 자기장이 인가되면 유체 중에 분산된 입자가 체인을 형성하게 되어 전단 변형률이 발생하지 않은 상태에서도 항복 응력을 가지며, 각속도의 증가에 따라서 소산되는 토크가 증가하는 빙햄 유체(bingham fluid)의 거동을 나타낸다.
도 1 및 도 2 는 종래의 자기유변유체를 이용한 쇽 업소버의 일예를 도시한단면도들이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 가늘고 긴 원통형의 실린더(1) 내부에 쇽 업소버의 감쇠력을 발생시키는 피스톤(2)이 설치되고, 피스톤(2)은 실린더(1) 상부를 관통하는 피스톤 로드(3)와 연결되어 있어 실린더(1)의 내벽을 따라 미끄러지면서 상하방향으로 이동할 수 있도록 되어 있다. 한편, 실린더(1) 내부에는 자기유변유체가 채워진다.
피스톤(2)은 스풀형상을 가지며, 상부와 하부에 각각 더 큰 직경의 플랜지부가 형성되어 있어 플랜지부 사이에 감기는 코일(4)을 수용할 수 있는 구조를 이루고 있다. 피스톤(2)은 통상적으로 저탄소강 등의 자성재료로 이루어진다. 한편, 가이드 레일(5)이 피스톤(2)의 외주연에 일정간격으로 결합된다. 피스톤(2)의 최대 직경은 실린더(1)의 내경보다 작게 형성되며, 가이드 레일(5)의 바깥표면이 실린더(1)의 내경에 접한다. 가이드 레일(5)은 비자성재료로 형성되며, 가이드 레일(5)에 의해 피스톤(2)과 실린더(1) 사이에는 갭이 형성되며, 이 갭이 피스톤(2)을 통과하는 자기유변유체의 유량을 제어하는 밸브 기능을 수행한다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 피스톤 로드 내부에는 중공부(6)가 형성되어 쇽 업소버 외부로부터 코일(4)에 전류를 인가하기 위한 전기적 연결수단들이 통과할 수 있도록 되어 있다.
이와 같이 구성된 종래의 자기유변유체를 이용한 쇽 업소버는 노면에서 발생한 스프링의 자유진동에 의해 스프링이 압축될 때에는 급격히 압축되고 늘어날 때는 자기유변유체의 저항력을 크게 하며 서서히 작동함으로서 스프링의 상하운동 에너지를 열에너지로 변환시키는 통상적인 감쇠기능을 수행하는 것과 더불어 코일(4)에 인가되는 전류의 양을 조절하여 피스톤(2) 주변에 형성되는 자기장을 가변시킴으로써 앞서 언급한 자기유변유체의 거동을 이용하여 감쇠특성을 가변시킬 수 있다.
그런데 이와 같은 자기유변유체를 이용한 쇽 업소버는 감쇠력을 조절할 수 있는 잇점이 있으나, 자기유변유체의 기본 특성이 현재 통상적으로 사용되고 있는 일반 유체의 기본 점성보다 취약한 특성을 나타내는 단점이 있으며, 특히 자기유변유체를 이용한 쇽 업소버는 감쇠성능 대비 경제성 측면에서 일반 쇽 업소버에 비해 떨어져 실용화하기에 어려운 단점이 있었다.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 감쇠력을 조절할 수 있는 자기유변유체와 유체의 기본 점성이 우수해 감쇠 성능이 우수한 통상적인 유체를 동시에 이용하여 감쇠 특성을 향상시킨 쇽 업소버를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 자기유변유체를 사용하여 감쇠력을 조절할 수 있는 쇽 업소버에 있어서, 점도 특성이 고정된 유체가 저장되는 제 1 실린더부(고정유체부)와 자기유변유체가 저장되는 제 2 실린더부로 구분되며, 제 1 실린더부(자기유변유체부) 보다 제 2 실린더부의 직경이 더 크게 형성되어 그 하부가 차축의 일단에 고정되는 실린더 조립체와; 실린더 조립체의 상부를 관통하여 차체의 일단에 고정되는 제 1 로드부와, 제 1 로드부와 일직선으로 형성되며 제 1 실린더부 내부에서 섭동가능하도록 설치되는 제 2 로드부와, 제 2 로드부 끝단에 결합되는 자기유변유체 챔버와, 제 2 로드부 내부에 길이방향으로 형성되는 가변유체 유입통로로 이루어진 피스톤 로드 조립체와; 자성재질로 이루어진 몸체부가 제 2 로드부 하단에 결합되어 제 2 실린더 내부에서 섭동가능하도록 설치되며, 몸체부의 일단에 고정유체가 통과할 수 있는 고정유체 유로와 자기유변유체가 통과할 수 있는 자기유변유체 유로가 서로 독립되게 형성되며, 자기유변유체 유로를 통과하는 자기유변 유체의 점성을 변화시킬 수 있도록 자기장 조절 수단이 설치되는 피스톤 조립체를 포함하는 자기가변 유체를 이용한 쇽 업소버를 제공한다.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
도 1은 종래의 자기유변유체를 이용한 쇽 업소버를 도시한 단면도,
도 2는 종래의 피스톤 및 피스톤 로드의 결합구조를 도시한 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 쇽 업소버를 도시한 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 피스톤 로드 조립체를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 피스톤 조립체를 도시한 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 피스톤 조립체의 다른 실시예를 도시한 단면도,
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 쇽 업소버의 작동을 도시한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20 ; 실린더 조립체 21 ; 제 1 실린더부
22 ; 제 2 실린더부 30 ; 피스톤 로드 조립체
31 ; 제 1 로드부 32 ; 제 2 로드부
33 ; 자기유변유체 챔버 34 ; 자기유변유체 유입통로
35 ; 단차부 40 ; 피스톤 조립체
41 ; 몸체부 42 ; 고정유체 유로
43 ; 자기유변유체 유로 44 ; 코일
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 쇽 업소버를 도시한 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 피스톤 로드 조립체를 도시한 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 피스톤 조립체를 도시한 단면도이며, 도 6은 본 발명에 따른 피스톤 조립체의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 쇽 업소버는 실린더 조립체(20), 피스톤 조립체(40) 및 피스톤 로드 조립체(30)로 구성된다.
본 발명에 따른 실린더 조립체(20)는 현재 일반적으로 사용하고 있는 유체즉, 점도 특성이 고정된 유체가 저장되는 제 1 실린더부(21)와, 자기유변유체 즉, 점도 특성을 임의로 조절할 수 있는 유체가 저장되는 제 2 실린더부(22)로 구분되어 있으며, 제 1 실린더부(21) 즉, 고정유체부(21)가 제 2 실린더부(22) 즉, 자기유변유체부(22)의 직경 보다 더 크게 형성된다. 또한, 고정유체부(21)와 자기유변유체부(22)는 서로 섞이지 않도록 기밀수단(23)에 의해 차단되어 있다.
한편, 실린더 조립체(20)의 바깥둘레를 따라 소정의 공간을 유지하도록 외통부(24)가 설치되고, 실린더 조립체(20)의 하부에는 고정유체부(21)의 유체가 감쇠작용시 외통(24)과 실린더 조립체(20) 사이의 공간으로 이동할 수 있도록 하는 통상적인 베이스 밸브(25) 구조를 갖는다. 그리고, 실린더 조립체(20)의 하부에는 통상적으로 차축과 결합시킬 수 있도록 차축 결합부(26)가 설치된다.
본 발명에 따른 피스톤 로드 조립체(30)는 실린더 조립체(20)의 상부를 관통하여 차체의 일단에 고정되는 제 1 로드부(31)와, 제 1 로드부(31)와 일직선으로 형성되며 제 2 실린더부(22) 내부에서 섭동가능하도록 설치되는 제 2 로드부(32)와, 제 2 로드부(32) 끝단에 결합되는 자기유변유체 챔버(33)와, 제 2 로드부(32) 내부에 길이방향으로 형성되는 자기유변유체 유입통로(34)로 이루어진다. 도시된 바와 같이, 제 2 로드부(32)의 직경은 제 2 실린더부(22)의 내경과 비슷하거나 약간 작게 형성되며, 제 1 로드부(31)는 제 2 로드부(32)의 직경보다 더 작게 형성되어 피스톤 로드 조립체(30)의 상하운동 시 제 2 실린더부(22)의 체적 변화가 일어난다.
한편, 자기유변유체 유입통로(34)는 제 2 실린더부(22)에 저장된 자기유변유체가 피스톤 조립체(40) 내부로 유입될 수 있도록 연결하는 통로역할을 하는 것으로, 제 1 로드부(31)와 제 2 로드부(32)의 직경차이에 의해서 형성된 단차부(35)에 일정한 간격으로 복수개 형성된다.
한편, 자기유변유체 챔버(33)는 제 2 로드부(32) 끝단부에 나사결합되어 피스톤 로드 조립체(30)와 함께 연동되며, 내부에 자기유변유체를 저장할 수 있는 공간부가 형성되어 있어 제 2 실린더부(22)가 압축될 때 자기유변유체가 상대적으로 압력이 낮은 자기유변유체 챔버(33)로 자기유변유체 유입통로(34) 및 피스톤 조립체(40)를 거쳐 저장될 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 피스톤 조립체(40)는 제 2 실린더부(22) 내부에서 섭동가능하도록 제 2 실린더부(22)의 내경과 비슷하거나 약간 적은 직경으로 몸체부(41)를 구비하며, 이 몸체부(41)는 제 2 로드부(32) 하단에 결합되어 제 2 로드부(32)와 자기유변유체 챔버(33) 사이에 위치된다. 또한, 몸체부(41)의 재질은 저탄소강 등과 같은 자성재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
이와 같은 몸체부(41)의 일단에는 고정유체가 통과할 수 있는 고정유체 유로(42)와 자기유변유체가 통과할 수 있는 자기유변유체 유로(43)가 서로 독립되게 형성되며, 몸체부(41)의 내부에는 자기유변유체 유로(44)를 통과하는 자기유변 유체의 점성을 변화시킬 수 있도록 자기장 조절 수단이 설치된다.
자기장 조절 수단은 통상적인 솔레노이드 구조를 통해 구현할 수 있다. 즉, 자성재질로 이루어진 몸체부(41)의 내부에 코일(44)을 감아 코일(44)에 인가되는 전류의 크기에 따라 자기장의 세기를 조절할 수 있다. 한편, 몸체부(41)의 외주연은 유체의 흐름을 차단하고 섭동면을 보호하기 위해 테프론 등의 재질로 된 통상적인 기밀 부재(45)가 결합된다. 따라서, 코일(44)에 인가되는 전류의 양에 따라 자기장의 세기가 조절되어 자기유변유체 유로(43)을 통과하는 자기유변유체의 점도 특성에 영향을 미치게 된다.
도 5는 본 발명에 따른 도 3의 A-A'선 단면도로서, 피스톤 조립체의 단면을 보인 것이다. 도시된 바와 같이, 피스톤 조립체(40)는 두께를 갖는 원판형상을 이루고 있으며, 중심부에는 제 2 피스톤 로드(32)의 끝단부가 관통 결합될 수 있는 구멍(46)이 형성되어 있으며, 중심으로부터 동일 반경상에 120도 간격으로 고정유체 유로(42)가 형성되어 있으며, 그 외곽부에 코일(44)이 동심원상으로 감겨져 있다. 그리고, 코일(44)의 바깥쪽으로 동심원상에 3개의 자기유변유체 유로(43)가 형성되어 있으며, 각 자기유변유체 유로(43)은 중심부에 형성된 구멍(46)과 통하도록 연결통로(47)가 마련되어 있다. 따라서, 제 2 피스톤 로드(32)에 형성된 자기유변유체 유입통로(34)와 연통된다. 한편, 고정유체 유로(42) 및 자기유변유체 유로(43)의 개수 및 형상은 필요에 따라 조정되거나 변경될 수 있다. 예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같이, 자기장의 영향을 극대화하기 위하여 자기유변유체 유로(48)의 형상을 슬롯형상으로 하는 것도 바람직하다. 한편, 미설명된 45는 피스톤 조립체(40)와 제 2 실린더부(22)의 내벽면 사이로 유체가 흐르는 것을 차단하고 섭동면을 보호하기 위해 결합되는 테프론 등의 재질로 된 통상적인 기밀 부재(45)이다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 쇽 업소버는 노면에서 발생한 스프링의 스프링의 상하운동 에너지를 열에너지로 변환시킬 때 점도 특성이 고정된 유체의 감쇠특성을 이용하는 것과 함께, 코일(44)에 인가되는 전류의 양을 조절하여 피스톤 조립체(40) 주변에 형성되는 자기장을 가변시킴으로써 자기유변유체 유로(43)를 통과하는 자깅유변유체의 점도 특성을 조절하여 감쇠특성을 조절하는 것이 가능하다.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 쇽 업소버의 동작을 도시한 단면도이다. 도 7은 쇽 업소버의 압축운동시의 거동이며, 도 8은 반대로 신장(리바운드)운동시의 거동이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 압축운동시 실린더 조립체(20)에 대해 피스톤 로드 조립체(30)가 상대적으로 상승됨에 따라 제 1 실린더부(31) 및 제 2 실린더부(32)의 체적이 줄어들면서 자기유변유체 및 고정유체는 각각 화살표방향으로 유출되면서 감쇠기능을 수행한다.
이때, 코일(44)에 일정한 양의 전류를 인가하면, 피스톤 조립체(40)의 몸체부(41)에 자기장이 형성되어 자기유변유체 유로(43)를 통과하는 자기유변유체의 점도 특성에 변화를 줄 수 있다. 즉, 코일(44)에 인가되는 전류의 양을 크게 할수록 자기유변유체의 점도는 높아져 감쇠력이 커지게 된다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 신장운동시 피스톤 로드 조립체(30)는 실린더 조립체(32)에 대해 상대적으로 하강됨에 따라 제 1 실린더부(31) 및 제 2 실린더부(32)의 체적이 늘어나면서 자기유변유체 및 고정유체는 각각 화살표 방향으로 유출되면서 감쇠기능을 수행한다.
이때, 코일(44)에 많은 양의 전류가 인가되어 있는 경우 몸체부(41)에 형성된 자기장의 세기가 커 자기유변유체 유로(43)를 통과하는 자기유변유체의 점도가 높아져 감쇠력이 커지게 된다.
이와 같은 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 쇽 업소버는 상대적으로 작은 직경을 가진 제 2 실린더부(22) 및 자기유변유체 챔버(33)에만 자기유변유체가 채워지므로 사용되어지는 고가의 자기유변유체의 양을 대폭적으로 감소시킬 수 있어 비용절감의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 현재까지 개발된 점도 특성이 고정된 우수한 유체를 이용해 쇽 업소버의 전반적인 감쇠특성을 높일 수 있으며, 자기유변유체는 차량의 주행조건 또는 운전자의 선택에 따라 감쇠특성을 조절할 수 있으므로 각각의 잇점을 동시에 활용할 수 있다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 감쇠력을 조절할 수 있는 자기유변유체와 일반 유체를 단일의 쇽 업소버에 적용함으로써 각각의 잇점을 동시에 활용할 수 있도록 하여 감쇠 성능 및 쇽 업소버의 기능성을 대폭적으로 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (1)

  1. 자기유변유체를 사용하여 감쇠력을 조절할 수 있는 쇽 업소버에 있어서,
    점도 특성이 고정된 유체가 저장되는 제 1 실린더부(고정유체부)와 자기유변유체가 저장되는 제 2 실린더부로 구분되며, 제 1 실린더부(자기유변유체부) 보다 제 2 실린더부의 직경이 더 크게 형성되어 그 하부가 차축의 일단에 고정되는 실린더 조립체와;
    상기 실린더 조립체의 상부를 관통하여 차체의 일단에 고정되는 제 1 로드부와, 제 1 로드부와 일직선으로 형성되며 상기 제 1 실린더부 내부에서 섭동가능하도록 설치되는 제 2 로드부와, 상기 제 2 로드부 끝단에 결합되는 자기유변유체 챔버와, 상기 제 2 로드부 내부에 길이방향으로 형성되는 가변유체 유입통로로 이루어진 피스톤 로드 조립체와;
    자성재질로 이루어진 몸체부가 상기 제 2 로드부 하단에 결합되어 제 2 실린더 내부에서 섭동가능하도록 설치되며, 상기 몸체부의 일단에 고정유체가 통과할 수 있는 고정유체 유로와 자기유변유체가 통과할 수 있는 자기유변유체 유로가 서로 독립되게 형성되며, 상기 자기유변유체 유로를 통과하는 자기유변 유체의 점성을 변화시킬 수 있도록 자기장 조절 수단이 설치되는 피스톤 조립체를 포함하는 자기가변 유체를 이용한 쇽 업소버.
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