KR20030018552A - 차량 현가장치용 스프링의 설계방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량 현가장치용 스프링의 설계방법에 관한 것으로, 스프링상수와 형상과 같은 정적인 요소를 고려함과 더불어 쇽업소버의 댐퍼계수 및 외력 작용각과 같은 동적인 요소를 함께 고려하여 스프링 사양을 결정하여 실차에 가장 적합한 스프링을 설계함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 차량에 적용되는 쇽업소버에 따른 스프링의 정 하중 실험인자를 결정한 후, 이 정 하중 실험인자들을 적용하여 주응력(Y)과 전단응력(t)을 결정한 상태에서 내구 시험로 주행데이터를 이용해 주행내구력과 사양내구력을 산출한 다음, 이어 이 정하중인자를 바탕으로 동하중인자를 결정하여 주응력(Y)과 전단응력(t)을 결정하고 다시 주행내구력과 사양내구력을 산출한 후, 상기 정·동 하중 실험인자의 변경 여부를 판단하여 최종적인 스프링 사양을 결정하고 이에 따라 설계하는 것을 특징으로 한다.

Description

차량 현가장치용 스프링의 설계방법{The spring design method of an automotive suspension}

본 발명은 차량 현가장치용 스프링의 설계방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실제 차량에서 발생되는 외력에 의한 변화를 고려하여 실제 가해지는 응력을최소화할 수 있도록 된 차량 현가장치용 스프링의 설계방법에 관한 것이다.

일반적으로, 차량의 현가 장치 중 쇽 업소버는 노면으로부터 오는 진동을 흡수하며 각종 부품들이 받는 충격을 완충시켜 차량의 승차감을 결정할 뿐만 아니라 차체의 선회 시 쏠림을 방지하고 스테빌라이저(Stabilizer)와 함께 평형을 유지하는 기능을 하게 된다.

이러한 쇽업소버에는 도 1에 도시된 바와 같이, 차량의 범프(Bump)와 리바운드(Rebound)시 발생되는 충격을 직접 받아 압축·인장을 반복하면서 전달되는 충격을 흡수하는 스프링이 쇽업소버에 구비된 어퍼·로워시트사이에 안착되는데, 이와 같이 어퍼·로워시트사이에 안착되어 지속적으로 압축·인장을 반복하는 특성상 특히 로워시트에 안착되는 권취부위(S)에 집중적으로 주응력과 전단응력이 발생되고 이에 따라, 상기 권취부위(S)가 상대적으로 타 부위에 비해 쉽게 변형되거나 심할 경우 파손되는 현상이 있게 된다.

이와 같은 현상의 가장 큰 이유는 상기 스프링의 설계 시 실제 차량에서 발생되는 작용을 고려하지 않고 즉, 차량에 직접 장착되어 외력을 받는 동(Dynamic)적인 상태를 고려하지 않고 스프링에서 받는 하중을 이론적으로 가정하는 정(Static)적인 상태만을 고려하여 스프링의 상수와 기타 제원을 결정하는 방식으로 설계하기 때문인데, 이와 같은 정적인 상태만을 고려하게 되면 실제 차량의 주행 중에 받는 하중상태를 고려하지 않아 스프링의 강도와 내구성이 예상과 일치하지 않는 한계성을 갖기 때문이다.

이에 따라, 차량의 주행 중 지속적으로 하중을 받는 스프링의 강도와 내구성을 높여 설계치와 실제 적용치와의 차이를 줄임은 물론 가해지는 외력에 의한 응력을 최소화할 수 있는 스프링 설계방법이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 것으로, 스프링상수와 형상과 같은 정적인 요소를 고려함과 더불어 쇽업소버의 댐퍼계수 및 외력 작용각과 같은 동적인 요소를 함께 고려하여 스프링 사양을 결정하여 실차에 가장 적합한 스프링을 설계함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 차량에 적용되는 쇽업소버에 따른 스프링의 정 하중 실험인자를 결정한 후, 이 정 하중 실험인자들을 적용하여 주응력과 전단응력을 결정한 상태에서 내구 시험로 주행데이터를 이용해 주행내구력과 사양내구력을 산출한 다음, 이어 이 정하중인자를 바탕으로 동하중인자를 결정하여 주응력과 전단응력을 결정하고 다시 주행내구력과 사양내구력을 산출한 후, 상기 정·동 하중 실험인자의 변경 여부를 판단하여 최종적인 스프링 사양을 결정하고 이에 따라 설계하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 차량 현가장치용 스프링의 사시도

도 2는 본 발명에 따른 스프링의 설계 순서도

도 3은 본 발명에 따른 정하중인자에서 스프링의 주응력 선도

도 4는 본 발명에 따른 정하중인자에서 스프링의 전단응력 선도

도 5는 본 발명에 따른 정하중인자에서 스프링의 주응력과 전단응력 선도

도 6은 본 발명에 따른 동하중인자에서 스프링의 주응력 선도

도 7은 본 발명에 따른 동하중인자에서 스프링의 전단응력 선도

도 8은 본 발명에 따른 정하중인자에서 스프링의 주응력과 전단응력 선도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 스프링의 설계 순서도를 도시한 것인바, 본 발명은 차량에 적용되는 쇽업소버에 따른 스프링의 정 하중 실험인자를 결정한 후, 이 정하중 실험인자들을 적용하여 주응력(Y)과 전단응력(t)을 결정한 상태에서 내구 시험로 주행데이터를 이용해 주행내구력과 사양내구력을 산출한 다음, 이어 이 정하중인자를 바탕으로 동하중인자를 결정하여 주응력(Y)과 전단응력(t)을 결정하고 다시 주행내구력과 사양내구력을 산출한 후, 상기 정·동 하중 실험인자의 변경 여부를 판단하여 최종적인 스프링 사양을 결정하고 이에 따라 설계하게 된다.

이하 이와 같은 설계방법을 상세히 설명한다.

먼저, 적용되는 차량의 운동상태를 고려하여 결정된 스프링의 기본설계사양에서 정하중 실험인자를 결정한다.

여기서, 기본설계사양은 스프링강성과 스프링자유고, 스프링선경, 스프링좌권부권수, 스프링 피치유효값, 스프링밀착고등과 같은 스프링의 형상과 제원에 대한 것이며, 이는 수학식에 의해 결정되므로 이에 대한 수식은 설명하지 않는다.

또한, 상기 정하중 실험인자는 기본설계사양 중 스프링강성(G)과 스프링자유고(H), 스프링선경(d), 스프링좌권부권수(E)만으로 결정하게 된다.

이어, 상기 정하중 실험인자가 결정되면 이론적으로 작용되는 하중값을 적용하여 주응력(Y)과 전단응력(t)을 산출하게 되는데, 이는 도 3에 도시된 바와 같이 정하중 실험인자에 대한 주응력(Y)의 선도와 도 4에 도시된 바와 같이 정하중 실험인자에 대한 전단응력(t)의 선도가 서로 유사해질 때까지 반복 수행하게 된다.

이후, 상기 정하중 실험인자에 대한 주응력(Y)과 전단응력(t)이 서로 유사한 관계를 나타내면 내구시험로 주행 데이터를 이용하여 스프링에 대한 주행내구력과 사양 내구력을 산출하게 되고, 이에 따른 결과가 도 5에 도시된 바와 같이주응력(Y)과 전단응력(t)이 서로 비례관계를 나타내지 않는 경우에는 다시 기본설계사양을 재결정하게 된다.

이어, 상기 정하중 실험인자가 주응력(Y)과 전단응력(t)이 서로 비례관계를 나타내게 되면 이를 바탕으로 동하중실험인자를 결정하게 되는데 이때, 상기 동하중실험인자는 스프링자유고(H)와 스프링선경(d), 스프링좌권부권수(E), 쇽업소버댐핑계수(D) 및 하중입력각(a)으로 결정하게 된다.

이후, 상기 동하중 실험인자가 결정되면 이론적으로 작용되는 하중값을 적용하여 주응력(Y)과 전단응력(t)을 산출하고, 이와 같이 산출된 결과가 도 6에 도시된 바와 같이 동하중 실험인자에 대한 주응력(Y)의 선도와 도 7에 도시된 바와 같이 동하중 실험인자에 대한 전단응력(t)의 선도가 서로 유사해질 때까지 반복 수행하게 된다.

이어, 상기 동하중 실험인자에 대한 주응력(Y)과 전단응력(t)이 서로 유사한 관계를 나타내면 다시 내구시험로 주행 데이터를 이용하여 스프링에 대한 주행내구력과 사양 내구력을 산출하게 되고, 이에 따른 결과가 도 8에 도시된 바와 같이 주응력(Y)과 전단응력(t)이 서로 완만한 곡선을 나타내는 비례관계를 갖게 되면 이에 따라, 스프링의 사양과 제원을 상세하게 결정하여 설계를 완성하게 된다.

한편, 상기 내구시험로 주행 데이터를 이용한 스프링에 대한 주행내구력과 사양 내구력을 산출 결과에 따른 주응력(Y)과 전단응력(t)이 서로 완만한 곡선을 나타내는 비례관계를 갖지 않는 경우에는 다시 기본설계사양과 정하중실험인자 및 동하중실험인자 중 어느 하나를 재결정하여 전술한 과정을 반복 수행하게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 스프링의 정 하중 실험인자에 대한 주행내구력과 사양내구력을 산출해 나타난 결과를 이용해 다시 동하중인자를 결정하여 재차 주행내구력과 사양내구력을 산출하여 스프링의 사양을 결정하므로 실제 차량의 주행 중에 받는 하중상태에 따른 최적의 스프링의 강도와 내구성을 갖도록 설계할 수 있는 효과가 있게 된다.

또한 본 발명은 스프리으이 설계시 정하중과 동하중을 고려하므로 차량의 주행 중 지속적으로 하중을 받는 스프링의 강도와 내구성을 최적으로 높여 설계치와 실제 적용치와의 차이를 줄이면서도 가해지는 외력에 의한 응력을 최소화할 수 있는 스프링을 설계할 수 있는 효과가 있음은 물론이다.

Claims (3)

1. 적용되는 차량의 운동상태를 고려하여 결정된 스프링의 기본설계사양에서 정하중 실험인자를 결정하여 이론적으로 작용되는 하중값을 적용하여 주응력(Y)과 전단응력(t)의 실험 선도가 서로 유사해질 때까지 반복 수행하는 정하중실험단계,

   상기 정하중 실험인자에 대한 주응력(Y)과 전단응력(t)이 서로 유사한 관계를 나타내면 내구 시험로 주행 데이터를 이용하여 스프링에 대한 주행내구력과 사양 내구력을 산출하여 주응력(Y)과 전단응력(t)이 서로 비례관계를 나타낼 때까지 반복 수행하는 정적내구실험단계,

   상기 정하중 실험인자에 쇽업소버와 가해지는 하중상태를 고려한 동하중실험인자를 결정하여 이론적으로 작용되는 하중값을 적용하여 주응력(Y)과 전단응력(t)의 실험선도가 서로 유사해질 때까지 반복 수행하는 동하중실험단계,

   상기 동하중 실험인자에 대한 주응력(Y)과 전단응력(t)이 서로 유사한 관계를 나타내면 다시 내구시험로 주행 데이터를 이용하여 스프링에 대한 주행내구력과 사양 내구력을 산출하여 주응력(Y)과 전단응력(t)이 서로 완만한 곡선을 나타내는 비례관계를 나타낼 때까지 반복 수행하여 스프링의 사양을 결정하는 동적내구실험단계로 이루어진 차량 현가장치용 스프링의 설계방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 정하중 실험인자는 기본설계사양 중 스프링강성(G)과스프링자유고(H), 스프링선경(d), 스프링좌권부권수(E)만으로 결정되는 것을 특징으로 하는 차량 현가장치용 스프링의 설계방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 동하중실험인자는 스프링자유고(H)와 스프링선경(d), 스프링좌권부권수(E), 쇽업소버댐핑계수(D) 및 하중입력각(a)으로 결정되는 것을 특징으로 하는 차량 현가장치용 스프링의 설계방법.