KR20080008468A - 차량 현가장치의 댐퍼 사이드 로드 상쇄를 위한 코일스프링 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량 현가장치의 댐퍼 사이드 로드 상쇄를 위한 코일 스프링 구조에 관한 것으로서, 사이드 로드가 발생하는 쪽의 선경(와이어 직경)이 반대쪽에 비해 상대적으로 굵은 구조로 되어 있는 바, 스프링력이 스프링 시트에 구배를 가지면서 분포하게 될 때 발생하는 모멘트가 사이드 로드를 유발하는 모멘트를 적절히 상쇄시켜 주게 됨으로써, 기존 현가장치에서 사이드 로드에 의한 여러 문제점, 즉 사이드 로드의 계속적인 인가에 따른 현가장치의 변형 및 내구성 문제를 해결할 수 있고, 승차감과 선회 안정성이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 차량 현가장치의 댐퍼 사이드 로드 상쇄를 위한 코일 스프링 구조에 관한 것이다.

차량, 현가장치, 맥퍼슨, 코일 스프링, 사이드 로드, 비대칭 선경 구조

Description

차량 현가장치의 댐퍼 사이드 로드 상쇄를 위한 코일 스프링 구조{Coil spring structure for offsetting damper side load in suspension of vehicle}

도 1은 맥퍼슨 스트럿형 현가장치의 구체적인 구성을 나타내는 도면,

도 2는 맥퍼슨 스트럿형 현가장치의 사이드 로드를 설명하기 위한 도면,

도 3은 맥퍼슨 스트럿형 현가장치에서 채용되고 있는 종래의 코일 스프링 구조를 도시한 도면,

도 4는 본 발명에 따른 차량 현가장치의 코일 스프링 구조를 나타낸 도면,

도 5는 본 발명에 따른 코일 스프링에서 굵기가 굵은 쪽의 선경과 가는 쪽의 선경에 대해 간단히 설명하기 위한 참고도,

도 6은 기존 코일 스프링과 본 발명의 코일 스프링에 대해 작용효과를 비교하여 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 코일 스프링

본 발명은 차량 현가장치의 댐퍼 사이드 로드 상쇄를 위한 코일 스프링 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존 현가장치에서 사이드 로드에 의한 여러 문제점, 즉 사이드 로드의 계속적인 인가에 따른 현가장치의 변형 및 내구성 문제를 해결할 수 있고, 승차감과 선회 안정성이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 차량 현가장치의 댐퍼 사이드 로드 상쇄를 위한 코일 스프링 구조에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에 있어서의 현가장치는 차축과 프레임 사이를 연결하고, 차의 중량을 지지하면서 주행중 노면으로부터 받는 진동과 충격을 흡수하여 승차감과 자동차의 선회 안전성을 향상시키는 장치이다.

현가장치는 독립 현가장치와 일체식 현가장치로 분류될 수 있는데, 본 발명은 전자의 독립 현가장치에 주로 적용되는 맥퍼슨 스트럿형 현가장치에 관계하며, 이러한 맥퍼슨 스트럿 현가장치는 더블 위시본 타입의 현가장치와는 달리 어퍼 컨트롤 아암(upper control arm)이 없이 스트럿이 축하중을 지지하는 방식으로 되어 있다.

통상, 맥퍼슨 스트럿형 현가장치에는 차축과 차체 사이에 장착되는 쇽 업소버와, 쇽 업소버의 외주연에 장착되어 충격 완화 작용을 하는 코일 스프링이 구비되며, 코일 스프링은 스프링 어퍼 시트와 스프링 로워 시트와의 사이에 설치된다.

이러한 맥퍼슨 스트럿형 현가장치의 구체적인 구성은, 도 1에 도시한 바와 같이, 차축(미도시)과 차체 사이에 장착되는 쇽 업소버(1)와, 쇽 업소버(1)의 외주연에 장착되어 충격 완화 작용을 하는 코일 스프링(4)을 포함한다.

상기한 쇽 업소버(1)는 차축에 연결되는 실린더(2b)와, 차체에 연결되는 피스톤 로드(2a)로 구성된다.

그리고, 상기 코일 스프링(4)은 피스톤 로드(2a)의 상부 외주연에 장착되는 스프링 어퍼 시트(5a)와, 실린더(2b)의 외주연에 장착되는 스프링 로워 시트(5b)와의 사이에 설치된다.

상기와 같이 구성되는 맥퍼슨 스트럿형 현가장치는 쇽 업소버(1;즉, 댐퍼)의 굽힘 강성을 높게 하여 암의 역할을 가능하게 한 것으로, 경량이면서 원가저하를 달성하기에 적합하다.

한편, 현가장치는 지면에 대하여 수직으로 설치되어 있지 않고, 도 2에 도시된 바와 같이, 일정한 각도로 기울어져 설치되어 있게 되므로, 현가장치에 하중(L)이 인가되면, 댐퍼 사이드 로드(SL)가 필연적으로 인가된다.

따라서, 차량의 범프시에 쇽 업소버(댐퍼)가 댐퍼 사이드 로드에 의해 피스톤 로드 가이드와 피스톤 측에 측방향 힘을 받게 되면서 내구성 문제뿐만 아니라 승차감까지 떨어뜨리는 문제를 안고 있었다.

또한 댐퍼 사이드 로드의 계속적인 인가에 의해 현가장치의 변형이 발생되고, 이로 인해 차량의 승차감과 선회 안전성이 저하될 수 있다.

이에 댐퍼 사이드 로드를 상쇄할 수 있는 모멘트를 필요로 하며, 종래에 댐퍼 사이드 로드를 저감하기 위하여 여러 방식이 제안되었으나, 그 구조적인 한계 때문에 적용이 어려웠다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 사이드 로드가 발생하는 쪽의 선경(와이어 직경)이 반대쪽에 비해 상대적으로 굵은 구조로 되어 있는 바, 스프링력이 스프링 시트에 구배를 가지면서 분포하게 될 때 발생하는 모멘트가 사이드 로드를 유발하는 모멘트를 적절히 상쇄시켜 주게 됨으로써, 기존 현가장치에서 사이드 로드에 의한 여러 문제점, 즉 사이드 로드의 계속적인 인가에 따른 현가장치의 변형 및 내구성 문제를 해결할 수 있고, 승차감과 선회 안정성이 저하되는 문제를 해결할 수 있는 차량 현가장치의 댐퍼 사이드 로드 상쇄를 위한 코일 스프링 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 차량용 현가장치의 코일 스프링 구조에 있어서,

측면 상에서 볼 때 전체적으로 한쪽이 굵기가 굵은 쪽으로, 그 반대쪽이 굵기가 가는 쪽으로 형성된 비대칭 선경 구조를 가지며, 이러한 굵기 차이에 따라 스프링 시트에 분포되어지는 스프링력 구배에 기인한 모멘트가 현가장치의 사이드 로드를 상쇄할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 차량용 현가장치의 댐퍼 사이드 로드 상쇄를 위한 코일 스프링 구조를 제공한다.

여기서, 한쪽의 특정 지점에서 최소 굵기를, 반대쪽의 특정 지점에서는 최대 굵기를 가지면서 최대 굵기 위치에서 최소 굵기 위치로 가면서 코일의 굵기가 점차 감소했다가, 다시 최소 굵기 위치에서 최대 굵기 위치로 가면서 코일의 굵기가 점차 증가하는 구조를 가지며, 이러한 코일링 구조가 반복되면서 전체적으로 한쪽이 그 반대쪽에 비해 굵기가 굵게 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 최대 굵기의 한쪽 코일 직경이 최소 굵기의 반대쪽 코일 직경에 대하여 1.1/0.85배인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 설명하기 위한 비교 도면으로서 도 3은 기존 맥퍼슨 스트럿형 현가장치에서 채용되고 있는 종래의 코일 스프링 구조를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 현가장치의 코일 스프링 구조를 도시한 도면이다.

각 도면에서 상측의 도면은 평면도를, 하측의 도면은 측면도를 나타내며, 도면부호 11은 스프링 시트를 나타낸다.

도 3에 도시된 바와 같이 기존 현가장치에서 사용되고 있는 코일 스프링(10a)은 일정한 굵기(선경)를 가지고 있다.

반면, 본 발명에 따른 코일 스프링(10b)은 도 4에 나타낸 바와 같이 한쪽은 굵고 한쪽은 가늘게 코일링한 구조로 되어 있다.

즉, 도 4의 평면도에서 볼 때, 본 발명의 코일 스프링(10b)은 한쪽의 특정 지점(B)에서 최소 직경(굵기,선경)을, 반대쪽의 특정 지점(A,C)에서는 최대 직경(굵기,선경)을 가지며, 최대 직경 위치에서 최소 직경 위치로 가면서 코일의 굵기 는 점차 감소했다가, 다시 최소 직경 위치에서 최대 직경 위치로 가면서 코일의 굵기는 점차 증가하는 구조를 가진다.

다시 말해, 1회 코일링, 즉 1회 감겨질 때마다 도 4에 나타낸 바와 같이 코일 스프링의 굵기가 점차 감소했다가 다시 증가하는 구조로 되어 있으며, 이러한 코일링 구조가 반복되면서 도 4의 측면도에 나타낸 바와 같이 전체적으로 한쪽은 굵기가 굵은 쪽으로, 다른 쪽은 굵기가 가는 쪽으로 되어 있다.

도 4의 측면도를 참조하면, 본 발명에 따른 코일 스프링(10b)의 경우, 한쪽은 굵기가 모두 상대적으로 굵게 되어 있고, 반대쪽은 굵기가 모두 상대적으로 작게 되어 있는 비대칭 선경 구조임을 알 수 있다.

한편, 도 5는 본 발명에 따른 코일 스프링에서 굵기가 굵은 쪽의 선경과 가는 쪽의 선경에 대해 간단히 설명하기 위한 참고도로서, 도 5에 도시한 코일 스프링에 대하여 스프링을 구성하는 와이어(언코일 상태의 길이 2nπR)의 전체 스트레인 에너지는 다음의 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.

(1)

여기서,

이고,

이다.

그리고, 변형량 δ는 다음의 식(2)와 같이 나타낼 수 있다.

(2)

위의 식에서 보는 바와 같이, 스프링 강성은 선경의 4제곱에 비례한다.

따라서, 비대칭 선경을 구성하기 위해서는 이 공식을 따르면 되는데, 만약에 굵은 쪽이 기존 선경의 1.1배라면 동일한 강성을 맞추기 위해서는 가는 쪽은 0.85배 정도가 되어야 균일한 선경을 가지는 스프링과 등가강성을 가지게 된다.

도 6은 기존 코일 스프링과 본 발명의 코일 스프링을 비교하여 나타낸 도면으로서, 이는 본 발명의 코일 스프링(10b)을 적용할 경우 사이드 로드가 상쇄될 수 있음을 보여주는 도면이다.

본 발명의 코일 스프링(10b)은 우측에 나타낸 바와 같이 한쪽은 굵기를 굵게, 반대쪽은 굵기를 가늘게 코일링을 한다.

따라서, 기존 코일 스프링(10a)의 경우 범프시에 스프링력은 좌측 도면에 나타낸 바와 같이 스프링력에 스프링 시트(11)에 고루 퍼지면서 스프링력이 유발되지만, 본 발명의 코일 스프링(10b)에 따르면 우측 도면에 나타낸 바와 같이 스프링력이 스프링 시트(11)에 구배를 가지면서 분포하기 때문에 새로운 모멘트가 유발되게 된다.

이때, 사이드 로드를 유발하는 모멘트와 상반된 모멘트(도 6의 (b)에서 곡선의 화살표 방향)가 발생하게 되는데, 이와 같이 본 발명에 따른 코일 스프링 구조(10b)에서 추가적으로 발생하는 모멘트는 사이드 로드를 상쇄시켜 주는 역할을 하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 코일 스프링 구조에 의하면, 코일 스프링의 비대칭 선경 구조에 기인하는 모멘트에 의해 현가장치의 사이드 로드를 상세할 수 있는 바, 결국 이를 현가장치에 적용하는 경우 차량의 승차감과 선회 안전성을 향상시킬 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 차량 현가장치의 댐퍼 사이드 로드 상쇄를 위한 코일 스프링 구조에 의하면, 사이드 로드가 발생하는 쪽의 선경(와이어 직경)이 반대쪽에 비해 상대적으로 굵은 구조로 되어 있는 바, 스프링력이 스프링 시트에 구배를 가지면서 분포하게 될 때 발생하는 모멘트가 사이드 로드를 유발하는 모멘트를 적절히 상쇄시켜 주게 됨으로써, 기존 현가장치에서 사이드 로드에 의한 여러 문제점, 즉 사이드 로드의 계속적인 인가에 따른 현가장치의 변형 및 내구성 문제를 해결할 수 있고, 승차감과 선회 안정성이 저하되는 문제를 해결할 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 차량용 현가장치의 코일 스프링 구조에 있어서,

   측면 상에서 볼 때 전체적으로 한쪽이 굵기가 굵은 쪽으로, 그 반대쪽이 굵기가 가는 쪽으로 형성된 비대칭 선경 구조를 가지며, 이러한 굵기 차이에 따라 스프링 시트에 분포되어지는 스프링력 구배에 기인한 모멘트가 현가장치의 사이드 로드를 상쇄할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 차량용 현가장치의 댐퍼 사이드 로드 상쇄를 위한 코일 스프링 구조.
2. 청구항 1에 있어서, 한쪽의 특정 지점에서 최소 굵기를, 반대쪽의 특정 지점에서는 최대 굵기를 가지면서 최대 굵기 위치에서 최소 굵기 위치로 가면서 코일의 굵기가 점차 감소했다가, 다시 최소 굵기 위치에서 최대 굵기 위치로 가면서 코일의 굵기가 점차 증가하는 구조를 가지며, 이러한 코일링 구조가 반복되면서 전체적으로 한쪽이 그 반대쪽에 비해 굵기가 굵게 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 현가장치의 댐퍼 사이드 로드 상쇄를 위한 코일 스프링 구조.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 최대 굵기의 한쪽 코일 직경이 최소 굵기의 반대쪽 코일 직경에 대하여 1.1/0.85배인 것을 특징으로 하는 차량용 현가장치 의 댐퍼 사이드 로드 상쇄를 위한 코일 스프링 구조.

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