KR20080015952A - 비대칭 판 스프링을 채용한 트럭 현가 장치 - Google Patents

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KR20080015952A
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애슬리 티. 더드딩
로렌스 에드워드 밀러
윌리엄 윌슨
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헨드릭슨 인터내셔널 코포레이션
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Abstract

도 2에 도시된 바와 같은 중공축(7)상에 차량 새시의 전후방향 연장 프레임 부재(6)를 지지하기 위한 본 발명의 현가 시스템(5)은 비대칭 판 스프링(8)의 단부를 선회가능하게 지지 또는 안내하기 위한 프레임 브라켓(18)과, 판 스프링의 후방 또는 미부 단부를 지지하기 위한 스프링 단부 지지부(17) 및 그 양 단부들의 중간 위치에 판 스프링을 부착하기 위한 조립체를 포함한다. 이 판 스프링은 축(7)의 중심선으로부터 대향 방향으로 연장하는 두 개의 캔틸레버 림(21, 22)으로 분할된다. 하나의 캔틸레버 림은 다른 캔틸레버 림 보다 현저히 두꺼운 두께를 가진다. 비대칭 판 스프링의 하나 이상의 판은 판 스프링의 전장에 걸쳐서 연장한다. 양호한 실시예에서, 보다 짧은 판은 축위 또는 그 일 측면 위 중 어느 한쪽에 공기 스프링(10)이 장착된 상태로 축 위로 연장하는 단부 부분을 가진다.
비대칭 판 스프링, 공기 스프링, 현가 시스템, 조향축, 중공축

Description

비대칭 판 스프링을 채용한 트럭 현가 장치{Truck suspensions incorporating asymmetric leaf springs}
본 발명은 일반적으로 트럭용 축(차축) 현가 장치(axle suspensions)의 신기술 및 개선에 관한 것으로, 특히, 축이 중공이고 용접에 의해 제조되는 트럭의 전륜 조향축용 현가 장치에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 후륜 축에도 적용될 수 있으며, 또한 주조 또는 단조된 중실형 축에도 적용될 수 있다. 본 발명의 모든 응용 분야들에서, 차량의 롤 안정성(roll stability)이 현저히 향상된다.
본 발명의 현가 장치는 전후 방향으로 연장하는 비대칭 판 스프링을 채용하며, 이 판 스프링의 일 단부는 새시의 실질적인 전후방향 연장 측면 프레임 부재상의 장착 브라켓(bracket)에 선회가능하게 부착되고, 그 대향 단부는 프레임 부재에 적절히 고정된다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "비대칭(asymmetric)"은 판 스프링의 캔틸레버 림(cantillever limb)의 상이한 길이를 나타내는 것이 아니며, 오히려 그 각각의 탄성율이 상이하다는 것을 나타낸다. 그 양 단부들의 중간 위치에서, 판 스프링은 축의 인접 단부에 적절히 장착된다. 필요시, 판 스프링에 의해 제공되는 탄성 지지력은 현가 장치에 공기 스프링을 채용하는 것에 의해 증가될 수 있고, 이에 의해 차량에 "무진동(air ride)" 특성을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 현가 장치에 사용되는 비대칭 판 스프링은 두가지 유형들로 이루어진다. 한가지 유형은 단부에서 단부까지 스프링의 전장에 걸쳐서 연장하는 하나 이상의 판과, 스프링 장착 브라켓에 선회가능하게 부착된 단부로부터 축까지 연장하는 하나 이상의 부가적인 보다 짧은 판을 조합한다. 이런 판 스프링의 예는 그 내용을 본 명세서에서 참조하고 있는 2000년 3월 10일자로 출원된 미국 특허 출원 제 09/522,585호에 기술되어 있다. 다른 유형의 스프링은 스프링의 전장에 걸쳐서 연장하는 테이퍼진 회선형(tapered convoluted) 단판 판 스프링을 채용하며, 이 판 스프링은 축으로부터 선회가능하게 부착된 단부까지 일 방향으로 연장하는 비교적 두꺼운 캔틸레버 림과, 축으로부터 그 대향 단부까지 반대 방향으로 연장하는 비교적 얇은 제 2 캔틸레버 림으로 형성되어 있다. 더 두꺼운 캔틸레버 림은 비교적 큰 탄성율을 가지며, 비교적 작은 탄성율과 실질적으로 적은 강성을 가지는 비교적 얇은 캔틸레버 림 보다 실질적으로 더 강성적이다. 이런 판 스프링의 예는 그 내용을 본 명세서에서 참조하고 있는 1999년 8월 17일자로 윌슨(Wilson)에게 허여된 미국 특허 제 5,938,221호에 기술되어 있다. 대안적으로, 상술한 미국 특허출원 제09/522,585에 기술된 바와 같이 양 형식들의 특징이 사용될 수 있다.
축의 일 단부상에서 하나의 측면 프레임 부재를 지지하는 차량의 일측면상의 현가 장치의 구조는 차량의 반대 측면상에서도 동일하게 되는 것을 이해하여야 한다.
양호한 실시예에서, 본 발명의 축 현가 장치는 비교적 경량이고 저비용이며 높은 롤 안정성을 가지는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명의 목적은 개괄적으로 기술하면, 높은 롤 안정성을 나타내고, 비교적 경량이면서 쉽게 이용가능한 구성요소들로 비교적 저비용으로 상업적으로 생산할 수 있는 축 현가 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 보다 구체적인 목적은 축에 장착된 판 스프링에 의해 제공되는 비틀림 작용에 대한 중공 축 본체의 높은 비틀림 강성을 조합하고, 하나의 캔틸레버 림이 다른 캔틸레버 림의 강성 보다 실질적으로 큰 강성, 바람직하게는 적어도 4 : 1의 비율의 강도를 가지는 캔틸레버 림을 조합함으로써, 경량이고, 저비용의 축 현가 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 특정의 다른 목적들은 첨부 도면을 참조로 하기의 상세한 설명을 통해 당업자들에 의해 명백히 이해될 것이다.
양호한 실시예에서, 본 발명의 축 현가 장치는 비교적 경량이고 저비용이며 높은 롤 안정성을 가지는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명은 개괄적으로 기술하면, 높은 롤 안정성을 나타내고, 비교적 경량이면서 쉽게 이용가능한 구성요소들로 비교적 저비용으로 상업적으로 생산할 수 있다.
또한, 본 발명은 축에 장착된 판 스프링에 의해 제공되는 비틀림 작용에 대한 중공 축 본체의 높은 비틀림 강성을 조합하고, 하나의 캔틸레버 림이 다른 캔틸레버 림의 강성 보다 실질적으로 큰 강성, 바람직하게는 적어도 4 : 1의 비율의 강도를 가지는 캔틸레버 림을 조합함으로써, 경량이고, 저비용의 축 현가 장치를 제공할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 축(axle;차축)(7)의 양 단부에 장착된 전후방향으로 연장하는 한 쌍의 새시 측면 프레임 부재(6-6)를 포함하는 현가 장치(5)가 도시되어 있다. 예로서, 축(7)은 트럭의 중공 조립식 전륜 조향 축일 수 있다. 새시는 전후방향으로 연장하는 복합 판 스프링(8-8) 및 한 쌍의 공기 스프링(10-10)에 의해 부분적으로 축(7)상에 지지되어 있다. 조립된 축(7)은 단면이 중공이며, 주조 또는 단조에 의한 중실형 단면 대신에 용접에 의해 조립되는 공지된 유형으로 이루어진다. 중공으로 인해, 조립된 축(7)은 비교적 저 중량을 고려할 때 높은 비틀림 저항을 갖는 것을 특징으로 한다. 후륜 구동축과 연계하여 사용되는 중공 축 하우징과 같은 다른 형태의 축들도 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
각각 전후방향 연장 스프링(8)은 비교적 두껍고 보다 짧은 판 스프링(12)과 비교적 얇은 전장 단판 판 스프링(11)의 조합으로 형성되며, 비교적 얇은 전장 단 판 판 스프링(11)은 인치당 약 0 내지 400 파운드의 강성을 가질 수 있고, 비교적 두껍고 보다 짧은 판 스프링(12)은 인치당 약 1000 파운드 이상의 강성을 가질 수 있지만, 전륜 캔틸레버 림(cantilever rimb)과 후륜 캔틸레버 림 사이에서 적어도 4:1의 강성 비율을 항상 유지한다. 판(12)은 일 단부에 아이(13; eye)가 형성되어 있고, 대향 단부에 편위 거양 플랫폼(offset raised platform)(14)이 형성되어 있으며, 편위 거양 플랫폼상에는 공기 스프링(10)들 중 하나가 장착되어 있다. 필요시, 플랫폼(14)은 축 클램핑 구조의 상단 패드(19)의 일부로서 형성될 수 있다. 전장 판 스프링(11)에는 일 단부에서 보다 짧은 판(12)상의 아이(13) 둘레를 둘러싸는 아이(15)가 형성되어 있다. 그 대향 단부에서, 전장 판 스프링(11)은 공지된 종래의 방식으로 샤클(17; shackle)의 일 단부에 선회가능하게 연결된 아이(16)가 형성되어 있다. 상호결합하는 아이(13 및 15)는 소위 "밀리터리 랩(military wrap)"을 구성하고, 이들은 프레임 부재(16)의 측면상에 그 상단부가 장착되는 브라켓(18)의 하단부에 선회가능하게 연결된다. 본 기술 분야에 널리 공지된 바와 같이, 밀리터리 랩 연결은 상호결합하는 스프링 아이들 중 하나가 소정의 이유로 파괴 또는 손상되는 경우에 여분(redundancy)을 제공한다.
플랫폼(14)이 그 위에 형성되어 있는 그 말단부에 인접하게, 비교적 두꺼운 판(12)과 전장 판(11)이 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은 공지된 축 클램핑 구조에 의해 축(7)에 장착되어 있다. 양호하게는, 각 공기 스프링(10)은 측면 프레임 부재(6)상에 장착된 브라켓(20)에 상부 단부가 부착된 상태로, 플랫폼(14)에 공지된 방식으로 장착된다. 대안적으로, 공기 스프링(10)은 도 3에 도시된 방식으로 축(7) 위에 직접적으로 장착될 수 있다. 그러나, 브라켓(18)의 반대측의 축(7)의 측면에 공기 스프링(10)을 플랫폼(14)상에 장착하는 것이 적합하며, 그 이유는 이것이 수직 하중을 지지하기 위해 공기 스프링에 대해 증가된 기계적 장점을 제공하기 때문이다.
도 1 및 도 2에 도시된 구성에서, 공기 스프링(10)과 도 2에 부호 21로 표시된 캔틸레버 림은 함께 새시를 위한 대부분의 수직 하중 지지력을 제공하는 한편, 도 2에 부호 22로 표시되고, 전장 판(11)에 형성된 캔틸레버 림은 수직 하중의 10% 이하의 지지력을 제공할 수 있다. 비교적 얇은 전장 판(11)의 주 기능은 현가 장치상의 측면 하중들에 반응하고, 여분을 제공하는 것이다. 이 2-부재 복합 스프링은 그 내용을 본 명세서에서 참조하고 있는 1999년 8월 17일자 윌슨의 특허 제5,938,221호에 기술된 것과 동일한 높은 비율 차별화를 가진다.
플랫폼(14)에 장착되어 전륜 조향 축(7)의 중심선으로부터 편위되어 있는 공기 스프링(10)을 가지는 도 1 및 도 2에 도시된 현가 장치는 축(7)이 전륜 조향축일 때, 조향 운동학에 양호한 결과를 제공한다. 따라서, 소위 "로스 라인(Ross line)"을 결정하는 "로스"점이라 지칭되는 공간의 가상 지점 둘레에 스프링이 존재한다는 것은 본 기술 분야에 널리 공지되어 있다. 로스점은 도 4에 부호 R로 표시되어 있으며, 로스 라인은 부호 RL로 표시되어 있다. 로스 라인은 가능한 평탄하고 길어야 하며, 로스 라인 형상은 차량의 항력 링크 형상(drag link geometry)에 일치되어야한다는 것은 공지되어 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 복합 스프링(8)이 하중을 받을 때, 공기 스프 링(10)은 축 중심 뒤에서 캔틸레버 형상이 된다는 사실은 림(11)이 캐스터(caster)를 향해 더 많이 회전하게 한다. 이는 길고 평탄한 로스 라인(RL)을 생성한다. 공기 스프링(10)이 도 3에 도시된 바와 같이 축(7) 위에 장착될 때, 로스 라인은 비교적 짧고 급격하며, 로스점은 스프링(8)의 아이의 내부(즉, 우측)에 위치된다.
공기 스프링(10)이 축(7)의 중심선 뒤에서 캔틸레버의 플랫폼(14)상에 장착되어 있는 도 1 및 도 2에 도시된 현가 장치 형상은 전후방향 연장 스프링(8)이 현존하는 차량 패키지에 설치되도록 설계될 수 있게 한다. 따라서, 스프링의 전방 아이(13, 15)는 현존하는 행거에 설치될 수 있다. 전방 캔틸레버 림(22), 후방 캔틸레버 림(21) 및 공기 스프링(10)상의 하중은 로스라인 특성이 차량의 현존하는 조향 연동부 설비와 일치하도록 조율될 수 있는 지점으로 최적화될 수 있다.
복합 스프링(8)이 상술한 몇가지 장점들을 제공하는 한편, 이들은 도 6 및 도 7에 도시된 테이퍼진 회선형 단판 판 스프링(25)으로 대체될 수 있다. 이 스프링(25)의 기능 및 구조는 그 내용을 본 명세서에서 참조하고 있는 1999년 8월 17일자로 허여된 미국 특허 제5,938,221호에 상세히 도시 및 기술되어 있다. 스프링(25)에는 장착 브라켓(18)에 부착될 수 있는 일 단부에 아이(26)가 형성되어 있다(도 2 및 도 3). 스프링(25)의 전방 캔틸레버 림(27)은 아이(26)로부터 스프링의 중앙부내에 위치된 개구(28)까지 연장한다. 도시된 바와 같이, 캔틸레버 림(27)은 아이(26)로부터 지점(28)까지 실질적으로 연속하는 방향으로 연장하며, 그래서, 림내에 어떠한 주름도 형성되지 않는다. 지점(28)으로부터 스프링의 단부(30)까지 연장하는 캔틸레버 림(31)이 도시되어 있다. 캔틸레버 림(31)은 지 점(28)으로부터 그 단부(30)까지 어떠한 주름도 그 안에 형성되지 않는 상태로 실질적으로 연속적인 방향으로 연장한다.
캔틸레버 림(27)은 축 영역(32)을 포함한다. 이 배치 영역은 판 스프링이 차량 새시 프레임에 연결될 때, 테이퍼진 회선형 판 스프링(25)의 최하점(28)을 포함한다.
캔틸레버 림(31)의 반전 원호부는 부호 33으로 표시되어 있다. 스프링(25)의 두께는 캔틸레버 림(27)에서 가장 크고, 캔틸레버 림(31)의 보다 얇은 두께까지 테이퍼 형성된다는 것을 주목하라. 단부(30)를 제외하면, 스프링(25)은 도 7에 도시된 바와 같이 균일한 폭을 가진다.
도 1은 한 쌍의 새시 측면 프레임 부재들이 공기 스프링과 조합되어 전후방향으로 연장하는 판 스프링에 의해 축상에 지지된 상태를 도시하는 본 발명의 양호한 실시예의 등각도.
도 2는 도 1에 도시된 현가 장치의 측면도.
도 3은 공기 스프링이 축 위에 직접적으로 장착되어 있는 도 1에 도시된 현가 시스템의 측면도.
도 4는 도 1 내지 도 3의 현가 장치에 채용된 전후방향 판 스프링의 조향 운동학을 예시하는 개략도.
도 5는 도 1 내지 도 3에 도시된 현가 장치에 채용된 전후방향 판 스프링의 측면도.
도 6은 도 1 내지 도 5의 복합 전후방향 판 스프링 대신에 도 1 내지 도 3의 현가 장치에 사용될 수 있는 테이퍼진 회선형 단판 판 스프링의 측면도.
도 7은 도 6에 도시된 스프링의 상면도.

Claims (9)

  1. 비틀림에 대해 강체이면서 중공인 차량의 축의 인접 단부상의 차량 새시의 일 측면상에서 전후방향으로 연장하는 프레임 부재를 지지하며, 차량의 반대쪽에도 복제되어 있는 현가 시스템으로서,
    스프링의 일 단부를 지지하기 위해 상기 프레임 부재상에 장착된 프레임 브라켓과,
    상기 스프링의 다른 단부를 지지하기 위해 상기 프레임 브라켓으로부터 이격된 관계로 상기 프레임 부재상에 장착된 스프링 단부 지지부와,
    상기 프레임 브라켓에 선회가능하게 부착된 일 단부와, 상기 스프링 단부 지지부에 연결된 그 대향 단부를 갖는 비대칭 판 스프링(asymmetric leaf spring)과,
    그 양 단부들의 중간 위치에서 상기 판 스프링을 상기 중공 축 단부에 부착하여, 상기 비대칭 판 스프링이 상기 중공 축의 중심선의 일 측면상의 제 1 캔틸레버 림(cantilever limb)과, 상기 중공 축 중심선의 대향 측면상의 제 2 캔틸레버 림으로 분할하는 수단을 포함하고,
    상기 캔틸레버 림들 중 하나가 다른 캔틸레버 림의 강성(stiffness) 보다 현저히 큰 강성을 가지는 현가 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 보다 큰 강성을 가지는 캔틸레버 림은 상기 다른 캔틸레버 림의 강성 보다 적어도 4배 이상의 강성을 가지는 현가 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 비대칭 스프링은 상기 스프링의 전장(full length)에 걸쳐서 연장하는 하나 이상의 판과, 상기 보다 큰 강성을 가지는 상기 캔틸레버 림의 하나의 판을 형성하는 하나 이상의 보다 짧은 판을 포함하는 현가 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 강성이 높은 캔틸레버 림의 단부는 상기 프레임 브라켓에 대한 밀리터리 랩(military wrap) 선회 부착부를 가지는 현가 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 보다 짧은 판은 상기 축에 인접한 상기 전장 판에 걸쳐서 연장하고 상기 프레임 브라켓 반대쪽의 그 측면상에서 연장하는 단부 부분과, 상기 단부 부분에 장착되어 상기 프레임 부재와 상기 단부 부분 사이에서 새시를 지지하는 관계로 연장하는 공기 스프링을 가지는 현가 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 보다 짧은 판상에 그리고 상기 축 단부에 걸쳐서 장착되고, 상기 비대칭 스프링과 상기 프레임 부재 사이에서 새시를 지지하는 관계로 연장하는 공기 스프링을 부가로 갖는 현가 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 비대칭 판 스프링은 상기 단부에서 상기 브라켓에 선회가능하게 부착된 아이(eye)를 가지는 테이퍼진 회선형 단판 판 스프링(tapered convolute single-leaf leaf spring)이고, 보다 큰 강성을 가지는 상기 캔틸레버 림의 단부가 되며,
    상기 캔딜레버 림은 그 내부에 주름을 형성하지 않고 상이 아이로부터 상기 축까지 실질적으로 연속적인 방향으로 연장하며,
    상기 캔틸레버 림의 나머지는 그 내부에 어떠한 주름도 형성하지 않고 상기 축으로부터 상기 스프링 단부 지지부까지 실질적으로 연속적인 방향으로 연장하며,
    상기 캔틸레버 림은 비교적 높은 탄성율을 가지는 보다 큰 강성을 가지며, 비교적 낮은 탄성율을 가지는 다른 캔틸레버 림 보다 실실적으로 두꺼운 현가 시스템.
  8. 차량의 축의 인접 단부상의 차량 새시의 일 측면상에서 전후방향으로 연장하는 프레임 부재를 지지하며, 차량의 대향 측면에도 복제되어 있는 현가 시스템으로서,
    스프링의 일 단부를 지지하기 위해 상기 프레임 부재상에 장착된 프레임 브라켓과,
    상기 프레임 브라켓으로부터 이격된 관계로 상기 프레임 부재상에 장착된 스프링 단부 지지부와,
    상기 프레임 브라켓에 선회가능하게 부착된, 상기 스프링 단부 지지부에 연결된 그 대향 단부를 갖는 비대칭 판 스프링과,
    그 양 단부들의 중간 위치에서 상기 판 스프링을 상기 축 단부에 부착하여, 상기 비대칭 판 스프링이 상기 축의 중심선의 일 측면상의 제 1 캔틸레버 림과, 상 기 축 중심선의 대향 측면상의 제 2 캔틸레버 림으로 분할하는 수단을 포함하고,
    상기 비대칭 스프링은 상기 스프링의 전장에 걸쳐서 연장하는 하나 이상의 판과, 상기 캔틸레버 림들 중 하나의 판을 형성하는 하나 이상의 보다 짧은 판을 포함하고,
    상기 보다 짧은 판을 포함하는 상기 캔틸레버 림은 상기 다른 캔틸레버 림의 강성 보다 적어도 4배 큰 강성을 가지는 현가 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 스프링으로부터 현저한 거리에 위치되어 상기 비대칭 판 스프링으로부터 대향한 방향으로 상기 프레임 브라켓상에 지지된 로스점(Ross point)을 가지고, 비교적 길고 평탄한 로스 라인을 가지는 현가 시스템.
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