KR20080077092A

KR20080077092A - 파일럿-제어되는 메인밸브를 갖는 공기 스프링 및 댐퍼유닛

Info

Publication number: KR20080077092A
Application number: KR1020087008994A
Authority: KR
Inventors: 크리스티안 샬메이어
Original assignee: 콘티넨탈 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2005-12-17
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2008-08-21
Also published as: US8025272B2; WO2007068312A1; DE102005060581B4; DE102005060581A1; US20080308367A1; JP2009520162A; EP1966508A1; CN101331340A

Abstract

차량용 공기 스프링 및 댐퍼 유닛으로서, 상기 유닛은 압축공기로 채워지며 유동통로들을 통해 서로 연결되는 2개의 압력공간들(작동 공간)을 작동 공간들로서 가지고, 롤링 벨로우즈 또는 폴딩 벨로우즈의 형태로 된 가동 벽들을 가지며, 저압 측에서 제어압력을 받을 수 있는 파일럿-제어되는 메인밸브가 적어도 일 유동방향으로 제 1 유동통로에 배치된다.

Description

파일럿-제어되는 메인밸브를 갖는 공기 스프링 및 댐퍼 유닛{AIR SPRING AND DAMPER UNIT HAVING A PILOT-CONTROLLED MAIN VALVE}

본 발명은 차량용 공기 스프링 및 댐퍼 유닛에 관한 것으로, 이 공기 스프링 및 댐퍼 유닛은 압축공기로 채워지는 적어도 2개의 작동 공간들(working spaces)을 가지며, 적어도 하나의 작동 공간은 각 경우에 가동 벽(movable walls), 특히 롤형 또는 폴드형 콘서티나(concertina)의 형태로 된 가동 벽, 에 의해 적어도 부분적으로 범위가 한정되며, 상기 작동 공간들은 유체 덕트들을 통해 서로 연결되고, 상기 유체 덕트들은 스로틀 밸브들을 갖는다.

이러한 공기 스프링 및 댐퍼 유닛들(간단히 공기 댐퍼라고 한다.)은 가장 다양하고 가능한 차량 타입들을 위한 편리한 스프링/댐퍼 유닛들로 알려져 있으며, 이러한 댐퍼 유닛은 보통 차체와 차대(chassis) 사이에 배치된다.

이에 따라 DE 101 15 980 에는 피스톤을 갖는 가스 스프링/댐퍼 유닛이 개시되어 있는데, 이 피스톤은 실린더 하우징내에서 변위 가능하고 또한 상기 실린더 하우징에 대해 밀봉되어 있으며, 두 작동 공간들을 재분할한다. 댐퍼 공간은 외측에서 롤형 콘서티나에 의해 범위가 부분적으로 한정된다. 상기 피스톤에 배치된 스로틀 밸브들은 이 경우에 통류(throughflow) 방향에 따라 상이한 유체저항이 존 재하고 또한 층류에서 난류 유동으로의 전환의 위치가 적응되도록 구성되어 있다. 여기서 나타낸 스로틀 밸브들은 영구적으로 설정/통합 적으로 형성된, 조절 기능이 없는 스로틀들이다.

DE 199 32 717 A1 에는 가스 스프링/댐퍼 유닛의 두 작동 공간들이 실린더 하우징 내에서 변위가능한 밀봉 피스톤에 의해 재분할되어 있는 장치가 개시되어 있다. 댐퍼 공간은 외측에서 롤형 콘서티나에 의해 범위가 부분적으로 한정된다. 상기 피스톤에 위치된 스로틀 밸브들은 이 경우에 스프링 와셔들의 하중을 받는 밸브로 구성되어 있으며, 이 스프링 와셔들과 밸브 단면들은 통류 방향에 따라 디자인되어 있다.

폐쇄 부재(closing members)들이 작은 다이어프램들로 형성되어 있는 전자기 제어형 오버플로우 밸브들을 갖는 유압 스프링/댐퍼 유닛이 DE 43 34 007 A1 에 개시되어 있다. 자속(magnetic flux)이 상기 작은 다이어프램을 통과하며, 폐쇄 위치에서 상기 작은 다이어프램들은 할당된 베어링 표면들과 상호 작용하게 된다. 폐쇄력(closing force)은 제어가능한 전자석에 의해 변할 수 있으며, 따라서 가변적인 튜닝을 가진 스프링/댐퍼 유닛이 얻어진다. 이러한 스프링/댐퍼 유닛으로, 최대 폐쇄력 또는 프리스트레스(prestress)를 설정할 수 있으며, 또한 초과하면 밸브가 열리게 되는 압력을 결정할 수 있다.

탄성이 있는 밀봉 디스크들(sealing disks)에 의해 닫히게 되는 오버플로우 스로틀들을 갖는 가스 스프링/댐퍼 유닛이 DE 101 35 261 C1에 개시되어 있다. 상기 탄성이 있는 밀봉 디스크들은 영구적으로 인장-장착 되는(tension-mounted) 것 이 아니고, 스프링력에 의해 미리 정해진 압력차 범위에 대해서만 고정된다. 특정 압력이 초과된 후에는, 인장-장착 영역은 들려서 떨어지고, 상기 밀봉 디스크에 작용하는 탄성력은 바람직하게는 마찬가지로 탄성을 갖는 환상 디스크에 의해 가해지게 된다.

그러나 이전의 실시예들은, 공기 댐퍼들을 다른 댐핑 특성 곡선으로 전환시키는 효과로 각각의 주행 상황에 따라 댐퍼 특성을 조절할 수 있는 가능성은 단지 약간의 정도로만 존재하거나 전혀 부여되는 것은 아니다라는 단점이 있다. 상기 스로틀 밸브들에서의 동적 차압(dynamic differential pressure)과 유량은 소산(dissipation)에 의한 에너지 변환과 따라서 댐핑 작용에 중요하다. 공기 댐핑에서는, 요구되는 댐핑 작용을 발생시키는데 높은 압력과 큰 유량이 필요하다. 따라서, 특히 여기서 존재하는 가스 댐핑 시스템에서는 높은 압력과 높은 유량이 전환(switch)되어야 하기 때문에 댐퍼 특성, 즉 댐핑 특성 곡선, 에 영향을 미치는 것은 어렵다.

그러므로, 본 발명의 목적은 댐퍼 특성의 양호한 조절이 얻어지고, 작동 챔버들 간에, 큰 유량과 함께, 높은 압력차가 전환될 수 있으며, 또한 상이한 지면과 주행 상황들에 적합하게 반응할 수 있는 차량용 공기 스프링 및 댐퍼 유닛을 제공하는 것이다.

상기 목적은 주 청구항의 특성들에 의해 달성된다. 유리한 개선들은 종속항들에 기재되어 있다.

이 경우, 제어가능한 댐핑의 스로틀 밸브가 적어도 한 유동방향으로 제 1 유체 덕트에 배치되며, 이 스로틀 밸브는 저압측 쪽으로 열리고 또한 저압측에서 제어압력의 작용을 받을 수 있는 파일럿-제어되는 메인밸브로서 디자인되어 있다. 제어압력을 조절하기 위해, 제어밸브가 저압측에서 제 2 유체 덕트에 배치되며, 따라서 상기 메인밸브와 제어밸브는 제어압력을 위한 제 3 압력공간의 범위를 한정하게 된다.

종래기술에 알려져 있는 위에서 언급한 공기 댐핑 시스템들에서는, 예컨대 제어가능한 전자석들에 의하여 밸브 몸체 또는 스프링에 대한 추가적 힘(자력)의 비례적이지만 직접적인 작용에 의해 폐쇄력이 변하는 것과는 대조적으로, 본 발명에 따른 경우에는, 파일럿 제어력 또는 파일럿 제어압력에 영향을 주거나 이를 제어함으로써 밸브의 폐쇄 및 댐핑 특성에 간접적으로 작용하게 된다.

공지되어 있듯이, 유압밸브에서 더 높은 전환력(switching force)은 파일럿 제어로 얻을 수 있다. 이는 비압축성 매체의 시스템 압력이 약간의 힘의 차(differential force)를 제외하고 전환력을 보상하는데 이용되기 때문에 일어난다. 이 경우, 예컨대 서로에 작동 연결된 차면(differential surface)들이 전환 피스톤들/전환 밸브들에 형성된다. 그러나, 유압 시스템들의 공지된 파일럿 제어에서는, 파일럿 제어가 보통 고압측에서 일어나게 되는데, 다시 말해 고압측에 존재하는 시스템 압력이 전환 작동을 보조하는데 사용된다.

이와는 대조적으로, 본 발명에 따른 경우에는, 압축성 매체에서 밸브 유동의 조절, 정확히 말하면 공기 댐퍼들을 위한 공압 스로틀 밸브의 조절은 저압측에 배치된 파일럿 제어기에 의해 이루어진다. 전술한 바와 같이, 이 저압측 파일럿 제어기는 파일럿 제어력이 그대로 설정 또는 조절될 수 있다는 점에 특징이 있다. 이는 파일럿 제어밸브로 이루어지며, 상기 파일럿 제어밸브는 저압측에서 제 2 유체 덕트에 배치되고 또한 기본적으로 조절가능한 스로틀과 동일한 방식으로 공기 유동에 작용하게 된다. 이 "조절가능한 스로틀"에 의해, 저압측 쪽에 위치되어 있고 상기 메인밸브와 제어밸브에 의해 범위가 한정된, 즉 두 작동 공간들 사이의 "중간 영역" 에 있는, 제 3 압력 공간에 제어압력이 발생한다. 따라서 상기 제어압력의 하한은 상기 제어밸브가 완전히 열려 있을 때 저압측에서의 시스템 압력이고, 상한은 상기 제어밸브가 완전히 닫혀 있을 때 고압측에서의 시스템 압력이다. 이 경우 제 3 압력공간은 기본적으로 상기 제어밸브와 메인밸브 사이의 연결 덕트로 구성할 수 있으며, 적절하다면 이 연결덕트는 상기 메인밸브를 안내하기 위한 보어(bore)에 의해 넓혀질 수 있다.

수동적이지만 파일럿-제어되는 메인밸브 및 제어압력을 위해 이렇게 배치된 제어밸브/파일럿 제어밸브를 갖는 디자인으로, 공기 스프링 및 댐퍼 유닛에 대한 우수한 특성 맵이 얻어지며, 이 맵은 미세한 단계로 조절가능하다. 이러한 특성 맵의 댐핑의 "하드" 극값(extreme value)과 "소프트" 극값 사이에서, 이 경우에 주행 상태에 따라 중간 영역을 잘 커버할 수 있다. 상기 공기 스프링 및 댐퍼 유닛이 예컨대 승용차에서 차대 스프링 및 댐핑기로 사용될 때, 비상 제동, 코너링, 롤링 또는 락킹(rocking)과 같은 주행 상태는 주행 상태의 최적화를 위해 넓게 퍼진 특성 맵 내에서의 정확한 댐퍼 설정으로 가장 잘 보조될 수 있다.

유리한 디자인에 따르면, 영구적으로 설정된 비제어 스로틀 밸브가 제 3 평행 유체 덕트에 설치된다. 이로부터, 인장 또는 압축단계에서 각각의 유동방향과 나란히 연결된 유체 덕트의 스로틀 밸브에서 영구적으로 설정된 하드 댐핑 특성을 얻을 수 있으며, 제 1 유체 덕트에 있는 상기 메인밸브가 열리지 않으면, 즉 상기 파일럿 제어가 간섭 받지 않으면, 상기 하드 댐핑 특성은 유지된다. 이로부터 예컨대 전력 공급 이상에 대한 신뢰성 있는 고장 조치 수준(fallback level)은 물론, 전환이 간단한 "하드" 안전 설정이 가능하게 된다.

다른 유리한 디자인에 따르면, 상기 제 2 덕트는 적어도 부분적으로 제 1 유체 덕트 내에 있다. 이로부터 특히 집약적이고 컴팩트한 구성이 얻어진다.

다른 유리한 디자인에 따르면, 제어압력을 위한 상기 제어밸브는 슬라이드로 디자인되어 있고, 이 슬라이드의 폐쇄 또는 운동 방향은 영향을 받는 유체 덕트에서의 유동방향에 본질적으로 수직이다. 이러한 디자인에 의하면, 제어밸브를 위해 요구되는 조작력을 상당히 감소시키고 평형을 이루게 한다. 그 결과, 비교적 낮은 출력을 가지면서 상대적으로 더욱 작은 서보모터를 사용할 수 있게 되며, 이에 따라 조작 운동을 위한 전력 소비를 줄일 수 있다.

또 다른 유리한 디자인에 따르면, 제 1 유체 덕트에 있는 메인밸브와 제 3 유체 덕트에 있는 스로틀 밸브는 스프링 하중을 받는 밸브로 디자인되어 있다. 이렇게 매우 간단한 구성으로, 밸브들은 밸브 몸체를 가질 수 있으며, 밸브 스프링으로서, 상기 밸브 몸체의 열림 방향에 반대로 상기 밸브 몸체에 작용하는 헬리컬 스프링(밸브 스프링)을 가지거나, 또는 스프링 와셔 자체가 밸브 몸체며 예컨대 가장자리들에서 탄성적으로 굽혀질 수 있는 컵 또는 와셔 스프링을 가질 수 있다. 조합들도 마찬가지로 가능하고, 또는 예컨대 밸브 몸체에 작용하는 압축성 매체의 압축으로 스프링 하중이 발생하는 밸브도 가능하다.

또 다른 유리한 디자인에 따르면, 저압측 쪽으로 열리게 되는 스프링 하중을 받는 비복귀 밸브가 고압측에서 제 2 유체 덕트에 설치되어 있다. 이는 제어밸브가 닫혀 있을 때 고압측으로부터 제 3 압력공간으로 압력 평형이 일어나게 한다. 저압측 쪽으로 열리게 되며 저압측에서 제어압력의 작용을 받는 상기 메인밸브는 따라서 전방측과 후방측에서 동일한 매체 압력의 작용을 받게 되며 닫힌 상태로 유지된다. 상기 제어밸브가 닫혀 있고 메인밸브가 이에 상응하게 디자인된 스프링 특성을 가짐으로써, 영구적으로 설정된 하드 댐핑 특성이 제 3 유체 덕트의 스로틀 밸브에서 유효한 고장 조치 위치가 간단하게 보호된다.

또 다른 유리한 디자인에 따르면, 제 2 유체 덕트에 있는 스프링 하중을 받는 비복귀 밸브는 제 1 유체 덕트에 있는 스프링 하중을 받는 메인밸브 내에 배치된다. 이러한 "밸브 네스팅(nesting)"에 의해, 제조시 다양한 유체 덕트들과 밸브 시트들의 구조의 크기 및 기계가공이 줄어든다.

또 다른 유리한 디자인에 따르면, 제 4 유체 덕트가 스로틀형 바이패스로 디자인되어 있다. 이에 의하면, 특히 조절가능한 스로틀링의 경우, 댐퍼 경도(hardness)를 대략적으로 미리 설정할 수 있는 가능성도 얻어진다. 상기 제 4 유체 덕트는 적어도 부분적으로 제 3 유체 덕트 내에 있는 것이 유리하다. 이는 또한 구성요소들을 조합하고 구조의 크기를 줄이는데 기여한다. 상기 스로틀형 바이패스는, 적절하다면 예컨대 제 3 스로틀 밸브의 밸브 시트를 만들 때의 공차를 통해, 갭 다이어프램에 의해 실행될 수 있다.

또 다른 유리한 디자인에 따르면, 제 4 유체 덕트는 그의 밸브 및 스로틀 장치와 함께 양 유동방향으로 기능적으로 동일하게 디자인되어 있다. 이에 의하면, 양 유동방향, 정확히 말하면 상기 댐퍼 유닛의 압축단계과 인장단계, 를 제어할 수 있다. 그 결과, 빌드업 진동(build-up oscillation)을 가능한 최선의 방식으로 줄일 수 있다.

또 다른 유리한 디자인에 따르면, 두 작동 공간은, 회전 대칭형 하우징 내에서 축선방향으로 움직일 수 있고 또한 피스톤 로드의 헤드 단부에 위치하는, 회전 대칭형 피스톤에 의해 분리되어 있고, 따라서 한 작동 공간은 피스톤 전방측에 배치되고 적어도 다른 작동 공간은 피스톤 후방측에 배치된다. 따라서, 전체적인 공기 스프링 및 댐퍼 유닛은 적은 구조 공간을 필요로 하며, 특히 멀리 떨어져서 라인에 연결되는 추가적인 평형 공간들이 필요없다. 유체 덕트가 추가적으로 가동 피스톤 내부에 있으면 구조의 크기가 유리하게 최소한으로 줄어들 수 있다.

또 다른 특히 유리한 디자인에 따르면, 한 유체 덕트가 부분적으로 다른 유체 덕트에 있거나 동일한 경로를 따르는 네 유체 덕트가 각 유동방향에 대해 기능상 가동 피스톤 내부에 제공된다. 따라서, 각 경우에 제 1 유체 덕트는 스프링의 하중을 받는 밸브 몸체로 이루어진 파일럿-제어되는 메인밸브를 가지며, 상기 메인밸브의 밸브 몸체 및 스프링의 축선과 운동 방향은 피스톤 축선에 수직이다. 따라서, 각 경우에 제 2 유체 덕트는 적어도 부분적으로 제 1 유체 덕트 내에 있고 또한 스프링 하중을 받는 비복귀 밸브를 가지며, 이 비복귀 밸브는 상기 메인밸브의 밸브 몸체 내부에 배치된다. 상기 비복귀 밸브의 축선과 운동 방향은 마찬가지로 피스톤 축선에 수직이며 상기 메인밸브와는 동축을 이룬다. 이 경우에, 상기 제어밸브는 전기 구동식 슬라이드로 디자인되어 있고, 상기 제어밸브의 구동기(drive)는 그 축선과 작용 방향이 상기 피스톤 축선에 수직이면서 또한 상기 메인밸브의 축선 방향이거나 그 축선방향에 평행하게 배치된다.

이렇게 해서, 구조가 특히 컴팩트하게 되며 이에 따라 차량 내의 필요한 설치공간도 최소화된다. 이러한 효과는 메인밸브, 제어밸브 및 상기 제어밸브의 구동기가 한 축선을 따라 배치되며, 인장단계와 압축단계를 위한 축선들은 피스톤에서 상하 병렬로 배치되는 구성으로 더욱 증대될 수 있다.

또 다른 유리한 디자인에 따르면, 상기 제어밸브의 슬라이드의 기하학적 형상은 상기 제어밸브에 의해 열리게 되는 단면의 면적이 비선형적으로 변하도록 되어 있는데, 정확히 말하면, 상기 슬라이드가 열리는 중일 때는 비선형적으로 증가하고 상기 슬라이드가 닫히는 중일 때는 비선형적으로 감소하게 된다. 이는 보통 전자기 구동기들에 존재하는 비례적인 열림 특성에 반대되는 것이다. 유동조건들(댐핑 스로틀 유동)의 변화 자체는 덕트 단면의 변화에 비례하지 않기 때문에, 전자기 구동기들의 비례적인 열림 특성으로 인해, 열림 단면에 대한 압력차의 비는 비선형적 비율(nonlinear ratio)이 초래되고 이에 따라 특성 맵의 특성곡선에서 점프가 일어나게 된다. 이는 슬라이드의 유리한 기하학적 형상에 의해 훌륭한 방식으로 방지될 수 있으며, 따라서 특성 맵에서 특성 곡선의 균일한 점진적 변화(gradation)가 얻어진다. 이러한 거동은 상기 제어밸브 슬라이드의 구성에 의해 간단하게 달성될 수 있으며, 상기 제어밸브는 유체 덕트의 단면에 영향을 주는 평슬라이드(flat slide)로서 디자인되고 이 평슬라이드의 전방측에 단차형의 경사 후퇴부들(stepped and beveled setbacks)이 제공된다.

물론, 저압측 파일럿 제어로 이루어지는 메인밸브의 "소프트" 열림이 특성 맵의 충분한 점진적 변화를 준다면, 전과 같이, 간단히 디자인된, 예컨대 사각형으로 된, 제어밸브 슬라이드에 의하여 열릴 단면을 선형적으로 변화시킬 수도 있다.

도 1 은 공기 스프링식 승용차의 차대를 위한 것으로 3중 콘서티나형으로 된 본 발명에 따른 공기 스프링 및 댐퍼 유닛을 나타낸다.

도 2 는 본 발명에 따른 공기 스프링 및 댐퍼 유닛의 피스톤에 배치된 유체 덕트의 기본적인 도시를 나타낸다.

도 3 은 도 1 에 나타낸 피스톤의 본 발명에 따른 구조에서 수평 단면 A-A를 상세하게 보인 도면이다.

도 4 는 도 1 에 나타낸 본 발명에 따른 공기 스프링 및 댐퍼 유닛의 피스톤의 수직 단면 사시도로서, 제어밸브는 닫혀 있는 상태이다.

도 5 는 도 4 에 나타낸 본 발명에 따른 공기 스프링 및 댐퍼 유닛의 피스톤의 수직 단면 사시도로서, 제어밸브는 열려 있는 상태이다

도 6 은 평슬라이드가 열려 있을 때의 유동 프로파일을 유동 화살표로 나타낸 것이다.

도 7 은 본 발명에 따른 공기 스프링 및 댐퍼 유닛의 댐핑 특성 곡선들의 맵을 보인다.

이제 본 발명을 실시예에 의해 자세히 설명하도록 한다. 여기서 보이는 것은 공지되어 있는 "3중 콘서티나 댐퍼" 인데, 이러한 댐퍼에서는 두 작동 공간들이 롤형 콘서티나들에 의해 범위가 적어도 부분적으로 한정된다. 임의의 다른 공기 스프링/댐퍼 유닛, 즉 예컨대 작동 공간으로서 별도의 평형화 공간을 갖는 유닛 또는 단지 강성 피스톤과 실린더 구조들을 갖는 유닛, 도 마찬가지로 본 발명에 따른 특징들로 디자인될 수 있을 것이다.

도 1 에는 공기 스프링식 승용차의 차대를 위한, 본 발명에 따른 3-콘서티나 공기 스프링 및 댐퍼 유닛(1)이 도시되어 있다. 상기 공기 스프링 및 댐퍼 유닛은 압축공기로 채워지는 두 작동 공간들(2, 3)을 갖고 있다. 이 압축공기는 공지된 방식으로 압축기(여기서는 더 이상 자세히 나타나 있지 않음)에 의해 관련 밸브들과 라인들을 통해 상기 작동 공간들에 전달되며, 마찬가지로 이 시스템을 통해 배출될 수 있다. 통상적으로, 공기 스프링 또는 레벨링 시스템은 압축공기 설치부/압축공기 공급부 및 4개의 공기 스프링 모듈들(정확히 말하면 각 바퀴 당 하나씩)로 이루어지며, 전체적으로는 제어장치를 통해 제어된다.

상기 작동 공간들(2, 3)은 공통의 포트(pot)형(여기서는 원통형) 하우징(4) 안에 배치되며, 피스톤 로드(5)의 헤드 단부에 위치된 회전 대칭형 피스톤(6)에 의해 분리되어 있다.

상기 피스톤(6)은 상기 원통형 하우징(4)내에서 축방향으로 움직일 수 있다. 작동 공간을 연결해주는 유체 덕트들(뒤에서 자세히 설명되며 상기 작동 공간들을 연결함)은 상기 피스톤(6)안에 배치되어 있는데, 각 경우에 후술한 바와 같은 적어도 4개의 유동덕터들이 각 유동방향으로 존재한다.

상기 피스톤(6)과 피스톤 로드(5)는 각 경우에 밀봉되어 있으며 롤형 콘서티나들(7, 8, 9)에 의해 상기 원통형 하우징 내에서 안내된다. 피스톤의 외부면(10)과 피스톤 로드의 외부면(11) 및 실린더의 내부면(12)은 각 경우에 상기 롤형 콘서티나들의 롤링에 필요한 영역에 걸쳐 회전 대칭형 롤링 윤곽들로 디자인되어 있다.

보통 상기 원통형 하우징의 단부와, 차대와의 하부 연결지점(13) 사이에 위치되며 주변의 영향으로부터 보호하기 위한 폴드형 콘서티나는 여기서 더이상 자세히 도시되어 있지 않다.

또한, 상기 공기 스프링과 댐퍼 유닛은 탄성적으로 디자인된 멈추개(stop)(14, 15)을 갖는데, 이 멈추개는 상응하는 하중 하에서, 압축단계 끝위치 또는 인장단계 끝위치에서 피스톤 이동/스프링 이동을 제한하여, 금속 접촉이 일어나지 않게된다.

상기 회전 대칭형 피스톤(6)의 외부면은 상향 테이퍼형 원추 겉면(upwardly tapering cone envelope)으로 되어 있다. 그 결과, 상기 제 1 롤형 콘서티나(7)와 제 2 롤형 콘서티나(8)는 각각 상이한 유효 직경(16, 17)을 갖는데, 이들 직경은 각 경우에 롤링 폴드(19)를 형성하는 상기 제 3 롤형 콘서티나(9)의 유효 직경(18) 보다 크다. 상기 제 1 롤형 콘서티나의 유효 직경(16)은 상기 제 2 롤형 콘서티나의 유효 직경(17) 보다 작다. 상이한 상기 유효 직경들(16, 17)으로 인해, 상기 피스톤에 작용하는 힘을 발생시키는 차면(differential surface; 환상 표면)이 생긴다. 여기서 더 이상 다루지는 않겠지만 이 차력(differential force)은 상기 롤형 콘서티나(9)의 유효 직경(18)과의 상호 협력으로 피스톤 면들을 통해 발생된다.

상기 공기 스프링 및 댐퍼 유닛은 몸체 측에서 스프링 지주(strut) 헤드 베어링(20)을 통해 공지된 방식으로 차량에 연결된다.

도 2 에는 본 발명에 따른 공기 스프링 및 댐퍼 유닛의 피스톤에 배치된 유체 덕트들, 스로틀들, 밸브들 및 기능요소들의 기본적이고 기능적인 도시가 나타나 있다. 이 경우에, 상기 공기 스프링 및 댐퍼 유닛의 순간적으로 고압측인 작동 공간(2)은 윗쪽에 볼 수 있고, 순간적으로 저압측인 작동 공간(3)은 하부 영역에서 볼 수 있다. 이들 작동 공간들 사이에서 도시된 상기 유체 덕트들, 스로틀들, 밸브들 및 기능요소들은 회전 대칭형 피스톤(6)안에 배치되어 있으며, 따라서 하나의 작동 공간은 피스톤 전방측에 배치되고 다른 작동 공간은 피스톤 후방측에 배치된다.

상기 가동 피스톤 내부에는, 다시 말해 작동 공간들 사이에는, 각 유동방향에 대해 4개의 유체 덕트들(21, 22, 23, 24)이 제공되어 있다. 각 경우에 제 1 유체 덕트(21)는 스프링(25)의 하중을 받는 밸브 몸체(26)로 이루어진 파일럿-제어되는 메인밸브(27)를 갖는다. 이 경우에 상기 제 2 유체 덕트(22)는 부분적으로 제 1 유체 덕트내에 있고 스로틀 밸브(28)를 가지며, 여기서 이 스로틀 밸브는 상기 메인밸브(27)의 밸브 몸체(26)의 내부에 있는 다이어프램 또는 보어로 나타나 있다. 실제로는 이 스로틀 밸브는 후술하는 바와 같이 스프링 하중을 받는 비복귀 밸브로 되어 있다. 또한, 제 2 유체 덕트(22)는 제어밸브(29)를 포함한다. 이 제어밸브는 밸브 몸체로서 슬라이드(30)를 갖고 있으며, 이 슬라이드의 폐쇄 또는 운동 방향(31)은 본질적으로 유동방향에 수직이다. 여기서 상기 슬라이드는 스프링의 하중을 받지만, 전자기 구동기의 도움으로 스프링(32)에 대항하여 조정된다.

상기 공기 스프링 및 댐퍼 유닛은 제 3 평행 유체 덕트(23)를 가지며, 이 유체 덕트에는 영구적으로 설정된 비제어 스로틀 밸브(33)가 설치되어 있다. 이 스로틀 밸브(33)는 스프링(34)의 하중을 받는 밸브 몸체(35)로 이루어져 있다. 이리 하여, 각각의 유동방향에 대해 스로틀 밸브에는 영구적으로 설정된 하드 댐핑 특성, 즉 "하드" 안전 설정,이 얻어지게 된다.

마지막으로, 제 4 유체 덕트(24)를 볼 수 있는데, 스로틀 보어로 형성된 바이패스(36)가 상기 밸브 몸체(35)의 내부에서 이 유체 덕트를 따라 존재한다. 이리 하여 댐퍼 경도가 미리 설정될 수 있다.

도 3 에는 피스톤(6)의 구조의 수평 단면도가 자세히 나타나 있다. 상기 가동 피스톤(6)의 내부에는 각 유동방향에 대해 제 1 유체 덕트(21)가 존재하며, 이 유체 덕트(21)는 스프링(25)의 하중을 받는 밸브 몸체(26)로 이루어진 파일럿-제어되는 메인밸브(27)를 갖는다. 이 경우에 상기 밸브 몸체(26)는 포트형으로 되어 있고, 상기 피스톤의 대응하는 홈(37)에서 안내된다. 상기 헬리컬 스프링/밸브 스 프링(25)은 상기 밸브 몸체(26)의 후방 포트형 오목부에서 유지 및 안내되며, 상기 피스톤측에서 상기 홈(37)의 바닥에 지지된다. 따라서 상기 밸브 몸체(26)는 특정 조건들에서 매체 압력에 의해 스프링 압력에 대항하면서 피스톤 축선쪽으로 변위될 수 있으며, 이리 하여 상기 밸브 몸체(26)는 상기 유체 덕트(21)를 점진적으로 해제시킨다.

상기 메인밸브(27)의 상기 밸브 몸체(26)와 밸브 스프링(25)의 축선 및 운동방향은 이 경우에 상기 피스톤 축선에 수직으로 배열된다. 여기서 도시된 디자인에서, 물론 상기 피스톤 축선은 도면의 평면에 수직이다(도 1 의 단면 A-A 의 배열 참조).

이 경우에 제 2 유체 덕트(22)는 부분적으로, 정확히 말하면 도 3 의 좌측에 위치한 영역에서, 제 1 유체 덕트(21)의 내부에 있으며, 상기 메인밸브(27)의 밸브 몸체(26)의 내부에 배치된 비복귀 밸브(38)를 갖는다. 상기 비복귀 밸브(38)는 밸브 몸체(26)의 내측, 즉 포트 바닥에 있는, 밸브 시트(40)에 밸브 스프링(39)에 의해 가압된다. 상기 비복귀 밸브의 축선과 운동 방향은 마찬가지로 상기 피스톤 축선에 수직이며, 상기 메인밸브와는 동축을 이룬다.

이 경우에 상기 비복귀 밸브(38)는 상기 메인밸브의 후방측에 나사결합된 케이지(41)에 의해 안내 및 유지되며, 이 케이지에는 통로가 제공되어 있고, 또한 스프링(39)이 지지되어 있다.

상기 유체 덕트(22) 내의 제어밸브(29)는 이 경우에 전기 구동식 슬라이드(42)로 디자인되어 있고, 이 제어밸브의 구동기(43)의 축선과 작용방향은 상기 피스톤 축선에 수직이며 또한 여기서는 상기 메인밸브(27)의 축선방향이다.

여기서 상기 메인밸브(27), 비복귀 밸브(38), 제어밸브(29) 및 상기 제어밸브의 구동기(43)는 한 축선을 따라 배치되어 있으며 따라서 최소한의 구조의 공간을 필요로 한다.

포트형 밸브 몸체(26)는 가능한한 작은 마찰로 상기 피스톤의 대응하는 홈 (37)에서 안내되고, 기울어지지 않아야 하며, 또한 그럼에도 가능한한 기밀하게 상기 홈 안에 자리잡을 수 있어야 하는 것이 중요한다. 이는 끼워맞춤 및/또는 추가적인 전문 조치들(예컨대, 작동이 쉬운 시일, 슬라이딩 코팅(테프론) 등)의 주의 깊은 설정으로 달성된다.

추가 설명을 위해, 도 4 에는 도 1 에 도시된 바와 같은, 본 발명에 따른 공기 스프링 및 댐퍼 유닛의 피스톤의 수직 단면 사시도가 나타나 있으며, 여기서 제어밸브/제어 슬라이드는 닫혀 있다.

상기 피스톤에 있는 모든 유체 덕트들의 이렇게 예외적으로 공간 절약적이면서 컴팩트한 배열에서, 상기 피스톤의 상부에는 압축단계를 위한 유동조절 장치들(상기 피스톤의 축선에 수직하게 배치됨)을 볼 수 있으며, 상기 피스톤의 하부에는 인장단계를 위한 유동조절 장치들을 볼 수 있다. 이 장치들 모두는 기본적으로 또한 구조적으로 동일한 방식으로 기능한다. 그러므로, 간단히 하기 위해, 압축단계를 위한 장치, 즉 예컨대 도로가 고르지 않아 차체가 스프링 현가장치 상으로 떨어질 때 작동하는 장치, 만을 도 4 에 도시하였다. 이 경우에, 도 1 에서도 명확히 이해할 수 있는 바와 같이, 상기 피스톤은 상방으로 움직이게 된다. 따라서, 매체 의 압력은 상기 피스톤의 아래쪽 보다는 상기 피스톤의 윗쪽에서 더 높게 된다.

본 발명에 따른 이 태양에서는, 상기 메인밸브(44)의 밸브유동의 조절은 저압측에 배치된 파일럿 제어기(45)에 의해서도 이루어진다. 이 경우에 상기 파일럿 제어기는 전자기 구동식 파일럿 제어밸브(46)를 포함하며, 이 제어밸브는 제 2 유체 덕트(22)에서 저압측에 배치되며 또한 조절가능한 스로틀과 동일한 방식으로 공기유동에 작용한다. 그 결과로, 저압측 쪽에 배치된 제3의 압력공간(47)에 있는 두 작동 공간들(2, 3)사이에서 제어압력이 발생하게 되며, 이 압력공간(47)은 상기 메인밸브(44)와 파일럿 제어밸브 또는 제어 슬라이드(48)에 의해 범위가 한정되어 있다. 그래서 제어압력의 이론적인 하한은 제어밸브가 완전히 열려 있을 때 저압측에서의 시스템 압력이 되며, 상한은 상기 파일럿 제어밸브가 완전히 닫혀 있을 때 고압측에서의 시스템 압력이 된다. 이 경우에 상기 파일럿 제어밸브(46)는 평슬라이드(48)를 작동시키는데, 이 평슬라이드(48)는 피스톤 축선에 수직하게 관련된 유체 덕트를 열거나 닫을 수 있다.

상기 파일럿-제어되는 메인밸브(44)는 밸브 스프링(49)의 하중을 받는 밸브 몸체(50)로 이루어져 있다. 여기서도, 상기 밸브 몸체(50)는 포트형으로 되어 있고 상기 피스톤의 대응하는 홈(51)에서 안내된다. 헬리컬 스프링으로 디자인되어 있는 상기 밸브 스프링(49)은 상기 밸브 몸체(50)의 후방 포트형 오목부에서 유지 및 안내되며, 피스톤측에서 홈(51)의 바닥에 지지된다.

두 작동 공간들(2, 3)사이의 동일한 유체 덕트의 내부 및 동시에 상기 메인밸브(44)의 밸브 몸체(50)의 내부에는 비복귀 밸브(52)가 배치되어 있는데, 이 비 복귀 밸브는 역시 기능적으로 상기 파일럿 제어기를 포함하는 제 2 유체 덕트에 속한다. 상기 비복귀 밸브(52)는 밸브 몸체(53)로 이루어져 있고, 상기 메인밸브의 밸브 몸체(50)의 칼라상에 있는 밸브시트(55)에 스프링(54)에 의해 가압된다. 상기 비복귀 밸브의 축선과 운동 방향은 마찬가지로 상기 피스톤의 축선에 수직이며 상기 메인밸브와는 동축을 이룬다.

상기 파일럿 제어밸브(46)의 평슬라이드(48)가 닫혀 있는 한, 제 3 압력공간(47)과 고압측 작동 공간(2)내의 압력은 서로 같게 되는데, 이는 상기 비복귀 밸브(52)를 통해 평형이 이루어지기 때문이다. 그러나, 평슬라이드(48)가 열려 제 3 압력공간(47)이 저압측 작동 공간(3)에 연결됨으로 인해 상기 메인밸브(44)의 상류와 하류에서 압력차가 발생하자 마자, 상기 메인밸브는 스프링 압력에 대항하면서 상기 피스톤의 축선쪽으로 변위되며, 이에 따라 상기 밸브 몸체(50)는 상기 유체 덕트를 해제시키게 된다.

도 5 는 도 4 에 도시된 것과 같지만, 상기 파일럿 제어밸브(46)의 상기 평슬라이드(48)가 열려 있는, 본 발명에 따른 공기 스프링 및 댐퍼 유닛의 피스톤에 대한 수직 단면 사시도이다. 이 도면에서 또한 상기 평슬라이드(48)의 전방측(56)에 경사 단차부가 형성되어 있고, 그 결과로 상기 파일럿 제어밸브에 의해 열리게 되는 단면의 면적이 비선형적으로 변하게 되는데, 정확히 말하면 상기 슬라이드가 열리는 중일 때는 비선형적으로 증가하고 상기 슬라이드가 닫히는 중일 때는 비선형적으로 감소하게 된다.

단지 도시를 위한 도 6 은 다른 참조번호들이 없이 유동 화살표들로 상기 메 인밸브(44)와 상기 비복귀 밸브(52)를 통한 유동 프로파일을 나타내며, 이때에 평슬라이드(48)는 열려 있다,

도 7 은 본 발명에 따른 공기 스프링 및 댐퍼 유닛에 의해 얻어질 수 있는 댐핑 특성 곡선들의 맵을 나타낸다. 여기서, 댐핑 척도로서 압력차(ΔP:bar)(헥토파스칼)가 표준 유량(l/min:리터/분)에 대해 표시되어 있다. 특히, 양 극단들, 정확하게 말하면 상기 파일럿 제어밸브가 닫혀 있을 때 가장 하드한 설정의 경우에 나타나는 특성 곡선(57)과, 상기 파일럿 제어밸브가 완전히 열려 있을 때 소프트한 설정의 경우에 나타나는 특성 곡선(58), 사이에 댐핑 특성 곡선들이 균일하게 분포함을 명확히 알 수 있다.

참조 부호들의 설명

(상세한 설명의 일 부분)

1 공기 스프링 및 댐퍼 유닛

2 작동 공간/압력공간

3 작동 공간/압력공간

4 하우징

5 피스톤 로드

6 피스톤

7 롤형 콘서티나

8 롤형 콘서티나

9 롤형 콘서티나

10 피스톤의 외부면

11 피스톤 로드의 외부면

12 실린더의 내부면

13 연결 지점

14 멈추개

15 멈추개

16 롤형 콘서니타의 유효 직경

17 롤형 콘서티나의 유효 직경

18 롤형 콘서티나의 유효 직경

19 롤링 폴드

20 스프링 지주 헤드 베어링

21 유체 덕트

22 유체 덕트

23 유체 덕트

24 유체 덕트

25 밸브 스프링

26 밸브 몸체

27 메인밸브

28 스로틀 밸브

29 제어밸브

30 밸브 슬라이드

31 운동 방향

32 스프링

33 스로틀 밸브

34 밸브 스프링

35 밸브 몸체

36 바이패스

37 홈

38 비복귀 밸브

39 밸브 스프링

40 밸브 시트

41 밸브 케이지

42 전기 구동식 슬라이드

43 제어밸브의 구동기

44 메인밸브

45 파일럿 제어기

46 파일럿 제어 밸브

47 제 3 압력공간

48 평슬라이드

49 밸브 스프링/헬리컬 스프링

50 밸브 몸체

51 홈

52 비복귀 밸브

53 밸브 몸체

54 밸브 스프링

55 밸브 시트

56 평슬라이드의 전방측

57 특성 곡선 "하드"

58 특성 곡선 "소프트"

Claims

작동 공간들로서 압축공기로 채워지는 적어도 2 개의 압력 공간들을 가지며, 적어도 하나의 작동 공간은 각 경우에 가동 벽들, 특히 롤형 또는 폴드형 콘서티나의 형태로 된 가동 벽에 의해 적어도 부분적으로 범위가 한정되며, 상기 작동 공간들은 유체 덕트들을 통해 서로 연결되고, 상기 유체 덕트들은 스로틀 밸브를 갖는 차량용 공기 스프링 및 댐퍼 유닛에 있어서,

제어가능한 댐핑의 스로틀 밸브는 적어도 하나의 유동방향으로 제 1 유체 덕트(21)에 배치되며, 상기 스로틀 밸브는 파일럿-제어되는 메인밸브(27, 44)로 디자인되어 있고, 상기 메인밸브(27,44)는 저압 측으로 열리고 또한 상기 저압 측에서 제어압력의 작용을 받을 수 있는 것을 특징으로 하는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 1 항에 있어서,

제어압력을 조절하기 위해, 제어밸브(29, 46)는 저압 측에서 제 2 유체 덕트(22)에 배치되어 있고, 따라서 상기 제어밸브와 메인밸브는 제어압력을 위한 제 3 압력공간(47)의 범위를 한정하는 것을 특징으로 하는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

영구적으로 설정된 비 제어 스로틀 밸브(33)는 제 3 평행 유체 덕트(23)에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제 2 유체 덕트(22)는 적어도 부분적으로 상기 제 1 유체 덕트(21) 내에 있는 것을 특징으로 하는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

제어압력을 위한 상기 제어밸브는 슬라이드(30, 42, 48)로 디자인되어 있고, 상기 슬라이드의 폐쇄 또는 운동 방향은 본질적으로 상기 유동방향에 수직인 것을 특징으로 하는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제 1 유체 덕트에 있는 상기 메인밸브와 제 3 유체 덕트에 있는 상기 스로틀 밸브는 스프링 하중을 받는 밸브로 디자인되어 있는 것을 특징으로 하는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 저압 측으로 열리게 되는 스프링 하중을 받는 비 복귀 밸브(38)는 고압 측에서 제 2 유체 덕트에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 2 유체 덕트에 있는 스프링 하중을 받는 비 복귀 밸브는 상기 제 1 유체 덕트에 있는 스프링 하중을 받는 메인밸브 내에 배치되는 것을 특징으로 하는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 4 유체 덕트는 스로틀형 바이패스로 디자인되어 있는 것을 특징으로 하 는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 9 항에 있어서,

상기 제 4 유체 덕트는 적어도 부분적으로 제 3 유체 덕트 내에 있는 것을 특징으로 하는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 4 유체 덕트는 그의 밸브 및 스로틀 장치들과 함께 양 유동방향들로 기능적으로 동일하게 디자인되어 있는 것을 특징으로 하는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 두 작동 공간들은 회전 대칭형 피스톤(6)에 의해 분리되어 있고, 상기 회전 대칭형 피스톤(6)은 회전 대칭형 하우징 내에서 축선 방향으로 움직일 수 있고 피스톤 로드의 헤드 단부에 위치하며, 따라서 한 작동 공간은 상기 피스톤의 전 방측에 배치되고 적어도 다른 작동 공간은 상기 피스톤의 후방측에 배치되는 것을 특징으로 하는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유체 덕트들은 가동 피스톤(6)의 내부에 있는 것을 특징으로 하는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,

4개의 유체 덕트들은 각 유동방향에 대해 가동 피스톤의 내부에 제공되며, 각 경우에 제 1 유체 덕트는 스프링(49)의 하중을 받는 밸브 몸체(50)로 이루어진 파일럿-제어되는 메인밸브(44)를 가지며, 메인밸브(44)의 상기 밸브 몸체(50) 및 상기 밸브 스프링(49)의 축선과 운동 방향은 상기 피스톤의 축선에 수직으로 배열되며, 각 경우에 제 2 유체 덕트는 적어도 부분적으로 상기 제 1 유체 덕트 내에 있으며 또한 스프링 하중을 받는 비 복귀 밸브(52)를 가지며, 상기 비 복귀 밸브(52)는 상기 메인밸브의 밸브 몸체(50)의 내부에 배치되며, 상기 비 복귀 밸브(52)의 축선과 운동 방향은 마찬가지로 상기 피스톤의 축선에 수직으로 배열되고 상기 메인밸브(44)와는 동축을 이루며, 제어밸브(46)는 전기 구동식 슬라이드로 디 자인되어 있고, 상기 제어밸브(46)의 구동기는 그 축선과 작용 방향이 상기 피스톤의 축선에 수직이면서 또한 상기 메인밸브(44)의 축선 방향이거나 그 축선 방향에 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 메인밸브, 제어밸브 및 상기 제어밸브의 구동기는 한 축선을 따라 배치되며, 인장단계와 압축단계를 위한 축선들은 피스톤(6)에서 상하 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,

스프링 하중을 받는 상기 메인밸브(27, 44)의 밸브 몸체(26, 50)는 포트형으로 디자인되어 있고 또한 피스톤의 홈(37, 51)에서 안내되며, 상기 홈(37,51)은 상기 밸브 몸체의 기하학적 외부 형상에 상보적이며, 헬리컬 스프링(25, 54)은 밸브 스프링으로서 상기 메인밸브의 후방측에 배치되어 상기 메인밸브를 관련된 밸브 시트에 누르고, 상기 헬리컬 스프링은 상기 밸브 몸체(26, 50)의 후방 포트형 오목부에서 안내되며 또한 피스톤 측에서 상기 홈(37, 51)의 바닥에 지지되는 것을 특징 으로 하는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,

제어밸브의 슬라이드의 기하학적 형상은 상기 제어밸브에 의해 열리게 되는 단면의 면적이 비선형적으로 변하도록 디자인되어 있는 것을 특징으로 하는,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.
제 17 항에 있어서,

상기 제어밸브는 유체 덕트의 단면에 영향을 주는 평슬라이드로 디자인되어 있으며, 상기 평슬라이드의 전방측(56)에는 단차형의 경사 후퇴부가 제공되어 있는 것을 특징으로,

공기 스프링 및 댐퍼 유닛.