KR20170105050A - 모의 코일 스프링 장치와 그 제어 방법 - Google Patents

모의 코일 스프링 장치와 그 제어 방법 Download PDF

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센리 모리야마
류이치 사토
신이치 니시자와
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닛폰 하츠죠 가부시키가이샤
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Abstract

모의 코일 스프링 장치(20)는, 하측 스프링 시트(10A)에 배치되는 제 1 어태치먼트 부재(21)와, 상측 스프링 시트(15A)에 배치되는 제 2 어태치먼트 부재(22)와, 스튜어트 플랫폼형 패럴렐 기구로 이루어지는 액추에이터 유닛(30)과, 액압 공급 장치(37)와, 비틀림 검출 기구(40A)와, 제어부(70)를 구비하고 있다. 비틀림 검출 기구(40A)는 예를 들면, LVDT(linear variable differential transformer) 등의 변위계(401 내지 406)에 의해서 구성된다. 변위계(401 내지 406)는 각각 상기 각 액압 실린더(311 내지 316)에 마련되고, 상기 각 액압 실린더(311 내지 316)의 기준 길이로부터의 변위량을 검출한다. 검출된 변위량에 기초하여, 제어부(70)는 제 1 어태치먼트 부재(21)와 제 2 어태치먼트 부재(22) 사이의 상대적인 비틀림 각도를 산출한다.

Description

모의 코일 스프링 장치와 그 제어 방법
본 발명은 예를 들면, 현가(懸架)용 코일 스프링 등의 코일 스프링에 상당하는 반력(反力)을 일으킬 수 있는 모의 코일 스프링 장치와, 그 제어 방법에 관한 것이다.
차량용 현가장치의 일례로서, 맥퍼슨 스트럿 타입(McPherson-strut-type)의 현가장치가 알려져 있다. 맥퍼슨 스트럿 타입의 현가장치는 코일 스프링과, 해당 코일 스프링의 내측에 배치된 스트럿(완충기)을 갖고 있다. 상기 코일 스프링의 상방으로부터 가해지는 하중에 의해서 코일 스프링이 압축되고, 하중의 크기에 따라 상기 코일 스프링이 신축하는 동시에, 상기 스트럿도 신축한다.
맥퍼슨 스트럿 타입의 현가장치에 있어서, 스트럿의 접동(摺動) 저항을 작게 하기 위해서, 코일 스프링의 반력선 위치를 코일 스프링의 중심으로부터 오프셋시키는 것이 알려져 있다. 예를 들면, 상기 스트럿의 마찰이 최소가 되는 위치에, 코일 스프링의 반력선 위치가 설정된다. 이 때문에, 코일 스프링의 반력선 위치와 스트럿의 접동 저항의 관계를 알 필요가 있다. 그러나, 반력선 위치가 다른 많은 종류의 코일 스프링을 시작하려면, 다대(多大)한 시간과 경비가 필요하다. 그래서, 코일 스프링을 이용하는 대신에, 모의 코일 스프링 장치를 이용하는 것이 제안되었다.
예를 들면, 미국 특허 제 7,606,690 호(특허문헌 1)에 기재되어 있는 모의 코일 스프링 장치가 알려져 있다. 또한, 2013년 11월 1일에 일본 스프링 학회(나고야)에서 발표된 예고집 제 21 페이지 내지 제 24 페이지 「유니버설 스프링에 의한 코일 스프링 반력선이 차량 특성에 미치는 영향 조사」(비특허문헌 1), 또는 2014년 4월 8일에 미국(디트로이트)에서 발표된 SAE2014 「Experimental Study on the Effect of Coil Spring Reaction Force Vector on Suspension Characteristics」(비특허문헌 2)에, 개량된 모의 코일 스프링 장치가 기재되어 있다. 이러한 모의 코일 스프링 장치는, 6개의 액압 실린더를 갖는 스튜어트 플랫폼형 패럴렐 기구(Stewart-platform-type parallel mechanism)를 갖고 있다. 각 액압 실린더를 액압에 의해서 동작시키는 것에 의해, 코일 스프링에 상당하는 반력을 발생시킬 수 있다.
맥퍼슨 스트럿 타입의 현가장치에 있어서, 하측의 스프링 시트(spring seat)와 상측의 스프링 시트 사이에 코일 스프링이 압축되면, 압축량의 크기에 따라, 하측의 시트 턴(turn)부와 상측의 시트 턴부 사이에서 비틀림(torsion)(회전 방향의 상대 위치 변화)이 발생하는 것이 알려져 있다. 상기 상측의 스프링 시트와 차체측의 마운트부 사이에는 어퍼 베어링(upper bearing)이 배치되어 있지만, 어퍼 베어링은 어느 정도의 마찰(회전 저항)을 갖고 있다. 따라서, 코일 스프링이 압축되면, 상기 어퍼 베어링의 마찰에 의해서 하측의 시트 턴부와 상측의 시트 턴부 사이에 회전 방향의 모멘트가 발생한다. 이 모멘트가, 킹핀 모멘트(kingpin moment)(킹핀 축 주위의 모멘트)를 발생시킨다. 킹핀 모멘트는 차량의 조향 성능에 악영향을 주는 요인이 된다. 킹핀 모멘트는, 킹핀 축과 스트럿축의 기하학적인 위치 관계에 따라 변화한다. 또한, 킹핀 모멘트는 반력선 위치에 좌우되기도 한다.
본 발명자들이 생각한 모의 코일 스프링 장치는, 액압에 의해서 구동되는 액추에이터 유닛(예를 들면, 스튜어트 플랫폼형 패럴렐 기구)을 구비하고 있다. 이 모의 코일 스프링 장치에 세팅되는 스트럿은, 제 1 스트럿 요소(예를 들면, 외통)와 제 2 스트럿 요소(예를 들면, 로드)를 갖고 있다. 모의 코일 스프링 장치의 상단은 실제의 차체의 마운트부와 마찬가지로, 베이스 부재에 의해 지지되어 있다. 베이스 부재와 상측의 스프링 시트 사이에는 베어링이 배치되어 있다.
킹핀 모멘트를 계측할 때에는 예를 들면, 푸쉬(push)·풀(pull) 시험기에 의해서, 상기 제 1 스트럿 요소에 킹핀 축 주위의 토크를 부여하고 있다. 이 토크는 상기 액추에이터 유닛을 거쳐서, 상측 스프링 시트에 전달된다. 이 때문에, 상기 베어링의 마찰이 제로이면, 상측 스프링 시트는 하측 스프링 시트와 같은 양만큼 회전한다. 그러나 실제로는, 상기 베어링에 마찰이 존재하기 때문에, 상기 상측 스프링 시트의 회전이 저항을 받는다. 이에 의해, 상기 액추에이터 유닛이 비틀어져 버려서, 반력선 위치도 변화되기 때문에, 킹핀 모멘트를 정밀하게 측정할 수 없다고 하는 문제가 발생하였다.
따라서, 본 발명은 킹핀 모멘트를 정확하게 측정하는 것이 가능한 모의 코일 스프링 장치와, 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 실시형태는, 하측 스프링 시트와 상측 스프링 시트를 갖는 스트럿에 마련되는 모의 코일 스프링 장치이며, 상기 하측 스프링 시트에 배치되는 제 1 어태치먼트 부재와, 상기 상측 스프링 시트에 배치되는 제 2 어태치먼트 부재와, 상기 제 1 어태치먼트 부재와 상기 제 2 어태치먼트 부재 사이에 배치되고, 신축 동작하는 액추에이터 유닛과, 상기 액추에이터 유닛을 제어하는 제어부와, 비틀림 검출 기구를 구비하고 있다. 상기 비틀림 검출 기구는, 상기 제 1 어태치먼트 부재와 상기 제 2 어태치먼트 부재 사이에 발생되는 비틀림 각도를 검출한다.
상기 액추에이터 유닛의 일례는, 상기 제 1 어태치먼트 부재와 상기 제 2 어태치먼트 부재 사이에 교대로 기울기를 바꿔서 배치된 6개의 액압 실린더를 갖는 스튜어트 플랫폼형 패럴렐 기구로 이루어진다. 상기 비틀림 검출 기구의 일례는, 상기 각 액압 실린더에 마련되고, 상기 각 액압 실린더의 기준 길이로부터의 변위량을 각각 검출하는 변위계에 의해서 구성되어 있다.
또한, 상기 변위계가 각각 플런저(plunger)를 구비하는 LVDT이며, 또한, 본 실시형태의 모의 코일 스프링 장치는, 상기 각 플런저와 평행하게 배치되어 해당 플런저의 직선 운동을 안내하는 가이드 로드를 구비하고 있어도 좋다. 또한, 본 실시형태의 모의 코일 스프링 장치는, 상기 하측 스프링 시트에 가해지는 축방향의 힘과 축 주위의 모멘트를 검출하는 제 1 내부 로드 셀과, 상기 상측 스프링 시트에 가해지는 축방향의 힘과 축 주위의 모멘트를 검출하는 제 2 내부 로드 셀을 더 구비하고 있다.
본 실시형태의 모의 코일 스프링 장치에 의하면, 상기 하측 스프링 시트와 상측 스프링 시트의 상대적인 비틀림 각도가, 상기 비틀림 검출 기구에 의해 검출된다. 이 비틀림 각도는, 베이스 부재와 상기 상측 스프링 시트 사이에 배치되어 있는 회전 지지 기구의 마찰에 좌우된다. 하나의 실시형태의 모의 코일 스프링 장치의 상기 제어부는, 예를 들면, 상기 비틀림 검출 기구에 의해 상기 비틀림 각도가 검출된 상태에 있어서, 그 비틀림 각도에 따라 반력선 위치를 보정한다. 또는, 예를 들면, 상기 비틀림 각도가 제로가 되는 방향으로 상기 액추에이터 유닛을 컨트롤한다. 본 실시형태의 모의 코일 스프링 장치에 의하면, 킹핀 모멘트를 정확하게 검출할 수 있다.
도 1은 맥퍼슨 스트럿 타입의 현가장치의 단면도,
도 2는 하나의 실시형태에 따른 모의 코일 스프링 장치의 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 모의 코일 스프링 장치의 측면도,
도 4는 도 2에 도시된 모의 코일 스프링 장치의 저면도,
도 5는 도 4의 선 F5-F5에 따른 단면도,
도 6은 도 2에 도시된 모의 코일 스프링 장치의 구성의 개략을 도시하는 블럭도,
도 7은 도 2에 도시된 모의 코일 스프링 장치의 일부를 모식적으로 도시하는 사시도,
도 8은 푸쉬·풀 시험기의 제어의 일부를 나타내는 플로차트(flow chart),
도 9는 도 2에 도시된 모의 코일 스프링 장치의 제어의 일례를 나타내는 플로차트,
도 10은 도 2에 도시된 모의 코일 스프링 장치의 제어의 다른 예를 나타내는 플로차트.
도 1은 차량에 사용되는 현가장치의 일례인 맥퍼슨 스트럿 타입의 현가장치(1)를 도시하고 있다. 이 현가장치(1)는, 스트럿(2)으로서의 완충기와, 현가용 코일 스프링(3)(이 이후에는 단지 코일 스프링(3)이라고 칭함)을 포함하고 있다. 스트럿(2)은 제 1 스트럿 요소로서의 외통(4)과, 제 2 스트럿 요소로서의 로드(5)를 포함하고 있다. 로드(5)는 외통(4)에 삽입되어 있다. 외통(4)에 삽입된 로드(5)의 선단에 감쇠력 발생 기구가 마련되어 있다. 외통(4)과 로드(5)는 서로 축(L1)(스트럿축)방향으로 이동할 수 있다.
외통(4)에 하측 스프링 시트(10)가 마련되어 있다. 외통(4)의 하단에 브래킷(11)이 마련되어 있다. 브래킷(11)에 너클 부재(12)가 마련되어 있다. 너클 부재(12)에 의해서 차륜 축이 지지된다. 로드(5)의 상단에, 상측 스프링 시트(15)가 마련되어 있다. 상측 스프링 시트(15)와 바디 부재(16) 사이에 마운트 인슐레이터(17)가 마련되어 있다. 스티어링 조작이 이루어지면, 너클 부재(12)에 입력되는 스티어링 조작력에 의해, 스트럿(2)이 킹핀 축(L2) 주위로 선회한다. 코일 스프링(3)은 하측 스프링 시트(10)와 상측 스프링 시트(15) 사이에 압축된 상태로 마련되어 있다.
이하에 하나의 실시형태에 따른 모의 코일 스프링 장치(20)에 대해서, 도 2 내지 도 10을 참조하여 설명한다. 도 2는 모의 코일 스프링 장치(20)의 사시도이다. 도 3은 모의 코일 스프링 장치(20)의 측면도이다. 도 4는 모의 코일 스프링 장치(20)의 저면도이다. 도 5는 도 4의 선 F5-F5에 따른 단면도이다.
모의 코일 스프링 장치(20)에 사용되는 스트럿(2A)(도 5에 도시됨)은, 제 1 스트럿 요소로서의 외통(4A)과, 제 2 스트럿 요소로서의 로드(5A)와, 하측 스프링 시트(10A)와, 브래킷(11A)과, 상측 스프링 시트(15A)를 포함하고 있다. 하측 스프링 시트(10A)는 외통(4A)에 장착되어 있다. 상측 스프링 시트(15A)는 하측 스프링 시트(10A)의 상방에 있어서, 로드(5A)의 상단 부근에 배치되어 있다. 로드(5A)는 외통(4A)에 대해서 축(L1)(스트럿축)방향으로 이동할 수 있다.
모의 코일 스프링 장치(20)는, 제 1 어태치먼트 부재(21)와, 제 2 어태치먼트 부재(22)와, 제 1 시트 어댑터(27)와, 제 2 시트 어댑터(28)와, 스튜어트 플랫폼형 패럴렐 기구로 이루어지는 액추에이터 유닛(30)과, 액압 공급 장치(37)와, 비틀림 검출 기구(40A)와, 제 1 내부 로드 셀(41)과, 제 2 내부 로드 셀(42)과, 베이스 부재(45)와, 회전 지지 기구(50)와, 제어부(70) 등을 포함하고 있다. 액추에이터 유닛(30)은 회전 지지 기구(50)에 의해, 스트럿축 주위로 회전 가능하게 지지되어 있다. 회전 지지 기구(50)의 마찰은 킹핀 모멘트를 좌우한다.
이후에 상세하게 설명되는 바와 같이, 비틀림 검출 기구(40A)에 의해 검출된 비틀림 각도에 관한 신호가 제어부(70)에 입력된다. 제어부(70)는 액압 공급 장치(37)를 컨트롤한다. 액압 공급 장치(37)는 컨트롤된 액압을 액추에이터 유닛(30)에 공급한다.
제 1 어태치먼트 부재(21)는 하측 스프링 시트(10A)에 고정되어 있다. 제 1 어태치먼트 부재(21)는, 하측 스프링 시트(10A)의 상방에 배치된 제 1 원판부(21a)와, 제 1 원판부(21a)로부터 하방으로 연장되는 원통형의 제 1 연장부(21b)와, 제 1 연장부(21b)의 하단으로부터 외측으로 돌출하는 제 1 플랜지부(21c)를 갖고 있다. 즉, 제 1 어태치먼트 부재(21)는, 대략 모자(hat)형을 이루고 있다. 제 1 플랜지부(21c)의 원주 방향의 6개소에, 각각 하측의 조인트 접속부(25)가 마련되어 있다.
제 2 어태치먼트 부재(22)는 상측 스프링 시트(15A)에 고정되어 있다. 제 2 어태치먼트 부재(22)는, 상측 스프링 시트(15A)의 하방에 배치된 제 2 원판부(22a)와, 제 2 원판부(22a)로부터 상방으로 연장되는 원통형의 제 2 연장부(22b)와, 제 2 연장부(22b)의 상단으로부터 외측으로 돌출하는 제 2 플랜지부(22c)를 갖고 있다. 즉, 제 2 어태치먼트 부재(22)는, 역모자형을 이루고 있다. 제 2 플랜지부(22c)의 원주 방향의 6개소에, 각각 상측의 조인트 접속부(26)가 마련되어 있다.
하측 스프링 시트(10A) 위에 제 1 시트 어댑터(27)가 배치되어 있다. 제 1 시트 어댑터(27)는 예를 들면, 알루미늄 합금 등과 같이 철보다 가벼운 경합금으로 이루어지고, 평탄한 상면(27a)을 갖고 있다. 제 1 시트 어댑터(27)의 하면(27b)은, 하측 스프링 시트(10A)와 끼워맞춤되는 형상이다.
상측 스프링 시트(15A) 아래에 제 2 시트 어댑터(28)가 배치되어 있다. 제 2 시트 어댑터(28)도 예를 들면, 알루미늄 합금 등의 경합금으로 이루어지고, 평탄한 하면(28a)을 갖고 있다. 제 2 시트 어댑터(28)의 상면(28b)은 상측 스프링 시트(15A)와 면접촉하는 형상이다. 제 2 시트 어댑터(28)의 하면(28a)은 제 1 시트 어댑터(27)의 하면(27b)과 평행이다.
제 1 어태치먼트 부재(21)의 플랜지부(21c)는 하측 스프링 시트(10A)의 하방에 위치하고 있다. 제 2 어태치먼트 부재(22)의 플랜지부(22c)는 상측 스프링 시트(15A)의 상방에 위치하고 있다. 이들 플랜지부(21c, 22c) 사이에, 액압에 의해 신축 동작을 이루는 액추에이터 유닛(30)이 배치되어 있다. 액추에이터 유닛(30)의 일례는, 스튜어트 플랫폼형 패럴렐 기구로 이루어진다.
도 6은 모의 코일 스프링 장치(20)의 구성을 도시하는 블럭도이다. 도 7은 모의 코일 스프링 장치(20)의 일부를 모식적으로 도시하는 사시도이다. 스튜어트 플랫폼형 패럴렐 기구로 이루어지는 액추에이터 유닛(30)은, 6개의 액압 실린더(311 내지 316)를 갖고 있다. 이들 액압 실린더(311 내지 316)는, 서로 이웃하는 액압 실린더끼리에서, 수직선(H)(도 6에 도시됨)에 대한 각도가 교대로 ＋θ와 -θ가 되도록, 교대로 기울기를 바꿔서 배치되어 있다.
6개의 액압 실린더(311 내지 316)의 구조는 서로 공통이기 때문에, 여기에서는 제 1 액압 실린더(311)를 대표로 하여 설명한다. 액압 실린더(311)는, 액압(예를 들면, 유압)에 의해서 구동되는 피스톤 로드(32)와, 피스톤 로드(32)를 제 1 방향(연장측)으로 이동시키는 제 1 액압실(33)과, 피스톤 로드(32)를 제 2 방향(축소측)으로 이동시키는 제 2 액압실(34)을 갖고 있다. 제 1 액압실(33)과 제 2 액압실(34)은, 각각 호스(35, 36)를 거쳐서 액압 공급 장치(37)에 접속되어 있다.
액압 공급 장치(37)가 발생하는 액압을 제 1 액압실(33) 또는 제 2 액압실(34)에 공급하는 것에 의해, 액압 실린더(311)를 연장측 및 축소측으로 이동시킬 수 있다. 액압 실린더(311)의 하단은, 볼 조인트로 대표되는 자재 이음쇠(38)에 의해서, 제 1 어태치먼트 부재(21)의 조인트 접속부(25)에 요동 가능하게 접속되어 있다. 액압 실린더(311)의 상단은, 볼 조인트로 대표되는 자재 이음쇠(39)에 의해서, 제 2 어태치먼트 부재(22)의 조인트 접속부(26)에 요동 가능하게 접속되어 있다.
각 액압 실린더(311 내지 316)에 각각 직선 변위계(401 내지 406)가 마련되어 있다. 이들 변위계(401 내지 406)에 의해서, 비틀림 검출 기구(40A)가 구성되어 있다. 각 변위계(401 내지 406)의 구조는 서로 공통이기 때문에, 여기에서는 제 1 액압 실린더(311)에 마련된 제 1 변위계(401)를 대표로 하여 설명한다.
변위계(401)의 일례는, 플런저(54)를 갖는 LVDT(linear variable differential transformer)이다. 이 변위계(401)는 액압 실린더(311)의 기준 길이[피스톤 로드(32)의 기준 위치]로부터의 직선 변위를 검출한다. 변위계(401)의 다른 예로서, 예를 들면, 광학적 리니어 엔코더(optical linear encoder)나, 자기적 리니어 스케일(magnetic linear scale) 등의 직선 변위계가 채용되어도 좋다. 또는, 이들 이외의 검출 원리에 의한 직선 변위계가 채용되어도 좋다.
변위계(401)는 부착판(55)에 의해서 액압 실린더(311)에 평행하게 배치되어 있다. 변위계(401)의 플런저(54)는, 연결 부재(56)에 의해 액압 실린더(311)의 피스톤 로드(32)의 선단에 접속되어 있다. 부착판(55)에 가이드 로드(57)가 삽입되어 있다. 가이드 로드(57)는 연결 부재(56)에 의해 플런저(54)에 접속되어 있다. 피스톤 로드(32)와, 플런저(54)와, 가이드 로드(57)는, 서로 평행 관계를 유지한 상태에 있어서, 액압 실린더(311)의 축선 방향으로 이동한다. 가이드 로드(57)는 피스톤 로드(32)와 플런저(54)의 직선 운동을 안내한다. 또한, 다른 변위계(402 내지 406)도 제 1 변위계(401)와 공통의 구성이기 때문에, 도 2 내지 도 5에서는 서로 공통인 부분에 공통의 부호가 부여되어 있다.
하측 스프링 시트(10A)와 상측 스프링 시트(15A) 사이에 비틀림이 발생하면, 비틀림 각도에 따라 각 액압 실린더(311 내지 316)가 신축한다. 예를 들면, 제 1 어태치먼트 부재(21)에 대해서 제 2 어태치먼트 부재(22)가 제 1 방향으로 비틀어지면, 제 1, 제 3, 제 5 액압 실린더(311, 313, 315)가 늘어나고, 제 2, 제 4, 제 6 액압 실린더(312, 314, 316)가 줄어든다. 이와 반대로, 제 1 어태치먼트 부재(21)에 대해서 제 2 어태치먼트 부재(22)가 제 2 방향으로 비틀어지면, 제 1, 제 3, 제 5 액압 실린더(311, 313, 315)가 줄어들고, 제 2, 제 4, 제 6 액압 실린더(312, 314, 316)가 늘어난다. 이 때문에, 각 액압 실린더(311 내지 316)의 길이의 변화를 변위계(401 내지 406)에 의해 검출하는 것에 의해서, 하측 스프링 시트(10A)와 상측 스프링 시트(15A) 사이에 발생된 비틀림의 크기, 즉, 제 1 어태치먼트 부재(21)와 제 2 어태치먼트 부재(22) 사이에 발생된 비틀림 각도를 구할 수 있다.
제 1 어태치먼트 부재(21)와 제 2 어태치먼트 부재(22)가 서로 평행한 경우에는, 6개의 변위계(401 내지 406) 중 적어도 1개의 출력(변위량)에 기초하여, 비틀림 각도를 검출해도 좋다. 제 1 어태치먼트 부재(21)와 제 2 어태치먼트 부재(22)가 서로 평행이 아닌 경우에는, 모든 변위계(401 내지 406)의 출력에 기초하여 비틀림 각도를 검출하면 좋다.
제 1 어태치먼트 부재(21)의 원판부(21a)와 제 1 시트 어댑터(27) 사이에, 제 1 내부 로드 셀(41)이 배치되어 있다. 제 1 내부 로드 셀(41)은, 제 1 어태치먼트 부재(21)의 내부에 수용되어, 하측 스프링 시트(10A)의 상방에 배치되어 있다. 제 1 내부 로드 셀(41)은 외통(4A)이 삽입되는 관통 구멍(41a)과, 제 1 원판부(21a)의 하면에 접하는 평평한 상면(41b)과, 제 1 시트 어댑터(27)의 상면(27a)에 접하는 평평한 하면(41c)을 갖고, 전체적으로 링 형상을 이루고 있다. 제 1 내부 로드 셀(41)은, 그 상면(41b)과 하면(41c)이 축(L1)과 직각이 되도록, 제 1 시트 어댑터(27)에 고정되어 있다.
제 1 내부 로드 셀(41)은, 회전 지지 기구(50)와 동축, 즉, 내부 로드 셀(41)의 중심이 축(L1)과 일치하도록 배치되어 있다. 제 1 내부 로드 셀(41)은, 제 1 시트 어댑터(27)의 상면(27a)에 작용하는 축력과, 축 주위의 모멘트를 검출한다. 제 1 내부 로드 셀(41)은 외통(4A)과, 하측 스프링 시트(10A)와, 제 1 시트 어댑터(27)와, 제 1 어태치먼트 부재(21)와 함께, 축(L1) 주위로 회동할 수 있다.
제 2 어태치먼트 부재(22)의 원판부(22a)와 제 2 시트 어댑터(28) 사이에, 제 2 내부 로드 셀(42)이 배치되어 있다. 제 2 내부 로드 셀(42)은 제 2 어태치먼트 부재(22)의 내부에 수용되어, 상측 스프링 시트(15A)의 하방에 배치되어 있다. 제 2 내부 로드 셀(42)은 로드(5A)가 삽입되는 관통 구멍(42a)과, 제 2 원판부(22a)의 상면에 접하는 평평한 하면(42b)과, 제 2 시트 어댑터(28)의 하면(28a)에 접하는 평평한 상면(42c)을 갖고, 전체적으로 링 형상을 이루고 있다. 제 2 내부 로드 셀(42)은 그 하면(42b)과 상면(42c)이 축(L1)과 직각이 되도록, 제 2 시트 어댑터(28)에 고정되어 있다.
제 2 내부 로드 셀(42)은 제 1 내부 로드 셀(41)과 마찬가지로, 회전 지지 기구(50)와 동축, 즉, 내부 로드 셀(42)의 중심이 축(L1)과 일치하도록 배치되어 있다. 제 2 내부 로드 셀(42)은 제 2 시트 어댑터(28)의 하면(28a)에 작용하는 축력과 축 주위의 모멘트를 검출한다. 제 2 내부 로드 셀(42)은 상측 스프링 시트(15A)와, 제 2 어태치먼트 부재(22)와, 제 2 시트 어댑터(28)와 함께, 축(L1) 주위로 회전할 수 있다.
상측 스프링 시트(15A)와 베이스 부재(45) 사이에, 회전 지지 기구(50)가 배치되어 있다. 회전 지지 기구(50)는 베이스 부재(45)에 대해서, 액추에이터 유닛(30)을 축(L1) 주위로 회전 가능하게 지지하고 있다. 회전 지지 기구(50)의 일례는 볼 베어링이며, 하측의 링 부재(51)와, 상측의 링 부재(52)와, 이들 링 부재(51, 52) 사이에 수용된 복수의 전동 부재(53)를 갖고 있다. 하측의 링 부재(51)는 상측 스프링 시트(15A)의 상면에 배치되어 있다. 상측의 링 부재(52)는 베이스 부재(45)의 하면에 배치되어 있다.
푸쉬·풀 시험기(60)(도 6에 도시됨)는, 킹핀 모멘트를 검출하는 검출 수단의 일례이다. 푸쉬·풀 시험기(60)는, 타이 로드(tie rod)(61)를 눌러(푸쉬) 당기는(풀) 리니어 액추에이터(62)와, 타이 로드(61)에 가해지는 축력(타이 로드 축력)을 계측하는 로드 셀(63)을 구비하고 있다. 타이 로드(61)는 너클 부재(12)에 접속되어 있다.
이하에, 모의 코일 스프링 장치(20)의 작용에 대해서 설명한다.
스튜어트 플랫폼형 패럴렐 기구로 이루어지는 액추에이터 유닛(30)은, 도 7에 도시되는 6개의 축력(P1 내지 P6)을 합성함으로써, 6 자유도의 임의인 힘의 영역을 형성한다. 즉, 6개의 액압 실린더(311 내지 316)가 발생하는 힘의 벡터 중, 축(L1)방향의 성분의 합력이 코일 스프링에 상당하는 반력이 된다. 예를 들면, 6개의 축력(P1 내지 P6)을 합성한 값이 정이면, 축(L1)에 따른 상향력(PZ)이 발생한다.
하측 스프링 시트(10A)와 상측 스프링 시트(15A) 사이에서 액추에이터 유닛(30)이 압축되면, 6개의 액압 실린더(311 내지 316)가 발생하는 힘의 벡터 중, 축방향의 힘이 하측 스프링 시트(10A)에 가해진다. 이 경우, 도 7 중 좌표계에 대해 서로 직교 관계에 있는 3개의 축력(PX, PY, PZ)과 3개의 모멘트(MX, MY, MZ)가 발생한다. 하측 스프링 시트(10A)에 가해지는 6분력(PX, PY, PZ, MX, MY, MZ)이 제 1 내부 로드 셀(41)에 의해서 검출되어, 제어부(70)(도 6에 도시됨)에 입력된다. 또한, 상측 스프링 시트(15A)에 가해지는 6분력이 제 2 내부 로드 셀(42)에 의해서 검출되어, 제어부(70)에 입력된다. 이들 6분력에 기초하여, 반력 중심 위치(하중축)(L3)가 산출된다.
또한, 6개의 축력(P1 내지 P6)이 축(L1) 주위에 미치는 모멘트의 합계가, 축(L1) 주위의 모멘트(Mz)가 된다. 예를 들면, 도 7에 있어서, 3개의 액압 실린더(311, 313, 315)가 발생하는 힘(정의 Mz를 발생시키는 축력)의 합계가, 다른 3개의 액압 실린더(312, 314, 316)가 발생하는 힘(부의 Mz를 발생시키는 축력)의 합계보다 크면, 액추에이터 유닛(30)의 상단[상측 스프링 시트(15A)]에 정의 값의 Mz가 발생한다. 즉, 6개의 액압 실린더(311 내지 316)가 발생하는 힘의 벡터의 축 주위의 성분이, 축(L1) 주위의 모멘트(Mz)이다. 킹핀 축(L2)에 있어서도 6분력의 영향에 의해, 킹핀 축(L2) 주위의 모멘트(킹핀 모멘트)가 발생한다.
본 실시형태의 모의 코일 스프링 장치(20)를 이용하여 스트럿(2A)의 성능 시험[예를 들면, 스트럿(2A)의 접동 저항이나 킹핀 모멘트의 측정]을 시행할 수 있다. 도 5와 도 6에 하중 시험기의 일부(80)가 도시되어 있다. 이 하중 시험기에 의해서 모의 코일 스프링 장치(20)에 소정의 하중을 가한다. 이 하중에 의해서, 하측 스프링 시트(10A)와 상측 스프링 시트(15A) 사이의 거리가 좁아지기 때문에, 수직 반력이 발생한다. 이 수직 반력이 발생하고 있는 상태로, 예를 들면, 상하 방향의 스트로크가 ±5mm, 0.5Hz의 파형으로 베이스 부재(45)를 상하시켜서, 외부 로드 셀(81)에 의해서 하중을 측정한다. 스트럿(2A)에 발생하는 마찰력은, 측정된 하중의 히스테리시스의 절반의 값으로 평가할 수 있다.
하측 스프링 시트(10A)와 상측 스프링 시트(15A) 사이에 소정의 수직 반력을 발생시킨 상태에 있어서, 푸쉬·풀 시험기(60)(도 6에 도시됨)에 의해 킹핀 모멘트가 검출된다. 예를 들면, 리니어 액추에이터(62)에 의해서 너클 부재(12)를 제 1 방향 및 제 2 방향으로 교대로 선회시켜서, 타이 로드(61)에 가해지는 축력이 로드 셀(63)에 의해 검출된다. 그리고, 너클 부재(12)를 제 1 방향으로 선회시킬 때의 축력과, 제 2 방향으로 선회시킬 때의 축력의 차이에 기초하여, 킹핀 모멘트가 산출된다.
도 8은 푸쉬·풀 시험기(60)를 이용하여 킹핀 모멘트(KPM)를 구하는 순서의 일례를 나타내는 플로차트이다. 도 8 중 단계(S1)에 있어서, 카운터(counter)값(n)이 제로로 설정된다. 단계(S2)에서는, 리니어 액추에이터(62)에 의해, 너클 부재(12)가 푸쉬 방향(제 1 방향)으로 구동된다. 단계(S3)에 있어서, 타이 로드(61)에 가해지는 축력(타이 로드 축력)이 로드 셀(63)에 의해 검출된다. 단계(S4)에서는, 리니어 액추에이터(62)가 푸쉬측의 스트로크 종료에 도달했는지 여부가 판정되어, “YES”면 단계(S5)로 이동한다. 단계(S4)에 있어서 “NO”이면, 단계(S2)로 되돌아와서, 푸쉬 방향의 구동이 속행된다.
단계(S5)에서는, 리니어 액추에이터(62)에 의해, 너클 부재(12)가 풀 방향(제 2 방향)으로 구동된다. 단계(S6)에 있어서, 타이 로드(61)에 가해지는 축력(타이 로드 축력)이 로드 셀(63)에 의해 검출된다. 단계(S7)에서는, 리니어 액추에이터(62)가 풀측의 스트로크 종료에 도달했는지 여부가 판정되어, “YES”면 단계(S8)로 이동한다. 단계(S7)에 있어서 “NO”이면, 단계(S5)로 되돌아와서, 풀 방향의 구동이 속행된다.
단계(S8)에서는, 카운터값(n)이 소정수에 도달했는지 여부가 판정된다. 단계(S8)에 있어서 “NO”이면, 카운터값(n)에 1을 더한 후 단계(S2)로 되돌아온다. 단계(S8)에 있어서 “YES”이면 단계(S10)로 이동한다. 단계(S10)에서는, 푸쉬 방향의 상기 타이 로드 축력과, 풀 방향의 상기 타이 로드 축력의 차이에 기초하여, 킹핀 모멘트(KPM)가 산출된다.
이와 같이 푸쉬·풀 시험기(60)에 의해서 모의 코일 스프링 장치(20)에 킹핀 축 주위의 토크가 부여되고 있는 동안, 하측 스프링 시트(10A)와 상측 스프링 시트(15A)의 상대적인 비틀림 각도가, 비틀림 검출 기구(40A)에 의해 실시간으로 검출된다. 예를 들면, 도 9에 나타내는 단계(S11)(FLP의 보정)에 있어서, 비틀림 각도에 기초하여, 반력 중심선(FLP)의 위치가 좌표 변화에 의해 보정된다. 이 보정된 FLP에 기초하여, 보다 정확한 킹핀 모멘트를 구할 수 있다.
또는, 도 10에 나타내는 바와 같이, 단계(S12)(비틀림 각도의 제어)에 있어서, 비틀림 각도가 제로가 되는 방향으로, 액압 실린더(311 내지 316)의 액압이 컨트롤된다. 즉, 액압 공급 장치(37)는 변위계(401 내지 406)의 출력에 기초하여, 비틀림 각도가 제로가 되도록, 각 액압 실린더(311 내지 316)의 액압을 컨트롤한다. 또한, 도 9에 나타내는 단계(S11)(FLP의 보정)와, 도 10에 나타내는 단계(S12)(비틀림 각도의 제어)가 조합되어도 좋다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 모의 코일 스프링 장치(20)의 제어 방법은 킹핀 모멘트를 측정하기 위한 하기와 같은 공정을 포함하고 있다.
(1) 제 1 스트럿 요소[외통(4A)]에 제 1 방향(푸쉬측)의 토크를 부여한다.
(2) 제 1 어태치먼트 부재(21)와 제 2 어태치먼트 부재(22) 사이에 발생된 비틀림 각도를, 비틀림 검출 기구(40A)에 의해 검출한다.
(3) 제 1 방향(푸쉬측)의 타이 로드 축력을 검출한다.
(4) 제 1 스트럿 요소[외통(4A)]에 제 2 방향(풀측)의 토크를 부여한다.
(5) 제 1 어태치먼트 부재(21)와 제 2 어태치먼트 부재(22) 사이에 발생된 비틀림 각도를, 비틀림 검출 기구(40A)에 의해 검출한다.
(6) 제 2 방향(풀측)의 타이 로드 축력을 검출한다.
(7) 상기 비틀림 각도에 기초하여 반력선 위치를 보정, 또는 액압 실린더를 컨트롤한다.
(8) 상기 타이 로드 축력에 기초하여, 킹핀 모멘트(KPM)를 산출한다.
본 발명의 실시형태에 따른 모의 코일 스프링 장치는 맥퍼슨 스트럿 타입에 한정되는 일 없이, 요컨대 스트럿을 갖는 다른 형식의 현가장치에도 적용할 수 있다. 액추에이터 유닛은, 스튜어트 플랫폼형 패럴렐 기구에 한정하는 것이 아니라, 요컨대 유체(액체나 가스)의 압력에 의해서 신축 동작하는 실린더를 갖는 액추에이터 유닛을 채용할 수 있다. 액추에이터 유닛의 다른 예로서, 볼 나사와 서보 모터를 갖는 리니어 액추에이터가 채용되어도 좋고, 또는 차동 변압기 타입의 리니어 액추에이터가 채용되어도 좋다. 이들 이외의 액추에이터 유닛이 채용되어도 좋다. 또한, 본 발명을 실시함에 있어서, 제 1 및 제 2 어태치먼트, 비틀림 검출 기구 등의 구성이나 형상 및 배치 등, 모의 코일 스프링 장치를 구성하는 각 요소를 다양하게 변형하여 실시할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
2A : 스트럿(완충기) 10A : 하측 스프링 시트
15A : 상측 스프링 시트 20 : 모의 코일 스프링 장치
21 : 제 1 어태치먼트 부재 22 : 제 2 어태치먼트 부재
27 : 제 1 시트 어댑터 28 : 제 2 시트 어댑터
30 : 액추에이터 유닛 311 내지 316 : 액압 실린더
37 : 액압 공급 장치 40A : 비틀림 검출 기구
401 내지 406 : 변위계 41 : 제 1 내부 로드 셀
42 : 제 2 내부 로드 셀 54 : 플런저
57 : 가이드 로드 70 : 제어부

Claims (8)

  1. 하측 스프링 시트(10A)와 상측 스프링 시트(15A)를 갖는 스트럿(2A)에 마련되는 모의 코일 스프링 장치(20)에 있어서,
    상기 하측 스프링 시트(10A)에 배치되는 제 1 어태치먼트 부재(21)와,
    상기 상측 스프링 시트(15A)에 배치되는 제 2 어태치먼트 부재(22)와,
    상기 제 1 어태치먼트 부재(21)와 상기 제 2 어태치먼트 부재(22) 사이에 배치되고, 신축 동작하는 액추에이터 유닛(30)과,
    상기 액추에이터 유닛(30)을 제어하는 제어부(70)와,
    상기 제 1 어태치먼트 부재(21)와 상기 제 2 어태치먼트 부재(22) 사이에 발생되는 비틀림 각도를 검출하는 비틀림 검출 기구(40A)를 구비하는
    모의 코일 스프링 장치(20).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액추에이터 유닛(30)이 상기 제 1 어태치먼트 부재(21)와 상기 제 2 어태치먼트 부재(22) 사이에 교대로 기울기를 바꿔서 배치된 6개의 액압 실린더(311 내지 316)를 갖는 스튜어트 플랫폼형 패럴렐 기구로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    모의 코일 스프링 장치(20).
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부(70)는 상기 비틀림 검출 기구(40A)에 의해 상기 비틀림 각도가 검출되면, 상기 비틀림 각도에 기초하여 반력선 위치를 보정하는
    모의 코일 스프링 장치(20).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부(70)는 상기 비틀림 검출 기구(40A)에 의해 상기 비틀림 각도가 검출되면, 상기 비틀림 각도가 제로가 되도록 상기 액추에이터 유닛(30)을 컨트롤하는
    모의 코일 스프링 장치(20).
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 비틀림 검출 기구(40A)는,
    상기 각 액압 실린더(311 내지 316)에 마련되고, 상기 각 액압 실린더(311 내지 316)의 기준 길이로부터의 변위량을 각각 검출하는 변위계(401 내지 406)를 구비하는
    모의 코일 스프링 장치(20).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 변위계(401 내지 406)가 각각 플런저(54)를 구비한 LVDT이며, 또한, 상기 각 플런저(54)와 평행하게 배치되어 상기 플런저(54)의 직선 운동을 안내하는 가이드 로드(57)를 구비하는
    모의 코일 스프링 장치(20).
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하측 스프링 시트(10A)에 가해지는 축방향의 힘과 축 주위의 모멘트를 검출하는 제 1 내부 로드 셀(41)과, 상기 상측 스프링 시트(15A)에 가해지는 축방향의 힘과 축 주위의 모멘트를 검출하는 제 2 내부 로드 셀(42)을 더 구비하는
    모의 코일 스프링 장치(20).
  8. 모의 코일 스프링 장치(20)를 위한 제어 방법에 있어서,
    상기 모의 코일 스프링 장치(20)가,
    하측 스프링 시트(10A)에 배치된 제 1 어태치먼트 부재(21)와 상측 스프링 시트(15A)에 배치된 제 2 어태치먼트 부재(22) 사이에 배치된 액압 실린더(311 내지 316)를 갖는 액추에이터 유닛(30)과,
    상기 액압 실린더(311 내지 316)에 액압을 공급하는 액압 공급 장치(37)를 포함하고,
    상기 제어 방법은,
    상기 제 2 어태치먼트 부재(22)에 대해서 상기 제 1 어태치먼트 부재(21)에 킹핀 축 주위의 토크를 부여하는 단계와,
    상기 제 1 어태치먼트 부재(21)와 상기 제 2 어태치먼트 부재(22) 사이에 발생된 비틀림 각도를 검출하는 단계와,
    검출된 상기 비틀림 각도에 기초하여, 반력선 위치를 보정하거나 또는 상기 액압 실린더(311 내지 316)를 컨트롤하는 단계를 구비하는
    모의 코일 스프링 장치(20)의 제어 방법.
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