KR20170106378A - 코일 스프링 장치와 그 제어 방법 - Google Patents

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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, 스프링 높이 검출 기구(40A)와, 액압 공급 장치(37)와, 제어부(70)를 구비하고 있다. 스프링 높이 검출 기구(40A)는, 예를 들면 LVDT(linear variable differential transformer) 등의 변위계(401 내지 406)에 의해서 구성된다. 이들 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. 상기 액압 공급 장치(37)는 상기 제어부(70)에 의해서 컨트롤되고, 상기 변위계(401 내지 406)에 의해 검출된 상기 변위량에 대응하는 액압을 상기 각 액압 실린더(311 내지 316)에 공급한다.

Description

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.
코일 스프링은 축방향으로 가해지는 압축의 하중에 따라 길이(변형)가 변화한다. 스프링 정수가 일정한 코일 스프링의 경우에는, 하중의 크기에 비례하여 길이(변형)가 증가한다. 코일 스프링을 구비한 현가장치의 사양에 따라서는, 코일 스프링의 길이(압축량)에 따라, 특성[예를 들면, 스트럿의 접동(摺動) 저항이나 킹핀 모멘트(kingpin moment)]이 변화하는 일이 있다. 또한, 코일 스프링의 종류에 따라서는, 스프링 정수가 일정하다고는 할 수 없다. 예를 들면, 압축량이 증가함에 따라, 스프링 정수가 증가하는 코일 스프링도 존재한다.
특허문헌 1 및 비특허문헌 1 및 2에 기재되어 있는 종래의 모의 코일 스프링 장치에서는, 상방으로부터 가해지는 하중에 대해서 항상 일정한 압력의 액을 각 액압 실린더에 공급하고 있다. 따라서, 각 액압 실린더는, 상방으로부터 가해지는 압축의 하중에 대해서 항상 일정한 반력을 발생시키고 있다. 이 때문에, 종래의 모의 코일 스프링 장치에서는, 압축된 양에 상당하는 반력을 각 액압 실린더에 발생시키지 못하고, 모의 가능한 코일 스프링의 종류가 제약되는 등의 개선의 여지가 있었다.
따라서, 본 발명은 압축된 양에 상당하는 반력을 각 액압 실린더에 발생시킬 수 있고, 다양한 코일 스프링을 모의하는 것이 가능한 모의 코일 스프링 장치와, 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 실시형태는, 하측 스프링 시트(lower spring seat)와 상측 스프링 시트를 갖는 스트럿에 마련되는 모의 코일 스프링 장치로서, 상기 하측 스프링 시트에 배치된 제 1 어태치먼트 부재와, 상기 상측 스프링 시트에 배치된 제 2 어태치먼트 부재와, 상기 제 1 어태치먼트 부재와 상기 제 2 어태치먼트 부재 사이에 배치되고, 신축 동작하는 액추에이터 유닛과, 스프링 높이 검출 기구와, 제어부를 구비하고 있다. 상기 스프링 높이 검출 기구는, 상기 제 1 어태치먼트 부재와 상기 제 2 어태치먼트 부재 사이의 거리에 관한 변위량을 검출한다. 상기 제어부는, 상기 스프링 높이 검출 기구에 의해 검출된 상기 변위량에 따라 상기 액추에이터 유닛을 컨트롤한다.
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 스프링 높이 검출 기구의 일례는, 상기 각 액압 실린더에 각각 마련된 직선 변위계에 의해 구성된다. 이들 변위계는, 각각 상기 각 액압 실린더의 기준 길이로부터의 변위량을 검출한다. 변위계의 일례는 각각 플런저(plunger)를 구비한 LVDT(linear variable differential transformer)이다. 또한, 상기 각 플런저의 직선 운동을 안내하는 가이드 로드를 구비하고 있어도 좋다. 또한, 상기 하측 스프링 시트에 가해지는 축방향의 힘과 축 주위의 모멘트를 검출하는 제 1 내부 로드 셀과, 상기 상측 스프링 시트(spring seat)에 가해지는 축방향의 힘과 축 주위의 모멘트를 검출하는 제 2 내부 로드 셀을 더 구비하고 있으면 좋다.
상기 변위계를 구비한 코일 스프링 모의 장치는, 상기 변위계에 의해서 검출된 각 액압 실린더의 변위량에 기초하여, 기준 높이로부터의 수직 방향 변위를 계산한다. 이 수직 방향 변위에 스프링 정수를 곱한 수직 하중을 초기 수직 하중으로 가산한다. 이 가산치를 이용해 각 액압 실린더의 액압을 제어하는 것에 의해, 실제의 코일 스프링과 같이, 스프링 정수를 갖게 한 하중 제어(반력의 제어)를 행한다.
본 실시형태의 모의 코일 스프링 장치에 의하면, 스프링 정수를 갖는 실제의 코일 스프링과 같이, 압축된 양에 상당하는 반력을 각 액압 실린더에 발생시킬 수 있기 때문에, 실제의 코일 스프링을 사용하지 않아도, 코일 스프링을 구비한 현가장치와 동등한 특성 시험을 시행할 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 액압 실린더의 변위량과 액압의 관계를 나타낸 그래프.
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 8을 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, 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.
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, 스프링 높이 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 부착되어 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.
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.
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. 따라서, 액추에이터 유닛(30)에 의해서 6분력을 변화시키면서 킹핀 축(L2) 주위의 모멘트를 측정하는 것이 가능하다.
변위계(401 내지 406)는 각 액압 실린더(311 내지 316)의 기준 길이로부터의 변위량을 검출한다. 그리고 액압 공급 장치(37)는 변위계(401 내지 406)에 의해 검출된 상기 변위량에 대응하는 액압을 각 액압 실린더(311 내지 316)에 공급한다. 각 변위계(401 내지 406)의 기능은 서로 공통이기 때문에, 여기에서는 제 1 액압 실린더(311)에 마련된 제 1 변위계(401)를 대표로 하여 설명한다.
변위계(401)의 출력은 제어부(70)에 입력된다. 제어부(70)는 변위계(401)에 의해 검출된 액압 실린더(311)의 변위량에 기초하여, 액압 실린더(311)의 기준 높이로부터의 수직 방향 변위를 계산한다. 이 수직 방향 변위에 스프링 정수를 곱한 수직 하중을 초기 수직 하중으로 가산한다. 이 가산치를 이용하여 액압 실린더(311)의 액압을 제어하는 것에 의해, 실제의 코일 스프링과 같이, 스프링 정수를 갖게 한 하중 제어(반력의 제어)를 실행한다.
예를 들면, 스프링 정수가 일정한 경우에는, 도 8에 선분(A)으로 도시되는 바와 같이, 변위량(S1)이 검출되면, 액압 실린더(311)에 액압(A1)이 공급된다. 하중이 증가하여 변위량(S2)이 검출되면, 액압 실린더(311)에 액압(A2)(A2＞A1)이 공급된다. 또한, 하중이 증가하여 변위량(S3)이 검출되면, 액압 실린더(311)에 액압(A3)(A3＞A2)이 공급된다.
스프링 정수가 2단계로 상승하는 경우에는, 도 8에 선분(B)으로 도시되는 바와 같이, 변위량(S1)이 검출되면, 액압 실린더(311)에 액압(B1)이 공급된다. 하중이 증가하여 변위량(S2)이 검출되면, 액압 실린더(311)에 액압(B2)(B2＞B1)이 공급된다. 또한, 하중이 증가하여 변위량(S3)이 검출되면, 액압 실린더(311)에 액압(B3)(B3＞B2)이 공급된다.
스프링 정수가 연속적으로 상승하는 경우에는, 도 8에 선분(C)으로 도시되는 바와 같이, 변위량(S1)이 검출되면, 액압 실린더(311)에 액압(C1)이 공급된다. 하중이 증가하여 변위량(S2)이 검출되면, 액압 실린더(311)에 액압(C2)(C2＞C1)이 공급된다. 또한, 하중이 증가하여 변위량(S3)이 검출되면, 액압 실린더(311)에 액압(C3)(C3＞C2)이 공급된다.
이와 같이 본 실시형태의 모의 코일 스프링 장치(20)는, 변위계(401 내지 406)에 의해 검출된 각 액압 실린더(311 내지 316)의 변위량에 기초하여, 실제의 코일 스프링과 같이, 스프링 정수를 갖게 한 하중 제어(반력의 제어)를 실행한다. 또한, 스프링 높이 검출 기구의 다른 실시형태로서, 도 5에 2점 쇄선으로 도시하는 직선 변위계(40B)를 어태치먼트 부재(21, 22) 사이에 배치하고, 이 직선 변위계(40B)에 의해서 수직 방향 변위를 직접 검출해도 좋다.
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 하중이 측정된다. 스트럿(2A)에 발생하는 마찰력은, 측정된 하중의 히스테리시스의 절반의 값으로 평가할 수 있다.
각 액압 실린더(311 내지 316)에 공급하는 액압을 컨트롤하는 것에 의해, 하측 스프링 시트(10A)와 상측 스프링 시트(15A) 사이에 축(L1) 주위의 모멘트(Mz)를 발생시키면, 축(L1)과 킹핀 축(L2)의 기하학적인 위치 관계에 따라 킹핀 모멘트가 발생한다. 액추에이터 유닛(30)은 회전 지지 기구(50)에 의해서 지지되어 있다. 회전 지지 기구(50)의 마찰은 킹핀 모멘트의 크기를 좌우한다. 하측 스프링 시트(10A)와 상측 스프링 시트(15A) 사이에 소정의 수직 반력을 발생시킨 상태에 있어서, 발생된 킹핀 모멘트가 검출된다.
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 포함한 리니어 액추에이터가 채용되어도 좋고, 또는 차동 변압기 타입의 리니어 액추에이터가 채용되어도 좋다. 액압에 의해서 신축 동작하는 실린더를 갖는 액추에이터 유닛을 채용할 수 있다. 또한, 본 발명을 실시함에 있어서, 제 1 및 제 2 어태치먼트 부재나, 스프링 높이 검출 기구를 구성하는 변위계, 액압 공급 장치 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 : 스프링 높이 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 (6)

  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 배치된 제 1 어태치먼트 부재(21)와,
    상기 상측 스프링 시트(15A)에 배치된 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 제 1 어태치먼트 부재(21)와 상기 제 2 어태치먼트 부재(22) 사이의 거리에 관한 변위량을 검출하는 스프링 높이 검출 기구(40A)와,
    상기 스프링 높이 검출 기구(40A)에 의해 검출된 상기 변위량에 따라, 상기 액추에이터 유닛(30)을 컨트롤하는 제어부(70)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
    모의 코일 스프링 장치(20).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스프링 높이 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)에 의해서 구성되는
    모의 코일 스프링 장치(20).
  4. 제 3 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).
  5. 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).
  6. 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 포함하고,
    상기 각 액압 실린더(311 내지 316)의 기준 길이로부터의 변위량을 검출하고,
    상기 변위량에 대응하는 액압을, 상기 각 액압 실린더(311 내지 316)에 공급하는 것을 구비하는
    모의 코일 스프링 장치(20)의 제어 방법.
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