KR20180136988A - 유기압식 서스펜션 스트럿 - Google Patents

유기압식 서스펜션 스트럿 Download PDF

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KR20180136988A
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support springs
springs
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KR1020187033381A
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노베르트 에커만
홀거 키르쉬너
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젯트에프 프리드리히스하펜 아게
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Abstract

본 발명은, 제1 가스 스프링(5) 및 제2 지지 스프링을 구비한 피스톤/실린더 유닛을 포함하는 유기압식 서스펜션 스트럿(1)에 관한 것이며, 가스 스프링(5)과 지지 스프링(45)은 서로 병렬로 연결되고 동일한 작용 방향을 가지며, 서스펜션 스트럿(1)은 2개 이상의 레벨 위치로 조정될 수 있으며, 제2 지지 스프링(45)은 서스펜션 스트럿(1)의 유효 길이가 감소함에 따라 증가하는 탄성률을 갖는다.

Description

유기압식 서스펜션 스트럿
본 발명은 특허 청구항 제1항의 전제부에 따른 유기압식 서스펜션 스트럿(hydropneumatic suspension strut)에 관한 것이다.
DE 199 59 197 B4호는, 내부 펌프 장치를 통해 원하는 레벨 위치를 자동으로 제어하는 자가 펌핑형 유기압식 서스펜션 스트럿을 기술하고 있다. 서스펜션 스트럿은 고압 가스 쿠션의 지지력과 나선형 압축 스프링의 지지력을 이용한다. 그 결과, 서스펜션 스트럿의 피스톤/실린더 유닛은 자신의 가스 지지력으로 단지 부분 지지만 되도록 설계된다.
차량 및 그와 더불어 서스펜션 스트럿에 상대적으로 더 높은 지지 하중이 가해지면, 서스펜션 스트럿은 잠시 하강하였다가, 다시 자동으로 원하는 레벨 위치로 펌핑된다. 지지 하중이 감소하면 서스펜션 스트럿은 신장되며, 댐핑 매체는 상기 하중 상태를 위해서도 다시 레벨 위치가 취해질 때까지, 고압 영역으로부터 저압 영역 내로 배출된다. 이와 같은 레벨 조절의 기계적 해결책은 원리적으로 거의 일정한 고유 진동수의 장점을 제공한다.
그러나 부분적으로, 임의 조정이 가능한 2개의 레벨 위치도 제공된다. 요건은, 예컨대 차량이 도로 주행 모드뿐만 아니라 오프로드 모드(off-road mode)를 위해서도 제공되게 하는 것이다. 이를 위해, DE 199 59 197 B4호에서의 유닛은, 기능상 서스펜션 스트럿과 직렬로 배치된 능동 구동부(active actuating drive)를 이용한다. 이러한 구조 형상은 마찬가지로 일정한 고유 진동수를 제공하기는 하지만, 능동 구동부와 협력하여 제공한다.
또는, 2개의 레벨 위치를 조정할 수 있지만 능동 액추에이터를 이용하지는 않는 자가 펌핑형 유기압식 서스펜션 스트럿도 있다. 예시로서 DE 10 2011 100 77267 A1호를 참조한다. 서스펜션 스트럿 내부의 제어 슬리브(control sleeve)는조절 개구부(regulating opening)에 대한 자신의 축방향 위치와 관련하여 조정될 수 있다. 상대적으로 더 낮은 레벨 위치로 향할 수 있도록 하기 위해, 고압 영역에서 피스톤/실린더 유닛 내 압력 레벨이 하강할 수 있어야 한다. 이러한 하강은 제어 슬리브를 통해 기계적으로 수행된다. 그러나 압력 레벨 하강은, 탄성률 및 그에 따른 서스펜션 스트럿의 고유 진동수도 변하게 한다.
본 발명의 과제는, 최대한 일정한 고유 진동수를 가지며 2개 이상의 레벨 위치를 갖는 유기압식 서스펜션 스트럿을 실현하는 것이다.
상기 과제는 본 발명에 따라, 제2 지지 스프링이 서스펜션 스트럿의 유효 길이가 감소함에 따라 증가하는 탄성률을 가짐으로써 해결된다.
증가하는 탄성률을 갖는 지지 스프링은 예컨대, 포물선형 파형을 갖지만, 기울기들이 서로 상이한 복수의 특성곡선 영역들도 갖는 점진적 특성곡선을 보유할 수 있으며, 그럼으로써 특성곡선 영역들 사이에 변곡점들이 존재하게 된다. 본 발명의 목표는, 두 스프링의 전체 지지 합력이 최대한 일정하게 유지되도록, 압력 감소를 통해 감소한 가스 스프링 힘을 제2 지지 스프링의 증가하는 지지력을 통해 보상하는 것이다. 제2 지지 스프링의 힘 증가는 서스펜션 스트럿의 유효 길이의 감소를 통해 달성되어야 한다. 유효 길이의 감소가 불리한 것은 아닌데, 그 이유는 제2 레벨 위치가 서스펜션 스트럿의 유효 길이의 감소와 연계되어 있기 때문이다.
예컨대 제2 지지 스프링은 원추형 스프링으로서 형성될 수 있다. 이 해결책의 매력은 단순성에 있다.
그 대안으로, 제2 지지 스프링으로서 와이어 지름이 상이한 길이 영역들을 가진 나선형 압축 스프링도 제공될 수 있다.
또 다른 변형예로서, 또는 전술한 구조 형상들 중 하나와 조합되어, 제2 지지 스프링이 코일들의 피치가 서로 상이한 2개 이상의 영역을 가질 수도 있다. 상이한 피치를 통해, 지지 스프링의 전체 스프링 트래블에 걸쳐서, 일부 스프링 코일은 일부 영역에서 이미 자신들의 블록 길이(block length)에 도달하고, 또 다른 코일들은 아직 잔여 스프링 트래블이 남아 있게 된다. 따라서 탄성 코일들의 개수가 전체 행정 트래블에 걸쳐서 변동된다. 그 결과, 스프링 트래블에 걸쳐서 지지 스프링의 전체 탄성률도 변동된다.
특히 제2 지지 스프링이, 서로 상이한 유효 블록 길이들을 가지며 직렬로 배치된 2개 이상의 개별 지지 스프링에 의해 형성될 때, 제2 지지 스프링의 지지력 특성곡선의 매우 큰 설계 자유도가 달성된다. 유효 블록 길이에 걸쳐서, 지지력 특성곡선의 적용점들(application point) 및 그와 더불어 변곡점들도 영향을 받을 수 있다.
이 경우, 두 개별 지지 스프링 중 하나는 코일들의 지지부에 걸쳐 유효 블록 길이에 도달할 수 있다.
개별 지지 스프링이 탄성 중합체 몸체로 형성되는 점도 고려될 수 있다. 이 경우, 균일한 스프링 트래블의 관점에서, 탄성 중합체 몸체는 압축 변형률이 최대일 때 그 코일들이 접하게 되는 세포상 기본 구조를 가질 수 있다.
또한, 두 개별 지지 스프링 사이에, 개별 지지 스프링의 최소 유효 길이를 결정하는 로킹 부재(locking element)가 배치되는 대안도 있다. 이 경우 장점은, 보통은 응력 피크와 연계되는 개별 지지 스프링의 기계적 블록 길이를 활용하지 않아도 된다는 데 있다. 추가 장점은, 로킹 부재의 적용점과 개별 지지 스프링의 탄성률의 적합한 조합을 통해 제2 지지 스프링의 특성곡선 파형이 더 적합하게 결정될 수 있다.
로킹 부재는 예컨대 서스펜션 스트럿의 스프링 시트 상에 지지되는 프로파일 부품에 의해 형성될 수 있다.
본 발명은 하기 도면 설명을 토대로 더 상세하게 기술된다.
도 1은 원추형 스프링을 구비한 유기압식 서스펜션 스트럿의 도면이다.
도 2는 도 1과 관련한 탄성률 특성곡선들을 나타낸 그래프이다.
도 3은 제2 지지 스프링의 와이어 지름들이 서로 상이한 유기압식 서스펜션 스트럿을 도시한 도면이다.
도 4는 제2 지지 스프링의 피치가 서로 상이한 유기압식 서스펜션 스트럿을 도시한 도면이다.
도 5는 제2 지지 스프링으로서 2개의 개별 지지 스프링을 포함하는 서스펜션 스트럿을 도시한 도면이다.
도 6은 제2 지지 스프링을 위한 로킹 부재를 포함하는 서스펜션 스트럿을 도시한 도면이다.
도 1에는, 제1 가스 스프링(5)을 구비한 피스톤/실린더 유닛(3)을 포함하는 유기압식 서스펜션 스트럿이 도시되어 있으며, 상기 제1 가스 스프링은 실린더(9) 내부에 가스 충전된 환형 챔버(7)에 의해 형성된다. 환형 멤브레인(11)은, 유압 작동 매체로 완전 충전되어 있는 고압 영역(13)으로부터 가스 스프링(5)을 분리한다. 압력 튜브(15)의 내부에서 피스톤 로드(19) 상의 피스톤(17)은 축방향으로 이동 가능하게 안내된다. 피스톤(17)은 압력 튜브(15)를 피스톤 로드측 작동 챔버(21)와 피스톤 로드로부터 이격된 작동 챔버(23)로 분할한다. 두 작동 챔버(21, 23)는 하나 이상의 연결 개구부(25) 및 피스톤 밸브들(27; 29)을 통해 고압 영역(13)과 연결된다. 체크 밸브들(37; 39)과 함께 축방향으로 고정된 펌프 로드(31), 그리고 제어 슬리브(33), 및 피스톤 로드 내부의 펌프 챔버(35)는, 저압 영역(43)을 고압 영역(13)과 연결하는 제어 개구부(41)에 대한 제어 슬리브(33)의 축방향 상대 위치에 따라, 댐핑 대상 질량, 예컨대 차량 차체의 제1 레벨 위치를 결정하는 펌프를 형성한다. 상기 펌프를 통해, 제어 슬리브(33)와 함께 피스톤 로드(19)의 상대 운동에 의해 외부 에너지 없이 원하는 레벨 위치가 조정될 수 있다. 고압 영역(13) 내부의 압력은 피스톤 로드(19)의 횡단면 표면에 작용하고, 그에 따라 확장력(extension force)을 가한다.
예컨대 제2 레벨 위치로 향하게 하고자 한다면, 이를 위해 예컨대 제1 제어 개구부(41)에 대해 축방향으로 이격되어 형성된 제2 제어 개구부를 이용할 수 있다. 그 대안으로, 피스톤 로드에 대해 축방향으로 변위될 수 있는 제어 슬리브(33)도 고려될 수 있거나, 펌프 장치가 없는 유닛의 경우에는 간단히 가스 스프링(5)의 압력 레벨이 변동된다. 레벨 위치의 하강 시, 압력 발생원의 구성과 무관하게, 즉, 기계식 내부 펌프인지 아니면 외부 전력 공급형 펌프인지와 상관 없이, 간단하게 피스톤/실린더 유닛(3) 내의 압력 레벨이 하강한다. 그로 인해 가스 스프링(5)의 지지력이 감소하고, 유기압식 서스펜션 스트럿(1)의 지지력과 지지 하중 간에 새로운 힘 평형 상태가 구축된다.
가스 스프링(5)에는 제2 지지 스프링(45)으로서의 나선형 압축 스프링이 기능상 병렬로 연결된다. 제2 지지 스프링(45)은 실린더(9) 및 피스톤 로드(19) 상에서 스프링 시트들(47; 49)을 통해 지지되며, 가스 스프링(5)과 동일한 작용 방향을 갖는다. 스프링 시트들(45; 47)은 어떠한 경우에도 서스펜션 스트럿(1) 상에 직접 고정될 필요가 없다. 스프링 시트들(45; 47)은 지지 하중 및 지지 구조 상에, 예컨대 지지 하중으로서의 차량 차체와 지지 구조로서의 섀시 상에도 배치될 수 있다.
스프링 시트들(45; 47)은 그 위치가 조정될 수 없기 때문에, 제2 지지 스프링(45)은 변동되지 않는 스프링 힘 특성곡선을 갖는다.
제2 지지 스프링(45)은, 서스펜션 스트럿(1)의 유효 길이가 감소함에 따라 증가하는 탄성률을 갖도록 치수 설계된다. 이를 위해, 도 1에서 제2 지지 스프링은 원추형 스프링으로서 형성된다. 서스펜션 스트럿의 고유 진동수는 지지 스프링들의 탄성 가압 질량 및 탄성률에 따라 결정된다. 가스 충전된 환형 챔버(7)의 확대를 통해 고압 영역(13) 내의 압력 레벨이 하강하고 가스 스프링의 지지력이 감소하면, 레벨 위치의 하강 시 증가하는 제2 지지 스프링(45)의 탄성률이 가스 스프링(5)의 감소된 탄성률을 보상한다. 최적의 경우, 가스 스프링(5)과 제2 지지 스프링(45)의 서로 반대 방향의 탄성률이 보상됨으로써, 최대한 일정한 전체 탄성률이 제공된다.
도 2에는 기술적 관계가 훨씬 더 명백하게 도시되어 있다. 세로 좌표에 서스펜션 스트럿(1)의 행정 트래블의 일 섹션이 도시되어 있다. CTG는 가스 스프링(5)의 탄성률의 특성곡선을 나타내고, CT2는 제2 지지 스프링(45)의 특성곡선을 나타낸다. 피스톤 로드(19)의 상대적으로 더 큰 확장 길이를 갖는 제1 레벨 위치는 지점(H1)에 의해 정의된다. 위치(H2)에서는 피스톤 로드(19)가 압력 튜브 내부로 훨씬 더 깊게 삽입된다. 도면에서 추론할 수 있는 것처럼, 두 지지 스프링의 특성곡선들은 서로 반대 방향으로 연장되는 경향을 보이며, 그럼으로써 실질적으로 일정한 탄성률이 달성된다.
도 3에 따른 구현예에서, 도 1에 비해 변함없는 피스톤/실린더 유닛(1)은, 와이어 지름들이 서로 상이한 2개 이상의 영역(51; 53)을 포함하는 제2 지지 스프링(45)과 조합된다. 그렇지 않고 코일 지름이 일정한 경우에 상대적으로 더 작은 와이어 지름은 상기 해당 영역에서 탄성률의 감소를 야기하며, 그럼으로써 도 1에 필적하는 스프링 특성이 달성된다.
도 4에는, 제2 지지 스프링(45)이 스프링 코일들의 피치가 서로 상이한 2개 이상의 영역(51, 53)을 포함하는 일 변형예가 도시되어 있다. 이런 구조 형상도 점진적인 스프링 특성을 제공한다.
도 5에는, 직렬로 배치되어 서로 상이한 유효 블록 길이들 및 경우에 따라 서로 상이한 탄성률을 갖는 2개의 개별 지지 스프링(45a; 45b)에 의해 제2 지지 스프링(45)이 형성되는 본 발명의 일 실시예가 도시되어 있다. 2개의 개별 스프링이 직렬로 배치되는 경우, 전체 탄성률(CT2)은 개별 탄성률들(CT21; CT22) 중 하나보다 더 작다. 따라서 예컨대 지지 스프링들(45a; 45b) 중 하나의 유효 블록 길이의 제어를 통해, 변곡점을 갖는 탄성률 특성이 실현될 수 있다. 상기 변곡점에서, 제2 지지 스프링(45)에 대한 탄성률의 기울기가 증가한다. 나선형 압축 스프링의 경우 코일들의 지지부에 걸쳐 유효 블록 길이에 도달될 수 있으며, 그럼으로써 코일들 사이에 잔여 스프링 트래블이 남지 않게 된다. 나선형 압축 스프링(45b)에 추가로, 탄성 중합체 몸체의 구조 형상의 개별 지지 스프링(45a)도 제안된다. 이런 탄성 중합체 몸체는 예컨대 나선형 압축 스프링의 구조 형상의 개별 지지 스프링(45b)보다 더 낮은 탄성률을 갖는 세포상 구조를 가질 수 있다.
도 6을 통해, 유효 블록 길이는, 코일들이 직접 지지되는 제2 지지 스프링(45)의 기계적 블록 길이에 반드시 상응하지 않아도 되는 점이 명료해진다. 이를 위해, 도 6에 따른 실시예는 두 개별 지지 스프링(45a; 45b) 사이에 배치된 로킹 부재(55)를 포함한다. 이 경우, 두 개별 지지 스프링(45a; 45b)의 구조 형상은 크게 중요하지 않다.
로킹 부재(55)는 중간 시트 영역(57)을 포함하며, 이 중간 시트 영역의 두 덮개면에 두 개별 지지 스프링(45a; 45b)이 지지된다. 또한, 로킹 부재(55)는, 본 실시예에서 슬리브로 형성되는 프로파일 부품(59)을 포함한다. 이 프로파일 부품(59)은, 개별 지지 스프링(45a)의 스프링 시트(49)와 중간 시트 영역(57) 사이의 최소 간격을 정의하는 정지면(61)을 갖는다. 최소 간격은 해당 개별 지지 스프링(45a)의 유효 블록 길이를 나타낸다. 이로 인해, 개별 지지 스프링(45a)의 유효 블록 길이와 그 실제 블록 길이는 동일하지 않아도 된다.
로킹 부재(55)가 스프링 시트(49) 상에 접함에 따라 작용하게 되면, 포함된 개별 지지 스프링(45a)이 제2 개별 지지 스프링(45b)의 추가 압축 또는 추가 지지력 증가에 더 이상 관여하지 않게 된다. 결과적으로, 차단 가능한 개별 지지 스프링(45a)은 지속적으로 스프링 운동을 실시하는 제2 개별 지지 스프링(45b)보다 더 작은 탄성률을 갖는 것이 합리적이다.
1: 유기압식 서스펜션 스트럿
3: 피스톤/실린더 유닛
5: 가스 스프링
7: 환형 챔버
9: 실린더
11: 환형 멤브레인
13: 고압 영역
15: 압력 튜브
17: 피스톤
19: 피스톤 로드
21: 피스톤 로드측 작동 챔버
23: 피스톤 로드에서 이격된 측의 작동 챔버
25: 연결 개구부
27: 피스톤 밸브
29: 피스톤 밸브
31: 펌프 로드
33: 제어 슬리브
35: 펌프 챔버
37: 체크 밸브
39: 체크 밸브
41: 제어 개구부
43: 저압 영역
45: 제2 지지 스프링
47: 스프링 시트
49: 스프링 시트
51: 영역
53: 영역
55: 로킹 부재
57: 중간 시트 영역
59: 프로파일 부품
61: 정지면
45a: 제1 개별 지지 스프링
45b: 제2 개별 지지 스프링

Claims (9)

  1. 제1 가스 스프링(5) 및 제2 지지 스프링(45)을 구비한 피스톤/실린더 유닛(3)을 포함하는 유기압식 서스펜션 스트럿(1)으로서, 가스 스프링(5)과 지지 스프링(45; 45a; 45b)은 서로 병렬로 연결되어 동일한 작용 방향을 가지며, 서스펜션 스트럿(1)은 2개 이상의 레벨 위치로 조정될 수 있는, 유기압식 서스펜션 스트럿에 있어서,
    제2 지지 스프링(45; 45a; 45b)은, 서스펜션 스트럿(1)의 유효 길이가 감소함에 따라 증가하는 탄성률을 갖는 것을 특징으로 하는, 유기압식 서스펜션 스트럿.
  2. 제1항에 있어서, 제2 지지 스프링(45)은 원추형 스프링으로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 유기압식 서스펜션 스트럿.
  3. 제1항에 있어서, 제2 지지 스프링(45)은, 와이어 지름이 서로 상이한 영역들(51; 53)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유기압식 서스펜션 스트럿.
  4. 제1항에 있어서, 제2 지지 스프링(45)은, 코일들의 피치가 서로 상이한 2개 이상의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는, 유기압식 서스펜션 스트럿.
  5. 제1항에 있어서, 제2 지지 스프링(45)은, 서로 상이한 유효 블록 길이들을 가지며 직렬로 배치된 2개의 개별 지지 스프링(45a; 45b)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 유기압식 서스펜션 스트럿.
  6. 제1항에 있어서, 상기 두 개별 지지 스프링(45a; 45b) 중 하나는 코일들의 지지부에 걸쳐 유효 블록 길이에 도달하는 것을 특징으로 하는, 유기압식 서스펜션 스트럿.
  7. 제1항에 있어서, 개별 지지 스프링(45a)은 탄성 중합체 몸체로 형성되는 것을 특징으로 하는, 유기압식 서스펜션 스트럿.
  8. 제5항에 있어서, 상기 두 개별 지지 스프링(45a; 45b) 사이에, 개별 지지 스프링(45a)의 최소 유효 길이를 결정하는 로킹 부재(55)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 유기압식 서스펜션 스트럿.
  9. 제8항에 있어서, 로킹 부재(55)는, 서스펜션 스트럿(1)의 스프링 시트(49) 상에 지지되는 프로파일 부품(59)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 유기압식 서스펜션 스트럿.
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