KR20230142163A - 차량용 수직 댐퍼 - Google Patents

Abstract

차량용 수직 댐퍼는, 수직 방향 외력이 작용하는 한 쌍의 작용단과, 상기 한 쌍의 작용단 중에서 제1 작용단과 결합되고 내통 및 외통으로 구성된 실린더와, 상기 한 쌍의 작용단 중에서 제2 작용단과 결합되고 상기 실린더를 수용하는 슬리브와, 상기 제2 작용단으로부터 연장되는 작동 로드와, 상기 작동 로드의 단부에 형성되어 왕복 운동할 수 있고, 상기 실린더의 내통을 상부 챔버와 하부 챔버로 구획하며, 상기 상부 챔버와 상기 하부 챔버 사이에서 작동 유체의 유동을 허용하거나 차단하는 피스톤과, 상기 하부 챔버의 하측에 배치되어 상기 하부 챔버와 상기 내통 및 상기 외통 사이에 형성되는 환형 공간 사이에서 상기 작동 유체의 유동을 허용하거나 차단하는 베이스와, 상기 환형 공간 내에 설치되어 상기 환형 공간 내의 에어를 포집하는 에어 컨테이너로 이루어진다.

Description

차량용 수직 댐퍼{Vertical damper for vehicles}

본 발명은 차량용 댐퍼에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고속으로 주행하는 철도 차량에 설치되어 상기 철도 차량에 수직 방향으로 작용하는 충격이나 진동을 감쇠시키는 수직 댐퍼에 관한 것이다.

고속으로 운행하는 철도 차량은 주행시에 불규칙한 노면이나 돌출부에 의해 충격을 받으면, 서스펜션 스프링이 진동을 하면서 운동에너지를 지속적으로 전달하는 현상이 일어난다. 그런데, 이와 같은 피로와 진동 현상이 반복되면 차체와 부품이 손상되는 것은 물론 체결된 각 부품이 이완되어 운행시 불안정의 주된 요인이 될 수 있다.

이러한 문제의 보완을 위해, 철도 차량용 댐퍼(damper)가 상기 서스펜션 스프링과 함께 사용되는데, 상기 댐퍼는 차량운행시 발생하는 운동에너지를 열에너지로 변환하여 감쇠효과를 유발하는 일종의 에너지 변환기이다. 상기 댐퍼는 불규칙한 노면에서 발생하는 차량의 충격 완화, 진동의 적절한 제어, 승차감 향상, 차륜의 접지력 향상, 차체의 구성부품들의 피로 감소 및 차량의 내구성 유지를 위해 필수적인 요소이다.

일반적으로 차량용 댐퍼는 작동 유체가 봉입된 실린더 내에 작동 로드가 연결된 피스톤을 슬라이드 가능하게 수용하고, 피스톤 로드의 스트로크에 따른 실린더 내의 피스톤 슬라이드에 의해 발생하는 작동 유체의 흐름을 관통공 및 디스크 밸브 등으로 구성되는 감쇠력 발생 기구에 의해 제어함으로써 감쇠력을 발생시킨다.

그런데, 고속철도 차량과 같은 환경에서는 피스톤은 매우 빠른 속도의 불규칙적인 충격을 받게 되므로, 작동 유체에 대한 적절한 압력 제어가 이루어지지 않으면 댐퍼 장치나 차량 자체의 내구성 및 파손 문제가 발생할 수 있고 실린더 내부에 존재하는 에어나 기포를 적절히 제어하지 않으면 댐퍼 장치의 댐핑 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

일본특허공개공보 2020-139515호 (2020.9.3 공개)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 피스톤의 이동 속도가 급격하는 가변하는 상황에서도 작동 유체의 제어가 원활하게 수행될 수 있는 차량용 수직 댐퍼 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 피스톤이 왕복 운동을 하는 실린더 내에 존재하는 에어나 기포가 소정 공간 내로 제한함으로써 댐핑 효율 저하가 방지된 차량용 수직 댐퍼를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 고속으로 움직이는 피스톤의 운동 에너지로 인해 과열되는 작동 유체를 충분히 냉각시킬 수 있는 차량용 수직 댐퍼 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 수직 댐퍼는, 수직 방향 외력이 작용하는 한 쌍의 작용단; 상기 한 쌍의 작용단 중에서 제1 작용단과 결합되고 내통 및 외통으로 구성된 실린더; 상기 한 쌍의 작용단 중에서 제2 작용단과 결합되고 상기 실린더를 수용하는 슬리브; 상기 제2 작용단으로부터 연장되는 작동 로드; 상기 작동 로드의 단부에 형성되어 왕복 운동할 수 있고, 상기 실린더의 내통을 상부 챔버와 하부 챔버로 구획하며, 상기 상부 챔버와 상기 하부 챔버 사이에서 작동 유체의 유동을 허용하거나 차단하는 피스톤; 상기 하부 챔버의 하측에 배치되어 상기 하부 챔버와 상기 내통 및 상기 외통 사이에 형성되는 환형 공간 사이에서 상기 작동 유체의 유동을 허용하거나 차단하는 베이스; 및 상기 환형 공간 내에 설치되어 상기 환형 공간 내의 에어를 포집하는 에어 컨테이너를 포함한다.

상기 에어 컨테이너는, 상기 내통 및 상기 외통 사이에 삽입될 수 있는 직경을 가지는 원통형 구조로 구성된다.

상기 에어 컨테이너의 상면은 상기 작동 로드가 관통하기 위한 중앙 개구부가 형성되고 상기 상면 중에서 상기 중앙 개구부 이외에는 막혀 있으며, 상기 에어 컨테이너의 하면은 개방되어 있다.

상기 환형 공간은, 상기 내통의 외면과 상기 에어 컨테이너의 내면 사이에서 정의되는 내측 공간과, 상기 외통의 내면과 상기 에어 컨테이너의 외면 사이에서 정의되는 외측 공간으로 이루어진다.

상기 외통의 내면과 상기 에어 컨테이너의 외면 사이의 갭은, 상기 내통의 외면과 상기 에어 컨테이너의 내면 사이의 갭보다 더 크다.

상기 차량용 수직 댐퍼는 상기 실린더의 상단을 씰링하는 상부 캡을 더 포함하되, 상기 상부 캡의 일측에는 볼트가 체결되고, 상기 볼트에 감겨진 코일 스프링에 의해 가압되는 가압 부재에 의해, 상기 상부 챔버의 작동 유체가 상기 외측 공간으로 유동하는 유로의 개폐가 제어된다.

상기 피스톤의 압축 운동시에는, 상기 피스톤은 상기 하부 챔버 내의 작동 유체가 상기 피스톤을 통과하여 상기 상부 챔버로 유동하는 것을 허용하되 상기 베이스는 하부 챔버 내의 작동 유체가 상기 환형 공간으로 유동하는 것을 차단하고, 상기 피스톤의 인장 운동시에는, 상기 베이스는 상기 환형 공간 내의 작동 유체가 상기 베이스를 통과하여 상기 하부 챔버로 유동하는 것을 허용하되 상기 피스톤은 상기 상부 챔버 내의 작동 유체가 상기 하부 챔버로 유동하는 것을 차단한다.

상기 피스톤의 압축 운동 및 인장 운동과 무관하게, 상기 상부 챔버 내의 작동 유체가 상기 상부 캡의 유로를 통해 상기 외측 공간으로 유동한다.

상기 상부 캡에는 상기 작동 로드가 관통되는 중공으로부터 상기 환형 공간과 연통되는 오리피스가 형성되고, 상기 작동 로드와 상기 상부 캡의 중공 사이로 누유되는 작동 유체가 상기 오리피스에 의해 상기 환형 공간으로 회수된다.

본 발명에 따른 차량용 수직 댐퍼에 의하면, 피스톤의 이동 속도가 급격하는 가변하는 상황에서도 작동 유체의 제어가 원활하게 수행될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 차량용 수직 댐퍼에 의하면, 피스톤이 왕복 운동을 하는 실린더 내에 존재하는 에어나 기포가 소정 공간 내로 제한함으로써 댐핑 효율 저하가 방지될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 차량용 수직 댐퍼에 의하면, 고속으로 움직이는 피스톤의 운동 에너지로 인해 과열되는 작동 유체를 구조적으로 충분히 냉각시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 수직 댐퍼의 외형을 도시한 도면이다.
도 2a는 피스톤이 압축 운동을 할 때 작동 유체의 흐름을 도시한 수직 댐퍼의 단면도이고, 도 2b는 피스톤이 인장 운동을 할 때 작동 유체의 흐름을 도시한 수직 댐퍼의 단면도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 외통, 내통 및 에어 컨테이너의 결합 관계를 보여주는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 댐퍼의 하중-속도 관계를 나타내는 테스트 결과 그래프이고, 도 4b는 상기 수직 댐퍼의 하중-변위 관계를 나타내는 테스트 결과 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 수직 댐퍼(200)의 외형을 도시한 도면이다.

수직 댐퍼(200)는 예를 들어 철도차량에서 수직 방향의 충격이나 진동을 감쇠시키는 장치로서, 수직 방향 외력이 작용할 경우 2개의 작용단(10, 15)이 서로 가까워지거나 멀어지게 된다. 이 중에서 하측의 제1 작용단(10)은 실린더(100)와 일체로 결합되고, 상측의 제2 작용단(15)은 상기 실린더(100)를 수용하는 슬리브(20)와 일체로 결합된다. 다만, 이와 반대로 제1 작용단(10)에 슬리브(20)가 제2 작용단(15)에 실린더(100)가 결합되는 반대 구조를 배제하는 것은 아니다.

상기 제2 작용단(15)은 후술하는 작동 로드 및 피스톤과 연결되고, 상기 피스톤이 작동 유체를 수용하는 실린더(100) 내에서 압축 운동 및 인장 운동을 포함한 왕복 운동을 하면서 상기 감쇠효과가 제공될 수 있다.

도 2a는 피스톤(70)이 압축 운동을 할 때 작동 유체의 흐름을 도시한 수직 댐퍼(200)의 단면도이고, 도 2b는 피스톤(70)이 인장 운동을 할 때 작동 유체의 흐름을 도시한 수직 댐퍼(200)의 단면도이다.

실린더(100) 내의 공간은 피스톤(70)에 의해 상부 챔버(181)와 하부 챔버(182)로 구획된다. 여기서, 피스톤(70)은 작동 로드(50)에 체결되어 작동 로드(50)와 함께 상하로 왕복운동을 할 수 있다. 이 중에서 피스톤(70)이 상방으로 이동하여 하부 챔버(182)의 공간이 확장되면 이를 인장 운동이라고 하고(도 2b 참조), 피스톤(70)이 하방으로 이동하여 하부 챔버(182)의 공간이 축소되면 이를 압축 운동이라고 한다(도 2a 참조). 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 수직 댐퍼(200)는 복통식으로서, 실린더(100) 내측의 내통(150)과 실린더(100) 외측의 외통(160)으로 구성된다.

본 발명에서, 실린더(100)의 내통(150)에 형성된 상부 및 하부 챔버(181, 182) 사이에서 작동 유체의 유동은 피스톤(70)을 통과하여 이루어지고, 실린더(100)의 내통(150)과 외통(160) 사이에 형성된 환형(ring-shaped) 공간(185)과 내통(150) 사이에서 작동 유체의 유동은 베이스(130)를 통과하여 이루어진다.

또한, 실린더(100)의 상단은 상부 캡(110)에 의해 씰링되고 실린더(100)의 하단은 하부 캡(103)에 의해 씰링된다. 상기 상부 캡(110)의 중앙은 상기 작동 로드(50)가 관통할 수 있도록 중공이 형성되며, 작동 로드(50)는 상기 중공에 대해 슬라이딩할 수 있다. 따라서, 상부 캡(110)은 상기 작동 로드(50)와 상기 중공 사이에서 누유가 발생하지 않도록 설계될 필요가 있다.

먼저, 도 2a를 참조하여 피스톤(70)이 압축 운동을 할 때의 작동 유체의 흐름을 설명한다. 압축 운동시 피스톤(70)는 고속으로 하강하면서 상부 챔버(181)가 확장되고 하부 챔버(182)가 축소된다. 이 때, 작동 유체는 피스톤(70)에 형성된 관통공(71)을 통과하여 하부 챔버(182)로부터 상부 챔버(181)로 이동한다(경로 C1). 이러한 관통공(71)의 크기 및 배치 개수는 작동 로드(50)의 운동 속도 및 타겟 감쇠력을 고려하여 결정될 수 있다. 상기 복수의 관통공(71)은 피스톤(70)의 원주 방향을 따라 등간격으로 배치될 수 있다. 상기 작동 유체의 이동(경로 C1)은 피스톤(70)의 상측에 형성된 제1 판스프링(72)에 의해 규제될 수 있다. 즉, 제1 판스프링(72)은 자체의 강성에 의해 휴지 위치(rest position)에서는 피스톤(70) 상에 형성된 안착부에 맞닿아서 작동 유체의 유동을 허용하지 않다가, 피스톤(70)의 속도가 소정의 임계값을 넘을 경우에 비로소 열리면서 상기 작동 유체의 유동을 허용하는 역할을 한다.

따라서, 피스톤(70)이 임계 속도 이상의 속도로 하강하면 제1 판스프링(72)이 열리면서 챔버(181, 182)간 작동 유체의 이동이 가능하게 된다. 또한, 다른 실시예로서 이러한 임계 속도는 2단으로 구성될 수 있다. 즉, 피스톤(70)이 제1 임계 속도 이상의 속도로 하강하면 제1 판스프링(72)이 열리면서 메인 관통공(71)을 통한 작동 유체의 이동이 시작되고, 피스톤(70)의 속도가 상승하여 제2 임계 속도 이상의 속도로 하강하면 서브 관통공(81)이 추가로 열리면서 서브 관통공(81)을 통한 작동 유체의 유동이 추가될 수 있다. 이 때, 상기 메인 관통공(71)과 서브 관통공(81)은 피스톤(70)의 원주 방향으로 서로 다른 위치에 교대로 형성될 수 있다.

이와 같이 매우 빠른 속도에서는 2개의 관통공(71, 81) 함께 열리면서 안정적인 감쇠력을 유지할 수 있게 된다. 상기 메인 관통공(71)이 제1 판스프링(72)에 의해 규제된 것과 마찬가지로 서브 관통공(81)은 제2 판스프링(82)에 의해 규제된다. 여기서, 제2 판스프링(82)의 강성은 제1 판스프링(81)보다 높은 강성(stiffness)을 갖는다.

한편, 베이스(130)는 하부 챔버(182)와 환형 공간(185) 사이에서 작동 유체의 이동/차단을 담당한다. 특히, 베이스(130)는 체크 밸브 방식으로 구성되어 피스톤(70)의 압축 운동시에는 작동 유체의 통과를 허용하지 않고(도 2a의 Cx), 피스톤(70)의 인장 운동시에는 작동 유체의 통과를 허용한다(도 2b의 T1).

이와 같이, 피스톤(70)의 압축 운동시에는, 하부 챔버(182) 내의 작동 유체가 피스톤(70)을 통과하여 상부 챔버로(181)로 유동하지만, 베이스(130)는 차단되어 있기 때문에 실린더의 내통(150) 내의 작동 유체가 환형 공간(185)으로 유동할 수 있는 다른 유동 경로가 필요하다.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 수직 댐퍼(200)는 상부 챔버(181) 내의 작동 유체가 상측을 통해 환형 공간(185)으로 유동(경로 C2)하는 구성을 갖는다. 구체적으로, 상부 캡(110)의 일측에는 볼트(112)가 체결되어 있으며, 상기 볼트(112)의 주변으로는 코일 스프링(113)이 감겨져 있다. 이러한 코일 스프링(113)은 일단은 상기 볼트(112)의 헤드 쪽에 지지되고 그 타단은 가압 부재(114)과 접촉한다. 상기 가압 부재(114)는 상기 코일 스프링(113)의 탄성력에 의해 상부 챔버(181) 및 환형 공간(185)과 연통되는 유로(117)를 막고 있다가, 상부 챔버(181)로부터 공급되는 작동 유체의 압력이 커지면 상기 가압 부재(114)가 열린다. 상기 가압 부재(114)가 열리면 상부 챔버(181) 내의 작동 유체는 유로(117)를 통해 환형 공간(185)으로 유동한다.

따라서, 피스톤(70)이 압축 운동을 하면서 하강할 때에는, 하부 챔버(182)의 작동 유체가 피스톤(70)을 통과하여 상부 챔버(182)로 유동함과 동시에, 상부 챔버(181) 내의 작동 유체는 상부 캡(110)의 유로(117)을 통과하여 환형 공간(185)으로 유동한다.

본 발명에서는 상부 캡(110)이 하나의 블록으로 제조되고 상기 블록을 관통하는 공간에 상기 볼트(112)가 체결되는 구조를 가지므로, 슬리브(20)만 제거한 상태에서 외부에서 직접 상기 볼트(112)의 체결 및 상기 코일 스프링(113)을 교체하는 것만으로, 상기 가압 부재(114)의 작동 압력을 조절할 수 있으므로 유지, 보수가 간편한 장점이 있다(별도의 블록이나 커버를 제거할 필요가 없음).

그런데, 외력이나 충격으로 인한 피스톤(70)의 이동은 매우 빠른 속도로 이루어지므로 작동 유체가 실린더(100)의 외부로 누유되지 않도록 설계될 필요가 있다. 실린더(100)의 하부 캡(103)은 어느 정도 밀봉 설계만으로 충분하지만, 상부 캡(110)의 중공에는 작동 로드(50)이 슬라이딩 되어야 하므로 작동 로드(50)와 상기 중공 사이에 누유가 발생될 우려가 있다. 물론, 상부 캡(110)의 상측에 씰 부재(101)가 추가로 구비될 수는 있지만 이러한 누유를 방지하기에는 충분하지 않다.

이러한 문제를 고려하여 본 발명에서는 상기 누유 방지를 위한 바이패스 유로(경로 C3)를 추가로 제공한다. 도시된 바와 같이, 상부 캡(110)에는 환형 공간(185)와 연통되는 오리피스(orifice)(115)가 형성되어, 작동 로드(50)의 축방향으로 누유되는 작동 유체가 상기 오리피스(115)를 통해 환형 공간(185)으로 회수될 수 있게 한다. 따라서, 실린더(100) 내의 과도한 압력 증가로 인해 작동 로드(50)와 상부 캡(110)의 중공 사이에서 작동 유체가 누유될 때, 작동 로드(50)의 축방향으로 누유되는 작동 유체가 실린더(100) 외부로 배출되지 않고 실린더(100) 내에 머물게 된다. 다만, 이러한 바이패스 유로를 통한 작동 유체의 이동(경로 C3)은, 작동 유체의 메인 유동(경로 C1, C2)에는 거의 영향을 미치지 않는 상대적으로 미량에 불과하다.

다음으로, 도 2b를 참조하여 피스톤(70)이 인장 운동을 할 때의 작동 유체의 흐름을 설명한다. 피스톤(70)이 상승하면, 도 2a와는 반대로 상부 챔버(181)는 축소되고 하부 챔버(182)는 확장된다. 따라서, 환형 공간(185) 내의 작동 유체는 베이스(130)를 통과하여 하부 챔버(182)로 유동한다(경로 T1). 상기 베이스(130)는 탄성 부재(134)에 의해 지지를 받는 밸브체(131)와, 하부 블록(133)와, 상기 밸브체(131)와 상기 하부 블록(133)을 체결하는 체결구(135)를 포함한다. 하부 블록(133)에는 관통공(132)이 구비되어, 피스톤(70)의 인장 운동시 환형 공간(185) 내의 작동 유체가 상기 관통공(132)으로 진입한다. 이 때, 상기 작동 유체의 압력이 상기 탄성 부재(134)의 탄성력을 능가하면 밸브체(131)는 상방으로 이동하면서 개방되고 관통공(132)을 통해 유입된 작동 유체는 하부 챔버(182)로 유동하게 된다(경로 T1).

이 때, 피스톤(70)도 체크 밸브식으로 구성되어 있으므로, 상부 챔버(181) 내의 작동 유체는 피스톤(70)을 통과하여 하부 챔버(182)로 유동할 수 없다(경로 Tx). 대신에, 상부 챔버(181) 내의 작동 유체는 상부 캡(110)에 형성된 유로(117)를 통해 환형 공간(185)으로 유동한다. 이 때에도 전술한 바와 같이, 상부 챔버(181) 내의 작동 유체의 압력이 코일 스프링(113)의 탄성력보다 커서 가압 부재(114)를 밀어 올릴 때 유로(117)가 개방된다.

또한, 전술한 피스톤(70)의 압축 운동시와 마찬가지로, 피스톤(70)의 인장 운동시에도 상부 챔버(181)가 축소되면서 상부 챔버(181)의 작동 유체가 가압되므로 여전히 작동 로드(50)의 축방향으로 누유가 일어날 수 있다. 따라서, 상기 누유된 작동 유체는 상부 캡(110)에 형성된 오리피스(115)를 통해 환형 공간(185)으로 회수될 수 있다(경로 T3).

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 수직 댐퍼(200)에서는 피스톤(100)의 압축 운동시와 인장 운동시 모두 상부 캡(110)을 통한 동일한 방향의 유동이 발생한다. 즉, 상부 챔버(181)의 작동 유체가 상부 캡(110)의 유로(117)를 통해 환형 공간(185)으로 유동하는 동작과, 상부 챔버(181)와 작동 로드(50) 사이에서 축방향으로 누유된 작동 유체가 환형 공간(185)으로 회수되는 동작이, 피스톤(100)의 압축 운동시와 인장 운동시와 무관하게 상시로 발생한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 외통(160), 내통(150) 및 에어 컨테이너(170)의 결합 관계를 보여주는 도면이다.

특히 고속 철도차량과 같이 외부의 충격이나 과격한 진동이 발생되는 환경에서, 피스톤(70)은 매우 빠른 속도로 상승하거나 하강할 수 있는데 이 경우 실린더(100)의 하부 챔버(182)와 환형 공간(185) 사이에서 작동 유체의 급격한 유동으로 인해, 특히 환형 공간(185)에 있는 작동 유체에 상당한 에어나 기포가 포함될 수 있다. 이러한 에어나 기포는 차량용 댐퍼의 성능을 저하시킬 뿐만 아니라 댐퍼의 구성요소들의 손상을 가져올 수 있는 요인이 된다. 따라서, 구조적으로 이러한 에어나 기포가 작동 유체에 미치는 악영향을 최대한 차단할 필요가 있다.

이에 본 발명에서는 실린더(100)의 내통(150)과 외통(160) 사이에 에어 컨테이너(170)를 배치하는 것을 제시한다. 도 3을 참조하면, 에어 컨테이너(170)는 내통(150)과 외통(160) 사이에 삽입될 수 있는 직경을 가지는 원통형 구조로 되어 있다. 특히, 에어 컨테이너(170)의 상면(171)은 적어도 일부가 막혀 있고 하면(172)은 완전히 개방된 구조를 가질 수 있다. 상기 상면(171)은 기본적으로 막혀 있어도 좋지만 작동 로드(50)가 관통할 수 있어야 하므로 이를 위해 중앙에 개구부(173)가 형성된다.

다시 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 에어 컨테이너(170)가 내통(150)과 외통(160) 사이에 설치되어 있으므로, 환형 공간(185)은 상기 에어 컨테이너(170)에 의해 다시 2개의 공간으로 구분될 수 있다. 즉, 환형 공간(185)은 내통(150)의 외면과 에어 컨테이너(170)의 내면 사이에서 정의되는 내측 공간(186)과, 외통(160)의 내면과 에어 컨테이너(170)의 외면 사이에서 정의되는 외측 공간(187)으로 이루어진다.

전술한 바와 같이, 상부 챔버(181) 내에서 오버플로(overflow) 된 작동 유체는 유로(117)를 통해 환형 공간(185)으로 유동한다(경로 C2, T2). 그런데, 이 때 에어 컨테이너(170)의 상면(171)은 작동 로드(50)가 관통되는 중앙부를 제외하고는 막혀 있음으로 인해, 상기 오버플로 된 작동 유체는 환형 공간(185) 중에서도 외측 공간(187)으로만 유동할 수 있다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 에어 컨테이너(170)의 외면과 외통(160)의 내면 사이의 갭(gap)은 상당히 작기 때문에 상기 외측 공간(187)은 협소하므로 그 안에서 작동 유체의 유속이 빠르고 모든 공간이 작동 유체에 의해 채워질 수 있다. 또한, 외측 공간은 외통(160) 바깥의 외부와 근접하므로, 빠른 피스톤(70) 운동에 의해 과열된 작동 유체를 외부와의 열교환을 통해 냉각하기에 용이하다.

또한, 이와 같이 외측 공간(187)이 작동 유체에 의해 완전히 채워진다면 환형 공간(185)에서 에어나 기포가 존재한다고 하더라도 내측 공간(186)에 가두어질 것이므로 외측 공간(187)에 유입될 가능성은 거의 없다. 예를 들어, 환형 공간(185) 내에 에어나 기포가 존재한다면 그것들은 자연히 내측 공간(186)의 상부로 이동하게 되고 내측 공간의 하부는 작동 유체에 의해 채워질 것이다. 그런데, 에어 컨테이너(170)의 상면으로는 상기 에어나 기포가 빠져나갈 수 없기 때문에 그것들은 지속적으로 내측 공간(186)에 갇혀 있게 된다.

따라서, 피스톤(70)의 인장 운동시에 베이스(130)를 통과하여 작동 유체가 하부 챔버(182)로 유동하더라도 에어나 기포가 작동 유체에 악영향을 미치는 상황은 발생하지 않는다. 이를 통해 작동 유체의 유동이 올바르게 제어될 수 있고 결국 차량용 댐핑 장치(200)에서 안정적인 댐핑 효과가 유지될 수 있다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 댐퍼(200)의 하중-속도 관계를 나타내는 테스트 결과 그래프이고, 도 4b는 상기 수직 댐퍼(200)의 하중-변위 관계를 나타내는 테스트 결과 그래프이다.

상기 테스트의 구체적인 스펙은 다음과 같다.

- 제품의 설치 길이(mm): 445

- 피스톤의 스트로크 (mm): ± 25

- 피스톤의 작동속도(m/s): 0.15 , 0.3

- 시험 온도(℃): 20 ±3

- 속도/압력 타겟: 0.15m/s에서 4,500 N ± 15%

도 4a를 참조하면, 피스톤의 속도가 증가함에 따라 압력(하중)도 증가하는 추세를 보여준다. 이러한 관계는 피스톤의 압축시(속도가 양수로 표시됨)에나 피스톤의 인장시(속도가 음수로 표시됨) 모두 대칭적으로 나타난다. 다만, 속도 및 하중의 관계는 완전한 선형은 아니며, 저속에서의 하중 변화가 고속에서의 하중 변화에 비해 크게 나타난다. 따라서, 상대적으로 피스톤의 속도가 고속인 경우에 피스톤 속도의 변화 대비 하중 변화가 작게 일어나는 효과가 있다.

또한, 도 4b를 참조하면, 피스톤의 스트로크(거리)가 최대인 양단 지점(± 25 부근)에서 하중이 0으로 수렴하고 스트로크가 0인 중앙에서 하중이 최대가 됨을 보여준다. 특히, 상기 스트로크가 0에서는 하중의 변화가 거의 없다가, 상기 스트로크가 양단 지점에 도달할 때에는 스트로크 변화 대비 하중의 변화가 급격하게 나타난다. 이는 주요 작동 범위인 스트로크가 0인 중앙 부근에서 하중의 변화율을 최소화하여 안정된 댐핑 구간을 넓게 확보할 수 있는 효과가 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

10, 15: 작용단 20: 슬리브
50: 작동 로드 70: 피스톤
71, 132: 관통공 81: 서브 관통공
72, 82: 판스프링 100: 실린더
101: 씰 부재 103: 하부 캡
110: 상부 캡 112: 볼트
113: 코일 스프링 114: 가압 부재
115: 오리피스 130: 베이스
131: 밸브체 132: 관통공
133: 하부 블록 134: 탄성 부재
135: 체결구 150: 내통
160: 외통 170: 에어 컨테이너
173: 개구부 181: 상부 챔버
182: 하부 챔버 185: 환형 공간
186: 내측 공간 187: 외측 공간
200: 차량용 수직 댐퍼

Claims (9)

1. 수직 방향 외력이 작용하는 한 쌍의 작용단;
   상기 한 쌍의 작용단 중에서 제1 작용단과 결합되고 내통 및 외통으로 구성된 실린더;
   상기 한 쌍의 작용단 중에서 제2 작용단과 결합되고 상기 실린더를 수용하는 슬리브;
   상기 제2 작용단으로부터 연장되는 작동 로드;
   상기 작동 로드의 단부에 형성되어 왕복 운동할 수 있고, 상기 실린더의 내통을 상부 챔버와 하부 챔버로 구획하며, 상기 상부 챔버와 상기 하부 챔버 사이에서 작동 유체의 유동을 허용하거나 차단하는 피스톤;
   상기 하부 챔버의 하측에 배치되어 상기 하부 챔버와 상기 내통 및 상기 외통 사이에 형성되는 환형 공간 사이에서 상기 작동 유체의 유동을 허용하거나 차단하는 베이스; 및
   상기 환형 공간 내에 설치되어 상기 환형 공간 내의 에어를 포집하는 에어 컨테이너를 포함하는, 차량용 수직 댐퍼.
2. 제1항에 있어서, 상기 에어 컨테이너는
   상기 내통 및 상기 외통 사이에 삽입될 수 있는 직경을 가지는 원통형 구조로 구성된, 차량용 수직 댐퍼.
3. 제2항에 있어서,
   상기 에어 컨테이너의 상면은 상기 작동 로드가 관통하기 위한 중앙 개구부가 형성되고 상기 상면 중에서 상기 중앙 개구부 이외에는 막혀 있으며, 상기 에어 컨테이너의 하면은 개방되어 있는, 차량용 수직 댐퍼.
4. 제3항에 있어서, 상기 환형 공간은
   상기 내통의 외면과 상기 에어 컨테이너의 내면 사이에서 정의되는 내측 공간과, 상기 외통의 내면과 상기 에어 컨테이너의 외면 사이에서 정의되는 외측 공간으로 이루어지는, 차량용 수직 댐퍼.
5. 제4항에 있어서,
   상기 외통의 내면과 상기 에어 컨테이너의 외면 사이의 갭은, 상기 내통의 외면과 상기 에어 컨테이너의 내면 사이의 갭보다 더 큰, 차량용 수직 댐퍼.
6. 제5항에 있어서,
   상기 실린더의 상단을 씰링하는 상부 캡을 더 포함하되,
   상기 상부 캡의 일측에는 볼트가 체결되고, 상기 볼트에 감겨진 코일 스프링에 의해 가압되는 가압 부재에 의해, 상기 상부 챔버의 작동 유체가 상기 외측 공간으로 유동하는 유로의 개폐가 제어되는, 차량용 수직 댐퍼.
7. 제6항에 있어서,
   상기 피스톤의 압축 운동시에는, 상기 피스톤은 상기 하부 챔버 내의 작동 유체가 상기 피스톤을 통과하여 상기 상부 챔버로 유동하는 것을 허용하되 상기 베이스는 하부 챔버 내의 작동 유체가 상기 환형 공간으로 유동하는 것을 차단하고,
   상기 피스톤의 인장 운동시에는, 상기 베이스는 상기 환형 공간 내의 작동 유체가 상기 베이스를 통과하여 상기 하부 챔버로 유동하는 것을 허용하되 상기 피스톤은 상기 상부 챔버 내의 작동 유체가 상기 하부 챔버로 유동하는 것을 차단하는, 차량용 수직 댐퍼.
8. 제7항에 있어서,
   상기 피스톤의 압축 운동 및 인장 운동과 무관하게, 상기 상부 챔버 내의 작동 유체가 상기 상부 캡의 유로를 통해 상기 외측 공간으로 유동하는, 차량용 수직 댐퍼.
9. 제8항에 있어서,
   상기 상부 캡에는 상기 작동 로드가 관통되는 중공으로부터 상기 환형 공간과 연통되는 오리피스가 형성되고, 상기 작동 로드와 상기 상부 캡의 중공 사이로 누유되는 작동 유체가 상기 오리피스에 의해 상기 환형 공간으로 회수되는, 차량용 수직 댐퍼.