KR101859051B1 - 스프링 회전형 능동 서스펜션 - Google Patents

스프링 회전형 능동 서스펜션 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스프링의 상부와 하부에 구동수단을 설치하여 스프링의 하중축을 능동적으로 조절하는 능동형 서스펜션 시스템에 관한 것이다.
스프링의 상부와 하부에 모터를 설치하여 스프링의 비틀림없이 하중축 조절이 가능하고 차량의 공간 활용성을 높이는 장점을 가진다.

Description

스프링 회전형 능동 서스펜션{Spring Rotating Active Suspension}
본 발명은 스프링의 상부와 하부에 구동수단을 설치하여 스프링의 하중축을 능동적으로 조절하는 능동형 서스펜션 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 서스펜션(suspension)는 자동차 차대의 받침장치를 이르는 말로, 현가(懸架)장치라고도 한다.
이와 같은 서스펜션은 쇼크업소버, 스프링, 서스펜션 암 등이 주요 구성 요소이며, 노면에서 발생하는 충격이 차대나 탑승자에게 직접적으로 전해지지 않게 충격을 흡수하는 기능과 타이어를 노면에 확실하게 접지시키는 기능이 주요한 역할이다.
따라서 이 장치는 탑승자의 승차감과 차량의 조종성 및 안정성에 큰 영향을 끼친다.
구조에 따라 여러 방식으로 나누며, 가장 일반적인 것은 스트럿 방식이고 그밖에 더블 위시본 방식, 멀티식 등이 있다.
보통 금속판과 쇼크업소버로 충격을 흡수하는데, 쇼크업소버는 흡수 특성을 전자적으로 제어하는 '전자제어 서스펜션'이 개발되어 쓰이고 있고, 금속판 대신 공기판을 이용하는 '전자제어 에어서스펜션'도 쓰인다.
또 판과 쇼크업소버 대신 응답성이 뛰어난 유압 시스템을 채용하고, 컴퓨터로 주행 상태에 맞게 차대의 진동을 제어함으로써 주행 안정성과 조종 안정성을 꾀하는 유압식 액티브 서스펜션도 있다.
장착 부위에 따라 앞바퀴에 장착되는 것과 뒷바퀴에 장착되는 것으로 나누기도 하며, 앞바퀴에는 스트럿 방식, 뒷바퀴에는 리지드 액슬(rigid axle: 고정 차축)과 독립식 서스펜션(IRS:Independent Rear Suspension)이 많이 쓰인다.
한편, 차대에 일단부가 축지된 어퍼 암의 타단부는 어퍼 볼 조인트를 통해 휠의 상부에 축지되고, 차대에 일단부가 축지된 로워 암의 타단부는 로워 볼 조인트를 통해 휠의 하부에 축지되며, 상기 차대의 저면과 로워 암의 상면 사이에는 쇼크업소버와 코일스프링이 설치되고, 상기 쇼크업소버의 외측에서 상기 코일스프링의 상, 하단 접촉부에는 각각 어퍼 시트판과 로워 시트판이 설치된 형태를 갖는다.
이때, 어퍼 및 로워 시트판은 각 중심점을 기준으로 피벗(Pivot) 운동을 하여 각도 조절이 가능하도록 코일스프링의 하중축을 코일스프링 형상 중심에서 좌/우로 이동시킬 수 있는 구성을 갖는다.
이와 같은 구성의 서스펜션 시스템에서 코일스프링의 하중축을 이동시키게 되면, 휠과 코일스프링의 하중 접촉점의 거리가 달라지게 되므로 휠 레이트(Wheel Rate) 변경이 가능하고 차고의 높이도 조절 가능하여 차량의 승차감을 변화시켜 줄 수 있다.
여기서 휠 레이트(wheel rate)라 함은, 차량의 휠 위치에서의 현가 스프링 정수로서 서스펜션 레이트라고도 하며, 어떤 하중 조건하에서 타이어의 증대를 무시하고 코일스프링 위 중심과 휠 중심의 위치를 단위 거리(mm)에 가깝도록 하는데 필요한 중량으로 나타내는 것이다.
또한, 타이어를 포함한 휠 위치에서의 코일스프링 정수를 '라이트 레이트'라고 한다.
상기와 같이 서스펜션 시스템의 코일스프링에 대한 하중축을 변화시켜 휠 레이트(Wheel Rate) 및 차고의 높이도 조절하기 위한 종래의 방안으로 일본 특허공보 특허 제4369418호가 제시된 바 있다.
상기 일본 특허공보 제4369418호에서 제시된 휠 서스펜션은, 코일스프링의 형상 중심선(L)과 하중축(W)이 서로 일치하지 않은 상태에서 코일스프링을 형상 중심선(L)을 중심으로 회전시켜 하중축(W)의 위치를 변경시킴으로써 휠 레이트를 바꿀 수 있도록 되어 있다.
그런데, 코일스프링이 일자형이 아닌 C자형 또는 S자형과 같이 구부러진 형태인 경우, 그 형상 중심선 또한 곡선 형상이기 때문에 형상 중심선을 기준으로 스프링을 회전시킬 수 없게 되며, 따라서, 형상 중심선이 곡선인 스프링에 대해서는 적용할 수 없는 문제가 있다.
또한, 스프링의 회전은 주행 중에 이루어지게 되는데, 스프링은 회전 시에 상하로 압축 하중을 빈번히 받고 있는 상태이기 때문에, 스프링의 상부와 하부가 동시에 함께 회전되지 못하면, 스프링은 상하부의 회전 차이에 의한 비틀림 하중과 함께 상하 압축 하중을 동시에 받게 되며, 그러한 복합하중으로 인해 좌굴에 의한 파손이 발생하는 문제가 있을 수 있다.
아울러, 종래의 위와 같은 구조는 스프링을 회전시키기 위한 엑추에이터 구조가 지나치게 비대하여 설치 공간을 많이 차지하며, 다른 부품 등과의 간섭 때문에 설치 공간을 확보하기 어려워 결국 적용할 수 있는 차량은 상당히 제한될 수밖에 없다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 서스펜션에 모터를 내장하여 스프링의 하중축 조절이 가능한 새로운 방식의 능동형 서스펜션 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스프링 회전형 능동 서스펜션은 스프링시트, 스프링, 구동수단을 포함한다.
스프링시트는 상부스프링시트와 하부스프링시트를 포함한다.
스프링은 상기 스프링시트가 회전됨에 따라 함께 회전되며, 상하 압축에 대한 하중 작용 중심선은 상기 스프링시트의 회전 중심선으로부터 이격되도록 설치된다.
스프링은 나선형으로 회전되어 감겨진 코일스프링으로서, 나선형의 회전 중심선은 곡선으로 형성될 수 있다. 상기 회전 중심선이 C자형인 경우 C형 코일 스프링이 되며, S자형인 경우 S형 코일 스프링이 된다. 균일한 직경의 소선을 나선형으로 감되 회전 중심선을 C자형으로 하여 감아서 코일스프링을 만드는 경우, 그 형상 중심선은 회전 중심선과 일치하게 된다. 소선의 직경이 균일하지 않은 경우에는 회전 중심선이 C자형이더라도 형상 중심선은 회전 중심선과 일치하지 않을 수 있다. 여기서, 회전 중심선은 코일 스프링의 나선의 각 층에서의 회전 중심점을 서로 연결한 선으로 정의될 수 있다. 형상 중심선은 나선의 각 층에서 소선의 직경을 고려한 형상 체적의 중심을 서로 연결한 선으로 정의될 수 있다.
구동수단은 전원이 공급됨에 따라 회전자력의 발생에 의해 회전자가 회전하여 상기 스프링시트를 회전시키는 회전구동력을 발생시키되, 회전자의 회전중심축은 스프링시트의 회전중심축과 동일축상으로 배치될 수 있다.
구동수단은 하나의 실시예로서, 샤프트, 유성기어, 링기어, 케리어를 포함한다.
샤프트는 상기 회전자와 연결되고, 유성기어는 상기 샤프트를 둘러싸며 배치되어 상기 샤프트와 복수개가 치합된다. 그리고, 링기어는 복수의 유성기어와 치합된다.
캐리어는 복수의 유성기어가 회전 가능하게 연결되어 유성기어의 공전과 함께 회전하고, 스프링시트와 함께 회전하도록 연결된다. 따라서, 본 실시예에서는 캐리어가 회전됨에 따라 스프링시트가 회전되는 구조이다.
다른 실시예에서 구동수단은 회전자와 연결되고 스프링시트와 직결된 샤프트를 포함하여 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 구동수단은 하우징 내측에 회전 가능하게 스프링시트가 설치된 구조에서, 스프링시트를 둘러싸며 하우징에 설치된 고정자를 추가로 포함하고, 회전자는 고정자에 대해 반경방향 내측에서 고정자와 간격을 가지고 스프링시트에 설치되는 구조일 수 있다.
또한, 구동수단은 상부스프링시트의 회전중심축과 동일축상으로 배치되는 상부구동수단과 하부스프링시트의 회전중심축과 동일축상으로 배치되는 하부구동수단을 포함할 수 있다.
여기서, 하부구동수단은 상부구동수단과 동시에 회전구동력을 발생시키도록 제어될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 스프링의 하중축 조절이 가능한 능동형 서스펜션 시스템에 의하면, 스프링의 상부와 하부에 모터를 설치하여 스프링의 비틀림없이 하중축 조절이 가능하고, 차량의 공간 제한을 적게 받기 때문에 다양한 차량에 적용될 수 있는 장점을 가진다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 스프링 회전형 능동 서스펜션을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 스프링 회전형 능동 서스펜션의 스프링 회전중심축이 변경된 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 스프링 회전형 능동 서스펜션을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 스프링 회전형 능동 서스펜션의 스프링 회전중심축이 변경된 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 스프링 회전형 능동 서스펜션을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 스프링 회전형 능동 서스펜션의 스프링 회전중심축이 변경된 상태를 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스프링 회전형 능동 서스펜션에 대하여 살펴본다.
도 1 및 도 2를 참조하여 제1실시예에 따른 스프링 회전형 능동 서스펜션에 대해 설명한다.
제1 실시예에 따른 스프링 회전형 능동 서스펜션은 스프링시트, 스프링(140), 구동수단을 포함한다.
스프링시트는 상부스프링시트(120)와 하부스프링시트(130)를 포함한다.
상부스프링시트(120)의 상부에는 스프링시트를 회전시키는 구동수단을 포함한다. 구동수단은 상부구동수단(100)과 하부구동수단(110)을 포함한다.
스프링(140)은 상부스프링시트(120)가 회전됨에 따라 함께 회전되며, 상하 압축에 대한 하중 작용 중심선(c)은 스프링시트의 회전 중심선(b)과 일치하지 않도록 설치된다. 본 실시예 및 후술하는 실시예에서 하중 작용 중심선은 스프링시트의 회전 중심선으로부터 이격되어 있다.
상부구동수단(100)은 전원이 공급됨에 따라 회전자력의 발생에 의해 회전자(150)가 회전하여 상부스프링시트(120)를 회전시키는 회전구동력을 발생시키되, 회전자(150)의 회전중심축은 상부스프링시트(120)의 회전중심축과 동일축상으로 배치되어 설치된다.
상부구동수단(100)은 고정자(160), 회전자(150). 샤프트(170), 유성기어(180), 링기어(190) 및 케리어(200)와 상기의 구성을 수용하는 하우징(210)을 포함한다.
상부구동수단(100)은 하우징(210) 내부에 고정자(160)가 설치되고, 샤프트(170)의 외주면에 영구자석식 회전자(150)가 설치될 수 있고, 유성기어(180)는 샤프트(170)를 둘러싸며 배치되어 샤프트(170)와 복수개가 치합되어 설치된다.
링기어(190)는 복수의 유성기어(180)와 치합되고, 하우징(210) 내주면에 형성된다.
캐리어는 복수의 유성기어(180)가 회전 가능하게 연결되어 유성기어(180)의 공전과 함께 회전하고, 상부스프링시트(120)와 함께 회전하도록 연결된다. 하우징(210)과 케리어(200) 사이에는 베어링(220)이 설치될 수 있다.
하부구동수단(110)은 상부 구동수단과 동일한 구조이므로 상세한 설명은 생략한다. 다만, 하부구동수단(110)에 포함된 하부스프링시트(130)는 스프링이 C자형의 형상(a)이 유지될 수 있도록 도 1에 도시된 바와 같이 상부스프링시트(120)와는 반대되는 방향으로 경사져 있을 수 있다.
또한, 상부구동수단(100)과 하부구동수단(110)은 스프링을 회전시키기 위해 상부구동수단(100)과 하부구동수단(110)의 회전을 동시 제어하기 위한 전기제어선(미도시)을 추가로 포함한다. 전기제어선(미도시)은 상부구동수단(100)과 하부구동수단(110)을 전기적으로 서로 연결할 수 있다.
상부구동수단(100)과 하부구동수단(110)이 동시에 회전됨에 따라 스프링의 하중 작용 중심축(c)은 도 2에 도시된 바와 같이 위치가 반대로 변경될 수 있다.
다음으로 도 3 및 도 4를 참조하여 제2 실시예에 따른 스프링 회전형 능동 서스펜션에 대해 설명한다.
스프링 회전형 능동 서스펜션은 스프링시트, 스프링(140), 구동수단을 포함한다.
스프링시트는 상부스프링시트(120)와 하부스프링시트(130)를 포함한다. 상부스프링시트(120)는 상부 구동수단이 회전됨에 따라 회전된다.
스프링(140)은 상부스프링시트(120)가 회전됨에 따라 함께 회전되며, 상하 압축에 대한 하중 작용 중심선(c)은 스프링시트의 회전 중심선(b)으로부터 이격되어 설치된다.
구동수단은 전원이 공급됨에 따라 회전자력의 발생에 의해 회전자(150)가 회전하여 스프링시트를 회전시키는 회전구동력을 발생시키되, 회전자(150)의 회전중심축은 스프링시트의 회전중심축과 동일축상으로 배치되어 설치된다. 구동수단은 상부구동수단(100)과 하부구동수단(110)을 포함한다.
상부구동수단(100)은 고정자(160), 회전자(150), 샤프트(170) 및 상기의 구성을 수용하는 하우징(210)을 포함한다.
하우징(210)의 내주면에는 고정자(160)가 설치되고, 회전자(150)는 고정자(160)에 대해 반경방향 내측에서 고정자(160)와 간격을 가지고 샤프트(170)의 외주면에 설치되며, 상부스프링시트(120)와 함께 회전될 수 있다,
하우징(210)에는 상부스프링시트(120)를 지지하는 베어링(220)을 추가로 포함할 수 있다.
하우징(210)은 차체에 고정되고 상부구동수단(100) 및 하부구동수단(110)을 통해 상부스프링시트(120) 및 하부스프링시트(130)를 회전시키면 스프링(140)이 함께 회전되어 하중 중심선(b)의 위치가 변경되는 효과가 발생된다.
하부구동수단(110)은 도 3에 도시된 바와 같이 상부구동수단(100)과 동일한 구조로 이루어져 있다. 다만, 본 실시예에서도 마찬가지로, 코일스프링의 C자 형상(a)을 유지시키기 위해 하부스프링시트(130)에 있어서, 코일스프링의 하단부가 안착되는 부분은 상부스프링시트(120)의 경우와 반대되는 방향으로 경사져 있을 수 있다.
상부구동수단(100)과 하부구동수단(110)에 의해 스프링이 회전되면 하중중심선의 위치가 도 4에 도시된 것처럼 변경되어 휠 레이트가 변경되게 된다.
다음으로 도 5 및 도 6을 참조하여 제3실시예에 따른 스프링 회전형 능동 서스펜션에 대해 설명하고자 한다.
스프링 회전형 능동 서스펜션은 스프링시트, 스프링(140), 구동수단을 포함한다.
스프링(140)은 상부스프링시트(120)와 하부스프링시트(130)이 회전됨에 따라 함께 회전되며, 상하 압축에 대한 하중 작용 중심선(c)은 스프링시트의 회전 중심선(b)으로부터 이격되어 설치된다.
구동수단은 상부스프링시트(120)의 회전중심축과 동일축상으로 배치되는 상부구동수단(100)과 하부스프링시트(130)의 회전중심축과 동일축상으로 배치되는 하부구동수단(110)을 포함한다.
상부구동수단(100)은 전원이 공급됨에 따라 회전자력의 발생에 의해 회전자(150)가 회전하여 하우징(210) 내부에 설치된 상부스프링시트(120)를 회전시키는 회전구동력을 발생시키되, 회전자(150)의 회전중심축은 상부스프링시트(120)의 회전중심축과 동일축상으로 배치되어 설치된다.
하우징(210)의 내주면에는 고정자(160) 코일이 설치되고 하우징(210)에 수용된 상부스프링시트(120)의 외주면에는 영구자석식 회전자(150)가 설치된다. 상부스프링시트(120)와 하우징(210) 사이에는 베어링(220)이 설치되어 상부스프링시트(120)가 하우징(210) 내에서 자유롭게 회전될 수 있도록 하는 역할을 한다. 스프링(140)의 상부는 상부스프링시트(120)와 함께 회전되도록 연결된다.
그리고, 하부구동수단(110)은 도 5에 도시된 바와 같이 상부구동수단(100)과 동일한 구조로 이루어져 있다. 다만, 여기서도 마찬가지로, 코일스프링의 C자 형상(a)을 유지시키기 위해 하부스프링시트(130)는 코일스프링의 하단부가 안착되는 부분은 상부스프링시트(130)와 반대되는 방향으로 경사져 있을 수 있다.
상기와 같은 구성을 통해 상부스프링시트(120)와 하부스프링시트(130)가 회전되면 상부스프링시트(120)와 하부스프링시트(130) 사이에 위치된 스프링(140)이 회전하면서 회전 중심선(b)을 중심으로 스프링의 하중작용 중심선(c)이 회전되어 도 6에 도시된 것처럼 변경되어 휠 레이트가 변경되게 된다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100: 상부구동수단
110: 하부구동수단
120: 상부스프링시트
130: 하부스프링시트
140: 스프링
150: 회전자
160: 고정자
170: 샤프트
180: 유성기어
190: 링기어
200: 케리어
210: 하우징
220: 베어링

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 회전 가능하게 설치되고, 일측이 경사지도록 형성된 상부 스프링시트;
    회전 가능하게 설치되고, 일측이 상기 상부 스프링시트와 반대방향으로 경사지도록 형성된 하부 스프링시트;
    상기 상부 스프링시트 또는 상기 하부 스프링시트가 회전됨에 따라 함께 회전되며, 상하 압축에 대한 하중 작용 중심선은 상기 상부 스프링시트 또는 상기 하부 스프링시트의 회전 중심선으로부터 이격되어 있는 스프링; 및
    상기 스프링의 하중 작용 중심선을 180도 위치 변환시키기 위해, 상기 상부 스프링시트 또는 하부 스프링시트를 180도 회전시키기 위한 구동수단
    을 포함하고,
    상기 구동수단은, 상기 상부 또는 하부 스프링시트를 회전가능하게 지지하는 하우징, 상기 하우징 내에 설치된 고정자, 상기 고정자에 대해 반경방향 내측으로 이격되어 설치되고 전원이 공급됨에 따라 회전자력의 발생에 의해 회전하여 상기 상부 또는 하부 스프링시트를 회전시키는 회전구동력을 발생시키되 회전중심축은 상기 상부 또는 하부 스프링시트의 회전중심축과 동일축상으로 배치되는 회전자를 포함하되,
    상기 상부 또는 하부 스프링시트는 상기 하우징 내에 설치되어 상기 하우징에 의해 회전 가능하게 지지되고, 상기 고정자는 상기 하우징 내에서 상기 상부 또는 하부 스프링시트를 둘러싸며 배치되며, 상기 회전자는 상기 고정자에 대해 반경방향 내측에서 상기 고정자와 간격을 가지고 상기 상부 또는 하부 스프링시트의 외주면에 직접 설치되는 것을 특징으로 하는 스프링 회전형 능동 서스펜션.
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