KR910006830B1 - 캐스터(Castor) 콘트롤에 의한 앤티롤(Anti-roll) 메카니즘(Mechanism) - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

캐스터(Castor) 콘트롤에 의한 앤티롤(Anti-roll) 메카니즘(Mechanism)

제1a, b도는 본 발명의 앤티롤 메카니즘을 정면상태로 본 개략 구성도.

제2도는 본 발명의 실시예를 표현하기 위한 각(Angle)의 변환상태를 보인 개략도.

제3a, b, c도는 본 발명의 작동을 평면적으로 본 예시도.

제4도는 캐스트각을 설명하기 위한 개략도.

제5a, b도는 캐스트각의 변환상태도.

제6a, b도는 그라운드상의 차체상, 하강 작용을 보인 예시도.

제7도는 종래 정(+)의 캐스터로 조향시 불안정한 차체의 상태를 보인 개략도.

제8도는 본 발명을 채택한 차량이 좌회전할시 차체의 안정된 상태를 보인 개략도.

제9a, b도는 종래 3-링크 시스템의 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 가상킹핀축 2,3 : 하부링크(Lower Control Link)

5 : 상부링크(Upper Control Link) 6 : 타이로드(Tie rod)

7 : 중심링크

본 발명은 차량의 조향장치(Steering System)에 있어서, 차량이 선회할시 바깥으로 기울어짐에 대한 반작용 기능, 이른바 앤티롤(Anti-roll) 즉, 롤링에 대향하는 요동방지 기능을 링키지 레이아웃(Linkage Lay-out)에 의해 행하여질수 있도록 함으로써, 별도의 앤티롤바아(Aanti-roll bar)를 사용하지 않고도 자연스럽게 기구학적으로 억제시켜 차량이 안정된 자세를 취할 수 있게 하여 선회성능을 향상시킬 수 있도록 한 것으로, 특히 멀티 링크 시스템(Multi-link-System)을 채택하여 일예로 좌회전시 조향휠의 캐스터각(Castor Angle)이 좌측휠은 부(-)의 캐스터각으로, 우측휠은 정(+)의 캐스터각으로, 또는 좌, 우 전체의 휠이 부(-)의 캐스터각을 갖게하는 변환에 의해 앤티롤 기능을 얻을 수 있도록 한 캐스터 콘트롤에 의한 앤티롤 메카니즘을 제공하려는 것이다.

일반적으로 차량에서의 선회성능을 높혀 주행 안정성과 쾌적한 승차감을 얻기 위하여는 조향장치의 기구만으로 정하여지는 것이 아니고, 조향 휠을 포함하는 현가장치 및 전 기구에 걸쳐 기능적인 조화에 의하여 크게 좌우되는 것으로서, 그 중에서도 특히, 조향휠의 기능을 개선시킴에 의하여 달성될 수 있는 것이다.

이에 따라 조향 휠은 조향장치의 기능을 돕고, 보다 안정된 선회성능이 이루어지도록 하기 위한 특별한 메카니즘이 요구되었으며, 이 요구에 부응하기 위하여 본 발명자는 앤티롤 메카니즘(Anti-roll mechanism)을 채택하게 되었고, 이러한 앤티롤 메카니즘은 가장 가까운 미래의 자동차에 적용될 것이 확실하며, 현 단계에서는 경제성과 실용성을 더 높혀 상용화시킬 수 있는 조건에 접근하는데 주력하고 있는 것이다.

따라서, 상기한 기능을 행하는 조향 휠에 관해서 좀더 구체적으로 설명하자면, 조향휠은 기하학적인 각도 관계를 가지고 프런트 액슬(Front axle)에 장착되어지는 것으로, 이와 같이 기하학적인 각도 관계를 가지고 조향휠이 체결되어 지는 것을 앞바퀴 정렬(Front wheel-Alignment)이라 하며, 상기한 앞바퀴 정렬은 주행 중 앞바퀴가 바깥쪽으로 벌어지려 하는 성질을 방지하는 토우인(toe-in)과, 핸들 조작을 가볍게 하고 프런트 액슬의 굽힘을 방지하는 캠버(Camber)와, 조향휠의 직진성과 복원성을 부여하는 캐스터(Castor) 및 조향의 중심축이면서 복원성을 부여하는 기능을 갖는 킹핀 경사각(Kingpin angle) 등 4요소로 구성되어 상호 보완 작용을 하도록 되어 있는 것이다.

그러나, 현재 대부분의 차량은 제9도와 같은 맥퍼슨타입이나 더블 위시본 타입으로 되어 제7도에서와 같이 고속 주행시 직진성과 방향 안정성을 좋게 하기 위하여 조향 휠에 정(+)이 캐스터각을 부여하고 있으나, 정(+)의 캐스터각은 차량이 선회시 차체를 바깥쪽으로 기울게 함으로써 바깥쪽 관성에 의한 로울링 모멘트(Rolling moment) Mi(첨자 i는 Inertia의 약자)가 생기게 되고, 여기에 자동차 속도 및 선회반경에 의해 발생되는 원심력에 의한 로울링 모멘트 Mc(첨자 c는 Centrifugal의 약자)가 추가되어 상당히 큰 로울링 모멘트 Mr(Mi+Mc)이 생기게 되는 것이다.

따라서, 차량의 큰 로울링은 일차적으로 운전자로 하여금 불안감을 느끼게 할 뿐 아니라, 물리적으로도 차량의 선회 반대방향의 외측 휠쪽으로 하중 전달량을 증대시킴으로 동방향 주행차량과의 접촉 및 충동사고시 무게중심의 이탈로 인한 치명적인 피해가 우려됨과 아울러, 선회 외측 휠에서 얻어지는 코오너일 포오스(Cornering-force)의 증가분과 선회 내측 휠에서 얻어지는 코오너링 포오스의 감소분의 차이를 더욱 커지게 하여, 더 많은 코오너링 포오스의 발생을 초래하게 되고, 이것은 차량의 선회시 타이어 마찰력의 한계에 보다 빨리 도달케 함으로써 선회성능한계의 저하를 가져오게 되는 것이다.

상기한 바의 선회시 로울링을 억제시켜 선회성능을 향상시키기 위한 수단이 연구자들에 의해 계속 개발되어 가고 있으나, 현재로서는 차량의 롤(Roll)을 콘트롤하는 차량들 중에서 거의 모든 차량이 선회시 센서(sensor)로 횡가속도를 감지하여 유압이나 공압으로 로울링을 억제케 하는 장치에 국한되어지고, 유압이나 공압을 이용한 장치는 차량의 속도, 선회각도, 기울기 및 노면의 상태등을 주행시 검출하면서 콘트롤러에 의해 물리적인 힘으로 차체를 올려주거나 내려줌으로서 전체적인 차량의 안정된 자세를 꾀하게 되는 바, 이와 같은 유효적절한 기능을 달성할 수는 있어도 시스템적으로는 다수의 부품으로 구성될 뿐만 아니라 유압이나 공압 시스템과 복합적으로 이루어지는 집약 기술이기 때문에 각종 부품을 설치할 많은 공간과 코스트(Cost) 상승이 수반되어지므로 경제성이 저하되는 것이었으며, 특히 소형승용차에 있어서는 설계 면적을 과도하게 점유하여 기존 구조물의 조립, 분해시 또는 기능에 제한을 주게하는 등 여러 가지 부적합한 문제가 내재되는 것이었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 링크가 4-링크 혹은 5-링크의 선택적으로 이루어진 멀티링크 시스템(Multi-link System)을 프론트 서스펜션(Front Suspension)에 부여하여 직진 주행시에는 복원성이 양호한 정(+)의 캐스터각의 이점을 그대로 유지하도록 하되, 상기한 정(+)의 캐스터각을 갖는 조향 휠이 선회를 하기 위해 핸들을 돌렸을 경우, 전체 링키지 상태가 변하여 부(-)의 캐스터각 방향으로 변환되게 하고, 조향 휠(Steering Wheel)의 선회각도가 커질수록 부(-)의 캐스터각이 큰쪽으로 변하게 되어 차체를 선회방향과 같은 내측으로 기울어지게 함으로써, 결과적으로 선회시의 로울링을 억제하게 되어 차량이 안정성을 갖고 선회할 수 있도록 순수한 메카니컬 시스템(Mechanical System)에 의한 앤티롤 기능을 조향휠에 부여한 것이다.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 캐스터에 대하여 부언하면, 캐스터는 차량의 킹핀축을 옆에서 볼때의 킹핀축의 기울어진 각도를 말하는 것인데, 킹핀의 윗부분이 차량의 뒤쪽으로 기울어졌을때를 정(+)의 캐스터, 킹핀의 중심선이 수직선과 일치된 상태를 (0)의 캐스터, 킹핀의 윗 부분이 앞쪽으로 기울어졌을때를 부(-)의 캐스터라고 하며, 차량은 회전시 킹핀축의 기울어진 상태에 의해 차량 자세가 변하게 되며, 이것은 차량의 안정성에 지대한 영향을 미친다.

일예를 들면, 차량이 좌회전할시 좌측과 우측휠의 캐스터각이 전부 정(+)일 경우, 차체의 좌측은 올라가고 우측은 내려가게 되며, 여기에 원심력까지 가해져 로울링을 야기시키면 이러한 현상은 더욱 심화되어 심하면 전복의 위험성까지 따르게 된다.

또한, 좌측휠의 캐스터각이 정정(+)이고, 우측휠의 캐스터각이 부(-)일 경우에는 차체의 좌측과 우측이 함께 올라가서 기울어지는 현상은 줄어드나, 차량 자세의 상향으로 무게중심 위치가 올라가게 되어 안정성이 유리한 경향은 못되며, 이와은 반대로 좌측휠의 캐스터각이 부(-)이고, 우측휠의 캐스터각이 정(+)일 경우에는 차체의 좌측과 우측이 함께 내려가서 차체의 기울어지는 현상도 줄어들고, 차량 자세도 낮아지므로 무게 중심의 위치 또한 내려가게 되어 우수한 선회 기능을 갖게 되며, 좌측과 우측휠의 캐스터각이 전부(-)일 경우에는 좌측은 내려가고 우측은 올라가므로, 이 경우에도 안정된 선회성능을 갖게 되는 것이다.

따라서, 본 발명은 차량이 좌회전할시 조향되는 좌측휠의 캐스터각은 부(-)로 되게 하고, 우측휠의 캐스터각은 정(+)으로 되게 하거나, 좌,우측휠의 캐스터각이 전부 부(-)로 되게 하여 차량의 선회시 안정성을 부여함에 그 목적이 있는 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면과 관련하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선 본 발명 킹핀축에 대한 기구학적인 기본개념을 설명하면, 이 킹핀축은 3차원의 공간상에서 회전운동(Rotation)가 병진운동(Translation)을 동시에 행하는 것으로 볼 수 있는데, 이때 이 두가지 운동은 하나의 축을 중심으로 회전과 동시에 병진운동이 순간적으로 실시된다. 이러한 상기의 축을 기구학적으로 순간 나선운동축(Instantaneous screw axis)이라 한다. 이것이 2차원에서는 순간중심 포인트가 된다.

따라서 킹핀축이란 휠과 타이어 어셈블리라는 하나의 강체가 차체에 대하여 회전 및 병진을 동시에 행할수 있는 축을 의미한다. 이 경우 병진은 거의 상, 하 방향으로 이루어지고 그 움직임량은 그리 크지는 않다.

따라서 기존의 3-링크 형식인 맥퍼슨 타입(Macpherson Type)이나 더블 위시본 타입(Double wishbone Type)에서는 휠과 타이어를 회전시켜 주기 위해서, 즉 조향을 위해서 제9도와 같이 스티어링 링크(Bo,B)를 당기면 랙의 이동방향을 따라 타이어 어셈블리는 Co,G(또는 C,G축, 즉 킹핀축)축을 중심으로 단지 조향만을 하게 된다. 그러나 본 발명의 4 또는 5-링크로 형성된 멀티링크 시스템에서는 킹핀축이 확실하게 눈에 보이지 않게 된다.

따라서 제2도 및 제3도를 참조하여 스티어링 링크(T,H)를 랙의 이동방향으로 당기면 타이어는 어떠한 축을 중심으로 회전과 병진을 하게 되는데 이때의 축은 눈에 보이지 않으므로 가상킹핀축(Imaginery King Pin Axis)이라 한다.

그리고 이 가상킹핀축은 면 C,Bo,B와 면 C,Ao,A의 파선과 거의 일치한다.

따라서 차량의 직진시에는 정(+)의 캐스트상태에서 선회를 하기 위해 핸들을 돌렸을 경우, 링크의 상태가 변화하여 정(+)의 캐스터각이 부(-)의 캐스터각으로 변화되게 함으로써, 차체가 회전되는 내측으로 기울도록 하는 것으로, 상기한 바를 행하기 위해서는 우선적으로 킹핀축은 타이로드(Tie-rod)상태가 변할때마다 항상 변해야하며, 이러한 조건을 만족하기 위해서는 모든 링크는 4-링크 또는 5-링크로 형성되는 멀티링크시스템이 이루어져야 하는 것이다.

상기의 시스템을 첨부도면 제1a도(4-링크 시스템)과 관련하여 보면, 먼저 휠(W)과 일체로 되어 있는 너클의 상,하단부와 차체는 상부링크(5)와 하부링크(2)(3)로 연결되고, 너클아암에서 또 하나의 링크인 타이로드(6) 및 중심링크(7)를 통하여 차체의 스티어링 기어박스와 연결되어지는 것으로, 상부링크(5)와 하부링크(2)(3) 그리고 타이로드(6)는 너클의 상,하단부와 너클아암(8)에 볼조인트로 연결되어 조향시 스티어링 기어박스(Steering Gear Box)내의 랙(Rack)의 이동에 의해 중심링크(7)로 타이로드(6)를 당기거나 밀어 너클아암(8)을 동작케 하고, 이에 따라 휠(W)이 킹핀축(조향축으로서 가상킹핀축을 의미한다. (1)을 지지축으로 회동하여 조향되는 것이며, 이때 상부링크(5)와 하부링크(2)(3)에는 미세변위가 생기고, 이 변위는 링크 배치 상태를 다르게 함으로써 이들의 연장성(a)(b)상에서 만나도록 되어 있는 가상킹핀축(1)의 위치가 이동되는 것이다.

본 발명은 상기 킹핀축의 변위된 상태를 적절히 설정하여 측면에서의 측정된 각도 즉, 캐스터가 의도하는 대로 변할 수 있도록 만든 것으로서, 이러한 캐스터각의 변화과정중 일예로서 타이로드가 휠 중심 후방에 있는 경우 캐스터각의 변화를 도표와 관련하여 살펴보면 다음과 같다.

[표 1]

이와 같이 차축이 선회를 할 때, 캐스터각은 휠 중심상의 임의의 점과 노면과의 상대거리를 변화케 함으로써, 킹핀축을 상,하로 움직이게끔 한다. (즉, 차체를 상,하로 움직이게끔 한다)

이때, 캐스터각이 정(+)일 때 차량이 선회를 하게 되면 상기 원리에 의해 바깥쪽의 차체를 내려가게 하고, 이러한 현상은 차량선회시 로울링을 더욱 쉽게 일어나게 하므로, 선회시 이러한 현상을 반대로 해줘야 하며, 그러기 위해서는 캐스터각을 선회시에 정(+)에서 부(-)로 변화케 함으로써, 로울링을 대폭적으로 감소시킬 수 있는 것이다.

다음으로 상기한 효과를 얻기 위한 본 발명의 캐스터 콘트롤에 의한 앤티롤 메카니즘 시스템이 동작 상태를 설명하면, 좌회전을 할 경우 스티어링 기어박스 내의 랙이 우측으로 이동됨에 따라 이 랙은 중심링크(7)에 의해 타이로드(6)를 당기고, 이것은 다시 너클아암(8)을 당기게 되어 제3a도의 상태에서 b도의 상태로 너클아암(8)을 동작케 하여 너클이 가상킹핀축(1)을 지지점으로 회동하여 휠(W)을 조향시킬 때, 하부링크(2)(3)의 위치는 약간씩 변하게 되어 상부링크(5)의 볼조인트를 지나 하부링크(2)(3)의 연장선(a)(b)들에 의해 이루어지는 가상킹핀축(1)의 기울기 및 위치가 변하므로써, 제4도와 같은 정(+)의 캐스터에서, 제5도와 같이 부(-)의 캐스터로 변화되어, 제7도와 같이 선회 내측의 차체가 낮아지게 되면서, 좌회전 하는 방향으로 안정되게 주행하는 것으로, 이를 좀더 구체화시키기 위하여는 3차원 공간 상에서 차체에 대한 휠의 순간 나선 운동축(Instant screw axis) 혹은 노면에 대한 차체의 순간 나선 운동축을 이론적으로 구해야 하는 것으로서, 실제 이를 정확히 구한다는 것은 그리 쉬운 문제가 아니므로 여기서는 근사적이나마 정확한 결과치를 얻을 수 있는 다음 방법을 사용하였다.

먼저 제2도에서와 같이 가상킹핀축은 점 C,Ao,A를 포함하는 면(Plane)과 점 C,Bo,B를 포함하는 면과의 교선 C,GC'이고, 이때 GC'는 가상킹핀축이 지면과 만나는 점이다.

제3a도는 차량이 직진시 조향이 중립 상태를 나타낸 것으로, 차량이 선회(좌회전시)를 시작하면서 서스펜션의 링크상태는 제3a도에서 b도 상태로 변한다.

이때, Ao, Bo, H, T등은 Ao', Bo', H', T'등으로 변하면서 결과적으로 교선 C,GC'의 아래쪽을 뒷편으로 기울어지게끔 한다. (즉, 부(-)의 캐스터각으로, 여기서 P는 GC'를 의미하며, WC는 휠의 중심을 의미한다. )

따라서, 제4도와 제5도 및 제6도에 관련하여 이를 더욱 명확히 설명하면, 좌회전시 차체(C)는 선회반경의 바깥쪽으로 로울링되려 할 것이다. (운동학적 효과(Kinematic effect)와 원심력(관성 모멘트)에 의하여).

이때의 로울링에 대한 캐스터각의 효과를 보면, 기존의 대부분의 차량들은 다소 어느 정도의 정(+) 방향의 캐스터를 갖고 있는데, 물론 이것은 직진 주행시 안정성과 복원성을 높이기 위한 것이나 로울링에 대한 대응효과는 매우 미미한 것이다.

이러한 상기의 문제점에 대처하기 위한 본 발명은 제4도 내지 제6도에서 보는 바와 같이, 캐스터만의 효과를 측정키 위해 킹핀축(C,D)의 전방에서의 각도는 0°라 가정하면 좌회전시 정(+)의 캐스터를 가진 정지 메카니즘의 상태에서 좌측휠의 센터 P는 P_L로 변화될 것이다. (킹핀축을 중심으로 한 좌회전에 의해).

이때, 그라운드로부터 휠 캐스터 P₁까지의 거리 h₁은 최초의 거리 h보다 작아질 것이다. (타이어가 땅속으로 들어갈 수는 없으므로).

그리고 그라운드와 휠 캐스터까지의 거리는 항상 거의 일정해야 함으로, 즉 h가 되어야 함으로 P_L은 (h-h_L)만큼 올라가야 하고 C,D,P는 C',D',P'의 위치로 옮겨져야 하며, 이는 차체의 상승을 의미하는 것이다.

그러나 좌회전시 부(-)의 캐스터로 변해지면 이때 h_L은 h_L보다 오히려 커져 타이어가 마치 그라운드상에 떠있는 것처럼 됨으로 타이어가 그라운드에 접촉되기 위해선(h_L-h)만큼 낮아진 P_L'가 되어야 하며, 역시 C',D',P'가 전체적으로 움직이게 되어 차체의 하강을 야기시킨다.

이 부(-) 캐스터에 대한 효과는 공지된 사실이나 부(-)의 캐스터는 직진시에 불안정한 상태가 발생되므로 대부분의 차량에서는 정(+)의 캐스터를 채택하고 있다.

그러나 본 발명의 가장 중요한 요점은 직진시에는 직진안정성을 유지하기 위해 정(+)의 캐스터를 유지하면서도 선회시에는 캐스터를 부(-)로 변화시켜 선회안정성을 높이고자 하는 것이다.

결국, 회전시 차체의 선회내측을 가라앉히면서 외측차체도 동시에 가라앉혀 안정감을 가지고 회전할 수 있도록 하는 것이고, 또한 차체의 무게중심이 전반적으로 낮아지게 되어 로울링 모멘트를 낮게 하는 것이며, 동시에 바깥쪽으로 기울어지려는 관성(정(+)의 캐스터시)이 오히려 반대가 되어 로울링을 억제케 함으로 선회시 안정성을 도모케 하는 것이다.

이상과 같은 본 발명은 순수한 링크 메카니즘만으로 앤티롤 기능을 실현시킬 수 있게 된 것으로, 특히 일예로 좌회전시 선회내측휠의 캐스터각이 정(+)에서 부(-)로 변환되게 하여 좌측과 우측의 캐스터가 각각 부(-), 정(+) 혹은 부(-), 부(-)의 상태가 될 수 있는 앤티롤 메카니즘을 조향휠에 부여함으로써, 선회시 선회 각도가 극대화될수록 선회내측 휠의 부(-)의 캐스터각의 변화량은 점점 커지게 되어 아주 이상적인 선회성능을 얻을 수 있을 뿐 아니라, 로울링을 방지할 수 있는, 동시에 선회시 시미(SHIMMY) 현상(스티어링 휠의 원주방향 떨림현상)을 억제하는 효과도 얻게 됨으로, 이에 다른 쾌적한 승차감을 얻을 수 있는 것이고, 또한 각 휠이 차축을 캐스터각의 변화에 따라 균형있게 제어함으로써, 기존의 입력센터(Input sensor)로 감지하여 유압이나 공압으로 조향되어 차량자세를 제어하는 시스템을 대치시킬 수 있는 효과와 함께 경제성, 실용성, 안정성 및 다양한 기능성이 충족되는 등의 괄목할 만한 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 휠(W)과 일체로 되고 너클의 상, 하단부와 차체에 상부링크(5)와 하부링크(2)(3)를 볼조인트로 각각 연결하되, 상부링크(5)의 볼조인트를 지나 하부링크(2)(3)의 연장선(a)(b)들에 의해 이루어지는 가상축선을 가상킹핀축(1)이라 하고, 조향시 스티어링 기어박스 내의 랙이 이동함에 따라 중심링크(7)로 타이로드(6)를 당기거나 밀게 함으로써 상부링크(5)와 하부링크(2)(3)의 위치를 미세 변화케 하고, 이 변위된 상태에서 새로이 이루어지는 가상킹핀축의 위치와 기울기를 적절히 설정될 수 있도록 하여 선회시 가상킹핀축의 아래쪽이 당겨지거나 밀려지면서 캐스터각이 변환되게 하는 4-링크 혹은 5-링크로 이루어진 멀티링크 시스템으로 구성됨을 특징으로 하는 캐스터(Castor) 콘트롤에 의한 앤티롤(Anti-roll) 메카니즘(Mechanism).
2. 제1항 기재의 앤티롤 메카니즘을 이용함에 있어서, 점 C,Ao,A를 포함하는 면과 점 C,Bo,B를 포함하는 면과의 교선 CGC'가 가상킹핀축이 되게 하되, GC'는 가상킹핀축이 저면과 만나는 점으로 된 상태에서 차량이 선회(좌회전)를 시작하면, 서스펜션의 링크가 정(+)의 캐스터(Ao,Bo,H,T) 상태에서 부(-)의 캐스터(Ao',Bo',G'T')상태로 변하면서 교선 CGC의 아래쪽이 뒷편으로 기울어지되, 선회각도가 극대하 될 수록 부(-)의 캐스터각의 변화량을 점점 커지게 하여 좌측과 우측의 캐스터가 각각 부(-), 정(+) 또는 부(-), 부(-)의 상태가 되도록 구성함을 특징으로 하는 캐스터(Castor) 콘트롤에 의한 앤티롤(Anti-roll) 메카니즘(Mechanism).

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