KR0184443B1 - 자동차 4륜 조향 시스템의 중립상태 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 구동원인 모터(1); 상기 모터(1)의 회전력을 직선운동력으로 전환시키는 동력 전환수단; 상기 동력 전환수단을 중립위치로 복귀시키는 복원력을 부여하는 예압 스프링; 상기 동력 전환수단에 의해 전환된 운동력을 후륜의 타이-로드로 전달하여 후륜을 회전시키는 링크; 상기 모터(1)에 부착되어, 후륜각을 측정하는 포텐시어미터 센서(33); 및 상기 포텐시어미터 센서(33)로부터 후륜각에 대한 데이터를 전송받고, 후륜각과 차속에 대한 데이터에 의해 모터(1)의 구동을 제어하는 전자 제어 유니트(30)를 포함하는 자동차 4륜 조향 시스템의 중립상태를 검출하는 장치로서, 상기 포텐시어미터 센서(33)와 전자 제어 유니트(30)를 연결하는 라인에 설치되어, 포텐시어미터 센서(33)로부터 전자 제어 유니트(30)로 전송되는 포텐시어미터 시그널을 감지하는 버퍼(40); 상기 모터(1)와 전자 제어 유니트(30)를 연결하는 라인에 설치되어, 전자 제어 유니트(30)로부터 모터(1)로 전달되는 전류 시그널을 감지하는 홀 센서(41); 및 상기 홀 센서(41) 및 버퍼(40)에 각기 연결되어, 전류 시그널 및 포텐시어미터 시그널이 시간에 대한 전압값의 추이를 나타내는 그래프로 표시되는 오실로스코프(42)로 구성되어, 상기 오실로스코프(42)에 나타난 전류 시그널의 최소값과 대응되는 포텐시어미터 시그널의 전압값이 상기 포텐시어미터 센서의 중립값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.

Description

자동차 4륜 조향 시스템의 중립상태 검출장치

본 발명은 자동차 4륜 조향 시스템의 중립상태 검출장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 조향핸들의 조작에 의해 전륜과 후륜이 동시에 작동되는 4륜 조향 시스템에서, 차륜을 중립상태로 복귀시키는 예압 스프링의 힘의 방향이 전환되는 중립상태에서의 후륜각 감지센서가 나타내는 전압값을 검출하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차의 조향장치는 자동차의 진행방향을 임의로 바꾸기 위한 장치로서, 대부분이 전륜 조향식이다. 이러한 전륜 조향장치는 조작기구와, 기어장치, 및 링크기구로 구성되어 있다. 조작기구는 운전자가 직접 조향조작을 하여, 그 조작력을 기어장치와 링크기구에 전달하는 부분으로서, 조향핸들, 조향축, 및 컬럼으로 구성되어 있다. 기어장치는 조향축의 회전을 감속하여 조작력을 증가시킴과 아울러 조작기구의 운동방향을 전환하여 링크기구에 전달하는 부분이다. 또한, 링크기구는 기어장치의 작동을 전륜에 전달하고, 또한 좌우 각 바퀴의 위치관계를 정렬하도록 지지하는 부분으로서, 피트먼 암, 드래그 링크, 너틀 암, 및 타이-로드로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성되어 있기 때문에, 조향핸들의 조작력은, 운전자가 조향핸들을 돌리면, 기어장치의 조향기어로 전달되면서 감속됨과 동시에 운동방향이 전환되어, 링크기구인 피트먼 암, 드래그 링크, 및 너클 암을 거쳐서 너클 스핀들로 전달된다.

너클 스핀들은 킹 핀을 중심으로 회전운동을 하기 때문에 전륜의 움직임을 전환시키게 된다. 그리고, 좌우의 너클 스핀들은 너클 암을 통해 타이-로드와 연결되어, 한쪽 바퀴의 움직임을 반대쪽 바퀴에 전달하도록 되어 있다.

상기와 같이 구성된 전륜 조향장치는 전륜이 조향되면, 후륜은 전륜이 조향된 방향와 동일한 방향으로 조향된다. 즉, 조향 핸들의 조작에 의하여 발생된 횡력(lateral force)은 전륜의 링크기구에 전달되어 전륜을 조향시키고, 이어서, 후륜의 링크기구에 전달됨으로써, 전륜의 조향방향으로 후륜이 조향되게 된다.

그런데, 전륜 조향장치는 조향핸들의 조작력이 전륜의 링크기구에 전달된 후, 이어서 후륜의 링크기구에 전달되기 때문에, 전륜과 후륜 사이의 횡력 발생시점이 서로 다르게 되고, 이로 인하여 차량의 진행방향과 운전자의 주시 방향이 일치하지 않는 문제점, 즉 전륜에 비해 후륜의 조향이 지연되어 운전자가 주시하는 방향보다 차량의 진행이 뒤처지는 문제점이 있었다.

이를 개선하기 위하여 조향핸들의 조작에 의해 전륜과 후륜을 동시에 작동시킬 수 있는 4륜 조향 시스템이 개발되었다. 4륜 조향 시스템은 전륜과 후륜에 횡력이 동시에 전달되도록 하므로써, 차량의 진행방향과 운전자의 주시 방향이 일치되게 할 수 있다. 이것을 전문용어로는 차량의 바디 슬립 앵글(body slip angle)이 0이 되도록 한다라고 통상 표현하며, 저속에서는 차량의 조정성 향상을 의미하고, 고속에서는 주행 안정성 향상을 의미한다. 이를 위하여 후륜각은 저속에서는 역상(逆狀)이 되도록 전륜각과 반대방향으로 회전되고, 반면에 고속에서는 동상(同狀)이 되도록 전륜각과 동일한 방향으로 회전된다. 부연하면, 저속에서의 회전시에는 후륜이 전륜과는 반대방향으로 회전되어야만 작은 회전반경을 이루며 회전될 수가 있고, 고속에서의 회전은 후륜이 전륜과 동일한 방향으로 회전되어야만 큰 회전반경을 이루며 회전될 수가 있다.

즉, 횡축은 차속(km/h)을 나타내고 종축은 (후륜각/전륜각)을 나타낸 제 1 도의 그래프에 도시된 바와 같이, 차속이 40 내지 50km/h를 기준으로 그 이하에서는 역상을 나타내야만 저속에서의 조정성이 향상되고, 반면에 그 이상에서는 동상을 나타내어야만 고속에서의 주행성능이 향상될 수가 있게 된다.

상기와 같은 효과를 발휘하는 4륜 조향 시스템의 개략적인 구성도가 제 2 도에 도시되어 있다.

4륜 조향 시스템은 개발 초기에는 조향력이 유압 시스템에 의하여 전달되는 구조로 이루어져 있었으나, 최근에는 시스템의 단순화, 제어의 유연성의 향상을 위해 조향력이 주로 DC 모터인 엑튜에이터에 의하여 전달되는 구조로 이루어져 있다.

이하, 모터가 엑튜에이터로서 작동하는 4륜 조향시스템의 구조를 살펴보면, 전륜각 및 차속에 대한 정보가 수시로 입력되는 전자 제어 유니트에 의해 회전수가 제어되는 모터(1)는 그의 축(11)에 타이밍 벨트(2)에 연결되어 있다. 그리고, 상기 타이밍 벨트(2)는 풀리(도시되지 아니함)에 연결되어 있다. 또한, 풀리의 내주면에는 나사선이 형성되어 있고, 이 나사선에 볼 스크류(3)가 맞물리므로써 모터(1)의 회전운동이 볼 스크류(3)의 직선운동으로 전환된다. 상기 볼 스크류(3)의 일측에 링크(4)의 일측이 피봇연결되어 있다. 상기 링크(4)의 타단은 후륜(6)에 고정된 타이-로드(5)에 고정되어 있다. 또한, 상기 볼 스크류(3)의 타측에는 상기 모터(1)의 동력이 후륜(6)으로 전달되지 않게 되는 사태가 발생할 경우에 후륜(6)이 차량의 장축방향과 동일한 방향으로 정렬되도록 하기 위한 예압 스프링(7)이 설치되어, 볼 스크류(3)에 복원력을 부여하도록 되어 있다.

상기와 같이 구성된 4륜 조향 시스템의 동작을 제 3 도를 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.

조향핸들을 조작하여 전륜각이 결정되면, 이 전륜각과 차량의 현재 속도가 전자 제어 유니트의 연산부(20)에 입력되고, 연산부(20)에 의해 목표 후륜각이 결정된다. 이 목표 후륜각은 제어기(21)로 전송되고, 이 목표 후륜각에 따라 제어기(21)는 제어 신호를 발송한다. 이어서, 이 제어 신호는 증폭기(22)에 의해 증폭된 후, 이 증폭된 신호에 의하여 상기 모터(1)가 구동된다.

따라서, 정해진 회전수만큼 모터(1)의 축(11)이 회전되고, 이 회전력이 타이밍 벨트(2)를 통해 볼 스크류(3)로 전달되므로써 볼 스크류(3)가 직선이동을 하게 된다. 따라서, 링크(4)도 같이 직선운동을 하게 되어 타이-로드(5)를 밀거나 당기므로써 후륜이 회전되게 된다.

이때, 후륜이 실제로 회전된 각, 즉 실제 후륜각이 측정되며, 이 후륜각이 연산부(20)에 의해 앞서 연산된 목표 후륜각과 비교된다. 만일, 차이가 있으면, 다시 제어기(21)에 의해 차이값이 보상되어 실제 후륜각이 목표 후륜각과 동일하도록 실행된다.

따라서, 상기와 같이 피드백이 이루어지게 하기 위해서는 실제 후륜각을 측정해야 하고, 그 후륜각을 측정하는 방법으로는 전륜각을 측정하는 방법과 동일한 엔코더 방식과 포텐시어미터(potentiometer) 방식이 일체로 결합된 방식이 주종을 이루고 있다.

여기서, 엔코더 방식은 펄스 신호로 후륜각, 즉 모터(1)의 회전각을 측정하는 방식으로서, 측정치가 정확하기는 하지만 펄스신호를 각도로 다시 환산하는 별도의 보상 알고리즘이 필요하고, 또한 측정된 후륜각이 절대값이 아닌 상대각이므로 다시 절대값으로 환산하는 또 다른 알로리즘이 필요하다는 단점이 있다. 반면에, 포텐시어미터 방식은 전압값에 따른 저항값을 측정하고, 이 저항값으로부터 직접 후륜각의 절대값을 측정할 수가 있기 때문에 별도의 보상 알고리즘이 필요없어서 후륜각의 측정이 즉시 이루어지는 장점이 있지만, 전압을 인가하기 위한 전류 자체의 노이즈 때문에 정밀도가 떨어진다는 단점이 있다.

따라서, 전술된 바와 같이, 후륜각 측정은 어느 하나의 방식만을 사용하지 않고 엔코더 방식과 포텐시어미터 방식을 일체로 결합한 방식을 사용하여 서로 상호보완이 이루어지도록 하고 있다. 즉, 측정 지연이 없는 포텐시어미터 방식으로 후륜각을 측정하고, 대신 엔코더 방식은 포텐시어미터 방식의 오차를 보완함과 아울러 초기 세팅과 같은 제어용으로 사용하게 된다.

상기된 바와 같이 전륜각 및 후륜각을 측정하는데는 포텐시어미터 방식의 센서가 사용되는데, 종래에는 볼 스크류(3)에 복원력을 부여하여 차륜을 중립상태로 정렬시키는 예압 스프링(7)의 자체 결함, 또는 장시간 사용으로 탄성력 저하로 인해서 예압 스프링(7)이 정확하게 초기위치, 즉 기계적인 중심위치로 복귀되지 못할 경우가 있다.

이러한 경우가 발생되면, 예압 스프링(7)이 중심위치로 복귀되면 같이 중립 전압값을 가져야 하는 센서 초기값도 그 이하가 되거나 또는 그 이상이 된 상태가 된다. 이는, 차륜이 중립상태로 복귀되었는데도, 센서의 초기 전압값은 중립값, 즉 0 내지 5V 사이의 구간에서 차륜의 조타각에 대한 전압값을 전자 제어 유니트로 전송하는 센서의 중립값이 정확히 2.5V가 되지 못한다는 것을 의미한다.

이로 인하여, 전륜각 및 후륜각의 정확한 측정이 이루어지지 못하고, 따라서 전자 제어 유니트에 잘못 측정된 전륜각 및 후륜각에 대한 데이터가 전송되므로써, 전륜 및 후륜에 대한 전자 제어 유니트의 제어동작도 신뢰성이 떨어지게 된다.

이를 방지하려면, 4륜 조향 시스템의 코딩(coding)작업시, 예압 스프링(7)이 초기 위치로 복귀될 때의 센서 전압값을 기준으로 변수를 지정하면 되지만, 4륜 조향 시스템 장착시마다 코딩값을 변화시켜 주어야 하는 문제점이 유발되었다.

또한, 다른 4륜 조향 시스템에 대해서는 또 다른 코딩값을 변화시켜 입력해야 하는 불편함이 있었다.

따라서, 본 발명은 종래의 4륜 조향 시스템에서, 기계적인 중심과 센서의 초기값이 일치되지 못하여 발생되는 제반 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 기계적인 중심이 설계된 사양대로 정확히 복귀될 때의 센서 전압값을 초기값으로 설정하도록 하여, 전륜각 및 후륜각의 정확한 측정이 이루어지고, 정확한 제어도 이루어지도록 할 수 있는 자동차 4륜 조향 시스템의 중립상태 검출장치를 제공하는데 목적이 있다.

도 1은 일반적인 4륜 조향 시스템의 속도별 후륜각 계산곡선을 나타낸 그래프

도 2는 일반적인 4륜 조향 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면

도 3은 일반적인 4륜 조향 시스템의 제어 블럭도

도 4는 본 발명에 따른 4륜 조향 시스템의 중립상태 검출장치를 나타낸 구성도

도 5는 본 발명에 따른 중립상태 검출장치의 주요부인 오실로스코프에 의해 포텐시어미터 센서의 중립값을 검출하는 방법을 나타낸 그래프

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명?

1 - 모터 30 - 전자 제어 유니트

33 - 포텐시어미터 센서 34 - 케이블

35 - 파워 라인 40 - 버퍼

41 - 홀 센서 42 - 오실로스코프

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 구동원인 모터; 상기 모터의 회전력을 직선운동력으로 전환시키는 동력 전환수단; 상기 동력 전환수단을 중립위치로 복귀시키는 복원력을 부여하는 예압 스프링; 상기 동력 전환수단에 의해 전환된 운동력을 후륜의 타이-로드로 전달하여 후륜을 회전시키는 링크; 상기 모터에 부착되어, 후륜각을 측정하는 포텐시어미터 센서; 및 상기 포텐시어미터 센서로부터 후륜각에 대한 데이터를 전송받고, 후륜각과 차속에 대한 데이터에 의해 모터의 구동을 제어하는 전자 제어 유니트를 포함하는 자동차 4륜 조향 시스템의 중립상태를 검출하는 장치로서,

상기 포텐시어미터 센서와 전자 제어 유니트를 연결하는 라인에 설치되어, 포텐시어미터 센서로부터 전자 제어 유니트로 전송되는 포텐시어미터 시그널을 감지하는 버퍼(buffer); 상기 모터와 전자 제어 유니트를 연결하는 라인에 설치되어, 전자 제어 유니트로부터 모터로 전달되는 전류 시그널을 감지하는 홀 센서; 및 상기 홀 센서 및 버퍼에 각기 연결되어, 전류 시그널 및 포텐시어미터 시그널이 시간에 대한 전압값의 추이를 나타내는 그래프로 표시되는 오실로스코프(oscilloscope)로 구성되어,

상기 오실로스코프에 나타난 전류 시그널의 최소값과 대응되는 포텐시어미터 시그널의 전압값이 상기 포텐시어미터 센서의 중립값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.

상기된 본 발명의 구성에 의하면, 후륜의 중립일 때 전류 소모가 가장 적다는 것을 근거로 하여, 홀 센서에서 감지된 전류 시그널이 최소일 때의 포텐시어미터 시그널의 전류값을 오실로스코프에서 검출하여, 이 값을 포텐시어미터 센서의 중립값으로 설정할 수가 있게 되므로써, 4륜 조향 시스템의 중립상태를 정확히 파악할 수가 있게 되어, 4륜 조향 제어동작의 신뢰도를 향상시킬 수가 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.

[실시예]

도 4는 본 발명에 따른 4륜 조향 시스템의 중립상태 검출장치를 나타낸 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 중립상태 검출장치의 주요부인 오실로스코프에 의해 포텐시어미터 센서의 중립값을 검출하는 방법을 나타낸 그래프이다.

참고로, 본 실시예의 구성을 설명함에 있어, 명세서의 서두에서 설명된 종래의 기술과 동일한 부분에 대해서는 설명의 중복을 피하기 위하여 반복설명은 생략하고 개선된 부분만을 주로하여 설명하며, 또한 동일부번을 사용한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 4륜 조향 시스템의 엑튜에이터인 직류 모터(1)에 모터의 회전각, 즉 후륜각을 측정하는 포텐시어미터 센서(33)가 부착되고, 이 포텐시어미터 센서(33)에 전자 제어 유니트(30)가 케이블(34)로 연결된다. 또한, 전자 제어 유니트(30)가 모터(1)를 구동시키기 위한 파워 라인(35)이 전자 제어 유니트(30)와 모터(1) 사이를 연결시킨다. 즉, 포텐시어미터 센서(33)로부터 측정된 후륜각이 케이블(34)을 통해 전자 제어 유니트(30)로 전송되고, 전자 제어 유니트(30)는 후륜각과 차속, 및 다른 전송 케이블을 통해 전송된 전륜각에 의거하여 파워 라인(35)을 통해 모터(1)의 구동을 제어하게 된다.

여기서, 포텐시어미터 센서(33)의 중립상태시 전압값, 즉 후륜이 중립위치일 때 포텐시어미터(3)로부터 전자 제어 유니트(30)로 전송되는 전압값을 검출하기 위해서, 본 발명에서는 다음과 같은 장치를 구성한다.

포텐시어미터 센서(33)에서 전자 제어 유니트(30)로 전송되는 포텐시어미터 시그널을 측정하기 위한 버퍼(40)가 케이블(34)에 설치된다. 또한, 전자 제어 유니트(30)가 모터(1)를 구동시키기 위한 전류값을 측정하기 위한 홀 센서(41)가 파워 라인(35)에 설치된다. 포텐시어미터 시그널과 전류 시그널을 화면상에 표시하는 오실로스코프(42)가 버퍼(40) 및 홀 센서(41)에 각기 제 1 및 제 2 커넥터(43,44)로 연결된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 실시예의 동작을 도 5를 참고로 하여 상세히 설명한다.

포텐시어미터 센서(33)로부터 전자 제어 유니트(30)로 전송되는 포텐시어미터 시그널, 즉 후륜각 시그널인 버퍼(40)와, 전자 제어 유니트(30)가 모터(1)를 구동하기 위한 전류값이 홀 센서(41)에 의해 측정되어 시간에 대한 전압값의 추이를 나타내는 도 5에 도시된 그래프상에 각각 표시된다.

후륜이 중립위치일 때 모터(1)는 구동되지 않고, 따라서 전자 제어 유니트(1)로부터 모터(1)로 가해지는 전류도 가장 최소이므로, 오실로스코프(42)에서 전류 시그널이 최소일 때를 우선 찾는다. 그런 다음, 동일한 시간대에서 전류 시그널이 최소일 때의 포텐시어미터 시그널을 점선으로 표시된 라인상에서 찾으면, 이와 대응되는 종축의 전압값이 포텐시어미터 센서(33)의 중립값으로 설정되어진다.

상기된 바와 같이 본 발명에 의하면, 후륜의 중립일 때 전류 소모가 가장 적다는 것을 근거로 하여, 홀 센서(41)에서 감지된 전류 시그널이 최소일 때의 포텐시어미터 시그널의 전류값을 오실로스코프(42)에서 검출하여, 이 값을 포텐시어미터 센서(33)의 중립값으로 설정할 수가 있게 되므로써, 4륜 조향 시스템의 중립상태를 정확히 파악할 수가 있게 되어, 4륜 조향 제어동작의 신뢰도를 향상시킬 수가 있게 된다.

한편, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (1)

1. 구동원인 모터; 상기 모터의 회전력을 직선운동력으로 전환시키는 동력 전환수단; 상기 동력 전환수단을 중립위치로 복귀시키는 복원력을 부여하는 예압 스프링; 상기 동력 전환수단에 의해 전환된 운동력을 후륜의 타이-로드로 전달하여 후륜을 회전시키는 링크; 상기 모터에 부착되어, 후륜각을 측정하는 포텐시어미터 센서; 및 상기 포텐시어미터 센서로부터 후륜각에 대한 데이터를 전송받고, 후륜각과 차속에 대한 데이터에 의해 모터의 구동을 제어하는 전자 제어 유니트를 포함하는 자동차 4륜 조향 시스템의 중립상태를 검출하는 장치로서,

   상기 포텐시어미터 센서와 전자 제어 유니트를 연결하는 라인에 설치되어, 포텐시어미터 센서로부터 전자 제어 유니트로 전송되는 포텐시어미터 시그널을 감지하는 버퍼; 상기 모터와 전자 제어 유니트를 연결하는 라인에 설치되어, 전자 제어 유니트로부터 모터로 전달되는 전류 시그널을 감지하는 홀 센서; 및 상기 홀 센서 및 버퍼에 각기 연결되어, 전류 시그널 및 포텐시어미터 시그널이 시간에 대한 전압값의 추이를 나타내는 그래프로 표시되는 오실로스코프로 구성되어,

   상기 오실로스코프에 나타난 전류 시그널의 최소값과 대응되는 포텐시어미터 시그널의 전압값이 상기 포텐시어미터 센서의 중립값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 자동차 4륜 조향 시스템의 중립상태 검출장치.