KR100232355B1 - 능동 전륜 조향장치 - Google Patents

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Abstract

횡풍, 미끄럼 노면 등의 외란에 대해 능동적으로 대처하므로써 주행안전성을 향상시킬 수 있도록 해주며, 스티어링 휠에 연결되어 스티어링 휠에 의해 회동되는 제1스티어링 샤프트, 제1스티어링 샤프트에 소정 간격 이격하여 설치되고 제자리 회동 가능한 제2스티어링 샤프트, 제1스티어링 샤프트와 제2스티어링 샤프트 사이에 설치되고 필요에 따라 제1스티어링 샤프트와 제2스티어링 샤프트를 연결하기 위한 클러치, 스티어링 휠의 회전각도를 감지하기 위한 스티어링 휠 앵글 센서 및 스티어링 휠 앵글센서에서 인가되는 신호에 따라 제2스티어링 샤프트의 회동각도를 조정하는 전륜조타 제어수단을 포함하는 구성으로 이루어진 능동 전륜 조향장치에 관한 발명.

Description

능동 전륜 조향장치
본 발명은 자동차의 전륜 조향장치에 관한 것으로, 특히 자동차의 전륜을 원하는 방향으로 조향하고, 운전자의 수동 조작력에 의한 토오크(torque)를 차륜을 조향시키는데 충분한 수준의 조향토크로 증강시키는 전륜 조향장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동차에는 운전자가 자동차의 주행방향을 조정할 수 있도록 해주기 위한 조향장치가 설치되어 있다. 조향장치는 운전자의 조작력을 필요한 기구들로 전달하기 위한 조작기구, 스티어링 샤프트(steering shaft)의 회전을 감속하므로써 조작력을 증대시킴과 동시에 조작기구의 운동방향을 바꾸어 링크 기구에 전달하는 기어기구, 기어기구의 움직임을 앞바퀴에 전달함과 동시에 좌우 바퀴의 관계위치를 올바르게 유지하는 링크기구 등으로 구성되어 있다.
제1도는 일반적인 조향장치의 구성을 설명하기 위한 사시도이다. 제1도에는 스티어링 휠(steering wheel, 10)이 도시되어 있다. 이 스티어링 휠(10)은 운전자가 조작하는 부분으로 핸들이라 부르기도 한다. 이 스티어링 휠(10)에는 칼럼(column, 12)이 결합되어 있다. 스티어링 샤프트는 이 칼럼(12) 내부에 설치되어 있다.
칼럼(12)의 하단에는 기어 박스(14)가 설치되어 있다. 기어 박스(14)에는 내부의 기어에 의해 회전되는 센터 축(16)이 설치되어 있으며, 센터 축(16)은 피트먼 암(18), 드래그 링크(20), 조향 너클(22), 타이로드(24)등을 통해 전륜(26)과 연결되어 있다.
즉, 운전자가 스티어링 휠(10)을 소정 방향으로 회동시키면 스티어링 샤프트도 같은 방향으로 회전된다. 그러면 기어 박스(14) 내부의 기어에 의해 센터 축(16)이 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되고 그에 따라 피트먼 암(18)이 회동되면서 드래그 링크(20)를 당겨주거나 밀어준다. 이 동력은 조향 너클(22)과 타이로드(24)를 통해 전륜(26)으로 전달되고 전륜(26)은 운전자가 원하는 방향으로 방향을 전환하게 된다.
제1도에 나타낸 바와 같은 종래의 조향장치에서 전륜(26)의 조향각은 스티어링 휠(10)의 회전 각도에 의해 결정되므로, 자동차의 조향은 전적으로 운전자의 조작에만 의존하게 된다. 이에 따라 종래의 조향장치가 설치되어 있는 자동차에서는 자동차의 측면에서 불어오는 횡풍이나 미끄러운 노면 등에 의한 외란에 대해 능동적으로 대처하지 못한다는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 횡풍, 미끄럼 노면 등의 외란에 대해 능동적으로 대처하므로써 주행안전성을 향상시킬 수 있도록 해주는 능동 전륜 조향장치를 제공하는데 있다.
제1도는 일반적인 조향장치의 구성을 설명하기 위한 사시도.
제2도는 본 발명에 따른 능동 전륜 조향장치의 구성을 설명하기 위한 설명도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 스티어링 휠 110 : 제1스티어링 샤프트
120 : 스티어링 휠 앵글센서 131 : 토오크 센서
132 : 제1기어 133 : 제1모터
134 : 제1증폭기 135 : 제1제어기
136, 166 : 감산기 137 : 토오크 레퍼런스기
140 : 제2스티어링 샤프트 150 : 일렉트로 마그네틱 클러치
161 : 프론트 휠 앵글센서 162 : 제2기어
163 : 제2모터 164 : 제2증폭기
165 : 제2제어기 166 : 프론트 휠 앵글 레퍼런스기
본 발명의 목적은 스티어링 휠에 연결되어 스티어링 휠에 의해 회동되는 제1스티어링 샤프트, 제1스티어링 샤프트에 소정 간격 이격하여 설치되고 제자리 회동 가능한 제2스티어링 샤프트, 제1스티어링 샤프트와 제2스티어링 샤프트 사이에 설치되고 필요에 따라 제1스티어링 샤프트와 제2스티어링 샤프트를 연결하기 위한 클러치, 스티어링 휠의 회전각도를 감지하기 위한 스티어링 휠 앵글센서 및 스티어링 휠 앵글센서에서 인가되는 신호에 따라 제2스티어링 샤프트의 회동각도를 조정하는 전륜조타 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 전륜 조향장치에 의해 달성 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 능동 전륜 조향장치의 구성을 설명하기 위한 설명도이다. 제2도에는 스티어링 휠(10)이 도시되어 있다. 이 스티어링 휠(10)은 운전자가 조작하는 부분이다. 이 스티어링 휠(10)에는 제1스티어링 샤프트(110)가 결합되어 있다. 이 제1스티어링 샤프트(110)는 스티어링 휠(10)에 고정되어 있어 스티어링 휠(10)이 회전하면 같은 방향으로 회전하는 부분이다.
도시된 바와 같이 제1스티어링 샤프트(110)의 상단 부근 외주면에는 스티어링 휠 앵글센서(steering wheel angle sensor, 120)가 설치되어 있다. 이 스티어링 휠 앵글센서(120)는 운전자에 의해 조작되는 스티어링 휠(10)의 회전각도를 감지하기 위한 것이다.
제1스티어링 샤프트(110)의 외주면에는 토오크 센서(torque sensor, 131)와 제1기어(132)가 각각 설치되어 있다. 토오크 센서(131)는 제1스티어링 샤프트(110)에 작용하는 토오크를 감지하기 위한 것이고, 제1기어(132)는 필요한 토오크를 전달받기 위한 것이다. 제1기어(132)에는 소정의 기어들을 통해 제1모터(133)가 연결되어 있고, 제1모터(133)에는 제1증폭기(134)와 제1제어기(135)가 차례대로 연결되어 있다. 제1제어기(135)에는 감산기(136)를 통해 토오크 레퍼런스기(torque reference apparatus, 137)가 연결되어 있다. 여기서 토오크 레퍼런스기(137), 감산기(136), 제1제어기(135), 제1증폭기(134), 제1모터(133), 토오크 센서(131) 및 제1기어(132)는 제1스티어링 샤프트(110)에 필요한 크기의 토오크를 주기 위한 것으로 일종의 토오크 발생수단이다. 이 토오크 발생수단은 기존의 조향장치에서와 동일한 감각으로 스티어링 휠(10)을 조작할 수 있도록 하기 위한 것이다.
제1스티어링 샤프트(110)에 소정 간격 이격하여 제2스티어링 샤프트(140)가 도시되어 있다. 이 제2스티어링 샤프트(140)는 제자리 회동 가능케 설치되어 있으며 자동차의 전륜으로 소정의 조타력을 전달할 수 있도록 하기 위한 것이다.
제1스티어링 샤프트(110)와 제2스티어링 샤프트(140) 사이에 일렉트로 마그네틱 클러치(150)가 설치되어 있다. 이 일렉트로 마그네틱 클러치(150)는 필요에 따라 제1스티어링 샤프트(110)와 제2스티어링 샤프트(140)를 서로 연결하기 위한 것이다.
제2스티어링 샤프트(140)에는 전륜조타 제어수단이 연결되어 있다. 전륜조타 제어수단은 스티어렁 휠 앵글센서(120)에서 인가되는 신호와 기타 자동차의 속도신호, 요우레이트(yaw rate)신호 등에 따라 제2스티어링 샤프트(140)의 회동각도를 능동적으로 조정하기 위한 것으로, 제2스티어링 샤프트(140) 외주면에 설치되어 전륜의 조타각도를 감지하기 위한 프론트 휠 앵글센서(front wheel angle sensor, 161), 제2스티어링 샤프트(140) 외주면에 설치된 제2기어(162), 소정의 기어들을 통해 제2기어(162)를 구동하기 위한 제2모터(163) 및 스티어링 휠 앵글센서(120)와 프론트 휠 앵글센서(161)에서 인가되는 신호를 참조하여 제2증폭기(164)를 거쳐 제2모터(163)의 구동을 제어하는 제2제어기(165), 감산기(166)를 통해 제2제어기(165)에 연결된 프론트 휠 앵글 레퍼런스기(167)를 구비하여 구성되어 있다.
제2도에 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 전륜 조향장치가 설치된 자동차에서 운전자가 스티어링 휠(10)을 회전시키면 제1스티어링 샤프트(110)도 소정각도 회동된다. 물론, 이 상태에서 제1스티어링 샤프트(110)의 회전동력은 일렉트로 마그네틱 클러치(150)에서 차단되어 제2스티어링 샤프트(140)로는 전달되지 않는다.
제1스티어링 샤프트(110)가 회전되면 스티어링 휠 앵글센서(120)는 스티어링 휠(10)의 회동각도를 감지하여 토오크 레퍼런스기(137)로 인가한다. 물론, 별도의 장치를 통해 측정된 자동차의 속도정보와 요오레이트정도 등도 함께 토오크 레퍼런 스기(137)로 인가하는 것이 좋다. 토오크 레퍼런스기(137)는 인가되는 각 신호에 대응하여 제1스티어링 샤프트(110)에 가할 토오크의 크기 즉, 목표 토오크를 경험치로 저장해두었다가 소정의 신호가 인가되면 그에 대응하는 신호를 발생하여 감산기(136)로 인가한다. 또한, 토오크 센서(131)는 제1스티어링 샤프트(110)에 걸리는 토오크를 측정하여 감산기(136)로 인가한다. 감산기(136)는 인가되는 두 신호를 비교하여 그 차이를 제1제어기(135)로 인가한다. 이 차이값에 따라 제1제어기(135)는 제1증폭기(134)를 거쳐 제1모터(133)의 동작을 제어한다. 즉, 운전자가 느끼는 토오크가 부족한 것으로 판단되면 제1제어기(135)는 그 부족분만큼의 토오크가 발생되도록 제1모터(133)를 구동하고, 토오크가 너무 크다고 판단되면 제1스티어링 샤프트(110)의 토오크가 감소하는 방향으로 구동되도록 제1모터(133)의 동작을 제어한다. 이와 같이 하면 운전자는 기존의 조향장치에서와 동일한 감각으로 스티어링 휠(10)을 조작하여 운전할 수 있다.
한편, 스티어링 휠 앵글센서(120)는 스티어링 휠(10)의 회동각도를 감지하여 프론트 휠 앵글 레퍼런스기(166)로 인가한다. 물론, 별도의 장치에서 측정된 자동차의 속도정보와 요우레이트정보 등도 함께 프론트 휠 앵글 레퍼런스기(166)로 인가되게 하는 것이 좋다. 프론트 휠 앵글 레퍼런스기(166)는 인가되는 각 신호에 대응하여 제2스티어링 샤프트(140)를 회전시킬 이상적인 참조신호, 즉 목표 조타각을 경험치로 저장해두었다가 소정의 신호가 인가되면 그에 대응되는 신호를 발생하여 감산기(166)로 인가한다.
또한, 프론트 휠 앵글센서(161)는 전륜의 조타각을 감지하여 감산기(166)로 피드백한다. 그러면 감산기(166)는 두 신호의 차이값을 제2제어기(165)로 인가한다. 제2제어기(165)는 감산기(166)를 거쳐 인가되는 신호에 따라 제2증폭기(164)를 통해 제2모터(163)의 동작을 제어한다. 즉, 전륜 조타각이 목표 조타각에 미치지 못하면 제2제어기(165)는 제2모터(163)를 구동하여 제2스티어링 샤프트(140)를 더 회전시키고, 전륜 조타각이 목표 조타각 보다 많이 조타되었으면 제2제어기(165)는 제2모터(163)를 구동하여 제2스티어링 샤프트(140)를 역회전시킨다. 즉, 자동차의 전륜이 횡풍, 미끄럼 노면 등에 의한 외란을 받더라도 제2제어기(165)는 즉시 이를 보정해주는 방향으로 제2모터(163)를 제어하므로써 자동차의 안전성을 확보한다. 이러한 능동 전륜 조향장치에서 에러가 발생하는 경우 일렉트로 마그네틱 클럭치(150)가 작동하여 제1스티어링 샤프트(110)와 제2스티어링 샤프트(140)를 연결하므로써 수동조타가 가능하도록 한다.
이상의 설명에서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 능동 전륜 조향장치가 설치되어 있는 자동차에서는 외란에 적응적으로 대처하므로써 자동차의 주행안전성을 더욱 향상시켜준다.

Claims (5)

  1. 스티어링 휠에 연결되어 상기 스티어링 휠에 의해 회동되는 제1스티어링 샤프트; 상기 제1스티어링 샤프트에 소정 간격 이격하여 설치되고 제자리 회동 가능한 제2스티어링 샤프트; 상기 제1스티어링 샤프트와 제2스티어링 샤프트 사이에 설치되고 필요에 따라 상기 제1스티어링 샤프트와 제2스티어링 샤프트를 연결하기 위한 클러치; 상기 스티어링 휠의 회전각도를 감지하기 위한 스티어링 휠 앵글센서; 및 상기 스티어링 휠 앵글센서에서 인가되는 신호에 따라 상기 제2스티어링 샤프트 회동각도를 조정하는 전륜조타 제어수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 능동 전륜 조향장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1스티어링 샤프트에는 상기 제1스티어링 샤프트에 소정의 토오크를 주기 위한 토오크 발생수단이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 능동 전륜 조향장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 토오크 발생수단은 상기 제1스티어링 샤프트의 외주면에 설치된 토오크 센서와 제1기어, 상기 제1기어를 회전시키기 위한 제1모터, 상기 스티어링 휠 앵글센서와 토오크 센서에서 인가되는 신호를 참조하여 상기 제1모터의 동작을 제어하는 제1제어기를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 능동 전륜 조향장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전륜조타 제어수단은 상기 제2스티어링 샤프트 외주면에 설치되어 전륜의 조타각도를 감지하기 위한 프론트 휠 앵글센서, 상기 제2스티어링 샤프트 외주면에 설치된 제2기어, 상기 제2기어를 구동하기 위한 제2모터 및 상기 스티어링 휠 앵글센서와 프론트 휠 앵글센서에서 인가되는 신호를 참조하여 상기 제2모터의 동력을 제어하는 제2제어기를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 능동 전륜 조향장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 클러치는 일렉트로 마그네틱 클러치인 것을 특징으로 하는 능동 전륜 조향장치.
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