KR100507137B1 - 자동차용 스티어링시스템의 모델링방법 - Google Patents

자동차용 스티어링시스템의 모델링방법 Download PDF

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KR100507137B1 KR10-2001-0083971A KR20010083971A KR100507137B1 KR 100507137 B1 KR100507137 B1 KR 100507137B1 KR 20010083971 A KR20010083971 A KR 20010083971A KR 100507137 B1 KR100507137 B1 KR 100507137B1
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Abstract

본 발명은 자동차용 스티어링시스템의 모델링방법에 관한 것으로, 조향칼럼(3)을 구성하는 상단튜브(31)와 하단튜브(32)의 결합관계를 해석하는 단계와, 상기 상단튜브(31)와 상단브라켓트(4)의 결합관계 및 상기 하단튜브(32)와 하단브라켓트(6)의 결합계를 해석하는 단계와, 조향축(2)과 조향칼럼(3)사이에 설치되는 베어링(7)의 거동묘사를 원통형 좌표를 이용하여 해석하는 단계로 세분화됨으로써, 모델링의 해석결과에 대해 신뢰성이 향상되게 되고 이러한 해석값을 이용해 스티어링시스템을 실차에 적용하였을 경우 충격흡수력 및 아이들(idle)진동 흡수력등이 크게 향상되어 스티어링시스템의 성능이 향상될 뿐만 아니라, 전체적인 스티어링시스템의 조작성능도 크게 향상되어 안전운행에도 도움을 줄 수 있도록 된 것이다.

Description

자동차용 스티어링시스템의 모델링방법{modeling method of steering system for vehicle}
본 발명은 자동차용 스티어링시스템의 모델링방법에 관한 것으로, 특히 실차에 적용되는 스티어링시스템과 동일한 거동을 추구하는 모델링을 구축하여 모델링 해석결과에 대해 신뢰성을 확보할 수 있도록 된 자동차용 스티어링시스템의 모델링방법에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차에 구비된 스티어링시스템은 주행중인 차량의 진행방향을 운전자의 의지대로 전환시키도록 하는 것인 바, 이를 위해 상기 스티어링시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 운전자가 직접 조향조작을 하여 그 조작력을 각 기구로 전달하기 위한 조향핸들(1)과 조향축(2) 및 조향칼럼(3) 등으로 이루어진 조작기구와, 상기 조향축(2)의 회전을 감속함으로써 조작력을 증대시킴과 동시에 조작기구의 운동방향을 바꾸어 링크기구에 전달하는 기어기구 및, 이 기어기구의 움직임을 앞바퀴에 전달함과 동시에 좌우 바퀴의 관계위치를 올바르게 유지하기 위해 조향기어박스 및 타이로드와 너클암 등으로 구성된 링크기구를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 조향칼럼(3)은 조향축(2)을 감싸고 있는 통상의 튜브로서 충격에 대해 축방향으로 오므라들면서 충격력을 흡수하도록 된 것으로써, 보통 상기 조향축(2)의 상측 외주면을 감싸는 상단튜브(31)와, 일단이 상기 상단튜브(31)의 안쪽으로 삽입되어 상기 상단튜브(31)와 결합되면서 조향축(2)의 하측 외주면을 감싸도록 된 하단튜브(32)로 구성되게 된다.
그리고, 상기 상단튜브(31)에는 소정형상의 상단브라켓트(4)가 결합되어 있고, 이 상단브라켓트(4)에는 조향핸들(도시않됨)의 각도를 조절할 수 있는 틸트레버(5)가 결합되어 있으며, 상기 하단튜브(32)에는 소정형상의 하단브라켓트(6)가 결합되게 된다.
한편, 상기 상단브라켓트(4)와 하단브라켓트(6)는 카울크로스멤버(도시않됨)에 설치된 마운팅플레이트와 볼트에 의해 나사결합됨으로써 설치되는 구조로 되어 있다.
이와 같이 구성되는 스티어링시스템은 차종에 따라 가장 적합한 기능을 수행할 수 있도록 모델링기법을 통한 개발단계를 거쳐 실차에 적용되는데, 종래의 모델링방법은 도 2에 도시된 바와 같이 조향축(2)과 상단튜브(31) 및 하단튜브(32)를 일체로 단순화시킨 기준체(10)로 설정하여 스티어링시스템의 모델링을 해석하도록 되어 있었다.
그러나, 상기와 같이 조향축(2)과 상단튜브(31) 및 하단튜브(32)를 일체로 단순화시킨 기준체(10)를 이용하여 스티어링시스템의 모델링을 해석하게 되면, 모델링을 해석하는 컴퓨터(CPU)의 계산시간을 대폭적으로 단축시킬 수는 장점은 있으나, 상기 상하단튜브(31,32)의 연결구조와 상기 조향칼럼(3)과 상하단브라켓트(4,6)의 연결구조 및 상기 조향축(2)과 조향칼럼(3)사이에 설치되는 베어링(7)의 거동묘사가 실차에 적용되는 스티어링시스템과 크게 틀려 모델링의 해석결과에 대해 신뢰성이 나빠지게 되는 문제점이 있었다.
즉, 실차에 적용되는 상기 상단튜브(31)와 하단튜브(32)의 연결구조는 원주방향을 따라 다수개의 지지점을 가지면서 서로 결합되는 구조로 되어 있는데, 종래의 모델링 해석방법에 따라 상기 상단튜브(31)와 하단튜브(32)를 도 3에 도시된 바와 같이 한점(A) 결합방식으로 해석하게 되면, 실차에 적용되는 구조보다 강성이 크게 증가되게 되고 이로 인해 상기 상하단튜브(31,32)의 충격흡수력 및 아이들(idle)진동 흡수력등이 크게 감소되게 되는 문제점이 있었다.
또한, 실차에 적용되는 상기 조향칼럼(3)과 상하단브라켓트(4,6)의 연결구조는 상기 조향칼럼(3)이 상하단브라켓트(4,6)를 통과하면서 외주면의 몇점에 대해서만 지지되는 구조로 되어 있으나, 도 4에 도시된 바와 같이 기준체(10)를 이용하는 종래의 모델링 해석방법에 따라 상기 상하단브라켓트(4,6)와의 연결구조를 해석하게 되면 상기 기준체(10)와 상하단브라켓트(4,6)와의 연결이 실차에 적용되는 연결구조보다 너무 과도하게 연결되는 구조를 가지게 되고, 이로 인해 상기 조향칼럼(3)의 충격흡수력 및 아이들(idle)진동 흡수력등이 크게 감소된다는 문제점도 있었다.
또한, 기준체(10)를 이용하는 종래의 모델링 해석방법에 따라 상기 조향축(2)과 조향칼럼(3)사이에 설치되는 베어링(7)의 거동을 도 5에 도시된 바와 같이 장방형 좌표(rectangular coordinate)로 묘사하게 되면, 상기 베어링(7)의 축방향 스프링값(KX1)과 원주방향 스프링값(KY1,KZ1)이 모두 동일한 값으로 해석되게 됨으로써, 실차에 적용되는 베어링(7)의 거동과 현실적으로 다르게 해석됨은 물론, 이와 같은 해석값을 이용해 상기 조향축(2)을 실차에 적용하게 되면 스티어링시스템의 조작성능이 크게 감소되게 되는 문제점이 있었다.
여기서, 상기 베어링(7)의 축방향 스프링값(KX1)과 원주방향 스프링값(KY1,KZ1)은 차종에 따라 다른 값을 가지지만, 승용차일 경우 보통 S㎏f/㎜의 동일한 값으로 해석되게 된다.(상기 S는 베어링의 스프링값을 나타내는 상수이다.)
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 스티어링시스템을 구성하는 상하단튜브의 연결구조와 조향칼럼과 상하단브라켓트의 연결구조 및 조향축과 조향칼럼사이에 설치되는 베어링의 거동묘사를 실차에 적용되는 스티어링시스템과 동일하게 모델링하여 해석함으로써, 모델링의 해석결과에 대해 신뢰성을 향상시키고 아울러 실차에 적용되는 스티어링시스템의 성능을 향상시킬 수 있도록 된 자동차용 스티어링시스템의 모델링방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 모델링방법이, 조향칼럼을 구성하는 상단튜브와 하단튜브의 결합관계를 해석하는 단계와, 상기 상단튜브와 상단브라켓트의 결합관계 및 상기 하단튜브와 하단브라켓트의 결합계를 해석하는 단계와, 상기 조향축과 조향칼럼사이에 설치되는 베어링의 거동묘사를 원통형 좌표를 이용하여 해석하는 단계로 세분화되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 6 내지 도 11은 본 발명에 따른 모델링방법을 설명하기 위한 해석도로서, 종래구조와 동일한 부위에는 동일한 참조부호를 붙이면서 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 스티어링시스템의 모델링방법은, 스티어링시스템을 구성하는 상하단튜브의 연결구조와 조향칼럼과 상하단브라켓트의 연결구조 및 조향축과 조향칼럼사이에 설치되는 베어링의 거동묘사를 실차에 적용되는 스티어링시스템과 동일하게 모델링하여 해석하는 방법을 이용하도록 되어 있다.
즉, 상기 스티어링시스템은 도 1을 참조로 전술한 바와 같이, 운전자가 직접 조향조작을 하여 그 조작력을 각 기구로 전달하기 위한 조향핸들(1)과 조향축(2) 및 조향칼럼(3) 등으로 이루어진 조작기구와, 상기 조향축(2)의 회전을 감속함으로써 조작력을 증대시킴과 동시에 조작기구의 운동방향을 바꾸어 링크기구에 전달하는 기어기구 및, 이 기어기구의 움직임을 앞바퀴에 전달함과 동시에 좌우 바퀴의 관계위치를 올바르게 유지하기 위해 조향기어박스 및 타이로드와 너클암 등으로 구성된 링크기구를 포함하여 구성되는 구조로 되어 있다.
여기서, 상기 조향칼럼(3)은 조향축(2)을 감싸고 있는 통상의 튜브로서 충격에 대해 축방향으로 오므라들면서 충격력을 흡수하도록 된 것으로써, 보통 상기 조향축(2)의 상측 외주면을 감싸는 상단튜브(31)와, 일단이 상기 상단튜브(31)의 안쪽으로 삽입되어 상기 상단튜브(31)와 결합되면서 조향축(2)의 하측 외주면을 감싸도록 된 하단튜브(32)로 구성되게 된다.
그리고, 상기 상단튜브(31)에는 소정형상의 상단브라켓트(4)가 결합되어 있고, 이 상단브라켓트(4)에는 조향핸들(도시않됨)의 각도를 조절할 수 있는 틸트레버(5)가 결합되어 있으며, 상기 하단튜브(32)에는 소정형상의 하단브라켓트(6)가 결합되게 된다.
한편, 상기 상단브라켓트(4)와 하단브라켓트(6)는 카울크로스멤버(도시않됨)에 설치된 마운팅플레이트와 볼트에 의해 나사결합됨으로써 설치되는 구조로 되어 있다.
이와 같이 구성되는 스티어링시스템은 차종에 따라 가장 적합한 기능을 수행할 수 있도록 모델링기법을 통한 개발단계를 거쳐 실차에 적용되는데, 본 발명에 따른 모델링방법은 도 6 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 조향칼럼(3)을 구성하는 상단튜브(31)와 하단튜브(32)의 결합관계를 해석하는 단계와, 상기 상단튜브(31)와 상단브라켓트(4)의 결합관계 및 상기 하단튜브(32)와 하단브라켓트(6)의 결합계를 해석하는 단계와, 상기 조향축(2)과 조향칼럼(3)사이에 설치되는 베어링(7)의 거동묘사를 원통형 좌표를 이용하여 해석하는 단계로 세분화되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 상단튜브(31)와 하단튜브(32)의 결합은 도 6과 도 7에 도시된 바와 같이 상기 상단튜브(31)와 하단튜브(32)의 일단이 서로 중첩을 이루는 원주방향을 따라 다수부위에서 점결합(B)을 이루도록 설정되는데, 상기 상단튜브(31)와 하단튜브(32)의 결합이 원주방향으로 90도(°)의 각도를 이루는 부위마다 각각 한쌍의 점결합(B)을 이루도록 설정되게 된다.
그리고, 상기 상단튜브(31)와 상단브라켓트(4)와의 결합은 도 8에 도시된 바와 같이 서로 면접촉을 이루는 상기 상단튜브(31)의 외주면을 따라 다수개의 점결합(C)으로 이루어지도록 설정되고, 상기 하단튜브(32)와 하단브라켓트(6)와의 결합은 도 9에 도시된 바와 같이 서로 면접촉을 이루는 상기 하단튜브(32)의 외주면을 따라 다수개의 점결합(D)으로 이루어지게 설정된다.
또한, 상기 조향축(2)과 조향칼럼(3)사이에 설치되는 베어링(7)의 스프링값을 원통형 좌표(cylindrical coordinate)를 이용하여 도 10과 도 11에 도시된 바와 같이 해석하게 되면 상기 베어링(7)의 축방향 스프링값(KZ)과 상기 베어링(7)의 원주방향 스프링값(KR)은 서로 다른 값을 가지도록 설정되며, 상기 베어링(7)의 원주방향 스프링값(KR)은 모델링시 설정된 스프링의 개수만큼 상기 조향축(2)의 중심에서 조향칼럼(3)의 원주방향으로 고르게 분포되도록 설정되게 된다.
여기서, 상기 베어링(7)의 축방향 스프링값(KZ)은 S/8㎏f/㎜의 값으로 해석되고, 상기 베어링(7)의 원주방향 스프링값(KR)은 S/4㎏f/㎜의 값으로 해석되게 된다.(상기 S는 베어링의 스프링값을 나타내는 상수이다.)
한편, 상기 베어링(7)의 원주방향 스프링값(KR)은 아래와 같은 (수학식1)에 의해 결정되게 된다.
(수학식1)
여기서, 상기 fRi과 fYi는 원통형 좌표에서 조향축(2)이 외력에 의해 조향칼럼(3)의 원주방향으로 일정변위(δ)로 이동되었을 때(X1 →X1') 베어링(7)의 원주방향으로 가해지는 힘이고, 상기 KR은 원주방향의 강성값이며, 상기 N은 조향축(2)의 중심에서 조향칼럼(3)의 원주방향으로 모델링시 설정된 스프링의 개수이다.
즉, 상기 베어링(7)의 원주방향 스프링값(KR)은 조향칼럼(3)의 원주방향으로 가해지는 외력에 대한 수평방향 분력(KY1)에 대해서는 비례하고 이 분력(KY1)과 원주방향사이에서 이루는 각(θi')에 대해서는 반비례하는 값으로 정의된다.
그리고, 상기 베어링(7)의 축방향 스프링값(KZ)은 아래와 같은 (수학식2)에 의해 결정되게 된다.
(수학식2)
여기서, 상기 N은 조향축(2)의 중심에서 조향칼럼(3)의 원주방향으로 모델링시 설정된 스프링의 개수이다.
즉, 상기 베어링(7)의 축방향 스프링값(KZ)은 조향칼럼(3)의 중심(X1)을 향해 가해지는 외력의 분력(KX1)에 대해서는 비례하고 상기 조향칼럼(3)의 중심축을 따라 설치되는 스프링의 개수(N)에 대해서는 반비례하는 값으로 정의된다.
이와 같이, 스티어링시스템의 모델링시 상기 상하단튜브(31,32)의 연결구조와 상기 조향칼럼(3)과 상하단브라켓트(4)의 연결구조 및 상기 조향축(2)과 조향칼럼(3)사이에 설치되는 베어링(7)의 거동묘사를 각각 세분화하여 해석하게 되며, 실차에 적용되는 스티어링시스템의 작동상태와 거의 동일한 해석결과를 구할 수 있게 됨으로써, 모델링의 해석결과에 대해 신뢰성이 향상되게 되고 이로 인해 실차에 적용되는 스티어링시스템의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
즉, 본 발명의 모델링방법에 따라 상기 상단튜브(31)와 하단튜브(32)의 결합을 서로 중첩을 이루는 원주방향을 따라 다수부위에서 점결합(B)을 이루도록 설정하게 되면, 상기 상단튜브(31)와 하단튜브(32)의 결합이 실차와 거의 동일한 강성을 가지도록 해석되게 되며 이로 인해 실차에 적용된 상기 상하단튜브(31,32)의 충격흡수력 및 아이들(idle)진동 흡수력등이 크게 향상되어 스티어링시스템의 성능을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
또한, 본 발명의 모델링방법에 따라 상기 상단튜브(31)와 상단브라켓트(4)와의 결합 및 상기 하단튜브(32)와 하단브라켓트(6)와의 결합이 서로 면접촉을 이루는 부위위서 다수개의 점결합(C,D)으로 이루어지도록 설정되게 되면, 상기 상단튜브(31)와 상단브라켓트(4)와의 결합 및 상기 하단튜브(32)와 하단브라켓트(6)와의 결합이 실차와 거의 동일한 강성을 가지도록 해석되게 되며 이로 인해 실차에 적용되었을 경우 충격흡수력 및 아이들(idle)진동 흡수력등이 크게 향상되어 전체적인 스티어링시스템의 성능을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
또한, 본 발명의 모델링방법에 따라 상기 조향축(2)과 조향칼럼(3)사이에 설치되는 베어링(7)의 스프링값을 원통형 좌표(cylindrical coordinate)를 이용하여 해석하게 되면, 상기 베어링(7)의 축방향 스프링값(KZ)과 상기 베어링(7)의 원주방향 스프링값(KR)이 서로 다른 값을 가지도록 설정되면서, 상기 베어링(7)의 원주방향 스프링값(KR)이 모델링시 설정된 스프링의 개수만큼 상기 조향축(2)의 중심에서 조향칼럼(3)의 원주방향으로 고르게 분포되도록 설정되게 됨으로써, 실차에 적용되는 베어링(7)의 거동과 거의 동일한 해석값을 구할 수 있게 되고 이와 같은 해석값을 이용해 실차에 적용하게 되면 전체적인 스티어링시스템의 조작성능이 크게 향상되어 안전운행에도 도움을 줄 수 있게 되는 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 스티어링시스템의 모델링시 상하단튜브의 연결구조와 상기 조향칼럼과 상하단브라켓트의 연결구조 및 상기 조향축과 조향칼럼사이에 설치되는 베어링의 거동묘사가 각각 세분화하여 해석되게 됨으로써, 모델링의 해석결과에 대해 신뢰성이 향상되게 되고 이러한 해석값을 이용해 스티어링시스템을 실차에 적용하였을 경우 충격흡수력 및 아이들(idle)진동 흡수력등이 크게 향상되어 스티어링시스템의 성능이 향상될 뿐만 아니라, 전체적인 스티어링시스템의 조작성능도 크게 향상되어 안전운행에도 도움을 줄 수 있는 효과가 있게 된다.
도 1은 일반적으로 사용되는 스티어링시스템을 설명하기 위한 사시도,
도 2 내지 도 5는 종래의 모델링방법을 설명하기 위한 해석도,
도 6 내지 도 11은 본 발명에 따른 모델링방법을 설명하기 위한 해석도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1 - 조향핸들 2 - 조향축
3 - 조향칼럼 4 - 상단브라켓트
6 - 하단브라켓트 31 - 상단튜브
32 - 하단튜브

Claims (7)

  1. 조향칼럼(3)을 구성하는 상단튜브(31)와 하단튜브(32)의 결합관계를 해석하는 단계와,
    상기 상단튜브(31)와 상단브라켓트(4)의 결합관계 및 상기 하단튜브(32)와 하단브라켓트(6)의 결합관계를 해석하는 단계와,
    조향축(2)과 조향칼럼(3)사이에 설치되는 베어링(7)의 거동묘사를 원통형 좌표를 이용하여 해석하는 단계로 이루어지는데;
    상기 상단튜브(31)와 하단튜브(32)의 결합관계는, 상기 상단튜브(31)와 하단튜브(32)의 결합이 서로 중첩을 이루는 원주방향을 따라 다수부위에서 점결합(B)을 이루도록 설정되는 단계이고;
    상기 상단튜브(31)와 상단브라켓트(4)의 결합관계는, 상기 상단튜브(31)와 상단브라켓트(4)와의 결합이 상단튜브(31)의 외주면을 따라 다수개의 점결합(C)을 이루도록 설정되는 단계이며;
    상기 하단튜브(32)와 하단브라켓트(6)의 결합관계는, 상기 하단튜브(32)와 하단브라켓트(6)와의 결합이 하단튜브(32)의 외주면을 따라 다수개의 점결합(D)으로 이루어지게 설정되는 단계이고;
    상기 베어링(7)의 거동묘사를 원통형 좌표를 이용하여 해석하는 단계는, 상기 베어링(7)의 스프링값이 원통형 좌표의 축방향 스프링값(KZ)과 원주방향 스프링값(KR)이 서로 다른 값을 가지도록 설정되면서, 상기 베어링(7)의 원주방향 스프링값(KR)이 모델링시 설정된 스프링의 개수만큼 상기 조향축(2)의 중심에서 조향칼럼(3)의 원주방향으로 고르게 분포되도록 설정되는 단계;
    인 것을 특징으로 하는 자동차용 스티어링시스템의 모델링방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 상단튜브(31)와 하단튜브(32)의 결합이 원주방향으로 90도(°)의 각도를 이루는 부위마다 각각 한쌍의 점결합(B)을 이루도록 설정되는 것을 특징으로 하는 자동차용 스티어링시스템의 모델링방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서, 상기 베어링(7)의 원주방향 스프링값(KR)은 조향칼럼(3)의 원주방향으로 가해지는 외력에 대한 수평방향 분력(KY1)에 비례하면서 이 분력(KY1)과 원주방향사이에서 이루는 각(θi')에 반비례하는 것을 특징으로 하는 자동차용 스티어링시스템의 모델링방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 베어링(7)의 축방향 스프링값(KZ)은 조향칼럼(3)의 중심(X1)을 향해 가해지는 외력의 분력(KX1)에 비례하면서 상기 조향칼럼(3)의 중심축을 따라 설치되는 스프링의 개수(N)에 반비례하는 것을 특징으로 하는 자동차용 스티어링시스템의 모델링방법.
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