KR100588585B1

KR100588585B1 - 차량의 능동형 차동 제어장치

Info

Publication number: KR100588585B1
Application number: KR1020040062851A
Authority: KR
Inventors: 길기빈; 오상현
Original assignee: 한국타이어 주식회사
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2006-06-14
Also published as: KR20060014237A

Abstract

본 발명은 차량의 차동기어를 제어하는 장치에 관한 것으로, 특히 차량의 직진 주행시 토크 스티어링(Torque steering) 현상을 감소시키어 차량의 직진 주행 안정성을 향상시킨 차량의 능동형 차동 제어장치에 관한 것이다.

본 발명은 피니언(1a)을 매개로 양쪽으로 좌우측 바퀴(2a,2b)를 구동시키는 바퀴 구동축(3a,3b)들이 연결되는 차동기어(4)를 제어하는 장치에 있어서, 상기 앞쪽 구동 양쪽 좌우측 바퀴(2a,2b)에 부착된 토크 센서(5) 들과, 조향핸들(6)의 조향각을 측정하는 조향각 센서(7) 및, 차량(100)의 가속도를 측정하는 가속도 센서(8) 들이 제어기(9)에 연결되어 있으며, 이 제어기(9)는 차동기어(4) 내의 피니언(1a)의 회동을 제어하는 각각의 액츄에이터(10a,10b)를 작동시키어 차량의 직진 주행중에 구동 토크를 동일하게 제어하도록 이루어져 있다.

Description

차량의 능동형 차동 제어장치{Differencial control apparatus for activity of vehicle}

도 1은 본 발명이 차량에 적용된 개략 구성도,

도 2는 본 발명이 적용된 차동 기어의 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 차량의 능동형 차동 제어장치의 작동 흐름도,

도 4는 종래 일반적인 차동기어의 단면도,

도 5는 일반적인 구동토크를 설명하기 위한 차동기어의 개략 단면도이다.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

1a : 피니언, 1b : 사이드 기어,
2a,2b : 바퀴,

3a,3b : 바퀴 구동축, 4 : 차동기어,

5 : 토크센서, 6 : 조향핸들,

7 : 조향각 센서, 8 : 가속도 센서,

9 : 제어기, 10a,10b :액츄에이터.

본 발명은 차량의 차동기어를 제어하는 장치에 관한 것으로, 특히 차량의 직 진 주행시 토크 스티어링(Torque steering) 현상을 감소시키어 차량의 직진 주행 안정성을 향상시킨 차량의 능동형 차동 제어장치에 관한 것이다.

공지된 바와 같이 차량의 차동기어는 좌우 구동축의 구동토크가 같아지도록 좌우륜의 회전속도를 다르게 유지시키는 역할을 수행하는 장치로서, 도 4에 도시된 바와 같이 엔진 구동축(101)은 피니언(103a)과 사이드 기어(103b)를 매개로 좌우륜(105a,105b)을 구동시키는 좌우 구동축(102a,102b)과 연결되어 있는바, 이러한 차동기어(104)는 차량 주행 중 선회시 선회 외측 바퀴는 내측 바퀴보다 더 큰 회전반경으로 선회하기 때문에 이 내측 바퀴보다 빨리 회전해야 하므로 이것을 가능하게 하는 것이 차동장치이다.

차량 주행시 차량의 좌우에 장착되어 있는 타이어의 크기가 상이하거나 마모의 차이에 의해 좌우 타이어의 동회전 반경이 다른 경우, 동회전 반경이 작은 쪽의 바퀴가 이 동회전 반경이 큰 쪽의 바퀴보다 좀 더 많이 회전해야 차량이 직진할 수 있다.

따라서 이상적인 차동기어라면 양쪽 바퀴의 구동토크가 같아지도록 동회전 반경이 작은 쪽의 회전수를 크게 할 것이다. 그러나, 실제로는 차동기어 내에 존재하는 마찰토크 때문에 양쪽 바퀴의 구동 토크를 같게 할 수 없다. 따라서 직진 주행시 차량이 한쪽으로 쏠리는 토크 스티어링(Torque steering) 현상이 발생하게 된다. 차동기어의 마찰토크는 엔진에서 나오는 구동력에 비례하여 커지기 때문에, 가속력이 클수록 이런 토크 스티어링 현상이 더 또렷하게 나타난다.

일반적으로 차량 측면에서 토크 스티어링의 원인이 되는 것은 좌우 구동축의 길이와 각도 차이인 것으로 알려져 있다. 이는 좌우 구동축의 길이나 각도가 서로 다른 경우 좌우 바퀴에 걸리는 구동토크가 동일하지 않게 되어서 토크 스티어링 현상이 발생하게 된다.

이러한 토크 스티어링 현상은 차량의 직진 주행 안정성을 저하시키는 주요한 요인이다.

한편, 종래에도 차량용 차동기어와 관련하여 많은 특허기술들이 제안되었는바, 그러나 종래 특허의 대부분은 험로 탈출이나 선회시 조향성을 향상시키는 기술들이 주로 주류를 이루고 있었다.

예를 들어, 차동제한장치(일명 LSD라 칭함)의 특허인 국내 특허 제224,358호와 미국특허 제5,479,348호는 보통의 차동장치에서는 한쪽 바퀴가 미끄러운 노면에서 슬립이 발생할 때, 다른 쪽 바퀴에 구동토크가 전달되지 못하는 단점이 있었으며, 고속 회전시 과도한 조향 부족현상이 나타나게 되는데, 이들 특허들의 차동장치는 필요한 경우 차동장치 작동을 제한하도록 되어 있었다.

또한, 차동기어에 액추에이터를 추가하여 능동제어를 수행하는 차동장치들이 제안되었는바, 즉 미국특허 제6,206,798호와 국내 공개특허 제2003-39,685호인데, 이들 장치들은 차량 선회시 여러 센서들로부터 측정도인 값을 바탕으로 내륜과 외륜의 부하 배분을 최적화 하도록 제어기능을 수행함에 따라, 차량 선회시 차량의 안정성과 조종성을 향상시키는 장점을 갖추고 있으나, 차량 직진 수행시 나타나는 토크 스티어링 현상을 저감시키지 못하는 단점이 있었다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이 차량 직진 주행시 우측 바퀴의 동회전 반경이 좌측바퀴의 동회전 반경보다 큰 경우를 가정하면, 좌측바퀴(105a)가 우측바퀴(105b) 보다 좀 더 빨리 회전해야 차량이 원만하게 직진할 수 있다. 이상적인 차동장치라면 양쪽바퀴(105a, 105b)의 구동토크가 같아지도록 좌측바퀴(105a)의 회전수를 크게 하여야 하나, 실제로는 차동기어(104) 내에 존재하는 마찰토크 때문에 양쪽 바퀴(105a,105b)들의 회전수를 같게 할 수 없다.

즉 차동기어(104)의 피니언(103a) 사이드 기어(103b)에 마찰토크(T_firction)이 존재하면, 양쪽 좌우측 바퀴(105a,105b)의 구동토크 차이는 다음 식과 같다.

여기서 T_R은 우측 바퀴의 구동토크, T_L은 좌측바퀴의 구동토크, T_friction은 피니언의 마찰토크, d₁은 사이드 기어의 반경, d₂는 피니언의 반경이다.

따라서 상기 피니언의 마찰토크는 엔진의 출력토크에 비례하므로 가속시에는 좌우바퀴의 구동토크 차이가 더욱 커지게 되며, 이러한 구동토크 차이는 차량의 직진 주행시 차량이 한쪽으로 쏠리는 토크 스티어링 현상을 유발시키는 원인으로 제공 되었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 좌우측 바퀴에서의 구동 토크가 동일하도록 패드백 제어를 수행하기 때문에 좌우측 바퀴의 동회전 반경 차이가 있어도 토크 스티어링 현상을 피할 수 있으며, 좌우측 구동축의 길이나 각도가 다른 경우에도 바퀴에 설치된 토크 센터로부터 직접 구동토크를 측정하여 제어를 수행하기 때문에 좌우의 구동토크를 동일하게 하여 토크 스티어링 현상을 현저히 줄일 수 있고, 차량의 직진 주행 안정성을 향상시킬 수 있는 차량의 능동형 차동제어장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 피니언을 매개로 양쪽으로 바퀴를 구동시키는 바퀴 구동축들이 연결되어 이루어진 차량의 차동기어를 제어하는 장치에 있어서, 앞쪽 구동 양쪽 좌우측 바퀴에 부착된 토크 센서들과, 조향핸들의 조향각을 측정하는 조향각 센서 및, 차량의 가속도를 측정하는 가속도 센서들이 제어기에 연결되어 있으며, 이 제어기는 바퀴 구동축들에 부착된 각각 피니언을 제어하는 각각의 액츄에이터를 작동시키는 구조로 되어 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 능동형 차동제어장치가 차량에 설치된 개략 구성도이고, 도 2는 본 발명의 차동 피니언 기어를 나타낸 단면도이다.

본 발명은 피니언(1a)과 사이드 기어(1b)를 매개로 양쪽으로 좌우측 바퀴(2a,2b)를 구동시키는 바퀴 구동축(3a,3b)들이 연결되는 차동기어(4)를 제어하는 장치에 있어서, 상기 앞쪽 구동 양쪽 좌우측 바퀴(2a,2b)에 부착된 토크 센서(5)들과, 조향핸들(6)의 조향각을 측정하는 조향각 센서(7) 및, 차량(100)의 가속도를 측정하는 가속도 센서(8) 들이 제어기(9)에 연결되어 있으며, 이 제어기(9)는 차동기어(4) 내의 피니언(1a)의 회동을 제어하는 각각의 액츄에이터(10a,10b)를 작동시키어 차량 직진 주행중에 구동 토크를 동일하게 제어하도록 이루어져 있다.

즉, 본 발명은 구동륜인 양쪽 좌우측 바퀴(2a,2b)에 각각 토크센서(5)를 설치하여 양 바퀴에 걸리는 구동 토크를 측정한다. 그리고 조향각 센서(7)로부터 조향각을 측정하고, 가속도 센서(8)로부터 횡가속도를 측정한다. 차동장치인 피니언(1a)각각에 액츄에이터(10a,10b)를 설치하여 차동장치의 작동을 제어할 수 있도록 한다.

차량 운행 중 조향각 센서(7)와 가속도 센서(8)의 측정값들을 이용하여 차량의 직진 주행여부를 판단한다. 직진 주행 중이라고 판단되면, 토크 센서(5)에서 나오는 구동토크를 입력 받아 제어로직에 의해서 양 바퀴의 구동 토크가 같아지도록 액츄에이터(10a,10b)가 차동장치의 피니언(1a)을 회전시킨다. 여기서 상기 액츄에이터는 서보 모터 등 다양한 형태의 액츄에이터가 사용될 수 있다.

이어 본 발명을 도 3을 참고로 작동원리를 설명한다.

본 발명은 도 3의 흐름도와 같이, 직진 주행여부를 판단하는 기준은 조향각이 ±15˚ 이내, 또는 횡가속도가 ±0.3g 이내인 경우를 직진 주행 상태인 것으로 판단하는 것이 하나의 방법이 될 것이다. 즉 피니언(1a)을 제어하는 제어기(9)는 일반적인 PID제어기를 사용하고, 액츄에이터(10a,10b)는 서보모터를 사용할 수 있을 것이다.
예를 들어 PID 제어기를 사용하면, 피니언(1a)의 회전속도는 K × (좌측 구동토크 - 우측 구동토크)로 나타내며, 여기서 K는 PID 제어기의 게인(gain) 값이다.

이 경우, 상기 액츄에이터는 차동기어(4)의 마찰토크에 해당하는 힘만을 필요로 하기 때문에 적은 힘으로 제어가 가능하다. 물론 여기에 기술한 제어기(9)나 액츄에이터(10a,10b) 외에 다양한 형태의 제어기와 액츄에이터를 사용할 수 있음은 물론이다.

상기와 같이 본 발명에 따른 차량의 능동형 차동제어장치는 구동륜의 좌우 바퀴의 구동토크를 입력 받아, 좌우 바퀴의 구동토크가 같아지도록 피드백 제어를 수행하여 토크 스티어와 직진 주행 안정성을 향상시키는 잇점을 갖게 된다.

Claims

피니언(1a)과 사이드 기어(1b)를 매개로 양쪽으로 좌우측 바퀴(2a,2b)를 구동시키는 바퀴 구동축(3a,3b)들이 연결되는 차동기어(4)를 제어하는 장치에 있어서,

상기 앞쪽 구동 양쪽 좌우측 바퀴(2a,2b)에 부착된 토크 센서(5)들과, 조향핸들(6)의 조향각을 측정하는 조향각 센서(7) 및, 차량(100)의 가속도를 측정하는 가속도 센서(8) 들이 제어기(9)에 연결되어 있으며, 상기 제어기(9)는 차동기어(4) 내의 피니언(1a)의 회동을 제어하는 각각의 액츄에이터(10a,10b)를 작동시키어 차량 직진 주행중에 구동 토크를 동일하게 제어하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 차량의 능동형 차동제어장치.