KR100929119B1 - 랙-타입 전동식 조향 장치 - Google Patents

랙-타입 전동식 조향 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 랙-타입 전동식 조향 장치에 관한 것이다.
본 발명은 랙-타입 전동식 조향장치에 있어서, 조향휠의 회전각도를 측정한 조향각 신호를 생성하여 전송하는 조향각 센서; 조향을 원활하게 하는 보조 동력을 생성하며 모터의 회전 각도를 포함한 모터 위치 신호를 전송하는 모터; 및 상기 조향각 신호를 수신하여 조향각을 산출하고, 상기 모터 위치 신호를 수신하여 상기 모터의 회전 각도를 산출하고, 감속비를 산출한 후 상기 모터의 회전 각도가 상기 조향각과 상기 감속비의 곱을 초과하는 경우 타이밍 벨트와 모터의 구동 풀리 사이에 미끄러짐(Slip)이 발생한 것으로 간주하여 경고등을 점등하도록 제어하는 ECU를 포함하는 것을 특징으로 하는 랙-타입 전동식 조향 장치를 제공한다.
R-EPS, 모터, 미끄러짐, Slip, 조향

Description

랙-타입 전동식 조향 장치{Rack-Type Electric Power Steering Apparatus}
본 발명은 랙-타입 전동식 조향 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 조향각 신호를 수신하여 조향각을 산출하고, 모터의 위치 센서로부터 모터 위치 신호를 수신한 모터의 회전 각도를 산출하고, 구동 풀리 크기에 대한 종동 풀리 크기인 감속비를 산출한 후 모터의 회전 각도가 조향각과 감속비를 곱을 초과하지 못하는 경우 모터와 타이밍 벨트 간에 미끄러짐이 발생한 것으로 간주하여 경고등을 점등하도록 제어하는 랙-타입 전동식 조향 장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 동력 보조 조향장치로는 유압 펌프의 유압을 이용한 유압식 동력 보조 조향장치(Hydraulic Power Steering Apparatus)가 사용되고 있지만, 1990년대 이후 전기 모터를 이용한 전동식 동력 보조 조향장치(Electric Power Steering Apparatus)가 점차로 보편화되어 가고 있다.
기존의 유압식 동력 보조 조향장치는 동력을 보조해 주는 동력원인 유압 펌프가 엔진에 의해 구동되어 조향휠의 회전 여부와 상관없이 항상 에너지를 소모하는 데 비해서 전동식 동력 보조 조향장치는 조향휠이 회전하여 토크가 발생되면 전기 에너지로 구동되는 모터가 조향 보조 동력을 제공한다. 따라서 전동식 동력 보 조 조향장치를 사용하는 경우 유압식 동력 보조 조향장치에 비해 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 자동차의 랙-타입 전동식 조향장치의 구성도이다.
전동식 조향장치는 조향휠(102), 조향축(104), 피니언 축(106), 랙-피니언 기구부(108), 랙바(109), 센서부(110), ECU(120), 모터(130), 벨트-풀리 기구부(140)를 포함한다.
일반적인 조향 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 조향휠(102), 조향축(104), 피니언축(106), 랙-피니언 기구부(108) 및 랙바(109)가 연결되어 있으며, 조향휠(102) 회전에 따라 조향축(103), 피니언 축(106), 랙-피니언 기구부(108)가 동력을 전달하여 랙바(109)를 축 방향으로 운동하도록 하여 바퀴를 축 방향으로 움직이는 것이다.
종래의 랙-타입 전동식 조향 장치는 센서부(110), ECU(Electronic Control Unit)(120), 모터(130), 벨트-풀리 기구부(140)를 추가로 포함하며, ECU(120)는 센서부(110)로부터 각종 신호를 수신하여 신호에 따라 모터(130)를 구동시키고, 모터(130)와 연결된 벨트-풀리 기구부(140)는 랙바(109)를 축 방향으로 운동하도록 돕는 것이다.
즉, ECU(120)는 운전자가 조향휠(102)에 가하는 토크를 감지하고 감지된 토크에 비례하는 전기 신호를 출력하는 센서부(110)로부터 수신하고, 수신된 전기 신호에 기초하여 제어 신호를 발생하여 모터(130) 및 벨트를 매개로 모터(130)에서 발생한 보조 동력을 랙바(109)로 전달하는 것이다.
따라서, 종래의 랙-타입 전동식 조향장치는 조향휠(102)의 회전에 의해 발생한 토크가 랙-피니언 기구부(108)를 거쳐서 랙바(109)에 전달되고, 발생된 토크에 따라 모터(130)에서 발생한 보조 동력이 벨트-풀리 기구부(140)에 의해 랙바(109)에 전달되도록 형성된다. 즉, 랙-타입 전동식 조향 장치에서 발생한 토크와 모터(130)에서 발생한 보조 동력이 합쳐져서 랙바(109)를 축 방향으로 운동하도록 하는 것이다.
도 2는 종래 기술에 따른 벨트-풀리 기구부를 설명하기 위한 예시도이다.
벨트-풀리 기구부(140)는 모터 축(142), 구동 풀리(144), 타이밍 벨트(146) 및 종동 풀리(148)를 포함한다. 일반적으로 모터 축(142)은 모터(130)와 구동 풀리(144)를 연결하며, 타이밍 벨트(146)는 구동 풀리(144)와 랙바(109)를 둘러싸고 있는 종동 풀리(148) 사이에 연결되어 동력을 전달하는 기능을 수행한다.
종래의 벨트-풀리 기구부(140)는 구동 풀리(144), 종동 풀리(148) 및 타이밍 벨트(146) 간의 마모로 인해 타이밍 벨트(146)의 치가 파손되는 단점이 있었다.
예를 들어서, 타이밍 벨트(146)의 치가 12개 이상 파손되는 경우, 모터(130)로부터 동력을 전달받은 후 랙바(109)를 축 방향으로 운동시키는 과정에서 구동 풀리(144) 또는 종동 풀리(148)와 타이밍 벨트(146) 간에 미끄러짐 현상이 발생하게 된다.
하지만, 종래의 랙-타입 전동식 조향 장치에서는 이러한 미끄러짐 현상을 감지하여 사용자에게 전달할 수 있는 방법이 제공되지 않아 사용자는 운전 중 타이밍 벨트(146)가 끊어져 위험한 상황에 노출될 수 있는 단점이 있었다.
전술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 조향각 센서로부터 조향각 신호를 수신하여 조향각을 산출하고, 모터의 위치 센서로부터 모터 위치 신호를 수신한 모터의 회전 각도를 산출하고, 구동 풀리 크기에 대한 종동 풀리 크기인 감속비를 산출한 후 모터의 회전 각도가 조향각과 감속비를 곱을 초과하지 못하는 경우 모터와 타이밍 벨트 간에 미끄러짐이 발생한 것으로 간주하여 경고등을 점등하도록 제어하는 랙-타입 전동식 조향 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 랙-타입 전동식 조향장치에 있어서, 조향휠의 회전각도를 측정한 조향각 신호를 생성하여 전송하는 조향각 센서; 조향을 원활하게 하는 보조 동력을 생성하며 모터의 회전 각도를 포함한 모터 위치 신호를 전송하는 모터; 및 상기 조향각 신호를 수신하여 조향각을 산출하고, 상기 모터 위치 신호를 수신하여 상기 모터의 회전 각도를 산출하고, 감속비를 산출한 후 상기 모터의 회전 각도가 상기 조향각과 상기 감속비의 곱을 초과하는 경우 타이밍 벨트와 모터의 구동 풀리 사이에 미끄러짐(Slip)이 발생한 것으로 간주하여 경고등을 점등하도록 제어하는 ECU를 포함하는 것을 특징으로 하는 랙-타입 전동식 조향 장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 조향각 센서로부터 조향각 신호를 수신하여 조향각을 산출하고, 모터의 위치 센서로부터 모터 위치 신호를 수신한 모터의 회전 각도를 산출하고, 구동 풀리 크기에 대한 종동 풀리 크기인 감속비를 산출한 후 모터의 회전 각도가 조향각과 감속비를 곱을 초과하지 못하는 경우 모터와 타이밍 벨트 간에 미끄러짐이 발생한 것으로 간주함으로써, 모터와 타이밍 벨트 간에 미끄러짐을 감지할 수 있는 효과가 있다.
운전자는 랙-타입 전동식 조향 장치에서 타이밍 벨트 내의 치가 특정 개수 이상 파손된 것을 감지할 수 있어, 주행 중 타이밍 벨트가 끊어지는 위험으로부터 안전할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 랙-타입 전동식 조향 장치의 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 랙-타입 전동식 조향장치는 센서부(110), ECU(120) 및 모터(130)를 포함한다.
센서부(110)는 조향각 센서(112) 및 토크 센서(114)를 포함한다.
조향각 센서(112)는 운전자의 조작에 의해 회전하는 조향휠의 회전각도를 측정한 신호를 생성하여 ECU(120)로 전송하는 기능을 수행한다. 본 발명에서는 설명 의 편의상 조향각 센서(112)에서 조향휠(102)의 회전각도를 측정한 신호를 조향각 신호로 가정하여 설명하도록 하겠다.
토크 센서(Torque Sensor)(114)는 조향휠(102)의 회전에 따른 입력축 및 출력축의 상대 회전 변위를 감지한 전기적인 신호를 생성한 후 ECU(120)로 전송하는 기능을 수행한다. 본 발명에서는 설명의 편의상 토크 센서(114)에서 생성한 전기적인 신호를 토크 신호로 가정하여 설명하도록 하겠다.
ECU(120)(Electronic Control Unit)는 조향각 센서(112) 및 토크 센서(114)로부터 조향각 신호 및 토크 신호를 수신하여 페일(Fail)이 발생하였는지의 여부를 점검하고, 점검 결과 페일이 발생한 경우 모터(130)의 구동을 정지하는 제어 전류를 모터(130)로 전송하는 기능을 수행한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ECU(120)는 조향각 센서(112)로부터 조향휠(102)의 회전각도를 측정한 신호를 조향각 신호를 수신하여 조향휠(102)의 회전 각도인 조향각을 산출하고, 모터(130)의 위치 센서(132)로부터 종동 풀리(148)의 회전 각도를 포함하는 모터 위치 신호를 수신하여 모터의 회전 각도를 산출한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ECU(120)는 구동 풀리 크기에 대한 종동 풀리 크기인 감속비를 산출한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ECU(120)는 산출한 조향각, 모터의 회전 각도 및 감속비를 이용하여 아래 수학식 1을 만족하는지의 여부를 확인하고, 확인 결과, 수학식 1을 만족하는 경우 ECU(120)는 구동 풀리(144) 또는 종동 풀리(148)와 타이밍 벨트(146) 간에 미끄러짐이 발생하는 것으로 간주하여 경고등(310)을 점 등하도록 제어한다.
모터의 회전 각도 > 조향각 × 감속비
여기서, 모터의 회전 각도는 종동 풀리(148)의 회전 각도를 의미하고, 조향각은 조향휠(102)의 회전 각도를 의미하며, 감속비는
Figure 112008017986823-pat00001
를 의미한다.
즉, 감속비는 구동 풀리(144)의 회전이 아주 빠른 경우 랙바(109)의 회전은 그보다 늦어야 하므로 종동 폴리(148)의 크기는 구동 풀리(144)의 크기(원주) 보다 더 커야 랙바(109)의 회전이 감속하게 되는 것이다.
따라서, 본 발명에서는 종동 풀리(148)의 크기(원주)를 구동 풀리(144) 크기의 2배로 가정한 경우, 종동 풀리(148)와 맞물리는 치의 개수 역시 2배가 되므로, 모터(130)가 약 2바퀴를 회전하는 경우 종동 풀리(148)는 약 1바퀴를 회전하게 되는 것이므로 감속비(
Figure 112008017986823-pat00002
=
Figure 112008017986823-pat00003
)는 약 2가 되는 것이다.
본 발명에서는 감속비를 구동 풀리 크기에 대한 종동 풀리 크기로 정의하고 있지만, 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 구동 풀리 잇수에 대한 종동 풀리 잇수 또는 종동 풀리(148)와 구동 풀리(144)의 치비로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.
예를 들어서, 운전자가 조향휠(102)을 한 바퀴 회전한 경우, ECU(120)는 조향각 센서(112)로부터 한 바퀴 회전에 따른 조향각 신호를 수신하여 조향각(360°)을 산출하는 것이며, 모터(130)로부터 모터 위치 신호를 수신하여 모터의 회전 각도를 산출하는 것이다. 타이밍 벨트(146)의 치가 파손되지 않은 경우 구동 풀리 크기에 대한 종동 풀리 크기의 감속비는 약 2이므로 조향휠(102)이 한 바퀴 회전(360°)한 경우 모터의 회전 각도(즉, 종동 풀리(148)의 회전 각도)는 720°가 되는 것이 정상인 것이다.
즉, ECU(120)는 모터(130)로부터 모터 위치 신호를 수신하여 산출한 모터의 회전 각도가 720°인 경우 수학식 1 (720° > 360° × 2)을 만족하지 하지 않으므로 구동 풀리(144) 또는 종동 풀리(148)와 타이밍 벨트(146) 간에 미끄러짐이 발생하지 않는 것으로 간주하고 정상 모드로 동작하는 것이다.
한편, 타이밍 벨트(146)의 치가 특정 개수 이상 파손된 경우 구동 풀리 크기에 대한 종동 풀리 크기의 감속비는 약 2이므로 조향휠(102)이 한 바퀴 회전(360°)한 경우 모터의 회전 각도(즉, 종동 풀리(148)의 회전 각도)는 720°가 되는 것이 정상이나, 구동 풀리(144) 또는 종동 풀리(148)와 타이밍 벨트(146) 간에 미끄러짐이 발생하여 실제 종동 풀리(148)의 회전 각도는 720°를 초과하게 되는 것이다.
즉, 타이밍 벨트(146)의 치가 특정 개수 이상 파손된 경우 종동 풀리(148)의 회전 각도를 800°로 가정하는 경우, ECU(120)는 수학식 1 (800° > 360° × 2)을 만족하므로 구동 풀리(144) 또는 종동 풀리(148)와 타이밍 벨트(146) 간에 미끄러짐이 발생한 것으로 간주하고 경고등(310)을 점등하도록 제어하는 것이다.
모터(130)는 ECU(120)로부터 전달된 제어 전류에 따라 조향을 원활하게 하기 위한 보조 동력을 생성하여 전달하는 기능을 수행하며, 모터(130)의 회전에 따른 전류 및 전압을 ECU(120)로 전송하는 기능을 수행한다. 또한, 모터(130)가 위치 센서(132)를 구비한 경우, 위치 센서(132)는 중동 풀리(148)의 회전 각도를 포함한 모터 위치 신호를 출력하는 기능을 수행한다.
경고등(310)은 ECU(120)로부터 제어 신호를 수신하여 경고성 램프를 점등하는 기능을 수행한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 랙-타입 전동식 조향 장치를 설명하기 위한 순서도이다.
ECU(120)는 조향각 센서(112)로부터 운전자의 조작에 의해 회전하는 조향휠(102)의 회전각도를 측정한 조향각 신호를 수신하여 조향각을 산출한다(S410).
본 발명에서는 설명의 편의상 운전자가 조향휠(102)을 한 바퀴(360°) 회전한 것으로 가정하여 설명하도록 하겠다.
ECU(120)는 모터의 위치 센서(132)로부터 종동 풀리(148)의 회전 각도를 포함한 모터 위치 신호를 수신하여 모터의 회전 각도를 산출한다(S420).
즉, 조향휠(102)을 한 바퀴 회전한 것으로 가정한 경우 조향각은 360°가 되는 것이므로, 타이밍 벨트(146)의 치가 파손되지 않은 경우 모터의 회전 각도는 720°가 되는 것이며, 타이밍 벨트(146)의 치가 특정 개수 이상 파손된 경우 모터의 회전 각도는 720°를 초과하는 것이다.
ECU(120)는 구동 풀리 크기에 대한 종동 풀리 크기인 감속비를 산출한다(S430).
본 발명에서는 감속비를
Figure 112008017986823-pat00004
로 정의한다.
ECU(120)는 모터의 회전 각도, 조향각 및 감속비를 이용하여 수학식 1이 만족되는지의 여부를 확인한다(S440).
단계 S340의 확인결과, 수학식 1을 만족하지 않는 경우, ECU(120)는 타이밍 벨트(146)의 치가 특정 개수 이상 파손되지 않아 타이밍 벨트(146)와 모터(130)의 구동 풀리(144) 또는 종동 풀리(148) 간에 미끄러짐이 발생하지 않는 것으로 간주하여 정상 모드로 동작한다(S442).
예를 들어서, 운전자가 조향을 하기 위해 조향휠(102)을 한 바퀴 회전하면 ECU(120)가 산출한 조향각은 360°가 되며, 타이밍 벨트(146)의 치가 특정 개수 이상으로 파손되지 않아 타이밍 벨트(146)와 모터(130)의 구동 풀리(144) 또는 종동 풀리(148) 간에 미끄러짐이 발생하지 않는 경우 ECU(120)가 산출한 모터의 회전 각도는 720°가 되므로, 수학식 1에 대입하면 720° > 360°×2를 만족되지 않는 것이며, ECU(120)는 구동 풀리(144) 또는 종동 풀리(148)와 타이밍 벨트(146) 간에 미끄러짐이 발생하지 않는 것으로 간주하여 정상 모드로 동작하는 것이다.
한편, 단계 S340의 확인결과, 모터의 회전각도가 조향각과 감속비를 곱을 초 과하는 경우, ECU(120)는 타이밍 벨트(146)의 치가 특정 개수 이상 파손되어 구동 풀리(144) 또는 종동 풀리(148)와 타이밍 벨트(146) 간에 미끄러짐이 발생하는 것으로 간주하여, 경고등(310)을 점등하도록 제어한다(S450).
예를 들어서, 운전자가 조향을 하기 위해 조향휠(102)을 한 바퀴 회전하면 ECU(120)가 산출한 조향각은 360°가 되며, 타이밍 벨트(146)의 치가 특정 개수 이상으로 파손된 경우 구동 풀리(144) 또는 종동 풀리(148)와 타이밍 벨트(146) 간에 미끄러짐이 발생하여 타이밍 벨트(146)가 정상인 경우의 720°를 초과하여 회전하여야만 타이밍 벨트(146)의 치가 파손되지 않은 경우와 동일하게 랙바(109)로 동력을 전달할 수 있는 것이다.
따라서, ECU(120)가 산출한 모터의 회전 각도는 720°가 초과(이하, 800°로 가정함) 되므로, 수학식 1에 대입하면 800° > 360°×2를 만족하게 되므로, ECU(120)는 구동 풀리(144) 또는 종동 풀리(148)와 타이밍 벨트(146) 간에 미끄러짐이 발생한 것으로 간주하여 경고등(310)을 점등하도록 제어하는 것이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 감속비를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 감속비는 같이 모터의 구동 풀리(144)의 회전이 아주 빠른 경우 랙바(109)의 회전은 그보다 늦어야 하므로 종동 폴리(148)의 크기는 구동 풀리(144)의 크기(원주) 보다 더 커야 랙바(109)의 회전을 감속할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 종동 풀리(148)의 크기(원주)를 구동 풀리(144) 크기의 2배로 가정하며, 종동 풀리(148)와 맞물리는 치의 개수 역시 2배가 되므로 모 터(즉, 구동 풀리)가 약 2바퀴를 회전하는 경우 종동 풀리(148)는 약 1바퀴를 회전하게 되는 것이며 도 5와 같은 감속비(
Figure 112008017986823-pat00005
=
Figure 112008017986823-pat00006
)가 산출되는 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 자동차의 랙-타입 전동식 조향장치의 구성도,
도 2는 종래 기술에 따른 벨트-풀리 기구부를 설명하기 위한 예시도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 랙-타입 전동식 조향 장치를 개략적으로 나타낸 블럭 구성도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 랙-타입 전동식 조향 장치의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 감속비를 설명하기 위한 예시도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
102: 조향휠 104: 조향축
106: 피니언 축 108: 랙-피니언 기구부
109: 랙바 110: 센서부
120: ECU 130: 모터
140: 벨트-풀리 기구부

Claims (2)

  1. 랙-타입 전동식 조향장치에 있어서,
    조향휠의 회전각도를 측정한 조향각 신호를 생성하여 전송하는 조향각 센서;
    조향을 원활하게 하는 보조 동력을 생성하며 모터의 회전 각도에 대한 정보를 포함하는 신호를 전송하는 모터; 및
    상기 조향각 신호를 수신하여 조향각을 산출하고, 상기 모터로부터 수신된 상기 신호로부터 상기 모터의 회전 각도를 산출하며, 상기 모터의 모터 축에 연결된 구동 풀리의 회전에 대하여 랙바에 연결된 종동 풀리의 회전이 감속하는 정도를 나타낸 감속비를 산출한 후 상기 모터의 회전 각도가 상기 조향각과 상기 감속비의 곱을 초과하는 경우 타이밍 벨트와 모터의 구동 풀리 사이에 미끄러짐(Slip)이 발생한 것으로 간주하여 경고등을 점등하도록 제어하는 ECU
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 랙-타입 전동식 조향 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 감속비는
    상기 구동 풀리의 크기에 대한 상기 종동 풀리의 크기인 것을 특징으로 하는 랙-타입 전동식 조향 장치.
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