KR100995324B1 - 차량의 조향 시스템의 마찰력 측정방법 - Google Patents

차량의 조향 시스템의 마찰력 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 차량의 조향 시스템의 마찰력 측정방법에 관한 것으로, 특히 차량을 분해하여 각 부품에 대해 시험할 필요가 없이, 조향 시스템의 마찰력을 구할 수 있게 하는 차량의 조향 시스템의 마찰력 측정방법으로서, 조향핸들은 고정시켜둔 상태에서, 차량의 전륜에 조향 방향으로 모멘트를 가하여 상기 조향 핸들에 전달되는 토크의 크기를 측정하는 단계; 상기 측정된 토크로부터 조향 랙에서의 마찰력을 구하는 단계; 전륜을 자유롭게 회전되게 한 상태에서, 조향 핸들에 핸들의 회전을 야기할 수 있는 형태의 입력을 인가하면서 조향 핸들에서의 모멘트의 크기를 측정하는 단계; 상기 단계로부터 조향 컬럼 및 조향 랙 둘 다에서의 마찰력이 포함된 합성 마찰력을 도출하는 단계: 상기 합성 마찰력에서 상기 조향 랙에서의 마찰력을 감하여 조향 컬럼에서의 마찰력을 도출하는 단계를 포함한다.
조향 시스템, 마찰력, 조향 컬럼, 조향 랙.

Description

차량의 조향 시스템의 마찰력 측정방법{Method for measuring frictions in vehicle steering system}
본 발명의 차량의 조향 시스템의 마찰력 측정방법에 관한 것으로, 특히 차량을 분해하여 각 부품에 대해 시험할 필요가 없이, 적은 시간과 노력으로 조향 시스템의 마찰력을 구할 수 있게 하는 차량의 조향 시스템의 마찰력 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 차량의 조향 시스템에 존재하는 마찰력은 핸들의 중심감(on-center feel)이나 직진 주행 안정성과 같은 차량성능에 미치는 영향이 매우 큰 것이 알려져 있다. 이것은 조향 시스템의 마찰력이 조향 핸들에 전달되는 조향 토크에 많은 영향을 주기 때문이다. 조향 시스템의 마찰력은 일반적으로 조향 시스템을 구성하는 랙 앤 피니온 기어의 마찰력이나 회전 조인트부에서 발생하는 마찰력에 의해서 발생한다. 이에 관련하여, 종래 기술의 문헌에 의하면, 조향 시스템의 마찰력은 랙에서의 마찰력과 조향 컬럼에서의 마찰력으로 단순화시킬 수 있으며, 이들 두 값들을 이용하여 전산 해석을 수행할 수 있다. 이에 대한 상세하는 것은 예를 들면 Pfeffer, Peter E에 의한 "Modeling of a hydraulic steering system", FISITA2006 문헌에서 찾아볼 수 있다.
그런데, 이러한 마찰력의 값을 알기 위해서는 조향 시스템을 구성하는 단품에 대한 시험결과나 설계정보가 필요하다. 예를 들면, 타사의 차량을 벤치마킹하는 경우와 같이, 언급한 바와 같은 구체적인 설계 정보가 없는 경우에는 해당 차량을 분해하여 해당 부품에 대한 특성 시험을 해야 하기 때문에 많은 시간과 노력이 요구된다.
따라서, 언급한 바와 같이 입수가능한 단품에 대한 시험결과나 설계정보가 없이도, 조향 컬럼에서의 마찰력과 조향 랙에서의 마찰력을 구할 수 있다면 잇점이 있을 것이다. 이러한 것을 가능하게 하는 방법 및 장치들에 제공될 수 있다면, 차량을 분해하여 각 부품에 대해 시험할 필요가 없으며, 적은 시간과 노력으로 조향 시스템의 마찰력을 구할 수 있다는 잇점이 제공될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 차량을 분해하여 각 부품에 대해 시험할 필요가 없이, 적은 시간과 노력으로 조향 시스템의 마찰력을 구할 수 있게 하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 해결하기 위해, 차량의 조향 시스템의 마찰력 측정방법이 제공된다. 이 방법은 조향핸들은 고정시켜둔 상태에서, 차량의 전륜에 조향 방향으로 모멘트를 가하여 상기 조향 핸들에 전달되는 토크의 크기를 측정하는 단계; 상기 측정된 토크로부터, 조향 랙에서의 마찰력이 조향 핸들로 전달되었을 때의 마찰력 H1/2을 구하는 단계; 전륜을 자유롭게 회전되게 한 상태에서, 조향 핸들에 핸들의 회전을 야기할 수 있는 형태의 입력을 인가하면서 조향 핸들에서의 모멘트의 크기를 측정하는 단계; 상기 단계로부터 조향 컬럼에서의 마찰력과 상기 H1/2 둘 다가 포함된 합성 마찰력 H2/2을 도출하는 단계: 상기 합성 마찰력에서 상기 H1/2을 감하여 조향 컬럼에서의 마찰력을 도출하는 단계를 포함한다.
발명의 일 실시예에 따라서, 상기 조향 핸들에 핸들의 회전을 야기할 수 있는 형태의 입력은 정현파 형태의 입력일 수 있다. 그러나, 경우에 따라서는, 삼각파가 사용될 수도 있다.
발명의 일 실시예에 따라서, 상기 조향 랙에서의 마찰력을 구하는 단계는 타 이어를 왼쪽으로 돌려 토크가 0이 되는 타이어 모멘트 지점과, 계속 왼쪽으로 타이어를 회전시킨 후에 다시 타이어를 반대방향으로 돌리기 시작하여 토크가 0이 되는 지점에서 타이어 모멘트의 지점 간의 폭의 반은 랙에서의 마찰력에 대응한다.
발명의 일 실시예에 따라서, 상기 조향 랙에서의 마찰력을 구하는 단계는 타이어를 왼쪽으로 돌려 토크가 0이 되는 타이어 모멘트 지점에서 조향 전륜에 전달되는 토크와, 계속 왼쪽으로 타이어를 회전시킨 후에 다시 타이어를 반대방향으로 돌리기 시작하여 토크가 0이 되는 지점에서 조향 전륜에 전달되는 토크간의 차의 반은, 조향 랙에서의 마찰력이 조향 핸들로 전달되었을 때의 마찰력 H1/2에 대응한다.
본 발명에 따라, 차량을 분해하여 각 부품에 대해 시험할 필요가 없이, 적은 시간과 노력으로 조향 시스템의 마찰력을 구할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조향 시스템의 마찰력 측정방법에 대해서 첨부한 도면을 사용하여 이하 상세히 기술한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량의 조향 시스템의 마찰력을 측정하기 위해 설치된 구성의 사진도이다. 도 1에 보인 바와 같이, 차량은 이를테면 SPMM과 같은 현가특성시험기 상에 놓여지는데, 여기서 사용하기 위해 채용한 SPMM은 영국의 AB Dynamics 사에서 시판되는 현가특성 시험기이다. 그러나, 이외에 다른 별도의 시험장치를 구성하여 수행될 수도 있는 것에 유의한다.
먼저, 조향 랙에 있어서의 마찰력을 측정하는 방법에 대해서 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이 차량은 SPMM에 고정되고 SPMM 상의 회전하도록 된 원판 상에 차량의 전륜이 놓여지게 장치한다. 이와 같이 장치한 후에, 먼저 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 차량의 전륜에 조향 방향으로의 모멘트를 가한다. 이것은 SPMM의 원판을 회전시킴으로써 차량의 전륜이 움직이게 하는데, 이때 차량의 조향 핸들은 고정된 상태로 두고 원판의 회전에 따른 차량의 전륜의 움직임에 의해 조향 핸들에 전달되는 토크의 크기를 측정한다.
도 2는 전술한 바와 같이 조작함으로써 얻어진, 전륜에 가해진 모멘트임에 따른 조향 전륜에 전달된 토크의 크기를 보여주는 것으로, 토크 전달함수를 보여주는 그래프이다.
도 2에 도시된 그래프에서 x 축은 전륜 타이어에 가해준 모멘트의 크기를 나타내며, y축은 조향 핸들에 전달된 모멘트의 크기를 나타낸다. 그래프에서 Mz는 z축을 지면에 수직인 방향이라고 할 때 z 방향의 모멘트(또는 토크)를 의미한다. 그래프에서 이를테면 '-400'과 같은 수치에서 마이너스 기호는 핸들을 위에서 바라볼 때, 핸들을 왼쪽으로 돌리는 모멘트를 나타내며, '+' 기호(도면에는 생략되었음)는 핸들을 오른쪽으로 돌리는 모멘트를 나타낸다. 또한, y축에서 조향 토크의 경우에, 핸들은 왼쪽으로 돌리려는 모멘트에 대해서는 '-' 기호를 사용하고, 오른쪽으로 돌리려는 모멘트에 대해선 '+' 기호가 사용된다.
시험결과의 그래프는 그래프에 나타낸 바와 같이 히스테리시스 루프 곡선을 나타내었음을 알 수 있다. 그래프의 히스테리시스 루프 곡선에서 'W' 기호는 폭을 나타내기 위한 것이고 H 기호는 크기를 나타내기 위해 편의상 사용되었다.
그래프에서 히스테리시스 루프 곡선이 나타나는 이유는 조향 시스템의 마찰력에 기인하는 것으로, 특히 이 시험에서는 조향 핸들이 고정된 상태로 두어 움직이기 않기 때문에 조향 컬럼에서의 마찰력은 발생하지 않는다. 따라서, 도 2에 나타낸 그래프에서 보여주는 바와 같은 히스테리시스 루프는 조향 랙에서의 마찰력임을 알 수 있게 한다.
따라서, 랙에서의 마찰력을 Frictiontire -rack로 표기하면 랙에서의 마찰력은 다음과 같이 식(1)로 표시할 수 있다.
Fricitontire -rack = W/2 (1)
그래프에서 타이어를 왼쪽으로 돌려 토크가 0이 되는 타이어 Mz 지점과, 계속 왼쪽으로 타이어를 회전시킨 후에 다시 타이어를 반대방향으로 돌리기 시작하여 토크가 0이 되는 지점에서 타이어 Mz의 지점 간의 폭이 W로서 나타나 히스테리스시 곡선이 나타나는데, 결과적으로 타이어 Mz가 W/2 만큼 가해졌을 때, 조향 핸들에서서의 토크(즉, 조향 전륜 토크)가 0이라는 것으로부터 랙의 마찰력이 위에 식(1)과 같이 W/2라는 식을 도출할 수 있다.
도 2의 그래프에서 H1은 조향 랙에서의 마찰력이 조향 핸들로 전달되었을 때의 마찰력의 크기이고 이것은 후술하는 바와 같이 조향 컬럼에서의 마찰력을 구할 때 사용된다. H1은 다음과 같이 구해질 수 있다.
그래프에서 타이어에 가해준 Mz가 0일 때, 조향 핸들에는 ±H1/2의 토크가 전달된다. 따라서, H1/2는 조향 랙에서의 마찰력이 조향 핸들로 전달되었을 때의 마찰력의 크기를 나타낸다.
FrictionSteering wheel-rack = H1/2 (2)
다음에, 조향 컬럼에 있어서의 마찰력을 측정하는 방법에 대해서 설명한다.
조향 컬럼에 있어서의 마찰력 측정에 있어서 측정을 위한 장치의 구성은 도 3에 사진도와 같이, 조향 핸들에서의 토크의 크기를 측정하고, 조향 핸들에 정현파 형태의 입력을 인가하도록 구성된 장치를 차량의 핸들에 부착시켜 장치를 구성한다. 이러한 장치는 당업자에게는 공지된 것으로, 반드시 정현파 형태일 필요는 없으며 핸들의 회전을 야기하는 장치이면 사용될 수 있다.
이와 같이 장치한 상태에서 조향 컬럼에서의 마찰력을 측정하기 위해서, 전륜을 자유롭게 회전되게 한 상태에 두고, 조향 핸들에 바람직하게 정현파 형태의 입력을 인가하면서 조향 핸들에서의 모멘트의 크기를 측정한다.
이와 같이 하여 얻어진 결과가 도 4에 그래프로 도시되었다.
그래프에서 x축은 조향 핸들을 회전시킨 각도를 나타내며, y축은 조향 핸들에서 측정된 토크의 크기를 나타낸다. 그래프에서 이를테면 '-600'도라고 표시된 것에서 '-' 기호는 0을 기준으로 핸들을 왼쪽으로 회전시킴을 나타내고 수치에서 600은 핸들이 왼쪽으로 개략 2바퀴 정도 회전되는 크기를 나타내기 위한 수치이다. 또한, y축은 도 2의 그래프와 같이 조향 전륜 토크의 크기를 나타낸다.
시험결과를 나타낸 그래프에서 알 수 있듯이, 결과는 히스테리시스 루프 곡선을 나타낸다. 이러한 이유는 조향 시스템의 마찰력 때문이며, 이 시험에서는 조향 컬럼과 조향 랙 둘 다가 움직일 수 있게 하였으므로, 이 두 부분에서의 합성마찰력이 함께 나타나게 된다. 따라서 조향 컬럼에서의 마찰력을 구하기 위해서는, 조향컬럼에서의 마찰력과 조향 랙에서의 마찰력(즉, H1/2), 둘 다가 포함된 합성 마찰력H2/2에서 식(2)에 따른 조향 랙에서의 마찰력 H1/2을 감함으로써 다음과 같은 식(3)으로 얻어질 수 있다.
Frictioncolumn= (H2-H1)/2 (3)
핸들이 어느 쪽으로도 회전하지 않은 중립의 위치(0도)에서, 오른쪽으로 회전시킬 때는 도 4의 그래프에서 볼 수 있듯이, +H2/2만큼의 토크가 발생한다. 오른쪽으로 대략 2회전 돌린 후 다시 반대방향으로 회전시켰을 때 핸들이 중립에 위치에 있을 때 조향 전륜의 토크의 크기는 -H2/2만큼의 토크가 발생한다. 그런데, 타이어 측에서 토크를 전혀 가해주지 않은 상태이기 때문에, 이러한 토크는 마찰력 때문에 발생하는 것임을 알 수 있다.
이러한 마찰력의 크기 중에서 앞에서 구한 랙의 마찰력 효과를 감산해주게 되면 조향 컬럼에서의 마찰력의 크기를 구할 수 있게 되는 것이다. 이에 의해 위에 식(3)이 도출되었다.
이상 설명한 바와 같이, 차량을 분해하여 각 부품에 대해 시험할 필요가 없이, 임의의 차량에 대해 조향 시스템의 마찰력들, 즉 조향 랙에서의 마찰력과 조향 컬럼에서의 마찰력을 구할 수 있다.
다음에 이러한 본 발명에 따른 조향 시스템의 마찰력 측정방법을 차량에 적용한 시험예와 차량 주행시에 조향 핸들에서 발생하는 조향 토크에 대한 전산 해석에 대해 이하 기술한다.
본 발명에 따른 조향 시스템의 마찰력 측정방법을 스포츠 유틸리티 차량 또는 SUV 차량을 대상으로 적용하여 시험을 하였다. 첨부한 도 5 및 도 6은, 각각, 도 2 및 도 4와 같은 그래프들로서, 토크 전달함수 그래프 및 조향 전륜 위치에 대한 조향 전륜 토크 그래프이다. SUV 차량에 대해 적용한 시험 데이터는 도 2 및 도 4와 유사한 형태의 그래프들을 보여주었다.
이와 같이 얻어진 시험 데이터를 사용하여 다음의 표와 같이 조향 시스템의 랙과 컬럼에서의 각각의 마찰력들을 전술한 수식을 사용하여 도출할 수 있다.
W 57.17 Nm
H1 1.67 Nm
H2 2.79 Nm
마찰력(랙) 28.59 Nm
마찰력(컬럼) 0.56 Nm
이와 같이 하여 얻어진 데이터를 이용하여 차량 주행시에 조향 핸들에서 발생하는 조향 토크를 전산 해석을 통해 계산할 수 있다. 이러한 전산 해석에 있어서, 당업자는 프로그램을 용이하게 구성할 수 있고, 혹은 상업적으로 구입하여 사용할 수도 있다.
도 7에 보인 그래프는 전산 해석을 통해 얻어진 결과와, 실제 차량에서 센서들을 이용하여 계측을 통해 얻어진 결과를 함께 나타낸 것으로, 이들 두 결과들로 부터 전산 해석에 의해 얻어진 결과가 계측된 결과와 유사함을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에서 제안한 방법을 사용함으로써, 차량의 조향 시스템의 마찰력을 정확하게 추출하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차량의 조향 시스템의 마찰력을 측정하기 위해 설치된 구성의 사진도.
도 2는 전륜에 가해진 모멘트에 따른 조향 전륜에 전달된 토크의 크기를 나타내는 그래프.
도 3은 조향 핸들에서의 토크의 크기를 측정하고, 조향 핸들에 정현파 형태의 입력을 인가하도록 구성된 장치의 사진도.
도 4는 조향 핸들의 회전에 대한 조향 핸들에서 측정된 토크의 크기를 나타낸 그래프.
도 5는 SUV 차량에 적용한 경우에 전륜에 가해진 모멘트에 따른 조향 전륜에 전달된 토크의 크기를 나타내는 그래프.
도 6은 SUV 차량에 적용한 경우에 조향 핸들의 회전에 대한 조향 핸들에서 측정된 토크의 크기를 나타낸 그래프.
도 7은 전산 해석을 통해 얻어진 결과와, 실제 차량에서 센서들을 이용하여 계측을 통해 얻어진 결과를 함께 나타낸 그래프.

Claims (4)

  1. 차량의 조향 시스템의 마찰력 측정방법에 있어서,
    조향핸들은 고정시켜둔 상태에서, 차량의 전륜에 조향 방향으로 모멘트를 가하여 상기 조향 핸들에 전달되는 토크의 크기를 측정하는 단계;
    상기 측정된 토크로부터, 조향 랙에서의 마찰력이 조향 핸들로 전달되었을 때의 마찰력 H1/2을 구하는 단계;
    전륜을 자유롭게 회전되게 한 상태에서, 조향 핸들에 핸들의 회전을 야기할 수 있는 형태의 입력을 인가하면서 조향 핸들에서의 모멘트의 크기를 측정하는 단계;
    상기 단계로부터 조향 컬럼에서의 마찰력 과 상기 H1/2 둘 다가 포함된 합성 마찰력H2/2을 도출하는 단계; 및
    상기 합성 마찰력H2/2에서 상기 H1/2을 감하여 조향 컬럼에서의 마찰력을 도출하는 단계를 포함하는, 차량의 조향 시스템의 마찰력 측정방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조향 핸들에 핸들의 회전을 야기할 수 있는 형태의 입력은 정현파 형태의 입력인, 차량의 조향 시스템의 마찰력 측정방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 조향 랙에서의 마찰력을 구하는 단계는 타이어를 왼쪽 으로 돌려 토크가 0이 되는 타이어 모멘트 지점과, 계속 왼쪽으로 타이어를 회전시킨 후에 다시 타이어를 반대방향으로 돌리기 시작하여 토크가 0이 되는 지점에서 타이어 모멘트의 지점 간의 폭의 반은 랙에서의 마찰력인, 차량의 조향 시스템의 마찰력 측정방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 조향 랙에서의 마찰력을 구하는 단계는 타이어를 왼쪽으로 돌려 토크가 0이 되는 타이어 모멘트 지점에서 조향 전륜에 전달되는 토크와, 계속 왼쪽으로 타이어를 회전시킨 후에 다시 타이어를 반대방향으로 돌리기 시작하여 토크가 0이 되는 지점에서 조향 전륜에 전달되는 토크간의 차의 반은, 조향 랙에서의 마찰력이 조향 핸들로 전달되었을 때의 마찰력 H1/2인, 차량의 조향 시스템의 마찰력 측정방법.
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