KR101314087B1 - 차량 스티어링 시스템 평가 방법 및 스티어링 유닛 평가 시스템 - Google Patents

차량 스티어링 시스템 평가 방법 및 스티어링 유닛 평가 시스템 Download PDF

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케네스 엘. 오브리자예크
잔 디. 소포치
윌리암 케이스 아담스
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지엠 글로벌 테크놀러지 오퍼레이션스 엘엘씨
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Abstract

차량의 스티어링 시스템을 평가하는 방법 및 시스템이 제공되며, 스티어링 시스템은 스티어링 컬럼, 스티어링 랙 및 피니언을 구비한다. 랙은 스티어링 시스템이 시험 시스템 장착됨에 따라 조작된다. 또한, 스티어링 컬럼도 스티어링 시스템이 시험 시스템 장착됨에 따라 조작된다. 데이터는 스티어링 시스템을 평가하는데 사용하기 위힌 랙의 조작과 스티어링 컬럼의 디더링으로부터 수집된다.

Description

차량 스티어링 시스템 평가 방법 및 스티어링 유닛 평가 시스템{Method for Evaluating Steering System of Vehicle and System for Evaluating Steering Unit of Vehicle}
본 개시 내용은 일반적으로 차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량용 스티어링 시스템 평가 방법 및 시스템에 관한 것이다.
차량 스티어링 시스템은 스티어링 휠(steering wheel), 스티어링 컬럼(steering column), 랙(rack) 및 피니언(pinion)과 같은 다양한 부품 및/또는 서브 시스템을 포함한다. 차량 스티어링 시스템 및/또는 이의 다양한 부품 및/또는 서브 시스템을 평가하는 것은 종종 어렵다. 예를 들어, 차량이 동작하고 있을 때, 차량 스티어링 시스템, 그 부품 및/또는 서브 시스템의 특성을 다른 차량 시스템의 동작, 운전자의 차량에 대한 동작 특성, 환경 조건 등과 같은 다른 인자로부터 분리하는 것을 어려울 수 있다.
따라서, 예를 들어 차량 스티어링 시스템이 차량에 통합되기 전에 차량 스티어링 시스템을 시험하는 개선된 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 차량 스티어링 시스템의 시험을 위한 개선된 프로그램 제품 및 개선된 시스템을 제공하는 것이 바람직하다. 더하여, 본 발명의 다른 바람직한 특성 및 특징은 첨부된 도면 및 발명의 배경이 되는 기술과 함께 하기의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용과 첨부된 특허청구범위로부터 자명하게 될 것이다.
예시적인 일 실시예에 따라, 시험 시스템을 이용하여 스티어링 컬럼, 스티어링 랙 및 피니언을 구비하는 차량의 스티어링 시스템을 평가하는 방법이 제공된다. 본 방법은, 시험 시스템에서 랙을 조작하는 단계와, 시험 시스템에서 스티어링 컬럼을 조작하는 단계와, 랙 및 스티어링 컬럼이 스티어링 시스템을 평가하기 위하여 조작되는 동안 데이터를 수집하는 단계를 포함한다.
다른 예시적인 실시예에 따라, 시험 시스템을 이용하여 스티어링 컬럼, 스티어링 랙 및 피니언을 구비하는 차량의 스티어링 시스템을 평가하는 프로그램 제품이 제공된다. 프로그램 제품은 프로그램 및 비일시적인 컴퓨터 판독가능한 매체를 포함한다. 프로그램은 시험 시스템에서 랙을 조작하고, 시험 시스템에서 스티어링 컬럼을 조작하고, 랙 및 스티어링 컬럼이 스티어링 시스템을 평가하기 위하여 조작되는 동안 데이터를 수집하는 것을 용이하게 하도록 구성된다. 비일시적인 컴퓨터 판독가능한 매체는 프로그램을 운반하고, 컴퓨터 프로세서가 프로그램을 실행하게 하기 위한 내부에 저장된 컴퓨터 명령어를 수용한다.
또 다른 예시적인 실시예에 따라, 시험 시스템을 이용하여 스티어링 컬럼, 스티어링 랙 및 피니언을 구비하는 차량용 스티어링 유닛을 평가하는 시스템이 제공된다. 본 시스템은 제1 액추에이터, 제2 액추에이터 및 센서 유닛을 포함한다. 제1 액추에이터는 시험 시스템에서 랙을 조작하도록 구성된다. 제2 액추에이터는 시험 시스템에서 스티어링 컬럼을 조작하도록 구성된다. 센서 유닛은 랙 및 스티어링 컬럼이 스티어링 유닛을 평가하는데 사용하기 위하여 조작되고 있을 때 데이터를 획득하도록 구성된다.
본 개시 내용은 유사한 도면 부호가 유사한 구성 요소를 나타내는 다음의 도면과 함께 설명될 것이다:
도 1은 예시적인 실시예에 따른 예시적인 차량 스티어링 시스템과 함께 도시된 차량 스티어링 시스템 평가를 위한 시험 시스템에 대한 개략도이다;
도 2는 예시적인 실시예에 따른 도 1의 시험 시스템 및 차량 스티어링 시스템과 관련되어 구현될 수 있는 차량 스티어링 시스템 평가 방법에 대한 플로우차트이다; 그리고,
도 3은 예시적인 실시예에 따른 기어 강도, 기어 비, 기어 감도, 기어 임피던스 및 모터비를 포함하는 도 2의 방법의 단계들을 통해 생성된 다양한 복소량비를 나타내는 그래프를 포함한다.
다음의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 본질적으로 단지 예시적이며, 개시 내용 또는 적용례와 그 용도를 제한하려고 의도되지 않는다. 또한, 전술한 발명의 배경이 되는 기술 및 다음의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 제공된 임의의 이론에 의해 구속되려는 어떠한 의도도 없다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 차량 스티어링 시스템(11)을 위한 시험 시스템(10)의 개략도이다. 시험 시스템(10)은 차량 스티어링 시스템(11)과 이의 다양한 부품을, 예를 들어 후술되는 바와 같이, 평가하고 분석하도록 구성된다. 바람직하게는, 시험 시스템(10)은 도 2에 도시되고 이와 관련하여 아래에서 더 설명되는 방법(90)의 단계들을 이용하여 이러한 평가 및 분석을 수행한다.
차량 스티어링 시스템(11)은 스티어링 휠 매스(steering wheel mass)(12), 스티어링 컬럼 어셈블리(14), 랙 하우징(17)을 갖는 랙(16), 제어 피니언(18), 전기 모터(19)(차량 스티어링 시스템(11)이 전자 파워 스티어링 시스템을 포함하는 실시예에서), 보조 피니언(20), 선택적인 하나 이상의 타이 로드(tie rod)(22) 및 중간 샤프트(13)를 포함한다. 스티어링 컬럼 어셈블리(14)는 스티어링 휠 매스(12)에 결합되어, 이에 의해 회전 운동할 수 있다. 스티어링 컬럼 어셈블리(14)는 스티어링 휠 매스(12)의 움직임에 적어도 부분적으로 기초하여 적어도 차량의 휠의 움직임을 용이하게 하도록 구성된다. 구체적으로는, 스티어링 휠 매스(12)의 동작은 스티어링 컬럼 어셈블리(14)와 중간 샤프트(13)의 회전 운동을 발생시키고, 따라서 제어 피니언(18)과 보조 피니언(20)을 통해 랙(16) 및 타이 로드(22)의 평행 운동을 발생시켜, 이에 의해 궁극적으로 차량의 휠의 회전을 발생시킨다. 스티어링 휠 매스(12)는 실제 스티어링 휠일 필요는 없으나, 스티어링 컬럼 어셈블리(14)의 상부단에 부착된 미리 정해지거나 측정가능한 PMI(Polar Moment of Inertia)를 갖는 대표적인 매스(mass)일 수 있다. 차량 내(in-vehicle) 배치에서 시스템을 시험하는데 필요한 것이 아니라면 중간 샤프트(13)는 생략될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 시험 시스템(10)은 베이스(27), 랙 액추에이터(32), 스티어링 입력 액추에이터(34), 랙 포스 센서(rack force sensor)(36), 랙 가속도계(38), 랙 하우징 가속도계(40), 제1 스티어링 휠 가속도계(42), 제2 스티어링 휠 가속도계(44), 스티어링 각도 센서(46) 및 모터 속도 센서(48)를 포함한다. 바람직하게는, 랙 액추에이터(32), 스티어링 입력 액추에이터(34), 랙 포스 센서(36), 랙 가속도계(38), 랙 하우징 가속도계(40), 제1 스티어링 휠 가속도계(42), 제2 스티어링 휠 가속도계(44), 스티어링 각도 센서(46) 및 모터 속도 센서(48)는 각각 베이스(27) 내에 그리고/또는 그 하우징 내에 수용된다. 또한, 바람직하게는, 베이스(27)는 단단한 시험 스탠드 또는 기초(bed) 플레이트를 포함한다. 또한, 바람직하게는, 시험 시스템(10)은 파워 스플라이(power supply)(28)를 포함한다. 예를 들어, 바람직하게는 파워 서플라이(28)는 HPS(hydraulic power supply) 기어가 사용된다면 HPS를 포함한다. 추가적인 예로서, 바람직하게는, 파워 스플라이(28)는 EPS(electric power supply) 기어가 사용된다면 EPS를 포함한다.
랙 액추에이터(32)는 컨트롤러(50)와 랙(16) 사이에 연결된다. 랙 액추에이터(32)는 도 2의 방법(90)의 하나 이상의 단계를 구현하는데 있어서 시험 목적으로 컨트롤러(50)에 의해 (바람직하게는 프로세서(54)에 의해) 랙 액추에이터(32)에 제공된 지시에 기초하여 랙(16)의 평행 운동을 발생시킨다(이에 대하여는 후술한다). 랙 액추에이터(32)의 개수 및/또는 배치는 다른 실시예에서 변경될 수 있다.
스티어링 입력 액추에이터(34)는 컨트롤러(50)와 스티어링 휠 매스(12) 사이에 연결된다. 또한, 바람직하게는, 스티어링 입력 액추에이터(34)는 토션(torsional) 스프링을 포함한다. 스티어링 입력 액추에이터(34)는 컨트롤러(50)에 의해 (그리고 바람직하게는 프로세서(54)에 의해) 스티어링 입력 액추에이터(34)에 제공된 지시에 기초하여 토션 스프링을 통해 스티어링 휠 매스(12)와 스티어링 컬럼 어셈블리(14)의 평행 이동을 발생시킨다(이에 대하여는 후술한다).
랙 포스 센서(36)는 랙(16)과 컨트롤러(50) 사이에 연결된다. 랙 포스 센서(36)는 랙 액추에이터(32)에 의해 랙(16)에 가해진 힘 또는 부하를 측정하여 이를 나타내는 값을 처리를 위하여 컨트롤러(50)에 제공한다.
랙 가속도계(38)는 랙(16)과 컨트롤러(50) 사이에 연결된다. 랙 가속도계(38)는 랙(16)의 측면 가속도를 측정하여 이를 나타내는 값을 처리를 위하여 컨트롤러(50)에 제공한다.
랙 하우징 가속도계(40)는 랙 하우징(17)과 컨트롤러(50) 사이에 연결된다. 랙 하우징 가속도계(40)는 랙 하우징(17)의 측면 가속도를 측정하여 이를 나타내는 값을 처리를 위하여 컨트롤러(50)에 제공한다.
제1 스티어링 휠 가속도계(42)는 스티어링 휠 매스(12)와 컨트롤러(50) 사이에 연결된다. 제1 스티어링 휠 가속도계(42)는 스티어링 휠 매스(12)의 외경에 가까운 제1 부분으로부터 측정된 스티어링 휠 매스(12)의 접선 가속도를 측정하여 이를 나타내는 값을 처리를 위하여 컨트롤러(50)에 제공한다.
또한, 제2 스티어링 휠 가속도계(44)도 스티어링 휠 매스(12)와 컨트롤러(50) 사이에 연결된다. 제2 스티어링 휠 가속도계(44)는 스티어링 휠 매스(12)의 외경에 가까운 제2 부분으로부터 측정된 스티어링 휠 매스(12)의 접선 가속도를 측정하여 이를 나타내는 값을 처리를 위하여 컨트롤러(50)에 제공한다.
바람직하게는, 제1 스티어링 휠 가속도계(42) 및 제2 스티어링 휠 가속도계(44)의 위치는 180도 떨어져 있다. 제1 스티어링 휠 가속도계(42) 및 제2 스티어링 휠 가속도계(44) 사이의 거리는 도 1에서 거리 45로 표시되고, 여기에서는 거리 "D"로 표시한다.
스티어링 각도 센서(46)는 컨트롤러(50)와 스티어링 휠 매스(12) 또는 스티어링 컬럼 어셈블리(14)의 컬럼 샤프트(49) 중 하나 사이에 연결된다. 스티어링 각도 센서(46)는 스티어링 휠 매스(12) 및/또는 스티어링 컬럼 어셈블리(14)의 스티어링 각도를 측정하여 이를 나타내는 값을 처리를 위하여 컨트롤러(50)에 제공한다.
모터 속도 센서(48)는 컨트롤러(50)와 전기 모터(19) 사이에 연결된다. 모터 속도 센서(48)는, 예를 들어 전기 파워 스티어링 시스템에서, 전기 모터(19)의 회전 속도를 측정하여 이를 나타내는 값을 처리를 위하여 컨트롤러(50)에 제공한다.
컨트롤러(50)는 차량 스티어링 시스템(11) 및 이의 부품 및/또는 서브 시스템을 시험하기 위하여 랙 액추에이터(32) 및 스티어링 입력 액추에이터(34)에 연결되어 이를 제어한다. 또한, 컨트롤러(50)는 랙 포스 센서(36), 랙 가속도계(38), 랙 하우징 가속도계(40), 제1 스티어링 휠 가속도계(42), 제2 스티어링 휠 가속도계(44), 스티어링 각도 센서(46) 및 모터 속도 센서(48)에 연결되어 그로부터 데이터를 수신한다. 또한, 바람직하게는, 컨트롤러(50)는 추가 데이터(다른 것들 중에서 차량 속도, 엔진의 분당 회전수(RPM) 등을 포함할 수 있는 차량 파라미터와 같은)를 수신하기 위하여 통신 버스(72)(예를 들어, CAN 버스)를 통해 차량 스티어링 시스템(11)에 대응하는 차량의 엔진 제어 유닛(70)과 동작가능하게 통신한다. 컨트롤러(50)는 다양한 종류의 데이터를 처리하여, 차량 스티어링 시스템(11) 및/또는 그 부품의 시험에 관한 평가 및 분석을 제공한다. 바람직하게는, 컨트롤러(50)는 도 2에 도시되고 이와 관련하여 후술되는 방법(90)의 다양한 단계를 수행하는 동안 이러한 기능들을 수행한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(50)는 컴퓨터 시스템(52)을 포함한다. 컴퓨터 시스템(52)은 프로세서(54), 메모리(56), 인터페이스(58), 저장 장치(60) 및 버스(62)를 포함한다. 프로세서(54)는 컴퓨터 시스템(52) 및 컨트롤러(50)의 계산 및 제어 기능을 수행하며, 임의의 종류의 프로세서 또는 다중 프로세서, 마이크로 프로세서와 같은 단일 집적 회로, 또는 임의의 적합한 개수의 집적 회로 장치 및/또는 처리 유닛의 기능을 달성하기 위하여 협력하여 동작하는 회로 보드를 포함할 수 있다. 동작하는 동안, 프로세서(54)는 메모리(56) 내에 포함된 하나 이상의 프로그램(63)을 실행하고, 그러한 것으로서, 바람직하게는 도 2에 도시되고 이와 관련하여 후술되는 방법(90)과 같은 여기에서 설명되는 방법의 단계들을 실행하는데 있어서 컨트롤러(50) 및 컴퓨터 시스템(52)의 일반적인 동작을 제어한다.
메모리(56)는 임의의 종류의 적합한 메모리일 수 있다. 이것은 SDRAM과 같은 다양한 종류의 DRAM(dynamic random access memory), 다양한 종류의 SRAM(static RAM), 및 다양한 종류의 비휘발성 메모리(PROM, EPROM 및 플래시)를 포함할 수 있다. 버스(62)는 컴퓨터 시스템(52)의 다양한 부품 사이에서 프로그램, 데이터, 상태 및 다른 정보 또는 신호를 전송하는 역할을 한다. 바람직한 실시예에서, 메모리(56)는 전술한 프로그램(63)을 차량 스티어링 시스템(11)과 그 부품 및 서브 시스템을 도 2에 도시되고 이와 관련하여 후술되는 방법(90)의 단계들에 따라 분석하고 평가하는데 사용되는 하나 이상의 저장된 값(64)과 함께 저장한다. 일부 예에서, 메모리(56)는 프로세서(54)와 동일한 컴퓨터 칩에 배치되고 그리고/또는 함께 배치된다.
인터페이스(58)는 예를 들어 시스템 드라이버 및/또는 다른 컴퓨터 시스템으로부터 컴퓨터 시스템(52)으로의 통신을 가능하게 하며, 임의의 적합한 방법 및 장치를 이용하여 구현될 수 있다. 이는 다른 시스템 또는 부품과 통신하기 위하여 하나 이상의 네트워크 인터페이스를 포함할 수 있다. 또한, 인터페이스(58)는 기술자와의 통신을 위한 하나 이상의 네트워크 인터페이스 및/또는 저장 장치(60)와 같은 저장 장치에 연결하기 위한 하나 이상의 저장 인터페이스를 포함할 수 있다.
저장 장치(60)는 하드 디스크 드라이브, 플래시 시스템, 플로피 디스크 드라이브 및 광 디스크 드라이브와 같은 직접 액세스 저장 장치를 포함하는 임의의 적합한 종류의 저장 장치일 수 있다. 예시적인 일 실시예에서, 저장 장치(60)는 도 2의 방법(90) 또는 그 일부와 같은 본 개시 내용의 하나 이상의 방법에 대한 하나 이상의 실시예를 실행하는 프로그램(63)을 메모리(56)에 제공되는 프로그램 제품을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 프로그램 제품은 메모리(56) 및/또는 후술되는 디스크(예를 들어, 디스크(65))에 직접 저장되고 그리고/또는 아니면 메모리(56) 및/또는 디스크에 의해 액세스될 수 있다.
버스(62)는 컴퓨터 시스템 및 부품을 연결하는 임의의 적합한 물리적 또는 논리적 수단일 수 있다. 이는 직접적인 유선 연결, 섬유 광학, 적외선 및 무선 버스 기술을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 동작하는 동안, 프로그램(63)은 메모리(56)에 저장되고 프로세서(54)에 의해 실행된다.
예시적인 본 실시예가 완전히 기능적인 컴퓨터 시스템에 연계하여 설명되지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 개시 내용의 메커니즘은, 컴퓨터 프로세서(프로세서(54)와 같은)가 프로그램을 수행하고 실행시키게 하기 위하여, 프로그램을 운반하고 저장된 컴퓨터 명령어를 포함하는 비일시적인 컴퓨터 판독가능한 매체와 같은, 프로그램과 그 명령어를 저장하고 그 배포를 수행하는데 사용되는 하나 이상의 비일시적인 컴퓨터 판독가능한 신호를 운반하는 매체를 이용하여 프로그램 제품으로서 배포될 수 있다는 것을 인식할 것이라는 것이 이해될 것이다. 이러한 프로그램 제품은 다양한 형태를 취할 수 있으며, 본 개시 내용은 배포를 수행하는데 사용되는 특정 종류의 컴퓨터 판독가능한 신호 운반 매체에 관계없이 균등하게 적용한다. 신호 운반 매체의 예는, 플로피 디스크, 하드 디스크, 메모리 카드 및 광 디스크와 같은 기록가능한 매체, 및 디지털 및 아날로그 통신 링크와 같은 전송 매체를 포함한다. 또한, 유사하게, 컴퓨터 시스템(52)은 도 1에 도시된 실시예와 상이할 수 있다는 것이, 예를 들어 컴퓨터 시스템(52)은 하나 이상의 원격 컴퓨터 시스템 및/또는 다른 제어 시스템에 결합될 수 있거나 아니면 하나 이상의 원격 컴퓨터 시스템 및/또는 다른 제어 시스템을 이용할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 2는 차량 스티어링 시스템과 그 부품 및 서브 시스템을 평가하고 분석하기 위한 방법(90)에 대한 플로우차트이다. 바람직하게는, 방법(90)은 시험 시스템(10), 차량 스티어링 시스템(11) 및 그 부품과 서브 시스템과 관련하여 구현될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 방법(90)은 시험 시스템에 차량 스티어링 시스템을 탑재하는 단계(단계 100)에서 시작한다. 바람직하게는, 차량 스티어링 시스템은 도 1의 차량 스티어링 시스템(11)에 대응하고, 시험 시스템은 도 1의 시험 시스템(10)에 대응한다. 차량 스티어링 시스템(11)은 바람직하게 도 1의 시험 시스템(10)의 베이스(27)에 장착되고, 베이스(27) 바람직하게 단단한 시험 스탠드 또는 기초 플레이트를 포함한다. 바람직하게는, 도 1의 스티어링 휠 매스(12), 스티어링 컬럼 어셈블리(14) 및 랙(16)은 고형의 마운트부를 통해 또는 세트 제조나 실험적인 부싱(bushing)으로 도 1의 베이스(27)에 각각 부착된다.
랙은 시험 시스템에서 조작된다(단계 105). 단계 105 동안, 도 1의 하나 이상의 타이 로드(22) 또는 랙(16)은 바람직하게는 도 1의 차량 스티어링 시스템(11)이 도 1의 시험 시스템(10)의 베이스(27)에 장착될 때 도 1의 프로세스(54)에 의해 제공된 지시를 통해 도 1의 랙 액추에이터(32)에 의해 여기된다. 바람직한 실시예에서, 정현파 형태의 힘의 여기가 타이 로드를 여기하기 위하여 다양한 진폭에서 사용된다. 바람직하게는, 여기 주파수가 다음 주파수로 진행하기 전에 미리 정해진 시간 구간(가장 바람직하게는 대략 16초) 동안 일정하게 유지되는 주파수 드웰(dwell) 입력이 이용된다. 가장 바람직하게는, 이 단계는 5 Hz의 주파수에서 시작하여 30 Hz의 목표 주파수가 도달될 때까지 매 주기마다 1 Hz의 양만큼 증분한다. 소정의 다른 실시예에서, 시작 주파수에서 최종 주파수로 점진적으로 증가하는 주파수의 스윕(sweep) 또는 처프(chirp)가 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 다른 가능한 변형 중에서, 임의의 또는 일정한 주파수 디더링(dither) 신호가 여기에 바로 뒤이어 중첩될 수 있어, 예를 들어 스티어링 시스템에 존재할 수 있는 임의의 정적 마찰(static friction)을 분리하는데 도움을 줄 수 있다. 그러나, 디더링이 일정한 주파수를 가진다면, 시험 결과에 영향을 미치지 않기 위하여 관심 대역에서 충분히 벗어난 주파수에 있어야 한다(즉, 바람직한 실시예에서 5 내지 30 Hz의 밖으로).
또한, 스티어링 컬럼이 시험 시스템에서 조작된다(단계 110). 일 실시예에서, 도 1의 차량 스티어링 시스템(11)이 도 1의 시험 시스템(10)의 베이스(27)에 장착될 때, 도 1의 프로세서(54)에 의해 제공된 지시를 통한 도 1의 스티어링 입력 액추에이터(34)에 의한 도 1의 스티어링 휠 매스(12)의 회전 운동을 통해, 디더링이 도 1의 스티어링 컬럼 어셈블리(14)에 가해진다. 이 대신에, 디더링은 도 1의 차량 스티어링 시스템(11)이 도 1의 시험 시스템(10)의 베이스(27)에 장착될 때, 도 1의 프로세서(54)에 의해 제공된 지시를 통한 도 1의 스티어링 입력 액추에이터(34)에 의해, 디더링이 도 1의 스티어링 컬럼 어셈블리(14)의 컬럼 샤프트(49)에 가해질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 삼각의 각도 변위 신호(triangular angular displacement signal)가 가해진다. 바람직하게는, 삼각의 각도 변위 신호는 +/-10도의 진폭과 대략 16초의 주기를 가진다. 바람직하게는, 삼각의 각도 변위 신호는 도 1의 차량 스티어링 시스템(11)의 자연 응답과 간섭하지 않도록 충분히 낮은 토션 정수를 갖는 도 1의 스티어링 입력 액추에이터(34)의 토션 스프링을 통해 가해진다. 소정의 실시예에서, 단계 110의 디더링은 대신에 힘에 기초할 수 있다. 일 실시예에서, 디더링이 단계 105와 관련하여 전술한 바와 같이 도 1의 랙(16) 및/또는 타이 로드(22)를 통해 도 1의 차량 스티어링 시스템(11)에 가해진다면, 단계 110에서 도 1의 컬럼 샤프트(49) 또는 스티어링 휠 매스(12)에서 디더링을 가하는 것이 필요하지 않을 수 있다.
데이터는 기어에 공급되는 동력(유압 또는 전기)으로 또는 동력 없이 획득될 수 있다. 데이터는 단계 105 및 110의 여기 및 디더링의 인가 동안에 획득된다(단계 115). 바람직하게는, 데이터는 적어도 5개 채널의 데이터를 포함한다: 즉, (i) 랙 포스(rack force) 또는 랙에 가해진 부하(Fr로 나타내며, 바람직하게는 도 1의 랙 포스 센서(36)에 의해 뉴톤 단위로 측정됨); (ii) 랙 가속도 또는 랙의 측면 가속도(Ar로 나타내고, 바람직하게는 도 1의 랙 가속도계(38)에 의해 m/s2 단위로 측정됨); (iii) 하우징 가속도 또는 랙 하우징의 가속도(Ah로 나타내고, 바람직하게는 도 1의 랙 하우징 가속도계(40)에 의해 m/s2 단위로 측정됨); (iv) 제1 스티어링 휠 가속도 또는 제1 각도에서의 외경 근처에서 측정된 스티어링 휠 매스의 접선 가속도(Asw1로 나타내고, 바람직하게는 도 1의 제1 스티어링 휠 가속도계(42)에 의해 m/s2 단위로 측정됨); 및 (v) 제2 스티어링 휠 가속도 또는 제1 각도로부터 대략 180도 떨어진 제2 각도에서의 외경 근처에서 측정된 스티어링 휠 매스의 접선 가속도(Asw2로 나타내고, 바람직하게는 도 1의 제2 스티어링 휠 가속도계(44)에 의해 m/s2 단위로 측정됨).
또한, 소정의 실시예에서, 단계 115 동안, 제6 채널, 즉 모터 속도(Vm으로 나타내고, 바람직하게는 도 1의 모터 속도 센서(48)에 의해 deg/s 단위로 측정됨)가 측정될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 제6 채널은 EPS(electric power steering) 모터의 활동을 조사하기 원할 때만 측정될 필요가 있다.
바람직하게는, 단계 115에서의 모든 데이터는 채널당 그리고 초당 적어도 60 샘플의 속도로 캡쳐된다. 가장 바람직하게는, 단계 115에서의 데이터는 채널당 초당 대략 200 샘플 내지 채널당 초당 대략 2048 샘플의 범위의 더 빠른 속도로 캡쳐될 수 있다.
그 다음, 단계 115로부터의 데이터가 분석된다(조합된 단계 120). 구체적으로는, 조합된 단계 120 동안, 데이터는 바람직하게는 단계 125 내지 180과 관련하여 후술되는 바와 같이 도 1의 프로세서(54)에 의해 처리된다. 이 대신에, 이러한 단계들의 데이터 분석의 일부 또는 모두는 하나 이상의 분리된, 오프라인의 그리고/또는 오프사이트의 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 단계 120은 단계 125 내지 180의 조합이고, 그리고/또는 단계 115 후에 개별적으로 수행될 수 있다.
데이터 분석의 일부로서, 바람직하게는 DC(direct current) 성분이 데이터로부터 각각의 상이한 채널에서 제거된다(단계 125). 이것은 센서 또는 시험 시스템 그 자체에서의 임의의 오프셋 에러를 제거하기 위하여 수행된다.
또한, 스티어링 휠 각가속도가 계산된다(단계 130). 스티어링 휠 각가속도는 시험 절차의 주요 출력 측정값이다. 바람직한 실시예에서, 스티어링 휠 각가속도는 다음의 수학식을 이용하여 계산된다:
Figure 112011101251523-pat00001
.
여기에서, Asw1은 제1 스티어링 휠 가속도이고, Asw2는 제2 스티어링 휠 가속도이고, D는 도 1의 제1 및 제2 스티어링 휠 가속도계(42, 44) 사이의 도 1의 거리(45)이다. 이 수학식은 양 가속도계의 배향이 시계방향으로 양인 것을 가정한다.
바람직하게는, 스티어링 휠 각가속도의 단위는 rad/s2이다. 이 대신에, 스티어링 휠 각가속도는 각가속도 트랜스듀서로 또는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 하나 이상의 다른 방법을 통해 측정될 수 있다.
데이터는 일정한 주파수 데이터 블록으로 세그먼트화된다(단계 135). 바람직한 실시예에서, 주파수 드웰 여기가 사용되고, 드웰 주기는 스티어링 휠 매스의 토션 디더링의 주기와 일치한다. 따라서, 전체 데이터 세트를 일정한 주파수 블록으로 세그먼트화하고 이들 각각을 개별적으로 분석하는 것을 돕기 위하여 레퍼런스로서 스티어링 휠 각도 채널을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 디더링이 시계 방향(CW) 및 반시계 방향(CCW) 모두에서 동일한 시간량(예를 들어, 주기당 8초)을 소비하기 때문에, 데이터는 일정한 주파수 및 방향 블록으로 더 세그먼트화될 수 있다. 이 대신에, 드웰 주기는 획득(acquisition) 타이밍 또는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 알려진 하나 이상의 다른 방법에 의해 결정될 수 있다. 스윕(sweep) 또는 처프(chirp) 절차가 드웰 절차 대신에 사용된다면, 전체 데이터 세트는 바람직하게는 한 번에 분석되며, 데이터 세그먼트화는 필요하지 않다. 또한, 바람직한 실시예에서, 각 데이터 블록은 각 관심 양(quantity of interest)에 대하여 하나의 데이터 포인트를 제공할 것이다.
구동 주파수를 달성하기 위하여 FFT(fast Fourier transform)가 랙 포스에 수행된다. 바람직한 실시예에서, FFT는 데이터 블록의 주파수가 먼저 결정된 후에 수행된다. FFT는 랙 포스 채널에서 부분적으로 수행되며, 이는 이것이 획득된 가장 깔끔하고 그리고/또는 가장 정확한 신호로 종종 고려되기 때문이다. FFT의 크기가 획득에서 사용된 주파수 범위(예를 들어, 5 내지 30 Hz)에 걸쳐 검사되고, 바람직하게는 그 최대값이 결정된다. 이는 바람직하게는 데이터 블록의 구동 주파수에 대응한다. 이 대신에, 소정의 실시예에서, FFT는 프로세스로부터 타이 로드 포스 액추에이터로의 명령 신호와 같은 전압 레퍼런스 채널에 수행될 수 있다. 또한, 소정의 실시예에서 데이터 블록의 데이터 블록의 주파수는 획득 절차에 기초하여 미리 정해져서 이에 따라 분석 루틴으로 통과될 수 있다.
또한, 대역 통과 필터가 적용된다(단계 145). 바람직하게는, 대역 통과 필터는 각 채널에 적용된다. 바람직한 실시예에서, 대역 통과 필터의 코너 주파수는 단계 140에서 확정된 구동 주파수의 0.5 Hz 아래 및 0.5 Hz 위로 설정된다. 바람직하게는, 모든 채널은 필터링된 채널 및 필터링되지 않은 채널 사이의 상대적 왜곡을 방지하도록 이상적으로 필터링된다.
또한, 필터 개시 및 종료 과도 현상을 제거하기 위하여 추가 조작이 수행된다(단계 150). 바람직한 실시예에서, 분석으로부터의 필터 과도 현상은 필터링된 신호의 처음 및 마지막 0.5초를 제거함으로 없어진다. 바람직하게는, 이는 각 채널에 걸쳐 동일한 방법으로 수행된다.
그 다음, 최대 각가속도 시간 포인트가 결정된다(단계 155). 바람직한 실시예에서, 단계 155는 차량 스티어링 시스템에서의 정적 마찰이 실질적으로 차단되고 그리고/또는 소산되었을 때의 순간에 관한 결정을 포함한다. 바람직하게는, 단계 155의 결정은 시스템의 주요 출력, 즉 본 실시예에서는 스티어링 휠 각가속도의 피크 활동을 결정함으로써 달성된다. 이 결정을 달성하기 위하여, 바람직하게는, 필터링된 스티어링 휠 각가속도 시간 트레이스에 관한 검사가 수행되고, 이에 따라 최대값의 시간 포인트가 식별된다.
또한, 제2 원도우가 최대 각가속도 시간 포인트 주위에서 정의된다(단계 160). 바람직한 실시예에서, 완전한 1초의 데이터가 분석을 계속하는데 사용된다. 타임 데이터의 원도우는 최대 시간 포인트 전의 0.5초로부터 최대 시간 포인트 후의 0.5초까지로 정의된다. 최대 시간 포인트가 타임 트레이스의 시작 또는 종료에서 0.5초보다 적다면, 바람직하게는 처음 1초 및 마지막 1초가 분석에서 이용된다. 바람직하게는, 동일한 시간 윈도우가 각 채널에서 정의된다.
그 다음, FFT가 모든 채널에서 수행된다(단계 165). 바람직한 실시예에서, FFT는 1초 블록에 대하여 정의된 데이터만을 이용하여 각 채널에 수행된다. 바람직하게는, 데이터 블록에 대한 구동 주파수에 대응하는 복소량(complex quantity)이 FFT를 이용하여 정의된다.
그 다음, 바람직하게는 복소량비가 다음과 같이 계산된다(단계 170):
Ratio1 = AAsw/Fr;
Ratio2 = AAsw/(Ar - Ah);
Ratio3 = Fr/(Ar - Ah);
Ratio4 = Fr/Ar; 및
Ratio5 = Vm/(Ar - Ah).
그 다음, 바람직하게는 복소량비가 원하는 단위로 다음과 같이 변환된다(단계 175):
기어 감도 = Ratio1 (rad/s2/N)
기어비 = Ratio2 * 180/1000*pi (deg/mm)
기어 강도 = Ratio3 * -(2*pi*Freq)2/1000 (N/mm)
기어 임피던스 = Ratio4 * -(2*pi*Freq)2/1000 (N/mm)
모터비 = Ratio5 * -(2*pi*Freq)/(1000*i) (deg/mm)
도 3을 참조하면, 예시적인 일 실시예에 따라, 도 2의 방법(90)의 단계(175)의 전술한 복소량비에 대한 예시적인 그래프 표현이 제공된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 그래프 표현(300)은 스티어링 휠의 반시계 방향 회전에 따른 제1 기어 강도 크기 그래프(302)와, 스티어링 휠의 시계 방향 회전에 따른 제2 기어 강도 크기 그래프(304)를 포함한다. 제1 그래프 표현(300)에서, x 축은 주파수(Hz 단위)를 나타내고, y 축은 kN/mm 단위의 크기를 나타낸다. 제2 그래프 표현(310)은 스티어링 휠의 반시계 방향 회전에 따른 제1 기어 강도 위상 그래프(312)와, 스티어링 휠의 시계 방향 회전에 따른 제2 기어 강도 위상 그래프(314)를 포함한다. 제2 그래프 표현(310)에서, x 축은 주파수(Hz 단위)를 나타내고, y 축은 위상(각도(degree) 단위)을 나타낸다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 제3 그래프 표현(320)은 스티어링 휠의 반시계 방향 회전에 따른 제1 기어비 크기 그래프(322)와, 스티어링 휠의 시계 방향 회전에 따른 제2 기어비 크기 그래프(324)를 포함한다. 제3 그래프 표현(320)에서, x 축은 주파수(Hz 단위)를 나타내고, y 축은 deg/min 단위의 크기를 나타낸다. 제4 그래프 표현(330)은 스티어링 휠의 반시계 방향 회전에 따른 제1 기어비 위상 그래프(332)와, 스티어링 휠의 시계 방향 회전에 따른 제2 기어비 위상 그래프(334)를 포함한다. 제4 그래프 표현(330)에서, x 축은 주파수(Hz 단위)를 나타내고, y 축은 위상(각도(degree) 단위)을 나타낸다.
또한, 제5 그래프 표현(340)은 스티어링 휠의 반시계 방향 회전에 따른 제1 기어 감도 크기 그래프(342)와, 스티어링 휠의 시계 방향 회전에 따른 제2 기어 감도 크기 그래프(344)를 포함한다. 제5 그래프 표현(340)에서, x 축은 주파수(Hz 단위)를 나타내고, y 축은 deg/s2/N 단위의 크기를 나타낸다. 제6 그래프 표현(350)은 스티어링 휠의 반시계 방향 회전에 따른 제1 기어 감도 위상 그래프(352)와, 스티어링 휠의 시계 방향 회전에 따른 제2 기어 감도 위상 그래프(354)를 포함한다. 제6 그래프 표현(350)에서, x 축은 주파수(Hz 단위)를 나타내고, y 축은 위상(각도(degree) 단위)을 나타낸다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 제7 그래프 표현(360)은 스티어링 휠의 반시계 방향 회전에 따른 제1 기어 임피던스 크기 그래프(362)와, 스티어링 휠의 시계 방향 회전에 따른 제2 기어 임피던스 크기 그래프(364)를 포함한다. 제7 그래프 표현(360)에서, x 축은 주파수(Hz 단위)를 나타내고, y 축은 kN/mm 단위의 크기를 나타낸다. 제8 그래프 표현(370)은 스티어링 휠의 반시계 방향 회전에 따른 제1 기어 임피던스 위상 그래프(372)와, 스티어링 휠의 시계 방향 회전에 따른 제2 기어 임피던스 위상 그래프(374)를 포함한다. 제8 그래프 표현(370)에서, x 축은 주파수(Hz 단위)를 나타내고, y 축은 위상(각도(degree) 단위)을 나타낸다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 제9 그래프 표현(380)은 스티어링 휠의 반시계 방향 회전에 따른 제1 모터비 크기 그래프(382)와, 스티어링 휠의 시계 방향 회전에 따른 제2 모터비 크기 그래프(384)를 포함한다. 제9 그래프 표현(380)에서, x 축은 주파수(Hz 단위)를 나타내고, y 축은 deg/min 단위의 크기를 나타낸다. 제10 그래프 표현(390)은 스티어링 휠의 반시계 방향 회전에 따른 제1 모터비 위상 그래프(392)와, 스티어링 휠의 시계 방향 회전에 따른 제2 모터비 위상 그래프(394)를 포함한다. 제10 그래프 표현(390)에서, x 축은 주파수(Hz 단위)를 나타내고, y 축은 위상(각도(degree) 단위)을 나타낸다.
도 2를 다시 참조하면, 그 다음, 차량 스티어링 시스템 및/또는 이의 다양한 부품 및/또는 서브 시스템이 분석되고 평가된다(단계 180). 구체적으로, 바람직하게는 단계 175의 복소량비를 이용하여 차량 스티어링 시스템과 이의 다양한 부품 및/또는 서브 시스템의 컨디션에 대한 판단이 이루어진다. 구체적으로, 바람직한 일 실시예에서, 차량 스티어링 시스템(및/또는 이의 부품 및/또는 서브 시스템)은 다음의 각 조건이 만족되면 허용가능한 것으로 판단된다: (i) 기어 감도는 미리 정해진 제1 임계값보다 작다; (ii) 기어비는 미리 정해진 제2 임계값보다 작다; (iii) 기어 강도는 미리 정해진 제3 임계값보다 크다; 그리고, (iv) 기어 임피던스는 미리 정해진 제4 임계값보다 크다. 반대로, 이러한 조건 중 하나 이상이 만족되지 않으면, 차량 시스템 및/또는 이의 하나 이상의 부품 및/또는 서브 시스템에 관한 추가 조사 및/또는 개선책이 수행될 수 있다.
개시된 방법 및 시스템은 도면에 도시되고 여기에서 설명된 것과 다를 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 도 1의 컨트롤러(50), 컴퓨터 시스템(52) 및/또는 이들의 부분 및/또는 부품은 다수의 상이한 차량 유닛, 장치 및/또는 시스템 중 임의의 하나 이상에서 전체적으로 또는 부분적으로 배치될 수 있다. 또한, 방법(90)의 소정의 단계는 도 2에 도시되고 그리고/또는 이와 관련하여 설명된 것과 다를 수 있다는 것이 이해될 것이다. 유사하게, 방법(90)의 소정의 단계는 동시에 또는 도 2에 도시되고 그리고/또는 이와 관련하여 설명된 것과 다른 순서로 일어날 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 그래프 표현(300, 310, 320, 330, 340, 350, 360, 370, 380, 390)은 도 2에 도시되고 그리고/또는 이와 관련하여 설명된 것과 다를 수 있다는 것이 이해될 것이다. 유사하게, 개시된 방법 및 시스템은 임의의 개수의 상이한 종류의 자동차, 세단, SUV, 트럭, 및/또는 임의의 개수의 다른 상이한 종류의 차량과 관련하여 그리고 다수의 상이한 종류의 차량 스티어링 시스템 중 임의의 하나 이상을 제어하는데 구현되고 그리고/또는 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
따라서, 차량 스티어링 시스템 및 이의 부품과 서브 시스템을 평가하고 분석하는 방법, 프로그램 제품 및 시스템이 제공된다. 개시된 방법, 프로그램 제품은 차량 스티어링 시스템이 차량으로 제공되기 전에 이러한 평가 및 시험이 개선된 방법으로 수행되게 한다.
적어도 하나의 예시적인 실시예가 전술한 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 설명되었지만, 많은 변형이 존재한다는 것이 이해되어야만 한다. 또한, 예시적인 실시예 또는 예시적인 실시예들은 단지 예이며, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위, 적용 또는 구성을 제한하려고 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 오히려, 전술한 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 예시적인 실시예 또는 예시적인 실시예들을 구현하기 위한 편리한 로드맵을 제공할 것이다. 첨부된 특허청구범위 및 그 법적 균등물에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 구성 요소의 기능 및 배치에 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야만 한다.

Claims (10)

  1. 시험 시스템을 이용하여 스티어링 컬럼, 스티어링 랙 및 피니언을 구비하는 차량의 스티어링 시스템을 평가하는 방법에 있어서,
    상기 시험 시스템에서 상기 랙을 조작하는 단계;
    상기 시험 시스템에서 상기 스티어링 컬럼을 조작하는 단계;
    상기 랙 및 상기 스티어링 컬럼이 상기 스티어링 시스템을 평가하기 위하여 조작되는 동안 데이터를 수집하는 단계;
    상기 데이터에 대해 최대 각가속도 시간을 결정하는 단계; 및
    상기 최대 각가속도 시간에 대응하는 윈도우에 대응하는 상기 데이터의 부분을 사용하여 상기 스티어링 시스템에 관계된 값을 계산하는 단계
    를 포함하는,
    스티어링 시스템 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스티어링 시스템은 스티어링 휠 매스를 포함하고,
    상기 시험 시스템은 액추에이터를 포함하고,
    상기 스티어링 컬럼을 조작하는 단계는,
    상기 시험 시스템에서 상기 스티어링 휠 매스를 디더링하는 단계
    를 포함하는,
    스티어링 시스템 평가 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 데이터를 수집하는 단계는,
    상기 랙이 조작되고 있을 때 상기 랙에 인가된 힘을 측정하는 단계
    를 포함하는,
    스티어링 시스템 평가 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 데이터를 수집하는 단계는,
    상기 랙이 조작되고 있을 때 상기 랙의 가속도를 측정하는 단계
    를 더 포함하는,
    스티어링 시스템 평가 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스티어링 시스템은 스티어링 휠 매스를 포함하고,
    상기 데이터를 수집하는 단계는,
    상기 스티어링 컬럼이 조작되고 있을 때 상기 스티어링의 가속도를 측정하는 단계
    를 더 포함하는,
    스티어링 시스템 평가 방법
  6. 제5항에 있어서,
    상기 계산된 값은 상기 스티어링 시스템의 강도, 상기 스티어링 시스템의 임피던스, 상기 스티어링 시스템의 감도 및 상기 스티어링 시스템의 모터비로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
    스티어링 시스템 평가 방법.
  7. 스티어링 컬럼, 스티어링 랙 및 피니언을 구비하는 차량용 스티어링 유닛을 평가하는 시스템에 있어서,
    시험 시스템에서 상기 랙을 조작하도록 구성된 제1 액추에이터;
    상기 시험 시스템에서 상기 스티어링 컬럼을 조작하도록 구성된 제2 액추에이터;
    상기 랙 및 상기 스티어링 컬럼이 상기 스티어링 유닛을 평가하는데 사용하기 위하여 조작되고 있을 때 데이터를 획득하도록 구성된 센서 유닛; 및
    상기 데이터에 대한 최대 각 가속도 시간을 결정하고,
    상기 최대 각 가속도 시간에 대응하는 윈도우에 대응하는 상기 데이터의 부분을 사용하여 상기 스티어링 유닛에 관계된 값을 계산하도록 구성된 프로세서
    를 포함하는,
    스티어링 유닛 평가 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 센서 유닛은,
    상기 랙이 조작되고 있을 때 상기 랙에 인가된 힘을 측정하도록 구성된 제1 센서; 및
    상기 랙이 조작되고 있을 때 상기 랙의 가속도를 측정하도록 구성된 제2 센서
    를 포함하는,
    스티어링 유닛 평가 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 스티어링 유닛은 스티어링 휠 매스를 포함하고,
    상기 제2 액추에이터는 상기 시험 시스템에서 상기 스티어링 휠 매스를 디더링하여 상기 스티어링 컬럼을 조작하도록 구성된,
    스티어링 유닛 평가 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 계산된 값은 상기 스티어링 유닛의 강도, 상기 스티어링 유닛의 임피던스, 상기 스티어링 유닛의 감도 및 상기 스티어링 유닛의 모터비로 구성된 그룹으로부터 선택되는,
    스티어링 유닛 평가 시스템.
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