KR101504253B1 - 차량용 액추에이터 - Google Patents

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KR101504253B1
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stabilizer bar
vehicle
actuator
housing
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박경열
김영광
박준성
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현대모비스 주식회사
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Abstract

본 발명은 능동 롤 제어가 가능한 차량에서 감속기의 백래시를 저감시키는 백래시 저감 기구를 이용하여 차체의 자세를 안정적으로 제어할 수 있는 백래시 저감 기구 및 이를 구비하는 차량용 액추에이터를 제안한다. 또한 본 발명은 능동 롤 제어가 가능한 차량에서 토션 댐퍼를 구비한 액추에이터로 차체의 자세를 안정적으로 제어할 수 있는 토션 댐퍼 및 이를 구비하는 차량용 액추에이터를 제안한다. 또한 본 발명은 능동 롤 제어가 가능한 차량에서 동심 정렬 가공부를 구비한 액추에이터로 비틀림력을 발생시켜 스태빌라이저 바를 통해 좌우 쏠림을 보상하는 동심 정렬 가공부 및 이를 구비하는 차량용 액추에이터를 제안한다.

Description

차량용 액추에이터 {Actuator of vehicle}
ARS(Active Roll Stabilizer)는 스태빌라이저 바(Stabilizer Bar)의 강성을 변화시켜 차량의 안전성 및 승차감을 증대시키는 장치이다. 이러한 ARS는 차량의 선회시 차량 롤을 억제하여 안정성을 증대시키거나 전/후륜의 롤 강성을 배분함으로써 차량의 횡방향 자세를 제어한다. 또한 ARS는 차량의 직진 주행시 스태빌라이저 바의 강성을 저감시켜 노면으로부터의 충격을 저감시킴으로써 승차감을 개선시킬 수 있다. 본 발명은 ARS에 적용되는 액추에이터에 관한 것이다.
스태빌라이저 바는 차체의 롤 모션을 억제하여 차체의 평형을 유지시키는 일종의 비틀림 스프링이다. 그래서 스태빌라이저 바는 좌우 선회시나 거친 노면을 주행할 때 원심력에 의해 발생되는 쏠림 현상을 감소시키기 위해 차량의 독립식 현가 장치로써 적용되고 있다. 스태빌라이저 바가 차량에 장착되면 비틀림 각을 통해 주행 안정성을 높여 승차감을 향상시킬 수가 있다.
최근 들어 스태빌라이저 바의 중앙이나 링크의 움직임을 조절하기 위해 액추에이터(Actuator)가 이용되고 있다. 액추에이터는 전기 모터, 유압 모터, 전자석 등의 전기 에너지를 기계적 힘으로 바꾸기 위한 기계 부품을 말한다.
그런데 차량이 비정상적인 노면을 주행할 때 급격한 휠의 움직임에 따라 액추에이터 내부로 임팩트(impact)가 가해지는 경우 액추에이터의 내구성에 악영향을 끼칠 수 있다. 그래서 종래에는 충격 완화를 위해 고무 부시가 삽입되었는데, 고무 부시는 내구성이 떨어질 뿐만 아니라 성능 튜닝에도 어려움이 따른다.
미국공개특허 제2010-0187778호는 전동식 능동 롤 제어 장치에 대하여 기술하고 있다. 그런데 이 장치는 동력 전달 수단으로 차동 유성 기어와 다단 유성 기어를 사용하고 있어 기어 백래시에 의해 발생되는 좌우 스태빌라이저 바의 유격이 발생되는 구조를 가진다.
또한 한국공개특허 제2011-0076832호는 차량용 액추에이터에 대하여 기술하고 있다. 그런데 이 액추에이터는 웨이스트 게이트 밸브(waste gate valve)를 선택적으로 개폐시켜 배기압을 조절할 수는 있으나 차체의 자세를 안정적으로 제어하는 것은 불가능하다.
한편 종래 능동형 스태빌라이저 바는 좌우 스태빌라이저로 구성된다. 한국공개특허 제2008-0040058호는 이러한 스태빌라이저 바를 기술하고 있다. 그런데 이러한 능동형 스태빌라이저 바는 좌우 스태빌라이저 간 동축이나 각종 기어 장치들이 정렬될 때 동축 정밀도가 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 능동 롤 제어가 가능한 차량에서 감속기의 백래시를 저감시키는 백래시 저감 기구를 이용하여 차체의 자세를 안정적으로 제어할 수 있는 백래시 저감 기구 및 이를 구비하는 차량용 액추에이터를 제안하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 능동 롤 제어가 가능한 차량에서 토션 댐퍼를 구비한 액추에이터로 차체의 자세를 안정적으로 제어할 수 있는 토션 댐퍼 및 이를 구비하는 차량용 액추에이터를 제안하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 능동 롤 제어가 가능한 차량에서 동심 정렬 가공부를 구비한 액추에이터로 비틀림력을 발생시켜 스태빌라이저 바를 통해 좌우 쏠림을 보상하는 동심 정렬 가공부 및 이를 구비하는 차량용 액추에이터를 제안하는 것을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해 안출된 것으로서, 하우징의 일측에 고정되는 고정형 스태빌라이저 바; 상기 하우징의 타측으로 회전 가능하게 결속되는 회전형 스태빌라이저 바; 선기어, 유성기어 및 캐리어를 포함하며 상기 하우징의 내부에 구비되는 다단 유성기어 세트; 전원이 인가되면 자력을 발생시키는 스테이터와 상기 자력으로 회전하는 로터를 포함하며 상기 하우징의 내부에 구비되는 모터; 및 상기 선기어에 하중을 가하여 상기 고정형 스태빌라이저 바와 상기 회전형 스태빌라이저 바의 유격을 저감시키기 위한 감속기의 백래시를 제어하는 백래시 저감 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터를 제안한다.
바람직하게는, 상기 백래시 저감 기구는, 상기 고정형 스태빌라이저 바의 일단에 장착되는 로크 너트; 상기 모터를 관통하며 상기 선기어의 일단에 밀접하는 푸시 로드; 및 일단이 로크 너트에 접촉하고 타단이 푸시 로드에 접촉하며 탄성력에 의한 하중을 상기 로크 너트와 상기 푸시 로드에 가하는 스프링을 포함한다.
바람직하게는, 상기 백래시 저감 기구는, 상기 로크 너트와 상기 스프링 사이에 삽입되어 상기 푸시 로드의 회전을 지원하는 볼을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 차량용 액추에이터는 차량의 일측 바퀴에 결합되는 상기 고정형 스태빌라이저 바와 상기 차량의 타측 바퀴에 결합되는 상기 회전형 스태빌라이저 바를 연결시키며 상기 차량의 자세를 제어한다.
바람직하게는, 상기 회전형 스태빌라이저 바는 상기 고정형 스태빌라이저 바의 축 상 내부에 베어링으로 조립된다.
바람직하게는, 상기 다단 유성기어 세트는 상기 하우징의 내부에서 상기 회전형 스태빌라이저 바에 연결되며, 상기 모터는 상기 하우징의 내부에서 상기 고정형 스태빌라이저 바와 상기 다단 유성기어 세트 사이에 구비된다.
바람직하게는, 상기 캐리어는 상기 유성기어를 고정하며 베어링에 의해 지지된다.
또한 본 발명은 하우징의 일측에 고정되는 고정형 스태빌라이저 바의 일단에 장착되는 로크 너트; 상기 하우징의 내부에 구비되며 전원이 인가되면 자력을 발생시키는 스테이터와 상기 자력으로 회전하는 로터를 포함하는 모터를 관통하며 상기 하우징의 내부에 구비되며 다단 유성기어 세트를 구성하는 선기어의 일단에 밀접하는 푸시 로드; 및 일단이 로크 너트에 접촉하고 타단이 푸시 로드에 접촉하며 탄성력에 의한 하중을 상기 로크 너트와 상기 푸시 로드에 가하는 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 백래시 저감 기구를 제안한다.
바람직하게는, 상기 백래시 저감 기구는 상기 로크 너트와 상기 스프링 사이에 삽입되어 상기 푸시 로드의 회전을 지원하는 볼을 더 포함한다.
또한 본 발명은 하우징의 일측에 고정되는 고정형 스태빌라이저 바; 상기 하우징의 타측으로 회전 가능하게 결속되는 회전형 스태빌라이저 바; 선기어, 유성기어 및 캐리어를 포함하며 상기 하우징의 내부에 구비되는 다단 유성기어 세트; 전원이 인가되면 자력을 발생시키는 스테이터와 상기 자력으로 회전하는 로터를 포함하며 상기 하우징의 내부에 구비되는 모터; 및 상기 회전형 스태빌라이저 바가 결속되는 상기 하우징의 타측 상에서 댐핑 기능을 하는 토션 댐퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터를 제안한다.
바람직하게는, 상기 캐리어는 일방향으로 회전 가능한 것으로서, 내측면에 미리 정해진 간격마다 제1 돌출부들이 길이 방향으로 연장 형성된다.
바람직하게는, 상기 토션 댐퍼는, 파이프 형태의 몸체를 구비하며, 상기 제1 돌출부들 사이의 홈에 끼움 형성되는 제2 돌출부들이 상기 몸체의 외표면 상에 형성된 허브; 제1 돌출부와 제2 돌출부 사이에 상기 홈에 의해 마련된 공간에 삽입 형성되는 댐핑부들을 구비하는 러버 댐퍼; 및 각 댐핑부의 관통공에 결합 형성되는 스프링을 포함한다.
바람직하게는, 상기 러버 댐퍼는 상기 제1 돌출부 또는 상기 제2 돌출부에 접촉하는 각 댐핑부의 면 상에 형성된 적어도 하나의 돌기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 차량용 액추에이터는 상기 허브를 상기 회전형 스태빌라이저 바에 고정시키는 써클립; 상기 하우징과 상기 회전형 스태빌라이저 바의 결속으로 생성된 틈을 밀폐시키는 록킹 너트; 및 상기 토션 댐퍼와 상기 회전형 스태빌라이저 바의 결속으로 생성된 틈을 밀폐시키는 씰 중 적어도 하나를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 캐리어는 상기 유성기어를 고정하며 베어링에 의해 지지된다.
바람직하게는, 상기 모터에 의해 생성된 토크는 상기 캐리어와 상기 허브를 차례대로 거쳐 상기 회전형 스태빌라이저 바로 전달된다.
바람직하게는, 상기 차량용 액추에이터는 차량의 일측 바퀴에 결합되는 상기 고정형 스태빌라이저 바와 상기 차량의 타측 바퀴에 결합되는 상기 회전형 스태빌라이저 바를 연결시키며 상기 차량의 자세를 제어한다.
또한 본 발명은 차량의 일측 바퀴에 결합되는 고정형 스태빌라이저 바와 상기 차량의 타측 바퀴에 결합되는 회전형 스태빌라이저 바의 연결선 상에서 상기 차량의 자세를 제어하는 차량용 액추에이터를 스프링, 러버 및 허브 중 적어도 하나로 댐핑하는 것을 특징으로 하는 토션 댐퍼를 제안한다.
바람직하게는, 상기 토션 댐퍼는, 파이프 형태의 몸체를 구비하며, 상기 차량용 액추에이터에서 유성기어를 고정하는 캐리어의 내측면에 형성된 제1 돌출부들 사이의 홈에 끼움 형성되는 제2 돌출부들이 상기 몸체의 외표면 상에 형성된 허브; 제1 돌출부와 제2 돌출부 사이에 상기 홈에 의해 마련된 공간에 삽입 형성되는 댐핑부들을 구비하는 러버 댐퍼; 및 각 댐핑부의 관통공에 결합 형성되는 스프링을 포함한다.
또한 본 발명은 하우징의 일측에 고정되는 고정형 스태빌라이저 바; 상기 하우징의 타측으로 회전 가능하게 결속되는 회전형 스태빌라이저 바; 선기어, 유성기어 및 캐리어를 포함하며 상기 하우징의 내부에 구비되는 다단 유성기어 세트; 전원이 인가되면 자력을 발생시키는 스테이터와 상기 자력으로 회전하는 로터를 포함하며 상기 하우징의 내부에 구비되는 모터; 및 상기 다단 유성기어 세트를 구성하는 선기어들 간에 미리 정해진 동심도가 형성된 동심 정렬 가공부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터를 제안한다.
바람직하게는, 상기 동심 정렬 가공부는 경사 가공 또는 쐐기형 가공을 통해 상기 동심도가 형성된다.
바람직하게는, 상기 다단 유성기어 세트는, 상기 모터에 인접하는 1단 기어; 상기 회전형 스태빌라이저 바의 일단에 밀착되는 3단 기어; 및 상기 1단 기어와 상기 3단 기어 사이에 형성되는 2단 기어를 포함하며, 상기 1단 기어, 상기 2단 기어 및 상기 3단 기어는 헬리컬 기어, 헬리컬 기어 및 평기어로 구성되거나, 헬리컬 기어, 평기어 및 평기어로 구성된다.
또한 본 발명은 하우징의 일측에 고정되는 고정형 스태빌라이저 바; 상기 하우징의 타측으로 회전 가능하게 결속되는 회전형 스태빌라이저 바; 선기어, 유성기어 및 캐리어를 포함하며 상기 하우징의 내부에 구비되는 다단 유성기어 세트; 및 전원이 인가되면 자력을 발생시키는 스테이터와 상기 자력으로 회전하는 로터를 포함하며 상기 하우징의 내부에 구비되는 모터를 포함하며, 상기 선기어에 하중을 가하여 상기 고정형 스태빌라이저 바와 상기 회전형 스태빌라이저 바의 유격을 저감시키기 위한 감속기의 백래시를 제어하는 백래시 저감 기구; 상기 회전형 스태빌라이저 바가 결속되는 상기 하우징의 타측 상에서 댐핑 기능을 하는 토션 댐퍼; 및 상기 다단 유성기어 세트를 구성하는 선기어들 간에 미리 정해진 동심도가 형성된 동심 정렬 가공부 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터를 제안한다.
또한 본 발명은 차량의 일측 바퀴에 연결되는 고정형 스태빌라이저 바와 상기 차량의 타측 바퀴에 연결되는 회전형 스태빌라이저 바를 연결시키며 상기 차량의 자세를 제어하는 액추에이터; 운행시 상기 차량에 장착된 센서들로부터 얻은 센싱 정보들을 기초로 상기 차량의 롤 각을 검출하는 제1 전자 제어 장치; 및 상기 롤 각을 보상하기 위한 토크를 산출하며, 상기 토크를 기초로 상기 액추에이터를 제어하는 제2 전자 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 자세 제어 장치를 제안한다.
바람직하게는, 상기 액추에이터는, 하우징의 일측에 고정되는 고정형 스태빌라이저 바; 상기 하우징의 타측에 회전 가능하게 장착되는 회전형 스태빌라이저 바; 선기어, 유성기어 및 캐리어를 포함하며 상기 하우징의 내부에 구비되는 다단 유성기어 세트; 및 전원이 인가되면 자력을 발생시키는 스테이터와 상기 자력으로 회전하는 로터를 포함하며 상기 하우징의 내부에 구비되는 모터를 포함한다.
바람직하게는, 상기 회전형 스태빌라이저 바는 상기 고정형 스태빌라이저 바의 축 상 내부에 베어링으로 조립된다.
바람직하게는, 상기 다단 유성기어 세트는 상기 하우징의 내부에서 상기 회전형 스태빌라이저에 연결되며, 상기 모터는 상기 하우징의 내부에서 상기 고정형 스태빌라이저 바와 상기 다단 유성기어 세트 사이에 구비된다.
바람직하게는, 상기 차량 자세 제어 장치는 상기 모터를 구동 제어하며 상기 하우징의 내부에서 상기 모터와 상기 고정형 스태빌라이저 바 사이에 위치되는 엔코더; 및 위치 측정용 센서로서 상기 회전형 스태빌라이저 바 상에 부착되는 위치 센서를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 전자 제어 장치는 상기 센싱 정보들로 상기 차량의 속도, 상기 차량의 가속도, 상기 차량의 요레이트, 및 상기 차량의 스티어링 휠 각을 이용한다.
바람직하게는, 상기 제1 전자 제어 장치는 상기 롤 각으로 상기 차량이 선회할 때 발생되는 비틀림 각을 검출한다.
또한 본 발명은 차량이 운행되면 상기 차량에 장착된 센서들로부터 센싱 정보들을 획득하는 센싱 정보 획득 단계; 상기 센싱 정보들을 기초로 상기 차량의 롤 각을 검출하는 롤 각 검출 단계; 검출된 롤 각을 보상하기 위한 토크를 산출하는 토크 산출 단계; 및 상기 토크를 이용하여 상기 차량의 일측 바퀴에 연결되는 고정형 스태빌라이저 바와 상기 차량의 타측 바퀴에 연결되는 회전형 스태빌라이저 바의 사이에 위치되는 액추에이터를 제어하는 액추에이터 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 자세 제어 방법을 제안한다.
바람직하게는, 상기 센싱 정보 획득 단계는 상기 센싱 정보들로 상기 차량의 속도, 상기 차량의 가속도, 상기 차량의 요레이트, 및 상기 차량의 스티어링 휠 각을 획득한다.
바람직하게는, 상기 롤 각 검출 단계는 상기 롤 각으로 상기 차량이 선회할 때 발생되는 비틀림 각을 검출한다.
본 발명은 능동 롤 제어가 가능한 차량에서 감속기의 백래시를 저감시키는 백래시 저감 기구를 이용하여 차체의 자세를 안정적으로 제어함으로써 다음 효과를 얻을 수 있다. 첫째, 감속기 백래시를 통하여 발생되는 좌우 스태빌라이저 바의 유격을 제거하여 차량의 상품성을 증대시킬 수 있다. 둘째, 유격에 의한 이음 발생을 제거할 수 있다.
또한 본 발명은 능동 롤 제어가 가능한 차량에서 토션 댐퍼를 구비한 액추에이터로 차체의 자세를 안정적으로 제어함으로써 다음 효과를 얻을 수 있다. 첫째, 능동 롤 제어가 가능한 차량에서 토션 댐퍼를 구비한 액추에이터로 차체의 자세를 안정적으로 제어할 수 있다. 둘째, 액추에이터에 충격성 토크가 적용되는 경우 제품의 내구성 및 승차감에 불리할 수 있다. 본 발명은 3단계에 걸쳐 단계적 댐핑을 구현함으로써 임팩트를 최소화할 수 있으며, 많은 튜닝 인자로 인해 정밀한 최적화가 가능해진다. 셋째, 차량 쏠림 현상을 방지하여 승차감을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 능동 롤 제어가 가능한 차량에서 동심 정렬 가공부를 구비한 액추에이터로 비틀림력을 발생시켜 스태빌라이저 바를 통해 좌우 쏠림을 보상함으로써 다음 효과를 얻을 수 있다. 첫째, 스태빌라이저 바의 비틀림 각도를 조절하여 차체에서 발생하는 좌우로 쏠리는 롤링을 최소화하여 능동 롤링 억제 효과를 구현 가능하다. 둘째, 롤링 억제로 인해 승객이 느끼는 안정감을 향상시킬 수 있다. 셋째, 코너링시 차량의 쏠림으로 인하여 승객들의 불편함을 제거하여 승차감을 향상시킬 수 있다.
도 1은 ARS(Active Roll Stabilizer) 시스템이 장착된 차량의 하부 개략도이다.
도 2는 ARS 시스템이 장착된 차량과 ARS 시스템이 장착되지 않은 차량을 비교한 비교도이다.
도 3은 차량에 장착되는 ARS 시스템에 대한 제1 예시도이다.
도 4와 도 5는 차량에 장착되는 ARS 시스템에 대한 제2 예시도이다.
도 6은 차량 선회에 따른 롤 각의 변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 차량에 장착된 ARS 시스템의 기능도이다.
도 8은 본 발명이 적용되지 않은 차량의 구동을 설명하기 위한 참고도이다.
도 9는 본 발명이 적용된 차량의 구동을 설명하기 위한 참고도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 액추에이터의 내부 구성을 도시한 단면도이다.
도 11은 제1 실시예에 따른 액추에이터에 구비되는 백래시 저감 기구의 분해 사시도이다.
도 12 내지 도 14는 제1 실시예에서 기어 백래시 저감 원리를 설명하기 위한 참고도이다.
도 15는 제1 실시예에 따른 액추에이터를 이용한 차량 자세 제어 방법을 설명한 흐름도이다.
도 16은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 액추에이터의 내부 구성을 도시한 단면도이다.
도 17은 제2 실시예에 따른 액추에이터에 구비되는 토션 댐퍼의 분해 사시도이다.
도 18은 도 16에서 A 부분을 확대한 확대도이다.
도 19는 도 18에서 B-B 부분에 대한 단면도이다.
도 20은 제2 실시예에 따른 액추에이터를 이용한 차량 자세 제어 방법을 설명한 흐름도이다.
도 21은 단계별로 입력 토크와 출력 토크를 비교한 그래프이다.
도 22는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 액추에이터의 내부 구성을 도시한 단면도이다.
도 23과 도 24는 제3 실시예에 따른 액추에이터에 구비되는 동심 정렬 가공부의 구동 원리를 설명하기 위한 참고도이다.
도 25와 도 26은 제3 실시예에 따른 액추에이터에 구비되는 다단 유성기어 세트의 특징을 설명하기 위한 참고도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한한 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. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 ARS(Active Roll Stabilizer) 시스템이 장착된 차량의 하부 개략도이다. 그리고 도 2는 ARS 시스템이 장착된 차량과 ARS 시스템이 장착되지 않은 차량을 비교한 비교도이다.
ARS 시스템은 스태빌라이저 바(Stabilizer Bar)의 강성을 가변시켜 차량의 안전성 및 승차감을 증대시키는 장치이다. ARS 시스템은 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 차량의 선회시 차량 롤을 억제하여 안정성을 증대시키거나 전/후륜의 롤 강성을 배분함으로써 차량의 횡방향 자세를 제어한다. 도 2의 (b)는 ARS 시스템이 장착되지 않은 차량의 예시이다.
또한 ARS 시스템은 차량의 직진 주행시 스태빌라이저 바의 강성을 저감시켜 노면으로부터의 충격을 저감시킴으로써 승차감도 개선시킨다.
도 2의 (a)와 같이 ARS 시스템이 장착된 차량은 액추에이터(110)와 두 스태빌라이저 바들(120, 130)을 포함한다. 액추에이터(110)는 전동 로터리 액추에이터로 구현될 수 있다. 두 스태빌라이저 바들(120, 130) 중에서 어느 하나는 고정형 스태빌라이저 바로 구현되고, 다른 하나는 회전형 스태빌라이저 바로 구현될 수 있다. 두 스태빌라이저 바들(120, 130) 모두 회전형 스태빌라이저 바로 구현되는 것도 가능하다.
본 발명이 적용되는 차량은 ARS 시스템이 장착된 차량으로서, ARS 시스템을 이용하여 차량의 자세를 제어한다. 도 3은 차량에 장착되는 ARS 시스템에 대한 제1 예시도이다.
전륜 ARS(Front ARS; 211)는 두 전륜들(FR, FL)을 연결시키는 스태빌라이저 바의 비틀림력을 조절하기 위한 로터리 액추에이터이다. 그리고 후륜 ARS(Rear ARS; 212)는 두 후륜들(RR, RL)을 연결시키는 스태빌라이저 바의 비틀림력을 조절하기 위한 로터리 액추에이터이다.
액추에이터 ECU(220)는 전륜 ARS(211)의 액추에이터와 후륜 ARS(212)의 액추에이터를 구동시키기 위한 ECU이다.
브레이크 ECU(240)는 ABS(Anti-lock Brake System), ESC(Electronic Stability Control) 등 브레이크와 관련된 동작을 위한 ECU이다. 휠 스피드 센서(Wheel Speed Sensor)는 속도, 전진, 후진, 선회, 정지 등 차량의 상태를 판단하는 센서이다. 휠 스피드 센서에 의해 측정된 값은 브레이크 ECU(240)로 입력된다.
스티어링 휠 ECU(250)는 차량의 조향 상태를 판단하기 위한 ECU이다. 조향각 센서(Steering Angle Sensor)는 전륜의 좌우로 스티어링 휠이 감긴 위치 등 조향각에 따른 차량의 상태를 판단하기 위해 필요한 센서이다. 조향각 센서에 의해 측정된 값은 스티어링 휠 ECU(250)로 입력된다.
YR(Yaw Rate sensor; 231)은 차량 수직 축의 동작 판단을 위한 센서이다. YR(231)은 z축 상의 회전을 감지한다.
XG(X axis G sensor; 232)는 차량의 전진 및 후진 가속을 판단하기 위한 가속도 센서이다.
YG(Y axis G sensor; 233)는 차량의 폭 방향 가속을 판단하기 위한 가속도 센서이다.
도 4와 도 5는 차량에 장착되는 ARS 시스템에 대한 제2 예시도이다.
도 3에 도시된 ARS 시스템 즉, 제1 실시예에 따른 ARS 시스템에서는 한개의 ECU가 전륜 ARS와 후륜 ARS를 모두 제어한다. 반면 도 4와 도 5에 도시된 ARS 시스템 즉, 제2 실시예에 따른 ARS 시스템에서는 두개의 ECU들(330, 340)이 전륜 ARS(310)와 후륜 ARS(320)를 각각 제어한다.
이때 전륜 ECU(330)는 마스터 ECU(Master ECU)로서 DC-DC 컨버터(350), BMS(Battery Management System; 360) 등 시스템을 총괄 제어하며, 주행 상황에 따라 최적의 토크값을 각각 전륜 ARS(310)와 후륜 ARS(320)로 분배한다.
제어 로직의 개요는 다음과 같다. 마스터 ECU는 조향각, 차속, 횡가속도 등을 통해 최적의 롤 각을 찾아내고 그러한 롤 각을 얻기 위한 토크값을 계산하여 모터 제어기로 전달한다. 모터 제어기는 전류 제어를 통해 토크를 발생시키고 이를 통해 스태빌라이저 바의 각을 가변시켜 차량의 자세 제어를 수행한다.
도 6은 차량 선회에 따른 롤 각의 변화를 도시한 그래프이다. 도 6은 ARS와 일반적인 스태빌라이저 바의 시험 결과를 나타낸 것으로서, 스태빌라이저 바에 비해 ARS가 더 작은 롤 각을 확보함으로써 차량의 선회 안정성을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 차량에 장착된 ARS 시스템의 기능도이다.
ARS 시스템은 제1 스태빌라이저 바, 제2 스태빌라이저 바, 액추에이터, 제1 전자 제어 장치 및 제2 전자 제어 장치를 포함한다.
제1 스태빌라이저 바는 차량의 일측 바퀴에 연결되는 스태빌라이저 바이다. 제2 스태빌라이저 바는 차량의 타측 바퀴에 연결되는 스태빌라이저 바이다. 제1 스태빌라이저 바와 제2 스태빌라이저 바 중에서 어느 하나는 고정형 스태빌라이저 바로 구현되고 다른 하나는 회전형 스태빌라이저 바로 구현될 수 있다. 제1 스태빌라이저 바와 제2 스태빌라이저 바 모두 회전형 스태빌라이저 바로 구현되는 것도 가능하다.
액추에이터(450)는 제1 스태빌라이저 바와 제2 스태빌라이저 바를 연결시키며 차량의 자세를 제어한다.
제1 전자 제어 장치(430)는 주행(410)시 차량에 장착된 센서들(420)로부터 얻은 센싱 정보들(421 ~ 424)을 기초로 차량의 롤 각을 검출한다. 제1 전자 제어 장치(430)는 롤 각을 검출하기 위해 센싱 정보들로 휠 속도 센서에 의한 차량의 휠 속도(422), X축 가속도와 Y축 가속도를 포함하는 차량의 가속도(424), 차량의 요레이트(Yaw rate; 423), 및 조향각 센서(421) 등에 의한 차량의 스티어링 휠 각(421)을 이용한다. 그리고 제1 전자 제어 장치(430)는 롤 각으로 차량이 선회할 때 발생되는 비틀림 각을 검출한다. 제1 전자 제어 장치(430)는 예컨대 도 3에 도시된 브레이크 ECU(240), 스티어링 휠 ECU(250) 등으로도 구현될 수 있다.
제2 전자 제어 장치(440)는 제1 전자 제어 장치(430)에 의해 생성된 토크를 기초로 차량의 롤 각을 보상하기 위한 토크를 산출하며, 이 토크를 기초로 액추에이터(450)를 제어한다. 제2 전자 제어 장치(440)는 도 3에 도시된 액추에이터 ECU(220)로도 구현될 수 있다.
일반적으로 차량의 좌우 선회시 원심력에 의한 쏠림을 줄여 주기 위해 일반적인 스태빌라이저 바가 장착된다.
본 발명에서는 이 일반적인 스태빌라이저 바를 중앙에서 절단하고 분리하여 그 위치에 전륜 ARS(211)와 후륜 ARS(212) 등 로터리 액추에이터를 구성하여, 선회시 원심력에 의한 차량의 좌우 쏠림 현상에 대해 로터리 액추에이터를 회전시켜 그에 따른 비틀림력을 발생시킴으로써 양쪽의 스태빌라이저 바를 통해 차량의 자세를 능동적으로 정상 직진 주행 상태와 유사하게 만들어준다.
주행이 시작되면(410) 차량의 주행에 대한 정보(휠 속도(422)), 좌우 쏠림(요레이트(423), 가속도(424)), 스티어링 휠의 각도(421) 등)가 획득되며, 이 정보들은 각 ECU로 집합되어(430), 로터리 액추에이터를 동작하기 위한 ECU(440)를 통해 로터리 액추에이터로 동작 명령을 전달하게 된다(450).
액추에이터 양끝에서 연결된 스태빌라이저 바는 좌우 서스펜션에 스태빌라이저 바 링크로 연결되어 있다. 이러한 구조에서 센서들(421 ~ 424)에 수집된 데이터를 분석하여 상황에 맞는 토크가 도출되면 로터리 액추에이터를 통해 이 토크를 출력시켜 능동형 스태빌라이저를 동작시키며, 이로부터 차량의 롤 모멘트를 감소시켜 승차감을 향상시킨다.
도 8은 본 발명이 적용되지 않은 차량의 구동을 설명하기 위한 참고도이다. 도 8에서 (a)는 정지된 차량을 도시한 것이고, (b)는 오른쪽으로 코너링을 하고 있는 차량을 도시한 것이며, (c)는 왼쪽으로 코너링을 하고 있는 차량을 도시한 것이다.
도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 오른쪽으로 코너링을 하고 있는 차량을 정면에서 볼 때, 차량의 선회시 원심력 발생에 의해 오른쪽 휠에 연결된 차체 부품들이 전부 기존의 위치에서 높아지게 되고, 반대로 왼쪽 휠에 연결된 차체 부품들은 기존의 위치에서 낮아지게 되어 차량 실내에서 오른쪽이 높아지고, 왼쪽이 가라앉기 때문에 승객들은 왼쪽으로 쏠리게 된다.
도 8의 (c)의 경우 도 8의 (b)의 경우와 모두 반대쪽으로 작용하고 있다.
도 9는 본 발명이 적용된 차량의 구동을 설명하기 위한 참고도이다. 도 9에서 (a)는 정지된 차량을 도시한 것이고, (b)는 오른쪽으로 코너링을 하고 있는 차량을 도시한 것이며, (c)는 왼쪽으로 코너링을 하고 있는 차량을 도시한 것이다.
일반 차량의 스태빌라이저 바를 대신하여 본 발명을 적용한 예시는 도 9에 도시된 바와 같다. 본 발명에서는 상황에 따라 스태빌라이저 바 중간의 액추에이터로 회전 스태빌라이저 바를 비틀어 고정 스태빌라이저 바와 원하는 각도 차이를 발생하도록 회전이 가능하게 고안한다.
오른쪽으로 선회시 일반 차량이라면 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 한쪽으로 쏠리는 차량의 자세가 되겠지만, 본 발명을 적용하면 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 높이가 높아진 차량 오른쪽 부분의 스태빌라이저 바를 차 지붕 쪽으로 회전시켜서 차량의 오른쪽의 로워암을 잡아당겨 차량의 오른쪽 부분이 떠오르는 것을 방지하고, 차량의 왼쪽 부분의 스태빌라이저 바는 액추에이터의 상대 회전으로 인해 반대쪽으로 낮아진 높이를 높게 하여 차량 왼쪽 부분이 가라앉음을 방지하여 차량이 왼쪽으로 쏠리는 것을 방지할 수 있다.
한편 상기와 반대의 경우 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이 차량이 왼쪽으로 선회시 높이가 높아진 차량의 왼쪽 부분의 스태빌라이저 바를 비틀어 왼쪽의 로워암을 잡아당겨서 차량의 높이를 낮춰서 차량 왼쪽이 떠오르는 것을 방지하고, 차량의 오른쪽 부분의 스태빌라이저 바를 상대 운동을 통해서 차 바닥 쪽으로 비틀어 로워암을 밀어서 가라앉은 부분의 높이를 높여서 차량 오른쪽이 가라앉음을 방지하여 차량이 오른쪽으로 쏠리는 것을 방지한다.
본 발명은 이러한 동작들로 인해 차량의 선회 안정성을 향상시키고, 승객이 느끼는 승차감 항샹을 꾀할 수 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 액추에이터의 내부 구성을 도시한 단면도이다.
능동 롤 제어 장치에서는 스태빌라이저 바의 강성을 가변시켜 주행 안정성 및 승차감을 개선할 수 있다. 전동식 장치의 경우 모터, 감속기 등으로 구성되며 유압식 장치보다 구성이 간단하고 원가적으로 유리하다. 그런데 감속기 백래시에 의한 스태빌라이저 바 유격은 이음을 유발할 수 있다.
본 발명에서는 스프링력을 이용하여 감속기 백래시를 저감시킬 수 있는 구조에 대하여 제안한다. 스프링력을 최종단 선기어에 작용시켜 Normal Force를 발생시킬 수 있다. 그러면 Normal Force에 의해 선기어와 유성기어 간 헬릭스 각에 의해서 회전력이 발생하며, 이에 따라 백래시 저감 효과와 스태빌라이저 바의 유격 저감 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서는 스프링력이 다단 유성기어 전체가 아니라 최종단 기어에만 작용한다. 그래서 큰 효율 저하 없이 백래시 저감이 가능하다.
이하 도 10을 참조하여 이에 대해 자세하게 설명한다.
제1 실시예에 따른 액추에이터(500)는 고정형 스태빌라이저 바(522), 회전형 스태빌라이저 바(521), 다단 유성기어 세트(530), 모터(540) 및 백래시 저감 기구(550)를 포함한다.
엄밀히 말하면 고정형 스태빌라이저 바(522)와 회전형 스태빌라이저 바(521)는 액추에이터에 포함되는 구성이 아니나, 본 실시예에서는 설명의 편의상 고정형 스태빌라이저 바(522)와 회전형 스태빌라이저 바(521)를 액추에이터에 포함시킨다.
고정형 스태빌라이저 바(522)는 하우징의 일측에 고정되는 바(bar) 형태의 것이다.
회전형 스태빌라이저 바(521)는 하우징의 타측에 회전 가능하게 장착된다.
회전형 스태빌라이저 바(521)는 다단 유성기어 세트(530)의 최종 출력부에 연결되어 모터(540)와 감속기를 거쳐 회전력이 전달되는 부품이다. 회전형 스태빌라이저 바(521)는 고정형 스태빌라이저 바(522)의 축 상 내부에 베어링(510)으로 조립된다.
베어링(510)은 회전 부품 간의 저항을 감소시켜 수명을 증대시키고 소음과 진동을 감소시킨다.
다단 유성기어 세트(530)는 선기어, 유성기어 및 캐리어를 포함하며 하우징의 내부에 구비된다. 이러한 다단 유성기어 세트(530)는 하우징의 내부에서 회전형 스태빌라이저 바(521)에 연결된다. 다단 유성기어 세트(530)는 단수를 더할수록 기어비가 커지는 감속기를 포함한다.
모터(540)는 전원이 인가되면 자력을 발생시키는 스테이터(stator; 541)와 스테이터(541)에 의해 발생된 자력으로 회전하는 로터(rotor; 542)를 포함하며 하우징의 내부에 구비된다. 모터(540)는 하우징의 내부에서 고정형 스태빌라이저 바(522)와 다단 유성기어 세트(530) 사이에 구비된다.
백래시 저감 기구(550)는 선기어에 하중을 가하여 고정형 스태빌라이저 바(522)와 회전형 스태빌라이저 바(521)의 유격을 저감시키기 위한 감속기의 백래시를 제어하는 기능을 한다.
한편 액추에이터는 엔코더와 위치 센서를 더 포함할 수 있다.
엔코더는 모터(540)의 구동을 제어하며 하우징의 내부에서 모터(540)와 고정형 스태빌라이저 바(522) 사이에 위치된다.
위치 센서는 위치 측정용 센서로서 회전형 스태빌라이저 바(521) 상에 부착된다.
도 11은 제1 실시예에 따른 액추에이터에 구비되는 백래시 저감 기구의 분해 사시도이다.
백래시 저감 기구(550)는 다단 유성기어 세트(530)에 구비되는 감속기의 백래시를 제어하여 ARS 액추에이터의 유격을 저감시키는 기능을 한다. 본 실시예에서 이러한 백래시 저감 기구(550)는 푸시 로드(551), 스프링(552), 볼(553) 및 로크 너트(554)를 포함한다.
푸시 로드(Push Rod; 551)는 모터(540)를 관통하며 선기어의 일단에 밀접한다. 이러한 푸시 로드(551)는 스프링(552)의 힘으로 선기어에 하중을 작용시킨다.
스프링(Spring; 552)는 일단이 로크 너트(554)에 접촉하고 타단이 푸시 로드(551)에 접촉하며 탄성력에 의한 하중을 로크 너트(554)와 푸시 로드(551)에 가하는 역할을 한다. 스프링(552)은 압축력을 이용하여 선기어에 일정한 하중을 작용시킨다.
볼(Ball; 553)은 로크 너트(554)와 스프링(552) 사이에 삽입되어 푸시 로드(551)의 회전을 지원하는 역할을 한다. 즉 볼(553)은 스프링(552)과 로크 너트(554) 사이에 푸시 로드(551)의 회전을 원활하게 하는 기능을 한다.
로크 너트(Lock Nut; 554)는 고정형 스태빌라이저 바(522)의 일단에 장착되는 구성이다. 이러한 로크 너트(554)는 스프링(552)을 통하여 3rd 선기어에 일정한 하중이 작용하도록 하며, 유격 저감 기구의 이탈을 방지한다.
도 12 내지 도 14는 제1 실시예에서 기어 백래시 저감 원리를 설명하기 위한 참고도이다.
먼저 ARS 액추에이터의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.
모터에서 발생된 토크는 베어링에 의해 양단 지지된 로터에서 1st 유성기어의 선기어에 기어 치합으로 연결되어 있다. 이 선기어의 회전력은 유성기어의 일반적인 원리로 1st 캐리어로 출력이 되고 1st 캐리어는 2nd 선기어에 연결된다. 위와 같은 원리로 베어링에 지지되는 3rd 캐리어에는 감속을 통해 증대된 회전력이 출력되고 3rd 캐리어에 연결된 좌측 제2 스태빌라이저 바와 ARS 액추에이터 하우징에 연결된 우측 제1 스태빌라이저 바가 상대 회전하게 된다.
이에 따른 기어 백래시 저감 원리는 다음과 같다.
도 12 (b)와 같이 로크 너트(554)에 의해 지지된 볼(553)과 푸시 로드(551) 사이에서 스프링(552)은 3rd 선기어(531) 방향으로 하중을 발생시킨다.
이후 도 12 (a)에 도시된 바와 같이 푸시 로드(551)에 의해 하중을 받는 3rd 선기어(531)가 3rd 유성기어(532)와 평행하게 축 방향으로 이동한다.
3rd 선기어(531)와 3rd 유성기어(532)는 도 13에 도시된 바와 같이 헬리스 각이 설정되어 있기 때문에 두 기어(531, 532)가 치합된 상태에서 축 방향으로 서로 상대 운동이 발생하게 되면 도 14 (b)에 도시된 바와 같이 회전력이 발생한다.
본 발명은 이와 같이 축 방향 회전으로 기어 백래시가 제거되며 스프링력에 의해 지속적인 회전력이 작용하므로 양측에 위치하는 회전형 스태빌라이저 바와 고정형 스태빌라이저 바 간의 유격이 발생하지 않는다.
한편 본 발명처럼 백래시 저감 기구(550)가 구비되지 않은 액추에이터에서는 도 14 (a)에 도시된 바와 같이 회전력이 발생하지 않는다.
이상 설명한 본 발명의 특징을 요약하면 다음과 같다.
첫째, 3rd 선기어 측에 스프링을 장착하여 우측 방향의 Normal Force를 발생시켜서 백래시를 저감할 수 있으나 이럴 경우 2nd 선기어, 1st 선기어 측에도 마찰력이 발생하여 전체 감속기 효율을 많이 저하시킨다. 본 발명에서는 중공 타입의 모터를 관통하는 푸시 로드(551)가 3rd 선기어에만 Normal Force를 인가하여 마찰력은 3rd 선기어와 연결된 푸시 로드(551)를 통하여 볼(553)과 로크 너트(554)에만 작용하는 것이 특징이다. 따라서, 큰 효율 저하 없이 백래시 저감이 가능해진다.
도 15는 제1 실시예에 따른 액추에이터를 이용한 차량 자세 제어 방법을 설명한 흐름도이다.
도 10에 도시된 바와 같이 제1 실시예에 따른 액추에이터(500)는 능동형 스태빌라이저 작동 액추에이터로서, 회전형 스태빌라이저 바(521), 다단 유성기어 세트(530), 모터(540), 고정형 스태빌라이저 바(522) 등의 순서로 조립된다.
회전형 스태빌라이저 바(521)와 고정형 스태빌라이저 바(522) 사이의 동축도를 높이기 위해, 회전형 스태빌라이저 바(521)는 액추에이터를 관통하여 반대편에 위치하는 고정형 스태빌라이저 바(522) 축 상 내부에 베어링으로 조립되어 있다.
이 관통하는 회전형 스태빌라이저 바(521)는 다단 유성기어 세트(530)의 선기어와 모터(540)의 동축도를 높이는 효과를 하고 있다.
모터(540)와 하우징에 고정되는 고정형 스태빌라이저 바(522) 사이에는 모터(540)를 구동하기 위한 엔코더가 있고, 감속기와 연결된 출력측 회전형 스태빌라이저 바(521)는 하우징과의 사이에 위치 센서를 배치시켜, 회전형 스태빌라이저 바(521)와 고정형 스태빌라이저 바(522)의 위치 상태를 알 수 있고, ARS 액추에이터만으로도 차량의 좌우측 쏠림 상태를 파악할 수 있도록 하였다.
센서들을 통해 얻은 센싱 정보들이 ECU로 수집되면(610), 전원이 공급되고(620), 모터가 회전한다(630). 이후 다단 유성기어 세트(530)가 구동된다. 먼저 선기어가 1차 회전하고(640) 이어서 자전 및 공전을 고려하여 유성 기어가 1차 회전하고 캐리어가 다음으로 1차 회전한다(641). 그후 2차 및 3차에 걸쳐 부품 회전이 진행된다(642, 643). 3차 캐리어 회전이 출력되면 스태빌라이저 바로 전달되고(650) 스프링 압축(661), 3rd 선기어로 축 방향 하중 발생(662), 3rd 선기어와 3rd 유성기어 간의 회전력 발생(663) 등을 통해 백래시가 제거 또는 저감된다(660). 이어서 스태빌라이저 바 링크를 통해(670) 서스펜션 암으로 전달된다(680). 이와 같이 본 실시예에서는 차량의 좌우 쏠림이 발생할 경우 스태빌라이저 바를 비틀어 그 비틀림력을 링크를 통해 서스펜션에 전달한다.
도 16은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 액추에이터의 내부 구성을 도시한 단면도이다. 본 발명은 스태빌라이저 바에 액추에이터가 적용된 능동 롤 제어가 가능한 차량에서 충격성 외력에 의한 제품의 내구성 및 승차감 향상을 위한 댐핑 구조를 제안한다. 이하 도 16을 참조하여 이에 대해 자세하게 설명한다.
제2 실시예에 따른 액추에이터(700)는 고정형 스태빌라이저 바(722), 회전형 스태빌라이저 바(721), 다단 유성기어 세트(730), 모터(740) 및 토션 댐퍼(torsion damper; 750)를 포함한다.
제2 실시예에 따른 액추에이터(700)에서 고정형 스태빌라이저 바(722), 회전형 스태빌라이저 바(721), 다단 유성기어 세트(730), 모터(740) 등은 제1 실시예에 따른 액추에이터에 구비된 것과 동일한 기능을 수행하는 것이므로, 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
토션 댐퍼(750)는 회전형 스태빌라이저 바(721)가 결속되는 하우징의 타측 상에서 댐핑 기능을 하는 것이다.
도 17은 제2 실시예에 따른 액추에이터에 구비되는 토션 댐퍼의 분해 사시도이다.
본 실시예에서 토션 댐퍼(750)는 충격성 토크를 저감시키고 승차감을 향상시키기 위한 구성이다. 도 17에 따르면, 이러한 토션 댐퍼(750)는 스프링(751), 러버 댐퍼(752) 및 허브(754)를 포함한다. 토션 댐퍼(750)는 다단 유성기어 세트(730)를 구성하는 캐리어(755)에 장착되는 구성을 가진다.
캐리어(755)는 일방향으로 회전 가능한 바퀴 형태의 것으로서, 내측면에 미리 정해진 간격마다 제1 돌출부들이 길이 방향으로 연장 형성된다. 이러한 캐리어(755)는 유성기어를 고정하며 베어링에 의해 지지된다. 캐리어(755)는 허브(754)에 토크를 전달한다.
허브(754)는 파이프 형태의 몸체를 구비하며, 제1 돌출부들 사이의 홈에 끼움 형성되는 제2 돌출부들이 몸체의 외표면 상에 형성된다. 이러한 허브(754)는 3단 캐리어(755)로부터 토션 댐퍼(750)를 거친 토크를 회전형 스태빌라이저 바(721)로 전달한다.
러버 댐퍼(752)는 제1 돌출부와 제2 돌출부 사이에 형성된 홈에 의해 마련된 공간(clearance)에 삽입 형성되는 댐핑부들을 구비한다.
러버 댐퍼(752)는 제1 돌출부 또는 제2 돌출부에 접촉하는 각 댐핑부의 면 상에 형성된 적어도 하나의 돌기(753)를 포함한다.
스프링(751)은 각 댐핑부의 관통공에 결합 형성된다.
도 18은 도 16에서 A 부분을 확대한 확대도이다. 도 18의 허브(810)는 도 17의 허브(754)와 동일한 구성이다.
도 18에 따르면, 액추에이터는 써클립(820), 록킹 너트(840) 및 씰(830)을 더 포함할 수 있다.
써클립(820)는 허브(810)를 회전형 스태빌라이저 바(721)에 고정시키는 구성이다.
록킹 너트(840)는 하우징과 회전형 스태빌라이저 바(721)의 결속으로 생성된 틈을 밀폐시키는 구성이다.
씰(830)은 토션 댐퍼(750)와 회전형 스태빌라이저 바(721)의 결속으로 생성된 틈을 밀폐시키는 구성이다. 이러한 씰(830)은 액추에이터 내부로 수분이나 이물질이 유입되는 것을 방지한다.
도 19는 도 18에서 B-B 부분에 대한 단면도이다.
모터에서 발생된 토크는 베어링에 의해 양단 지지된 로터에서 1st 유성기어의 선기어에 기어 치합으로 연결되어 있다. 이 선기어의 회전력은 유성기어의 일반적인 원리로 1st 캐리어로 출력되고 1st 캐리어는 2nd 선기어에 연결된다. 위와 같은 원리로 베어링에 지지되는 3rd 캐리어에는 감속을 통해 증대된 회전력이 출력되고 3rd 캐리어는 도 17에서 보여지는 형상으로 되어 있다.
아래 토션 댐핑의 원리에 의해 허브에 전달된 회전력은 써클립으로 축방향 구속되고 기어 치합으로 연결된 회전 스태빌라이저 바로 최종적으로 전달된다. 회전 스태빌라이저 바의 회전력은 스태빌라이저 링크에 위치 변위를 일으키게 된다. 이에 따라 차체의 롤 각이 변경된다.
다음으로 토션 댐핑의 원리에 대하여 설명한다.
캐리어는 정차해 있는 차에서는 도 19와 같이 허브와 접촉하고 있는 러버 댐퍼(752)와 캐리어 사이에 클리어런스(clearance)가 형성되어 있고 스프링(751)에는 초기 장착 force가 걸려 있다.
여기서 허브는 기어 치합에 의해 회전 스태빌라이저 바와 연결되어 있고 회전 스태빌라이저 바는 현가 장치에 고정되어 있다. 즉 외부에서 힘이 입력되는 경우에는 허브가 회전하게 되어 역으로 캐리어에 힘을 전달하게 되고, 정차해 있는 차량도 mass에 의해 허브를 회전시키기 위해서는 상당한 토크가 필요하다.
비이상적인 노면에서 주행중이거나 과도한 차량 거동으로 충격성 힘이 현가계에 발생되는 경우, 스태빌라이저 링크를 통하여 두 스태빌라이저 바에 강한 회전력이 발생되고 이는 허브에 전달된다.
예컨대 허브가 반시계 방향으로 회전을 하게 되면 1 단계에서 스프링 force가 반력으로 작용하고, 2 단계에서 스프링 force와 함께 엠보싱부 접촉으로 반력이 작용하며, 3 단계에서 스프링 force와 러버 댐퍼의 압축이 구현되고, 4 단계에서 러버 댐퍼가 외부의 힘에 대항하여 충분한 변형이 된 경우 캐리어에 회전력이 전달된다.
액추에이터에서의 갑작스런 토크 발생시에도 동일하다.
도 21은 단계별로 입력 토크와 출력 토크를 비교한 그래프이다. 도 21에서 스프링, 엠보싱, 러버 압축은 각각 1 단계, 2 단계, 3 단계를 의미한다.
도 20은 제2 실시예에 따른 액추에이터를 이용한 차량 자세 제어 방법을 설명한 흐름도이다.
도 16에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 액추에이터는 능동형 스태빌라이저 작동 액추에이터로서, 회전형 스태빌라이저 바(721), 다단 유성기어 세트(730), 모터(740), 고정형 스태빌라이저 바(722) 등의 순서로 조립된다.
회전형 스태빌라이저 바(721)와 고정형 스태빌라이저 바(722) 사이의 동축도를 높이기 위해, 회전형 스태빌라이저 바(721)는 액추에이터를 관통하여 반대편에 위치하는 고정형 스태빌라이저 바(722) 축 상 내부에 베어링으로 조립되어 있다.
이 관통하는 회전형 스태빌라이저 바(721)는 다단 유성기어 세트(730)의 선기어와 모터(740)의 동축도를 높이는 효과를 하고 있다.
모터(740)와 하우징에 고정되는 고정형 스태빌라이저 바(722) 사이에는 모터(740)를 구동하기 위한 엔코더가 있고, 감속기와 연결된 출력측 회전형 스태빌라이저 바(721)는 하우징과의 사이에 위치 센서를 배치시켜, 회전형 스태빌라이저 바(721)와 고정형 스태빌라이저 바(722)의 위치 상태를 알 수 있고, ARS 액추에이터만으로도 차량의 좌우측 쏠림 상태를 파악할 수 있도록 하였다.
센서들을 통해 얻은 센싱 정보들이 ECU로 수집되면(910), 전원이 공급되고(920), 모터가 회전한다(930). 이후 다단 유성기어 세트(730)가 구동된다. 먼저 선기어가 1차 회전하고(940) 이어서 자전 및 공전을 고려하여 유성 기어가 1차 회전하고 캐리어가 다음으로 1차 회전한다(941). 그후 2차 및 3차에 걸쳐 부품 회전이 진행된다(942, 943). 3차 캐리어 회전이 출력되면 스태빌라이저 바로 전달되고(950) 스프링 압축(961), 러버 압축(962) 및 허브(963)를 이용한 댐핑 작용이 발생한다(960). 이어서 스태빌라이저 바 링크를 통해(970) 서스펜션 암으로 전달된다(980). 이와 같이 본 실시예에서는 차량의 좌우 쏠림이 발생할 경우 스태빌라이저 바를 비틀어 그 비틀림력을 링크를 통해 서스펜션에 전달한다.
도 22는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 액추에이터의 내부 구성을 도시한 단면도이다.
제3 실시예에 따른 액추에이터(1000)는 회전형 스태빌라이저 바(1010), 고정형 스태빌라이저 바(1020), 다단 유성기어 세트(1030), 모터(1040) 및 동심 정렬 가공부(1050)를 포함한다.
제3 실시예에서 따른 액추에이터(1000)에서 회전형 스태빌라이저 바(1010), 고정형 스태빌라이저 바(1020), 다단 유성기어 세트(1030), 모터(1040) 등은 제1 실시예에서 따른 액추에이터에 구비된 것들과 동일한 기능을 수행하는 것이므로, 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
동심 정렬 가공부(1050)는 다단 유성기어 세트(1030)의 선기어간 동심도를 높여 기어간 유격을 감소시키는 기능을 하도록 가공된 것이다.
도 23과 도 24는 제3 실시예에 따른 액추에이터에 구비되는 동심 정렬 가공부의 구동 원리를 설명하기 위한 참고도이다.
도 23의 (b)는 도 23의 (a)에서 도면부호 1100을 확대한 확대도이다.
도 23을 참조하면, 다단 유성기어 세트의 경우 모터와 직접 연결되어 있는 1st 선기어(1110)를 제외한 나머지 선기어들이 모터의 출력축과 동심도가 맞지 않는 경우가 많다. 그래서 도 23의 (b)에 도시된 바와 같이 면접촉후 면을 따라 편심되어 흔들릴 가능성이 높다. 각 부품간 공차가 누적되어 출력단에서는 유격 및 동축도의 문제가 발생되며, 결과적으로 도 23의 (b)에 도시된 바와 같이 흔들릴 경우 감속기의 전체 소음이 증가하며 효율이 감소된다.
도 24의 (b)는 도 24의 (a)에서 도면부호 1200을 확대한 확대도이다.
도 24를 참조하면, 본 발명에서는 다단 유성기어의 면접촉으로 인해 동심축이 맞지 않는 상황을 해결하기 위해 각 부품간 쐐기 형태의 가공을 하여 경사면간 접촉으로 인해 동심의 위치에서 벗어나지 않도록 의도하였다. 부품간 적정 공차를 유지한다면 선기어간 동심을 유지하는 작용을 수행할 수 있다.
도 25와 도 26은 제3 실시예에 따른 액추에이터에 구비되는 다단 유성기어 세트의 특징을 설명하기 위한 참고도이다.
다단 유성기어 세트(1300)를 헬리컬 기어로 구성할 경우 헬리컬 기어의 비틀림각 때문에 회전 방향에 따라 추력이 발생한다. 이와 같이 다단 유성기어 세트(1300)를 구성할 경우 소음 및 진동에 유리하나, 추력이 발생되어 축방향 부하가 발생하는 문제점이 있다. 이는 비틀림 각에 따라 상쇄는 가능하지만 제거가 불가능하여 부품간 마찰 등 부작용으로 유격이 커질 가능성이 높고, 주변 부품의 강성을 높이기 위해 중량 및 비용 상승의 원인이 된다.
본 발명에서는 1단 기어(1310), 2단 기어(1320) 등에 비해 높은 토크 및 회전이 적은 3단 기어(1330)만 평기어를 적용하거나, 2단 기어(1320)와 3단 기어(1330)에 평기어를 적용하여 토크가 크게 걸리는 단 기어의 추력을 제거시킬 수 있다.
1단 기어(1310)부터 3단 기어(1330)를 전부 헬리컬 기어로 사용할 때, 물림율에 대해 유리하지만, 축 방향으로 추력이 발생되어, 백래시를 유발하고, 주변부에 영향을 주기 때문에 각 기어단 중 회전수가 적고, 높으 토크로 대응하는 3단 기어 또는 2단 ~ 3단 기어만 평기어를 적용하여 소음 부분을 해결하고, 기어에서 발생하는 추력을 제거하여, 강성 확보 부분을 적재적소에 배치하여, 중량을 줄이고, 비용을 절감할 수 있다. 또한 평기어의 가공이 헬리컬 기어에 비해 용이하고, 각 기어단 조립시 조립의 용이함도 얻을 수 있다.
이상 설명한 다단 유성기어 세트는 제3 실시예에 따른 액추에이터에 한정 적용되는 것은 아니며, 제1 실시예에 따른 액추에이터나 제2 실시예에 따른 액추에이터에도 적용 가능하다. 그리고 이후 설명할 제4 실시예에 따른 액추에이터에도 적용 가능하다.
한편 제4 실시예에 따른 액추에이터는 고정형 스태빌라이저 바, 회전형 스태빌라이저 바, 다단 유성기어 세트 및 모터를 포함하며, 제1 실시예에 따른 백래시 저감 기구, 제2 실시예에 따른 토션 댐퍼, 및 제3 실시예에 따른 동심 정렬 가공부 중 적어도 하나를 더 포함한다.
제4 실시예에 따른 액추에이터에서 고정형 스태빌라이저 바, 회전형 스태빌라이저 바, 다단 유성기어 세트, 모터, 백래시 저감 기구 등은 제1 실시예에 따른 액추에이터에 구비된 것과 동일한 기능을 수행하는 것이므로, 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
또한 제4 실시예에 따른 액추에이터에서 토션 댐퍼는 제2 실시예에 따른 액추에이터에 구비된 것과 동일한 기능을 수행하는 것이므로, 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
또한 제4 실시예에 따른 액추에이터에서 동심 정렬 가공부는 제3 실시예에 따른 액추에이터에 구비된 것과 동일한 기능을 수행하는 것이므로, 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.
또한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 상세한 설명에서 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
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 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 하우징의 일측에 고정되는 고정형 스태빌라이저 바;
    상기 하우징의 타측으로 회전 가능하게 결속되는 회전형 스태빌라이저 바;
    선기어, 유성기어 및 캐리어를 포함하며 상기 하우징의 내부에 구비되는 다단 유성기어 세트;
    전원이 인가되면 자력을 발생시키는 스테이터와 상기 자력으로 회전하는 로터를 포함하며 상기 하우징의 내부에 구비되는 모터; 및
    상기 선기어에 하중을 가하여 상기 고정형 스태빌라이저 바와 상기 회전형 스태빌라이저 바의 유격을 저감시키기 위한 감속기의 백래시를 제어하는 것으로서, 상기 고정형 스태빌라이저 바의 일단에 장착되며, 상기 선기어에 상기 하중을 작용시키는 로크 너트; 상기 모터를 관통하여 상기 선기어의 일단에 밀접하며, 상기 로크 너트와 더불어 상기 선기어에 상기 하중을 작용시키는 푸시 로드; 일단이 상기 로크 너트에 접촉하고 타단이 상기 푸시 로드에 접촉하며 탄성력에 의한 상기 하중을 상기 로크 너트와 상기 푸시 로드에 가하는 스프링; 및 상기 로크 너트와 상기 스프링 사이에 삽입되어 상기 푸시 로드의 회전을 지원하는 볼을 포함하는 백래시 저감 기구
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다단 유성기어 세트를 구성하는 선기어들 간에 미리 정해진 동심도가 형성된 동심 정렬 가공부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 동심 정렬 가공부는 경사 가공 또는 쐐기형 가공을 통해 상기 동심도가 형성된 것이거나,
    상기 다단 유성기어 세트는,
    상기 모터에 인접하는 1단 기어;
    상기 회전형 스태빌라이저 바의 일단에 밀착되는 3단 기어; 및
    상기 1단 기어와 상기 3단 기어 사이에 형성되는 2단 기어
    를 포함하며,
    상기 1단 기어, 상기 2단 기어 및 상기 3단 기어는 헬리컬 기어, 헬리컬 기어 및 평기어로 구성되거나, 헬리컬 기어, 평기어 및 평기어로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전형 스태빌라이저 바는 상기 고정형 스태빌라이저 바의 축 상 내부에 베어링으로 조립되는 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 다단 유성기어 세트는 상기 하우징의 내부에서 상기 회전형 스태빌라이저 바에 연결되며,
    상기 모터는 상기 하우징의 내부에서 상기 고정형 스태빌라이저 바와 상기 다단 유성기어 세트 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐리어는 상기 유성기어를 고정하며 베어링에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터.
  7. 하우징의 일측에 고정되는 고정형 스태빌라이저 바;
    상기 하우징의 타측으로 회전 가능하게 결속되는 회전형 스태빌라이저 바;
    선기어, 유성기어 및 캐리어를 포함하며 상기 하우징의 내부에 구비되는 다단 유성기어 세트;
    전원이 인가되면 자력을 발생시키는 스테이터와 상기 자력으로 회전하는 로터를 포함하며 상기 하우징의 내부에 구비되는 모터; 및
    상기 회전형 스태빌라이저 바가 결속되는 상기 하우징의 타측 상에서 댐핑 기능을 하는 것으로서, 파이프 형태의 몸체를 구비하며 제1 돌출부들 사이의 홈에 끼움 형성되는 제2 돌출부들이 상기 몸체의 외표면 상에 형성된 허브; 상기 제1 돌출부와 상기 제2 돌출부 사이에 형성된 홈에 의해 마련된 공간에 삽입 형성되는 댐핑부들을 구비하는 것으로서 상기 제1 돌출부 또는 상기 제2 돌출부에 접촉하는 각 댐핑부의 면 상에 형성된 적어도 하나의 돌기를 포함하는 러버 댐퍼; 및 각 댐핑부의 관통공에 결합 형성되는 스프링을 포함하는 토션 댐퍼
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 캐리어는 일방향으로 회전 가능한 것으로서, 내측면에 미리 정해진 간격마다 제1 돌출부들이 길이 방향으로 연장 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 허브를 상기 회전형 스태빌라이저 바에 고정시키는 써클립;
    상기 하우징과 상기 회전형 스태빌라이저 바의 결속으로 생성된 틈을 밀폐시키는 록킹 너트; 및
    상기 토션 댐퍼와 상기 회전형 스태빌라이저 바의 결속으로 생성된 틈을 밀폐시키는 씰
    중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 모터에 의해 생성된 토크는 상기 캐리어와 상기 허브를 차례대로 거쳐 상기 회전형 스태빌라이저 바로 전달되는 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 다단 유성기어 세트를 구성하는 선기어들 간에 미리 정해진 동심도가 형성된 동심 정렬 가공부
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 동심 정렬 가공부는 경사 가공 또는 쐐기형 가공을 통해 상기 동심도가 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 다단 유성기어 세트는,
    상기 모터에 인접하는 1단 기어;
    상기 회전형 스태빌라이저 바의 일단에 밀착되는 3단 기어; 및
    상기 1단 기어와 상기 3단 기어 사이에 형성되는 2단 기어
    를 포함하며,
    상기 1단 기어, 상기 2단 기어 및 상기 3단 기어는 헬리컬 기어, 헬리컬 기어 및 평기어로 구성되거나, 헬리컬 기어, 평기어 및 평기어로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 액추에이터.
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