KR101844681B1 - 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치 및 그 방법 - Google Patents

견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량의 고속 주행 중 선회 시나 이종 마찰로 인한 발진 시에 차량속도, 가속도, 바퀴속도, 차량 정보 등을 이용하여 차동 기어의 부하 토크를 추정하여, 전자식 차동 제한 장치를 제어할 수 있도록 하는, 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치 및 그 방법이 개시된다.
개시된 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치는, 각 센서를 통해 각종 차량 정보를 획득하는 차량정보 획득부; 상기 획득된 차량 정보를 이용하여 바퀴 하중이나 노면 마찰, 바퀴 마찰, 부하 토크를 추정하여 차동 제한을 위한 제어 토크를 산정하고, 산정된 제어 토크에 따라 차동 기어를 제어하는 제어부; 및 상기 제어부의 제어 토크를 바탕으로 차동 기어를 구동하는 ELSD 구동부를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 차동 기어의 부하 토크를 추정하여 전륜 또는 후륜의 좌우 휠을 회전시켜 좌우 회전 불균형(split-mu)을 해소할 수 있다.

Description

견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치 및 그 방법{Electronic Limited Slip Differential system based on estimated traction torque, method thereof}
본 발명은 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 차량의 고속 주행 중 선회 시나 이종 마찰로 인한 발진 시에 발생되는 견인력 저하를 해결하기 위해, 차량속도, 가속도, 바퀴속도, 차량 정보 등을 이용하여 차동 기어의 부하 토크를 추정함으로써 전자식 차동 제한 장치를 제어할 수 있도록 하는, 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 차량의 차동 기어는 좌우 구동축의 구동 토크가 같아지도록 좌우륜의 회전속도를 다르게 유지시키는 역할을 수행하는 장치이다.
이러한 차동 기어는 엔진 구동축이 피니언과 사이드 기어를 매개로 좌우륜을 구동시키는 좌우 구동축과 연결되어 있는 바, 차량 주행 중 선회시 선회 외측 바퀴는 내측 바퀴보다 더 큰 회전 반경으로 선회하기 때문에 이 내측 바퀴보다 빨리 회전해야 하므로 이것을 가능하게 하는 것이 차동 장치이다.
차량 주행 시 차량의 좌우에 장착되어 있는 타이어의 크기가 상이하거나 마모의 차이에 의해 좌우 타이어의 동회전 반경이 다른 경우, 동회전 반경이 작은 쪽의 바퀴가 동회전 반경이 큰 쪽의 바퀴보다 좀 더 많이 회전해야 차량이 직진할 수 있다. 따라서 이상적인 차동 기어라면 양쪽 바퀴의 구동 토크가 같아지도록 동회전 반경이 작은 쪽의 회전수를 크게 할 것이다.
그러나, 실제로는 차동 기어 내에 존재하는 마찰 토크 때문에 양쪽 바퀴의 구동 토크를 같게 할 수가 없다. 따라서 직진 주행시 차량이 한쪽으로 쏠리는 토크 스티어링(Torque steering) 현상이 발생하게 된다. 차동 기어의 마찰 토크는 엔진에서 나오는 구동력에 비례하여 커지기 때문에, 가속력이 클수록 이런 토크 스티어링 현상이 더 또렷하게 나타난다.
한국 등록특허공보 제588585호(등록일:2006년 6월 2일)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 차량의 고속 주행 중 선회 시나 이종 마찰로 인한 발진 시에 차량속도, 가속도, 바퀴속도, 차량 정보 등을 이용하여 차동 기어의 부하 토크를 추정하여, 전자식 차동 제한 장치를 제어함으로써 견인력 저하를 해결할 수 있도록 하는, 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치는, 각 센서를 통해 각종 차량 정보를 획득하는 차량정보 획득부; 상기 획득된 차량 정보를 이용하여 바퀴 하중이나 노면 마찰, 바퀴 마찰, 부하 토크를 추정하여 차동 제한을 위한 제어 토크를 산정하고, 산정된 제어 토크에 따라 차동 기어를 제어하는 제어부; 및 상기 제어부의 제어 토크를 바탕으로 차동 기어를 구동하여 전륜 또는 후륜의 좌우 휠을 회전시켜 좌우 회전 불균형(split-mu)을 해소하는 ELSD 구동부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 차량의 바퀴 종 방향에 대해 축 하중(
Figure 112016105475676-pat00001
,
Figure 112016105475676-pat00002
)과 횡 방향 분석을 통한 바퀴 하중(
Figure 112016105475676-pat00003
,
Figure 112016105475676-pat00004
,
Figure 112016105475676-pat00005
,
Figure 112016105475676-pat00006
)을 순차적으로 추정하는 바퀴하중 추정부; 상기 차량에 대한 전체 마찰계수(
Figure 112016105475676-pat00007
) 추정으로부터 각 바퀴의 마찰계수(
Figure 112016105475676-pat00008
,
Figure 112016105475676-pat00009
,
Figure 112016105475676-pat00010
,
Figure 112016105475676-pat00011
)를 추정하는 노면 마찰계수 추정부; 상기 바퀴 하중(
Figure 112016105475676-pat00012
,
Figure 112016105475676-pat00013
,
Figure 112016105475676-pat00014
,
Figure 112016105475676-pat00015
)과 상기 바퀴에 대한 마찰계수(
Figure 112016105475676-pat00016
,
Figure 112016105475676-pat00017
,
Figure 112016105475676-pat00018
,
Figure 112016105475676-pat00019
)의 곱으로 바퀴 마찰력을 추정하는 바퀴 마찰력 추정부; 상기 차량의 상태와 노면 상태에 의해 구동륜에 걸리는 부하 토크를 추정하는 부하토크 추정부; 상기 차량의 상태와 상기 노면 상태에 의한 차동 기어 부하 토크(
Figure 112016105475676-pat00020
,
Figure 112016105475676-pat00021
) 중 작은 부하 토크를 기준으로 제어 토크(
Figure 112016105475676-pat00022
)를 산정하는 제어토크 산정부; 및 상기 산정된 제어 토크에 따라 차동 기어를 제어하는 차동 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 축 하중(
Figure 112016105475676-pat00023
,
Figure 112016105475676-pat00024
)은, 항력(
Figure 112016105475676-pat00025
)과 양력(
Figure 112016105475676-pat00026
,
Figure 112016105475676-pat00027
)이 모두 차량 종 방향 속도(
Figure 112016105475676-pat00028
)의 제곱에 비례하는 상황에서, 종 방향 경사도(
Figure 112016105475676-pat00029
), 종 가속도(
Figure 112016105475676-pat00030
), 종 방향 차량 속도(
Figure 112016105475676-pat00031
)에 따라 결정되고, 상기 바퀴 하중은 횡 방향 경사도(
Figure 112016105475676-pat00032
), 횡 가속도(
Figure 112016105475676-pat00033
)에 의해 결정될 수 있다.
또한, 상기 종 방향에 대한 축 하중(
Figure 112016105475676-pat00034
,
Figure 112016105475676-pat00035
)은 아래의 수학식에 따라 산출할 수 있다.
Figure 112016105475676-pat00036
또한, 상기 각 바퀴에 걸리는 하중(
Figure 112016105475676-pat00037
,
Figure 112016105475676-pat00038
,
Figure 112016105475676-pat00039
,
Figure 112016105475676-pat00040
)은 다음 수학식에 따라 산출할 수 있다.
Figure 112016105475676-pat00041
그리고, 상기 바퀴의 마찰력(,
Figure 112016105475676-pat00043
,
Figure 112016105475676-pat00044
,
Figure 112016105475676-pat00045
)은 다음 수학식에 따라 산출할 수 있다.
Figure 112016105475676-pat00046
한편, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 방법은, (a) 차량정보 획득부에서 차량 정보를 획득하는 단계; (b) 바퀴하중 추정부에서 차량 바퀴의 하중을 추정하는 단계; (c) 노면마찰 추정부에서 노면 마찰 계수를 추정하는 단계; (d) 바퀴마찰 추정부에서 바퀴의 마찰력을 추정하는 단계; (e) 부하토크 추정부에서 차동 기어의 부하 토크를 추정하는 단계; (f) 제어토크 산정부에서 제어 토크를 산정하는 단계; 및 (g) 차동 제어부에서 상기 산정된 제어 토크에 따라 차동 기어를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (f) 단계에서 상기 제어토크 산정부는, 상기 차동 기어에 대한 부하 토크(
Figure 112016105475676-pat00047
,
Figure 112016105475676-pat00048
)와 상기 차동 기어에 주입되는 변속기 출력 토크(
Figure 112016105475676-pat00049
)의 상관 관계로부터 제어 토크(
Figure 112016105475676-pat00050
)를 추정하여, 차량 상태와 노면 상태에 의한 차동 기어 부하 토크(
Figure 112016105475676-pat00051
,
Figure 112016105475676-pat00052
) 중 작은 부하 토크를 기준으로 제어 토크(
Figure 112016105475676-pat00053
)를 결정할 수 있다.
또한, 상기 (e) 단계에서 상기 부하토크 추정부는, 차량 상태와 노면 상태에 의해 구동륜에 걸리는 부하 토크를 추정하고, 상기 구동륜에 걸리는 부하 토크(
Figure 112016105475676-pat00054
,
Figure 112016105475676-pat00055
,
Figure 112016105475676-pat00056
,
Figure 112016105475676-pat00057
)는 타이어 동반경(
Figure 112016105475676-pat00058
), 구동륜의 관성 모멘트(
Figure 112016105475676-pat00059
,
Figure 112016105475676-pat00060
,
Figure 112016105475676-pat00061
,
Figure 112016105475676-pat00062
), 바퀴의 가속도(
Figure 112016105475676-pat00063
,
Figure 112016105475676-pat00064
,
Figure 112016105475676-pat00065
,
Figure 112016105475676-pat00066
), 바퀴의 속도 각도(
Figure 112016105475676-pat00067
,
Figure 112016105475676-pat00068
,
Figure 112016105475676-pat00069
,
Figure 112016105475676-pat00070
)에 의해 결정할 수 있다.
그리고, 상기 (d) 단계에서 상기 바퀴마찰 추정부는, 상기 추정한 바퀴 하중(
Figure 112016105475676-pat00071
,
Figure 112016105475676-pat00072
,
Figure 112016105475676-pat00073
,
Figure 112016105475676-pat00074
)과 바퀴에 대한 마찰계수(
Figure 112016105475676-pat00075
,
Figure 112016105475676-pat00076
, ,
Figure 112016105475676-pat00078
)의 곱으로 상기 바퀴의 마찰 계수를 추정할 수 있다.
본 발명의 다른 양상들, 장점들 및 특징들은 다음의 섹션들: 도면의 간단한 설명, 상세한 설명 및 청구범위를 포함하는 전체 출원 명세서에 기재된 내용에 기초하여 보다 명백해질 것이다.
본 발명에 의하면, 차량 상태와 노면 상태를 고려하여 최적의 ELSD 제어 토크를 산정함으로써 차량의 고속 선회 시나 이종 마찰로 발진 시 등의 차량 견인력 저하를 방지하고 차량의 주행 성능 향상에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명은 ELSD 제어 토크를 자동적으로 추정함으로써 차량 개발에서의 제어 토크 튜닝 작업을 최소화하여 차량 개발에 대한 필요 인력 축소와 개발 기간 단축 효과를 가져올 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 바퀴 하중, 노면 마찰계수, 바퀴의 마찰력, 차동 기어의 부하 토크를 산출하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용 중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚ 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
본 발명에서는 차량의 속도, 차량의 가속도, 바퀴 속도, 그리고 차량 정보 등을 이용하여 차동 기어의 부하 토크를 추정해 전자식 차동 제한 장치(ELSD)를 제어하는 방법을 제공한다.
여기에 사용되는 차량 속도는 차량의 정면 방향의 속도(
Figure 112016105475676-pat00079
)이다.
또한, 차량의 가속도는 차량 내 센서로부터 계측되는 종 방향 가속도(
Figure 112016105475676-pat00080
)와 횡 방향의 가속도(
Figure 112016105475676-pat00081
)이다.
또한, 바퀴 속도(
Figure 112016105475676-pat00082
, ,
Figure 112016105475676-pat00084
,
Figure 112016105475676-pat00085
)는 각 바퀴의 종 방향 속도(
Figure 112016105475676-pat00086
,
Figure 112016105475676-pat00087
,
Figure 112016105475676-pat00088
,
Figure 112016105475676-pat00089
)와 횡 방향 속도(
Figure 112016105475676-pat00090
,
Figure 112016105475676-pat00091
,
Figure 112016105475676-pat00092
,
Figure 112016105475676-pat00093
)로 구성된다.
또한, 여기에 사용되는 차량 정보는 차량 무게 중심 높이(
Figure 112016105475676-pat00094
), 휠 베이스 길이(
Figure 112016105475676-pat00095
), 타이어 동반경(
Figure 112016105475676-pat00096
), 차량 중량(
Figure 112016105475676-pat00097
), 전륜 휠 베이스 길이(
Figure 112016105475676-pat00098
), 후륜 휠 베이스 길이(
Figure 112016105475676-pat00099
), 전륜 휠 윤거(
Figure 112016105475676-pat00100
), 후륜 휠 윤거(
Figure 112016105475676-pat00101
), 공기 저항 중심 높이(
Figure 112016105475676-pat00102
), 종 방향 경사 각도(
Figure 112016105475676-pat00103
), 횡 방향 경사 각도(
Figure 112016105475676-pat00104
) 등을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치(100)는, 차량 정보 획득부(110), 제어부(120) 및 ELSD(Electronic Limited Slip Differential) 구동부(130)를 포함한다.
차량 정보 획득부(110)는 차량의 주행 속도와 각 바퀴의 회전 속도, 조향각 등 각종 차량 정보를 각 센서를 통해 획득한다. 여기서, 차량 정보는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 차량 무게 중심 높이(
Figure 112016105475676-pat00105
), 휠 베이스 길이(
Figure 112016105475676-pat00106
), 타이어 동반경(
Figure 112016105475676-pat00107
), 차량 중량(
Figure 112016105475676-pat00108
), 전륜 휠 베이스 길이(
Figure 112016105475676-pat00109
), 후륜 휠 베이스 길이(
Figure 112016105475676-pat00110
), 전륜 휠 윤거(
Figure 112016105475676-pat00111
), 후륜 휠 윤거(
Figure 112016105475676-pat00112
), 공기 저항 중심 높이(
Figure 112016105475676-pat00113
), 종 방향 경사 각도(
Figure 112016105475676-pat00114
), 횡 방향 경사 각도(
Figure 112016105475676-pat00115
) 등을 등을 포함한다. 즉, 차량 정보 획득부(110)는 조향각 센서, 요레이트 센서, 속도 센서, 가속도 센서 등 각종 센서를 통해 각종 차량 정보를 획득하는 것이다. 이를 위해 차량 정보 획득부(110)는 차량의 주행 속도를 이용해 가속도를 계산할 수 있는 계산 기능을 비롯해 각종 센서를 통해 획득한 정보와 계산 기능을 통해 산출한 정보를 데이터로 저장하는 저장 기능도 포함한다.
제어부(120)는 차량 정보 획득부(110)를 통해 획득된 차량 정보를 이용해 바퀴 하중이나 노면 마찰, 바퀴 마찰, 부하 토크를 추정하여 차동 제한을 위한 제어 토크를 산정하고, 산정된 제어 토크에 따라 차동 기어를 제어한다.
ELSD 구동부(130)는 제어부(120)의 제어 토크를 바탕으로 차동 기어를 구동하여 전륜 또는 후륜의 좌우 휠을 회전시켜 좌우 회전 불균형(split-mu)을 해소한다.
한편, 제어부(120)는 바퀴하중 추정부(121), 노면마찰 추정부(122), 바퀴마찰 추정부(123), 부하토크 추정부(124), 제어토크 산정부(125) 및 차동 제어부(126)를 포함한다.
바퀴하중 추정부(121)는 먼저 종 방향에 대해 도 2에 도시된 바와 같이 축 하중(
Figure 112016105475676-pat00116
,
Figure 112016105475676-pat00117
)과 횡 방향 분석을 통한 바퀴 하중(
Figure 112016105475676-pat00118
,
Figure 112016105475676-pat00119
,
Figure 112016105475676-pat00120
,
Figure 112016105475676-pat00121
)을 순차적으로 추정한다. 거시적인 관점에서 타이어와 노면 접촉면 편심 거리와 피칭각 가속도의 변화가 상대적으로 작다는 가정 하에, 바퀴의 하중은 가속도, 항력, 양력, 경사도에 의해 큰 영향을 받는다. 도 2 및 도 3에서, Fd는 종 방향에 대한 항력을 나타내고, Flf는 전륜과 후륜 축에 대한 양력을 나타내며, Fnf, Fnr은 하중 이동에 따라 전류 축과 후륜 축에 걸리는 수직항력을 나타내며, Fnfl, Fnfr, Fnrl, Fnrr은 하중 이동에 따라 각 바퀴에 걸리는 수직항력을 나타낸다. 도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 바퀴 하중, 노면 마찰계수, 바퀴의 마찰력, 차동 기어의 부하 토크를 산출하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이 항력(
Figure 112016105475676-pat00122
)과 양력(
Figure 112016105475676-pat00123
,
Figure 112016105475676-pat00124
)이 모두 차량 종 방향 속도(
Figure 112016105475676-pat00125
)의 제곱에 비례하는 상황에서, 축 하중(
Figure 112016105475676-pat00126
,
Figure 112016105475676-pat00127
)은 종 방향 경사도(
Figure 112016105475676-pat00128
), 종 가속도(
Figure 112016105475676-pat00129
), 종 방향 차량 속도(
Figure 112016105475676-pat00130
)에 따라 결정된다. 그리고 바퀴 하중은 횡 방향 경사도(
Figure 112016105475676-pat00131
), 횡 가속도(
Figure 112016105475676-pat00132
)에 의해 결정된다.
종 방향에 대한 축 하중(
Figure 112016105475676-pat00133
,
Figure 112016105475676-pat00134
)은 아래의 수학식 1에 따라 산출할 수 있다.
Figure 112016105475676-pat00135
그리고 각 바퀴에 걸리는 하중(
Figure 112016105475676-pat00136
,
Figure 112016105475676-pat00137
,
Figure 112016105475676-pat00138
,
Figure 112016105475676-pat00139
)은 다음 수학식 2에 따라 산출할 수 있다.
Figure 112016105475676-pat00140
노면마찰 추정부(122)는 차량에 대한 전체 마찰계수(
Figure 112016105475676-pat00141
) 추정으로부터 각 바퀴의 마찰계수(
Figure 112016105475676-pat00142
,
Figure 112016105475676-pat00143
,
Figure 112016105475676-pat00144
,
Figure 112016105475676-pat00145
)를 추정한다.
차량 관점에서의 마찰계수(
Figure 112016105475676-pat00146
)는 차량 정차에 따른 힘의 상관 관계로부터 근사적으로 유추할 수 있다. 여기에서 차량 관점의 마찰계수(
Figure 112016105475676-pat00147
)는 축 하중(
Figure 112016105475676-pat00148
,
Figure 112016105475676-pat00149
)과 종 방향 경사도(
Figure 112016105475676-pat00150
)에 의해 결정된다.
각 바퀴의 마찰계수(
Figure 112016105475676-pat00151
,
Figure 112016105475676-pat00152
,
Figure 112016105475676-pat00153
,
Figure 112016105475676-pat00154
)는 차량 관점에서의 마찰계수(
Figure 112016105475676-pat00155
)에 대해 차량 가속도와 바퀴 가속도에 의한 영향을 보정한 결과가 반영된다. 따라서 각 바퀴의 마찰계수(
Figure 112016105475676-pat00156
,
Figure 112016105475676-pat00157
,
Figure 112016105475676-pat00158
,
Figure 112016105475676-pat00159
)는 차량 관점에서의 마찰계수(
Figure 112016105475676-pat00160
), 차량 종 가속도(
Figure 112016105475676-pat00161
), 바퀴 속도(
Figure 112016105475676-pat00162
,
Figure 112016105475676-pat00163
,
Figure 112016105475676-pat00164
,
Figure 112016105475676-pat00165
)에 의한 바퀴 가속도(
Figure 112016105475676-pat00166
,
Figure 112016105475676-pat00167
,
Figure 112016105475676-pat00168
,
Figure 112016105475676-pat00169
), 그리고 바퀴 종 방향 속도(
Figure 112016105475676-pat00170
,
Figure 112016105475676-pat00171
,
Figure 112016105475676-pat00172
,
Figure 112016105475676-pat00173
)와 횡 방향 속도(
Figure 112016105475676-pat00174
,
Figure 112016105475676-pat00175
,
Figure 112016105475676-pat00176
,
Figure 112016105475676-pat00177
)가 이루는 속도 각도(
Figure 112016105475676-pat00178
,
Figure 112016105475676-pat00179
,
Figure 112016105475676-pat00180
,
Figure 112016105475676-pat00181
)에 의해 결정된다.
구체적으로 먼저 차량 전체에 대한 마찰계수(
Figure 112016105475676-pat00182
)는 다음 수학식 3에 따라 산출할 수 있다.
Figure 112016105475676-pat00183
그리고 각 바퀴의 마찰계수(
Figure 112016105475676-pat00184
,
Figure 112016105475676-pat00185
,
Figure 112016105475676-pat00186
,
Figure 112016105475676-pat00187
)는 다음 수학식 4에 따라 산출할 수 있다.
Figure 112016105475676-pat00188
바퀴마찰 추정부(130)는 앞서 추정한 바퀴 하중(
Figure 112016105475676-pat00189
,
Figure 112016105475676-pat00190
,
Figure 112016105475676-pat00191
,
Figure 112016105475676-pat00192
)과 바퀴에 대한 마찰계수(
Figure 112016105475676-pat00193
,
Figure 112016105475676-pat00194
,
Figure 112016105475676-pat00195
,
Figure 112016105475676-pat00196
)의 곱으로 바퀴의 마찰력을 추정할 수 있다. 각 바퀴의 마찰계수(
Figure 112016105475676-pat00197
,
Figure 112016105475676-pat00198
,
Figure 112016105475676-pat00199
,
Figure 112016105475676-pat00200
)는 차량 종 방향에 대한 성분이기에 바퀴의 추정 마찰력(
Figure 112016105475676-pat00201
,
Figure 112016105475676-pat00202
,
Figure 112016105475676-pat00203
,
Figure 112016105475676-pat00204
)은 차량 종 방향에 대한 마찰력이다.
구체적으로 각 바퀴의 마찰력(
Figure 112016105475676-pat00205
,
Figure 112016105475676-pat00206
,
Figure 112016105475676-pat00207
,
Figure 112016105475676-pat00208
)은 다음 수학식 5에 따라 산출할 수 있다.
Figure 112016105475676-pat00209
부하토크 추정부(124)는 차량 상태와 노면 상태에 의해 구동륜에 걸리는 부하를 추정한다. 전륜 차량의 경우 구동륜은 전륜 좌우 바퀴이며, 후륜 차량의 경우 구동륜은 후륜 좌우 바퀴이다.
따라서 구동륜의 위치에 따라 차동 기어에 걸리는 부하는 다르게 추정되어야 한다. 구동륜에 걸리는 부하 토크(
Figure 112016105475676-pat00210
,
Figure 112016105475676-pat00211
,
Figure 112016105475676-pat00212
,
Figure 112016105475676-pat00213
)는 타이어 동반경(
Figure 112016105475676-pat00214
), 구동륜의 관성 모멘트(
Figure 112016105475676-pat00215
,
Figure 112016105475676-pat00216
,
Figure 112016105475676-pat00217
,
Figure 112016105475676-pat00218
), 바퀴의 가속도(
Figure 112016105475676-pat00219
,
Figure 112016105475676-pat00220
,
Figure 112016105475676-pat00221
,
Figure 112016105475676-pat00222
), 바퀴의 속도 각도(
Figure 112016105475676-pat00223
,
Figure 112016105475676-pat00224
,
Figure 112016105475676-pat00225
,
Figure 112016105475676-pat00226
)에 의해 결정된다.
구체적으로 전륜 차량에 대한 차동 기어의 부하 토크(
Figure 112016105475676-pat00227
,
Figure 112016105475676-pat00228
)는 다음 수학식 6에 따라 산출할 수 있다.
Figure 112016105475676-pat00229
그리고 후륜 차량에 대한 차동 기어의 부하 토크(
Figure 112016105475676-pat00230
,
Figure 112016105475676-pat00231
)는 다음 수학식 7에 따라 산출할 수 있다.
Figure 112016105475676-pat00232
제어토크 산정부(125)는 차동 기어에 대한 부하 토크(
Figure 112016105475676-pat00233
,
Figure 112016105475676-pat00234
)와 차동 기어에 주입되는 변속기 출력 토크(
Figure 112016105475676-pat00235
)의 상관 관계로부터 최적의 ELSD 제어 토크(
Figure 112016105475676-pat00236
)를 추정한다.
기본적으로 차동 기어는 구동륜 양쪽으로 동일한 양의 출력 토크를 제공한다.
따라서 제어토크 산정부(125)는 차량 상태와 노면 상태에 의한 차동 기어 부하 토크(
Figure 112016105475676-pat00237
,
Figure 112016105475676-pat00238
) 중 작은 부하 토크를 기준으로 제어 토크( )를 결정한다.
변속기 출력 토크(
Figure 112016105475676-pat00239
)가 작은 부하 토크의 2배 보다 작을 경우 ELSD 제어 토크(
Figure 112016105475676-pat00240
)는 0으로 결정된다. 그리고 변속기 출력 토크(
Figure 112016105475676-pat00241
)가 작은 부하 토크의 2배 보다 크고 작은 부하 토크와 큰 부하 토크의 합보다 작을 경우에 ELSD 제어 토크(
Figure 112016105475676-pat00242
)는 변속기 출력 토크(
Figure 112016105475676-pat00243
)에서 작은 부하 토크의 2배를 제한 잔량으로 결정한다.
마지막으로 변속기 출력 토크(
Figure 112016105475676-pat00244
)가 작은 부하 토크와 큰 부하 토크의 합보다 클 경우에 ELSD 제어 토크(
Figure 112016105475676-pat00245
)는 큰 부하 토크에서 작은 부하 토크를 제한 잔량으로 결정한다.
여기에서 전륜 차량의 경우 부하 토크(
Figure 112016105475676-pat00246
,
Figure 112016105475676-pat00247
)는 다음 수학식 8에 따라 산출할 수 있다.
Figure 112016105475676-pat00248
후륜 차량의 경우 부하 토크(
Figure 112016105475676-pat00249
,
Figure 112016105475676-pat00250
)는 다음 수학식 9에 따라 산출할 수 있다.
Figure 112016105475676-pat00251
그리고 구체적으로 ELSD 제어 토크( )는 다음 수학식 10에 따라 산출할 수 있다.
Figure 112016105475676-pat00252
따라서, 차동 제어부(126)는 수학식 10에 따라 산출된 ELSD 제어 토크에 따라 차동 기어를 제어하게 됨으로써, 차량의 고속 선회 시나 이종 마찰의 발진 시에 견인력 저하를 방지할 수 있다.
수학식 1 내지 수학식 10에서, Fnf는 전륜 축 하중을 나타내고, Fnr은 후륜 축 하중을 나타내며, 차량의 정면 방향의 속도를 나타낸다.
또한, 차량 내 센서로부터 계측되는 차량의 가속도로서, 는 종 방향 가속도를 나타내고, 는 횡 방향의 가속도를 나타낸다.
또한, 바퀴 속도(, , , )로서 , , , 는 각 바퀴의 종 방향 속도를 나타내고, , , , 는 횡 방향 속도를 나타내며, , 는 부하 토크를 나타내며, 는 변속기 출력 토크를 나타낸다.
또한, 는 차량 무게 중심 높이, 은 휠 베이스 길이, 는 타이어 동반경, 는 차량 중량, 는 전륜 휠 베이스 길이, 은 후륜 휠 베이스 길이, 는 전륜 휠 윤거, 은 후륜 휠 윤거, 는 공기 저항 중심 높이, 는 종 방향 경사 각도, 는 횡 방향 경사 각도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전자식 차동 제한 장치(100)는, 먼저 차량정보 획득부(110)에서 차량 정보를 획득한다(S510).
즉, 차량정보 획득부(110)는 각종 센서를 통해 차량 속도나 가속도, 조향각, 차량 하중, 차량 높이 등을 획득하는 것이다.
이어, 바퀴하중 추정부(121)는 차량 바퀴의 하중을 추정한다(S520).
즉, 바퀴하중 추정부(121)는 도 2에 도시된 바와 같이 종 방향에 대한 축 하중(, )과 횡 방향 분석을 통한 바퀴 하중(, , , )을 순차적으로 추정한다. 이때, 바퀴하중 추정부(121)는 종 방향에 대한 축 하중(, )을 수학식 1에 따라 산출하고, 각 바퀴에 걸리는 하중(, , , )을 수학식 2에 따라 산출할 수 있다.
이어, 노면마찰 추정부(122)는 노면 마찰 계수를 추정한다(S530).
즉, 노면마찰 추정부(122)는 차량에 대한 전체 마찰계수( ) 추정으로부터 각 바퀴의 마찰계수(, , , )를 추정한다. 이때, 차량 전체에 대한 마찰계수( )는 수학식 3에 따라 산출할 수 있다. 그리고 각 바퀴의 마찰계수(, , , )는 수학식 4에 따라 산출할 수 있다.
이어, 바퀴마찰 추정부(123)는 바퀴의 마찰 계수를 추정한다(S540).
즉, 바퀴마찰 추정부(130)는 앞서 추정한 바퀴 하중(, , , )과 바퀴에 대한 마찰계수(, , , )의 곱으로 바퀴의 마찰 계수를 추정한다. 각 바퀴의 마찰계수(, , , )는 차량 종 방향에 대한 성분이기에 바퀴의 추정 마찰력(, , , )은 차량 종 방향에 대한 마찰력이다. 구체적으로 바퀴의 마찰력(, , , )은 수학식5에 따라 산출할 수 있다.
이어, 부하토크 추정부(124)는 차동 기어의 부하 토크를 추정한다(S550).
즉, 부하토크 추정부(124)는 차량 상태와 노면 상태에 의해 구동륜에 걸리는 부하 토크를 추정한다. 구동륜에 걸리는 부하 토크(, , , )는 타이어 동반경( ), 구동륜의 관성 모멘트(, , , ), 바퀴의 가속도(, , , ), 바퀴의 속도 각도(, , , )에 의해 결정된다.
구체적으로 전륜 차량에 대한 차동 기어의 부하 토크(, )는 수학식 6에 따라 산출하고, 후륜 차량에 대한 차동 기어의 부하 토크(, )는 수학식 7에 따라 산출할 수 있다.
이어, 제어토크 산정부(125)는 제어 토크를 산정한다(S560).
즉, 제어토크 산정부(125)는 차동 기어에 대한 부하 토크(, )와 차동 기어에 주입되는 변속기 출력 토크( )의 상관 관계로부터 최적의 ELSD 제어 토크( )를 추정한다. 따라서 제어토크 산정부(125)는 차량 상태와 노면 상태에 의한 차동 기어 부하 토크(, ) 중 작은 부하 토크를 기준으로 제어 토크( )를 결정한다.
여기에서 전륜 차량의 경우 부하 토크(, )는 수학식 8에 따라 산출하고, 후륜 차량의 경우 부하 토크(, )는 수학식 9에 따라 산출할 수 있다. 그리고 구체적으로 ELSD 제어 토크( )는 수학식 10에 따라 산출할 수 있다.
그리고, 차동 제어부(126)는 산정된 제어 토크에 따라 차동 기어를 제어한다(S570).
이때, 차동 제어부(126)는 스티어링 각도가 0으로 변함이 없는 경우에, 조향 휠의 회전각도가 존재하지 않으므로 단순히 휠 슬립량에 따른 제어 토크만을 출력함으로써 좌우 휠의 토크를 제어할 수 있다.
또한, 차동 제어부(126)는 전술한 바와 같이 산정한 제어 토크에 따라 차동 기어를 제어할 때, 스티어링 각도에 따라 토크를 높여주고 일정 시간 후에는 토크를 줄여주는 것을 반복하여 휠 슬립량을 감소시키는 것과 동시에 조향 성능을 향상시킬 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 차량의 고속 주행 중 선회 시나 이종 마찰로 인한 발진 시에 차량속도, 가속도, 바퀴속도, 차량 정보 등을 이용하여 차동 기어의 부하 토크를 추정하여, 전자식 차동 제한 장치를 제어함으로써 견인력 저하를 해결할 수 있도록 하는, 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치 및 그 방법을 실현할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 전자식 차동 제한 장치 110 : 차량정보 획득부
120 : 제어부 121 : 바퀴하중 추정부
122 : 노면마찰 추정부 123 : 바퀴마찰 추정부
124 : 부하토크 추정부 125 : 제어토크 산정부
126 : 차동 제어부 130 : ELSD 구동부

Claims (10)

  1. 각 센서를 통해 각종 차량 정보를 획득하는 차량정보 획득부;
    상기 획득된 차량 정보를 이용하여 바퀴 하중이나 노면 마찰, 바퀴 마찰, 부하 토크를 추정하여 차동 제한을 위한 제어 토크를 산정하고, 산정된 제어 토크에 따라 차동 기어를 제어하는 제어부; 및
    상기 제어부의 제어 토크를 바탕으로 차동 기어를 구동하여 전륜 또는 후륜의 좌우 휠을 회전시켜 좌우 회전 불균형(split-mu)을 해소하는 ELSD 구동부;
    를 포함하고,
    상기 제어부는, 차량의 바퀴 종 방향에 대해 축 하중(
    Figure 112017111731983-pat00336
    ,
    Figure 112017111731983-pat00337
    )과 횡 방향 분석을 통한 바퀴 하중(
    Figure 112017111731983-pat00338
    ,
    Figure 112017111731983-pat00339
    ,
    Figure 112017111731983-pat00340
    ,
    Figure 112017111731983-pat00341
    )을 순차적으로 추정하는 바퀴하중 추정부; 상기 차량에 대한 전체 마찰계수(
    Figure 112017111731983-pat00342
    ) 추정으로부터 각 바퀴의 마찰계수(
    Figure 112017111731983-pat00343
    ,
    Figure 112017111731983-pat00344
    ,
    Figure 112017111731983-pat00345
    ,
    Figure 112017111731983-pat00346
    )를 추정하는 노면 마찰계수 추정부; 상기 바퀴 하중(
    Figure 112017111731983-pat00347
    ,
    Figure 112017111731983-pat00348
    ,
    Figure 112017111731983-pat00349
    ,
    Figure 112017111731983-pat00350
    )과 상기 바퀴에 대한 마찰계수(
    Figure 112017111731983-pat00351
    ,
    Figure 112017111731983-pat00352
    ,
    Figure 112017111731983-pat00353
    ,
    Figure 112017111731983-pat00354
    )의 곱으로 바퀴 마찰력을 추정하는 바퀴 마찰력 추정부; 상기 차량의 상태와 노면 상태에 의해 구동륜에 걸리는 부하 토크를 추정하는 부하토크 추정부; 상기 차량의 상태와 상기 노면 상태에 의한 차동 기어 부하 토크(
    Figure 112017111731983-pat00355
    ,
    Figure 112017111731983-pat00356
    ) 중 작은 부하 토크를 기준으로 제어 토크(
    Figure 112017111731983-pat00357
    )를 산정하는 제어토크 산정부; 및 상기 산정된 제어 토크에 따라 차동 기어를 제어하는 차동 제어부를 포함하는,
    견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 축 하중(
    Figure 112017111731983-pat00275
    ,
    Figure 112017111731983-pat00276
    )은, 항력(
    Figure 112017111731983-pat00277
    )과 양력(
    Figure 112017111731983-pat00278
    ,
    Figure 112017111731983-pat00279
    )이 모두 차량 종 방향 속도(
    Figure 112017111731983-pat00280
    )의 제곱에 비례하는 상황에서, 종 방향 경사도(
    Figure 112017111731983-pat00281
    ), 종 가속도(
    Figure 112017111731983-pat00282
    ), 종 방향 차량 속도(
    Figure 112017111731983-pat00283
    )에 따라 결정되고, 상기 바퀴 하중은 횡 방향 경사도(
    Figure 112017111731983-pat00284
    ), 횡 가속도(
    Figure 112017111731983-pat00285
    )에 의해 결정하는, 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 종 방향에 대한 축 하중(
    Figure 112017111731983-pat00286
    ,
    Figure 112017111731983-pat00287
    )을 아래의 수학식에 따라 산출하는, 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치.
    Figure 112017111731983-pat00288

  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 각 바퀴에 걸리는 하중(
    Figure 112017111731983-pat00289
    ,
    Figure 112017111731983-pat00290
    ,
    Figure 112017111731983-pat00291
    ,
    Figure 112017111731983-pat00292
    )을 다음 수학식에 따라 산출하는, 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치.
    Figure 112017111731983-pat00293

  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 바퀴의 마찰력(
    Figure 112017111731983-pat00294
    ,
    Figure 112017111731983-pat00295
    ,
    Figure 112017111731983-pat00296
    ,
    Figure 112017111731983-pat00297
    )을 다음 수학식에 따라 산출하는, 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 장치.
    Figure 112017111731983-pat00298

  7. (a) 차량정보 획득부에서 차량 정보를 획득하는 단계;
    (b) 바퀴하중 추정부에서 차량 바퀴의 하중을 추정하는 단계;
    (c) 노면마찰 추정부에서 노면 마찰 계수를 추정하는 단계;
    (d) 바퀴마찰 추정부에서 바퀴의 마찰력을 추정하는 단계;
    (e) 부하토크 추정부에서 차동 기어의 부하 토크를 추정하는 단계;
    (f) 제어토크 산정부에서 제어 토크를 산정하는 단계; 및
    (g) 차동 제어부에서 상기 산정된 제어 토크에 따라 차동 기어를 제어하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 (f) 단계에서 상기 제어토크 산정부는, 상기 차동 기어에 대한 부하 토크(
    Figure 112017111731983-pat00358
    ,
    Figure 112017111731983-pat00359
    )와 상기 차동 기어에 주입되는 변속기 출력 토크(
    Figure 112017111731983-pat00360
    )의 상관 관계로부터 제어 토크(
    Figure 112017111731983-pat00361
    )를 추정하여, 차량 상태와 노면 상태에 의한 차동 기어 부하 토크(
    Figure 112017111731983-pat00362
    ,
    Figure 112017111731983-pat00363
    ) 중 작은 부하 토크를 기준으로 제어 토크(
    Figure 112017111731983-pat00364
    )를 결정하는,
    견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 방법.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 (e) 단계에서 상기 부하토크 추정부는, 차량 상태와 노면 상태에 의해 구동륜에 걸리는 부하 토크를 추정하고, 상기 구동륜에 걸리는 부하 토크(
    Figure 112016105475676-pat00306
    ,
    Figure 112016105475676-pat00307
    ,
    Figure 112016105475676-pat00308
    ,
    Figure 112016105475676-pat00309
    )는 타이어 동반경(
    Figure 112016105475676-pat00310
    ), 구동륜의 관성 모멘트(
    Figure 112016105475676-pat00311
    ,
    Figure 112016105475676-pat00312
    ,
    Figure 112016105475676-pat00313
    ,
    Figure 112016105475676-pat00314
    ), 바퀴의 가속도(
    Figure 112016105475676-pat00315
    ,
    Figure 112016105475676-pat00316
    ,
    Figure 112016105475676-pat00317
    ,
    Figure 112016105475676-pat00318
    ), 바퀴의 속도 각도(
    Figure 112016105475676-pat00319
    ,
    Figure 112016105475676-pat00320
    ,
    Figure 112016105475676-pat00321
    ,
    Figure 112016105475676-pat00322
    )에 의해 결정하는, 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 상기 바퀴마찰 추정부는, 상기 추정한 바퀴 하중(
    Figure 112016105475676-pat00323
    ,
    Figure 112016105475676-pat00324
    ,
    Figure 112016105475676-pat00325
    ,
    Figure 112016105475676-pat00326
    )과 바퀴에 대한 마찰계수(
    Figure 112016105475676-pat00327
    ,
    Figure 112016105475676-pat00328
    ,
    Figure 112016105475676-pat00329
    ,
    Figure 112016105475676-pat00330
    )의 곱으로 상기 바퀴의 마찰 계수를 추정하는, 견인 토크 추정을 이용한 전자식 차동 제한 방법.
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