KR102140103B1

KR102140103B1 - 스티어링 시스템

Info

Publication number: KR102140103B1
Application number: KR1020190026328A
Authority: KR
Inventors: 토마스 클링거
Original assignee: 아우디 아게
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2020-07-31
Also published as: CN110239614A; EP3536580A1; US20190276070A1; DE102018203422A1; CN110239614B; US11046354B2; EP3536580B1; KR20190106786A

Abstract

본 발명은, 차량용 스티어링 시스템으로서, 스티어링력이 그를 통해 스티어링 부재로부터 입력될 수 있는 입력 샤프트(2), 스티어링 작동 기구 상에 작용하는 출력 샤프트(3), 상기 입력 샤프트(2)와 상기 출력 샤프트(3)를 서로 연결하며 그리고 서로로부터 분리하기 위한 클러치(1), 및, 상기 클러치(1)가 그에 의해 상기 입력 샤프트(2)와 상기 출력 샤프트(3)를 서로 연결하고 분리하도록 구동될 수 있는, 적어도 하나의 액추에이터(19)를 포함하고, 상기 출력 샤프트(3)는, 분리 상태에서, 제어 유닛(32)에 의해 제어 가능한 스티어 바이 와이어 구동기(39)가, 상기 제어 유닛(32)에 의해 제어되어 스티어링 각도를 결정하기 위해 스티어링 작동 기구(33) 상에 작용하도록, 상기 입력 샤프트(2)에 대해 독립적으로 회전 가능하며, 그리고 상기 입력 샤프트(2)와 상기 출력 샤프트(3)는, 연결 상태에서 상대 회전 불가능하게 연결되는 것인, 차량용 스티어링 시스템에 관한 것이다.

Description

스티어링 시스템{STEERING SYSTEM}

본 발명은 특허 청구항 제 1항의 전제부에 따른 스티어링 시스템에 관한 것이다.

스티어링 어셈블리는 일반적으로, 스티어링 부재와 스티어링 작동 기구가 항상 서로 기계적으로 연결되도록 구성된다. 그러나 최근에는, 스티어링 부재와 스티어링 작동 기구가 서로 기계적으로 연결되는 연결 상태와, 스티어링 부재와 스티어링 작동 기구가 서로 기계적으로 분리된 분리 상태 사이에서 전환될 수 있는, 다양한 스티어링 시스템들이 제안되고 구현되어 왔다. 분리 상태에서, 스티어링 부재 상의 회전 운동이 센서에 의해 스캐닝 되고, 제어 시스템 및 이러한 제어 시스템에 의해 제어되는 액추에이터를 통해, 스티어링 작동 기구의 스티어링 운동으로 전환되거나, 제어 시스템이, 센서 데이터에 기초하여 독립적으로 스티어링 명령을 발생시키고, 이러한 명령을 액추에이터의 제어에 의해 스티어링 작동 기구의 스티어링 운동으로 전환한다. 분리 상태는 일반적으로, 스티어 바이 와이어(steer-by-wire) 구성으로 지칭되며 그리고, 예를 들어, 스티어링 특성이 속도에 의존하여 변경되어야 하는 경우에, 운전자에 의해 통제될 수 없는 상황에서, 예를 들어 사고를 회피하기 위해, 스티어링 개입이 이루어져야 하는 경우에, 또는 예컨대 주차 공간에서 자동 주차와 같이, 편의성을 높이기 위해 운전 조작이 독립적으로 차량에 의해 구현되어야 하는 경우에, 사용된다.

일반적으로, 스티어 바이 와이어 구성이 활성화된 경우에, 차량의 실제 스티어링 운동은, 운전자를 위한 피드백으로서, 서보 구동기를 통해, 스티어링 부재의 위치로 전달된다.

필요에 따라, 스티어링 부재를 스티어링 작동 기구와 연결하기 위한 클러치 어셈블리를 갖는, 전술한 방식의 스티어링 시스템이, 예를 들어 EP 3 202 641 A1호 및 US 2017/0217475 A1호에서 설명된다. 거기에서, 스티어링 부재에 연결되는 스티어링 샤프트의 제1 부분을, 스티어링 작동 기구에 연결되는 스티어링 샤프트의 제2 부분에, 전환 가능한 클러치에 의해 연결하거나 또는 분리하는, 스티어링 시스템을 제공하는 것이 제안된다. 분리된 정상 작동 시, 스티어링은, 센서 데이터에 기초하게 되는 제어 유닛에 의해 이루어지고, 이 경우 제어 유닛은, 상기 제어 유닛에 의해 제어되며 그리고 스티어링 작동 기구 상에 작용하는, 모터에 의해 스티어링 각도를 조절한다. 스티어링 부재에 연결되는 스티어링 샤프트의 제1 부분 상에, 피드백 유닛이, 센서 데이터에 기초하게 되는 제어 유닛에 의해 제어되는 서보 구동기의 형태로 작용하고, 이로 인해 스티어링 부재를 작동하는 사람이 스티어링 느낌을 받게 된다.

그러나, 힘 피드백 형태의 이러한 서보 피드백 구동기들은, 고가이며 그리고 상당한 공간을 필요로 한다. 따라서, 간단하고 저렴한 해결 방법에 대한 요구가 존재한다.

전술한 종래기술에 기초하여, 본 발명의 과제는, 이상에 언급된 단점들을 방지하고, 특히 능동형 피드백 유닛을 생략함과 더불어, 스티어링 작동 기구로부터의 스티어링 부재의 분리가, 스티어링 부재를 조작하는 사람에게, 갑작스럽게 저항 없이 작동 가능한 스티어링 부재로서 느껴지지 않는 가운데, 제어 유닛에 의해 제어되는 스티어링 개입을 허용하는, 스티어링 시스템을 제공하는 것이다.

상기 과제는 청구항 제 1항의 특징들에 의해 해결된다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항에 기술된다.

스티어링력이 그를 통해 스티어링 부재로부터 입력될 수 있는 입력 샤프트, 스티어링 작동 기구 상에 작용하는 출력 샤프트, 입력 샤프트와 출력 샤프트를 서로 연결하고 서로 분리하기 위한 클러치, 및, 상기 클러치가 그에 의해 입력 샤프트와 출력 샤프트를 서로 연결하고 분리하도록 구동될 수 있는, 적어도 하나의 액추에이터를 포함하는, 차량을 위한 스티어링 시스템이 전제된다. 이러한 어셈블리는, 스티어 바이 와이어(steer-by-wire) 구성과 관련하여 공개되어 있고, 출력 샤프트는, 분리 상태에서, 제어 유닛에 의해 제어 가능한 스티어 바이 와이어 구동기가, 제어 유닛에 의해 제어되어 스티어링 각도를 결정하기 위해 스티어링 작동 기구에 작용하도록, 입력 샤프트에 대해 독립적으로 회전 가능하다는 전제를 제공한다. 이러한 스티어링 시스템의 경우, 일반적으로 안전 기능이 제공되고, 스티어 바이 와이어 기능의 고장 시, 스티어링 시스템은 상기 안전 기능으로 복귀할 수 있으며, 이러한 안전 기능 시 입력 샤프트와 출력 샤프트는 상대 회전 불가능하게 연결된다.

전술한 제어 유닛은, 오늘날 일반적으로 센서들에 의해 데이터를 결정하고, 상기 데이터를 프로그램을 이용해서 처리하며 처리 결과에 따라 액추에이터를 제어하는, 컴퓨터 기반 제어 유닛이다. 이러한 제어 유닛들은 일반적으로 공개되어 있기 때문에, 그 구조를 상세히 설명하는 것은 불필요하다.

상기 과제의 해결을 위해, 클러치가 제어 유닛에 의해 제어되는 적어도 하나의 액추에이터에 의해 2개의 별개의 전환 상태에 놓일 수 있도록 스티어링 시스템을 구성하는 것이 제안되고, 이 경우 클러치는, 제1 전환 상태에서 입력 샤프트와 출력 샤프트를 상대 회전 불가능하게 연결하며, 그리고 제2 전환 상태에서, 입력 샤프트를, 한편으로 출력 샤프트로부터 분리되며 그리고 다른 한편으로 직접적 또는 간접적 결합에 의해 차량의 고정된 부품에 대해, 예를 들어 차체에 대해, 고정한다. 또한, 출력 샤프트는, 제2 전환 상태에서만, 제어 유닛에 의해 제어되는 스티어 바이 와이어 구동기에 의해, 입력 샤프트와 독립적으로 회전 가능한 것이 제안된다. 제안된 스티어링 시스템에 의해, 바람직하게, 서보 구동기에 의한 피드백이 비용 및 공간 절약 방식으로 생략되지만 힘 피드백 형태의 피드백이 제공되는, 스티어 바이 와이어 기능이, 가능해진다. 특히, 스티어링 휠이, 언제나 느슨하게 회전할 수 없음에 따라, 운전자에 대한 불안감이 바람직하게 방지되는 것이 달성된다.

제2 전환 상태에서의 입력 샤프트와 차량의 고정된 부품 사이의 직접적 또는 간접적 결합은, 입력 샤프트와 차량의 고정된 부품 사이에 작용하는 적어도 하나의 스프링 기구에 의해 약간 회전 가능하도록 형성되어, 입력 샤프트가, 그 자체에 연결되는 스티어링 부재에 의해, 적어도 하나의 스프링 부재의 힘에 대항하여 양자 모두의 회전 방향으로 미리 정해진 각도 크기만큼 회전 가능하도록, 그리고 이러한 각도 크기를 넘는 회전 시 차량의 고정된 부품에 직접적 또는 간접적으로 연결되는 스토퍼에 도달하도록 하는 경우에, 특히 바람직하다. 이러한 실시예에 의해, 스티어 바이 와이어 기능이 작동하거나 적용되면, 입력 샤프트 및 그에 따라 스티어링 부재의, 예를 들어 스티어링 휠의, 회전 각도에 의존하는, 힘 피드백이 달성된다. 이는, 운전자에게, 갑작스럽게 차단되거나 또는 심지어 느슨하게 회전 가능한 스티어링 부재보다, 훨씬 더 많은 안전성을 전달한다. 미리 정해진 각도 크기가 5° 초과 내지 30°미만, 바람직하게 5° 초과 내지 20°미만, 가장 바람직하게 5° 초과 15°미만인 경우에, 특히 유용한 것으로 입증되었다.

바람직하게 스티어링 부재가 언제나 느슨하게 회전할 수 없는 것을 보장하기 위해, 클러치는, 제1 전환 상태로부터 제2 전환 상태로 전환 도중에, 전환 도중에 동적으로 통과하는 제1 전환 상태와 제2 전환 상태 사이의 중간 영역에서, 입력 샤프트와 출력 샤프트를 상대 회전 불가능하게 연결하도록 그리고 입력 샤프트를 차량의 고정된 부품에 대해, 예를 들어 차체에 대해, 고정하도록 구성되어, 입력 샤프트는 언제나 자유롭게 회전할 수 없다. 중간 영역의 통과는, 바람직하게, 제1 전환 상태로부터 제2 전환 상태로의 전환 작동 시, 입력 샤프트에 스티어링력이 인가될 때, 차체에 결합되는 입력 샤프트가 스토퍼에 도달하지 않도록, 시간적으로 설정된다. 이러한 방식으로, 직접 제어로부터 스티어 바이 와이어 기능으로 전환 시의 입력 샤프트로의 힘 피드백은, 예를 들어 스티어링 휠과 같은 스티어링 부재 상에서, 실질적으로 불편함을 제공할 수 있는 힘의 급상승 없이, 구현된다.

스티어링 시스템의 다른 실시예에서, 정상 작동 시, 제어 유닛은, 제2 전환 상태로부터 제1 전환 상태로 변경될 때, 출력 샤프트의 각도 위치를 입력 샤프트의 각도 위치로 동기화하여, 제어 유닛에 의해 제어되는 스티어 바이 와이어 구동기가, 스티어링 작동 기구를 적어도 하나의 센서에 의해 결정되는 입력 샤프트의 각도 위치로 조절하도록 하며, 그리고, 제어 유닛이, 적어도 하나의 액추에이터를 구동함에 의해, 클러치를 제1 전환 상태에 놓이게 하는 것이 바람직하다. 이러한 조치에 의해, 스티어링 작동 기구 및 이와 함께 예를 들어 차량의 휠이, 제어 유닛에 의해 스티어 바이 와이어 구동기를 이용해서, 입력 샤프트의 각도 위치에 의해 미리 정해진 위치로 조절될 수 있으므로, 출력 샤프트와 입력 샤프트의 어긋난 결합이 확실하게 저지된다. 제2 전환 상태로부터 제1 전환 상태로 전환은, 입력 샤프트 및 바람직하게 차량의 정지 상태에 놓일 때 일어나는 것이, 바람직하다.

스티어 바이 와이어 기능의 적용 시, 상기 기능이 고장인 경우 보호 장치를 준비하기 위해, 제2 전환 상태로부터 제1 전환 상태로의 비상 전환을 제공하는 것이 바람직하고, 이 경우, 비상 전환의 개시 이후에, 제어 유닛은, 입력 샤프트의 각도 위치와 무관하게, 적어도 하나의 액추에이터를 구동함에 의해 클러치를 제1 전환 상태에 놓이도록 한다. 이러한 조치에 의해, 시스템 고장 시에도 차량의 중단 없는 스티어링 가능성이 보장된다.

제1 전환 상태 또는 제2 전환 상태에서 개별적인 연결을 형성하는 클러치의 실시예에 관해서, 형상 끼워 맞춤 맞물림 외에, 마찰 또는 견인에 의한 연결이, 제공될 수 있다. 물론, 예를 들어, 제1 전환 상태에서, 입력 샤프트와 출력 샤프트 사이의 연결은 형상 끼워 맞춤 맞물림 방식으로 이루어지고, 제2 전환 상태에서, 입력 샤프트와 차량의 고정된 부품 사이의 직접적 또는 간접적 연결은, 마찰 또는 견인의 방법으로 이루어짐으로써, 이러한 연결 가능성들의 조합도 고려될 수 있다.

클러치의 바람직한 실시예에 관해서, 상기 클러치는 적어도 하나의 전환 부재를 갖는 것이 제공되고, 이 경우, 클러치는, 적어도 하나의 전환 부재에 의해, 제1 전환 상태에서 입력 샤프트와 출력 샤프트를 상대 회전 불가능하게 연결하며, 제2 전환 상태에서, 입력 샤프트를 한편으로 출력 샤프트로부터 분리하며, 다른 한편으로 적어도 하나의 전환 부재에 의해 입력 샤프트를 차량의 고정된 부품에 대해, 예를 들어 차체에 대해, 고정한다. 모든 과제를 수행하는 하나의 전환 부재의 제공이 비용상의 이유로 선호되지만, 클러치를 위해 예를 들어 2개의 전환 부재를 제공할 구조적 필요성도 있을 수 있고, 이 경우, 제1 전환 부재는, 제1 전환 상태에서 입력 샤프트와 출력 샤프트를 상대 회전 불가능하게 연결하며, 그리고 제2 전환 상태에서 입력 샤프트와 출력 샤프트 사이의 연결을 분리하며, 제2 전환 부재는, 제2 전환 상태에서 입력 샤프트를 차량의 고정된 부품에 대해 고정하며, 그리고 제1 전환 상태에서 이러한 연결을 분리한다.

적어도 하나의 전환 부재의 작동을 위해, 바람직하게 적어도 하나의 액추에이터가, 제공되고, 이 경우 상기 액추에이터는, 힘을 전달하는 구동기를 포함하고, 상기 구동기는, 전기 구동기, 기계식 구동기, 공압식 구동기, 유압식 구동기, 불꽃식 구동기(pyrotechnic drive), 또는 이러한 구동기들의 임의의 조합 형태들의 그룹 중의 하나에 속한다. 물론, 이러한 구동기 형태들은 서로 조합될 수 있다. 따라서 일반적인 경우에 전자기식 또는 전동식 구동기를 제공하는 것 또는 해당하는 동력원이 존재하면, 공압식 또는 유압식 구동기를 제공하는 것이 고려될 수 있고, 제2 전환 상태로부터 제1 전환 상태로의, 실질적으로 지연 없는, 확실한 비상 전환을 위해, 추가로 불꽃식 구동기도 바람직할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예 및 장점들은 계속해서 도면을 참고로 설명된다.

도 1a 내지 도 1c는 스티어링 시스템의 클러치 어셈블리의 개략적 단면도이다.
도 2는 승용차 내의 스티어링 시스템의 개략적 도면이다.

이하의 기재에 대해, 본 발명에 따른 스티어링 시스템은 승용차 내에 설치되는 것이 전제된다. 핵심은 스티어링 시스템이 클러치를 포함하는 것이고, 먼저 도 1a 내지 도 1c에 도시된 예를 참조하여 상기 클러치의 구조 및 작동이 기술된다. 실시예는 매우 간단하게 도시되고, 복수의 구현 가능성들 중 하나만을 제시한다. 제1 전환 상태로부터 제2 전환 상태로의 전환에 대한 3개의 상이한 단계들에서, 어셈블리가 도시된다. 동일한 부분들에는 동일한 참조 번호가 사용된다.

도 1a 내지 도 1c의 도면들에 따르면, 클러치(1)는, 제1 전환 상태에서, 입력 샤프트(2)를 출력 샤프트(3)에 연결하며, 그리고 제2 전환 상태에서, 연결을 분리하며 그리고 그 대신 입력 샤프트(2)를 승용차(5; 도 2)의 차체(4)에 대해 고정하는, 역할을 한다. 클러치(1)는, 차체(4)에 고정되도록 배치되는, 실린더형 하우징(6)을 구비한다. 하우징(6) 내에서 상기 하우징의 중심축(7)에 대해 동축으로, 입력 샤프트(2)는 제1 베어링(13)에 의해, 그리고 출력 샤프트(3)는 제2 베어링(14)에 의해, 회전 가능하게 지지된다. 따라서, 중심축(7)은 또한, 입력 샤프트(2) 및 출력 샤프트(3)의 회전축이기도 하다.

출력 샤프트(3)는 입력 샤프트(2)를 향한 단부(8)에 리세스(9)를 갖고, 상기 리세스 내에 출력 샤프트(3)를 향한 입력 샤프트(2)의 샤프트 단부(10)가 제3 베어링(15)에 의해 회전 가능하게 지지된다. 리세스(9)는 자체의 개방 단부에 내부 치형부(25)를 갖고, 상기 내부 치형부는 아래에서 설명되는 바와 같이, 전환 슬리브(12)와 협력적으로 작용한다.

전환 슬리브(12)는, 출력 샤프트(3) 내의 입력 샤프트(2)의 지지부와 하우징(6) 내의 상기 입력 샤프트의 지지부 사이에서, 축방향으로 이동 가능하게 그리고 회전 불가능하게, 입력 샤프트(2) 상에 배치된다. 이를 위해, 입력 샤프트(2)는, 이러한 영역에, 축방향으로 연장되는 외부 치형부(11)를 구비하고, 상기 외부 치형부는, 전환 슬리브(12)의 (도면에 도시되지 않은) 축방향으로 연장되는 내부 치형부에 대응하며 그리고 협력적으로 작용한다. 또한, 전환 슬리브(12)는, 축방향으로 연장되는 외부 치형부(16)를 구비하고, 이 외부 치형부는, 그 축방향 길이와 관련하여 대략 중앙에서, 회전형 시프트 게이트(17)에 의해 2개의 절반부로 분할된다. 시프트 게이트(17)에, 시프트 핑거(18)가 맞물리고, 상기 시프트 핑거는, 액추에이터(19)에 의해 작동하고, 중심축(7)에 대해 평행하게 이동 가능하며, 그리고 그에 따라 전환 슬리브(12)를 축방향으로 이동시킨다. 전환 슬리브(12) 및 전환 슬리브의 외부 치형부(16)의 외경은, 리세스(9) 및 리세스의 내부 치형부(25)의 내경에 대응하며, 따라서 전환 슬리브(12)는, 상응하는 축방향 위치에서 출력 샤프트(3)에 회전 불가능하게 맞물린다.

추가적 부재로서, 실린더형 커플링 슬리브(20)가, 클러치(1)의 하우징(6) 내에 중심축(7)에 대해 동축으로 장착된다. 커플링 슬리브(20)는, 하우징(6) 내부에서의 그들의 방사방향 위치와 관련하여, 원주방향 돌출부들(21)에 의해 유지되며, 그리고 출력 샤프트의 단부(8)에 대해, 전환 슬리브(12)의 축방향 길이보다 작은, 축방향 간격을 갖도록 배치된다. 돌출부들(21) 및 커플링 슬리브(20)의 외측 표면은, 커플링 슬리브(20)가 하우징(6)의 내부에서 중심축(7)을 중심으로 회전 가능하도록, 슬라이딩 베어링을 형성한다. 또한, 커플링 슬리브(20)는, 제1 베어링(13)을 향한 자체의 단부에, 자체의 외측면 상의 규정된 각도 범위에 걸쳐 원주 방향으로 연장되는, 그루브(groove)(22)를 구비하고, 상기 그루브 내에 하우징(6)을 관통하는 핀(23)이 맞물린다. 이러한 방식으로, 커플링 슬리브(20)는, 하우징(6) 내에서 축방향으로 고정되며, 그리고 그루브(22)의 길이에 의해 한정되는 각도 범위 내에서 원주 방향으로 회전 가능하다. 각도 범위는, 이 경우, 커플링 슬리브가 중간 위치에서부터 약 ±10°의 각도만큼 하우징(6) 내에서 회전 가능하도록, 선택된다. 또한, 커플링 슬리브(20)는, 내부 치형부(26)를 갖고, 커플링 슬리브(20) 및 그의 내부 치형부(26)의 내경은, 전환 슬리브(12)가 상응하는 축방향 위치에서 커플링 슬리브(20)에 회전 불가능하게 맞물리도록, 전환 슬리브(12) 및 그의 외부 치형부(16)의 외경에 대응한다.

하우징(6) 내의 돌출부들(21) 사이에, 2개의 단부 중 하나는 하우징(6)과 그리고 다른 단부는 커플링 슬리브(20)의 외측 표면과 맞물리는, 스프링 부재들(24)이 배치된다. 이러한 방식으로, 커플링 슬리브(20)는, 자체의 회전 각도와 관련하여, 입력 샤프트(2)에 연결되지 않은 연결 상태에서, 양쪽 모두의 방향으로 상기한 중간 위치에서 유지된다. 그에 따라, 커플링 슬리브(20)는, 스프링 부재들(24)의 힘에 대항해서, 중간 위치에서부터 약 ±10°의 각도만큼 하우징(6) 내에서 회전 가능하며, 그리고 ±10°보다 큰 회전 각도일 때 그루브(22)의 길이에 의해 제공되는 스토퍼에 도달한다.

상기한 클러치(1)의 구조로부터 시작하여, 클러치의 전환 작동이 지금부터, 도 1a 내지 도 1c에 따른 도면들에 관련하여, 더욱 상세하게 설명될 것이다. 클러치가 자체의 제1 전환 상태(제1 전환 위치(I))에서 도시되는 도 1a로 시작하여, 전환은, 전환 작동의 진행 도중에 동적으로 통과하는, 도 1b에 도시되는 중간 상태(Z)를 경유하여 일어나며, 그리고 도 1c에 도시되는 제2 전환 상태(제2 전환 위치(II))에서 종료된다. 전환 위치들(I 및 II)은, 도면들에서, 중간 상태(Z)가 그 사이에 놓이는, 일점쇄선들로 표시된다.

도 1a의 도면에 따르면, 시프트 핑거(18)는 I로 표시되는 제1 전환 위치에 놓인다. 이러한 전환 위치(I)에서, 액추에이터(19)에 의해 시프트 핑거(18) 및 시프트 게이트(17)를 통해 축방향으로 이동 가능한 전환 슬리브는, 도면에서 그의 좌측 단부 위치에 놓인다. 이 경우, 전환 슬리브(12)의 외부 치형부(16)는, 리세스(9)의 대응하는 내부 치형부(25)와 맞물린다. 다른 한편으로, 전환 슬리브(12)는, 그의 내부 치형부(도면에 도시되지 않음) 및 입력 샤프트(12)의 대응하는 외부 치형부(11)에 의해, 상기 입력 샤프트에 회전 불가능하게 연결된다. 따라서, 토크 화살표(27)에 따라 입력 샤프트(2)에 가해지는 토크가, 토크 화살표(28)에 의해 표시되는 바와 같이, 1:1 비율로 출력 샤프트(3)에 전달된다. 따라서, 토크 화살표(27)를 따르는 토크가 스티어링 휠(30)에 의해 직접적 또는 간접적으로 입력 샤프트(2)에 가해지면, 출력 샤프트(3)는 1:1 비율로 함께 회전한다. 출력 샤프트(3)에 의해 구동되는 스티어링 작동 기구(33; 도 2)의 작동을 위해 요구되는 작동력에 의해, 스티어링 휠을 조작하는 사람(도시되지 않음)은, 자연스러운 스티어링 감을 받게 된다.

액추에이터(19)가 제어 유닛(32; 도 2)에 의한 전환 신호에 의해 작동되는 경우, 이동 화살표(31a)에 의해 표시되는 바와 같이, 상기 액추에이터는, 시프트 핑거(18) 및 그에 따라 전환 슬리브(12)를, 도 1b의 도면에서 우측으로 이동시킨다. 이 경우, 어셈블리는, 중간 상태(Z)를 통과하고, 중간 상태에서, 입력 샤프트(2)는, 한편으로, 그의 외부 치형부(11), 전환 슬리브의 대응하는 내부 치형부(도면에 도시되지 않음), 전환 슬리브(12)의 외부 치형부(16) 및 리세스(9)의 대응하는 내부 치형부(25)에 의해, 출력 샤프트(3)에 연결되며, 그리고 다른 한편으로, 외부 치형부(11), 전환 슬리브(12)의 내부 치형부(도면에 도시되지 않음), 전환 슬리브(12)의 외부 치형부(16) 및 커플링 슬리브(20)의 대응하는 내부 치형부(26)를 통해, 스프링 부재(24)에 그리고 그에 따라 하우징(6) 상에서 차체(4)에 연결된다.

출력 샤프트(3), 뿐만 아니라 약간 회전 가능하도록 차체(4), 양자 모두와의 입력 샤프트(2)의 이러한 이중 연결에 의해, 입력 샤프트(3) 및 그에 따라 스티어링 휠(31)은, 언제나 자유롭게 회전할 수 없는 것이, 또는 제1 전환 위치(I)로부터 제2 전환 위치(II)로 전환 시점에 갑작스럽게 차단되는 것이, 달성된다. 갑작스러운 차단을 방지하기 위해, 중간 상태(Z)를 통과하는 동안의 전환 시간은, 이러한 시간 내에 스티어링 휠이, 커플링 슬리브(20)가 그의 중간 위치로부터 그루브(22)의 단부까지 회전될 정도로, 즉 스토퍼에 도달할 정도로, 회전될 수 없도록 설정된다. 이러한 방식으로, 스티어링 휠을 조작하는 사람(도시되지 않음)에게 거의 자연스러운 스티어링 감이 유지되며, 이는, 스티어링 작동 기구(33; 도 2)의 작동에 필요한 힘이 단지, 스티어링 휠(30)의 회전 각도의 증가에 따라 증가하는, 부가적인 힘과 중첩되기 때문이다.

제2 전환 위치(II)의 방향으로 전환 슬리브(12)의 이동이 증가함에 따라, 전환 슬리브(12)의 외부 치형부(16)는, 리세스(9) 내의 내부 치형부(25)로부터 분리된다. 따라서 (스티어링 휠(30)의) 입력 샤프트(2)의 회전 시, 스티어링 휠을 조작하는 사람(도시되지 않음)에게 부과되는 스티어링 감은, 단지 스프링 부재들(24)의 힘에 의해서만 결정된다. 전환 슬리브(12)가 출력 샤프트(3)로부터 분리되는 시점은, 전환 슬리브(12)의 축방향 길이가 출력 샤프트(3)와 커플링 슬리브(20)의 축방향 간격보다 큰 정도에 따라, 결정된다. 차체(4)와 입력 샤프트(2)의 약간 회전 가능한 연결은, 클러치(1)가 도 1c에 도시되는 전환 위치(II)에 놓이는 한, 유지된다. 적절한 전환 신호를 동반하는 제어 유닛(32; 도 2)에 의한 액추에이터(19)의 대응하는 작동에 의해, 제2 전환 위치(II)로부터 제1 전환 위치(I)로 전환이 개시되면, 상기한 프로세스가, 제2 방향 화살표(31b; 도 1c)에 의해 표시되는 바와 같이, 역방향 및 역순으로, 진행된다. 반복을 피하기 위해, 이러한 복귀 전환 프로세스에 대한 상세한 설명은 생략되며, 대신에 상기한 설명들이 참조된다.

클러치(1)의 스티어링 시스템의 나머지 구성 요소들과의 상호작용을 명확히 하기 위해, 그러한 스티어링 시스템이, 도 2에 단순화된 개략적 도면으로 도시된다. 전술한 바와 같이, 스티어링 시스템은, 여기에 부분적으로 도시되는 승용차(5) 내에 설치되며 그리고, 자체의 하우징(6)에 의해 차체(4)에 고정되는 상기한 클러치(1)를 구비한다. 클러치(1)의 입력 측에 입력 샤프트(2)가 배치되고, 출력 측에 출력 샤프트(3)가 배치된다. 입력 샤프트(2) 및 출력 샤프트(3)는, 차체(4)에 회전 가능하게 장착된다. 클러치(1)로부터 멀어지게 지향하는 입력 샤프트(2)의 단부에, 스티어링 휠(30)이 장착되고, 상기 스티어링 휠을 통해, 회전 운동 화살표(40)에 의해 표시된 바와 같이, 스티어링 운동이 입력될 수 있다. 스티어링 휠(30)은, 에어백, 전환 부재들 및/또는 디스플레이 부재들일 수 있는, 부가적 구성요소들(38)을 구비한다. 이들은, 입력 샤프트 여러 번 감고 있는 케이블 연결부를 통해 제어 유닛(32)에 접속된다. 케이블 연결부(37)는, 감김 및 풀림에 의해 스티어링 운동을 허용하도록 구현된다. 스티어링 휠(30)이 회전될 수 있으며 그리고 회전이 상기한 감김 및 풀림에 의해 허용되는 각도 범위는, 이하에서 감김 여유(winding reserve)라고 지칭된다. 또한, 입력 샤프트(2)의 회전 각도를 항상 제어 유닛(32)으로 전송하는, 입력 샤프트의 회전 운동을 스캐닝하는 센서(34)가, 제공된다.

출력 샤프트(3)는, 클러치(1)로부터 멀어지게 지향하는 자체의 단부에 의해, 스티어링 작동 기구(33)의 부품인, 스티어링 구동기(44) 상에 작용한다. 스티어링 작동 기구(33)는, 차체(4)에 고정 배치된다. 스티어링 구동기(44)는, 스티어링 기어 또는 파워 스티어링 기어 형태의 직접적 스티어링 어셈블리, 또는 중첩 스티어링 어셈블리일 수 있다. 또한, 스티어링 작동 기구(33)는, 선택된 예에서, 랙(41)을 포함하고, 상기 랙은, 각각 단부측에서 타이 로드들(35)에 연결되며, 상기 타이 로드들은, 그들의 다른 단부들에서, 스티어링 레버들(42)에 작용하고, 상기 스티어링 레버들은, 랙(41)의 선형 운동에 의해 스티어링 각도가 휠 서스펜션(43)에 그리고 그에 따라 휠(36)에 전달되도록, 차체(4)에 회전 가능하게 고정되는 휠 서스펜션(43) 상에 작용한다. 스티어 바이 와이어 기능은, 선택된 예에서, 스티어링 작동 기구(33)의 부분이기도 하고, 랙(41) 상에 작용하며, 그리고 제어 유닛(32)에 양방향으로 연결되는, 스티어 바이 와이어 구동기(39)에 의해 구현된다. 양방향 연결에 의해, 스티어 바이 와이어 구동기(39)는, 한편으로 휠들(36) 상에 특정한 스티어링 각도를 설정하기 위해, 제어 유닛(32)에 의해 구동되고, 다른 한편으로 상기 구동기는, 설정된 스티어링 각도에 관한 스티어 바이 와이어 구동기(39)에 내장되는 센서(도시되지 않음)로부터의 센서 데이터를 제공한다.

전술한 바와 같이, 도 2에 의한 예에 따른 스티어링 시스템에 의해, 한편으로, 스티어링 휠 각도가 휠(36) 상의 스티어링 각도를 결정하는 변수인, 정상 제어 모드가 구현되어야 하고, 다른 한편으로, 휠(36) 상의 스티어링 각도가 제어 유닛(32)에 설명되며 그리고 스티어링 휠 각도와 완전히 독립적인, 스티어 바이 와이어 기능이 구현되어야 한다. 이를 위해, 정상 제어 모드로부터 스티어 바이 와이어 기능으로의 그리고 반대로 스티어 바이 와이어 기능으로부터 정상 제어 모드로의 변경 시, 몇 가지 조건들이 충족되어야 한다. 이하의 설명에 대해, 예를 들어 차량을 주차 공간에 자동 주차하기 위한 것처럼, 자동화된 운전 조작이 수행될 때에만, 또는 예를 들어, 사고를 방지하거나 그로 인한 결과를 완화하기 위한 것처럼, 비상 상황에서 운전자에 의해 통제 불가능한 상황에서, 스티어링 개입이 제어 유닛(32)에 의해 주어진 센서 데이터에 기초하여 수행되어야 할 때에만, 정상 제어 모드로부터 스티어 바이 와이어 기능으로의 전환이 이루어진다는 것이 전제된다.

스티어링 시스템이 정상 제어 모드에 있다고 가정하면, 전환은, 현재 적용되고 있는 스티어링 각도와 무관하게 그리고 그에 따라 상기 스티어링 각도를 결정하는 스티어링 휠 각도와 무관하게, 일어난다. 전환 작동은, 실질적으로 도 1a 내지 도 1c와 관련해서 전술한, 제1 전환 상태(전환 위치 I)로부터 제2 전환 상태(전환 위치 I)로의, 클러치(1)의 전환으로 이루어진다. 이러한 전환 상태 변경의 완료 이후에만, 제어 유닛(32)에 의해 제어되는 스티어 바이 와이어 기능이 이용되고, 스티어 바이 와이어 구동기(39)에 의해, 랙(41)을 차량 이동에 응답하여 이동시켜, 따라서 차량 이동에 의존하여, 운전 조작의 구현에 필요한 스티어링 각도가, 조절된다.

운전 조작이 수행되면, 제2 전환 상태(전환 위치 II)로부터 제1 전환 상태(제1 전환 위치 I)로 클러치(1)의 다운시프트가 이루어진다. 여기에서 두 경우, 즉 정규 다운시프트와 비상 다운시프트가 구별된다. 정규 다운시프트의 경우에, 제어 유닛(32)은, 센서(34)에 의해 현재 적용되고 있는 스티어링 휠 각도를 검사하고, 스티어 바이 와이어 구동기(39)를 이용하여 스티어링 각도를 현재 적용되고 있는 스티어링 휠 각도에 상응하는 스티어링 각도로 조절한 후에야, 전환 위치(I)로부터 전환 위치(II)로의 클러치(1)의 전환이 이루어진다(도 1a 내지 도 1c 참조). 이러한 방식으로, 입력 샤프트(2) 및 스티어링 휠(30)이 어긋난 상태로 출력 샤프트(3)에 연결되지 않는 것이 보장된다. 휠들(36)의 스티어링 운동이 스티어링 각도와 스티어링 휠 각도의 동기화 도중에 일어나기 때문에, 이러한 프로세스는 바람직하게, 스티어링 휠이 전환 위치(II)에서 ±10°만큼 회전 가능하기 때문에, 차량 정지 상태에서, 이상적으로는 스티어링 휠이 작동되지 않는 상태에서 실행된다.

전술한 바와 같이, 클러치(1)가 제2 전환 상태에 놓인 경우에, 스티어링 휠(30)에 의한 승용차(5)의 제어 능력이 순간적으로 회복되어야만 하는 경우가, 발생할 수 있다. 이는, 예를 들어, 스티어 바이 와이어 기능을 이용한 회피 조작 이후 또는 스티어 바이 와이어 기능이 고장인 경우일 수 있다. 제2 전환 상태(전환 위치 II)로부터 제1 전환 상태(전환 위치 I)로의 이러한 비상 다운시프트의 경우에, 안전상의 이유로 스티어링 각도와 스티어링 휠 각도의 동기화는 생략되어야 하고, 그 대신 휠(36)의 스티어링 운동 및 시간 지연 없이, 클러치(1)의 제1 전환 상태로의 다운시프트가 이루어진다. 비록, 이러한 비상 다운시프트의 경우, 비상 다운시프트가 수행된 이후에 스티어링 휠은 어긋난다는 것이 고려되어야 하지만, 승용차(5)는 지속적으로 제어 가능하게 유지된다.

물론, 상기한 바와 같은 비상 다운시프트 이후에, 승용차(5)의 다음번 정지 시 그리고 경우에 따라서 고장의 제거 후에, 스티어링 각도와 스티어링 휠 각도의 동기화가, 제1 전환 상태(전환 위치 I)로부터 제2 전환 상태(전환 위치 II)가 되도록, 클러치(1)를 먼저 제어 유닛(32)에 의해 제어함으로써, 그리고 이어서 제어 유닛(32)이, 센서(34)에 의해 현재 적용되고 있는 스티어링 휠 각도를 검출한 다음, 스티어링 각도를 스티어 바이 와이어 구동기(39)에 의해 현재 적용되고 있는 스티어링 휠 각도에 상응하는 스티어링 각도로 조절함으로써, 수행될 수 있다. 이러한 위치에서, 전환 위치(II)로부터 전환 위치(I; 도 1a 내지 도 1c 참조)로 클러치(1)의 전환이 이루어지면, 스티어링 휠의 회전은 중단된다.

제2 전환 상태(제2 전환 위치 II)로부터 제1 전환 상태(제1 전환 위치 I)로의 비상 다운시프트와 관련하여, 감김 여유의 설계의 관점에서, 감김 여유, 즉 스티어링 휠(30)이 회전될 수 있으며 그리고 회전이 상기한 감김 및 풀림에 의한 억제되는 범위는, 제2 전환 상태(전환 위치 II)로부터 제1 전환 상태(전환 위치 I)로의 비상 다운시프트의 경우에, 스티어링 휠(30)의 최대 가능한 회전을 커버해야만 한다는 것이, 함께 고려해야 한다.

Claims

차량용 스티어링 시스템으로서, 스티어링력이 그를 통해 스티어링 부재로부터 입력되는 입력 샤프트(2), 스티어링 작동 기구 상에 작용하는 출력 샤프트(3), 상기 입력 샤프트(2)와 상기 출력 샤프트(3)를 서로 연결하고 서로 분리하기 위한 클러치(1), 및 상기 클러치(1)가 그에 의해 상기 입력 샤프트(2)와 상기 출력 샤프트(3)를 서로 연결하고 서로로부터 분리하도록 구동될 수 있는 적어도 하나의 액추에이터(19)를 포함하고, 상기 출력 샤프트(3)는, 분리 상태에서, 제어 유닛(32)에 의해 제어 가능한 스티어 바이 와이어 구동기(39)가 상기 제어 유닛(32)에 의해 제어되어 스티어링 각도를 결정하기 위해 상기 스티어링 작동 기구(33) 상에 작용하도록, 상기 입력 샤프트(2)에 대해 독립적으로 회전 가능하며, 그리고 상기 입력 샤프트(2)와 상기 출력 샤프트(3)는, 연결 상태에서, 상대 회전 불가능하게 연결되고,
상기 스티어링 시스템은, 상기 클러치(1)가 상기 제어 유닛(32)에 의해 제어되는 적어도 하나의 액추에이터(19)에 의해 2개의 별개의 전환 상태에 놓일 수 있도록, 구성되고, 상기 클러치(1)는, 제1 전환 상태에서, 상기 입력 샤프트(2)와 상기 출력 샤프트(3)를 상대 회전 불가능하게 연결하며, 그리고 제2 전환 상태에서, 상기 입력 샤프트(2)를, 한편으로 상기 출력 샤프트(3)로부터 분리하며 그리고 다른 한편으로 차량(5)의 고정된 부품에 대해 직접적 또는 간접적 결합에 의해 고정하며, 그리고 상기 출력 샤프트(3)는, 제2 전환 상태에서, 상기 제어 유닛(32)에 의해 제어되는 스티어 바이 와이어 구동기(39)에 의해, 상기 입력 샤프트와 독립적으로 회전 가능하고,
제2 전환 상태에서의 상기 입력 샤프트(2)와 상기 차량(5)의 고정된 부품 사이의 직접적 또는 간접적 결합은, 상기 입력 샤프트(2)와 상기 차량(5)의 고정된 부품 사이에 작용하는 적어도 하나의 스프링 기구에 의해 회전 가능하도록 형성되어, 상기 입력 샤프트(2)가, 그 자체에 연결되는 스티어링 부재에 의해, 상기 적어도 하나의 스프링 기구의 힘에 대항하여 양쪽 회전 방향으로 미리 정해진 각도 크기만큼 회전 가능하도록, 그리고 이러한 각도 크기를 넘는 회전 시 상기 차량(5)의 고정된 부품에 직접적 또는 간접적으로 연결되는 스토퍼에 도달하도록 하는 것을 특징으로 하는 스티어링 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 미리 정해진 각도 크기는, 5°초과 내지 30°미만인 것을 특징으로 하는 스티어링 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 클러치(1)는, 제1 전환 상태로부터 제2 전환 상태로 및 그 반대로의 전환 도중에, 전환 도중에 동적으로 통과하는 제1 전환 상태와 제2 전환 상태 사이의 중간 영역(Z)에서, 상기 입력 샤프트(2)와 상기 출력 샤프트(3)를 상대 회전 불가능하게 연결하도록 그리고 상기 입력 샤프트(2)를 상기 차량(5)의 고정된 부품에 대해 고정하도록 구성되어, 상기 입력 샤프트(2)가 언제나 자유롭게 회전할 수 없도록 하는 것을 특징으로 하는 스티어링 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 중간 영역(Z)의 통과는, 제1 전환 상태로부터 제2 전환 상태로의 전환 작동 시, 상기 입력 샤프트(2)에 스티어링력이 인가될 때, 상기 차량(5)의 고정된 부품에 회전 가능하도록 결합되는 상기 입력 샤프트(2)가 상기 스토퍼에 도달하지 않도록, 시간적으로 설정되는 것을 특징으로 하는 스티어링 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
정상 작동 시, 상기 제어 유닛(32)은, 제2 전환 상태로부터 제1 전환 상태로 변경될 때, 상기 출력 샤프트(3)의 각도 위치를 입력 샤프트(2)의 각도 위치로 동기화하여, 상기 제어 유닛(32)에 의해 제어되는 상기 스티어 바이 와이어 구동기(39)가, 상기 스티어링 작동 기구(33)를 적어도 하나의 센서(34)에 의해 결정되는 상기 입력 샤프트(2)의 각도 위치로 조절하도록 하며, 그리고, 상기 제어 유닛(32)이, 상기 적어도 하나의 액추에이터(19)를 구동함에 의해, 상기 클러치(1)를 제1 전환 상태에 놓이게 하는 것을 특징으로 하는 스티어링 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
제2 전환 상태로부터 제1 전환 상태로 비상 전환이 제공되고, 상기 비상 전환의 개시 이후에, 상기 제어 유닛(32)은, 상기 입력 샤프트(2)의 각도 위치와 무관하게, 상기 적어도 하나의 액추에이터(19)를 구동함에 의해 상기 클러치(1)를 제1 전환 상태에 놓이도록 하거나, 또는 상기 클러치(1)는, 형상 끼워 맞춤 맞물림에 의해 또는 마찰에 의해 또는 견인에 의해, 제1 전환 상태 또는 제2 전환 상태에서 개별적인 연결을 형성하거나, 또는 상기 클러치(1)는, 적어도 하나의 전환 부재를 갖고, 상기 클러치는, 상기 적어도 하나의 전환 부재에 의해, 제1 전환 상태에서 상기 입력 샤프트(2)와 상기 출력 샤프트(3)를 상대 회전 불가능하게 연결하며, 제2 전환 상태에서, 상기 입력 샤프트(2)를 한편으로 상기 출력 샤프트(3)로부터 분리하며, 다른 한편으로 상기 적어도 하나의 전환 부재에 의해 상기 입력 샤프트(2)를 상기 차량(5)의 고정된 부품에 대해 고정하는 것을 특징으로 하는 스티어링 시스템.
제 6항에 있어서,
상기 클러치는, 2개의 전환 부재를 구비하고, 제1 전환 부재는, 제1 전환 상태에서 상기 입력 샤프트와 상기 출력 샤프트를 상대 회전 불가능하게 연결하며, 그리고 제2 전환 상태에서 상기 입력 샤프트와 상기 출력 샤프트 사이의 연결을 분리하며, 제2 전환 부재는, 제2 전환 상태에서 상기 입력 샤프트를 차량의 고정된 부품에 대해 고정하며, 그리고 제1 전환 상태에서 이러한 연결을 분리하는 것을 특징으로 하는 스티어링 시스템.
제 7항에 있어서,
적어도 하나의 전환 부재는, 상기 적어도 하나의 액추에이터(19)에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 스티어링 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 적어도 하나의 액추에이터(19)는, 전기식 구동기, 기계식 구동기, 공압식 구동기, 유압식 구동기, 불꽃식 구동기(pyrotechnic drive), 또는 이러한 구동기들의 임의의 조합 형태들의 그룹에 속하는, 힘을 전달하는 구동기를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어링 시스템.
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