KR102343224B1 - Ｔａｓ센서를 이용한 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치 - Google Patents

Ｔａｓ센서를 이용한 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량의 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치에 있어서, 스태빌라이저 바에 인가되는 토크와 그로 인한 변형 각을 측정하는 센서 장착 및 계측에 따른 편의성을 증대시킬 수 있고 토크 센서와 각도 센서의 공용화를 통해 센서의 설치에 따른 비용 절감을 도모할 수 있는 TAS 센서를 이용한 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 차량의 스태빌라이저 바에 설치되어 롤 강성을 가변시키는 액츄에이터가 구비된 차량의 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치에 있어서, 상기 액츄에이터 내부에는 스태빌라이저 바에 인가되는 토크와 그로 인한 변형 각도의 측정이 가능한 TAS 센서가 설치된 것을 특징으로 한다.

Description

ＴＡＳ센서를 이용한 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치{Electronic Active Roll Stabillizer apparatus using TAS sensor}
본 발명은 차량의 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치에 있어서, 스태빌라이저 바에 인가되는 토크와 그로 인한 변형 각을 측정하는 센서 장착 및 계측에 따른 편의성을 증대시킬 수 있고 토크 센서와 각도 센서의 공용화를 통해 센서의 설치에 따른 비용 절감을 도모할 수 있는 TAS 센서를 이용한 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치에 관한 것이다.
eARS(Electronic Active Roll Stabilizer) 시스템은 스태빌라이저 바(Stabilizer Bar)의 강성을 변화시켜 차량의 주행 안전성 및 승차감을 증대시키는 장치이다. 이러한 eARS 시스템은 차량의 선회시 발생하는 차량 롤(Roll)을 효과적으로 억제하여 차량의 주행 안정성을 증대시키거나 차량의 전,후륜의 롤 강성 배분을 통해 차량의 횡방향 자세를 제어하는 한편, 차량의 직진 주행시 스태빌라이저 바의 강성을 저감시켜 노면으로부터의 충격을 저감시킴으로써 승차감을 개선시킬 수 있도록 한다.
도 1은 종래의 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치를 도시한 것으로, 종래의 일반적인 eARS 시스템에서는 차량의 주행 중에 스태빌라이저 바에 걸리는 토크(Torque)를 측정하기 위하여 스태빌라이저 바(10)의 외부면에 스트레인 게이지(Strain gauge)와 같은 토크 센서(30)를 부착하고, 스태빌라이저 바(10)에 가해지는 토크에 따른 비틀림 각도를 측정하기 위하여 각도 센서를 장착하여 스태빌라이저 바(10)의 비틀림 정도를 측정하였다.
그러나, 스태빌라이저 바(10)에 걸리는 토크를 측정하기 위하여 토크 센서(30)를 부착하는 경우, 그 부착하는 방법이나 환경에 따라 캘리브레이션(Calibration)의 정도가 달라질 수 있다. 즉, 토크 센서(30)가 스태빌라이저 바(10)에 제대로 부착되지 않을 경우에는 토크 측정시 실제 비틀림에 관계된 토크가 아닌 전혀 다른 토크가 나타나게 되고, 이는 결국 시스템의 오류를 발생시키게 되는 문제점으로 작용될 수 있다.
이와 같이 토크 센서(30)를 장착하는 방법이나, 장착되는 환경에 따라 출력되는 값이 달라지기 때문에, 매번 캘리브레이션에 신경을 써야 하는 아주 번거로운 상황이 발생할 수 있으며, 스태빌라이저 바(10)의 외부에 노출되는 센서의 특성상 내구성 측면에서도 많은 문제가 있었다. 아울러, 스트레인 게이지와 같은 토크 센서(30)의 부착작업은 통상 사람의 손에 의해 일일이 수작업으로 이루어지기 때문에 센서의 장착 측면에서 매우 비효율적이며, 이는 곧 차량의 양산성 저하를 가져올 수 있는 문제점으로 작용하게 된다.
또한, 스태빌라이저 바(10)의 비틀림 각을 이용하여 액츄에이터(20)의 제어를 통해 차량의 포지션(Position) 제어를 실시하는 경우, 액츄에이터 내부의 모터 포지션 센서(Motor Position Sensor)를 이용하여 포지션 제어를 실시하게 되는데, 이때 모터 포지션 센서는 모터의 상대적인 각도를 측정할 수 있을 뿐, 그 측정된 각도가 스태빌라이저 바의 절대적인 비틀림 각도를 대변할 수 없다.
이는 차량의 시동을 온(On) 할 때에 스태빌라이저 바(10)의 상태에 따라 시스템에 심각한 오류를 발생시킬 수 있는데, 그 이유는 모터 포지션 센서가 전원이 들어온 시점을 "0"도로 인식하는 반면, 이 "0"도를 스태빌라이저 바(10)의 "0"도로 사용할 수는 없기 때문이다.
또한, 도 2는 기존의 eARS 시스템에서 액츄에이터(20) 내부구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치는, 스태빌라이저 바(10)의 롤 강성을 가변시키기 위한 액츄에이터(20)를 구비하고, 액츄에이터(20)는 전동모터(22)와, 전동모터(22)의 회전을 감속시키는 감속기(24)를 포함하여 구성된다. 그리고, 전동모터(22)와 감속기(24)는 액츄에이터(20)의 외부 프레임인 하우징의 내부에 배치된 구성으로 이루어져 있다.
이와 같이 구성되는 종래의 액츄에이터(20) 내부에는 토크 센서를 장착할 공간적인 여유가 거의 없다. 앞서 언급했듯이, 스트레인 게이지와 같은 토크 센서의 경우에는 통상적으로 스태빌라이저 바에 부착되는데, 이는 시스템의 양산적인 측면을 고려할 경우 효율적이지 못하기 때문에 센서의 장착 위치를 반드시 변경할 필요가 있다.
그러나, 센서를 액츄에이터(20) 내부에 장착하기 위해 액츄에이터(20)의 크기를 변경할 경우에는 이에 맞도록 차량의 후륜 하단부 레이아웃을 변경할 수밖에 없고, 이렇게 되면 와이어(Wire)의 배선에 대한 레이아웃 문제도 함께 발생되기 때문에, 현재 양산되고 있는 eARS 시스템에서는 한가지의 센서만으로 가지고 시스템을 제어하고 있는 실정이다.
대한민국 특허공개 제2015-0062376(2015.06.08)
본 발명은 기존의 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치에서, 스태빌라이저 바에 걸리는 토크와 비틀림 각의 측정을 위해 개별적으로 장착되던 토크 센서 및 각도 센서를 하나의 통합형 센서로 구현하여 전동식 능동 롤 제어장치의 액츄에이터 내부 출력부에 장착함으로써, 센서의 장착 및 계측에 따른 편의성을 증대시킬 수 있고, 센서의 공용화에 따른 비용 절감을 도모할 수 있는 TAS 센서를 이용한 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치를 제공하는 데에 있다.
상기한 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 차량의 스태빌라이저 바에 설치되어 롤 강성을 가변시키는 액츄에이터가 구비된 차량의 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치에 있어서, 상기 액츄에이터 내부에는 스태빌라이저 바에 인가되는 토크와 그로 인한 변형 각도를 측정할 수 있는 TAS 센서가 설치된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 TAS 센서는 액츄에이터의 모터 출력부 부분에 배치되도록 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 TAS 센서는 그 일부분이 액츄에이터의 하우징에 고정되도록 하고, 상기 액츄에이터의 출력 측 부분에 배치된 스태빌라이저 바에 끼워져 결합되도록 구성할 수 있다.
여기서, 상기 액츄에이터의 하우징 외면에는 TAS 센서로부터 감지된 신호가 입력되며 액츄에이터를 제어하는 ECU가 설치될 수 있다.
이때, 상기 TAS 센서의 일부분은 액츄에이터의 하우징 외부로 노출되도록 형성되고, 상기 TAS 센서의 노출된 일부분이 상기 ECU와 전기적으로 연결되도록 형성될 수 있다.
그리고, 전동식 능동 롤 스태빌라이저 시스템의 에러 발생시 TAS 센서로부터 측정된 토크 신호와 각도 신호를 통해 ECU에 의한 제어방법이 스위칭될 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 기존의 액츄에이터 및 스태빌라이저 바에 개별적으로 설치되던 토크 센서와 각도 센서를 하나의 TAS 센서로 통합하여 적용함으로써 센서의 장착 및 계측에 따른 편의성을 증대시킬 수 있고, 센서의 공용화를 통해 비용 절감을 도모할 수 있다.
또한, 토크 센서와 각도 센서를 통합한 단일 구조의 TAS 센서를 능동 롤 제어장치의 액츄에이터 내부에 설치함에 따라, 외부의 환경적 영향으로부터 센서를 보호할 수 있기 때문에 센서로부터 ECU로 전달되는 신호에 대한 외란의 영향을 줄일 수 있고, 결과적으로 센서의 내구성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, TAS 센서와, 상기 TAS 센서로부터 신호를 전달받아 액츄에이터를 제어하는 ECU를 직결시켜 구성함으로써, 파워 팩(Power pack) 형태로의 개발이 용이한 장점이 있고, 이를 통해 CAN 통신이 아닌 SPI 통신을 통해 구현하는 것이 가능해지기 때문에 CAN 통신 적용에 따른 부하를 줄일 수 있을 뿐 아니라, 와이어 배선에 따른 통신상의 문제나 내구성 측면에서도 여러 이점을 추구할 수 있는 장점이 있다.
또한, TAS 센서로부터 측정된 토크 신호와 각도 신호를 활용하여 각종 부가적 시스템 개발이 용이하고, 페일 세이프(Fail safe) 측면에서 볼 때에도 스태빌라이저 바에 인가되는 토크와 비틀림 각의 2가지 인자에 대한 센싱을 통해 롤 제어방법을 효과적으로 스위칭할 수 있기 때문에, 기존과 같이 센서에 이상이 발생되는 경우 시스템 중단으로 인한 폐해를 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치를 도시한 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 액츄에이터의 내부 구조를 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 TAS 센서가 내장된 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치를 도시한 분리 사시도.
도 4는 본 발명의 TAS 센서 및 ECU가 액츄에이터에 장착된 모습을 도시한 부분 결합 사시도.
도 5는 도 4의 내부구조를 보여주는 부분 단면도.
도 6은 본 발명의 액츄에이터 내부에 장착되는 TAS 센서를 상세하게 도시한 상세도
도 7은 본 발명에 따른 TAS 센서의 동작 원리를 설명하기 위한 개념도.
본 발명에 따른 차량의 전동식 능동 롤 스태빌라이저(Electronic Active Roll Stabilizer) 장치는 차체에 작용하는 롤 모멘트(Roll Moment)에 대하여 롤 억제력을 발휘하고 상기 롤 억제력이 롤 모멘트에 따라 제어될 수 있도록 구성된 시스템이다.
이 경우 스태빌라이저 바(Stabilizer Bar)는 그 강성에 따라 롤 억제력을 발휘하도록 구성되는데, 본 발명에 따른 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치에서는 토크 센서와 각도 센서가 하나로 통합된 형태의 TAS(Torque & Angle) 센서를 통해 스태빌라이저 바에 인가되는 토크와 그로 인한 변형 각도를 측정하고, ECU(Electronic Control Unit)를 통해 액츄에이터의 작동량을 제어하여 스태빌라이져 바의 강성을 변화시킴으로써 롤 억제력을 조정하고 차량 선회 시 조종안정성과 주행 승차감을 향상시키도록 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 TAS 센서가 내장된 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치를 도시한 분리 사시도이다. 그리고, 도 4는 TAS 센서 및 ECU가 액츄에이터에 장착된 모습을 도시한 부분 결합 사시도이고, 도 5는 도 4의 내부구조를 보여주는 부분 단면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치는, 스태빌라이저 바(210)의 롤 강성을 가변시키는 액츄에이터(100)와, 액츄에이터(100)의 동작을 제어하는 ECU(230)를 구비한다.
스태빌라이저 바(210)는 좌측 스태빌라이저 바(212)와, 우측 스태빌라이저 바(214)로 구성되며, 좌측 스태빌라이저 바(212)와 우측 스태빌라이저 바(214)는 그 사이에 끼워지는 액츄에이터(100)에 의해 서로 회전가능하게 연결된다.
액츄에이터(100)는 도 5에서 보는 바와 같이 전동모터(110)와, 전동모터(110)의 회전을 감속시키는 감속기(120)를 포함하고, 상기 전동모터(110)와 감속기(120)는 상기 액츄에이터(100)의 외부 프레임인 하우징(130)의 내부에 설치된다.
그리고, 좌측 스태빌라이저 바(212)는 액츄에이터(100)의 하우징(130)의 일단부에 연결되고, 우측 스태빌라이저 바(214)는 하우징(130) 내부로 연장되도록 배치되어 상기 하우징(130)에 대해 회전가능하면서 축 방향으로는 이동이 불가능하도록 상기 하우징(130)에 의해 지지된다. 아울러, 상기 액츄에이터(100)의 하우징(130) 내부에 위치하는 우측 스태빌라이저 바(214)의 일단부는 감속기(120)에 연결된다.
전동모터(110)는 액츄에이터(100)의 하우징(130) 내주면을 따라 고정되도록 배치되는 스테이터 코일(미도시)과, 하우징(130)에 의해 회전가능하게 유지되는 중공 모터축(미도시)과, 모터축의 외주면을 따라 고정되도록 배치되어 스테이터 코일과 대면하는 영구자석(미도시)을 포함한다.
이러한 전동모터(110)는 스테이터 코일이 고정자로서의 기능을 수행하고, 영구자석이 회전자로서의 기능을 수행하게 된다.
또한, 감속기(120)는 다수의 기어들이 결합된 다단식으로 구성되어 전동모터(110)의 회전을 감속시키는 기능을 수행하게 된다.
그리고, 감속기(120)에 구비된 댐퍼(124)에는 커플러(coupler)(132)의 일단부가 끼워져 고정되고, 상기 커플러(132)의 외주면와 하우징(130)의 내주면 사이에는 볼 베어링(134)이 끼워져 결합된다.
이러한 감속기(120)는 우측 스태빌라이저 바(214)에 연결되는데, 구체적으로, 우측 스태빌라이저 바(214)의 일측이 모터축을 관통하여 상기 감속기(120)에 연결된다.
한편, 액츄에이터(100) 내부에는 스태빌라이저 바(210)에 인가되는 토크와 그에 따른 비틀림 각을 측정할 수 있도록 TAS(Torque & Angle) 센서(220)가 설치된다.
TAS 센서(220)는 기존의 토크 센서(Torque sensor)와 각도 센서(Angle sensor)를 하나로 일체화시킨 통합형 센서로서, 스태빌라이저 바(210)에 인가되는 토크 정보와, 그로 인해 발생하는 스태빌라이저 바(210)의 비틀림 각도에 대한 정보를 ECU(230)로 제공한다.
이와 같은 TAS 센서(220)는 액츄에이터(100)에 있어서 좌측 스태빌라이저 바(212)가 연결된 모터의 출력부 부분에 배치되도록 설치된다. 이를 위해 상기 액츄에이터(100)의 내부공간에는 상기 TAS 센서(220)가 설치될 수 있는 설치공간(136)이 마련되어 있다.
이 경우, TAS 센서(220)는 비교적 두께가 얇은 납작한 형상 구조로 제작되기 때문에, 상기 액츄에이터(100) 내부에 상기 TAS 센서(220)의 설치를 위하여 큰 설치공간(136)이 마련될 필요는 없다. 즉, 작은 크기의 설치공간(136)에도 TAS 센서(220)의 장착이 가능하기 때문에 전체 액츄에이터(100)의 길이는 크게 늘어나지 않는다.
이러한 TAS 센서(220)는 도 3 및 도 5에서 보는 바와 같이 액츄에이터(100)의 하우징(130) 내부에 마련되는 설치공간(136) 내에 인입된 상태에서 좌측 스태빌라이저 바(212)에 끼워져 하우징(130)에 고정된다.
그리고, 도 6에 도시한 바와 같이, TAS 센서(220)의 중앙부에는 좌측 스태빌라이저 바(212)의 단부가 끼워져 결합되는 결합공(222)이 형성된 로터부(221)가 회전 가능하게 구비된다.
이에 따라, 좌측 스태빌라이저 바(212)가 회전되는 경우 이와 결합상태를 유지하고 있는 TAS 센서(220)의 로터부(221)가 함께 회전이 이루어지게 된다.
또한, TAS 센서(220)에는 영구자석으로 이루어진 상기 로터부(221)로부터 이격된 위치에 스테이터(stator)(223)가 구비된다. 상기 스테이터(223)는 액츄에이터(100)의 하우징(130)에 결합되어 고정상태를 유지하게 된다. 아울러, 상기 스테이터(223)에는 리시버 코일(receiver coil)(225)과, 트랜스미터 코일(transmitter coil)(224) 및 반도체 칩(226)이 구비된 구성을 갖는다.
이와 같이 구성된 TAS 센서(220)는 스태빌라이저 바(210)에 결합된 로터부(221)의 회전을 리시버 코일(225)에서 감지하는 비접촉식 감지방식으로 측정하게 되며, 상기 리시버 코일(225)에 유도되는 유도기전력을 검출하여 스태빌라이저 바(210)에 작용되는 토크 및 회전각을 측정하게 된다.
이와 같은 TAS 센서(220)는 전동식 파워스티어링 시스템(MDPS; Motor Driving Power Steering)에서 파워 스티어링 휠에 장착되어 운전자의 조향 중에 발생하는 토크와 각도신호를 ECU에 전달하는 조향각 센서와 그 작동원리가 유사하기 때문에 그 구체적인 작동원리에 대한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 액츄에이터(100) 내부에 설치되는 TAS 센서(220)는 그의 일부분이 상기 액츄에이터(100)의 하우징(130) 외부로 노출된 구조로 고정상태를 유지한다.
그리고, 액츄에이터(100)의 하우징(130) 외면에는 TAS 센서(220)로부터 측정된 스태빌라이저 바(210)의 토크와 변형 각에 대한 각각의 신호가 입력되는 ECU(230)가 설치된다.
이때, 상기 ECU(230)는 액츄에이터(100)의 하우징(130) 외부로 노출된 TAS 센서(220)와 직결되도록 전기적으로 연결되고, 상기 TAS 센서(220)로부터 전송된 토크 신호와 각도 신호를 입력받아 액츄에이터(100)의 전동모터(110)를 제어하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치에서는 기존의 액츄에이터 내부나 스태빌라이저 바의 외부에 개별적으로 설치되던 토크 센서 및 각도 센서가 일체화되어 하나의 통합형 센서 형태로 액츄에이터(100) 내부에 설치되기 때문에 종래와 비교하여 센서의 장착 및 계측에 따른 편의성을 크게 증대시킬 수 있고, 토크 센서와 각도 센서의 공용화를 통한 비용 절감을 도모할 수 있다.
그리고, 토크 센서와 각도 센서가 통합된 단일 구조의 TAS 센서(220)가 액츄에이터(100)의 내부에 설치되도록 구성함으로써, 외부의 환경적 영향으로부터 센서를 보호할 수 있기 때문에 ECU(230)로 전달되는 신호에 대한 외란의 영향을 줄일 수 있고, 결과적으로 센서의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 액츄에이터(100)의 내부에 설치되는 TAS 센서(220)와, 액츄에이터(100)의 외면에 설치되는 ECU(230)가 상호 전기적으로 연결되도록 형성함으로써, TAS 센서(220)와 ECU(230)가 직결된 파워 팩(Power pack) 형태로 개발이 용이한 장점이 있다. 아울러, 이러한 파워 팩 형태로의 적용이 가능해짐에 따라 CAN(Controller Area Network) 통신이 아닌 SPI(Serial Peripheral Interface) 통신 방식을 통해 시스템의 구현이 가능해지기 때문에 CAN 통신 적용에 따른 부하를 줄일 수 있고, 와이어(Wire) 배선에 따른 통신상의 문제나 내구성 측면에서도 여러 이점을 추구할 수 있다.
또한, TAS 센서(220)로부터 측정된 토크 신호와 각도 신호를 활용하는 각종 부가기능의 개발이 용이하고, 페일 세이프(Fail safe) 측면에서도 스태빌라이저 바에 인가되는 토크와 비틀림 각의 2가지 인자에 대한 센싱이 가능해지기 때문에 롤 제어방법을 효과적으로 스위칭(Switching)할 수 있으며, 이로 인해 기존과 같이 센서에 이상이 발생될 경우 시스템 중단으로 인한 폐해를 미연에 방지할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
100 : 액츄에이터 120 : 감속기
130 : 하우징 136 : 설치공간
212 : 좌측 스태빌라이저 바 214 : 우측 스태빌라이저 바
220 : TAS 센서 210 : 스태빌라이저 바
221 : 로터부 223 : 스테이터
225 : 리시버 코일 230 : ECU

Claims (6)

  1. 차량의 스태빌라이저 바에 설치되어 롤 강성을 가변시키는 액츄에이터가 구비된 차량의 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치에 있어서,
    상기 액츄에이터 내부에는 상기 스태빌라이저 바에 가해지는 토크와 그로 인한 변형 각도를 측정할 수 있는 TAS(Torque And Angle) 센서가 설치되고,
    상기 TAS 센서는 상기 액츄에이터의 모터 출력부 부분에 배치되고 그 일부분이 상기 액츄에이터의 하우징에 고정된 상태로 스태빌라이저 바에 끼워져 결합되고,
    상기 액츄에이터의 하우징 외면에는 상기 TAS 센서로부터 감지된 신호가 입력되는 ECU가 설치된 것을 특징으로 하는 TAS 센서를 이용한 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 TAS 센서의 일부분은 상기 액츄에이터의 하우징 외부로 노출되도록 형성되고, 상기 TAS 센서의 노출된 일부분이 상기 ECU와 전기적으로 연결되도록 형성된 것을 특징으로 하는 TAS 센서를 이용한 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치의 에러(error) 발생시 상기 TAS 센서로부터 측정된 토크 신호와 각도 신호를 통해 상기 ECU에 의한 제어방법이 스위칭(switcing)되는 것을 특징으로 하는 TAS 센서를 이용한 전동식 능동 롤 스태빌라이저 장치.
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