KR102660337B1 - 스티어 바이 와이어 조향 장치 - Google Patents

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Abstract

스티어 바이 와이어 조향 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 조향 장치는, 외면에 기어이가 형성된 랙 바 및 상기 랙 바를 연장하며 연결되는 볼 스크류 바를 포함하는 조향축; 상기 볼 스크류 바의 외주면에 결합된 볼 너트를 포함하고, 조향정보에 따른 구동력을 생성하여 상기 볼 너트를 회전시킴으로써 상기 볼 스크류 바를 직선 운동시키는 구동부 및 상기 랙 바의 기어이에 치합되어 회전하며 상기 조향축의 회전 운동을 방지하는 피니언 기어를 포함할 수 있다.

Description

스티어 바이 와이어 조향 장치{STEER BY WIRE STEERING APPARATUS}
본 발명은 스티어 바이 와이어 조향 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스티어링 휠과의 기계적 연결 없이 전기적으로 조향이 이루어지는 스티어 바이 와이어 조향 장치에 관한 것이다.
근래에는 차량의 스티어링 휠과 휠 사이의 기계적 연결 없이 전기적으로 차량의 휠을 구동시키는 스티어 바이 와이어 시스템이 차량에 적용되고 있다. 스티어 바이 와이어 시스템은 스티어링 휠의 회전 신호를 감지한 전자제어유닛(ECU)의 제어에 따라 차량의 휠에 구동 연결된 모터를 작동시켜 차량의 조향을 수행한다.
스티어 바이 와이어 시스템은 운전자의 조향의지에 대한 차량 응답성의 향상, 차속에 따른 스티어링 기어비의 가변, 불필요한 역입력 방지, 정밀한 조향 및 설치의 자유도 향상 등을 가능하게 하는 장점을 가지고 있다.
그러나 스티어 바이 와이어 시스템은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
스티어 바이 와이어 시스템은 전기적으로 차량의 휠을 제어하므로, 정밀한 제어 및 측정이 요구된다. 예를 들면, 차량의 휠과 연결된 타이로드에 힘을 전달하는 조향축은 조향 정보에 상응하게 정밀하게 선형 거동해야 하며, 그 위치가 정확하게 측정될 필요가 있다.
한편, 스티어 바이 와이어 시스템은 차량의 스티어링 휠과 휠 사이의 기계적인 연결을 갖지 않는다. 따라서, 차량의 주행 중 시스템이 고장날 경우 치명적인 사고가 유발될 수 있다.
이에 따라, 스티어 바이 와이어 시스템에 있어서, 조향축의 정확한 직선 운동과 정밀한 위치 측정, 비상 시 차량의 안전성을 증대시키기 위한 리던던시(redundancy)의 구현 등을 위한 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.
등록특허 10-1509927 "스티어 바이 와이어 시스템", 2015. 04. 07 공고
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 차량의 휠에 연결된 타이로드로 힘을 전달하는 조향축의 정밀 제어 및 그 위치의 정확하고 효율적인 측정이 가능한 스티어 바이 와이어 조향 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 스티어 바이 와이어 시스템의 안전성을 향상시켜주는 스티어 바이 와이어 조향 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 외면에 기어이가 형성된 랙 바 및 상기 랙 바를 연장하며 연결되는 볼 스크류 바를 포함하는 조향축; 상기 볼 스크류 바의 외주면에 결합된 볼 너트를 포함하고, 조향정보에 따른 구동력을 생성하여 상기 볼 너트를 회전시킴으로써 상기 볼 스크류 바를 직선 운동시키는 구동부 및 상기 랙 바의 기어이에 치합되어 회전하며 상기 조향축의 회전 운동을 방지하는 피니언 기어를 포함하는 스티어 바이 와이어 조향 장치가 제공된다.
이때, 상기 볼 스크류 바는 상기 랙 바의 길이 방향 양측에 각각 결합되는 제 1 볼 스크류 바 및 제 2 볼 스크류 바를 포함할 수 있다.
또한, 상기 구동부는 상기 제 1 볼 스크류 바의 외주면에 결합되는 제 1 볼 너트를 포함하는 제 1 구동부 및 상기 제 2 볼 스크류 바의 외주면에 결합되는 제 2 볼 너트를 포함하는 제 2 구동부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 랙 바와 상기 볼 스크류 바는 압입 결합될 수 있다.
또한, 상기 랙 바는 길이 방향 단부에 제 1 직경으로 형성되는 압입홀과, 상기 압입홀과 연통되어 상기 제 1 직경보다 작은 제 2 직경으로 형성되는 탭을 포함하고, 상기 볼 스크류 바는 상기 랙 바와 연결되는 길이 방향 단부에 상기 압입홀에 상응하게 형성되어 상기 압입홀에 압입되는 압입부와, 상기 압입부와 연결되고 상기 탭에 상응하게 형성되어 상기 탭에 삽입 결합되는 스레드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 피니언 기어는 아이들(idle) 피니언 기어로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 피니언 기어의 회전 각도를 측정하는 각도 센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 랙 바의 기어이와 상기 피니언 기어 사이의 유격이 방지되도록 상기 랙 바를 상기 피니언 기어 측으로 가압하는 유격보상부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 조향 장치에 의하면, 조향축의 랙 바의 기어이에 치합되는 피니언 기어를 통해 조향축의 정밀 제어 및 그 위치의 정확하고 효율적인 측정이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 조향 장치에 의하면, 두 세트의 볼 스크류 바 및 볼 너트를 통해 차량의 안전성 확보를 위한 리던던시(redundancy)를 효과적으로 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 조향 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 조향 장치의 하우징을 제거한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 조향 장치의 조향축의 분해 사시도 및 일부 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 조향 장치의 조향축의 일부 구성을 단면으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 도면에서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 조향 장치의 사시도가 나타나 있고, 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 조향 장치의 하우징을 제거한 상태를 나타낸 사시도가 도시되어 있다. 또한, 도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 조향 장치의 조향축의 분해 사시도 및 일부 확대도가 나타나 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 조향 장치(1)는 차량에 장착되어 스티어링 휠과 기계적인 연결 없이 전기적 제어를 통해 차량의 조향을 수행하는 장치이다. 스티어링 휠을 통해 입력된 조향 정보는 토크 센서, 각도 센서 등에 의해 감지되고, 전자제어유닛(미도시)은 그에 상응하는 구동 신호를 구동부(30)에 전달한다. 구동부(30)는 전자제어유닛의 구동 신호에 따라 작동하고, 이에 따라 구동부(30)와 연결된 조향축(20)이 직선 운동을 수행하며, 조향축(20)의 양 측에 연결된 타이로드(100a, 100b)로 힘이 전달된다. 그 결과 타이로드(100a, 100b)에 연결된 차량의 휠의 각도가 변경됨으로써 차량의 조향이 이루어진다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 조향 장치(1)는 하우징(10), 구동축(20), 구동부(30), 피니언 기어(40) 및 각도 센서(50)를 포함한다.
하우징(10)에는 구동축(20), 구동부(30), 피니언 기어(40) 및 각도 센서(50)가 배치된다. 하우징(10)은 구동축(20)이 길이 방향으로 배치되어 직선 운동할 수 있는 공간을 제공하고, 구동부(30)가 구동축(20)과 연결되어 장착될 수 있게 해준다. 또한, 하우징(10) 내에는 피니언 기어(40)가 구동축(20)의 랙 바(21)와 맞물려 구동축(20)의 직선 운동 시 제자리에서 회전할 수 있도록 배치되며, 각도 센서(50)가 피니언 기어(40)의 회전 각도를 센싱하도록 배치된다.
조향축(20)은 전자제어유닛의 구동 신호에 따라 작동하는 구동부(30)와 연결되어 구동부(30)의 구동에 따라 직선 운동을 수행하며, 양 측에 연결된 타이로드(100a, 100b)로 힘을 전달한다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 조향축(20)은 랙 바(21) 및 볼 스크류 바(22)를 포함할 수 있다.
랙 바(21)는 외면에 기어이(211)가 형성된 기어 부재이다. 스티어 바이 와이어 시스템이 아닌 종래의 조향 시스템에서 랙 바는 차량의 스티어링 휠과 연결된 조향 컬럼의 회전력을 전달하는 피니언과 맞물리며, 피니언의 회전에 따라 직선 운동을 수행하는 부재이다. 그러나 본 발명에서 랙 바(21)는 피니언으로부터 회전력을 전달받지 않으며, 피니언 기어(40)를 회전시키는 역할을 수행한다.
볼 스크류 바(22)는 랙 바(21)를 연장하며 연결된다. 볼 스크류 바(22)는 후술하는 볼 너트를 포함하는 구동부로부터 구동력을 제공받아 직선 운동한다. 이에 따라 조향축(20)이 일체로 직선 운동한다.
본 발명의 일 실시예에서, 볼 스크류 바(22)는 랙 바(21)의 길이 방향 양측에 각각 결합되는 제 1 볼 스크류 바(22a) 및 제 2 볼 스크류 바(22b)를 포함한다. 제 1 볼 스크류 바(22a) 및 제 2 볼 스크류 바(22b)는 랙 바(21)의 길이 방향 양측에 결합되어 후술하는 볼 너트를 포함하는 구동부로부터 각각 구동력을 제공받을 수 있다. 이를 통해 스티어 바이 와이어 시스템의 리던던시가 증가될 수 있으며, 시스템 안전성이 향상된다.
한편, 볼 스크류 바(22)는 랙 바(21)와 일체로 형성되는 것도 가능하지만, 본 발명의 일 실시예에서, 볼 스크류 바(22)는 랙 바(21)와 별도로 형성되어 압입 결합되어 있다. 즉, 랙 바(21)의 길이 방향 양측에 제 1 볼 스크류 바(22a) 및 제 2 볼 스크류 바(22b)가 각각 압입 결합되어 구동축(20)을 형성한다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 조향 장치의 조향축의 일부 구성을 단면으로 나타낸 도면이 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 랙 바(21)는 제 1 볼 스크류 바(22a)와 연결되는 길이 방향 단부에 제 1 직경으로 형성되는 압입홀(212a)과, 압입홀(212a)과 연통되어 제 1 직경보다 작은 제 2 직경으로 형성되는 탭(213a)을 포함하고 있다. 또한, 제 1 볼 스크류 바(22a)는 랙 바(21)와 연결되는 길이 방향 단부에 압입홀(212a)에 상응하게 형성되어 압입홀에 압입되는 압입부(221a)와, 압입부(221a)와 연결되고 탭(213a)에 상응하게 형성되어 탭(213a)에 삽입 결합되는 스레드(222a)를 포함하고 있다.
제 2 볼 스크류 바(22b)와 연결되는 랙 바(21)의 길이 방향 단부 및 랙 바(21)와 연결되는 제 2 볼 스크류 바(22b)의 길이 방향 단부에도 위와 동일한 구성들이 구비된다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 랙 바(21)가 볼 스크류 바(22)와 결합됨에 있어서, 탭과 스레드를 통한 나사 결합 외에도 압입홀 및 압입부를 통한 압입 결합이 동시에 이루어진다. 그 결과 조향축(20)에 전달되는 진동에 의해 랙 바(21)와 볼 스크류 바(22) 사이의 결합이 풀리는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
구동부(30)는 전자제어유닛에 의해 전달되는 구동 신호에 의해 구동력을 생성하여 구동축(20)에 전달한다. 구동부(30)는 볼 스크류 바(22)의 외주면에 결합된 볼 너트를 포함하고, 조향정보에 따른 구동력을 생성하여 볼 너트를 회전시킴으로써 볼 스크류 바(22)를 직선 운동시킨다. 이에 따라 조향축(20)이 직선 운동하며, 타이로드(100a, 100b)에 힘이 전달된다.
전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에서 볼 스크류 바(22)는 랙 바(21)의 길이 방향 양측에 연결된 제 1 볼 스크류 바(22a) 및 제 2 볼 스크류 바(22b)를 포함하는데, 이에 상응하여 구동부(30)는 제 1 볼 스크류 바(22a)의 외주면에 결합되는 제 1 볼 너트(31a)를 포함하는 제 1 구동부(30a) 및 제 2 볼 스크류 바(22b)의 외주면에 결합되는 제 2 볼 너트(31b)를 포함하는 제 2 구동부(30b)를 포함할 수 있다.
도 2에 나타난 바와 같이, 제 1 구동부(30a)는 제 1 볼 스크류 바(22a)의 외주면에 결합된 제 1 볼 너트(31a), 전자제어유닛의 구동 신호에 따라 구동되는 제 1 모터(32a), 제 1 모터(32a)의 출력축에 결합된 제 1 풀리(33a) 및 제 1 풀리(33a)의 회전력을 제 1 볼 너트(31a)로 전달하는 제 1 밸트(34a)를 포함할 수 있다. 제 1 모터(32a)에 의해 생성된 회전력은 제 1 볼 너트(31a)에 감속되어 전달되고, 제 1 볼 너트(31a)는 전달된 회전력에 의해 회전하며 제 1 볼 스크류 바(22a)에 직선 운동력을 전달한다.
제 2 구동부(30b)는 제 1 구동부(30a)와 동일하게 구성될 수 있다. 다시 말하면, 제 2 구동부(30b)는 제 2 볼 스크류 바(22b)의 외주면에 결합된 제 2 볼 너트(31b), 전자제어유닛의 구동 신호에 따라 구동되는 제 2 모터(32b), 제 2 모터(32b)의 출력축에 결합된 제 2 풀리(33b) 및 제 2 풀리(33b)의 회전력을 제 2 볼 너트(31b)로 전달하는 제 2 밸트(34b)를 포함할 수 있다. 제 2 모터(32b)에 의해 생성된 회전력은 제 2 볼 너트(31b)에 감속되어 전달되고, 제 2 볼 너트(31b)는 전달된 회전력에 의해 회전하며 제 2 볼 스크류 바(22b)에 직선 운동력을 전달한다.
본 발명의 일 실시예에서, 제 1 구동부(30a)와 제 2 구동부(30b)는 동시에 작동하며 조향축(20)을 직선 운동시킬 수 있다. 또한, 제 1 구동부(30a) 및 제 2 구동부(30b) 중 어느 하나가 고장난 경우 나머지 하나가 계속적으로 조향축(20)을 거동시킬 수 있으며, 이를 통해 스티어 바이 와이어 시스템의 리던던시 및 안전성이 증가된다.
피니언 기어(40)는 랙 바(21)의 기어이(211)에 치합되어 회전하며 조향축(20)의 회전 운동을 방지한다. 이에 따라 볼 너트(31a, 31b)의 회전 시 볼 스크류 바(22)가 회전하면서 조향축(20)의 직진성이 저하되는 것이 방지된다. 즉, 피니언 기어(40)는 조향축(20)이 회전하는 것을 방지함으로써 조향축(20)이 조향 정보에 상응하는 직선 운동을 수행하도록 도와준다. 이를 통해 정밀하고 정확한 조향이 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 피니언 기어(40)는 랙 바(21)에 회전력을 전달하는 것이 아니라 조향축(20)의 직선 운동 시 랙 바(21)의 기어이(211)에 맞물려 회전하는 아이들 피니언(idle pinion) 기어이다. 따라서 피니언 기어(40)의 회전 정도는 조향축(20)의 직선 운동 거리를 정확하게 반영하게 된다.
한편, 피니언 기어(40)는 헬릭스(helix), 스퍼(spur) 및 테이퍼(taper) 형상의 기어이를 가질 수 있다.
각도 센서(50)는 피니언 기어(40)의 회전 각도를 측정한다. 전술한 바와 같이 피니언 기어(40)는 조향축(20)의 직선 운동 시 랙 바(21)의 기어이(211)에 맞물려 회전하며, 이를 통해 조향축(20)의 회전 운동을 방지한다. 이때, 피니언 기어(40)의 회전 각도는 조향축(20)의 직선 운동 거리 즉, 이동 변위를 확인할 수 있는 데이터가 된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서, 각도 센서(50)는 피니언 기어(40)의 회전 각도를 측정함으로써 조향축(20)의 직선 운동 거리 즉, 이동 변위를 산출할 수 있는 데이터를 수집한다.
각도 센서(50)에 의해 측정된 회전 각도는 조향축(20)의 직선 운동 거리로 환산될 수 있으며, 전자제어유닛에 피드백 정보로서 전달되어 조향축(20)의 정밀 제어를 위해 활용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의할 경우, 조향축(20)의 직선 운동 시 조향축(20)의 랙 바(21)의 기어이(211)에 맞물려 회전하는 피니언 기어(40)의 회전 각도에 근거하여 조향축(20)의 이동 변위를 정확하게 산출할 수 있어 조향 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 4에 도시되어 있지는 않지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 조향 장치(1)는 랙 바(21)의 기어이(211)와 피니언 기어(40) 사이의 유격이 방지되도록 랙 바(21)를 피니언 기어(40) 측으로 가압하는 유격보상부를 더 포함할 수 있다.
유격보상부는 하우징(10) 내에 배치되어 랙 바(21)의 기어이(211)가 형성된 측면의 반대 측면을 가압하는 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 유격보상부는 서포트 요크(support yoke) 형태로 구성될 수 있는데, 구체적으로 서포트 요크, 요크 스프링 및 락 너트(lock nut)를 사용하여 랙 바(21)의 기어이(211)가 형성된 측면의 반대 측면을 피니언 기어(40) 측으로 가압할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 조향 장치(1)에서 유격보상부는 피니언 기어(40)로 테이퍼 피니언 기어를 사용하여 축 방향으로 가압하는 구조를 형성함으로써 구현될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 조향 장치(1)는 별도의 유격보상부 없이 하우징(10), 랙 바(21) 및 피니언 기어(40)를 짝맞춤하여 유격을 최소화한 상태로 조립하는 방식을 통해 랙 바(21)의 기어이(211)와 피니언 기어(40) 사이의 유격을 최소화할 수도 있다.
이상에서, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 의해 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
1: 스티어 바이 와이어 조향 장치
10: 하우징
20: 구동축
21: 랙 바 22: 볼 스크류 바
30: 구동부
40: 피니언 기어
50: 각도 센서

Claims (8)

  1. 외면에 기어이가 형성된 랙 바 및 상기 랙 바를 연장하며 연결되는 볼 스크류 바를 포함하는 조향축;
    상기 볼 스크류 바의 외주면에 결합된 볼 너트를 포함하고, 조향정보에 따른 구동력을 생성하여 상기 볼 너트를 회전시킴으로써 상기 볼 스크류 바를 직선 운동시키는 구동부 및
    상기 랙 바의 기어이에 치합되어 회전하며 상기 조향축의 회전 운동을 방지하는 피니언 기어를 포함하고,
    상기 피니언 기어는 아이들(idle) 피니언 기어로 이루어지는 스티어 바이 와이어 조향 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 볼 스크류 바는 상기 랙 바의 길이 방향 양측에 각각 결합되는 제 1 볼 스크류 바 및 제 2 볼 스크류 바를 포함하는 스티어 바이 와이어 조향 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 제 1 볼 스크류 바의 외주면에 결합되는 제 1 볼 너트를 포함하는 제 1 구동부 및 상기 제 2 볼 스크류 바의 외주면에 결합되는 제 2 볼 너트를 포함하는 제 2 구동부를 포함하는 스티어 바이 와이어 조향 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 랙 바와 상기 볼 스크류 바는 압입 결합되는 스티어 바이 와이어 조향 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 랙 바는 길이 방향 단부에 제 1 직경으로 형성되는 압입홀과, 상기 압입홀과 연통되어 상기 제 1 직경보다 작은 제 2 직경으로 형성되는 탭을 포함하고,
    상기 볼 스크류 바는 상기 랙 바와 연결되는 길이 방향 단부에 상기 압입홀에 상응하게 형성되어 상기 압입홀에 압입되는 압입부와, 상기 압입부와 연결되고 상기 탭에 상응하게 형성되어 상기 탭에 삽입 결합되는 스레드를 포함하는 스티어 바이 와이어 조향 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 피니언 기어의 회전 각도를 측정하는 각도 센서를 더 포함하는 스티어 바이 와이어 조향 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 랙 바의 기어이와 상기 피니언 기어 사이의 유격이 방지되도록 상기 랙 바를 상기 피니언 기어 측으로 가압하는 유격보상부를 더 포함하는 스티어 바이 와이어 조향 장치.
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