KR102670437B1 - 스티어링 필링 유닛을 구비한 조향 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 조향 시스템에 관한 것으로, 조향 시스템은 스티어링 휠을 포함하는 스티어링 유닛 및 스티어링 휠이 회전될 때 조향 반력을 생성하는 스티어링 필링 유닛을 포함하고, 스티어링 필링 유닛은 스티어링 휠에 결합된 적어도 하나의 스프링 및 적어도 하나의 스프링의 스프링 하중 및/또는 스프링 강성을 변경하는 액추에이터를 포함한다. 조향 시스템은 스티어링 휠의 각도 위치를 측정하기 위한 위치 센서 및/또는 차량 속도를 측정하기 위한 속도 센서 및 액추에이터를 제어하며 액추에이터, 위치 센서 및/또는 속도 센서에 작동 가능하게 결합되는 제어 유닛을 더 포함하고, 액추에이터는 스티어링 휠의 각도 위치 및/또는 차량 속도에 따라 스프링 하중 및/또는 스프링 강성을 변경하도록 구성된다.

Description

스티어링 필링 유닛을 구비한 조향 시스템
본 발명은 스티어링 필링 유닛을 구비한 차량용 조향 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 조향 시스템은 스티어-바이-와이어 시스템의 일부일 수 있다.
종래의 차량용 조향 시스템은 수동 또는 전동 조향 시스템으로, 스티어링 휠이 랙 및 피니언 서브시스템과 같은 특정 메커니즘에 의해 로드 휠에 기구적으로 연결된다. 이러한 시스템은 스티어링 휠과 로드 휠 사이의 기구 결합의 복잡성과 무게, 스티어링 피드백의 제한된 조절성(tenability)과 같은 특유의 단점들을 가지고 있다.
스티어링 피드백은 스티어링 휠과 로드 휠 사이에 종래의 기구적 결합을 사용하는 모든 차량에서 스티어링 피드백이 존재한다는 것을 전제로 하는 차량의 예상되는 속성이다. 불충분한 스티어링 피드백은 차량 운전자에게 도로와 단절된 느낌을 주는 통상적으로 부정적인 특성이다.
또한, 스티어링 휠과 로드 휠 사이의 기구적 결합을 생략한 다양한 스티어-바이-와이어 시스템(steer-by-wire system)이 잘 알려져 있다. 상술한 기구적 결합이 없기 때문에 이러한 시스템은 본질적으로 스티어링 피드백이 부족하여 충분한 스티어링 피드백을 제공하기 위한 추가 서브시스템이 있어야 한다. 스티어-바이-와이어 시스템을 위한 다양한 스티어링 피드백 솔루션들이 알려져 있지만, 스티어-바이-와이어 시스템에서는 차량 운전자에 대한 스티어링 피드백에 대한 개선 요구가 지속되고 있다. 조향 시스템의 안전하고 확실한 동작을 위해서는 스티어링 피드백이 강력하고 직접적인 방식으로 제공되는 것이 유리한다. 또한, 종래의 조향 시스템에 추가적인 스티어링 피드백을 제공하거나 종래 조향 시스템의 스티어링 피드백을 향상시키는 것도 개선에 유리할 수 있다.
본 발명은 상술한 목적들 중 적어도 하나를 해결하기 위한 것이다.
제1항에 따르면, 차량용 조향 시스템은 다음을 제공한다.
스티어링 휠을 포함하는 스티어링 유닛; 및
상기 스티어링 휠이 회전될 때 조향 반력을 생성하는 스티어링 필링 유닛; 으로서, 상기 스티어링 필링 유닛은
상기 스티어링 휠에 결합된 적어도 하나의 스프링, 및
상기 적어도 하나의 스프링의 스프링 하중 및/또는 스프링 강성을 변경하는 액추에이터를 포함한다.
상기 조향 시스템은
스티어링 휠의 각도 위치를 측정하기 위한 위치 센서 및/또는 차량 속도를 측정하기 위한 속도 센서; 및
상기 액추에이터를 제어하며 액추에이터, 위치 센서 및/또는 속도 센서에 작동 가능하게 결합되는 제어 유닛; 을 더 포함한다. 상기 액추에이터는 상기 스티어링 휠의 각도 위치 및/또는 차량 속도에 따라 상기 스프링 하중 및/또는 스프링 강성을 변경하도록 구성된다.
청구항 1에 따라 스프링 하중 및/또는 스프링 강성을 변경함으로써, 조향 반력은 스티어링 휠의 실제 각도 위치 및/또는 실제 차량 속도에 기초하여 생성될 수 있다. 따라서, 조향 작용에 대한 스프링의 저항은 제어 유닛과 액추에이터에 의해 동적으로 가변될 수 있다. 더욱이, 청구항 1의 스티어링 필링 유닛은 비교적 단순한 설계를 가지기 때문에 비교적 견고한 방식으로 제조될 수 있다.
“조향 반력(steering reaction force)”이라는 용어는 차량 운전자에 대한 조향감 또는 스티어링 피드백을 의미할 수 있다. 조향 반력 대신 조향 반력 토크라는 용어를 사용할 수도 있다. 청구된 조향 시스템은 스티어-바이-와이어 시스템의 일부일 수 있다. 여기서, 청구항 1의 조향 시스템은 또한 스티어링 휠과 로드 휠 사이의 기구적 결합을 사용하는 종래의 수동 또는 전동 조향 시스템에서도 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 액추에이터는 조향각(steering angle) 및/또는 차량 속도(vehicle sped)가 증가할 때, 조향 반력이 증가하도록 스프링 하중 및/또는 스프링을 변경 가능하게 마련될 수 있다. 또한. 액추에이터는 조향각 및/또는 차량 속도가 감소할 때, 조향 반력이 감소하도록 스프링 하중 및/또는 스프링 강성을 변경 가능하게 마련될 수 있다. 예를 들어, 액추에이터는 조향 작용 시 및/또는 전후에 스프링 하중 및/또는 스프링 강성을 변경하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시 예에 따르면, 조향 시스템은 추가적으로 조향 상태 및/또는 차량 상태 및/또는 도로 상태를 감지하기 위한 적어도 하나의 추가 센서를 포함한다. 센서는 제어 유닛에 작동 가능하게 결합될 수 있다. 액추에이터는 추가 센서의 신호에 따라 스프링 하중 및/또는 스프링 강성을 변경하도록 구성될 수 있다. 추가 센서는 예를 들어, 토크 센서, 차량 센서 또는 도로 센서와 같은 조향 센서일 수 있다.
스티어링 유닛은 결합 기구를 통해 스티어링 필링 유닛에 기구적으로 결합될 수 있다. 일부 예에서, 스티어링 유닛은 스티어링 휠에 결합된 스티어링 샤프트를 포함한다. 이 경우, 위치 센서는 입력 샤프트의 각도 위치를 측정하도록 구성될 수 있다. 스티어링 유닛은 스티어링 휠의 회전 운동이 결합 기구의 병진 운동 또는 결합 기구의 회전 운동으로 변환되도록 결합 기구에 기구적으로 결합될 수 있다.
적어도 하나의 스프링은 2개의 이동 가능한 힘 전달 부재 또는 토크 전달 부재 사이에 배치되는 것을 고려할 수 있다. 제1 힘 또는 토크 전달 부재는 스티어링 휠을 조작함으로써 이동 가능하다. 또한, 제2 힘 또는 토크 전달 부재는 액추에이터를 작동함으로써 이동 가능하다. 결합된 스프링의 특성에 따라 힘 또는 토크 전달 부재는 병진 또는 회전 이동이 가능하다.
일부 실시 예에서, 적어도 하나의 스프링은 비선형 스프링 상수를 갖는다. 이는 차량 속도 또는 조향 각도가 증가함에 따라 증가하는 조향 반력을 제공하거나 차량 속도 또는 조향 각도가 감소함에 따라 감소하는 조향 반력을 제공하는 데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 시스템의 설계에 따라 적어도 하나의 스프링의 스프링 상수는 점진적으로 증가하거나 감소할 수 있다. 대안으로, 적어도 하나의 스프링의 스프링 상수는 적어도 각 스프링의 작동 범위에서 선형일 수 있다. 적어도 두 개의 스프링은 다른 스프링 상수를 가질 수 있다. 적어도 하나의 스프링은 인장 하중 및/또는 압축 하중 및/또는 비틀림 하중 및/또는 전단 하중 및/또는 굽힘 하중과 같은 다양한 종류의 하중을 위해 설계될 수 있다. 적어도 하나의 스프링은 헬리컬 스프링(코일 스프링), 디스크 스프링, 토션 스프링, 스파이럴 스프링 또는 다른 적절한 스프링일 수 있다.
바람직하게는, 적어도 하나의 스프링은 스티어링 휠의 각도 위치가 0인 중심 위치를 향해 스티어링 휠을 편향시킨다. 선택적으로, 적어도 하나의 스프링은 스티어링 휠의 중심 위치에 미리 로드된다.
구현되는 형태에 따라, 스티어링 필링 유닛은 적어도 2개의 스프링을 포함한다.
일부 예에서, 적어도 2개의 스프링은 제1 힘 전달 부재 또는 제1 토크 전달 부재의 대향하는 양측면에 배치된 대항 스프링(counteracting springs)이다.
스티어링 필링 유닛은 복수의 제1 스프링 및 복수의 제2 스프링을 포함할 수 있다. 복수의 제1 스프링은 스티어링 휠이 좌측으로 회전될 때 실질적으로 원하는 조향 반력을 제공할 수 있는 반면, 복수의 제2 스프링은 스티어링 휠이 우측으로 회전될 때 실질적으로 원하는 조향 반력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 복수의 제1 스프링은 제1 힘 또는 토크 전달 부재의 제1 측에 배치될 수 있고 복수의 제2 스프링은 제1 힘 또는 토크 전달 부재의 제2 측에 배치될 수 있다. 스프링의 디자인(예를 들어, 스프링의 개수, 스프링 상수, 소재)은 제1 힘 전달 부재 또는 제1 토크 전달 부재의 양쪽에서 대칭일 수 있다.
다양한 실시 예에서, 적어도 2개의 스프링은 제1 힘 전달 부재 또는 제1 토크 전달 부재의 동일한 측면에 직렬로 배치된다. 예를 들어, 적어도 2개의 스프링은 제1 힘 또는 토크 전달 부재와 제2 힘 또는 토크 전달 부재 사이에 직렬로 배열된다. 제1 힘 또는 토크 전달 부재의 동일한 측에 직렬로 배열되는 스프링은 서로 다른 스프링 상수를 가질 수 있다. 스티어링 필링 유닛은 스프링들 중 적어도 하나의 스프링 하중을 제한하기 위해 직렬로 배치된 스프링들 사이에 배치된 스토퍼 부재를 포함할 수 있다. 직렬로 연결된 스프링 중 적어도 하나의 하중을 제한함으로써 시스템의 유효 스프링 상수는 조정될 수 있다. 스토퍼 부재는 이동 예를 들어, 슬라이딩 이동 가능하게 샤프트에 배치된다. 샤프트는 상술한 스티어링 샤프트 또는 다른 샤프트일 수 있다. 스토퍼 부재의 축방향 이동은 샤프트에 배치된 인접 특징부(abutment feature)에 의해 제한될 수 있다.
다양한 구현 예에서, 스티어링 필링 유닛은 스티어링 휠의 움직임을 완충(감쇠)시키기 위한 적어도 하나의 댐퍼를 포함한다. 댐퍼는 유체 또는 전자기계식 댐퍼(electro-mechanic) 일 수 있다. 댐퍼는 스티어링 휠 각도가 증가함에 따라 감쇠력이 증가하도록 구성될 수 있다.
조향 시스템은 스티어링 필링 유닛 및/또는 스티어링 유닛을 수용하기 위한 스토우 기구(stow mechanism)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따른 스티어링 필링 유닛을 갖는 구비한 차량용 조향 시스템은 종래 조향 시스템에 강력하고 직접적인 방식으로 추가 스티어링 피드백을 제공하거나 종래의 조향 시스템의 스티어링 피드백을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 다양한 목적 및 장점들은 첨부된 도면에 참조할 경우 이하 실시 예들의 상세한 설명을 이해하는데 좀 더 명백해질 것이다.
도 1은 조향 시스템의 개략도이다.
도 2는 차량 속도와 스티어링 휠 각도 사이의 몇 가지 관계들을 도시한 것이다.
도 3은 차량 속도, 스티어링 휠 각도, 및 스티어링 휠 토크 사이의 몇 가지 관계를 도시한 것이다.
도 4는 다른 조향 시스템의 개략도이다.
이하, 반복적으로 표현되고 유사한 특징들은 동일한 참조 번호로 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도로 차량에서 사용하기 위한 조향 시스템(1)의 개략도를 도시한 것이다. 조향 시스템(1)은 스티어링 휠(3)과 스티어링 휠(3)에 회전 가능하게 고정된 스티어링 샤프트(4)를 갖는 스티어링 유닛(2)을 포함한다. 조향 시스템(1)은 스티어링 휠(3)이 로드 휠로부터 기구적으로 분리되는 스티어-바이-와이어 스티어링 시스템의 일부일 수 있다. 조향 시스템은 또한, 적어도 하나의 로드 휠을 회전(turning)시키기 위한 로드 휠 작동 유닛(미도시)을 포함할 수 있다. 조향 시스템(1)은 스티어-바이-와이어 시스템이 고장 날 경우에 대비하여 기구적 폴백 시스템(mechanical fall-back system)을 포함할 수 있다. 기구적 폴백 시스템은 스티어링 휠(3)과, 스티어-바이-와이어 시스템의 고장 시 활성화되는 로드 휠 사이의 기구적 커플링을 포함할 수 있다. 일반적인 기구적 폴백 시스템은 랙과 피니언으로 구성될 수 있으며, 예들 들어 미국 특허 번호 제9,764,760 B2가 있다.
대안으로, 조향 시스템(1)은 스티어링 휠(3)이 로드 휠(미도시)에 기구적으로 결합되는 종래의 조향 시스템의 일부일 수 있다.
위치 센서(7)는 조향 시스템의 작동 시 스티어링 휠의 각도 위치(angular positions)를 측정한다. 예를 들어, 샤프트(4)의 둘레 부분은 극성(북극과 남극)을 갖는 착자 부분을 포함할 수 있다. 각 위치 센서(7)는 자기장을 측정하여 스티어링 휠(3), 즉 이에 따라 샤프트(4)의 각도 위치를 결정할 수 있다. 센서(7)의 분해능(resolutions)은 2° 또는 1° 또는 훨씬 더 정확할 수 있다.
또한, 속도 센서(8)는 차량 속도를 측정하기 위해 마련된다. 예를 들어, 속도 센서(8)는 시간 단위당 로드 휠의 회전 수를 측정한다. 차량 속도를 측정하는 데는 종래의 속도 센서(8)가 사용될 수 있다.
위치 센서(7) 및 속도 센서(8)는 모두 제어 유닛(10)에 작동 가능하게 결합된다. 제어 유닛(10)은 센서(7, 8)로부터 신호 또는 데이터를 수신하고, 이들을 처리, 해석, 분석 및/또는 저장하도록 마련된다. 제어 유닛(10)은 조향 시스템(1) 및 그 임의의 서브시스템을 제어하기 위한 전용 소프트웨어 및 하드웨어를 갖는 조향 시스템의 제어 유닛일 수 있다. 다른 실시 예에서, 제어 유닛(10)은 차량의 ECU의 일부일 수 있다. 제어 유닛(10)은 또한 로드 휠 작동 유닛에 작동 가능하게 연결된다.
위치 센서(7)의 신호에 기초하여, 제어 유닛(10)은 로드 휠 조향 목표 위치를 계산하고 로드 휠을 회전(조향)하기 위한 로드 휠 작동 유닛에 대응하는 신호를 전송한다. 조향 휠 목표 위치 변경 속도에 대한 로드 휠 조향 위치 변경 속도는 가상 기어비(a virtual gear ratio)를 정의할 수 있다. 가상 기어비는 속도 센서(8)에 의해 측정된 차량 속도에 따라 가변될 수 있다. 가상 기어비는 로드 휠을 한 방향으로 완전히 회전시키기 위해 스티어링 휠(3)이 180도 또는 90도 미만으로 회전하는 경우에 적용될 수 있다. 이에 따라 스티어링 휠은 총 360도 또는 180도 이상 회전하도록 설계될 필요가 없기 때문에 간단하고 컴팩트한 위치 센서(7)를 사용할 수 있다. 다시 말해, 샤프트(4)의 회전수를 결정할 필요가 없다.
로드 휠과 스티어링 휠 사이의 기구적 결합이 없기 때문에, 스티어링 휠(3)이 회전될 때 스티어링 반응력(스티어링 피드백)을 생성하기 위한 스티어링 필링 유닛(5)이 고려된다.
스티어링 필링 유닛(5)은 스티어링 휠(3)에 기구적으로 결합된 복수의 스프링(11, 12, 13, 14)을 포함한다. 바람직하게는, 스프링(11, 12, 13, 14)은 스티어링 휠의 각도 위치가 0인 중심 위치를 향해 스티어링 휠(3)을 편향시킨다. 핸들의 중앙 위치에서 차량은 직선을 따라 이동한다. 또한, 핸들이 중앙 위치에 있을 때 로드 휠 작동 유닛은 대기 위치(a rest position)에 있을 수 있다. 스프링(11, 12, 13, 14)은 스티어링 휠(3)이 중심 위치에서 0보다 큰 각도 위치를 향해 회전될 때 차량의 운전자에게 스티어링 피드백을 제공한다.
스티어링 필링 유닛(5)은 제어 유닛(10)에 작동 가능하게 연결된 액추에이터(6)를 더 포함한다. 제어 유닛(10)은 센서(7, 8)들의 신호 또는 데이터에 기초하여 액추에이터(6)를 제어 및 활성화한다. 액추에이터(6)는 위치 센서(7)에 의해 측정되는 스티어링 휠(3)의 각도 위치 및/또는 속도 센서(8)에 의해 측정된 차량 속도에 따라 스프링(11, 12, 13, 14)의 실제 스프링 하중 및/또는 실제 스프링 강성을 능동적으로 변경하도록 구성된다. 액추에이터(6)는 액추에이터의 작동 상태를 감지하기 위해 제어 유닛(10)에 연결된 센서를 포함할 수 있다.
구체적으로, 액추에이터(6)는, 조향각(α) 및/또는 차량 속도가 증가할 때, 조향 반력(steering reaction force)이 증가하도록 스프링(11, 12, 13, 14)의 스프링 하중 및/또는 스프링 강성을 변화시키도록 구성된다. 또한, 조향각(α) 및/또는 차량 속도가 감소할 때, 액추에이터(6)는 조향 반력이 감소하도록 스프링 하중 및/또는 스프링 강성을 변경한다.
스프링(11, 12, 13, 14)은 인장 하중 및/또는 압축 하중 및/또는 비틀림 하중 및/또는 전단 하중 및/또는 굽힘 하중을 고려하여 설계될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 스프링(11, 12, 13, 14)은 압축 하중 및 인장 하중을 고려하여 설계되었다. 스프링(11, 12, 13, 14)은 비선형 스프링 상수(스프링 특성이라고도 함)(non-linear spring rates)을 가질 수 있다. 도시된 예에서, 스프링(11, 12, 13, 14)은 점증적 스프링 상수(progressive spring rates)를 가지고 있다. 다른 실시 예에서는, 점감적 스프링 상수 또는 선형 스프링 상수를 갖는다. 추가로, 각각의 스프링(11, 12, 13, 14)은 스티어링 휠(3)의 중앙 위치에 예압 (preloaded)된다.
스티어링 필링 유닛(5)은 제1 힘 전달 부재(15)를 포함할 수 있다. 제1 전달 부재(15)의 양측에는 제2 힘 전달 부재(19) 및 스토퍼 부재(16)(a mechanical stop)가 마련된다. 스프링(11, 12, 13, 14), 제1 및 제2 힘 전달 부재(15, 19) 및 스토퍼 부재(16)는 샤프트(4)에 이동 예컨대, 슬라이딩 이동 가능하게 배치된다. 스프링(11, 12)과 스프링(13, 14)은 제1 힘 전달 부재(15)의 양측에 배치된 대항 동작하는 스프링(counteracting springs)이다. 즉, 스프링(11, 12)이 압축되면 스프링(13, 14)은 신장되며, 그 반대도 마찬가지이다. 예를 들어, 스프링(11, 13)은 대항 스프링의 제1 쌍을 형성할 수 있고 스프링(12, 14)은 대항 스프링의 제2 쌍을 형성할 수 있다.
예를 들어, 액추에이터(6)는 전동 액추에이터일 수 있으며, 브러시 모터(M1) 및 웜 기어를 포함할 수 있다. 웜 기어는 나선부(21) 및 플랜지형 단부(22)를 갖는 축방향으로 이동 가능한 샤프트(20)를 포함할 수 있다. 샤프트(20)는 힘 전달 부재(19)에 연결되고 중공(aperture)을 통해 연장된다. 따라서, 모터(M1)의 회전 운동은 힘 전달 부재(19)의 선형 운동으로 변환된다(아래 참조). 힘 전달 부재(19) 대신에 토크 전달 부재가 사용되는 경우, 모터(M1)의 회전 운동은 상기 토크 전달 부재에 직접적으로 결합될 수 있다.
도시된 예에서는, 2개의 샤프트(20) 및 2개의 제2 힘 전달 부재(19)가 고려된다. 제2 힘 전달 부재(19)를 제1 힘 전달 부재(15) 쪽으로 이동시킴으로써 스프링(11, 12, 13, 14)의 하중, 예압 및 강성이 액추에이터(6)에 의해 능동적으로 조정될 수 있다.
힘 전달 부재(15)는 스티어링 휠(3)을 스티어링 필링 유닛(5)에 기구적으로 결합하기 위한 결합 기구(17)의 일부이다. 도 1에는 회전-병진 결합 기구(17)(rotational-translational coupling mechanism)가 도시되어 있다. 예를 들어, 조향 샤프트(4)는 제1 힘 전달 부재(15)에 기구적으로 결합된 나선부 (28)를 포함할 수 있다. 이를 위해, 제1 힘 전달 부재(15)는 조향 샤프트(4)의 나선부와 체결되는 상보적인 나선부를 포함할 수 있다. 도 1에 따르면, 스티어링 휠(3)이 왼쪽으로 회전되면(스티어링 휠(3)의 "왼쪽/오른쪽" 화살표 참조), 제1 힘 전달 부재(15)는 왼쪽으로 이동된다(제1 힘 전달 부재(15)의 "왼쪽/오른쪽” 화살표 참조). 스티어링 유닛과 제1 힘 전달 부재(15) 또는 스티어링 필링 유닛(5) 사이에는 다른 기구적 결합 예컨대, 회전-회전 커플링과 같은 기구적 커플링이 또한 고려될 수 있다. 힘 전달 부재(15) 대신에, 예를 들어 스티어링 필링 유닛 (5)에 비틀림 스프링이 사용되는 경우 토크 전달 부재가 고려될 수 있다.
다양한 실제 적용 예들에서, 고속보다는 저속의 차량 속도에서 더 작은 스티어링 피드백을 제공하는 것이 유리하다. 반대로, 고속에서는 저속에서보다 더 높은 조향 반력을 제공하는 것이 유리할 수 있다. 도 1에서는 일례로 2개의 차량 속도 v1 및 v2가 표시되어 있으며, 여기서 v1은 제1 차량 속도(예: 0 ~ 20km/h)이고, v2는 제1 차량 속도(v1)보다 빠른 제2 차량 속도(예: 100 ~ 200km/h)이다.
이하에서는, 이해를 돕기 위해, 도 1의 우측 부분을 설명한다. 속도 센서(8)가 높은 차속(v2)을 측정할 경우 모터(M1)는 오른쪽으로 회전된다. 이로 인해 제2 힘 전달 부재(19)가 제1 전달 부재(15)를 향해 이동함으로써 스프링(11, 12)을 압축하고 스프링 하중 및 스프링 강성을 증가시키는 효과를 갖는다. 마찬가지로, 스프링(13, 14)은 제2 힘 전달 부재(19)를 제1 힘 전달 부재(15) 쪽으로 이동시킴으로써 압축된다.
운전자가 스티어링 휠(3)을 오른쪽으로 회전시키기로 결정하면, 제1 힘 전달 부재(15)는 제2 힘 전달 부재(19) 쪽으로 이동될 것이다. 결합된 스프링(11, 12)의 스프링 하중 및 스프링 강성이 증가함에 따라, 운전자는 더 높은 차량 속도(v2)에서 더 높은 조향 반력을 경험할 것이다.
반대로, 속도 센서(8)가 저속(v1)을 측정하면 모터(M1)가 왼쪽으로 회전된다. 이로 인해 제2 힘 전달 부재(19)가 제1 전달 부재(15)로부터 멀어지게 이동함으로써 스프링(11, 12 및 13, 14)은 종방향으로 확장되고 스프링 하중 및 스프링 강성을 감소시키는 효과를 갖는다. 운전자가 스티어링 휠(3)을 오른쪽으로 회전하기로 결정하면(스티어링 휠(3)의 화살표 참조), 제1 힘 전달 부재(15)는 제2 힘 전달 부재(19)를 향해 이동될 것이다(제1 전달 부재(15)의 화살표 참조). 결합된 스프링(11, 12)의 스프링 하중 및 스프링 강성이 감소함에 따라, 운전자는 차속(v2)에서보다 더 느린 차속(v1)에서 더 낮은 조향 반력을 경험하게 될 것이다.
도 3은 차량 속도, 조향 각도(α) 및 조향 반력 사이의 몇 가지 바람직한 관계를 나타낸 것으로, 여기서 조향 반력은 Nm(조향 반력 토크)으로 표시된다. 도 2에서는 차속과 조향 각도(α) 사이의 3가지 관계를 도시하고 있다. 도 2는 도 1의 조향 시스템으로 인해 저속의 차량 속도에서 더 작은 조향 반력을 사용함으로써 조향 각도(α)가 감소될 수 있음을 나타낸다.
다른 실시 예에서, 액추에이터는 공압 및/또는 유압 액추에이터가 사용될 수 있다. 본 발명은 액추에이터가 스프링(11, 12, 13, 14)들과 같이 적어도 하나의 스프링의 하중, 예압 및 강성을 능동적으로 변경할 수 있는 한 특정 액추에이터 또는 작동 메커니즘에 제한되지 않음을 이해해야 한다.
힘 전달 부재(19)는 액추에이터(6)를 스프링(12, 14)에 연결한다. 다른 실시 예에서는 액추에이터 및 스프링에 따라 힘 전달 부재(19) 대신 토크 전달 부재가 사용될 수 있다.
스토퍼 부재(16)는 샤프트(4) 상에 이동 가능하게 배치된다. 스토퍼 부재(16)의 축방향 이동은 샤프트(4)의 원주로부터 방사상으로 연장되는 제1 플랜지(18)에 의해 한 방향으로 제한될 수 있다. 또한, 제2 힘 전달 부재(19)의 축방향 이동은 샤프트(4)의 원주로부터 방사상으로 연장되는 제2 플랜지(26)에 의해 제한된다.
각각의 스프링(11, 13)은 제1 힘 전달 부재(15)와 스프링(11, 13)의 하중을 제한하기 위한 스토퍼 부재(16) 중 하나 사이에 끼워진다. 스프링(11, 13)은 힘 전달 부재(15)와 스토퍼 부재(16) 모두에 인접한다. 각각의 스프링(12, 14)은 제2 힘 전달 부재(19)와 스토퍼 부재(16) 중 하나 사이에 끼워진다. 스프링(12, 14)은 힘 전달 부재(19)와 스토퍼 부재(16) 모두에 인접한다.
도시된 바와 같이, 스프링(11, 12) 및 스프링(13, 14)은 제1 힘 전달 부재(15)의 양측에 직렬로 배열된다. 일반적으로, 스프링(11, 13)은 제1 스프링 상수(k1)로 규정된 동일한 스프링 상수를 갖는다. 또한, 스프링(12, 14)은 제2 스프링 상수(k2)로 나타낸 동일한 스프링 상수를 가질 수 있다. 예를 들어, 힘 전달 부재(15)의 우측의 등가 스프링 상수(keq)(equivalent spring rate)은 방정식 1/keq = 1/k1 + 1/k2를 통해 결정될 수 있다. 여기서, k1 및 k2는 각각 제1 및 제2 스프링 상수이다. 이때, 전체 시스템의 등가 스프링 상수는 더 복잡한 형태를 갖는다는 점에 유의해야 한다. 제1 스프링 상수와 제2 스프링 상수는 서로 상이하다. 바람직하게, 제1 스프링 상수(k1)는 가해지는 특정 힘에 대해 제2 스프링 상수(k2)보다 작다. 따라서, 조향 작용에서, 스프링(11, 13)은 스프링(12, 14)보다 더 큰 정도로 압축될 것이다. 이에 따라 제1 힘 전달 부재(15)는 조향 작용 시 스토퍼 부재에 가까워지고, 특정 조향각에서 제1 힘 전달 부재(15)는 스토퍼 부재(16)에 접하는 효과를 갖는다. 따라서, 스프링(11, 13)의 추가 압축은 스토퍼 부재(16)에 의해 제한된다. 결과적으로, 제1 전달 부재(15keq)의 일측에서의 등가 스프링 상수는 이러한 특정 조향각 및 더 큰 조향각에서 스프링(12)(또는 스프링(14))에 의해서만 대략적으로 결정될 수 있다. 일반적으로 더 큰 조향각에서 더 높은 조향 반력에 기여할 수 있다.
센서(7, 8) 외에, 조향 시스템(1)은 조향 상태 및/또는 차량 상태 및/또는 도로 상태를 감지하기 위한 적어도 하나의 추가 센서(9)를 포함할 수 있다. 센서(9)는 제어 유닛(10)에 작동 가능하게 결합된다. 센서(9)의 센서 신호 또는 센서 데이터는 스프링 하중 및/또는 스프링 강성을 조정하는 액추에이터를 제어하는 데 사용될 수 있다.
따라서, 액추에이터(6)는 센서(9)에 의해 측정된 급격한 힘 변화가 스티어링 휠(3)의 스티어링 피드백 변화로 전달되는 방식으로, 조향 상태 관련 피드백, 도로 상태(예, 노면) 관련 스티어링 피드백 또는 차량 상태 관련 스티어링 피드백에 사용될 수 있다.
일례로, 적어도 하나의 추가 센서(9)는 스티어링 샤프트(4)에 마련된 토크 센서, 차량 횡가속도 센서, 및 차량 요레이트 센서를 포함하며, 이들은 바람직하게는 스티어링 토크, 차량의 횡가속도 및 차량의 요레이트를 각각 감지한다. 차량 횡가속도 및 차량 요레이트는 차량의 현재 동적 상태를 나타내는 기본적인 측정들(preferred measurements)이다. 추가 센서(9)는 또한 차량의 시동 모드를 감지하는 시동 모드 센서, 차량의 차량 롤 및 차량 피치를 각각 감지하는 차량 롤 센서 및 차량 피치 센서를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 조향 시스템(1')의 개략도를 도시한 것이다. 좀 더 명확하도록, 스티어링 휠(3)은 도 4에 도시되지 않았다. 도 4에 도시된 실시 예는 스티어링 휠(3)의 회전 운동이 결합 기구(23)의 회전 운동으로 변환된다는 점에서 도 1에 도시된 실시 예와 다르다. 이를 통해, 좀 더 콤팩트한 조향 시스템(1')을 구현할 수 있다. 또한, 부재(11, 12, 13, 14, 15, 16)들은 스티어링 샤프트(4)와 다른 샤프트(24)에 슬라이딩 가능하게 배치된다. 이때, 스티어링 휠(3)은 샤프트(24)에 회전 가능하게 고정되지 않는다는 점을 고려해야 한다. 조향 시스템(1')의 부재(6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 18, 19, 20, 21, 22)들 적어도 상술한 조향 시스템(1)의 각각의 부재와 유사하거나 동일하다.
또한, 두 조향 시스템(1, 1')은 스티어링 휠(3)의 이동을 완충하기 위한 적어도 하나의 댐퍼(25)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 댐퍼(25)는 유체 또는 전기-기계식 댐퍼일 수 있다. 댐퍼(25)는 스티어링 휠 각도(α)가 증가함에 따라 감쇠력이 증가하도록 구성될 수 있다.
조향 시스템(1, 1')은 스티어링 필링 유닛(5) 및/또는 스티어링 유닛을 수용(stowing)하거나 변위(displacing)시키기 위한 모터(M2)를 갖는 스토우 기구(27)(stow mechanism)를 더 포함할 수 있다 (도 1 참조). 스토우 기구(27)는 기계적으로 또는 전자기계적으로 구현될 수 있다. 스토우 기구(27)를 사용함으로써 스티어링 휠(3)은 차량의 대시보드 안으로 들어가거나 밖으로 구동될 수 있다. 스토우 기구(27)는 운전석 위치에 대해 스티어링 휠(3)의 위치를 조절하는데 선택적으로 사용될 수 있다. 전자기계식 스토우 기구(27)는 스프링(11, 12, 13, 14)의 스프링 하중/스프링 강성의 전자기계식 변경에 선택적으로 사용될 수 있다.
일 실시 예에서, 스티어링 휠(3)은 예를 들어 운전자가 차량에서 내릴 때 운전자를 써포트하기 위해 특정 상황에서 회전 불가능하게 차단될 수 있다. 일부 경우에, 스토우 기구(27)는 스티어링 휠(3)을 회전 불가능하게 차단하는 데 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 4에 도시된 임의의 특징들은 서로 결합될 수 있거나 별도로 청구될 수 있다.

Claims (12)

  1. 차량용 조향 시스템(1)에 있어서,
    - 스티어링 휠(3)을 포함하는 스티어링 유닛(2);
    - 상기 스티어링 휠(3)이 회전될 때 조향 반력을 생성하는 스티어링 필링 유닛(5);으로서, 상기 스티어링 필링 유닛(5)은
    o 상기 스티어링 휠(3)에 결합된 적어도 하나의 스프링(11, 12, 13, 14), 및
    o 상기 적어도 하나의 스프링의 스프링 하중 및/또는 스프링 강성을 변경하는 액추에이터(6)를 포함하고,
    - 상기 스티어링 휠(3)의 각도 위치를 측정하기 위한 위치 센서(7) 및 차량 속도를 측정하기 위한 속도 센서(8); 및
    - 상기 액추에이터(6)를 제어하는 제어 유닛(10);으로서, 상기 제어 유닛(10)은 액추에이터(6), 위치 센서(7) 또는 속도 센서(8)에 작동 가능하게 결합되고,
    상기 액추에이터(6)는 상기 위치 센서(7) 및 상기 속도 센서(8)에 의해 측정된 조향각(α) 및 차량 속도가 증가할 때, 조향 반력이 증가하도록 상기 스프링 하중 또는 강성을 변경하고, 상기 위치 센서(7) 및 상기 속도 센서(8)에 의해 측정된 조향각(α) 및 차량 속도가 감소할 때, 조향 반력이 감소하도록 상기 스프링 하중 또는 강성을 변경하는, 조향 시스템(1).
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    적어도 2개의 스프링(11, 13)은 제1 힘 전달 부재(15) 또는 제1 토크 전달 부재의 양측면에 배치되는 대항 스프링(counteracting springs)인, 조향 시스템(1).
  5. 제4항에 있어서,
    적어도 2개의 스프링(11, 12)은 상기 제1 힘 전달 부재(15)와 제2 힘 전달 부재(19) 사이에 직렬로 배치되는 조향 시스템(1).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스티어링 필링 유닛(5)은 상기 스프링들 중 적어도 하나의 스프링 하중을 제한하기 위해 직렬로 배치된 스프링(11, 12) 사이에 마련되는 스토퍼 부재(16)를 포함하는, 조향 시스템(1).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스토퍼 부재(16)는 샤프트(4) 상에 이동 가능하게 마련되고, 상기 스토퍼 부재(16)의 축방향 이동은 상기 샤프트(4) 상에 배치된 인접 특징부(18)에 의해 제한되는, 조향 시스템(1).
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스티어링 유닛(2)은 결합 기구를 통해 스티어링 필링 유닛(5)에 기구적으로 결합되어 상기 스티어링 휠(3)의 회전 운동은 상기 결합 기구(15)의 병진 운동 또는 결합 기구의 회전 운동으로 변환되는, 조향 시스템(1).
  9. 제1항에 있어서,
    적어도 2개의 스프링은 서로 다른 스프링 상수(spring rates)을 갖는, 조향 시스템(1).
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스프링은 상기 스티어링 휠(3)의 각도 위치가 0인 중심 위치를 향해 상기 스티어링 휠(3)을 편향시키고, 상기 적어도 하나의 스프링은 상기 스티어링 휠(3)의 중심 위치에 예압(preloaded)되어 있는, 조향 시스템(1).
  11. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스프링은 2개의 이동 가능한 힘 전달 부재(15, 19) 사이에 배치되고, 상기 제1 힘 전달 부재(15)는 상기 스티어링 휠(3)의 작동에 의해 이동 가능하고, 상기 제2 힘 전달 부재(19)는 상기 액추에이터(6)의 작동에 의해 이동 가능한, 조향 시스템(1).
  12. 제1항에 있어서,
    차량 상태 또는 도로 상태를 감지하기 위한 적어도 하나의 추가 센서(9)를 더 포함하고, 상기 추가 센서(9)는 상기 제어 유닛(10)에 작동 가능하게 결합되고, 상기 액추에이터(6)는 상기 추가 센서(9)의 신호에 따라 상기 스프링 하중 또는 스프링 강성을 변경하도록 마련되는, 조향 시스템(1).
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