KR20000015732A - 자동차 조향 시스템의 토크 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 조향 시스템의 토크 검출장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유성기어(Planetary Gear)를 이용하여 스티어링 휠을 조타시 타이어에 부하되는 조타 토크를 기계식으로 검출함으로써 장치의 내구성 및 신뢰성을 확보토록 한 자동차 조향 시스템의 토크 검출장치에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명은, 유성기어와 레버가 입력 샤프트와 피니언에 조립되어 있는 파워 스티어링의 피니언 단체 조립물을 구비하여 된 자동차 조향 시스템의 토크 검출장치에 있어서, 상기 입력 샤프트는 회전상태로 이 입력 샤프트에 조립된 태양기어와 동시에 맞물리며, 그 외측은 각각의 링 기어와 맞물리게 된 2조의 유성 기어로 되며, 상기 링 기어의 회전 변위를 직선 변위로 하는 랙(rack)을 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

Description

자동차 조향 시스템의 토크 검출장치

본 발명은 자동차 조향 시스템의 토크 검출장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유성기어(Planetary Gear)를 이용하여 스티어링 휠을 조타시 타이어에 부하되는 조타 토크를 기계식으로 검출함으로써 장치의 내구성 및 신뢰성을 확보토록 한 자동차 조향 시스템의 토크 검출장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 조향 시스템에서 스티어링 휠을 조타할 때 타이어에 부하되는 토크의 검출(sensing)은 통상 유성기어에 의한 토션 바(torsion bar) 비틀림에 의한 변위 산출에 의해서 구해지게 되는데, 이를 도 1을 참조하여 설명한다.

도 1을 참조하면, 입력 샤프트(input shaft; 1)에 일력 토크가 부하되면, 피니언 샤프트(2)는 도시하지 않은 랙으로부터 추력이 발생한다. 이때, 입력 샤프트(1)에 조립된 유성기어 세트(3a)와 피니언 샤프트(2)에 조립된 유성기어 세트(3b)는 상호간에 위상차를 발생시켜 토션 바(4)에 비틀림이 발생한다. 이러한 현상이 발생하기 위해서 링 기어(5a)는 하우징에 고정되어 있고 다른 링 기어(5b)는 랙 기어(6)와 자유롭게 고정되어 위상차가 발생하게 되면 상,하의 유성기어(7a)(7b)는 태양 기어(sun gear; 8)에 동시에 맞물려 있으므로 하부의 유성기어(7b)는 태양기어(8)의 회전을 중지시키므로 상부의 유성기어(7a)는 태양기어(8)로 자전으로 굴러가게 된다. 이때, 상 방향 링 기어(5b)는 자유로이 맞물려 있으므로 유성기어(7a) 레버에 의해 위상차 만큼 회전하게 된다. 도 1에서 부재번호 9는 밸런스 핀(balance pin)이다.

즉, 종래기술에 의한 자동차 조향 시스템에서 스티어링 휠을 조타할 때 타이어에 부하되는 토크를 검출(sensing)하기 위한 토션 바 비틀림에 대한 변위 검출에 있어서 링 기어의 위상변위차의 검출을 레버를 이용하여 하고 있으나, 이러한 방식은 레버의 회전운동으로 센서의 스트로크 운동을 효과적으로 제어하기가 어려운 문제점이 있었다.

또한, 종래기술에 있어서, 링 기어의 위상변위차를 검출하기 위해 레버를 이용하는 경우 그 장치가 복잡하고 확실한 변위차를 검출하기가 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 유성기어(Planetary Gear)를 이용하여 스티어링 휠을 조타시 타이어에 부하되는 조타 토크를 기계식, 즉 링 기어의 회전변위를 직선변위로 바꿀 수 있는 랙 기어를 이용하여 검출함으로써 장치의 내구성 및 신뢰성을 확보토록 함과 동시에 장치의 단순화를 달성하고 확실한 변위차를 얻을 수 있도록 한 자동차 조향 시스템의 토크 검출장치에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 자동차 조향 시스템의 토크 검출장치의 개략적인 구성도,

도 2는 본 발명이 적용되는 파워 스티어링의 블록도이고,

도 3은 본 발명에 적용되는 유압식 피니언 샤프트의 입출력 특성 그래프이고,

도 4는 파워 스티어링의 피니언 단체 조립물의 개략적인 구성도이고,

도 5는 토션 바의 위상변위에 따른 센서 변위량의 그래프이고,

도 6은 본 발명에 따른 자동차 조향 시스템에서의 토크 검출장치의 구성도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 입력 샤프트(input shaft) 2 : 피니언 샤프트(pinion shaft)

3 : 유성기어 세트 4 : 토션 바(torsion bar)

6 : 랙 기어(rack gear) 11 : 센서

13 : 반력 스프링 14 : 부시(bush)

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 자동차 조향 시스템의 토크 검출장치는,

유성기어와 레버가 입력 샤프트와 피니언에 조립되어 있는 파워 스티어링의 피니언 단체 조립물을 구비하여 된 자동차 조향 시스템의 토크 검출장치에 있어서,

상기 입력 샤프트는 회전상태로 이 입력 샤프트에 조립된 태양기어와 동시에 맞물리며, 그 외측은 각각의 링 기어와 맞물리게 된 2조의 유성 기어로 되며,

상기 링 기어의 회전 변위를 직선 변위로 하는 랙(rack)을 포함하여 된 점에 그 특징이 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 랙에서 부하되는 힘이 없을 경우는 상기 입력 샤프트와 피니언은 위상차 없이 동일하게 회전하고, 이때 상기 2조의 유성기어는 상기 링 기어의 회전없이 동일한 회전운동을 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 랙에 힘이 걸리면 상기 피니언에 조립된 유성기어와 입력 샤프트에는 위상차가 발생하며, 이때 순간적으로 상기 피니언에 조립된 유성기어는 외부에 맞물려 있는 상기 링 기어가 하우징에 고정되어 있으므로 상기 태양기어를 고착시키게 되고 상기 입력 샤프트에 조립된 또 하나의 유성기어는 상기 태양기어에 미리 고착되어 있으므로 힘에 의해 발생한 위상차 만큼 태양기어 위를 굴러가는 현상이 발생한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 자동차 조향시스템의 토크 검출장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 설명의 편의를 위하여 종래기술에서 사용하였던 구성부재와 동일한 작용을 하는 구성부재에 대해서는 같은 도면부호를 사용한다.

도 2는 본 발명이 적용되는 파워 스티어링의 블록도이고, 도 3은 본 발명에 적용되는 유압식 피니언 샤프트의 입출력 특성 그래프이고, 도 4는 파워 스티어링의 피니언 단체 조립물의 개략적인 구성도이고, 도 5는 토션 바의 위상변위에 따른 센서 변위량의 그래프이고, 도 6은 본 발명에 따른 자동차 조향 시스템에서의 토크 검출장치의 구성도이다.

먼저, 본 발명은 유압식 파워 스티어링에서 사용하는 제어 밸브를 응용한 것으로 스티어링 칼럼에 연결되는 입력 샤프트부와 랙 기어(또는, 랙)에 연결되는 피니언 기어부의 조타시 위상차를 토크로 환산하여 센싱하는 것이다. 도시한 바와 같이 피니언 단체 조립체는 유성기어(7)와 레버가 입력 샤프트(1)와 피니언 샤프트(2)(또는, 피니언)에 조립되어 있어 입력 샤프트(1)는 회전상태로 입력 샤프트(1)에 조립된 태양기어(8)와 동시에 맞물리며 그 외측은 각각의 링 기어(5)와 맞물리게 된 2조의 유성 기어로 된 구조이다. 따라서, 이와 같은 구조에 의하면 랙(6)에서 부하되는 힘이 없을 경우는 입력 샤프트(1)와 피니언 샤프트(4)는 위상차 없이 동일하게 회전한다. 이때 2조의 유성기어 세트(3)는 링 기어(5)의 회전없이 동일한 회전운동을 한다.

그러나, 랙(6)에 힘이 걸리면, 피니언 샤프트(2)에 조립된 유성 기어(7)와 입력 샤프트(1)에 조립된 유성 기어 세트(3)는 위상차가 발생한다. 이때 순간적으로 피니언 샤프트(2)에 조립된 유성기어(7)는 외부에 맞물려 있는 링 기어(5b)가 하우징에 고정되어 있으므로 태양기어(8)를 고착시키게 되고 입력 샤프트(1)에 조립된 또 하나의 유성기어 세트(3)와 태양기어(8)는 이미 고착되어 있으므로 힘에 의해 발생한 위상차 만큼 태양기어(8) 위를 굴러가는 현상이 발생하며, 이때 외부에 자유로이 맞물려 있는 링 기어(5b)를 회전시킨다.

상기와 같은 회전운동을 종래에는 레버를 이용하여 변환하였으나, 본 발명은 상기와 같은 회전운동을 직선운동으로 바꿀 수 있는 랙 기어(6)를 이용한다.

즉, 본 발명은 도 1 내지 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 피니언 토션 바 토크의 변위량을 검출하는 것으로서, 직선변위 비접촉식 포텐셔메타 방식의 센서(11)를 적용한다. 이 원리는 도 4에 도시한 바와 같이 유압식 피니언 단체 조립물(complete assembly)의 토션 바(4)의 비틀림 토크 변위를 포텐셔메타 방식의 직선 변위로 나타내며, 이 변위는 전기적 신호로 변환된다. 이는 도 3에서와 같이 피니언 단체 조립물 입출력 특성이 토션 바(4)의 강도(stiffness)에 따라 동일 강성에서 발생하는 펌프의 압력으로써 상이하게 된다. 따라서, 도 4의 B-B선에 따른 도면에서와 같이 피니언 샤프트(2)와 입력 샤프트(1)의 위상차는 다르게 나타나며, 이에 따라 가변 오리피스의 개구면적이 변화하여 발생시키는 압력이 도 3과 같은 입출력 특성을 유지하도록 한다.

파워 스티어링에서는 가변 오리피스의 제어 대신에 토션 바(4)의 비틀림양을 센서(11)가 전기적 신호로 산출하여 모터(22)의 출력을 제어하는 것이다. 이에 따라 도 5를 보면, 전술한 바와 같이 위상차 변위에 따라서 토션 바(4)의 회전 토크량을 비례적으로 산출하는 장치가 본 발명의 주 목적이며, 유성기어 장치를 이용하고 유압밸브에서 입력 샤프트(1)의 미터링(metering) 가공 및 슬리브(sleeve)를 제거하고, 유성기어 장치를 그대로 적용하므로 가공비를 절약하고 특수장비 설치를 최대한으로 배제시킬 수 있는 장점이 있다.

상술한 내용을 종래기술과 대비하여 부언하여 설명하면 다음과 같다.

즉, 도시한 바와 같이 유성기어(3)(7)에 이한 토션 바(4) 비틀림에 대한 변위산출은 입력 샤프트에 일력 토크가 부하되면, 피니언 샤프트(2)는 랙으로부터 추력이 발생한다. 이때, 입력 샤프트(1)에 조립된 유성기어 세트(3a)와 피니언 샤프트(2)에 조립된 유성기어 세트(3b)는 상호간에 위상차를 발생시켜 토션 바(4)에 비틀림이 발생한다. 이러한 현상이 발생하기 위해서 링 기어(5a)는 하우징에 고정되어 있고 다른 링 기어(5b)는 랙 기어(6)와 자유롭게 고정되어 위상차가 발생하게 되면 상,하의 유성기어(7a)(7b)는 태양 기어(sun gear; 8)에 동시에 맞물려 있으므로 하부의 유성기어(7b)는 태양기어(8)의 회전을 중지시키므로 상부의 유성기어(7a)는 태양기어(8)로 자전으로 굴러가게 된다. 이때, 상 방향 링 기어(5b)는 자유로이 맞물려 있으므로 유성기어(7a) 레버에 의해 위상차 만큼 회전하게 된다. 이때의 회전변위를 랙(6)에 전달하여 센서(11)의 전류값으로 변환시켜 ECU(20)에 입력하면, 이는 다시 ECU(20)의 파워 모듈을 통해 모터(22)의 회전력을 결정한다. 도 2에서 부재번호 21은 모터(22)의 포지션 센서이고, 23은 차속센서, 24는 볼 너트/볼 스크류이다.

상기한 센서(11)는 도 6에 도시한 바와 같이 센서 자체의 스프링(17)과 중립 위치를 유지할 수 있는 반력 스프링(13)과 시트(12)에 의하여 지지되어 있고, 랙 기어(6)는 부시(14)에 의해 지지되어 있다.

종래기술에 의하면, 상기한 바와 같은 변위 검출을 레버로 센서에 전달하고 있으며, 이러한 방식은 레버의 회전운동으로 센서의 스트로크 운동을 효과적으로 제어하기가 힘들고 가공 또한 정밀하지 않으면 안되므로 불편한 점이 많다. 그러나, 본 발명은 변위검출 장치를 랙 기어를 이용한 방법과 기존 유압밸브에서 슬리브만 제거하여 유성 기어세트를 이용한 방법, 태양기어 회전력을 입력축 입력 샤프트가 아닌 피니언 샤프트에서 회전하게 되므로 조립의 용이성이 달성된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 자동차 조향시스템의 토크 검출장치는, 유성기어(Planetary Gear)를 이용하여 스티어링 휠을 조타시 타이어에 부하되는 조타 토크를 기계식, 즉 링 기어의 회전변위를 직선변위로 바꿀 수 있는 랙 기어를 이용하여 검출함으로써 장치의 내구성 및 신뢰성을 확보토록 함과 동시에 장치의 단순화를 달성하고 확실한 변위차를 얻을 수 있도록 하는 이점을 제공한다.

한편, 상술한 바와 같은 본 발명 자동차 조향시스템의 토크 검출장치는 상기 실시예에 한정되지 않고 본원 발명의 정신과 범위를 이탈하지 아니하고 많은 제조변형을 가하여 실시할 수 있음은 물론이다.

Claims (3)

1. 유성기어와 레버가 입력 샤프트와 피니언에 조립되어 있는 파워 스티어링의 피니언 단체 조립물을 구비하여 된 자동차 조향 시스템의 토크 검출장치에 있어서,

   상기 입력 샤프트는 회전상태로 이 입력 샤프트에 조립된 태양기어와 동시에 맞물리며, 그 외측은 각각의 링 기어와 맞물리게 된 2조의 유성 기어로 되며,

   상기 링 기어의 회전 변위를 직선 변위로 하는 랙(rack)을 포함하여 된 것을 특징으로 하는 자동차 조향 시스템의 토크 검출장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 랙에서 부하되는 힘이 없을 경우는 상기 입력 샤프트와 피니언은 위상차 없이 동일하게 회전하고, 이때 상기 2조의 유성기어는 상기 링 기어의 회전없이 동일한 회전운동을 하도록 된 것을 특징으로 하는 자동차 조향 시스템의 토크 검출장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 랙에 힘이 걸리면 상기 피니언에 조립된 유성기어와 입력 샤프트에는 위상차가 발생하며, 이때 순간적으로 상기 피니언에 조립된 유성기어는 외부에 맞물려 있는 상기 링 기어가 하우징에 고정되어 있으므로 상기 태양기어를 고착시키게 되고 상기 입력 샤프트에 조립된 또 하나의 유성기어는 상기 태양기어에 미리 고착되어 있으므로 힘에 의해 발생한 위상차 만큼 태양기어 위를 굴러가는 현상이 발생하도록 된 것을 특징으로 하는 자동차 조향 시스템의 토크 검출장치.