KR20010029675A - 유압식 자동 또는 고속 스티어링 시스템 - Google Patents

Abstract

내부 유체 흐름에 응답하여 컨트롤러 밸브 장치(87, 89)로 추종 운동을 제공하는 유체 미터(65)를 갖는 유체 컨트롤러(21)를 포함하는 완전 유체-연결 스티어링 시스템, 특히 고속도로상 스티어링용 시스템을 공개한다. 상기 컨트롤러(21)는, 스티어링 휠(W) 회전과 동시에, 상기 밸브 장치의 상대 변위 없이도 상기 스티어링 액츄에이터(19)로 유체를 연통시킴으로써, 운전자로 하여금 소정의 도로 감각을 느끼도록 하는 충분한 토오크를 제공하는 센터링 또는 바이어싱 스프링 어셈블리(75)를 포함한다. 시스템은 또한, 적절한 입력 신호(113, 115)에 응답하여 상기 액츄에이터(19)로부터의 흐름을 컨트롤함으로써 스티어링 휠에 대한 피스티어링 휠의 정합 상태를 유지하는 EHC 밸브 어셈블리(23)를 포함한다.

Description

유압식 자동 또는 고속 스티어링 시스템{HYDROSTATIC AUTOMOTIVE OR HIGH SPEED STEERING SYSTEM}

본 발명은 유압식 차량 파워 스티어링(power steering) 시스템, 더욱 상세하게는, "고속도로용" 차량에 한정되는 것은 아니고, 30 mph를 초과하는 속도로 주행하는 고속 트랙터는 물론, 승용차 및 경트럭 등 통상 비교적 고속으로 주행하는 차량용의 시스템에 관한 것이다. 간단히, 상기 두가지 형태의 차량을 이하 "고속도로용(on-highway)"과 "고속용(high speed)"이라는 용어에 모두 포함되는 것으로 한다.

전형적으로, 차량용 파워 스티어링 시스템은 그 차량의 용도에 따라 두가지 일반적 형태를 취하게 된다. 전통적 고속도로용 차량은, 유압력의 지원을 받는 구조의 기계식 스티어링 기어(예컨대, 랙 및 피니언)를 이용하고 있다. 이러한 시스템 형태에 있어서는, 스티어링 휠(steering wheel)과 피스티어링 휠(steered wheel) 사이에 기계식 연결(linkage)이 있음으로써, 유압력이 상실되는 경우, 운전자는 여전히 당해 차량의 조향을 잡아나갈 수 있다. "비고속도로용" 차량은, 스티어링 휠의 회전에 의해 스티어링 컨트롤 유닛("SCU")이 작동되는 구조의 완전 유체 연결식 스티어링 시스템("유체-연결 시스템(fluid-linked system)")을 이용해왔다. 실제에 있어서, 상기 컨트롤 유닛의 작동은, 펌프로부터 SCU를 거쳐 스티어링 실린더 또는 기타의 적정 장치로 향하는 고압 유체의 흐름에 대한 밸브 제어(valve controlling)이다. SCU는 통상, 밸브 장치에 추종 운동(follow-up movement)을 가함으로써, 소정량의 유체가 스티어링 실린더로 흐른 후에는 밸브 장치를 중립 위치로 복귀시키는 유체 미터(fluid meter)를 포함한다.

최근에는, 차량 스티어링 기술 분야의 당업자들이, 유압을 쓰지 않는 혼성 기계-전기식 시스템을 제안한 바 있는데, 그에 있어서는, 상기 스티어링 휠 및 피스티어링 휠 사이에 통상의 기계식 연결이 있기는 하나, 전기 모터의 지원을 받는 구조의 기계식 입력부로 되어 있다. 상기 제안된 바의 시스템은, 스티어링 휠 위치 및 토오크 등의 입력 파라미터를 감지하기 위하여 각종 센서를 포함하는 것이 보통인데, 이들 입력값은 차량 마이크로 프로세서로 보내져 적절한 전기 신호를 발생시킴으로써 상기 전기 모터를 구동하게 된다.

상기 기계식 스티어링 기어형 시스템은, 유압 지원식이건 또는 전기 지원식이건간에, 몇가지 결점을 갖게 된다. 통상의 기계식 스티어링 기어 시스템에 있어서는, 스티어링 휠로부터 스티어링 기어로 연장된 견고성 스티어링 칼럼(steering column)을 갖고 있다. 전방 충돌의 경우, 스티어링 칼럼은, 불행하게도, 정면이면서 또한 거의 직각을 이루므로, 격벽을 뚫고 운전자를 향해 진입하게 된다. 따라서, 적어도 스티어링 칼럼으로 인한 운전자 부상을 방지하고자, 스티어링 칼럼을 절첩식으로 하기 위한 복잡하고 값비싼 대책이 필수적이다. 덧붙여, 엔진실내 상기 스티어링 휠의 존재는, 엔진 및 그 부속장치들의 배치와 관련하여 차량 설계자에게 실질적 골치거리로 작용하게 된다. 당업자들이 주지하는 바와 같이, 설계자는 스티어링 휠 위치, 또는 상기 기계식 스티어링 기어 위치에 관한 한 선택의 여지가 거의 없으므로, 스티어링 휠과 스티어링 기어 사이에 상기 스티어링 칼럼을 위한 직선형의 넓은 "통로"를 필수적으로 유지하게 된다.

통상의 기계식 스티어링 기어형 시스템이 갖는 또 다른 결점은 근래 더욱 분명해진다. 많은 승용차 및 경트럭 시장이 자연히 보다 "글로벌(global)"화됨에 따라, 차량 제조업자에게 있어서는, 특정 모델에 대해 "왼손잡이 운전자"형과 "오른손잡이 운전자"형을 동시에 공급해야 할 필요성이 대두되었다. 보통의 왼손잡이 운전자형 차량을 오른손잡이 운전자형으로, 또는 그 반대로 전환하고자 하는, 스티어링 시스템에 있어서의 효율적 반전(reverse) 필요성은, 스티어링 시스템 부품들(예컨대, 랙 및 피니언 어셈블리)을, 목록상으로는 서로 상이한 품번을 갖는 개념하에서 이중으로 만들도록 한 바, 이들 부품은 실질적으로 동일하나 서로 반대 형상으로 되어 있다. 왼손잡이 및 오른손잡이 운전자 사이의 차이는 또한, 스티어링 칼럼을 보통의 왼손잡이 위치로부터 엔진 반대쪽으로 두기 위하여, 엔진실내에 있어서의 주요 재배치를 가져오게 될 것이다. 이는 횡형 엔진 차량의 경우 특히 어려운 재배치일 수도 있다.

전통적으로 비고속도로용 차량에 사용되어 왔던 완전 유체-연결형 시스템을 이용함으로써 시스템 레이아웃(layout) 측면에서의 보다 큰 시스템 유동성(flexibility)을 얻을 수 있다. 다시 말하자면, 유체-연결 시스템의 각 부품을 왼손잡이 또는 오른손잡이 운전자용 어느쪽으로도 사용할 수 있고, 또한 상기 SCU 및 액츄에이터 사이의 유일 연결 수단이 호스(hoses)이므로, 상기 엔진실 배치 작업을 단순화하게 된다. 그러나, 그러한 시스템이 갖는 몇가지 통상적 특징들은 상기 유체-연결 시스템을 외관상 고속도로 차량용으로는 부적절하게 만든다. 첫째, 유체-연결 시스템은 전형적으로 불충분한 "부하 반응(load reaction)" 또는 도로 감각(road feel)을 지니며, 이는 운전자 허용 한도를 넘을 정도이다, 둘째, 일반적으로 과도한 "중립 데드 영역(neutral daed band)"을 가짐으로써, 비교적 고속에서의 스티어링 제어가 허용되지 않는다. 셋째, 스티어링 휠과 피스티어링 휠 사이의 "정합(registry)", 즉 위치 상관관계가 통상 고속도로 운전자를 만족시킬 정도로 충분하게 유지되지 않으며, 특히, 주행 종료시에는 더욱 그러하다.

따라서, 본 발명의 목적은, 상기 스티어링 휠과 스티어링 기어를 연결하는 다소 견고성의 스티어링 칼럼을 필요로 하는 등의 종래 기계식 스티어링 기어형 시스템이 갖는 상기 문제점을 극복할 수 있는, 고속도로용 또는 비고속도로용 고속 차량에 적합한 스티어링 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 불충분한 도로 감각 및 과도한 주행-한계 슬립(travel-limit slip) 등 앞서 언급한 바의 종래 기술의 유압 연결 시스템의 문제점을 극복하는 동시에, 소정의 시스템 유동성을 얻을 수 있는 완전 유체-연결 유압식 파워 스티어링 시스템을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 유압식 파워 스티어링 시스템의 유압 계통도.

도 2는 상기 도 1에 있어서의 파워 스티어링 컨트롤 유닛만을 나타낸 부분 확대 유압 계통도.

도 3은 상기 도 2에 개략적으로 나타낸 스티어링 컨트롤 유닛의 축방향 단면도.

도 3a는 상기 도 3의 3A-3A선을 따라 취한 확대 종단면도이나, 하우징을 제외한 스풀, 슬리브, 및 스프링 어셈블리만을 나타내며,

도 4는 본 발명의 일실시예의 경우를 종래와 비교하여, 스티어링 휠을 돌리는데 필요한 속도(rpm) 함수로서의 토오크(인치 파운드)를 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명의 일실시예의 경우를 종래의 유압식 파워 스티어링 시스템과 비교하여, 스티어링 휠을 돌리는 데 필요한 출력 토오크(피트 파운드) 함수로서의 입력 토오크(인치 파운드)를 나타낸 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 유체 펌프 19 : 액츄에이터

21 : SCU 25 : ECU

37 : 출력축 65 : 유체 미터

75 : 스프링 어셈블리 87 : 회전 밸브 부재

89 : 추종 밸브 부재 99 : 구동축

본 발명의 상기 목적 및 기타 목적들은, 스티어링 부재에의 수동 입력에 응답하여 한쌍의 피스티어링 힐에 대해 입력 운동이 가해지도록 된 개선형 완전 유체-연결 스티어링 시스템을 제공함으로써 이루어진다. 스티어링 시스템은 고압 유체원과, 유체 컨트롤러와, 한쌍의 피스티어링 휠과 연동하도록 구성됨에 따라 스티어링 부재에의 입력에 응답하여 상기 입력 운동을 가하게 되는 유압 작동식 액츄에이터를 포함하여 구성된다. 상기 유체 컨트롤러는, 고압 유체원과 유체 연통 상태인 입구 포트(inlet port), 및 상기 액츄에이터와 유체 연통 상태인 컨트롤 포트가 형성된 하우징 수단을 포함한다. 유체 컨트롤러는 또한, 통과중인 유체 흐름을 측정하도록 된 가동 부재를 갖는 유체 미터와, 주 회전 밸브 부재 및 그와 연동하는 상대 회전형 추종 밸브 부재를 구비한 밸브 수단을 포함한다. 또한, 유체 컨트롤러는, 상기 주 및 추종 밸브 부재들을 상호간 중립 위치로 바이어스(bias)시키는 수단과, 상기 유체 미터내 가동 부재의 운동을 추종 밸브 부재의 추종 운동으로 전환하는 수단을 포함하고 있다.

상기 개선형 스티어링 시스템은, 스티어링 부재에 대한, 소정의 도로 감각에 상응하는 토오크 레벨(torque level)(X)까지의 수동 입력이, 상기 주 및 추종 밸브 부재간 상대적 변위 없이 유체 미터내 가동 부재의 해당 바이어스를 가져오도록 된 바이어싱(biasing) 수단에 특징이 있다. 스티어링 시스템은, 상기 고압 유체원과 유체 연통 상태인 입구, 및 상기 액츄에이터와 유체 연통 상태인 출구를 가지며, 외부 입력 신호에 응답하여 운동함으로써 상기 입구로부터 출구로의 유체 연통을 이룰 수 있는 밸브 구조를 갖는 밸브 수단을 또한 포함하여 구성된다. 스티어링 시스템은 또한, 스티어링 부재에 대한 입력 신호를 감지하고, 그에 응답하여 외부 입력 신호를 발생시킴으로써, 상기 주 및 추종 밸브 부재 사이의 상대 변위가 발생하기 전이라도 상기 액츄에이터로 고압 유체가 연통되도록 하는 수단을 포함하고 있다.

도면을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따른 유압식 파워 스티어링 시스템의 유압 계통도이다. 스티어링 시스템은, 시스템 저장실(R)로 연결된 입구를 갖는 유체 펌프(11)를 포함한다. 펌프(11)의 출구는 도관(13)에 의하여, 미합중국 특허 제3,455,210호에 개시된 형태의 부하 감지 우선 흐름(load sensing priority flow) 컨트롤 밸브(15)의 입구와 연통되어 있다. 상기 유체 펌프(11)의 출력 압력은 압력 릴리프 밸브(17)에 의한 제한을 받음으로써, 소정의 최대치를 초과하는 어떠한 압력도 상기 시스템 저장실(R)로 연결된다.

상기 유압식 파워 스티어링 시스템의 나머지 부분은, 액츄에이터(19); 참조부호(21)로 표기된, 스티어링 컨트롤 유닛(SCU)이라고도 하는 유체 컨트롤러(상세 구조는 도 2에 나타내며, 도 1에 있어서는 설명 편의상 그렇게 하지 않음); 참조부호(23)으로 나타낸 전기유압 제어(electrohydraulic control, EHC) 밸브 어셈블리; 및 참조부호(25)로 나타낸 차량 마이크로 프로세서(ECU)를 포함하는 다수의 서브 시스템들로 구성된 것으로 보면 된다.

부하 감지 컨트롤 기술 분야의 당업자들이 주지하는 바와 같이, 상기 우선 밸브(15)는, 도관(27)에 연결된 "CF"(컨트롤된 또는 우선 흐름) 출구와, 도관(29)에 연결된 "EF"(과잉 흐름) 출구를 갖는다. 도관(27)은, 도 1에 있어서, SCU(21) 및 EHC 밸브 어셈블리(23) 양측의 입구를 포함하는 도관(31)으로 이어지는 것으로 나타낸다. 도관(29)은, 시스템 저장실(R)로의 배출로가 되는 도관(35)과 연결된 도관((33)에 이어지는 것으로 도 1에 나타나 있다.

일예로서의 용도만을 갖는 주 실시예에 있어서, 액츄에이터(19)는, 드래그 링크(drag link) 또는 피트만 암(Pitman arm) 등에 의해 통상 기계적으로 연결되어 한쌍의 피스티어링 휠(도시하지 않음)에 실제 기계적 입력을 제공하도록 된 출력축(37) 또는 다른 적정 로타리 출력 부재를 갖는 모터(즉, 로타리 액츄에이터)로 나타낸다. 당업자라면, 상기 특정 형태의 액츄에이터(19), 및 피스티어링 휠에 대해 스티어링 입력을 가하는 방식 등은 본 발명의 본질적 특징이 아님을 알 것이다. 액츄에이터(19) 양측에는 도관(39, 41)이 연결된 바, 도관(39)내에는 차량의 우향 선회를 일으키는 고압 유체가 들어 있고, 도관(41)에는 차량의 좌향 선회를 일으키는 고압 유체가 들어 있다.

도관(31)과 유체 연통 상태이며 통상 SCU(21)에 장착된, 참조부호(43)의 2-포지션(position) 2-웨이(way) 솔레노이드 밸브가 있으며, 그 출구는, 도관(45)에 의해 상기 SCU(21)의 입구 포트(47)(도 2 참조)에 연결된다. 도관(49)이 상기 도관(33)과 연통 상태를 이루며, 이어서 도관(35)을 통해 시스템 저장실(R)로 이어져 있다. 도관(49)에는 또한 상기 SCU(21)의 복귀 포트(51)(도 2 참조)가 연결되어 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 도관(31)은, 일예를 나타낼 뿐인 주 실시예에 있어서는 한쌍의 동일한 비례(proportional) 솔레노이드(EHC) 밸브(53, 55)로 이루어진 EHC 밸브 어셈블리(23)의 입력부 역할도 한다. 상기 밸브(53, 55)는 또한 단일 3-포지션, 3-웨이 밸브로 대체할 수도 있다. EHC 밸브(53)는 도관(57)에 의해 상기 도관(39)으로 연결된 출구 포트를 갖는 한편, EHC 밸브(55)의 출구 포트는 도관(59) 및 도관(61)을 통해 도관(41)으로 연결된다. 이하, 밸브(53, 55)의 "출구" 또는 "출구 포트"는 참조부호(57, 59)의 도관을 각각 의미하게 된다. 본 발명의 본질적 특징은 아니지만, 상기 스티어링 시스템은, 본 출원인에게 양도되고 여기서 참고문헌으로 인용되는, 1998년 2월 23일 "HYDROSTATIC POWER STEERING SYSTEM HAVING REDUCED WHEEL SLIP"이라는 제목하에 David W. Thomas; David E. Ewel; Timothy A. Hjelsand; Jerry F. Carlin; 및 Russell P. Schuchmann의 이름으로 출원되어 현재 출원 계속중인 09/028,218호의 출원 내용에 따라 제작해도 무방하다.

도 2를 주로 참조하면, SCU(21)는 스티어링 휠(W) 등의 스티어링 입력 장치에 의해 작동되어, 입력 포트(47)로부터 상기 액츄에이터(19)로의 유체 흐름을, SCU 기술 분야에 있어 잘 알려진 방식대로 컨트롤한다. 본 발명은, 특별히 언급하는 경우를 제외하고는, 어떤 특정 형식 및 형상의 SCU에 국한되지 않음을 주목해야 한다. 상기 SCU(21)는 참조부호(63)의 밸브 장치, 및 유체 미터(65)를 포함한다. 스티어링 기술 분야의 당업자들이 주지하는 바와 같이, 유체 미터(65)의 한가지 기능은, SCU(21)를 통과하는 유체 흐름을 "측정"하고, 소정량의 유체가 액츄에이터(19)로 연결된 후에는, 밸브 장치(63)에 추종 운동을 가해 그 중립 위치(도 1 및 도 2에 있어서의 중앙 위치)로 복귀시키는 것이다. 바람직하게는, 상기 SCU(21)는, "부하 반응" 능력을 가짐으로써, 도2에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 밸브 장치(63)가 중립 위치일 때 상기 도관(39, 41)은 밸브 장치(63)를 통해 유체 미터(65)의 양측과 거의 무제한적 유체 연통 상태를 이루게 되는 형식이다. 결과적으로, 역시 당업자들이 주지하듯이, 피스티어링 휠에 가해져 상기 출력축(37)에 작용하는 외력들은 도관(39, 41)중 어느 하나에 대해 유압 부하를 가하게 될 것이며(작용 하중의 방향에 의존함), 이는 또한 상기 유체 미터(65)에 대해 유압적으로 부하를 가하게 된다. 이 부하는, 스티어링 휠을 통해 운전자에게 감지되며, 앞서의 배경 기술 부분에서 언급한 바와 같이, 본 발명이 관계된 고속도로용 및 고속 차량용 파워 스티어링 시스템에 있어 바람직한 "도로 감각"의 개념을 형성하게 된다.

도 2에 있어서, 일련의 유로들은 체크 밸브들, 더욱 구체적으로는, 앤티-캐비테이션(anti-cavitation) 체크 밸브들을 포함할 수도 있다. 즉, 상기 SCU(21)는, 바람직하게는, 본 출원인에게 양도된 "FLUID CONTROLLER AND IMPROVED CHECK VALVE ARRANGEMENT THEREFOR"라는 명칭의 미합중국 특허 제5,101,860호의 내용에 따라 제작해도 무방하다.

역시 도 2에 따르면, SCU(21)는 상기 도관(39, 41)으로 각각 연결된 한쌍의 컨트롤 유체 포트(67, 69)를 포함한다. 상기 SCU(21)는 또한, 후술하겠거니와, 부하 신호(73)의 연통 수단이 되는 부하 신호 포트(71)를 포함하고 있다. 최종적으로, 도 2에 있어서는, 상기 SCU 밸브 장치(63)가 바이어싱 스프링 어셈블리(75)에 의해 도 2상의 중립 위치쪽으로 바이어스됨을 이해할 필요가 있다. 바이어싱 스프링 어셈블리(75)는 도면상 2개의 별도 바이어싱 수단으로 나타나 있으나, 당업자들이 주지하는 바와 같이, 상기 어셈블리(75)는, 밸브 장치(63)를 우향 선회 상태(R) 또는 좌향 선회 상태(L) 중 어느 하나로부터 중립(중앙) 위치로 복귀시키는 작용을 하는 단일 스프링 어셈블리로 이루어져 있다. 도 3a에 상세히 나타낸 바이어싱 스프링 어셈블리(75)에 관해서는 이어 상세히 설명한다.

도 3을 참조하여, 간단히 상기 미합중국 특허 제5,101,860호의 관점에서 SCU(21)를 설명한다. SCU(21)는, 역시 본 출원인에게 양도되고 여기서 참고문헌으로 인용되는 미합중국 특허 제4,109,679호에 개시된 바에 따라 제작해도 무방하다. SCU(21)는 하우징 섹션(77), 포트 판(79), 상기 유체 미터(65)를 포함하는 섹션, 및 선단 판(81)을 포함하는 몇개의 섹션으로 구성된다. 이들 섹션은, 다수의 볼트(83)(도 3에 그 머리 부분만을 나타냄)에 의해 씰링 유지(tight sealing) 상태로 결합되어 있다. 상기 하우징 섹션(77)에는 전형적으로 앞서 언급된 모든 유체 통로들이 형성된 바, 도 3의 평면상으로는 상기 제어 유체 포트(67, 69)만이 나타나 있다.

하우징 섹션(77)에는 또한 밸브 구멍(85)이 형성되며, 도 2 및 도 3에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 그 내부에는, 주 회전 밸브 부재(87)("스풀"), 및 그와 연동하는 상대회전 추종 밸브 부재(89)("슬리브")를 포함하는 밸브 장치(63)가 회전 가능 상태로 배치되어 있다. 당업자들이 주지하듯이, 상기 스풀(87)의 전방 선단(도 3의 좌측단)은, 스티어링 휠(W)과 스풀(87) 사이의 직접적인 기계적 연결을 제공하는, 일련의 내부 스플라인(91)이 형성된 감소 직경부를 포함한다.

상기 유체 미터(65)는 당해 기술 분야에서 널리 알려진 형식이라도 무방하며, 또한 내부 나사 형성된 정지 링(93), 및 외부 나사 형성된 가동 스타(star)(95)를 포함하고 있다. 스타(95)에는 일련의 내부 스플라인(97)이 형성된 바, 이들 스플라인과는, 구동축(99)(역시 도 2 및 도 3에 개략적으로 나타냄)의 후단에 형성된 일련의 외부 스플라인(98)이 스플라인 맞물림되어 있다. 상기 구동축(99)은, 핀(101)과 맞물린 전단부를 갖는다. SCU 기술 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 스타(95)의 궤도 및 회전 운동은 구동축(99) 및 핀(101)에 의해 상기 슬리브(89)의 회전 추종 운동으로 전환된다. 이러한 추종 구조가 갖는 하나의 기능은, 스티어링 휠(W)의 회전 속도에 비례하는 특정의 상대 변위를 스풀(87)과 슬리브(89) 사이에 유지하는 것이며, 이는 또한 스티어링 휠(W)에 가해진 토오크의 기능이기도 하다. 상기 축(99) 및 핀(101) 전방으로는 앞서 언급한 바의 바이어싱 스프링 어셈블리(75)가 배치된다. 도시된 바이어싱 스프링 어셈블리(75)는 종래의 통상적 형상 및 구조라도 무방하며, 그러한 사항들은 본 발명의 필수적 특징은 아니다. 대신, 후술하겠거니와, 상기 어셈블리(75)에 관해 중요한 것은, 종래 기술에 있어서의 전형적 유체 컨트롤러의 경우에 비해 실질적으로 더욱 큰 탄발력을 얻는다는 것이다.

도 1을 다시 참조하여 상기 시스템의 또 다른 실시예를 설명한다. 상기 스티어링 휠(W)(스티어링 칼럼중 어떤 부위 등)에는, 순간적 스티어링 휠 위치를 나타내는 신호(105)를 ECU(25)로 전송하는 스티어링 휠 위치 센서(103)가 장치되어 작동한다. 마찬가지로, 상기 피스티어링 휠 또는 출력축(37), 또는 스티어링 연결부의 어떤 다른 부분에는 피스티어링 휠 위치 센서(107)가 장치되어, 순간적 피스티어링 휠 위치를 나타내는 신호(109)를 ECU(25)로 전송한다. ECU(25)의 출력신호로서는, 상기 솔레노이드 밸브(43)의 위치를 컨트롤하는 on/off 명령신호, 및 상기 EHC 밸브(53, 55)를 각각 컨트롤하는 한쌍의 비례 명령신호(113, 115)가 있다.

상기 스티어링 시스템은 한쌍의 셔틀(shuttle) 밸브(117, 119)를 또한 포함한다. 셔틀 밸브(117)는 EHC 밸브(53, 55)로부터의 두개 부하 신호중 큰 값을 부하 신호(121)로 하는 바, 이 신호는 셔틀 밸브(119)에 대한 입력 신호들중 하나이며, 다른 하나는 상기 SCU(21)로부터의 부하 신호(73)이다. 셔틀 밸브(119)의 출력은, 상기 부하 신호(73, 121)중 큰 값인 부하 신호(123)이다. 부하 신호(123)는, 당해 기술 분야에 잘 알려진 바의 방식으로, 상기 부하 감지 선행 밸브(15)내 부하 신호 챔버(chamber)로 역전송된다. 즉, 도관(27)에 있어 밸브(15)의 출력 유체압은, 전체 스티어링 시스템내에서 감지되는 최고 부하 신호에 해당한다.

도 1 내지 도 3과 연관지어 도 4를 참조로, 본 발명에 있어 중요한 의미를 갖는 실시예를 설명한다. 도 1을 통해 설명한 바의 종래 전형적 형식의, 비고속도로용 차량을 위한 완전 유체-연결 스티어링 시스템에 있어서, 상기 바이어싱 스프링 어셈블리(75)는, 도 4에서 "종래 기술"이라 표시된 그래프와 같이 작동하도록 통상 설계된다. 그러한 경우, SCU 분야의 당업자들이 주지하는 바와 같이, 스티어링 휠(W)에 대해 비교적 작은 토오크(예컨대, 15 인치 파운드)를 가함으로써 상기 스풀 및 슬리브를 상대적으로 변위, 즉 상기 밸브 장치(63)를 스티어링 휠 회전 방향에 따라 도1 및 도2의 중립 위치로부터 우향 선회 상태(R) 또는 좌향 선회 상태(L)중의 어느 한쪽으로 이동시킬 수 있게 된다. 스풀 및 슬리브가 충분한 각도만큼 상대 변위를 일으키고 나면, 다양한 흐름 컨트롤 오리피스(도2에 개략적으로 나타낸 A1 오리피스 등)가 열리기 시작하여 상기 입구 포트(47)로부터의 고압 유체를, 통상의 방식대로, 유체 미터(65)를 지나 상기 컨트롤 유체 포트(67 또는 69)중의 하나로 연통시킨다. 앞서의 "배경 기술" 부분에서 언급한 바 있듯이, 종래의 전형적 완전 유체-연결 스티어링 시스템은, 상기 부하 반응 형태라 해도, 허용 가능한 고속도로 차량용 스티어링 시스템에 적합한 도로 감각 형식을 제공하지 못한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 바이어싱 스프링 어셈블리(75)는 도 4의 "본 발명"이라 표시된 그래프의 특성을 나타냄으로써, 시스템의 소정 도로 감각에 전반적으로 상응한다. 즉, 일예를 들자면, 비교적 낮은 스티어링 휠 회전 속도하에서도, 상기 스프링 어셈블리(75)는 약 20 인치 파운드 내지 40 인치 파운드 범위, 바람직하게는 약 25 내지 30 인치 파운드 범위내의 센터링(centering) 토오크를 제공하게 된다. 특허청구범위를 포함한 본 명세서상에서의 기준은, 스티어링 휠이 어떤 실질적 속도로 회전하는 경우가 아니라, 스티어링 휠에 대해 본질적으로 0 rpm이 가해진 경우임을 주목할 필요가 있다. 상기 센터링 스프링들을 소정의 도로 감각에 상응하도록 선택하는 것에 관해서는, 이하의 설명을 통해 충분히 이해할 것이다. 이는 유체 컨트롤러 및 스프링 어셈블리 기술 분야의 당업자들이 명백히 이해할 수 있는 범위내로서, 소정의 바이어싱 토오크 상관관계를 갖는 스프링 어셈블리(75)를 얻게 될 것이다.

다시 도 1을 주로 참조하면, 차량 운전자가 스티어링 휠(W)을 회전시키기 시작하는 경우, 상기 위치 센서(103, 107)는, 스티어링 휠 및 피스티어링 휠 위치 사이에 "에러(error)"가 존재함을 나타내는 신호(105, 109)를 ECU(25)로 각각 전송할 것이다. 처음에는, ECU가 상기 밸브(43)에 대해 명령 신호를 전송하지 않음(111)으로써, 밸브(43)는 도 1의 위치, 즉 상기 도관(31)을 통해 도관(45)으로 무제한적 흐름을 제공하는 위치로 스프링력을 받게 된다. 동시에, 우향 선회를 위해 스티어링 휠(W)이 시계 방향으로 회전되어 있다고 하면, ECU(25)는 상기 EHC 밸브(53)로는 적정 신호(113)를 전송하지만, EHC 밸브(55)로는 신호를 보내지 않는다(115). 즉, 상기 도관(31)으로부터 EHC 밸브(55)를 거쳐 도관(57)으로, 그리고 도관(39)으로 고압 유체가 연통됨에 따라, 상기 엑츄에이터(19)는 회전을 시작하여 출력축(37)을 움직임으로써, 상기 스풀(87) 및 슬리브(89) 사이에 상대 변위 있기 전이라도 스티어링이 이루어지게 한다. 이는, 중립 데드 영역이 실질적으로 0이라는 결과에 이르는 바, 스티어링 휠(W)이 움직임과 동시에 엑츄에이터(19)로의 유체 흐름이 있음을 의미한다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명이 갖는 하나의 중요한 개념은, 소정의 도로 감각에 대략 상응하는 센터링 토오크를 갖는 스프링 어셈블리(75)를 구비한 점이다. 즉, 차량 운전자가 스티어링 휠(W)을 선회시킴과 동시에, 유체 미터(65)로부터 도관(39)을 거쳐 유체가 "펌핑"됨에 따라, 액츄에이터(19)가 회전하기 시작하여 상기 출력축(37)을 움직임으로써, 스풀(87) 및 슬리브(89) 사이에 상대 변위 있기 전이라도 스티어링이 이루어진다. 먼저 상기 유체 미터(65)로부터 액츄에이터(19)로 유체가 연통되느냐, 또는 상기 EHC 밸브 어셈블리(23)로부터 액츄에이터(19)로 먼저 연통되느냐 하는 것은 본 발명의 본질은 아니다. 상업적으로 허용 가능한 시스템에 있어서, 유체 미터(65) 및 EHC 밸브 어셈블리(23)로부터의 유체 흐름은 거의 동시에 일어나, 실질적으로 중립 데드 영역이 0이 되기에 충분할 정도로 신속히 이루어진다.

앞서 언급한 바와 같이, 도관(39)내의 고압 유체는 상기 액츄에이터(19)로 연통됨으로써, 상기 에러 신호를 "0"으로 하기 위해 출력축(37)을 회전시키기 시작한다. 동시에, 도관(39)내 압력은, 상기 SCU(21)가 부하 반응 형식이고, 상기 밸브 장치(63)가 이 시점에 있어서는 아직 중립 위치이기 때문에, 유체 미터(65)의 우측으로 역작용하게 된다. 도관(39)으로부터 상기 유체 미터(65)로 연통된 압력은, 상기 스타(95)의 통상적 궤도 및 회전 운동에 저항하면서 "후방" 탄발력을 가하게 된다. 따라서, 상기 바이어싱 스프링 어셈블리(75)의 토오크와 도관(39)내 압력의 영향은 함께, 스티어링 휠(W) 회전중 차량 운전자에 의해 감지되는 상기 도로 감각을 형성하게 된다.

본 발명의 스티어링 시스템이 계속 작동하는 동안, 상기 스티어링 휠 위치 신호(105)와 피스티어링 휠 위치 신호(109) 사이에 불일치가 발생할 때마다, ECU(25)로부터 EHC 밸브 어셈블리(23)로 명령신호를 보내 그 에러를 교정한다. 예컨대, 스티어링 휠(W)이 우향 선회를 위해 여전히 시계 방향으로 회전하고 있다고 하면, 상기 피스티어링 휠이 소정의 위치 뒤로 뒤처짐을 의미하는 에러를 상기 ECU(25)가 감지할 경우, EHC 밸브(53)로 명령신호가 보내짐으로써, 상기 SCU(21)로부터 액츄에이터(19)로 연통중인 유체에 대한 지원으로서의, 도관(31)으로부터 EHC 밸브(53)를 거쳐 상기 도관(57) 및 그에 이은 도관(39)으로의 유체 흐름을 가져오게 될 것이다. 즉, ECU(25)에 있어 에러 신호가 소멸되면, 피스티어링 휠 사이에, 통상의 스티어링시 및 주행 한계, 즉 상기 피스티어링 휠 정지시에 있어 스티어링 휠 및 피스티어링 휠간에 확실히 "정합(registry)"이 이루어짐을 보장하게 된다.

도 5를 주로 참조하면, 본 발명과 전형적 유압 파워 스티어링 사이의 차이점을 더욱 명확히 알 수 있다. 양쪽 시스템 모두 0 위치로부터 시작하여, 스티어링 휠에 대한 입력 토오크가 12 인치 파운드[상기 센터링 스프링의 초기 하중(preload)]에 이를 때까지 거의 수직으로 상승하며, 그 수직선이 이루는 각도는 상기 유체 미터(65) 크기의 함수이다. 즉, 양쪽의 미터 크기를 동일한 것으로 하여 본 발명 및 종래 기술을 비교한다. 종래 기술의 시스템에 있어서, 상기 12 인치 파운드점으로부터 우측으로 연장되는 기울기는 상기 SCU 센터링 스프링의 스프링 상수에 의해 결정된다. 여기서 주목할 점은, 예컨대 도로에 의해 약 60 피트 파운드의 반력이 가해진다면, 종래 기술의 경우 운전자는 결코 약 13 인치 파운드 이상을 감지할 수 없을 것이다.

역시 도 5에 따르면, 본 발명에 있어서, 상기 수직선의 상반부는 본 발명의 특징부로서, 스티어링 휠에의 입력 토오크가 약 26 인치 파운드[센터링 스프링 어셈블리(75)의 초기 하중]에 이르기까지, SCU(21)가 수동 펌프로만 작동되는 부분을 나타낸다. 상기 26 인치 파운드점에 있어서, 우측 상향으로 연장되는 선("본 발명")은 또한, 센터링 스프링(75)의 스프링 상수에 의해 결정되는 가울기를 갖는다. 본 발명의 주요 실시예에 따르면, 도로에 의하여 다시 약 60 피트 파운드의 동일한 반력이 가해진다면, 운전자는 종래 기술의 경우보다 더욱 개선된 약 30 인치 파운드의 도로 감각을 감지하게 된다.

출원 계속중인 미합중국 특허출원 U.S.S.N. 09/028,218의 기재 내용에 따르면, 피스티어링 휠들이 주행 정지점 등 어떤 소정의 위치에 이르면, 상기 에러 신호가 전형적으로 0에 접근하게 되더라도, ECU(25)는 적정 신호(113, 115)를 발생시킴으로써, 상기 EHC 밸브(53, 55)의 어느 쪽이든 시스템상의 "고압"측에 있게 된다. 동시에, 적절한 명령신호(111)가 밸브(43)로 전송됨에 따라, 스프링의 탄발력에 대항하여, 도관(31)으로부터 도관(45)으로의 흐름을 차단하는 위치로 상기 밸브(43)를 바이어스 시키게 될 것인 바, 이로써 상기 도관(31)내의 압력은 도관(45)내 압력보다 커지게 된다. 즉, 도관(39 또는 41)내로 고압 유체가 유입됨으로써, 피스티어링 휠이 소정의 위치에 이르름과 동시에, 앞서 언급한 바와 같이, 유체 미터(65)에 대한 후방 바이어스가 스티어링 휠(W)의 더 이상의 회전을 막게 된다. 따라서, 주행 정지점인 상기 소정의 위치에 있어 피스티어링 휠이 정지함에 따라, 차량 운전자는 스티어링 휠을 더 이상 회전시킬 수 없게 되어, 주행 한계 슬립이 전혀 없는 것과 같은 결과를 얻게 될 것이다. 기언급한 바의 주행 한계점은, 스티어링 휠 대 피스티어링 휠의 정합 유지라는 일반적 요구의 특별한 경우로 볼 수도 있다.

유압형 스티어링 시스템을 설계함에 있어서, 고려 대상 인자들중 하나는, 상기 유체 미터(65)의 유체 변위와 상기 액츄에이터(19)의 그것과의 상관관계이다. 본 발명의 시스템에 있어서는, 많은 선택예가 가능하다. 유체 미터(65)는 액츄에이터(19)와 동일 변위를 가질 수도 있다(시스템의 록-투-록 비율[lock-to-lock ratio)로 나눔]. 선택 여하에 따라서는, 상기 유체 미터(65)를 다소 작은 것으로 할 수도 있으며, 그 경우, 상기 EHC 밸브 어셈블리(23)를 통해 반드시 유체를 보충해야 한다. 최종적으로, 유체 미터(65)를 액츄에이터(19) 보다 다소 크게 할 수도 있으며(록-투-록 비율로 나눔), 그 경우에는 필수적으로, EHC 밸브 어셈블리(23)를 통해 유체를 빼내야 한다. 당업자라면, 본 발명은 상기 EHC 밸브 어셈블리(23)의 어떤 특정 배치 구조에 한정되지 않고, 어셈블리(23)를 통해 유체를 보충하는 "미터-인(meter-in)" 구조, 및 역시 어셈블리(23)를 통해 유체를 빼내는 "미터-아웃(meter-out)" 구조 양쪽 모두를 포함함을 알 것이다. 도1에 나타낸 바의 회로를 수정하여 상기의 어떤 구조 또는 동일 취지의 기타 배치 구조를 얻어낼 수 있을 것으로 믿어진다.

본 발명은, 유압 파워 스티어링 기술 분야에서 공지된 용어인 "유체 증폭(flow amplification)"의 형태를 얻는 데 이용할 수도 있다. 그러한 경우, 상기 EHC 밸브 어셈블리(23)를 컨트롤함으로써, 어떤 에러 신호를 소멸시키기 위한 필수적 "메이크-업(make-up)" 유체뿐 아니라, 그에 덧붙여 어떤 여분의 유체까지 공급함에 따라, 액츄에이터(19)로의 전체 흐름은 유체 미터(65)로부터 흐르는 유체량에 대해 항상 어떤 배수값을 취하게 된다. 그 배수(흐름 증폭율)는 상수일 수도 있고, 또는 차량 속도, 선회 각도 등의 인자에 맞는 변수일 수도 있다.

이상, 본 발명을 상세히 설명했으나, 당업자라면 상기 내용을 읽고 이해함으로써 다양한 변형 및 수정이 가능할 것으로 믿어진다. 첨부된 특허청구범위에 드는 한의 그러한 변형 및 수정 역시 본 발명의 범위에 포함되는 것임을 밝혀둔다.

본 발명에 따르면, 고속도로용 또는 비고속도로용 고속 차량에 적합한 최적 구조의 스티어링 시스템을 얻을 수 있다.

Claims (6)

1. 고압 유체원(11)과, 유체 컨트롤러(21)와, 한쌍의 피스티어링 휠과 연동함으로써, 수동 입력에 응답하여 그 입력 운동(37)을 스티어링 부재(W)에 제공하는 유압 작동 액츄에이터(19)를 포함하여 구성되며; 상기 유체 컨트롤러(21)는, 상기 고압 유체원과 유체 연통 상태인 입구 포트(47)와, 상기 액츄에이터(67)와 유체 연통 상태인 컨트롤 포트(67)가 형성된 하우징 수단(77)을 포함하고, 또한 상기 유체 컨트롤러(21)는, 내부를 지나는 유체 흐름 측정용의 가동 부재(95)를 갖는 유체 미터(65)와, 주 밸브인 회전 가능 밸브 부재(87), 상대 회전 가능한 추종 밸브 부재(89), 상기 주 및 추종 밸브 부재(87, 89)를 상호 중립 위치로 바이어스시키는 수단(75), 및 상기 유체 미터(65)내 가동 부재(95)의 운동을 상기 추종 밸브 부재(89)의 추종 운동으로 전환하는 수단(99, 101)으로 구성된 밸브 수단을 포함하여 구성된, 스티어링 부재(W)에의 수동 입력에 응답하여 한쌍의 고속도로용 차량 피스티어링 휠에 입력 운동(37)을 제공하는 완전 유체-연결 스티어링 시스템에 있어서,

   (a) 상기 바이어싱 수단(75)은, 스티어링 시스템의 소정 도로 감각에 상응하는, 스티어링 부재(W)에 대한 토오크 레벨(X)까지의 수동 입력이 상기 주 및 추종 밸브 부재(87, 89)의 상대 변위 없이 상기 유체 미터(65)내 가동 부재(95)의 상응하는 바이어스를 가져오며,

   (b) 상기 스티어링 시스템은, 상기 고압 유체원(11)과 유체 연통 상태이고, 또한 상기 액츄에이터(19)와 유체 연통 상태이며, 외부 입력 신호(113, 115)에 응답함으로써 상기 유체원 및 액츄에이터 사이의 유체 연통을 허용하는 밸브 장치(53, 55)로 이루어진 밸브 수단(23), 및

   (c) 상기 스티어링 부재(W)에 대한 수동 입력을 감지하고, 그에 응답하여 상기 외부 입력 신호(113, 115)를 발생시키는 수단(25, 103, 105)을 더 포함하여 구성됨으로써,

   (d) 상기 주 및 추종 밸브 부재(87, 89) 사이에 상대 변위가 발생하기 전이라도 상기 액츄에이터(19)로 고압 유체가 연통하도록 구성된 것을 특징으로 하는 완전 유체-연결 스티어링 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 고압 유체는, 상기 주 및 추종 밸브 부재(87, 89)간 상대 변위 발생 전에 먼저 상기 유체 미터(65)로부터 상기 액츄에이터(19)로 연통되는 것을 특징으로 하는 완전 유체-연결 스티어링 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 고압 유체는, 상기 주 및 추종 밸브 부재(87, 89)간 상대 변위 발생전에 먼저 상기 밸브 수단(23)으로부터 상기 액츄에이터(19)로 연통되는 것을 특징으로 하는 완전 유체-연결 스티어링 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 토오크 레벨(X)은 약 20 내지 40 인치 파운드 범위인 것을 특징으로 하는 완전 유체-연결 스티어링 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 토오크 레벨(X)은 약 25 내지 30 인치 파운드 범위인 것을 특징으로 하는 완전 유체-연결 스티어링 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 밸브 수단(23)은 상기 고압 유체원(11)과 유체 연통 상태인 입구(31)와, 상기 액츄에이터(19)와 유체 연통 상태인 출구(57, 59)를 가지며, 상기 밸브 장치(53, 55)는, 외부 입력 신호(113, 115)에 응답하여 상기 입구(31)로부터 상기 출구(57, 59)로의 유체 연통을 허용하는 것을 특징으로 하는 완전 유체-연결 스티어링 시스템.