KR20020028323A - 자동차의 속도감응형 동력조향장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 속도감응형 동력조향장치에 관한 것으로, 조타시 회전하는 조향축에 대해 차속에 따른 가변적인 크기의 전단저항력을 부여할 수 있도록 하여 비교적 간단한 구조의 속도감응형 동력조향장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 운전자의 조향조작을 위한 조향핸들(1)을 장착한 조향축(2)과, 이 조향축(2)의 구동피니언과 치합되어 이로부터 작동력을 전달받는 랙바아(5a)를 갖춘 동력실린더(5) 및, 이 동력실린더(5)에 차속에 따라 변화된 압력으로 가압된 작동유를 공급하여 조타력을 가변적으로 조절할 수 있도록 하는 컨트롤밸브(4) 등을 포함하는 동력조향장치에 있어서, 상기 조향컬럼(3)에는 조타시 회전하는 조향축(2)에 대해 전단저향력을 부여하되, 이 전단저항력의 정도를 주행중인 차량의 차속에 비례해서 증가될 수 있도록 함과 더불어, 조향시 실제 조타되는 조향축의 회전각을 실시간으로 검출받아 지속적인 피드백제어를 하도록 하는 조타력 조절수단이 구비된 것을 특징으로 한다.

Description

자동차의 속도감응형 동력조향장치{electronic power steering system in response to velocity for automotive vehicle}

본 발명은 자동차의 속도감응형 동력조향장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 조향시 회전하는 조향축의 외주에 자기유변유체를 봉입하고서 이에 차속에 따라 비례적으로 증가하는 자기장을 형성시켜 조향축의 이동에 저항을 부여함으로써 차속에 따른 조타력을 조절할 수 있도록 하는 자동차의 속도감응형 동력조향장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에 구비된 조향장치는 주행중인 차량의 진행방향을 운전자의 의지대로 전환시키도록 하는 것인 바, 이를 위해 상기 조향장치는 운전자가 직접 조향조작을 하여 그 조작력을 각 기구로 전달하기 위해 조향핸들과 조향축 및 칼럼 등으로 이루어진 조작기구와, 상기 조향축의 회전을 감속함으로써 조작력을 증대시킴과 동시에 조작기구의 운동방향을 바꾸어 링크기구에 전달하는 기어기구 및, 이 기어기구의 움직임을 앞바퀴에 전달함과 동시에 좌우 바퀴의 관계위치를 올바르게 유지하기 위해 피트먼 암과 드래그 링크 및 너클 암과 타이로드 등으로 구성된 링크기구를 포함하여 구성된다.

한편, 대형 자동차나 저압 타이어를 사용한 차량에서는 앞바퀴의 접지저항이 크기 때문에 핸들의 조작력이 크게 되고 신속한 조향 조작이 안될 염려가 있기 때문에 가볍고 신속한 조향조작을 하기 위해 동력조향장치를 사용하고 있는 바, 이와 같은 동력조향장치는 동력원이 되는 유압을 발생시키는 오일펌프와 압력조절밸브및 유량제어밸브를 포함하는 밸브 유닛 등으로 구성된 동력장치와, 오일펌프에서 발생한 유압을 기계적인 힘으로 바꾸어 조향력을 발생시키기 위해 실린더를 사용하는 작동장치 및, 이 작동장치에 이르는 유로를 개폐하고 핸들의 조작에 상응해서 유로를 바꾸어 동력실린더의 작동방향과 작동상태를 제어하는 제어장치 등으로 구성되어 있다.

그런데 상기한 종래의 기계식 조향장치나 동력조향장치에서는 차속에 따라 운전자가 느끼는 조향감각이 일정하게 되고, 이로 인해 고속주행시에 필요한 무거운 조향감각이나 저속주행시의 가벼운 조향감각을 동시에 느끼도록 할 수 없는 결점이 있었다.

상기한 결점을 해소하기 위해 차속에 따라 조향력이 변화되게 제어하는 것으로, 저속주행시에는 가볍게 중속이나 고속시에는 적당한 무게의 조향감각을 줄 수 있도록 된 속도감응형 동력조향장치가 제안되어 있는 바, 이러한 종래의 속도감응형 동력조향장치는 차속센서를 매개로 주행중인 차량의 차속을 검출하고, 검출된 차속에 따라 이에 상응하는 작동압을 동력피스톤에 공급시켜 조타력(조향에 드는 힘)을 변화시키도록 된 것인데, 이의 구성은 복잡한 유압시스템 및 전자장치 등을 포함하여 이루어지기 때문에 구조가 복잡하고, 제작 비용도 고가인 단점이 있었다.

그리고, 상기 속도감응형 동력조향장치는 솔레노이드밸브로 유로를 제어하는 방식과 입력축의 하단에 반력실을 구성하고 솔레노이드밸브를 통과한 유압으로 반력 플런져에 압을 가하여 입력축에 저항을 부여함으로써 차량의 속도에 따라서 조타력을 제어하는 방식이 있으며, 이 결과로서 차량의 속도에 따라서 보조되는 유압의 특성은 실린더의 출력압력 대비 조향핸들에 가해지는 입력토크의 분포가 차속 대비 증가하는 경향을 나타내게 된다.

즉, 종래의 속도감응형 동력조향장치는 유량제어방식이기 때문에 필연적으로 소정의 압력을 지닌 유체의 유동에 따른 조타감의 저해와 소음발생을 초래하게 되고, 유체의 특성상 차속 대비 정밀한 조타감의 조절이 불가능하므로, 통상 수개의 차속 구간에 한정해서 조타감을 조절할 수 밖에 없는 단점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 조타시 회전하는 조향축에 대해 차속에 따른 가변적인 크기의 전단저항력을 부여할 수 있도록 하여 비교적 간단한 구조의 속도감응형 동력조향장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 운전자의 조향조작을 위한 조향핸들을 장착한 조향축과, 이 조향축의 구동피니언과 치합되어 이로부터 작동력을 전달받는 랙바아를 갖춘 동력실린더 및, 이 동력실린더에 차속에 따라 변화된 압력으로 가압된 작동유를 공급하여 조타력을 가변적으로 조절할 수 있도록 하는 컨트롤밸브 등을 포함하는 동력조향장치에 있어서, 상기 조향컬럼에는 조타시 회전하는 조향축에 대해 전단저향력을 부여하되, 이 전단저항력의 정도를 주행중인 차량의 차속에 비례해서 증가될 수 있도록 하는 조타력 조절수단이 구비된 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 속도감응형 동력조향장치의 구성을 도시한 상태도.

도 2는 본 발명의 요부인 조타력 조절수단에 대한 제1실시예의 구성을 확대하여 도시한 단면도.

도 3은 본 발명의 요부인 조타력 조절수단에 대한 제2실시예의 구성을 확대하여 도시한 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1-조향핸들2-조향축

3-조향컬럼4-컨트롤밸브

5-동력실린더6-오일펌프

7-오일저장탱크8,9-공급 및 회수관로

10-타이로드11-디스크

12-하우징13-자기유변유체

14-마그네틱 코일15-제어유니트

16-차속감지센서17-조향각 센서

18-전류증폭기

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 속도감응형 동력조향장치의 구성을 도시한 상태도이고, 도 2는 본 발명의 요부인 조타력 조절수단에 대한 제1실시예의 구성을 확대하여 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명의 요부인 조타력 조절수단에 대한 제2실시예의 구성을 확대하여 도시한 단면도이다.

본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 형태의 동력조향장치에 있어서 차속 대비 조향시 운전자가 느끼게 되는 조타력의 정도를 비례해서 증가될 수 있도록 구성한다.

즉, 본 발명은 운전자의 조향조작을 위한 조향핸들(1)이 상측 단부에 장착된 조향축(2)과, 이 조향축(2)을 외부에서 감싸고서 차체에 고정되는 조향컬럼(3), 상기 조향축(2)의 하부에 장착되어 조향시 작동유의 흐름을 제어하도록 된 컨트롤밸브(4) 및, 상기 조향축(2)의 하측 단부에 마련된 구동피니언(도시안됨)과 치합되어 이의 회전 운동에 따라 직선운동을 하는 랙바아(5a)를 내부에 수용하는 동력실린더(5), 그리고 엔진의 크랭크축과 벨트(이상 도시안됨)를 매개로 연결되어 이로부터 동력을 받아 작동되어 조향시 상기 컨트롤밸브(4)로 가압된 작동유를 공급하도록 된 오일펌프(6)와, 이 오일펌프(6)로 작동유를 공급하도록 일정량의 작동유를 저장하고 있는 오일저장탱크(7)로 구성되어 이루어진다.

또한, 상기 컨트롤밸브(4)와 오일펌프(6) 및 오일저장탱크(7) 사이에는 각기 작동유의 공급 및 회수를 위한 공급관로(8)와 회수관로(9)가 배설되어 있고, 상기 동력실린더(5)의 양쪽 단부에는 내부의 구동피니언과 일부 구간이 치합된 랙바아(5a)의 타단이 일부 외부로 노출되며, 이 랙바아(5a)에는 각기 전륜측 너클아암에 연결되어 조향시 선회방향으로 너클아암을 밀거나 당겨 회동시키도록 하는 타이로드(10)가 결합되어 있다.

한편, 상기 조향컬럼(3)상에는 조향시 조향핸들(1)로부터 전달되는 작동력에 의해 회전운동을 하는 조향축(2)에 대해 차속에 비례한 정도의 저항력을 부여함으로써, 상기 조향축(2)의 회전에 드는 힘을 증가시키는 조타력 조절수단이 구비되어 있다.

즉, 상기 조타력 조절수단은 상기 조향축(2)의 외주에 결합되어 조타시 조향축(2)과 일체로 회전하는 디스크(11)와, 이 디스크(11)의 외부에서 일정 용적의 폐공간을 형성하도록 설치됨과 더불어 상기 조향축(2)에 대해서는 기밀성이 있게 고정되는 하우징(12), 이 하우징(12)이 형성하는 폐공간에 봉입되어 있는 자기유변유체(13) 및, 이 자기유변유체(13)를 봉입하고 있는 상기 하우징(12)의 내부에서 상기 디스크(11)의 둘레를 향해 배치되도록 설치되는 마그네틱 코일(14)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 하우징(12)은 조향컬럼(3)상에 고정됨과 더불어 중앙부위는 상기 조향축(2)을 관통하여 수용하도록 형성되면서, 상기 조향축(2)과의 결합부위에 대한 기밀을 위해 중앙의 관통부위의 내주면에 씰링부재(12a)를 장착하고 있어, 상기 하우징(12)은 씰링부재(12a)를 매개로 하여 조향축(2)을 기밀성이 있게 수용하도록 되어 있다.

또한, 상기 조타력 조절수단은 주행중 검출되는 차속에 따라 가변적인 크기의 전류를 상기 마그네틱 코일(14)에 인가하도록 연결된 제어유니트(15)를 구비함과 더불어, 이 제어유니트(15)에는 주행중인 차량의 현재 차속을 검출하여 입력하도록 된 차속감지센서(16)가 구비되어 있다.

그리고, 상기 조향축(2)에는 조향시 조향축(2)의 실제 조타각을 검출하기 위한 조향각 센서(17)가 설치되어 있는 바, 이 조향각 센서(17)는 조향시 상기 조향축(2)의 회전각을 검출하여 상기 제어유니트(15)에 입력하도록 되어 있어, 조향시 상기 제어유니트(15)가 차속을 고려한 자기유변유체(13)에 대한 전단저항력의 조절시 상기 조향각 센서(17)를 매개로 실제 조타되는 조향축(2)의 회전각을 검출받을 수 있으므로 지속적인 피드백제어를 가능하게 한다.

또한 상기 조향각 센서(17)는 상기 조향축(2)상에 일체로 결합된 디스크(17a)의 외주 일측에 설치되어 디스크의 회전각을 검출하는 포토센서(17b) 등으로 구현할 수 있다.

한편, 상기 제어유니트(15)에는 전류증폭기(18)가 연결되어 있는 바, 이 전류증폭기(18)는 상기 제어유니트(15)가 조향시 차속에 따라 상기 마그네틱 코일(14)로 제어전류를 인가함에 있어 제어유니트(15)로부터 마그네틱 코일(14)로 인가되는 제어전류를 증폭시키는 역할을 수행한다.

따라서, 상기 차속감지센서(16)는 주행중 차속을 검출하여 이를 제어유니트(15)에 입력하게 되고, 이 제어유니트(15)는 상기 조타력 조절수단의 마그네틱 코일(14)에 인가되는 전원의 정도를 가변적으로 조절하게 되는 데, 이때 상기 제어유니트(15)는 차속의 증가에 비례해서 상기 마그네틱 코일(14)에 인가되는 전류의 세기를 커지도록 한다.

한편, 상기 조타력 조절수단에 있어서, 상기 하우징(12)의 내부에 봉입되어 조향축(2)상에 결합된 디스크(11)에 통전시 전단저항력을 부여하도록 된 자기유변유체(13)에 대한 간략한 특징을 설명하면 다음과 같다.

상기 자기유변유체(13;Magneto-rheological Fluid)는 실리콘 오일 또는 미네랄 오일 등의 비전도성 용매 속에 미크론 크기의 자성을 가지는 입자들을 분산시킨 비콜로이드 용액임과 더불어 자기장 부하에 의해서 역학적인 특성이 변화되는 유체로서 기본적으로 낮은 투자율의 용매에 상자성(paramagnetic)입자를 분산시킨 용액이며, 또한 상기 자기유변유체(13)는 자기장이 부하되지 않은 무부하시에는 램덤 구조를 갖는 뉴토니언 유체(Newtonian fluid)의 성질을 띠지만, 일단 자기장이 부하되면 자성을 가지는 분산 입자들이 분극화를 일으키면서 부하된 자기장과 평행한 방향으로 체인과 같은 형태의 섬유질의 조직을 형성시켜 전단력이나 유동에 대한 저항력, 즉 전단변형률이 없이도 일정한 항복전단응력을 갖는 빙햄유체(Bingham fluid)로 변화되는 유체이다.

또한, 상기 자기유변유체(13)는 전기장 무부하시에는 유체중 분산된 입자가 자유 운동을 하여 등방향성(isotropic)의 특성을 보이지만, 전기장을 전기감응형 유체에 가하면 유체중에 분산된 입자가 유도분극을 일으켜 전극을 향하는 다수의 섬유상의 조직을 형성함으로써 이방향성(anisotropic)의 거동을 갖게 되어 유체의 유동이나 외부에서 가해지는 하중의 의한 힘에 대하여 저항을 나타내게 되는 특성을 지닌 가제어성 유체의 일종인 전기유변유체(Electro-rheological Fluid)의 빠른 응답 속도의 장점은 그대로 가지고 있으면서 낮은 항복 응력과, 좁은 사용 온도 범위 및, 특히 불순물에 대한 민감성 등의 단점을 극복한 유체이다.

따라서, 상기와 같이 조타력 조절수단을 구비한 속도감응형 동력조향장치에서는, 상기 제어유니트(15)가 차속감지센서(16)를 매개로 주행중인 차량의 차속을 검출받은 다음, 상기 조향축(2)의 외주에 구비된 마그네틱 코일(14)에 차속감지센서(16)로부터 검출된 차속의 정도에 상응하는 크기의 전류를 인가하게 된다.

이후, 상기 마그네틱 코일(14)에 인가된 전류는 이에 상응하는 자기장을 형성하게 되고, 이와 같이 형성된 자기장은 상기 하우징(12)의 내부에 형성된 폐공간에 봉입된 자기유변유체(13)의 특성을 변화시키게 된다.

그 결과, 상기 자기유변유체(13)는 전단저항력을 가지는 유체의 성질을 가지게 되므로, 조향시 자기유변유체(13)에 의해 외주면이 맞닿는 조향축(2)에는 자기유변유체(13)로부터 가해지는 전단저항력이 작용하게 된다.

그러므로, 상기 조향핸들(1)을 조작하는 운전자가 조타시 받게 되는 조타력의 정도는 주행중인 차속에 비례해서 커지게 되므로, 고속 주행중 안정된 조타조작을 할 수 있게 되는 반면에, 상대적으로 저속으로의 주행시에는 보다 저감된 조타력으로도 조향을 실시할 수 있게 되는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 자기유변유체(13)를 이용한 조타력 조절수단을 구비한 속도감응형 동력조향장치는 차속 대비 전류의 크기를 제어하는 방식이므로 유량제어방식에 비해 조타감의 저해 내지 소음의 발생을 배제할 수 있게 되며, 전류제어의 특성상 차속 대비 정밀한 조타감의 조절이 가능할 수 있으므로, 다양한 차속 구간에 대해 개별적인 조타감의 조절이 가능하므로 상품성의 향상을 도모할 수 있게된다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 조향축(2)상에 결합되는 디스크(11)를 대신하여 원통형상의 실린더(11a)를 결합한 다음, 이 실린더(11a)의 외부에 도 2에서와 동일한 형태의 하우징(12)을 설치하고서, 이 하우징(12)의 내부에 자기유변유체(13)를 봉입함과 더불어, 상기 하우징(12)의 내벽에 실린더(11a)를 향하도록 마그네틱 코일(14)을 배치시켜 구성할 수 있는 바, 이 경우에도 제어유니트(15)와 차속감지센서(16) 및 조향각 센서(17) 등도 동일하게 구성함은 물론이고, 이와 같이 구성된 조타력 조절수단을 구비한 속도감응형 동력조향장치에서 기대할 수 있는 작용 및 효과는 상기 언급한 제1실시예에서와 동일함은 물론이다.

즉, 본 발명의 제1실시예와 제2실시예에서의 조타력 조절수단은 각각 마그네틱 코일(14)로 전류의 인가시 자기유변유체(13)가 전단저항력의 특성을 나타내게 되는 데, 이때 상기 자기유변유체(13)가 발휘하는 마찰력은 자기유변유체(13)로부터 디스크(11) 내지 실린더(11a)에 작용하는 전단력과 디스크(11) 내지 실린더(11a)의 표면적의 곱으로 얻어질 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 자동차의 속도감응형 동력조향장치에 의하면, 상기 조향핸들(1)에 가해지는 조타력에 의해 회전운동을 하는 조향축(2)에 차속 대비 비례하는 정도의 전단저항력을 부여할 수 있게 되므로, 비교적 간략한 구조의 속도감응형 동력조향장치의 구성이 가능하게 될 수 있게 된다.

그리고, 상기와 같이 전류의 제어를 통한 조타력을 조절하는 방식의 속도감응형 동력조향장치에서는 응답성이 유압식에 비해 빠른 장점이 있게 된다.

또한, 간단한 구조의 속도감응형 동력조향장치의 구성으로 인해 제조비용의 절감은 물론, 조립생산성의 향상도 기대할 수 있게 된다.

Claims (5)

1. 운전자의 조향조작을 위한 조향핸들(1)을 장착한 조향축(2)과, 이 조향축(2)의 구동피니언과 치합되어 이로부터 작동력을 전달받는 랙바아(5a)를 갖춘 동력실린더(5) 및, 이 동력실린더(5)에 차속에 따라 변화된 압력으로 가압된 작동유를 공급하여 조타력을 가변적으로 조절할 수 있도록 하는 컨트롤밸브(4) 등을 포함하는 동력조향장치에 있어서,

   상기 조향컬럼(3)에는 조타시 회전하는 조향축(2)에 대해 전단저향력을 부여하되, 이 전단저항력의 정도를 주행중인 차량의 차속에 비례해서 증가될 수 있도록 하는 조타력 조절수단이 구비된 것을 특징으로 하는 자동차의 속도감응형 동력조향장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 조타력 조절수단은 조향축(2)에 결합되어 일체로 회전하는 디스크(11)와, 이 디스크(11)의 외부에서 일정 용적의 폐공간을 형성하도록 고정설치되는 하우징(12), 이 하우징(12)의 내부에 봉입되는 자기유변유체(13) 및, 이 자기유변유체(13)를 봉입하고 있는 상기 하우징(12)내에 상기 디스크(11)를 향해 배치되는 마그네틱 코일(14)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자동차의 속도감응형 동력조향장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 조타력 조절수단은 주행중 검출되는 차속에 따라 가변적인 크기의 전류를 상기 마그네틱 코일(14)에 인가하는 제어유니트(15)를 구비함과 더불어, 이 제어유니트(15)에는 주행중인 차량의 현재 차속을 검출하여 입력하는 차속감지센서(16)가 구비된 것을 특징으로 하는 자동차의 속도감응형 동력조향장치.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 하우징(12)은 조향컬럼(3)상에 고정됨과 더불어 조향축(2)과는 씰링부재(12a)를 매개로 결합되어, 상기 조향축(2)의 회전시 하우징(12)내에 봉입된 자기유변유체(13)의 기밀은 씰링부재(12a)를 매개로 보장될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 자동차의 속도감응형 동력조향장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 조향컬럼(3)에는 조향축(2)의 회전각을 검출하여 조향시 상기 제어유니트(15)가 차속을 고려한 자기유변유체(13)의 전단저항력의 조절시 실제 조타되는조향축(2)의 회전각을 검출받아 지속적인 피드백제어를 위한 조향각 센서(17)가 구비된 것을 특징으로 하는 자동차의 속도감응형 동력조향장치.