KR20030051769A

KR20030051769A - 가변비 스티어링 기어

Info

Publication number: KR20030051769A
Application number: KR10-2003-7006071A
Authority: KR
Inventors: 비숍아더어니스트
Original assignee: 비숍 스티어링 테크놀로지 리미티드
Priority date: 2000-11-01
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2003-06-25
Also published as: US6945353B2; CA2426342A1; JP2004516177A; EP1337425A4; AUPR114800A0; CN1473123A; AU1478902A; WO2002036410A1; EP1337425A1; BR0115371A; AU2002214789B9; MXPA03003914A; US20040040779A1; AU2002214789B2

Abstract

스티어링 각도비가 적어도 운전자에 의한 스티어링 휠 각도 입력값과 차량 속도 양자의 함수로서 변하는 챠량용 랙(1) 앤 피니언(4) 스티어링 기어. 스티어링 기어는 스티어링 기어 하우징에 대해 횡방향으로 변위가능한 랙(1)과 랙(1)에 맞물린 채로 하우징 내에서 대략 랙(1)의 이동방향으로 횡방향으로 이동가능한 피니언(4)을 포함하고 있다. 스티어링 각도비는 랙(1)의 이동에 있어서의 양 측부 영역과 비교했을 때 랙(1)의 이동의 중앙 영역에서 증가되며, 스티어링 각도비는 차량 속도 증가에 따라 중앙 영역에서 더 증가된다.

Description

가변비 스티어링 기어{VARIABLE RATIO STEERING GEAR}

여러가지 장치들이 운전자 제어장치와 스티어링 휠이나 "조이 스틱" 등의 사이에 직접적인 기계적 접속부를 채용하지 않는 전자장치에 기반하여 상기 목적을 성취하고자 하는 문헌과 특허들에서 개시되었다.

하지만 그와 같은 장치의 절대적인 신뢰성에 있어서 우려가 있고, 하나 또는 심지어 2개의 부가적인 전자 시스템이 주요한 기능 부전의 발생 가능성을 줄이기 위해 시스템 리던던시를 제공하도록 사용되는 것이 제안되었다. 또한, 전자장치의 주요한 기능 부전의 경우에 담당하게 되는 기계적 접속부가 또한 운전자의 제어장치와 로드 휠 사이에 제공되는 것이 제안되었다.

하지만 전자적 작동으로부터 기계적 작동으로의 전이가 고속이나 코너에서발생할 경우에 운전자가 차량의 제어를 유지하는 최상의 가능성을 가지도록 전자장치의 성능과 상당히 유사한 기계적인 백업 장치를 가지는 것에 있어서 문제점이 발생한다.

스티어링 휠에 대한 로드 휠의 회전 각도에 관한 적합한 비 패턴에 대한 고려가 주어져야만 한다. 임의의 기계적인 링크장치만이 이 기능을 수행하는 데 적합하며, 그 중 하나가 제네바 핀(Geneva Pin) 및 슬롯 디바이스(Slot device)로 잘 알려져 있고, 그 사용이 아래에 설명된다. 캠 기구를 사용하는 변경적인 설계도 설명된다.

스티어링 휠 림에 정확한 힘 레벨(즉 "감지력")을 제공하는 실제적인 수단이 기계적인 장치와 전자적인 장치 양자 모두에 요구된다.

현재 소형차를 제외하고는 스티어링 시스템에 보조 파워가 제공되고 있고 전기 보조 파워가 많은 경우에 있어 보조 유압을 대신하게 될 것으로 받아들여지고 있다.

Fuji Heavy Industries Limited 명의의 일본국 특허 공개 제 60131366A호는 운전자의 제어장치와 로드 휠 사이의 비가 첫째로 차량 속도에 따라 그리고 두번째로 로드 휠의 중심으로부터의 회전 각도에 따라 변하는 가변비 스티어링 기어를 개시하고 있다. 하지만, 이 인용문헌에 개시된 스티어링 기어는 스티어링 기어비가 피니언과 하우징의 운동을 동시에 일으키는 링크장치 수단을 사용함으로써 랙의 중앙 영역에 걸쳐 감소되는 수동 스티어링 기어만을 위한 것이다. 사용되는 이 링크장치 수단은 차량속도가 증가함에 따라 랙의 중앙 영역에 걸친 스티어링 기어비의추가적인 감소를 초래한다. 그와 같은 장치는 보조 파워 스티어링 기어에 대한 사용에 적합하지 않으며, 중심 부근의 출력값을 증가시키기 위한 신호가 입력값이 아니라 변경된 출력값으로부터 유도된다는 점에서 바람직하지 못한 장치이다.

다음의 설명은 양자 모두가 본 발명에 따라 실질적으로 동일한 구조를 기본으로 하는 유압 및 전기 파워 스티어링 양자 모두에 맞추어진 적합한 기계식 구조에 관한 것이다.

전자장치로부터 유도될 수 있는 보충적인 스티어링 입력값을 제공하기 위한 준비가 또한 이러한 기구내에 이루어지며, 바람직한 실시예에 따라 이와 같은 입력값은 제대로 기능하지 않는 경우에도 운전자의 제어에 대한 영향이 최소로 될 정도로 제한될 것이다.

본 발명은 운전자 제어장치와 로드 휠(road wheels) 사이의 비가 첫째로 차량 속도에 따라 변하고 두번째로 로드 휠 중심으로부터의 회전 각도에 따라 변하는 가변비 스티어링 기어에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 제어장치에의 운전자의 입력값의 크기와 로드 휠의 회전 사이의 비 (이하 스티어링 비라 함)이 랙의 중앙 영역내에서 증가하고 차량 속도 증가에 따라 랙의 중앙 영역에서 더 증가하는 가변비 스티어링 기어에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 차량용 랙 앤 피니언 스티어링 기어의 사시도,

도 2는 도 1의 I-I 섹션을 통한 단면도,

도 3은 도 2의 II-II 섹션을 통한 단면도,

도 4는 제1 실시예의 제네바 기구 부분을 보여주는 도 2의 확대 간략도,

도 5는 도 1에 도시된 제1 실시예에 의해 성취되는 스티어링 각도비 대 스티어링 휠 각도의 그래프,

도 6 - 9는 도 4에 도시된 제네바 기구의 여러 위치들을 도시한 도면,

도 10은 도 5에서의 단일의 고속 커브를 도시한 그래프,

도 11은 과부하가 스티어링 기어상을 우회하는 상태에서의 도 2와 유사한 단면도,

도 12는 도 2에 도시된 제1 실시예의 제네바 기구를 본 발명의 제2 실시예로 대체한 데스모드로믹 캠 기구의 간략도,

도 13 및 14는 도 12에 도시된 데스모드로믹 캠 기구의 2개의 위치를 도시한 도면.

제1 양태에 있어, 본 발명은 스티어링 각도비가 적어도 운전자에 의해 제공되는 스티어링 휠 각도 입력값과 차량 속도의 양자의 함수로서 변하고, 상기 스티어링 기어가 스티어링 기어 하우징에 대해 횡방향으로 변위가능한 랙을 포함하고 있는, 차량용 랙 앤 피니언 스티어링 기어에 있어서, 상기 스티어링 기어는 상기 랙과 맞물린 채로 대략 상기 랙의 이동방향으로 상기 하우징내에서 횡방향으로 이동가능한 피니언을 더 포함하고 있고, 상기 스티어링 각도비는 상기 랙의 이동의 양 측부 영역과 비교했을 때 상기 랙의 이동의 중앙 영역에서 증가되고, 상기 스티어링 각도비는 차량 속도가 증가함에 따라 상기 중앙 영역에서 더 증가되는 것을 특징으로 하는 차량용 랙 앤 피니언 스티어링 기어로 이루어진다.

바람직하게는 상기 피니언은 대략 상기 랙의 이동방향으로 상기 스티어링 기어 하우징내에서 횡방향으로 이동가능한 피니언 하우징내에서 회전하도록 저널링되어 있어, 상기 트랙의 이동을 감소시키고, 가변량만큼 그 사이의 이동비를 최소화시키고, 상기 가변량은 중앙 직선 위치로부터의 피니언의 회전과 함께 감소하고, 또한 차량의 속도와 함께 감소한다.

바람직하게는 상기 랙 앤 피니언 스티어링 기어는 상기 랙의 이동의 상기 중앙 영역에서 작용가능한 소정의 전달 패턴에 따라 상기 피니언을 상기 하우징내에서 이동시키도록 상기 피니언에 접속되고 상기 랙의 이동의 상기 양 측부 영역에서 상기 피니언으로부터 접속해제되는 제1 기계적 링크장치 수단, 및 상기 중앙 영역내에서 상기 스티어링 각도비를 더 증가시키기 위해 차량 속도의 함수로서 상기 전달 패턴을 배가시키도록 되어 있는, 상기 제1 기계적 링크장치 수단에 접속된 제2 기계적 링크장치 수단을 가진다.

바람직하게는 상기 랙 앤 피니언 스티어링 기어는 피니언으로부터 랙으로 전달되거나 그 반대방향으로 전달되고 있는 부하가 소정값을 초과할 때 상기 제1 기계적 링크장치 수단 및 제2 기계적 링크장치 수단을 통해 전달되는 부하를 제한하도록 되어 있어, 상기 부하가 상기 랙과 상기 피니언에 의해서만 전달되도록 하는, 상기 제2 기계적 링크장치 수단에 접속된 바이패스 수단을 포함하고 있다.

바람직하게는 상기 바이패스 수단은 상기 하우징에 접속된 디텐트 기구를 포함하고 있다.

제1 실시예에서 상기 제1 기계적 링크장치 수단은 제네바 기구를 포함하고,상기 제네바 기구는 제1 샤프트로서 제1 핀을 이송하여 상기 제1 샤프트의 축선으로부터 오프셋시키는 상기 피니언과 함께 회전가능하고, 상기 제1 핀이 상기 제1 샤프트의 축선과 평행하고 상기 제1 샤프트의 축선으로부터 오프셋된 축선을 가진 제2 샤프트에 의해 이송되는 부재내의 하나의 방사상 슬롯과 맞물리도록 작동가능하게 되어 있는, 상기 제1 샤프트와, 상기 제2 샤프트와 함께 회전가능한 부재내의 추가적인 방사상 슬롯과, 상기 제2 슬롯내에 맞물려지고, 차량 속도에 따라 가변적인 상기 제2 샤프트의 축선에 대해 일정 거리를 둑 상기 하우징에 대해 횡방향으로 고정된 제2 핀을 가지고 있다.

바람직하게는 상기 제1 실시예는 상기 하우징에 대해 피벗되는 레버를 더 포함하고 있고, 상기 제2 핀이 상기 레버에 고정된다.

바람직하게는 상기 차량은 스티어링 휠의 운전자의 위치에 의해 그리고 차량 속도에 관하여 지시되는 방향 진로로부터 차량의 이탈을 검출하기 위한 검출 수단을 포함하고 있고, 상기 검출수단은 상기 제2 핀을 출력 신호에 응답하여 상기 하우징내에서 횡방향으로 이동시키기 위해 액추에이터 수단에 출력 신호를 제공한다.

제2 실시예에 있어서 상기 제1 기계적 링크장치는 한쌍의 데스모드로믹 캠을 포함한다.

제2 양태에 있어서, 본 발명은 적어도 운전자에 의해 제공되는 스티어링 휠 각도 입력값과 차량 속도의 함수로서 차량의 로드 휠 스티어링 각도를 제어하기 위한 랙 앤 피니언 스티어링 기어로서, 스티어링 기어는 고정된 랙 하우징내에서 횡방향으로 변위가능한 랙과, 피니언 하우징내에서 회전하도록 저널링된 피니언을 포함하고 있고, 랙 하우징내에서의 랙의 변위는 로드 휠 각도를 결정하고, 피니언 하우징내에서의 피니언의 회전은 스티어링 휠 각도에 의해 결정되고, 스티어링 휠 각도의 변화와 로드 휠 각도의 변화 사이의 순간적인 비는 스티어링 휠 각도와 차량 속도의 함수로서 변하는 스티어링 비 특성을 한정하고, 피니언 하우징은 랙 하우징에 대한 횡방향 변위를 위해 저널링되어 있고, 액추에이션 수단이 적어도 스티어링 각도와 차량 속도의 크기의 함수로서 랙 하우징에 대한 피니언 하우징의 횡방향 변위를 결정하여, 그것에 의해 스티어링 비 특성을 결정하도록 되어 있는 랙 앤 피니언 스티어링 기어로 이루어진다.

바람직하게는 상기 액추에이션 수단은 기계적 링크장치를 포함하고 있어, 스티어링 휠 각도의 크기와 관련한 변위 입력값과 차량 속도와 관련한 변위 입력값이 상기 링크장치에 가해질 때, 상기 링크장치는 상기 변위 입력값의 크기와 함께 변하는 랙으로의 동특성 출력값을 가진다.

바람직하게는 상기 변위 입력값들 중 하나 또는 양자 모두가 전기 액추에이터 또는 유압 액추에이터에 의해 제공된다.

제1 실시예에서 기계적 링크장치는 핀-슬롯 기구를 포함한다.

제2 실시예에서 기계적 링크장치는 캠-종동절 기구를 포함한다.

바람직하게는 기계적 링크장치는 높은 부하 조건시에 링크장치에 컴플라이언스를 제공하는 스프링 부하 요소를 포함하고 있어, 높은 부하 조건시에 기구를 손상으로부터 보호한다.

바람직하게는 액추에이션 수단은 운전자에 의해 제공되는 스티어링 휠 각도입력값에 독립적인 추가적인 입력값의 함수로서 랙 하우징에 대한 피니언 하우징의 횡방향 변위를 결정한다.

바람직하게는 액추에이션 수단은 유압 액추에이터 또는 전기 액추에이터이다.

바람직하게는 스티어링 비 특성은 중앙 동작 영역의 양 측부의 스티어링 기어의 동작 영역에서 제공되는 스티어링 비보다 소정의 최대 증가량만큼 더 큰 중앙 구동과 관련한 스티어링 기어의 중앙 동작 영역의 스티어링 비를 제공한다.

바람직하게는 상기 증가량은 높은 차량 속도에 대한 크기에 있어 더 크다.

바람직하게는 상기 증가량은 낮은 차량 속도에 대해 0의 값이거나 음의 값이다.

본 발명에 의하면, 적어도 2개의 기계적 장치가 직렬로 사용되어 차량 스티어링에 있어 전형적으로 발생하는 매우 넓은 범위의 힘 레벨과 민감도에 걸쳐 이상화된 스티어링 비에 최대한 근접한 스티어링 비를 제공한다. 스티어링 휠의 사용은 유지되는 것이 바람직하다.

본 발명의 하나의 양태에서, 스티어링 제어 운동은 3개의 개별의 영역내에서, 민감도가 차량 속도와 제어장치의 회전의 각도 양자에 따라 변하는 중앙 영역내에서 발생하는 것으로서 다루어진다. 이 관계는 횡방향 가속도(실제로는 타이어의 도로에 대한 부착력에 의해 제한됨)가 회전반경과 속도의 제곱의 역수로서 변한다는 공지된 원리로부터 일어난다. 회전반경은 도로에 대한 전방 타이어의 각도 및 그에 따른 스티어링 휠 각도에 의해 거의 결정된다. 이 전형은 약 30 kph를 넘는 속도에서의 스티어링을 지배하며, 저속 코너 진입 및 주차에 자주 사용되는 한계 정지 각도까지의 회전 각도의 약 1/5의 전방 휠의 회전만을 요한다. 전방 휠의 나머지 4/5의 회전에 있어서, 적절한 스티어링 비는 대개 스티어링 조작력이 일반적으로 약 10 대 1 또는 12 대 1의 스티어링 비가 되는 보조 파워 시스템이 고장나는 경우를 초과하지 않도록 선정된다.

바람직하게는, 본 발명에 따라, 중앙 영역에서의 제어는 제네바 원리를 채용하며, 이 제네바 원리는 차량이 전형적으로 회전반경이 회전의 각도에 상응하는 한계 속도에서 작동될 때 스티어링 휠의 회전 각도와 차량의 요잉률(yaw rate) 사이에 선형 관계를 성취하는 데 요구되는 것에 근접하는 스티어링 비 대 스티어링 휠의 회전의 특성 플로트(plot)를 제공한다. 이 플로트는 때때로 종형상 곡선으로 불려진다. 제네바 장치는 Honda에 허여된 미국 특허 5,489,004 및 5,482,130에 개시되고 SAE paper 1999-01-0395; "Improvements in Driver-Vehicle System Performance by Varying Steering Gain with Vehicle Speed and Steering Angle"에 개시되고, 또한 Bishop의 오스트레일리아 특허 2,508,057, 2,682,311 및 2,865,215호(앞선 2개의 Bishop 특허는 항공기 노즈기어 스티어링에 관한 것이고, 후자의 특허는 자동차 파워 스티어링에 관한 것이다)에 개시된 바와 같이 핀이 제네바 운동의 2개의 축선 사이에 위치하고 그 외부에는 위치되지 않도록 되어 있는 것이 바람직하다.

핀이 2개의 축선들 외부에 위치하는 이 기구의 후자의 배열에서는, 중앙에 적당한 높은 스티어링 비를 제공함과 동시에 록을 향한 바람직하지 못한 낮은 비를회피하는 것에 어려움이 있다. 또한, 자동차 시방서에 따라 스티어링 시스템이 수행해낼 수 있어야만 하는 매우 높은 테스트 부하를 견디도록 시스템을 설계하는 것에 어려움이 있다.

본 발명에 따라, 통상의 랙 앤 피니언 스티어링 기어가 사이드-시프팅 피니언과 조합되어 사용된다. 본 발명의 개시에 의해 이루어지는 스티어링 시스템의 피니언의 사이드-시프트의 필요량은 매우 작고, 스티어링 기어 입력 샤프트의 운전자 스티어링 샤프트에서의 링크가 간단한 커플링 장치에 의해 용이하게 이루어질 수 있다는 점이 유리하다.

이 스티어링 시스템은, 운전자 입력에 대한 응답지연을 일으키는 타입의 민감도 감소의 현가장치에 대해 의존함이 없이 차량이 직진 또는 선회주행할 때 스티어링 민감도의 조절을 제공한다. 이 스티어링 시스템은 또한 보통의 코너링에 있어 스티어링 휠의 회전각도의 현저한 감소를 가능하게 해주어, 스키드의 위급한 경우에 스티어링 휠을 신속하게 회전시키는 운전자의 수행력을 향상시킨다.

3개의 전형, 상술한 바와 같은 중앙 영역에 대한 전형 및 2개의 측부 영역에 대한 전형이 제공되어, 이상적이 비가 3곳의 작동 영역 모두에서 선정되어질 수 있다. 스티어링 기어가 자자 노출될 수 있는 매우 높은 부하는 좁은 중앙 영역내의 민감한 비 변경장치에 영향을 미치지 않도록 우회될 수 있으며, 이 경우 스티어링 기어는 그와 같은 과부하를 용이하게 수용할 수 있는 통상의 파워 랙 앤 피니언 스티어링으로 순간적으로 복귀한다.

피니언의 사이드-시프팅은 랙 앤 피니언의 출력을 감소시키고 요구될 수 있는 임의의 크기의 중앙 스티어링 비를 제공하도록 매우 용이하게 이루어질 수 있도록 배열된다.

도 1, 2 및 3은 본 발명에 따라 만들어진 스티어링 기어의 제1 실시예의 한형태의 주요 구성요소들의 전체적인 배열을 도시하고 있다.

랙(1) 및 피니언(4)은 랙 앤 피니언 스티어링 기어에 채용되는 가장 널리 받아들여지는 배열에 따라 구조되어 있다. 타이 로드(도시 안됨)는 랙의 각 단부에 접속되어 차량의 피벗식 전방 휠로부터 전후방향으로 연장된 스티어링 아암에 피빗되어 있다. 랙(1)은 차량의 한 측부에서 하우징(3)(도 2 및 3)내에 그리고 차량의 반대 측부에서 저널(도시 안됨)내에 편입된 랙 가이드(2)내에서 미끄럼이동한다. 피니언(4)은 통상의 방식으로 랙(1)과 맞물림하여 스티어링 칼럼(6)에 의해 스티어링 휠(5)과 함께 회전하도록 접속되어 있다.

설명되는 스티어링 기어의 형태에 있어서, 전기 모터 구동 보조 파워가 전기 모터(8)로부터 제공된다. 모터(8)의 작동은 토크 감지 장치(9)에 의해 제어된다. 선택적으로, 유압식 보조 파워가 통상적인 방식으로 토크 변환기 대신의 로터리 밸브 시스템과 랙(1)의 연장부상의 실린더-피스톤을 채용함으로써 제공될 수 있다.

종래의 파워 스티어링에서는, 피니언(4)은 스티어링 기어 하우징내에 저널링되어 있는 반면에, 본 발명에 의해서는, 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 베어링(12, 13)에 의해 피니언-캐리어(11)내에 저널링되어 있다. 피니언 캐리어(11)는 가이드 로드(14, 15)상에서 랙(1)의 축선방향으로 또는 차량내의 편리한 설치를 위해 요구될 때는 랙(1)의 축선과 약간의 각도를 이루어 하우징(3)내에서 횡방향으로 미끄럼이동하도록 배열되어 있다. 피니언 캐리어(11)의 이동은 하우징(3)내에 제공된 맞닿음부(121)에 대해 그것의 각 측부상의 간극(16)으로 제한된다.

피니언 샤프트(17)가 피니언(4)으로부터 연장되고, 피니언 샤프트(17)상에는 올덤 커플링(18)의 하나의 구성요소가 장착되어 있다. 올덤 커플링(18)의 나머지 하나의 구성요소는 토크 센서(9)를 통해 스티어링 칼럼(6)에 회전가능하게 접속된 입력 샤프트(19)상에 장착되어 있다. 이 수단에 의해, 슬랙이 없는 접속이 피니언 캐리어(11)의 작은 횡방향 운동을 수용할 수 있는 샤프트(17, 19) 사이에서 제공된다.

피니언 캐리어(11)는 하우징(3)내에 고정된 가이드 핀(21)과 맞물리는, 피니언 캐리어(11)의 상부에 형성된 가이드 슬롯(20)에 의해 가이드 로드(14, 15)의 축선을 중심으로 한 회전이 저지된다. 선택적으로, 도시되지 않은 실시예에서, 롤러-베어링 슬라이드웨이가 하우징(3)내에 제공되어, 낮은 마찰력에서의 횡방향 이동을 허용하는 동시에 피니언 캐리어(11)의 회전에 대해 대항하는 것을 제공할 수 있다.

피니언(4)은 베어링(12)을 넘어서 스티어링 기어내에 아래로 연장된 샤프트(22)를 가지고 있고, 그것에 견고하게 고정된 제네바 기구(7)를 가지고 있고, 제네바 기구(7)는 제네바 핀 구동 플레이트(23), 로킹 플레이트 섹터(24), 제네바 구동 핀(25) 및 제네바 피구동 플레이트(27)를 포함하고 있다.

제네바 구동 핀(25)은 제네바 피구동 플레이트(27)내에 형성된 하부 슬롯(26b)과 맞물려지고, 제네바 피구동 플레이트(27)는 축선(41)을 중심으로 피니언 캐리어(11)내에 저널링된 피구동 플레이트 샤프트(28)를 편입하고 있다.

제네바 핀 구동 플레이트(23)의 회전은, 한 지점이 도 8에 도시되고 다음에설명되는 바와 같이 핀(25)이 슬롯(26b)을 떠나게 되는 곳에 도달할 때까지, 피구동 플레이트(27)가 제네바 기구와 유사한 방식으로 회전하는 것을 야기한다. 핀(29)은 속도 레버(30)에 고정되어 제네바 피구동 플레이트(27)내에 형성된 상부 슬롯(26a)와 맞물림한다.

서보-모터 액추에이터(31)가 링크(32)의 한 단부에 접속되고, 링크(32)의 한 단부는 다음으로 속도 레버(30)에 접속된다. 액추에이터(31)는 링크(32)가 상향으로 변위되어 차량의 전자 제어 유닛(ECU) 또는 개별의 차량 속도 감지 장치(도시 안됨)로부터 수신된 신호에 응답하여 속도 레버(30)를 경사지게 만드는 것을 야기한다.

속도 레버(30)의 반대편 단부는 스프링(36), V-노치(37)를 구비한 플런저(35), 맞닿음부(38) 및 속도 레버(30)에 고정된 핀(10)상에 저널링된 롤러(34)를 포함하고 있는 디텐트 장치(33)로 연장되어 있다. 롤러(34)는 맞닿음부(38)상에서 자유롭게 구름운동한다. 스프링(36)에 의해 아래로 부하가 가해지고 말단부에 V-노치(37)를 가지고 있는 스프링 부하 플런저(35)가 롤러(34)의 자유로운 이동을 구속한다. 이 롤러는 39로서 도시된 횡방향 이동거리내에서 제한되며, 이동거리(39)가 하우징(3)내의 피니언 캐리어의 양 단부에서의 간극(16)을 초과하도록 배열되어 있다.

도 4는 스티어링 각도비가 스티어링 휠 각도(101)와 차량 속도의 양자의 함수로 어떻게 변하는지를 설명하는 데 필요한 구성요소들만이 도시된 상태에서의 도 2에 도시된 스티어링 기어의 간략도이다.

수직거리(103)는 추건(41)과 롤러(29)를 저널링하는 핀(104)의 축선 사이의 거리이다. 핀(104)은 속도 레버(30)에 고정된다. 거리(103)는 액추에이터(31)를 작동시킴으로써 성취되는 속도 레버(30)의 경사에 의해 변화된다. 높은 차량 속도에서, 거리(103)는 낮은 차량 속도에서보다 크다.

도시되지 않은 또다른 실시예에서, 피구동 플레이트(27)내의 상부 및 하부 슬롯(26a, 26b)은 핀(25, 29) 양자가 내부에 맞물림되는 단일의 슬롯을 형성하도록 연장될수 있다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

도 5는 도 4에 도시된 기구에 대한 세가지 예의 "스티어링 각도비" 특성 곡선들을 도시하고 있다. 도 5상의 수평방향 그래프 축선(105)은 도 4 상에서 화살표(101)로 나타내어진 스티어링 휠 각도를 나타낸다. 수직방향 그래프 축선(106)은 스티어링 각도비를 나타낸다. 곡선(107, 108, 109)은 여러가지 차량 속도들에서의 예시적인 특성치들이다. 곡선(107)은 최대 설계 위치에 있는 거리(103)의 결과로서의 고속에서의 스티어링 각도비 특성치이다. 곡선(109)은 최소 설계 위치에 있는 거리(103)의 결과로서의 저속에서의 스티어링 각도비 특성치이다. 곡선(108)은 중간 설계 위치 근처에 있는 거리(103)의 결과로서의 중속에서의 스티어링 각도비 특성치이다. 모든 곡선들은 대칭적이다. 곡선(107, 109) 사이에 가능한 무한한 개수의 곡선이 있을 수 있다.

보통의 운전조건하에서는, 차량 속도가 높으면 높을수록 작은 스티어링 휠 각도 범위가 사용된다. 예컨대 곡선(107)상의 스티어링 각도 범위(123)는 높은 차량속도에서 대표적인 것이 된다. 곡선(108)상의 스티어링 각도 범위(124)는 중간속도에서 대표적인 것이 된다. 곡선(109)상의 스티어링 각도 범위(125)는 저속에서 대표적인 것이 된다.

영역(111)은 제네바 기구(7)가 작동가능한 랙(1)의 중앙 영역을 나타낸다. 중앙 영역(111)의 바깥쪽에서, 곡선(107, 108, 109)은 모두 일치하며 중앙 영역(111)의 양 측부상에서 일정한 스티어링 각도비에 의해 나타내어진다. 중앙 영역(111)내에서 스티어링 각도비는 항상 높은 차량 속도일수록 더 높다. 스티어링 각도비는 도 5에서 수평축선(105)상에서 0°스티어링 휠 각도로서 나타내진 직선 구동 위치에서 최대 스티어링 각도비를 가진 종형상 곡선으로 매끄럽게 변화한다.

곡선(107, 108, 109)에 의해 나타내어진 바와 같은 중앙 영역(111)에 걸친 종형상 곡선의 특성은 스티어링 휠 각도와 피니언 캐리어(11)의 작은 횡방향 이동 사이의 "소정의 전달 패턴"을 발생시키는 제네바 기구(7)의 설계의 결과로서 생성된다.

도 6, 7, 8 및 9는 각각 4개의 상이한 스티어링 휠 각도(101)에서의 도 4의 스티어링 기어를 간략하게 도시하고 있다. 도 6, 7, 8 및 9에서 차량 속도는 동일하여, 모두가 동일한 거리(103)를 가지고 있다. 이 예에서, 거리(103)는 고속에 대한 것이고 스티어링 각도비 특성은 곡선(107)으로 나타난다.

도 10은 도 6, 7, 8 및 9의 상이한 스티어링 휠 각도에 상응하는 곡선상의 지점들을 보여주는 고속 스티어링 각도비 특성곡선(107)이다. 곡선(107)상의 지점(112)은 도 6에 도시된 스티어링 기어의 위치에 대한 스티어링 각도비이다.마찬가지로, 지점(113)은 도 7에 상응하는 것이고, 지점(114)은 도 8에 상응하는 것이며, 지점(115)은 도 9에 상응하는 것이다.

도 6은 스티어링 휠 각도(101)가 0°이고 제네바 핀(25)이 축선(41) 및 피니언(4)과 일직선상에 있는 직선 구동위치에 있는 스티어링 기어를 도시하고 있다.

도 7은 직선 구동위치와 제네바 기구(7) 맞물림해제 위치 사이의 대략 중간에서의 스티어링 휠 각도(101)를 도시하고 있다. 제네바 구동 핀(25)은 제네바 피구동 플레이트(27)를 축선(41) 둘레로 스티어링 휠 각도(101)에 대한 반대 회전방향으로 회전시킨다. 보통의 구동 조건하에서는, 피벗(10)이 횡방향으로 고정되어, 롤러(29)도 기본적으로 횡방향으로 고정된다. 롤러(29)는 제네바 피구동 플레이트(27)내에서 슬롯(26a)과 맞물림되어 유지되어, 제네바 피구동 플레이트 축선(41)이 횡방향 변위(116)만큼 이동하는 것을 야기한다. 축선(41)은 피니언 캐리어(11)에 고정되어, 피니언(4)도 거리(116)만큼 횡방향으로 변위된다. 랙 이동거리(102)는 그래서 스티어링 휠 각도(101)에 피니언 피치 반경(117)을 곱한 것에서 거리(116)를 뺀 것과 같이 된다.

이는 다음의 방정식으로 나타내어질 수 있다.

Y = (θ*r_p) - Δ

여기서, Y = 랙 이동거리(102)

θ = 스티어링 휠 각도(101)

r_p= 피니언 피치 반경(117)

Δ = 횡방향 변위(116)

그러므로, 제네바 기구(7)는 랙 이동거리(102)가 동일한 크기의 스티어링 휠 각도(101)에 대한 다른 방식에서의 경우보다 작아지는 것을 야기하여, 그 결과 스티어링 각도비가 증가된다.

도 8은 제네바 기구(7)가 맞물림의 한계점에 있을 때의 스티어링 휠 각도(101)를 도시하고 있다. 도 9는 가능한 최대 스티어링 휠 각도를 도시하고 있다. 도 8 및 9에 도시된 위치들 사이의 스티어링 각도에 대해, 제네바 피구동 플레이트(27)는 로킹 플레이트 섹터(24)에 의해 회전에 있어 고정되어, 그 결과 스티어링 각도비는 도 5에 도시된 그래프상의 영역(110)으로 나타내어진 바와 같이 일정하다.

스티어링 각도비는 스티어링 휠 각도(θ)(101)에 대한 횡방향 변위(Δ)의 변화율에 비례하여 증가한다. 스티어링 휠 각도(101)에 대한 횡방향 변위(116)의 변화율은 기본적으로 스티어링 휠 각도(θ)(101)에 대한 제네바 피구동 플레이트(27)의 회전량 변화에 비례한다. 이 변화율은 도 8에 도시된 제네바 기구 맞물림의 한계점에서의 0값으로부터 도 6에 도시된 직선 구동위치에서의 최대치까지 변한다. 그러므로 스티어링 각도비의 증가도 제네바 기구 맞물림의 한계점에의 0값으로부터 직선 구동위치에서의 최대치까지 변한다.

거리(103)를 변화시키는 것은 스티어링 각도비 증가를 배가시킨다. 거리(103)가 최대이면 제네바 피구동 플레이트(27)의 회전량의 변화에 대한 횡방향 변위(Δ)(116)의 변화의 비율도 최대가 되고, 그 결과 스티어링 각도비의 증가도최대가 된다. 물론 거리(103)는, 거리(116)가 기구가 도 6에 도시된 바와 같은 직선 구동위치에 있을 때에 이송되는 피니언에 의해 이동되는 거리와 같아질 때까지, 더 증가될 수 있다. 이 위치에서 스티어링 각도는 순간적으로 무한대이다.

파워 스티어링 기어의 작동에 있어서, 토크 센서(9)(도 1)는 스티어링 칼럼(6)에 가해지는 입력 토크에 의해 신호를 생성하는 전기장치를 포함하고 있다. 일반적으로 최대 신호가 생성되어, 전기 모터(8)로부터 필요한 정도의 보조 출력 토크를 호출한다. 보통의 운전조건하에서 랙(1)에 최대 출력을 방생시키기 위해 요구되는 이 토크는 10 Nm 정도이다.

이 토크는 피니언(4)에 의해 피니언 캐리어(11)에 전달되어, 디텐트 장치(33)의 작동이 없다면 일반적으로 속도 레버(30)와 피니언 캐리어(11)가 도 3에 도시된 바와 같이 횡방향으로 이동하는 것을 야기한다. 하지만 디텐트 장치(33)가 10 Nm의 입력 토크까지 그와 같은 이동을 저지하도록 배열되어 있고, 그 입력 토크 이후에야 디텐트 장치는 굴복하여 피니언 캐리어(11)가 맞닿음부에서 멈출 때까지 피니언 캐리어(11)가 횡방향으로 이동하는 것을 허용한다.

도 11은 과부하가 제네바 기구(7)를 보호하기 위해 제네바 기구(7)를 우회하는 위치에서 도 3에 도시된 스티어링 기어를 도시하고 있다. 이제 디텐트 장치(33)의 작동이 보다 상세하게 설명된다.

보통의 운전조건하에서, 롤러(34)의 위치는 V-노치(37)에 의해 고정되고, 기구내의 횡방향 부하는 속도 레버(30)에 전달된 다음 롤러(34)로 전달된다. 축선방향 랙 부하(118)가 보통의 운전조건에 필요한 것보다 큰 스티어링 휠 토크(119)에상응하는 소정의 역치를 초과할 때는, 플런저(35)가 롤러(34)에 의해 상방으로 밀어지고, 피니언 캐리어(11)는 맞닿음부(121)에서 하우징(3)과 접촉할 때까지 횡방향으로 이동한다. 그런 다음 축선방향 랙 과부하가 부하 경로(122)로 도시된 바와 같이 하우징(3)으로 전달된다. 그러면 스티어링 기어내의 제네바 구동 핀(25), 제네바 피구동 플레이트(27), 속도 레버(30) 및 다른 구성요소들은 축선방향 랙 과부하를 받지 않는다. 기구는 대칭적으로 작동하여 그것을 축선방향 랙 과부하로부터 양 방향으로 보호한다.

제네바 기구(7)상에 부과되는 부하를 제한하기 위한 바이패스 수단으로서 작동하도록 디텐트 장치(33)를 구비하는 것은 100 Nm를 초과할 수도 있는 매우 높은 토크가 도로의 움푹 팬 구멍이나 연석 위에서의 전방 휠의 충격에 의해 스티어링 휠에 가해지거나 동급의 랙에 가해지는 곳에서 유익하다. 스티어링 기어 설계 시방서는 스티어링 기어가 상기 토크를 초과하여 테스트 힘을 충분히 견딜 수 있는 것을 요구한다.

상술한 실시예가 스티어링 휠 각도와 피니언 캐리어(11)의 작은 횡방향 이동거리 사이의 "소정된 전달 패턴"을 발생시키는 제네바 기구(7)를 설명하고 있지만, 이 제네바 기구(7)는 유사한 소정의 전달 패턴을 발생시킬 수 있는 또다른 기구에 의해 대체될 수도 있다. 한가지 그와 같은 기구로서는 데스모드로믹 캠 기구가 있다.

도 12는 제네바 기구 대신에 데모스드로믹 캠 기구를 사용하는 스티어링 기어의 제2 실시예의 간략도를 도시하고 있다. 도 12 상에 도시되지 않은 스티어링기어의 구성요소들은 도 2 및 3에 도시된 스티어링 기어와 동일하다.

도 12에 도시된 데스모드로믹 캠 기구를 도 4에 도시된 간략화된 제네바 기구를 비교하면, 데스모드로믹 캠(126a, 126b)은 제네바 구동 핀(25)과 로킹 플레이트 섹터(24)를 데체하고, 종동절 아암(127)은 제네바 피구동 플레이트(27)를 대체한다.

속도 레버(30)에 부착된 핀(29)은 종동절 아암(127)내에 형성된 슬롯(130)과 맞물림한다. 종동절 아암(127)으로부터 돌출하는 샤프트(128)는 축선(41) 둘레로 피니언 캐리어(11)내에 저널링된다. 수직방향 거리(103)는 축선(41)과 핀(29)의 축선(104) 사이의 거리이다. 거리(103)는, 제1 실시예와 유사한 방식으로, 서보 모터(31)에 의해 변화되어, 속도 레버(30)를 피벗(10)을 중심으로 경사지게 한다. 유사하게, 높은 차량 속도에서는, 거리(103)는 낮은 차량속도에서보다 크다.

종동절 아암(127)에 부착된 롤러(128a)는 캠(126a)을 추종하고, 롤러(128b)는 캠(126b)을 추종한다. 캠(126a, 126b)은 종동절 아암(127)을 스티어링 휠 각도(θ)(101)에 따라 소정의 크기만큼 회전시킨다. 양 캠(126a, 126b)은 종동절 아암(127)의 회전이 스프링 등을 사용하여 롤러(128a, 128b)를 캠 표면으로 가압할 필요 없이 항상 제어되도록 사용된다. 하나의 종동절 아아의 회전을 제어하기 위해 2개의 캠을 사용하는 이 배열은 데스모드로믹 캠 기구로서 널리 알려져 있다.

캠(126a, 126b)의 프로필(131a, 131b)은 각각 종동절 아암(127)에 스티어링 휠 각도(θ)(101)에 대해 도 4에 도시된 제1 실시예의 스티어링 기어에서의 제네바 피구동 플레이트(27)와 유사한 운동을 주도록 설계된다. 중앙 영역(111)의 바깥쪽에서, 캠 프로필은, 제네바 구동 핀(25)이 슬롯(26)으로부터 맞물림해제될 때 로킹 플레이트 섹터(24)에 의해 제네바 피구동 플레이트(27)의 회전을 고정시키는 것과 유사한 방식으로, 종동절 아암(127)의 회전을 고정된 상태로 유지하도록 설계된다. 이는 도 12에 도시된 데스모드로믹 캠 기구가 도 5에 도시된 제1 실시예에 대해 설명한 것과 유사한 소정의 전달 패턴을 주는 것을 의미한다.

도 13은 중앙 영역(111)의 한계점에서의 데스모드로믹 캠 기구를 도시하고 있고, 도 14는 최대 스티어링 휠 각도(101)에서의 데스모드로믹 캠 기구를 도시하고 있다.

여기서 사용되는 용어 "스티어링 휠"은 임의의 피벗식 또는 회전가능한 운전자 스티어링 입력 장치를 포함한다.

수많은 변경과 수정이 본 발명의 정신과 범위를 벗어남이 없이 본 발명에 대해 이루어질 수 있다는 것을 당업자는 알 것이다.

Claims

스티어링 각도비가 적어도 운전자에 의해 제공되는 스티어링 휠 각도 입력값과 차량 속도의 양자의 함수로서 변하고, 상기 스티어링 기어가 스티어링 기어 하우징에 대해 횡방향으로 변위가능한 랙을 포함하고 있는, 차량용 랙 앤 피니언 스티어링 기어에 있어서, 상기 스티어링 기어는 상기 랙과 맞물린 채로 대략 상기 랙의 이동방향으로 상기 하우징내에서 횡방향으로 이동가능한 피니언을 더 포함하고 있고, 상기 스티어링 각도비는 상기 랙의 이동의 양 측부 영역과 비교했을 때 상기 랙의 이동의 중앙 영역에서 증가되고, 상기 스티어링 각도비는 차량 속도가 증가함에 따라 상기 중앙 영역에서 더 증가되는 것을 특징으로 하는 차량용 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 1 항에 있어서, 상기 피니언은 대략 상기 랙의 이동방향으로 상기 스티어링 기어 하우징내에서 횡방향으로 이동가능한 피니언 하우징내에서 회전하도록 저널링되어 있어, 상기 트랙의 이동을 감소시키고, 가변량만큼 그 사이의 이동비를 최소화시키고, 상기 가변량은 중앙 직선 위치로부터의 피니언의 회전과 함께 감소하고, 또한 차량의 속도와 함께 감소하는 것을 특징으로 하는 차량용 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 1 항에 있어서, 상기 랙의 이동의 상기 중앙 영역에서 작용가능한 소정의전달 패턴에 따라 상기 피니언을 상기 하우징내에서 이동시키도록 상기 피니언에 접속되고 상기 랙의 이동의 상기 양 측부 영역에서 상기 피니언으로부터 접속해제되는 제1 기계적 링크장치 수단, 및 상기 중앙 영역내에서 상기 스티어링 각도비를 더 증가시키기 위해 차량 속도의 함수로서 상기 전달 패턴을 배가시키도록 되어 있는, 상기 제1 기계적 링크장치 수단에 접속된 제2 기계적 링크장치 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 차량용 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 3 항에 있어서, 피니언으로부터 랙으로 전달되거나 그 반대방향으로 전달되고 있는 부하가 소정값을 초과할 때 상기 제1 기계적 링크장치 수단 및 제2 기계적 링크장치 수단을 통해 전달되는 부하를 제한하도록 되어 있어, 상기 부하가 상기 랙과 상기 피니언에 의해서만 전달되도록 하는, 상기 제2 기계적 링크장치 수단에 접속된 바이패스 수단을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 차량용 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 4 항에 있어서, 상기 바이패스 수단은 상기 하우징에 접속된 디텐트 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 기계적 링크장치 수단은 제네바 기구를 포함하고, 상기 제네바 기구는 제1 샤프트로서 제1 핀을 이송하여 상기 제1 샤프트의 축선으로부터 오프셋시키는 상기 피니언과 함께 회전가능하고, 상기 제1 핀이 상기 제1 샤프트의 축선과 평행하고 상기 제1 샤프트의 축선으로부터 오프셋된 축선을 가진 제2 샤프트에 의해 이송되는 부재내의 하나의 방사상 슬롯과 맞물리도록 작동가능하게 되어 있는, 상기 제1 샤프트와, 상기 제2 샤프트와 함께 회전가능한 부재내의 추가적인 방사상 슬롯과, 상기 제2 슬롯내에 맞물려지고, 차량 속도에 따라 가변적인 상기 제2 샤프트의 축선에 대해 일정 거리를 둑 상기 하우징에 대해 횡방향으로 고정된 제2 핀을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 차량용 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하우징에 대해 피벗되는 레버를 더 포함하고 있고, 상기 제2 핀이 상기 레버에 고정되는 것을 특징으로 하는 차량용 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 6 항에 있어서, 상기 차량은 스티어링 휠의 운전자의 위치에 의해 그리고 차량 속도에 관하여 지시되는 방향 진로로부터 차량의 이탈을 검출하기 위한 검출 수단을 포함하고 있고, 상기 검출수단은 상기 제2 핀을 출력 신호에 응답하여 상기 하우징내에서 횡방향으로 이동시키기 위해 액추에이터 수단에 출력 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 차량용 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 기계적 링크장치는 한쌍의 데스모드로믹 캠을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
적어도 운전자에 의해 제공되는 스티어링 휠 각도 입력값과 차량 속도의 함수로서 차량의 로드 휠 스티어링 각도를 제어하기 위한 랙 앤 피니언 스티어링 기어로서, 스티어링 기어는 고정된 랙 하우징내에서 횡방향으로 변위가능한 랙과, 피니언 하우징내에서 회전하도록 저널링된 피니언을 포함하고 있고, 랙 하우징내에서의 랙의 변위는 로드 휠 각도를 결정하고, 피니언 하우징내에서의 피니언의 회전은 스티어링 휠 각도에 의해 결정되고, 스티어링 휠 각도의 변화와 로드 휠 각도의 변화 사이의 순간적인 비는 스티어링 휠 각도와 차량 속도의 함수로서 변하는 스티어링 비 특성을 한정하고, 피니언 하우징은 랙 하우징에 대한 횡방향 변위를 위해 저널링되어 있고, 액추에이션 수단이 적어도 스티어링 각도와 차량 속도의 크기의 함수로서 랙 하우징에 대한 피니언 하우징의 횡방향 변위를 결정하여, 그것에 의해 스티어링 비 특성을 결정하는 것을 특징으로 하는 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 10 항에 있어서, 상기 액추에이션 수단은 기계적 링크장치를 포함하고 있어, 스티어링 휠 각도의 크기와 관련한 변위 입력값과 차량 속도와 관련한 변위 입력값이 상기 링크장치에 가해질 때, 상기 링크장치는 상기 변위 입력값의 크기와 함께 변하는 랙으로의 동특성 출력값을 가지는 것을 특징으로 하는 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 11 항에 있어서, 상기 변위 입력값들 중 하나 또는 양자 모두가 전기 액추에이터 또는 유압 액추에이터에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 11 항에 있어서, 기계적 링크장치는 핀-슬롯 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 11 항에 있어서, 기계적 링크장치는 캠-종동절 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 11 항에 있어서, 기계적 링크장치는 높은 부하 조건시에 링크장치에 컴플라이언스를 제공하는 스프링 부하 요소를 포함하고 있어, 높은 부하 조건시에 기구를 손상으로부터 보호하는 것을 특징으로 하는 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 11 항에 있어서, 액추에이션 수단은 운전자에 의해 제공되는 스티어링 휠 각도 입력값에 독립적인 추가적인 입력값의 함수로서 랙 하우징에 대한 피니언 하우징의 횡방향 변위를 결정하는 것을 특징으로 하는 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 10 항에 있어서, 액추에이션 수단은 유압 액추에이터 또는 전기 액추에이터인 것을 특징으로 하는 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 10 항에 있어서, 스티어링 비 특성은 중앙 동작 영역의 양 측부의 스티어링 기어의 동작 영역에서 제공되는 스티어링 비보다 소정의 최대 증가량만큼 더 큰 중앙 구동과 관련한 스티어링 기어의 중앙 동작 영역의 스티어링 비를 제공하는 것을 특징으로 하는 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 18 항에 있어서, 상기 증가량은 높은 차량 속도에 대한 크기에 있어 더 큰 것을 특징으로 하는 랙 앤 피니언 스티어링 기어.
제 18 항에 있어서, 상기 증가량은 낮은 차량 속도에 대해 0의 값이거나 음의 값인 것을 특징으로 하는 랙 앤 피니언 스티어링 기어.