KR20040102888A - steering actuator of independent steer-by-wire system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 스티어 바이 와이어 시스템에 관한 것으로, 특히 독립형 스티어 바이 와이어 시스템의 구현을 위한 스티어링 액츄에이터에 관한 것이다.The present invention relates to a steering by wire system, and more particularly to a steering actuator for the implementation of a stand alone steering by wire system.
차량의 파워 스티어링 시스템은 유압식에서 전동유압식을 거쳐 현재는 전동식 파워스티어링 시스템이 널리 사용되고 있으며, 가까운 장래에 고도화된 전자제어에 의한 스티어 바이 와이어(steer-by-wire) 시스템이 실용화될 것이다.The vehicle's power steering system is hydraulic to electrohydraulic, and now electric power steering system is widely used, and in the near future, a steer-by-wire system by advanced electronic control will be put to practical use.
스티어 바이 와이어 시스템은 기존의 전동 파워 스티어링 시스템에서 스티어링 컬럼 부분을 제거하되, 스티어링휠에 토크와 조향각을 측정하는 센서를 설치하여 운전자의 조향의도를 감지하고, 이에 따라 별도로 설치된 모터 등의 액츄에이터를 작동시켜 조향력을 발생시키도록 된 것이다.Steer-by-wire system removes the steering column part from the existing electric power steering system, but detects the driver's steering intention by installing a sensor that measures torque and steering angle in the steering wheel, and accordingly, the actuator such as a motor It is operated to generate steering force.
즉, 스티어링 컬럼을 통한 직접적인 조향력 전달이 이루어지는 형태가 아니기 때문에 양측의 조향부가 링크를 매개로 기구적으로 연결되어 있을 필요가 없게 된다.That is, since the steering force transmission is not performed directly through the steering column, the steering parts on both sides do not need to be mechanically connected through the link.
따라서, 양측 조향부가 분리된 독립형 스티어 바이 와이어 시스템을 개발하여 엔진룸내에 보다 넓은 공간을 확보될 수 있도록 하고 있으며, 이를 위해서는 각각 독립된 양측 조향부에 조향력을 제공하되, 소형이고 경량일 것, 휠로부터 전달되는 힘에 의해 역으로 작동되지 않을 것, 안전을 위해 정밀제어가 가능할 것 등의 조건을 만족시키는 스티어링 액츄에이터가 필요하다.Therefore, by developing a separate steer-by-wire system with separate steering parts, it is possible to secure a wider space in the engine room. To this end, it is necessary to provide steering power to each of the independent steering parts. There is a need for a steering actuator that satisfies conditions such as not being reversed by the transmitted force, or capable of precise control for safety.
이에, 본 발명은 독립형 스티어 바이 와이어 시스템의 구현을 위해 상기 조건들을 만족하는 스티어링 액츄에이터를 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a steering actuator that satisfies the above conditions for implementing a standalone steer-by-wire system.
도 1은 독립형 스티어 바이 와이어 시스템의 개략 구성도,1 is a schematic configuration diagram of a standalone steer-by-wire system;
도 2는 본 발명에 따른 스티어링 액츄에이터의 구성도,2 is a block diagram of a steering actuator according to the present invention;
도 3은 도 2의 측면도이다.3 is a side view of FIG. 2.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**** Description of the symbols for the main parts of the drawings **
1 : 너클, 2 : 타이로드,1: knuckle, 2: tie rod,
3 : 스티어링휠, 4 : 조향제어신호 발생부,3: steering wheel, 4: steering control signal generator,
10 : 스티어링 액츄에이터, 11 : 하우징,10: steering actuator, 11: housing,
12 : 링기어, 13 : 초음파모터,12: ring gear, 13: ultrasonic motor,
13a : 고정자, 13b : 회전자,13a: stator, 13b: rotor,
14 : 핀, 15 : 유성기어,14: pin, 15: planetary gear,
16 : 선기어, 16a : 웜기어,16: sun gear, 16a: worm gear,
17 : 스티어링로드, 17a : 랙.17: steering rod, 17a: rack.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 차체에 고정되는 하우징, 이 하우징의 내측에 고정되는 링기어, 이 링기어에 고정된 고정자와 전류인가시 이 고정자에 대해 회전하는 회전자를 갖춘 초음파모터, 이 초음파모터의 상기 회전자에 핀을 매개로 설치되어 상기 링기어의 내주면에 치합되는 유성기어들, 외주면에 상기 유성기어들이 치합되고 내주면에 웜기어가 형성된 선기어, 이 선기어 내주면의 상기 웜기어에 상면에 형성된 랙이 치합되고 상기 하우징의 외부로 연장된 단부가 타이로드에 연결되는 스티어링로드를 포함하여 이루어진다.The present invention for achieving the above object is an ultrasonic wave having a housing fixed to the vehicle body, a ring gear fixed to the inside of the housing, a stator fixed to the ring gear and a rotor that rotates with respect to the stator when the current is applied Motor, planetary gears installed on the rotor of the ultrasonic motor via pins and engaged with the inner circumferential surface of the ring gear, sun gears with the planetary gears engaged with the outer circumferential surface and a worm gear formed on the inner circumferential surface, the worm gear on the inner circumferential surface of the sun gear The rack formed on the upper surface is engaged and includes an steering rod which is connected to the tie rod and an end extending out of the housing.
이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the present invention will be described in detail.
도 1은 독립형 스티어 바이 와이어 시스템의 개략 구성도로서, 휠이 장착된 너클(1)과, 이 너클(1)을 움직이는 타이로드(2)를 포함한 양측 휠의 조향부가 상호 연결되지 않고 독립적으로 구성되어 있음을 알 수 있다.1 is a schematic configuration diagram of a standalone steer-by-wire system, in which the steering portion of both wheels including a knuckle 1 equipped with a wheel and a tie rod 2 for moving the knuckle 1 is independently constructed without being interconnected; It can be seen that.
따라서, 엔진룸을 가로지르는 종래의 랙바나 그 외 링크들이 존재하지 않게 됨으로써 엔진룸내에 넓은 공간을 확보할 수 있게 된다.(미설명부호 3은 스티어링휠, 4는 토크센서, 조향각센서를 포함하여 이루어지는 조향제어신호 발생부이다.)Therefore, the conventional rack bar or other links that cross the engine room is not present, so that a large space can be secured in the engine room (not shown 3 includes a steering wheel, 4 a torque sensor and a steering angle sensor). Steering control signal generator.)
한편, 상기와 같이 양측 휠에 각각 독립적으로 구성된 조향부에 조향력을 가하기 위해서는 도시된 바와 같이, 타이로드(2)를 통해 조향력을 입력하는 스티어링 액츄에이터(10)가 필요하며, 본 발명에 따른 스티어링 액츄에이터(10)는 다음과 같이 구성된다.On the other hand, in order to apply the steering force to the steering portion independently configured to each of the two wheels as described above, as shown, a steering actuator 10 for inputting the steering force through the tie rods 2, the steering actuator according to the present invention (10) is comprised as follows.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 스티어링 액츄에이터(10)는 기본적으로 하우징(11)의 내부에 초음파모터의 고정자 및 회전자가 유성기어 어셈블리에 조합되어 있는 구조로 이루어진다.As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the steering actuator 10 basically has a structure in which a stator and a rotor of an ultrasonic motor are combined in a planetary gear assembly inside the housing 11.
상기 하우징(11)은 독립된 일측 조향부의 타이로드(2)에 연결되기 용이한 주변 차체(또는 프레임)의 적정한 위치에 장착된다.The housing 11 is mounted at an appropriate position of the peripheral vehicle body (or frame) which is easily connected to the tie rods 2 of the independent one side steering part.
상기 하우징(11)의 내주면에는 링기어(12)가 회전불가상태로 고정된다.The ring gear 12 is fixed to the inner circumferential surface of the housing 11 in a non-rotating state.
상기 링기어(12)의 일측면에 초음파모터(13)의 일구성부인 고정자(13a)가 일체로 결합된다.The stator 13a which is one component of the ultrasonic motor 13 is integrally coupled to one side of the ring gear 12.
상기 고정자(13a)의 측면에 이와 더불어 초음파모터(13)를 구성하는 회전자(13b)가 위치되며, 이 회전자(13b)에는 핀(14)을 매개로 유성기어(15)들이 회전가능하게 장착된다.A rotor 13b constituting the ultrasonic motor 13 is located on the side of the stator 13a, and the planetary gears 15 are rotatably connected to the rotor 13b via a pin 14. Is mounted.
상기 유성기어(15)들은 상기 링기어(12)의 내주면에 형성된 기어이와 이들의 내측부에 위치하는 선기어(16)의 외주면에 형성된 기어이에 동시 치합된다.The planetary gears 15 are simultaneously engaged with gears formed on the inner circumferential surface of the ring gear 12 and gear teeth formed on the outer circumferential surface of the sun gear 16 located inside them.
상기 선기어(16)의 내주면에는 웜기어(16a)가 형성되며, 이 웜기어(16a)에는 선기어(16)의 내측에 위치되는 스티어링로드(17)의 상부면에 형성된 랙(17a)이 치합된다.A worm gear 16a is formed on an inner circumferential surface of the sun gear 16, and a rack 17a formed on an upper surface of the steering rod 17 positioned inside the sun gear 16 is engaged with the worm gear 16a.
상기 스티어링로드(17)의 단부는 상기 하우징(11)의 외부로 연장되어 조향부의 입력단이 되는 타이로드(2)의 상호 회동가능한 상태로 연결된다.The end of the steering rod 17 is connected in a mutually rotatable state of the tie rod 2 extending to the outside of the housing 11 to become an input end of the steering portion.
이하, 본 발명의 작용을 설명한다.The operation of the present invention will be described below.
전술한 조향제어신호 발생부(4)에서의 센서출력은 별도의 제어유니트로 입력되고, 연산과정을 거쳐 최종적으로는 상기 초음파모터(13)에 공급되는 전류를 제어하게 된다.The sensor output from the steering control signal generator 4 is input to a separate control unit, and finally controls the current supplied to the ultrasonic motor 13 through a calculation process.
초음파모터(USM : ultrasonic motor)는 피에조일렉트릭 세라믹에 의하여 눌린 상태로 붙어 있는 고정자와 회전자로 이루어지는데, 상기 피에조일렉트릭 세라믹에 전기신호를 가하면 고정자는 타원형으로 진동(20kHz 이상의 초음파 진동)하게 되며 이 진동은 고정자에 압착되어 있는 회전자를 밀어내는 효과를 가져 온다. 이와 같은 원리에 의하여 회전자가 구동되며 피에조일렉트릭 세라믹에 가해주는 전기신호에 의하여 회전의 방향을 원하는 대로 바꿀 수 있으므로 스티어링 액츄에이터로 사용될 수 있다.An ultrasonic motor (USM) is composed of a stator and a rotor attached in a pressed state by piezoelectric ceramic. When an electrical signal is applied to the piezoelectric ceramic, the stator vibrates in an elliptical shape (ultrasonic vibration of 20 kHz or more). Vibration has the effect of pushing the rotor pressed against the stator. By the same principle, the rotor is driven and can be used as a steering actuator because the direction of rotation can be changed as desired by the electric signal applied to the piezoelectric ceramic.
따라서, 상기 고정자(13a)에 제어 전류를 인가하면 상기 회전자(13b)가 회전하게 되고, 이 회전자(13b)의 회전에 의해 상기 유성기어(15)가 고정된 링기어(12)의 내주면을 따라 공전하면서 자전하게 됨으로써 유성기어(15)에 치합된 선기어(16)가 회전하게 된다.(즉, 상기 회전자(13b)가 일반적인 유성기어 어셈블리에서 캐리어(carrier)의 역할을 하는 것으로 그 작동과정은 유성기어 어셈블리와 동일하다.)Therefore, when the control current is applied to the stator 13a, the rotor 13b rotates, and the inner circumferential surface of the ring gear 12 on which the planetary gear 15 is fixed by the rotation of the rotor 13b. By rotating while rotating along the rotation, the sun gear 16 engaged with the planetary gear 15 rotates (ie, the rotor 13b acts as a carrier in the general planetary gear assembly. The process is the same as for planetary gear assembly.)
이와 같이 상기 선기어(16)가 회전하면, 선기어(16) 내측에 형성된 웜기어(16a)와 스티어링로드(17)이 상면에 형성된 랙(17a)의 작용에 의하여 선기어(16)의 회전방향에 따라 상기 스티어링로드(17)가 전진 및 후진이동하게 되며, 이로써 스티어링로드(17)의 단부에 연결된 타이로드(2)를 밀거나 끌어 당기는 조작이 이루어질 수 있으므로 휠의 주행방향을 조정할 수 있게 된다.When the sun gear 16 is rotated as described above, the worm gear 16a and the steering rod 17 formed inside the sun gear 16 and the rack 17a formed on the upper surface of the sun gear 16 depend on the rotation direction of the sun gear 16. Since the steering rod 17 moves forward and backward, the driving direction of the wheel can be adjusted because an operation of pushing or pulling the tie rod 2 connected to the end of the steering rod 17 can be performed.
한편, 상기 초음파모터(13)는 1.저속&저토크(일반 모터가 고속&저토크 특성을 가지는데 비하여 초음파모터는 그 반대의 특성을 가지며, 스스로 10~100rpm의 저회전수로 작동이 가능하므로 별도의 감속기구를 필요로 하지 않는다.), 2.자체 고정(초음파모터는 전기신호가 가해지지 않을 경우 회전자가 강력한 고정상태를 유지한다. 따라서 자체로서 브레이크 역할을 하므로 별도의 자기 브레이크가 필요없다.), 3.고반응성과 고조정성(모터 자체의 관성이 작고 제동력이 크기 때문에 대단히 높은 반응성을 가지며, 1/1000초 미만의 극히 짧은 시간지연만을 갖고 있어서 조종성이 대단히 우수하여 고정밀의 위치제어 및 속도제어가 가능하다.), 4.무자기장(자성 부품을 사용하지 않으므로 자기장이 발생하지 않으며 또한 자기장의 영향도 받지 않는다.), 5.소형,경량,무소음(코일이 존재하지 않으므로 구조가 간단하고 가벼우며 소형제작이 가능하고, 또한 구동소음도 작다.)의 특성을 가지고 있어서, 독립형 스티어 바이 와이어 시스템의 스티어링 액츄에이터로서 갖추어야 할 상기 조건들(1.소형&경량일 것, 2.역전 방지될 것, 3.고정밀 제어가 가능할 것)을 모두 만족시킬 수 있는 최적의 조건을 가지고 있다.On the other hand, the ultrasonic motor 13 has a low speed & low torque (the general motor has a high speed & low torque characteristics, while the ultrasonic motor has the opposite characteristics, it can be operated at a low speed of 10 ~ 100rpm by itself Therefore, it does not need a separate deceleration mechanism.), 2.Self-fixing (Ultrasonic motors maintain a strong fixed state when no electric signal is applied.) Therefore, a separate magnetic brake is required because it acts as a brake by itself. High responsiveness and high controllability (The motor's own inertia and braking force make it very responsive. It has very short time delay of less than 1/1000 sec. And speed control.), 4.Magnetic field (No magnetic field is used, so no magnetic field is generated.) 5.Small size, light weight, With the characteristics of noise (no coil is present, the structure is simple, light, small size and small driving noise), the above conditions to be provided as a steering actuator of a stand alone steer-by-wire system (1. Lightweight, 2. Reversal prevented, 3. High precision control) can be satisfied.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 조건을 만족하는 스티어링 액츄에이터의 제공에 의해 좌우의 조향부가 분리되어 엔진룸내 공간의 추가 확보를 가능하게 하는 독립형 스티어 바이 와이어 시스템의 구현이 가능해지게 되는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, by providing a steering actuator that satisfies the condition, the left and right steering parts are separated, thereby enabling the implementation of a stand-alone steer-by-wire system that enables additional securing of space in the engine room.
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