KR20060124923A - 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치 - Google Patents

레이저와 실린더를 이용한 조향 장치 Download PDF

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KR20060124923A
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Abstract

본 발명은 자동차에 있어서 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치에 관한 것이다.
본 발명은 자동차의 조향 장치에 있어서, 운전자가 조작하는 조향휠; 상기 조향휠의 회전 중심에 일측이 연결되며 축 형상을 가지는 회전축; 상기 회전축에 설치되고 상기 회전축의 회전을 감지하기 위해 레이저 신호를 발생하고 감지하기 위한 제 1 감지부; 상기 제 1 감지부에서 감지된 상기 레이저 신호를 받아 분석하는 전자 제어 유닛; 상기 자동차의 타이로드에 연결되는 실린더바; 상기 실린더바의 위치 신호를 감지하기 위해 상기 실린더바에 설치되는 제 2 감지부; 링 형태로 상기 실린더바의 외주면에 밀착 고정되는 피스톤; 내부가 중공인 파이프 형상으로 내주면이 상기 피스톤의 외주면과 밀착되어 상기 피스톤과 습동하되, 일측과 타측에 유체 실링부를 갖는 실린더; 상기 실린더의 좌측과 우측에 설치되어 밀봉 기능을 하는 유체 실링부; 상기 실린더에 형성된 상기 실린더 홀에 일측이 연결되어 유체가 드나드는 좌측 유로 및 우측 유로; 상기 자동차의 엔진의 구동 에너지를 이용하여 가동되는 유체 펌프; 상기 유체 펌프에 연결되는 공급 유로 및 흡입 유로; 상기 흡입 유로에 연결되며 상기 유체를 저장하는 유체 탱크; 상기 유체 탱크에 연결되며 상기 유체가 회수되는 통로인 회수 유로; 및 상기 좌측 유로, 상기 우측 유로, 상기 공급 유로 및 상기 회수 유로에 각각 연결되며 상기 전자 제어 유닛으로부터 신호를 받아 상기 공급 유로에서 들어온 상기 유체의 유로를 제어하는 컨트롤 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 조향휠의 회전력을 전달하는 조향축 및 토션바를 대체하는 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치를 제공하는 것이다.
조향, 레이저, 실린더, 센서

Description

레이저와 실린더를 이용한 조향 장치{Steering System by Using Laser and Cylinder}
도 1은 종래의 유압 구동식 조향 장치의 개략도,
도 2a는 종래의 유압 구동식 조향 장치의 유압밸브의 내부 종단면도,
도 2b는 종래의 유압 구동식 조향 장치의 유압밸브의 내부 횡단면도,
도 2c는 종래의 유압 구동식 조향 장치의 유압밸브의 내부 작동 모습을 보여주는 내부 횡단면도,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 개략도,
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 제 1 감지부의 일부 사시도,
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 제 1 감지부의 제 1 센서 하우징 일부 단면도,
도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 중립 시스템의 일부 정면도,
도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 중립 시스템의 작동 과정도,
도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 중립 시스템의 일부 정면도,
도 4f는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 제 1 감지부의 일부 사시도,
도 4g는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 제 1 감지부의 제 1 센서 하우징 일부 정면도,
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 제 2 감지부의 일부 정면도,
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 제 2 감지부의 제 2 센서 하우징의 제 1 일부 상세도,
도 6a는 제 1 감지부가 발생시키는 신호의 예를 보여주는 그래프,
도 6b는 제 2 감지부가 발생시키는 신호의 예를 보여주는 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100: 기어 박스 111: 조향축
112: 조향휠 130: 유체 펌프
131: 유체 탱크 132: 엔진
133: 회수 유로 134: 공급 유로
135: 좌측 유로 136: 우측 유로
137: 흡입 유로 140: 피니언
141: 랙바 142: 실링부
143: 피스톤 145: 실린더
150: 타이로드 151: 너클암
152: 킹핀 153: 바퀴
160: 유압밸브 200: 토션바
201: 입력축 202: 밸브 바디
203: 유압밸브 하우징 204: 피니언 샤프트
300: 제 1 감지부 310: 회전축
344: 전자 제어 유닛 370: 제 2 감지부
371: 실린더 373: 고정부
375: 유체실 376: 실린더바
390: 컨트롤 밸브 410: 제 1 레이저 발생기
411: 제 1 센서 420: 제 1 센서 하우징
470: 중립 스프링 480: 중립선
490: 감쇠부 510: 제 2 레이저 발생기
520: 제 2 센서 525: 제 2 센서 하우징
A: 우측 챔버 B: 좌측 챔버
C: 우측 실린더 D: 좌측 실린더
본 발명은 자동차에 있어서 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 레이저를 이용하여 조향휠의 회전을 감지하여 실린더를 구동함으로써 조향휠의 회전을 피니언으로 전달하는 조향축과 랙 앤 피니언을 제거함으로써 조향 장치의 무게를 경량화하여 자동차의 연비를 상승시키고 설계 여유 공간을 확보할 뿐만 아니라 조향축을 따라 들어오는 진동과 소음을 원천적으로 제거하는 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치에 관한 것이다.
자동차의 안전성을 향상시키고 운전자의 조작 편의성을 위해서 자동차에는 다양한 장치가 설치되는데, 그 중에서 조향 장치는 운전자가 조향 핸들을 돌려 자동차의 진행 방향을 자유로이 바꿀 수 있게 하는 장치로서, 자동차의 앞 바퀴가 선회하는 회전 중심을 임의로 변경하여 원하는 방향으로 자동차를 진행시킬 수 있도록 보조하는 장치다.
조향 장치는 앞 차축이나 앞 바퀴 정렬과 밀접한 관계가 있으며, 자동차이 정지한 상태에서 바퀴를 조향시키기 위해서는 바퀴와 노면과의 마찰력보다 큰 힘을 주어야 하기 때문에 운전자는 큰 힘을 써야 한다. 특히 자동차의 중량이 큰 경우에 바퀴의 폭이 넓기 때문에 노면과의 마찰력은 크게 된다. 이러한 조향 장치에 있어서 운전자의 힘을 덜어주기 위해 동력 조향 장치(Power Steering System)가 추가된다. 동력 조향 장치는 크게 엔진의 힘을 이용하여 유압 펌프를 작동시켜 조향력을 보조하는 장치인데, 유압을 이용한 유압 구동식 조향 장치와 전기 모터를 이용한 모터 구동식 조향 장치가 있다.
유압 구동식 조향 장치는 조향휠의 회전을 감지하여 엔진에서 회전력을 받아 유압 펌프를 작동시키고 이 유압을 랙바 혹은 조향축에 보내어 운전자의 조향력을 보조해 주는 구조를 가진다.
모터 구동식 조향 장치는 조향휠의 회전을 감지하여 랙 혹은 조향축에 설치되어 회전 운동을 도와주는 모터를 가동시켜 조향 장치가 원활하게 작동되도록 한다. 모터 구동식 조향 장치는 크게 랙 구동형(R-EPS)과 조향축 구동용(C-EPS)이 있다.
자동차의 진행 방향을 운전자의 의도대로 변경하기 위해 사용되는 조향 장치에서 조향축의 회전 운동을 타이로드의 선 운동으로 바꾸는 방법은 크게 랙 앤 피니언형과 볼 앤 너트형으로 나누어지는데, 통상적으로 랙바와 피니언을 포함하는 조향 장치를 랙 앤 피니언형 조향 장치라고 부르는데, 랙 앤 피니언형 조향 장치는 운전자가 조향휠을 원하는 방향으로 회전시키면 조향휠에 연결된 조향축이 회전하면 조향축에 연결된 피니언이 회전하고, 피니언이 회전하면 피니언 기어와 치합된 랙바가 조향축에 수직인 직선 방향으로 움직이게 됨으로써, 랙바가 타이로드에 힘을 전달하여 너클암이 킹핀을 중심으로 회전하도록 하여 자동차 바퀴가 조향되도록 하는 구조를 갖는다.
랙 앤 피니언형 조향 장치는 조향축에 직접 연결되어 있는 피니언 기어의 움직임이 직접적으로 랙으로 전달되기 때문에 조향휠의 움직임에 조향 바퀴가 직접적으로 반응하는 구조로 되어 있으며 구조가 간단하고 중량이 가벼워 소형차의 전륜 구동 자동차에 널리 사용되고 있다.
조향 장치는 운전자가 조향휠을 원하는 방향으로 회전시키면 조향 휠에 연결 된 조향축이 회전하며 조향축은 유니버셜 조인트를 통하여 랙과 피니언 기어로 구성되는 기어박스에 회전력을 전달한다.
운전자가 조작하는 조향휠의 회전 중심에 연결되어 긴 축 모양을 가지는 조향축은 일반적으로 양단에 두 개의 훅 조인트와 하나의 슬립 조인트를 포함하여 구성된다. 훅 조인트는 두 축이 일정한 각도로 교차하고 있을 때 흔히 사용되는 이음 수단이며, 일정한 각도로 교차한 두 축의 각도가 운전 중에 변하여도 무방하도록 설계되는데, 대략 30도 이내에서 조향축의 굴절이 가능하다. 한편, 슬립 조인트는 조향축의 회전력을 전달하되 조향축 방향으로 작용하는 일정 강도 이상의 힘에 의해 축이 신축될 수 있도록 하는 기능을 가진다.
위와 같이 조향축은 훅 조인트와 슬립 조인트를 포함하여 구성되어 조향휠의 회전력을 피니언으로 전달하는 기능을 하지만, 조향축은 전체적으로 구조가 복잡하며 자동차에서 비교적 큰 공간을 차지하고 있어 자동차 설계에 어려움을 줄 뿐만 아니라 비교적 큰 비틀림 응력을 견디기 위해서 강성이 큰 금속 재질을 사용하기 때문에 중량이 많이 나가는 문제점도 있다. 뿐만 아니라 조향축을 고정하는 조향 칼럼 등과 같은 보조 장치도 추가되어야 하는 문제점도 있다.
일반적으로 바퀴와 노면의 마찰력이 없을 경우 운전자가 조향축을 회전시키면 조향축이 회전하고 조향축 끝 단에 피니언이 회전하게 된다. 피니언은 기어치가 형성되어 있는데 이 기어치와 치합되는 기어치가 형성된 랙바는 피니언이 회전함에 따라 좌우로 직선 운동하게 된다. 따라서 랙바가 우측으로 움직일 때는 바퀴는 좌측으로 조향되고 랙바가 좌측으로 움직일 때는 바퀴는 우측으로 조향되게 된다.
또한, 조향축의 회전 운동을 랙바의 직선 운동으로 바꾸어 주는 랙바와 피니언을 구성하는 피니언 기어치와 랙바의 기어치는 형상이 복잡하고 치수 정밀도가 높아야 하기 때문에 제작과 조립에 상당한 주의가 필요하다. 이 때문에 자동차 가격이 상승할 뿐만 아니라 고강성 금속재료가 사용되어 자동차의 무게를 증가시켜 연비를 악화시킨다.
뿐만 아니라, 노면에서 바퀴에 전달된 진동은 너클암, 타이로드, 랙바, 피니언, 조향축 및 조향휠로 전달되어 운전자에게 불쾌감을 주게 되는데, 이러한 문제점을 해결하기 위해서 조향 장치에 진동 흡수 구조가 구비되지만, 근본적으로 진동을 완전히 해소하는 못하고 있는 것이 사실이다. 특히 바퀴에서 조향휠로 이어지는 부분은 상호 기계적으로 밀접하게 연결되어 있어 진동 소음 전달 문제점을 해결하는데 한계가 있다.
도 1은 종래의 유압 구동식 조향 장치의 개략도로서, 조향휠(112), 조향축(111), 유압밸브(160), 기어 박스(100), 피니언(140), 랙바(141), 랙바 컬럼(145), 피스톤(143), 실링부(142), 타이로드(150), 너클암(151), 킹핀(152), 바퀴(153), 유체 펌프(130), 유체 탱크(131), 엔진(132), 회수 유로(133), 공급 유로(134), 우측 유로(135), 좌측 유로(136) 및 흡입 유로(137)를 포함하여 구성된다.
도시한 것과 같이 유압 구동식 조향 장치는 엔진(132)에서 발생시킨 동력 에너지를 유체 펌프(130)에 전달하여 유체 탱크(131)에 저장된 유체를 중공의 유로를 형성하는 흡입 유로(137)를 통하여 흡입한 후 공급 유로(134)를 통해서 유압밸브(160)로 공급하는 방법으로 엔진(132)의 구동력을 이용하여 유압을 발생시킨다.
구성 요소를 유압밸브(160) 기준으로 전단과 후단으로 구분하면, 전단은 유체 펌프(130)에서 공급되는 유체가 유로가 되는 공급 유로(134), 공급 유로(134)를 통해서 공급된 유체가 회수되는 회수 유로(133)와 공급 유로(134)에 유체를 공급하는 유체 펌프(130), 유체 펌프(130)에 에너지를 공급하는 엔진(132), 유체 펌프(130)가 유체를 흡입하는 흡입 유로(137), 일측은 회수 유로(133)와 연결되어 있고 타측은 흡입 유로(137)와 연결되어 회수된 유체가 흡입 유로(137)로 가기 전에 임시로 머무는 유체 탱크(141)로 구성된다.
유압밸브(160)의 후단은 랙바(141)의 외주면에 랙바(141)의 좌우 직선 운동을 가이드하는 중공 형상을 가지며 랙바(141)를 감싸는 랙바(141) 컬럼, 랙바(141)가 좌우 직선 운동할 때 링 형태로 내주면이 랙바의 외주면에 고정되며 외주면이 랙바 컬럼(145)의 내주면과 상대 피스톤 운동하는 피스톤(143), 랙바 컬럼(145)의 길이 방향으로 피스톤(143)을 중심으로 좌우 양쪽으로 랙바 컬럼(145)에 고정되며 랙바(141)에 밀착되어 연동되어 랙바(141)가 좌우 직선 운동할 때 랙바(141)를 감싸면서 유체의 누유를 막는 실링부(142), 랙바 컬럼(143)에서 피스톤(143)을 중심으로 좌우 양쪽의 유체 실링부(142) 사이에 좌측 챔버(A)와 우측 챔버(B)가 형성된다. 좌측 우측 챔버(A, B)에 있어서 랙바(141) 컬럼에 가공된 좌측 챔버 홀은 우측 유로(136)에 연결되고 우측 챔버 홀은 좌측 유로(135)에 연결됨으로써 구성된다.
도시한 것과 같이 유압 구동식 조향 장치에 있어서, 유압밸브(160)는 유체 펌프(130)에서 보낸 유체를 제어하는데, 평상시 조향 장치가 작동하지 않을 경우에는 공급 유로(134)에서 공급된 유체를 회수 유로(133)로 보내지만 운전자가 조향휠 (112)을 우회전시킬 경우 공급 유로(134)에서 공급된 유체를 우측 유로(136)로 보내어 우측 챔버(A)가 팽창하여 랙바(141)가 좌측으로 움직이게 되고 결국 자동차가 우측으로 조향될 수 있도록 하는 기능을 한다.
도 2a는 종래의 유압 구동식 조향 장치의 유압밸브의 내부 종단면도로서, 기어 박스(100), 조향축(111), 피니언(140), 랙바(141), 토션바(200), 입력축(201), 밸브 바디(202), 유압밸브 하우징(203), 피니언 샤프트(204), 공급 유로(134), 회수 유로(133), 좌측 유로(135), 우측 유로(136)를 포함하여 구성된다.
도시한 것과 같이 기어 박스(100)는 조향축(111)에 연결되는 피니언(140)의 회전 운동을 랙바(141)의 직선 운동으로 전환시키는 구조로 되어 있는데, 입력축(201)의 내부는 중공 형상으로 일측이 조향축과 연결된다. 토션바(200)는 축 형상으로 일측이 입력축(201)의 내부 중공으로 들어가서 고정되어 조향축(111), 입력축(201)과 연동되고 타측은 중공의 입력축(201)보다 길이가 길어서 입력축(201)의 타측으로 튀어나온 부분을 가진다. 또한, 이 타측으로 튀어나온 부분을 감싸서 고정 연결되는 피니언 샤프트(204)는 랙바(141)와 치합되는 피니언(141)을 갖는다. 따라서, 조향휠(112)을 회전시키면 입력축(201), 토션바(200), 및 피니언 샤프트(204) 및 피니언(140)이 회전하는 구조를 가진다. 토션바(200)는 일단측이 입력축(201)에 고정되고 타단측은 피니언(140)과 연동되는 피니언 샤프트(204)에 고정되는데, 토션바(200)는 조향축(111)과 피니언 샤프트(204) 사이에 생기는 회전 차로 생기는 비틀림을 발생시키는 일종의 스프링으로서, 이러한 토션바(200)의 비틀림으로 유압밸브(160)의 유로를 변경시키는 기능을 가진다.
입력축(201)의 외주면에는 중공 형상의 밸브 바디(202)가 감싸고 있는데, 피니언 샤프트(204)와 고정 연동되어 회전한다. 즉, 피니언 샤프트(204), 피니언(140), 밸브 바디(202)는 연동되어 회전하는 구조를 가진다. 또한, 밸브 바디(202)의 외주면에는 유압밸브 하우징(203)이 감싸고 있는데, 이 유압밸브 하우징(203)에는 공급 유로(134), 회수 유로(133), 좌측 유로(135) 및 우측 유로(136)가 형성되어 있다. 조향 장치가 작동하지 않을 경우에는 공급 유로(134)를 통해서 들어온 유체가 회수 유로(133)를 통해서 나가지만, 조향축(111)이 회전하여 토션바(200)에 비틀림이 생길 경우 입력축(201)의 외주면과 밸브 바디(202)의 내주면 사이에 회전차이에 의해서 생기는 유로의 변화로 공급 유로(134)로 공급된 유체가 좌측 유로(135)나 우측 유로(136)로 보내지게 된다.
바퀴와 노면의 마찰력으로 인하여 피니언(140)은 일정 이상의 회전력을 가해야 돌아가는데 운전자가 조향휠(112)을 우측으로 회전시키면 이에 따라 입력축(201)도 우측으로 회전하지만, 피니언(140)이 회전하지 않을 경우 일측이 입력축(201)과 고정 연결되어 있고 타측이 피니언(140)과 연결된 피니언 샤프트(204)에 연결되어 있는 토션바(200)는 비틀리게 된다. 결국, 밸브 바디(202)는 피니언 샤프트와 연결 고정되어 회전하지 않고 조향축(111)에 연결되어 입력축(201)과 토션바(200)의 일단만 회전하게 된다. 따라서 입력축(201)과 밸브 바디(202)사이에 토션바(200)의 비틀림 만큼 회전 차이가 생겨서, 밸브 바디(202)의 내주면과 입력축(201)의 외주면 사이에 형성된 홈의 단 차가 발생하게 된다. 결국, 유체의 유로가 변경되어 공급 유로(134)로 들어온 유체가 우측 유로(136)로 공급되어 랙바(141)의 좌측 챔버(A)가 팽창한다. 따라서, 랙바(141)가 좌측으로 움직이게 되어 바퀴가 우측으로 조향되게 되는 것이다. 단, 토션바의 비틀림이 해소되는 시점까지만 우측으로 조향되고 멈추게 된다.
도 2b는 종래의 유압 구동식 조향 장치의 유압밸브의 내부 횡단면도로서, 조향휠측에서 토션바(200)를 바라본 모습으로 입력축(201), 토션바(200), 밸브 바디(202), 밸브 하우징(203)을 포함하여 구성된다. 조향 장치가 작동되지 않을 경우에는 입력축(201)의 외주면과 밸브 바디(202)의 내주면 사이에 회전 차이가 없어서 공급 유로(134)를 통해서 들어온 유체가 밸브 바디(202)의 내주면에 형성된 홈을 통하여 토션바(200)의 길이 방향으로 이동하여 회수 유로(133)로 이동하게 된다.
도 2c는 종래의 유압 구동식 조향 장치의 유압밸브의 내부 작동 모습을 보여주는 내부 횡단면도로서, 도시한 것과 같이 조향휠이 우측으로 회전하여 입력축(201)과 밸브 바디(202) 사이에 회전 차이가 발생하여 공급 유로(134)를 통해서 들어온 유체가 밸브 바디(202)의 내주면에 형성된 홈과 입력축(201)의 외주면에 형성된 홈을 통해서 우측 유로(136)로 공급되게 된다. 따라서 우측 챔버(A)에 공급된 유체의 압력으로 피스톤(143)을 포함하는 랙바(141)가 좌측으로 움직이고 바퀴는 우측으로 조향되게 되는 것이다. 단, 좌측 챔버(B)에 있던 유체는 좌측 유로(135)를 통해서 밸브 바디(202)로 유입되며 결국, 회수 유로(133)를 통해서 유체 탱크(131)로 순환되게 된다.
도시한 것과 같이 유압밸브를 구성하는 입력축(201), 토션바(200) 및 밸브 바디(202)의 구조가 복잡하기에 제작 및 조립이 어려우며, 강성이 큰 금속 재질을 사용하기 때문에 무게가 많이 나가는 문제점이 있을 뿐만 아니라 토션바의 기계적인 비틀림에 의존하여 조향 장치가 작동되기 때문에 정밀도를 높이는데 한계가 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 레이저를 이용하여 조향휠의 회전을 감지하여 실린더를 구동함으로써 조향휠의 회전을 피니언으로 전달하는 조향축과 랙 앤 피니언을 제거함으로써 조향 장치의 무게를 경량화하여 자동차의 연비를 상승시키고 설계 여유 공간을 확보할 뿐만 아니라 조향축을 따라 들어오는 진동과 소음을 원천적으로 제거하는 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 운전자가 조작하는 조향휠; 상기 조향휠의 회전 중심에 일측이 연결되며 축 형상을 가지는 회전축; 상기 회전축에 설치되고 상기 회전축의 회전을 감지하기 위해 레이저 신호를 발생하고 감지하기 위한 제 1 감지부; 상기 제 1 감지부에서 감지된 상기 레이저 신호를 받아 분석하는 전자 제어 유닛; 상기 자동차의 타이로드에 연결되는 실린더바; 상기 실린더바의 위치 신호를 감지하기 위해 상기 실린더바에 설치되는 제 2 감지부; 링 형태로 상기 실린더바의 외주면에 밀착 고정되는 피스톤; 내부가 중공인 파이프 형상으로 내주면이 상기 피스톤의 외주면과 밀착되어 상기 피스톤과 습동하되, 일측과 타측에 유체 실링부를 갖는 실린더; 상기 실린더의 좌측과 우측에 설치되어 밀봉 기능 을 하는 유체 실링부; 상기 실린더에 형성된 상기 실린더 홀에 일측이 연결되어 유체가 드나드는 좌측 유로 및 우측 유로; 상기 자동차의 엔진의 구동 에너지를 이용하여 가동되는 유체 펌프; 상기 유체 펌프에 연결되는 공급 유로 및 흡입 유로; 상기 흡입 유로에 연결되며 상기 유체를 저장하는 유체 탱크; 상기 유체 탱크에 연결되며 상기 유체가 회수되는 통로인 회수 유로; 및 상기 좌측 유로, 상기 우측 유로, 상기 공급 유로 및 상기 회수 유로에 각각 연결되며 상기 전자 제어 유닛으로부터 신호를 받아 상기 공급 유로에서 들어온 상기 유체의 유로를 제어하는 컨트롤 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 개략도로서, 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치는 조향휠(112), 회전축(310), 제 1 감지부(300), 전자 제어 유닛(344), 컨트롤 밸브(390), 실린더(374), 실린더바(376), 제 2 감지부(370), 고정부(373), 실링부(375), 유체 탱크(131), 유체 펌프(1301), 공급 유로(134), 회수 유로(133), 흡입 유로(137), 좌측 유로(135), 우 측 유로(136), 좌측 실린더(D), 우측 실린더(C), 유체실(375) 및 타이로드(150)를 포함하여 구성된다.
도시한 것과 같이 조향휠(110)의 회전 중심부가 회전축(310)의 일측에 연결되고 회전축(310)의 타측에는 제 1 감지부(300)가 연결되어 구성되는데, 제 1 감지부(300)는 조향휠(110)의 회전을 감지하여 전자 제어 유닛(344)에 신호를 보내는 기능을 한다. 또한, 유체를 저장하는 유체 탱크(131), 엔진(132)에서 힘을 받아 구동되는 유체 펌프(130), 유체 펌프(130)가 유체 탱크(131)로부터 유체를 흡입하기 위한 흡입 유로(137), 유체 탱크(131)에 일단이 연결되어 유체가 회수되는 회수 유로(133), 유체 펌프(130)에 일단이 연결된 공급 유로(134), 일단이 우측 실린더(C)에 연결된 우측 유로(136), 일단이 좌측 실린더(D)에 연결된 좌측 유로(135), 우측 유로(136)와 좌측 유로(135)에 각각 연결되며 공급 유로(134)의 타측 및 회수 유로(133)에 또한 각각 연결되어 공급 유로(134)에서 받은 유체를 전자 제어 유닛의 구동신호를 받아 회수 유로(133) 혹은 좌측 유로(135) 혹은 우측 유로(136)로 유체의 길을 안내하는 컨트롤 밸브(390)를 포함한다.
피스톤(143)은 타이로드(150)에 연결된 실린더바(376)의 외주면과 밀착 고정되는 내주면을 가지고 링 형태로 매끈한 외주면을 가진다. 실린더(374)는 이 피스톤(143)을 감싸는 중공의 파이프 형상으로 피스톤(143)과 습동 밀착되는 구조를 가지며, 실린더바(376)가 관통하는 부분 이외에는 양단이 밀봉되어 있다. 실린더(371)를 양쪽으로 관통하여 나온 실린더바(376)는 자동차의 좌우 타이로드(150)와 연결되며 제 2 감지부(도 5a, 5b에서 실시예를 설명)를 포함한다. 제 2 감지부 (370)는 실린더바(376)의 위치 신호를 감지하여 전자 제어 유닛(344)에 보내는 기능을 한다.
실린더(371)에서 피스톤(143)을 중심으로 좌측 실린더(D)와 우측 실린더(C)가 형성되고, 피스톤의 이동 범위를 제외한 좌측 실린더(D)와 우측 실린더(C)에는 중심축에서 실린더(371) 내주면 수직 방향으로 좌측 실린더 홀과 우측 실린더 홀이 형성되는데, 좌측 실린더 홀은 좌측 유로와 연결되고 우측 실린더 홀은 우측 유로와 연결된다.
운전자가 자동차의 시동을 걸 경우 엔진(132)이 구동되고 엔진(132)의 회전력을 받은 유체 펌프(130)가 가동되고 유체로 채워진 유체 탱크(131)에서 유체를 흡입하여 공급 유로(135)를 통해 유체가 공급되는데, 유체를 공급받은 컨트롤 밸브(390)는 전자 제어 유닛(344)의 구동 신호를 받아 회수 유로(133), 우측 유로(136) 혹은 좌측 유로(135)로 유체를 공급하게 된다. 조향 장치가 구동되지 않을 경우 컨트롤 밸브(390)가 유체 펌프(130)에서 공급 유로(134)를 통해서 공급된 유체의 방향을 회수 유로(133)로 유지하지만, 전자 제어 유닛(344)에서 보낸 신호를 받은 컨트롤 밸브(390)가 공급 유로(134)를 통해서 받은 유체를 좌측 유로(135)로 보낼 경우 좌측 실린더(D)에 유체가 공급되어 피스톤(143)과 연동되는 실린더바(376)가 우측으로 움직임으로써, 실린더바(376)가 타이로드(150)를 밀어내고 너클암은 킹핀을 중심으로 시계 반대 방향으로 회전하게 되어 바퀴가 좌측으로 조향되게 된다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 제 1 감지부의 일부 사시도로서, 제 1 감지부(300)는 회전축(310), 제 1 레이저 발생 기(410), 제 1 센서 하우징(420) 및 고정부(373)를 포함하여 구성된다.
도시한 것과 같이 축 형상을 가지는 회전축(310)의 일측은 조향휠(112)의 회전 중심축에 연결되며 그 원통 외주면 상에 제 1 레이저 발생기(410)를 가진다. 제 1 레이저 발생기(410)는 회전축(310)에서 외주면의 수직 방향으로 레이저 신호를 보내는 구조를 가지며, 조향휠(110)을 회전시키면 외주면을 따라서 회전하게 된다.
제 1 센서 하우징(420)은 중공 형상으로 회전축(111)의 외주면을 감싸는 구조로 제 1 레이저 발생기(410)가 회전축(111)의 외주면을 따라 회전하면서 외주면에 직각방향으로 보내는 레이저 신호를 받아서 전자 제어 유닛(344)에 센서 신호를 보내주는 제 1 센서(411)를 내주면에 하나 이상을 포함한다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 제 1 감지부의 제 1 센서 하우징 단면도로서, 하우징(420)의 내면을 보여준다.
도시한 것과 같이 제 1 센서 하우징(420)의 내주면에는 제 1 레이저 발생기(410)가 발생시키는 레이저가 조사되는 이동선상에 위치하여 제 1 레이저 발생기(410)의 레이저 신호를 받는 제 1 센서(411)를 포함하는데, 제 1 센서(411)는 가1, 가2, 가3, 가4, 가5,...,가360을 포함하여 총 360개로 이루어져 있다. 각각의 제 1 센서(411)는 제 1 레이저 발생기(410)의 신호를 받아 각각의 제 1 센서에 따른 센서 신호를 발생시킨다(도 6a와 6b에서 설명). 각각의 제 1 센서(410)는 조향휠(110)의 회전에 따라 위치가 변하는 제 1 레이저 발생기(410)의 신호를 받아 각각 다른 신호를 전자 제어 유닛(344)에 보내어 조향휠(110)의 회전을 감지하는 것을 특징으로 한다.
도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 중립 시스템의 일부 정면도로서, 중립 시스템은 조향휠(112), 회전축(310), 중립 스프링(470) 및 중립선(480)을 포함하여 구성된다.
도시한 것과 같이 조향휠(110)의 중립 상태에서 회전축(111)의 외주면에는 고정된 중립선(480)이 포함되는데, 중립선(480)은 조향휠(110)을 최대한 좌측 혹은 우측으로 회전시켰을 때 회전축(111)을 감고 남을 만큼의 길이를 가지며 강성이 있는 재질로 제작된다. 조향휠(110)의 중립 상태에 있어서 중립선(480)의 일단은 회전축(111)의 외주면에 수직으로 연결되며 타단은 중립 스프링(470)의 일단에 연결되어 있으며 중립 스프링(470)의 타단은 차체에 고정된다.
도 4d는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 중립 시스템의 작동 과정도로서, 조향휠(110) 측에서 회전축(111)의 축 방향으로 바라본 모습으로 위에서부터 각각 조향휠(110)의 좌회전 상태, 중립 상태, 우회전 상태를 각각 보여준다. 평소에는 가운데 도면과 같이 중립 상태로 중립 스프링(470)이 중립선(480)을 팽팽하게 당기고 있지만, 조향휠(110)을 좌측으로 돌리면 위 도면과 같이 중립선(480)이 회전축에 말리도록 하여 중립 스프링(470)을 더 팽팽하게 당기는 구조이고, 조향휠(110)을 우측으로 돌리면 중립선(480)이 회전축(111)에 말리도록 하여 중립 스프링(470)을 팽팽하게 당기는 구조이다. 이러한 경우 중립 스프링(470)이 중립선(480)을 강하게 잡아당기므로 조향휠(110)이 회전한 반대 방향으로 토크를 주는 구조를 갖기 때문에 조향휠(110)을 회전시킨 후 조향휠(110)에서 손을 뗄 경우 중립 상태로 돌아오게 되는 것이다.
도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 중립 시스템의 일부 정면도로서, 중립 시스템의 제 1 실시예와 같으나 중립 스프링(470)에 댐퍼(490)가 추가되어 구성된다.
중립 스프링(470)의 탄성 복원력에 의해서 조향휠(110)을 좌측으로 돌린 상태에서 운전자가 조향휠(110)에서 손을 뗄 경우 우측으로 돌아 중립 상태로 한번에 되돌아 와야 하지만, 관성에 의해서 중립 상태에서 멈추지 않고 다시 우측으로 회전한 후 중립으로 돌아오는 것, 즉 오버 슈팅(Over Shooting)이 문제가 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 중립 스프링(470)의 일측과 단측에 감쇠 댐퍼(490)를 설치하여 중립 스프링에 감쇠력을 주는 구조를 갖도록 한다. 또한, 회전축에 일정한 마찰력을 주어 돌발적인 조향휠의 회전을 방지하는 장치도 추가할 수 있을 것이다.
따라서, 조향휠을 회전시키면 조향휠과 함께 회전하는 제 1 레이져 발생기가 발생시키는 레이저로 조향휠의 회전을 감지하게 된다.
도 4f는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 제 1 감지부의 일부 사시도로서, 조향휠(110), 제 1 레이저 발생기(410), 회전축(310), 제 1 센서 하우징(420) 및 고정부(373)를 포함하여 구성된다.
제 1 레이저 발생기(410)는 조향휠(110)에 설치되어 조향휠(110)과 함께 회전하는 구조를 가진다. 또한, 제 1 레이저 발생기(410)는 도시한 것과 같이 회전축(310) 방향으로 레이저를 발생시키는 구조를 가지고 있다.
제 1 레이저 발생기(410)에서 발생시킨 레이저의 회전 이동 선상에 구성되는 제 1 센서(411)를 포함하는 제 1 센서 하우징(420)이 설치되어 레이저를 받아 조향휠(110)의 회전을 감지하게 된다.
도 4g는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 제 1 감지부의 다른 제 1 센서 하우징 정면도로서, 하우징(420)의 일면을 보여준다.
도시한 것과 같이 제 1 센서 하우징(420)의 일면에는 제 1 레이저 발생기(410)가 발생시킨 레이저가 조사되는 이동선상에 위치하여 제 1 레이저 발생기(410)의 레이저 신호를 받는 제 1 센서(411)를 포함하는데, 제 1 센서(411)는 가1, 가2, 가3, 가4, 가5,...,가360을 포함하여 총 360개로 이루어져 있다. 각각의 제 1 센서(411)는 제 1 레이저 발생기(410)의 신호를 받아 각각의 제 1 센서에 따른 센서 신호를 발생시킨다(도 6a와 6b에서 설명). 각각의 제 1 센서(410)는 조향휠(110)의 회전에 따라 위치가 변하는 제 1 레이저 발생기(410)의 신호를 받아 각각 다른 신호를 전자 제어 유닛(344)에 보내어 조향휠(110)의 회전을 감지하는 것을 특징으로 한다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 제 2 감지부의 일부 정면도로서, 제 2 감지부는 제 2 레이저 발생기(510), 제 2 센서(520), 제 2 센서 하우징(525), 고정부(373), 전자 제어 유닛(344), 실린더바(376), 유체실(375) 및 실린더(371)를 포함하여 구성된다. 조향 장치가 작동되어 실린더바(376)가 좌우 길이 방향으로 직선 운동하는 데 있어서, 제 2 센서 하우징(525)은 실린더바(376)의 외주면 수직 방향으로 레이저를 발생시키는 제 2 레이저 발생기(510)의 레이저 신호를 받는 하나 이상의 제 2 센서(520)를 포함하는데, 제 2 센서(520)는 제 2 레이저 발생기(510)가 보낸 레이저 신호를 수신한 후 수신한 레이저 신호를 그대로 또는 전기적인 신호로 변환하여 센서 신호를 생성하고 이 센서 신호를 전자 제어 유닛(344)에 전송한다.
도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치의 제 2 감지부의 제 2 센서 하우징의 제 1 일부 상세도로서, 360개의 제 2 센서(520)를 포함하는 제 2 센서 하우징(525)을 보여준다. 각각의 제 2 센서(520)는 고유의 특성이 있어서 제 2 레이저 발생기(510)에서 보낸 레이저 신호를 받으면 각각 다른 센서 신호를 방출하게 된다. 도시한 것과 같이 제 2 센서는 나1, 나2, 나3,...,나360으로 구성된다.
도 6a는 제 1 감지부가 발생시키는 신호의 예를 보여주는 그래프로서, 제 1 감지부의 제 1 센서(411), 즉 가1, 가2,...,가360은 각각 레이저 신호를 받았을 때 각각 A1, A2, A3,..,A360의 센서 신호를 발생시켜 전자 제어 유닛에 전송한다. 도시한 것과 같이 현재 조향휠(110)에 연결된 회전축(310)에서 제 1 레이저 발생기(410)가 레이저를 조사한 센서는 제 1 센서(411) 중에 가5인데, 제 1 센서(411) 중 가5는 A5의 센서 신호를 전자 제어 유닛(344)에 보내는 상태이다.
도 6b는 제 2 감지부가 발생시키는 신호의 예를 보여주는 그래프로서, 제 2 감지부의 제 2 센서(520), 즉 나1, 나2,...,나360은 각각 레이저를 받았을 때 각각 A1, A2, A3....A360의 센서 신호를 발생시켜 전자 제어 유닛에 전송하게 된다. 도시한 것과 같이 현재 제 2 레이저 발생기(510)가 레이저를 조사한 센서는 제 2 센서(520) 중에 나6인데, 제 2 센서(520) 중 나6은 A6의 센서 신호를 전자 제어 유닛 에 전송하는 상태이다.
도 6a와 도 6b에서 도시한 것과 같이 조향축에 설치된 제 1 감지부가 A5의 센서 신호를 보내오고 있고, 실린더바에 설치된 제 2 감지부가 A6 센서 신호를 보내오고 있으므로 전자 제어 유닛(344)은 이러한 센서 신호를 분석하게 된다.
전자 제어 유닛(344)은 신호의 위상을 비교하여 조향휠에 설치된 제 1 감지부(420)의 신호보다 실린더바(376)에 설치된 제 2 감지부(370)의 신호가 더 크다고 판단하여 실린더바를 좌측으로 옮기기 위해 컨트롤 밸브(390)를 작동시켜 좌측 실린더에 유체를 공급하여 실린더가 우측으로 이동할 수 있도록 한다. 또한, 제 1 감지부와 제 2 감지부에서 보낸 센서 신호를 분석하여 위상이 같으면 컨트롤 밸브(390)를 작동시켜 공급 유로(134)에서 공급된 유체를 회수 유로(133)로 전환하여 조향장치가 더는 작동되지 않도록 한다. 마찬가지로 제 1 감지부의 신호보다 실린더바(376)에 설치된 제 2 감지부의 신호가 더 작으면 컨트롤 밸브(390)가 작동하여 실린더바를 좌측으로 이동시키게 된다. 즉, 제 1 감지부 신호보다 제 2 감지부의 신호가 작으면 자동차는 우측으로 조향되고, 제 1 감지부 신호보다 제 2 감지부의 신호가 크면 자동차는 좌측으로 조향되게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위 가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 레이저를 이용하여 조향휠의 회전을 감지하여 실린더를 구동함으로써 조향휠의 회전을 피니언으로 전달하는 조향축과 랙 앤 피니언을 제거함으로써 조향 장치의 무게를 경량화하여 자동차의 연비를 상승시키고 설계 여유 공간을 확보할 뿐만 아니라 조향축을 따라 들어오는 진동과 소음을 원천적으로 제거하는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 자동차의 조향 장치에 있어서,
    운전자가 조작하는 조향휠;
    상기 조향휠의 회전 중심에 일측이 연결되며 축 형상을 가지는 회전축;
    상기 회전축에 설치되고 상기 회전축의 회전을 감지하기 위해 레이저 신호를 발생하고 감지하기 위한 제 1 감지부;
    상기 제 1 감지부에서 감지된 상기 레이저 신호를 받아 분석하는 전자 제어 유닛;
    상기 자동차의 타이로드에 연결되는 실린더바;
    상기 실린더바의 위치 신호를 감지하기 위해 상기 실린더바에 설치되는 제 2 감지부;
    링 형태로 상기 실린더바의 외주면에 밀착 고정되는 피스톤;
    내부가 중공인 파이프 형상으로 내주면이 상기 피스톤의 외주면과 밀착되어 상기 피스톤과 습동하되, 일측과 타측에 유체 실링부를 갖는 실린더;
    상기 실린더의 좌측과 우측에 설치되어 밀봉 기능을 하는 유체 실링부;
    상기 실린더에 형성된 상기 실린더 홀에 일측이 연결되어 유체가 드나드는 좌측 유로 및 우측 유로;
    상기 자동차의 엔진의 구동 에너지를 이용하여 가동되는 유체 펌프;
    상기 유체 펌프에 연결되는 공급 유로 및 흡입 유로;
    상기 흡입 유로에 연결되며 상기 유체를 저장하는 유체 탱크;
    상기 유체 탱크에 연결되며 상기 유체가 회수되는 통로인 회수 유로; 및
    상기 좌측 유로, 상기 우측 유로, 상기 공급 유로 및 상기 회수 유로에 각각 연결되며 상기 전자 제어 유닛으로부터 신호를 받아 상기 공급 유로에서 들어온 상기 유체의 유로를 제어하는 컨트롤 밸브
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 감지부는,
    상기 조향휠에서 상기 회전축 방향으로에 설치되어 상기 회전축 방향으로 방향으로 레이저 광을 발생시키는 제 1 레이저 발생기;
    상기 회전축을 감싸는 제 1 센서 하우징;
    상기 제 1 센서 하우징에서 상기 조향휠 방향의 일면에 원주 방향으로 설치되어 상기 제 1 레이저 발생기에서 전송한 레이저 신호의 이동선상에서 상기 레이저 신호를 감지하고 생성된 센서 신호를 전자 제어 유닛에 전송하는 하나 이상의 제 1 센서; 및
    상기 제 1 센서 하우징을 차체에 고정하는 고정부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 감지부는,
    상기 실린더바에 고정되어 연동되며 외주면의 수직 방향으로 레이저 광을 발 생하는 제 2 레이저 발생기;
    상기 제 2 레이저 발생기의 레이저 신호 이동선상에 설치된 제 2 센서 하우징;
    상기 제 2 레이저 발생기에서 전송한 레이저 신호를 감지하고 감지된 신호를 전자 제어 유닛에 전송하는 상기 제 2 센서 하우징에 고정된 하나 이상의 제 2 센서; 및
    상기 제 2 센서 하우징을 차체에 고정하는 고정부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 조향 장치의 중립 상태에서 일정한 길이의 선 형태를 가지며 상기 회전축의 외주면의 수직 방향으로 일측이 고정되어 설치되는 중립선; 및
    일측이 상기 중립선과 연결되며 타측은 차체에 고정되는 중립 스프링
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 중립 스프링의 일측과 타측에 고정되는 감쇠부
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 감지부는,
    상기 제 1 센서 하우징의 내주면에 중심축 방향으로 설치되어 상기 회전축의 외주면 방향으로 레이저 광을 발생시키는 제 1 레이저 발생기; 및
    상기 회전축의 외주면에 제 1 레이저 발생기의 레이저 이동선상에 설치되며 상기 제 1 레이저 발생기에서 보낸 레이저 신호를 감지하고 발생된 센서 신호를 상기 전자 제어 유닛에 전송하는 하나 이상의 제 1 센서
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저와 실린더를 이용한 조향 장치.
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