KR20070051590A - 자동차의 능동 전륜 조향장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 능동 전륜 조향장치에 관한 것이다.

본 발명은, 자동차의 조향 휠에 연결되는 조향 축과, 상기 조향 축의 회전에 의해 발생한 토크를 감지하는 토크 센서와, 상기 토크 센서로부터 전기적 신호를 전달 받는 전자 제어 장치와, 상기 전자 제어 장치에 의해 구동이 제어되는 기어 비 변환장치를 포함하는 상기 자동차의 능동 전륜 조향장치에 있어서, 상기 토크 센서는 상기 자동차의 엔진룸의 외부에 형성되고, 상기 기어 비 변환장치는 상기 자동차의 상기 엔진룸의 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차의 능동 전륜 조향장치를 제공한다.

본 발명에 의하면 자동차의 실내로 전달되는 소음을 저감하는 효과 및 조향력 왜곡 현상이나 조향 반력의 작용에 대한 보상 작용이 용이한 효과가 있다.

기어 비 변환, 능동 전륜 조향장치, 조향력 왜곡, 조향 반력

Description

자동차의 능동 전륜 조향장치{Active Front Wheel Steering Apparatus for Automotive Vehicle}

도 1은 종래 기술에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치의 구성도,

도 2는 기어 비 변환 장치를 나타내는 부분 단면도,

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치를 나타내는 구성도,

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치를 나타내는 구성도,

도 5는 조향 축과 유로 전환 밸브를 나타내는 부분 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101: 조향 휠103: 조향 축

105: 조향 컬럼107: 기어 비 변환 장치

111: 유로 전환 밸브113: 차속 센서

115: 조향각 센서117: 전자 제어 장치

119: 모터301: 토크 센서

302: 엔진 룸303: 보조 동력 기구

305: 랙 바401: 작동 실린더

403: 유압 펌프501: 하부 축

503: 토션바

본 발명은 자동차의 능동 전륜 조향장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 기어 비 변환장치를 엔진 룸의 내부에 장착함으로써 차내로 유입되는 소음을 저감시키고, 토션 바 또는 토크 센서를 엔진 룸의 외부에, 즉 기어 비 변환 장치의 상측에 형성함으로써 조향력 왜곡 현상 및 조향 반력에 대한 보상 작용을 신속하고 정확하게 할 수 있는 자동차의 능동 전륜 조향장치에 관한 것이다.

자동차의 조향장치는 자동차의 진행 방향을 운전자의 의지대로 변경할 수 있도록 하기 위한 장치로서 앞바퀴가 선회하는 회전 중심을 임의로 변경하여 운전자가 원하는 방향으로 자동차를 운행할 수 있도록 보조하는 장치이다.

또한, 동력 보조 조향장치(Power Steering Apparatus)는 운전자가 조향 휠(Steering Wheel)을 조작할 경우에 조향 보조 동력을 제공해 주는 장치를 이용하여 운전자의 조향 휠 조작력을 보조하여 줌으로써 보다 작은 힘으로 용이하게 자동차의 진행 방향을 변경할 수 있도록 하는 장치이다.

이와 같은 동력 보조 조향장치는 유압식 동력 보조 조향장치(HPS: Hydraulic Power Steering Apparatus)와 전기식 동력 보조 조향장치(EPS: Electric Power Steering Apparatus)로 크게 구분된다.

유압식 동력 보조 조향장치는 엔진의 회전축에 연결된 유압 펌프가 작동유를 작동 실린더로 공급하면, 작동유의 유압에 의한 조향 보조 동력이 제공되어 랙 바(Rack Bar)가 수평 방향으로 운동하게 되고 그에 따라 양쪽 바퀴가 선회되므로 운전자로 하여금 작은 힘으로 조향을 할 수 있도록 하는 장치이다. 반면, 전기식 동력 보조 조향장치는 유압 펌프와 작동 실린더 대신에 랙 바 또는 컬럼에 모터 및 전자 제어 장치(ECU: Electronic Control Unit)를 포함하고 있어 모터의 구동에 의해 조향 보조 동력이 공급되는 장치이다.

최근에는 주행 중 강하게 불어오는 횡풍이나 좌우가 대칭적이지 않은 노면의 상태 등의 외부 환경에 능동적으로 대처할 수 있도록 조향 휠과 조향 컬럼 사이의 조향 축을 분리한 것으로, 운전자의 조향 휠 조작으로 인한 조향각을 직접 조향 컬럼에 전달하지 않고 수시로 변화하는 조향각을 지속적으로 감지하여 이를 차량의 각종 정보와 비교분석한 후 조향 컬럼의 조향 축의 회전을 제어하는 모터에 전기적 신호로 전달함으로써 조향각을 조절하는 이른바 능동 전륜 조향장치(AFS: Active Front Wheel Steering)가 등장하였다. 또한, 이러한 능동 전륜 조향장치에는 기어 장치에서 입력과 출력 사이의 기어 비를 변환시키는 기어 비 변환 장치가 구비되어 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치의 구성도이고, 도 2는 기어 비 변환 장치를 나타내는 부분 단면도이다.

도 1 및 도 2에서 각각 도시하는 바와 같이 종래 기술에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치는, 조향 휠(101)과, 조향 휠(101)에 연결되는 조향 축(103)과, 조향 축(103)을 둘러싸는 조향 컬럼(105)과, 조향 컬럼(105)의 하단에 형성되는 기어 비 변환 장치(107)와, 상단이 기어 비 변환 장치(107)에 연결되는 입력축(109)과, 조향 휠(101)의 회전 방향에 따라 작동유의 유로를 변환하는 유로 전환 밸브(111)와, 자동차의 속도를 감지하는 차속 센서(113)와, 조향 휠(103)의 회전에 따른 조향각의 변화를 감지하는 조향각 센서(115)와, 차속 센서(113) 및 조향각 센서(115)로부터 전기적 신호를 전달받는 전자 제어 장치(117)와, 전자 제어 장치(117)에 의해 구동이 제어되는 모터(119)를 포함하여 구성된다.

이러한 구성을 가지는 종래 기술에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치의 작동 원리는 다음과 같다.

운전자가 조향 휠(101)을 조작함에 따라 조향 축(103)이 회전하면 조향 축(103)의 하단에 형성되어 있는 캐리어(201)가 조향 축(103)과 연동하여 회전한다. 또한, 이 경우 캐리어(201)에 의해 회전 가능하게 지지되고 있는 유성 기어(203)가 회전하게 되고, 유성 기어(203)와 접하고 있는 내 기어(205)는 유성 기어(203)의 회전에 의해 회전력을 전달받음으로써 회전하게 된다.

최종적으로는 내 기어(205)의 하단에 형성되어 있는 하부 축(207)이 회전함으로써 운전자의 조향 휠(101) 조작에 따라 발생한 조향력이 입력축(109) 및 랙-피니언 기어부(121)에 전달되게 되는 것이다.

그런데, 위의 과정은 전자 제어 장치(117)가 작동하지 않는 경우이고, 전자 제어 장치(117)가 작동하는 경우는 다음과 같이 변화가 생긴다.

자동차의 속도를 감지하는 차속 센서(113) 및 조향각의 변화를 감지하는 조향각 센서(115)로부터 각각 전기적 신호가 발생하여 전자 제어 장치(117)에 도달하면 전자 제어 장치(117)는 모터(119)에 전기적 신호를 전달하여 모터(119)를 구동하게 된다.

또한, 위의 과정에 의해 모터(119)가 구동함에 따라 모터 축에 연결되어 있는 웜 축(209)도 회전하고 그에 따라 웜 축(209)과 맞물리도록 형성되어 있는 웜 휠(211)이 회전하며 최종적으로 웜 휠(211)과 일체로 구성되어 있는 태양 기어(213)가 회전하게 된다.

이러한 능동 전륜 조향장치는 자동차가 고속으로 주행하는 경우에는 운전자가 조향 휠(101)을 일 방향으로 조작하여 조향 축(103), 캐리어(201) 및 유성 기어(203)가 회전하더라도 전자 제어 장치(119)가 웜 휠(211), 더 나아가 태양 기어(213)가 유성 기어(203)의 회전을 방해하는 방향으로 회전하도록 제어함으로써 안전한 운전을 할 수 있도록 보조한다.

한편, 능동 전륜 조향장치는 자동차가 주차 등을 위해 저속 상태에 있는 경우에는 유성 기어(203)의 회전을 보조하는 방향으로 제어함으로써 보다 작은 힘으로 용이한 운전을 할 수 있게 하여 준다.

이러한 구성을 가지는 종래 기술에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치에는 기어 비 변환 장치(107)로서 태양 기어(213), 유성 기어(203) 및 내 기어(205)로 구성되는 유성 기어 장치가 구비되어 있다.

그리고 태양 기어(213)와 유성 기어(203)는 일반적으로 헬리컬 기어로서 형성되는데, 헬리컬 기어는 기어치의 열이 기어의 회전축과 평행하지 않고 비스듬하게 경사를 이루면서 형성되어 있다. 이러한 헬리컬 기어는 기어치의 열이 기어의 회전축과 평행한 경우와 비교하여 볼 때 서로 맞물리는 기어치 끼리 서로 접촉하는 부분의 길이가 길기 때문에 더 큰 힘을 전달할 수 있고 기어치의 열이 경사져 있기 때문에 보다 원활하게 회전한다.

그러나, 종래 기술에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치에 있어서는 기어 비 변환 장치가 조향 컬럼과 가까이에 장착되어 있기 때문에 자동차의 실내에 소음이 쉽게 전달되는 문제점이 있었다.

또한, 종래 기술에 의하는 경우 기어 비 변환 장치가 작동하는 경우 운전자가 예상하는 조향 토크와 운전자가 실제로 느끼는 조향 토크 간에 차이가 생기는 조향력 왜곡 현상이 발생할 수도 있고, 기어 비 변환에 의한 능동 조향시에 조향 반력이 작용할 수도 있다.

이러한 경우 토션 바가 조향 토크의 차이를 감지하여 유로 전환 밸브의 출력량을 증감하는 보상 작용이 필요하다. 그러나, 종래 기술에 의하는 경우 토션 바가 기어 비 변환 장치의 하측에 위치하기 때문에 토션 바의 응답 속도가 느려서 보상 작용이 쉽지 않은 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 기어 비 변환 장치를 엔진 룸의 내부에 설치함으로써 자동차의 실내로 전달되는 소음을 저감할 수 있는 자동차의 능동 전륜 조향장치를 제공하는 데 그 주된 목적이 있다.

또한, 본 발명은 토크 센서 또는 토션 바를 조향 휠에 가깝게 설치함으로써 조향력 왜곡 현상이나 조향 반력에 대한 보상 작용이 용이한 자동차의 능동 전륜 조향장치를 제공하는 데 그 주된 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 자동차의 조향 휠에 연결되는 조향 축과, 상기 조향 축의 회전에 의해 발생한 토크를 감지하는 토크 센서와, 상기 토크 센서로부터 전기적 신호를 전달 받는 전자 제어 장치와, 상기 전자 제어 장치에 의해 구동이 제어되는 기어 비 변환장치를 포함하는 상기 자동차의 능동 전륜 조향장치에 있어서, 상기 토크 센서는 상기 자동차의 엔진룸의 외부에 형성되고, 상기 기어 비 변환장치는 상기 자동차의 상기 엔진룸의 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차의 능동 전륜 조향장치를 제공한다.

또한, 이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 자동차의 조향 휠과, 상기 조향 휠에 연결되는 조향 축과, 상기 조향 축을 둘러싸는 조향 컬럼과, 상기 자동차의 속도를 감지하는 차속 센서와, 상기 조향 축의 회전에 의한 조향각의 변화를 감지하는 조향각 센서와, 상기 차속 센서 및 상기 조향각 센서로부터 전기적 신호를 전달 받는 전자 제어 장치와, 상기 전자 제어 장치에 의해 구동이 제어되는 기어 비 변환장치와, 조향 보조 동력을 공급하기 위한 작동 실린더와, 상기 자동차의 엔진에 의해 구동되어 상기 작동 실린더에 작동유를 공급하는 유압 펌프, 상기 조향 휠의 회전 방향에 따라 작동유의 유로를 변환하는 유로 전환 밸브를 포함하는 상기 자동차의 능동 전륜 조향장치에 있어서, 상기 유로 전환 밸브는 상기 자동차의 엔진룸의 외부에 형성되고, 상기 기어 비 변환장치는 상기 자동차의 상기 엔진룸의 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차의 능동 전륜 조향장치를 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 설명을 생략한다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치를 나타내는 구성도이다.

도 3에서 도시하는 바와 같이 본 발명의 제 1 실시예에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치는, 자동차의 조향 휠(101)과, 조향 휠(101)에 연결되는 조향 축(103)과, 조향 축(103)을 둘러싸는 조향 컬럼(105)과, 자동차의 속도를 감지하는 차속 센서(113)와, 조향 축(103)의 회전에 의한 조향각의 변화를 감지하는 조향각 센서(115)와, 조향 축(103)의 회전에 의해 발생한 조향 토크를 감지하는 토크 센서(301)와, 차속 센서(113), 조향각 센서(115) 및 토크 센서(301)로부터 전기적 신호를 전달 받는 전자 제어 장치(117)와, 전자 제어 장치(117)에 의해 구동이 제어되는 기어 비 변환장치(107)와, 전자 제어 장치(117)에 의해 구동이 제어되는 보조 동력 기구(303)를 포함하여 구성된다.

토크 센서(301)는 운전자가 조향 휠(101)을 조작함으로써 조향 축(103)을 회전시킬 때 발생하는 조향 토크를 감지한 후 감지된 조향 토크를 전기적 신호로 변환하여 전자 제어 장치(117)에 전달하는 장치이다.

일반적인 전기식 동력 보조 조향장치의 경우 토크 센서(301)가 엔진 룸(302)의 내부에 장착되나, 본 발명의 경우에는 토크 센서(301)가 엔진 룸(302)의 외부에, 특히 조향 축(103)의 상단에 형성된다.

따라서, 본 발명에 의하는 경우 엔진 룸(302) 내부에 기존의 토크 센서(301)가 차지했던 공간만큼의 여유 공간이 형성되는데, 이렇게 형성된 여유 공간 때문에 후술할 기어 비 변환 장치(107)를 보다 용이하게 장착할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하는 경우 토크 센서(301)가 조향 휠(101)에 가깝게, 즉 기어 비 변환 장치(107)의 상측에 구비된다. 따라서, 기어 비 변환 장치(107)의 구동시에 발생하는 조향력 왜곡 현상이나 조향 반력의 작용에 대해 토크 센서(301)가 신속히 응답할 수 있고, 그에 따라 조향력 왜곡 현상이나 조향 반력의 작용에 대한 보상 작용도 용이하게 할 수 있다. 결국, 종래 기술의 문제점은 이와 같이 해결된다.

한편 토크 센서(301)는 조향 컬럼(105)의 내부 또는 조향 축(103)의 하단에 형성될 수도 있으며, 조향 휠(101)의 내부에 형성될 수도 있다.

기어 비 변환 장치(107)는 조향 축(103) 및 조향 컬럼(105)의 하측에 형성되는데, 특히 자동차의 엔진 룸(302)의 내부에 장착된다.

자동차의 엔진 룸(302)에는 엔진 마운트, 스태빌라이저 바, 트랜스미션, 서브 프레임 등을 비롯한 다양한 장치들이 구비되기 때문에 공간이 협소하여 종래에는 기어 비 변환 장치(107)를 엔진 룸(302)의 내부에 장착하기가 매우 어려웠다.

그러나, 본 발명에 의하는 경우 토크 센서(301)가 엔진 룸(302)의 내부에 설치되는 것이 아니라 엔진 룸(302)의 외부에, 특히 조향 축(103), 조향 컬럼(105) 또는 조향 휠(101) 등에 형성되기 때문에 기존의 엔진 룸(302)에는 토크 센서(301)가 차지했던 만큼의 여유 공간이 생성된다.

따라서, 본 발명에 의하는 경우 기어 비 변환 장치(107)를 엔진 룸(302)의 내부에 용이하게 장착할 수 있게 되므로 기어 비 변환 장치(107)가 자동차의 내부에 가깝게 설치되어 기어 비 변환 장치(107)의 소음이 자동차의 내부로 전달되던 종래 기술의 문제점도 해결된다.

보조 동력 기구(303)는 랙 바(305)에 조향 보조 동력을 공급하는 장치이다.

즉, 보조 동력 기구(303)의 모터(미도시)가 전자 제어 장치(117)로부터 전기적 신호를 받아서 구동함으로써 랙 바(305)에 조향 보조 동력을 공급함으로써 랙 바(305)가 좌측 또는 우측으로 직선 운동을 하도록 한다.

이러한 보조 동력 기구(303)로는 벨트식 전동 장치가 구비된 것 또는 볼 스크류 장치가 구비된 것 등의 다양한 구성이 있으며 그러한 구성은 이미 공지되어 있으므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치를 나타내는 구성도이다.

도 4에서 도시하는 바와 같이 본 발명의 제 2 실시예에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치는, 자동차의 조향 휠(101)과, 조향 휠에 연결되는 조향 축(103)과, 조향 축(103)을 둘러싸는 조향 컬럼(105)과, 자동차의 속도를 감지하는 차속 센서(113)와, 조향 축(103)의 회전에 의한 조향각의 변화를 감지하는 조향각 센서(115)와, 차속 센서(113) 및 조향각 센서(115)로부터 전기적 신호를 전달 받는 전자 제어 장치(117)와, 전자 제어 장치(117)에 의해 구동이 제어되는 기어 비 변환장치(107)와, 조향 보조 동력을 공급하기 위한 작동 실린더(401)와, 자동차의 엔진에 의해 구동되어 작동 실린더(401)에 작동유를 공급하는 유압 펌프(403), 조향 휠(101)의 회전 방향에 따라 작동유의 유로를 변환하는 유로 전환 밸브(111)를 포함하여 구성된다.

작동 실린더(401)는 조향 휠(101)의 회전 방향에 따라 유로 전환 밸브(111)가 작동유의 유로를 변화시키면 랙 바(305)에 보조 동력을 공급하여 랙 바(305)가 좌측 또는 우측으로 직선 운동을 할 수 있도록 한다.

유압 펌프(403)는 벨트식 전동 장치를 통해 자동차의 엔진으로부터 구동력을 전달받아 구동되어 작동유가 순환하도록 한다.

도 5는 조향 축과 유로 전환 밸브를 나타내는 부분 단면도이다.

도 5에서 도시하는 바와 같이 유로 전환 밸브(111)에는 운전자의 조향력이 입력되는 조향 축(103)이 삽입되고, 조향 축(103)으로부터 전달받은 조향력을 하측의 랙-피니언 기어부(미도시)에 전달하는 하부 축(501)이 토션 바(503)를 통해 조향 축(103)과 연결되어 있다.

또한, 유로 전환 밸브(111)는 종래 기술과 달리 엔진 룸(302)의 내부가 아닌 외부에, 그리고 기어 비 변환 장치(107)의 상측인 조향 휠(101)에 가까운 위치에 형성된다.

따라서 엔진 룸(302)에 기존의 유로 전환 밸브(111)가 차지했던 만큼의 여유 공간이 생기며 기어 비 변환 장치(107)를 엔진 룸(302) 내부에 용이하게 장착할 수 있음은 본 발명의 제 1 실시예에서 살펴 본 바와 마찬가지이다.

이러한 구성을 가지는 유로 전환 밸브(111)에 있어서, 운전자가 조향 축(103)에 회전력을 가하면 조향 축(103)과 하부 축(501)의 회전에 의한 상대 변위가 발생함과 동시에 토션 바(503)가 비틀리게 되고, 조향 축(103)의 회전 방향에 따라 작동유의 유로가 변화한다.

또한, 토션 바(503)가 조향 휠(101)에 가깝게, 즉 기어 비 변환 장치(107)의 상단에 형성되므로 조향력 왜곡 현상이나 조향 반력의 작용에 대해 신속히 응답하고 보상할 수 있음은 본 발명의 제 1 실시예에서 살펴 본 바와 마찬가지이다.

기타의 구성 및 작용은 본 발명의 제 1 실시예와 동일하기 때문에 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명 및 작용의 설명은 생략한다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기어 비 변환 장치를 엔진 룸 내부에 설치함으로써 자동차의 실내로 전달되는 소음을 저감하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 토크 센서 또는 토션 바가 조향 휠에 가깝게 설치됨으로써 조향력 왜곡 현상이나 조향 반력의 작용에 대한 보상 작용이 용이한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 자동차의 조향 휠에 연결되는 조향 축과, 상기 조향 축의 회전에 의해 발생한 토크를 감지하는 토크 센서와, 상기 토크 센서로부터 전기적 신호를 전달 받는 전자 제어 장치와, 상기 전자 제어 장치에 의해 구동이 제어되는 기어 비 변환장치를 포함하는 상기 자동차의 능동 전륜 조향장치에 있어서,

   상기 토크 센서는 상기 자동차의 엔진룸의 외부에 형성되고,

   상기 기어 비 변환장치는 상기 자동차의 상기 엔진룸의 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차의 능동 전륜 조향장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 토크 센서는 상기 조향 컬럼에 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차의 능동 전륜 조향장치.

Images