KR20080019786A - 4륜조향 차량의 롤 오버 방지방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 4륜조향 차량의 롤 오버 방지방법에 관한 것으로,

종래에 있어서 스포츠 유틸리티 차량(SUV)과 같은 차고가 높은 차량의 경우 고속 급회전시 조타 안정성을 위한 정방향 전후륜 조타각 조절은 자칫 차량의 롤 오버(Roll-Over)를 야기할 수 있게 되는 바,

좌우현가장치에 가해지는 하중을 측정하여 바퀴가 지면에 떠 있나를 확인한 후 횡가속도센서로 측정한 횡가속도 값이 전복한계점 가속도 값보다 크거나 같으면 뒤쪽 휠의 안쪽방향으로 휠을 잡아당김으로써 롤 오버를 방지하는 것을 특징으로 하는 본 발명에 의하면 최근 법규 강화로 유럽 및 북미 수출 사양의 필수 통과 조건인 피시 훅(FISH-HOOK) 시험, 스포츠 유틸리티 차량(SUV)과 같은 차고가 높은 차량의 롤 오버(ROLL-OVER) 발생으로 인한 인명피해 및 고객불만 등을 해결할 수 있게 되는 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.

4륜조향(4WS), 롤 오버(rollover), 전복한계점, 횡가속도

Description

4륜조향 차량의 롤 오버 방지방법 {a rollover method apparatus for a 4WS vehicle}

도 1은 실질적인 차량 롤 오버 시험의 예시도

도 2는 현가된 차량에 대한 롤 반작용을 설명하기 위한 단순화된 차량의 형태도

도 3은 차량의 전복한계점 그래프

도 4는 본 발명의 작동 흐름도

본 발명은 4륜조향 차량의 롤 오버 방지방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 횡가속도 값이 전복한계점 가속도 값보다 크거나 같을 때에 뒤쪽 휠의 안쪽방향으로 휠을 잡아당김으로써 롤 오버를 방지할 수 있도록 한 것에 관한 것이다.

본 발명이 관계하는 4륜조향장치(4WS; 4 Wheel Steering)는 4륜을 모두 조향하여 조향성능을 향상시키는 장치이다.

즉, 4WS란 4 Wheel Steering의 약자로서 4륜조향을 의미하며, 종래의 차량이 전륜만 조향하는 데에 비해 후륜도 조향하는 장치이다.

기존 2WS 차량은 고속 선회시 전륜에는 핸들에 의한 회전으로 코너링 파워가 발생하지만 후륜은 차체의 횡미끄러짐이 발생해야만 코너링 파워가 발생하기 때문에 선회지연과 차체 뒤가 과도하게 흔들리는 문제점이 있지만 4WS 차량은 고속에서의 차선변경시 안정성이 향상되고, 차고 진입이나 U턴과 같은 좁은 회전시 회전반경이 작아져 운전이 용이해진다.

한편 차량 주행역학의 가장 중요한 목표는 능동적 안전도의 향상 즉, 조향성능(Handling performance)과 승차감(Driving comfort)의 향상이며, 4WS은 4륜을 모두 조향하여 조향성능을 시키는 장치이다.

즉, 운전자가 조향핸들을 작동함에 따라 앞차축에서 생기는 코너링포스에 대하여, 동시에 뒷차축에서도 해당 횡축력(코너링포스)이 발생하도록 뒷바퀴 조향각을 제어함으로써 궁극적으로는 차체 무게중심에서의 "측면 미끄럼각(사이드슬립 앵글)"을 줄여서 안정된 조향을 하게 하는 장치이다.

또한 원하는 자동차의 횡 미끄럼각 및 요 속도를 얻기 위해 자동차의 전륜 조향각 및 후륜 조향각을 능동적으로 제어하는 것이다.

자동차의 주행 속도, 핸들 조향각, 요속도의 함수로서 후륜 조향각을 제어하는 방법과 후륜 조향각 제어를 통하여 저속 주행의 조종성과 과속 주행에서 직진 안정성을 대폭적으로 향상시켰다.

직진로를 고속주행 할 때도 운전자는 횡풍이나 노면의 요철 때문에 핸들을 조금씩 끊임없이 움직여서 차의 궤적과 주행코스를 일치시키려고 노력하게 되는데, 4WS은 이와 같은 작은 조타시에도 후륜을 전륜과 같은 방향으로 조타시키므로 부드럽고 안정된 고속직진 주행이 가능하다

또한 4WS를 적용하면 차선변경을 위해 전륜을 작은 각도로 조향할 때 후륜도 거의 동시에 같은 방향으로 조향되므로 안정된 차선변경이 가능해진다.

그리고 선회시 후륜도 전륜과 같은 방향으로 조향되어 코너링포스가 발생하므로 차체 후미가 원심력에 의해 바깥쪽으로 쏠리는 스핀현상 없이 안정된 선회를 할 수 있으며, 교차로와 같이 90도의 예각으로 회전시 또는 U턴시 후륜은 전륜과 조향방향이 반대로 되어 내외륜 W를 작게 하므로 저속회전시 최소 회전반경 감소시킬 수 있다.

차고주차시 저속으로 작은 곡률로 핸들을 움직이면 전,후륜이 역방향으로 되어 2WS 보다 최소회전반경과 내륜차가 작아져서 조타의 반복을 줄일 수 있으며, 일렬주차시에도 전,후륜이 약방향으로 조향되므로 회전반경 축소로 주차 역시 용이해진다.

2WS은 운전자가 핸들을 조향하면 전륜이 먼저 회전하여 코너링포스가 발생하고, 차체회전이 되면서 후륜타이어가 회전하여 후륜코너링포스가 발생하면서 선회가 이루어진다.

그러나 4WS은 운전자가 핸들을 조향하면 전륜과 후륜이 동시에 회전하고 따라서 동시에 코너링포스가 발생되면서 선회가 이루어지는 점이 차이가 난다.

상기 4WS에 있어서 4WS 콘트롤유닛은 차속신호에 따라서 적합한 신호를 리어 스티어링 콘트롤 박스의 콘트롤모터로 보내 콘트롤 요크를 회전시키고, 전륜조향각에 따라 리어스티어링 샤프트가 리어스티어링 콘트롤 박스내의 베벨기어를 회전시키며, 콘트롤 요크와 베벨기어의 회전이 위상제어기구 내에서 조합되어져서 콘트롤 밸브로드의 스트로크량과 방향을 결정하게 된다.

상기 4WS 조타 방식은 후륜 타각을 전륜 타각과 비례시켜 조타하는 전륜 비례 타각 방식과, 조타력을 입력으로 하는 후륜 조타방식으로 후륜 타각이 전륜의 횡력에 비례해서 조타된다고 생각하는 조타력 피이드 백 방식과, 차량 운동의 상태량인 요 각속도에 비례시켜서 후륜을 조타하는 요 각도 피이드백 방식과, 무게 중심점 옆 미끄럼 각을 제어에 접근시키는 것을 목표로 하는 무게 중심 옆 미끄럼 각 제로 제어방식과, 요각속도와 횡가속도의 조타 응답 특성을 미리 설정한 가상 모델에 실제의 차량을 충족 시켜 일치시키는 모델 폴로잉 방식으로 분류할 수 있다.

상기 4WS는 차량의 코너링감 향상 및 차선 변경 용이, 쾌적한 고속선회, 저속회전시 최소 회전반경 감소, 차고주차 및 일렬주차에 대한 편리성 등 많은 이점이 있으며, 저속시에는 전후륜 역방향으로 최소 회전반경 감소, 중고속 영역에서는 전륜과 같은 방향으로 후륜을 조타함으로써 조타 응답성 및 조타 안정성의 향상에 목적을 두고 있다.

그러나 스포츠 유틸리티 차량(SUV)과 같은 차고가 높은 차량의 경우 고속 급회전시 조타 안정성을 위한 정방향 전후륜 조타각 조절은 자칫 차량의 롤 오버(Roll-Over)를 야기할 수 있다.

현재 실질적인 롤 오버(Roll-Over)에 대한 법규시험이 실시 중이며, 일정의 기준을 통과해야 차를 팔 수 있는 기회가 주어지는 현실을 감안하면 4WS를 이용한 롤 오버(Roll-over) 방지 시스템 구축으로 차량의 안정성을 도모할 수 있다.

도 1은 실질적인 차량 롤 오버 시험의 예시도이며, 차량의 전복순간 거동특성을 나타내고 있다.

차량의 전복 순간에 앞쪽 휠의 타이어를 보면 거의 벗겨질 것 같은 지경까지 밀려 있게 된다.

편평비가 큰 일반 타이어들이 가지는 문제는 무리한 커브에서 타이어의 사이드월이 바닥에 끌리고 한도 이상에서는 차가 전복될 수도 있는 상황을 발생시킨다는 것이다.

이러한 상황에서 실질적인 전륜의 조타력은 상실상태이며 타이어가 한 번 꺾이기 시작하면 2WS에서는 운전자도 어쩔 수 없는 상황에 처하게 된다.

그러나 4WS 차량의 경우 전복 순간의 뒤쪽 휠의 조타를 통해 휠의 방향을 바깥쪽으로 틀어줌으로서 순간적인 무게 중심의 이동을 기대할 수 있다.

본 발명은 상기 종래의 실정을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적이 4륜조향 차량에 있어서 롤 오버를 보다 안정적으로 방지할 수 있도록 하는 4륜조향 차량의 롤 오버 방지방법을 제공하는 데에 있는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 구동축에 설치되는 하중센서로 좌우현가장치에 가해지는 하중을 측정하여 바퀴가 지면에 떠 있나를 확인한 후 횡가속도센서로 측정한 횡가속도 값이 전복한계점 가속도 값보다 크거나 같으면 뒤쪽 휠의 안쪽방향으로 휠을 잡아당기도록 하는 것을 특징으로 하며, 이하 그 구체적인 기술내용을 첨부도면에 의거하여 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.

즉, 도 4에는 본 발명의 작동 흐름도가 도시되어 있는 바, 본 발명의 4륜조향 차량의 롤 오버 방지방법은

급선회 등 차량의 롤 오버 상태 판단의 근거가 발생하면 구동축 축하중을 측정할 수 있도록 구동축에 설치된 하중센서로 좌우 현가장치(suspension)에 가해지는 하중을 센싱하여 좌측 또는 우측 바퀴 중 전후 바퀴 양쪽이 지면에 떠 있는가를 확인하는 단계;

상기 단계에서 전후 바퀴 양쪽이 지면에 떠있으면 횡가속도 센서에서 횡가속도 값을 센싱하는 단계;

상기 단계에서 측정된 가속도(Ay)가 전복한계점 하중보다 작으면 전륜비례타각방식을 유지하고, 측정된 가속도(Ay)가 전복한계점 가속도(A) 보다 크거나 같으면 4WS 제어로직을 통해 하중센서의 하중량 과다상태에 있는 뒤쪽 휠의 안쪽 방향으로 휠을 잡아당기는 단계;

그리고 하중센서를 통해 양쪽 휠의 하중이 적정하중을 다시 만족하는 것을 확인하는 단계;

상기 단계에서 양쪽 휠의 하중이 적정하중을 만족하면 전륜비례 타각방식으 로 복귀하는 단계;로 이루어진 것이다.

도 2에는 현가된 차량에 대한 롤 반작용을 설명하기 위한 단순화된 차량의 형태도가 도시되어 있다.

도 2를 통해 차량 전복한계에 대한 간단한 해석적 해를 구해보면, 도 2에서 오른쪽 바퀴가 지면과 접촉하는 점에 대해 모멘트를 취하고 왼쪽 바퀴에 걸리는 하중이 0 이 된다고 가정할 때

IMo = MsㆍAyㆍh - Msㆍgㆍ t/2 + Msㆍgㆍ θ (h-hr) = 0,

Ay/g = t/2hㆍ1/I1+Rθㆍg (1-hr/h)

임을 만족하게 된다. (Rθ 롤률 = θ 롤각 /Ay 횡가속도)

그리고 이에 대한 실질적인 전복한계는 강체였을 때에 비하여 5% 감소되어진다.

한편 리어 바퀴의 주행 방향 안쪽으로 조향시 실질적인 코너링력은 감소되며, 그로 인해 실질적인 롤각도가 감소되어 전복한계치 도달을 지연하게 된다.

좀더 정확한 횡방향 이동과 전복한계에 대한 영향을 해석하기 위해서는 타이어와 현가장치에 대한 더 세밀한 모델이 요구되는 바, 메커니즘이 관계가 정확하게 모델링될 경우 차량의 준정적 롤 응답은 도 3과 같은 형태를 가지며, 도 3에서 가속도가 A가 되는 점이 전복한계점에 해당하게 된다.

참고적으로 준정적 전복한계를 "경사-테이블"을 사용하여 측정하는 실험적 방법들이 개발되었고, 이 실험적 방법들은 그 이름에서 암시된 바와 같이 차량이 위치한 테이블을 횡방향으로 기울여 전복이 발생할 때의 각을 측정함으로써 전복한 계가 결정된다.

일반적으로 차량의 롤 오버(rollover) 현상은 차량의 무게 중심이 타이어의 지지점을 넘어가는 순간에 발생하게 된다.

즉, 차량이 구르기 시작하면 차량의 조향력이나 동력은 이미 상실상태에 이르러 주체할 수 없을 정도의 상태가 되며, 강성이 약한 루프 쪽이나 사람의 뒤집힘으로 사람 상해상태는 상상을 초월하게 된다.

현실적으로 모든 국가의 차량법규상에도 롤 오버 방지에 대한 트레드와 차고의 기준을 제시하고 있다.

본 발명은 이러한 롤 오버 상황을 방지하기 위한 것으로, 좌측 바퀴 또는 우측 바퀴의 전후 타이어에 걸리는 하중이 센서에 의하여 무 하중 상태에 이르면 차량의 바퀴는 지면과 떠 있는 상황임을 알리게 된다.

또한 이론적으로 전복한계 가속도의 한계를 넘어서면 차량은 롤 전복상태에 들어가는 시기임을 알 수 있는 바, 이러한 상태의 차량에 전륜의 바퀴는 사이드 월이 이미 거의 벗겨져 가는 상황으로서 조향력을 어느 정도 상실한다고 볼 수 있다.

이에 대해 본 발명은 차량의 뒤쪽 휠을 제어함으로 차량의 롤 전복을 방어하는 것으로, 뒤쪽 휠을 회전 원의 안쪽으로 급격히 조향을 할 때 차량의 횡가속도는 급격히 감소하게 되어 전복한계에 대한 도달을 피할 수 있게 되어 롤 전복을 방지할 수 있게 된다.

이상에서와 같이 본 발명은 좌우현가장치에 가해지는 하중을 측정하여 바퀴가 지면에 떠 있나를 확인한 후 횡가속도센서로 측정한 횡가속도 값이 전복한계점 가속도 값보다 크거나 같으면 뒤쪽 휠의 안쪽방향으로 휠을 잡아당김으로써 롤 오버를 방지하는 것으로, 본 발명에 의하면 최근 법규 강화로 유럽 및 북미 수출 사양의 필수 통과 조건인 피시 훅(FISH-HOOK) 시험, 스포츠 유틸리티 차량(SUV)과 같은 차고가 높은 차량의 롤 오버(ROLL-OVER) 발생으로 인한 인명피해 및 고객불만 등을 해결할 수 있게 되는 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.

Claims (1)

1. 급선회 등 차량의 롤 오버 상태 판단의 근거가 발생하면 구동축 축하중을 측정할 수 있도록 구동축에 설치된 하중센서로 좌우 현가장치(suspension)에 가해지는 하중을 센싱하여 좌측 또는 우측 바퀴 중 전후 바퀴 양쪽이 지면에 떠 있는가를 확인하는 단계;

   상기 단계에서 전후 바퀴 양쪽이 지면에 떠있으면 횡가속도 센서에서 횡가속도 값을 센싱하는 단계;

   상기 단계에서 측정된 가속도(Ay)가 전복한계점 하중보다 작으면 전륜비례타각방식을 유지하고, 측정된 가속도(Ay)가 전복한계점 가속도(A) 보다 크거나 같으면 4WS 제어로직을 통해 하중센서의 하중량 과다상태에 있는 뒤쪽 휠의 안쪽 방향으로 휠을 잡아당기는 단계;

   그리고 하중센서를 통해 양쪽 휠의 하중이 적정하중을 다시 만족하는 것을 확인하는 단계;

   상기 단계에서 양쪽 휠의 하중이 적정하중을 만족하면 전륜비례 타각방식으로 복귀하는 단계;로 이루어지는 4륜조향 차량의 롤 오버 방지방법.

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