KR20100123105A - 유성 기어 세트를 포함하는 능동 조향 장치 - Google Patents

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KR20100123105A
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오승규
한창수
장재호
김창준
신현수
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지엠 글로벌 테크놀러지 오퍼레이션스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 운전 편의성 및 안정성을 획득하고 좌우륜 독립 제어를 위하여 능동 조향 장치에 유성 기어 세트를 제공한다. 상기 유성 기어 세트는, 일단이 스티어링랙에 연결되는 선기어, 상기 선기어와 연결되며 모터에 의해 제어되는 링기어, 및 일단이 상기 링기어와 연결되고 타단이 전륜랙에 연결되는 피니언기어를 포함하며, 상기 모터에 의한 가변비 모듈에 의해 제어된다.
능동 조향 장치, AFS, VGR, 유성 기어

Description

유성 기어 세트를 포함하는 능동 조향 장치{ACTIVE STEERING DEVICE COMPRISING PLANETARY GEAR SET}
본 발명은 차량의 조향 장치에 관한 것이다. 보다 상세히 본 발명은 운전자의 편의성 및 안정성을 증진시키도록 유성 기어 세트를 포함하는 능동 조향 장치에 관한 것이다.
최근 조향 장치 분야에서 능동 조향을 위한 장치가 많이 연구되고 있다. 이러한 능동 조향을 위한 장치의 대표적인 예로서, SBW(steer by wire)와 AFS(active front steering)를 들 수 있다.
SBW의 경우 전기적 신호만으로 조향을 가능하게 하여 좌우륜을 능동적으로 독립, 종속 제어가 가능하고 조향 시스템의 이상적 모델로서 많은 연구가 진행되고 있다.
AFS는 조향 장치 중 스티어링 컬럼부에 가변기어비를 적용할 수 있는 기어모듈을 장착하여, 주차 시와 같이 저속 주행의 경우 작은 기어비를 제공하여 운전자의 편의성을 제공하며, 고속도로 주행과 같은 고속 주행의 경우 큰 기어비를 제공 하여 차량의 안정성을 증진시킨 시스템이다.
SBW가 가장 이상적인 조향 시스템이겠지만, 스티어링휠(steering wheel, handwheel)과 스티어링 기어 사이의 기구적인 연결이라는 법규상의 제약 및 시스템의 신뢰성 면에서 단독 적용 및 대량 생산에 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 기구적 연결을 통한 능동 조향이 가능하도록 연구된 AFS의 경우 좌우륜의 독립 제어를 구현하지 못하고 있다.
도 1은, 능동 조향 시스템이 적용되지 않는 종래의 일반적인 조향 시스템을 도시한다. 운전자가 차량의 조향 조작을 위해 스티어링휠(1)에 압력을 가할 경우, 이는 조향축과 타이로드(2) 등을 통하여 전륜(3)에 전달되어, 전륜이 XT만큼 이동하면서 조향이 이루어진다.
도 2는, AFS가 적용된 종래의 조향 시스템을 도시한다. 일반적인 조향 시스템에 추가하여 스티어링 컬럼부에 가변기어비를 적용할 수 있는 기어모듈(4)이 장착된다.
2007년 4월 16일에 공개된, 공개번호 10-2007-0040232의 발명에서는, 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 타이 로드의 길이를 조절하여 조향 기어비 자체를 변화시켜주는 방식을 택하고 있다.
상기 발명에서는, 운전자가 스티어링휠에 가한 압력에 따라 랙 측면의 타이 로드의 이동 변위(또는 스티어링랙의 이동변위)를 XR이라 하고, 전륜의 이동 변위를 XT라 할 경우, 조향 기어박스의 기어비 a에 따라 하기의 식이 산출된다.
XR × a = XT
상기 발명에 의할 경우, 유성기어세트가 타이 로드의 말단부에 설치되어 타이 로드의 길이를 가변시켜 운전자의 조작부담을 줄여준다는 장점이 있으나, 유성기어세트의 설치는 타이 로드의 말단에만 설치된다는 점과 조향 기어비인 a의 곱 연산으로써 조향이 결정되기에 조향 정도의 세밀한 조정이 어렵다는 단점이 있다.
또한, 상기 발명의 경우 저속의 기어비에서 고속으로 기어비가 변환되기 위해서 타이 로드의 길이를 조절해야 하기 때문에 급작스러운 기어비의 변경 상황에서 시간 딜레이가 생길 수 밖에 없어 효율이 떨어진다.
또한, 스티어링랙과 타이 로드의 접점(볼 조인트)이 고정되어 서스펜션 지오매트리가 고정되기 때문에 조향 성능 향상에 제한이 있다.
가장 중요하게는 안전 상의 문제가 발생할 수 있다. 상기 발명의 경우 운행중 타이 로드의 길이를 제어하는 모터에 오류가 발생하는 경우 변경된 기어비가 그대로 고정되게 되며, 이에 따라 기어 박스의 기어비에 따라 변경된 변위(XT)가 고정된다. 만약 저속 주행 중에 모터에 오류가 발생하였으나 이에 따가 지속적으로 주행이 이루어지는 경우, 저속 주행에 따른 기어비 및 이에 따른 변위가 고정되며, 이러한 상태에서 고속 주행 동안 스티어링휠을 조작하는 경우 전륜의 이동 변위가 커짐으로 인하여 차량과 운전자의 안전에 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 전술한 바와 같이, 능동 조향 장치로서 차량의 운전 편의성 및 안정성을 획득하기 위함이다. 동시에, SBW만을 사용하는 경우 발생할 수 있는, 법규적 제한 및 기구적 연결의 문제점을 해결하여 안정성을 증진시키기 위함이다. 동시에, 종래 기술이 갖는 타이 로드 상의 설치 상의 편의성 및 세부 조정 가능성을 획득하기 위함이다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 능동 조향 장치에 유성 기어 세트를 제공한다. 상기 유성 기어 세트는, 일단이 스티어링랙에 연결되는 선기어(sun gear), 상기 선기어와 연결되며 모터에 의해 제어되는 링기어(ring gear), 일단이 상기 링기어와 연결되고 타단이 전륜랙에 연결되는 피니언기어(pinion gear)를 포함하며, 상기 모터에 의한 가변비(VGR; variable gear ratio) 모듈에 의해 제어된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 상기 모터는 차량의 요율(yaw rate), 횡가속(lateral accelation) 및 종가속(longitudinal accelation)에 따라 제어된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 상기 능동 조향 장치 한 쌍이 차량의 좌우륜으로의 스티어링랙에 각각 위치하여, 상기 한 쌍의 능동 조향 장치의 한 쌍의 모터에 의해서 좌우륜이 각각 독립적으로 제어된다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에서, 운전자에 의한 상기 스티어링랙의 변위가 XR이고 상기 전륜랙의 변위가 XT이며 상기 모터에 의해 제어된 상기 유성 기어 세트에 의한 변위가 ΔX인 경우,
XR ± ΔX = XT
의 수식에 의해 상기 전륜랙의 변위 XT가 결정된다.
본 발명에 따라 유성 기어 세트를 포함하는 능동 조향 장치는, 차량의 휠을 제어함에 있어서 현재의 좌우 종속제어 시스템보다 양쪽의 휠을 보다 독립적으로 제어함으로써 차량의 안정성과 운전자의 편의성을 크게 향상시킨다.
동시에, 종래 기술이 갖는 타이 로드 상의 설치의 편의성 및 세부 조정 가능성을 획득한 능동 조향 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 차량과 운전자의 안전성을 유지함과 동시에, 기어비의 변환을 보다 신속하게 할 수 있으며, 조향 성능을 상황에 따라 제어할 수 있도록 하는 능동 조향 장치를 제공한다.
또한, 본 명세서에 기재된 모든 효과를 포함한다.
이하 도면을 통하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 능동 조향 장치가 적용된 조향 시스템을 도시하는 도면이며, 도 4는 본 발명에 따른 능동 조향 장치의 기어 세트를 보다 상세히 도시하는 도면으로, 도 3의 원으로 표시된 부분을 확대한 도면이다. 기존의 조향 장치의 구성요소 등은 설명을 위해 도면에서 생략되었다.
일반적인 스티어링 시스템에서 스티어링 기어 박스(20)와 전륜(40)을 연결하는 타이 로드 부분에 본 발명에 따른 AFS 모듈(30)을 장착한다. 타이 로드는 전륜 측의 전륜랙(35)과 반대측의 스티어링랙(31)으로 이루어진다.
AFS 모듈(30)은 가변기어비(VGR) 모듈이 적용되는 (도시되지 않은) 모터와 상기 모터에 의해 제어되는 유성기어세트를 포함한다. 유성기어세트는 선기어(32), 링기어(33), 피니언기어(34)로 이루어진다.
운전자가 차량의 조향 조작을 위해 스티어링휠(10)에 일정량의 조향각 및 조향토크를 가하게 되면 이는 스티어링 컬럼을 통하여 스티어링 기어 박스(20)에 전해지며, 이에 따라 연결되어 있는 스티어링랙(31)이 XR만큼 이동하게 된다.
스티어링랙(31)은 유성기어의 선기어(32)의 축에 물린다. 선기어(32)는 링기어(33)에 연결된다. 링기어(33)는 도시되지 않은 모터에 의해 제어되며, 모터는 예를 들어 요율, 횡가속, 종가속 등의 변수에 의해 제어된다. 링기어(33)는 피니언기어(34)에 연결되며, 피니언기어(34)가 전륜랙(35)에 연결된다.
즉, 모터는 차량의 요율, 횡가속, 종가속 등의 변수에 의해 가변기어비를 이루는 유성기어세트를 제어하게 된다. 운전자의 조작에 의해 스티어링랙(31)의 이 동 변위가 XR인 경우, 가변기어비에 의해 유성기어세트가 이를 ΔX만큼 가감하게 되며, 결과적으로 전륜랙(35)의 이동 변위인 XT가 조절된다. 수식으로 표현하면 다음과 같다.
XR ± ΔX = XT
이러한 AFS 모듈이 좌우의 전륜에 적용된다. 좌측과 우측을 각각 별도로 가변함으로써, 동일한 스티어링랙 변위(XR)에도 좌우륜의 독립 제어가 가능하다. 즉, 종래 기술에 의한 경우 운전자의 조향 입력에 따른 랙변위가 좌우륜으로 같은 양의 변위로서 가해지는데 반하여, 본 발명에 의한 경우 타이 로드에 유성 기어 세트를 장착하고 이를 모터로 제어함으로써 좌우륜의 변위를 다르게 생성할 수 있다.
결과적으로, 기존의 스티어링 시스템에서처럼 운전자의 입력에 따라 좌우륜에 같은 양의 변위가 생성되지 않고 다른 양의 변위를 생성하여, 좌우륜이 각각 독립적으로 제어될 수 있다.
또한, 본 발명의 경우 전술한 공개번호 10-2007-0040232의 발명과 달리 기어비에 가감되는 양을 조절함으로써 기어비의 변환을 신속하게 할 수 있다는 장점이 있다. 더욱이, 볼 조인트의 하드포인트를 랙 길이 조절에 의해 제어할 수 있기 때문에 조향 성능을 상황에 따라 제어할 수 있다.
또한, 링기어(33)에 연결된 모터에 오류가 발생한 경우 초기 설정 기어비로 용이하게 회귀할 수 있다. 즉, 모터에 오류가 발생한 경우, 모터가 가하는 힘이 없어지기에 초기 설정된 랙 변위로 고정되어 초기 설정 기어비가 유지된다. 초기 설정 기어비는 능동 조향 장치가 작동하지 않는 경우를 의미하도록 1인 것이 바람직하다.
예를 들어, 저속 주행에 따른 기어비가 설정된 상태에서 모터에 오류가 발생하였다면 초기 설정 기어비로 회복된다. 이러한 방법으로, 저속 주행 동안 모터 오류가 발생한 상태에서 고속 주행이 이루어진 경우에도 모터 오류 발생 즉시 초기 설정 기어비로 회귀하기 때문에 차량 또는 운전자의 안전성을 유지한다.
본 발명의 실시를 위한 내용을 실시예를 통하여 설명하였으나, 본 발명의 청구범위는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명에 첨부된 특허청구범위로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 가능한 변경예 또는 수정예에까지 미칠 것이다.
도 1은 종래 기술의 조향 장치를 도시하는 개념도이다.
도 2는 종래 기술의 능동 조향 장치를 도시하는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 능동 조향 장치의 일 실시예를 도시하는 개념도이다.
도 4는 도 3의 원 부분의 확대도이다.
<주요 도면 부호의 설명>
1, 10 : 스티어링휠 2, 20 : 타이 로드
3, 40 : 전륜 4 : 기어 박스
30 : AFS 모듈 31 : 스티어링랙
32 : 선기어 33 : 링기어
34 : 피니언기어 35 : 전륜랙

Claims (5)

  1. 일단이 스티어링랙에 연결되는 선기어(sun gear);
    상기 선기어와 연결되며 모터에 의해 제어되는 링기어(ring gear);
    일단이 상기 링기어와 연결되고 타단이 전륜랙에 연결되는 피니언기어(pinion gear);
    를 포함하며,
    상기 모터에 의한 가변비(VGR) 모듈에 의해 제어되는 유성 기어 세트
    를 포함하는,
    능동 조향 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터에 의한 가변비(VGR) 모듈의 초기 설정 기어비는 1인 것을 특징으로 하는,
    능동 조향 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터는, 차량의 요율(yaw rate), 횡가속 및 종가속에 따라 제어되는 것 을 특징으로 하는,
    능동 조향 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 능동 조향 장치 한 쌍이 차량의 좌우륜으로의 상기 스티어링랙에 각각 위치하여, 상기 한 쌍의 능동 조향 장치의 한 쌍의 상기 모터에 의해서 상기 좌우륜이 각각 독립적으로 제어되는 것을 특징으로 하는,
    능동 조향 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    운전자에 의한 상기 스티어링랙의 변위가 XR이고
    상기 전륜랙의 변위가 XT이며,
    상기 모터에 의해 제어된 상기 유성 기어 세트에 의한 변위가 ΔX인 경우,
    XR ± ΔX = XT
    에 의해 상기 전륜랙의 변위 XT가 결정되는 것을 특징으로 하는,
    능동 조향 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160051125A (ko) * 2014-10-31 2016-05-11 현대모비스 주식회사 자동차의 조향장치

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