KR20110054238A - 좌우 독립형 스티어 바이 와이어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 좌우 독립형 스티어 바이 와이어 시스템에 관한 것으로, 좌우측의 차륜을 통해 역으로 외란이 입력되는 경우에는 연결링크(19,20) 및 서로 체결되어 일체화된 상,하부 커플링(31,32)에서 외란을 크게 저감시켜 줄 수 있게 되므로, 에너지 소비를 줄일 수 있게 되고 이를 통해 연비 향상 및 차량의 주행 안정성을 크게 향상시킬 수 있도록 된 것이다.

또한, 본 발명은 좌우측의 차륜(11,12)으로 동력을 전달하는 랙모터가 상,하부 랙모터(15,16)와 같이 각각 한 개씩만 구성하여도 페일 세이프(fail safe)의 기능을 충실히 구현할 수 있게 됨으로써, 중량 감소 및 원가 절감을 도모할 수 있게 된다.

독립, 스티어 바이 와이어, SWB, 외란, 페일 세이프

Description

좌우 독립형 스티어 바이 와이어 시스템{Independent steer by wire system}

본 발명은 좌우 독립형 스티어 바이 와이어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차륜을 통해 조향모터로 유입되는 외란의 영향을 저감시킬 수 있도록 함과 더불어 페일 세이프(fail safe) 기능 구현이 가능한 좌우 독립형 스티어 바이 와이어 시스템에 관한 기술이다.

일반적으로, 차량의 스티어링은 차량의 진행방향을 운전자가 선택하여 조작하는 장치로서 운전자가 직접 조작하는 스티어링 휠과, 상기 스티어링 휠의 조작방향 및 조작력을 차륜에 전달하는 조향기구 등을 구비한다.

운전자의 스티어링 휠의 조작력을 보조하여 운전 조작의 편의를 제공하기 위해 파워 스티어링이 개발되어 적용되고 있는데, 상기 파워 스티어링은 유압을 이용한 유압식과, 유압과 모터의 전동력을 동시에 이용하는 전동 유압식, 모터의 전동력만을 이용한 전동식 등이 개발되어 적용되었다.

최근에는 스티어링 휠과 차륜 사이의 스티어링 칼럼이나 유니버설 조인트 혹은 피니언 샤프트와 같은 기계적인 연결장치를 제거하는 대신에 모터와 같은 전동기를 이용하여 차량의 조향이 이루어지도록 하는 스티어 바이 와이어(Steer By Wire; 이하 'SBW'라 함) 시스템이 개발되어 적용되고 있다.

특히, 좌우 독립형 SBW 시스템은 좌륜 조향장치와 우륜 조향장치 사이에 기계적 연결이 없이 서로 독립적으로 작동하는 시스템으로, 부품과 중량 감소의 이점이 있으며 또한 필요시에만 좌륜의 조향모터나 또는 우륜의 조향모터를 선택적으로 구동시킴으로써 연비가 향상되도록 하는 장점이 있다.

도 1에는 종래 기술에 따른 좌우 독립형 SBW 시스템의 개략적인 구성이 도시되어 있는 바, 운전자에 의한 스티어링 휠(1)의 조작력을 보조하기 위해 스티어링 칼럼(2)에는 반력모터(3)가 설치되어 있고, 좌우측의 차륜(4)은 서로 분리되어 독립되면서 타이로드(5) 및 니은(ㄴ)자형 제어레버(6)를 통해 각각의 볼스크루(7)와 연결되어 있으며, 상기 볼스크루(7)는 랙모터(8)의 회전동력을 전달받아서 직선 이동할 수 있도록 상기 랙모터(8)와 연결되어 있다.

그리고, 상기 반력모터(3)와 상기 랙모터(8)는 각각 SBW 컨트롤러(9)의 출력단에 접속되어, 상기 SBW 컨트롤러(9)로부터 인가되는 제어신호에 의해 선택적으로 구동하게 된다.

상기 SBW 컨트롤러(9)의 입력단에는 스티어링 휠(1)의 조작에 따른 조향각을 감지하는 조향각 감지센서와, 차속을 감지하는 차속센서와, 범프와 리바운드 양을 감지하는 범프 및 리바운드 감지센서와, 상기 타이로드(5)를 통해 입력되는 부하를 감지하는 로드셀과 같은 부하감지센서가 각각 접속되어 있는 바, 이에 따라 상기 SBW 컨트롤러(9)는 상기 센서들을 통해 유입되는 신호를 감지하여 내부에 프로그램된 로직에 따라 상기 반력모터(3)와 상기 랙모터(8)의 구동을 제어하게 된다.

한편, 상기 랙모터(8)는 좌측과 우측의 볼스크루(7)에 각각 두 개씩 구비되는데, 이는 두 개의 랙모터(8) 중 어느 하나가 작동 불능이 될 경우 다른 하나가 작동함으로써 페일 세이프(fail safe)의 기능을 구현할 수 있도록 하기 위함이다.

상기와 같은 종래의 좌우 독립형 SBW 시스템에서, 좌측의 차륜(4)이나 또는 우측의 차륜(4)으로부터 외란(차량의 중량, 구름 저항, 타이어의 횡력 등)이 역으로 가해지는 경우 상기 외란은 타이로드(5)와 제어레버(6) 및 볼스크루(7)를 통해 랙모터(8)로 전달되는 바, 이에 따라 상기 랙모터(8)는 상기 외란에 의해 역회전하려는 힘을 받게 됨으로써 큰 부하가 걸리게 된다.

외란을 감소시킬 목적으로 제어레버(6)의 길이를 길게 형성시킬 수도 있으나, 종래의 좌우 독립형 SBW 시스템은 랙모터(8) 및 볼스크루(7)가 차체의 좌우측에서 차체의 전후방향으로 동력이 전달되게 설치된 구성이기 때문에, 상기 제어레버(6)의 길이를 길게 형성시킬 경우 주변 부품과의 간섭이 발생하여 조향 기능을 수행할 수 없게 된다.

따라서, 종래의 좌우 독립형 SBW 시스템은 상기 제어레버(6)의 길이를 길게 형성시킬 수 없는 구성이므로, 외란이 그대로 상기 랙모터(8)로 전달되는 문제점이 있었던 것이다.

상기 외란에 대항하기 위해서는 외란이 작용하는 쪽의 랙모터(8)가 지속적으로 동작해야 하는데, 이로 인해 종래의 좌우 독립형 SBW 시스템은 에너지의 소비가 높아서 결국에는 연비가 저하되고, 차량의 주행 안정성이 저하되는 문제점도 있었다.

또한, 외란에 대항하기 위해서 랙모터(8)가 지속적으로 동작해야 하므로, 상기 랙모터(8)의 내부 부품이나 볼스크루(7) 및 타이로드(5) 등이 손상될 우려가 있는 등의 문제점도 있었다.

또한, 종래의 좌우 독립형 SBW 시스템은 페일 세이프(fail safe)의 기능 구현을 위해 좌측과 우측의 볼스크루(7)에 랙모터(8)가 각각 두 개씩 구비된 구성인 바, 이로 인해 중량 증가 및 원가 상승의 문제점도 있었다.

이에 본 발명은 상기한 모든 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로, 차륜을 통해 조향모터로 외란이 유입될 경우 조향모터를 구동시키지 않더라도 상기 외란을 효과적으로 저감시킬 수 있도록 함으로써, 상기 조향모터의 소비전력 감소를 통해 차량의 연비를 향상시킬 수 있도록 하고, 이를 통해 차량의 주행 안정성 향상에도 도움을 줄 수 있도록 하는 좌우 독립형 스티어 바이 와이어 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은, 좌우측의 조향모터를 각각 한 개씩 구성하더라도 페일 세이프의 기능 구현이 가능하게 됨으로써, 조향모터의 사용 개수를 감축을 통해 원가 절감을 도모할 수 있도록 하는 데에 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 좌우 독립형 스티어 바이 와이어 시스템은, 좌우측 차륜의 중간위치에서 상하방향으로 배치되어 설치되는 상부 랙모 터 및 하부 랙모터와; 상기 상,하부 랙모터로부터 각각 동력을 전달받아 직선 운동하는 볼스크루와 상기 좌우측 차륜의 타이로드를 각각 연결할 수 있도록 차체의 좌우방향으로 배치되어 설치된 연결링크와; 상기 상,하부 랙모터 사이에서 상기 상,하부 랙모터의 동력을 전달받아 회전할 수 있도록 설치됨과 더불어 스티어 바이 와이어 컨트롤러의 제어에 의해 전류를 인가받아서 상기 상,하부 랙모터를 일체로 결합시킬 수 있도록 내부에 코일이 감겨진 전자석 클러치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 좌우측의 차륜을 통해 역으로 외란이 입력되는 경우에는 연결링크 및 서로 체결되어 일체화된 상,하부 커플링에서 외란을 크게 저감시켜 줄 수 있게 되므로, 에너지 소비를 줄일 수 있게 되고 이를 통해 연비 향상 및 차량의 주행 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 좌우측의 차륜으로 동력을 전달하는 랙모터가 상,하부 랙모터와 같이 각각 한 개씩만 구성하여도 페일 세이프(fail safe)의 기능을 충실히 구현할 수 있게 됨으로써, 중량 감소 및 원가 절감을 도모할 수 있는 효과도 있다.

이하 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.

도 2와 도 3에는 본 발명에 따른 좌우 독립형 SWB 시스템의 구성이 도시되어 있는 바, 운전자에 의한 스티어링 휠(1)의 조작력을 보조하기 위해 스티어링 칼럼(2)에는 반력모터(3)가 설치되고, 좌우측의 차륜(11,12)은 서로 분리되어 독립되 면서 각각 타이로드(13,14)를 구비하고 있다.

상기 좌우측 차륜(11,12)의 대략 중간위치에는 상하방향으로 배치된 상부 랙모터(15) 및 하부 랙모터(16)가 설치되고, 상기 상부 랙모터(15)와 상기 하부 랙모터(16)에는 회전동력을 전달받아서 직선 이동할 수 있는 볼스크루(17,18)가 각각 연결된 상태로 설치되며, 상기 볼스크루(17,18)는 각각의 연결링크(19,20)를 매개로 상기 좌우측 차륜(11,12)의 타이로드(13,14)와 동력전달이 가능한 구성을 갖고 있다.

여기서, 상기 좌우측 차륜(11,12)과 상기 타이로드(13,14)의 연결, 상기 타이로드(13,14)와 상기 연결링크(19,20)의 연결, 상기 연결링크(19,20)와 상기 볼스크루(17,18)의 연결은 각각 동력전달이 가능하고 상대 회전이 가능한 조인트(21∼26)을 통해 연결된다.

또한, 상기 연결링크(19,20)의 중간 절곡부는 상기 연결링크(19,20)의 회전이 가능하도록 차체에 고정되는 회전중심축(27,28)이 결합된다.

그리고, 상기 반력모터(3)와 상기 상부 랙모터(15) 및 상기 하부 랙모터(16)는 각각 SBW 컨트롤러(29)의 출력단에 접속되어, 상기 SBW 컨트롤러(29)로부터 인가되는 제어신호에 의해 선택적으로 구동하게 된다.

상기 SBW 컨트롤러(29)의 입력단에는 스티어링 휠(1)의 조작에 따른 조향각을 감지하는 조향각 감지센서와, 차속을 감지하는 차속센서와, 범프와 리바운드 양을 감지하는 범프 및 리바운드 감지센서와, 상기 타이로드(13,14)를 통해 입력되는 부하를 감지하는 로드셀과 같은 부하감지센서가 각각 접속되어 있는 바, 이에 따라 상기 SBW 컨트롤러(29)는 상기 센서들을 통해 유입되는 신호를 감지하여 내부에 프로그램된 로직에 따라 상기 반력모터(3) 및 상기 상부 랙모터(15)와 상기 하부 랙모터(16)의 구동을 제어하게 된다.

한편, 상기 상,하부 랙모터(15,16) 사이에는 상기 상,하부 랙모터(15,16)의 동력을 전달받아서 회전할 수 있는 전자석 클러치(30)가 설치되는데, 상기 전자석 클러치(30)는 상기 SBW 컨트롤러(29)의 제어에 의해 전류를 인가받아서 상기 상,하부 랙모터(15,16)를 일체로 결합시키는 역할을 하게 된다.

즉, 상기 전자석 클러치(30)는 상기 상부 랙모터(15)로부터 돌출 가능한 커플링로드(31a)를 매개로 상기 상부 랙모터(15)의 동력을 전달받아서 회전할 수 있도록 설치됨과 더불어 내부에 코일(31b)이 감겨진 상부 커플링(31)과, 상기 하부 랙모터(16)로부터 돌출 가능한 커플링로드(32a)를 매개로 상기 하부 랙모터(16)의 동력을 전달받아 회전할 수 있도록 설치됨과 더불어 상기 상부 커플링(31)에 마주 대하도록 위치하면서 내부에 코일(32b)이 감겨진 하부 커플링(32)으로 구성된다.

상기 상부 커플링(31)과 상기 하부 커플링(32)은 각각의 코일(31b,32b)로 전류가 인가되지 않으면 전자석이 되지 않기 때문에 도 3과 같이 서로 떨어진 상태로 체결이 이루어지지 않게 되며, 이에 따라 상기 상,하부 랙모터(15,16)는 서로 독립적인 구동을 하게 된다.

하지만, SBW 컨트롤러(29)의 제어에 의해 각각의 코일(31b,32b)로 전류가 인가되면, 상기 상,하부 커플링(31,32)은 전자석이 되면서 도 4와 같이 서로 체결이 이루어지게 되므로, 상기 상,하부 랙모터(15,16)는 일체화되어 함께 구동하게 된 다.

여기서, 상기 상,하부 커플링(31,32)이 전자석이 되면서 서로 체결이 이루어질 때에는 어느 하나의 커플링이 나머지 하나의 커플링 속으로 삽입되면서 마찰력에 의해 서로 체결되어 일체화되게 되는바, 이를 위해 상기 상부 커플링(31)과 상기 하부 커플링(32) 중 어느 하나의 커플링은 마주 대하는 커플링을 향하는 방향으로 갈수록 내경이 점차 증가하도록 형성되고, 나머지 하나의 커플링은 마주 대하는 커플링을 향하는 방향으로 갈수록 외경이 점차 감소하도록 형성된 구조를 갖는다.

본 발명에서는 상기 상부 커플링(31)의 내경(31c)이 상기 하부 커플링(32)을 향하는 방향으로 갈수록 점차 증가하도록 형성된 구조이고, 상기 하부 커플링(32)의 외경(32c)이 상기 상부 커플링(31)을 향하는 방향으로 갈수록 점차 감소하도록 형성된 구조이나, 필요에 따라 서로 반대되는 형상으로 형성될 수도 있음은 물론이다.

이하, 본 발명 실시예의 작용에 대해 설명한다.

정상 상태에서는 SWB 컨트롤러(29)의 제어에 의해 상부 커플링(31)과 하부 커플링(32)의 코일(31b,32b)로 전류가 인가되지 않기 때문에 상기 상,하부 커플링(31,32)은 전자석이 되지 않으며, 이에 따라 상기 상,하부 커플링(31,32)은 도 3과 같이 서로 떨어진 상태를 유지하게 되므로, 상,하부 랙모터(15,16)는 SWB 컨트롤러(29)의 제어에 의해 서로 독립적인 구동을 하게 된다.

상기 상,하부 랙모터(15,16)의 독립적인 구동력은 각각 볼스크루(17,18)와 연결링크(19,20) 및 타이로드(13,14)를 통해 좌우측 차륜(11,12)으로 전달됨으로 써, 좌우 독립형 SWB 시스템의 동작을 원할히 수행하게 된다.

그리고, 일례로 상,하부 랙모터(15,16) 중 상부 랙모터(15)가 손상되어 작동 불능 상태가 되면, SWB 컨트롤러(29)의 제어에 의해 상,하부 커플링(31,32)속의 코일(31b,32b)로 전류가 인가되며, 이에 따라 상기 상,하부 커플링(31,32)은 전자석이 되면서 커플링로드(31a,32a)가 도 4에 도시된 화살표와 같이 이동하여 상기 하부 커플링(32)이 상기 상부 커플링(31) 속으로 삽입되는 바, 이에 따라 상기 상,하부 커플링(31,32)은 마찰력에 의해 서로 체결되어 일체화된 구성을 갖게 된다.

상기 상,하부 커플링(31,32)이 전자석이 된 상태로 일체화되어 함께 구동을 하게 되면, 하부 랙모터(16)의 구동력이 상,하부 커플링(31,32)을 통해 상부 랙모터(15)로 전달되어 상기 상부 랙모터(15)가 구동하게 되고, 상기 상,하부 랙모터(15,16)의 구동력은 각각 볼스크루(17,18)와 연결링크(19,20) 및 타이로드(13,14)를 통해 좌우측 차륜(11,12)으로 전달이 이루어지게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 좌우 독립형 SWB 시스템은 상,하부 랙모터(15,16) 중 어느 하나의 랙모터가 손상되어도 페일 세이프(fail safe)의 기능을 충실히 구현할 수 있게 된다.

이 결과, 본 발명은 좌우측 차륜(11,12)의 구동을 위한 랙모터가 상,하부 랙모터(15,16)와 같이 각각 한 개씩만 구비된 구성이므로, 렉모터를 각각 두 개씩 구성하던 종래에 비해 랙모터의 총 개수를 절반으로 줄일 수 있게 되는 바, 이에 따라 중량 감소와 원가 절감을 도모할 수 있는 장점이 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 좌우 독립형 SWB 시스템은 외란에 대해서도 효과적으 로 대응할 수 있는 구성을 갖고 있다.

즉, 좌우측의 차륜(11,12)을 통해 외란(차량의 중량, 구름 저항, 타이어의 횡력 등)이 역으로 가해지면, SBW 컨트롤러(29)는 로드셀과 같은 부하감지센서를 통해 신호를 전달받아 외란의 세기를 판단하게 된다.

이때, 외란의 세기가 설정 값 이하로 판단되면, SWB 컨트롤러(29)의 제어에 의해 상부 커플링(31)과 하부 커플링(32)의 코일(31b,32b)로 전류가 인가되지 않게 되며, 이에 따라 상기 상,하부 커플링(31,32)은 도 3과 같이 서로 떨어진 상태를 유지하게 된다.

이럴 경우, 좌우측의 차륜(11,12)을 통해 입력된 외란은 회전중심축(27,28)을 중심으로 회전하는 연결링크(19,20)의 움직임(회전운동)에 의해 상쇄되어 크게 저감되며, 이로 인해 외란에 대항하기 위해서 상부 랙모터(15)나 또는 하부 랙모터(16)를 지속적으로 동작시켜 줄 필요가 없어지게 되므로, 본 발명의 실시예는 에너지의 소비를 줄일 수 있게 되고, 이를 통해 연비 향상 및 차량의 주행 안정성을 크게 향상시킬 수 있게 됨은 물론, 부품의 내구성도 크게 향상시킬 수 있게 된다.

반면, 외란의 세기가 설정 값 이상으로 판단되면, SWB 컨트롤러(29)의 제어에 의해 상부 커플링(31)과 하부 커플링(32)의 코일(31b,32b)로 전류가 인가되어 상기 상,하부 커플링(31,32)은 도 4와 같이 마찰력에 의해 서로 체결되어 일체화된 구성을 갖게 된다.

이럴 경우, 차륜(11,12)을 통해 입력된 외란은 연결링크(19,20)의 움직임(회전운동)에 의해 1차 상쇄되어 저감되고, 이후에 상,하부 커플링(31,32)의 결합부를 통해 2차 상쇄되어 저감된다.

이때에도, 외란을 크게 저감시킬 수 있게 되므로, 외란에 대항하기 위해서 상부 랙모터(15)나 또는 하부 랙모터(16)를 지속적으로 동작시켜 줄 필요가 없으며, 이로 인해 에너지의 소비를 줄일 수 있게 되고, 연비 향상 및 차량의 주행 안정성을 크게 향상시킬 수 있게 됨은 물론, 부품의 내구성도 크게 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 볼스크루(17,18)와 좌우측 차륜(11,12)의 타이로드(13,14)를 연결하는 연결링크(19,20)가 차체의 좌우방향으로 배치되어 설치된 구성이므로, 상기 연결링크(19,20)의 길이를 필요에 따라 길게 형성시킬 수 있게 된다.

상기 연결링크(19,20)의 길이를 길게 형성하더라도 차체 멤버나 기타 주변 부품과의 간섭 발생을 예방할 수 있기 때문에 조향 기능을 충실히 수행하면서 외란 입력시 길이가 늘어난 상기 연결링크(19,20)를 통해 외란을 더욱 많이 감소시킬 수 있는 장점이 있게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 좌우 독립형 스티어 바이 와이어 시스템의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 좌우 독립형 스티어 바이 와이어 시스템의 구성도,

도 3은 도 2의 전자식 클러치 구성을 설명하기 위한 도면,

도 4는 페일 세이프 기능 구현을 위한 본 발명 구성의 작동 상태도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

11,12 - 좌우측 차륜 13,14 - 타이로드

15 - 상부 랙모터 16 - 하부 랙모터

17,18 - 볼스크루 19,20 - 연결링크

29 - 스티어 바이 와이어 컨트롤러 30 - 전자석 클러치

31 - 상부 커플링 31a,32a - 커플링로드

31b,32b - 코일 32 - 하부 커플링

Claims (3)

1. 좌우측 차륜의 중간위치에서 상하방향으로 배치되어 설치되는 상부 랙모터 및 하부 랙모터와;

   상기 상,하부 랙모터로부터 각각 동력을 전달받아 직선 운동하는 볼스크루와 상기 좌우측 차륜의 타이로드를 각각 연결할 수 있도록 차체의 좌우방향으로 배치되어 설치된 연결링크와;

   상기 상,하부 랙모터 사이에서 상기 상,하부 랙모터의 동력을 전달받아 회전할 수 있도록 설치됨과 더불어 스티어 바이 와이어 컨트롤러의 제어에 의해 전류를 인가받아서 상기 상,하부 랙모터를 일체로 결합시킬 수 있도록 내부에 코일이 감겨진 전자석 클러치;

   를 포함하는 좌우 독립형 스티어 바이 와이어 시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 전자석 클러치는,

   상기 상부 랙모터로부터 돌출 가능한 커플링로드를 매개로 상기 상부 랙모터의 동력을 전달받아서 회전할 수 있도록 설치됨과 더불어 내부에 코일이 감겨진 상부 커플링과;

   상기 하부 랙모터로부터 돌출 가능한 커플링로드를 매개로 상기 하부 랙모터의 동력을 전달받아 회전할 수 있도록 설치됨과 더불어 상기 상부 커플링에 마주 대하도록 위치하면서 내부에 코일이 감겨진 하부 커플링으로 구성되고;

   상기 상부 커플링과 상기 하부 커플링은 스티어 바이 와이어 컨트롤러의 제어에 의해 전류가 인가될 때 어느 하나의 커플링이 나머지 하나의 커플링 속으로 삽입되면서 마찰력에 의해 서로 체결되어 일체화되는 것;

   을 특징으로 하는 좌우 독립형 스티어 바이 와이어 시스템.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 상부 커플링과 상기 하부 커플링 중 어느 하나의 커플링은 마주 대하는 커플링을 향하는 방향으로 갈수록 내경이 점차 증가하도록 형성되고;

   나머지 하나의 커플링은 마주 대하는 커플링을 향하는 방향으로 갈수록 외경이 점차 감소하도록 형성된 것;

   을 특징으로 하는 좌우 독립형 스티어 바이 와이어 시스템.

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