KR20190015367A - 레벨 제어 시스템, 그리고 레벨 조정 시스템의 작동 방법 - Google Patents

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크리스티안 하르코르트
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섀플러 테크놀로지스 아게 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 액추에이터 유닛(3)을 포함하는, 자동차용 레벨 조정 시스템(1), 특히 레벨 제어 시스템에 관한 것이며, 액추에이터 유닛은 전기 모터(4)와, 이 전기 모터에 의해 구동되면서 자동차의 레벨 조정을 가능하게 하는 기어 구동부(5)를 포함한다. 액추에이터 유닛(3)의 작동을 위해 제어 장치(2)가 제공되며, 계산 유닛(11)은, 전기 모터(4)로 공급되는 모터 전류(IM)를 검출하는 전류 센서(9)와 상호작용하면서, 액추에이터 유닛(3)을 통해 생성되는 액추에이터 작동력(Fc)을 산출하도록 형성된다.

Description

레벨 제어 시스템, 그리고 레벨 조정 시스템의 작동 방법
본 발명은 자동차에서 레벨 조정, 특히 레벨 제어를 위한 방법, 그리고 상기 방법의 실행을 위해 적합한 장치에 관한 것이다.
자동차의 레벨 제어를 위한 방법은 예컨대 DE 10 2009 008 612 A1호로부터 공지되어 있다. 여기서 레벨 조정은 전기 모터를 포함하는 액추에이터에 의해 수행되며, 전기 모터는, 자신의 위치가 증분 검출되는 회전 운동 가능한 모터 부재(motor element)를 포함한다. 모터 부재의 검출된 위치는 액추에이터 부재(actuator element)의 절대 높이 위치로 변환된다. 상기 공지된 레벨 제어 장치는 전동식 스핀들 드라이브들로 작동한다.
DE 103 45 987 B4호로부터는, 스핀들 드라이브로 작동하는, 자동차를 위한 또 다른 레벨 조정 장치가 공지되어 있다. 여기서 스프링 리테이너(spring retainer)는 스프링-댐퍼 어셈블리의 축 방향으로 조정될 수 있다.
DE 38 26 843 C2호는, 차도에 따른 레벨 제어를 가능하게 한다는 자동차용 서스펜션 시스템을 개시하고 있다. 상기 시스템의 범위에서, 주행 시 압축 트래블(compression travel)에 관련되는 임계값들에 어느 정도까지 도달하는지가 검출된다.
차량의 중량 힘의 결정을 위해 제공되는 장치들은 예컨대 DE 199 27 681 A1호로부터, 그리고 DE 198 02 630 A1호로부터 공지되어 있다.
일반적으로, 자동차에서 특히 전기 기계식 작동 부재를 포함하는 레벨 제어 장치는 하나의 액슬에서, 또는 복수의 액슬에서의 차체의 상승 및 하강을 가능하게 한다. 차체의 하강은 예컨대 공기 저항을 감소시키기 위해, 또는 승차 및 하차 또는 적재를 수월하게 하기 위해 수행될 수 있으며, 그와 반대로 차체의 상승은 예컨대 도로 특성에 대한 매칭을 위해 고려된다.
본 발명의 과제는, 한편으로는 이용되는 센서 시스템과 액추에이터 시스템 간의, 다른 한편으로는 기능 다양성과 작동 신뢰성 간의 특히 유리한 관계의 관점에서, 전술한 종래 기술에 비해 자동차의 레벨 조정, 특히 레벨 제어를 개량하는 것에 있다.
상기 과제는, 본 발명에 따라서, 청구항 제1항의 특징들을 갖는 레벨 조정 시스템을 통해, 그리고 청구항 제7항에 따르는 레벨 조정 시스템의 작동을 위한 방법을 통해 해결된다. 하기에서 작동 방법과 관련하여 설명되는 본 발명의 구성들 및 장점들은 그 의미에 부합하게 본원의 장치, 다시 말하면 레벨 조정 시스템에도 적용되며, 그리고 그 반대의 경우에도 동일하게 적용된다. 레벨 조정 시스템의 특별한 경우로서, 상기 레벨 조정 시스템은 레벨 제어 시스템으로서 형성될 수 있다. "레벨 조정 시스템" 및 "레벨 제어 시스템"이란 용어들은 하기에서 간단히 표현하여 "시스템"이란 용어에 포함된다. 레벨 조정 시스템에 관련되는 진술 내용들은, 그 대상이 제어 시스템인 경우들에서도 유효하다.
본원의 레벨 조정 시스템은 액추에이터 유닛을 포함하고, 이 액추에이터 유닛은 전기 모터와 이 전기 모터에 의해 구동되는 기어 구동부(gear drive)를 포함하며, 기어 구동부에 의해 차체가 높이 조정될 수 있다. 액추에이터 유닛의 작동을 위해 제어 장치가 제공되며, 바람직하게는 제어 장치 내에 통합되는 계산 유닛은, 전기 모터가 공급받는 모터 전류를 검출하는 전류 센서와 상호작용하면서, 액추에이터 유닛을 통해 생성되어 자동차의 레벨 조정을 위한 자동차의 구성요소들 내로 유도되는 액추에이터 작동력(actuator force)을 산출하도록 형성된다.
본원의 레벨 제어 시스템의 전기 모터의 모터 전류 공급을 통한 액추에이터 작동력의 상기 간접적인 결정을 통해, 힘 측정을 위한 추가적인 직접 작용식 장치들은 필요하지 않다. 가장 단순한 경우에, 상기 장치는 레벨 조정 시스템으로서 형성되며, 개량된 구현예에서는 피드백부가 시스템 내부에 제공되어 있으며, 그럼으로써 상기 시스템은 레벨 제어 시스템으로서 형성되게 된다.
본원의 레벨 조정 시스템 또는 레벨 제어 시스템의 내부에 복수의 액추에이터가 제공되어 있다면, 개별 작동력들을 합산하는 것을 통해 자동차의 적재 상태가 추론될 수 있다. 레벨 조정 또는 레벨 제어를 위해 이용되는 액추에이터들의 개수와 무관하게, 본원의 시스템을 통해 산출되는 힘 정보는 예컨대 트렁크 적재에 대해 자동차의 리어 액슬에서의 설정들을 매칭시키기 위해 고려될 수 있다. 또한, 자동차의 적재 상태에 대한, 본원의 시스템에 의해 획득되는 정보는 구동 다이내믹 차량 제어의 매개변수들을 자동으로 매칭시키기 위해 이용될 수 있다.
모터 상-전류 측정에 추가로, 본원의 시스템의 내부에는 바람직하게는 액추에이터 유닛의 하나 이상의 전기 모터와 관련한 모터 회전수 및/또는 모터 회전 방향의 검출 역시도 제공된다. 그에 따라, 레벨 조정의 작동 속도에 추가로, 바람직하게는 작동 방향 역시도 검출될 수 있다.
본원의 시스템의 개량은, (액추에이터 시스템의 구성에 따라서) 액추에이터 시스템 내에서 작용하는 마찰력들 및 마찰 토크들이 전형적으로 여러 환경 조건에 따라서 결정되고 최종적으로 불충분하게만 알려져 있다는 사실을 고려한다. 확인된 점에 따르면, 불충분함에도 불구하고, 액추에이터 유닛의 기어 구동부의 작동 특성들에 대한 정보들과 관련하여, 하나의 상향 조정 단계와 하나의 하향 조정 단계를 포함하는 완전한 조정 주기에 걸쳐 힘들이 검출되어 평균됨으로써, 액추에이터 작동력에 대해, 그리고 그에 따라 자동차의 적재 상태에 대해 진술력이 있으면서도 신뢰성이 있는 데이터가 획득될 수 있다. 이런 목적을 위해, 계산 유닛은, 마찬가지로 제어 장치의 통합 부품일 수 있는 데이터 메모리와 연결될 수 있다. 데이터 메모리는, 적어도 하나의 상향 조정 단계 및 적어도 하나의 하향 조정 단계 동안 전기 모터와 관련된 데이터를 저장하도록 형성된다. 차체의 상향 조정에서뿐만 아니라 그 하향 조정에서도, 전형적으로 액추에이터 유닛의 전기 모터가 공급받는 유효한 모터 상 전류(IM)와, 생성되는 모터 토크(MM) 사이의 비례 관계가 하기 식으로 제공된다.
Figure pct00001
위의 식에서, cM은 모터 상수이다. 액추에이터 유닛의 기어 구동부의 출력부에서는 기어 감속비(i)가 포함되면서 하기 식의 작동력(FAkt)이 구해지며,
Figure pct00002
위의 식에서, MR은 액추에이터 유닛 내에서 발생하고 마찰을 통해 야기되는 토크 손실들의 합이다. 마찰 토크(MR)는 차체를 상승시킬 때 전기 모터에 의해 생성되는 모터 토크(MM)를 상쇄시킨다. 이와 반대로, 차체를 하강시킬 때에는, 마찰 토크(MR)를 통해, 전기 모터에 의해 인가될 제동 토크가 감소된다. 레벨 제어 시스템의 내부에서 차체를 상승시키고 하강시키기 위해 이용되는 기어 구동부가 셀프 록킹 기어 구동부로서 구성된다면, 하강 과정 동안에도 구동 토크가 전기 모터를 통해 인가된다.
마찰 토크(MR)의 크기, 그리고 마찰 토크(MR)와 모터 토크(MM) 간의 관계는 강하게 액추에이터 유닛의 기어 구동부의 구조 유형에 따라 결정된다. 바람직하게는, 마찰 토크(MR)가 차체의 상향 조정 및 하향 조정 중 어느 쪽이 수행되는지 그 여부에 따라서 유의적으로 결정되는, 기어 구동부가 이용된다. 그에 상응하게, MRa는 상향 조정 동안 극복되어야 할 마찰 토크를 나타내며, 그리고 MRu는 하향 조정 동안 작용하는 마찰 토크를 나타낸다. 그에 따라, 차체의 상향 이동 및 하향 이동 시 각각 서로 다른 액추에이터 작동력들이 하기 식으로 구해지며,
Figure pct00003
위의 식에서, IMa는 상향 조정 동안 모터 전류를 나타내고 IMu는 하향 조정 동안 모터 전류를 나타낸다. 적합한 근사에 의해, 마찰 토크(MRa 및 MRu)는 하기 식과 같이 상수 값만큼 서로 구분된다는 점이 상정될 수 있다.
Figure pct00004
상기 관계는, 적어도 상향 조정 동안, 그리고 하향 조정 동안 본원의 시스템을 통해 서로 상응하는 회전수 프로파일들이 실현되는 경우들에서 적용된다. 마찰 토크차(ΔMR)의 의존성은 필요한 경우 실험적으로 결정될 수 있다. 또한, 적재 상태에 변함이 없을 때 차체의 상향 조정 및 하향 조정이 실행된다면, 적합한 근사로, 상향 조정을 위해 적용되는 작동력(FAkt,a)은 하향 조정을 위해 적용되는 작동력(FAkt,u)에 상응한다는 점이 상정될 수 있다. 그에 따라, 본원의 시스템에 의해 생성되는 액추에이터 작동력(FAkt)은 하기 식으로 표현될 수 있다.
Figure pct00005
상향 조정 또는 하향 조정을 위해 적용되는 힘들(FAkt,a 및 FAkt,u)이 이용된다면, 하기 식이 구해지며,
Figure pct00006
그리고 그에 따라 하기 식도 구해진다.
Figure pct00007
이런 점에서, 마찰 토크(MR)는 액추에이터 작동력(FAkt)의 결정을 위해 요구되지 않는다는 점을 알 수 있다. 그 대신, 계산 유닛은, 상수로서 상정될 수 있는 매개변수들(cM 및 ΔMR)에 추가로, 오직 적어도 하나의 조정 주기에 걸친 평균값 계산에 이용되는 모터 전류들(IMa 및 IMu)만을 처리한다.
액추에이터 유닛의 기어 구동부로서는 특히 스크류 드라이브(screw drive)가 적합하다. 특히, 이를 위해, 예컨대 독일 특허 출원 제10 2016 207 615.9호(출원일: 2016년05월03일)에서 개시된 것과 같은 명백하게 비대칭인 마찰 특성을 갖는 스크류 드라이브가 고려된다.
이런 경우, 기어 구동부는, 차체를 상승시킬 때 오직 적은 제동 토크만 작용하고, 이와 반대로 차체를 하강시킬 때에는 전기 모터에 의해 추가로 생성될 제동 토크를 강하게 감소시키거나, 또는 심지어 하강 동안 구동 토크를 필요하게 하는 수 배의 제동 토크가 작용하는 방식으로, 본원의 시스템 내에 삽입되어 구성될 수 있다. 마지막에 언급한 경우에, 액추에이터 유닛의 기어 구동부는 단측 셀프 록킹 기어 구동부(single-side self-locking gear drive)로서 형성된다. 이는, 기어 구동부의 출력 측에서 유도되는 작동력이 제1 방향에서 입력 측 운동을 야기하고, 그와 반대로 작동력의 출력 측 유도는 그 반대되는 방향에서 기어 구동부의 차단을 야기한다는 점을 의미한다.
본 발명의 장점은, 어느 경우이든, 전기 기계식 레벨 제어 시스템에서 전형적으로 여하히 제공되어 있는 제어 전자 장치가 차량의 적재 상태를 추론하기 위해 이용된다는 점에 있다.
하기에서는 본 발명의 일 실시예가 도면에 따라서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 자동차를 위한 레벨 제어 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1에 따른 시스템으로 실행될 수 있는 방법을 나타낸 흐름도이다.
전체적으로 도면부호 1로 식별표시되는 레벨 조정 시스템, 요컨대 레벨 제어 시스템은 미도시한 자동차, 요컨대 승용차 또는 상용차 내에 장착되도록 결정되어 있다. 레벨 제어 시스템(1)은 제어 장치(2)와 액추에이터 유닛(3)으로 구성된다. 미도시한 방식으로, 자동차의 내부에는 단일의 제어 장치(2) 또는 복수의 제어 장치에 의해 작동되는 복수의 액추에이터 유닛(3)이 제공되어 있을 수 있다. 이런 경우, 레벨 제어 시스템(1)은 자동차의 단일의 액슬에서, 또는 그 복수의 액슬에서 레벨 제어를 위해 이용된다.
액추에이터 유닛(3)은 전기 모터(4); 및 단단 또는 다단으로 구성될 수 있으면서 상기 전기 모터에 의해 작동되는 기어 구동부(5);를 포함하여, 이 기어 구동부는, 미도시한 섀시 구성요소들과 연결되어 있는 리프팅 부재(7)(lifting element) 내로 힘을 유도한다. 전기 모터(4) 및 기어 구동부(5)는 본 실시예에서 하나의 공통 하우징(6) 내에 위치되며, 리프팅 부재(7)는 하우징(6)에서 외부로 확장될 수 있다. 리프팅 부재(7)를 통해, 액추에이터 작동력(FAkt)은, 자동차의 차체의 레벨을 조정하기 위해, 섀시 구성요소로 전달된다.
제어 장치(2)는 연결 라인(8)을 통해 전기 에너지를 공급받는다. 제어 장치(2)의 구성요소들은 전류 센서(9), 데이터 메모리(10), 계산 유닛(11), 및 파워 출력단(12)(power output-stage)이다. 이 구성요소들(9, 10, 11, 12)은, 도 1에 예시된 것처럼, 반드시 하나의 공통 구조 유닛의 내부에 위치되어야 하는 것은 아니다. 라인(13)을 통해, 전류는 파워 출력단(12)에서부터 전기 모터(4) 쪽으로 전도된다. 상기 전류의 측정은 전류 센서(9)에 의해 수행된다. 측정되는 전류 값들은, 하기에서 훨씬 더 상세하게 설명되는 것처럼, 데이터 메모리(10)에 저장되어 계산 유닛(11)으로 공급되며, 이 계산 유닛은 적어도 근사치로 액추에이터 작동력(FAkt)에 상응하는 계산된 힘(Fc)을 출력한다.
도 2에 도해되어 있으면서 도 1에 따른 레벨 제어 시스템(1)으로 실행될 수 있는 방법은, 본 사례에서 레벨 제어 시스템(1)의 상향 조정으로서[간단한 표현으로 업 드라이빙(up-driving)으로서] 상정되는 제1 방법 단계(S1)로 개시된다. 이런 업 드라이빙 동안, 모터 전류(IM)는 라인(13) 내에서 전류 센서(9)에 의해 측정된다. 제2 단계(S2)에서는, 저장 및 일차 평균값 계산이 수행되며, 이로부터 평균 상향 전류값(IMa)이 구해진다.
레벨 제어 시스템(1)의 상향 조정 및 경우에 따른 작동 일시중지(actuation pause) 후에, 단계 S3에서는, 간단한 표현으로 레벨 제어 시스템(1)의 다운 드라이빙(down-driving)으로서도 지칭되는 하향 조정이 수행된다. 여기서도, 모터 전류(IM)는 제1 단계(S1)와 유사하게 측정된다. 동일하게, 유사한 방식으로, 저장 및 평균값 계산이 수행되며, 이로부터, 이런 경우에는, 단계 S4에서 다운 드라이빙과 관련된 평균 모터 전류(IMu)가 구해진다.
평균 모터 전류값들(IMa 및 IMu)에서부터는, 최종적으로 단계 S5에서, 모델이 현실적으로 기능하는 점에 한해, 액추에이터 작동력(FAkt)에 상응하는 힘(Fc)이 계산된다. 그에 따라, 액추에이터 유닛(3)에서, 또는 다른 섀시 구성요소들에서의 직접적인 힘 측정은 자동차의 적재 상태의 산출을 위해 요구되지 않는다.
1: 레벨 조정 시스템, 레벨 제어 시스템
2: 제어 장치
3: 액추에이터 유닛
4: 모터
5: 기어 구동부
6: 하우징
7: 리프팅 부재
8: 연결 라인
9: 전류 센서
10: 데이터 메모리
11: 계산 유닛
12: 파워 출력단
13: 라인
FAkt: 액추에이터 유닛을 통해 생성되는 액추에이터 작동력
Fc: 계산된 액추에이터 작동력
IM: 모터 전류
IMa: 업 드라이빙 시 평균 모터 전류
IMu: 다운 드라이빙 시 평균 모터 전류
S1 ... S5: 방법 단계

Claims (10)

  1. 전기 모터(4)와 이 전기 모터에 의해 구동되면서 자동차의 레벨 조정을 가능하게 하는 기어 구동부(5)를 구비하는 액추에이터 유닛(3); 및 이 액추에이터 유닛(3)의 작동을 위해 제공되는 제어 장치(2);를 포함하는 자동차용 레벨 조정 시스템(1)에 있어서,
    계산 유닛(11)은, 전기 모터(4)로 공급되는 모터 전류(IM)를 검출하는 전류 센서(9)와 상호작용하면서, 액추에이터 유닛(3)을 통해 생성되는 액추에이터 작동력(FAkt)을 산출하도록 형성되는, 자동차용 레벨 조정 시스템(1).
  2. 제1항에 있어서, 계산 유닛(11)은 제어 장치(2) 내에 통합되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 레벨 조정 시스템(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 계산 유닛(11)은 추가로, 전기 모터(4)의 모터 회전수 및 모터 회전 방향에 대한 정보를 처리하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 레벨 조정 시스템(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 계산 유닛(11)은, 액추에이터 유닛(3)의 적어도 하나의 상향 조정 단계 및 적어도 하나의 하향 조정 단계 동안 전기 모터(4)에 관련된 데이터의 저장을 위해 제공되는 데이터 메모리(10)와 연결되어 있으며, 계산 유닛(11)은 하나의 상향 조정 단계 및 하나의 하향 조정 단계를 포함하는 조정 주기에 관련되는 평균 모터 전류들(IMa, IMu)을 처리하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 레벨 조정 시스템(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 기어 구동부(5)는 방향에 따른 마찰 토크들(MRa, MRu)을 갖는 것을 특징으로 하는, 자동차용 레벨 조정 시스템(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레벨 조정 시스템은 레벨 제어 시스템으로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 자동차용 레벨 조정 시스템(1).
  7. 하나 이상의 전기 모터(4); 및 이 전기 모터의 하류에 연결되는 기어 구동부(5);를 포함하는, 자동차의 레벨 조정 시스템(1), 특히 레벨 제어 시스템의 작동을 위한 방법에 있어서,
    - 제어 장치(2)에 의해 전기 모터(4)가 전류를 공급받으며, 조정 과정 동안 모터 전류(IM)는 계측학적으로 검출되는 단계;
    - 검출된 모터 전류(IM)가 저장되는 단계; 및
    - 조정 과정 동안 저장된 모터 전류(IM)로부터 레벨 조정 시스템(1) 내에서 작용하는 액추에이터 작동력(FAkt)이 산출되는 단계;를 포함하는, 자동차의 레벨 조정 시스템의 작동 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 모터 전류(IM)는, 하나의 상향 조정 단계 및 하나의 하향 조정 단계를 포함하는 조정 주기 동안 검출되어 액추에이터 작동력(FAkt)의 계산을 위해 평균되는 것을 특징으로 하는, 자동차의 레벨 조정 시스템의 작동 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 액추에이터 작동력(FAkt)의 계산에는, 기어 구동부(5)의 제1 조정 방향과 관련된 마찰 토크(MRa)와, 제2 조정 방향과 관련된 마찰 토크(MRu) 사이의 영(0)이 아닌 차(ΔMR)가 포함되는 것을 특징으로 하는, 자동차의 레벨 조정 시스템의 작동 방법.
  10. 제9항에 있어서, 조정 방향에 따르는 상기 마찰 토크들(MRa, MRu)의 차(ΔMR)의 회전수 의존성이 상기 액추에이터 작동력(FAkt)의 계산에 포함되는 것을 특징으로 하는, 자동차의 레벨 조정 시스템의 작동 방법.
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