KR20200144609A - 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치 - Google Patents

차량용 전동식 스티어링 컬럼장치 Download PDF

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류상욱
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Abstract

본 발명에서는 차량의 운전 상태에 따라 스티어링휠의 조향 응답성을 조절하여 최적화된 조타 성능이 확보되는 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치가 소개된다.

Description

차량용 전동식 스티어링 컬럼장치 {ELECTRIC STEERING COLUMN DEVICE FOR VEHICLE}
본 발명은 차량의 운행 상태에 따라 조향 응답성을 가변하여 조타 성능이 향상되도록 하는 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동차는 타이어를 사이에 두고 노면에 힘을 전달하여 구동되며, 이는 운전석에서 운전자에 의하여 조작되는 조향장치를 통하여 차량의 전륜, 또는 후륜을 움직여 제어하도록 이루어진다.
이러한 조향장치로 사용되는 스티어링 휠은 그 회전을 위하여 많은 힘이 사용되기 때문에 사람의 힘으로는 조작시키기 위해서는 많은 힘이 필요함에 따라 전기 모터 및 유압의 힘을 보조 동력으로 하는 파워 스티어링 시스템이 공지되어 사용되고 있다. 여기서, 전동식 파워 스티어링(MDPS, Motor Drive Power Steering)시스템은 스티어링 휠의 회전축에 연결되는 전동식 모터를 부가적으로 구비하고 전동식 모터에서 제공되는 회전력을 스티어링 휠의 보조 회전력으로 이용함으로써 스티어링 휠을 쉽게 회전시킬 수 있도록 한다.
다만, 종래에는 운전자가 스티어링 휠을 회전시키면 스티어링 기어의 피니언이 동일 각도로 회전하고, 헬리컬 기어에 의해 왕복운동으로 변화된 다음 타이어의 조향각을 결정하도록 구성된다. 이렇게, 스티어링 휠에서부터 스티어링 기어까지 솔리드 타입으로 고정되어 있기 때문에, 하드웨어적인 사양이 결정되면 차량에서의 스티어링 응답성도 결정된다.
이처럼, 차량의 주행속도나 운전 성향 등에 따라 스티어링 휠의 응답성을 변화시키지 못하여, 운전자의 요구 조건을 만족시키기 어려우며, 다양한 운전 조건에서 최적화된 응답성을 제공하지 못하는 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2010-0072906 A (2010.07.01)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 차량의 운전 상태에 따라 스티어링휠의 조향 응답성을 조절하여 최적화된 조타 성능이 확보되도록 하는 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치는 칼럼하우징 내부에 마련되어 스티어링 휠의 회전력을 기어박스에 전달하도록 마련된 제1샤프트와 제2샤프트; 칼럼하우징에서 제1샤프트 및 제2샤프트의 축방향으로 이동 가능하게 마련되고, 제1샤프트 및 제2샤프트와 함께 회전되도록 연결되되 제1샤프트가 항시 동일한 회전속도로 회전되도록 연결되고, 제2샤프트는 축방향 이동 여부에 따라 제1샤프트에 대비하여 회전속도가 가변되도록 연결된 가변샤프트; 및 칼럼하우징에 설치되고, 가변샤프트에 동력을 전달하여 가변샤프트가 축방향으로 이동되도록 하는 구동모듈;을 포함한다.
가변샤프트의 일단부에는 제1샤프트가 스플라인 구조로 연결되고, 타단부에는 제2샤프트가 스크류 구조로 연결된 것을 특징으로 한다.
가변샤프트의 일단부에는 제1샤프트의 삽입단부가 삽입되는 제1함몰홈이 형성되고, 제1샤프트의 삽입단부 외주면과 제1함몰홈의 내주면에는 축방향에 대해 직선상으로 연장된 스플라인 기어가 서로 매칭되도록 형성된 것을 특징으로 한다.
가변샤프트의 타단부에는 제2샤프트의 삽입단부가 삽입되는 제2함몰홈이 형성되고, 제2샤프트의 삽입단부 외주면과 제2함몰홈의 내주면에는 축방향에 대해 나선형상의 스크류 기어가 서로 매칭되도록 형성된 것을 특징으로 한다.
제1샤프트와 제2샤프트는 각각 제1베어링과 제2베어링을 통해 칼럼하우징에 회전 가능하게 설치된 것을 특징으로 한다.
가변샤프트는 제3베어링을 통해 칼럼하우징에 회전 가능하게 설치되며, 제3베어링은 칼럼하우징에서 축방향으로 이동 가능하게 설치되고, 구동모듈이 연결되어 동력을 전달받아 이동되는 것을 특징으로 한다.
구동모듈은, 칼럼하우징에 고정 설치되고 동력 전달시 회전되는 피니언이 구비된 전동모터; 및 제3베어링에 결합되고 피니언에 기어 연결되어 피니언의 회전시 축방향으로 직선 운동되는 랙바;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
차량의 운행 정보를 입력받고, 차량의 운행 정보에 따라 구동모듈을 제어하여 가변샤프트의 이동방향을 제어함으로써, 제2샤프트의 회전속도 가변에 따른 조타 응답속도가 변화되도록 하는 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치는 차량의 운전 상태에 따라 스티어링휠의 조향 응답성을 조절하여 최적화된 조타 성능이 확보된다.
도 1은 본 발명의 칼럼하우징을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치를 나타낸 도면.
도 3 내지 4는 도 2에 도시된 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치의 작동을 설명하기 위한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 칼럼하우징을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치를 나타낸 도면이며, 도 3 내지 4는 도 2에 도시된 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 칼럼하우징(H) 내부에서 스티어링 샤프트를 분할하고, 스티어링 샤프트의 분할 구간(A)에 구동모듈을 설치하여 분할된 스티어링 샤프트의 상대 속도를 조절함으로써, 조타 응답성을 가변하는 것이다.
상세하게, 도 2에 도시된 바와 같이, 칼럼하우징(H) 내부에 마련되어 스티어링 휠의 회전력을 기어박스에 전달하도록 마련된 제1샤프트(10)와 제2샤프트(20); 칼럼하우징(H)에서 제1샤프트(10) 및 제2샤프트(20)의 축방향으로 이동 가능하게 마련되고, 제1샤프트(10) 및 제2샤프트(20)와 함께 회전되도록 연결되되 제1샤프트(10)가 항시 동일한 회전속도로 회전되도록 연결되고, 제2샤프트(20)는 축방향 이동 여부에 따라 제1샤프트(10)에 대비하여 회전속도가 가변되도록 연결된 가변샤프트(30); 칼럼하우징(H)에 설치되고, 가변샤프트(30)에 동력을 전달하여 가변샤프트(30)가 축방향으로 이동되도록 하는 구동모듈(40);을 포함한다.
여기서, 제1샤프트(10)는 스티어링 휠 측에 연장되어 감속기(B1)에 연결될 수 있고, 제2샤프트(20)는 기어박스측에 연장되어 유조인트(B2)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 스티어링 휠의 조작력이 제1샤프트(10)를 통해 전달되고, 가변샤프트(30)를 통과하여 제2샤프트(20)로 전달되도록 이루어진다.
특히, 제1샤프트(10)와 제2샤프트(20)가 연결되도록 하는 가변샤프트(30)의 경우 칼럼하우징(H)에서 축방향으로 이동 가능하게 마련된다. 아울러, 가변샤프트(30)에 연결되는 제1샤프트(10)는 가변샤프트(30)와 항시 동일한 회전속도로 회전되도록 연결되고, 제2샤프트(20)는 가변샤프트(30)의 축방향 이동시 제1샤프트(10)에 대비하여 회전속도가 가변되도록 연결된다. 이로 인해, 가변샤프트(30)의 위치가 변동되지 않는 경우 제1샤프트(10), 가변샤프트(30), 제2샤프트(20)의 회전속도가 동일하고, 가변샤프트(30)의 위치가 변동되는 경우 제1샤프트(10)와 가변샤프트(30)가 동일한 회전속도로 회전되되 가변샤프트(30)의 이동방향에 따라 제1샤프트(10)에 대비하여 제2샤프트(20)의 회전속도가 상승되거나 감소됨으로써, 스티어링 휠의 조작에 따른 조타 응답성의 조절을 통해 조타 성능을 향상시킬 수 있다.
이를 위해, 칼럼하우징(H)에는 가변샤프트(30)에 동력을 전달하여 가변샤프트(30)가 축방향으로 이동되도록 하는 구동모듈(40)이 설치된다. 이러한 구동모듈(40)은 가변샤프트(30)를 축방향으로 이동시킴으로써, 제2샤프트(20)의 회전속도가 조절되도록 한다.
이러한 구동모듈(40)은 제어기(50)에 의해 제어될 수 있으며, 제어기(50)는 차량의 운행 정보를 입력받고, 차량의 운행 정보에 따라 구동모듈(40)을 제어하여 가변샤프트(30)의 이동방향을 제어함으로써, 제2샤프트(20)의 회전속도를 가변시킴에 따른 조타 응답속도가 변화되도록 한다. 여기서, 차량의 운행 정보는 토크 센서를 통해 수집된 조타 토크, 조향각 센서를 통해 수집된 조타각, G센서를 통해 수집된 횡가속도, 차속센서를 통해 수집된 차량 주행속도가 될 수 있으며, 제어기(50)는 스티어링 휠의 조작시 각종 정보를 취득하여 차량의 운행 상태에 따른 최적의 조향 응답성을 도출하도록 한다. 이러한 차량의 운행 상태에 따른 조향 응답성은 미리 저장된 맵데이터를 토대로 수행될 수 있다. 일례로, 갑작스러운 선회상황이 발생되는 경우 조타 응답성이 향상되도록 하고, 험로 주행시 노면으로부터 외력이 들어오는 경우 조타 응답성이 감소되도록 제어함으로써, 주행상황에 맞추어 조타 응답속도를 조절할 수 있다. 이렇게, 차량의 운전 상태에 따라 스티어링 휠의 조타 응답성이 조절됨으로써, 최적화된 조타 성능이 확보된다.
상술한 본 발명에 대해서 구체적으로 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 가변샤프트(30)의 일단부(30a)에는 제1샤프트(10)가 스플라인 구조로 연결되고, 타단부(30b)에는 제2샤프트(20)가 스크류 구조로 연결될 수 있다. 이로 인해, 가변샤프트(30)의 일단부(30a)와 제1샤프트(10)가 스플라인 구조로 연결됨에 따라, 가변샤프트(30)는 제1샤프트(10)에서 축방향으로 이동이 허용되고 서로 동일한 회전속도로 회전될 수 있다. 또한, 갸변샤프트(30)의 타단부(30b)와 제2샤프트(20)가 스크류 구조로 연결됨에 따라, 가변샤프트(30)에서 제2샤프트(20)가 회전되면서 이동됨으로써, 가변샤프트(30)와 동일하게 회전되는 제1샤프트(10)에 대비하여 제2샤프트(20)의 회전속도의 차이가 발생될 수 있다.
상세하게, 가변샤프트(30)의 일단부(30a)에는 제1샤프트(10)의 삽입단부(10a)가 삽입되는 제1함몰홈(31)이 형성되고, 제1샤프트(10)의 삽입단부(10a) 외주면과 제1함몰홈(31)의 내주면에는 축방향에 대해 직선상으로 연장된 스플라인 기어가 서로 매칭되도록 형성될 수 있다. 이렇게, 가변샤프트(30)의 제1함몰홈(31)에는 제1샤프트(10)의 삽입단부(10a)가 삽입되고, 제1함몰홈(31)과 제1샤프트(10)의 삽입단부(10a)에는 직선상으로 연장된 스플라인 기어가 서로 매칭되도록 형성됨으로써, 가변샤프트(30)가 축방향으로 이동되면서 제1샤프트(10)와 동일하게 회전될 수 있다.
또한, 가변샤프트(30)의 타단부(30b)에는 제2샤프트(20)의 삽입단부(20a)가 삽입되는 제2함몰홈(32)이 형성되고, 제2샤프트(20)의 삽입단부(20a) 외주면과 제2함몰홈(32)의 내주면에는 축방향에 대해 나선형상의 스크류 기어가 서로 매칭되도록 형성될 수 있다. 이렇게, 가변샤프트(30)의 제2함몰홈(32)에는 제2샤프트(20)의 삽입단부(20a)가 삽입되고, 제1함몰홈(31)과 제2샤프트(20)의 삽입단부(20a)에는 나선형상으로 연장된 스크류기어가 서로 매칭되도록 형성됨으로써, 갸변샤프트의 이동시 제2샤프트(20)가 나사산을 따라 회전되면서 이동될 수 있다. 여기서, 나선형상의 나사산 방향은 구동모듈(40)이 동작됨에 따른 가변샤프트(30)의 이동방향에 따라 결정될 수 있다.
한편, 제1샤프트(10)와 제2샤프트(20)는 각각 제1베어링(15)과 제2베어링(25)을 통해 칼럼하우징(H)에 회전 가능하게 설치되어 제1샤프트(10)와 제2샤프트(20)가 칼럼하우징(H)에서 회전될 수 있다. 여기서, 제1베어링(15)과 제2베어링(25)은 볼 베어링으로 이루어질 수 있다.
또한, 가변샤프트(30)는 제3베어링(35)을 통해 칼럼하우징(H)에 회전 가능하게 설치될 수 있다. 여기서, 제3베어링(35)은 볼 베어링으로 이루어질 수 있으며, 칼럼하우징(H)에서 축방향으로 이동 가능하게 설치되고, 구동모듈(40)이 연결되어 동력을 전달받아 이동된다. 즉, 제3베어링(35)은 칼럼하우징(H)에서 제1샤프트(10) 및 제2샤프트(20)의 축방향으로 이동 가능하게 설치되고, 구동모듈(40)의 동력을 전달받아 위치가 변경됨으로써, 제3베어링(35)의 이동에 의해 가변샤프트(30)가 함께 이동되어 위치가 변동된다.
상세하게, 구동모듈(40)은, 칼럼하우징(H)에 고정 설치되고 동력 전달시 회전되는 피니언(42)이 구비된 전동모터(41); 및 제3베어링(35)에 결합되고 피니언(42)에 기어 연결되어 피니언(42)의 회전시 축방향으로 직선 운동되는 랙바(43);를 포함할 수 있다.
여기서, 전동모터(41)는 정역회전이 가능한 모터로 구성될 수 있으며, 동력 전달시 피니언(42)이 회전되도록 이루어진다. 이러한 피니언(42)에는 제3베어링(35)에 결합된 랙바(43)가 기어 연결됨으로써, 전동모터(41)의 동작시 피니언(42)이 회전되고, 피니언(42)의 회전 운동에 의해 랙바(43)가 직선 운동되어 랙바(43)와 함께 가변샤프트(30)가 축방향으로 이동될 수 있다.
상술한 바와 같은 전동식 스티어링 컬럼장치의 작동은 하기와 같이 동작될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 구동모듈(40)이 동작되지 않는 경우 가변샤프트(30)가 초기 위치에 있음에 따라 제1샤프트(10), 가변샤프트(30), 제2샤프트(20)의 회전속도가 동일하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 구동모듈(40)이 동작되어 피니언(42)이 회전되는 경우 랙바(43) 및 제3베어링(35)과 함께 가변샤프트(30)가 도면의 좌측으로 이동되고, 이와 동시에 가변샤프트(30)에 스크류 구조로 연결된 제2샤프트(20)가 나사산을 타고 회전 이동됨으로써, 제1샤프트(10)에 대비하여 더 빠른 회전속도로 회전된다. 이로 인해, 조타 응답성이 상향되는 효과가 발생된다.
반대로, 도 4에 도시된 바와 같이, 구동모듈(40)이 반대로 동작되어 피니언(42)이 반대방향으로 회전되는 경우 랙바(43) 및 제3베어링(35)과 함께 가변샤프트(30)가 도면의 우측으로 이동되고, 이와 동시에 가변샤프트(30)에 스크류 구조로 연결된 제3샤프트가 나사산을 타고 회전 이동됨으로써, 제1샤프트(10)에 대비하여 회전속도가 감속된다. 이로 인해, 조타 응답성이 하향되는 효과가 발생된다.
이로 인해, 차량의 운전 상태에 따라 스티어링휠의 조향 응답성을 조절할 수 있으며, 스티어링 휠의 조작에 따른 조타 응답성의 조절을 통해 조타 성능을 조절할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10:제1샤프트 15:제1베어링
20:제2샤프트 25:제2베어링
30:가변샤프트 35:제3베어링
40:구동모듈 41:전동모터
42:피니언 43:랙바
50:제어기

Claims (8)

  1. 칼럼하우징 내부에 마련되어 스티어링 휠의 회전력을 기어박스에 전달하도록 마련된 제1샤프트와 제2샤프트;
    칼럼하우징에서 제1샤프트 및 제2샤프트의 축방향으로 이동 가능하게 마련되고, 제1샤프트 및 제2샤프트와 함께 회전되도록 연결되되 제1샤프트가 항시 동일한 회전속도로 회전되도록 연결되고, 제2샤프트는 축방향 이동 여부에 따라 제1샤프트에 대비하여 회전속도가 가변되도록 연결된 가변샤프트; 및
    칼럼하우징에 설치되고, 가변샤프트에 동력을 전달하여 가변샤프트가 축방향으로 이동되도록 하는 구동모듈;을 포함하는 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    가변샤프트의 일단부에는 제1샤프트가 스플라인 구조로 연결되고, 타단부에는 제2샤프트가 스크류 구조로 연결된 것을 특징으로 하는 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    가변샤프트의 일단부에는 제1샤프트의 삽입단부가 삽입되는 제1함몰홈이 형성되고, 제1샤프트의 삽입단부 외주면과 제1함몰홈의 내주면에는 축방향에 대해 직선상으로 연장된 스플라인 기어가 서로 매칭되도록 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    가변샤프트의 타단부에는 제2샤프트의 삽입단부가 삽입되는 제2함몰홈이 형성되고, 제2샤프트의 삽입단부 외주면과 제2함몰홈의 내주면에는 축방향에 대해 나선형상의 스크류 기어가 서로 매칭되도록 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제1샤프트와 제2샤프트는 각각 제1베어링과 제2베어링을 통해 칼럼하우징에 회전 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    가변샤프트는 제3베어링을 통해 칼럼하우징에 회전 가능하게 설치되며,
    제3베어링은 칼럼하우징에서 축방향으로 이동 가능하게 설치되고, 구동모듈이 연결되어 동력을 전달받아 이동되는 것을 특징으로 하는 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    구동모듈은, 칼럼하우징에 고정 설치되고 동력 전달시 회전되는 피니언이 구비된 전동모터; 및
    제3베어링에 결합되고 피니언에 기어 연결되어 피니언의 회전시 축방향으로 직선 운동되는 랙바;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    차량의 운행 정보를 입력받고, 차량의 운행 정보에 따라 구동모듈을 제어하여 가변샤프트의 이동방향을 제어함으로써, 제2샤프트의 회전속도 가변에 따른 조타 응답속도가 변화되도록 하는 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 전동식 스티어링 컬럼장치.
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