KR20210026677A - 전자석을 이용하는 가변형 스티어링 휠 댐퍼 - Google Patents

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KR20210026677A
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손병철
노동관
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 스티어링휠 댐퍼에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 스티어링 휠의 허브에 체결되는 플레이트와, 일측은 상기 플레이트의 표면에 고정되고 타측은 상기 플레이트의 표면으로부터 수직하게 연장된 적어도 1 개 이상의 지주와, 상기 플레이트와 이격되어 설치되되 상기 지주의 타측에 부착되어 지주에 의하여 지지되며 상부와 하부가 서로 상이한 극성의 자석체로 이루어진 매스체와, 상기 플레이트의 표면에 고정된 코어에 코일이 권취된 전자석을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 댐퍼에 관한 것이다.

Description

전자석을 이용하는 가변형 스티어링 휠 댐퍼{Variable type steering wheel damper using a electromagnet}
본 발명은 스티어링휠 댐퍼에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 스티어링 휠의 허브에 체결되는 플레이트와, 일측은 상기 플레이트의 표면에 고정되고 타측은 상기 플레이트의 표면으로부터 수직하게 연장된 적어도 1 개 이상의 지주와, 상기 플레이트와 이격되어 설치되되 상기 지주의 타측에 부착되어 지주에 의하여 지지되며 상부와 하부가 서로 상이한 극성의 자석체로 이루어진 매스체와, 상기 플레이트의 표면에 고정된 코어에 코일이 권취된 전자석을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 댐퍼에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차의 운전석에는 차량을 조향하는 스티어링 휠(steering wheel)이 장착된다.
상기 스티어링 휠에는 휠의 조작력을 전달하는 스티어링 샤프트(shaft)와 스티어링 칼럼(column)이 결합되며, 스티어링 샤프트를 통하여 전달되는 휠의 회전력을 차륜 방향을 변경할 수 있도록 변환하는 조향 기어가 설치되어, 운전자가 스티어링 휠을 회전 조작하면 회전력이 조향 기어에 전달되어 차륜의 방향이 조향된다.
이러한 스티어링 휠은 운전자에 의하여 파지되는 원형 형상의 림(rim)과, 중앙의 허브(hub) 및 림과 허브를 연결하는 스포크(spoke)로 구성되며, 상기 허브에 운전자용 에어백과 경적용 혼(horn)이 내장된다.
이때, 차량 주행에 의한 스티어링 휠의 진동 현상을 방지하기 위하여 스티어링 휠의 허브에 진동을 저감시키는 댐퍼(damper)가 설치된다.
통상적으로, 이러한 스티어링 휠용 댐퍼는, 허브에 체결되는 베이스 플레이트(base plate)와, 베이스 플레이트에 설치되는 고무 재질의 지주(post)와, 베이스 플레이트와 이격되며 지주에 의하여 지지되는 매스체(mass body)로 이루어져 있다.
그런데, 스티어링 휠용 댐퍼는 해당 스티어링 휠의 진동을 최대한 저감시킬 수 있는 고유 진동수(frequency)를 가지고 있으며, 이러한 고유 진동수는 댐퍼의 구성요소인 지주 및 매스체의 강성, 경도 및 질량과 같은 설계 요소들의 변수값을 조절함으로써 튜닝(tuning)된다.
상술한 바와 같은 댐퍼의 고유 진동수의 튜닝은 해당 스티어링 휠의 진동 특성에 따라서 정해지는 것으로서, 지주나 매스체의 설계 요소들의 변수값에 따라서 댐퍼의 고유 진동수가 고정되게 되며, 통상적으로, 엔진 아이들(idle) 상태하에서스티어링 휠의 3 가지 위치인 텔레스코픽 인(telescopic in), 텔레스코픽 미들(telescopic middle) 및 텔레스코픽 아웃(telescopic out) 위치에서의 해당 스티어링 휠의 진동 특성에 따라서 고유 진동수를 고정하도록 구현된다.
그러나, 스티어링 휠로 전달되는 다양한 주행 진동, 예를 들어 크립(creep)주행(자동변속기 차량이 기어변속위치를 주행위치에 두었을 때 액셀레이터 페달을 밟지 않아도 차량이 전방으로 서서히 주행하는 현상) 진동, 가속주행 진동, 차량 주행중 락업(Lock up) 클러치 작동시 발생되는 진동과 같은 주행 진동들로부터 전달되는 모든 진동들을 저감시키기에는 여전히 한계가 있다.
한편, 상술한 자동차의 스티어링 휠 댐퍼와 관련된 선행기술로서, 대한민국특허공개공보 제 10-2009-29400 호, 대한민국특허공개공보 제 10-2014-42162 호 및 대한민국특허공개공보 제 10-2017-69743 호의 기술들이 공지되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 창안된 것으로서, 전자석을 이용하여 고무 재질로 이루어진 지주의 길이를 변경함으로써 스티어링휠용 댐퍼의 지주의 강성을 가변시켜 다양한 주행 진동들로부터 전달되는 진동을 저감시킬 수 있는 스티어링 휠 댐퍼의 구성을 제공한다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 전자석을 이용한 가변형 스티어링휠 댐퍼의 구성은, 스티어링 휠의 허브에 체결되는 플레이트와, 일측은 상기 플레이트의 표면에 고정되고 타측은 상기 플레이트의 표면으로부터 수직하게 연장된 적어도 1 개 이상의 지주와, 상기 플레이트와 이격되어 설치되되 상기 지주의 타측에 부착되어 지주에 의하여 지지되며 상부와 하부가 서로 상이한 극성의 자석체로 이루어진 매스체와, 상기 플레이트의 표면에 고정된 코어에 코일이 권취된 전자석을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 전자석을 이용한 가변형 스티어링휠 댐퍼는, 전자석을 이용하여 고무 재질의 지주의 길이를 변경함으로써 스티어링휠용 댐퍼의 지주 강성을 가변시켜 고유 주파수를 변경시킬 수 있기 때문에 차량의 다양한 주행 진동들로부터 전달되는 모든 진동을 저감시켜 자동차의 NVH(noise, vibration, harshness)(소음,진동,외부 충격으로 인한 소음과 진동) 성능을 개선시키고, 이를 통하여 탑승 안락감을 증대시켜 상품성을 제고시킬 수 있는 효과가 발현된다.
또한, 본 발명의 스티어일휠 댐퍼는 비교적 단순한 구조로 이루어져 있어 원가 절감을 도모하면서도 중량을 감소시켜 연비 개선에 일조할 수 있는 효과를 수득하게 되었다.
도 1 은 스티어링휠 및 이에 장착되는 본 발명 스티어링휠 댐퍼의 사시도,
도 2 는 본 발명의 스티어링휠 댐퍼의 분해사시도,
도 3 은 본 발명의 스티어링휠 댐퍼의 제어순서도,
도 4 는 본 발명의 스티어링휠 댐퍼의 작동상태도로서, 도 4a 는 초기 작동상태, 도 4b 는 제 1 전류 인가시 작동상태도, 도 4c 는 제 2 전류 인가시 작동상태도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 전자석을 이용한 가변형 스티어링휠 댐퍼의 구성 및 작동을 설명한다.
단, 개시된 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분하게 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 태양으로 구체화될 수도 있다.
또한, 본 발명 명세서에서 사용되는 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1 은 본 발명의 스티어링휠 댐퍼의 사시도, 도 2 는 본 발명의 스티어링휠 댐퍼의 분해사시도이다.
각 도면을 참조하면, 본 발명의 스티어링휠 댐퍼(1)(이하, '댐퍼'로 약칭)는,
도면의 좌측에 도시된 바와 같은 스티어링 휠(100)의 허브(110)에 체결되는 평판 형상의 플레이트(10)와, 일측은 상기 플레이트(10)의 표면에 고정되고 타측은 상기 플레이트(10)의 표면으로부터 수직하게 연장된 적어도 1 개 이상의 지주(20)와, 상기 플레이트(10)와 이격되어 설치되되 상기 지주(20)의 타측에 부착되어 지주(20)에 의하여 지지되며 상부와 하부가 서로 상이한 극성의 자석체로 이루어진 매스체(30)와, 상기 플레이트(10)의 표면에 고정된 코어(41)에 코일(42)이 권취된 전자석(40)을 포함하여 구성된다.
바람직하게는, 상기 지주(20)의 재질은 고무이며, 본 발명의 실시예는 도시된 바와 같이 플레이트(10)의 각 모서리 부분에 1 개씩의 지주(20)를 설치하여 총 4 개의 지주(20)를 가지고 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 코어는 원통형의 몸체를 가지며, 코어의 외주면에 전류가 인가될 수 있도록 전도체로 이루어진 코일(42)이 다수회 권취된다.
또한, 본 발명 실시예의 매스체(30)는 전체적으로 평판 형상으로 이루어져 있으며, 하부가 자성이 N 극을 가지는 자석체인 N 극체(31)이고, 상부가 자성이 S 극을 가지는 자석체인 S 극체(32)이다.
그러므로, 상기와 같이 이루어진 본 발명의 댐퍼(1)는 상기 전자석(40)의 코일(42)에 전류가 인가되면, 전류의 인가 방향에 따라서 코어(41)의 상측으로 전자석(40)에 의한 자기장이 발생되며, 발생된 자기장에 의하여 상기 매스체(30)에 척력 또는 인력이 발생되어 매스체(30)가 척력에 의하여 밀려지거나 인력에 의하여 당겨짐으로써 매스체(30)를 지지하는 지주(20)의 고무 강성이 가변되면서 댐퍼의 고유 진동수가 조절되게 된다.
여기서, 상기 댐퍼의 고유 진동수는 물체의 진동수 특성을 결정하는 공지의 수학식 1 에 의하여 구할 수 있다.
(수학식 1)
Figure pat00001
* f; 진동수(frequency)
k; 댐퍼의 고무 강성
m; 댐퍼의 질량
즉, 댐퍼의 고유 진동수는 그것의 고무 강성(k)에 비례하고 질량(m)에 반비례하는 것으로서, 댐퍼의 질량(m)을 유지하면서 고무 강성(k)을 증가시키면 댐퍼 의 고유 진동수는 상향되고, 역으로, 댐퍼의 질량(m)을 유지하면서 고무 강성(k)을 감소시키면 댐퍼의 고유 진동수는 하향되게 된다.
따라서, 본 발명의 댐퍼는 전자석(40)의 코일(42)에 전류를 인가하게 되면, 상술한 바와 같이 전자석(40)의 상측에 발생된 자기장에 의하여 상하부가 극성이 서로 상이한 자석체로 이루어진 매스체(30)에 척력 또는 인력이 작용하여 매스체(30)가 전자석(40)으로부터 멀어지는 방향으로 밀려지거나 전자석(40)을 향하여 당겨지게 되므로, 플레이트(10) 상에서 매스체(30)를 지지하고 있는 고무재로 이루어진 지주(20)의 고무 강성(k)이 가변되고, 가변된 고무 강성의 변화량에 따라서 상기 수학식 1 에 의한 댐퍼(1)의 고유 진동수가 가변되는 것이다.
이때, 상기 본 발명의 댐퍼는, 다양한 조건하에서의 엔진의 회전수(RPM)값을 상기 댐퍼가 설치된 자동차의 전자제어유닛(ECU)에 저장한다. 상기 다양한 조건하에서의 엔진의 회전수값은 예를 들어, 크립(creep)주행시 엔진의 회전수값, 차량 에어컨 작동시 엔진의 회전수값, 가속주행시 엔진의 회전수값, 차량주행중 락업 클러치 작동시 발생되는 엔진의 회전수값 등을 들 수 있다. 그리고, 전자제어유닛(ECU)는 엔진의 회전수값이 이러한 다양한 조건하의 엔진의 회전수값에 해당될 경우 전자제어유닛(ECU)에 기설정한 전류량을 가지는 전류를 상기 전자석(40)으로 인가하도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 전자석(40)은 코어(41)의 재질, 길이, 면적, 코일(42)의 굵기, 코일(42)의 권취횟수에 따라서 전자석(40) 상측으로 발생되는 자기장의 크기가 변화되며, 또한, 코일(42)에 인가되는 전류의 양에 비례하여 자기장의 크기가 변화되므로, 이와 같은 전자석(40)의 설계요소들의 변수들을 변동시켜 본 발명 댐퍼의 고유 진동수 조절에 이용할 수 있다.
다음으로, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 스티어링휠 댐퍼의 작동을 설명한다.
도 3 은 본 발명의 스티어링휠 댐퍼의 제어순서도이고, 도 4 는 본 발명의 스티어링휠 댐퍼의 작동 상태도로서, 도 4a 는 초기 작동상태도, 도 4b 는 제 1 전류 인가시 작동 상태도, 도 4c 는 제 2 전류 인가시 작동상태도이다.
먼저, 도 3 을 참조하면, 본 발명의 스티어링휠 댐퍼는 엔진의 특정 운전 조건에서의 엔진의 회전수(RPM)값을 저장하고, 저장된 엔진의 특정 운전 조건에서의 회전수값에 해당하는 기설정된 전류량을 전자석(40)에 인가하는 전자제어유닛(ECU)을 포함한다.
그리고, 상기 전자제어유닛(ECU)은, 전자석(40) 미작동 상태(S1)에서 엔진의 회전수값을 감지하여 감지된 엔진의 회전수값이 저장된 특정 운전 조건에서의 회전수값에 해당되는지 판단하고(S2), 감지된 엔진의 회전수값이 저장된 특정 운전 조건에서의 회전수값에 해당되면 전자제어유닛(ECU)에 기설정된 전류량을 가지는 전류를 상기 전자석(40)으로 인가한다(S3).
그러면, 상기 전자석(40)으로 인가된 전류에 따라서 전자석(40)의 상측에 자기장이 발생되어 상기 매스체(30)에 척력 또는 인력이 작용하게 되고(S4), 작용된 척력 또는 인력에 따라서 상기 지주(20)의 고무 강성(k)이 가변되어 가변된 고무 강성의 변화량에 따라서 스티어링휠 댐퍼의 고유 진동수가 조절된다(S5).
또한, 도 4 를 참조하면, 도 4a 는 댐퍼의 초기 작동 상태의 작동 상태도로서(CASE-A), 본 발명의 댐퍼는 기설정된 고유 진동수(f0)를 가지도록 설정되어 있으며, 지주(20)의 길이 변화가 없을 경우의 초기 고무강성(k0)을 가지고 있는 상태이다.
이때, 상기의 고유 진동수(f0)는, 예를 들어, 전술한 바와 같은 엔진 아이들(idle) 상태하에서 스티어링 휠의 3 가지 위치인 텔레스코픽 인(telescopic in), 텔레스코픽 미들(telescopic middle) 및 텔레스코픽 아웃(telescopic out) 위치에서의 해당 스티어링 휠에 전달되는 진동을 감쇄하기 위한 고유 진동수나, 또는, 엔진 아이들 상태하에서 자동차의 에어컨디셔너 작동시 스티어링 휠에 전달되는 진동을 감쇄하기 위한 고유 진동수를 들 수 있다.
도 4b 는 전자석(40)의 코일(42)에 설정된 전류량을 가지는 제 1 전류가 인가될 경우 댐퍼의 작동 상태도로서(CASE-B), 상기 초기 상태에서 기설정된 댐퍼의 고유진동수(f0)에 의하여 감쇄될 수 있도록 설정된 진동 이외에 차량의 스티어링 휠로 전달되는 다양한 주행 진동, 예를 들어 크립(creep)주행(자동변속기 차량이 기어변속위치를 주행위치에 두었을 때 액셀레이터 페달을 밟지 않아도 차량이 전방으로 서서히 주행하는 현상) 진동, 가속주행 진동, 차량 주행중 락업(Lock up) 클러치 작동시 발생되는 진동과 같은 주행 진동들로부터 전달되는 다양한 진동들을 감쇄할 수 있도록 튜닝된 제 1 튜닝 고유진동수(f1)를 가지는 댐퍼의 작동 상태이다.
예를 들면, 자동차의 크립(creep) 주행시 발생되는 진동을 감쇄시키기 위하여 크립 조건에서의 엔진의 회전수(RPM) 값이 자동차의 전자제어유닛(ECU)에 저장되어 있다고 상정하면, 자동차의 전자제어유닛(ECU)dl 자동차가 크립 주행을 할 경우 기설정된 전류량(예를 들어 10A)을 가지는 제 1 전류(A1)를 본 발명의 스티어링휠 댐퍼의 전자석(40)의 코일(42)로 인가하도록 제어한다.
이때, 전자석(40)에 제 1 전류(A1)가 코어(41)의 상부를 향하는 방향으로 인가되면, 전자석의 자극이 전자석(40)의 상측에 N 극의 자기장이 형성되고, 전자석의 하측에는 S 극의 자기장이 형성되며, 이때, 매스체(30)의 하부는 N 극부(31)를 형성하고 있으므로, 전자석(40)과 매스체(30) 사이에 상호 척력이 발생되어 매스체(30)가 전자석(40)으로부터 이격되는 방향으로 힘을 받게 되며 이 결과 지주(20)의 길이가 인장되면서 지주(20)의 고무 강성이 상술한 3a 에 도시된 초기 상태의 고무강성(k0)보다 감소된 제 1 고무강성(k1)값을 가지게 된다.
따라서, 상술한 수학식 1 에 의하면, 지주(20)의 길이가 증가되면 고무 강성(k)이 감소되면서 제 1 튜닝고유진동수(f1)는 지주(20)의 길이 변화가 없는 상태에서의 고유진동수(f0) 보다 낮은 값을 가지게 된다.
또한, 도 4c 는 전자석(40)의 코일(42)에 상기 제 1 전류(A1)보다 더 큰 값의 전류량을 가지는 제 2 전류(A2)가 인가될 경우 댐퍼의 작동 상태도이다(CASE-C). 상기 제 2 전류(A2)는 상기 제 1 튜닝고유진동수(f1)와는 상이한 제 2 튜닝 고유진동수(f2)를 가지도록 전자석(40)에 인가되는 전류이다.
예를 들어, 자동차의 고속 주행시 발생되는 진동을 감쇄시키기 위하여 고속 주행조건의 엔진의 회전수(RPM) 값이 자동차의 전자제어유닛(ECU)에 저장되어 있다고 상정하면, 상기 전자제어유닛(ECU)은 자동차가 고속 주행할 경우 기설정된 전류량(예를 들어 15A)을 가지는 제 2 전류(A2)를 본 발명의 전자석(40)의 코일(42)로 인가하도록 제어한다.
이때, 전자석(40)에 제 2 전류(A2)가 코어(41)의 상부를 향하는 방향으로 인가되면, 전자석의 자극이 전자석(40)의 상측에 N 극의 자기장이 형성되고, 전자석의 하측에는 S 극의 자기장이 형성되되 전자석(40)에 인가된 제 2 전류의 전류량이제 1 전류의 전류량보다 크므로, 전자석(40)의 상측에 제 1 전류 인가시보다 더 큰 자기장이 형성되어 상호 척력이 더 크게 발생되어 이 결과 상기 제 1 전류(A1) 인가시보다 더 큰 길이로 지주(20)의 길이가 인장되면서 지주(20)의 고무 강성(k)이 제1 고무강성(k1)보다 더 감소된 제 2 고무강성(k2)값을 가지게 된다.
따라서, 상술한 수학식 1 에 의하여 제 2 튜닝고유진동수(f2)는 고유진동수(f0) 및 제 1 튜닝고유진동수(f1)보다 더 낮은 값을 가지게 된다.
따라서, 다양한 차량의 진동 조건에 따른 엔진 회전수에 따라서 전자석(40)에 인가되는 전류량을 변경시켜 지주(20)의 길이를 가변시켜 댐퍼의 고유주파수를 튜닝할 수 있게 된 효과를 발현하게 되었으며, 이로 인하여 자동차의 NVH(noise, vibration, harshness)(소음,진동,외부 충격으로 인한 소음과 진동) 성능을 개선시킬 수 있음은 물론, 자동차의 탑승 안락감을 증대시켜 상품성을 제고시킬 수 있게 되었다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1; 본 발명 스티어링휠 댐퍼
10; 플레이트
20; 지주
30; 매스체
31; N 극부
32; S 극부
40; 전자석
41; 코어
42; 코일

Claims (5)

  1. 자동차의 스티어링휠에 장착되는 댐퍼에 있어서,
    상기 스티어링 휠의 허브에 체결되는 플레이트(10);
    일측은 상기 플레이트(10)의 표면에 고정되고 타측은 상기 플레이트(10)의 표면으로부터 수직하게 연장된 적어도 1 개 이상의 고무 재질의 지주(20);
    상기 플레이트(10)와 이격되어 설치되되 상기 지주(20)의 타측에 부착되어 지주(20)에 의하여 지지되며 상부와 하부가 서로 상이한 극성의 자석체로 이루어진 매스체(30);
    상기 플레이트(10)의 표면에 고정된 코어(41)에 코일(42)이 권취된 전자석(40); 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 댐퍼.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자석(40)의 코일(42)에 전류를 인가함으로써, 상기 매스체(30)에 척력 또는 인력이 작용하는 것을 특징으로 하는 댐퍼.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 댐퍼는,
    상기 지주(20)의 고무 강성(k)이 가변되고, 가변된 고무 강성의 변화량에 따라서 고유 진동수가 조절되는 것을 특징으로 하는 댐퍼.
  4. 제 1 항에 있어서,
    엔진의 특정 운전 조건에서의 엔진의 회전수(RPM)값을 저장하고, 저장된 엔진의 특정 운전 조건에서의 회전수값에 해당하는 기설정된 전류량을 전자석(40)에 인가하는 전자제어유닛(ECU); 을 포함하는 구성을 특징으로 하는 댐퍼.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 전자제어유닛(ECU)은,
    엔진의 회전수값을 감지하고, 감지된 엔진의 회전수값이 저장된 특정 운전 조건에서의 회전수값에 해당될 경우 전자제어유닛(ECU)에 기설정된 전류량을 가지는 전류를 상기 전자석(40)으로 인가하여 상기 지주(20)의 고무 강성(k)을 변화시시는 구성을 특징으로 하는 댐퍼.
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