KR20220164342A - 후륜 조향 시스템 - Google Patents

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황상우
김재학
박형섭
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 회전력을 제공하는 후륜조향모터; 상기 후륜조향모터를 통해 전달되는 회전운동력을 직선운동으로 전환하는 부분에 MR유체가 도포된 운동전환기구; 상기 후륜조향모터의 작동을 제어하는 인버터; 및 상기 인버터 회로와 연계하여 자기장을 변화시켜 상기 MR유체에 자기장을 선택적으로 제공하도록 제어하는 마그넷스위치;를 포함하는 후륜 조향 시스템이 소개된다.

Description

후륜 조향 시스템{Reverse steering system}
본 발명은 후륜조향모터를 통한 정입력시 높은 효율을 유지하면서 구동되고, 후륜조향모터의 미입력시나 후륜으로부터 역입력시 안정적으로 셀프록킹이 이루어지도록 한 후륜 조향 시스템에 관한 것이다.
전륜과 함께 후륜 조향이 가능한 후륜 조향 시스템(RWS)의 경우, 저속에서 전륜 조향각에 대해 반대방향인 역위상으로 후륜조향각을 제어함으로써 회전반경을 축소시키고, 또한 고속에서는 후륜 조향각을 전륜 조향각과 같은 방향인 동위상으로 제어함으로써 주행 안정성을 향상시킨다.
이러한, 후륜 조향 시스템은 후륜으로부터 역입력이 발생하면, 후륜의 불안정화로 인해 직진 주행에 어려움이 발생하기 때문에 후륜의 주행 안정성은 물론, 후륜 조향 시스템의 고장에 따른 페일세이프를 위해 백드라이브(back driving)를 방지할 수 있어야 한다.
이를 위해, 기존의 후륜 조향 시스템에서는 셀프록킹(self locking)이 가능한 리드스크류 타입의 기어 메커니즘을 이용하고 있다.
리드스크류는 특정 조건(마찰특성, 리드각)에서 역방향 효율이 '0' 이하로 떨어지는 셀프록킹 특성을 가지고 있지만, 이 같은 조건에서는 정방향에 대한 효율도 급격하게 떨어지는 단점이 있다.
이처럼, 기어메커니즘의 정방향 효율이 떨어지면 그만큼 모터의 출력이 커져야 하며, 이에 따라 모터의 사이즈, 원가, 에너지 손실 등이 커지게 된다.
특히, 현재 후륜 조향각인 ±3˚ 수준에서 전륜과 동등 수준의 조향각을 갖는 RWS나, 홀로노믹(holonomic) 이동이 가능한 대조향각 시스템의 경우에는 더 큰 출력을 필요로 하여 정방향 효율 개선이 반드시 필요하다.
한편, 위와 같은 정방향 효율이 저하되는 단점을 극복하기 위해, 리드스크류보다 효율이 높은 메커니즘(ball screw/ planetary roller screw) 등을 이용하고, 특정 조건에서 솔레노이드밸브의 제어를 통해 추가적으로 록킹작동이 가능한 장치도 제안되고 있다.
하지만, 이 같은 방식은 단속적으로 고정이 가능한 것은 물론, 솔레노이드밸브의 추가적인 제어가 필요하므로, 후륜 조향 시스템의 응답성이 느려지는 단점이 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 5796735 B2 JP 2013-169801 A
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 후륜조향모터를 통한 정입력시 높은 효율을 유지하면서 구동되고, 후륜조향모터의 미입력시나 후륜으로부터 역입력시 안정적으로 셀프록킹이 이루어지도록 한 후륜 조향 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 회전력을 제공하는 후륜조향모터; 상기 후륜조향모터를 통해 전달되는 회전운동력을 직선운동으로 전환하는 부분에 MR유체가 도포된 운동전환기구; 상기 후륜조향모터의 작동을 제어하는 인버터; 및 상기 인버터 회로와 연계하여 자기장을 변화시켜 상기 MR유체에 자기장을 선택적으로 제공하도록 제어하는 마그넷스위치;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 인버터에 전류 인가시, 마그넷스위치의 자기장이 MR유체에서 해제되고; 상기 인버터에 전류 미인가시, 마그넷스위치의 자기장이 MR유체에 제공될 수 있다.
상기 마그넷스위치는, 인버터에서 제공되는 전류에 의해 자기화되는 전자석; 양단과 상기 전자석 철심의 양단 사이에 전도성 연결부에 의해 연결되는 영구자석;을 포함할 수 있다.
상기 영구자석은 전자석과 MR유체 사이에 구비될 수 있다.
후륜조향모터의 회전력에 의해 회전하는 리드너트와, 상기 리드너트의 회전에 따라 직선 이동하는 리드스크류바 사이에 MR유체가 도포되고; 상기 마그넷스위치는 상기 리드너트를 감싸는 형상으로 마련될 수 있다.
상기 영구자석이 전자석보다 리드너트에 가깝게 구비될 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 후륜조향모터의 구동하는 경우 MR유체의 연화작용에 따라 후륜에 동력이 전달되고, 후륜조향모터를 미구동하는 경우 MR유체의 경화작용에 따라 후륜에서의 역입력을 차단하여 셀프록킹 작동을 구현하는 효과가 있다.
더불어, 후륜 조향 시스템의 전원 오프시에도 MR유체가 경화된 상태를 유지하여 자동으로 셀프록킹 작동이 구현됨으로써, 페일세이프의 역할도 수행할 수 있는 효과도 있다.
아울러, 기존의 셀프록킹 메커니즘 대비 록킹작동이 단속적이지 않고 빠르게 록킹 및 릴리즈되어 작동성을 향상시키는 한편, 기어박스의 효율이 증가하여 모터 용량을 줄이게 되고, 추가적인 제어기나 센서 없이도 셀프록킹 작동을 구현하여 원가 및 중량을 저감하는 장점도 있다.
도 1은 본 발명에서 후륜조향모터의 구동에 따른 MR유체의 연화작용을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명에서 후륜조향모터의 미구동에 따른 MR유체의 경화작용을 설명하기 위한 도면.
도 3은 도 1의 마그넷스위치의 작동관계를 설명하기 위한 도면.
도 4는 도 2의 마그넷스위치의 작동관계를 설명하기 위한 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에서 후륜조향모터(100)의 구동에 따른 MR유체(250)의 연화작용을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명에서 후륜조향모터(100)의 미구동에 따른 MR유체(250)의 경화작용을 설명하기 위한 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 후륜 조향 시스템은, 회전력을 제공하는 후륜조향모터(100); 상기 후륜조향모터(100)를 통해 전달되는 회전운동력을 직선운동으로 전환하는 부분에 MR유체(250)가 도포된 운동전환기구(200); 상기 후륜조향모터(100)의 작동을 제어하는 인버터(300); 및 상기 인버터(300) 회로와 연계하여 자기장을 변화시켜 상기 MR유체(250)에 자기장을 선택적으로 제공하도록 제어하는 마그넷스위치(400);를 포함하여 구성이 된다.
예컨대, 상기 운동전환기구(200)의 구성을 살펴보면, 후륜조향모터(100)의 출력축에 모터풀리(210)가 축결합되어 회전되고, 상기 모터풀리(210)와 리드너트(230)가 벨트(220)에 의해 연결되어 리드너트(230)가 회전된다.
그리고, 상기 리드너트(230)는 베어링(260)에 회전 가능하게 지지되며, 상기 리드너트(230)를 관통하여 리드스크류바(240)가 구비되어, 상기 리드스크류바(240)가 직선 이동된다.
즉, 후륜조향모터(100)의 구동시, 모터풀리(210)가 회전되어 벨트(220)에 의해 리드너트(230)가 연동 회전되고, 상기 리드너트(230)가 회전됨에 따라 리드스크류바(240)가 직선운동으로 전환되면서 좌우로 이동되어 후륜에 조향각을 생성하게 된다.
이때에, 상기 후륜조향모터(100)의 회전운동을 직선운동으로 전환하는 기어메커니즘으로 리드각이 상대적으로 큰 리드스크류바(240)가 적용됨으로써, 기존의 리드 스크류 대비 높은 정방향 효율을 갖게 된다.
아울러, 상기 MR유체(250)는 자화성분을 갖는 젤형태의 물질로서, MR그리스일 수 있다. 이러한, MR유체(250)는 전류가 흐르는 경우 자화되면서 특정배열로 정렬되어 단단하게 경화되고, 전류가 흐르지 않는 경우 부드럽게 연화되어 그리스와 같은 윤활 역할을 수행하게 된다.
더불어, 상기 인버터(300)는 후륜조향모터(100)의 작동을 제어하기 위한 것으로, 후륜조향모터(100)의 제어를 위해 인버터(300)의 IGBT에 신호가 가해져 인버터(300)에 전류가 흐르게 되면, 인버터(300) 회로에서 마그넷스위치(400)에 전류를 공급하게 된다.
이에, 상기 마그넷스위치(400)는 인버터(300)를 통한 전류 제공 여부에 따라 MR유체(250)에 가해지는 자기장을 변화시키면서 제어하는 역할을 한다.
상기한 구성에 따르면, 후륜조향모터(100)의 구동시, 인버터(300)를 통해 흐르는 전류에 의해 마그넷스위치(400)의 자기장이 변화하여 MR유체(250)가 연화되고, 반대로 후륜구동모터의 미구동시, 인버터(300)를 통한 전류의 흐름이 끊기면서 마그넷스위치(400)의 자기장이 변화하여 MR유체(250)가 경화된다.
따라서, 후륜조향모터(100)의 구동시에 연화된 MR유체(250)를 통해 운동전환기구(200)를 통해 후륜에 동력이 전달되고, 후륜으로부터 역입력시에는 경화된 MR유체(250)를 통해 운동전환기구(200)의 안정적인 셀프록킹 작동을 구현하는 것은 물론, 전륜 SBW를 활용한 후륜 대조향각 RWS를 구현이 가능하게 된다.
또한, 후륜조향모터(100)를 미구동하는 경우는 물론, 전원 오프시에도 경화된 MR유체(250)에 의해 자동으로 셀프록킹이 구현됨으로써, 페일세이프의 역할도 수행할 수 있게 된다.
아울러, 본 발명은 상기 인버터(300)에 전류 인가시, 마그넷스위치(400)의 자기장이 MR유체(250)에서 해제되고; 상기 인버터(300)에 전류 미인가시, 마그넷스위치(400)의 자기장이 MR유체(250)에 제공되도록 구성하게 된다.
즉, 후륜조향모터(100)를 구동하는 경우, 마그넷스위치(400)는 후륜조향모터(100)의 실제적인 움직임이 발생하기 전에 MR유체(250)에 제공되는 자기장을 해제시켜 MR유체(250)를 연화시킬 수 있으므로, 후륜조향모터(100)보다 적어도 마그넷스위치(400)의 작동이 빨라야 한다.
이를 위해, 마그넷스위치(400)를 제어하는 제어기를 추가적으로 구비하여 활용하는 경우, 후륜조향모터(100)의 움직임을 센싱해야 하고, 센싱 전에 마그넷스위치(400)를 작동하기 위한 제어 타이밍 관리 등 복잡하면서도 더 빠른 연산이 요구된다.
그러나, 본 발명과 같이 후륜조향모터(100)를 제어하는 인버터(300)의 회로와 연계하여 인버터(300)의 전류에 의해 마그넷스위치(400)의 작동을 제어하는 경우, 후륜조향모터(100)보다 마그넷스위치(400)에 먼저 전류가 흐르게 됨으로써, 후륜조향모터(100)의 실제 구동 전에 마그넷스위치(400)를 작동하여 자기장을 변화시키게 되고, 이에 MR유체(250)를 부드럽게 연화시키게 된다.
따라서, 별도의 고성능 제어기나 센서 등을 추가하지 않고도 후륜조향모터(100) 구동 이전에 마그넷스위치(400)를 작동함으로써, 원가를 절감하면서 후륜조향모터(100)를 안정적으로 구동시킬 수 있게 된다.
한편, 도 3은 도 1의 마그넷스위치(400)의 작동관계를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 2의 마그넷스위치(400)의 작동관계를 설명하기 위한 도면이다.
도면을 참조하면, 상기 마그넷스위치(400)는, 인버터(300)에서 제공되는 전류에 의해 자기화되는 전자석(410); 양단과 상기 전자석(410) 철심(412)의 양단 사이에 전도성 연결부(430)에 의해 연결되는 영구자석(420);을 포함하여 구성된다.
더불어, 상기 영구자석(420)은 전자석(410)과 MR유체(250) 사이에 구비되는 구조가 된다.
예컨대, 철심(412)에 코일(414)이 감겨져 전자석(410)을 구성하고, 코일(414)의 양단이 인버터(300)에 연결되어 전류가 흐를 수 있게 된다.
그리고, 상기 철심(412)의 양단과 영구자석(420)의 양단이 도체로 이루어진 전도성 연결부(430)에 의해 병렬 연결되어 전자석(410)과 영구자석(420) 사이에 전류가 흐를 수 있게 된다.
이에, 도 3과 같이 인버터(300) 회로의 구동에 따라 전자석(410)으로 전류가 흐르는 경우, 전자석(410)과 영구자석(420) 간에만 자기장이 형성되어, 자기장이 전자석(410)과 영구자석(420) 외부로 생성되지 않게 됨으로써, MR유체(250)에 자기장의 영향을 주지 않게 된다.
따라서, MR유체(250)가 연화되어 그리스 기능을 수행하게 됨으로써, 후륜조향모터(100)에서 제공되는 동력을 운동전환기구(200)를 통해 후륜에 전달하게 된다.
반면, 도 4와 같이 인버터(300) 회로의 미구동에 따라 전자석(410)에 전류가 흐르지 않는 경우에는, 영구자석(420)의 자기장이 전자석(410)은 물론 MR유체(250) 방향으로도 방출됨으로써, MR유체(250)에 자기장의 영향을 주게 된다.
따라서, MR유체(250)가 경화됨으로써, 운동전환기구(200)의 안정적인 셀프록킹 작동을 구현하게 된다.
아울러, 도 1을 참조하면, 본 발명은 후륜조향모터(100)의 회전력에 의해 회전하는 리드너트(230)와, 상기 리드너트(230)의 회전에 따라 직선 이동하는 리드스크류바(240) 사이에 MR유체(250)가 도포되고; 상기 마그넷스위치(400)는 상기 리드너트(230)를 감싸는 형상으로 마련될 수 있다.
그리고, 상기 영구자석(420)이 전자석(410)보다 리드너트(230)에 가깝게 구비될 수 있다.
즉, 상기 리드너트(230)가 도체로 이루어지고, 리드너트(230)와 리드스크류바(240) 사이에 MR유체(250)가 도포된다.
이에, 전자석(410)에 전류가 흐르지 않게 되면, 영구자석(420)의 자기장이 리드너트(230)에 방출됨으로써, 리드너트(230)와 리드스크류바(240) 사이에 도포된 MR유체(250)에 자기장의 영향을 주게 된다.
따라서, 자기장이 전자석(410)은 물론 MR유체(250) 방향으로도 방출됨으로써, MR유체(250)에 자기장의 영향을 주게 되고, 이에 MR유체(250)가 경화되어 운동전환기구(200)의 안정적인 셀프록킹 작동을 구현하게 된다.
이하에서, 본 발명에 따른 후륜 조향 시스템의 작동관계를 설명하기로 한다.
후륜조향모터(100)의 구동을 위해 인버터(300)가 작동되면, 도 1과 같이 인버터(300)에 전류가 흐르게 된다.
이에, 인버터(300)에 생성된 전류가 마그넷스위치(400)의 전자석(410)에 공급되어 전자석(410)을 자기화시키게 된다.
그러면, 도 3와 같이 전자석(410)에 흐르는 전류로 인해 전자석(410)과 영구자석(420) 간에만 자기장이 형성됨으로써, 자기장이 리드너트(230) 측으로 형성되지 않게 되고, 이에 리드너트(230)와 리드스크류바(240) 사이에 도포된 MR유체(250)에 영향을 주지 않게 된다.
따라서, MR유체(250)가 부드럽게 연화됨으로써, 리드너트(230)와 리드스크류바(240) 사이에서 그리스 기능을 수행하게 된다.
아울러, 인버터(300)의 작동에 따라 후륜조향모터(100)가 구동되도록 제어하게 된다.
다만, 후륜조향모터(100)의 구동 전에 인버터(300)에서 마그넷스위치(400)에 먼저 전류가 흐르게 됨으로써, 리드너트(230)와 리드스크류바(240) 간의 원활한 운동전환 작동이 이루어지게 되는바, 후륜조향모터(100)에서 제공되는 동력이 운동전환기구(200)를 통해 후륜에 안정적으로 전달된다.
반면, 인버터(300)의 작동이 정지되면, 도 2와 같이 인버터(300)에 전류가 흐르지 않게 되어 전자석(410)에도 전류가 공급되지 않게 된다.
그러면, 도 4와 같이 영구자석(420)의 자기장이 전자석(410)은 물론 리드너트(230) 측으로도 형성됨으로써, 리드너트(230)와 리드스크류바(240) 사이에 도포된 MR유체(250)에 자기장의 영향을 주게 된다.
따라서, MR유체(250)가 단단하게 경화됨으로써, 리드너트(230)와 리드스크류바(240) 간의 운동전환 작동이 이루어지지 않게 되고, 이에 운동전환기구(200)의 셀프록킹 작동이 구현된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 후륜조향모터(100)의 구동하는 경우 MR유체(250)의 연화작용에 따라 후륜에 동력이 전달되고, 후륜조향모터(100)를 미구동하는 경우 MR유체(250)의 경화작용에 따라 후륜에서의 역입력을 차단하여 셀프록킹 작동을 구현하게 되고, 이에 전륜 SBW를 활용한 후륜 대조향각 RWS를 구현하게 된다.
더불어, 후륜 조향 시스템의 전원 오프시에도 MR유체(250)가 경화된 상태를 유지하여 자동으로 셀프록킹 작동이 구현됨으로써, 페일세이프의 역할도 수행할 수 있게 된다.
아울러, 기존의 셀프록킹 메커니즘 대비 록킹작동이 단속적이지 않고 빠르게 록킹 및 릴리즈되어 작동성을 향상시키는 한편, 기어박스의 효율이 증가하여 모터 용량을 줄이게 되고, 추가적인 제어기나 센서 없이도 셀프록킹 작동을 구현하여 원가 및 중량을 저감하게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
100 : 후륜조향모터
200 : 운동전환기구
210 : 모터풀리
220 : 벨트
230 : 리드너트
240 : 리드스크류바
250 : MR유체
260 : 베어링
300 : 인버터
400 : 마그넷스위치
410 : 전자석
412 : 철심
414 : 코일
420 : 영구자석
430 : 전도성 연결부

Claims (6)

  1. 회전력을 제공하는 후륜조향모터;
    상기 후륜조향모터를 통해 전달되는 회전운동력을 직선운동으로 전환하는 부분에 MR유체가 도포된 운동전환기구;
    상기 후륜조향모터의 작동을 제어하는 인버터; 및
    상기 인버터 회로와 연계하여 자기장을 변화시켜 상기 MR유체에 자기장을 선택적으로 제공하도록 제어하는 마그넷스위치;를 포함하는 후륜 조향 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 인버터에 전류 인가시, 마그넷스위치의 자기장이 MR유체에서 해제되고;
    상기 인버터에 전류 미인가시, 마그넷스위치의 자기장이 MR유체에 제공되는 것을 특징으로 하는 후륜 조향 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 마그넷스위치는,
    인버터에서 제공되는 전류에 의해 자기화되는 전자석;
    양단과 상기 전자석 철심의 양단 사이에 전도성 연결부에 의해 연결되는 영구자석;을 포함하는 것을 특징으로 하는 후륜 조향 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 영구자석은 전자석과 MR유체 사이에 구비되는 것을 특징으로 하는 후륜 조향 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    후륜조향모터의 회전력에 의해 회전하는 리드너트와, 상기 리드너트의 회전에 따라 직선 이동하는 리드스크류바 사이에 MR유체가 도포되고;
    상기 마그넷스위치는 상기 리드너트를 감싸는 형상으로 마련된 것을 특징으로 하는 후륜 조향 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 영구자석이 전자석보다 리드너트에 가깝게 구비되는 것을 특징으로 하는 후륜 조향 시스템.
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