KR102429179B1 - 인휠 모터 차량의 조향 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량의 선회 주행시 좌우 휠에 장착된 인휠 모터의 구동 토크 및 속도를 서로 다르게 제어하여 선회를 위한 휠의 조향각을 발생시키고, 발생된 조향각을 감지하여 원하는 조향각에서 조향각을 고정시키는 등의 조향각 제어가 이루어지도록 함으로써, 차량의 조향 및 선회 주행이 용이하게 이루어질 수 있도록 한 인휠 모터 차량의 조향 시스템을 제공하고자 한 것이다.

Description

인휠 모터 차량의 조향 시스템{STEERING SYSTEM FOR IN-WHEEL MOTOR VEHICLE}
본 발명은 인휠 모터 차량의 조향 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차량의 좌우 휠에 장착된 인휠 모터에 대한 토크 및 속도를 다르게 제어하는 동시에 조향각을 조절하여, 차량의 조향 및 선회 주행이 용이하게 이루어질 수 있도록 한 인휠 모터 차량의 조향 시스템에 관한 것이다.
전기자동차는 배기가스의 배출이 전혀 없는 친환경 차량을 말하며, 주행을 위한 에너지를 공급하는 고전압 배터리와, 고전압 배터리로부터 출력되는 직류 전력(DC)을 교류 전력(AC)으로 변환시키는 인버터와, 인버터로부터의 교류 전력을 공급받아 회전력을 발생시켜 차량의 주행을 도모하는 주행용 모터 등이 필수적으로 탑재되어 있고, 모터의 회전동력이 감속기에 감속된 후 구동축을 통해 휠로 전달되어 전기자동차의 주행이 이루어진다.
최근에는 감속기나 차동기어와 같은 중간 단계의 동력전달장치를 생략할 수 있어 차량의 무게를 감소시킬 수 있고, 동력전달과정에서의 에너지 손실을 저감시킬 수 있는 장점을 고려하여, 타이어 장착용 휠의 림부내에 모터를 직접 내설하여 모터의 동력이 휠에 직접 전달도록 하는 인휠 모터 차량이 각광받고 있다.
한편, 기존의 인휠 모터 차량의 조향 시스템은 일반 내연기관 차량을 비롯하여 전기자동차 및 하이브리드 차량 등에 적용된 것과 같이, 스티어링 휠과 연결된 스티어링 샤프트 및 컬럼, 스티어링 샤프트에 조향 토크를 제공하는 전기모터, 스티어링 샤프트의 하단부에 장착되는 스티어링 기어(랙과 피니언) 등 여러가지 복잡한 부품들을 포함함에 따라, 패키지 조립성 저하, 원가 상승 및 중량 증가 등의 원인이 되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 차량의 선회 주행시 좌우 휠에 장착된 인휠 모터의 구동 토크 및 속도를 서로 다르게 제어하여 선회를 위한 휠의 조향각을 발생시키고, 발생된 조향각을 감지하여 원하는 조향각에서 조향각을 고정시키는 등의 조향각 제어가 이루어지도록 함으로써, 차량의 조향 및 선회 주행이 용이하게 이루어질 수 있도록 한 인휠 모터 차량의 조향 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 스티어링 휠의 조향각을 감지하는 스티어링 휠 조향각 센서; 상기 스티어링 휠 조향각 센서에서 감지된 스티어링 휠의 조향각에 따라, 좌우 휠에 장착된 인휠 모터에 대한 구동 속도를 서로 다르게 제어하는 제어기; 및 상기 인휠 모터의 구동 속도 차이에 의한 좌우 휠의 속도 차이로 인하여 발생하는 좌우 휠의 조향각을 감지하고, 상기 제어기의 조향각 조절 신호에 의하여 좌우 휠의 조향각을 스티어링 휠의 조향각에 맞는 조향각으로 조절하는 스티어 제어 모듈; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 인휠 모터 차량의 조향 시스템을 제공한다.
특히, 상기 스티어 제어 모듈은: 좌우 휠에 연결된 너클 암에 체결되어 좌우륜 휠의 조향각 발생시 함께 동일한 조향각도로 회전하는 스트럿 축; 스트럿 축에 장착되어 스트럿 축의 회전각도를 조향각도로 감지하여 제어기에 전송하는 앵글센서; 스트럿 축의 상단에 장착되는 요크와 차체에 장착되는 하우징 간에 연결되는 댐핑 장치; 및 스트럿 축을 원하는 조향 회전각에서 제동시켜 고정시키기 위하여 스트럿 축과 하우징에 장착되는 전자식 스티어 브레이크; 로 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 댐핑 장치는: 요크의 일단부에 힌지 연결되는 제1로드; 제1로드를 수용하는 중공 구조로 구비되어 하우징에 힌지 체결되는 제2로드; 및 제1로드의 지지판과 제2로드의 지지판 간에 압축 및 인장 가능하게 배치되는 스프링; 으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전자식 스티어 브레이크는 스트럿 축의 상부에 장착되는 디스크와, 제어기의 조향각 조절 신호에 의하여 디스크에 회전 마찰력을 인가하는 전자식 캘리퍼로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 인휠 모터 차량의 조향 시스템은 상기 좌우 휠에 장착된 인휠 모터의 구동 속도 차이로 인한 좌우 휠의 속도 차이를 확인하기 위한 휠속 센서와, 좌우 휠의 속도 차이에 의한 횡력이 발생하는 것을 확인하기 위한 요센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 스티어 제어 모듈에 의하여 좌우 휠의 조향각이 스티어링 휠의 조향각에 맞는 조향각으로 조절된 후, 상기 제어기는 차량의 선회 주행을 위하여 좌우 인휠 모터의 구동속도를 서로 다르게 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 좌우 휠에 각각 장착된 인휠 모터의 회전속도 차이로 조향을 하고, 그에 추종하여 변화하는 휠의 조향각을 스트럿 상부에 장착된 별도의 스티어 제어 모듈로 제어함으로써, 차량의 조향 및 선회 주행이 용이하게 이루어질 수 있다.
둘째, 스티어링 샤프트에 조향 토크를 제공하는 전기모터, 스티어링 샤프트의 하단부에 장착되는 스티어링 기어(랙과 피니언) 등 기존의 스티어링 시스템을 구성하는 여러 복잡한 부품들을 배제함으로써, 원가 및 중량 절감을 극대화할 수 있고, 중량 감소에 따른 연비 개선에도 기여할 수 있다.
셋째, 스티어링 기어 및 스티어링용 전기모터 등을 삭제함으로써, 패키지 측면에서 타부품의 조립 및 활용 공간을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인휠 모터 차량의 조향 시스템을 도시한 구성도,
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 인휠 모터 차량용 조향 시스템의 스티어 제어 모듈의 설치 위치를 도시한 도면,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 인휠 모터 차량용 조향 시스템의 스티어 제어 모듈을 도시한 요부 사시도,
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 인휠 모터 차량용 조향 시스템의 스티어 제어 모듈의 작동 상태를 도시한 요부 사시도,
도 9는 본 발명에 따른 인휠 모터 차량용 조향 시스템의 제어 구성도,
도 10은 본 발명에 따른 인휠 모터 차량용 조향 시스템에 의한 조향각 조절 후 선회 주행 제어가 이루어지는 것을 도시한 개략도,
도 11은 본 발명에 따른 인휠 모터 차량용 조향 시스템에 의하여 좌우 휠의 조향각 변화가 발생하는 원리를 도시한 평면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 인휠 모터 차량의 조향 시스템을 도시한 한 것으로서, 도면부호 10은 인휠 모터를 지시하고, 미설명 부호 20은 주행시 제동을 위한 공지의 전자 브레이크 시스템(EBS, Electronic Brake System)을 지시한다.
상기 인휠 모터(10)는 좌우 휠의 가까운 곳에 각각 배치되어 좌우 휠 및 타이어를 직접 주행을 위한 회전 구동력을 전달한다.
상기 인휠 모터(10)가 장착된 차량의 조향 및 선회 주행 제어를 위하여, 운전자의 스티어링 휠 조향에 따른 조향각을 우선 감지해야 한다.
이에, 상기 스티어링 휠의 축부에는 스티어링 휠의 조향각을 감지하는 스티어링 휠 조향각 센서(12)가 장착되고, 이 스티어링 휠 조향각 센서(12)에서 감지된 스티어링 휠의 조향각은 제어기(30)에 전송된다.
상기 제어기(30)는 스티어링 휠 조향각 센서(12)에서 감지된 스티어링 휠의 조향각에 따라, 좌우 휠에 장착된 인휠 모터(10)에 대한 구동 속도를 서로 다르게 제어한다.
예를 들어, 상기 제어기(30)의 제어 신호에 따라 좌우측 인휠 모터(10)에 대한 토크가 다르게 인가되어, 좌우측 인휠 모터(10)는 서로 다른 회전속도로 구동될 수 있다.
따라서, 상기 좌우측 인휠 모터(10)의 구동 속도 차이에 의하여 좌우 휠의 속도 차이가 발생하고, 이에 첨부한 도 11에서 보듯이 좌우 휠의 속도 차이로 인하여 좌우 휠이 한쪽방향으로 동일하게 각회전하는 조향각이 발생하게 된다.
이때, 상기 좌우 휠이 각회전하는 조향각이 발생하면, 좌우 휠에 연결된 너클 암에 체결되는 현가장치의 스트럿 축(40)도 동일한 조향각도로 회전하게 된다.
특히, 상기 스트럿 축(40)는 좌우 휠의 속도 차이로 인하여 발생하는 좌우 휠의 조향각을 스트럿 축(40)의 회전각도로 감지하고, 좌우 휠의 조향각을 스티어링 휠의 조향각에 맞는 조향각으로 조절하는 스티어 제어 모듈(100)이 설치된다.
첨부한 도 2 내지 5를 참조하면, 상기 스티어 제어 모듈(100)은 스트럿 축(40)에 장착되어 스트럿 축(40)의 회전각도를 조향각도로 감지하여 제어기(30)에 전송하는 앵글센서(110)와, 스트럿 축(40)의 상단에 장착되는 요크(121)와 차체에 장착되는 하우징(44) 간에 연결되는 댐핑 장치(120)와, 스트럿 축(40)을 원하는 조향 회전각에서 제동시켜 고정시키기 위하여 스트럿 축(40)과 하우징(44)에 장착되는 전자식 스티어 브레이크(130)를 포함하여 구성된다.
상기 댐핑 장치(120)는 스트럿 축(40)의 회전시 떨림 등을 완충시켜 상쇄시키고, 좌우 휠의 조향각 발생시 좌우 휠을 직진 상태로 복귀되는 탄성복원력을 제공한다.
이를 위해, 상기 댐핑 장치(120)는 스트럿 축(40)의 상단 외경에 압입 체결되는 요크(121)와, 요크(121)의 일단부에 형성된 돌출단(122)에 힌지 연결되는 제1로드(123)와, 제1로드(123)의 출입이 가능한 중공 구조로 구비되어 하우징(44)에 힌지 체결되는 제2로드(124)와, 제1로드(123)의 중간부분에 형성된 지지판(123-1)과 제2로드(124)의 중간부분에 형성된 지지판(124-2) 간에 압축 및 인장 가능하게 배치되는 스프링(125)을 포함하여 구성된다.
따라서, 상기와 같이 좌우 휠이 각회전하는 조향각이 발생하여, 스트럿 축(40)도 동일한 조향각도로 회전하면, 상기 앵글센서(110)에서 스트럿 축(40)의 회전각도를 조향각도로 감지하여 제어기(30)에 전송한다.
이와 동시에, 상기 스트럿 축(30)의 회전에 따라 요크(121)도 함께 동일방향으로 회전하게 된다.
첨부한 도 6을 참조하면 상기 요크(121)가 시계반대방향으로 회전하면(예, 차량 좌회전시), 제1로드(123)가 제2로드(124)로부터 인출되는 동시에 스프링(125)이 인장되고, 첨부한 도 8을 참조하면 상기 요크(121)가 시계방향으로 회전하면(예, 차량 우회전시), 제1로드(123)가 제2로드(124)내로 삽입되는 동시에 스프링(125)이 압축된다.
이때, 상기 스프링(125)의 인장 및 압축에 따른 탄성복원력은 요크(121) 및 스트럿 축(30)을 좌우 휠의 직진 배열 상태(조향각 제로 상태)쪽으로 작용하게 되어, 좌우 휠이 직진 상태로 복귀할 때의 복원성을 향상시키는 역할을 하게 된다.
반면, 상기 좌우 휠에 조향각이 발생하지 않는 차량의 직진 주행 상태에서는 첨부한 도 7에서 보듯이 상기 스트럿 축(40) 및 요크(121)도 본래 위치를 유지하고, 스프링(125)은 무부하 상태로 유지된다.
한편, 상기 제어기(30)는 앵글센서(110)에서 감지된 스트럿 축(30)의 조향각도(= 좌우 휠의 조향 각도)와, 스티어링 휠 조향각 센서(12)에서 감지된 스티어링 휠의 조향각을 비교하여, 스트럿 축(30)의 조향각도가 스티어링 휠의 조향각과 일치될 때, 좌우 휠의 조향각을 스티어링 휠의 조향각에 맞는 조향각으로 조절하라는 조향각 조절 신호를 스티어 제어 모듈(100)의 전자식 스티어 브레이크(130)에 지령하게 된다.
이를 위해, 상기 전자식 스티어 브레이크(130)는 스트럿 축(40)의 상부에 장착되는 디스크(132)와, 제어기(30)의 조향각 조절 신호에 의하여 디스크(132)에 회전 마찰력을 인가하도록 하우징(44)의 내측부에 장착되는 전자식 캘리퍼(134)로 구성된다.
참고로, 상기 전자식 스티어 브레이크(130)는 차량의 주행 제동을 위한 전자식 브레이크 시스템과 그 작동 방식이 유사한 것으로 채택된다.
따라서, 상기 제어기(30)의 조향각 조절 신호에 의하여 전자식 스티어 브레이크(130)의 전자식 캘리퍼(134)가 디스크(132)와 마찰 접촉되는 작동을 함으로써, 스트럿 축(40)이 스티어링 휠의 조향각에 맞는 조향각에서 정지 고정되는 상태가 되고, 결국 좌우 휠의 조향각도 스티어링 휠의 조향각에 맞는 조향각으로 고정되는 상태가 된다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 인휠 모터 차량용 조향 시스템에 대한 작동 흐름을 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 9는 본 발명에 따른 인휠 모터 차량용 조향 시스템의 제어 구성도를 나타낸다.
먼저, 차량의 조향 및 선회 주행 제어를 위하여, 운전자가 스티어링 휠을 소정의 각도로 조향하면, 스티어링 휠의 조향각을 스티어링 휠 조향각 센서(12)에서 감지하여 제어기(30)에 전송하게 된다.
이어서, 상기 제어기(30)는 스티어링 휠 조향각 센서(12)에서 감지된 스티어링 휠의 조향각에 따라, 좌우 휠에 장착된 인휠 모터(10)에 대한 구동 속도를 서로 다르게 제어한다.
따라서, 상기 좌우측 인휠 모터(10)의 구동 속도 차이에 의하여 좌우 휠의 속도 차이가 발생하고, 이에 좌우 휠의 속도 차이로 인하여 좌우 휠이 한쪽방향으로 동일하게 각회전하는 조향각이 발생하게 된다.
이때, 상기 제어기(30)의 지령에 의하여 좌우 인휠 모터의 구동 속도가 다르게 제어되어 좌우 휠의 속도 차이가 실제 발생하는지를 제어기(30)에서 확인하는 일종의 페일 세이프 과정으로서, 상기 제어기(30)는 좌우 휠쪽에 장착된 휠속 센서(42)의 감지 신호를 수신하여 좌우 휠의 속도 차이가 실제 발생하고 있음을 확인할 수 있다.
또한, 상기 좌우 휠의 속도 차이로 인하여 차량에 횡력이 실제 발생하는지를 제어기(30)에서 확인하는 일종의 페일 세이프 과정으로서, 상기 좌우 휠의 속도 차이로 인한 횡력이 발생하는 것을 요센서(46)의 감지 신호를 수신하여 확인할 수 있다.
상기와 같이 좌우 휠이 각회전하는 조향각이 발생하면, 좌우 휠에 연결된 너클 암에 체결되는 현가장치의 스트럿 축(40)도 동일한 조향각도로 회전하게 되고, 이때의 스트럿 축(40)의 회전각 변화를 앵글센서(110)에서 조향각도로서 감지하여 제어기(40)에 전송한다.
다음으로, 상기 제어기(30)는 앵글센서(110)에서 감지된 스트럿 축(30)의 조향각도(= 좌우 휠의 조향 각도)와, 스티어링 휠 조향각 센서(12)에서 감지된 스티어링 휠의 조향각을 비교하여, 스트럿 축(30)의 조향각도가 스티어링 휠의 조향각과 일치될 때, 좌우 휠의 조향각을 스티어링 휠의 조향각에 맞는 조향각으로 조절하라는 조향각 조절 신호를 스티어 제어 모듈(100)의 전자식 스티어 브레이크(130)에 지령하게 된다.
따라서, 상기 제어기(30)의 조향각 조절 신호에 의하여 전자식 스티어 브레이크(130)의 전자식 캘리퍼(134)가 디스크(132)와 마찰 접촉되는 작동을 함으로써, 스트럿 축(40)이 스티어링 휠의 조향각에 맞는 조향각에서 정지 고정되는 상태가 되고, 결국 상기 스트럿 축(40)의 고정에 따라 좌우 휠의 조향각도 스티어링 휠의 조향각에 맞는 조향각으로 고정되는 상태가 된다.
연이어, 상기 좌우 휠의 조향각이 스티어링 휠의 조향각에 맞는 조향각으로 조절된 후, 상기 제어기(30)는 차량의 안정적인 선회 주행을 위하여 좌우 인휠 모터(10)의 구동속도 및 그에 따른 좌우 휠의 회전속도를 서로 다르게 제어하되, 예를 들어 도 10에서 보듯이 차량이 우회전할 때 좌측 휠의 회전속도를 우측 휠의 회전속도에 비하여 빠르게 제어함으로써, 차량의 안정적인 선회 주행이 이루어질 수 있다.
10 : 인휠 모터
12 : 스티어링 휠 조향각 센서
20 : 전자 브레이크 시스템
30 : 제어기
40 : 스트럿 축
42 : 휠속 센서
44 : 하우징
46 : 요센서
100 : 스티어 제어 모듈
110 : 앵글센서
120 : 댐핑 장치
121 : 요크
122 : 돌출단
123 : 제1로드
123-1 : 지지판
124 : 제2로드
124-1 : 지지판
125 : 스프링
130 : 전자식 스티어 브레이크
132 : 디스크
134 : 전자식 캘리퍼

Claims (7)

  1. 스티어링 휠의 조향각을 감지하는 스티어링 휠 조향각 센서;
    상기 스티어링 휠 조향각 센서에서 감지된 스티어링 휠의 조향각에 따라, 좌우 휠에 장착된 인휠 모터에 대한 구동 속도를 서로 다르게 제어하는 제어기; 및
    상기 인휠 모터의 구동 속도 차이에 의한 좌우 휠의 속도 차이로 인하여 발생하는 좌우 휠의 조향각을 감지하고, 상기 제어기의 조향각 조절 신호에 의하여 좌우 휠의 조향각을 스티어링 휠의 조향각에 맞는 조향각으로 조절하는 스티어 제어 모듈;
    을 포함하여 구성되고,
    상기 스티어 제어 모듈은:
    좌우 휠에 연결된 너클 암에 체결되어 좌우륜 휠의 조향각 발생시 함께 동일한 조향각도로 회전하는 스트럿 축;
    스트럿 축에 장착되어 스트럿 축의 회전각도를 조향각도로 감지하여 제어기에 전송하는 앵글센서;
    스트럿 축의 상단에 장착되는 요크와 차체에 장착되는 하우징 간에 연결되는 댐핑 장치; 및
    스트럿 축을 원하는 조향 회전각에서 제동시켜 고정시키기 위하여 스트럿 축과 하우징에 장착되는 전자식 스티어 브레이크;
    로 구성된 것을 특징으로 인휠 모터 차량의 조향 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 댐핑 장치는:
    요크의 일단부에 힌지 연결되는 제1로드;
    제1로드를 수용하는 중공 구조로 구비되어 하우징에 힌지 체결되는 제2로드; 및
    제1로드의 지지판과 제2로드의 지지판 간에 압축 및 인장 가능하게 배치되는 스프링;
    으로 구성된 것을 특징으로 하는 인휠 모터 차량의 조향 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전자식 스티어 브레이크는 스트럿 축의 상부에 장착되는 디스크와, 제어기의 조향각 조절 신호에 의하여 디스크에 회전 마찰력을 인가하는 전자식 캘리퍼로 구성된 것을 특징으로 하는 인휠 모터 차량의 조향 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 좌우 휠에 장착된 인휠 모터의 구동 속도 차이로 인한 좌우 휠의 속도 차이를 확인하기 위한 휠속 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인휠 모터 차량의 조향 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 좌우 휠의 속도 차이에 의한 횡력이 발생하는 것을 확인하기 위한 요센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인휠 모터 차량의 조향 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 스티어 제어 모듈에 의하여 좌우 휠의 조향각이 스티어링 휠의 조향각에 맞는 조향각으로 조절된 후, 상기 제어기는 차량의 선회 주행을 위하여 좌우 인휠 모터의 구동속도를 서로 다르게 제어하는 것을 특징으로 하는 인휠 모터 차량의 조향 시스템.
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