KR20180071819A - 조향 장치 - Google Patents

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KR20180071819A
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control unit
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김정열
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주식회사 만도
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Abstract

본 발명은, 운전자에게 조향휠의 조향 끝단을 인식시키기 위하여, 차량의 조향휠에 연결되어 회전 운동을 하는 조향축을 포함하는 컬럼부와, 컬럼부와 전기적으로 연결되어 조향축의 회전 운동을 랙 바의 직선 운동으로 변환하는 피니언부를 포함하는 조향 장치로서, 조향휠의 회전을 방해하도록 구동되는 반력 모터와, 랙 바를 이송하는 구동 모터와, 반력 모터를 제어하는 제 1 전자제어유닛과, 구동 모터를 제어하며 차량의 속도에 따라 조향 기어비를 가변하는 제 2 전자제어유닛을 포함하는 조향 장치를 제공한다.
여기서, 제 1 전자제어유닛은, 반력 모터에 반력 전류를 공급하되, 조향 기어비에 따라 가변되는 조향휠의 조향 끝단 마다 가장 큰 반력 전류를 각각 공급한다.

Description

조향 장치{STEERING APPARATUS}
본 발명은 조향 장치 특히, 컬럼부와 피니언부가 전기적으로 연결되는 조향 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 조향 장치는 차량의 진행 방향을 사용자(운전자)의 의지대로 변경할 수 있도록 하기 위한 장치로서 차량의 앞바퀴가 선회하는 회전 중심을 임으로 변경하여 사용자가 원하는 방향으로 차량을 진행시킬 수 있도록 보조하는 장치이다.
종래의 조향 장치는 컬럼부, 피니언부 및 전자제어유닛(ECU: Electronic Control Unit)을 포함한다.
구체적으로, 컬럼부는 차량의 조향휠(핸들)에 연결되어 회전운동을 하는 조향축과, 조향축의 하단에 연결되는 기어비 변환장치와, 기어비 변환장치를 구동하기 위한 반력 모터를 포함한다.
그리고, 피니언부는 랙 바와, 조향축의 회전 운동을 랙 바의 직선 운동으로 변환하는 기구부와, 랙 바에 조향 보조 동력을 공급하는 구동 모터를 포함한다.
한편, 운전자가 조향휠의 조향 끝단(End-Stop)을 넘어서 조향휠을 조작하게 되면, 랙 스트로크(Rack Stroke) 끝단에서 랙 바와 다른 기구부의 충돌로 인해 차량 자체의 소음 및 진동을 발생시켜 운전자에게 불쾌감을 줄 뿐만 아니라 기계적 손상으로 인해 차량의 수명을 단축시킬 수 있다.
특히, 전술한 조향 장치는, 컬럼부와 피니언부가 기계적으로 연결되지 않기 때문에, 기계적 방법이 아닌 다른 방법으로 조향휠의 조향 끝단에서 조향휠이 회전되지 않도록 운전자에게 조향휠의 조향 끝단을 인식시켜야 할 필요가 있다.
본 발명은 조향휠의 회전을 방해하여 운전자가 조향휠의 끝단을 인식하도록 할 수 있는 조향 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다
또한, 본 발명은 운전자가 조향휠의 끝단을 넘어서 조향휠을 조작하는 것을 방지하여, 랙 스트로크 끝단에서 랙 바와 다른 기구부의 충돌로 인한 소음 및 진동을 방지하고 차량 수명을 향상 시킬 수 있는 조향 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 차량의 조향휠에 연결되어 회전 운동을 하는 조향축을 포함하는 컬럼부와, 컬럼부와 전기적으로 연결되어 조향축의 회전 운동을 랙 바의 직선 운동으로 변환하는 피니언부를 포함하는 조향 장치로서, 조향휠의 회전을 방해하도록 구동되는 반력 모터와, 랙 바를 이송하는 구동 모터와, 반력 모터를 제어하는 제 1 전자제어유닛과, 구동 모터를 제어하며 차량의 속도에 따라 조향 기어비를 가변하는 제 2 전자제어유닛을 포함하는 조향 장치를 제공한다.
여기서, 제 1 전자제어유닛은, 반력 모터에 반력 전류를 공급하되, 조향 기어비에 따라 가변되는 조향휠의 조향 끝단 마다 가장 큰 반력 전류를 각각 공급한다.
또한, 제 2 전자제어유닛은, 차량의 속도가 기준 속도 보다 큰 제 1 설정 속도이면 조향 기어비를 기준 조향 기어비 보다 크게 설정한다.
또한, 제 2 전자제어유닛은, 차량의 속도가 제 1 설정 속도 보다 큰 제 2 설정 속도이면 조향 기어비를 기준 조향 기어비 보다 작게 설정한다.
또한, 제 2 전자제어유닛은, 기준 속도부터 제 1 설정 속도까지 조향 기어비를 증가시키고, 제 1 설정 속도부터 제 2 설정 속도까지 조향 기어비를 감소시킨다.
여기서, 조향휠의 조향 끝단에서의 조향각은 제 2 설정 속도, 기준 속도 및 제 1 설정 속도 순으로 크다.
또한, 조향축의 회전에 의한 컬럼부의 조향각을 검출하는 제 1 감지부와, 랙 바의 이송에 의한 피니언부의 피니언각을 검출하는 제 2 감지부를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 전자제어유닛은 차량의 속도에 따라 가변되는 조향휠의 끝단에서 가장 큰 반력 전류를 반력 모터에 공급함으로써, 조향휠의 회전을 방해하여 운전자가 조향휠의 끝단을 인식하도록 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 운전자가 조향휠의 끝단을 넘어서 조향휠을 조작하는 것을 방지하여, 랙 스트로크 끝단에서 랙 바와 다른 기구부의 충돌로 인한 소음 및 진동을 방지하고 차량 수명을 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 조향 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 조향 장치의 차량의 속도에 따른 조향 기어비를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 조향 장치의 조향각에 따른 반력 전류를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참고부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 조향 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 조향 장치는 컬럼부(310) 및 피니언부(320)를 포함할 수 있다.
컬럼부(310)는 조향축(301), 제 1 감지부(303), 반력 모터(201) 및 제 1 전자제어유닛(305)를 포함할 수 있다.
조향축(301)은 차량의 조향휠(핸들)(101)에 연결되어 회전운동을 하며, 제 1 감지부(303)는 조향축(301)의 회전에 의한 회전각인 조향각을 검출한다. 여기서, 제 1 감지부(303)는 조향축(301)에 설치된 조향각 센서일 수 있다.
한편, 조향축(301)은 상단이 조향휠(101)에 연결되어 있으며, 조향휠(101)의 회전 방향으로 회전한다.
그리고, 반력 모터(201)는 조향휠(101)의 회전을 방해하도록 구동된다. 즉, 반력 모터(201)는 조향휠(101)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전한다. 그리고, 제 1 전자제어유닛(305)은 반력 모터(201)를 제어한다.
피니언부(320)는, 운전자의 조향 입력에 따라 운전자가 원하는 방향으로 바퀴(108)를 조작하기 위한 장치로서, 랙 바(311), 구동 모터(203), 피니언축(317), 제 2 감지부(318) 및 제 2 전자제어유닛(319)을 포함할 수 있다.
랙 바(311)는 양단이 바퀴(108)에 연결되며, 구동 모터(203)는 조향축(301)의 회전 운동을 랙 바(311)의 직선 운동으로 변환하기 위하여 랙 바(311)에 조향 보조 동력을 공급한다.
피니언축(317)은 랙 바(311)와 맞물려 회전 운동을 하며, 제 2 감지부(318)는 피니언축(317)의 회전에 의한 회전각인 피니언각을 검출한다. 여기서, 제 2 감지부(318)는 피니언축(317)에 설치된 피니언각 센서일 수 있다.
제 2 전자제어유닛(319)은 제 1 감지부(303) 및 제 2 감지부(318)에 의해 각각 검출된 조향각 및 피니언각을 이용하여 구동 모터(203)를 제어한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 조향 장치는 컬럼부(310)와 피니언부(320)를 기계적으로 연결하지 않고 전기적으로 연결하여, 전자적 제어 신호를 통해 피니언부(320)에 조향력을 전달한다.
조향축(301)의 하단에는 제 1 반력 기어(321)가 배치되어 있는데, 제 1 반력 기어(321)는 반력 모터(201)에 의해 구동되는 제 2 반력 기어(323)와 맞물린다.
제 1 감지부(303)는 조향축(301)의 회전각 즉, 조향각의 크기를 감지하기 위한 장치로서 조향각의 크기를 감지한 후 감지된 값에 대응하는 전기적 신호를 제 1 전자제어유닛(305)에 전달한다.
제 1 전자제어유닛(305)은 제 1 감지부(303)로부터 전기적 신호를 전달받고, 반력 모터(201)에 제어 신호를 전달하는 한편 제 2 전자제어유닛(319)과 전기적 신호를 주고 받는다.
반력 모터(201)는 조향휠(101)의 회전을 방해하도록 구동함으로써 운전자에게 조향 반력을 제공한다. 즉, 반력 모터(201)의 모터축(325)의 하단에 제 2 반력 기어(323)가 배치되어 있고, 모터축(325)이 조향축(301)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하기 때문에 운전자는 적절한 조향감을 느낄 수 있게 된다.
한편, 필요에 따라 제 1 반력 기어(321) 및 제 2 반력 기어(323) 대신 웜 휠 및 웜 구조를 채택하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이하, 제 1 전자제어유닛(305)과 반력 모터(201)의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.
제 1 전자제어유닛(305)은 제 1 감지부(303)에 의해 검출된 조향각을 이용하여 반력 모터(201)를 제어할 수 있다. 즉, 제 1 전자제어유닛(305)은, 조향각에 대응되는 반력 전류를 반력 모터(201)에 공급되도록 할 수 있다.
여기서, 제 1 전자제어유닛(305)은 조향휠(101)의 조향 끝단(End-Stop)(예컨대, 조향휠이 -360도에서 +360도까지 회전하는 경우 -360도 및 360도)에서 반력 모터(201)에 가장 큰 반력 전류를 공급함으로써, 조향휠(101)의 회전을 방해하여 운전자가 조향휠(101)의 조향 끝단을 인식하도록 할 수 있다.
이 때, 운전자가 반력 모터(201)의 최대 토크 보다 더 큰 힘으로 조향휠(101)을 조작하게 되면, 조향 휠(101)이 조향 끝단을 넘어서 회전될 수 있다. 이에 반력 모터(201)의 최대 토크는 클수록 유리하다.
이에 따라, 운전자가 조향휠(101)의 조향 끝단을 넘어서 조향휠(101)을 조작하는 것을 방지하여, 랙 스트로크(Rack Stroke) 끝단에서 랙 바(311)와 다른 기구부의 충돌로 인한 소음 및 진동을 방지하고 차량 수명을 향상 시킬 수 있다.
이하, 제 2 전자제어유닛(319)과 구동 모터(203)의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.
랙 바(311)는 구동 모터(203)로부터 구동력을 전달받아서 축 방향으로 직선 운동을 함으로써 바퀴(108)의 방향이 변화되도록 한다.
랙 바(311)는 원통 형상으로 이루어지되 양단이 타이 로드(106) 및 너클 암(107)을 통해 바퀴(108)와 연결되며 일측에 랙 기어(324)가 배치된다. 또한, 랙 기어(324)는 피니언축(317)의 피니언 기어(327)와 맞물린다.
구동 모터(203)는 랙 바(311)와 동축 상에 배치되되 랙 바(311)의 일측 외주면을 둘러싸며 볼 스크류부(329)를 통해 랙 바(311)에 구동력을 전달한다. 또한, 구동 모터(203)는 제 2 전자제어유닛(319)으로부터 제어 신호를 받아 구동된다.
제 2 전자제어유닛(319)은, 차량의 속도에 따라 조향 기어비(Steering Gear Ratio)를 가변할 수 있다. 여기서, 조향 기어비는 조향각에 대한 피니언각의 비율을 나타낸다. 이 때, 조향 기어비가 크면 조향휠(101) 조작은 가볍게 되지만 조향휠(101)을 큰 각도로 회전시켜야 하므로 신속한 조향이 어려우며, 반대로 조향 기어비가 작으면 조향휠(101) 조작은 무겁게 되지만 조향휠(101)을 작은 각도로 회전시킬 수 있어 신속한 조향이 이루어진다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 조향 장치의 차량의 속도에 따른 조향 기어비를 도시한 그래프이다.
이하, 도 2를 참조하여 차량의 속도(V: Vehicle Speed))에 따라 가변되는 조향 기어비(GR: Gear Ratio)에 대해 설명하겠다.
일반적으로 운전자는 차량의 유턴(U-Turn) 시 비교적 저속(예컨대, 20 kph(kilometer per hour))으로 운행하며, 이와 같은 차량의 유턴 시 조향휠(101) 조작은 가볍게 이루어져야 하기 때문에, 조향 기어비(GR)를 비교적 크게 설정할 필요가 있다.
이에 따라, 제 2 전자제어유닛(319)은, 차량의 유턴 시 즉, 차량의 속도(V)가 기준 속도(예컨대, 0 kph) 보다 큰 제 1 설정 속도(예컨대, 20 kph)이면 조향 기어비(GR)를 기준 조향 기어비(예컨대, 1:1) 보다 크게 예를 들면, 1.3:1로 설정할 수 있다.
또한, 차량의 고속(예컨대, 120 kph 이상) 주행 시 차량의 안정성을 위해 조향휠(101) 조작은 무겁게 이루어져야 하기 때문에, 조향 기어비(GR)를 비교적 작게 설정할 필요가 있다.
이에 따라, 제 2 전자제어유닛(319)은, 차량의 고속 주행 시 즉, 차량의 속도(V)가 제 1 설정 속도(예컨대, 20 kph) 보다 큰 제 2 설정 속도(예컨대, 120 kph)이면 조향 기어비(GR)를 기준 조향 기어비(예컨대, 1:1) 보다 작게 예를 들면, 0.8:1로 설정할 수 있다.
또한, 제 2 전자제어유닛(319)은, 기준 속도(예컨대, 0 kph)부터 제 1 설정 속도(예컨대, 20 kph)까지 조향 기어비(GR)를 속도에 비례하여 증가시키고, 제 1 설정 속도(예컨대, 20 kph)부터 제 2 설정 속도(예컨대, 120 kph)까지 조향 기어비(GR)를 속도에 비례하여 감소시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 조향 장치의 조향각에 따른 반력 전류를 도시한 그래프이다.
이하, 도 3을 참조하여 조향각(SA: Steering Angle)에 따라 가변하는 반력 전류(MC: Motor Current)에 대해 설명하겠다.
전술한 바와 같이 조향 기어비(GR)가 차량의 속도(V)에 따라 가변됨에 따라, 조향휠(101)의 조향 끝단도 가변된다.
또한, 조향휠(101)의 조향 끝단에서의 조향각(SA)은 제 2 설정 속도(예컨대, 120kph), 기준 속도(예컨대, 0kph) 및 제 1 설정 속도(예컨대, 20kph) 순으로 크다.
예를 들어, 컬럼 팩터(C-Factor)를 60 mm/rev, 랙 스트로크(Rack Stroke)를 78 mm로 가정한다. 여기서, 컬럼 팩터는 피니언축(317)의 1회전당 랙 바(311)의 좌우 횡 이동 거리이고, 랙 스트로크는 랙 바(311)의 좌우 횡 이동 거리이다.
이를 바탕으로, 조향 기어비(GR)가 1:1인 경우 조향휠(101)이 조향각(SA) 360도로 회전하면 피니언축(317)이 피니언각 360도로 회전하고, 조향 기어비(GR)가 1.3:1인 경우 조향휠(101)이 조향각(SA) 360도 회전하면 피니언축(317)이 피니언각 468도로 회전하고, 조향 기어비(GR)가 0.8:1인 경우 조향휠(101)이 조향각(SA) 360도 회전하면 피니언축(317)이 피니언각 288도로 회전한다.
또한, 조향 기어비(GR)가 1:1인 경우 조향휠(101)의 1.3회전 시 랙 스트로크가 최대가 되고, 조향 기어비(GR)가 1.3:1인 경우 조향휠(101)의 1회전 시 랙 스트로크가 최대가 되고, 조향 기어비(GR)가 0.8:1인 경우 조향휠(101)의 1.625회전 시 랙 스트로크가 최대가 된다.
또한, 조향휠(101)의 조향 끝단은 랙 스트로크가 최대가 되는 위치로서, 이 위치에서의 조향각(SA)은, 조향 기어비(GR)가 1:1인 경우 468도가 되고, 조향 기어비(GR)가 1.3:1인 경우 360도가 되고, 조향 기어비(GR)가 0.8:1인 경우 585도가 된다.
여기서, 제 2 전자제어유닛(319)은 차량의 속도(V)가 기준 속도(예컨대, 0kph)이면 조향기어비(GR)를 1:1로 설정할 수 있다. 이 때, 조향휠(101)의 조향 끝단에서의 조향각(SA)은 468도가 된다. 그리고, 제 1 전자제어유닛(305)은 조향휠(101)의 조향각(SA)이 468도가 되면 반력 모터(201)에 가장 큰 반력 전류(MC)를 공급한다.
또한, 제 2 전자제어유닛(319)은 차량의 속도(V)가 제 1 설정 속도(예컨대, 20kph)이면 조향기어비(GR)를 1.3:1로 설정할 수 있다. 이 때, 조향휠(101)의 조향 끝단에서의 조향각(SA)은 360도가 된다. 그리고, 제 1 전자제어유닛(305)은 조향휠(101)의 조향각(SA)이 360도가 되면 반력 모터(201)에 가장 큰 반력 전류(MC)를 공급한다.
또한, 제 2 전자제어유닛(319)은 차량의 속도(V)가 제 2 설정 속도(예컨대, 120kph)이면 조향기어비(GR)를 0.8:1로 설정할 수 있다. 이 때, 조향휠(101)의 조향 끝단에서의 조향각(SA)은 585도가 된다. 그리고, 제 1 전자제어유닛(305)은 조향휠(101)의 조향각(SA)이 585도가 되면 반력 모터(201)에 가장 큰 반력 전류(MC)를 공급한다.
이와 같이, 제 1 전자제어유닛(305)은 차량의 속도(V)에 따라 가변되는 조향휠(101)의 끝단 마다 가장 큰 반력 전류(MC)를 각각 공급함으로써, 조향휠(101)의 회전을 방해하여 운전자가 조향휠(101)의 끝단을 인식하도록 할 수 있다.
이 때, 운전자가 반력 모터(201)의 최대 토크 보다 더 큰 힘으로 조향휠(101)을 조작하게 되면, 조향 휠(101)이 조향 끝단을 넘어서 회전될 수 있다. 이에 반력 모터(201)의 최대 토크는 클수록 유리하다.
이에 따라, 운전자가 조향휠(101)의 끝단을 넘어서 조향휠(101)을 조작하는 것을 방지하여, 랙 스트로크 끝단에서 랙 바(311)와 다른 기구부의 충돌로 인한 소음 및 진동을 방지하고 차량 수명을 향상 시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
310 : 컬럼부
320 : 피니언부
305 : 제 1 전자제어유닛
319 : 제 2 전자제어유닛
201 : 반력 모터
203 : 구동 모터

Claims (7)

  1. 차량의 조향휠에 연결되어 회전 운동을 하는 조향축을 포함하는 컬럼부와, 상기 컬럼부와 전기적으로 연결되어 상기 조향축의 회전 운동을 랙 바의 직선 운동으로 변환하는 피니언부를 포함하는 조향 장치로서,
    상기 조향휠의 회전을 방해하도록 구동되는 반력 모터;
    상기 랙 바를 이송하는 구동 모터;
    상기 반력 모터를 제어하는 제 1 전자제어유닛; 및
    상기 구동 모터를 제어하며 상기 차량의 속도에 따라 조향 기어비를 가변하는 제 2 전자제어유닛을 포함하고,
    상기 제 1 전자제어유닛은, 상기 반력 모터에 반력 전류를 공급하되, 상기 조향 기어비에 따라 가변되는 상기 조향휠의 조향 끝단마다 가장 큰 반력 전류를 각각 공급하는 조향 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전자제어유닛은,
    상기 차량의 속도가 기준 속도 보다 큰 제 1 설정 속도이면 상기 조향 기어비를 기준 조향 기어비 보다 크게 설정하는 조향 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 전자제어유닛은,
    상기 차량의 속도가 상기 제 1 설정 속도 보다 큰 제 2 설정 속도이면 상기 조향 기어비를 기준 조향 기어비 보다 작게 설정하는 조향 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기준 조향 기어비는 1:1인 조향 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 전자제어유닛은,
    상기 기준 속도부터 상기 제 1 설정 속도까지 상기 조향 기어비를 증가시키고,
    상기 제 1 설정 속도부터 상기 제 2 설정 속도까지 상기 조향 기어비를 감소시키는 조향 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 조향휠의 조향 끝단에서의 조향각은
    상기 제 2 설정 속도, 기준 속도 및 제 1 설정 속도 순으로 큰 조향 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 조향축의 회전에 의한 상기 컬럼부의 조향각을 검출하는 제 1 감지부; 및
    상기 랙 바의 이송에 의한 상기 피니언부의 피니언각을 검출하는 제 2 감지부
    를 더 포함하는 조향 장치.
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