KR20200024530A - 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치 - Google Patents

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KR20200024530A
KR20200024530A KR1020180101333A KR20180101333A KR20200024530A KR 20200024530 A KR20200024530 A KR 20200024530A KR 1020180101333 A KR1020180101333 A KR 1020180101333A KR 20180101333 A KR20180101333 A KR 20180101333A KR 20200024530 A KR20200024530 A KR 20200024530A
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wire system
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안상희
박정식
고경민
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주식회사 만도
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 조향 입력 정보를 기초로 전자 제어 유닛에 의해 생성된 제어 정보에 따라 조향을 수행하는 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치로서, 회전 구동력을 조향을 위한 직선 운동으로 변환하는 기어 유닛; 및 상기 기어 유닛에 회전 구동력을 전달하는 구동 유닛; 을 포함하고, 상기 구동 유닛은, 상기 제어 정보에 따라 제어되는 제1 액추에이터 및 제2 액추에이터와, 상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터에 각각 결합되어 회전하는 제1 웜 및 제2 웜과, 상기 제1 웜 및 상기 제2 웜과 치합되어 회전하는 웜휠을 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치가 제공된다.

Description

스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치{STEERING APPARATUS FOR STEER BY WIRE SYSTEM}
본 발명은 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 전동 조향의 고출력을 가능하게 함으로써 종래 고출력의 확보를 위해 유압식 조향 장치가 적용되어 스티어 바이 와이어 시스템의 구현이 어려웠던 상용차에도 스티어 바이 와이어 시스템을 구현할 수 있게 해주는 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치에 관한 것이다.
종래의 스티어 바이 와이어(Steer By Wire, SBW)의 차륜 조타 장치는 모터, 웜과 웜휠 및 랙 앤 피니언을 포함하는 액추에이터 유닛 2개가 적용되는 것이 일반적인데, 이러한 방식은 제조 원가 측면에서 비용이 상승하고, 시스템 제어의 복잡성이 증가하는 문제점을 가지고 있다.
한편, 승용차용 랙 타입 전동 파워 스티어링(R-EPS) 장치들을 전장품들의 안전 요소를 강화하여 승용차의 스티어 바이 와이어 시스템에 적용하는 기술이 선보이고 있다. 그러나 승용차용 랙 타입 전동 파워 스티어링 장치들은 버스, 트럭 등과 같은 상용차의 스티어링에 요구되는 높은 출력 및 강성을 만족시키지 못한다. 따라서 종래 승용차용 랙 타입 전동 파워 스티어링을 상용차의 스티어 바이 와이어 시스템 구현을 위해 적용하는 것은 사실상 불가능하다.
이와 같은 상황 속에서 상용차용 조향 장치는 여전히 유압식으로 파워 스티어링을 구현하고 있는데, 유압을 생성하는 유압펌프, 작동유를 저장하는 리저버(Reservoir) 및 유압라인을 포함한다. 유압펌프는 자동차의 엔진 및 리저버에 연결되어 유압을 생성하고, 생성된 유압은 유압라인을 통해 스티어링 기어로 전달되며, 스티어링 기어가 조향 방향에 따라 랙 피스톤 압력을 배분하여 조향력을 보조하게 된다.
이와 같은 유압식 조향 장치는 유압펌프가 엔진에 연결되어 엔진의 출력을 소모하므로 연비를 저하시키고, 유압펌프, 리저버 및 유압라인 등 유압 관련 부품이 설치되어야 하므로 차량 내 공간의 효율성을 떨어뜨리며 비용을 상승시키는 문제가 있다. 그리고 무엇보다 전자식 제어가 불가능하므로 차선 유지, 자동 주차, 제동, 타 시스템과의 협조 등과 같은 운전자 편의기능 및 스티어 바이 와이어 시스템의 적용이 불가능한 한계를 가지고 있다.
한국 등록특허 제10-0358999호 “차량용 조향 안정성 향상장치”, 2002. 12. 18 등록공고
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로,
본 발명은 전동 조향의 고출력을 가능하게 함으로써 종래 고출력의 확보를 위해 유압식 조향 장치가 적용되어 스티어 바이 와이어 시스템의 구현이 어려웠던 상용차에도 스티어 바이 와이어 시스템을 구현할 수 있게 해주는 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 주행 중 하나의 액추에이터가 고장난 경우에도 나머지 하나의 작동이 가능하여 안전 성능이 향상된 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 평행하게 배치된 2개의 웜을 통해 하나의 웜휠을 회전시킴으로써 편력의 발생을 방지하며 안정적으로 조향력을 제공하는 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 조향 입력 정보를 기초로 전자 제어 유닛에 의해 생성된 제어 정보에 따라 조향을 수행하는 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치로서, 회전 구동력을 조향을 위한 직선 운동으로 변환하는 기어 유닛; 및 상기 기어 유닛에 회전 구동력을 전달하는 구동 유닛; 을 포함하고, 상기 구동 유닛은, 상기 제어 정보에 따라 제어되는 제1 액추에이터 및 제2 액추에이터와, 상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터에 각각 결합되어 회전하는 제1 웜 및 제2 웜과, 상기 제1 웜 및 상기 제2 웜과 치합되어 회전하는 웜휠을 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치가 제공된다.
이 때, 상기 기어 유닛은 상기 웜휠의 회전축 상에 배치된 볼 스크류와, 상기 볼 스크류에 결합된 볼 너트와, 상기 볼 너트에 치합된 섹터 샤프트를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터는 상기 전자 제어 유닛에 의해 독립적으로 제어될 수 있다.
또한, 상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터는 인접하여 나란히 배치될 수 있다.
이 때, 상기 제1 웜의 회전축과 상기 제2 웜의 회전축은 각각 상기 웜휠의 회전축과 수직을 이룰 수 있다.
이 경우, 상기 제1 웜 및 상기 제2 웜은 평행하게 배치되어 각각 상기 웜휠의 일측과 타측에 치합될 수 있다.
한편, 상기 구동 유닛은 상기 웜휠의 회전축에 결합되어 상기 볼 스크류로 상기 웜휠의 회전 구동력을 전달하는 인풋 샤프트를 더 포함할 수 있다.
또 한편, 상기 구동 유닛은 상기 웜휠의 회전축 상에 배치되어 조향 각도를 센싱하는 각도 센서를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 전자 제어 유닛은 상기 각도 센서로부터 상기 조향 각도를 전달받아 상기 제어 정보의 생성에 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치는 종래 고출력의 확보를 위해 유압식 조향 장치가 적용되어 스티어 바이 와이어 시스템의 구현이 어려웠던 상용차에도 스티어 바이 와이어 시스템을 구현할 수 있게 해준다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치는 주행 중 하나의 액추에이터가 고장난 경우에도 나머지 하나의 작동이 가능해 향상된 안전 성능을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치는 평행하게 배치된 2개의 웜을 통해 하나의 웜휠을 회전시킴으로써 편력의 발생을 방지하며 안정적으로 조향력을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치의 제1 웜, 제2 웜 및 웜휠의 배치를 나타낸 사시도이다.
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. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 도면에서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하였다.
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, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치(1)는 조향 입력 정보를 기초로 전자 제어 유닛(미도시)에 의해 생성된 제어 정보에 따라 조향을 수행하는 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어용 조향 장치(1)는 기어 유닛(100) 및 구동 유닛(300)을 포함한다.
이하에서 구성을 상세하게 설명함에 있어서, 기어 유닛(100)에 상대적으로 가까운 쪽을 하방향 또는 하부, 구동 유닛(300)에 상대적으로 가까운 쪽을 상방향 또는 상부로 기술한다.
본 발명은 스티어 바이 와이어 시스템에 적용되는 조향 장치에 관한 것이므로, 본 발명에서 기어유닛(100) 및 구동유닛(300)은 차량의 스티어링 휠과 기구적인 연결을 가지지 않는다. 스티어 바이 와이어 시스템에서 상기 전자 제어 유닛은 조향 입력 정보를 기초로 제어 정보를 생성한다. 여기서, 조향 입력 정보란 스티어 바이 와이어 시스템의 조향 입력단을 통해 입력된 정보로서, 예를 들면 운전자에 의해 조작되는 스티어링 휠의 회전 각도 및 토크 중 어느 하나 이상을 포함하는 정보일 수 있으며, 운전자에 의해 조작되는 스티어링 휠이 아니라 드라이빙 어시스트 시스템에서 오는 조향 신호일 수도 있다.
기어 유닛(100)은 회전 구동력을 조향을 위한 직선 운동으로 변환한다. 더욱 상세하게 살펴보면, 기어 유닛(100)은 구동 유닛(300)의 회전 구동력을 직선 운동으로 변환하여 차륜 측으로 전달하여 조향이 이루어질 수 있게 해준다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 기어 유닛(100)은 볼 너트 기어로 이루어질 수 있는데, 이 때, 기어 유닛(100)은 볼 스크류(110), 볼 너트(120), 섹터 샤프트(130), 베어링(140) 및 락 스크류(150) 등을 포함하며, 이들은 기어 하우징(160) 내에 배치될 수 있다.
볼 스크류(110)는 기어 하우징(160) 내에 회전 가능하게 배치되며, 외주면에 나선형으로 형성된 그루브(111)를 포함하고 있다. 또한, 볼 너트(120)는 볼 스크류(110)에 결합되어 볼 스크류(110)의 회전에 따라 상방향 또는 하방향으로 직선거동을 한다. 볼 너트(120)의 내주면에는 나선형으로 그루브(121)가 형성되어 있으며, 볼 스크류(110)의 외주면과 볼 너트(120)의 내주면 사이 즉, 볼 스크류(110)의 그루브(111)와 볼 너트(120)의 그루브(121)에 의해 형성되는 통로에는 볼(122)이 배치되어 볼 스크류(110)와 볼 너트(120) 사이의 마찰력을 감소시켜 줄 수 있다. 이 때, 볼 너트(120)는 볼(122)의 순환을 위한 리서큘레이터(123)를 포함할 수 있다.
섹터 샤프트(130)는 볼 너트(120)의 외주면에 형성된 기어부(124)에 치합되어 있으며, 볼 너트(120)의 상하 거동에 따라 회전 거동한다. 섹터 샤프트(130)는 피트먼 암(미도시)와 연결되어 있으며, 회전 거동하며 상기 피트먼 암 작동시켜 조향력을 차륜 쪽으로 전달한다.
베어링(140)은 볼 스크류(110)의 양측 즉, 볼 스크류(110)의 상부와 하부를 지지하는 역할을 수행한다. 베어링(140)은 기어 하우징(150) 내에 배치된 볼 스크류(110)의 상부와 하부 양측에 각각 배치되어 양측 지지 구조를 형성한다. 이와 같은 양측 지지 구조는 볼 스크류(110)의 축력이 구동 유닛(300)으로 전달되지 않게 해준다. 이에 따라 기어 유닛(100)의 내구성이 향상될 수 있다.
락 스크류(150)는 볼 스크류(110)의 하단부에 배치된 베어링(140)과 기어 하우징(160)의 사이에 배치되어 있다. 락 스크류(150)는 볼 스크류(110)의 상부와 하부에 결합된 베어링(140)에 의한 양측 지지 구조가 풀리는 것을 방지한다. 기어 하우징(150)은 하단부가 하우징 커버(151)에 의해 밀폐되도록 이루어져 있는데, 락 스크류(150)가 볼 스크류(110)의 하단부에 배치된 베어링(140)과 하우징 커버(161) 사이에 배치됨으로써 볼 스크류(110)의 양측 지지 구조의 풀림을 방지하여 준다. 더욱 상세하게는, 락 스크류(150)를 통해 베어링(140)에 예압을 주어 지지 안정성을 확보할 수 있다.
한편, 기어 하우징(160)은 하단부가 하우징 커버(161)에 의해 밀폐되도록 이루어져 있으므로 기어 하우징(160)의 하단이 개방된 상태에서 기어 유닛(100)의 조립 과정이 수행될 수 있다. 이와 같은 구조를 통해 볼 스크류(110)의 양측 지지 구조가 용이하게 구현될 수 있다.
구동 유닛(300)은 기어 유닛(100)에 회전 구동력을 전달한다. 구동 유닛(300)은 상기 전자 제어 유닛의 제어 정보에 따라 회전 구동력을 생성한다. 구동 유닛(300)은 상기 제어 정보에 따라 제어되는 제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320), 제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320)에 각각 결합되어 회전하는 제1 웜(330) 및 제2 웜(340), 제1 웜(330) 및 제2 웜(340)과 치합되어 회전하는 웜휠(350), 웜휠(350)의 회전축에 결합되어 볼 스크류(110)로 웜휠(350)의 회전 구동력을 전달하는 인풋 샤프트(360), 인풋 샤프트(360)의 안정적인 동력 전달을 위해 인풋 샤프트(360) 중 웜휠(350)의 하부에 배치된 부분에 결합된 베어링(370) 및 웜휠(350)의 회전축 상에 배치되어 조향 각도를 센싱하는 각도 센서(380)를 포함한다.
제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320)는 상기 전자 제어 유닛(미도시)의 제어 즉, 상기 전자 제어 유닛이 생성한 제어 정보에 따라 제어되며 회전 구동력을 생성한다. 구체적인 예를 들면, 제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320)는 각각 모터일 수 있다.
본 발명에서 제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320)는 독립적으로 제어될 수 있다. 제1 액추에이터(310)와 제2 액추에이터(320)가 각각 독립적으로 제어됨으로써 제1 액추에이터(310)에 결합된 제1 웜(330), 제2 액추에이터(320)에 결합된 제2 웜(340)이 독립적으로 작동할 수 있으며, 이를 통해 제1 웜(330)과 제2 웜(340)에 치합된 웜휠(350)의 회전을 정밀하게 제어할 수 있게 된다.
또한, 차량의 주행 중에 제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320) 중 어느 하나가 고장으로 인해 작동이 불가능하게 된 경우에도 나머지 다른 하나로 웜휠(350)을 회전시킬 수 있다. 즉, 페일 세이프티(fail safety) 또는 리던던시(redundancy)를 통한 안전 성능을 확보할 수 있다.
또한, 제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320)는 인접하여 나란히 배치되는 것이 바람직하다. 제1 액추에이터(310)와 제2 액추에이터(320)가 상호 대향하며 배치되는 것도 가능하지만 이 경우 차량의 패키징 측면에서 불리하기 때문이다.
제1 웜(330) 및 제2 웜(340)은 각각 제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320)에 결합되어 회전한다. 이 때, 웜휠(350)은 제1 웜(330) 및 제2 웜(340)에 치합되어 회전하며 기어 유닛(100)으로 회전 구동력을 전달한다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치(1)의 제1 웜(330), 제2 웜(340) 및 웜휠(350)의 배치를 나타낸 사시도가 나타나 있는데, 이를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 제1 웜(330)의 회전축과 제2 웜(340)의 회전축은 각각 웜휠(350)의 회전축과 수직을 이룰 수 있다.
또한, 웜휠(350)은 기어 유닛(100)의 볼 스크류(110)에 회전 구동력을 전달하는데, 웜휠(350)의 회전축과 볼 스크류(110)의 회전축은 일치하도록 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 도 3을 참조하면, 제1 웜(330) 및 제2 웜(340)은 평행하게 배치되어 각각 웜휠(350)의 일측과 타측에 치합되어 있다. 이와 같은 배치를 통해 웜휠(350)의 양측에서 회전력이 전달되도록 할 수 있으며, 웜휠(350)에 편력을 발생하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과 안정적인 조향력의 전달이 이루어지게 된다.
인풋 샤프트(360)는 웜휠(350)의 회전축에 결합되어 볼 스크류(110)로 웜휠(350)의 회전 구동력을 전달한다. 즉, 인풋 샤프트(360)는 웜휠(350) 및 볼 스크류(110)와 동일한 회전축을 가지며, 웜휠(350)의 회전에 의해 발생하는 회전 구동력을 볼 스크류(110)로 전달한다. 이 때, 베어링(370)은 인풋 샤프트(360)의 안정적인 동력 전달을 위해 인풋 샤프트(360) 중 웜휠(350)의 하부에 배치된 부분에 결합되어 지지력을 제공한다.
각도 센서(380)는 웜휠(350)의 회전축 상에 배치되어 조향 각도를 센싱한다. 도 2를 참조하면, 각도 센서(380)는 인풋 샤프트(360)의 회전 각도를 센싱하도록 인풋 샤프트(360)의 상단부에 배치되어 있다. 각도 센서(380)는 인풋 샤프트(360)의 회전 각도 센싱을 통해 조향이 이루어진 정도를 측정하여 상기 전자 제어 유닛에 전달할 수 있으며, 상기 전자 제어 유닛은 각도 센서(380)로부터 전달된 정보를 제어 정보의 생성에 사용할 수 있다. 이를 통해 정밀한 조향 제어가 이루어질 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 의해 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
1: 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치
100: 기어 유닛
110: 볼 스크류 120: 볼 너트
130: 섹터 샤프트 140: 베어링
150: 락 스크류 160: 기어 하우징
300: 구동 유닛
310: 제1 액추에이터 320: 제2 액추에이터
330: 제1 웜 340: 제2 웜
350: 웜휠 360: 인풋 샤프트
370: 베어링 380: 각도 센서

Claims (9)

  1. 조향 입력 정보를 기초로 전자 제어 유닛에 의해 생성된 제어 정보에 따라 조향을 수행하는 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치로서,
    회전 구동력을 조향을 위한 직선 운동으로 변환하는 기어 유닛; 및
    상기 기어 유닛에 회전 구동력을 전달하는 구동 유닛; 을 포함하고,
    상기 구동 유닛은,
    상기 제어 정보에 따라 제어되는 제1 액추에이터 및 제2 액추에이터와,
    상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터에 각각 결합되어 회전하는 제1 웜 및 제2 웜과,
    상기 제1 웜 및 상기 제2 웜과 치합되어 회전하는 웜휠을 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 기어 유닛은 상기 웜휠의 회전축 상에 배치된 볼 스크류와, 상기 볼 스크류에 결합된 볼 너트와, 상기 볼 너트에 치합된 섹터 샤프트를 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터는 상기 전자 제어 유닛에 의해 독립적으로 제어되는 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터는 인접하여 나란히 배치된 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 웜의 회전축과 상기 제2 웜의 회전축은 각각 상기 웜휠의 회전축과 수직을 이루는 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 웜 및 상기 제2 웜은 평행하게 배치되어 각각 상기 웜휠의 일측과 타측에 치합된 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 구동 유닛은 상기 웜휠의 회전축에 결합되어 상기 볼 스크류로 상기 웜휠의 회전 구동력을 전달하는 인풋 샤프트를 더 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 구동 유닛은 상기 웜휠의 회전축 상에 배치되어 조향 각도를 센싱하는 각도 센서를 더 포함하는 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 전자 제어 유닛은 상기 각도 센서로부터 상기 조향 각도를 전달받아 상기 제어 정보의 생성에 사용하는 스티어 바이 와이어 시스템용 조향 장치.
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