KR20210145380A - 자동차용 스티어링 시스템 - Google Patents

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KR20210145380A
KR20210145380A KR1020200062174A KR20200062174A KR20210145380A KR 20210145380 A KR20210145380 A KR 20210145380A KR 1020200062174 A KR1020200062174 A KR 1020200062174A KR 20200062174 A KR20200062174 A KR 20200062174A KR 20210145380 A KR20210145380 A KR 20210145380A
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vehicle
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ball joint
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KR1020200062174A
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Inventor
박재용
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명은 스티어링 지오메트리를 가변 애커만 지오메트리로 적용하여 애커만 경향을 축소시킬 수 있도록 함으로써, 선회 주행시 조타 민첩성을 제공할 수 있도록 한 점에 그 목적이 있다.
이러한 본 발명의 목적은 랙바가 좌우 이동 가능하게 내재된 랙 하우징과, 랙바의 양단부에 연결되는 타이로드와, 타이로드의 양단부와 연결되는 너클과, 너클과 체결되는 로워암을 포함하는 자동차용 스티어링 시스템에 있어서, 차체 소정 위치와 상기 랙 하우징 간에 랙 하우징의 전후 이송을 위한 가변 지오메트리 기구를 장착하여, 상기 가변 지오메트리 기구의 구동에 의하여 랙 하우징 및 랙바가 전방 이동하여 애커만 경향이 본래 수준에 비하여 축소될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 자동차용 스티어링 시스템에 의하여 달성된다.

Description

자동차용 스티어링 시스템{STEERING SYSTEM FOR VEHICLE}
본 발명은 자동차용 스티어링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스티어링 지오메트리를 가변 애커만 지오메트리로 적용하여 애커만 경향을 축소시킬 수 있도록 함으로써, 선회 주행시 조타 민첩성을 제공할 수 있도록 한 자동차용 스티어링 시스템에 관한 것이다.
차량의 선회 주행시 내륜과 외륜이 선회 경로를 따라 진행하는 궤적이 서로 다르기 때문에 횡방향 미끄러짐 현상이 발생될 수 있는 바, 이를 방지하기 위하여 대부분의 차량에는 내륜과 외륜의 조향각이 서로 다르게 적용되도록 한 애커먼 지오메트리(Ackerman Geometry) 타입의 스티어링 시스템이 탑재되어 있다.
상기 애커먼 지오메트리 타입의 스티어링 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 내륜(100)의 유효암 길이(L1)는 짧게 적용하고, 외륜(200)의 유효암 길이(L2)는 길게 적용하여, 선회 주행시 내륜(100)과 외륜(200)이 동일한 회전 중심(C)으로 회전할 때 내륜(100)과 외륜(200)의 조향각(Steer angle)이 서로 다르게 적용되도록 한 시스템을 말한다.
도 1의 확대 도면을 참조하면, 상기 애커먼 지오메트리에 의거하여 내륜과 외륜의 조향각 차이가 발생하면, 선회 방향에서의 내륜 슬립각(+)과 외륜 슬립각(-)은 서로 반대로 작용하게 된다.
첨부한 도 2를 참조하면, 저속 선회시 애커먼 지오메트리에 의거하여 내륜과 외륜의 조향각 차이가 발생하면, 차량의 진행방향과 타이어의 진행 방향 간의 차이가 발생하고, 이로 인하여 서로 반대로 작용하는 내륜 슬립각(+)과 외륜 슬립각(-)이 형성되며, 더불어 차량 안쪽을 향하여 횡력(F)이 작용하면 각 바퀴에 작용하는 횡력과 내외륜의 캐스터 트레일(킹핀축에서 횡력이 작용하는 지점 간의 거리) 차이를 곱한 반(Anti)복원 모멘트인 킹핀 모멘트(M)가 발생된다.
좀 더 상세하게는, 상기 킹핀모멘트(M)는 내륜에 작용하는 횡력(F)과 내륜의 캐스터 트레일(Ci)을 곱한 모멘트(M1) 크기에서 외륜에 작용하는 횡력(F)과 외륜의 캐스터 트레일(Co)을 곱한 모멘트(M2) 크기를 뺀 크기, 즉 차량 안쪽을 향하는 횡력(F)과 내외륜의 캐스터 트레일 차이(Ci - Co)를 곱한 크기를 갖는다.
통상, 상기 애커만 경향이 클수록 상기 반(Anti)복원 모멘트인 킹핀 모멘트(M)가 작아지는 바, 이에 상기 반(Anti)복원 모멘트인 킹핀 모멘트(M)가 작을수록 애커만 경향이 크다라고 한다.
이러한 애커만 경향은 저속선회시 스티어링 복원력과 밀접한 관련이 있으며, 이에 현재 출시되는 대부분의 차량들은 애커만 경향을 최대한 키워서 저속 선회시 조타 복원 성능을 확보하는 추세에 있다.
그러나, 상기 애커먼 지오메트리 타입의 스티어링 시스템을 애커만 경향을 크게 설정한 것으로 적용하면, 핸들링 성능을 저하시키는 두 가지의 문제점이 발생된다.
첫째, 애커만 경향을 크게 설정할수록 동적 스티어링 기어비를 낮추는 효과를 초래하여 고속 선회시 조타 민첩성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
둘째, 애커만 경향을 크게 설정할수록 선회 방향에서의 내륜 슬립각이 외륜 슬립각 보다 크게 발생하여, 조기에 타이어 마찰 한계(그립 한계)에 도달하고, 전체적으로 언더스티어 경향이 커짐과 동시에 한계 선회 성능을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 스티어링 지오메트리를 애커만 경향을 축소시키거나 본래 수준으로 복귀시킬 수 있는 가변 애커만 지오메트리로 구성하여, 저속 또는 일반 주행상황에서의 애커만 경향에 비하여 고속 선회 주행시에서의 애커만 경향을 축소시킬 수 있도록 함으로써, 한계 선회 성능 및 조타 민첩성을 향상시킬 수 있도록 한 자동차용 스티어링 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 랙바가 좌우 이동 가능하게 내재된 랙 하우징과, 랙바의 양단부에 연결되는 타이로드와, 타이로드의 양단부와 연결되는 너클과, 너클과 체결되는 로워암을 포함하는 자동차용 스티어링 시스템에 있어서, 차체 소정 위치와 상기 랙 하우징 간에 랙 하우징의 전후 이송을 위한 가변 지오메트리 기구를 장착하여, 상기 가변 지오메트리 기구의 구동에 의하여 랙 하우징 및 랙바가 전방 이동하여 애커만 경향(%)이 본래 수준에 비하여 축소될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 자동차용 스티어링 시스템을 제공한다.
특히, 상기 가변 지오메트리 기구는: 차체 소정 위치에 장착되는 장착판; 상기 장착판의 일측부에 장착되는 모터; 상기 모터의 출력축과 연결되면서 상기 장착판의 타측부에 제자리 회전 가능하게 장착되는 스크류; 및 일면에는 상기 랙 하우징이 장착되고, 타면에는 스크류가 삽입되는 스크류홀이 형성된 구조로 구비되어, 상기 스크류의 회전시 랙 하우징과 함께 스크류를 따라 전후 이동하는 마운팅 부재; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 스크류의 양단부는 장착판에 장착되는 베어링에 의하여 지지되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 스크류의 일단부와 상기 모터의 출력축에는 벨트에 의하여 연결되는 벨트 풀리가 장착된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 스크류의 양측 위치의 장착판 상에는 가이드바가 장착되고, 상기 마운팅 부재의 양단부에는 가이드바가 삽입되는 가이드홀이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 랙 하우징과 랙바가 전방 이동하면, 상기 랙바와 타이로드가 결합되는 볼조인트 지점인 T점이 동일한 거리로 전방 이동하는 동시에 상기 타이로드와 너클이 결합되는 볼조인트 지점인 H점이 차량 안쪽방향으로 이동하는 것을 특징으로 한다.
이에, 상기 랙바와 타이로드가 결합되는 볼조인트 지점인 T점이 전방 이동하는 동시에 상기 타이로드와 너클이 결합되는 볼조인트 지점인 H점이 차량 안쪽방향으로 이동된 상태에서, 선회 주행시 내륜에서의 상기 H점이 너클과 로워암이 만나는 볼조인트 지점인 B점을 중심으로 선회방향으로 이동하는 실제 각도 및 선회 주행시 외륜에서의 상기 H점이 상기 B점을 중심으로 선회방향으로 이동하는 실제 각도가 감소하여 애커만 경향이 축소되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 랙바와 타이로드가 결합되는 볼조인트 지점인 T점의 전방 이동 거리에 따라, 상기 타이로드와 너클이 결합되는 볼조인트 지점인 H점이 차량 안쪽으로 이동하여 상기 너클과 로워암이 결합되는 볼조인트 지점인 B점과의 상대적인 위치가 가변되면서 애커만 경향의 축소 크기가 정해지는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
스티어링 지오메트리를 애커만 경향을 축소시키거나 본래대로 복귀시킬 수 있는 가변 애커만 지오메트리로 구성하여, 저속 또는 일반 주행상황에서의 애커만 경향에 비하여 고속 선회 주행시에서의 애커만 경향을 축소시킬 수 있도록 함으로써, 고속 선회시의 한계 선회 성능 및 조타 민첩성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 애커먼 지오메트리 타입의 스티어링 시스템이 적용된 경우, 내륜 및 외륜의 조타각 및 슬립각을 나타낸 개략도,
도 2는 애커먼 지오메트리 타입의 스티어링 시스템이 적용된 경우, 서로 다른 조타각 및 슬립각을 갖는 내륜과 외륜에 횡력이 작용할 때 킹핀 모멘트가 발생되는 원리를 설명하는 개략도,
도 3 및 도 4는 랙 타입 전동식 스티어링 시스템을 도시한 구성도,
도 5는 랙 타입의 전동식 스티어링 시스템의 구성들이 애커먼 지오메트리에 의거하여 조향 동작하는 상태를 도시한 모식도,
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 자동차용 스티어링 시스템을 가변 애커만 지오메트리로 구성하기 위한 가변 지오메트리 기구를 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 자동차용 스티어링 시스템이 가변 지오메트리 기구에 의하여 애커만 경향을 증대시키는 배열로 변경되는 것을 도시한 개략도,
도 9는 본 발명에 따른 자동차용 스티어링 시스템이 가변 지오메트리 기구에 의하여 애커만 경향을 축소시키는 배열로 변경되는 것을 도시한 개략도,
도 10은 본 발명에 따른 자동차용 스티어링 시스템의 애커만 경향이 가변 지오메트리 기구에 의하여 축소되는 원리를 설명하는 모식도,
도 11은 본 발명에 따른 자동차용 스티어링 시스템의 랙하우징 등이 본래 애커만 경향을 축소시키고자 전방으로 이동되는 것을 도시한 개략도,
도 12는 본 발명에 따른 자동차용 스티어링 시스템의 랙하우징 등이 전방으로 최대 이동된 상태를 도시한 개략도,
도 13은 본 발명에 따른 자동차용 스티어링 시스템의 본래 애커만 경향과 축소된 애커만 경향에서의 타이어 슬립각 변화를 비교 시험한 결과를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 랙 타입 전동식 스티어링 시스템에 대한 구성 및 동작을 첨부한 도 3 및 도 4를 참조로 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 3 및 도 4는 종래의 랙 타입 전동식 스티어링 시스템을 도시한 것으로서, 도면부호 10은 랙 하우징을 지시한다.
상기 랙 하우징(10)은 그 내부에 랙바가 좌우 이송 가능하게 내재된 것으로서, 차체의 소정 위치에 장착된다.
상기 랙 하우징(10)의 한쪽에는 스티어링 하우징(20)이 일체로 형성되고, 다른 한쪽에는 감속기 하우징(30)이 일체로 형성된다.
참고로, 상기 스티어링 하우징(20)의 내부에는 랙 하우징(10) 내의 랙바와 맞물리는 피니언 타입의 스티어링 기어가 회전 가능하게 장착되고, 상기 감속기 하우징(30)의 내부에는 랙 하우징(10) 내의 랙바와 맞물리는 피니언 타입의 출력기어가 회전 가능하게 장착된다.
이때, 상기 스티어링 하우징(20) 내에 장착되는 스티어링 기어는 운전자가 조타 조작하기 위한 스티어링 휠과 스티어링 컬럼 등을 매개로 연결되고, 상기 감속기 하우징(30)에는 출력기어에 회전 동력을 인가하기 위한 조향모터(32)가 장착된다.
또한, 상기 랙바의 양단부는 타이로드(40)가 연결되고, 이 타이로드(40)의 양끝단부는 볼 조인트(42) 등을 매개로 주행용 휠과 연결되는 너클(50) 부품과 연결된다.
따라서, 운전자가 스티어링 휠을 조타하면 스티어링 하우징(20) 내의 스티어링 기어가 회전하는 동시에 랙 하우징(10) 내의 랙바에 조타력이 인가된다.
이와 함께, 조타 신호를 수신한 제어기에서 상기 조향모터(32)를 구동시킴으로써, 감속기 하우징(30) 내의 출력기어가 회전하면서 랙 하우징(10)내의 랙바로 조타력을 전달하게 된다.
참고로, 도 4에서 B점은 너클(50)과 로워암(60)이 만나는 볼조인트 지점이고, B점에서 C점으로 이어지는 직선은 스티어링 회전축인 킹핀축이며, 또한 T점은 랙바에서 전달되는 힘과 변위를 타이로드에 전달하는 접점으로서 랙바와 타이로드(40)가 만나는 볼조인트 지점이며, H점은 타이로드(40)에서 전달된 힘과 변위를 너클(50)에 전달하도록 타이로드(40)와 너클(50)이 만나는 볼조인트 지점을 나타낸다.
여기서, 상기 랙 타입의 전동식 스티어링 시스템의 구성들이 애커먼 지오메트리에 의거하여 조향 동작하는 상태를 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 5는 랙 타입의 전동식 스티어링 시스템의 구성들이 애커먼 지오메트리에 의거하여 조향 동작하는 상태를 도시한 모식도이다.
도 5를 참조하면, 상기 H점이 B점보다 바깥쪽에 위치하고, 상기 B점이 H점보다 안쪽에 위치하는 애커먼 지오메트리 설정 상태에서, 상기 T점을 통하여 랙바(12)에 의한 선회 조타입력이 타이로드(40)에 가해지면, 스티어링 회전축인 킹핀축을 중심으로 내륜(100) 및 외륜(200)의 조향이 이루어진다.
이때, 상기 타이로드를 통해 전달되는 조타입력이 클수록 도 1에 표시된 바와 같이 내륜(100)의 유효암 길이(L1)가 짧아지고, 외륜(200)의 유효암 길이(L2)는 길어지게 되며, 또한 내륜(100)의 조향각이 외륜(200)의 조향각에 비하여 더 크게 된다.
또한, 상기 내륜(100)의 조향각이 외륜(200)의 조향각이 더 크므로, 도 5에 지시된 내륜(100)에서의 H점이 B점을 중심으로 선회방향으로 이동한 각도(δi)가 외륜(200)에서의 H점이 B점을 중심으로 선회방향으로 이동한 각도(δo)에 비하여 더 크게 된다.
참고로, 상기 애커만 경향(%)은 아래의 식 1에 의하여 나타낼 수 있다.
(식 1)
Figure pat00001
위의 식 1에서, δi,ideal은 내륜(100)에서의 H점이 B점을 중심으로 선회방향으로 이동하는 이상적인 최대 각도를 나타내고, δo,ideal은 외륜(200)에서의 H점이 B점을 중심으로 선회방향으로 이동하는 이상적인 최대 각도를 나타내며, 또한 δi,actual은 선회방향의 내륜(100)에서의 H점이 B점을 중심으로 선회방향으로 이동하는 실제 각도를 나타내고, δo,actual은 외륜(200)에서의 H점이 B점을 중심으로 선회방향으로 이동하는 실제 각도를 나타낸다.
상기한 기존의 랙 타입 전동식 스티어링 시스템에서의 애커만 경향(%)은 약 54%의 큰 수준으로 설정됨에 따라, 저속 선회시에는 조타 복원 성능을 최대로 확보할 수 있다.
즉, 실차에 적용되고 있는 랙 타입 전동식 스티어링 시스템의 애커만 경향은 약 54% 높은 수준으로 설정되고 있고, 그에 따라 저속 선회시의 조타 복원 성능을 확보하고 있다.
그러나, 실차의 스티어링 시스템을 위한 애커만 경향(%)이 약 54%의 큰 수준으로 고정 설정됨에 따라, 전술한 바와 같이 동적 스티어링 기어비를 낮추는 효과를 초래하여 고속 선회시 조타 민첩성을 떨어뜨리는 문제점이 발생되고, 또한 선회 방향에서의 내륜 슬립각이 외륜 슬립각 보다 크게 발생하여 조기에 타이어 그립한계에 도달하고, 전체적으로 언더스티어 경향이 커짐과 동시에 한계 선회 성능을 떨어뜨리는 문제점이 발생될 수 있다.
이러한 문제점을 해소하고자, 본 발명은 랙 타입 전동식 스티어링 시스템에 적용되는 스티어링 지오메트리를 애커만 경향을 축소시키거나 본래대로 복귀시킬 수 있는 가변 애커만 지오메트리로 구성하여, 저속 또는 일반 주행상황에서의 애커만 경향을 비하여 고속 선회 주행시에서의 애커만 경향을 축소시킬 수 있도록 함으로써, 한계 선회 성능 및 조타 민첩성을 향상시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 본 발명은 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 랙바(12)가 좌우 이동 가능하게 내재된 랙 하우징(10)과, 랙바(12)의 양단부에 연결되는 타이로드(40)와, 타이로드(40)의 양단부와 연결되는 너클(50)과, 너클(50)과 체결되는 로워암(60)을 포함하는 스티어링 시스템의 애커만 지오메트리를 가변 애커만 지오메트리로 구성한 것으로서, 차체 소정 위치와 상기 랙 하우징(10) 간에 랙 하우징(10)의 전후 이송을 위한 가변 지오메트리 기구(300)를 장착하여, 상기 가변 지오메트리 기구(300)의 구동에 의하여 랙 하우징(10) 및 랙바(12)가 소정 거리로 전방 이동하여 애커만 경향이 본래 수준(원사양)에 비하여 축소될 수 있도록 한 점에 특징이 있다.
첨부한 도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 자동차용 스티어링 시스템을 가변 애커만 지오메트리로 구성하기 위한 가변 지오메트리 기구를 나타낸다.
상기 가변 지오메트리 기구(300)는, 차체 소정 위치에 장착되는 장착판(301)과, 이 장착판(301)의 일측부에 장착되는 모터(302)와, 모터(302)의 출력축과 연결되면서 상기 장착판(301)의 타측부에 제자리 회전 가능하게 장착되는 스크류(303)를 포함하여 구성된다.
특히, 상기 스크류(303)에는 랙 하우징(10)과 결합되는 마운팅 부재(304)가 전후 이송 가능하게 체결된다.
좀 더 상세하게는, 상기 마운팅 부재(304)는 직사각형 바 형태로서, 그 일면에 상기 랙 하우징(10)이 장착되고, 타면에는 스크류(303)가 삽입되는 스크류홀(305)이 형성되며, 양단부에는 마운팅 부재(304)의 안정적인 직선 이동을 안내하기 위한 가이드홀(306)이 형성된다.
또한, 상기 스크류(303)의 양단부가 회전 가능하게 지지되도록 상기 장착판에는 베어링(307)이 장착된다.
또한, 상기 스크류(303)의 일단부와 상기 모터(302)의 출력축에는 벨트(308)에 의하여 연결되는 벨트 풀리(308)가 장착됨으로써, 모터(302)의 회전 동력이 벨트(308)를 통해 스크류(303)로 전달될 수 있다.
또한, 상기 스크류(303)의 양측 위치의 장착판(301) 상에는 가이드바(309)가 장착되는 바, 이 가이드바(309)는 마운팅 부재(304)의 가이드홀(306)에 삽입되며 전후로 직선으로 배열된다.
따라서, 상기 모터(302)의 일방향 회전 동력이 벨트(308)를 통해 스크류(303)로 전달되면, 스크류(303)가 일방향으로 제자리 회전하게 되고, 이 스크류(303)가 마운팅 부재(304)의 스크류홀(305)에 삽입된 상태이므로 마운팅 부재(304)가 가이드바(309)의 직선 안내를 받으면서 스크류(303)를 따라 전방으로 이동될 수 있다.
이때, 상기 마운팅 부재(304)가 가이드바(309)의 직선 안내를 받으면서 스크류(303)를 따라 전방으로 이동하게 되면, 도 9에 도시된 바와 같이 마운팅 부재(304)에 장착된 랙하우징(10) 및 랙바(12)가 전방으로 이동하게 되고, 이와 함께 상기 랙바(12)와 타이로드(40)가 결합되는 볼조인트 지점인 T점이 동일한 거리로 전방 이동하는 동시에 상기 타이로드(40)와 너클(50)이 결합되는 볼조인트 지점인 H점이 차량 안쪽방향으로 이동하게 됨으로써, 애커만 경향(%)이 축소될 수 있다.
반대로, 상기 모터(302)의 타방향 회전 동력이 벨트(308)를 통해 스크류(303)로 전달되면, 스크류(303)가 타방향으로 제자리 회전하게 되고, 이 스크류(303)가 마운팅 부재(304)의 스크류홀(305)에 삽입된 상태이므로 마운팅 부재(304)가 가이드바(309)의 직선 안내를 받으면서 스크류(303)를 따라 후방의 본래 위치로 복귀 이동될 수 있다.
이때, 상기 마운팅 부재(304)가 가이드바(309)의 직선 안내를 받으면서 스크류(303)를 따라 후방의 본래 위치로 복귀 이동하게 되면, 도 8에 도시된 바와 같이 마운팅 부재(304)에 장착된 랙하우징(10) 및 랙바(12)가 후방의 본래 위치로 이동하게 되고, 이와 함께 상기 랙바(12)와 타이로드(40)가 결합되는 볼조인트 지점인 T점이 동일한 거리로 후방 이동하는 동시에 상기 타이로드(40)와 너클(50)이 결합되는 볼조인트 지점인 H점이 차량 바깥쪽 방향으로 이동하게 됨으로써, 애커만 경향(%)이 본래 설정 수준(원사양)으로 증대될 수 있다.
여기서 상기 애커만 경향이 축소되거나 본래 설정 수준으로 증대되는 원리를 첨부한 도 10을 참조로 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 10은 본 발명에 따른 자동차용 스티어링 시스템의 애커만 경향이 가변 지오메트리 기구에 의하여 축소되는 원리를 설명하는 모식도이다.
상기와 같이 마운팅 부재(304)가 가이드바(309)의 직선 안내를 받으면서 스크류(303)를 따라 전방으로 이동하는 동시에 마운팅 부재(304)에 장착된 랙하우징(10) 및 랙바(12)가 전방으로 이동하게 되고, 도 10에서 보듯이 상기 랙바(12)와 타이로드(40)가 결합되는 볼조인트 지점인 T점이 동일한 거리(예, 25mm)로 전방 이동하는 동시에 상기 타이로드(40)와 너클(50)이 결합되는 볼조인트 지점인 H점이 차량 안쪽방향으로 이동하게 됨으로써, 애커만 경향(%)이 축소될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 랙바(12)와 타이로드(40)가 결합되는 볼조인트 지점인 T점이 25mm 가량 전방 이동하는 동시에 상기 타이로드(40)와 너클(50)이 결합되는 볼조인트 지점인 H점이 차량 안쪽방향으로 이동된 상태에서, 선회 주행시 내륜에서의 H점이 B점을 중심으로 선회방향으로 이동하는 실제 각도 및 외륜에서의 H점이 B점을 중심으로 선회방향으로 이동하는 실제 각도가, 상기 애커만 경향이 54% 설정된 상태에서 선회방향의 내륜에서의 H점이 B점을 중심으로 선회방향으로 이동하는 실제 각도 및 외륜에서의 H점이 B점을 중심으로 선회방향으로 이동하는 실제 각도에 비하여 감소함으로써, 아래의 표 1에서 보듯이 애커만 경향(%)이 축소될 수 있다.
Figure pat00002
예를 들어, 위의 표 1에서 보듯이 상기 랙바(12)와 타이로드(40)가 결합되는 볼조인트 지점인 T점이 전방으로 이동되기 전 원위치에 있는 경우에는 애커만 경향(%)이 54%이지만, 반면 상기 랙바(12)와 타이로드(40)가 결합되는 볼조인트 지점인 T점이 전방으로 25mm 이동된 경우에는 애커만 경향(%)이 11%로 축소될 수 있다.
이와 같이, 상기 애커만 경향(%)이 54%의 큰 수준으로 설정된 상태에서 저속 선회시의 조타 복원 성능을 확보할 수 있고, 고속 선회시에는 상기 애커만 경향(%)을 11%로 축소시킴으로써, 한계 선회 성능 및 조타 민첩성을 향상시킬 수 있다.
첨부한 도 12를 참조하면, 상기 랙하우징(10) 및 랙바(12), 그리고 랙바(12)와 타이로드(40)가 결합되는 볼조인트 지점인 T점의 전방 이동 거리를 소정의 툴을 이용한 해석 시험 결과 최대 70mm까지 이동시킬 수 있음을 알 수 있었고, 그에 따라 애커만 경향(%)을 54%에서 11%로 축소시키기 위하여 상기 랙하우징(10) 및 랙바(12), 그리고 랙바(12)와 타이로드(40)가 결합되는 볼조인트 지점인 T점을 25mm 가량 전방으로 용이하게 이동시킬 수 있다.
또한, 상기 랙바(10)와 타이로드(40)가 결합되는 볼조인트 지점인 T점의 전방 이동 거리에 따라, 상기 타이로드(40)와 너클(50)이 결합되는 볼조인트 지점인 H점이 차량 안쪽으로 이동하여 상기 너클(50)과 로워암(60)이 결합되는 볼조인트 지점인 B점과의 상대적인 위치가 가변될 수 있고, 그에 따라 상기 애커만 경향(%)이 54% 미만의 다양한 크기로 가변되며 정해질 수 있다.
아울러, 상기 스티어링 시스템의 일 구성으로서 일종의 기어박스인 랙하우징이 가변 지오메트리 기구에 의하여 전방으로 이동하는 이동량이 약 25mm 수준으로 크지 않으므로, 주변 서스펜션 부품과의 레이아웃 및 간섭 문제도 발생하지 않는다.
첨부한 도 13은 본 발명에 따른 자동차용 스티어링 시스템의 본래 애커만 경향(54%)과 축소된 애커만 경향(11%)에서의 타이어 슬립각 변화를 비교 시험한 결과를 나타낸다.
도 13에서 보듯이, 상기 애커만 경향(%)이 축소 전 본래 수준인 54%인 경우, 내륜의 슬립각이 외륜의 슬립각에 비하여 급격히 증가함을 알 수 있고, 이로 인해서 언더스티어 경향이 커지고 타이어의 마찰 한계도 빨리 나타난다.
반면, 상기 애커만 경향(%)이 본래 수준인 54%에서 11%로 축소된 경우, 내륜의 슬립각 증대에 비하여 외륜의 슬립각 증대가 좀 더 빠르게 나타남을 알 수 있었고, 이로 인해서 애커만 경향의 축소 전(기존의 원사양)에 비하여 적은 조타량으로 더 큰 횡력을 발생시키며 타이어의 마찰 한계를 소폭 증대시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
10 : 랙 하우징
12 : 랙바
20 : 스티어링 하우징
30 : 감속기 하우징
32 : 조향모터
40 : 타이로드
42 : 볼 조인트
50 : 너클
60 : 로워암
100 : 내륜
200 : 외륜
300 : 가변 지오메트리 기구
301 : 장착판
302 : 모터
303 : 스크류
304 : 마운팅 부재
305 : 스크류홀
306 : 가이드홀
307 : 베어링
308 : 벨트 풀리
309 : 가이드바

Claims (8)

  1. 랙바가 좌우 이동 가능하게 내재된 랙 하우징과, 랙바의 양단부에 연결되는 타이로드와, 타이로드의 양단부와 연결되는 너클과, 너클과 체결되는 로워암을 포함하는 자동차용 스티어링 시스템에 있어서,
    차체 소정 위치와 상기 랙 하우징 간에 랙 하우징의 전후 이송을 위한 가변 지오메트리 기구를 장착하여, 상기 가변 지오메트리 기구의 구동에 의하여 랙 하우징 및 랙바가 전방으로 이동되면서 애커만 경향이 본래 수준에 비하여 축소될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 자동차용 스티어링 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가변 지오메트리 기구는:
    차체 소정 위치에 장착되는 장착판;
    상기 장착판의 일측부에 장착되는 모터;
    상기 모터의 출력축과 연결되면서 상기 장착판의 타측부에 제자리 회전 가능하게 장착되는 스크류; 및
    일면에는 상기 랙 하우징이 장착되고, 타면에는 스크류가 삽입되는 스크류홀이 형성된 구조로 구비되어, 상기 스크류의 회전시 랙 하우징과 함께 스크류를 따라 전후 이동하는 마운팅 부재;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자동차용 스티어링 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 스크류의 양단부는 장착판에 장착되는 베어링에 의하여 지지되는 것을 특징으로 하는 자동차용 스티어링 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 스크류의 일단부와 상기 모터의 출력축에는 벨트에 의하여 연결되는 벨트 풀리가 장착된 것을 특징으로 하는 자동차용 스티어링 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 스크류의 양측 위치의 장착판 상에는 가이드바가 장착되고, 상기 마운팅 부재의 양단부에는 가이드바가 삽입되는 가이드홀이 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 스티어링 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 랙 하우징과 랙바가 전방 이동하면, 상기 랙바와 타이로드가 결합되는 볼조인트 지점인 T점이 동일한 거리로 전방 이동하는 동시에 상기 타이로드와 너클이 결합되는 볼조인트 지점인 H점이 차량 안쪽방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 자동차용 스티어링 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 랙바와 타이로드가 결합되는 볼조인트 지점인 T점이 전방 이동하는 동시에 상기 타이로드와 너클이 결합되는 볼조인트 지점인 H점이 차량 안쪽방향으로 이동된 상태에서,
    선회 주행시 내륜에서의 상기 H점이 너클과 로워암이 만나는 볼조인트 지점인 B점을 중심으로 선회방향으로 이동하는 실제 각도 및 선회 주행시 외륜에서의 상기 H점이 상기 B점을 중심으로 선회방향으로 이동하는 실제 각도가 감소하여 애커만 경향이 축소되는 것을 특징으로 하는 자동차용 스티어링 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 랙바와 타이로드가 결합되는 볼조인트 지점인 T점의 전방 이동 거리에 따라, 상기 타이로드와 너클이 결합되는 볼조인트 지점인 H점이 차량 안쪽으로 이동하여, 너클과 로워암이 결합되는 볼조인트 지점인 B점과의 상대적인 위치가 가변되면서 애커만 경향의 축소 크기가 정해지는 것을 특징으로 하는 자동차용 스티어링 시스템.
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