KR20200059196A - 페달 시뮬레이터 및 이를 갖는 차량 제동 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 페달 시뮬레이터는, 상기 페달 시뮬레이터는, 마스터 실린더 피스톤; 상기 마스터 실린더 피스톤의 내측에 내장되도록 삽입되는 제 1 탄성 부재; 타단이 상기 제 1 탄성 부재의 내측에 삽입되며 일단이 걸리는 스토퍼; 상기 제 1 탄성 부재를 삽입하여 포함하는 제 2 탄성 부재; 상기 제 2 탄성 부재에 삽입되어 상기 일단의 표면에 접촉되며 내측에 관통홀이 형성되는 제 3 탄성 부재; 및 상기 관통홀에 삽입되는 돌출부가 형성되며 상기 제 3 탄성 부재를 안착하는 안착홈이 형성되는 안착부가 상기 제 2 탄성 부재와 접촉되는 피스톤 스토퍼;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

페달 시뮬레이터 및 이를 갖는 차량 제동 시스템{Pedal simulator and Vehicle braking system having the same}
본 발명은 차량용 전자 페달 장치의 페달 시뮬레이터에 관한 것으로서, 더 상세하게는 ESC(Electronic Stability Control) 통합형 제동 시스템에서 중량, 부피를 절감하며 오일 유동성 및 페달감을 향상시키는 페달 시뮬레이터 및 이를 갖는 차량 제동 시스템에 대한 것이다.
일반적인 페달 시뮬레이터는 이중 스프링 구조와 고무댐퍼 스프링 구조의 2가지가 있다. 이들 구조 중 이중 스프링 구조를 갖는 페달 시뮬레이터를 보여주는 구성이 도 1에 도시된다. 도 1을 참조하면, 브레이크 페달(미도시)과 직렬식 마스터 실린더(200)와 페달 시뮬레이터(400)가 연동되도록 구성된다.
이때, 상기 페달 시뮬레이터(400)는 마스터 실린더(200)로부터의 유체를 내부로 수용할 수 있는 시뮬레이터 체임버(410)와 상기 시뮬레이터 체임버의 개구부가 상기 마스터 실린더에 연통되는 오일공(420)과 상기 오일공으로부터 유입된 유압에 의해 상기 시뮬레이터 체임버 내부를 슬라이딩하는 시뮬레이터 피스톤(430)과 상기 시뮬레이터 피스톤을 탄성지지하는 1차 코일 스프링(440)과 상기 1차 코일 스프링(440)이 최대한 압축되었을 때부터 상기 1차 코일 스프링(440)과 연동이 시작되는 2차 코일 스프링(450)과 상기 1차 코일 스프링(440)과 상기 2차 코일 스프링(450)사이에서 두 스프링과 접촉하며 연동을 매개하는 연동 매개 부재(460)와 상기 연동 매개 부재(460)의 슬라이딩을 지지해주는 단수 또는 복수개의 가이드 부재(470)가 구비된다.
그런데, 위에 도시된 페달 시뮬레이터의 경우 운전자의 페달감을 형성하기 위해 이중 스프링 구조를 취하고 있다. 즉, 페달감 만족을 위해 서로 다른 탄성력을 가진 다수의 스프링 구조로 되어 있으며, 완전 탄성체 특성상 설계가 용이하지만 히스테리시스 장치가 없다는 한계를 가지고 있다.
한편, 고무댐퍼 스프링 구조를 보여주는 구성이 도 2에 도시된다. 도 2를 참조하면, 2개의 스프링(68a,68b) 및 1개의 고무(75)로 이루어진 구조로 되어 있다.
이러한 구조에 의할 경우, 과대한 스프링에 의해 별도의 페달 시뮬레이터 구조를 가져야 하며 그 크기에 의해서 많은 설계 제약이 따른다는 문제점이 있었다. 즉 큰 볼륨에 의한 별도 공간이 필요하므로 설계 자유도가 부족하였다.
또한, 페달 답력 구현에 있어서 스프링이 차지하는 비율이 높아 히스테리시스 성능 구현에 어려움을 가지고 있었다는 문제점이 있다. 즉, 페달감 부족이 있었다.
1. 한국공개특허번호 제10-2004-0049405호 2. 국제공개특허번호 제WO2012/124617호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 중량 부피를 절감하여 설계 자유도를 향상시키는 페달 시뮬레이터 및 이를 갖는 제동 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 중량, 부피를 절감하여 오일 유동성 및/또는 페달감을 향상시키는 페달 시뮬레이터 및 이를 갖는 제동 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 중량 부피를 절감하여 설계 자유도를 향상시키는 페달 시뮬레이터를 제공한다.
상기 페달 시뮬레이터는,
마스터 실린더 피스톤;
상기 마스터 실린더 피스톤의 내측에 내장되도록 삽입되는 제 1 탄성 부재;
상기 마스터 실린더 피스톤의 적어도 일부를 삽입하여 포함하는 제 2 탄성 부재;
상기 제 2 탄성 부재에 삽입되며 내측에 관통홀이 형성되는 제 3 탄성 부재; 및
상기 관통홀에 삽입되는 돌출부가 형성되며 상기 제 3 탄성 부재를 안착하는 안착홈이 형성되는 안착부가 상기 제 2 탄성 부재와 접촉되는 피스톤 스토퍼;
를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 제 2 탄성 부재와 상기 피스톤 스토퍼의 안착부 사이에 삽입되는 오링을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 탄성 부재 및 제 2 탄성 부재는 코일 스프링인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 3 탄성 부재의 재질은 고무인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 탄성 부재는 2차 답력을 형성하고, 상기 제 2 탄성 부재는 1차 답력을 형성하며, 상기 제 3 탄성 부재는 3차 답력을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 3 탄성 부재는 상기 스토퍼에 의해 직렬로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 3 탄성 부재의 내경과 상기 마스터 실린더 피스톤의 내경 사이의 거리에 설계 변수를 위한 거리를 두어 상기 제 3 탄성 부재의 압축률을 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 3 탄성 부재의 압축률은 상기 마스터 실린더 피스톤의 내경을 상기 제 3 탄성 부재의 내경으로 나눈 값인 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 일실시예는, 회생 협조 제어 방식의 차량 제동 시스템에 있어서, 위에서 기술되는 페달 시뮬레이터; 및 상기 페달 시뮬레이터에 의해 형성된 답력에 따라 차량의 바퀴를 제동하는 메인 마스터 실린더;를 포함하는 차량 제동 시스템을 제공한다.
이때, 상기 제동은 ESC(Electronic Stability Control) 방식이 이용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고무 댐퍼와 스프링이 스토퍼로 직렬연결되므로 마스터 실린더와 페달 시뮬레이터가 일체화된 일체형 페달 시뮬레이터 구조가 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 고무 댐퍼와 스프링의 작용 및 반작용에 의해 2가지의 탄성력을 함께 이용할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 스프링 구조가 마스터 실린더 피스톤에 내장되는 일체형 페달 시뮬레이터 구조로 인해 부피 감소가 가능하고 부품 개수가 감소하므로 작업 공정수가 감소된다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 고무 댐퍼와 스프링의 복합 탄성 구조에 의해 히스테리시스 모드의 구현이 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 오일의 유동성이 향상된다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 이중 스프링 구조를 갖는 페달 시뮬레이터를 보여주는 구성의 예시이다.
도 2는 일반적인 2개의 스프링 및 1개의 고무로 이루어진 고무댐퍼 스프링 구조의 예시이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 페달 시뮬레이터(300)의 분해도이다.
도 4는 도 3에 도시된 페달 시뮬레이터(300)의 외관 사시도중 일부 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 오일 저장 용기로 오일이 유입되는 경로를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 3에 도시된 마스터 실린더 피스톤(360)과 고무 댐퍼(330)의 내경 개념을 보여주는 도면이다.
도 7은 일반적인 스프링의 Pedal Stroke - Pedal Effort 그래프이다.
도 8은 일반적인 고무의 히스테리시스 모드 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 페달 시뮬레이터 및 이를 갖는 제동 시스템에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
일반적으로, 회생 협조 제어 방식의 제동 시스템에서 페달 시뮬레이터는 운전자의 페달감(pedal feel)을 모사하는 장치를 의미한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 페달 시뮬레이터(300)의 분해도이다. 도 3을 참조하면, 상기 페달 시뮬레이터(300)는, 마스터 실린더 피스톤(360), 상기 마스터 실린더 피스톤(360)의 내측에 삽입되는 제 1 탄성 부재(340-1), 타단이 상기 제 1 탄성 부재(340-1)의 내측에 삽입되며 일단이 걸리는 스토퍼(350), 상기 제 1 탄성 부재(340-1)를 삽입하여 포삽하는 제 2 탄성 부재(340-2), 상기 제 2 탄성 부재(340-2)에 삽입되어 상기 일단의 표면에 접촉되며 내측에 관통홀(미도시)이 형성되는 제 3 탄성 부재(330), 상기 관통홀(미도시)에 삽입되는 돌출부(미도시)가 형성되며 상기 제 3 탄성 부재를 안착하는 안착홈(미도시)이 형성되는 안착부(미도시)가 상기 제 2 탄성 부재(340-2)와 접촉되는 피스톤 스토퍼(310), 상기 제 2 탄성 부재(340-2)와 상기 피스톤 스토퍼(310)의 안착부 사이에 삽입되는 오링(320) 등을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 제 1 탄성 부재(340-1) 및/또는 제 2 탄성 부재(340-2)는 코일 스프링이 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니며 탄성, 압축력 및 복원력 등을 가지고 있는 임의의 소재가 사용될 수도 있다.
또한, 상기 제 3 탄성 부재(330)의 재질은 고무가 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니며, 실리콘, 스펀지 등도 사용이 가능하다.
통상의 기술자라면, 본 개시에 따를 때, 제1 탄성 부재, 제2 탄성 부재 및 제3 탄성 부재는 탄성력(답력)을 형성하기 위한 임의의 형상 및 재료로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 제1 탄성 부재는 코일 스프링으로 이루어지며, 마스터 실린더 피스톤 내부에 삽입되는 제2 탄성 부재 및 제3 탄성 부재는 동일한 재료 및 구조 예를 들어, 고무와 같은 고체(solid) 제3 탄성 부재로 이루어질 수도 있다고 이해할 것이다.
또한, 스토퍼(350)는 제 1 탄성 부재(340-1)와 제3 탄성 부재(330)를 연결하기 위해 "T"자 형상을 띠며, 내부에 중공이 형성된다.
일반적으로 페달감은 제3 탄성 부재(330)의 압축력 및/또는 스프링력으로 형성된다. 페달 스트로크(stroke)의 경우 페달감은 마스터 실린더 피스톤(360)과 피스톤 스토퍼(310)의 셋팅 길이에 따라 결정되며, 오일 누유(oil leak)를 방지하기 위해 오링이 사용된다.
일반적인 방식에서 일반적인 소재 특성상 고무 댐퍼의 경우 압축력은 우수하나 환경요인(저온)에 의한 복원력이 부족한 단점을 가지고 있다. 또한, 스프링(특히 코일 스프링)의 경우 복원력은 우수하나 압축력은 부족하여 필요한 답력형성을 위해 과도한 공간을 차지하며 히스테리시스 구현이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 즉 부연하면 다음과 같다.
- 압축력 : 고무 댐퍼 > 코일 스프링
- 복원력 : 코일 스프링 > 고무 댐퍼(환경요인)
- 코일 스프링 구조: 히스테리시스 구현 불가능
따라서, 본 발명에서는 운전자의 페달답력에 의해서 다음과 같은 답력형성 구조를 가진다.
제 1 탄성 부재(340-1)의 경우 2차 답력을 형성한다.
제 2 탄성 부재(340-2)의 경우 1차답력을 형성한다.
고무댐퍼(3)의 경우 3차 답력을 형성한다.
특히, 제 1 탄성 부재(340-1)와 제3 탄성 부재(330)의 경우 스토퍼(350)로 직렬 연결되어 있어, 코일 스프링과 고무 댐퍼의 작용 및/또는 반작용에 의해 2가지 탄성력을 함께 이용할 수 있다.
탄성력 : 고무 댐퍼 + 코일 스프링
도 4는 도 3에 도시된 페달 시뮬레이터(300)의 외관 사시도중 일부 단면도이다. 도 4를 참조하면, 실린더 하우징(401)내에 도 3에 기술된 구성들이 조립된다.
또한, 제 3 탄성 부재(330)의 내측에는 관통홀(331)이 형성되어, 피스톤 스토퍼(310)에 형성되는 돌출부(311)가 삽입가능하다.
물론, 피스톤 스토퍼(310)에는 상기 제 3 탄성 부재(330)를 안착하는 안착홈(411) 및 이러한 안착홈(411)을 위한 안착부(312)가 형성된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 오일 저장 용기로 오일이 유입되는 경로를 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 오일저장용기(510)로부터 오일이 유입되는 오일 유입 경로(511)가 도시된다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 탄성 부재(340-1)의 위치가 마스터 실린더 피스톤(360) 내에 있게 된다. 따라서, 압축 상황에서도 유동성을 확보한다는 장점이 있다.
또한, 제 1 탄성부재(340-1)의 구조가 마스터 실린더 피스톤(360) 내에 삽입 조립되므로 페달 시뮬레이터의 부피를 줄일 수 있는 특징이 있다. 특히 이러한 구조로 인해 유압 구조에 의해 작동하는 경우 유동성이 원활히 전달된다.
도 6은 도 3에 도시된 마스터 실린더 피스톤(360)과 고무 댐퍼(330)의 내경 개념을 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 마스터 실린더 피스톤(360)의 내경 A(621)와 제 3 탄성 부재(330)의 내경 B(622)사이의 거리 C(623)를 설계변수로 두어 제 3 탄성 부재(330)의 압축률을 조절할 수 있다. 이러한 압축률은 다음식과 같다.
Figure pat00001
즉, 제 3 탄성 부재(330)의 압축률(압축률=A/B)을 조절할 수 있으므로 페달감 설계가 용이하다.
또한, 도 7의 특성을 가지는 코일 스프링과 도 8의 히스테리시스 모드 구현이 가능한 고무를 함께 사용함으로써 페달감 튜닝이 용이하다.
즉, 페달 답력 형성에서 압축력이 뛰어난 고무의 경우 비선형적 특성을 가져 설계가 용이하지 못한다는 단점을 가지고 있다. 그리고, 코일 스프링의 경우 선형성을 가져 설계가 용이하지만 압축력이 낮다는 단점을 가진다. 따라서, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 코일 스프링인 탄성 부재와 고무 댐퍼인 제 3 탄성 부재의 복합 구조에 의해 이러한 단점을 상호 보완하도록 복합구조를 취함으로써 히스테리시스 모드가 가능하다.
다른 한편으로, 본 발명의 일실시예는, 도 3 내지 도 6에 도시되는 페달 시뮬레이터(300)를 차량 제동 시스템에 적용할 수 있다. 이 경우, 이러한 차량 제동 시스템은 페달 시뮬레이터, 상기 페달 시뮬레이터에 의해 형성된 답력에 따라 차량의 바퀴를 제동하는 메인 마스터 실린더, 이들을 제어하는 ECU(Electronic Control Unit) 등을 포함하여 구성된다.
물론, 차량의 제동은 ESC(Electronic Stability Control) 방식이 이용된다.
300: 페달 시뮬레이터
310: 피스톤 스토퍼 311: 돌출부
312: 안착부 331: 관통홀
401: 실린더 하우징 411: 안착홈
510: 오일 저장 용기

Claims (10)

  1. 마스터 실린더 내에 위치하는 마스터 실린더 피스톤;
    상기 마스터 실린더 피스톤의 내측에 내장되도록 삽입되는 제 1 탄성 부재;
    상기 마스터 실린더 피스톤의 적어도 일부를 삽입하여 포함하는 제 2 탄성 부재;
    상기 제 2 탄성 부재에 삽입되며 내측에 관통홀이 형성되는 제 3 탄성 부재; 및
    상기 관통홀에 삽입되는 돌출부가 형성되며 상기 제 3 탄성 부재를 안착하는 안착홈이 형성되는 안착부가 상기 제 2 탄성 부재와 접촉되는 피스톤 스토퍼;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 페달 시뮬레이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 탄성 부재와 상기 피스톤 스토퍼의 안착부 사이에 삽입되는 오링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 페달 시뮬레이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 탄성 부재는 코일 스프링인 것을 특징으로 하는 페달 시뮬레이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 탄성 부재의 재질은 고무인 것을 특징으로 하는 페달 시뮬레이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 탄성 부재는 2차 답력을 형성하고, 상기 제 2 탄성 부재는 1차 답력을 형성하며, 상기 제 3 탄성 부재는 3차 답력을 형성하는 것을 특징으로 하는 페달 시뮬레이터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 탄성 부재 및 상기 제 3 탄성 부재는 상기 스토퍼에 의해 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 페달 시뮬레이터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 탄성 부재의 내경과 상기 마스터 실린더 피스톤의 내경 사이의 거리에 설계 변수를 위한 거리를 두어 상기 제 3 탄성 부재의 압축률을 조절하는 것을 특징으로 하는 페달 시뮬레이터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 3 탄성 부재의 압축률은 상기 마스터 실린더 피스톤의 내경을 상기 제 3 탄성 부재의 내경으로 나눈 값인 것을 특징으로 하는 페달 시뮬레이터.
  9. 회생 협조 제어 방식의 차량 제동 시스템에 있어서,
    제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 페달 시뮬레이터; 및
    상기 페달 시뮬레이터에 의해 형성된 답력에 따라 차량의 바퀴를 제동하는 메인 마스터 실린더;를 포함하는 차량 제동 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제동은 ESC(Electronic Stability Control) 방식이 이용되는 것을 특징으로 하는 차량 제동 시스템.

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