KR100295023B1 - 신축식샤프트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 스티어링컬럼 즉, 자동차 핸들의 회전물 스티어링 박스로 전달하는 기계장치들을 통합하기 위해 특별히 고안된 신축 샤프트(telescopic shaft)에 관한 것이다. 이 신축 샤프트는 자동차의 스티어링 컬럼(steering column)을 구성하고 있으며, 자동차의 안전을 위해 고안된 것으로서 하나의 샤프트는 적어도 두개 이상의 관형구조재를 포함하는 신축구조를 갖는다. 이 신축구조는 두 관형구조재간의 회전을 통합하며, 홈이파인 부분에 대응하는 세로방향의 리브들 중에 적어도 하나의 끝에 걸리도록 되어있는 적어도 하나의 돌출부가 나머지 다른 관형구조재 방향으로 향하도록 한 관형구조재들 중에 적어도 하나가 장치되는 것을 본질적인 특징으로 하며, 제어된 작력(controlled effort)으로 인한 축 방향으로의 동작은 허용하며, 특정한 상대적 위치로 부터 나머지 다른 관형구조재에 대해 하나의 관형구조재가 미끄러지는 현상이 상술한 돌출부가 작용하는 상태에서 리브의 변형에 의해 일어나며, 서로 맞물리도록 하나는 다른 것의 리부에 끼워지는 각각 세로방향으로 홈이 파인 부분이 있고 단면이 원형인 두 개의 관형구조재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

신축식 샤프트

제1도는 본 발명에 따라 구현된 스티어링 칼럼(steering column)의 짧은 부분 혹은 2차 샤프트의 부분 절단면을 포함하는 측면도.

제2도는 제1도의 샤프트에서 신축(telescopic) 부분을 반 단면도로 나타낸 확대도.

제3도는 제2도의 측단면도.

제4도는 신축식 시스템의 숫 부재(male member) 끝부분을 나타낸 사시도.

제5도는 신축식 시스템의 두 부재간 회전이 전달되는 수단으로서, 길이방향으로 홈과 톱니가 형성된 모양을 보이는 확대 단면도.

제6도는 둘이 아닌 세 개의 관형 부재로 구성된 신축식 샤프트(telescopic shaft)의 부분 단면도.

본 발명은 다른 분야에도 적용 가능하지만, 자동차의 스티어링 칼럼(steering column) 즉, 자동차 핸들의 회전을 스티어링 박스로 전달하는 매커니즘에 통합하도록 특별히 고안된 신축식 샤프트(telescopic shaft)에 관한 것이다.

잘 알려진 바와 같이, 자동차의 스티어링 샤프트(steering shaft)는 일반적으로 카던식 조인트(joint of Cardan type : 유니버설 조인트)로 서로 연결되어 작동하는 두 부분으로 구성되는데, 일측 끝단에 핸들이 고정된 메인 부분 또는 메인 샤프트와, 이 메인 샤프트의 타측 끝단에 일측이 힌지 연결되고 타측이 스티어링 박스의 킹핀(kingpin)에 카던식 조인트로 힌지연결된 2차 부분 또는 2차 샤프트로 구성된다.

근래에는, 상기 샤프트 중 적어도 하나는 신축식(telescopic) 구조를 갖는데, 서로 끼워 넣어지고 적절한 특정 상대위치로 유지되는 최소 두 개의 관형 부재(tubular members)로 구성된다. 이 어셈블리가 정해진 힘을 축방향으로 받으면 부재들은 상기 특정 상대 위치로부터 변위되어 어셈블기의 길이를 감소시킨다. 이는 주로 안전을 위해 이런 식으로 작동되는데, 그렇지 않으면 스티어링 칼럼이, 예를 들어 정면충돌의 경우, 자동차의 운전자나 승객에게 입힐 수 있는 심각한 부상을 피하기 위한 것이다. 더욱이, 2차 샤프트 또는 칼럼의 짧은 부분의 경우, 신축식 구조(telescopic structure)로 인해 특히 이 샤프트를 차량에 설치하기가 쉬워지는데, 설치시 개방형 플랜지를 갖는 카던 포크(Cardan forks)를 사용할 필요가 없다. 폐쇄(closed) 또는 반-개방형(semi-open) 마운팅 넥(mounting neck)을 갖는 포크에 대한 개방형 플랜지(open flange)를 갖는 카던 포크(Cardan forks)의 단점은 분명하고 이미 잘 알려져 있다. 그리하여 상기 2차 차축 또는 2차 샤프트의 설치를 위한 공간이 특히 작은 많은 수의 차량에서, 이 샤프트는, 상기 설치시 최대한 그 길이를 줄이기 위해, 둘이 아닌 세 개의 신축요소(telescopic element)로 구성된다.

현재까지 알려진 방법에서는, 샤프트의 신축식 관형부재 부분은, 비-원형(예를 들어 다각형) 단면 부분을 통해 서로 결합되는데, 이로 인해 회전력의 전달이 확실히 된다. 알려진 방식 중 하나에서는, 신축식 시스템(telescopic system)의 숫 요소(male element)의 비-원형 단면 부분은 그 위에 사출된 (예를 들어 두 개의) 플라스틱 링을 구비하는데, 이는 외측의 암 요소(female element)에 대해 마찰요소로서 작용하여, 특정 크기의 힘(일반적으로 80∼200 kg)을 받았을 때에만 두 요소의 상대적인 미끄럼 운동이 발생하게 한다. 일단 신축식 시스템(telescopic system)이 미리 설치된 후, 외측 부재에 있는 구멍(오리피스 : orifice)을 통해서 링이 직접 사출될 수 있어 이 방식은 상대적으로 간단하지만, 신축식 시스템이 길이를 감소시키기 위해 받아야 하는 힘의 크기에 대해 신뢰할만한 그리고 무엇보다도 지속적인 결과를 얻기가 매우 힘들고, 이 힘은 특히 조절이 불가능한 여러 변수에 따라 좌우된다(플라스틱 재료의 질, 플라스틱 물질이 사출되는 압력, 사출 이후의 수축, 두 관형 부재 단면부의 균일성 및 정밀도 등).

이러한 결점을 방지하기 위해, 다른 방식에서는 최소 하나의 상기 플라스틱 링에, 외측 관형 부재의 대응 구멍에 끼워지는 같은 플라스틱 재질의 돌출부를 구비하여, 두 부재를 특정 상대위치로 유지시키는 것이 제안되었다. 이 방식에서는 신축식 시스템이 변형을 일으키기 위해 받아야 하는 힘, 즉 상기 돌출부를 부수기 위한 전단력(shear force)을 상당히 정확하게 계산할 수 있지만, 주요 단점으로는, 일단 돌출부가 부숴지면, 두 부재의 상대 운동에 저항할 수 있는 것은 아무 것도 없어, 어셈블리에서 더 이상 어떠한 제동작용이나 감쇠작용이 발생하지 않는다. 다른 한편으로는 대부분의 알려진 방법들에서, 신축식 샤프트는 보다 큰 힘을 받았을 때(구체적으로 말하면 충돌이나 사고를 당했을 때)에만 수축하며, 설치와 조정을 위해서 신축샤프트처럼 작동하지는 않고 불변의 길이를 갖는 강체처럼 작용한다.

지적된 이러한 단점들은 본 발명의 대상인 신축식 샤프트에서 상당히 간단한 수단을 통해 급격히 개선되었다. 이 샤프트에서는, 신축식 시스템에서 두 관형 부재가 특정 위치로부터 상대적 변위를 일으키도록 하는데 필요한 힘의 크기를 상당히 정밀하게 조절하는(정하는) 것이 가능하다. 그리고 무엇보다도, 상기 상대 변위가 일어나는 동안 이 힘이 일정하게 유지되며, 충돌시 나오는 에너지를 흡수하도록 어셈블리는 완벽한 브레이크 또는 댐퍼(감쇠 장치)처럼 작동한다.

또한 본 발명에 따르면, 한 관형부재가 다른 관형 부재에 대해 연속적으로 변위하는 동안 에너지의 흡수와 상기 힘이 증가하도록 어셈블리를 구성하는 것이 가능하다. 또한 이 시스템은 신축식 부재들의 상대적 변위가 가능하게 하여, 차량 운전자에 대해 핸들의 위치가 조절되도록 길이가 조절될 수 있는 메인 샤프트에 적용될 수 있고, 또는 상대변위(우선 어셈블리의 전체길이를 감소시킨 후, 다시 늘려)를 일으켜, 설치하는 것이 쉬워지도록 2차 샤프트에 적용될 수 있다.

상기 목적을 위해, 본 발명에 따르면, 알려진 방식에 따라 서로 끼워져 맞물리는 길이방향의 채널(channels)과 리브(ribs)가 연속적으로 제공된 부위(예를 들어, 톱니)에 의해 신축식 시스템의 전체 관형 부재 간의 회전의 전달이 이루어지는데, 본질적으로, 상기 부재 중 최소 하나에, 특정 끝단 위치에서부터 상기 톱니(tooth)들 중 최소 하나에 걸려서 상대 변위(이동)을 막거나, 작용하는 축방향 힘이 일정치 이상인 경우 상기 톱니(tooth)를 변형시키며 상기 톱니를 따라 변형을 계속 일으키는, 최소 하나의 돌출부가 제공된다. 이러한 변형은 실제적으로 일정 크기로 일정하게 에너지를 흡수하는 제동 효과를 주며 지속된다.

본 발명의 본질과 주요한 특징 및 장점은 도면을 보면 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이며 다음에 도면과 연계한 몇가지 구체적인 실시예가 나타나 있다.

본 발명은 스티어링 칼럼의 2차 샤프트 뿐만 아니라 메인 샤프트에도 적용할 수 있고, 다른 분야의 샤프트에도 적용될 수 있다.

제1도에 보인 샤프트는, 잘 알려진 바와 같이, 자유단에 포크(3)(3′)가 형성된 두 신축식 부재(telescopic members)(1)(2)로 구성되는데, 상기 포크는 카던식 조인트(joint of Cardan type)를 형성하며 대응하는 크로스헤드(crosshead)에 의해 각각 스티어링 박스의 킹핀(kingpin)에 형성된 포크(4)와 메인 샤프트의 끝단에 형성된 포크(5)에 연결된다.

이미 기술한 바와 같이, 이러한 구조는 메인 샤프트에도 적용될 수 있는데, 이 경우 상기 부재들 중 하나의 자유단은 일체화된 포크(5)를 구비하고, 다른 부재의 자유단은 어떤 적절한 시스템을 통해 핸들에 연결된다.

외측 부재(2)의 내측면과 내측 부재(1)의 외측면에, (제5도에서 보이는 바와 같이) 길이방향으로 배열되고 예를 들어 대략 삼각형 단면을 가져 일종의 톱니를 형성하는, 채널(channel)(8)과 리브(rib)(9)가 연속적으로 제공된 부위(6)(7)가 형성되어, 이를 통해 신축식 시스템의 부재(1)(2) 사이에 회전의 전달이 이루어진다. 이러한 톱니 부분은 서로 맞물려, 한 부재가 다른 부재에 대해 축방향으로 이동할 수 있게 하고 가이드(guide)하며 두 부재간에 회전력이 전달되게 한다.

이러한 톱니가 형성된 부분은, 잘 알려진 기술, 예를 들어 라미네이션, 종래의 톱니 형성법 또는 랙(rack)에 의해, 또는 상기 부재를 구성하는 튜브를 적절한 형태의 다이스 또는 오리피스를 통해 압출함에 의해, 상당히 정밀하게 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 두 신축식 부재 중 최소 하나에, 다른 부재를 향해 돌출한 최소 하나의 작은 돌출부(10)가 제공된다. 더욱 바람직한 실시예에서, 상기 돌출부(10)는 외측 부재(또는 암부재(female member)) 상에 배치되어, 상기 외측부재의 내측면에서 돌출하는데, 이는 간단한 프레스 작업을 통해 쉽게 얻어질 수 있다. 그러나, 비록 작업이 조금 어렵긴 하지만, 돌출부가 숫부재(male member)(또는 내측 부재)(1)의 외측면에 제공될 수도 있다. 다른 한편으로, 힘의 균형을 맞추기 위해, 하나의 돌출부 대신 직경방향으로 서로 반대측에 위치하는 두 개의 돌출부가 제공되는 것이 좋은데, 3개, 4개 또는 그 이상이 제공될 수도 있다.

돌출부(10)가 홈 부분(grooved region)(7)에서 떨어져서, 이 돌출부가 어떠한 작용도 하지 않고 한 부재가 다른 부재에 대해 자유롭게 축방향으로 움직이게꿈, 숫 관형부재(1)가 암 관형부재(2)가 배열될 수 있다. 하지만, 부재(1)가 부재(2)의 안쪽을 향해 미끄럼 운동을 하여 어셈블리 전체의 길이를 감소시키고 상기 돌출부가 리브(9)의 끝단에 도달하면, 정지 효과가 발생하여, 이제 이러한 운동은 상기 리브 중 최소 하나가 변형되어야만 계속될 수 있는데, 이 변형은, 상당히 정확하게 계산될 수 있는 특정 힘을 발휘하고 이 힘은 전체 리브(rib)를 따라 실제적으로 일정하게 유지되며 연장된다.

일 실시예에서, 부재(1)의 부재(2)에 대한 축방향 운동은, 일정 탄성도를 갖는 재료를 기초로 몰드된 두 요소에 의해, 특히 소음과 진동을 피하며, 가이드되는데, 이 중 하나는 시스템을 한 방향에서 정지시키기 위해 사용된다. 이 요소 중 첫 번째 것은 외측 부재(2)에 제공된 마우스피스(mouthpiece) 또는 마우스(mouth)(12)에 끼워져 고정되는 후프(hoop)(11)로 구성된다. 내측 부재(1)가 이 후프의 내측에 끼워져 후프에 대해 미끄럼 운동을 할 수 있다. 이 요소 중 두 번째 것은 내측 부재(1)의 끝에 직접 몰드된, 또는 어떤 다른 시스템에 의해 내측 부재(1)에 통합된 플라스틱 물질(13)의 코팅으로, 이 코팅 상에서 외측부재(2)가 미끄럼 운동을 한다. 이 코팅은 또한 외측에 길이방향 흠을 갖는데, 흠 부분(grooved region)(7)과 연속적으로 연결되고, 결과적으로 외측 부재의 흠 부분(6)과 맞물릴 수 있다. 이 요소들, 특히 후프(11)는 소위 “피팅력(fitting effort)”을 구성하는 마찰력을 발생시킨다. 마지막으로, 코팅(13)은 돌출부(10)가 자유로이 움직일 수 있게 하는 길이방향의 채널(channel)(19)을 가져서, 이 돌출부가 금속 리브(9)에만 접촉하여 작용하고 몰드된 리브에는 작용을 하지 않는다.

제6도에는, 둘이 아닌 세 개의 서로 끼워진 관형 부재로 구성되는 신축식 시스템에 본 발명을 적용한 예를 보인다. 도면에서 보이는 바와 같이, 카던 포크(Cardan fork)(23)가 설치된 숫부재(1)와, 포크(3′)와 통합되어 일체로 된 암부재(2) 사이에, 내부에는 숫부재(1)가 끼워지고 외측으로 암부재(2)에 끼워지는 제3 관형부재(중간 관형 부재)(14)가 배치된다. 이 중간 관형부재에서, 내측면(15)과 외측면(16)에 길이방향의 홈(grooves) 또는 톱니(tooth)가 형성되어 있다. 내측면의 톱니(tooth)(15)는 부재(1)의 외측톱니(7)와 맞물려 이 두 요소 사이에 회전력이 전달되도록 하고, 외측 톱니(16)는 부재(2)의 내측 톱니(6)와 맞물려 이 두 요소 사이에 회전력이 전달되게 하여, 결과적으로 전체 부재(1)(2) 사이에 회전력이 전달되게 한다.

제1관형부재는 포크(3)에서 반대쪽 끝단에, 될 수 있으면 플라스틱 재질의, 예를 들어 직접 몰드된, 부시(17)를 구비한다. 이 부시는 중간 샤프트(14)와 마찰을 발생시켜, 소위 “피팅력(fitting effort)”을 일으켜 한 부재가 다른 부재에 대해 양쪽 방향으로 상대운동하는 것에 저항한다.

중간 관형 부재(14)는, 될 수 있으면 플라스틱 재질의, 예를 들어 직접 몰드되고 가압하에 끼워진, 부시(18)를 끝단에 구비하는데, 이의 주요 기능은 숫부재(1)의 미끄럼 운동성을 제한하여 중간부재로부터 완전히 빠지지 않게 하고 또한 마찰력도 발생시키며 소음과 진동을 피하게 하는 것이다.

그리고 마지막으로, 암 관형부재(2)는 중간 관형부재(14)의 외측 길이방향 리브(16)에 본 발명의 요지와 같이 작용하도록 배열된 최소 하나의 변형부(19)(보통 직경방향으로 서로 반대측에 위치한 두 개의 변형부(10)(10′))를 구비한다.

기술된 신축식 샤프트의 기능은 매우 간단하고 분명하다. 설치하기 위해, 끝단 포크(3)(3′) 중 하나가 상부(또는 메인) 샤프트의 끝단에 구비된 포크에, 또는 차량의 스티어링 박스의 킹핀에 구비된 포크에 연결된다. 이를 위해, 숫 관형부재(1)가 중간관형부재(14) 안으로, 중간관형부재의 끝단에 의한 제한위치까지, 들어가게 하여, 신축식 어셈블리의 길이를 감소시킨다. 이 이동에서, 기술적 명세에 따라 계산되고 허용되는, (주로 내측 부시(17)에 의한) 마찰력을 이겨내야한다. 일단 상기와 같이 설치되면, 관형부재(1)를 부분적으로 상황에 맞게 뽑아내어, 자유단측(타측) 포크를 원하는 대로 연결하는 것이 가능하도록 샤프트의 길이를 다시 늘린다. 보통, 이 설치 위치에서 샤프트 전체는 “중간길이”를 가져, 조절 스트로크는 상부 샤프트 또는 종동 샤프트의 축방향 운동을 흡수하는 위치가 된다. 충격이 발생했을 때, 첫단계에서, 제1관형부재(숫 샤프트)(1)가 약한 저항을 받으며 중간부재(14) 내부로 들어간다. 숫 부재(1)가 중간부재(14)에 대해 제한위치까지 도달하면, 제3샤프트(암 샤프트)(2)에 대한 제2관형부재(중간부재)(14)의 운동이 시작된다. 이 때 침투력이 특정 붕괴하중까지 증가하고 운동은 계속되는데, 이 운동시, 각 경우에 설정된 에너지가 흡수되어진다.

이미 언급한 변형 가능성에 덧붙여, 본 발명의 본질을 구성하는 범위 내에서, 본 발명에 포함되는 것으로 고려되어야 하는 다른 변경 및 실시예를 고안하는 것도 가능하다. 특히, 신축식 시스템의 하나의 부재에, 다른 관형 부재의 리브에 작용하도록 배열된 둘 또는 그 이상의 변형부 또는 돌출부(10)를 구비하되, 이 돌출부가 대응하는 판형부재에 대해 다른 횡 평면상에 배치될 수도 있다. 이에 의해, 한 관형부재가 다른 관형부재에 대해 축방향으로 변위될 때, 이 각각의 변형부(돌출부)가 대응하는 리브(rib)에, (같은 횡평면 상에 배열된 경우와 같이 동시에 작용하는 것이 아니라) 연속적으로 작용하여 점진적으로 더 큰 제동력을 발생시켜서 상기 변위에 저항한다. 특히 후자의 경우, 여러 변형부(또는 돌출부)가 전부 똑같지 않게 하여, 그러한 돌출부가 대응하는 리브에 작용하는 변형력을 다양하게 할 수 있다.

Claims (5)

1. 한 관형부재가 다른 관형부재의 내부에 끼워지고 각각 길이방향으로 형성된 홈 부분을 통해 서로 맞물려, 양 부재 간에 회전이 전달되게 하고 일정 힘을 받으면 축방향으로 상대 운동을 할 수 있는, 원형 단면을 갖는 두 개의 관형 부재를 구비하되, 상기 부재 중 최소 하나에, 다른 부재를 향해 돌출하고 특정 위치에서 상기 다른 부재의 길이방향 리브(rib) 중 최소 하나에 걸리도록 배치된 최소 하나의 돌출부가 제공되어, 특정 상대 위치부터는 다른 부재에 대한 한 부재의 미끄럼 운동이 상기 돌출부에 의한 상기 리브의 변형을 통해 일어나는 것을 특징으로 하는 신축식 샤프트(telescopic shaft).
2. 제1항에 있어서, 신축식 샤프트의 부재 중 하나에, 동일한 횡평면 상에 위치하고 균등하게 배치된 최소 두 개의 돌출부가 구비되는 것을 특징으로 하는 신축식 샤프트.
3. 제1항에 있어서, 신축식 샤프트의 부재 중 하나에, 다른 횡평면 상에 위치하고 다른 관형 부재의 길이방향 리브에 연속적으로 작용하는 위치에 최소 두 개의 돌출부가 구비되는 것을 특징으로 하는 신축식 샤프트.
4. 제1항에 있어서, 신축식 샤프트의 외측 관형부재의 내측면에 최소 하나의 돌출부가 구비되는 것을 특징으로 하는 신축식 샤프트.
5. 제1항에 있어서, 한 관형부재가 다른 관형부재의 내부에 끼워지고 접촉면에 연속적으로 길이방향을 따라 형성된 홈 또는 톱니(teeth)를 통해 서로 맞물려, 부재 간에 회전이 전달되게 하고 일정 힘을 받으면 축방향으로 미끄럼 운동을 할 수 있는, 원형 단면을 갖는 세 개의 관형 부재를 구비하되, 최내측 또는 최외측 관형부재 중 하나와 중간 관형부재 사이에 상기 미끄럼 운동에 저항하는 마찰이 제공되고, 나머지 관형부재와 중간 관형부재 중 한 부재에, 다른 부재를 향해 돌출하고 상기 다른 부재의 최소 하나의 길이방향 리브(rib)에 걸리도록 배열된 최소 하나의 돌출부가 제공되어, 두 부재 사이의 축방향 미끄럼 운동이 상기 돌출부에 의한 상기 리브의 변형을 통해 일어나는 것을 특징으로 하는 신축식 샤프트.