KR100575572B1 - 전동 파워 스티어링 장치 - Google Patents

전동 파워 스티어링 장치 Download PDF

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KR100575572B1
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Abstract

본 발명은 토크 센서로 검출된 조향토크에 따라, 전동 모터의 회전력에 의하여, 자동차나 차량의 조향계에 모터에 의한 조향 보조력을 부여하도록 한 전동 파워 스티어링 장치에 관한 것이다. 그리고, 스티어링 샤프트의 회전각을 검출하기 위한 회전각 센서에 관한 것으로, 회전각 센서의 피검출부를 상기 감속기 내에 설치하는 동시에, 상기 회전각 센서의 검출부를 상기 스티어링 샤프트의 반경 방향으로 상기 감속기의 베어링보다 외측에 설치했다.
조향, 스티어링, 회전각, 검출부, 보조력, 전동 파워, 토크 센서, 감속기

Description

전동 파워 스티어링 장치{MOTOR POWER STEERING SYSTEM}
본 발명은 자동차나 차량의 조향계에 모터에 의한 조향 보조력을 부여하는 전동 파워 스티어링 장치에 관한 것으로, 특히 스티어링 샤프트의 회전각(조향각)을 검출하기 위한 회전각 센서에 관한 것이다.
차량에는, 통상, 운전자의 피로를 경감하고, 안전하게 운전하기 위하여, 전동 파워 스티어링 장치가 탑재된다. 이 전동 파워 스티어링 장치는, 모터의 구동력에 의해 감속기의 기어 등의 전달 기구를 통하여, 스티어링 샤프트를 보조 부하 가압하도록 되어 있다.
종래의 전동 파워 스티어링 장치로서, 스티어링계의 개략 구조가, 일반적으로, 도 1에 도시된다. 이 도면에서, 선단(도 1 우측)에 스티어링 휠을 가지는 스티어링 샤프트(1)는, 동축의 스티어링 칼럼(2)내에서 볼 베어링(3)에 의해서 회전 가능하게 지지되고, 축 방향으로 연장되어 있다. 상기 스티어링 샤프트(1)는, 원통형의 외부 샤프트(4)와, 상기 외부 샤프트(4) 내에 삽입 결합되는 내부 샤프트(5)로 이루어진다. 또, 스티어링 칼럼(2)은, 원통형의 외부 칼럼(6)과, 상기 외부 칼럼(6) 내에 압입 고정되는 내부 샤프트(7)를 결합하여 이루어진다. 그리고, 충돌 시에, 압축 방향으로 충격 하중이 작용되면, 외부 샤프트(4)나 외부 칼럼(6)이, 기단측(도 1 좌측)으로 압입되어, 전장을 단축함으로써 에너지를 흡수하고, 스티어링 휠에 충돌한 운전자의 신체에 가해지는 충격을 완화하도록 되어 있다.
또, 상기 내부 샤프트(5)의 기단측(도 1 좌측)에는, 토션 바(8)를 통하여 입력축(9)과 대략 원통형의 출력축(10)이 연결되어 있다. 상기 토션 바(8)는, 출력축(10) 내에 삽입 통과되어 있어, 그 일단이 입력축(9)에 압입 고정되고, 타단이 핀(11)에 의해서 출력축(10)에 고정되어 있다.
또, 출력축(10)의 중앙부 외주에는, 감속기 유닛(12)이 한 쌍의 볼 베어링(13, 13)으로 지지되어 있다. 상기 감속기 유닛(12)은, 출력축(10)의 외주에 압입에 의해 고정적으로 장착된 웜 휠(14)과, 상기 웜 휠(14)에 맞물리는 웜(15)과, 상기 웜(15)을 출력축(16)에 장착한 모터로 이루어지고, 모터의 구동에 의해, 웜(15) 및 웜 휠(14)을 통하여, 모터의 회전을 감속하여 토크를 전달하도록 되어 있다.
또, 감속기 유닛(12)의 선단측(도 1 우측)에는, 토크 센서(17)가 배치되고, 상기 토크 센서(17)는, 토션 바(8)와, 출력축(10)의 선단에 형성된 스플라인 홈(18)의 외주에, 코일(19)을 수납한 전자 요크(20)를 구비하고, 스티어링 샤프트(1)에 발생되는 토크에 따라서 비틀림 각을 발생시킴에 따라, 자기적인 변화를 전자 요크(20) 내의 코일(19)로 검출하도록 되어 있다.
그리고, 감속기 유닛(12)의 기단측(도 1 좌측)에는, 회전각 센서(조향각 센서)(21)가 배치되고, 상기 회전각 센서(21)는, 출력축(10)의 외주에 배치된 원통형의 중공 부재(22)와, 상기 중공 부재(22)를 회전 가능하게 지지하는 케이싱(23)으로 이루어진다. 여기에서, 중공 부재(22)에는, 내주면으로부터 내측으로 돌기(24) 가 연장되어 있어, 출력축(10)의 외주면에 형성된 고정구멍(25)과 맞물려, 중공 부재(22)가 출력축(10)과 일체로 회전하도록 되어 있다. 이로 인해, 케이싱(23)과 중공 부재(22)의 상대 변위를, 케이싱(23)에 설치된 검출 수단(2e)에 의해서 검출하여, 출력축(10)의 회전각을 검출하도록 되어 있다. 이에 따라, 회전각(조향각)으로부터, 스티어링 휠의 조향 상태를 검출하도록 되어 있다.
또, 27은 중간(intermediate) 샤프트에 연결하기 위한 유니버설 조인트이며, 28은 스티어링 장치를 차체에 장착하기 위한 브래킷이다.
그런데, 스티어링 칼럼(2)에는, 차량의 충돌 시, 승무원을 보호하기 위하여, 법규상 또는 안전상, 에너지흡수 기구를 구비할 필요가 있었다. 이로 인해, 상기 종래의 것에서도, 스티어링 샤프트(1)나 스티어링 칼럼(2)을, 각각, 2개의 부재[외부 샤프트(4)와 내부 샤프트(5), 및 외부 칼럼(6)과 내부 칼럼(7)]로 구성하고, 충돌 시, 외부 샤프트(4)나 외부 칼럼(6)을 축 방향으로, 어떤 범위[스트로크(t)]로 이동 가능하게 되어 있다. 이에 따라, 이동 시에 스티어링 칼럼(2) 등을 소성 변형시켜, 그 변형에너지에 의해서 승무원이 스티어링 휠에 충돌할 때의 에너지를 흡수하도록 되어 있다.
이와 관련하여, 에너지의 흡수량은, 충격에 의해서 작용하는 힘과 스트로크(t)의 곱으로 결정되기 때문에, 승무원에의 충격력을 작게 하여, 상해를 경감하는 데에는, 스트로크(t)를 될 수 있는 한 길게하는 것이 중요하다.
그러나, 칼럼형의 전동 파워 스티어링 장치에서는, 스티어링 샤프트(1)의 축 방향에는, 감속기나 토크 센서(17)를 설치할 필요가 있는 동시에, 회전각 센서(21) 를, 유니버설 조인트(27)와 감속기 유닛(12)의 사이에서 스티어링 샤프트, 즉 출력축(10)이 노출되는 공간을 형성해야 한다. 이로 인해, 스트로크(t)는, 차체의 공간으로부터 일정 길이로 제한되어 버리고, 한정된 공간 내에서, 에너지흡수 기구의 스트로크(t)를 충분한 길이로 확보하는 것이 어렵다고 하는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은, 한정된 공간 내에서, 승무원을 보호하기 위한 에너지 흡수 기능을 손상하지 않고, 스티어링 샤프트에, 회전각 센서를 장착할 수 있는 전동 파워 스티어링 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 목적은, 토크 센서에서 검출된 조향토크에 따라, 전동 모터의 회전력에 의해 감속기의 기어 등의 전달 기구를 통하여, 스티어링 샤프트의 조향력을 보조하는 전동 파워 스티어링 장치에 있어서, 스티어링 휠의 조향 상태를 검출하는 회전각 센서를 구비하고, 상기 회전각 센서의 피검출부를 상기 감속기 내에 설치하는 동시에, 상기 회전각 센서의 검출부를 상기 스티어링 샤프트의 반경 방향으로 상기 감속기의 베어링보다 외측에 설치한 것에 의해, 효과적으로 달성된다.
또, 상기 목적은, 피검출부를 감속기 내의 웜 휠에 배치하고, 상기 검출부에서 상기 웜 휠의 회전을 검출하는 것에 의해, 효과적으로 달성된다.
또, 상기 목적은, 검출부를, 감속기 내의 웜 휠 내에서 어느 한쪽의 측면에 형성된 오목홈 내에 장착함으로써, 효과적으로 달성된다.
또, 상기 목적은, 검출부를, 상기 피검출부의 측면에 대향하는 위치에 배치 하고, 상기 피검출부로부터의 자기적 또는 광학적으로 각도 신호를 검출하는 것에 의해, 효과적으로 달성된다.
또, 상기 목적은, 피검출부를, 상기 감속기 내의 웜 휠 내의 어느 한 쪽의 측면에 형성된 오목홈으로 구성하고, 상기 오목홈의 내주면에 설치된 소기어로 이루어지는 것에 의해, 효과적으로 달성된다.
또, 상기 목적은, 회전각 센서를, 상기 감속기 내의 웜 휠의 측면에 설치된 환상의 상기 피검출부와, 상기 피검출부에 대향하는 위치에 설치된 검출부로 구성한 것에 의해, 효과적으로 달성된다.
또한, 상기 목적은, 감속기를, 복수의 베어링에 의해서 지지함으로써, 보다 효과적으로 달성된다.
도 1은 종래의 전동 파워 스티어링 장치의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 관한 전동 파워 스티어링 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3은 상기 전동 파워 스티어링 장치의 감속기 유닛에 설치된 회전각 센서를 나타내는 설명도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 관한 전동 파워 스티어링 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 5는 제2 실시예의 출력축의 회전각의 검출기구를 설명하는 확대도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 관한 전동 파워 스티어링 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 7은 제3 실시예에 관한 회전각 센서의 개략적인 구조를 도시한 도면이다.
*도면의 부호의 설명
31: 스티어링 샤프트 35: 스티어링 칼럼
39: 토션 바 40: 입력축
41: 출력축 42: 감속기 유닛
43: 베어링 44: 토크 센서
46: 코일 47: 전자 요크
48: 웜 휠 49: 웜
51: 회전각 센서 52: 피검출부
53: 검출부 61: 코어 보스부
62: 기어 베이스부 63: 수지제 기어
64: 피검출부 65: 회전각 센서
67: 검출부 72: 검출 기어
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예를 나타내고, 조향계의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 스티어링 휠의 조작에 따라 회전하는 스티어링 샤프트(31)는, 원통형의 외부 샤프트(32)에 중실 원통축형의 내부 샤프트(33)를 압입 고정함으로써 결합되 어 있다. 또, 스티어링 샤프트(31)는, 깊은 홈형의 볼 베어링 등의 베어링(34)에 의하여 스티어링 칼럼(35)의 단부에 회전 가능하게 지지되어 있다. 스티어링 칼럼(35)은 원통형의 외부 칼럼(36)에 내부 칼럼(37)을 압입 고정함으로써 결합되어 있다.
상기 스티어링 샤프트(31) 및 스티어링 칼럼(35)은, 축 방향으로 큰 하중이 작용하면, 축 방향으로 스트로크(t)의 범위 내에서, 외부 샤프트(32)가 내부 샤프트(33)를 따라, 및, 외부 칼럼(36)이 내부 칼럼(37)을 따라, 각각 축 방향으로 이동하여 소성 변형하도록 되어 있다. 즉, 스티어링 샤프트(31) 및 스티어링 칼럼(35)은, 모두, 2개의 부재(32와 33, 36과 37)를 조합하여 이루어지고, 충돌 시에, 압축 방향으로 충격 하중이 가해지면, 스티어링 휠에 충돌한 운전자의 신체에 가해지는 충격을 완화하도록 한 에너지흡수 기구를 구성하고 있다.
또, 상기 실시예에서는, 스티어링 샤프트(31)나 스티어링 칼럼(35)을, 2부재 사이의 상대 이동시의 소성 변형으로 에너지를 흡수하지만, 스티어링 칼럼(35)과, 상기 스티어링 칼럼(35)을 차체에 고정하기 위한 브래킷(75) 사이의 소성 변형으로 에너지를 흡수하는 것도 가능하다.
또, 스티어링 샤프트(31)의 기단측(도 1 좌측)에는, 토션 바(39)를 통하여 입력축(40)과 대략 원통형의 출력축(41)이 연결되어 있다. 상기 토션 바(39)는, 출력축(41) 내에 삽입 통과되어 있어, 그 일단이 입력축(40)에 압입 고정되고, 타단이 핀(41a)에 의해서 출력축(41)에 고정되어 있다.
또, 출력축(41)의 외주에는, 감속기 유닛(42)이 한 쌍의 볼 베어링(43, 43) 으로 지지되는 동시에, 상기 감속기 유닛(42)의 선단측(도 1 우측)에는, 토크 센서(44)가 배치되어 있다. 상기 토크 센서(44)는, 토션 바(39)와, 출력축(41)의 선단에 형성된 스플라인 홈(45)의 외주에 배치되고, 코일(46)을 수납한 전자 요크(47)를 구비하고, 스티어링 샤프트(31)에 발생되는 토크에 따라서 토션 바(39)에 비틀림을 발생시킴에 따라, 자기적인 변화를 전자 요크(47) 내의 코일(46)로 검출하도록 되어 있다.
또한, 감속기는, 출력축(41)의 외주에 압입에 의해서 고정적으로 장착된 웜 휠(48)과, 상기 웜 휠(48)에 맞물리는 웜(49)과, 상기 웜(49)을 출력축(50)에 장착한 모터로 이루어지고, 모터의 구동에 의해, 웜(49) 및 웜 휠(48)을 통하여, 모터의 회전을 감속하여 토크를 전달하도록 되어 있다.
그리고, 회전각 센서(51)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 감속기 유닛(42) 내에 설치된 웜 휠(48)보다 소직경의 얇은 원반형의 피검출부(52)와, 스티어링 샤프트(31), 즉 출력축(41)의 반경 방향으로 베어링(43)보다 외측에 설치된 검출부(53)로 이루어진다. 상기 검출부(53)는 피검출부(52)의 측면에 대향하는 위치에 배치되고, 웜 휠(48) 내에서 어느 한쪽의 측면에 형성된 오목홈(54) 내에서 출력축(41)에 일체로 장착된다. 또, 검출부(53)는 자기적 또는 광학적, 또는 전기 저항식 또는 정전용량식으로, 피검출부(52)로부터의 각도 신호를 검출함으로써, 출력축(41)의 회전각을 검출하도록 되어 있다.
따라서, 상기 제1 실시예에서는, 회전각 센서(51)의 피검출부(52)를 감속기 유닛(42) 내에 설치하는 동시에, 검출부(53)를 출력축(41)의 반경 방향으로 볼 베 어링(43)보다 외측에 설치했다. 이로 인해, 종래와 같이, 스티어링 샤프트(31) 상에, 회전각 센서를 장착하기 위한 전용공간을 형성할 필요가 없다. 그 결과, 에너지 흡수 기구의 스트로크(t), 즉 스티어링 칼럼(35)의 외부 칼럼(36)이 내부 칼럼(37)을 따라 이동하는 축 방향의 거리를 길게 할 수 있다. 그 결과, 칼럼형의 전동 파워 스티어링 장치 등과 같이, 스티어링 샤프트(31)상에서의 축 방향 길이가 제한되는 경우에도, 스티어링 샤프트(31)에 회전각 센서(51)를 설치하더라도, 축 방향으로 충분한 스트로크(t)를 확보할 수 있고, 충격 하중에 대한 에너지 흡수 능력을 희생하지 않게 된다.
또, 도 4는 본 발명의 제2 실시예를 나타내고, 제1 실시예와 동일한 부재는 동일한 부호를 부여하여, 그 설명을 생략한다. 이 도면에 있어서, 웜 휠(48)은, 대략 원환형의 코어 보스부(61)와, 상기 코어 보스부(61)의 외주측에 일체로 수지로 성형된 기어 베이스부(62)와, 상기 기어 베이스부(62)의 또 외주측에 형성되고, 웜(49)에 맞물리는 수지제 기어(63)로 구성된다. 또, 웜 휠(48)에는, 이 도면 좌측에 오목홈이 형성되고, 상기 오목홈 내에서 기어 베이스부(62)의 내주측에 소기어로 구성되는 피검출부(64)가 형성되어 있다. 따라서 피검출부(64)와, 출력축(41)의 회전을 검출하기 위한 검출부(67)로 이루어지는 출력축(41)의 회전각 센서(65)가 구성되어 있다. 또, 검출부(67)는, 감속기 유닛(42)의 외측에 배치된 본체(68)로부터, 하우징 커버(69)의 삽입구멍(70)을 통하여 감속기 유닛(42) 내에 연장되는 돌출축(71)과, 돌출축(71)의 선단에 장착된 검출 기어(72)를 구비한다. 이에 따라, 회전각 센서(65)는, 도 5에 확대하여 나타낸 바와 같이, 검출부(67)의 검출 기어(72)와 피검출부(64)를 구성하는 소기어의 맞물림에 의해, 검출 기어(72)로부터 돌출축(71)을 통하여 본체(68)로 출력축(41)의 회전을 검출하도록 되어 있다.
따라서, 회전각 센서(65)의 피검출부(64)는 감속기 유닛(42) 내에 설치되는 동시에, 검출부(67)는 출력축(41)의 반경 방향으로 감속기 유닛(42)의 베어링(43)보다 외측에 설치된다. 이로 인해, 스티어링 샤프트(31)에 회전각 센서(65)를 설치하더라도, 에너지 흡수 기구의 스트로크(t)를 충분히 확보할 수 있고, 에너지 흡수 능력을 희생하지 않게 된다. 따라서 제2 실시예에서도, 상기 제1 실시예와 같은 작용 및 효과를 달성할 수 있다.
또, 도 6은, 본 발명의 제3 실시예를 나타내고, 제1 실시예와 동일한 부재는 동일한 부호를 부여하여, 그 설명을 생략한다. 이 도면에 있어서, 회전각 센서(65)는, 도 7에 도시한 바와 같이, 웜 휠(48)의 선단측(도 6 우측)의 측면에 설치된 환상의 피검출부(64)와, 상기 피검출부(64)에 대향하는 위치에 설치된 검출부(67)로 구성된다.
따라서, 회전각 센서(65)의 피검출부(64)는 감속기 유닛(42) 내에 설치되는 동시에, 검출부(67)는 출력축(41)의 반경 방향으로 감속기 유닛(42)의 베어링(43)보다 외측에 설치된다. 이로 인해, 스티어링 샤프트(31)에 회전각 센서(65)를 설치하더라도, 에너지 흡수 기구의 스트로크(t)를 충분히 확보할 수 있고, 에너지 흡수 능력을 희생하지 않게 된다. 따라서 제3 실시예에서도, 상기 제1 실시예 및 제2 실시예와 같은 작용 및 효과를 달성할 수 있다.
또, 도 2, 도 4, 및 도 6에 있어서, 74는 중간 샤프트에 연결하기 위한 유니 버설 조인트며, 75는 스티어링 장치를 차체에 장착하기 위한 브래킷이다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 전동 파워 스티어링 장치에 따르면, 스티어링 휠의 조향 상태를 검출하는 회전각 센서를 설치하는 경우, 피검출부를 감속기 내의 웜 휠 등에 설치하는 동시에, 검출부를 스티어링 샤프트의 반경 방향으로 감속기의 베어링보다도 외측에 설치하도록 했다. 이에 따라, 감속기의 웜 휠을 이용하고, 자기적이나 광학적 등의 방법을 이용하여 웜 휠에 설치된 피검출부에서의 각도 신호를 검출부에서 검출하여, 스티어링 샤프트의 회전각을 검출하도록 했다. 그 결과, 스티어링 샤프트의 축 방향에는, 회전각 센서를 설치하기 위한 전용 공간을 형성할 필요가 없어지게 되고, 에너지 흡수 기구의 스트로크를 유효하게 이용할 수 있다. 따라서 칼럼형의 전동 파워 스티어링 장치 등과 같이, 스티어링 샤프트의 축 방향으로 한정된 공간 내에 회전각 센서를 설치하더라도, 에너지 흡수 능력을 희생하지 않고, 차량의 충돌 시 등에 생기는 충격 하중에 대하여 안전성을 유지할 수 있다.
본 발명은 자동차나 차량의 조향계에 모터에 의한 조향 보조력을 부여하는 전동 파워 스티어링 장치, 특히 스티어링 샤프트의 회전각(조향각)을 검출하기 위한 회전각 센서에 이용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 토크 센서에서 검출된 조향토크에 따라, 전동 모터의 회전력에 의해 감속기의 기어 등의 전달 기구를 통하여, 스티어링 샤프트의 조향력을 보조하는 전동 파워 스티어링 장치에 있어서,
    스티어링 휠의 조향 상태를 검출하는 회전각 센서를 구비하고, 상기 회전각 센서의 피검출부가 상기 감속기 내에 설치되며, 상기 회전각 센서의 검출부가 상기 스티어링 샤프트의 반경 방향으로 상기 감속기의 베어링보다 외측에 설치된 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피검출부는 상기 감속기 내의 웜 휠에 배치되고, 상기 검출부에서 상기 웜 휠의 회전을 검출하는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는 상기 감속기 내의 웜 휠 내에서 어느 한쪽의 측면에 형성된 오목홈 내에 장착되는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는 상기 피검출부의 측면에 대향하는 위치에 배치되고, 상기 피 검출부로부터의 각도 신호를 자기적 또는 광학적으로 검출하는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 피검출부는 상기 감속기 내의 웜 휠 내의 어느 한 쪽의 측면에 형성된 오목홈으로 구성되고, 상기 오목홈의 내주면에 형성된 소기어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 회전각 센서는, 상기 감속기 내의 웜 휠의 측면에 설치된 환상의 상기 피검출부와, 상기 피검출부에 대향하는 위치에 설치된 검출부로 구성되는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 감속기는 복수의 베어링에 의해서 지지되는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 장치.
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