KR100816401B1 - 전동식 조향장치 - Google Patents

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주식회사 만도
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Abstract

본 발명은 전동식 조향장치에 관한 것으로, 이는 하우징과; 이 하우징 내에 구비되는 웜휠; 상기 하우징 내에서 상기 웜휠에 맞물리는 웜축; 이 웜축의 일단의 외주부에 장착되는 베어링; 및 상기 웜축의 움직임에 따라 웜축의 축 방향에 대해 변화하는 각도로 상기 일단을 지지하는 탄성 부재;를 구비함으로써, 웜 및 웜휠 사이의 유격을 보상하는 효과가 있다.
웜, 웜휠, 유격, 탄성 부재, 백래쉬

Description

전동식 조향장치{Electronic Steering Apparatus}
도 1은 종래 기술에 따른 전동식 조향장치의 구성도,
도 2는 종래 기술에 따른 전동식 조향장치를 나타내는 부분 단면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 조향장치를 나타내는 부분 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 회전 방지 구조를 나타내는 부분 횡단면도,
도 5는 본 발명에 따른 또 다른 회전 방지 구조를 나타내는 부분 횡단면도,
도 6은 웜축이 웜휠 방향으로 편향된 모습을 나타내는 부분 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
301: 하우징 303: 웜휠
305: 웜축 307: 제 1 베어링
308: 제 2 베어링 309: 탄성 부재
311: 제 1 지지부 313: 제 2 지지부
314: 고정 부재 315: 완충 부재
316: 경사홈 317: 조향축
319: 플렉시블 커플링 321: 모터축
323: 모터 325: 웜
327: 돌기부 329: 오목부
331: 외륜 401: 걸림 돌기
403: 걸림 홈 501: 회전 방지 홀
503: 스프링 핀
본 발명은 전동식 조향장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 웜축의 움직임에 따라 웜축의 축 방향에 대해 변화하는 각도로 웜축을 탄지하는 탄성 부재를 구비함으로써 웜 및 웜휠 사이의 유격을 보상할 수 있는 전동식 조향장치에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 조향장치로는 유압 펌프의 유압을 이용한 유압식 조향장치(Hydraulic Power Steering Apparatus)가 사용되고 있지만, 1990년대 이후 모터를 이용한 전동식 조향장치(Electric Power Steering Apparatus)가 점차로 보편화되어 가고 있다.
기존의 유압식 조향장치는 조향 보조 동력을 공급하는 동력원인 유압 펌프가 엔진에 의해 구동되어 조향휠의 회전 여부와 관계없이 항상 에너지를 소모하는 데 비해서 전동식 조향장치는 조향휠의 회전에 의해 조향 토크가 발생되면 모터가 발생된 조향 토크에 비례하는 조향 보조 동력을 공급한다. 따라서 전동식 조향장치를 사용하는 경우에는 유압식 조향장치를 사용하는 경우에 비해 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 전동식 조향장치의 구성도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 전동식 조향장치를 나타내는 부분 단면도이다.
도 1 및 도 2에서 각각 도시하는 바와 같이 일반적으로 전동식 조향장치는 조향휠(101)부터 양측 바퀴(108)까지 이어지는 조향 계통(100) 및 조향 계통에 조향 보조 동력을 공급하는 보조 동력 기구(120)를 포함하여 구성된다.
조향 계통(100)은, 상단이 조향휠(101)에 연결되어 조향휠(101)과 함께 회전하고 하단은 한 쌍의 유니버설 조인트(103)를 매개로 피니언축(104)에 연결되는 조향축(102)을 포함하여 구성된다. 또한, 피니언축(104)은 랙-피니언 기구부(105)를 통해 랙 바(109)에 연결되고, 랙 바(109)의 양단은 타이로드(106) 및 너클암(107)을 통해 자동차의 바퀴(108)에 연결된다.
랙-피니언 기구부(105)는 피니언축(104)의 하단에 형성되는 피니언 기어(111)와 랙 바(109)의 외주면 일측에 형성되어 있는 랙 기어(112)가 서로 맞물려서 형성되며, 랙-피니언 기구부(105)를 통해 피니언축(104)의 회전 운동이 랙 바(109)의 직선 운동으로 변화한다. 따라서, 운전자가 조향휠(101)을 조작하면 피니언축(104)이 회전하고, 피니언축(104)의 회전에 따라 랙 바(109)가 축 방향으로 직선 운동을 하며, 랙 바(109)의 직선 운동이 타이 로드(106) 및 너클암(107)을 통해 바퀴(108)를 조향하게 된다.
보조 동력 기구(120)는 운전자가 조향휠(101)에 가하는 조향 토크를 감지하고 감지된 조향 토크에 비례하는 전기 신호를 출력하는 토크 센서(121), 토크 센서(121)로부터 전해지는 전기 신호에 기초하여 제어 신호를 발생하는 전자 제어 장치(ECU: Electronic Control Unit, 123), 전자 제어 장치(123)로부터 전해지는 제어 신호에 기초하여 조향 보조 동력을 발생시키는 모터(130) 및 모터(130)에서 발생한 조향 보조 동력을 조향축(102)에 전달하기 위하여 웜(201) 및 웜휠(203)을 구비한 감속기구(140)를 포함하여 구성된다.
감속기구(140)는 외주면 일측에 웜(201)이 형성되어 있고 양단이 베어링(205, 206)에 의해 회전 가능하게 지지되는 웜축(210)을 포함하여 구성되는데, 웜(201)은 조향축(102)의 외주면 일정 위치에 형성되어 있는 웜휠(203)에 맞물리도록 형성되고 웜축(210)은 모터(130)에 의해 구동된다.
따라서, 전동식 조향장치는 조향휠(101)의 회전에 의해 발생한 조향 토크가 랙-피니언 기구부(105)를 거쳐서 랙 바(109)에 전달되고, 발생된 조향 토크에 따라 모터(130)에서 발생한 조향 보조 동력이 감속기구(140)에 의해 조향축(102)에 전달되도록 구성된다. 즉, 조향 계통(100)에서 발생한 조향 토크와 모터(130)에서 발생한 조향 보조 동력이 합쳐져서 랙 바(109)를 축 방향으로 운동하도록 하는 것이다.
그런데, 이러한 종래 기술에 따른 감속기구에 있어서 자동차의 운행에 따라 계속되는 조향의 결과로 인해 시간이 지남에 따라 웜(201)과 웜휠(203)의 치가 마모된다. 또한 웜휠(203)이 대부분 합성수지로 만들어지기 때문에 주위 온도가 낮은 동절기에는 웜휠(203)이 수축하기도 한다.
이렇게 웜(201)과 웜휠(203)의 치가 마모되거나 웜휠(203)이 수축하는 경우에는 웜(201)과 웜휠(203)의 치 사이에 유격이 발생하고 그에 따라 웜(201)과 웜휠(203)의 치합부에서 백래쉬(Backlash)가 발생하는 문제가 있었다.
또한, 종래 기술에 따른 감속기구에 있어서 킥백(Kick-Back) 등에 의해 역입력이 발생하고 그에 따라 감속기구에 과도한 토크가 작용하는 경우 웜축(210) 양단의 베어링의 유격부에서 소음이 발생하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 웜축의 반경 방향 및 축 방향에 각각 탄성력을 가하도록 두 개의 탄성체를 삽입하기도 하였으나, 이로 인해 부품의 개수가 늘어나고 작업 공정이 길어지는 문제점이 발생하였다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 웜축의 움직임에 따라 웜축의 축 방향에 대해 변화하는 각도로 웜축을 탄지하는 탄성 부재를 구비함으로써 웜 및 웜휠 사이의 유격을 보상할 수 있는 전동식 조향장치를 제공하는 데 그 주된 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 하우징과; 이 하우징 내에 구비되는 웜휠; 상기 하우징 내에서 상기 웜휠에 맞물리는 웜축; 상기 웜축의 일단의 외주부에 장착되는 베어링; 및 상기 웜축의 움직임에 따라 상기 웜축의 축 방향에 대해 변화하는 각도로 상기 일단을 지지하는 탄성 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치를 제공한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 조향장치를 나타내는 부분 단면도이다.
도 3에서 도시하는 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전동식 조향장치는, 하우징(301)과, 하우징(301) 내에 구비되는 웜휠(303), 하우징(301) 내에서 웜휠(303)에 맞물리는 웜축(305), 웜축(305)의 외주부에 장착되는 제 1 베어링(307), 웜축(305)을 지지하는 탄성 부재(309), 탄성 부재(309)의 일단에 구비되는 제 1 지지부(311), 제 1 지지부(311)에 접하는 제 2 지지부(313), 탄성 부재(309)의 타단에 구비되는 고정 부재(314), 제 1 베어링(307)과 이격되거나 접할 수 있게 하우징(301)의 내주에 설치되는 완충 부재(315)를 포함하여 구성된다.
하우징(301)은 웜휠(303) 및 웜축(305)을 둘러싸도록 형성되며, 웜휠(303)을 둘러싸는 부분 및 웜축(305)을 둘러싸는 부분으로 분리될 수도 있다.
웜휠(303)은 조향축(317)의 외주 측에 형성되며 웜축(305)에 맞물려서 동력을 전달받는다.
웜축(305)은 일단이 플렉시블 커플링(Flexible Coupling: 319)에 의해 모터축(321)에 유동 가능하게 연결되어 모터(323)에 의해 회전한다. 웜축(305)의 일단의 외주에는 제 2 베어링(308)이 구비되어 있어서 웜축(305)이 원활하게 회전할 수 있는 한편 웜축(305)의 축 방향을 기준으로 웜축(305)이 소정 각도로 기울어질 수도 있다.
또한, 웜축(305)의 외주에는 웜휠(303)에 맞물리는 웜(325)이 형성되어 있어서 웜축(305)이 회전할 때 웜휠(303)과 맞물림으로써 조향축(317)에 조향 보조 동력을 공급할 수 있게 된다.
제 1 베어링(307)은 웜축(305)의 타단에 구비되어 웜축(305)의 회전을 지지한다.
탄성 부재(309)는 웜축(305)의 축 방향에 대해 경사지는 방향으로 웜축(305)에 탄성력을 가한다. 탄성 부재(309)로는 압축 스프링이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제 1 지지부(311)는 탄성 부재(309)의 일단에 구비되며, 외주면 일측에는 돌기부(327)가 구비된다. 돌기부(327)는 구(球) 형상 또는 타원 형상을 비롯하여 둥근 형상으로 형성됨이 바람직하다.
제 2 지지부(313)는 일단에 상기 돌기부(327)가 수용되는 오목부(329)가 형성되고 타단은 제 1 베어링(307)에 접한다. 오목부(329)의 형상은 돌기부(327)를 수용할 수 있도록 내측으로 둥글게 형성됨이 바람직하다. 한편, 제 2 지지부(313)의 타단은 제 1 베어링(307)의 외륜(331)에 접하도록 형성될 수도 있다.
고정 부재(314)는 탄성 부재(309)의 타단을 지지하는데, 탄성 부재(309)의 타단이 안착되는 경사홈(316)을 구비함으로써 탄성 부재(309)가 웜축(305)의 축 방향에 대해 경사진 채 웜축(305)에 탄성력을 가할 수 있게 한다.
한편, 고정 부재(314)는 하우징(301)의 내주에 접하고 있는데, 고정 부재(314)가 하우징(301)에 대해 상대 회전을 하는 경우 탄성 부재(309)의 탄성력이 작용하는 방향에 변화가 생기는 문제가 있으므로 고정 부재(314)를 하우징(301)에 대해 고정시킬 필요가 있다.
도 4는 본 발명에 따른 회전 방지 구조를 나타내는 부분 횡단면도이다.
도 4에서 도시하는 바와 같이 고정 부재(314)의 외주부에 걸림 돌기(401)를 형성하고, 하우징(301)에는 걸림 돌기(401)가 수용되는 걸림 홈(403)을 형성함으로써 고정 부재(314)가 하우징(301)에 대해 회전하려 하는 경우 걸림 돌기(401)가 걸림 홈(403)에 의해 구속되므로 고정 부재(314)의 위치를 고정할 수 있다. 한편, 걸림 돌기 및 걸림 홈이 각각 하우징(301) 및 고정 부재(314)에 형성될 수도 있다.
도 5는 본 발명에 따른 또 다른 회전 방지 구조를 나타내는 부분 횡단면도이다.
도 5에서 도시하는 바와 같이 고정 부재(314)의 외주부 및 하우징(301)의 내주부에 각각 회전 방지 홀(501)을 형성하고, 회전 방지 홀(501)에 삽입되는 스프링 핀(503)을 구비하면, 스프링 핀(503)이 고정 부재(314) 및 하우징(301)에 각각 탄성력을 가하므로 고정 부재(314)가 움직이지 않고 하우징(301)에 대해 고정된다.
이상과 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 의하는 경우, 탄성 부재(309)의 탄성력이 제 1 지지부(311)의 돌기부(327)를 통해 제 2 지지부(313)의 오목부(329)에 전달되며, 제 2 지지부(313)가 제 1 베어링(307)의 외륜(331)에 탄성력을 전달하여 탄성력이 웜축(305)에 전달되게 된다.
필요에 따라 탄성 부재(309)의 타단에는 제 1 지지부(311)와 동일한 제 3 지지부(미도시)를 구비하고, 고정 부재(314)에는 제 3 지지부(미도시)의 돌기부(미도시)를 수용하는 오목부(미도시)를 구비할 수도 있다.
한편, 탄성 부재(309)의 탄성력은 웜축(305)의 축 방향에 비스듬하게 작용하며, 탄성력은 웜축(305)의 축 방향 및 직경 방향의 힘으로 나뉜다.
축 방향의 힘은 웜축(305)의 외주에 접촉하고 있는 제 2 베어링(308)에도 전달되므로, 웜축(305)이 구동할 때 제 2 베어링(308)이 하우징(301) 또는 웜축(305)의 외주에 부딪혀서 발생하는 충격음을 감소시킨다.
직경 방향의 힘은 웜축(305)을 웜휠(303) 방향으로 밀어주어 웜휠(303)과 웜축(305) 사이의 유격을 보상한다.
완충 부재(315)는 제 1 베어링(307)과 이격되거나 접할 수 있게 하우징(301)의 내주에 구비되는데, 웜축(305)이 축 방향에 대해 소정 각도로 움직이는 경우 제 1 베어링(307)에 대한 완충 작용을 한다.
도 6은 웜축이 웜휠 방향으로 편향된 모습을 나타내는 부분 단면도이다.
도 6에서 도시하는 바와 같이, 주변 기온의 하강이나 기어치의 마모 등으로 인해 웜휠(303)이 수축되는 경우에는 웜휠(303)과 웜축(305) 사이에 유격이 발생할 수 있는데, 이 경우 탄성 부재(309)의 탄성력 중 웜축(305)의 직경 방향으로 작용하는 힘에 의해 웜축(305)이 웜휠(303) 방향으로 편향되면서 유격을 보상하게 된다.
또한, 이 경우 제 1 지지부(311)의 돌기부(327)와 제 2 지지부(313)의 오목부(329)의 형상이 구 형상 등으로 이루어져 있기 때문에 웜축(305) 및 탄성 부재(309)가 원활하게 움직일 수 있게 된다.
또한, 이 경우 완충 부재(315)는 제 1 베어링(307)이 부딪힐 때의 충격을 흡수하여 하우징(301)에 전달되는 충격을 감소시키는 완충 작용을 한다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 웜축의 움직임에 따라 웜축의 축 방향에 대해 변화하는 각도로 웜축을 탄지하는 탄성 부재를 구비함으로써 웜 및 웜휠 사이의 유격을 보상하는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 하우징과; 이 하우징 내에 구비되는 웜휠; 상기 하우징 내에서 상기 웜휠에 맞물리는 웜축; 이 웜축의 일단의 외주부에 장착되는 베어링; 및 상기 웜축의 움직임에 따라 상기 웜축의 축 방향에 대해 변화하는 각도로 상기 일단을 지지하는 탄성 부재;를 포함하는 전동식 조향장치에 있어서,
    상기 탄성 부재의 일단에 구비되는 제 1 지지부와,
    이 제 1 지지부에 일단이 접하고 타단은 상기 베어링의 외륜에 접하는 제 2 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 지지부에는 돌기부가 형성되고, 상기 제 2 지지부의 상기 일단에는 상기 돌기부를 수용하는 오목부가 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 베어링과 이격되거나 접할 수 있게 하우징의 내주에 설치된 완충 부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 부재의 타단이 안착되는 경사홈을 구비한 고정 부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 부재의 타단에는 외측에 돌기부가 형성된 제 3 지지부가 구비되고, 상기 돌기부를 수용하는 오목부가 구비되는 고정 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 고정 부재의 외주부와 상기 하우징의 내주부에는 회전 방지 구조가 구비되는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 회전 방지 구조는, 걸림 돌기와, 이 걸림 돌기가 수용되는 걸림 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 회전 방지 구조는, 상기 고정 부재의 외주부 및 상기 하우징의 내주부에 각각 형성되는 회전 방지 홀과, 이 회전 방지 홀에 삽입되는 스프링 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.
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