KR100816418B1 - 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템 - Google Patents

랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템에 관한 것으로서, 그 목적은 볼스크류를 랙의 중간측에 설치하고 랙의 일단측 지름을 축소 가공하여, 볼스크류의 가공 구간 감소와, 모터의 커넥터 및 센서의 보호, 그리고, 랙의 처짐으로 인한 부품간의 간섭 감소 및 볼너트로 집중되는 하중을 타측으로 분배하는 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템을 제공하는 것이며, 중공의 랙하우징과 연통되도록 마련된 모터와, 상기 모터에 의해 회전 가능하도록 그 내부에 설치된 모터샤프트와, 상기 랙하우징 및 모터의 외부측으로 연장되도록 상기 모터샤프트의 내부에 삽입 설치된 랙과, 상기 랙의 양단측을 지지하도록 마련되는 서포트요크 및 부시와, 상기 서포트요크와 부시 사이에 배치되는 상기 랙 외주면에 형성된 볼스크류와, 상기 볼스크류를 축방향 이동시킬 수 있도록 상기 모터샤프트의 내부에 설치되는 볼너트가 구비되는 구성이다.
Figure R1020020013807
R-EPS, 랙, 볼스크류, 가공 구간 감소, 볼너트, 처짐, 하중 분포

Description

랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템 {RACK ASSIST TYPE ELECTRIC POWER STEERING SYSTEM}
도 1은 종래의 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템의 정면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템의 정면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 랙을 보인 정면도이다.
도 4는 랙의 하중 분포를 보인 도면이다.
도 5는 랙의 처짐량을 보인 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템의 설치도이다.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
100:미션 101:배기관
110:랙하우징 111:랙
112:랙기어 113:서포트요크
114:부시 120:토크센서
121:입력축 130:타이로드
131:이너볼조인트 141:모터하우징
144:모터샤프트 145:커넥터
146:센서 150:볼스크류
151:단차부 160:볼너트
162:락스크류 170:랙스톱퍼
본 발명은 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 볼스크류의 설치 위치 및 설치 구조를 개선하여 볼스크류의 가공 구간 감소와, 모터의 커넥터 및 센서의 보호, 그리고, 랙의 처짐으로 인한 부품간의 간섭 감소 및 볼너트로 집중되는 하중을 타측으로 이동시키는 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 전동 파워스티어링 시스템은 전기동력을 이용하여 조향력을 배가시키는 것으로서, 이 가운데, 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템(R-EPS : Rack Assist Type Electric Power Steering System)은 기어박스의 내부에 설치되는 랙의 외측에 모터를 설치하고, 이 모터를 이용하여 랙을 왕복동시키는 것이다.
도 1은 이러한 종래의 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템을 보인 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 랙하우징(10)의 중간 일측에는 이와 교축되도록 토크센서(20)가 설치되고, 그 내부에는 운전자가 발생시킨 회전력을 전달받는 입력축(21)이 설치되며, 이 입력축(21)의 하단에는 피니언기어(22)가 형성된다.
그리고, 랙하우징(10) 내부에는 피니언기어(22)와 이물림되는 랙기어(12)가 중간 일측에 형성되며 이 랙기어(12)의 후방측에는 이를 피니언기어(22)측으로 미 는 서포트요크(미도시)가 설치되며, 랙(11)의 양단에는 차량의 타이어휠과 연결되어 이를 조향할 수 있도록 타이로드(30)가 연결 설치된다.
한편, 랙하우징(10)의 중간 타측에는 모터(40)가 설치되는데, 이 모터(40)는 랙하우징(10)과 연결 형성되는 모터하우징(41)과, 이 모터하우징(41)의 내부에 설치되는 고정자(42) 및 회전자(43)와, 이 회전자(43)의 내측에 고정 설치되어 회전자(43)와 연동되는 모터샤프트(44)를 구비한다.
또한, 모터샤프트(44)의 회전력을 랙(11)의 왕복동력으로 전환시킬 수 있도록 랙(11)의 외주면에는 반구형 단면의 나선형 홈으로 마련된 볼스크류(50)가 형성되고, 이의 외부에는 볼스크류(50)와 대응되도록 내부에 반구형 단면의 나선형 홈이 형성되어 볼(미도시)을 개재한 볼너트(60)가 설치된다.
이때, 볼너트(60)는 그 내부에서 볼이 순환될 수 있도록 리턴구조를 가지며, 이 볼너트(60)가 설치되는 모터샤프트(44)의 일단측은 볼너트(60)가 삽입될 수 있도록 외주측으로 확장 형성되고 이의 선단은 절곡되어 삽입된 볼너트(60)를 축방향 및 반경방향으로 고정하게 된다.
아울러, 랙하우징(10)의 중간측 내부에는 랙(11)의 원활한 축방향 이동 및 그 중간측이 처지는 것을 방지할 수 있도록 부시(13)가 설치됨으로써, 랙(11)은 중간측의 부시(13)와 일단측의 서포트요크(미도시) 및 타단측의 볼너트(60)에 의해 3점 지지된다.
또, 랙하우징(10)의 양측 선단에는 중공으로 마련되어 그 내부로 랙(11)이 이동 가능하도록 관통 형성된 랙스톱퍼(70)가 설치되고, 이 랙스톱퍼(70)의 외부측 으로는 타이로드(30)와 랙(11)을 연결할 수 있도록 양측으로 분리 형성되어 그 사이가 결합되는 이너볼조인트(31)가 설치된다.
이때, 이너볼조인트(31)는 랙스톱퍼(70)의 내부 지름에 비해 크게 형성되어 랙(11)이 일단측으로 최대한 이동되는 락 투 락(Lock to Lock) 작동을 할 때 랙스톱퍼(70)와 밀착되어 이동이 제한되므로, 이와 연결된 랙(11)의 스트로크를 결정하게 된다.
그러나, 이러한 종래의 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템은, 볼너트가 실제로 작동하는 구간보다 랙에 형성된 볼스크류 구간이 더 길게 마련되어 제작 단가가 상승하는 문제점이 있었다.
즉, 볼스크류는 중간측에서부터 가공할 수 없으므로 이를 위해 랙의 일단측에서부터 볼스크류의 가공을 시작하여 그 중간측까지 연장하게 되므로 불필요한 볼스크류의 구간이 형성되는 것이다.
그리고, 차량의 장착 구조상 볼너트가 랙 일단측에 위치함으로써 모터에 전원을 공급하는 커넥터 및 모터의 센서(BLDC 모터일 경우)가 차량의 중앙에 배치되는데, 대부분의 차량에서는 이와 인접하게 배기관 등이 통과하므로, 커넥터 및 센서가 열에 의해 손상되는 문제점이 있었다.
또, 차량에서는 랙에 수직으로 작용하는 하중으로 인해 랙의 처짐이 발생하게 되는데, 이 처짐에 의해 랙의 볼스크류와 랙스톱퍼의 간섭이 발생할 수 있으며, 이때 간섭에 의해 이상 마모(뜯김 등)가 발생되는 문제점이 있었다.
아울러, 볼너트가 랙 일단측에 위치함으로 인해 랙에 작용하는 수직하중이 랙의 세 지지점(서포트요크, 부시, 볼너트) 중에서 볼너트 측으로 가장 많이 집중되어 볼너트에서 진동과 소음이 발생되고, 볼스크류 내구성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 볼스크류를 랙의 중간측에 설치하고 랙의 일단측 지름을 축소 가공하여, 볼스크류의 가공 구간 감소와, 모터의 커넥터 및 센서의 보호, 그리고, 랙의 처짐으로 인한 부품간의 간섭 감소 및 볼너트로 집중되는 하중을 타측으로 분배하는 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템을 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템은, 중공의 랙하우징과 연통되도록 마련된 모터와, 상기 모터에 의해 회전 가능하도록 그 내부에 설치된 모터샤프트와, 상기 랙하우징 및 모터의 외부측으로 연장되도록 상기 모터샤프트의 내부에 삽입 설치된 랙과, 상기 랙의 양단측을 지지하도록 마련되는 서포트요크 및 부시와, 상기 서포트요크와 부시 사이에 배치되는 상기 랙 외주면에 형성된 볼스크류와, 상기 볼스크류를 축방향 이동시킬 수 있도록 상기 모터샤프트의 내부에 설치되는 볼너트가 구비되는 구성이다.
이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템의 정면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 입력축(121)이 내장된 토크센서(120)와, 이와 교차되며 내부에 랙(111)이 설치된 랙하우징(110)과, 랙(111)의 양단에 이너볼조인트(131)를 통해 연결된 타이로드(130)가 구비된다.
그리고, 랙하우징(110)의 양단 사이에는 이보다 큰 지름을 가지는 모터하우징(141)을 구비한 모터(140)가 설치되는데, 이 모터(140)의 내부에는 고정자(미도시)와 회전자(미도시)가 설치되고, 회전자의 내측으로는 이와 함께 연동되도록 중공의 모터샤프트(144)가 설치된다.
또, 모터(140)와 랙(111)의 사이에는 랙(111)을 축방향으로 동작시켜 배력을 발생시킬 수 있도록 동력전달구조가 마련되는데, 이 동력전달구조는 랙(111)의 외주면에 형성된 볼스크류(150)와, 그 사이에 볼(161)을 개재하여 볼스크류(150)의 외부측에 설치되는 볼너트(160)로서, 이 볼너트(160)는 모터샤프트(144)에 삽입되어 락스크류(162)에 의해 고정된다.
한편, 본 발명의 랙(111)은 도 3에 도시된 바와 같이, 중간측에 볼스크류(150)가 형성되고, 일단측에는 언더컷 가공한 단차부(151)가 형성되고, 타단측에는 피니언기어(미도시)와 맞물릴 수 있도록 랙기어(112)가 형성되며, 이 랙기어(112)의 후방측으로는 이를 피니언기어 측으로 밀어주는 서포트요크(113)가 설치된다.
이로써, 볼스크류(150)의 가공 구간 감소와, 모터(140)의 커넥터(145) 및 센서(146)의 보호, 그리고, 랙(111)의 처짐으로 인한 부품간의 간섭 감소 및 볼너트(160)로 집중되는 하중을 타측으로 분배할 수 있게 된다.
즉, 차량에서는 랙(111)에 수직으로 작용하는 하중으로 인해 랙(111)의 처짐이 발생하는데, 특히 랙(111)의 끝단측(C지점)에 하중이 가장 많이 집중되므로 이를 회피하기 위해 볼스크류(150)를 서포트요크(113)와 후술하는 부시(114) 사이에 배치되는 랙(111)의 중간측(B지점)으로 형성하는 것이다.
도 4와 도 5는 이러한 랙의 처짐 및 처짐량을 해석하여 도시한 것으로서, 이에 도시된 바와 같이, 수직하중(W)을 가할 때 랙(111)의 단차부(151)에는 가장 높은 반력(Rc)이 발생하게 되는데, 종래에는 이 부분(C지점)에 볼너트가 설치되어 있으므로, 볼너트에 하중 분포가 가장 높았지만, 본 발명에서는 이 부분(C지점)에 비해 보다 낮은 하중을 받는 랙(111)의 중간측(B지점)에 볼너트(160)가 설치된다.
즉, 본 발명에서는, 하중 분포가 가장 높은 위치에는 단순한 구조로 마련되어 랙(111)의 축방향 이동을 지지하는 부시(114)가 설치되고, 하중 분포가 비교적 낮은 위치에는 동력을 전달하는 볼스크류(150)와 볼너트(160)가 설치되어, 원활한 동력전달 및 이들의 내구성이 저하되는 것을 방지하게 된다.
이때, 볼스크류(150)를 랙(111)의 중간측에 형성하기 위해서는 랙(111)의 일단측으로부터 중간측까지 볼스크류(150)를 가공해야 하는데, 이러한 경우 볼너트(160)가 실제로 작동하는 구간보다 랙(111)에 형성된 볼스크류(150) 구간이 너무 길게 형성되므로, 이를 극복하기 위해 랙(111)의 일단측을 언더컷 가공하여 중간측에 비해 축소된 지름을 가지는 단차부(151)를 형성하는 것이다.
이로써, 단차부(151)가 형성되지 않은 랙(111)의 중간측과 인접한 부분부터 볼스크류(150)를 형성할 수 있어 볼스크류(150)의 길이를 필요한 만큼(볼너트 작동구간)만 조절하여 가공할 수 있게 되므로 볼스크류 가공에 드는 시간 및 비용을 줄일 수 있게 된다.
아울러, 랙하우징(110)의 양단에는 이너볼조인트(131)와 밀착되어 랙(111)의 이동을 제한하는 랙스톱퍼(170)가 마련되는데, 단차부(151)측으로 마련된 랙스톱퍼(170)는 그 내측에 설치된 부시(114)와 밀착되어 이의 지지를 받게 된다.
즉, 본 발명의 볼스크류(150)는 랙스톱퍼(170)와 이격되고, 종래의 볼스크류가 설치되던 위치에는 단차부(151)가 형성되므로 볼스크류(150)와 랙스톱퍼(170) 사이의 간섭(랙의 처짐에 의한 랙스톱퍼와 볼스크류의 접촉 및 랙스톱퍼에 볼스크류가 단속적으로 걸리는 것)으로 인한 이상 마모 및 뜯김 등이 방지되고, 랙스톱퍼(170)가 부시(114)에 의해 지지되어 처짐이 억제되며, 랙스톱퍼(170)와 단차부(151)의 간섭시에도 단속적으로 걸리지 않아 이상 마모가 방지된다.
또한, 본 발명에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 미션(100)과 인접한 차량의 엔진(미도시)으로부터 발생된 배기열이 배기관(101)을 통해 랙하우징(110)의 중간측을 통과하여 그 후방측으로 연장되는데, 이러한 열원으로부터 모터(140)의 커넥터(145)와 센서(146)를 보호할 수 있도록 모터(140)의 커넥터(145)와 센서(146)는 열원으로부터 멀리 이격되도록 모터(140)의 양측 중 랙의 중간측에서 멀리 떨어진 쪽의 모터 일단측에 배치된다.
즉, 모터(140)의 타단측(랙의 중간측)에 볼스크류(150)와 볼너트(160) 및 모터샤프트(144)가 배치되므로, 모터(140)의 커넥터(145)와 센서(146)는 자연스럽게 모터(140)의 일단측(랙의 일단측)에 배치되어 열원으로부터 보호되는 것이다.
이와 같이 구성된 본 발명의 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템은, 커넥터(145)를 통해 모터(140)에 전원이 공급되면 모터샤프트(144)가 회전하게 되어, 모터샤프트(144)의 선단에 고정 설치된 볼너트(160)가 이와 함께 연동하게 된다.
그리고, 볼너트(160)의 회전으로 인해 볼스크류(150)와의 사이에 설치된 볼(161)이 구름운동하여 볼너트(160)의 회전력을 랙(111)의 축방향 이동력을 전환시키게 되고, 이로 인해 배력이 발생되어 랙(111)을 이동시키게 된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템은, 랙의 중간측에 볼스크류가 형성됨으로 인해 볼스크류와 볼너트에 가해지는 하중이 줄어 이들의 동작이 원활해지고, 볼너트와 볼스크류 사이의 진동과 소음을 방지함과 더불어 이들의 내구성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
또, 랙스톱퍼의 내부에 삽입되는 단차부가 단순한 평면으로 마련되어 랙스톱퍼의 내부면과 단차부의 외부 사이의 간섭을 감소시킴과 동시에 이상 마모로 인한 손상을 방지할 수 있는 이점이 있다.
아울러, 볼스크류는 볼너트가 실제로 작동하는 구간에만 형성되므로, 복잡한 공정과 가공으로 마련되는 볼스크류의 길이를 최소화하여 제작단가를 낮출 수 있고, 모터에 전원을 공급하는 커넥터 및 모터의 센서가 열원인 배기관으로부터 멀리 이격되어 설치되므로, 이들을 보호할 수 있는 이점이 있다.

Claims (4)

  1. 중공의 랙하우징과 연통되도록 마련된 모터와, 이 모터에 의해 회전 가능하도록 그 내부에 설치된 모터샤프트와, 상기 랙하우징 및 모터의 외부측으로 연장되도록 상기 모터샤프트의 내부에 삽입 설치된 랙과, 상기 랙의 양단측을 지지하도록 마련되는 서포트요크 및 부시와, 상기 랙 외주면에 형성된 볼스크류와, 이 볼스크류를 축방향 이동시킬 수 있도록 상기 모터샤프트의 내부에 설치되는 볼너트가 구비된 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템에 있어서,
    상기 볼스크류는 서포트요크와 부시 사이에 배치됨과 더불어,
    상기 랙의 일단측에는 상기 볼스크류의 가공 구간을 감소시킬 수 있도록 지름을 축소한 단차부가 형성된 것을 특징으로 하는 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 부시는 상기 랙의 처짐량이 가장 많이 발생되는 상기 단차부의 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 모터에는 커넥터 및 센서가 설치되되 이들 커넥터 및 센서는 상기 모터의 양측 중 랙의 중간측에서 멀리 떨어진 쪽의 모터 일단측에 배치되는 것을 특징으로 하는 랙 구동식 전동 파워스티어링 시스템.
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