KR100828865B1

KR100828865B1 - 웜 휠 및 전동 파워 스티어링 장치

Info

Publication number: KR100828865B1
Application number: KR1020050060968A
Authority: KR
Inventors: 다까노리 구로까와; 히데오 마쯔바라; 아끼히꼬 시이나
Original assignee: 가부시키가이샤 제이텍트
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2008-05-09
Also published as: JP2006022883A; US7562601B2; EP1614935A1; US20060005652A1; EP1614935B1; JP4482802B2; KR20060049905A

Abstract

환형의 금속으로 된 코어부와, 코어부의 외주에 끼워 맞추어진 수지로 된 림부를 구비한다. 림부는 코어부의 외주를 덮고 외주에 치부를 형성하는 환형의 주체부와, 주체부로부터 직경 방향 내측(X)으로 연장되고 코어부의 제1 및 제2 측면의 외연부를 각각 덮는 한 쌍의 환형 플랜지를 포함한다. 제1 환형 플랜지는 코어부의 대응하는 측면에 형성된 오목부에 결합한다. 오목부의 바닥부는 직경 방향 외측(Y)에 관하는 언더 커트부를 포함한다.

코어부, 림부, 환형 플랜지, 웜 휠, 웜 축, 주체부

Description

웜 휠 및 전동 파워 스티어링 장치 {A WORM WHEEL AND AN ELECTRIC POWER STEERING}

도1은 본 발명의 일실시 형태의 웜 휠을 이용한 전동 파워 스티어링 장치의 모식적 단면도.

도2는 도1의 II-II선에 따르는 단면도.

도3은 웜 휠의 주요부의 단면도.

도4는 도3의 일부의 확대도.

도5는 본 발명의 다른 실시 형태의 웜 휠의 주요부의 단면도.

도6은 도5의 실시 형태의 웜 휠 코어부의 주요부의 측면도.

도7은 본 발명의 또 다른 실시 형태의 웜 휠 코어부의 주요부의 측면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 전동 파워 스티어링 장치

2 : 조타 부재

3 : 스티어링 샤프트

4, 6 : 자재 커플링

5 : 중간 축

7 : 피니언 축

7a : 피니언 기어

8 : 래크 바아

8a : 래크 기어

9 : 하우징

10 : 타이 로드

11, 29, 30 : 내륜

12 : 토션 바아

13 : 토크 센서

14 : ECU

15 : 구동 회로

16 : 전동 모터

18 : 웜 축

22 : 기어 하우징

23, 24 : 베어링

27, 28 : 제1 및 제2 베어링

31, 32 : 외륜

33, 34 : 베어링 보유 지지 구멍

35 : 나사 구멍

36 : 나사 부재

37 : 로크 너트

40 : 코어부

50 : 림부

52 : 주체부

71 : 상부 샤프트

72 : 하부 샤프트

본 발명은, 웜 휠 및 이를 구비하는 전동 파워 스티어링 장치에 관한 것이다.

자동차용의 전동 파워 스티어링 장치에는 감속기가 이용되고 있다. 예를 들어 컬럼형 EPS에서는 모터의 회전력을 웜에 전하고, 또한 웜 휠에 전함으로써 모터의 회전을 감속하여 모터의 출력을 증폭하고, 스티어링 조작을 토크 어시스트하도록 하고 있다.

그런데, 웜 및 웜 휠의 맞물림에는 적절한 백래쉬가 필요하지만, 예를 들어 돌층계 등의 악로(惡路)를 주행한 경우, 타이어로부터의 반력에 의해 상기의 백래쉬에 기인한 치타음으로 하여 발생하거나, 베어링 그 밖의 간극을 갖는 부품이 래틀음을 발생하는 경우가 있다. 이러한 소리가 차 실내에 소음으로서 전해지면 운전자에게 불쾌감을 부여하게 된다.

그래서, 통상적인 예로서 환형의 금속으로 된 코어부와, 코어부의 외주에 끼 워 맞추어진 수지로 된 림부를 구비하고, 림부의 외주에 치부를 형성하는 웜 휠이 이용된다(예를 들어 일본 특허 공개 평11-301501호 공보 참조).

그런데, 최근 전동 파워 스티어링 장치의 고출력화의 요구가 있고, 그로 인해 웜 휠로서 고온 환경 하에 있어서도 코어부와 림부와의 연결 강도가 확보되는 것이 요구되고 있다.

그래서, 본 발명의 과제는 내구성이 우수한 웜 휠 및 이를 구비하는 전동 파워 스티어링 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 환형의 금속으로 된 코어부와, 코어부를 인서트하여 성형된 수지를 포함하는 환형의 림부를 구비하고, 림부는 코어부의 외주를 덮고 외주에 치부를 형성하는 환형의 주체부와, 주체부로부터 직경 방향 내측으로 연장되고 코어부 한 쌍의 측면의 외연부를 각각 덮는 한 쌍의 환형 플랜지를 포함하고, 적어도 한 쪽의 환형 플랜지는 코어부의 대응하는 측면에 형성된, 직경 방향 외측에 관한 언더 커트부에 결합하고 있는 것을 특징으로 하는 웜 휠을 제공한다.

본 발명에서는, 림부의 환형 플랜지가 코어부의 직경 방향 외측으로 이동하는 것을 방지할 수 있으므로, 림부와 코어부의 연결 강도가 매우 향상된다. 그 결과, 예를 들어 고온 및 고 부하로 사용해도 높은 내구성을 확보하는 것이 가능해진다. 여기서, 직경 방향 외측에 관한 언더 커트부라 함은, 직경 방향 외측으로부터 보아 개방하고 있지 않은(보이지 않은) 면 요소의 것을 말한다.

또, 본 발명에 있어서, 상기 적어도 한 쪽의 환형 플랜지는 코어부의 대응하는 측면의 외연부에 형성된 환형 오목부에 끼워 맞추어지고, 이 환형 오목부의 바닥부에 상기 언더 커트가 형성되는 경우가 있다. 이 경우, 림부와 코어부와의 연결 강도를 보다 향상시킬 수 있다. 특히, 환형 플랜지가 코어부의 외주를 올라타는 것을 확실하게 방지할 수 있다.

상기의 웜 휠을 포함하는 전동 장치를 통해, 전동 모터의 동력을 조타 기구에 전달하여 조타 보조하는 전동 파워 스티어링 장치이면, 고출력화되어도 내구성이 우수하다.

본 발명의 바람직한 실시 형태를 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.

도1은 본 발명의 일실시 형태의 전동 파워 스티어링 장치의 모식적 단면도이다. 도1을 참조하여, 본 전동 파워 스티어링 장치(1)는 스티어링 휠 등의 조타 부재(2)에 연결되어 있는 스티어링 샤프트(3)와, 스티어링 샤프트(3)에 자재 커플링(4)을 통해 연결되는 중간 축(5)과, 중간 축(5)에 자재 커플링(6)을 통해 연결되는 피니언 축(7)과, 피니언 축(7)의 단부 근방에 설치된 피니언 기어(7a)에 맞물리는 래크 기어(8a)를 갖고 자동차의 좌우 방향으로 연장되는 전타 축으로서의 래크 바아(8)를 갖고 있다. 피니언 축(7) 및 래크 바아(8)에 의해, 래크 피니언 기구로 이루어지는 조타 기구(A)가 구성되어 있다.

래크 바아(8)는 차체에 고정되는 하우징(9) 내에 도시하지 않은 복수의 베어링을 통해 직선 왕복 운동 가능하게 지지되어 있다. 래크 바아(8)의 양단부는 하 우징(9)의 양측으로 돌출하고, 각 단부에는 각각 타이 로드(10)가 결합되어 있다. 각 타이 로드(10)는 대응하는 너클 아암(도시하지 않음)을 통해 대응하는 차륜(11)에 연결되어 있다.

조타 부재(2)가 조작되어 스티어링 샤프트(3)가 회전되면, 이 회전이 피니언 기어(7a) 및 래크 기어(8a)에 의해, 자동차의 좌우 방향에 따라서의 래크 바아(8)의 직선 운동으로 변환된다. 이에 의해, 차륜(11)의 전타가 달성된다.

피니언 축(7)은 조타 부재(2)에 연속되는 입력측의 상부 샤프트(71)와, 피니언(7a)을 설치하는 출력측의 하부 샤프트(72)로 분할되어 있고, 이들 상부 및 하부 샤프트(71, 72)는 토션 바아(12)를 통해 동일한 축선 상에서 상대 회전 가능하게 서로 연결되어 있다.

토션 바아(12)를 통하는 상부 샤프트(71) 및 하부 샤프트(72) 사이의 상대 회전 변위량에 의해 조타 토크를 검출하는 토크 센서(13)가 설치되어 있고, 이 토크 센서(13)의 토크 검출 결과는 ECU(Electric Control Unit : 전자 제어 유닛)(14)에 부여된다. ECU(14)에서는, 토크 검출 결과나 도시하지 않은 차속 센서로부터 부여되는 차속 검출 결과 등을 기초로 하여, 구동 회로(15)를 통해 조타 보조용의 전동 모터(16)를 구동 제어한다. 전동 모터(16)의 출력 회전이 전동 장치로서의 감속기(17)를 통해 감속되어 피니언 축(7)의 하부 샤프트(72)에 전달되고, 래크 바아(8)의 직선 운동으로 변환되어 조타가 보조된다.

감속기(17)는 전동 모터(16)에 의해 회전 구동되는 웜 축(18)과, 이 웜 축(18)에 맞물리는 동시에 피니언 축(7)의 하부 샤프트(72)에 일체 회전 가능하게 연 결되는 웜 휠(19)을 구비한다.

피니언 축(7)을 수용하는 하우징(20)은, 서로 끼워 맞추어지는 센서 하우징(21) 및 기어 하우징(22)을 포함한다. 피니언 축(7)의 하부 샤프트(72)는 웜 휠(19)을 끼운 양측에서 베어링(23, 24)을 통해 회전 가능하게 지지되어 있다. 베어링(23)은 센서 하우징(21)으로 보유 지지되고, 베어링(24)은 기어 하우징(22)으로 보유 지지되어 있다. 베어링(23, 24)은 예를 들어 볼 베어링으로 이루어진다.

도2를 참조하여, 웜 축(18)은 전동 모터(16)의 출력 축(25)과 동축 상에 배치된다. 웜 축(18)은 그 축 길이 방향으로 이격하는 제1 및 제2 단부(18a, 18b)를 갖고, 제1 및 제2 단부(18a, 18b) 사이의 중간부에 치부(18c)를 갖는다.

웜 축(18)의 제1 단부(18a)에 설치된 연결부(18d)와 전동 모터(16)의 출력 축(25)의 대향하는 단부라 함은, 예를 들어 셀렉션 끼워 맞춤을 이용하는 커플링(26)을 통해 동축 상에 동력 전달 가능하게 연결되어 있다.

웜 축(18)의 제1 및 제2 단부(18a, 18b)는, 대응하는 제1 및 제2 베어링(27, 28)을 각각 통해 기어 하우징(22)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 제1 및 제2 베어링(27, 28)은 예를 들어 볼 베어링으로 이루어진다.

제1 및 제2 베어링(27, 28)의 내륜(29, 30)이 웜 축(18)의 제1 및 제2 단부(18a, 18b)에 일체 회전 가능하게 끼워 맞추어져 있다. 각 내륜(29, 30)은 각각 웜 축(18)의 대응하는 서로 역 방향의 위치 결정 단부에 접촉하고 있다. 제1 및 제2 베어링(27, 28)의 외륜(31, 32)은 기어 하우징(22)의 대응하는 베어링 보유 지지 구멍(33, 34)에 회전 불가능하게 보유 지지되어 있다.

베어링 보유 지지 구멍(33)에 연속되는 나사 구멍(35)에는 나사 부재(36)가 나사 삽입되고, 나사 부재(36)가 제1 베어링(27)의 외륜(31)의 단부면에 접촉함으로써, 제1 베어링(27)을 웜 축(18)의 축 방향에 위치 결정하고 있다. 나사 부재(36)는 로크 너트(37)에 의해 지정(止定)되어 있다.

도1 및 도2를 참조하여, 웜 휠(19)은 피니언 축(7)의 하부 샤프트(72)의 축 방향 중간부에 일체 회전 가능하게 또한 축 방향 이동 불가능하게 연결되어 있다. 웜 휠(19)은 하부 샤프트(72)에 일체 회전 가능하게 결합되는 환형의 금속으로 된 코어부(40)와, 코어부(40)의 외주에 끼워 맞추어진 치부(51)를 갖는 수지로 된 환형의 림부(50)를 구비한다.

림부(50)는 그 성형 형 내에 코어부(40)의 일부를 삽입하여 합성 수지를 사출 성형하여 형성된다. 림부(50)에 이용하는 합성 수지로서는 PA6, PA66, PA46, PA11, PA12, PA6T, PA9T, PPA 등의 폴리아미드 외에, PPS(폴리페닐렌술피드), PEEK(폴리에테르에테르케톤), PAI(폴리아미드이미드), POM(폴리아세탈), PBT(폴리브틸렌테레프탈레이트), PET(폴리에틸렌테레프탈레이트)를 예시할 수 있다.

또, 상기 예시의 수지 또는 상기 예시의 수지를 조합시킨 것을 베이스 수지로서, AF(아라미드 섬유), GF(유리 섬유), CF(카본 섬유) 등의 강화 섬유를 충전하거나, 이황화 몰리브덴, PTFE(폴리테트라플로르에틸렌), HDPE(고밀도 폴리에틸렌) 등의 고체 윤활제를 혼합하여 이용해도 좋다.

이어서, 도3을 참조하여 코어부(40)는 피니언 축(7)의 하부 샤프트(72)를 끼워 맞추기 위한 중심 구멍으로서의 끼워 맞춤 구멍(41)을 구비한다. 코어부(40)의 외주(40a)에는 수지로 된 림부(50)와의 결합력을 높이기 위해, 예를 들어 인벌류트 스플라인(42)이 형성되어 있다. 코어부(40)는 제1 및 제2 측면(43, 64)을 갖고, 제1 측면(43)의 외연부(43a)에는 환형의 오목부(44)가 형성되어 있다. 또한, 코어부(40)의 제1 측면(43)에는, 예를 들어 환형을 이루는 두께 감소 구멍(45)이 마련되어 있다.

림부(50)는 코어부(40)의 외주를 덮고 그 외주에 치부(51)를 형성한 주체부(52)와, 주체부(52)로부터 직경 방향 내측으로 연장 설치되고, 코어부(40)의 제1 및 제2 측면(43, 64)의 외연부(43a, 64a)를 각각 덮는 제1 및 제2 환형 플랜지(53, 54)를 포함한다.

확대도인 도4를 참조하여, 코어부(40)의 환형의 오목부(44)의 깊이는 코어부(40)의 직경 방향 내측(X)으로 근접함에 따라서 점차 깊게 되어 있다. 즉, 오목부(44)의 바닥부(44a)는 직경 방향 외측(Y)에 관한 언더 커트부가 되어 있고, 이 언더 커트부로서의 바닥부(44a)에 결합하는 림부(50)의 제1 환형 플랜지(53)가 코어부(40)의 직경 방향 외측(Y)에 탈거하지 않도록 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 오목부(44)의 바닥부(44a)는 원뿔 테이퍼형으로 되어 있지만, 이에 한정되지 않으며, 단형을 이루는 것이라도 좋다. 또한, 언더 커트부는 오목부(44)의 바닥부(44a)의 일부에 형성되어 있어도 좋다.

여기서, 제1 환형 플랜지(53)의 두께(T)[림부(50)의 축 방향 폭에 상당]는 성형시 성형 수지의 유동성을 고려한 경우, 1 ㎜ 이상인 것이 바람직하다.

또, 제1 환형 플랜지(53)의 폭(W)[림부(50)의 직경 방향의 높이에 상당]은 코어부(40)로부터의 림부(50)의 탈거 강도를 고려한 경우, 2 ㎜ 이상인 것이 바람직하다.

또한, 오목부(44)의 바닥부(44a)의 언더 커트량(D)은 제1 환형 플랜지(53)의 오목부(44)의 바닥부(44a)에 대한 결합 강도(수지의 박리 강도에 상당)를 고려한 경우, 1 ㎜ 이상인 것이 바람직하다.

또, 오목부(44)의 바닥부(44a)에 결합하는 제1 환형 플랜지(53)의 기초부와 주체부(52) 사이의 내측 코너부(55)의 단면의 곡률 반경이나, 제1 환형 플랜지(53)의 선단부 모서리(56)의 단면의 곡률 반경은 0.5 ㎜ 이상으로 하는 것이, 이러한 부분으로의 응력 집중을 완화하는 데 있어서 바람직하다.

본 실시 형태에 따르면, 림부(50)의 제1 환형 플랜지(53)가 언더 커트부로서의 오목부(44)의 바닥부(44a)에 결합함으로써, 제1 환형 플랜지(53)가 코어부(40)의 직경 방향 외측(Y)으로 이동하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 림부(50)와 코어부(40)와의 연결 강도를 매우 향상시킬 수 있어 높은 강도와 내구성을 갖는 웜 휠(19)을 얻을 수 있다.

특히, 고온시에 림부(50)의 열팽창이 코어부(40)의 그것보다도 커져도, 상기의 언더 커트부의 작동으로, 제1 환형 플랜지(53)가 코어부(40)의 직경 방향 외측(Y)으로 이동하는 것을 확실하게 방지할 수 있다. 따라서, 고온 및 고 부하의 조건 하에서의 사용에도 충분히 견딜 수 있다.

웜 휠(19)을 고 강도화할 수 있으므로, 동일한 토크를 전달하는 경우에는 웜 휠(19)을 소직경화하거나 등, 소형ㆍ경량화하는 것이 가능해진다. 또, 웜 휠(19) 의 기어 모듈을 작게 함으로써, 감속비를 크게 할 수도 있고, 이에 의해 나아가서는 전동 모터(16)의 저 출력화가 가능해져 비용 절감에 이어진다.

또한, 소정의 두께(T)와 폭(W)을 갖는 제1 환형 플랜지(53)를 코어부(40)의 제1 측면(43)의 환형의 오목부(44)에 요철 끼워 맞추고 있으므로, 제1 환형 플랜지(53)가 코어부(40)의 외주측을 올라타도록 빠지는 것을 확실하게 방지할 수 있어, 림부(50)와 코어부(40)와의 연결 강도를 보다 향상시킬 수 있다.

본 웜 휠(19)을 포함하는 전동 장치로서의 감속기(17)를 전동 파워 스티어링 장치(1)에 적용함으로써, 웜 휠(19)의 내구성을 확보하여 전동 파워 스티어링 장치(1)의 고출력화에 대응할 수 있다.

본 발명은 상기의 실시 형태로 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 도5에 도시한 바와 같이 코어부(40)의 제1 측면(43)의 외연부(43a)의 오목부(44)의 바닥부(44a)의 일부를 깊게 하여, 이를 언더 커트부(44b)로 해도 좋다. 언더 커트부(44b)는 도6에 도시한 바와 같이 환형이라도 좋고, 도7에 도시한 바와 같이 오목부(44)의 바닥부(44a)에 있어서, 언더 커트부(44b)가 제1 측면(43)의 주위 방향의 일부에 1 내지 복수 설치되어도 좋다.

또, 제2 측면(64)에도 언더 커트부를 설치하도록 해도 좋다.

<실시예>

도3과 마찬가지의 형상의 실시예의 웜 휠을 제작하였다. 림부에 PA66을 이용하여 모듈을 1.65로 하고, 치수를 55매(감속비를 18.33)로 하였다. 또한, 도4를 참조하여 제1 환형 플랜지(53)의 두께(T)를 2.8 ㎜로 하고, 폭(W)을 3.65 ㎜로 하 고, 언더 커트량(D)을 1.33 ㎜로 하였다.

한편, 도3에 있어서 오목부(44)의 바닥부(44a)를 축 직각면으로서 언더 커트부를 폐지한 것만이, 실시예와 다른 비교예의 웜 휠을 제작하였다.

실시예 및 비교예의 최대 전달 토크(이뿌리 강도에 상당)를 100 ℃의 고온환경 하에서 측정한 바, 비교예가 14 Nㆍm인 데 반해, 실시예가 24 Nㆍm이며, 약 70 ％의 강도 향상이 달성되는 것이 실증되었다.

본 발명에 따르면, 내구성이 우수한 웜 휠 및 이를 구비하는 전동 파워 스티어링 장치를 제공할 수 있다.

Claims

웜 휠(19)은,

환형의 금속으로 된 코어부(40)와,

상기 코어부(40)를 성형 형 내에 삽입하고 수지를 사출 성형함으로써 형성된 환형의 림부(50)를 구비하고,

상기 코어부(40)는 제1 측면(43) 및 제2 측면(64)을 갖고, 제1 측면(43) 및 제2 측면(64)에는 각각 외연부(43a, 64a)가 구비되고, 제1 측면(43) 또는 제1 및 제2 측면(43, 64)의 직경 방향 외측(Y)에 형성된 언더 커트부를 갖고,

상기 림부(50)는 상기 코어부(40)의 외주를 덮고, 외주에 치부(51)를 형성하는 환형의 주체부(52)와, 상기 주체부(52)로부터 직경 방향 내측(X)으로 연장되고 코어부(40)의 제1 및 제2 측면(43, 64)의 외연부(43a, 64a)를 각각 덮는 한 쌍의 환형 플랜지(53, 54)를 포함하고,

상기 환형 플랜지 중 하나 이상은 상기 언더 커트부에 결합하는 웜 휠.
제1항에 있어서, 상기 코어부(40)의 제1 측면(43) 또는 제1 및 제2 측면(43, 64)의 외연부에는 환형 오목부(44)가 형성되고, 상기 환형 오목부(44)는 바닥부(44a)를 구비하며, 상기 환형 오목부(44)의 바닥부(44a)의 적어도 일부가 상기 언더 커트부로 형성되고, 상기 환형 플랜지(53, 54) 중 하나 이상은 상기 코어부(40)의 대응하는 측면(43, 64)의 외연부(43a, 64a)에 형성된 환형 오목부(44)의 언더 커트부에 결합하는 웜 휠.
제1항 또는 제2항에 기재된 웜 휠을 포함하는 전동 장치를 통해, 전동 모터의 동력을 조타 기구에 전달하여 조타 보조하는 전동 파워 스티어링 장치.