KR101231411B1 - 장력보상기구를 구비한 전동식 조향장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 장력보상기구를 구비한 전동식 조향장치에 관한 것으로, 이는 모터축에 구동풀리를 구비하며 조향 보조 동력을 공급하는 모터와; 벨트를 통해 상기 모터축의 구동풀리에 연결되는 종동풀리를 갖추어 구동력을 전달받고, 볼을 매개로 랙바에 형성된 볼스크류와 맞물리는 볼너트로 구성되어 상기 구동력을 랙바에 전달하는 볼스크류부; 상기 구동풀리 및 종동풀리와 벨트를 둘러싸는 기어하우징 및; 이 기어하우징에 설치되고서, 상기 랙바에 대해 가해지는 벨트의 장력 방향과 반대되는 방향으로 랙바가 힘을 받도록, 상기 볼스크류부에 힘을 가하는 장력보상기구;를 포함하는 것을 특징으로 하여서, 벨트의 장력으로 인하여 랙바가 받는 힘을 상쇄시킴으로써, 랙바에서 일어나는 마찰 및 소음을 저감시킬 수 있게 된다.

Description

장력보상기구를 구비한 전동식 조향장치{Electric power steering apparatus with tension compensating mechanism}

본 발명은 전동식 조향장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 벨트의 장력으로 인하여 랙바가 받는 힘을 상쇄시킴으로써, 랙바에서 일어나는 마찰 및 소음을 저감시킬 수 있도록 된, 장력보상기구를 구비한 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 보조 동력을 공급하는 동력원인 유압 펌프가 엔진에 의해 구동되어 조향휠의 회전 여부와 관계없이 항상 에너지를 소모하는 데 비해서 전동식 조향장치는 조향휠이 회전하여 토크가 발생되면 전기 에너지로 구동되는 모터가 상기 토크에 비례하는 보조 동력을 공급한다. 따라서 전동식 조향장치를 사용하는 경우에는 유압식 조향장치를 사용하는 경우에 비해 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 전동식 조향장치 중 벨트 타입의 한 예를 도시한 구성도로서, 이에 도시된 전동식 조향장치는 조향휠(101)부터 양측 바퀴(108)까지 이어지는 조향계통(100) 및 이 조향계통에 보조 동력을 공급하는 보조동력기구(120)를 포함하여 구성된다.

조향계통(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 랙바(109)에 연결되고, 랙바(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 피니언기어(111)와 랙바(109)의 외주면 일측에 형성되어 있는 랙기어(112)가 서로 맞물려 구성되는 것으로, 랙-피니언 기구부(105)를 통해 피니언축(104)의 회전 운동이 랙바(109)의 직선 운동으로 변화하게 되어 있다. 따라서, 운전자가 조향휠(101)을 조작하면 피니언축(104)이 회전하고, 이에 따라 랙바(109)가 축 방향으로 직선 운동을 하며, 이로써 타이로드(106) 및 너클암(107)을 통해 바퀴(108)를 조향하게 되는 것이다.

보조동력기구(120)는 운전자가 조향휠(101)에 가하는 토크를 감지하고 감지된 토크에 비례하는 전기 신호를 출력하는 토크센서(121)와, 이 토크센서(121)로부터 전해지는 전기 신호에 기초하여 제어 신호를 발생하는 전자제어장치(ECU: Electronic Control Unit, 123), 이 전자제어장치(123)로부터 전해지는 제어 신호에 기초하여 보조 동력을 발생시키는 모터(130) 및, 벨트를 매개로 모터(130)에서 발생한 보조 동력을 랙바(109)에 전달하는 벨트식 전동장치(140)를 포함하여 구성된다.

따라서, 이러한 벨트 타입의 전동식 조향장치는 조향휠(101)의 회전에 의해 발생한 토크가 랙-피니언 기구부(105)를 거쳐서 랙바(109)에 전달되고, 발생된 토크에 따라 모터(130)에서 발생한 보조 동력이 벨트식 전동장치(140)에 의해 랙 바(109)에 전달되도록 구성된다. 즉, 조향계통(100)에서 발생한 토크와 모터(130)에서 발생한 보조 동력이 합쳐져서 랙바(109)를 축 방향으로 운동하도록 하는 것이다.

도 2는 도 1에 도시된 전동식 조향장치의 일부를 도시한 부분 단면도로서, 이 전동식 조향장치는 자동차의 가로 방향으로 연장되고 외주면 일측에 랙기어(112:도 1 참조)를 구비하는 랙바(109)와, 상기 랙기어(112)와 맞물리는 피니언기어(111:도 1 참조)를 구비하는 피니언축(104), 볼(201)을 매개로 랙바(109)에 형성된 볼스크류(203)와 맞물리는 볼너트(205)로 구성되는 볼스크류부(210), 상기 볼너트(205)와 모터축(221)을 연결하는 벨트식 전동장치(140) 및, 모터(130)를 포함하여 구성된다.

피니언축(104)은 도 1을 참조로 하여 전술한 바와 같이 조향축(102)을 통해 조향휠(101)에 연결된다.

외주면 일부에 소정 길이의 볼스크류(203)가 형성되어 있는 랙바(109)는 랙하우징(223)에 내장되어 있다.

벨트식 전동장치(140)는 모터축(221) 및 볼너트(205)를 연결하는 벨트(229) 를 포함하여 형성되며, 조향휠(101)에 가해진 토크에 비례하여 모터(130)에서 발생하는 보조 동력을 볼너트(205)를 통해 랙바(109)에 전달한다.

그런데, 이러한 벨트식 전동장치(140)는 랙바(109)의 진동과 충격 등이 모터(130)로 직접 전달되는 것을 방지하는 장점이 있는 반면에, 벨트나 풀리의 마모 등에 의하여 벨트의 장력이 변동함에 따라 벨트에서 진동이 발생하고, 그 진동이 차체에 전달되면서 소음을 일으키는 문제가 있었다.

또한, 조향시 모터축(221)이 회전하면서 벨트(229)를 구동하여 볼너트(205)를 회전시키게 되면 벨트의 장력에 의해 모터축(221)과 볼너트(205)를 구비한 랙바(109)가 서로 당기는 방향으로 힘이 작용한다. 이와 같이 작용하는 힘으로 인해 랙바(109)가 다소 휘어지게 되어, 랙하우징(223) 내에서 랙바(109)가 축 방향으로 직선 운동할 때 랙바(109)와 랙하우징(223) 사이의 마찰이 증대됨은 물론 심한 경우에는 소음이 커지게 되는 문제가 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 벨트의 장력으로 인하여 랙바가 받는 힘을 상쇄시킴으로써, 랙바에서 일어나는 마찰 및 소음을 저감시킬 수 있도록 된, 장력보상기구를 구비한 전동식 조향장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 모터축에 구동풀리를 구비하며 조향 보조 동력을 공급하는 모터와; 벨트를 통해 상기 모터축의 구동풀리에 연결되는 종동풀리를 갖추어 구동력을 전달받고, 볼을 매개로 랙바에 형성된 볼스크류와 맞물리는 볼너트로 구성되어 상기 구동력을 랙바에 전달하는 볼스크류부; 상기 구동풀리 및 종동풀리와 벨트를 둘러싸는 기어하우징 및; 이 기어하우징에 설치되고서, 상기 랙바에 대해 가해지는 벨트의 장력 방향과 반대되는 방향으로 랙바가 힘을 받도록, 상기 볼스크류부에 힘을 가하는 장력보상기구;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 장력보상기구를 구비하여 벨트의 장력으로 인해 랙바가 힘을 상쇄시킴으로써, 랙바에서 일어나는 마찰 및 소음을 저감시킬 수 있도록 되며, 이에 따라 상품성이 우수하게 되는 효과가 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도 록 하고 있음에 유의해야 한다.

전동식 조향장치 중 벨트 타입의 기본적인 구성은 도 1 및 도 2에 도시되어 있는바, 이들 도면에 도시된 바와 같이, 조향휠(101)과, 이 조향휠(101)에 연결되고 유니버설 조인트(103)를 매개로 피니언축(104)에 연결되는 조향축(102), 일측에 피니언기어(111)가 형성되어 있는 피니언축(104), 양쪽 바퀴(108)에 연결되고 일측에는 피니언기어(111)와 맞물리는 랙기어(112)가 형성되어 있는 랙바(109), 상기 조향휠(101)에 의해 발생된 토크에 비례하는 보조 동력을 일으키는 모터(130), 볼(201)을 매개로 랙바(109) 상에서 회전하도록 설치된 볼너트(205)를 갖춘 볼스크류부(210) 및, 상기 모터(130)의 모터축(221)과 볼너트(205)를 연결하는 벨트(229)를 포함하여 구성된다.

또, 랙바(109)는 양단이 타이로드(106)와 너클암(107)을 통해 자동차의 바퀴(108)에 연결되고, 그 대부분은 랙하우징(223)에 내장된다. 더불어, 랙바(109)는 벨트(229)를 매개로 모터축(221)으로부터 동력을 전달받도록 되어 있다.

모터(130)의 모터축(221)은 랙바(109)와 대략 평행하게 배치된다.

벨트(229)는 모터축(221) 및 볼너트(205)를 연결하여서, 조향휠(101)에 가해진 토크에 비례하여 모터(130)에서 발생한 보조 동력을 랙바(109)에 전달하는 역할을 한다. 필요에 따라 벨트(229)의 내주면에는 요철을 형성하여 미끄럼 없이 밀착하여 구동되도록 할 수도 있다.

도 3은 본 발명에 따른 전동식 조향장치의 요부를 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 볼스크류부의 축 방향 단면도이며, 도 5는 랙바에 대해 가해지는 힘들의 관계를 설명하기 위한 도면이다.

이들 도면에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 전동식 조향장치는, 모터축(221)에 구동풀리(301)를 구비하는 모터(130:도 1 참조)와; 벨트(229)를 통해 상기 모터축(221)의 구동풀리(301)에 연결되는 종동풀리(302)를 갖추어 구동력을 전달받고, 상기 구동력을 랙바(109)에 전달하는 볼스크류부(210); 상기 구동풀리(301) 및 종동풀리(302)와 벨트(229)를 둘러싸는 기어하우징(303) 및; 이 기어하우징(303)에 설치되고서, 상기 랙바(109)에 대해 가해지는 벨트(229)의 장력 방향과 반대되는 방향으로 랙바(109)가 힘을 받도록, 상기 볼스크류부(210)에 힘을 가하는 장력보상기구(310);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구동풀리(301)는 모터(130)의 모터축(221)에 결합되어 회전하고, 종동풀리(302)는 벨트(229)를 통해 구동풀리(301)에 연결되어 모터(130)의 구동력을 전달받게 된다. 또한, 종동풀리(302)는 볼스크류부(210)를 통해 랙바(109)에 연결되어, 결국 상기 구동력을 랙바(109)에 전달하게 된다.

기어하우징(303)은 구동풀리(301) 및 종동풀리(302)와 벨트(229)를 둘러싸도록 형성된다.

이 기어하우징(303)의 양측에 장력보상기구(310)가 설치되는바, 이 장력보상기구(310)는 상기 랙바(109)에 대해 가해지는 벨트(229)의 장력 방향과 반대되는 방향으로 랙바(109)가 힘을 받도록, 상기 볼스크류부(210)에 힘을 가함으로써 벨트(229)의 장력으로 인해 랙바(109)가 받는 힘을 상쇄시키기 위한 장치로, 요크(311)와 탄성부재(312) 및 요크커버(313)로 구성된다.

요크(311)는 기어하우징(303)에 형성된 실린더(304) 내에 삽입되어 랙바(109)에 대해 수직한 방향으로 왕복이동 가능한 부재이다. 이 요크(311)는 상기 실린더(304)의 형상과 상응하게 형성되는 것이 좋은데, 바람직하기로 실린더(304) 및 요크(311)는 원형 단면을 갖는다. 또, 상기 요크(311)가 볼스크류부(210)의 볼너트(205)와 접하는 단부는 수평한 평탄면이거나, 볼너트(205)의 외주면과 밀착할 수 있도록 소정의 곡률을 가진 만곡면으로 될 수 있다. 또한, 상기 요크(311)는 예컨대 구리와 같은 금속으로 만들어진다. 하지만, 상기 요크(311)의 형상과 재질은 전술된 것들에 한정되지 않고, 다각형의 단면을 갖거나 플라스틱 등의 다른 재질로 만들어질 수도 있음은 물론이다.

상기 요크(311)가 볼너트(205)와 접하는 단부의 반대쪽 단부에는 탄성부재(312)가 배치되는데, 이 탄성부재(312)는 상기 볼스크류부(210)에 힘을 가하는 역할을 하는 부재로서, 바람직하기로는 코일 스프링이 사용되나 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 탄성부재(312)가 요크(311)와 접하는 측부의 반대측부에는 요크커버(313)가 위치하여 탄성부재(312)를 지지한다. 이 요크커버(313)는 탄성부재(312)를 지지하여 요크(311)에 압력을 가하도록 한다. 상기 요크커버(313)의 외주면 일부에는 수나사형 나사산이 형성되어 있어, 암나사형 나사산이 형성된 상기 기어하우징(303)의 실린더(304) 내에 나사결합되도록 되어 있으며, 요크커버(313)의 외부에 공구가 삽입될 수 있는 홈이 형성되어 있어도 좋다.

이렇게 구성된 장력보상기구(310)는 기어하우징(303)의 양측면에서 볼스크류 부(210)에 인접하게 위치되되, 구동풀리(301)와 종동풀리(302)의 각 회전 중심을 지나면서 기어하우징(303)의 길이방향 중심선에 수직함과 더불어 서로 평행한 2개의 수평면을 가정하면, 기어하우징(303)의 양측면에서 종동풀리 쪽 수평면보다 높은 곳에 위치하여야 한다. 즉, 장력보상기구(310)는 기어하우징(303)의 밑면에 위치되지 않는다.

한편, 상기 볼스크류부(210)의 볼너트(205) 외주면에는 반경 방향으로 뻗은 플랜지부(305)가 적절히 형성되어 있어서, 이 플랜지부(305)의 끝면에 상기 장력보상기구(310)의 요크(311)가 맞닿을 수 있게 되어 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 전동식 조향장치에서는, 도 5에 도시된 바와 같이 조향시 모터축(221)이 회전하면서 벨트(229)를 구동하여 볼너트(205)를 회전시키게 되면 벨트(229)에 의해 모터축(221)과 볼너트(205)를 구비한 랙바(109)가 서로 당기는 방향으로 힘(T)이 작용하게 된다. 이때, 기어하우징(303)의 양측에 배치되고서 볼스크류부(210)에 힘(F)을 가하는 장력보상기구(310)에 의해 벨트(229)의 장력과 반대 방향으로 랙바(109)에 힘이 가해져, 결국 랙바(109)에서는 힘의 상쇄가 일어나 랙하우징(223) 내에서 랙바(109)가 축 방향으로 직선 운동할 때 랙바(109)와 랙하우징(223) 사이의 마찰이 생기지 않게 된다. 따라서, 마찰로 인한 소음이 발생하지 않게 되어서 상품성이 우수하게 된다.

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 명세서 에 개시된 실시예는 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.

도 1은 종래 기술에 따른 전동식 조향장치 중 벨트 타입의 한 예를 도시한 구성도이다.

도 2는 도 1에 도시된 전동식 조향장치의 일부를 도시한 부분 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 전동식 조향장치의 요부를 도시한 단면도이다.

도 4는 도 3에 도시된 볼스크류부의 축 방향 단면도이다.

도 5는 랙바에 가해지는 힘들의 관계를 설명하기 위한 도면이다.

Claims (5)

1. 모터축에 구동풀리를 구비하며 조향 보조 동력을 공급하는 모터와; 벨트를 통해 상기 모터축의 구동풀리에 연결되는 종동풀리가 일측 외주면에 구비되어 구동력을 전달받고, 볼을 매개로 랙바에 형성된 볼스크류와 맞물리며 외주면 중단부에는 반경 방향으로 뻗은 플랜지부가 형성되어 있는 볼너트로 구성되어 상기 구동력을 랙바에 전달하는 볼스크류부; 상기 구동풀리 및 종동풀리와 벨트를 둘러싸는 기어 하우징 및; 이 기어하우징의 양측에 설치되고서, 상기 랙바에 대해 가해지는 벨트의 장력 방향과 반대되는 방향으로 랙바가 힘을 받도록, 상기 볼너트의 플랜지부의 끝면에 맞닿아 힘을 가하는 장력보상기구;를 포함하되,

   상기 장력보상기구는, 기어하우징의 양측에 형성된 실린더 내에 삽입되어 랙바에 대해 수직한 방향으로 왕복이동 가능하며, 상기 볼너트의 플랜지부의 끝면에 맞닿는 요크와, 이 요크가 볼너트의 플랜지부와 접하는 단부의 반대쪽 단부에 배치되는 탄성부재 및, 이 탄성부재가 요크와 접하는 측부의 반대측부에 위치하여 탄성부재를 지지하는 요크커버로 구성되는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 탄성부재는 코일 스프링인 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 요크커버는 기어하우징에 나사결합되는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.
5. 삭제

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