KR101299108B1 - 전기식 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하우징 내부에 설치되는 기어 및 기어 축의 조립 구조와 복원 스프링의 장착 구조를 개선함으로써 조립이 용이하고 부피를 감소시킬 수 있는 전기식 액추에이터에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 터보차저의 웨이스트 게이트를 구동시키기 위한 전기식 액추에이터에 있어서, 서로 마주보는 한 쌍의 플레이트를 가지는 하우징과; 상기 하우징의 플레이트들 사이에 설치되는 감속장치와; 상기 플레이트를 사이에 두고 상기 감속장치의 반대쪽에 설치되어 상기 감속장치에 동력을 공급하는 구동모터와; 상기 구동모터의 구동력을 상기 감속장치를 통하여 전달받아 상기 웨이스트 게이트에 연결되는 레버를 동작시키는 출력부재; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 액추에이터가 제공된다.

Description

전기식 액추에이터{ELECTRIC ACTUATOR}

본 발명은 터보차저의 전기식 웨이스트 게이트 액추에이터에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 하우징 내부에 설치되는 기어 및 기어 축의 조립 구조와 복원 스프링의 장착 구조를 개선함으로써 조립이 용이하고 부피를 감소시킬 수 있는 전기식 액추에이터에 관한 것이다.

일반적으로 내연 기관에서 발생하는 동력은 공기 질량 및 내연 기관에 공급 될 수 있는 연료량에 의존한다. 내연 기관의 동력을 증가시키는 것이 요망된다면, 더욱 많은 연소 공기와 연료를 공급하는 것이 필요하다. 동력의 이러한 증가는 흡기 엔진에서 용적(Cubic Capacity)의 증가 또는 회전 속도의 상승에 의해 이루어진다. 그러나 용적의 증가는 기본적으로, 비교적 무거우면서도 큰 크기를 갖는 고가의 내연 기관을 형성한다. 회전 속도의 증가는 특히 비교적 큰 내연 기관의 경우에 상당한 문제와 단점을 수반한다.

종종 내연 기관의 동력 증가를 위해 채택되는 기술적 해결 방법은 과급(Supercharging)이다. 이것은 배기가스 터보차저에 의해, 또는 엔진에 의해 기계적으로 구동되는 컴프레서(Compressor)에 의해 연소공기를 사전 압축 (Precompression) 시키는 것을 말한다. 배기가스 터보차저는, 공통 샤프트(Common Shaft)에 연결되고 동일한 회전 속도로 회전하는 컴프레서와 터빈을 본질적으로 포함한다. 터빈은, 일반적으로 무용하게 배출되는 에너지를 배기가스를 통해 회전 에너지로 변환하고, 이러한 터빈은 컴프레서를 구동한다. 컴프레서는 새로운 공기를 흡입하여, 사전 압축된 공기를 엔진의 개별 실린더에 공급한다. 증가된 양의 연료가 실린더에서 비교적 대량의 공기에 공급되며, 그 결과 내연 기관이 보다 큰 동력을 출력한다. 따라서 연소 과정이 추가로 바람직하게 영향받게 되며, 내연 기관이 더욱 높은 전체 효율 레벨을 갖게 된다. 또한, 터보차저로 과급되는 내연기관의 토크 프로파일이 매우 바람직하게 형성될 수 있다.

차량 제조업체로부터의 시리즈 인덕션 모터(Series Induction Motor)는 배기가스 터보차저를 사용함으로써, 내연기관에 넓은 범위의 구조적 간섭없이 상당히 최적화될 수 있다. 과급(過給)된 내연 기관은 일반적으로 비교적 낮은 비연료 소비율을 갖고 더욱 낮은 오염 물질 배출률을 갖는다. 더욱이, 터보 엔진은 배기가스 터보차저 자체가 추가의 소음기로서 작동하기 때문에 동일한 동력 레벨에서 일반적으로 흡기 엔진보다 조용하다.

큰 작동 회전 속도 범위를 갖는 내연 기관(예를 들어, 승용차용 내연 기관)에서, 높은 충전 압력은 낮은 엔진 회전속도에서 이미 요구된다. 이를 위해, 웨이스트 게이트 밸브(Waste Gate Valve)로 언급되는 충전 압력제어 밸브가 이러한 터보차저에 도입된다. 대응하는 터빈 케이싱(Turbine Casing)을 선택함으로써, 낮은 엔진 회전속도에서도 높은 충전 압력이 형성된다. 웨이스트 게이트 밸브는 엔진의 회전 속도가 증가함에 따라 충전 압력을 일정치로 제한한다.

차량의 엔진 흡기 및 배기 등의 정밀한 제어를 통한 연비 향상 및 배기 가스 저감을 위하여 다양한 종류의 액추에이터가 적용될 수 있는데, 최근에는 전자 제어를 위한 전기식 액추에이터의 적용이 보편화되고 있다.

전기식 액추에이터의 하우징 내에는, 모터의 회전속도는 감소시키고 토크를 증대하기 위하여 감속수단, 즉 다단의 기어가 적용되는데 기어의 원활한 동작을 위하여 기어 축이 견고하게 고정되어야 한다. 이를 위하여 일반적으로 하우징에 기어 축을 압입하고 기어 축의 반대쪽 끝을 별도의 뚜껑 또는 또 다른 하우징으로 고정하는데 이는 공정이 복잡하여 원가 상승의 요인이 된다.

또한 종래의 전기식 액추에이터에는, 고장을 대비하여 최종 출력 기어의 위치를 초기 위치로 복원하는 방향으로 비틀림 스프링이 장착되는데, 이러한 비틀림 스프링은 그 부피가 크고 기어의 축 방향으로 장착되어 부피가 큰 단점이 있다.

이러한 종래의 문제점들을 해결하기 위한 본 발명은, 하우징 내부에 설치되는 기어 및 기어 축의 조립 구조와 복원 스프링의 장착 구조를 개선함으로써 조립이 용이하고 부피를 감소시킬 수 있는 전기식 액추에이터를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 터보차저의 웨이스트 게이트를 구동시키기 위한 전기식 액추에이터에 있어서, 서로 마주보는 한 쌍의 플레이트를 가지는 하우징과; 상기 하우징의 플레이트들 사이에 설치되는 감속장치와; 상기 플레이트를 사이에 두고 상기 감속장치의 반대쪽에 설치되어 상기 감속장치에 동력을 공급하는 구동모터와; 상기 구동모터의 구동력을 상기 감속장치를 통하여 전달받아 상기 웨이스트 게이트에 연결되는 레버를 동작시키는 출력부재; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 액추에이터가 제공된다.

상기 하우징은, 서로 마주보는 상부 플레이트 및 하부 플레이트와, 상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트를 연결하는 연결 플레이트를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 감속장치는, 상기 구동모터의 구동축에 직접 장착되는 구동 기어와, 상기 출력부재가 연결되는 최종 출력 기어와, 토크를 증가시키도록 상기 구동 기어와 상기 최종 출력 기어 사이에 배치되는 하나 이상의 기어를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 최종 출력 기어의 기어축은 상기 하부 플레이트 및 상기 상부 플레이트 중 어느 하나에 형성된 관통구멍을 관통한 후 상기 하부 플레이트 및 상기 상부 플레이트 중 다른 하나에 대응되게 형성된 설치구멍에 안착되는 것이 바람직하다.

상기 구동 기어와 상기 최종 출력 기어 사이에 배치되는 하나 이상의 상기 기어의 기어축은 상기 하부 플레이트 및 상기 상부 플레이트 중 어느 하나에 형성된 관통구멍을 관통한 후 상기 하부 플레이트 및 상기 상부 플레이트 중 다른 하나에 대응되게 형성된 설치구멍에 안착되는 것이 바람직하다.

상기 최종 출력 기어와 상기 하우징 사이에는 탄성부재가 설치되어, 상기 구동 모터에 전원이 인가되지 않을 경우 상기 최종 출력 기어가 최초의 위치로 복귀될 수 있는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 하우징 내부에 설치되는 기어 및 기어 축의 조립 구조와 복원 스프링의 장착 구조를 개선함으로써 조립이 용이하고 부피를 감소시킬 수 있는 전기식 액추에이터가 제공될 수 있다.

그에 따라 본 발명에 따른 전기식 액추에이터에 의하면, 별도의 덮개나 상하부 하우징의 조립과 같은 복잡한 조립공정 없이 하우징에 대한 기어 및 기어 축의 조립에 이루어질 수 있게 된다.

또한, 기어의 축방향으로 장착되고 부피가 큰 비틀림 스프링을 사용하지 않아 조립이 간편해지고 장치 전체의 부피를 감소시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기식 액추에이터의 개략적인 사시도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기식 액추에이터를, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 터보차저의 전기식 웨이스트 게이트 액추에이터는, 마주보는 한 쌍의 플레이트를 가지는 하우징(10)과, 이 하우징(10)의 플레이트들 사이에 설치되는 감속장치(20)와, 이 감속장치(20)에 동력을 공급하는 구동모터와, 이 구동모터의 구동력을 감속장치(20)를 통하여 전달받아 웨이스트 게이트에 연결되는 레버(도시생략)를 동작시키는 출력부재(30)를 포함한다.

출력부재(30)는 구동모터의 회전운동을 감속장치(20)를 통해 전달받아 레버(도시생략)를 동작시킴으로써 터보차저의 웨이스트 게이트(도시생략)의 개방 정도를 조절할 수 있다. 감속장치(20)는, 구동모터의 회전 운동을, 속도를 감소시키는 대신 토크를 증대시켜 출력부재(30)에 전달한다.

본 발명에 따르면, 하우징(10)은 서로 마주보는 한 쌍의 플레이트, 즉 상부 플레이트(11) 및 하부 플레이트(13)를 포함한다. 상부 플레이트(11)와 하부 플레이트(13)는 연결 플레이트(16)에 의해 연결되어, 하우징(10)의 단면형상은 대략 ㄷ자 형태를 갖도록 이루어질 수 있다. 상부 플레이트(11)와 하부 플레이트(13)는 서로 평행하게 배치되고, 연결 플레이트(16)는 상부 및 하부 플레이트(11, 13)와 각각 직교하도록 배치되는 것이 바람직하다. 상부, 하부 및 연결 플레이트(11, 13, 16)는 하나의 판형 강체를 절곡시켜 형성할 수도 있고, 각각의 플레이트를 용접 등으로 접합시켜 형성할 수도 있다.

본 명세서에서 상하 방향은 도 1에 도시된 도면을 기준으로 하는 것이며, 실제로 본 발명의 전기식 액추에이터가 사용되는 상태를 기준으로 하는 것은 아니다.

도 1에는 하우징의 형태가 대략 ㄷ자 형태, 즉 상하면과 한쪽 측면이 막힌 육면체 형태를 가지는 것으로 도시하고 있지만, 이는 예시일 뿐이며 4방향의 측면 중에서 하나 이상의 측면이 막힌 형태를 가지도록 변형될 수 있음은 물론이다. 하우징이 모든 면이 막힌 육면체 형상을 가질 경우, 외부로부터 먼지나 습기의 침투를 방지할 수 있어 바람직하다.

하우징(10)의 하부 플레이트(13) 아래쪽에는 구동모터(도시생략)가 내장되는 원통형의 구동모터 수납부(14)가 형성될 수 있다. 구동모터의 교체 및 수리를 위해, 구동모터 수납부(14)의 하단은 뚜껑(15)에 의해 개폐가능하게 이루어질 수 있다.

구동모터의 구동축은 하부 플레이트(13)에 형성된 구동축 구멍(13a)을 관통하도록 설치되고, 구동축에는 감속장치(20)의 구동 기어(21)가 장착될 수 있다.

감속장치(20)는, 구동모터의 구동축에 직접 장착되는 구동 기어(21)와, 이 구동 기어(21)와 맞물리며 직경이 상이한 2개의 톱니부가 상하 복층 형태로 배치되도록 형성된 제1 기어(22)와, 이 제1 기어(22)와 맞물리며 직경이 상이한 2개의 톱니부가 상하 복층 형태로 배치되도록 형성된 제2 기어(24)와, 이 제2 기어(24)와 맞물리며 대략 부채꼴 형태를 가지는 최종 출력 기어(26)를 포함한다.

감속장치(20)와 구동모터는 하부 플레이트(13)를 중심으로 하여 서로 반대쪽에 위치된다.

도 1에는 구동 기어(21)와 최종 출력 기어(26) 사이에 2개의 기어가 설치되는 것으로 예시되어 있지만, 필요에 따라 감속장치(20)에 동력 전달을 위해 포함되는 기어의 개수는 변경될 수 있다.

제1 기어(22)는 제1 기어축(23)에 장착되고, 제2 기어(24)는 제2 기어축(25)에 장착되고, 최종 출력 기어(26)는 제3 기어축(27)에 장착된다. 제1 내지 제3 기어축(23, 25, 27)은 하우징의 하부 플레이트(13)에 형성된 각각의 관통구멍(13b)을 관통하도록 삽입되어 설치된다.

제3 기어축(27)을 예를 들어 설명하면, 조립시, 제3 기어축(27)의 상단이 하부 플레이트(13)의 해당 관통구멍(13b)에 삽입되면, 최종 출력 기어(26)를 장착시킨 다음, 상부 플레이트(11)의 해당 설치구멍(11a)에 제3 기어축(27)의 상단이 삽입되어 결합될 수 있도록 제3 기어축(27)을 계속해서 전진시킨다. 본 발명에 따르면, 제3 기어축(27)의 상단이 상부 플레이트(11)의 해당 설치구멍(11a)에 삽입되면, 하부 플레이트(13)의 해당 관통구멍(13b)을 통해 제3 기어축(27)이 빠져나오지 않도록 구성되어 있다.

도 1에는 제3 기어축(27)이 관통하도록 하부 플레이트(13)에 설치된 관통구멍(13b)만이 도시되어 있고, 제1 기어축(23)과 제2 기어축(25)이 관통하는 관통구멍은 도시하지 않았지만, 제1 기어축(23)과 제2 기어축(25) 역시 제3 기어축(27)과 동일한 방식으로 하우징(10)에 결합됨으로써 감속장치(20)의 구성이 완료될 수 있다.

또한, 도 1에 점선으로 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3 기어축(23, 25, 27)의 상단에 단차를 형성함으로써 각각의 기어축이 상부 플레이트(11)의 해당 설치구멍(11a)을 관통하지 않도록 구성할 수 있다.

필요에 따라, 각각의 기어축들은 상부 플레이트(11)를 관통하여 하부 플레이트(13)에 안착되도록 변경될 수 있음은 물론이다.

최종 출력 기어(26)가 장착된 제3 기어축(27)의 상단은 상부 플레이트(11)를 관통하여 외부로 노출될 수 있으며, 노출된 제3 기어축(27)의 상단에는 레버(도시생략)와 연결되는 출력부재(30)가 설치될 수 있다.

한편, 최종 출력 기어(26)와 하우징(10) 사이에는 탄성부재(40)가 설치되어, 구동 모터에 전원이 인가되지 않을 경우 최종 출력 기어(26)가 최초의 위치로 복귀될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 탄성부재(40)는 일단이 최종 출력 기어(26)에 고정되고 타단이 하우징(10), 상세하게는 하부 플레이트(13)에 고정되는 코일 스프링으로 이루어짐으로써, 제3 기어축의 주위에 설치되는 비틀림 스프링을 사용하는 것에 비해 조립작업이 간편해지고 탄성부재의 설치를 위한 부피도 감소시킬 수 있다.

이상과 같이 본 발명을 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

10 : 하우징 11 : 상부 플레이트
11a : 설치구멍 13 : 하부 플레이트
13a : 구동축 구멍 13b : 관통구멍
14 : 구동모터 수납부 15 : 뚜껑
16 : 연결 플레이트 20 : 감속장치
21 : 구동 기어 22 : 제1 기어
23 : 제1 기어축 24 : 제2 기어
25 : 제2 기어축 26 : 최종 출력 기어
27 : 제3 기어축 30 : 출력부재
40 : 탄성부재

Claims (5)

1. 터보차저의 웨이스트 게이트를 구동시키기 위한 전기식 액추에이터에 있어서,
   서로 마주보는 한 쌍의 플레이트를 가지는 하우징과;
   상기 하우징의 플레이트들 사이에 설치되는 감속장치와;
   상기 플레이트를 사이에 두고 상기 감속장치의 반대쪽에 설치되어 상기 감속장치에 동력을 공급하는 구동모터와;
   상기 구동모터의 구동력을 상기 감속장치를 통하여 전달받아 상기 웨이스트 게이트에 연결되는 레버를 동작시키는 출력부재;
   를 포함하며,
   상기 하우징은, 서로 마주보는 상부 플레이트 및 하부 플레이트와, 상기 상부 플레이트 및 상기 하부 플레이트를 연결하는 연결 플레이트를 포함하며,
   상기 감속장치는, 상기 구동모터의 구동축에 직접 장착되는 구동 기어와, 상기 출력부재가 연결되는 최종 출력 기어와, 토크를 증가시키도록 상기 구동 기어와 상기 최종 출력 기어 사이에 배치되는 하나 이상의 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기식 액추에이터.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 최종 출력 기어의 기어축은 상기 하부 플레이트 및 상기 상부 플레이트 중 어느 하나에 형성된 관통구멍을 관통한 후 상기 하부 플레이트 및 상기 상부 플레이트 중 다른 하나에 대응되게 형성된 설치구멍에 안착되며,
   상기 구동 기어와 상기 최종 출력 기어 사이에 배치되는 하나 이상의 상기 기어의 기어축은 상기 하부 플레이트 및 상기 상부 플레이트 중 어느 하나에 형성된 관통구멍을 관통한 후 상기 하부 플레이트 및 상기 상부 플레이트 중 다른 하나에 대응되게 형성된 설치구멍에 안착되는 것을 특징으로 하는 전기식 액추에이터.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 최종 출력 기어와 상기 하우징 사이에는 탄성부재가 설치되어, 상기 구동 모터에 전원이 인가되지 않을 경우 상기 최종 출력 기어가 최초의 위치로 복귀될 수 있는 것을 특징으로 하는 전기식 액추에이터.

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