KR101361916B1 - 수지부를 포함한 차량용 감속기어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수지부를 포함한 차량용 감속기어에 관한 것으로, 본 발명에 의하면, 부품의 성형성이 좋아지고, 부품이 온도 및 수분흡습에 따른 치수변화가 적게 되고 우수한 기계적 물성과 마찰특성을 갖게 되며, 특히 예컨대 전동식 파워 스티어링 장치용 웜감속기에 적용되는 경우에 래틀 노이즈 감소를 위한 별도의 유격보상장치가 필요 없게 되어 전체 장치의 제조비용 및 공급가격을 떨어뜨릴 수 있게 됨과 더불어, 파워 스티어링의 성능과 내구성을 크게 향상시키는 효과가 있게 된다.

Description

수지부를 포함한 차량용 감속기어{Reduction Gear for Vehicle having Resin Composition}

본 발명은 수지부를 포함한 차량용 감속기어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 차량용 감속기어의 수지부를, 폴리아미드 수지에 폴리에스터 수지를 혼합하고 이에 침상 유리섬유로 보강 형성함으로써, 성형성과 기계적 물성 특히 내구성 및 마찰특성이 우수하여 상대 부품을 마모시키지 않으면서 부품이 장시간 안정적으로 사용될 수 있게 하는 수지부를 포함한 차량용 감속기어, 예컨대 전동식 파워 스티어링 장치용 감속기어와 같은 차량용 감속기어에 관한 것이다.

일반적으로, 차량에 장착되는 파워 스티어링(power steering) 장치 중에는 모터에 의해 조향력이 조절되는 전동식 파워 스티어링 장치가 있으며, 이것은 차속 센서 및 조향 토크 센서 등과 같은 각종 센서에서 감지된 차량의 운행 조건에 따라 전자 제어 장치에서 모터를 정밀하게 구동하고, 모터에서 발생한 토크가 감속기어를 거쳐 조향컬럼에 전달되어서 이 조향컬럼에 연결된 조향휠을 조작하는 운전자의 조향을 돕게 된다.

이에 따라, 저속 주행시에는 가볍고 편안한 조향 상태를 제공하고, 고속 주행시에는 무겁고 안정적인 조향 상태를 제공하며, 돌발적인 비상 상황에서는 이에 대처하여 급속한 조향 운전이 가능하도록 하는 등 운전자에게 최적의 조향 조건을 유지할 수 있도록 하는 조향 성능을 제공한다.

이러한 전동식 파워 스티어링 장치는 장착되는 위치에 따라 여러 가지 종류로 나눠질 수 있는데, 컬럼 타입 전동식 파워 스티어링 장치는 운전석의 조향휠과 차량 하부의 기어박스를 연결하는 조향축을 차체에 고정하기 위한 조향컬럼 부위에다 모터를 구비한 파워 스티어링 장치를 설치하여, 운전자가 조작하는 조향휠의 회전력이 파워 스티어링 장치에 의해서 기어박스에 전달될 수 있도록 하는 장치이다.

도 1은 통상 사용되는 컬럼 타입 전동식 파워 스티어링 장치에 구비된 웜감속기의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.

이러한 웜감속기는 중간부에 웜(102)이 형성된 강(鋼)과 같은 금속 재질의 웜샤프트(104)가 구비되고, 웜샤프트(104)의 양단에는 웜베어링(106)이 각각 설치되어 웜샤프트(104)를 지지하며, 웜샤프트(104)와 모터축(108)이 연결되어 모터(110)의 구동에 의해 웜샤프트(104)가 회전하는 구조로 되어 있다.

감속기어로서 웜샤프트(104)의 중간부에 형성된 웜(102)과 치합될 수 있도록 웜(102)의 외경 일측에는 예컨대 수지 조성물로 된 웜휠(114)이 구비되며, 웜휠(114)은 운전자가 조작하는 조향휠(미도시)의 회전력을 전달하는 조향축(112)에 장착되어, 모터(110)의 구동에 의한 웜샤프트(104)의 회전력이 조향축(112)에 전달되게 된다. 웜기어 방식으로 치합되는 이들 웜휠(114)과 웜샤프트(104)는 외부로부터의 보호를 위해 하우징(116)의 내부에 장착되어 있다.

차량의 운행 조건에 따라 차량에 구비된 전자 제어 장치(미도시)가 모터(110)의 구동을 제어하고 모터(110)의 구동에 의한 웜샤프트(104)의 회전력이 운전자가 조작하는 조향휠의 회전력에 부가되어 조향축(112)에 전달됨으로써 운전자의 조향 운전 상태를 부드럽고 안정적으로 유지할 수 있게 되는 것이다.

여기서, 상기와 같은 웜감속기 또는 감속기어는 모터의 회전수를 감속하여 조향축에 전달하는 역할을 하는 것으로, 전술한 바와 같이 수지 조성물로 된 기어와 금속 재질로 된 기어가 쌍으로 구성될 수 있다.

상기 수지 조성물로는, 내피로성과 치수안정성 또는 제조 비용을 고려하여, 보강재를 함유하지 않은 MC(Monomer Casting) 나일론이나, 유리섬유와 같은 섬유 보강재를 배합한 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리아미드 46, 폴리아미드 12 등이 사용되고 있다.

그러나, 전술한 수지 조성물은 수지의 흐름성이 떨어져 성형성이 좋지 않고, 수분흡습으로 인한 팽창과 수축으로 치수안정성이 떨어지며, 고온에서는 치수변형량이 크게 되어서, 고온다습한 지역(예컨대 중동, 아프리카 등)에서는 기어치의 변형 또는 팽창에 의한 회전토크가 증가되어 웜감속기는 물론 전동식 파워 스티어링 장치 전체의 성능이 저하되는 큰 문제점이 있었다.

또한, 기어치의 마모에 의한 백래쉬(backlash)의 증가로 인하여 진동 및 래틀 노이즈(rattle noise)가 일어나게 되며, 특히 오프로드(off-road) 상에서는 이러한 진동 및 래틀 노이즈가 차량의 실내에까지 전달되어 운전자에게 불쾌감을 야기시키는 문제점도 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 배경에서 안출된 것으로, 성형성이 우수함과 동시에 온도 및 수분흡습에 대한 치수안정성과 마찰특성 등을 포함한 여러 기계적 물성이 우수하면서 부품이 장시간 안정적으로 사용될 수 있게 하고, 웜 기어와의 치합시 내구가 진행되면서 마모로 인한 백래쉬 증대로 발생되는 래틀 노이즈를 없애는 데에 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수지부를 포함한 차량용 감속기어에 있어서, 상기 수지부는 폴리아미드 수지를 베이스로 하며, 폴리에스터 수지가 혼합되고, 원기둥 형태의 침상 유리섬유가 보강되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 수지부를 포함한 차량용 감속기어를 제공한다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 부품의 성형성이 좋아지고, 부품이 온도 및 수분흡습에 따른 치수변화가 적게 되고 우수한 기계적 물성과 마찰특성을 갖게 되며, 특히 예컨대 전동식 파워 스티어링 장치용 웜감속기에 적용되는 경우에 래틀 노이즈 감소를 위한 별도의 유격보상장치가 필요 없게 되어 전체 장치의 제조비용 및 공급가격을 떨어뜨릴 수 있게 됨과 더불어, 파워 스티어링의 성능과 내구성을 크게 향상시키는 효과가 있게 된다.

도 1은 통상 사용되는 컬럼 타입 전동식 파워 스티어링 장치에 구비된 웜감속기의 내부 구조를 나타낸 단면도;
도 2는 본 발명에 따른 수지 조성물에 사용되는 침상 유리섬유의 한 예를 나타낸 사진;
도 3은 폴리아미드 수지에 침상 유리섬유를 첨가한 수지 조성물로 형성된 웜휠의 한 예를 나타낸 사진;
도 4는 폴리아미드 수지에 침상 유리섬유를 첨가하고 폴리에스터 수지를 3 중량%로 혼합한 수지 조성물로 형성된 웜휠의 한 예를 나타낸 사진;
도 5는 폴리아미드 수지에 침상 유리섬유를 첨가하고 폴리에스터 수지를 5 중량%로 혼합한 수지 조성물로 형성된 웜휠의 한 예를 나타낸 사진;
도 6은 본 발명에 따른 수지 조성물로 구성된 웜휠과, 종래기술에 따른 수지 조성물로 구성된 웜휠과의 내구횟수별 백래쉬량을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 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 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1에 도시되고 전술한 바와 같이, 통상 컬럼 타입 전동식 파워 스티어링 장치에 장착되는 웜감속기는, 중간부에 웜(102)이 형성된 강(鋼)과 같은 금속 재질의 웜샤프트(104)가 구비되고, 이 웜샤프트(104)의 중간부에 형성된 웜(102)과 치합될 수 있도록 웜(102)의 외경 일측에는 예컨대 수지 조성물로 된 수지부가 형성된 웜휠(114)이 구비된다.

이러한 웜휠(114)은 금속 재질로 된 보스의 원주면에다, 외주면에 기어치가 형성된 수지부가 일체로 구성되어 있는데, 본 발명의 실시예에 있어서 이 수지부는 폴리아미드 수지를 베이스(base)로 하며 폴리에스터 수지가 혼합되고, 원기둥 형태의 침상 유리섬유를 강화제로 첨가하여 형성된다.

본 발명의 실시예에 따른 수지부를 포함한 차량용 감속기어는, 폴리아미드 수지를 베이스로 하는 수지부에 폴리에스터 수지가 혼합되고, 도 2에 도시된 것처럼 원기둥 형태의 침상 유리섬유가 보강되는 특징이 있다.

여기서, 상기 폴리아미드 수지는 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리아미드 46, 폴리아미드 12 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 폴리에스터 수지는 1~10 중량%로 혼합되는데 바람직하게는 3~5 중량%로 혼합되는 것이 좋다.

그리고, 폴리아미드 수지와 폴리에스터 수지가 혼합된 수지 조성물에 6 ~ 15㎛의 원주길이와 100 ~ 800㎛의 세로길이를 갖는 원기둥 형태의 침상 유리섬유가 보강되는 특징이 있다.

또한, 상기 침상 유리섬유는 10 ~ 30 중량%로 보강된다. 따라서, 월휠 기어와 웜 기어가 맞물리며 작동되는 것이 누적되어도 종래처럼 폴리라미드 수지로만 웜휠이 형성되는 경우에 비하여 상대 부품을 마모시키지 않으면서 부품이 장시간 안정적으로 사용될 수 있게 된다.

아래의 표 1은, 폴리아미드 66을 베이스로 하고 6 ~ 15㎛의 원주길이와 100 ~ 800㎛의 세로길이를 갖는 원기둥 형태의 침상 유리섬유를 25 중량%로 보강한 수지 조성물과, 폴리아미드 66을 베이스로 하고 6 ~ 15㎛의 원주길이와 100 ~ 800㎛의 세로길이를 갖는 원기둥 형태의 침상 유리섬유를 25 중량%로 보강한 수지 조성물에 혼합되는 PET 수지의 혼합비율 별로 각각의 물성을 비교하여 평가하며 나타내고 있다.

	인장강도 (kgf/cm2)	신율 (%)	굴곡강도 (kgf/cm2)	경도 (HRM)	비중
PA66+GF25%	1863	5.0	2877	97	1.30
PA66+GF25%+PET3%	1829	4.8	2939	97	1.30
PA66+GF25%+PET5%	1833	4.3	2996	98	1.30
PA66+GF25%+PET10%	1761	3.5	2878	98	1.31
PA66+GF25%+PET20%	1686	3.0	2505	99	1.32

그 결과, 본 발명에 따라 폴리아미드 66을 베이스로 하고 6 ~ 15㎛의 원주길이와 100 ~ 800㎛의 세로길이를 갖는 원기둥 형태의 침상 유리섬유를 25 중량%로 보강한 수지 조성물에 폴레에스터 수지를 혼합하는 경우, 폴리에스터 수지의 혼합 비율이 1 ~ 10 중량% 까지는 경도와 인장강도, 신율, 굴곡강도 등에서 폴리아미드 66에 침상 유리섬유만을 보강한 경우와 비교하여, 평균수준 이상의 특성을 구비함 알 수 있다.

또한, 도 3 내지 도 5를 참도해 보면, 먼저 도 3에 도시된 것처럼 폴리아미드 66을 베이스로 하고 6 ~ 15㎛의 원주길이와 100 ~ 800㎛의 세로길이를 갖는 원기둥 형태의 침상 유리섬유를 25 중량%로 보강한 수지 조성물로 형성된 웜휠의 경우에는, 성형시 수지 조성물의 흐름이 원활하지 못해서 내부에 기포가 발생하고 웜휠의 치 형성 부위가 매끄럽게 형성되지 못하고 있다.

그러나, 도 4에 도시된 것처럼 폴리아미드 66을 베이스로 하고 6 ~ 15㎛의 원주길이와 100 ~ 800㎛의 세로길이를 갖는 원기둥 형태의 침상 유리섬유를 25 중량%로 보강한 수지 조성물에 PET 수지를 3 중량%로 혼합한 수지 조성물로 웜휠을 형성한 경우에는, 성형시 수지 조성물의 흐름이 원활하게 이루어져서 내부에 기포가 발생하지 않고 웜휠의 치 형성 부위가 매끄럽게 형성되고 있다.

다만, PET 수지의 양이 이보다 증대되어 5 중량%인 경우에는 수지와 침상 유리섬유간의 결합력이 떨어지기 시작해서 도 5에 도시된 것처럼 웜휠의 치 형성 부위가 PET 수지가 3 중량%인 경우에 비해서는 성형성이 저하되기 시작한다.

그리고, 폴리에스터 수지의 수분 흡수율은 폴리아미드 수지의 흡수율에 비해서 5 ~ 6 %에 불과하기 때문에 폴리에스터 수지의 혼합 비율이 높아질수록 수분 흡습에 따른 웜휠의 치수 변화가 작아지게 된다.

따라서, 폴리아미드 수지에 폴리에스터 수지가 혼합되고, 원기둥 형태의 침상 유리섬유가 보강된 수지 조성물로 구성된 웜휠은, 성형성이 우수해 짐과 동시에 온도 및 수분흡습에 따른 치수변화가 적게 되고 우수한 마찰특성을 갖게 되어, 웜과 같은 상대 부품을 마모시키지 않으면서 장시간 안정적으로 치수 변형 없이 사용될 수 있게 된다.

그리, 도 6은 본 발명에 따라 폴리아미드 수지에 폴리에스터 수지를 혼합하고 원기둥 형태의 침상 유리섬유를 보강한 수지 조성물로 구성된 웜휠과, 단순히 폴리아미드 수지에 원기둥 형태의 침상 유리섬유를 보강한 수지 조성물로 구성된 웜휠과의 내구횟수별 백래쉬량을 나타낸 그래프이다.

이를 참조해 보면, 예컨대 전동식 파워 스티어링 장치용 웜감속기에 적용되는 경우에 있어서, 내구횟수가 증가함에 따라서 백래쉬의 증가가 큰 차이를 보이지 않고 그 범위도 1/60 도 범위 내에서 나타나고 있음을 알 수 있다.

즉, 폴리아미드 수지에 원기둥 형태의 침상 유리섬유를 보강한 수지 조성물에 폴리에스터 수지를 혼합하여도 백래쉬의 증가는 거의 없으면서도, 전술한 바와 같이 웜휠 성형시 수지 조성물의 흐름이 원활하게 이루어져서 내부에 기포가 발생하지 않고 웜휠의 치 형성 부위가 매끄럽게 형성되며, 더욱이 수분 흡습에 따른 웜휠의 치수 변화가 작아지게 되는 효과를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

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.

예를 들어, 본 명세서에서는 주로 컬럼 타입 전동식 파워 스티어링 장치에 장착되는 웜감속기의 웜휠에 본 발명이 적용된 실시예에 대해 기술하였지만, 이에 한정되지 않고 평기어나 헬리컬기어, 베벨기어 또는 하이포이드기어 등과 같이 다양한 형태의 감속기어에도 적용될 수 있음은 물론이다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 부품의 성형성이 좋아짐과 동시에 부품이 온도 및 수분흡습에 따른 치수변화가 적게 되고 우수한 마찰특성을 갖게 되며, 특히 예컨대 전동식 파워 스티어링 장치용 웜감속기에 적용되는 경우에 래틀 노이즈 감소를 위한 별도의 유격보상장치가 필요 없게 되어 전체 장치의 제조비용 및 공급가격을 떨어뜨릴 수 있게 됨과 더불어, 파워 스티어링의 성능과 내구성을 크게 향상시키는 효과가 있게 된다.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.

또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 수지부를 포함한 차량용 감속기어에 있어서,
   상기 수지부는 폴리아미드 수지를 베이스로 하며, 폴리에스터 수지가 혼합되고, 원기둥 형태의 침상 유리섬유가 혼합 보강되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 수지부를 포함한 차량용 감속기어.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 폴리에스터 수지는 1 ~ 10 중량%로 혼합되는 것을 특징으로 하는 수지부를 포함한 차량용 감속기어.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 폴리에스터 수지는 3 ~ 5 중량%로 혼합되는 것을 특징으로 하는 수지부를 포함한 차량용 감속기어.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 침상 유리섬유는 6 ~ 15㎛의 원주길이와 100 ~ 800㎛의 세로길이를 갖는 것을 특징으로 하는 수지부를 포함한 차량용 감속기어.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 침상 유리섬유는 10 ~ 30 중량%로 혼합 보강되는 것을 특징으로 하는 수지부를 포함한 차량용 감속기어.
   

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