KR101423949B1 - 전동식 파워 스티어링 장치 - Google Patents

전동식 파워 스티어링 장치 Download PDF

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KR101423949B1
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shaft
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KR1020130104702A
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정명철
손중락
김선구
이영두
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한국델파이주식회사
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Abstract

전동식 파워 스티어링 장치는, 모터, 웜 기어를 구비하며 상기 모터의 출력을 전달받는 웜 샤프트, 상기 웜 기어에 치합되는 웜 휠, 상기 웜 샤프트를 지지하는 베어링 어셈블리, 그리고 상기 베어링 어셈블리를 상기 웜 휠을 향해 상기 웜 샤프트의 반경 방향으로 지지하는 바이어싱(biasing) 부재를 포함한다. 상기 바이어싱 부재는 상기 베어링 어셈블리의 외주면을 감싸는 일측이 개방된 고리 형태를 가지고, 상기 바이어싱 부재의 상기 개방된 부분은 외측으로 말려서 탄성력 제공부를 형성한다.

Description

전동식 파워 스티어링 장치{Electric power steering apparatus}
본 발명은 차량의 전동식 파워 스티어링 장치에 관한 것이다.
모터의 구동력을 이용하여 차량의 조향력을 어시스트(assist)하는 전동식 파워 스티어링 장치가 차량에 적용되고 있다.
종래의 전동식 파워 스티어링 장치 중 웜(warm) 및 웜 휠(worm wheel)의 치합에 의해 조향 보조력을 전달하는 방식은, 모터, 모터 커플링(motor coupling), 웜 샤프트(worn shaft), 웜 휠(worm wheel) 순서의 감속 경로를 통하여 모터의 속도를 감속시키고 모터 구동력을 배력시켜 스티어링 칼럼(steering column)으로 전달하는 구조를 가진다.
그러나 이러한 종래의 전동식 파워 스티어링 장치는 웜 휠과 웜 샤프트의 기어 치(gear teeth)의 제작 공차, 가공 정밀도, 관련 부품 제작 및 조립 공차의 확대로 인하여 기어 축간 거리 공차 불량 등으로 인하여, 웜 및 웜 휠의 기어의 치합 부위의 백래쉬(back-lash) 발생 및 물림율 저하 등의 문제가 발생할 수 있으며, 또한 이로 인한 래틀 노이즈(rattle noise)의 발생 및 동력 전달 효율 저하 등의 문제가 있다. 또한 장기간의 사용으로 인한 관련 부품의 내구성 저하 및 마모로 인한 기어 치 치합 부위의 백래쉬 증가 및 물림율 저하로 인한 래틀 노이즈의 발생 및 동력 전달 효율 저하 등이 발생할 수 있다. 나아가 차량의 험로 주행 시, 차륜으로부터 전달되는 충격이 윔 휠 및 웜 샤프트에 전달되고 이러한 충격은 웜 휠과 웜 샤프트 치합 부위에 순간적으로 불완전한 기어 물림을 유발할 수 있으며, 이로 인한 래틀 노이즈의 발생 및 관련 부품의 마모에 의한 내구 성능 저하 등이 발생할 수 있다.
이러한 문제들을 해결하기 위해, 통상적으로 웜 샤프트를 지지하는 베어링을 자동 조심형 베어링으로 적용하기도 하나, 유격을 흡수하는데 한계가 있으며, 또한 불완전한 기어 치합 부위에서 발생하는 백래쉬 및 노이즈 발생을 줄이기 위해 통상 래틀 노이즈 방지 스프링을 이용하여 웜 샤프트를 웜 휠 방향으로 가압하여 주는 유격 방지 수단을 구성하기도 하나, 거친 노면 주행 시 차륜으로부터 웜 휠에 충격이 전달될 때 웜 샤프트의 후방 밀림을 방지할 수 없으므로 근본적인 해결 방안이 되지 못한다. 또한 웜 샤프트의 후방 밀림을 줄이기 위해 래틀 노이즈 방지 스프링의 스프링 포스를 증가시킬 경우, 웜 휠 및 웜 샤프트 사이의 마모를 촉진시키고 기어 치합 부위의 마찰력을 증대시켜 조향 휠의 복원 성능을 저하시키고 차량 선회 및 복원 시 조향감과 차량의 동적 거동 성능을 떨어뜨리는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 웜 샤프트, 웜 휠 등 관련 부품의 설계 및 제작 공차, 조립 공차 등을 흡수하여 기어 치 치합 부위에서 발생하는 틈새를 줄이고 차량 운행 중 차륜으로부터 전달되는 충격과 감속기 작동 중 발생하는 기어 치합 부위의 백래쉬 발생, 내구 진행 및 마모로 인한 기어 치 백래쉬 증가, 이로 인한 래틀 노이즈 발생 및 조향감 저하를 방지하며 웜 샤프트의 축방향 이동 및 진동을 흡수하고 축 직각 방향으로 적당한 압력을 가하여 웜 휠과의 치합 부위에 백래쉬를 줄이면서 기어 물림율을 증대시키고 마찰력을 줄일 수 있는 전동식 파워 스티어링 장치를 제공하는 것이며, 나아가 차륜으로부터 웜 휠에 충격이 전달될 때 웜 샤프트가 후방으로 밀려나면서 기어 치 치합 부위에 발생하는 백래쉬 및 이로 인한 노이즈 발생을 억제할 수 있는 전동식 파워 스티어링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치는, 모터, 웜 기어를 구비하며 상기 모터의 출력을 전달받는 웜 샤프트, 상기 웜 기어에 치합되는 웜 휠, 상기 웜 샤프트를 지지하는 베어링 어셈블리, 그리고 상기 베어링 어셈블리를 상기 웜 휠을 향해 상기 웜 샤프트의 반경 방향으로 지지하는 바이어싱(biasing) 부재를 포함한다. 상기 바이어싱 부재는 상기 베어링 어셈블리의 외주면을 감싸는 일측이 개방된 고리 형태를 가지고, 상기 바이어싱 부재의 상기 개방된 부분은 외측으로 말려서 탄성력 제공부를 형성한다.
상기 바이어싱 부재는 상기 웜 샤프트가 설치되는 하우징의 설치 구멍에 배치될 수 있으며, 상기 하우징의 설치 구멍에는 상기 바이어싱 부재의 탄성력 제공부가 삽입되는 삽입 홈이 구비될 수 있고, 상기 탄성력 제공부는 상기 삽입 홈에 삽입되어 상기 베어링 어셈블리를 상기 웜 샤프트의 반경 방향으로 틸팅시키는 바이어싱 포스를 제공하도록 압축된 상태로 설치될 수 있다.
상기 설치 구멍을 형성하는 내주면에는 상기 웜 샤프트의 틸팅 궤적과 평행한 직선부가 구비될 수 있고, 상기 바이어싱 부재는 상기 직선부에 접촉되는 상태로 틸팅력을 제공하도록 상기 직선부에 밀착될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치는 상기 바이어싱 부재의 외주면을 감싸는 일측이 개방된 고리 형태를 가지는 댐퍼를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치는 상기 웜 샤프트가 설치되는 하우징의 설치 구멍에 삽입되는 커버 부재를 더 포함할 수 있고, 상기 바이어싱 부재는 상기 커버 부재에 수용되는 상태로 설치될 수 있다.
상기 커버 부재에는 상기 바이어싱 부재의 탄성력 제공부가 삽입되는 삽입 홈이 구비될 수 있고, 상기 탄성력 제공부는 상기 삽입 홈에 삽입되어 상기 베어링 어셈블리를 상기 웜 샤프트의 반경 방향으로 틸팅시키는 바이어싱 포스를 제공하도록 압축된 상태로 설치될 수 있다.
상기 커버 부재는 상기 바이어싱 부재를 수용하는 수용 공간이 구비될 수 있고, 상기 수용 공간을 형성하는 내주면에는 상기 웜 샤프트의 틸팅 궤적과 평행한 직선부가 구비될 수 있으며, 상기 바이어싱 부재는 상기 직선부에 접촉되는 상태로 틸팅력을 제공하도록 상기 직선부에 밀착될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치는 상기 바이어싱 부재의 외주면을 감싸는 일측이 개방된 고리 형태를 가지며 상기 바이어싱 부재와 상기 커버 부재 사이에 개재되는 댐퍼를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 차량 운행 중 모터 작동에 의한 웜 샤프트의 급격한 회전 방향 변경, 진동 및 차륜으로부터 전달되는 충격, 내구 진행에 따른 기어 치 마모 등에 의해 기어 치합 부위의 백래쉬 발생을 근원적으로 제거할 수 있으며, 그에 따라 각종 소음의 발생을 억제하고 불완전한 기어 치 치합에 의한 조향감 및 차량의 동적 거동 성능 저하를 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치가 차량의 조향 시스템에 적용된 상태를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치가 차량의 조향 시스템의 스티어링 칼럼에 설치된 상태를 보여주는 도면이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치를 보여주는 도면이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치를 보여주는 도면이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치를 보여주는 도면이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치를 보여주는 도면이다.
이하에서 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치는 자동차의 조향 시스템에 적용될 수 있으며 모터의 동력을 이용하여 조향 보조력을 제공하는 장치이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시에에 따른 전동식 파워 스티어링 장치(1)는 차량의 조향 시스템에 설치되어 조향 보조력을 제공하는 작용을 할 수 있으며, 예를 들어 조향 칼럼(100)에 설치될 수 있다. 조향 칼럼(100)의 상단에는 조향 휠(도시되지 않음)이 연결될 수 있으며, 조향 칼럼(100)의 하단에는 조향 중간 샤프트(200), 조향 기어(300) 등이 차례로 연결될 수 있다.
웜 샤프트(worm shaft)(10)는 웜 기어(worm gear)(11)를 구비하며, 모터(20)의 출력을 전달받는다. 예를 들어, 웜 샤프트(10)는 커플링(coupling)을 통해서 모터(20)의 출력축에 연결됨으로써 모터(20)의 출력을 전달받을 수 있으며, 웜 샤프트(10)는 그 끝단에 구비되는 세레이션(serration)(12)을 통해서 커플링에 결합되고 또한 모터(20)의 출력축도 커플링에 결합됨으로써 커플링을 통해 모터(20)의 출력이 웜 샤프트(10)로 전달될 수 있다.
모터(20)는 전자 제어 유닛(ECU, 도시되지 않음)의 제어 신호에 의해 작동이 제어될 수 있으며, 전자 제어 유닛은 조향 토크(torque)를 검출하는 조향 토크 센서, 조향각을 검출하는 조향각 센서, 그리고 차속을 검출하는 차속 센서 등의 신호를 기초로 모터(20)를 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 출력할 수 있다.
웜 샤프트(10)의 웜 기어(11)는 스티어링 샤프트(steering shaft)(100)에 결합되어 있는 웜 휠(worm wheel)(3)에 치합됨으로써 모터(20)의 구동력이 웜 샤프트(10)를 통해서 웜 훨(3)로 전달되고 그 결과 스티어링 샤프트(100)로 조향 보조력이 전달될 수 있다.
예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이, 웜 샤프트(10)는 하우징(housing)(40) 내에 배치될 수 있다. 이를 위해 하우징(40) 내에는 관통공이 구비되며, 웜 샤프트(10)가 하우징(40)의 관통공에 회전 가능하게 설치된다. 그리고 하우징(40)의 일측에는 모터(20)가 고정되며, 모터(20)의 출력축이 하우징(40) 내부로 유입되어 커플링을 통해서 웜 샤프트(10)에 연결될 수 있다. 한편, 하우징(40)은 스티어링 샤프트(100)의 일부 및 웜 휠(3)을 수용할 수 있는 형태로 형성될 수 있다. 즉, 웜 휠(3)과 웜 샤프트(10)가 하우징(40) 내에서 서로 체결된 상태로 배치될 수 있다.
베어링 어셈블리(50)는 웜 샤프트(10)를 지지한다. 예를 들어, 웜 샤프트(10)의 한 단(13)이 베어링 어셈블리(50)의 관통공(51)에 삽입됨으로써 웜 샤프트(10)가 베어링 어셈블리(50)에 의해 회전 가능하게 지지될 수 있다. 한편, 웜 샤프트(10)에 구비되는 웜 기어(11)를 중심으로 한 단(13)이 베어링 어셈블리(50)에 의해 지지됨과 동시에 모터(20) 쪽에 가까운 부분도 별도의 베어링 어셈블리(60)에 의해 지지될 수도 있다.
바이어싱(biasing) 부재(70)는 베어링 어셈블리(50)를 지지한다. 구체적으로, 바이어싱 부재(70)는 베어링 어셈블리(50)를 윔 휠(30)을 향해 웜 샤프트(10)의 반경 방향(즉, 도 3 및 4에서 Y축 방향)으로 지지한다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 바이어싱 부재(70)는 베어링 어셈블리(50)의 외주면을 감싸는 일측이 개방된 고리 형태를 가질 수 있다. 그리고 바이어싱 부재(70)의 개방된 부분은 외측으로 말려서 탄성력 제공부(73)를 형성한다. 구체적으로, 바이어싱 부재(70)는 베어링 어셈블리(50)의 외주면에 밀착되는 몸체부(71)와 이 몸체부(71)의 끝단에서 외측으로 말려서 형성되는 탄성력 제공부(73)를 포함한다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 바이어싱 부재(70)는 웜 샤프트(10)가 설치되는하우징(40)의 설치 구멍(41)에 배치될 수 있다. 하우징(40)의 설치 구멍(41)에는 바이어싱 부재(70)의 탄성력 제공부(73)가 삽입되는 삽입 홈(45)이 구비될 수 있다. 이때, 탄성력 제공부(73)는 삽입 홈(45)에 삽입된 상태에서 베어링 어셈블리(50)를 웜 샤프트(10)의 반경 방향으로 틸팅시키는 바이어싱 포스(bisaing force)를 제공하도록 압축된 상태로 설치된다. 즉, 탄성력 제공부(73)는 도 3 및 도 4에서 압축된 상태로 설치되어 웜 샤프트(10)의 웜 기어(11)와 웜 휠(3) 사이에 유격이 생기는 경우 이것이 흡수되도록 베어링 어셈블리(50) 및 웜 샤프트(10)를 Y축 방향으로 미는 바이어싱 포스를 제공한다.
이때, 설치 구멍(41)에는 웜 샤프트(10)의 틸팅 궤적과 평행하게 연장되는 직선부(43)가 구비되며, 바이어싱 부재(70)는 도 4에 도시된 바와 같이 설치 구멍(41)의 내면 중 웜 샤프트(10)의 틸팅 방향에 해당하는 부분(도 4에서 상측 부분)과는 이격되고 직선부(43)에는 밀착되도록 설치된다. 이러한 구조에 의해 베어링 어셈블리(50) 및 웜 샤프트(10)의 틸팅이 가능하면서도 직선부(43)에 의해 웜 샤프트(10)가 틸팅 방향에 수직인 방향으로 거동하는 것이 방지된다. 이에 따라 안정적인 틸팅 작동이 가능하다.
이하에서 첨부된 도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치에 대해 설명한다. 위에서 설명한 실시예와 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
본 실시예에서는 위에서 설명한 실시예에 댐퍼(90)가 추가된다.
댐퍼(90)는 바이어싱 부재(70)의 외주면을 감싸는 일측이 개방된 고리 형태르 가질 수 있다. 댐퍼(90)는 고무와 같은 탄성을 가지는 재질로 형성될 수 있다.
이하에서 첨부된 도 9 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치에 대해 설명한다. 위에서 설명한 실시예와 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 웜 샤프트(10)가 설치되는 하우징(40)의 설치 구멍(41)에 커버 부재(80)가 설치되고, 바이어싱 부재(70)는 커버 부재(90)에 수용되는 상태로 설치된다. 예를 들어, 커버 부재(90)는 플라스틱 재질로 형성될 수 있다.
커버 부재(80)에는 바이어싱 부재(70)의 탄성력 제공부(73)가 삽입되는 삽입 홈(81)이 구비되고, 탄성력 제공부(73)는 삽입 홈(81)에 삽입되어 베어링 어셈블리(50)를 웜 샤프트의 반경 방향으로 틸팅시키는 바이어싱 포스를 제공하도록 압축된 상태로 설치된다. 즉 바이어싱 부재(70)은 도 10에서 상 방향으로 작용하는 바이어싱 포스를 제공한다.
그리고 커버 부재(80)는 바이어싱 부재(70)를 수용하는 수용 공간(85)를 형성하는데, 수용 공간을 형성하는 내주면에는 웜 샤프트(10)의 틸팅 궤적과 평행하게 연장되는 직선부(83)가 구비되고, 바이어싱 부재(70)는 수용 고간(85)의 내면 중 웜 샤프트(10)의 틸팅 방향에 해당하는 부분(도 10에서 상단 부분)과는 이격되고 직선부(83)에는 밀착된다. 이러한 구조에 의해 웜 샤프트(10)의 틸팅 거동이 가능하고 그에 수직인 방향으로의 거동은 제한된다. 이에 따라 안정적인 틸팅 거동이 구현될 수 있다.
이하에서 첨부된 도 12 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치에 대해 설명한다. 위에서 설명한 실시예와 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.
본 실시예에서는 바이어싱 부재(70)의 외주면을 감싸는 일측이 개방된 고리 형태를 가지는 댐퍼(90)가 구비된다. 댐퍼(90)는 바이어싱 부재(70)와 커버 부재(80) 사이에 개재된다. 예를 들어 댐퍼(90)는 고무 재질로 형성될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
10: 웜 샤프트
20: 모터
3: 웜 휠
40: 하우징
50: 베어링 어셈블리

Claims (8)

  1. 모터,
    웜 기어를 구비하며 상기 모터의 출력을 전달받는 웜 샤프트,
    상기 웜 기어에 치합되는 웜 휠,
    상기 웜 샤프트를 지지하는 베어링 어셈블리, 그리고
    상기 베어링 어셈블리를 상기 웜 휠을 향해 상기 웜 샤프트의 반경 방향으로 지지하는 바이어싱(biasing) 부재를 포함하며,
    상기 바이어싱 부재는 상기 베어링 어셈블리의 외주면을 감싸는 일측이 개방된 고리 형태를 가지고,
    상기 바이어싱 부재의 상기 개방된 부분은 탄성력 제공부를 형성하며,
    상기 바이어싱 부재는 상기 웜 샤프트가 설치되는 하우징의 설치 구멍에 배치되며,
    상기 설치 구멍을 형성하는 내주면에는 상기 웜 샤프트의 틸팅 궤적과 평행한 직선부가 구비되고,
    상기 바이어싱 부재는 상기 직선부에 접촉되는 상태로 틸팅력을 제공하도록 상기 직선부에 밀착되는 상태로 설치되는 전동식 파워 스티어링 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 하우징의 설치 구멍에는 상기 바이어싱 부재의 탄성력 제공부가 삽입되는 삽입 홈이 구비되고,
    상기 탄성력 제공부는 상기 삽입 홈에 삽입되어 상기 베어링 어셈블리를 상기 웜 샤프트의 반경 방향으로 틸팅시키는 바이어싱 포스를 제공하도록 압축된 상태로 설치되는 전동식 파워 스티어링 장치.
  3. 삭제
  4. 제2항에서,
    상기 바이어싱 부재의 외주면을 감싸는 일측이 개방된 고리 형태를 가지는 댐퍼를 더 포함하는 파워 스티어링 장치.
  5. 모터,
    웜 기어를 구비하며 상기 모터의 출력을 전달받는 웜 샤프트,
    상기 웜 기어에 치합되는 웜 휠,
    상기 웜 샤프트를 지지하는 베어링 어셈블리,
    상기 베어링 어셈블리를 상기 웜 휠을 향해 상기 웜 샤프트의 반경 방향으로 지지하는 바이어싱(biasing) 부재, 그리고
    상기 웜 샤프트가 설치되는 하우징의 설치 구멍에 삽입되는 커버 부재를 포함하고,
    상기 바이어싱 부재는 상기 베어링 어셈블리의 외주면을 감싸는 일측이 개방된 고리 형태를 가지고,
    상기 바이어싱 부재의 상기 개방된 부분은 탄성력 제공부를 형성하며,
    상기 바이어싱 부재는 상기 커버 부재에 수용되는 상태로 설치되고,
    상기 커버 부재는 상기 바이어싱 부재를 수용하는 수용 공간을 구비하고,
    상기 수용 공간을 형성하는 내주면에는 상기 웜 샤프트의 틸팅 궤적과 평행한 직선부가 구비되고,
    상기 바이어싱 부재는 상기 직선부에 접촉되는 상태로 틸팅력을 제공하도록 상기 직선부에 밀착되는 상태로 설치되는 전동식 파워 스티어링 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 커버 부재에는 상기 바이어싱 부재의 탄성력 제공부가 삽입되는 삽입 홈이 구비되고,
    상기 탄성력 제공부는 상기 삽입 홈에 삽입되어 상기 베어링 어셈블리를 상기 웜 샤프트의 반경 방향으로 틸팅시키는 바이어싱 포스를 제공하도록 압축된 상태로 설치되는 전동식 파워 스티어링 장치.
  7. 삭제
  8. 제5항에서,
    상기 바이어싱 부재의 외주면을 감싸는 일측이 개방된 고리 형태를 가지며 상기 바이어싱 부재와 상기 커버 부재 사이에 개재되는 댐퍼를 더 포함하는 전동식 파워 스티어링 장치.
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