KR102111294B1 - 스티어 바이 와이어식 조향장치 - Google Patents

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Abstract

본 실시예들은 스티어 바이 와이어식 조향장치에 관한 것으로서, 운전자가 조향휠을 최대 회전각 이상으로 회전시키는 경우 기어구조에 의해 기계적으로 조향축이 회전되는 것을 방지함으로써 조향축에 토크를 전달하는 모터의 크기, 무게 등을 증대시키지 않아 원가, 패키지 등의 측면에서 유리하고 효율적으로 운전자의 조향휠 조작을 최대회전각 이내로 제한할 수 있는 스티어 바이 와이어식 조향장치에 관한 것이다.

Description

스티어 바이 와이어식 조향장치{STEER-BY-WIRE TYPE POWER STEERING APPARATUS}
본 실시예들은 스티어 바이 와이어식 조향장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 조운전자가 조향휠을 최대 회전각 이상으로 회전시키는 경우 기어구조에 의해 기계적으로 조향축이 회전되는 것을 방지함으로써 조향축에 토크를 전달하는 모터의 크기, 무게 등을 증대시키지 않아 원가, 패키지 등의 측면에서 유리하고 효율적으로 운전자의 조향휠 조작을 최대회전각 이내로 제한할 수 있는 스티어 바이 와이어식 조향장치에 관한 것이다.
스티어 바이 와이어식 조향장치란 일종의 전동식 조향장치로서, 조향휠과 전륜 조향장치 사이에 조향컬럼, 유니버셜 조인트 등 기계적인 연결 없이 전기적인 동력을 이용하여 차량을 조타시키는 장치를 말한다.
즉, 운전자의 조향휠 조작이 전기 신호로 변환되어 전자제어장치에서 이를 입력받게 되고 그에 따라 모터의 출력이 결정되게 되는데, 이러한 스티어 바이 와이어식 시스템은 기계적인 연결이 없으므로 충돌 시 기구부에 의한 운전자 상해를 감소시키며 기계적 연결 및 유압부품 삭감이 가능하므로 부품수 축소로 차량의 경량화 및 라인 조립공수 급감 등의 단순화로 조향 작동 시의 불필요한 에너지 소모를 줄임으로서 연비를 향상시킨다. 또한, ECU 프로그래밍에 의하여 이상적인 조향 성능 달성이 가능하다.
그런데, 이러한 스티어 바이 와이어식 조향장치는 조향축과 바퀴와의 기계적인 연결이 없기 때문에 노면에서 바퀴의 마찰, 걸림 등에 의한 무게감이 운전자에게 전달되지 않아 조향감이 저하되는 문제가 있으며, 특히 운전자가 조향휠을 최대 회전각에서 더이상 회전시킬 수 없도록 제한하는 장치가 필요하다.
종래에는 조향축에 토크를 가하는 모터를 구비하여 운전자의 조향휠 조작방향과 반대방향의 토크를 가함으로써 조향휠이 최대 회전각에 도달할 경우 조향휠 회전을 제한하였는데, 운전자의 조향토크를 상쇄시키기 위해 높은 출력을 가지는 모터를 사용하여야 하여 원가, 무게, 패키지 등의 측면에서 불리한 문제가 있었다.
본 실시예들은 전술한 배경에서 안출된 것으로, 운전자가 조향휠을 최대 회전각 이상으로 회전시키는 경우 기어구조에 의해 기계적으로 조향축이 회전되는 것을 방지함으로써 조향축에 토크를 전달하는 모터의 크기, 무게 등을 증대시키지 않아 원가, 패키지 등의 측면에서 유리하고 효율적으로 운전자의 조향휠 조작을 최대회전각 이내로 제한할 수 있는 스티어 바이 와이어식 조향장치에 관한 것이다.
본 실시예들에 의하면, 조향축에 결합되고, 기어가 형성되는 웜휠, 축방향으로 슬라이딩 가능하게 구비되고, 기어와 맞물려서 회전 가능한 제 1 웜기어부와 기어와 맞물려서 회전 불가능한 제 2 웜기어부를 포함하는 웜기어가 형성되는 웜축을 포함하는 스티어 바이 와이어식 조향장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 실시예들에 의하면, 외주면에 형성되는 웜축, 조향축과 결합되고, 웜기어와 맞물려서 회전 가능한 제 1 웜기어부와 웜기어와 맞물려서 회전 불가능한 제 2 웜기어부를 포함하는 기어가 형성되는 웜휠을 포함하는 스티어 바이 와이어식 조향장치가 제공될 수 있다.
본 실시예들에 의하면, 운전자가 조향휠을 최대 회전각 이상으로 회전시키는 경우 기어구조에 의해 기계적으로 조향축이 회전되는 것을 방지함으로써 조향축에 토크를 전달하는 모터의 크기, 무게 등을 증대시키지 않아 원가, 패키지 등의 측면에서 유리하고 효율적으로 운전자의 조향휠 조작을 최대회전각 이내로 제한할 수 있는다.
도 1은 본 실시예들에 의한 스티어 바이 와이어식 조향장치의 일부에 대한 분해사시도이다.
도 2는 도 1의 결합상태에 대한 단면도이다.
도 3 내지 도 4는 도 2의 작동상태를 나타내는 단면도이다.
도 5 내지 도 7은 본 실시예들에 의한 스티어 바이 와이어식 조향장치의 일부에 대한 단면도이다.
도 8은 본 실시예들에 의한 스티어 바이 와이어식 조향장치의 일부에 대한 단면도이다.
도 9 내지 도 10은 도 8의 작동상태를 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 실시예들에 의한 스티어 바이 와이어식 조향장치의 일부에 대한 측면도이다.
도 12 내지 도 13은 본 실시예들에 의한 스티어 바이 와이어식 조향장치의 일부에 대한 단면도이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 기술 사상의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다. 본 명세서 상에서 언급된 "포함한다", "갖는다", "이루어진다" 등이 사용되는 경우 "~만"이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별한 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함할 수 있다.
또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, 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 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다.
구성 요소들의 위치 관계에 대한 설명에 있어서, 둘 이상의 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속" 등이 된다고 기재된 경우, 둘 이상의 구성 요소가 직접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속" 될 수 있지만, 둘 이상의 구성 요소와 다른 구성 요소가 더 "개재"되어 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 여기서, 다른 구성 요소는 서로 "연결", "결합" 또는 "접속" 되는 둘 이상의 구성 요소 중 하나 이상에 포함될 수도 있다.
구성 요소들이나, 동작 방법이나 제작 방법 등과 관련한 시간적 흐름 관계에 대한 설명에 있어서, 예를 들어, "~후에", "~에 이어서", "~다음에", "~전에" 등으로 시간적 선후 관계 또는 흐름적 선후 관계가 설명되는 경우, "바로" 또는 "직접"이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
한편, 구성 요소에 대한 수치 또는 그 대응 정보(예: 레벨 등)가 언급된 경우, 별도의 명시적 기재가 없더라도, 수치 또는 그 대응 정보는 각종 요인(예: 공정상의 요인, 내부 또는 외부 충격, 노이즈 등)에 의해 발생할 수 있는 오차 범위를 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참고하여 살펴본다.
본 실시예들에 의한 스티어 바이 와이어식 조향장치(100)는, 조향축(110)에 결합되고 기어(121)가 형성되는 웜휠(120), 축방향으로 슬라이딩 가능하게 구비되고, 기어(121)와 맞물려서 회전 가능한 제 1 웜기어부(131a)와 기어(121)와 맞물려서 회전 불가능한 제 2 웜기어부(131b)를 포함하는 웜기어(131)가 형성되는 웜축(130)을 포함한다.
조향휠(미도시)와 연결되는 조향축(110)에는 웜휠(120)이 결합되고, 웜휠(120)의 외주면에는 기어(121)가 형성되어 웜축(130)의 웜기어(131)와 맞물린다.
웜축(130)의 외주면에는 기어(121)와 맞물리는 웜기어(131)가 형성되어 있으며, 웜기어(131)의 양측에 구비되는 축부(132, 133)를 포함하여 일측의 축부(132)는 후술할 지지부재(160)와 연결되고 타측의 축부(133)는 댐핑커플러(미도시)를 매개로 모터(미도시)와 연결된다.
즉, 모터에 의해 웜축(130)이 회전되며 토크가 웜축(130) 및 웜휠(120)에 의해 조향축(110)에 전달됨으로써 운전자의 조향감이 상승되게 된다.
웜축(130)은 축방향으로 슬라이딩 가능하게 구비되는데, 다시 말해 운전자의 조향휠 조작에 의해 조향축(110)에 결합된 웜휠(120)이 회전될 때 기어(121)와 웜기어(131)가 지지되며 웜축(130)이 축방향 일측 또는 타측으로 슬라이딩 가능하게 구비된다. 즉, 웜축(130)은 모터와 웜휠(120)에 의해 회전되며 축방향으로 슬라이딩된다.
웜축(130)의 웜기어(131)는 기어(121)와 맞물려서 회전 가능한 제 1 웜기어부(131a) 및 기어(121)와 맞물려서 회전 불가능한 제 2 웜기어부(131b)를 포함한다.
조향휠이 최대 회전각에 도달하기 전에는 기어(121)가 제 1 웜기어부(131a)와 맞물리고, 운전자의 조작에 의해 조향휠의 회전각이 커지며 웜축(130)이 축방향으로 슬라이딩되고, 조향휠이 최대 회전각에 도달하면 기어(121)가 제 2 웜기어부(131b)와 맞물리게 되어 웜휠(120) 및 조향축(110)이 더이상 회전되지 못하여 운전자가 조향휠을 최대 회전각 이상으로 조작하는 것을 방지하게 된다.
제 1 웜기어부(131a)의 기어치와 제 2 웜기어부(131b)의 기어치는 서로 다른 형상(예를 들어, 리드, 압력각, 피치원지름 등)을 가져, 웜휠(120)은 기어(121)가 제 1 웜기어(131)와 맞물린 상태일 때 회전 가능하고, 기어(121)가 제 2 웜기어(131)와 맞물린 상태일 때 회전 불가능하다.
이러한 제 1 웜기어부(131a)와 제 2 웜기어부(131b)의 기어치 형상은 기어의 자립조건을 이용하여 설계할 수 있는데, 자세한 내용은 후술한다.
즉, 종래의 스티어 바이 와이어식 조향장치에서는 모터가 웜축을 회전시켜 웜휠 및 조향축에 토크를 전달함으로써 운전자가 조향휠을 최대 회전각 이상으로 회전시키는 것을 방지하여 운전자의 조향토크를 상쇄시키기 위해서는 높은 출력을 가지는 모터가 필요하므로 모터의 크기, 무게, 원가 등에서 불리한 문제가 있었는데 반해, 본 실시예들에 의한 스티어 바이 와이어식 조향장치는 조향휠 최대 회전각에서 기어(121)가 제 2 웜기어부(131b)와 맞물리며 웜휠(120)의 회전이 불가능하게 되어 모터의 크기 등을 증대시키지 않고 효율적으로 운전자가 조향휠을 최대 회전각 이상으로 조작하는 것을 방지할 수 있는 것이다.
도 2를 참고하여 살펴보면, 이러한 제 1 웜기어부(131a)는 웜기어(131)의 중앙부에 구비되고 제 2 웜기어부(131b)는 제 1 웜기어부(131a)의 양측에 구비될 수 있다.
도 2 내지 도 4에서는 제 1 웜기어부(131a)와 제 2 웜기어부(131b)가 동일한 형상을 가지는 것으로 도시되어 있으나 이는 도시의 편의를 위한 것으로서, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 제 1 웜기어부(131a)와 제 2 웜기어부(131b)는 리드, 압력각, 피치원지름 등이 다르게 형성되는 것임을 유의하여야 한다.
제 1 웜기어부(131a)와 제 2 웜기어부(131b)는 웜기어(131)의 중심으로 대칭되게 형성될 수 있는데, 즉 제 1 웜기어부(131a)의 중앙은 웜기어(131)의 중앙과 일치하고 제 2 웜기어부(131b)는 제 1 웜기어부(131a)의 양측에서 동일한 길이를 가지게 구비될 수 있다.
도 2는 웜기어(131)의 중앙이 기어(121)와 맞물린 상태(이하, 편의상 중립상태라 한다.)로서 조향휠이 회전되지 않은 상태를 나타내며, 도 3 내지 도 4는 웜축(130)이 슬라이딩되며 제 2 웜기어부(131b)가 기어(121)와 맞물린 상태를 나타낸다.
즉, 운전자가 조향휠을 왼쪽 또는 오른쪽으로 조작하여 최대 회전각에 도달할 경우, 웜축(130)이 슬라이딩되며 기어(121)가 도면상 우측에 있는 제 2 웜기어부(131b)와 맞물리거나 도면상 좌측에 있는 제 2 웜기어부(131b)와 맞물리며 조향휠이 왼쪽 또는 오른쪽의 최대 회전각 이상으로 회전되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 웜축(130)에는 웜축(130)의 회전을 지지하는 베어링(141, 142)이 구비되고, 베어링(141, 142)은 웜기어(131)와 축방향으로 이격되게 배치된다.
전술한 바와 같이 웜축(130)은 웜기어(131)의 양측에 구비되는 축부(132, 133)를 포함하고, 베어링(141, 142)은 축부(132, 133)에서 웜기어(131)와 이격되게 구비된다.
도면에는 도시되지 않았으나 베어링(141, 142)은 하우징(미도시)의 내측에서 축방향으로 고정되어 웜축(130)의 회전을 지지하고, 축부(132, 133)는 베어링(141, 142)의 내륜에서 축방향으로 슬라이딩 가능하게 구비된다.
베어링(141, 142)이 축부(132, 133)에서 웜기어(131)와 축방향으로 이격되게 배치됨으로써, 베어링(141, 142)과 웜기어(131)의 끝단 사이의 거리만큼 웜축(130)은 축방향으로 슬라이딩 가능한 것이다.
또한, 전술한 바와 같이 웜축(130)은 지지부재(160)와 연결되는데, 지지부재(160)에는 축방향으로 개구되는 안착홀(161)이 형성되어 축부(132)가 삽입된다.
안착홀(161)에는 탄성부재(150)가 구비되어, 웜축(130)이 중립상태에서 축방향 일측 또는 타측으로 슬라이딩될 때 탄성력을 제공하여 웜축(130)이 용이하게 중립상태로 복원되게 할 수 있다.
즉, 탄성부재(150)은 압축 또는 인장될 때 모두 웜축(130)에 탄성력을 제공할 수 있도록 축방향 양단이 각각 웜축(130)과 지지부재(160)에 고정될 수 있으며, 예를 들어 용접 또는 압입되어 있을 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 웜축(130)이 도면상 좌측으로 슬라이딩될 때는 탄성부재(150)가 압축되어 우측으로 탄성력을 제공하고, 도 4에 도시된 바와 같이 웜축(130)이 도면상 우측으로 슬라이딩될 때는 탄성부재(150)가 인장되어 좌측으로 탄성력을 제공함으로써 웜축(130)이 용이하게 중립상태로 복원될 수 있다.
탄성부재(150)의 양단이 각각 웜축(130)과 지지부재(160)에 고정되어 있으므로, 웜축(130)이 회전되더라도 탄성부재(150)가 원활하게 탄성력을 제공하도록 지지부재(160)는 웜축(130)과 함께 회전되는 것이 바람직하다.
따라서, 웜축(130)의 축부(132)에는 외주면에 제 1 세레이션(134)이 형성되고, 지지부재(160)의 내주면에는 제 1 세레이션(134)과 결합되는 제 2 세레이션(162)이 형성될 수 있다(도 1 참조).
제 1 세레이션(134)과 제 2 세레이션(162)이 맞물림으로써 웜축(130)이 축방향으로 슬라이딩될 때 축부(132)가 안착홀(161)에서 축방향으로 슬라이딩 가능하며, 모터에 의해 웜축(130)이 회전될 때 지지부재(160)가 함께 회전되게 된다.
도면에는 도시되지 않았으나 지지부재(160)의 회전을 지지하기 위해 하우징에는 부시 또는 베어링 등이 더 구비될 수 있을 것이다.
한편, 전술한 바와 같이 제 1 웜기어(131)는 기어(121)와 맞물려서 회전 가능하게 형성되고 제 2 웜기어(131)는 기어(121)와 맞물려서 회전 불가능하게 형성되는데, 이는 기어의 자립조건을 고려하여 설계될 수 있다.
기어의 자립조건은 마찰계수, 리드각 및 압력각을 고려하는 것으로서, 자립조건을 만족하면 외력이 작용하더라도 기어가 회전되지 못하고 자립조건을 만족하지 못하면 기어가 자유로이 회전 가능하다.
기어의 자립조건은 다음과 같이 수학식 1로 표현된다.
Figure 112019049578928-pat00001
여기서,
Figure 112019049578928-pat00002
는 기어치간의 마찰계수,
Figure 112019049578928-pat00003
는 리드각, 그리고
Figure 112019049578928-pat00004
는 압력각을 나타낸다.
리드각 및 압력각은 웜기어(131)의 리드각 및 압력각을 말하며, 웜기어의 경우 리드각은 다음과 같이 수학식 2로 표현될 수 있다.
Figure 112019049578928-pat00005
여기서, L은 리드, 그리고 d는 피치원지름을 나타낸다.
위 수학식 1 및 2를 정리하면, 기어의 자립조건은 다음과 같이 수학식 3으로 표현할 수 있다.
Figure 112019049578928-pat00006
위 수학식 3을 참고하면, 리드, 압력각 또는 피치원지름을 변경함으로써 자립조건을 만족하거나 만족하지 못할 수 있는데, 즉 제 1 웜기어부(131a)는 자립조건을 만족하지 못하게 형성되고 제 2 웜기어부(131b)는 자립조건을 만족하게 형성되어, 제 1 웜기어부(131a)가 기어(121)와 맞물리는 경우에는 웜휠(120)과 웜축(130)이 회전 가능하고 제 2 웜기어부(131b)가 기어(121)와 맞물리는 경우에는 웜휠(120)과 웜축(130)이 회전 불가능한 것이다.
즉, 제 2 웜기어부(131b)는 제 1 웜기어부(131a)와 비교할 때 작은 리드를 가지거나, 작은 압력각을 가지거나, 큰 피치원 지름을 가질 수 있으며, 또는 위 세가지 조건 중 둘 이상에 해당하며 자립조건을 만족할 수 있다.
우선, 도 5를 참고하여 살펴보면, 제 2 웜기어부(131b)의 리드는 제 1 웜기어부(131a)의 리드보다 작을 수 있다.
또한, 제 2 웜기어부(131b)의 리드는 축방향 외측으로 갈수록 감소하게 형성될 수 있다.
즉, 제 2 웜기어부(131b)는 제 1 웜기어부(131a)와 이격된 측에서의 리드(L2)가 제 1 웜기어부(131a)와 인접한 측에서의 리드(L1)보다 작을 수 있으며, 제 2 웜기어부(131b)의 리드(L1, L2)는 제 1 웜기어(131)의 리드(L0)보다 작을 수 있다.
제 2 웜기어부(131b)의 리드가 축방향 외측으로 갈수록 감소하게 형성됨으로써, 기어(121)가 제 2 웜기어부(131b)와 맞물리기 시작할 때 운전자의 조향감이 점차 무거워지게 되고, 운전자가 조향휠을 더 회전시키면 기어(121)가 제 2 웜기어부(131b)와 맞물리며 운전자의 조향휠 조작을 방지하게 된다.
다음으로, 도 6을 참고하여 살펴보면, 제 2 웜기어부(131b)의 압력각은 제 1 웜기어(131)의 압력각보다 작을 수 있다.
또한, 제 2 웜기어부(131b)의 압력각은 축방향 외측으로 갈수록 감소하게 형성될 수 있다.
즉, 제 2 웜기어부(131b)는 제 1 웜기어부(131a)와 이격된 측에서의 압력각(
Figure 112019049578928-pat00007
)이 제 1 웜기어부(131a)와 인접한 측에서의 압력각(
Figure 112019049578928-pat00008
)보다 작을 수 있으며, 제 2 웜기어부(131b)의 압력각(
Figure 112019049578928-pat00009
,
Figure 112019049578928-pat00010
)은 제 1 웜기어부(131a)의 압력각(
Figure 112019049578928-pat00011
)보다 작을 수 있다.
마찬가지로, 제 2 웜기어부(131b)의 압력각이 축방향 외측으로 갈수록 감소하게 형성됨으로써, 기어(121)가 제 2 웜기어부(131b)와 맞물리기 시작할 때 운전자의 조향감이 점차 무거워지게 되고, 운전자가 조향휠을 더 회전시키면 기어(121)가 제 2 웜기어부(131b)와 맞물리며 운전자의 조향휠 조작을 방지하게 된다.
다음으로, 도 7을 참고하여 살펴보면, 제 2 웜기어부(131b)의 피치원지름은 제 1 웜기어부(131a)의 피치원지름보다 클 수 있다.
또한, 제 2 웜기어부(131b)의 피치원지름은 축방향 외측으로 갈수록 증가하게 형성될 수 있다.
즉, 제 2 웜기어부(131b)는 제 1 웜기어부(131a)와 이격된 측에서의 피치원지름(d2)이 제 1 웜기어부(131a)와 인접한 측에서의 피치원지름(d1)보다 클 수 있으며, 제 2 웜기어부(131b)의 피치원지름(d1,d2)은 제 1 웜기어부(131a)의 피치원지름(d0)보다 클 수 있다.
마찬가지로, 제 2 웜기어부(131b)의 피치원지름이 축방향 외측으로 갈수록 감소하게 형성됨으로써, 기어(121)가 제 2 웜기어부(131b)와 맞물리기 시작할 때 운전자의 조향감이 점차 무거워지게 되고, 운전자가 조향휠을 더 회전시키면 기어(121)가 제 2 웜기어부(131b)와 맞물리며 운전자의 조향휠 조작을 방지하게 된다.
아래 표 1은 제 1 웜기어부(131a)와 제 2 웜기어부(131b)의 리드, 압력각 및 피치원지름을 비교하여 나타내는 표이다.
제 1 웜기어부 제 2 웜기어부 단위
리드 12 4 mm
압력각 15 5 deg
피치원지름 15 30 mm
Figure 112019049578928-pat00012
 0.25 0.04 -
마찰계수 0.045 -
회전 가능 회전 불가능
즉, 제 2 웜기어부(131b)가 제 1 웜기어부(131a)보다 작은 리드 및 압력각을 가지고 제 1 웜기어(131a)보다 큰 피치원 지름을 가지게 형성되어, 제 1 웜기어(131a)는 자립조건을 만족하지 못하여 기어(121)와 자유로이 맞물려 회전 가능하고 제 2 웜기어(131b)는 자립조건을 만족하여 기어(121)와 맞물려 회전 불가능할 수 있다.
이하, 도 8 내지 도 13를 참고하여 살펴보며, 전술한 실시예들과 동일한 특징에 대해서는 설명을 간단히 하고 차이점을 위주로 설명하기로 한다.
본 실시예들에 의한 스티어 바이 와이어식 조향장치(800)는, 웜기어(831)가 형성되는 웜축(830), 조향축(810)과 결합되고 웜기어(831)와 맞물려서 회전 가능한 제 1 기어부(821a)와 웜기어(831)와 맞물려서 회전 불가능한 제 2 기어부(821b)를 포함하는 기어(821)가 형성되는 웜휠(820)을 포함한다.
웜휠(820)의 기어(821)는 제 1 기어부(821a)와 제 2 기어부(821b)를 포함하여, 조향휠이 최대 회전각에 도달하기 전에는 웜기어(831)가 제 1 기어부(821a)와 맞물리고, 운전자의 조작에 의해 조향휠의 회전각이 커지며 웜휠(820)이 회전되고, 조향휠이 최대 회전각에 도달하면 웜기어(831)가 제 2 기어부(821b)와 맞물리게 되어 웜휠(820) 및 조향축(810)이 더이상 회전되지 못하여 운전자가 조향휠을 최대 회전각 이상으로 조작하는 것을 방지하게 된다.
즉, 제 1 기어부(821a)는 자립조건을 만족하지 못하며 웜기어(831)와 맞물리고, 제 2 기어부(821b)는 자립조건을 만족하며 웜기어(831)와 맞물린다.
또한, 제 1 기어부(821a)가 형성되는 부위는 제 2 기어부(821b)가 형성되는 부위보다 넓은 중심각을 가질 수 있다.
도 8은 제 1 기어부(821a)의 중앙이 웜기어(831)와 맞물린 중립상태를 나타내고, 도 9 내지 도 10은 웜휠(820)이 회전되며 제 2 기어부(821b)가 웜기어(831)와 맞물린 상태를 나타낸다.
중립상태에서 웜기어(831)가 제 1 기어부(821a)의 중앙과 맞물리므로, 제 2 기어부(821b)는 웜축(830)의 반대편에 위치하게 된다.
도면에는 제 1 기어부(821a)가 약 270도의 중심각을 가지고, 제 2 기어부(821b)가 약 90도의 중심각을 가지는 실시예가 도시되어 있다.
일반적으로 조향휠의 최대 회전각은 왼쪽 또는 오른쪽으로 약 540도이고 웜휠(820)은 조향휠과 조향축(810)으로 연결되어 조향휠과 동일한 각도만큼 회전되는데, 본 실시예들에서와 같이 조향휠의 최대 회전각 이내에서 웜기어(831)가 제 1 기어부(821a)에 맞물리기 위해서는 웜휠(820)의 회전각이 감소되어야 할 필요가 있다.
즉, 조향휠이 조작되며 웜휠(820)이 180도 이상 회전된다면 조향휠이 최대 회전각에 도달하기 전에 제 2 기어부(821b)가 웜기어(831)와 맞물리며 웜휠(820)이 회전되지 못하므로, 웜휠(820)의 회전각이 제한될 필요가 있다.
따라서, 제 1 기어부(821a)가 약 270도의 중심각을 가지는 경우에는 조향휠의 최대 회전각이 왼쪽 또는 오른쪽으로 약 135도일 수 있다. 다만 별도의 기어구조를 구비함으로써 조향휠 최대 회전각에서 바퀴가 최대로 조타되게 할 수 있을 것이며, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
한편, 웜휠(820)과 조향휠 사이에도 기어구조를 구비하여 조향휠의 최대 회전각은 유지하되 웜휠(820)의 회전각이 조향휠의 회전각보다 작게 함으로써 운전자의 조향감을 저하시키지 않으며 조향휠 최대 회전각에서 제 2 기어부(821b)가 웜기어(831)와 맞물리게 할 수도 있을 것이다.
이어서, 제 2 기어부(821b)는, 작은 리드각을 가지거나, 작은 리드를 가지거나, 작은 압력각을 가질 수 있으며, 또는 위 세가지 조건 중 둘 이상에 해당하며 자립조건을 만족할 수 있다(수학식 1 내지 3 참조).
우선, 도 11을 참고하여 살펴보면, 제 2 기어부(821b)의 리드각은 제 1 기어부(821a)의 리드각보다 작을 수 있다.
또한, 제 2 기어부(821b)의 리드각은 제 2 기어부(821b)의 중앙으로 갈수록 감소하게 형성될 수 있다.
즉, 제 2 기어부(821b)는 제 2 기어부(821b) 중앙에서의 리드각(
Figure 112019049578928-pat00013
)이 제 1 기어부(821a)와 인접한 측에서의 리드각(
Figure 112019049578928-pat00014
)보다 작을 수 있으며, 제 2 기어부(821b)의 리드각(
Figure 112019049578928-pat00015
,
Figure 112019049578928-pat00016
)은 제 1 기어부(821a)의 리드각(
Figure 112019049578928-pat00017
)보다 작을 수 있다.
제 2 기어부(821b)의 리드각이 제 2 기어부(821b)의 중앙으로 갈수록 감소하게 형성됨으로써, 웜기어(831)가 제 2 기어부(821b)에 맞물리기 시작할 때 운전자의 조향감이 점차 무거워지게 되고, 운전자가 조향휠을 더 회전시키면 웜기어(831)가 제 2 기어부(821b)와 맞물리며 운전자의 조향휠 조작을 방지하게 된다.
다음으로, 도 12를 참고하여 살펴보면, 제 2 기어부(821b)의 리드는 제 1 기어부(821a)의 리드보다 작을 수 있다.
또한, 제 2 기어부(821b)의 리드는 제 2 기어부(821b)의 중앙으로 갈수록 감소하게 형성될 수 있다.
즉, 제 2 기어부(821b)는 제 2 기어부(821b) 중앙에서의 리드(L2')가 제 1 기어부(821a)와 인접한 측에서의 리드(L1')보다 작을 수 있으며, 제 2 기어부(821b)의 리드(L1', L2')는 제 1 기어부(821a)의 리드(L0')보다 작을 수 있다.
마찬가지로, 제 2 기어부(821b)의 리드가 제 2 기어부(821b)의 중앙으로 갈수록 감소하게 형성됨으로써, 웜기어(831)가 제 2 기어부(821b)에 맞물리기 시작할 때 운전자의 조향감이 점차 무거워지게 되고, 운전자가 조향휠을 더 회전시키면 웜기어(831)가 제 2 기어부(821b)와 맞물리며 운전자의 조향휠 조작을 방지하게 된다.
다음으로, 도 13을 참고하여 살펴보면, 제 2 기어부(821b)의 압력각은 제 1 기어부(821a)의 압력각보다 작을 수 있다.
또한, 제 2 기어부(821b)의 압력각은 제 2 기어부(821b)의 중앙으로 갈수록 감소하게 형성될 수 있다.
즉, 제 2 기어부(821b)는 제 2 기어부(821b) 중앙에서의 압력각(
Figure 112019049578928-pat00018
)이 제 1 기어부(821a)와 인접한 측에서의 압력각(
Figure 112019049578928-pat00019
)보다 작을 수 있으며, 제 2 기어부(821b)의 압력각(
Figure 112019049578928-pat00020
,
Figure 112019049578928-pat00021
)은 제 1 기어부(821a)의 압력각(
Figure 112019049578928-pat00022
)보다 작을 수 있다.
마찬가지로, 제 2 기어부(821b)의 압력각이 제 2 기어부(821b)의 중앙으로 갈수록 감소하게 형성됨으로써, 웜기어(831)가 제 2 기어부(821b)에 맞물리기 시작할 때 운전자의 조향감이 점차 무거워지게 되고, 운전자가 조향휠을 더 회전시키면 웜기어(831)가 제 2 기어부(821b)와 맞물리며 운전자의 조향휠 조작을 방지하게 된다.
또한, 제 2 기어부(821b)가 제 1 기어부(821a)보다 작은 리드각, 리드 및 압력각을 가지게 형성되어, 제 1 기어부(821a)는 자립조건을 만족하지 못하여 웜기어(831)와 자유로이 맞물려 회전 가능하고 제 2 기어부(821b)는 자립조건을 만족하여 웜기어(831)와 맞물려 회전 불가능할 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 웜휠(820)의 기어(821)가 제 1 기어부(821a) 및 제 2 기어부(821b)를 포함할 뿐만 아니라, 웜축(831)의 웜기어(831)가 기어(821)와 맞물려 회전 가능한 제 1 웜기어부 및 기어(821)와 맞물려 회전 불가능한 제 2 웜기어부를 포함할 수도 있을 것이다(도 1 내지 도 7 참조).
그러한 경우, 웜축(830)에는 웜축(830)이 축방향으로 슬라이딩될 수 있도록 웜기어(831)과 이격되게 결합되는 베어링 및 탄성부재와 지지부재 등이 더 구비될 수 있을 것이다.
이와 같은 형상을 가지는 스티어 바이 와이어식 조향장치에 의하면, 운전자가 조향휠을 최대 회전각 이상으로 회전시키는 경우 기어구조에 의해 기계적으로 조향축이 회전되는 것을 방지함으로써 조향축에 토크를 전달하는 모터의 크기, 무게 등을 증대시키지 않아 원가, 패키지 등의 측면에서 유리하고 효율적으로 운전자의 조향휠 조작을 최대회전각 이내로 제한할 수 있다.
이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 기술 사상의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 또한, 본 실시예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 이러한 실시예에 의하여 본 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 스티어 바이 와이어식 조향장치 110: 조향축
120: 웜휠 121: 기어
130: 웜축 131: 웜기어
131a: 제 1 웜기어부 131b: 제 2 웜기어부
134: 제 1 세레이션 141,142: 베어링
150: 탄성부재 160: 지지부재
161: 안착홀 162: 제 2 세레이션
800: 스티어 바이 와이어식 조향장치 810: 조향축
820: 웜휠 821: 기어
821a: 제 1 기어부 821b: 제 2 기어부
830: 웜축 831: 웜기어

Claims (19)

  1. 조향축에 결합되고, 기어가 형성되는 웜휠;
    축방향으로 슬라이딩 가능하게 구비되고, 상기 기어와 맞물려서 회전 가능한 제 1 웜기어부와 상기 기어와 맞물려서 회전 불가능한 제 2 웜기어부를 포함하는 웜기어가 형성되는 웜축;
    을 포함하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 웜기어부는 상기 웜기어의 중앙부에 구비되고, 상기 제 2 웜기어부는 상기 제 1 웜기어부의 양측에 구비되는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 웜축에는 상기 웜축의 회전을 지지하는 베어링이 구비되고, 상기 베어링은 상기 웜기어와 축방향으로 이격되게 배치되는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 웜축의 일단부는 축방향으로 개구되는 안착홀이 형성된 지지부재에 삽입되고, 상기 안착홀에는 상기 지지부재에 지지되며 상기 웜축을 탄성지지하는 탄성부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 웜축의 일단부에는 외주면에 제 1 세레이션이 형성되고, 상기 지지부재의 내주면에는 상기 제 1 세레이션과 결합되는 제 2 세레이션이 형성되는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 웜기어부의 리드는 상기 제 1 웜기어부의 리드보다 작은 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 웜기어부의 리드는 축방향 외측으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 웜기어부의 압력각은 상기 제 1 웜기어부의 압력각보다 작은 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 웜기어부의 압력각은 축방향 외측으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 웜기어부의 피치원지름은 상기 제 1 웜기어부의 피치원지름보다 큰 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 웜기어부의 피치원지름은 축방향 외측으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  12. 웜기어가 형성되는 웜축;
    조향축과 결합되고, 상기 웜기어와 맞물려서 회전 가능한 제 1 기어부와 상기 웜기어와 맞물려서 회전 불가능한 제 2 기어부를 포함하는 기어가 형성되는 웜휠;
    을 포함하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 기어부가 형성되는 부위는 상기 제 2 기어부가 형성되는 부위보다 넓은 중심각을 가지는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 기어부의 리드각은 상기 제 1 기어부의 리드각보다 작은 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 기어부의 리드각은 상기 제 2 기어부의 중앙으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 기어부의 리드는 상기 제 1 기어부의 리드보다 작은 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 기어부의 리드는 상기 제 2 기어부의 중앙으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 기어부의 압력각은 상기 제 1 기어부의 압력각보다 작은 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 2 기어부의 압력각은 상기 제 2 기어부의 중앙으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 스티어 바이 와이어식 조향장치.
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