KR102187918B1 - 기어열 배치구조를 최적화한 차량용 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동력원으로부터 작동 대상물에 이르기까지 동력 전달을 위한 기어열의 배치구조를 최적화하여 액츄에이터의 구성에 필요로 하는 부품의 수량을 감소하고 효율적인 기어 배치를 통한 구동력의 전달 성능을 향상시킬 수 있는 기어열 배치구조를 최적화한 차량용 액츄에이터를 개시한다.
전술한 액츄에이터는 전동모터(10)의 회전축에 설치되는 제1기어(21), 상기 제1기어(21)와 내접하는 대경기어, 및 상기 대경기어와 동축상으로 배치되는 소경기어를 갖춘 제2기어(22), 상기 제2기어(22)의 소경기어와 외접하는 대경기어, 및 상기 대경기어와 동축상으로 배치되는 소경기어를 갖춘 제3기어(23), 및 상기 제3기어(23)의 소경기어와 외접하고, 링크아암(31)의 회동단부와 연결되는 제4기어(24)를 포함하고, 상기 제1기어(21)의 중심축선과 상기 제2기어(22)의 중심축선 및 상기 제3기어(23)의 중심축선은 일직선상에 배치되며, 상기 제2기어(22)의 중심축선과 상기 제4기어(24)의 중심축선은 서로 일치하도록 배치된다.

Description

기어열 배치구조를 최적화한 차량용 액츄에이터{Automotive actuator with optimized gear train arrangement}

본 발명은 차량용 액츄에이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동력원으로부터 작동 대상물에 이르기까지 동력 전달을 위한 기어열의 배치구조를 최적화한 차량용 액츄에이터에 관한 것이다.

일반적으로 차량에는 다양한 종류의 액츄에이터가 구비되는 데, 종래 터보 차져의 웨이스트 게이트 밸브에 대한 개폐 조절을 위한 액츄에이터는 등록특허 제10-1150884호에 개시된 바와 같은 구성으로 이루어진다.

종래 등록특허 제10-1150884호의 차량용 액츄에이터는 모터축(12)을 갖는 모터(10)가 내장되는 하우징(100) 및 상기 모터축(12)과 결합되고 상기 모터축(12)을 기준으로 모터축(12)의 주변에 원주방향으로 삼각 배치되는 복수의 기어로 구성되는 기어부(200)를 포함하여 구성된다.

이 경우, 차량용 액츄에이터의 기어부(200)는 복층기어로 구성되되 상기 모터축(12)과 치합되며 그 회전중심이 상기 모터축의 우측하부에 마련되는 제1기어(210), 복층기어로 구성되되 상기 제1기어(210)에 대하여 그 일부가 대면되게 마련되며 상기 제1기어(210)와 치합되는 제2기어(220), 상기 제2기어(220)에 대하여 그 일부가 대면되게 마련되며 회전중심이 상기 제2기어(220)의 회전중심으로부터 사선방향으로 이격되어 배치되고 상기 제2기어(220)와 치합되는 제3기어(230)를 포함하는 구성으로 이루어진다.

따라서 종래 등록특허 제10-1150884호에 개시된 차량용 액츄에이터는 모터축(12)을 중심으로 제1 기어(210)와 제2기어(220) 및 제3기어(230)가 원주방향으로 삼각 배치되는 구조이므로, 액츄에이터의 전체 사이즈를 크게 설정할 수밖에 없을 뿐만 아니라, 세 종류의 기어를 각각 회전 가능하게 지지하는 회전축이 모두 모터축(12)을 중심으로 삼각으로 이격되게 배치되는 구조이므로, 각 기어에 대해 회전축을 개별적으로 설치해야 하는 번거로움과 함께 부품의 수량이 증대되는 문제를 야기하게 된다.

등록특허 제10-1150884호

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 동력원으로부터 작동 대상물에 이르기까지 동력 전달을 위한 기어열의 배치구조를 최적화하여 액츄에이터의 구성에 필요로 하는 부품의 수량을 감소하고 효율적인 기어 배치를 통한 구동력의 전달 성능을 향상시킬 수 있는 기어열 배치구조를 최적화한 차량용 액츄에이터를 제공하는 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 전동모터의 회전축을 통해 제공되는 구동력이 기어장치를 거쳐 로드 조립체로 감속 전이되도록 구성되는 차량용 액츄에이터에 있어서, 상기 기어장치는 상기 전동모터의 제1회전축에 설치되는 제1기어, 상기 제1기어와 내접하는 제2대경기어, 및 상기 제2대경기어와 동축상으로 배치되는 제2소경기어를 갖춘 제2기어, 상기 제2기어의 제2소경기어와 외접하는 제3대경기어, 및 상기 제3대경기어와 동축상으로 배치되는 제3소경기어를 갖춘 제3기어, 및 상기 제3기어의 제3소경기어와 외접하고, 로드 조립체와 연결되는 제4기어를 포함하고, 상기 제1기어의 중심축선과 상기 제2기어의 중심축선 및 상기 제3기어의 중심축선은 일직선상에 배치되며, 상기 제2기어의 중심축선과 상기 제4기어의 중심축선은 서로 일치하도록 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 제2기어의 제2대경기어는 상기 제1기어와 내접하는 내치부를 갖춘 링기어로 구성되고, 상기 제4기어는 상기 제3기어의 제3소경기어와 원호상으로 한정된 구간에서만 외접하는 섹터기어로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 제1기어의 중심축선은 상기 제2기어의 중심축선과 상기 제3기어의 중심축선을 연결하는 가상의 연장선상에서 상기 제2기어와 상기 제3기어 사이에 위치하도록 배치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예로서, 상기 제2기어의 제2회전축과 상기 제4기어의 제4회전축은 상호 축결합되고, 상기 제4기어의 제4회전축은 하우징 커버에 대해 회전 가능하게 지지되도록 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 제4기어와 하우징 커버 사이에 설치되어 외력의 제거시 상기 제4기어를 원래의 위치로 복원되도록 복귀방향을 향해 탄성력을 제공하는 토션스프링을 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 제4기어에 대한 위치 검출을 위해 구비되는 위치센서를 더 포함하고, 상기 위치센서는 상기 제4기어에 설치되는 링 마그넷, 및 상기 링 마그넷과 대향하는 위치에 설치되어 회전변위를 검출하는 홀센서로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따른 기어열 배치구조를 최적화한 차량용 액츄에이터는 터보 차져의 웨이스트 게이트 밸브에 대한 개폐 조절을 위한 액츄에이터의 구성에 있어, 동력원으로부터 발생되는 힘을 웨이스트 게이트 밸브로 전달하는 기어장치의 기어열에 대한 배치 구조를 최적화할 수 있으므로, 액츄에이터의 구성에 필요로 하는 부품의 수량을 감소하여 장비 전체의 크기를 컴팩트하게 구성할 수 있고, 장비의 크기에 대한 최적화를 통해 부품의 중량 및 원가를 절감할 수 있으며, 효율적인 기어 배치를 통해 구동력의 전달 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기어열 배치구조를 최적화한 차량용 액츄에이터를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 차량용 액츄에이터에 대한 종단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 차량용 액츄에이터에서 내부의 기어장치에 대한 조립상태를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 차량용 액츄에이터에서 주요 구성부품들을 분해하여 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 차량용 액츄에이터에서 기어장치만을 별도로 분리하여 도시한 분해 사시도이다.
도 6은 도 4에 도시된 차량용 액츄에이터에서 기어장치만을 별도로 분리하여 저면에서 도시한 분해 사시도이다.
도 7은 도 3 내지 도 6에 도시된 기어장치의 조립상태를 도시한 평면도이다.
도 8은 도 3 내지 도 6에 도시된 기어장치의 조립상태를 도시한 저면도이다.

이하, 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.

도 1과 도 2를 참조로 하면, 본 발명의 실시예에 따른 차량용 액츄에이터는 기어열의 배치구조를 최적화하여 터보 차져의 웨이스트 게이트 밸브에 대한 개폐를 안정적으로 구현하기 위한 것으로, 동력원에 해당하는 전동모터(10), 상기 전동모터(10)로부터 발생되는 구동력을 감속 전이하는 기어장치(20), 및 상기 기어장치(20)를 통해 감속 전이된 구동력을 작동 대상물에 전달하는 출력기구로서 로드 조립체(30)를 포함하여 구성된다.

상기 전동모터(10)는 도 2와 도 3 및 도 3에 도시된 바와 같이 동력원에 해당하는 것으로, 외부로부터 인가되는 전원에 의해 동작되어 작동 대상물의 구동에 필요로 하는 회전 구동력을 발생시키도록 구성된다. 이를 위해 상기 전동모터(10)는 외부 전원과의 전기적 접속 및 작동 제어를 위한 커넥터 터미널을 구비한다.

또한, 상기 전동모터(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 하우징(40)과 모터커버(50)에 의해 형성되는 내부공간에 수용되도록 구성된다. 이 경우, 상기 하우징(40)은 내부에 전동모터(10)를 수용하도록 형성되고, 상기 모터커버(50)는 하우징(40)의 저면부에 대해 착탈 가능하게 결합되어 전동모터(10)의 수용상태를 마감하도록 형성되는 데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 기어장치(20)는 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이 하우징(40)과 하우징 커버(60)에 의해 형성되는 내부공간에 수용되도록 구성된다. 이 경우, 상기 하우징 커버(60)는 내부에 기어장치(20)를 수용하도록 형성된다. 또한, 상기 하우징 커버(60)는 하우징(40)의 상면부에 대해 착탈 가능하게 결합되어 상기 기어장치(20)의 수용상태를 마감하도록 형성되는 데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 기어장치(20)는 상기 전동모터(10)의 제1회전축(10a)에 설치되는 제1기어(21), 상기 제1기어(21)와 치결합되는 제2기어(22), 상기 제2기어(22)와 치결합되는 제3기어(23), 및 상기 제3기어(23)와 치결합되는 제4기어(24)를 포함하여 구성되는 데, 상기 제2기어(22)와 제3기어(23)는 소경기어와 대경기어를 각각 상하로 배열하는 복열 구조의 기어로 구성된다. 상기 기어장치(20)를 구성하는 다수의 기어에 대한 세부적인 구성 및 결합관계에 대한 설명은 다음과 같다.

상기 제1기어(21)는 전동모터(10)의 제1회전축(10a)에 설치되어 전동모터의 구동시 일체로 회전하는 스퍼기어의 형태로 이루어진다. 다만, 상기 제1기어(21)의 형태는 스퍼기어에 한정되는 것이 아니라 헬리컬 등의 다양한 치형의 기어로도 대체될 수 있을 것이다.

상기 제2기어(22)는 제2회전축(22a)을 공유하는 형태로서, 상하방향에 걸쳐 상기 제2회전축(22a)을 매개로 동축상으로 배치되는 제2대경기어(22b)와 제2소경기어(22c)를 일체로 갖춘 형태로 구성된다. 이 경우, 상기 제2기어(22)의 제2대경기어(22b)는 상기 제1기어(21)를 내접하는 링기어의 형태로 구성되고, 상기 제2기어(22)의 제2소경기어(22c)는 제2대경기어(22b)의 상부에 위치하면서 상기 제3기어(23)와의 외접을 위한 스퍼기어의 형태로 구성된다. 또한, 상기 제2기어(22)의 제2회전축(22a)은 하우징(40)에 대해 일단부가 견고하게 지지되도록 설치된다. 이 경우에도 상기 제2기어(22)의 형태는 스퍼기어에 한정되는 것이 아니라 헬리컬 등의 다양한 치형의 기어로도 대체될 수 있을 것이다.

상기 제3기어(23)는 제3회전축(23a)을 공유하는 형태로서, 상하방향에 걸쳐 상기 제3회전축(23a)을 매개로 동축상으로 배치되는 제3대경기어(23b)와 제3소경기어(23c)를 일체로 갖춘 형태로 구성된다. 이 경우, 상기 제3기어(23)의 제3대경기어(23b)는 상기 제2기어(22)의 제2소경기어(22c)와의 외접을 위한 스퍼기어의 형태로 구성되고, 상기 제3기어(23)의 제3소경기어(23c)는 상기 제4기어(24)와의 외접을 위한 스퍼기어의 형태로 구성된다. 또한, 상기 제3기어(23)의 제3회전축(23a)은 하우징(40)과 하우징 커버(60)에 대해 양단부가 견고하게 지지되도록 설치된다. 이 경우에도 상기 제3기어(23)의 형태는 스퍼기어에 한정되는 것이 아니라 헬리컬 등의 다양한 치형의 기어로도 대체될 수 있을 것이다.

특히, 도 7과 도 8을 참조로 하면, 상기 제1기어(21)의 회전중심인 전동모터(10)의 제1회전축(10a)에 의한 중심축선과 상기 제2기어(22)의 회전중심인 제2회전축(22a)에 의한 중심축선 및 상기 제3기어(23)의 회전중심인 제3회전축(23a)에 의한 중심축선은 모두 일직선상의 위치에 배치되도록 구성된다. 즉, 상기 제1기어(21)의 중심축선은 상기 제2기어(22)의 중심축선과 상기 제3기어(23)의 중심축선을 연결하는 가상의 연장선상에서 상기 제2기어(22)와 상기 제3기어(23) 사이에 위치하도록 배치된다.

상기 제4기어(24)는 상기 제3기어(23)의 소경기어(23c)와 외접하도록 구성된다. 본 발명의 실시예에서 상기 제4기어(24)는 상기 제3기어(23)의 제3소경기어(23c)와 원호상으로 한정된 구간에서만 외접하는 섹터기어로 구성된다. 이 경우에도 상기 제4기어(24)의 형태는 섹터기어에 한정되는 것이 아니라 통상적인 스퍼기어의 형태로도 대체될 수 있을 것이다.

또한, 상기 제4기어(24)는 제2기어(22)의 제2회전축(22a)과 동축상으로 배치되는 제4회전축(24a)을 갖추도록 구성된다. 즉, 상기 제2기어(22)의 회전중심인 제2회전축(22a)에 의한 중심축선과 상기 제4기어(24)의 회전중심인 제4회전축(24a)에 의한 중심축선은 동축상으로 서로 일치하는 상하방향의 위치에 배치되도록 구성된다.

본 발명의 실시예에서 상기 제4기어(24)의 제4회전축(24a)은 일단부가 상기 제2기어(22)의 제2회전축(22a)에 대해 외접하여 축결합되는 형태로 구성되어 상대 회전이 가능하게 조립된다. 즉, 상기 제2기어(22)의 제2회전축(22a)과 상기 제4기어(24)의 제4회전축(24a)은 상호 축결합되고, 상기 제4기어(24)의 제4회전축(24a)은 하우징 커버(60)에 대해 베어링(70)을 매개로 회전 가능하게 지지되도록 설치된다.

또한, 상기 제4기어(24)의 제4회전축(24a)은 타단부가 상기 하우징 커버(60)를 관통하여 링크아암(31)의 회동단부와의 연동 가능한 결합을 통해 상기 로드 조립체(30)를 동작시키도록 구성된다. 즉, 상기 제4기어(24)의 제4회전축(24a)은 링크아암(31)의 회동단부에 형성된 체결구멍으로 삽입되어 고정되고, 상기 링크아암(31)은 로드 조립체(30)를 매개로 터보 차져의 웨이스트 게이트 밸브와 연결되어 웨이스트 게이트 밸브에 대한 개폐를 조절하게 된다.

또한, 상기 제4기어(24)는 하우징 커버(60)에 대해 자력복원수단을 매개로 탄력적인 회전을 구현할 수 있는 상태로 설치되는 데, 상기 자력복원수단은 상기 제4기어(24)와 하우징 커버(60) 사이에 설치되어 외력의 제거시 상기 제4기어(24)를 원래의 위치로 복원되도록 복귀방향을 향해 탄성력을 제공하는 토션스프링(80)의 형태로 구성될 수 있을 것이다. 즉, 상기 제4기어(24)는 하우징 커버(60)에 대해 자력복원수단인 상기 토션스프링(80)을 매개로 복귀방향을 향해 탄력적으로 지지되도록 설치된다.

도 2 내지 도 4를 참조로 하면, 본 발명은 상기 제4기어(24)에 대한 위치 검출을 위해 위치센서를 더 포함하여 구성된다. 이 경우, 상기 위치센서는 상기 제4기어(24)에 설치되어 일체로 회전하는 링 마그넷(90), 및 상기 링 마그넷(90)과 대향하는 위치에 설치되어 회전변위를 검출하는 홀센서(91)로 구성되고, 상기 홀센서(91)는 하우징(40)에 대해 고정 설치되도록 구성된다.

상기 로드 조립체(30)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 링크아암(31)의 일단부와 연결되는 긴 로드 형태의 봉상 구조물로 이루어지고, 터보 차져의 웨이스트 게이트 밸브와 연결되도록 구성된다. 이에 따라, 상기 로드 조립체(30)는 링크아암(31)의 회전시 함께 회전하여 웨이스트 게이트 밸브에 대한 개폐를 조절할 수 있게 된다.

따라서 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 기어열 배치구조를 최적화한 차량용 액츄에이터는 상기 전동모터(10)의 작동에 따라 발생된 회전 구동력이 상기 기어장치(20)의 제1기어(21)와 제2기어(22), 제3기어(23), 및 제4기어(24)를 각각 순차적으로 거쳐 링크아암(31)을 통해 상기 로드 조립체(30)로 전달될 수 있으므로, 터보 차져의 웨이스트 게이트 밸브를 정상적으로 개폐할 수 있게 된다.

이 과정에서 기어장치(20)는 상기 제1기어(21)로부터 제2기어(22)에 이르는 동력 전달과정에서 1차 감속전이를 수반하게 되고, 상기 제2기어(22)로부터 제3기어(23)에 이르는 동력 전달과정에서 2차 감속전이를 수반하게 되며, 상기 제3기어(23)로부터 제4기어(24)에 이르는 동력 전달과정에서 3차 감속전이를 수반하게 되므로, 터보 차져의 웨이스트 게이트 밸브에 대한 개폐 제어를 정상적으로 수행할 수 있게 된다.

특히, 본 발명은 제1기어(21)의 중심축선과 제2기어(22)의 중심축선 및 제3기어(23)의 중심축선을 모두 일직선상에 배치함과 더불어, 제2기어(22)의 중심축선 및 제4기어(24)의 중심축선을 상하방향의 동축상에 위치하도록 기어장치(20)의 기어열에 대한 배치 구조를 설정함으로써, 액츄에이터의 구성에 필요로 하는 부품의 수량을 감소하여 장비 전체의 크기를 컴팩트하게 구성할 수 있음과 동시에, 장비의 크기에 대한 최적화를 통해 부품의 중량 및 원가를 절감할 수 있고, 효율적인 기어 배치를 통해 구동력의 전달 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 제4기어(24)에 구비되는 자력복원수단인 토션스프링(80)을 매개로 외력의 제거시 별도의 리턴 제어를 위한 전동모터(10)의 동작없이도 토션스프링(80)이 구현할 수 있는 탄성 복원력을 매개로 제4기어(24)를 원래의 위치로 복귀시킬 수 있으므로, 불필요한 동력의 낭비를 배제할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 액츄에이터의 구동 제어를 실시하는 일련의 과정에서 링 마그넷(90)과 홀센서(91)로 구성되는 위치센서를 매개로 제4기어(24)에 대한 위치를 실시간으로 검출할 수 있으므로, 로드 조립체(30)를 이용한 터보 차져의 웨이스트 게이트 밸브에 대한 개폐 제어를 더욱 정밀하게 수행할 수 있게 된다.

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

10-전동모터 20-기어장치
21-제1기어 22-제2기어
23-제3기어 24-제4기어
30-로드 조립체 31-링크아암
40-하우징 50-모터커버
60-하우징 커버 70-베어링
80-토션스프링 90-링 마그넷
91-홀센서

Claims (5)

1. 전동모터의 제1회전축을 통해 제공되는 구동력이 기어장치를 거쳐 로드 조립체로 감속 전이되도록 구성되는 차량용 액츄에이터에 있어서,
   상기 기어장치는 상기 전동모터의 제1회전축에 설치되는 제1기어;
   상기 제1기어와 내접하는 제2대경기어, 및 상기 제2대경기어와 제2회전축을 매개로 동축상으로 배치되는 제2소경기어를 갖춘 제2기어;
   상기 제2기어의 제2소경기어와 외접하는 제3대경기어, 및 상기 제3대경기어와 제3회전축을 매개로 동축상으로 배치되는 제3소경기어를 갖춘 제3기어; 및
   상기 제3기어의 제3소경기어와 외접하고, 상기 로드 조립체와 연결되는 제4기어를 포함하고,
   상기 제1기어의 제1회전축과 상기 제2기어의 제2회전축 및 상기 제3기어의 제3회전축은 각각의 중심축선이 일직선상으로 배치되되, 상기 제1기어의 제1중심축선은 상기 제2기어의 제2중심축선과 상기 제3기어의 제3중심축선을 연결하는 가상의 연장선상에서 상기 제2기어의 제2회전축과 상기 제3기어의 제3회전축 사이에 위치하도록 배치되며,
   상기 제2기어의 제2회전축과 상기 제4기어의 제4회전축은 각각의 중심축선이 상하방향에 걸쳐 동축상으로 서로 일치하는 위치에 배치되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기어열 배치구조를 최적화한 차량용 액츄에이터.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2기어의 제2회전축과 상기 제4기어의 제4회전축은 상호 축결합되고, 상기 제4기어의 제4회전축은 하우징 커버에 대해 회전 가능하게 지지되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 기어열 배치구조를 최적화한 차량용 액츄에이터.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제4기어와 상기 하우징 커버 사이에 설치되어 외력의 제거시 상기 제4기어를 원래의 위치로 복원되도록 복귀방향을 향해 탄성력을 제공하는 토션스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기어열 배치구조를 최적화한 차량용 액츄에이터.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제4기어에 대한 위치 검출을 위해 구비되는 위치센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기어열 배치구조를 최적화한 차량용 액츄에이터.
   

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