KR20020084957A - 기어비 가변형 스티어링장치 - Google Patents

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KR20020084957A
KR20020084957A KR1020010024102A KR20010024102A KR20020084957A KR 20020084957 A KR20020084957 A KR 20020084957A KR 1020010024102 A KR1020010024102 A KR 1020010024102A KR 20010024102 A KR20010024102 A KR 20010024102A KR 20020084957 A KR20020084957 A KR 20020084957A
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최병윤
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주식회사 만도
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Abstract

본 발명은 기어비 가변형 스티어링장치에 관한 것으로서, 그 목적은 스티어링휠과 기어박스 사이에 차속에 따라 기어비를 가변시킬 수 있도록 가변기어 기구부를 마련한 기어비 가변형 스티어링장치를 제공하는 것이며, 스티어링휠(100)로부터 발생된 회전력을 전달받을 수 있도록 그 사이에 컬럼(110)을 개재하여 마련된 유니버셜 조인트(120)와, 상기 유니버셜 조인트(120)로부터 전달받은 회전력으로 축방향 이동되는 랙바(133)가 내설된 기어박스(130)를 구비한 스티어링장치에 있어서, 상기 스티어링휠(100)의 회전력을 전달받는 입력축(210)과, 상기 기어박스(130)에 회전력을 전달하는 출력축(220)과, 상기 입력축(210)과 출력축(220)의 외부에 축방향 이동 가능하도록 마련된 가변풀리(211,221)와, 상기 가변풀리(211,221)를 연결하는 벨트(230)와, 상기 가변풀리(211,221)를 축방향 이동시켜 그 사이의 기어비를 가변시킬 수 있도록 모터(240)를 구비한 가변기어 기구부(200)가 구비되는 구성이다.

Description

기어비 가변형 스티어링장치{GEAR RATIO VARIABLE TYPE STEERING DEVICE}
본 발명은 기어비 가변형 스티어링장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차속에 따라 스티어링휠의 회전수에 따른 랙바의 직선변위량을 변화시킬 수 있는 기어비 가변형 스티어링장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 스티어링장치는, 운전자가 스티어링휠을 회전시킴에 따라 이에 연결된 랙바의 직선변위량이 일정하게 발생되도록 구성되어있고, 이러한 것은 "40mm/rev" 등으로 표현되는 기어비로 나타내는데, 이 기어비는 차량의 스티어링 특성에 큰 영향을 끼친다.
도 1은 종래 스티어링장치를 개략적으로 보인 사시도이다. 이에 도시된 바와 같이, 운전자의 조향력을 발생시키는 스티어링휠(10)과, 그 하단부에 연결 설치된 컬럼(20), 그리고 컬럼(20)의 하단부에 연결된 유니버셜 조인트(30)와, 그 하단에 연결 설치된 기어박스(40)를 구비한다.
도 2는 이러한 기어박스를 보인 정면도이고, 도 3은 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 기어박스(40)의 외형을 형성하는 하우징(41)이 마련된다.
그리고, 이 하우징(41)의 내부 일측에는 상향으로 돌출 설치되어 스티어링휠(10)에서 발생되는 조향력을 전달받을 수 있도록 중공의 입력축(42)이설치된다.
또, 입력축(42)의 하단에는 이와 일체로 피니언기어(43)가 마련되고, 하우징(41)의 하부에는 이 피니언기어(43)와 맞물려 축방향으로 직선 이동될 수 있도록 일측면에 랙기어(45)가 형성된 랙바(44)가 설치된다.
이때, 랙바(44)는 랙기어(45)와 교축되도록 배치되며, 이 랙바(44)의 양측 선단에는 조향륜(60)과 연결되는 볼조인트(50)가 마련된다.
이와 같이 구성된 종래의 스티어링장치는 운전자가 스티어링휠(10)을 돌리면 입력축(42)이 회전하고, 차량의 설계시 결정된 기어비에 의해 랙바(44)가 직선운동하여 조향륜(60)을 각변위시키게 된다.
그러나 이러한 종래의 스티어링장치는 저속주행 및 고속주행에 상관없이 동일한 기어비를 발생시키므로, 입력축의 회전수에 대비하여 랙바의 이동거리가 동일해진다.
이로써, 저속주행시 스티어링휠을 조금 돌려 랙바의 많은 이동거리를 발생시킨다거나, 고속주행시 스티어링휠을 많이 돌려 랙바의 적은 이동거리를 발생시키는 것이 불가능해진다.
즉, 종래의 스티어링장치는 일정 기어비로 설계되어, 조향각이 많아야하는 저속주행시나 주차시에는 스티어링휠을 많이 회전시켜야하므로 조향이 불편하고, 조향각이 적어야하는 고속주행시에는 고속주행에 적합하지 않은 큰 조향각이 발생되어 조향안정성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 스티어링휠과 기어박스 사이에 차속에 따라 기어비를 가변시킬 수 있도록 가변기어 기구부를 마련한 기어비 가변형 스티어링장치를 제공하는 것이다.
도 1은 종래 스티어링장치를 개략적으로 보인 사시도이다.
도 2는 종래 기어박스를 보인 정면도이다.
도 3은 종래 기어박스를 보인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 스티어링장치의 개략적으로 보인 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 기어박스를 보인 정면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 기어박스를 보인 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 가변기어 기구부의 가변풀리를 보인 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 가변기어 기구부의 저속주행시 동작도이다.
도 9는 본 발명에 따른 가변기어 기구부의 고속주행시 동작도이다.
도 10은 본 발명에 따른 다른 실시예를 보인 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 보인 도면이다.
도 12는 도 10과 도 11에 적용되는 가변기어 기구부를 보인 단면도이다
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
100:스티어링휠 110:컬럼
120:유니버셜 조인트 130:기어박스
200:가변기어 기구부 210:입력축
211,221:가변풀리 220:출력축
230:벨트 240:모터
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기어비 가변형 스티어링장치은, 스티어링휠로부터 발생된 회전력을 전달받을 수 있도록 그 사이에 컬럼을 개재하여 마련된 유니버셜 조인트와, 상기 유니버셜 조인트로부터 전달받은 회전력으로 축방향 이동되는 랙바가 내설된 기어박스를 구비한 스티어링장치에 있어서, 상기 스티어링휠의 회전력을 전달받는 입력축과, 상기 기어박스에 회전력을 전달하는 출력축과, 상기 입력축과 출력축의 외부에 축방향 이동 가능하도록 마련된 가변풀리와, 상기 가변풀리를 연결하는 벨트와, 상기 가변풀리를 축방향 이동시켜 그 사이의 기어비를 가변시킬 수 있도록 모터를 구비한 가변기어 기구부가 마련된 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 4에서 도 9까지는 본 발명의 일실시예를 보인 도면이다. 먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 운전자의 조향력을 발생시키는 스티어링휠(100)이 마련된다.
그리고 스티어링휠(100)의 하단부에는 컬럼(110)이 연결 설치되고, 이 컬럼(110)의 하단부에는 유니버셜 조인트(120)가 연결된다.
또, 유니버셜 조인트(120)의 하단에는 조향륜(150)을 직접 동작시킬 수 있도록 이와 교축되게 설치되는 기어박스(130)가 마련된다.
도 5는 기어박스를 보인 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 기어박스(130)의 외형을 형성하는 중공의 하우징(131)이 마련된다.
그리고 이 하우징(131)의 내부에는 축방향으로 직선 이동될 수 있도록 길게 형성된 랙바(133)가 설치된다.
이때, 랙바(133)의 양측 선단에는 조향륜(150)과 연결되는 볼조인트(140)가 마련되고, 랙바(133)의 중간 일측에는 랙기어(134)가 형성된다.
아울러, 하우징(131)의 중간 일측에는 차속에 따라 스티어링휠(100)의 회전수에 따른 랙바(133)의 직선변위량을 변화시킬 수 있도록 가변기어 기구부(200)가 마련된다.
도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, 도시된 바와 같이, 본 발명의 가변기어 기구부(200)는 기어박스(130)의 외형을 형성하는 하우징(131)의 중간 일측에 이와 일체로 연결 형성된다.
그리고, 이 하우징(131)의 내부에는 상단이 하우징(131)의 외부로 돌출되도록 설치되어 스티어링휠(100)에서 발생되는 조향 회전력을 전달받을 수 있도록 입력축(210)이 마련된다.
또, 입력축(210)의 측면에는 이 입력축(210)과 평행하게 이격 설치되며, 하단에 피니언기어(132)가 일체로 형성된 출력축(220)이 설치되고, 이 입력축(210)과 출력축(220)은 회전 가능하도록 베어링을 개재하여 하우징(131)의 내부에 설치된다.
이때, 피니언기어(132)는 이와 교축되도록 배치된 랙바(133)의 랙기어(134)와 이물림될 수 있도록 설치된다.
한편, 이 입력축(210)과 출력축(220)의 사이에는 동력을 전달할 수 있도록 벨트(230)가 마련되는데, 이를 위해 입력축(210)과 출력축(220)의 외주면에는 2개의 가변풀리(211,221)가 설치된다.
먼저, 입력축(210)의 외부에 설치되는 가변풀리(211)는 2개로 분리된 테이퍼진 원기둥을 지름이 작은 측이 마주하도록 상호 대칭되게 구성된다.
그리고, 이 가변풀리(211)의 내주면과 입력축(210)의 외주면에는 스플라인(211S,210S)이 형성되어, 가변풀리(211)는 분할된 양측이 입력축(210)의 외부에서 축방향으로 각각 습동되며 회전방향으로는 입력축(210)과 연동된다.
이때 이와는 달리 가변풀리의 일측을 고정하고 타측만이 습동가능하도록 설치할 수 도 있다.
또, 이 가변풀리(211)를 축방향 양측으로 지지하여 그 사이가 밀착되도록 입력축(210)의 외부에는 가변풀리(211)의 양측방향으로 2개의 스프링(212)이 설치된다.
즉, 이 스프링(212)은 습동가능하게 마련된 가변풀리(211)의 정렬이 어긋났을 경우 이를 자동으로 보상해줄 수 있도록 마련되는 것이다.
그리고, 가변풀리(211)의 테이퍼 형성된 외주면에는 벨트(230)의 미끄러짐을 방지할 수 있도록 축중심에서 원주방향측으로 길게 연장되는 다수개의 돌기(211P)가 형성된다.
또, 스프링(212)의 원활한 작동을 위하여 가변풀리(211)와 마주하는 측에는 스프링(212)을 지지할 수 있도록 플레이트(213)를 설치한다.
또한, 출력축(220)의 외부면에는 스플라인(220S)이 형성되고, 이에 설치되는 가변풀리(221)는 입력축(210)에 마련된 가변풀리(221)와 같이 테이퍼진 원기둥 2개로 분할 형성되어, 내부면에는 스플라인(221S)이 형성되고, 외부면에는 돌기(221P)가 마련된다.
이때, 출력축(220)의 외부에 설치되는 가변풀리(221)는 입력축(210)에 설치된 가변풀리(211)와는 달리 일측이 출력축(220)에 고정되고 타측만이 습동되도록 설치된다.
즉, 피니언기어(132)측으로 마련된 가변풀리의 하부측은 축방향으로 고정되고 이와 마주하는 상부측은 출력축(220)을 따라 축방향으로 습동가능하게 마련되는 것이다.
이때, 가변풀리(211,221)의 사이에 설치되는 벨트(230)는 가변풀리(211,221)의 테이퍼형성된 외주면에 밀착될 수 있도록 그 단면이 테이퍼 형성된 브이 벨트(230)(V Belt)를 사용한다.
아울러, 입력축(210)과 출력축(220)에 마련된 2개의 가변풀리(211,221) 사이의 기어비를 조절할 수 있도록 출력축(220)의 일측단에는 모터(240)가 설치된다.
이 모터(240)는 습동가능하게 마련된 출력축(220) 측의 가변풀리(221)를 습동시킬 수 있도록 마련되는 엑츄에이터로서, 모터축(241)이 하우징(131)의 내부로 삽입될 수 있도록 설치되며 이 모터축(241)의 선단 외주면에는 스크류(242)가 형성된다.
이 모터(240)는 미도시된 제어부(ECU, Electric Control Unit)의 신호에 의해 회전하게 되는데, 이 제어부는 차량의 속도 및 상황을 적절히 분석하고, 차량의 개발시 튜닝된 차속에 따른 적절한 기어비를 발생시킬 수 있도록 모터(240)에 적절한 전류를 인가함으로써, 최적의 조향성능이 발휘되도록 한다.
그리고, 이때 사용되는 모터(240)는, 일반적인 모터(240)를 사용하거나, 다단으로 동작될 수 있도록 스텝핑 모터(240)를 사용할 수 도 있다.
또, 이 모터축(241)의 선단에는 모터(240)의 회전력을 직선으로 전환할 수 있도록 이에 나사 결합되어 축방향으로 이동되는 연결관(250)이 마련된다.
이 연결관(250)은 축방향으로 이동될 수 있도록 하우징(131)의 내부에 설치되며 일단은 상부측 가변풀리(221)와의 사이에 축방향 마찰력을 감소시킬 수 있도록 스러스트 베어링(Thrust Bearing, 260)을 개재하여 설치된다.
그리고, 연결관(250)의 타단 내부에는 모터축(241) 선단의 스크류(242)가 나사결합될 수 있도록 스크류(251)가 형성되어 모터(240)의 회전시 축방향으로 동작된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 기어비 가변형 스티어링장치은, 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이, 고속시와 저속시의 가변풀리간의 기어비가 달라진다.
먼저, 도 8에 도시된 바와 같이, 저속주행시나 주차시에는 스티어링휠(100)을 많이 회전시키게되므로, 스티어링휠(100)의 회전수 대비 랙바(133)의 이동거리가 상대적으로 큰 것이 조향에 유리하게 작용된다. (입력축의 회전수 〈 출력축의회전수)
이때, 차속을 입력받은 제어부에서 튜닝된 전류값을 모터(240)에 인가하게 되면 모터(240)는 적절한 회전을 하게된다.
이로써 연결관(250)이 모터(240)측으로 축방향 이동되고 출력축(220) 가변풀리(221)는 벨트(230)의 장력에 의해 벨트(230)에 의해 그 사이가 멀어지게 된다.
이때, 벨트(230)를 통해 전달되는 장력은 스프링(212)에 의해 서로 밀착되는 입력축(210) 가변풀리(211)의 외경측에 벨트(230)가 밀착되면서 발생되는 것이다.
즉, 가변풀리(211)의 사이가 멀어지고 벨트(230)는 출력축(220) 가변풀리(221)의 내경측으로 밀착되며 이와는 반대로 입력축(210) 가변풀리(211)는 스프링(212)에 의해 그 사이가 좁아져 벨트(230)는 입력축(210) 가변풀리(211)의 외경측에 밀착하게 된다.
이로 인해, 입력축(210) 가변풀리(211) 회전수에 비해 출력축(220) 가변풀리(221) 회전수가 커져 결과적으로는 스티어링휠(100)의 회전수 대비 랙바(133)의 이동거리가 상대적으로 커지게 된다.
다음, 도 9에 도시된 바와 같이, 고속주행시에는 스티어링휠(100)의 회전수 대비 랙바(133)의 이동거리가 상대적으로 작은 것이 조향에 유리하다. (입력축의 회전수 〉출력축의 회전수)
즉, 모터(240)의 회전력으로 인해 연결관(250)이 출력축(220) 가변풀리(221)를 밀어 출력축(220) 가변풀리(221)가 서로 마주하는 방향으로 이동되어 그 사이가 좁아지게 된다.
이때, 일정한 폭으로 마련된 벨트(230)는 가변풀리(221)의 외경측으로 밀착되며 이와는 반대로 입력축(210) 가변풀리(211)는 벨트(230)에 의해 그 사이가 멀어지고, 벨트(230)는 입력축(210) 가변풀리(211)의 내경측으로 밀착된다.
이로써, 입력축(210) 가변풀리(211) 회전수에 비해 출력축(220) 가변풀리(221) 회전수가 작아지게 되어 결과적으로는 스티어링휠(100)의 회전수 대비 랙바(133)의 이동거리가 상대적으로 작아지게 된다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예를 개략적으로 보인 도면이고, 도 11은 본 발명의 또 다른 실시예를 보인 도면이며, 도 12는 도 10과 도 11에 적용되는 가변기어 기구부를 보인 단면도이다.
먼저 도 10에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에서는 본 발명에 따른 가변기어 기구부(300)가 유니버셜 조인트(520)에 마련된다.
이때의 가변기어 기구부(300)는 일실시예에서와 같이 출력축에 피니언기어가 직접연결되지 않고, 입력축(310)과 출력축(320)에 분할 형성되는 유니버셜 조인트(520)의 양측부가 하나씩 연결되어 모터(340)의 회전으로 연결관(350)을 왕복운동시킴으로써, 가변풀리(311,321)와 벨트(330)를 통해 전달되는 회전력을 조절하게 된다.
다음 도 11에 도시된 바와 같이, 또 다른 실시예에서는 본 발명에 따른 가변기어 기구부(300)가 컬럼(510)에 설치된다.
이때의 가변기어 기구부(300)는 분할 형성된 컬럼(510)의 양측부가 하나씩 연결되어 그 사이에 마련된 가변풀리(311,321)와 벨트(330)를 통해 전달되는 회전력을 조절하게 된다.
이와 같이 본 발명의 가변기어 기구부는 스티어링장치의 동력연결부위에서, 중간 어느 곳이든 설치가 용이한 곳에 선택적으로 설치할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 간단한 구조의 가변기어 기구부를 구비함으로 인해, 차속에 따라 스티어링휠의 회전수에 따른 랙바의 직선변위량을 변화시킬 수 있게된다.
즉, 고속주행시에는 무거운 조향감과 더불어 양호한 방향 안정성을 부여할 수 있고, 저속주행시에는 조향각이 커지게 되므로 운전자에게 가볍고 편안한 조향감을 부여할 수 있는 이점이 있다.

Claims (13)

  1. 스티어링휠로부터 발생된 회전력을 전달받을 수 있도록 그 사이에 컬럼을 개재하여 마련된 유니버셜 조인트와, 상기 유니버셜 조인트로부터 전달받은 회전력으로 축방향 이동되는 랙바가 내설된 기어박스를 구비한 스티어링장치에 있어서,
    상기 스티어링휠의 회전력을 전달받는 입력축과, 상기 기어박스에 회전력을 전달하는 출력축과, 상기 입력축과 출력축의 외부에 축방향 이동 가능하도록 마련된 가변풀리와, 상기 가변풀리를 연결하는 벨트와, 상기 가변풀리를 축방향 이동시켜 그 사이의 기어비를 가변시킬 수 있도록 모터를 구비한 가변기어 기구부가 마련된 것을 특징으로 하는 기어비 가변형 스티어링장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가변풀리는 테이퍼진 2개의 원기둥으로 분리 형성되며, 지름이 작은 측이 서로 마주하도록 상호 대칭되게 설치된 것을 특징으로 하는 기어비 가변형 스티어링장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 벨트는 상기 가변풀리의 외주면에 밀착될 수 있도록 단면이 형성된 브이 벨트인 것을 특징으로 하는 기어비 가변형 스티어링장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 입력축에 설치된 상기 가변풀리의 축방향 양측에는 상기 가변풀리를 분할된 측으로 가압할 수 있도록 스프링이 마련된 것을 특징으로 하는 기어비 가변형 스티어링장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 출력축에 설치된 가변풀리는 일측이 상기 출력축에 고정되고 타측이 상기 모터에 의해 축방향 이동되도록 마련된 것을 특징으로 하는 기어비 가변형 스티어링장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 모터에서 연장된 모터축의 선단에는 스크류가 형성되고, 상기 가변기어 기구부의 내부에는 왕복이동되도록 설치되며 일단 내부에는 상기 스크류와 나사결합되며 타단은 상기 출력축에서 축방향 이동되는 상기 가변풀리의 타측을 가압할 수 있도록 연결관이 마련된 것을 특징으로 하는 기어비 가변형 스티어링장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 연결관과 상기 출력축에서 축방향 이동되는 상기 가변풀리의 타측 사이에는 스러스트 베어링이 마련된 것을 특징으로 하는 기어비 가변형 스티어링장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 가변기어 기구부는 상기 입력축이 상기 유니버셜 조인트에 연결되고, 상기 출력축이 상기 랙바와 연결되도록 상기 기어박스의 일측에 마련된 것을 특징으로 하는 기어비 가변형 스티어링장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 입력축과 출력축의 외주면과 상기 가변풀리의 내주면에는 서로 맞물려 축방향으로는 습동되고 회전방향으로 연동될 수 있도록 스플라인이 형성된 것을 특징으로 하는 기어비 가변형 스티어링장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 벨트의 미끄러짐을 방지하기 위해 상기 가변풀리의 외주면에는 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 기어비 가변형 스티어링장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 모터는 다단으로 동작되는 스텝핑 모터로 마련된 것을 특징으로 하는 기어비 가변형 스티어링장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 가변기어 기구부는 분할 형성된 상기 컬럼의 일측에 상기 입력축이 연결되고, 타측에 상기 출력축이 연결되는 것을 특징으로 하는 기어비 가변형 스티어링장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 가변기어 기구부는 분할 형성된 상기 유니버셜 조인트의 일측에 상기 입력축이 연결되고, 타측에 상기 출력축이 연결되는 것을 특징으로 하는 기어비 가변형 스티어링장치.
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