KR20040047710A

KR20040047710A - 전동파워 스티어링 장치

Info

Publication number: KR20040047710A
Application number: KR1020030085348A
Authority: KR
Inventors: 시이나아키히코; 오카와노리타케; 사쿠다마사요시
Original assignee: 고요 세이코 가부시키가이샤
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2004-06-05
Also published as: EP1424262B1; ES2266708T3; JP2004182013A; EP1424262A2; KR100798513B1; EP1424262A3; JP4134701B2; DE60306077T2; US7240762B2; DE60306077D1; US20040163881A1

Abstract

본 발명은 저항토크의 증가를 작게하고, 소음발생을 억제할 수 있는 전동 파워 스티어링 장치에 관한 것으로서, 조타중립위치 근방영역에 대응하여 웜휠의 치합 반경RA을 상대적으로 크게 하는 것으로 백래쉬를 상대적으로 작게하는 구성을 취한다. 예를들면, 자갈길 등의 사정이 나쁜 도로를 직진주행할 때의 소음을 방지한다. 나머지 영역B2 인 대부분의 영역에서는 상대적으로 큰 백래쉬로 설정하고, 저항토크의 증대를 억제하며, 이것은 웜휠의 이빨의 프로필의 일부에 편의부를 설치하는 간단한 구성으로 실현한다. 사정이 나쁜 도로 주행시에 있어서도 조타중에 있어서 웜축이나 웜휠이 전동모터로부터의 동력을 전달할 때에는 소음이 발생하지 않으므로 상기와 같이 백래쉬가 커져도 문제가 없다.

Description

전동파워 스티어링 장치{ELECTRIC POWER STEERING APPARATUS}

본 발명은 조타 보조력의 발생원으로서 전동모터를 이용하는 전동 파워 스티어링 장치에 관한 것이다.

자동차용 전동 파워 스티어링 장치에서는 스티어링 휠 등의 조타부재가 회전조작되면 조타부재에 부하되는 조타토크에 따라서 전동모터의 출력회전을 제어한다. 전동모터의 회전은 감속기구를 통해서 스티어링 기구에 전달되고, 조타부재의 회전조작에 따른 스티어링 기구의 동작이 보조되며, 스티어링을 위한 운전자의 노동력 부담이 경감된다.

상기 감속기구로서, 예를들면 웜과 웜 휠을 이용한 전동 파워 스티어링 장치가 제공된다(예를들면 일본국 특허공개 2000-43739).

그런데, 전달저항을 감소시키기 위한 웜과 웜 휠 사이의 백래쉬(backlash)를 크게 설정한 경우, 예를들면 자갈길과 같은 사정이 나쁜 도로를 직진주행할 때에 타이어로부터의 역입력 때문에 덜거덕 소리에 의한 소음이 문제가 된다.

역으로, 덜거덕 소리를 억제하기 위해 백래쉬를 작게 설정한 경우에는 전달저항이 증대하기 때문에 코너링 주행으로부터 직진 주행으로 이행할 때에 핸들 복귀가 나빠지는 문제가 있다.

이와 같은 관점으로부터 전달저항이 작아져도 소음이 작은 감속기구를 실현하는 것이 매우 곤란하다.

본 발명은 상기 과제를 감안한 것으로서 저항토크의 증가가 작고 또한 소음발생을 억제할 수 있는 전동 파워 스티어링 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동파워 스티어링 장치의 요부를 모식적으로 나타낸 단면도.

도 2는 도 1의 II-II선에 따른 단면도.

도 3은 웜 휠의 요부를 나타낸 개략확대도.

도 4는 치합상태의 웜 축과 웜 휠의 치합을 모식적으로 나타낸 도면.

도 5a는 조타각과 웜 휠의 치합 반경과의 관계를 나타내는 그래프도.

도 5b는 조타각 백러쉬 관계를 나타내는 그래프도.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 치합상태를 나타내는 웜 축과 웜 휠의 모식도.

(부호의 설명)

11 웜축(웜, 구동치차)

12 웜 휠(피동치차)

M 전동모터

50 감속기

60 이빨

61 편의부

62 편의부에 대응하는 부분

R 피치원 반경

RA 치합반경

C 조타중립위치

B1 (조타중립위치의) 근방영역

B2 나머지영역

70 축심

X (웜 휠의) 축방향

X1 축방향의 중앙위치

P 소정의 옵셋량

본 발명의 목적을 실현하기 위한 제1구성특징은 조타 보조용 전동 모터의 동력을 구동치차 및 피동치차를 통해서 전달하는 전동 파워 스티어링 장치에 있어서,

상기 구동치차와 피동치차 사이의 백래쉬를 최소한 조타중립위치의 근방영역에서 나머지 영역 보다도 작게 설정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2구성특징은 제1구성특징에서 상기 피동치차가 이빨 외주부의일부를 백래쉬를 작게하는 방향으로 편의시키게 되는 편의부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제3구성특징은 제1구성특징에서 상기 구동치차가 웜으로 되고, 상기 피동치차가 웜 휠로 되며, 웜의 축심의 위치가 웜 휠의 축방향으로 소정의 옵셋량 만큼 옵셋되는 것을 특징으로 한다.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시에 따른 전동 파워 스티어링 장치의 개략 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예의 전동 파워 스티어링 장치(이하 간단히 "파워 스티어링 장치"라 함)에서는 스티어링 휠(1)을 부착하는 입력축으로서의 제1 조타축(2)과, 랙 앤드 피니온 기구 등의 스티어링 기구(도시생략)에 연결되는 출력축으로서의 제2 조타축(3)이 토션 바(4)를 통해서 동축적으로 연결되어 있다. 제1 및 제2의 조타축(2, 3)을 지지하는 하우징(5)은 예를 들면 알루미늄 합금으로 되고, 차체(도시생략)에 부착되어 있다. 하우징(5)은 상호 결합되는 센서 하우징(6)과 기어 하우징(7)에 의해 구성된다. 구체적으로는 기어 하우징(7)은 통형상으로 되고, 그 상단의 환상 에지부(7a)가 센서 하우징(6)의 하단 외주의 환상 단차부(6a)에 결합된다. 기어 하우징(7)은 감속기구로서의 웜 기어기구(8)를 수용하고, 센서 하우징(6)은 토크센서(9) 및 제어기판(10) 등을 수용하고 있다. 기어 하우징(7)에 웜 기어기구(8)를 수용함으로써 감속기(50)가 구성된다.

상기 웜 기어기구(8)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 전동모터M의 회전축(32)에 예를들면 스플라인(33) 조인트 등의 조인트기구를 통해서 연결되는 철강제의 웜축(웜)(11)과, 이 웜축(11)과 치합하고, 또한 도 1에 나타낸 바와 같이, 제2 조타축(3)의 축방향 중간부에 일체 회전가능하고, 축방향 이동이 규제된 웜 휠(12)을 구비한다. 도시하지 않았지만 웜축(11)은 기어 하우징(7) 내에 한쌍의 베어링을 통해서 회전가능하게 지지된다.

웜 휠(12)은 제2 조타축(3)에 일체 회전 가능하게 결합되는 환상의 금속코어(12a)와, 금속코어(12a)의 주위를 둘러싸고 외주면부분에 이빨을 형성하는 합성수지부재(12b)를 구비한다. 금속코어(12a)는 예를들면 합성수지부재(12b)의 수지성형시에 금형내에 인서트되고, 금속코어(12a)와 성형된 합성수지부재(12b)는 일체 회전가능하게 결합된다.

기어 하우징(7) 내에서 웜축(11)과 웜휠(12)의 치합부분A을 최소한 포함하는 영역에 윤활제가 충진된다. 즉, 윤활제는 치합부분A 만으로 충진하여도 좋고, 치합부분A과 웜축(11)의 둘레 에지 전체에 충진하여도 좋으며, 기어 하우징(7) 내 전체에 충진하여도 좋다.

제2조타축(3)은 웜휠(12)을 축방향 상하에 끼워 배치하는 제1 및 제2 롤링 베어링(13)(14)에 의해 회전 가능하게 지지된다.

제1롤링 베어링(13)의 외륜(15)은 센서 하우징(6)의 하단의 통형상 돌기(6b) 내에 설치된 베어링 유지공(16)에 결합되어 유지된다. 제1롤링 베어링(13)의 외륜(15)의 상단면은 환상의 단차부(17)에 당접되어 있고, 센서 하우징(6)에 대한 축방향 위쪽으로의 이동이 규제된다. 한편 제1 롤링 베어링(13)의 내륜(18)은 제2조타축(3)에 체결되는 것에 의해 결합된다. 내륜(18)의 하단면은 웜휠(12)의 금속코어(12a)의 상단면에 당접된다.

또, 제2 롤링 베어링(14)의 외륜(19)은 기어 하우징(7)의 베어링 유지공(20)에 결합되어 유지된다. 제2 롤링 베어링(14)의 외륜(19)의 하단면은 환상의 단차부(21)에 당접하고, 기어 하우징(7)에 대한 축방향 아랫쪽으로의 이동이 규제된다. 제2 롤링 베어링(14)의 내륜(22)은 제2조타축(3)에 일체 회전가능하고 또한 축방향 상대이동이 규제된 상태로 부착된다. 내륜(22)은 제2 조타축(3)의 단차부(23)와, 제2조타축(3)의 나사부에 체결되는 너트(24)와의 사이에 협지된다.

토션바(4)는 제1 및 제2 조타축(2)(3)을 통과한다. 토션바(4)의 상단(4a)은 연결핀(25)에 의해 제1조타축(2)과 일체 회전가능하게 연결되고, 토션바(4)의 하단(4b)은 연결핀(26)에 의해 제2조타축(3)과 일체로 회전가능하게 연결되어 있다. 제2조타축(3)의 하단은 도시하지 않은 중간축을 통해서 랙 앤드 피니온 기구 등의 스티어링 기구에 연결된다.

상기 연결핀(25)은 제1조타축(2)과 동축으로 배치되는 제3조타축(27)을 제1조타축(2)과 일체 회전가능하게 연결하고 있다. 제3조타축(27)은 스티어링 칼람을 구성하는 튜브(28) 내를 관통하고 있다.

제1조타축(2)의 상부는 예를들면 침형상 롤러 베어링으로된 제3 롤링 베어링(29)을 통해서 센서 하우징(6)에 회동 가능하게 지지된다. 제1조타축(2)의 하부 지름축소부(30)와 제2조타축(3)의 상부구멍(31)은 제1 및 제2 조타축(2)(3)의 상대회전을 소정 범위에서 규제하도록 회전방향으로 소정의 유극을 형성하여 결합하고 있다.

다음에, 도 2를 참조하면, 웜축(11)은 기어 하우징(7)에 의해 유지되는 제4 및 제5의 롤링 베어링(34)(35)에 의해 각각 회전가능하게 지지된다. 제4 및 제5의 롤링 베어링(34)(35)은 예를들면 볼 베어링으로 이루어진다.

제4 및 제5 롤링 베어링(34)(35)의 내륜(36)(37)이 웜축(11)에 대응하는 협폭부에 결합된다. 또, 제4 및 제5 롤링 베어링(34)(35)의 외륜(38)(39)은 기어 하우징(7)의 베어링 유지공(40)(41)에 각각 유지된다.

기어 하우징(7)은 웜축(11)의 둘레면의 일부에 대하여 지름방향에 대향하는 부분(7b)을 포함한다. 또, 웜축(11)의 일단부(11a)를 지지하는 제4 롤링 베어링(34)의 외륜(38)은 기어 하우징(7)의 단차부(42)에 당접하여 위치결정된다. 한편 제4 롤링 베어링(34)의 내륜(36)은 웜축(11)의 위치결정 단차부(43)에 당접함으로써 웜축(11)의 타단부(11b) 측으로의 이동이 규제된다.

웜축(11)의 타단부(11b)(조인트측 단부)이 근방을 지지하는 제5 롤링 베어링(35)의 내륜(37)은 웜축(11)의 위치결정 단차부(44)에 당접함으로써 웜축(11)의 일단부(11a) 측으로의 이동이 규제된다.

또, 제5 롤링 베어링(35)의 외륜(39)은 예압 조정용 나사부재(45)에 의해 제4 롤링 베어링(34) 측으로 가압된다. 나사부재(45)는 기어 하우징(7)에 형성되는 나사구멍(46)에 나사결합 됨으로써 한쌍의 롤링 베어링(34)(35)에 예압을 부여하는 동시에 웜축(11)을 축방향으로 위치결정한다. "47"은 예압조정 후의 나사부재(45)를 정지하기 위해 나사부재(45)에 결합되는 로크 너트이다.

다음에, 모식적인 도 3을 참조하여 웜휠(12)의 이빨(60)의 프로필의 일부에지름방향 외측으로 편의된 편의부(61)가 형성된다. 모식도인 도 4에 있어서 일점쇄선으로 나타낸 웜 휠(12)의 핏치 원반경R은 상기 편의부(61)에 대응하는 부분(62)의 중앙부에서 값R2로 되고, 또 나머지 부분에서의 값R1 보다도 크게 된다(R2 > R1).

또, 도 4에 있어서, 웜 휠(12)의 치합반경RA은 웜휠(12)과 웜축(11)의 치합부분A에서의 웜휠(12)의 핏치반경R에 상당하고, 상기 값R1과 R2 사이의 중간값을 갖는다(R1 ≤R ≤R2).

편의부(61)가 설치된 각도범위, 즉, 편의부(61)에 대응하는 부분(62)의 각도범위는 2θ1으로 된다. 이것은 후술하는 조타중립 위치C의 근방영역B1에 상당하는 범위이다.

도 5a는 조타각θ(스티어링 휠(1)의 회전각)과 웜 휠(12)의 치합 반경RA와의 관계를 나타내는 그래프도이며, 도 5a에 나타낸 바와 같이 웜 휠(12)의 치합 반경RA는 조타 중립 위치C (조타각 θ = 0의 위치)의 근방 영역B1(-θ1 ≤ θ ≤θ1)에서 나머지 영역B2 보다도 크게 설정된다.

그리고, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 웜축(11)과 웜 휠(12)의 백래쉬가 조타중립위치C의 근방영역B1에서 나머지 영역B2 보다 작게 설정된다.

상기 편의부(61)는 웜휠(12)에서 상기 중립위치C의 근방영역B1에 대응하여 웜축(11)에 치합할 수 있는 위치로 설정된다.

상기 근방영역B1으로서는 θ1 = 10 도 하고, 중립위치C를 사이에 두고 예를들면 ±10도의 영역으로 설정한다. 이 근방영역B1은 차량에 따라서 적절히 설정가능하게 된다.

여기서 백래쉬 1분당 치합반경RA의 변화량을 ΔRA1, 압력각을 α, 핏치원직경을 D라 하면

ΔRA1 = πD/(360 ×60 ×2 ×tan α)로 되는 관계식이 성립한다. 핏치원직경D을 80-100mm로 하면 백래쉬가 1분변화하기 위한 치합반경RA의 변화량을 ΔRA1은 22∼28㎛ 변화해야 한다.

예를들면, 중립위치C의 근방영역B1에서의 백래쉬을 -1분, 나머지 영역B2에서의 백래쉬를 4분으로 하여 양자의 차이를 5분으로 하기 위한 치합반경RA의 변화량ΔRA는 ΔRA = 5 ×ΔRA1 이므로, 0.1 ∼ 0.15mm로 설정할 필요가 있다.

상기와 같이 본 실시예에 따르면, 조타중립위치C의 근방영역B1에서 백래쉬를 상대적으로 작게하는 것으로 예를들면 자갈길 등의 사정이 나쁜 도로을 직진주행할 때의 소음을 방지할 수 있다.

또, 상기 근방영역B1을 제외한 나머지 영역B2에서는 즉, 대부분의 영역에서는 상대적으로 큰 백래쉬를 설정하므로 저항토크의 증대를 억제할 수 있다. 다라서 소음을 방지하고 또한 저항토크의 증대를 억제할 수 있다. 또한 이것을 웜휠(12)의 이빨의 외형부의 일부에 편의부(61)를 설정하는 간단한 구성으로 실현할 수 있다.

또, 사정이 나쁜 도로의 주행시에 있어서도 조타 중에 있어서 웜축(11)이나 웜휠(12)이 전동모터M으로부터의 동력을 전달할 때에는 소음이 발생하기 어려우므로 상기와 같이 백래쉬가 커져도 문제가 없다.

또, 상기와 같이 나머지영역B2, 즉 대부분의 영역에 있어서 미리 백래쉬를크게 설정하고 있으므로, 본실시예와 같이 웜휠(12)의 최소한 일부에 합성수지부재(12b)를 이용하고 이 합성수지부재(12b)가 온도팽창, 흡습, 부풀음 등에 의해 치수변화가 일어나도 백래쉬가 지나치게 작아질 염려가 없다. 즉, 합성수지부재(12b)의 치수변화에 대한 마진을 크게할 수 있다.

역으로하면, 합성수지부재가 마모하여도 편의부(61)에 의해 중립위치C의 근방영역B1에서 미리 백래쉬를 작게하므로 소음발생을 효과적으로 억제할 수 있다.

단, 본 실시예에서 웜휠(12)로서 전체가 철강제인 것을 이용할 수도 있다.

상기 도 5a에 있어서 근방영역B1에서의 그래프 형상이 사다리꼴로 되어 있지만 사다리꼴의 모서리부분이 부드러운 R형상으로 되도록 편의부(61)가 매끄럽게 변화하는 형상으로 하여도 좋다.

또, 실제로는 편의부(61)는 중립위치C의 근방영역B1 이외의 상기 나머지 영역B2에 있어서도 치합부분A로 변화하여 가지만 그 때는 조타보조력이 작용하며, 핸들도 조타 중이기 때문에 조타 시스템의 관성 등이 있으므로 핸들 복귀에 영향을 거의 주지 않는다. 또, 조타 필링(steering feeling)에 악영향을 미치는 것도 없다.

다음에, 도 6은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 것이다. 도 6을 참조하면 본 발명의 다른 실시예에서는 웜축(11)의 축심(70)의 위치가 웜휠(12)의 축방향X의 중앙위치X1(통상 위치에 상당)로부터 축방향X로 소정 옵셋량P만큼 옵셋된다. 본실시예의 형태에 있어서도 상기 실시형태와 같이하여 저항토크의 증가를 작게하고, 또한 소음발생을 억제할 수 있다. 또한, 이것을 웜축(11)의 축심(70)의 위치를 옵셋시키는 간단한 구성에 의해 실현할 수 있다.

또, 본 발명은 상기 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 특허청구범위에서 여러 가지 변경 및 변형이 가능하다. 상기 실시예에서는 웜휠(11)에 지름방향으로 편의시킨 편의부(61)를 설치하는 것을 예시하였지만, 웜축(11)에 지름방향으로 편의시킨 편의부를 설치하는 것도 가능하다.

이상과 같은 구성을 통해 본 발명의 제1구성특징은 조타보조용 전동모터의 동력을 구동치차 및 피동치차를 통해서 전달하는 전동파워 스티어링 장치에 있어서, 상기 구동치차와 피동치차 사이의 백래쉬를 최소한 조타중립위치의 근방영역에 두고 나머지 영역 보다도 작게 설정하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명자는 사정이 나뿐 도로 주행시에 있어서도 조타중에 각 치차가 전동모터로부터의 동력을 전달할 때에는 소음이 발생하지 않고, 사정이 나뿐 도로의 직진주행시에 각 치차가 전동모터로부터의 동력을 전달하지 않을 때에 소음이 발생하기 쉬운것을 착안하였다. 그래서 조타중립위치의 근방영역을 제외하고 대부분의영역에서는 구동치차와 피동치차의 사이 백래쉬를 저항토크의 억제를 달성할 수 있는 상대적으로 큰 백래쉬로 설정하고, 최소한 조타중립위치의 근방영역에서 구동치차와 피동치차 사이의 백래쉬를 상대적으로 작게하는 것으로 직진주행 시의 소음발생을 방지하였다.

본 발명의 제2구성특징은 제1구성특징에서 상기 피동치차가 이빨 외주부의 일부를 백래쉬를 작게하는 방향으로 편의시키게 되는 편의부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서 이빨 외주부의 일부에 편의부를 설치하는 간단한 구성에 의해 저항 토크의 증가를 작게하고, 또한 소음발생을 억제할 수 있다.

본 발명의 제3구성특징은 제1구성특징에서 상기 구동치차가 웜으로 되고, 상기 피동치가가웜 휠로 되며, 웜의 축심의 위치가 웜 휠의 축방향으로 소정의 옵셋량만큼 옵셋되는 것을 특징으로 한다. 따라서, 웜축의 축심의 위치를 옵셋시키는 간단한 구성에 의해 저항토크의 증가를 작게하고, 또한 소음발생을 억제할 수 있다.

Claims

조타보조용 전동모터의 동력을 전달하는 구동치차 및 피동치차를 포함하는 전동 파워 스티어링 장치로서,

상기 구동치차와 피동치차 사이의 백래쉬를 최소한 타중립위치의 근방영역에서 나머지 영역 보다도 작게 설정하는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 장치.
제1항에 있어서,

상기 피동치차는 이빨 외주부의 일부를 백래쉬를 작게하는 방향으로 편의시키게 되는 편의부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 장치.
제1항에 있어서,

상기 구동치차는 웜으로 되고, 상기 피동치차는 웜 휠로 되며, 웜의 축심의 위치가 웜 휠의 축방향으로 소정의 옵셋량 만큼 옵셋되는 것을 특징으로 하는 전동 파워 스티어링 장치.