KR20070075110A

KR20070075110A - 유격 보상기구를 구비한 기어비 가변 조향장치

Info

Publication number: KR20070075110A
Application number: KR1020060003507A
Authority: KR
Inventors: 정성준
Original assignee: 주식회사 만도
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2007-07-18

Abstract

본 발명은 유격 보상기구를 구비한 기어비 가변 조향장치에 관한 것이다.

본 발명은 자동차의 조향휠에 연결되는 조향축과, 상기 조향축의 회전에 의해 발생한 토크를 감지하는 토크 센서와, 상기 토크 센서로부터 전기적 신호를 전달 받는 전자제어장치와, 상기 전자제어장치에 의해 구동이 제어되는 기어비 변환장치를 포함하는 상기 자동차의 기어비 가변 조향장치에 있어서, 상기 기어비 변환장치에 구비되어 웜 축을 지지하는 두 개의 베어링 중 제 1 베어링의 외주면에 웜 휠 방향으로 하중을 가하는 유격 보상기구를 구비하되, 상기 유격 보상기구는 볼, 압축 코일 스프링 및 고정 지지볼트를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유격 보상기구를 구비한 기어비 가변 조향장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 볼, 압축 코일 스프링 및 고정 지지볼트를 이용하여 능동 전륜 조향장치에 구비된 웜 축을 웜 휠 방향으로 일정량의 예압을 가함으로써 조타시 발생하는 웜 기어 와 웜 휠 간의 백 래쉬 및 장시간 사용으로 기어 마모에 의해 발생하는 백 래쉬 발생을 억제하여 조타시 소음 발생을 감소시키고 운전자가 감지하는 조향 유격감을 감소시키는 효과가 있다.

능동 전륜 조향장치, 유격 보상, 웜 휠, 웜 축, 기어비 가변 조향장치

Description

유격 보상기구를 구비한 기어비 가변 조향장치{Active Front Wheel Steering Apparatus Equipped with Clearance Compensator}

도 1은 종래 기술에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치의 구성도,

도 2는 기어비 변환장치를 나타내는 부분 종단면도,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 전륜 조향장치의 기어비 변환장치의 횡단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

100: 능동 전륜 조향장치 107: 기어비 변환장치

201: 캐리어 203: 유성 기어

205: 내 기어 207: 하부축

209: 웜 축 211: 웜 휠

213: 태양 기어 310: 볼

320: 압축 코일 스프링 330: 고정 볼트

340: 제 1 베어링 345: 제 2 베어링

350: 댐핑 커플러

본 발명은 자동차의 능동 전륜 조향장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 조향 입출력 선상에 위치하여 입출력 간의 회전비를 차속 기타 차량조건에 따라 가변시키는 능동 전륜 조향장치에 구비된 웜과 웜 휠 간에 발생하는 백 래쉬(Back Lash)를 보상하기 위해 압축 스프링, 볼 및 고정 지지 볼트를 사용하여 웜 축을 지지하는 베어링을 웜 휠 방향으로 힘을 가하는 능동 전륜 조향장치에 관한 것이다.

자동차의 조향장치는 자동차의 진행 방향을 운전자의 의지대로 변경할 수 있도록 하기 위한 장치로서 앞바퀴가 선회하는 회전 중심을 임의로 변경하여 운전자가 원하는 방향으로 자동차를 운행할 수 있도록 보조하는 장치이다. 또한, 동력 보조 조향장치(Power Steering Apparatus)는 운전자가 조향휠(Steering Wheel)을 조작할 경우에 조향 보조 동력을 제공해 주는 장치를 이용하여 운전자의 조향휠 조작력을 보조하여 줌으로써 보다 작은 힘으로 용이하게 자동차의 진행 방향을 변경할 수 있도록 하는 장치이다.

이와 같은 동력 보조 조향장치는 유압식 동력 보조 조향장치(HPS: Hydraulic Power Steering Apparatus)와 전기식 동력 보조 조향장치(EPS: Electric Power Steering Apparatus)로 크게 구분된다.

유압식 동력 보조 조향장치는 엔진의 회전축에 연결된 유압 펌프가 작동유를 작동 실린더로 공급하면, 작동유의 유압에 의한 조향 보조 동력이 제공되어 랙 바(Rack Bar)가 수평 방향으로 운동하게 되고 그에 따라 양쪽 바퀴가 선회되므로 운전자로 하여금 작은 힘으로 조향을 할 수 있도록 하는 장치이다.

반면, 전기식 동력 보조 조향장치는 유압 펌프와 작동 실린더 대신에 랙 바 또는 컬럼에 모터 및 전자제어장치(ECU: Electronic Control Unit)를 포함하고 있어 모터의 구동에 의해 조향 보조 동력이 공급되는 장치이다.

최근에는 주행 중 강하게 불어오는 횡풍이나 좌우가 대칭적이지 않은 노면의 상태 등의 외부 환경에 능동적으로 대처할 수 있도록 조향휠과 조향 컬럼 사이의 조향축을 분리한 것으로, 운전자의 조향휠 조작으로 인한 조향각을 직접 조향 컬럼에 전달하지 않고 수시로 변화하는 조향각을 지속적으로 감지하여 이를 차량의 각종 정보와 비교분석한 후 조향 컬럼의 조향축의 회전을 제어하는 모터에 전기적 신호로 전달함으로써 조향각을 조절하는 이른바 능동 전륜 조향장치(AFS: Active Front Wheel Steering)가 등장하였다. 또한, 이러한 능동 전륜 조향장치에는 기어 장치에서 입력과 출력 사이의 기어비를 변환시키는 기어비 변환장치가 구비되어 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치의 구성도이고, 도 2는 기어비 변환장치를 나타내는 부분 종단면도이다.

도 1 및 도 2에서 각각 도시하는 바와 같이 종래 기술에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치(100)는 조향휠(101)에 연결되는 조향축(103)과, 조향축(103)을 둘러싸는 조향 컬럼(105)과, 조향 컬럼(105)의 하단에 형성되는 기어비 변환장치(107)와, 상단이 기어비 변환장치(107)에 연결되는 입력축(109)과, 조향휠(101)의 회전 방향에 따라 작동유의 유로를 변환하는 유로 전환 밸브(111)와, 자동차의 속도를 감지하는 차속 센서(113)와, 조향휠(103)의 회전에 따른 조향각의 변화를 감지하는 조향각 센서(115)와, 차속 센서(113) 및 조향각 센서(115)로부터 전기적 신호를 전달받는 전자제어장치(117)와, 전자제어장치(117)에 의해 구동이 제어되는 모터(119)를 포함하여 구성된다.

이러한 구성을 가지는 종래 기술에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치(100)의 작동 원리는 다음과 같다. 운전자가 조향휠(101)을 조작함에 따라 조향축(103)이 회전하면 조향축(103)의 하단에 형성되어 있는 캐리어(201)가 조향축(103)과 연동하여 회전한다. 또한, 이 경우 캐리어(201)에 의해 회전 가능하게 지지되고 있는 유성 기어(203)가 회전하게 되고, 유성 기어(203)와 접하고 있는 내 기어(205)는 유성 기어(203)의 회전에 의해 회전력을 전달받음으로써 회전하게 된다. 최종적으로는 내 기어(205)의 하단에 형성되어 있는 하부축(207)이 회전함으로써 운전자의 조향휠(101) 조작에 따라 발생한 조향력이 입력축(109) 및 랙-피니언 기어부(121)에 전달되게 되는 것이다. 그런데, 위의 과정은 전자제어장치(117)가 작동하지 않는 경우이고, 전자제어장치(117)가 작동하는 경우는 다음과 같이 변화가 생긴다. 자동차의 속도를 감지하는 차속 센서(113) 및 조향각의 변화를 감지하는 조향각 센서(115)로부터 각각 전기적 신호가 발생하여 전자제어장치(117)에 도달하면 전자제어장치(117)는 모터(119)에 전기적 신호를 전달하여 모터(119)를 구동하게 된다. 또한, 위의 과정에 의해 모터(119)가 구동함에 따라 모터 축에 연결되어 있는 웜 축(209)도 회전하고 그에 따라 웜 축(209)과 맞물리도록 형성되어 있는 웜 휠(211)이 회전하며 최종적으로 웜 휠(211)과 일체로 구성되어 있는 태양 기어(213)가 회전하게 된다. 이러한 능동 전륜 조향장치(100)는 자동차가 고속으로 주행하는 경우 에는 운전자가 조향휠(101)을 일 방향으로 조작하여 조향축(103), 캐리어(201) 및 유성 기어(203)가 회전하더라도 전자제어장치(119)가 웜 휠(211), 더 나아가 태양 기어(213)가 유성 기어(203)의 회전을 방해하는 방향으로 회전하도록 제어함으로써 안전한 운전을 할 수 있도록 보조한다.

한편, 능동 전륜 조향장치(100)는 자동차가 주차 등을 위해 저속 상태에 있는 경우에는 유성 기어(203)의 회전을 보조하는 방향으로 제어함으로써 보다 작은 힘으로 용이한 운전을 할 수 있게 하여 준다. 종래 기술에 따른 자동차의 능동 전륜 조향장치(100)는 기어비 변환장치(107)로서 일반적으로 태양 기어(213), 유성 기어(203) 및 내 기어(205)로 구성되는 유성 기어 장치가 구비되어 있다. 그리고 태양 기어(213)와 유성 기어(203)는 일반적으로 헬리컬 기어로서 형성되는데, 헬리컬 기어는 기어치의 열이 기어의 회전축과 평행하지 않고 비스듬하게 경사를 이루면서 형성되어 있다. 이러한 헬리컬 기어는 기어치의 열이 기어의 회전축과 평행한 경우와 비교하여 볼 때 서로 맞물리는 기어치끼리 서로 접촉하는 부분의 길이가 길기 때문에 더 큰 힘을 전달할 수 있고 기어치의 열이 경사져 있기 때문에 보다 원활하게 회전한다.

이러한 기어비 가변 조향장치의 모터 축이 회전하여 웜 축(209)이 웜 휠(211)로 회전력을 전달할 때 웜 기어 방식으로 이물림되는 웜 휠(211)과 웜 축(209)은 외부로부터의 보호를 위해 하우징 내부에 장착되지만, 사용에 따라 접촉되는 기어의 치는 마모가 발생하며 마모량이 커짐에 따라 웜 휠(211)과 웜 축(209)에 형성된 웜 기어의 이물림에 의해 유격이 증가하고 또한 기어 치의 마모에 따라 백 래쉬(Back Lash)가 증가하여 래틀 노이즈(Rattle Noise)가 발생하며 조향시 조향 유격이 발생 하는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 조향 입출력 선상에 위치하여 입출력 간의 회전비를 차속 기타 차량 조건에 따라 가변시키는 기어비 가변 조향장치에 구비된 웜과 웜 휠 간에 발생하는 백 래쉬(Back Lash)를 보상하기 위해 압축 스프링, 볼 및 고정 지지 볼트를 사용하여 웜 샤프트를 지지하는 베어링을 웜 휠 방향으로 힘을 가하는 유격 보상기구를 구비한 기어비 가변 조향장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 자동차의 조향휠에 연결되는 조향축과, 조향축의 회전에 의해 발생한 토크를 감지하는 토크 센서와, 토크 센서로부터 전기적 신호를 전달 받는 전자제어장치와, 전자제어장치에 의해 구동이 제어되는 기어비 변환장치를 포함하는 자동차의 능동 전륜 조향장치에 있어서, 기어비 변환장치에 구비되어 웜 축을 지지하는 두 개의 베어링 중 제 1 베어링의 외주면에 웜 휠 방향으로 하중을 가하는 유격 보상기구를 구비하되, 유격 보상기구는 볼, 압축 코일 스프링 및 고정 지지볼트를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유격 보상기구를 구비한 기어비 가변 조향장치를 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소 들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동 전륜 조향장치(100)의 기어비 변환장치(107)는 모터(119), 웜 축(209), 웜 휠(211), 모터 축(360)과 웜 축(209)을 연결해 주는 댐핑 커플러(350), 제 1 베어링(340) 및 제 2 베어링(345)을 포함하며 볼(310), 압축 코일 스프링(320) 및 고정 볼트(330)를 추가로 포함하여 구성된다.

자동차의 속도를 감지하는 차속 센서(113) 및 조향각의 변화를 감지하는 조향각 센서(115)로부터 각각 전기적 신호가 발생하여 전자제어장치(117)에 도달하면 전자제어장치(117)는 모터(119)에 전기적 신호를 전달하여 모터(119)를 구동하게 된다. 모터(119)를 구동하면 모터 축(360)이 회전하고, 모터 축(360)의 회전력을 웜 축(209)으로 전달해 주되 모터 축(360)이 웜 축(209)에 회전력을 전달하면서 발생하는 축 비틀림을 보상하기 위해 탄성체를 내장하고 있는 댐핑 커플러(350)에 의해 웜 축(209)이 동시에 회전하게 된다.

웜 축(209)은 제 1 베어링(340) 및 제 2 베어링(345)에 의해 양단이 고정되며 두 개의 베어링은 하우징에 각각 고정된다. 제 1 베어링(340)의 하단부에는 웜 축(209)과 웜 휠(211)간의 축방향 및 경방향으로 발생하는 백 래쉬를 보상하기 위 하여 웜 축(209)을 웜 휠(211) 방향으로 지속적인 하중을 가하기 위한 유격 보상기구가 구비된다.

유격 보상기구는 제 1 베어링(340)의 외주면을 탄성부재(370)로 감싸고 웜 축(209)이 웜 휠(211) 방향으로 수직하게 하중을 가할 수 있도록 제 1 베어링이 위치한 하우징의 하부에 홀(Hall, 380) 가공을 하며, 홀(380)의 입구 부분은 태핑(Tapping) 가공을 한다. 홀(380)에는 볼(310) 및 압축 코일 스프링(320)을 차례로 삽입하고 고정 볼트(330)를 이용해 볼(310) 및 압축 코일 스프링(320)을 고정함과 동시에 웜 축(209)을 웜 휠(211) 방향으로 지속적인 하중을 가하도록 한다.

또한 태핑 가공한 홀(380)에 삽입되는 고정 볼트(330)를 좌우로 회전하여 압축 코일 스프링의 피치 간격을 조절함으로써 웜 축(209)이 웜 휠(211) 방향으로 수직하게 가하는 하중의 강도를 달리하여 보다 적극적으로 유격 보상을 할 수 있다.

제 1 베어링(340)의 외주면을 감싼 탄성부재(370)는 웜 축(209)과 웜 휠(211)간에 경방향으로 발생하는 백 래쉬를 보상하기 위해 웜 축(209)이 상하 방향으로 미세하게 이동할 수 있도록 고무 또는 합성수지 재질인 것이 바람직하다.

웜 축(209)이 모터 축(360)으로부터 동력을 전달받을 때 발생하는 축 비틀림과 백 래쉬 저감을 위해 웜 축(209)을 웜 휠(211) 방향으로 지속적으로 하중을 가하게 되며, 이러한 하중에 의해 웜 축(209)은 미세하게 경방향으로 휘어지게 된다. 이와 같은 휨을 허용하기 위해 제 2 베어링(345)은 자동 조심 베어링을 사용하는 것이 바람직하나 이에 한정하는 것은 아니다.

자동 조심 베어링은 축이 항상 진원을 그리며 상대편 축과는 평행하게 자동 으로 회전하도록 하는 베어링으로 베어링의 내륜은 2열의 궤도를 가지며 외륜의 궤도는 구면을 이루고 있으며, 구면의 곡률 중심은 베어링 중심과 일치하기 때문에 내륜, 베어링 내부의 볼 및 리테이너는 외륜에 대한 원만한 조심성을 부여한다. 따라서 축과 하우징의 가공오차, 장착 불량 등에 의해서 생기는 축 중심의 뒤틀림이 자동적으로 조정된다.

제 2 베어링으로 사용할 수 있는 다른 베어링으로는 깊은 홈 볼 베어링이 있다. 깊은 홈 볼베어링은 구름 베어링 중에서 가장 대표적인 형식으로 그 사용 용도는 매우 광범위하며, 내륜과 외륜 궤도의 홈은 베어링 내부에 삽입되는 볼의 반경보다 약간 큰 곡률반경을 갖는다. 경방향 하중과 축방향 하중 그리고 합성 하중 등 어느 방향의 하중도 받을 수 있으며 마찰 토크가 적어 고속회전과 저소음 및 저진동이 요구되는 용도에 가장 적합한 베어링이다.

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

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 볼, 압축 코일 스프링 및 고정 볼트를 이용하여 기어비 가변 조향장치에 구비된 웜 축을 웜 휠 방향으로 일정량의 예압을 가함으로써 조타시 발생하는 웜 기어 와 웜 휠 간의 백 래쉬 및 장시간 사용으로 기어 마모에 의해 발생하는 백 래쉬 발생을 억제하여 조타시 소음 발생을 감소시키고 운전자가 감지하는 조향 유격감을 감소시키는 효과가 있다.

Claims

자동차의 기어비 가변 조향장치에 있어서,

기어비 변환장치에 구비되어 웜 축을 지지하는 두 개의 베어링 중 제 1 베어링의 외주면에 웜 휠 방향으로 하중을 가하도록 하우징에 홀을 가공하여 유격 보상기구를 구비하되, 상기 유격 보상기구는 볼, 압축 코일 스프링 및 고정 지지볼트를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유격 보상기구를 구비한 기어비 가변 조향장치.
제 1 항에 있어서,

상기 두 개의 베어링 중 제 2 베어링은 자동 조심 베어링 또는 깊은 홈 볼 베어링인 것을 특징으로 하는 유격 보상기구를 구비한 기어비 가변 조향장치.
제 1 항에 있어서,

상기 베어링 중 제 1 베어링의 외주면에는 유격 보상시 상하로 미세한 유동을 갖기 위한 탄성부재를 구비한 것을 특징으로 하는 유격 보상기구를 구비한 기어비 가변 조향장치.
제 1 항에 있어서,

상기 홀에는 고정볼트와 맞물리는 암나사산을 가공하여 고정볼트를 좌우로 회전함으로써 유격 조절 및 하중 강도 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 유격 보상기구를 구비한 기어비 가변 조향장치.