KR20070088127A - 코팅 풀리를 이용한 전동식 파워 스티어링 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 코팅 풀리를 이용한 전동식 파워 스티어링 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 코팅 풀리를 이용한 전동식 파워 스티어링 장치은 조향 핸들 축에 연결되고 치가 형성된 피니언 샤프트, 피니언 샤프트의 치와 맞물릴 수 있는 치가 일 단측에 형성되고 다른 단측에 볼스크류가 형성된 래크 샤프트, 볼스크류에 복수의 볼을 매개로 설치된 볼 너트, 볼 너트와 연동하게 결합된 제1 풀리, 조향 핸들에서 발생하는 토크를 감지하는 토크 센서, 토크 센서의 신호에 의해 조향 보조력을 발생시키는 전동 모터, 전동 모터의 일 단측에 설치된 제2 풀리 및 제1 풀리와 상기 제2 풀리를 연결하여 전동 모터의 조향 보조력을 볼 너트에 전달하는 벨트를 갖는 전동식 파워 스티어링 장치에 있어서, 제1 풀리 혹은 제2 풀리의 외주면에 코팅층이 형성된 것을 특징으로 한다.
전동식 파워 스티어링, 코팅, 풀리, 벨트

Description

코팅 풀리를 이용한 전동식 파워 스티어링 장치{Apparatus for the electric power steering by using coating pulley}
도 1은 종래 기술에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 차실측 부분을 도시한 사시도.
도 2는 종래 기술에 따른 전동식 파워 스티어링 기어의 종단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 풀리를 포함한 전동식 파워 스티어링 기어를 나타낸 것으로서, 도 2의 선 A-A에 관한 단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 코팅층이 형성된 구동 풀리 혹은 피동 풀리를 제조하는 절차를 나타낸 제조 시스템.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
331…래크 및 피니어 하우징 335…전동 모터
337…구동 풀리 339…피동 풀리
341…벨트 343…코팅층
371…모터 플랜지 372…끼움부
373…모터 지지 구멍 381…볼트
본 발명은 코팅 풀리를 이용한 전동식 스티어링 장치에 관한 것이다.
자동차의 조타계(steering system)에서는 외부 동력원을 이용하여 조타 어시스트를 행하게 하는 이른바 파워 스티어링(power steering) 장치가 널리 채용되어 있다. 종래에 파워 스티어링 장치용의 동력원으로서는 베인(vane) 방식의 유압 펌프가 사용되고 있어 이 유압 펌프를 엔진에 의해 구동하는 일이 많았다. 그런데 이러한 유형의 파워 스티어링 장치는 유압 펌프를 상시 구동하는 것에 의한 엔진의 구동 손실이 크기(최대 부하 시에 있어서, 수 마력∼10마력 정도)때문에 소 배기량의 경자동차 등으로의 채용이 어렵고 비교적 대 배기량의 자동차에서도 주행 연비가 무시할 수 없을 만큼 저하하는 것이 불가피하였다.
그래서 상기 문제를 해결하는 것으로서 전동 모터를 동력원으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치(Electric Power Steering: EPS)가 최근 주목받고 있다. 전동식 파워 스티어링 장치에는 전동 모터의 전원에 차량 탑재 배터리(in vehicle battery)를 사용하기 때문에 직접적인 엔진의 구동 손실이 없다. 또한, 상기 전동식 파워 스티어링 장치는 전동 모터가 조타 어시스트 시에만 기동되기 때문에 주행 연비의 저하도 억제되는 것 외에, 전자제어가 극히 용이하게 행해지는 등의 특징이 있다.
한편, 승용차용의 스티어링 기어(steering gear)로서는 고강성 또한 경량인 것 등 때문에 현재 래크 피니언식(rack and pinion type)이 주류가 되어 있다. 그리고 래크 피니언식 스티어링 기어용의 전동식 파워 스티어링 장치로서는 스티어링 샤프트(steering shaft)나 피니언 자체를 구동하기 위해 컬럼(column) 측부에 전동 모터를 배치한 컬럼 어시스트형(column assist type) 등 외에 전동식의 볼나사 기구에 의해 래크 샤프트를 구동하는 볼 나사식 래크 어시스트형(ball screw rack assist type)도 사용되고 있다. 볼 나사식 래크 어시스트형의 전동식 파워 스티어링 장치에서는 어시스트 힘이 피니언과 래크의 맞물림 면에 작용하지 않기 때문에 마모나 변형의 요인이 되는 양쪽 부재간의 접촉 면압이 비교적 작아진다.
도 1은 종래 기술에 따른 전동식 파워 스티어링 장치의 차실측 부분을 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 스티어링 컬럼(1)은 상측 피니언 샤프트(3)를 회전 가능하게 지지하는 기능을 포함한다. 상기 상측 피니언 샤프트(3)에는 그 상단에 스티어링 휠(5)이 장착되는 한편, 하단에 유니버셜 조인트(7)를 거쳐서 하측 피니언 샤프트(9)가 연결되어 있다. 상기 하측 피니언 샤프트(9)에는 그 하단에 또한 래크(Rack) 및 피니언(Pinion) 기구나 파워 어시스트 기구 등으로 이루어지는 스티어링 기어(11)가 연결되어 있다.
도시된 바와 같이 컬럼 커버(column cover)(13)는 상기 스티어링 컬럼(1)을 덮은 채 설치된다. 또한, 타이 로드(tie rod)(15)는 스티어링 기어(11)의 좌우단에 연결되어 설치된다.
도 2는 종래 기술에 따른 전동식 파워 스티어링 기어의 종단면도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 래크 및 피니언 하우징(21)은 래크 및 피니언 기구를 구성하는 래크 샤프트(23)나 피니언(도시하지 않음)을 유지하고 있다. 상기 래크 샤프트(23)는 피니언에 맞물리는 래크(25)가 파워 스티어링 기어(11)의 좌측에 형성되어 있다. 또한, 상기 파워 스티어링 기어(11)의 좌우단에는 타이 로드(15)를 요동 가능하게 지지하는 구면 조인트(27)가 고착되어 있다.
파워 어시스트 기구는 래크 및 피니언 하우징(21)의 우단에 볼트 체결된 벨트 하우징(31) 및 상기 벨트 하우징(31)에 볼트 체결되어 래크 및 피니언 하우징(21)이나 벨트 하우징(31)과 함께 전동식 스티어링 기어 케이스를 구성하는 볼 나사 하우징(33)을 외곽으로 하고 있다.
상기 벨트 하우징(31)에는 그 하부에 전동 모터(35)가 부착되는 동시에 동력 전달 기구로서 상기 전동 모터(35)의 축(36)에 고착된 구동 풀리(37), 볼 너트(51)와 연결된 중공의 피동 풀리(39) 및 상기 구동 풀리(37)와 상기 피동 풀리(39)의 사이에 걸쳐진 벨트(41)가 수용되어 있다.
상기 볼 나사 하우징(33)에는 볼 너트(51)가 복열 앵귤러 볼 베어링(double row angular ball bearing)(53)을 거쳐서 회전 가능하게 유지되어 있다.
또한, 래크 샤프트(23)에는 볼 스크류 형태의 수나사 홈이 형성되는 한편, 볼 너트(51)에는 볼 스크류 형태의 암나사 홈이 형성된다. 상기 수나사 홈과 상기 암나사 홈의 사이에는 순환 볼인 다수개의 강제 볼(65)이 개재되어 있다. 또한, 볼 너트(51)에는 강제 볼(65)을 순환시키기 위한 순환 편(circulation piece)(도시하지 않음)이 장착되어 있다.
또한, 피동 풀리(39)의 볼 너트(51) 측 단부에는 암 스플라인(Spline)이 형성되는 한편, 볼 너트(51)에는 이 암 스플라인에 계합하는 수 스플라인이 형성되어, 조립 상태에서는 피동 풀리(39)와 볼 너트(51)가 일체로 회전한다.
상기 도 1 및 도 2에 도시된 도면을 바탕으로 전동식 파워 스티어링의 구동 절차를 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
자동차의 운전자가 스티어링 휠(5)을 회전시키면 상측 피니언 샤프트(3) 및 하측 피니언 샤프트(9)를 거쳐서 그 회전력이 스티어링 기어(11)에 전달된다. 상기 스티어링 기어(11)내에는 회전력을 직선 운동으로 변환하는 래크 및 피니언 기구가 내장되어있기 때문에 래크 샤프트(23)가 좌우 어느 방향으로 이동하고, 좌우의 타이 로드(15)를 거쳐서 차륜의 조타 각(steering angle)이 변동해서 조타가 행하여진다.
동시에, 파워 어시스트 기구 내에서는 조타 토크 센서(도시되지 않음)의 출력에 기초하여 전동 모터(35)가 정방향 또는 역방향 중 어느 방향으로 소정의 회전 토크를 두고 회전한다. 상기 전동 모터의 회전은 구동 풀리(37) 및 피동 풀리(39)를 거쳐서 상기 피동 풀리(39)에 스플라인 결합하여 연동되는 볼 너트(51)에 감속 전달된다. 상기 볼 너트(51)가 회전하면 암나사 홈에 결합한 강제 볼(65)을 거쳐서 래크 샤프트(23)의 수나사 홈에 축 방향 힘(thrust force)이 작용하고, 이로써 조타 어시스트가 실현된다.
이와 같이, 상기 구동 풀리(37) 및 상기 피동 풀리(39)는 전동 모터의 작동 과정에서 벨트(41) 면과 면 접촉하게 되어 무한 궤도식으로 회전하는 회전체이다. 상기 구동 풀리(37) 및 상기 피동 풀리(39)는 전동 모터의 회전 축 상에 베어링을 통해 회전 가능하게 장착된 상태에서 벨트(41) 면과 지속적으로 면 접촉되면서 마모되어 손상되는 것이 사실이다. 또한, 상기 구동 풀리(37) 및 상기 피동 풀리(39)는 가공성이 비교적 좋은 일반 탄소강을 사용한 가공 및 조립으로 제조될 수 있다. 이러한 일반 탄소강은 가공성이 우수하여 치수의 정밀성이 필요한 기계 부품에 가장 보편적으로 사용되고 있다.
그러나, 종래 기술에 따른 전동식 파워 스티어링 장치는 상기 구동 풀리 및 상기 피동 풀리와 같은 부품의 경우 치와 치 사이의 간격이 좁아 일반 탄소강을 사용하여 가공하면 표면 조도를 일정 수준 이상 낮추기가 힘들다. 결국, 이로 인하여 상기 구동 풀리 및 상기 피동 풀리의 상대 부품인 벨트의 마모를 야기시켜 내구 수명을 단축시키는 결과를 초래할 수 있다. 특히, 저온에서 초기 작동 시 벨트 표면의 경화로 인해 풀리 표면과 이상 마찰을 일으켜 노이즈(noise) 및 슬림(slip) 현상이 일어나는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 목적은 일정한 조성비로 조성된 코팅층이 형성된 풀리를 이용하여 내마찰 및 마모 효과가 우수하고 장시간 안정적으로 사용할 수 있는 코팅 풀리를 이용한 전동식 파워 스티어링 장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 조향 핸들 축에 연결되고 치가 형성된 피니언 샤프트, 상기 피니언 샤프트의 치와 맞물릴 수 있는 치가 일 단측에 형성되고 다른 단측에 볼스크류가 형성된 래크 샤프트, 상기 볼스크류에 복수의 볼을 매개로 설치된 볼 너트, 상기 볼 너트와 연동하게 결합된 제1 풀리, 상기 조향 핸들에서 발생하는 토크를 감지하는 토크 센서, 상기 토크 센서의 신호에 의해 조향 보조력을 발생시키는 전동 모터, 상기 전동 모터의 일 단측에 설치된 제2 풀리 및 상기 제1 풀리와 상기 제2 풀리를 연결하여 상기 전동 모터의 조향 보조력을 상기 볼 너트에 전달하는 벨트를 갖는 전동식 파워 스티어링 장치에 있어서, 상기 제1 풀리 혹은 상기 제2 풀리의 외주면에 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 코팅 풀리를 이용한 전동식 파워 스티어링 장치을 제공할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 코팅층은 중량 퍼센트(Wt%), 1~10Wt%의 용매에 분산된 10~90Wt%의 유황몰리브덴(MoS2), 5~10Wt%의 삼산화안티몬(Sb2O3), 1~5Wt%의 방청제, 1~5Wt%의 보조 윤활제 및 1~3Wt%의 유기계 접합제를 조성비로 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 상기 코팅층은 세척, 코팅, 건조, 경화의 공정을 거쳐 1~100 μm의 두께를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
이어서, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 풀리를 포함한 전동식 파워 스 티어링 기어를 나타낸 것으로서, 도 2의 선 A-A에 관한 단면도이다.
먼저, 전동 모터(335)의 단부에는 대략 원통형상의 모터 플랜지(371)가 3개의 볼트(381)로 조여지고, 이 모터 플랜지(371)의 끼움부(372)가 래크 및 피니언 하우징(331)에 형성된 모터 지지 구멍(373)내에 끼워져 있다. 상기 전동 모터(335)는 자동차의 조향 핸들에서 발생하는 토크를 감지하는 조타 토크 센서(도시되지 않음)를 이용하여 상기 조타 토크 센서의 신호에 의해 조향 보조력을 발생시킬 수 있다. 이후, 상기 전동 모터(335)의 일 단측에 설치된 구동 풀리(337)는 벨트(341)를 통해 볼 너트와 연동하게 결합된 피동 풀리(339)에 상기 전동 모터(335)의 조향 보조력을 전달할 수 있다.
여기서 상기 구동 풀리(337) 혹은 상기 피동 풀리(339)는 유황 몰리브덴(MoS2)을 기본 성분으로 하고 삼산화안티몬(Sb2O3), 방청제, 보조 윤활제 및 유기계 접착제를 용매에 분산시켜 조성된 본 발명에 따른 코팅층(343)을 포함한다. 상기 코팅층은 중량 퍼센트(Wt%), 10~90Wt%의 유황몰리브덴, 5~10Wt%의 삼산화안티몬, 1~5Wt%의 방청제, 1~5Wt%의 보조 윤활제 및 1~3Wt%의 유기계 접합제를 1~10Wt%의 용매에 분산시켜 조성될 수 있다.
상기 구동 풀리(337) 혹은 피동 풀리(339)에 형성된 코팅층(343)은 본 발명에 따른 세척, 코팅, 건조, 경화의 공정을 거쳐 1~100 μm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하여 상기 구동 풀리(337) 혹은 피동 풀리(339)의 외주면에 형성될 수 있다. 여기서 상기 1~100 μm의 두께를 갖는 코팅층은 상기 구동 풀리(337) 혹은 피 동 풀리(339)와 벨트(341) 사이의 발생할 수 있는 공차를 줄여 벨트(342)의 윤활 효과를 제공할 수 있다.
또한, 상기 코팅층(343)은 상기 구동 풀리(337) 혹은 상기 피동 풀리(339)를 조향 보조력을 전달하기 위한 벨트(341)와 연결하여 장기 혹은 단기 사용 시, 상기 구동 풀리(337) 혹은 피동 풀리(339) 표면의 높은 조도로 인한 벨트(341)의 마모 방지 및 벨트(341)의 윤활 효과를 가져 올 수 있다.
이와 같이, 전동식 파워 스티어링 기어의 구동 풀리(337) 혹은 피동 풀리(339)는 본 발명에 따른 코팅층(343)의 형성으로 벨트(341) 면과 접촉하여 수행되는 고하중 및 고속 작동에서 뛰어난 내마찰 및 마모에 관한 특성을 가질 수 있다. 또한, 상기 코팅층(343)이 형성된 구동 풀리(337) 혹은 피동 풀리(339)이 저온에서 벨트(341)와 맞물려 작동할 때, 벨트(341) 표면의 경화 현상으로 인한 노이즈(noise) 및 슬림(slip) 현상을 현저히 떨어뜨려 안정된 전동식 파워 스티어링 기어의 작동을 도울 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 코팅층이 형성된 구동 풀리 혹은 피동 풀리를 제조하는 절차를 나타낸 제조 시스템이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 코팅층이 형성된 구동 풀리 혹은 피동 풀리를 제조하는 제조 시스템(400)은 세척 장치(401), 코팅 장치(403), 건조 장치(405) 및 경화 장치(407)를 포함한다.
상기 세척 장치(401)는 본 발명에 따른 상기 코팅층이 형성된 구동 풀리 혹은 피동 풀리의 제작을 위해 먼저 상기 구동 풀리 혹은 피동 풀리에 통상적인 초음 파 세척을 수행한다. 상기 초음파 세척은 상기 풀리를 진공 속에 넣고 세정액에 담근 후 초음파를 이용하여 세척하는 방법이다.
이후 상기 세척 장치(401)를 통해 세척된 구동 풀리 혹은 피동 풀리는 본 발명에 따른 코팅층의 코팅을 위한 코팅 장치(403)로 이동되어 분사 코팅(Spray coating) 혹은 침지 코팅(Dip coating) 방법을 통해 코팅될 수 있다. 여기서 상기 도 3에서 상술한 바와 같이 상기 코팅층을 형성하는 코팅액의 화학 조성은 유황몰리브덴(MoS2) 주 성분으로 삼산화안티몬(Sb2O3), 방청제, 보조 윤활제, 유기계 접합제가 용매에 분산되어 일정한 조성비로 조성된다.
상기 코팅 장치(403)를 통해 코팅된 구동 풀리 혹은 피동 풀리는 통상적인 건조 장치(405)를 통해 10~180분 정도 동안 건조된다. 이후 상기 건조 장치(405)를 통해 건조된 구동 풀리 혹은 피동 풀리는 경화 장치(407)를 통해 10~180 ℃로 경화되어 본 발명에 따른 코팅층이 형성된 구동 풀리 혹은 피동 풀리를 제조할 수 있다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일 제조예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 용지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정과 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
본 발명에 의하면 일정한 조성비로 조성된 코팅층이 형성된 풀리를 이용하여 내마찰 및 마모 효과가 우수하고 장시간 안정적으로 사용할 수 있는 코팅 풀리를 이용한 전동식 파워 스티어링 장치를 제공할 수 있다.

Claims (3)

  1. 조향 핸들 축에 연결되고 치가 형성된 피니언 샤프트, 상기 피니언 샤프트의 치와 맞물릴 수 있는 치가 일 단측에 형성되고 다른 단측에 볼스크류가 형성된 래크 샤프트, 상기 볼스크류에 복수의 볼을 매개로 설치된 볼 너트, 상기 볼 너트와 연동하게 결합된 제1 풀리, 상기 조향 핸들에서 발생하는 토크를 감지하는 토크 센서, 상기 토크 센서의 신호에 의해 조향 보조력을 발생시키는 전동 모터, 상기 전동 모터의 일 단측에 설치된 제2 풀리 및 상기 제1 풀리와 상기 제2 풀리를 연결하여 상기 전동 모터의 조향 보조력을 상기 볼 너트에 전달하는 벨트를 갖는 전동식 파워 스티어링 장치에 있어서,
    상기 제1 풀리 혹은 상기 제2 풀리의 외주면에 코팅층이 형성된 것,
    을 특징으로 하는 코팅 풀리를 이용한 전동식 파워 스티어링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 중량 퍼센트(Wt%), 1~10Wt%의 용매에 분산된 10~90Wt%의 유황몰리브덴(MoS2), 5~10Wt%의 삼산화안티몬(Sb2O3), 1~5Wt%의 방청제, 1~5Wt%의 보조 윤활제 및 1~3Wt%의 유기계 접합제를 조성비로 갖는 것,
    을 특징으로 하는 코팅 풀리를 이용한 전동식 파워 스티어링 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 세척, 코팅, 건조, 경화의 공정을 거쳐 1~100 μm의 두께를 갖는 것,
    을 특징으로 하는 코팅 풀리를 이용한 전동식 파워 스티어링 장치.
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