KR20090005249A - 지지봉 연결바를 둘러싸는 회전 부재에 보조 동력을 가하는차량용 전동식 동력 조향 장치 - Google Patents

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도요타 지도샤（주）
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Abstract

본 발명은 직선 운동을 하도록 지지되는 지지봉 연결바, 지지봉 연결바에 대해 회전가능한 회전 부재, 조향 샤프트의 회전을 회전 부재의 회전으로 변환하는 회전 변환 장치, 회전 부재의 회전을 지지봉 연결바의 직선 운동으로 변환하는 회전/직선 운동 변환 장치, 및 회전력을 회전 부재에 가하는 동력 보조 전동기를 포함하는 차량용 전동식 동력 조향 장치에 관한 것이다.

Description

지지봉 연결바를 둘러싸는 회전 부재에 보조 동력을 가하는 차량용 전동식 동력 조향 장치{ELECTRIC POWER STEERING DEVICE FOR VEHICLE IMPARTING ASSIST POWER TO ROTATING MEMBER SURROUNDING TIE ROD CONNECTION BAR}
본 발명은 차량용 동력 조향 장치에 관한 것이며, 더 상세하게는 차량용 전동식 동력 조향 장치에 관한 것이다.
자동차 등의 차량용 전동식 동력 조향 장치에 관하여, 그 양 단부에 지지봉이 선회가능하게 연결되고 직선 및 회전 운동을 할 수 있는 지지봉 연결바의 일부에 나사를 제공하여 나사에 결합된 너트의 구동에 의한 조향축의 회전 운동에 따라 지지봉 연결바가 좌우로 이동하게 하고, 지지봉 연결바의 일부에 스플라인(spline)을 제공하고 전동기에 의해 스플라인에 결합한 스플라인 나사를 선택적으로 구동시켜, 지지봉 연결바가 스플라인 너트를 통해 전동기의 구동력에 의해 회전될 때, 나사부에서 축 방향으로 구동되는 것이 일본 특허 등록 2690230 (일본 공개특허공보 평 5-124524) 에 개시되어 있다.
상기 종래 기술에서 전동기에 의한 조향 보조력을 나사부를 거쳐 지지봉 연결바를 구동하는 힘으로 변환하도록 되어 있는 동력 조향 구조에서, 조향 보조력의 크기와 조향 각도의 크기 사이의 관계가 정해진다.
지지봉 연결바 주위의 구조가 소형인 전동시 제어 장치로서, 보조 동력이 조향 핸들을 회전시키는데 필요한 토크 만을 감소시켜, 조향 핸들의 조향 각도가 차량 운전 제어 장치의 발동에 의해 변하는 경우를 제외하고는 조향 핸들의 조향 각도의 제어가 기본적으로 운전자에 의한 조향 핸들의 회전을 따르는 동력 조향 장치를 제공하는 것이 본 발명의 주 목적이다.
이러한 소형 구조의 전동식 동력 조향 장치에 차량 운전 제어용 조향 각도 변경 기구를 결합하는 것이 본 발명의 다른 목적이다.
상기 주 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 직선 운동을 하도록 지지되는 지지봉 연결바, 지지봉 연결바에 대해 회전가능한 회전 부재, 조향 샤프트(shaft)의 회전을 회전 부재의 회전으로 변환하는 회전 변환 장치, 회전 부재의 회전을 지지봉 연결바의 직선 운동으로 변환하는 회전/직선 운동 변환 장치, 및 회전력을 회전 부재에 가하는 동력 보조 전동기를 포함하는 차량용 전동식 동력 조향 장치를 제안한다.
전술한 것처럼, 지지봉 연결바가 직선 운동을 하도록 지지되고, 회전 부재가 지지봉 연결바에 대해 회전가능하게 제공되며, 조향 샤프트의 회전이 회전 변환 장치에 의해 회전 부재의 회전으로 변환되며, 회전 부재의 회전을 지지봉 연결바의 직선 운동으로 변환하는 회전/직선 운동 변환 장치가 제공되며, 회전 부재에 회전력을 가하는 동력 보조 전동기가 제공된다면, 조향 핸들의 조향 각도는 조향 샤프트의 회전각이 회전 변환 장치에 의해 회전 부재의 회전각으로 변환되어 그것이 지지봉 연결바의 직선 운동으로 변환되는 것에 의해 오직 조향 샤프트의 회전각에 따라 정해지고, 동력 보조 전동기에 의해 회전 부재에 가해지는 회전각은 회전 부재의 회전각과는 독립적으로 제어되는 힘으로써 단지 운전자의 조향력을 보조한다.
회전/직선 운동 변환 장치는 링 기어, 태양 기어, 유성 피니언, 및 유성 피니언을 지지하는 캐리어를 포함하는 유성 기어 장치일 수 있고, 링 기어, 태양 기어, 및 유성 피니언의 피치 직경 및 나사산 개수 사이의 조화에 있어서, 링 기어 또는 태양 기어의 나사산 개수가 증가하거나 감소하여 그에 의해 유성 피니언의 유성 운동과 함께 링 기어가 태양 기어 주위를 회전할 때 링 기어 및 태양 기어 사이에서 축 방향 변위가 발생한다.
이 경우에, 상기 나사산 개수의 상대적인 증가 또는 감소는 링 기어에 대해 이루어질 수 있고, 링 기어는 태양 기어 및 유성 피니언보다 더 길며, 태양 기어 및 유성 피니언은 링 기어의 회전에 따라 링 기어에 대해 축 방향으로 이동하거나, 또는 상기 상대적인 증가 또는 감소는 태양 기어에 대해 이루어질 수 있고, 태양 기어는 링 기어 및 유성 피니언보다 더 길며, 링 기어 및 유성 피니언은 링 기어의 회전에 따라 태양 기어에 대해 축 방향으로 이동한다.
태양 기어의 나사산 개수는 링 기어 및 유성 피니언의 나사산 개수에 비해 1 만큼 증가하는 경우, 링 기어, 태양 기어, 및 유성 피니언의 중심축을 포함하는 단면에서 봤을 때, 링 기어, 태양 기어, 및 유성 피니언의 나사 나사산은 대칭적인 산형일 수 있고, 링 기어의 나사산 각도는 유성 피니언의 이끝(addendum)의 나사산 각도 및 태양 기어의 이뿌리(deddendum)의 나사산 각도와 동일할 수 있으며, 유성 피니언은 그 이뿌리의 나사산 각도가 그 이끝의 나사산 각도보다 더 작은 인벌류트(involute) 형상일 수 있으며, 태양 기어는 그 이끝의 나사산 각도가 그 이뿌리의 나사산 각도보다 더 큰 인벌류트 형상일 수 있다. 이러한 배치에서, 태양 기어의 나사산 개수가 링 기어 및 유성 피니언의 나사산 개수에 비해 1 만큼 증가하는 것으로 링 기어, 태양 기어, 및 유성 피니언에서의 맞물림이 최적화된다.
태양 기어의 나사산 개수가 링 기어 및 유성 피니언의 나사산 개수에 비해 1 만큼 감소하는 경우, 링 기어, 태양 기어, 및 유성 피니언의 중심축을 포함하는 단면에서 봤을 때, 링 기어, 태양 기어, 및 유성 피니언의 나사 나사산은 대칭적인 산형일 수 있고, 링 기어의 나사산 각도는 유성 피니언의 이끝 및 이뿌리의 나사산 각도 및 태양 기어의 이끝의 나사산 각도와 동일할 수 있으며, 태양 기어는 그 이뿌리의 나사산 각도가 그 이끝의 나사산 각도보다 더 작은 인벌류트 형상일 수 있다. 이러한 구조에 의해, 태양 기어의 나사산 개수가 링 기어 및 유성 피니언의 나사산 개수에 비해 1 만큼 감소하는 것으로 링 기어, 태양 기어, 및 유성 피니언에서의 맞물림이 최적화된다.
또한, 상기 나사산 개수의 상대적인 증가 또는 감소가 링 기어에 대해 이루 어지는 경우, 태양 기어 및 유성 피니언의 반대쪽 단부에 한 세트의 맞물리는 외부 기어가 제공될 수 있다. 상기 나사산 개수의 상대적인 증가 또는 감소가 태양 기어에 대해 이루어지는 경우, 링 기어 및 유성 피니언의 반대쪽 단부에 한 세트의 맞물리는 외부 기어가 제공될 수 있다. 이렇게 외부 기어에 의해 맞물림으로써, 링 기어, 태양 기어, 및 유성 피니언 사이의 유성 운동이 확실하게 보장된다.
어느 경우에도, 유성 피니언의 단부에 제공되는 외부 기어는 유성 피니언의 나사 나사산의 일부와 일체로 형성될 수 있다. 이러한 배치에서, 유성 피니언에 대한 외부 기어의 제공이 단순해진다.
또한, 회전 부재는 지지봉 연결바를 통과시키는 슬리브부를 포함할 수 있고, 동력 보조 전동기는 슬리브부를 따라 제공되는 전기자가 그 주위에 원통 형상으로 제공되는 전자기 코일에 의해 구동되도록 구성된다. 이러한 배치에 의해, 동력 보조 전동기는 차량용 전동식 동력 조향 장치에 소형으로 합쳐진다.
또한, 상기 다른 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 상기 차량용 전동기 동력 조향 장치에 있어서, 회전 부재에는 회전 변환 장치에 의해 구동되는 입력 회전 부재, 회전/직선 운동 변환 장치를 구동하는 출력 회전 부재, 입력 회전 부재와 출력 회전 부재 사이의 상대적인 회전을 가변적으로 조정하는 중간 회전 부재를 포함하는 차동 기구가 합쳐지고, 중간 회전 부재의 회전 변위에 따라 조향 샤프트의 회전을 지지봉 연결바의 직선 운동으로 변환하는 변환율을 가변적으로 조정함으로써 능동 조향이 수행될 수 있게 하는 것을 제안한다.
전술한 것처럼 이러한 차동 기구를 회전 부재에 합침으로써, 상기 능동 조향 이 가능해져서, 차량의 선회 주행에서 또는 좌우 바퀴에 대한 마찰 저항이 다른 스플릿(split) 노면에서 오버스티어(oversteer) 또는 언더스티어(understeer) 경향에 대하여 차량의 자동 운전 제어용 마이크로 컴퓨터에 의해 조향 핸들의 조향 각도가 자동적으로 수정된다.
차동 장치는 회전 변환 장치에 연결되는 입력 회전 부재로서 기능하는 캐리어, 회전/직선 운동 변환 장치에 연결되는 출력 회전 부재로서 기능하는 태양 기어, 및 능동 조향을 수행하기 위해 중간 회전 부재 주위에 장착되는 전기자 및 이 전기자를 둘러싸는 전자기 코일을 포함하는 능동 조향용 전동기에 의해 구동되는 중간 회전 부재로서 기능하는 링 기어를 포함하는 유성 기어 장치일 수 있다.
또는, 차동 장치는 같은 축을 가지는 한 쌍의 베벨 기어, 한 쌍의 베벨 기어 사이에 위치하여 거기에 맞물리는 베벨 피니언, 및 한 쌍의 베벨 기어의 축에 대해 회전하는 베벨 피니언을 지지하는 캐리어를 포함할 수 있고, 한 쌍의 베벨 기어 중 하나는 회전 변환 장치에 연결되는 입력 회전 부재로서 기능하며, 캐리어는 회전/직선 운동 변환 장치에 연결되는 출력 회전 부재로서 기능하며, 한 쌍의 베벨 기어 중 다른 하나는 능동 조향을 수행하기 위해 능동 조향용 전동기에 의해 구동되는 중간 회전 부재로서 기능한다. 이러한 배치에 의해, 상기 유성 기어 장치는 축 방향 다층 구조로 대체되어, 지지봉 연결바 주위의 구조의 직경 크기의 증가를 억제한다.
이 경우, 중간 회전 부재는 윔과 웜 기어를 통해 능동 조향용 전동기에 의해 구동될 수 있다. 이러한 구조에 의해, 능동 조향용 전동기는 지지봉 연결바를 따라 차동 장치로부터 떨어지도록 배치될 수 있어, 그에 의해 지지봉 연결바 주위의 구조의 직경 크기의 증가를 억제하고, 비통전된 능동 조향용 전동기가 조향 핸들에 의해 역으로 구동되는 것이 저지될 수 있다.
본발명에 따르면, 조향 핸들의 조향 각도가 차량 운전 제어 장치의 발동에 의해 변하는 경우를 제외하고는 조향 핸들의 조향 각도의 제어가 기본적으로 운전자에 의한 조향 핸들의 회전을 따르는 동력 조향 장치를 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 몇 개의 바람직한 실시형태에 대해 상세히 설명하겠다.
도 1 은 본 발명에 따른 전동식 동력 조향 장치를 전체적으로 도시한 단면도이고, 도 2 는 도 1 의 도시된 구조의 요부를 확대하여 도시한 단면도이다.
이 도면에서, 조향 장치 (10) 는 축 (12) 을 따라 차량의 측 방향으로 연장되는 지지봉 연결바 (14) 를 포함한다. 지지봉 연결바 (14) 는 양 단부에서 실질적으로 직사각형 단면을 가지며, 축 (12) 을 따라 왕복 가능하지만 축 (12) 을 중심으로 회전할 수는 없도록 지지된다. 지지봉 연결바 (14) 는 양 단부에서 볼 조인트 (18L, 18R) 에 의해 좌우 지지봉 (20L, 20R) 에 선회가능하게 각각 연결된다. 더스트 부츠(dust boots) (22L, 22R) 는 하우징 (16) 과 지지봉 (20L, 20R) 사이에서 연장된다.
지지봉 연결바 (14) 는 그에 대해 회전가능한 관형 웜(worm) 기어 (24) 에 결합된다. 웜 기어 (24) 는 웜 샤프트 (26) 의 하단부에 연결되는 웜 (28) 에 결합된다. 웜 기어 (24) 는 지지봉 연결바 (14) 에 대해 회전가능하게 결합되는 회전 슬리브 (30) 의 일단부와 일체로 형성된다. 따라서, 웜 (28) 및 웜 기어 (24) 는 웜 샤프트 (26) 의 회전을 축 (12) 에 대한 회전 슬리브 (30) 의 회전으로 변환하는 회전 변환 기구를 구성한다.
웜 샤프트 (26) 을 회전가능하게 수용하는 하우징 (16) 의 일부에는 웜 샤프트 (26) 에 작용하는 토크를 검출하는 토크 센서 (32) 및 회전 속도를 증가시켜 웜 샤프트 (26) 의 회전을 웜 (28) 에 전달하는 증속 기어 (33) 가 제공된다. 증속 기어 (33) 는 도시된 실시예에서 유성 기어 장치에 의해 구성된다.
하우징 (16) 내에는 회전 슬리브 (30) 주위에 조향 보조 토크를 가하는 전동기 (34) 가 제공된다. 도시된 실시예에서, 전동기 (34) 는 회전 슬리브 (30) 의 주위에 고정되는 다수의 영구 자석을 포함하는 전기자 및 회전 슬리브 (30) 의 주위에 배치되어 하우징 (16) 에 의해 지지되는 다수의 전자기 코일을 가져서, 지지봉 연결바 (14) 와 같은 축을 가지는 구조를 형성한다.
회전 슬리브 (30) 의 다른 단부에는 유성 기어 장치 (36) 가 제공된다. 유성 기어 장치 (36) 는 축 (12) 에 대해 회전가능하게 하우징 (16) 에 의해 지지되는 외부 회전 슬리브 (38) 의 일단부와 일체로 형성되는 내부 기어 (40), 외부 회전 슬리브 (38) 의 내측 및 지지봉 연결바 (14) 의 외측에서 축 (12) 에 대해 회전가능하게 지지되는 내부 회전 슬리브 (42) 의 일단부와 일체로 형성되는 태양 기어 (44), 및 캐리어로서 기능하는 회전 슬리브 (30) 의 다른 단부에 의해 회전가능 하게 지지되는 다수의 유성 피니언 (46) 으로 구성된다. 일반적인 조향 작동에서, 유성 기어 장치 (46) 는 회전 슬리브 (30) 의 회전을 회전 속도를 증가시켜 내부 회전 슬리브 (42) 로 전달한다.
하우징 (16) 에서, 외부 회전 슬리브 (38) 의 주위에 조향 기어비 또는 조향 핸들의 조향각을 제어하는 능동 조향용 전동기 (48) 가 더 제공된다. 여기에 도시된 실시예 1 에서, 전동기 (48) 는 외부 회전 슬리브 (38) 의 주위에 고정되는 다수의 영구 자석을 포함하는 전기자 및 외부 회전 슬리브 (38) 의 주위에 배치되어 하우징 (16) 에 의해 지지되는 다수의 전자기 코일을 가져서, 지지봉 연결바 (14) 와 동일한 축에 대해 작동한다. 일반적인 조향 상태에서, 전동기 (48) 는 외부 회전 슬리브 (38) 를 회전하지 않게 정지 상태로 유지하고, 조향 핸들이 능동 조향될 경우에 전동기 외부 회전 슬리브 (38) 를 회전시킨다.
내부 회전 슬리브 (42) 의 내부에는, 유성식 차동형 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 가 제공된다. 이하 상세히 설명되듯이, 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 는 내부 회전 슬리브 (42) 의 회전 운동을 축 (12) 을 따르는 지지봉 연결바 (14) 의 직선 운동으로 변환하지만, 지지봉 연결바 (14) 의 직선 운동을 내부 회전 슬리브 (42) 의 회전 운동으로 변환하지는 않는다.
도 3 및 도 4 에서 상세히 도시되듯이, 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 는 지지봉 연결바 (14) 의 일부에서 축 (12) 을 따라 연장되어 형성되는 수나사 (52), 내부 회전 슬리브 (42) 의 일부에서 축 (12) 을 따라 연장되어 형성되는 암나사 (56), 및 수나사 (52) 와 암나사 (56) 사이에서 그것들에 맞물리도록 배치되는 다 수의 유성 나사 롤러 (60) 를 포함한다. 각각의 유성 나사 롤러 (60) 는 축 (12) 과 평행하게 연장되어, 수나사 (52) 와 동일하거나 더 짧은 길이를 가진다. 도시된 실시예에서, 유성 나사 롤러 (60) 는 축 (12) 의 주변에 동일 간격으로 9개가 제공된다. 각각의 유성 나사 롤러 (60) 는 그 반대편 단부에 원주형 샤프트부 (60A, 60B) 를 각각 가지고, 샤프트부 (60A, 60B) 는 지지봉 연결바 (14) 를 둘러싸는 환상의 캐리어 (64, 66) 에 의해 각각 지지되며, 자신의 축 (62) 을 중심으로 자전할 수 있으며, 또한 축 (12) 을 중심으로 공전하지만, 지지봉 연결바 (14) 에 대해 축 방향으로는 이동하지 않는다.
캐리어 (64, 66) 는 수나사 (52) 보다 더 큰 내부 직경 및 암나사 (56) 보다 더 작은 외부 직경을 각각 가지며, 지지봉 연결바 (14) 및 내부 회전 슬리브 (42) 에 대해 축 (12) 을 중심으로 회전할 수 있다. 캐리어 (64, 66) 는 오일 투과성 금속 등의 낮은 마찰 계수를 가지는 재료로 만들어지고, C-링 (68, 70) 에 의해 지지봉 연결바 (14) 에 고정되는 고정링 (72, 74) 에 의해 지지봉 연결바 (14) 에 대해 축 방향으로 운동하지 않게 유지된다.
캐리어 (64, 66) 는 그 원주를 따라 연장되는 환형 그루브 (76, 78) 와 함께 형성되는 슬리브부를 가지고, 외부 물질이 침입하는 것을 방지하기 위해 수지 또는 고무 등의 고무와 유사한 탄성을 가지는 재료로 만들어지는 패킹 부재 (80, 82) 가 슬리브부 주위에 장치되며, 그 환형 볼록부가 교환을 위해 분리 가능하게 환형 그루브 (76, 78) 에 결합된다. 패킹 부재 (80, 82) 는 암나사 (56) 에 탄성적으로 가압되는 상태로 결합되는 수나사 (84, 86) 를 각각 가진다.
내부 회전 슬리브 (42) 의 암나사 (56) 및 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 는 동일한 방향의 나선을 가지는 반면, 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 는 그 반대 방향의 나선을 가진다. 내부 회전 슬리브 (42) (암나사 (56)) 가 지지봉 연결바 (14) 에 대해 축 (12) 을 중심으로 회전하는 경우에, 유성 나사 롤러 (60) (수나사 (58)) 는 미끄러짐 없이 그 나사산이 맞물려서 내부 회전 슬리브 (42) (암나사 (56)) 및 지지봉 연결바 (14) (암나사 (52)) 에 대해 회전한다.
유성 나사 롤러 (60) 가 미끄러짐 없이 나사산의 맞물림에 의해 내부 회전 슬리브 (42) 및 지지봉 연결바 (14) 에 대해 회전하는 것은 각각의 나사산 간의 맞물림에 있어서 피치각과 마찰 계수 간의 관계를 적절하게 정함으로써 가능하다.
도 5 는 축 (12) 을 포함하는 단면으로 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 를 도시하는 확대된 부분 단면도이다. 도 5 에서, 이점쇄선 (52A) 은 수나사 (52) 의 피치 직경의 위치를 나타낸다. 도 5 에 도시되듯이, 수나사 (52) 는 90°의 꼭지각의 둥근 정점을 가지는 실질적인 이등변 삼각형의 산형의 나사산을 가지며, 축 (12) 에 대해 나선 모양으로 연장된다. 수나사 (52) 의 나사산은 그 연장 방향의 수직한 단면에서 봤을 때 대칭이 아니지만, 축 (12) 을 포함하는 단면에서 봤을 때 대칭이 되도록 형성된다. 또한, 축 (12) 을 포함하는 단면에서 봤을 때, 수나사 (52) 의 나사산의 경사면은 반지름 (Rs) 의 호로 각각 형성되어, 피치 직경의 위치 (52A) 에서의 경사면의 각도는 축 (12) 에 대해 45°이다.
내부 회전 슬리브 (42) 의 암나사 (56) 및 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 는 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 와 동일한 방식으로 형성되어, 수나사 (52) 와 수나사 (58) 및 수나사 (58) 와 암나사 (56) 는 축 방향으로의 나사산의 피치만큼 서로 이격된 다수의 위치에서 서로 실질적으로 점접촉을 유지함으로써 서로 맞물린다. 패킹 부재 (80, 82) 의 수나사 (84, 86) 는 내부 회전 슬리브 (42) 의 암나사 (56) 와 실질적으로 견고하게 접촉하는 단면을 각각 가진다.
지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52), 내부 회전 슬리브 (42) 의 암나사 (56), 및 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 는 동일한 피치를 갖는 멀티스레드(multi-thread) 나사지만, 내부 회전 슬리브 (42) 의 회전에도 불구하고 내부 회전 슬리브 (42) 에 대해 지지봉 연결바 (14) 및 유성 회전 롤러 (60) 가 축 방향 이동을 하지 않는 수나사 (52), 수나사 (58), 및 암나사 (56) 사이의 피치 직경 및 나사산 수의 관계로부터 암나사 (56) 의 나사산의 수가 1 증가 또는 감소한다. 즉, 암나사 (56) 의 차동 나사산 수는 +1 또는 ―1 이다.
더 상세하게는, 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52), 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58), 및 내부 회전 슬리브 (42) 의 암나사 (56) 를 각각 Ds, Dp, 및 Dn 으로, 수나사 (52), 수나사 (58), 및 암나사 (56) 을 각각 Ns, Np, 및 Nn 으로 표시하여, 지지봉 연결바 (14), 유성 나사 롤러 (60), 및 내부 회전 슬리브 (42) 사이에 축 방향 이동을 발생시키지 않는 수나사 (52), 수나사 (58), 및 암나사 (56) 의 피치 직경과 나사산 수 사이의 관계는 Ns:Np:Nn=Ds:Dp:Dn 을 만족시키며, 암나사 (56) 의 나사산 수는 상기 조건을 만족시키는 값보다 1 만큼 크거나 작게 정해진다. 도시된 실시예 1 에서, 차동 나사산 수는 -1 로 정해진다.
따라서, 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52), 유성 나사 롤러 (60) 의 수나 사 (58), 내부 회전 슬리브 (42) 의 암나사 (56), 및 캐리어 (64, 66) 는 서로 협동하여 유성 기어 감속 기구와 동일한 감속 기구 뿐만 아니라, 내부 회전 슬리브 (42) 의 회전에 의해 지지봉 연결바 (14) 를 축 (12) 를 따라 축 방향 이동시키는 차동 나사 기구를 구성한다.
도 6 은 실시예 1 의 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 의 작동 원리를 보여주는 개략도이며, 도 6(A) 는 도 3 에서 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 의 우측에서 봤을 때 지지봉 연결바 (14) (수나사 (52)), 내부 회전 슬리브 (42) (수나사 (56)), 유성 나사 롤러 (60) (수나사 (58)), 및 캐리어 (64, 66) 의 회전 방향을 보여주며, 도 6(B) 는 캐리어 (64, 66) 가 고정된 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 의 지지봉 연결바 (14) (수나사 (58)) 및 유성 나사 롤러 (60) (암나사 (58)) 를 도 3 에서 우측 상부에서 본 사시도이다.
도 6(A) 에서, 지지봉 연결바 (14) (수나사 (52)) 가 회전하지 않기 때문에, 내부 회전 슬리브 (42) (암나사 (56)) 가 축 (12) 에 대해 시계 방향으로 회전하면, 각각의 유성 나사 롤러 (60) (수나사 (58)) 는 자신의 축에 대해 시계 방향으로 자전하면서 지지봉 연결바 (14) (수나사 (52)) 에 대해 시계 방향으로 공전하고, 캐리어 (64, 66) 는 축 (12) 에 대해 시계 방향으로 회전한다.
도 6(B) 에서, 캐리어 (64, 66) 이 고정된다고 가정하면, 오른 나사를 가지는 유성 나사 롤러 (60) (수나사 (58)) 가 내부 회전 슬리브 (42) (암나사 (56)) 의 내면을 따라 구르면서 자신의 축 (62) 에 대해 회전할 때, 유성 나사 롤러 (60) (수나사 (58)) 는 -1 의 차동 나사산에 대응하는 도면의 화살표로 표시되는 후방으 로 축 방향 변위된다. 유성 나사 롤러 (60) 의 나사산 (56) 은 그 시계 방향 회전에 따라 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 를 도면의 전방으로 밀어내지만, 유성 롤러 (60) (수나사 (58)) 가 자신의 축 (62) 에 대해 시계 방향으로 회전한다면, 지지봉 연결바 (14) (수나사 (52)) 는 축 (12) 에 대해 반시계 방향으로 회전하고, 그에 의해 유성 나사 롤러 (60) (수나사 (58)) 에 대해 도면의 후방으로 이동하여, 유성 나사 롤러 (60) (수나사 (58)) 에 의해 전방으로 밀어지는 것이 상쇄된다. 따라서, 지지봉 연결바 (14) (수나사 (52)) 는 내부 회전 슬리브 (42) (암나사 (56)) 에 대해 유성 나사 롤러 (60) (수나사 (48)) 와 함께 도면의 후방으로 이동한다. 따라서, 지지봉 연결바 (14) (수나사 (52)) 는 유성 나사 롤러 (60) (수나사 (58)) 와 함께 내부 회전 슬리브 (42) (암나사 (56)) 에 대해 도면의 후방으로 이동한다.
내부 회전 슬리브 (42) (암나사 (56)) 의 차동 나사산이 +1 인 경우에, 유성 나사 롤러 (60) (수나사 (58)) 및 지지봉 연결바 (14) (수나사 (52)) 는 전술한 것과 동일한 방향의 내부 회전 슬리브 (42) (암나사 (56)) 의 회전에 따라 도면의 전방으로 이동한다.
내부 회전 슬리부 (42) (암나사 (56)) 에 대한 유성 나사 롤러 (60) (수나사 (58)) 및 지지봉 연결바 (14) (수나사 (52)) 의 축 방향 변위의 크기는 내부 회전 슬리부 (42) (암나사 (56)) 에 대한 유성 나사 롤러 (60) (수나사 (58)) 의 1 회전 당 1 나사산 피치이다. 내부 회전 슬리브 (42) (암나사 (56)) 및 지지봉 연결바 (14) (수나사 (56)) 의 피치 직경을 각각 Dn 및 Ds 로 표시하면, 내부 회전 슬리브 (42) (암나사 (56)) 의 1 회전 당 내부 회전 슬리브 (42) (암나사 (56)) 에 대한 유성 나사 롤러 (60) (수나사 (58)) 의 회전수는 Dn/(Ds+Dn) 이다. 따라서, 나사산의 피치가 P 이면, 내부 회전 슬리브 (42) (암나사 (56)) 의 1 회전 당 지지봉 연결바 (14) (수나사 (52)) 의 축 방향 변위 Ls 는 Ls=P·Dn/(Ds+Dn).
예를 들어, 도시된 실시예에서 피치 (P) 가 1mm 라고 가정한다면, 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 는 피치 직경이 7mm 인 4 나사산(Np=4)의 오른 나사이고, 지지봉 연결바 (14) 의 왼방향 수나사 (52) 의 피치 직경 Ds 는 지지봉 연결바 (14) (수나사 (52)) 와 유성 나사 롤러 (60) (수나사 (58)) 사이의 상대적인 축 방향 변위를 발생시키지 않는 조건을 만족시키는 나사산 수 Ns, 즉 2.5×4=10 을 가지는 유성 나사 롤러 (60) 의 2.5배인 Ds=17.5mm 이며, 내부 회전 슬리브 (42) 의 암나사 (56) 의 피치 직경 Dn 은 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 의 4.5배인 31.5mm 이며, 내부 회전 슬리브 (42) 의 오른방향 암나사 (56) 의 나사산수 Nn 이 유성 나사 롤러 (60) 및 내부 회전 슬리브 (42) 사이의 축 방향 변위를 발생시키지 않는 조건을 만족시키는 나사산수보다 1만큼 적다면, Nn 은 4.5×4-1=17 이며, 그에 의해 내부 회전 슬리브 (42) 의 일회전 당 지지봉 연결바 (14) 의 축 방향 변위 Ls 는 31.5/(31.5+17.5)=0.643mm 이다.
도시된 실시예 1 에서, 유성 나사 롤러 (60) 의 개수는 9개이며, 이것은 지지봉 연결바 (14) (수나사 (52)) 와 내부 회전 슬리브 (42) (암나사 (56)) 의 나사산 수의 합, 즉 27 을 정수 3 으로 나눈 몫이다. 유성 나사 롤러 (60) 의 개수가 지지봉 연결바 (14) (수나사 (52)) 와 내부 회전 슬리브 (42) (암나사 (56)) 의 나사산 수의 합을 정수로 나눈 정수의 몫(양의 정수)이라면, 유성 나사 롤러 (60) 는 축 (12) 주위에 등간격으로 배치된다.
따라서, 도시된 실시예 1 에서, 능동 조향 또는 조향 기어비의 제어가 수행되지 않는 일반적인 조향 조작에서, 운전자의 조향 조작에 의한 웜 샤프트 (26) 의 회전은 웜 (28) 및 웜 기어 (24) 에 의해 축 (12) 에 대한 회전 슬리브 (30) 의 회전으로 변환되고, 회전 슬리브 (30) 의 회전은 유성 기어 장치 (36) 에 의해 그 회전속도가 증가되어 내부 회전 슬리브 (42) 로 전달되며, 내부 회전 슬리브 (42) 의 회전은 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 에 의해 축 (12) 을 따르는 지지봉 연결바 (14) 의 직선 운동으로 변환되며, 지지봉 연결바 (14) 의 직선 운동은 볼 조인트 (18L, 18R) 를 통해 좌우 지지봉 (20L, 20R) 로 전달되어, 도면에 도시되지 않은 좌우 조향 핸들이 조향된다.
이 경우에, 조향 토크가 토크 센서 (32) 에 의해 검출되고, 조향 보조 토크의 목표치는 적어도 조향 토크에 기초하여 도면에 도시되지 않은 전자 제어 장치에 의해 산출되며, 전동기 (34) 에 대한 전류의 목표치가 조향 보조 토크의 목표치에 기초하여 산출되며, 목표 전류는 전동기 (34) 에 공급되어, 그에 의해 회전력이 전동기 (34) 에 의해 회전 슬리브 (30) 에 가해져서 조향 부담을 경감하여 운전자를 보조한다.
조향 핸들의 능동 조향를 제어하는 경우에, 좌우 조향 핸들의 목표 조향각에 대응하는 목표 전류는 도면에 도시되지 않은 전자 제어 장치에 의해 전동기 (48) 로 공급되고, 그에 의해 외부 회전 슬리브 (38) 가 회전되어, 유성 기어 장치 (36) 에 의해 회전 슬리브 (30) 로부터 내부 회전 슬리브 (42) 로 전달되는 회전량 또는 회전 방향이 변경되며, 그에 의해 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 에 의해 내부 회전 슬리브 (42) 로부터 지지봉 연결바 (14) 로 변환되는 회전 운동량 또는 운동 방향이 변경되어, 그에 의해 조향 핸들의 조향각이 일반적인 조향 조작에서의 값에서 증가하거나 감소된다.
따라서, 도시된 실시예 1 에 따르면, 동력 보조 전동기 (34) 의 보조 하에서 회전 슬리브 (30) 로부터 유성 기어 장치 (36) 을 거쳐 내부 회전 슬리브 (42) 로 전달되는 회전이 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 에 의해 지지봉 연결바 (14) 의 직선 운동으로 변환하는 중에, 전동기 (48) 에 의해 적절하게 회전되는 외부 회전 슬리브 (38) 에 의해 조향 핸들의 능동 조향이 이루어진다.
이 경우, 도시된 실시예 1 에 따라, 동력 보조 전동기 (34) 가 유성 기어 장치 (36) 에서 봤을 때 웜 샤프트 (26) 의 측면에 제공되기 때문에, 능동 조향에 의한 조향 토크의 변동이 조향 핸들로 전달되는 것이 억제된다.
도시된 실시예 1 에 따르면, 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 의 순방향으로의 변환 효율 80% 같은 높은 값으로 정하면서 역방향으로의 변환 효율을 0으로 할 수가 있어, 내부 회전 슬리브 (42) 의 회전을 고효율로 지지봉 연결바 (14) 의 직선 운동으로 변환할 수 있으면서, 지지봉 연결바 (14) 의 직선 운동이 내부 회전 슬리브 (42) 의 회전운동으로 변환되는 것을 효과적으로 저지하여, 노면에서 조향 핸들에 작용하는 외력에 의해 지지봉 연결바 (14) 가 직선 방향으로 가압되는 경우에도, 그에 의해 내부 회전 슬리브 (42) 는 결코 회전되지 않고, 노면에서 외력에 의해 조향 핸들의 조향각이 변하는 것이 확실하게 억제된다.
도시된 실시예 1 에 따르면, 회전 슬리브 (30) 의 회전은 회전 증속 장치 (33) 에 의해 웜 샤프트 (26) 의 회전으로부터 증속된 상대적으로 높은 속도의 회전이고, 따라서 회전 슬리브 (30) 에 회전력을 가하는 동력 보조 전동기 (34) 가 고회전/저출력일 수 있다.
내부 회전 슬리브 (42) 의 암나사 (56) 와 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 사이의 결합은 "나사 결합"이 아니라, 리드 각도 및 나사산의 수가 서로 다른 두 헬리컬 기어의 "기어 맞물밀 결합"이다. 리드 각도가 서로 다른 두 헬리컬 기어가 맞물림 결합으로 회전할 때, 그 사이에서 추력이 작용한다. 유성 나사 롤러 (60) 는 내부 회전 슬리브 (42) 에 대한 추력 변위를 만들 수 있다. 이러한 추력 변위의 효율은 80% 이상의 값으로 할 수 있다.
도시된 실시예 1 에 따르면, 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 가 내부 회전 슬리브 (42) 의 암나사 (56) 와 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 를 따라 구르는 운동에서의 마찰력은 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 가 내부 회전 슬리브 (42) 의 암나사 (56) 와 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 에 대해 활주하는 경우보다 더 작기 때문에, 지지봉 연결바 (14) 에 대한 내부 회전 슬리브 (42) 의 회전은 내부 회전 슬리브 (42) 에 대한 지지봉 연결바 (14) 의 축 방향 운동으로 정확하게 변환된다.
도시된 실시예 1 에 따르면, 내부 회전 슬리브 (42), 유성 나사 롤러 (60), 및 지지봉 연결바 (14) 가 나사의 맞물림에 의해 축 방향으로 상대적으로 이동하지 않게 유지되기 때문에, 그 사이에서 축 방향으로 상대적으로 활주하는 것이 확실하 게 저지된다.
도시된 실시예 1 에 따르면, 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52), 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58), 및 내부 회전 슬리브 (42) 의 암나사 (56) 가 그 축을 포함하는 단면에서 봤을 때 각각 대칭이기 때문에, 서로 균등하게 결합된다.
도시된 실시예 1 에 따르면, 패킹 부재 (80, 82) 가 내부 회전 슬리브 (42) 의 암나사 (56) 와 견고하게 결합되는 나사에 의하여 견고하게 결합되어 제공되기 때문에, 외부 물질이 내부 회전 슬리브 (42) 의 암나사 (56) 와 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 사이의 맞물림부로 침투하는 것이 확실하게 저지된다. 패킹 부재 (80, 82) 가 오일 함유 금속 등의 저마찰 계수의 재료로 형성되기 때문에, 유성 나사 롤러 (60) 는 그 각각의 축 (62) 에 대해 매끄럽게 회전하도록 지지되고, 그에 의해 작동 중의 양호한 내구성과 정숙성을 확보할 수 있다.
도 7 은 본 발명에 따른 차량용 전동식 동력 조향 장치의 실시예 2 의 요부를 도시하는 종단면도이고, 도 8(A) 는 도 7 에 도시된 유성식 차동 나사형 회전/직선 운동 변환 장치를 확대하여 도시하는 종단면도이며, 도 8(B) 는 도 8(A) 에서의 선 B-B 에 의한 단면도이다. 이 도면들에서, 도 1 내지 도 4 에서 도시된 것에 대응하는 부분은 도 1 내지 도 4 와 동일한 참조 번호로 표시된다.
이 실시예 2 의 조향 장치는 능동 조향이 수행되지 않고 동력 보조 만이 수행되는 차량에 적용된다. 따라서, 이 실시예 2 에서, 실시예 1 에서의 능동 조향용의 전동기 (48) 에 대응하는 전동기는 제공되지 않고, 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 의 외부 회전 부재 (42A) 는 실시예 1 에서 내부 회전 슬리브 (42) 와 회전 슬리브 (30) 의 조합에 대응하는 일체적인 부재인 회전 부재의 단부이다.
도 9 는 도 7 에 도시된 유성 나사 롤러를 확대해서 도시하며, (A) 는 정면도, (B) 는 좌측면도, 그리고 (C) 는 우측면도이다. 도 11 은 그 축을 포함하는 단면에서 나사산을 도시하며, (A) 는 외부 회전 부재 (42A) 의 암나사, (B) 는 유성 나사 롤러의 수나사, 그리고 (C) 는 지지봉 연결바 (14) 의 수나사를 도시한다.
이 실시예 2 의 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 는, 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 가 외부 회전 부재 (42A) 및 유성 나사 롤러 (60) 보다 훨씬 더 길고 수나사 (52) 가 외부 회전 부재 (42A) 및 유성 나사 롤러 (60) 에 대해 축 (12) 을 따라 왕복한다는 점을 제외하고는, 기본적으로 상기 실시예 1 의 운동 변환 장치 (50) 과 동일한 방식으로 구성된다.
특히 이 실시예 2 에서, 도 9 에서 상세하게 볼 수 있듯이, 각각의 유성 나사 롤러 (60) 는 수나사 (58), 수나사 (58) 의 반대쪽 단부에서 일체로 형성되는 스퍼 기어(spur gear) (90, 92), 및 외부 기어 (90, 92) 의 외면에 일체로 형성되는 샤프트부 (60A, 60B) 을 가진다. 샤프트부 (60A, 60B) 는 이하 상세히 설명되는 목적을 위해 서로 다른 직경을 가지는 원주형이다. 도시된 실시예에서, 샤프트부 (60A) 는 샤프트부 (60B) 보다 더 작은 직경을 가진다. 직경의 차이에 대한 관계는 반대일 수도 있다.
외부 기어 (90, 92) 는 수나사 (58) 의 반대쪽 단부에서 형성되는 기어 이에 의해 형성되고, 따라서 외부 기어 (90, 92) 는 수나사 (58) 의 나사산이 축 (62) 의 주위에 연장되는 형상을 가지며 축 (62) 의 주위에 그루브로 균일하게 이격된 이를 가진다. 외부 기어 (90, 92) 의 높이는 수나사 (58) 보다 조금 더 작도록 감소되어, 외부 기어 (90, 92) 의 정점에 의해 형성되는 외부 직경은 수나사 (58) 외 정점에 의해 형성되는 것보다 조금 더 작다.
외부 기어 (90, 92) 의 이 형상은 0°보다 크고 360°보다 작은 위상 차이를 가진다. 외부 기어 (90, 92) 는 스퍼 내부 기어 (94, 96) 와 맞물리고, 따라서 내부 기어 (94, 96) 의 이 형상도 외부 기어 (90, 92) 에서와 동일한 위상 차이를 가진다. 내부 기어 (94, 96) 는 외부 회전 부재 (42A) 의 암나사 (56) 의 외면에 형성된 보어(bore)로 압입되도록 배치된다. 외부 및 내부 기어가 일단부의 이끝과 이뿌리에서 결합하는 경우에 외부 및 내부 기어가 다른 단부의 이끝과 이뿌리에서 결합하도록, 외부 및 내부 기어에서의 위상 차이는 90°보다 크고 270°보다 작은, 특히 도시된 실시예에서는 180°인 것이 바람직하다.
외부 기어 (90, 92) 의 축은 유성 나사 롤러 (60) 의 축 (62) 에 정렬되고, 외부 기어 (90, 92) 의 피치원의 직경은 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 의 피치원의 직경과 동일하다. 외부 기어 (90, 92) 와 내부 기어 (94, 96) 사이의 이 개수의 비는 수나사 (58) 와 암나사 (56) 의 피치원 사이의 비와 동일하며, 따라서 수나사 (58) 와 암나사 (56) 의 이 개수 사이의 비와 동일하다. 외부 기어 (90, 92) 및 내부 기어 (94, 96) 는 스퍼 기어일 필요가 없고, 예를 들어 조립의 편의를 고려할 때 30°보다 작은 나선 각도의 헬리컬 기어일 수 있다.
유성 나사 롤러 (60) 의 반대쪽 단부에 제공되는 외부 기어 (90, 92) 와 외부 회전 부재 (42A) 의 암나사 (56) 의 반대쪽 단부에 제공되는 내부 기어 (94, 96) 를 맞물려서 유성 나사 롤러 (60) 와 외부 회전 부재 (42A) 사이의 원주 방향의 활주를 저지하는 상기 구조는, 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 와 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 사이에의 축 방향 변위가 없고 지지봉 연결바 (14) 와 유성 나사 롤러 (60) 가 내부 회전 슬리브 (42) 의 암나사 (56) 에 대해 같이 이동하는 실시예 1 의 구조에서, 지지봉 연결바 (14) 와 유성 나사 롤러 (60) 사이의 원주 방향 활주를 저지하도록 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 와 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 에 대해 제공될 수 있다.
각각의 유성 나사 롤러 (60) 는 축 (62) 에 대해 회전가능한 캐리어 (98) 에 의해 지지된다. 도 10 에 도시되었듯이, 캐리어 (98) 는 축 (62) 에 대해 회전가능하게 샤프트부 (60A) 에서 유성 나사 롤러 (60) 를 지지하는 지지링 (100), 축 (62) 에 대해 회전가능하게 샤프트부 (60B) 에서 유성 나사 롤러 (60) 를 지지하는 지지링 (102), 및 지지링 (100, 102) 에 일체적으로 연결되는 다수의 연결부 (104) 를 가진다.
지지링 (100, 102) 은 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 의 외경보다 조금 더 큰 내경과 외부 회전 부재 (42A) 의 암나사 (56) 의 내경보다 조금 더 작은 외경을 각각 가진다. 지지링 (100, 102) 은 유성 나사 롤러 (60) 의 샤프트부 (60A, 60B) 를 수납하는 다수의 구멍 (106, 108) 을 각각 가진다. 샤프트부 (60A, 60B) 의 직경에서의 차이에 대응하여, 구멍 (106) 의 직경은 구멍 (108) 보다 더 작게 정해진다. 구멍 (106, 108) 은 캐리어 (98) 의 축 (110) 주위에 균일하게 이격되어 배치되고, 그 반경 방향 바깥쪽으로 열려있는 실질적인 U 형상으 로 각각 형성된다. 연결부 (104) 는 축 (11) 에 대해 반경 방향으로 배치되고, 축 (110) 에 평행하게 연장되는 판 형상으로 형성된다. 캐리어 (98) 는 형상 유지성 및 요구되는 강도를 가지는 금속 등의 재료로 만들어질 수 있다. 상기 구조를 고려하면, 수지가 바람직한 재료이다.
외부 회전 부재 (42A) 의 내측 및 지지링 (100, 102) 의 축 방향 외측에는, 지지링 (100, 102) 보다 더 큰 외경을 가지는 지지링 (112, 114) 가 제공되어 외부 회전 부재 (42A) 의 구멍에 압입되어 고정된다. 고정링 (112, 114) 은 캐리어 (98) 가 외부 회전 부재 (42A) 에 대해 반경 방향 외측으로 이동하는 것을 저지하도록, 캐리어 (98) 의 지지링 (100, 102) 의 축 방향 외측으로 연장되는 L 형 단면 형상을 각각 가진다.
도 8 에 도시되었듯이, 실시예 2 에는 패킹 부재 (80, 82) 에 대응하는 패킹 부재가 제공되지 않으며, 지지링 (100, 102) 은 이러한 패킹 부재로서도 기능한다. 그러나, 상기 실시예 1 에서와 유사한 패킹 부재가 외부 물질의 침투를 더 확실하게 저지하기 위해 제공할 수 있다.
다음으로, 본 실시예에서의 외부 회전 부재 (42A) 의 암나사 (56), 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58), 및 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 의 나사산 형상을 설명하겠다.
회전/직선 운동 변환 장치 (50) 의 각각의 나사는 나사로서 뿐만 아니라 기어로서도 작동해야 한다. 각각의 나사가 나사로서 기능하기 위해서, 대응되는 나사가 피치 직경의 위치에서 적절하게 서로 맞물릴 필요가 있다. 다른 한편으 로는, 각각의 나사가 기어로서 기능하게 위해서, 대응되는 나사(기어)의 모듈이 서로 동일하고 대응되는 나사(기어) 의 압력 각도가 서로 동일할 필요가 있다. 그러나, 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 에서, 서로 대응되는 수나사 (52) 와 수나사 (58) 의 모듈 및 압력 각도 둘 다 서로 동일하지 않게 정해질 수 있고, 따라서 이(나사산)는 서로 간섭하기 쉽고 조립이 쉽지 않게 된다.
일반적으로, 두 나사가 서로 맞물리기 위해서, 피치와 나사산 각도가 두 나사에서 서로 동일할 필요가 있다. 그러나, 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 에서, 수나사 (52) 의 나사산의 개수가 피치 직경의 비에 대응하는 나사산의 개수로부터 증가 또는 감소하기 때문에, 나사산 각도가 서로 동일하게 정해지면 원주 방향의 맞물림 각도인 압력 각도는 수나사 (52) 및 수나사 (58) 에서 달라진다.
나사산 각도(축을 포함하는 단면에서 볼 때 압력 각도)를 λ 로, 리드 각도 및 리드를 γ 및 L 로, 나사산의 피치 및 개수를 P 및 N 으로, 피치 직경(기준 피치의 직경)을 φ 로 각각 나타내면, 리드 L, 리드 각도 γ, 나선 각도 β, 및 전방 맞물림 압력 각도 α 는 다음의 식으로 표현된다.
L=P·N (1)
γ=Tan-1{P/(φ·π)} (2)
β=0.5π-γ (3)
α=Tan-1{Tan(λ)·Tan(β)} (4)
따라서, 피치 P, 나사산 개수 N, 피치 직경 φ 가 결정되면, 압력 각도 α 가 계산에 의해 구해진다. 유성 나사 롤러 (60) 의 피치 Pp, 나사산 개수 Np, 및 피치 직경 φp 을 각각 1㎜, 1, 및 4㎜ 로 가정하면, 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 와 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 사이의 피치 직겨의 비는 3:1 이고, 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 의 차동 나사산은 +1 이며, 수나사 (52) 의 리드 L 및 피치 직경 φs 는 각각 4㎜ 및 12㎜ 이다.
따라서, 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 의 나선 각도 βp 를 85.45°로 정하고, 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 의 나선 각도 βs 를 83.94°로 정하며, 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 의 나사산 각도 λp를 27.5°로 정한다면, 일반적인 기어에 의한 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 의 압력 각도 αp는 81.31°가 된다. 상기 압력 각도를 만족시키는 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 의 나사산 각도 λs 는 34.76°이다. 이러한 맞물림에서, 압력 각도가 서로 동일하지 않게 되어 나사 각도에 7.26°의 차이가 생겨서 맞물림이 간섭에 의해 방해된다.
따라서, 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 및 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 의 모듈 및 압력 각도가 서로 다른 문제를 극복함으로써 맞물림에서의 간섭을 방지하고 백래시(backlash)를 얻애기 위한 조치가 필요하다. 상기 모듈 및 압력 각도에서의 차이는 피치 직경의 비에 대응하는 나사산 개수로부터 증가 또는 감소된 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 의 나사산 개수로 인한 것이어서, 나사산 개수의 증감에 의한 리드 각도의 차이에 기인하여 나사산 사이의 간섭이 발생한다. 다른 리드 각도의 나사를 결합하기 위해서, 나사산의 형상을 어떻게 구성하는지가 중요하다.
회전/직선 운동 변환 장치 (50) 의 나사는 기어로서 작동하기 때문에, 나사를 기어로 본다면, 유성 나사 롤러 (60) 와 지지봉 연결바 (14) 의 나사산은 피치 직경의 위치에서 서로 맞물려서, 유성 나사 롤러 (60) 와 지지봉 연결바 (14) 의 회전에 따라 유성 나사 롤러 (60) 의 나사산의 이끝은 지지봉 연결바 (14) 의 나사산의 이뿌리와 맞물리고, 유성 나사 롤러 (60) 의 나사산의 이뿌리는 지지봉 연결바 (14) 의 이끝과 맞물린다. 따라서, 이러한 결합이 견고해지도록 나사산의 형상을 설정하는 것이 바람직하다.
우선, 유성 나사 롤러 (60) 및 지지봉 연결바 (14) 의 나사산 각도의 평균값인 가상의 나사산 각도를 결정하여, 가상의 나사산 각도를 압력 각도로 변환함으로써, 그 값이 두 부재의 맞물림의 압력 각도의 평균값이 된다. 이 압력 각도로부터 리드 각도의 차이에 의해 두 부재의 각각의 나사산 각도가 역으로 계산된다.
계산의 흐름은 다음과 같다. 우선, 유성 나사 롤러 (60) 및 지지봉 연결바 (4) 의 나사의 조건으로부터 평균 나선 각도 βa 를 얻어서, 평균 나사산 각도 λa 를 정하고 평균 압력 각도 αa 를 계산한다. 그 다음에, 평균 압력 각도 αa 및 각각의 나선 각도 βp 에 기초하여, 유성 나사 롤러 (60) 의 나사산 각도 λa 및 지지봉 연결바 (14) 의 나사산 각도 λs 가 계산된다.
상기 나사의 조건을 예로 들면, 나사의 조건에 따른 평균 나선 각도 βa 는 다음과 같이 계산된다.
βa=(βp+βs)/2
=(85.31+83.94)/2=84.70
평균 나사산 각도 λa 가 27.5°로 정해지면 평균 압력 각도 αa 는 79.89°이다. 이 압력 각도를 만족시키는 유성 나사 롤러 (60) 의 나사산 각도 λp 는 30.75°이고, 지지봉 연결바 (14) 의 나사산 각도 λs 는 24.05°이다. 차동 나사산이 양일 때는 λs<λp 이고, 차동 나사산이 음일 때는 λs>λp 이다. 따라서, 차동 나사산이 -1 인 경우, 유성 나사 롤러 (60) 의 나사산 각도 λp 는 24.05°이고, 지지봉 연결바 (14) 의 나사산 각도 λs 는 30.75°이다.
나사산 각도의 계산이 끝나면, 각각의 나사의 나사산 형상이 구해진다. 이하, 나사산 형상의 결정 방법을 설명한다.
회전/직선 운동 변화 장치 (50) 는 지지봉 연결바 (14) 또는 외부 회전 부재 (42A) 를 서로에 대해 축 방향으로 이동시키는 장치이다. 회전/직선 운동 변환 장치가 큰 하중을 견디고 백래시를 없애기 위해서, 지지봉 연결바 (14), 유성 나사 롤러 (60), 및 외부 회전 부재 (42A) 의 나사산 각도는 축 (2) 을 포함하는 단면에서 봤을 때 가능한 한 작고, 나사산의 강도는 높으며, 나사산은 피치 직경의 위치에서 서로 맞물려서, 맞물림 결합이 견고해진다.
회전/직선 운동 변환 장치가 종래의 스퍼 기어의 맞물림과 다른 점은 회전 운동을 원활히 전달하도록 스퍼 기어가 축에 수직한 단면에서 봤을 때 그 사이에 간극이 없게 맞물리고, 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 에서 나사산이 축에 수직한 단면에서 뿐만 아니라 축 방향으로도 견고하게 맞물려야 한다는 점이다. 즉, 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 에서 나사산은 축에 수직한 단면과 축을 포함하는 단면에서 견고하게 결합되어야 한다.
또한, 활주 나사 또는 볼 나사에 의한 종래의 회전/직선 운동 변환 장치에서 접촉부가 축을 중심으로 하는 나선형이라고 하더라도, 본 발명의 장치에서 역효율을 0으로 하기 위해 지지봉 연결바 (14) 와 유성 나사 롤러 (60) 의 나사산의 접촉부가 나선형이 아닐 필요가 있다. 본 발명에 따른 장치에서, 축 (12) 을 포함하는 단면에서 봤을 때 나사산은 간극 없이 결합되고, 나사산의 접촉부는 축 (12) 을 중심으로 하는 방사형이다.
나사산의 형상을 결정하는데 있어서, 외부 회전 부재 (42A) 의 나사산의 그루브의 각도는 외부 회전 부재 (42A) 의 암나사 (56) 의 간섭 및 가동성의 관점에서 45°보다 더 작게 설정될 수 없다. 일반적으로, 나사산 각도가 27.5°보다 더 크지 않다면, 축을 포함하는 단면에서 봤을 때 외부 회전 부재 (42A) 의 나사산을 직선 형상으로 연속적으로 가공하여 형성할 수 없다.
또한, 나사산 형상을 결정하는 방법은 지지봉 연결바 (14) 의 차동 나사산이 양 또는 음인지에 따라 다르다.
(1)지지봉 연결바의 수나사의 차동 나사산이 양인 경우
우선, 외부 회전 부재 (42A) 의 나사산 그루브의 각도가 정해진다. 외부 회전 부재 (42A) 의 나사산 각도 λn 은 나사산 그루브의 각도의 절반이다.
외부 회전 부재 (42A) 의 나사산 그루브의 각도를 55°로 가정하면, 나사산 각도 λn 은 27.5°이다. 지지봉 연결바 (14) 의 차동 나사산이 양이고, 지지봉 연결바 (14) 및 유성 나사 롤러 (60) 의 모듈이 서로 다르면, 이러한 차이에 의 한 간섭은 유성 나사 롤러 (60) 의 이뿌리 및 지지봉 연결바 (14) 의 이끝에 집중하여 발생한다. 유성 나사 롤러 (60) 와 지지봉 연결바 (14) 의 평균 압력 각도를 계산하기 위해서, 나사산 각도(축을 포함하는 단면에서 평균 압력 각도 λa)는 27.5°로 정해진다. 이 경우, 유성 나사 롤러 (60) 의 이뿌리의 나사산 각도 λpi 는 24.05°이고, 지지봉 연결바 (14) 의 이끝의 나사산 각도 λso 는 30.75°이다.
따라서, 유성 나사 롤러 (60) 의 나사산이 이끝에서 27.5°의 나사산 각도 λpo 를 가지고, 이뿌리에서 24.05°의 나사산 각도 λpi 를 가지면, 축 (12) 을 포함하는 단면에서 봤을 때 유성 나사 롤러 (60) 의 나사산은 외부 회전 부재 (42A) 의 나사산과 견고하게 결합한다.
지지봉 연결바 (14) 의 나사산이 이끝에서 30.75°의 나사산 각도 λso 를 가지고, 이뿌리에서 외부 회전 부재 (42A) 의 이끝의 나사산 각도와 동일한 27.5°의 나사산 각도 λsi 를 가지면, 지지봉 연결바 (14) 의 나사산은 축 방향 및 회전 방향 양쪽으로 유성 나사 롤러 (60) 의 나사산과 견고하게 결합한다.
유성 나사 롤러 (60) 의 이뿌리 및 지지봉 연결바 (14) 의 이끝은 회전 전달 방향인 축 (12) 에 수직한 단면에서 봤을 때 동일한 압력을 가져야 한다. 또한, 지지봉 연결바 (14) 및 유성 나사 롤러 (60) 는 피치 직경을 중심으로 하는 내외측의 영역에서 서로 연속적으로 맞물리는 상태에 있어야 한다. 따라서, 축 (12) 을 포함하는 단면에서의 평균 압력 각도는 외부 회전 부재 (42A) 의 나사산 각도 λn, 유성 나사 롤러 (60) 의 이끝의 나사산 각도 λpo, 및 지지봉 연결바 (14) 의 이뿌리의 나사산 각도와 동일한 27.5°이다.
상기로부터 알 수 있듯이, 외부 회전 부재 (42A) 의 나사산 각도가 작업 조건에서 허용될 수 있는 범위 내에서 가능한 한 작은 예각이고, 유성 나사 롤러 (60) 의 이끝의 나사산 각도 및 지지봉 연결바 (14) 의 이뿌리의 나사산 각도가 외부 회전 부재 (42A) 의 나사산 각도와 동일하며, 유성 나사 롤러 (60) 의 이뿌리의 나사산 각도 및 지지봉 연결바 (14) 의 이끝의 나사산 각도는 그 평균값으로 외부 회전 부재 (42A) 의 나사산 각도와 동일하다.
따라서, 상기 실시예의 경우에 각각의 나사의 요구되는 나사산 각도는 다음과 같다.
외부 회전 부재 (42A) 의 나사산 각도 λn
=유성 나사 롤러 (60) 의 이끝의 나사산 각도 λpo
=지지봉 연결바 (14) 의 이뿌리의 나사산 각도 λsi
=27.5°
유성 나사 롤러 (60) 의 이뿌리의 나사산 각도 λpi=24.05°
지지봉 연결바 (14) 의 이끝의 나사산 각도 λso=30.75°
각각의 나사의 나사산 형상은 회전에 대해 서로 간섭하지 않도록 인벌류트(involute) 함수에 의해 수정된다.
(2) 지지봉 연결바 (14) 의 차동 나사산이 음인 경우
또한, 이 경우에 외부 회전 부재 (42A) 의 나사산 각도 λn 는 나사산의 그루브의 각도에 의해 제한된다. 지지봉 연결바 (14) 의 차동 나사산이 음이고 지지봉 연결바 (14) 및 유성 나사 롤러 (60) 의 모듈이 서로 다른 경우 그 차이로 인한 나사산 사이의 간섭은 유성 나사 롤러 (60) 의 이끝 및 지지봉 연결바 (14) 의 이뿌리에 집중하여 발생한다.
따라서, 지지봉 연결바 (14) 의 차동 나사산이 양인 경우와 동일한 방식으로, 외부 회전 부재 (42A) 의 나사산의 그루브의 각도를 55°로 가정하면, 나사산 각도 λn 은 27.5°이다. 따라서, 유성 나사 롤러 (60) 의 이끝의 나사산 각도 λpo 는 27.5°가 되고, 이뿌리는 축 (12) 을 포함하는 단면에서 봤을 때 견고하게 결합될 필요가 있기 때문에 이뿌리의 나사산 각도 λpi 도 27.5°가 된다. 또한, 지지봉 연결바 (14) 의 이끝이 유성 나사 롤러 (60) 의 이뿌리와 맞물리기 때문에, 지지봉 연결바 (14) 의 이끝의 나사산 각도 λso 도 27.5°가 된다.
따라서, 지지봉 연결바 (14) 의 이뿌리의 나사산 각도 λsi 만이 모듈의 차이에 의해 영향을 받기 때문에, 상기 식 4 에 따라 계산될 수 있고, 그 값은 19.14°이다.
상기로부터 알 수 있듯이, 외부 회전 부재 (42A) 의 나사산 각도가 작동 하에서 허용되는 범위 내에서 가능한 한 작은 예각이고, 유성 나사 롤러 (60) 의 이끝과 이뿌리의 나사산 각도 및 지지봉 연결바 (14) 의 이끝의 나사산 각도가 외부 회전 부재 (42A) 의 나사산 각도와 동일하며, 지지봉 연결바 (14) 의 이뿌리의 나사산 각도가 평균 압력 각도 및 나선 각도에 기초하여 계산되는 두 나사산 각도 중 더 작은 것이라면, 각각의 나사의 나사산 형상은 가장 이상적이다.
또한, 지지봉 연결바 (14) 의 차동 나사산이 음이면, 각각의 나사의 나사산 형상은 회전에서 서로 간섭하지 않도록 인벌류트 함수에 의해 수정된다.
도 11 은, (A) 가 외부 회전 부재 (42A) 의 암나사 (56) 를 도시하고 (B) 가 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 를 도시하며 (C) 가 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 를 도시하는 각각의 나사의 축을 따르는 확대된 단면도이다. 도 11 에서, 참조 번호 (120, 122, 144) 는 암나사 (56), 수나사 (58), 및 수나사 (52) 를 기어로 보았을 때 기준 피치 사이클을 나타낸다.
도 11 에서 도시되었듯이, 외부 회전 부재 (42A) 의 암나사 (56) 는 사다리꼴 나사산 형상을 가지고, 유성 나사 롤러 (60) 및 지지봉 연결바 (14) 는 인벌류트 나사산 형상을 가진다. 외부 회전 부재 (42A) 의 암나사 (56) 의 나사산 그루브는 개구 각도 θn (나사산 각도 λn 은 θn/2 와 동일하다)을 가지고, 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 는 이끝에서 나사산 각도 λpo 를 가지며 이뿌리에서 λpo 보다 작은 나사산 각도 λpi 를 가진다. 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 는 이끝에서 나사산 각도 λso 를 가지고, 이뿌리에서 λpo 보다 작은 나사산 각도 λsi 를 가진다.
지지봉 연결바 (14) 의 차동 나사산 Ns 는 +1 이고, 즉 지지봉 연결바 (14) 의 나사산 개수는 외부 회전 부재 (42A) 또는 지지봉 연결바 (14) 가 회전되는 경우에 지지봉 연결바 (14), 유성 나사 롤러 (60), 및 외부 회전 부재 (42A) 사이에서 축 방향 변위가 발생하지 않는 지지봉 연결바 (14), 유성 나사 롤러 (60), 및 외부 회전 부재 (42A) 에 대한 피치 직경과 나사산 개수 사이의 관계를 만족시키는 나사산의 개수보다 1 만큼 더 크고, 따라서 도 11 에 도시되었듯이, 유성 나사 롤 러 (60) 의 수나사 (58) 의 이끝의 나사산 각도 λpo 는 외부 회전 부재 (42A) 의 암나사 (56) 의 나사산 각도 λn 과 동일하게 설정되고, 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 의 이뿌리의 나사산 각도 λsi 도 λn 과 동일하게 설정된다.
도 12 는 지지봉 연결바 (14) 의 차동 나사산 Ns 가 +1 인 도시된 실시예 2 에 대해, (A) 에서 외부 회전 부재 (42) 의 암나사 (56) 와 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 의 맞물림 상태를, (B) 에서 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 와 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 의 맞물림 상태를 도시한다. 도 12 에서 알 수 있듯이, 축 (12) 을 포함하는 단면에서 봤을 때 유성 나사 롤러 (60) 는 지지봉 연결바 (14) 및 외부 회전 부재 (42A) 와 양호한 상태로 맞물린다.
도 13 은 실시예 2 에서 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 의 종 방향 중앙부에서 축 (12) 에 수직한 단면에 따른 확대된 단면도이다. 도 13 에서 가는 선은 각각의 나사의 피치 직경(기어의 피치 직경)을 도시하고, 굵은 선은 단면에서 나사산 형상을 도시한다. 또한, 도 13 에서 명확하게 하기 위해 각각의 부재의 빗금은 생략된다. 도 13 에서 알 수 있듯이, 축 (12) 에 수직한 단면에서도 유성 나사 롤러 (60) 는 기어로서 지지봉 연결바 (14) 및 외부 회전 부재 (42A) 와 양호한 맞물림 상태를 유지하고, 따라서 유성 나사 롤러 (60), 지지봉 연결바 (14), 및 외부 회전 부재 (42A) 는 맞물림 기어로서 서로 회전력을 전달한다.
지지봉 연결바 (14) 의 차동 나사산 Ns 가 -1 이고, 즉 지지봉 연결바 (14) 의 나사산 개수가 외부 회전 부재 (42A) 또는 지지봉 연결바 (14) 가 회전되는 경우에 지지봉 연결바 (14), 유성 나사 롤러 (60), 및 외부 회전 부재 (42A) 사이에 서 축 방향 변위가 발생하지 않는 지지봉 연결바 (14), 유성 나사 롤러 (60), 및 외부 회전 부재 (42A) 에 대한 피치 직경과 나사산 개수 사이의 관계를 만족시키는 나사산의 개수보다 1 만큼 더 작은 경우에, 도 14 에 도시되었듯이, 외부 회전 부재 (42A) 의 암나사 (56) 의 나사산 각도 λn, 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 의 이뿌리 각도 λpi, 및 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 의 이끝 각도 λso 는 서로 동일하게 정해진다. 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 의 이뿌리 각도 λsi 는 지지봉 연결바 (14) 의 이뿌리의 나사산 각도가 평균 압력 각도 및 나선 각도에 기초하여 계산되는 두 나사산 각도 중 더 작은 것으로 설정되는 값으로 정해진다.
도 15 는, 지지봉 연결바 (14) 의 차동 나사산 Ns 가 -1 인 경우에 나사산 형상이 전술한 것처럼 설정되는 경우의, (A) 에서 외부 회전 부재 (42) 의 암나사 (56) 와 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 사이의 맞물림 상태, (B) 에서 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 와 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 사이의 맞물림 상태를 도시한다. 도 15 에서 알 수 있듯이, 차동 나사산 Ns 가 -1 인 경우에도, 축 (12) 을 포함하는 단면에서 봤을 때 유성 나사 롤러 (60) 는 지지봉 연결바 (14) 및 외부 회전 부재 (42) 와 양호한 상태로 맞물린다. 또한, 도면에 도시되지 않았지만, 축 (12) 을 포함하는 단면에서 봤을 때도 도 13 의 경우와 동일한 방식으로, 유성 나사 롤러 (60) 는 기어로서 지지봉 연결바 (14) 및 외부 회전 부재 (42) 와 맞물림 상태를 유지하고, 따라서 유성 나사 롤러 (60), 지지봉 연결바 (14), 및 외부 회전 부재 (42) 는 기어 맞물림으로서 서로 회전력을 전달한 다.
따라서, 도시된 실시예 2 에 따르면, 상기 실시예 1 의 경우와 같이 지지봉 연결바 (14), 유성 나사 롤러 (60), 및 외부 회전 부재 (42A) 는 유성 기어 감속 기구 등의 감속 수단으로서 기능하도록 협동하고, 유성 나사 롤러 (60) 및 외부 회전 부재 (42) 는 차동 나사 수단으로서 기능하도록 협동하며, 지지봉 연결바 (14) 는 회전할 수는 없지만 축 방향으로 이동은 가능하게 지지된다. 따라서, 외부 회전 부재 (42A) 의 회전 운동을 지지봉 연결바 (14) 의 대응하는 직선 운동으로 정확히 변환하는 것은 그 사이를 정확히 대응시켜 유지함으로써 이루어진다.
특히 도시된 실시예 2 에 따르면, 외부 회전 부재 (42A) 가 회전하는 경우, 유성 나사 롤러 (60) 는 종 방향으로 이동하지 않고, 지지봉 연결바 (14) 만이 축 방향으로 이동하며, 따라서 상기 실시예 1 의 경우처럼 축 방향으로 유성 나사 롤러 (60) 가 이동하는 구조와 비교할 때, 축 방향 변위를 만드는 부재의 총 질량은 감소될 수 있고, 외부 회전 부재 (42) 의 길이가 감소하여 동력 조향 장치의 길이를 줄이는 것이 가능해진다.
상기 실시예 1 의 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 가 만족스럽게 작동하더라도, 먼지 등의 외부 물질이 지지봉 연결바 (14) 에 붙는다면, 지지봉 연결바 (14) 와 유성 나사 롤러 (60) 가 서로 고착되서, 그에 의해 외부 회전 부재 (42A) 와 유성 나사 롤러 (60) 사이에서 미끄러짐이 발생하여, 지지봉 연결바 (14) 및 유성 나사 롤러 (60) 에 대해 외부 회전 부재 (42A) 만의 축 방향 변위를 일으킨다. 이러한 현상은 외부 회전 부재 (42A) 와 유성 나사 롤러 (60) 사이에 윤활제가 공 급되는 경우에 현저해질 것이다. 또한, 지지봉 연결바 (14) 가 상기 차동 원리에 의존하지 않고 유성 나사 롤러 (60) 에 대해 활주함으로써, 유성 나사 롤러 (60) 와 지지봉 연결바 (14) 사이에서 나선 나사 변위가 발생할 수 있다.
이에 대해, 실시예 2 의 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 에서 각각의 유성 나사 롤러 (60) 는 외부 회전 부재 (42) 의 암나사 (56) 의 반대쪽 단부에 고정된 내부 기어 (94, 96) 와 맞물리는 외부 기어 (90, 92) 를 가져서, 외부 회전 부재 (42) 또는 유성 나사 롤러 (60) 의 회전은 외부 기어 (90, 92) 와 내부 기어 (94, 96) 사이의 맞물림에 의해 서로 전달되고, 그에 의해 외부 회전 부재 (42A) 만이 외부 회전 부재 (42A) 와 유성 나사 롤러 (60) 사이에서 발생하는 활주에 기인하여 지지봉 연결바 (14) 및 유성 나사 롤러 (60) 에 대해 축 방향으로 이동하는 것이 확실하게 저지된다.
또한, 외부 회전 부재 (42A) 가 축 (12) 에 대해 회전하는 경우에, 유성 나사 롤러 (60) 가 그 축에 대해 확실하게 회전되어, 유성 나사 롤러 (60) 는 지지봉 연결바 (14) 에 대해 확실하게 공전하고, 그에 의해 지지봉 연결바 (14) 는 차동 원리에 기초하여 축 방향으로 확실하게 이동하여 지지봉 연결바 (14) 가 미끄러지는 것을 방지한다.
특히 실시예 2 의 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 에 따르면, 외부 기어 (90, 92) 는 유성 나사 롤러 (60) 의 축에 배열되고, 외부 기어 (90, 92) 의 기준 피치 직경은 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 의 기준 피치 직경과 동일하다. 외부 기어 (90, 92) 와 내부 기어 (94, 96) 사이의 이의 개수의 비는 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 와 외부 회전 부재 (42) 의 암나사 (56) 의 피치 직경 사이의 비와 동일하고, 따라서 수나사 (58) 및 암나사 (56) 의 나사산 개수 사이의 비와 동일하다.
따라서, 외부 회전 부재 (42) 와 유성 나사 롤러 (60) 사이의 회전 속도의 관계는 외부 기어 (90, 92) 와 내부 기어 (94, 96) 사이의 이의 개수의 비로 정확히 지정되고, 수나사 (58) 와 암나사 (56) 의 피치 직경 사이의 비의 관계와 정확히 일치된다. 따라서, 수나사 (58) 와 암나사 (56) 의 제조상의 공차에 기인하는 실제 피치 직경의 변화 또는 시간의 경과에 따른 변화가 일어나더라도, 차동 원리에 기초한 작동을 보장하기 위한 외부 회전 부재 (42) 와 유성 나사 롤러 (60) 사이의 회전 속도의 관계는 확실하게 유지되고, 그에 의해 상기 실시예 1 보다 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 의 작동이 장시간 동안 더 확실하고 정확하게 보장된다.
도시된 실시예 2 의 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 에서, 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 와 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 는 서로 반대이며, 이 나사들은 스퍼형의 맞물림 기어를 구성한다. 따라서, 회전의 전달 또는 기본적인 작동에 있어서, 외부 기어 (90, 92) 및 내부 기어 (94, 96) 는 필요하지 않다. 따라서, 실시예 2 의 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 에서, 외부 기어 (90, 92) 및 내부 기어 (94, 96) 는 의도된 차동 원리에 기초한 작동을 보장하는 가장 편리한 수단으로서 차동 원리에 기초하지 않은 상기 미끄러짐 같은 작동을 확실하게 배제하기 위해 보조적으로 부가된다.
또한, 도시된 실시예 2 의 회전/직선 운동 변환 장치의 구성에서, 외부 기어 (90, 92) 및 내부 기어 (94, 96) 는 전술한 지지봉 연결바 (14) 의 작동을 규정한다. 즉, 도시된 실시예 2 의 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 의 구성에서 지지봉 연결바 (14) 와 유성 나사 롤러 (60) 사이의 미끄러짐을 배제한다.
모든 유성 나사 롤러 (60) 가 동일한 형상으로 형성되더라도 유성 나사 롤러 (60) 의 일단부에서의 수나사 (58) 에 대한 외부 기어 (90) 의 형상의 관계는 유성 나사 롤러 (60) 의 다른 단부에서의 수나사 (58) 에 대한 외부 기어 (92) 의 형상의 관계와 다를 수 있다. 따라서, 외부 회전 부재 (42A) 에 대한 유성 나사 롤러 (60) 의 방향이 그 모두에 대해 동일하도록 모든 유성 나사 롤러 (60) 는 외부 회전 부재 (42A) 에 조립되어야 한다.
이에 관하여, 실시예 2 의 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 에 따르면, 유성 나사 롤러 (60) 의 일단부에서의 샤프트부 (60A) 의 직경은 유성 나사 롤러 (60) 의 다른 단부에서의 샤프트부 (60B) 의 직경보다 더 작게 구성되고, 그에 대응하여 캐리어 (98) 의 지지링 (100) 의 구멍 (106) 의 직경은 지지링 (102) 의 구멍 (108) 의 직경보다 더 작게 구성된다. 따라서, 유성 나사 롤러 (60) 의 방향은 그 모두에 대해 동일하도록 용이하고 확실하게 정해지고, 그에 의해 모든 유성 나사 롤러 (60) 가 외부 회전 부재 (42A) 에 적절하게 조립되며, 외부 기어 (90, 92) 가 내부 기어 (94, 96) 와 적절하게 맞물린다.
*유성 나사 롤러 (60) 의 외부 기어 (90, 92) 와 내부 기어 (94, 96) 사이의 맞물림에 의한 회전의 원활한 전달을 달성하기 위해서, 외부 및 내부 기어의 이의 개수가 많은 것이 바람직하지만, 이의 개수가 증가할 때 유성 나사 롤러 (60) 의 직경은 감소될 수 없고, 이의 크기가 더 작아지면 프레스 롤링 등에 의해 기어를 가공하기가 어렵거나 불가능해진다.
실시예 2 의 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 에 따르면, 유성 나사 롤러 (60) 의 외부 기어 (90, 92) 의 이의 형상은 0°보다 크고 360°보다 작은 각도로 서로 위상 차이를 가지며, 내부 기어 (94, 96) 도 서로 위상 차이를 가진다. 따라서, 이의 크기를 감소시키지 않고 이의 개수를 두 배로 증가시키는 것과 동일한 효과를 얻고, 그에 의해 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 의 크기가 유성 나사 롤러 (60) 의 직경의 증가에 기인하여 커지는 것이 방지되며 유성 나사 롤러 (60) 의 수나사 (58) 및 외부 기어 (90, 92) 가 절삭에 의해서가 아니라 지지봉 연결바 (14) 의 수나사 (52) 및 외부 회전 부재 (42A) 의 암나사 (56) 의 가공 같은 저렴한 프레스 롤링에 의해 형성될 수 있다.
또한, 실시예 2 의 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 에 따르면, 외부 기어 (90, 92) 가 수나사 (58) 의 반대쪽 양 단부에서 스퍼 기어를 형성함으로써 형성되어, 수나사 (58) 의 나사산이 축 (62) 을 따라 연장되고, 수나사 (58) 의 나사산은 축 (62) 주위에 균등하게 이격된 스퍼 기어에 대한 이(tooth) 그루브에 의해 분리된다. 따라서, 외부 기어 (90, 92) 가 유성 나사 롤러 (60) 의 본체와는 별개의 부재로서 형성되어 거기에 고정되는 경우와 비교할 때, 유성 나사 롤러 (60) 는 고효율 및 저렴한 비용으로 용이하게 제조될 수 있다. 또한, 외부 회전 부재 (42A) 에서 유성 나사 롤러 (60) 를 조립할 때, 외부 기어 (90, 92) 는 수나사 (58) 의 일부로서 기능할 수 있다.
도 16 은 본 발명에 따른 차량용 전동식 동력 조향 장치의 실시예 3 이 요부를 도시한 단면도이고, 도 17 은 도 16 에서 도시된 유성식 차동 나사형 회전/직선 운동 방향 장치를 도시하는 확대된 단면도이다. 도 18 은 도 16 에 도시된 능동 조향 제어용 전동기의 확대된 단면도이다. 도 16 내지 도 18 에서, 도 1 내지 도 4 에 도시된 것에 대응하는 부분은 동일한 참조 번호로 나타낸다.
실시예 3 에서, 회전 슬리브 (30, 42) 에 대하여 중간 회전 슬리브 (42B), 회전 지지 슬리브 (110), 및 능동 조향 회전 슬리브 (112) 가 제공된다. 중간 회전 슬리브 (42B) 는 회전 슬리브 (42) 의 다른 단부와 능동 조향 회전 슬리브 (112) 의 일단부 사이에 위치하고, 회전 지지 슬리브 (110) 는 중간 회전 슬리브 (42B) 의 반경 방향 외측에 위치한다. 회전 지지 슬리브 (110) 는 축 (12) 에 대해 회전가능한 베어링 (114) 에 의해 하우징 (16) 에 지지된다.
회전 슬리브 (42) 의 다른 단부, 능동 조향 회전 슬리브 (112) 의 일단부, 및 중간 회전 슬리브 (42B) 사이에서 회전을 전달하는 복합 회전 전달 기구로서 차동 기어 장치 (116) 가 제공된다. 도 17 에서 상세히 도시되었듯이, 차동 기어 장치 (116) 는 회전 슬리브 (42) 의 다른 단부에 제공되고 축 (12) 에 정렬되어 지지봉 연결바 (14) 에 대해 연장되는 베벨 기어 (118), 능동 조향 회전 슬리브 (112) 의 일단부에 제공되고 축 (12) 에 정렬되어 지지봉 연결바 (14) 에 대해 연장되며 베벨 기어 (118) 에 대향하는 베벨 기어 (120), 및 축 (12) 에 수직한 축 (122) 에 대해 회전할 수 있고 베벨 기어 (118, 120) 와 맞물리도록 지지되는 다수의 베벨 기어 (124) 를 포함한다.
각각의 베벨 기어 (124) 의 반경 방향 외측의 샤프트부는 축 (122) 에 대해 회전할 수 있도록 베어링 (126) 에 의해 회전 지지 슬리브 (110) 에 지지되고, 베벨 기어 (124) 의 반경 방향 내측의 샤프트부는 축 (122) 에 대해 회전할 수 있도록 베어링 (128) 에 의해 중간 회전 슬리브 (42B) 에 지지된다. 따라서, 중간 회전 슬리브 (42B) 는 회전 지지 슬리브 (110) 와 함께 축 (12) 에 대해 회전한다. 베어링 (130) 은 중간 회전 슬리브 (42B) 와 회전 슬리브 (42) 의 다른 단부 사이에 제공되고, 베어링 (132) 은 중간 회전 슬리브 (42B) 와 능동 조향 회전 슬리브 (112) 의 일단부 사이에 제공되며, 그에 의해 중간 회전 슬리브 (42B) 는 축 (12) 에 대해 회전할 수 있도록 베어링 (130, 132) 에 의해 회전 슬리브 (42) 의 다른 단부 및 능동 조향 회전 슬리브 (112) 의 일단부에 지지된다.
회전 슬리브 (42) 와 능동 조향 회전 슬리브 (112) 사이에서 그리고 차동 기어 장치 (116) 의 반경 방향 내측에는, 중간 회전 슬리브 (42B) 가 회전되는 경우에 중간 회전 슬리브 (42B) 와 유성 나사 롤러 (60) 둘 다가 축 방향 변위를 발생시키지 않는 형태인 유성식 차동 나사형 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 가 제공된다.
도 18 에서 상세히 도시되었듯이, 웜 기어 (134) 가 능동 조향 회전 슬리브 (112) 의 다른 단부에서 제공되고, 웜 (136) 이 웜 기어 (134) 에 맞물린다. 웜 (136) 은 능동 조향용 전동기 (138) 의 회전 샤프트 (14) 에 연결되어, 웜 기어 (134) 와 웜 (136) 은 전동기 (138) 의 회전을 축 (12) 에 대한 회전으로 능동 조향 회전 슬리브 (112) 에 전달하는 회전 전달 기구를 구성한다.
따라서, 이 실시예 3 는 실시예 1 및 2 와 같은 동력 보조 기능을 가지고, 실시예 1 과 같은 능동 조향 기능을 가진다.
따라서, 도시된 실시예 3 에 따르면, 동력 보조용 전동기 (34) 의 회전력은 회전 슬리브 (42) 를 구동하여 유성식 차동 나사형 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 의 중간 회전 슬리브 (42) 로 전달되고, 능동 조향 전동기 (138) 의 회전은 웜 (136) 과 웜 기어 (134) 로 만들어진 회전 전달 기구 및 차동 기어 장치 (116) 를 통해 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 의 중간 회전 슬리브 (42B) 로 전달된다. 동력 보조 전동기 (34) 의 회전력은 증속 장치로 기능하는 유성 기어 장치 (36) 의 출구에서 회전 슬리브 (42) 에 전달되기 때문에, 실시예 1 의 경우보다 더 강한 동력 보조가 가능하다.
다른 한편으로, 능동 조향 전동기 (138) 가 웜 (136) 과 웜 기어 (134) 를 통해 능동 조향 회전 슬리브 (112) 를 회전시키기 때문에, 경량일 수 있다. 이 실시예에서의 능동 조향 전동기도 상기 실시예 1 과 동일한 방식으로 지지봉 연결바 (14) 와 같은 축을 가지는 전동기에 의해 대체될 수 있다.
몇 개의 실시예에 대해서 본 발명을 설명했지만, 본 발명의 범위 내에서 다른 다양한 실시예가 가능하다는 것은 당업자에게 자명할 것이다.
예를 들어, 상기 실시예에서, 유성 기어 장치에 의한 증속 장치 (33) 가 웜 샤프트 (26) 의 회전을 증속시켜 웜 기어 (28) 로 전달하기 위해 제공되지만, 증속 장치 (33) 는 유성 기어형 이외의 다른 종류일 수 있고, 또는 생략될 수도 있다.
또한, 상기 실시예에서, 좌우 지지봉 (20L, 20R) 이 지지봉 연결바 (14) 의 반대쪽 단부에 선회가능하게 연결되어 좌우 조향 핸들이 동시에 동일한 조향 각도로 조향된다 하더라도, 지지봉 연결바로서 좌측 지지봉의 일단부에 선회가능하게 연결되는 좌측 지지봉 연결바 및 우측 지지봉의 일단부에 선회가능하게 연결되는 우측 지지봉 연결바, 그리고 전달 기구로서 좌측 전달 기구 및 우측 전달 기구가 제공될 수 있어, 능동 조향에 의한 좌우 조향 핸들의 조향양이 독립적으로 제어된다.
또한, 상기 실시예에서, 회전/직선 운동 변환 장치는 유성식 차동 나사형 회전/직선 운동 변환 장치지만, 실시예 중 어느 하나에서 회전/직선 운동 변환 장치는 예를 들어 볼/나사 기구 등의 회전/직선 운동 연소 장치의 공지된 종류일 수 있다.
또한, 상기 실시예 1 에서, 유성 기어 장치 (36) 가 전달 기구로서 회전 슬리브 (30), 내부 회전 슬리브 (42), 및 외부 회전 슬리브 (38) 사이에 제공되지만, 전달 기구는 상기 실시예 3 에서와 동일한 차동 기어 장치로 대체될 수 있다.
또한, 상기 실시예 1 에서, 외부 회전 슬리브 (38) 는 지지봉 연결바 (14) 와 같은 축을 가지는 능동 조향 전동기 (48) 에 의해 직접 회전되지만, 상기 실시예 3 에서와 동일한 방식으로 웜과 웜 기어로 만들어진 회전 전달 장치를 통해 능동 조향 전동기 (48) 에 의해 회전될 수 있다.
또한, 상기 실시예에서, 회전/직선 운동 변환 장치 (50) 의 차동 나사산은 +1 또는 -1 이지만, 차동 나사산은 임의의 수로 정해질 수 있다.
또한, 상기 실시예 1 에서 패킹 부재 (80, 82) 는 내부 회전 슬리브 (42) 의 암나사 (56) 와 결합하는 수나사 (84, 86) 을 가지지만, 이 나사들은 생략될 수 있다. 또한, 이 패킹 부재는 일단부에서 축 방향으로 이동가능한 부재에 의해 지지되고 다른 단부에서 회전 부재에 대해 회전가능하게 연결되는 고무 등의 탄성 재료로 만들어진 원통형 더스트 부츠로 대체될 수 있다.
또한, 상기 실시예 1 에서, 캐리어 (64, 66) 는 환형의 블록 형상이지만, 캐리어 (64, 66) 는 축 (12) 에 수직한 고리형의 판 부재로 각각 구성될 수 있다. 이 경우, 유성 나사 롤러 (60) 의 회전 진동을 효과적으로 감쇠시키도록 판 부재는 진동 저감 강판으로 만들어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실시예 2 에서, 외부 기어 (90, 92) 및 내부 기어 (94, 96) 는 유성 나사 롤러 (60) 의 일단부측에만 제공될 수 있고, 또는 기어 이외의 다른 회전 전달 수단으로 대체될 수 있다. 또한, 실시예 2 에서, 외부 회전 부재 (42), 유성 나사 롤러 (60), 및 지지봉 연결바 (14) 의 나사의 이의 형상이 그 사이에서 회전을 적절하게 전달하는 이의 형상으로 구성되기 때문에, 외부 기어 (90, 92) 및 내부 기어 (94, 96) 는 생략될 수 있다.
또한, 실시예 2 에서의 나사산 각도와 이의 형상은 실시예 1 에 적용될 수 있고, 외부 기어 (90, 92) 및 내부 기어 (94, 96) 또는 캐리어 (98) 의 구조는 실시예 1 에 적용될 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 차량용 전동식 동력 조향 장치의 실시예 1 을 전체로 도시하는 단면도이다.
도 2 는 실시예 1 의 요부를 도시하는 확대된 단면도이다.
도 3 은 도 2 에서 도시된 유성식 차동 나사형 회전/직선 운동 변환 장치를 도시하는 확대된 단면도이다.
도 4 는 유성식 차동 나사형 회전/직선 운동 변환 장치의 축에 수직한 단면을 도시하는 확대된 단면도이다.
도 5 는 지지봉 연결바의 수나사를 축을 포함하는 단면으로 도시한 확대된 부분 단면도이다.
도 6 은 실시예 1 의 회전/직선 운동 변환 장치의 작동 원리를 도시한 개략도이고, (A) 는 도 3 에서의 회전/직선 운동 변환 장치의 우측에서 본 지지봉 연결바, 내부 회전 슬리브, 유성 나사 롤러, 및 캐리어의 회전 방향을 도시하며, (B) 는 도 3 의 오른쪽 위에서 본 사시도로 회전/직선 운동 변환 장치의 지지봉 연결바 및 유성 나사 롤러의 상대적인 축 방향 변위의 방향을 도시한다.
도 7 은 본 발명에 따른 차량용 전동식 동력 조향 장치의 실시예 2 의 확대된 단면도이다.
도 8 은 도 7 에 도시된 유성식 차동 나사형 회전/직선 운동 변환 장치를 도시하는 확대된 단면도이고, (A) 는 축을 포함하는 단면도이며, (B) 는 지지봉 연결바가 제거된 (A) 에서의 선 B-B 에 따른 단면도이다.
도 9 는 도 7 에 도시된 유성 나사 롤러의 확대된 정면도 (A), 좌측면도 (B), 및 우측면도 (C) 이다.
도 10 은 도 7 에 도시된 캐리어의 정면도 (A), 좌측면도 (B), 및 우측면도 (C) 이다.
도 11 은 도 7 에 도시된 각각의 나사의 확대된 부분 단면이고, (A) 는 외부 회전 부재의 암나사를 도시하며, (B) 는 유성 나사 롤러의 수나사를 도시하며, (C) 는 지지봉 연결바의 수나사를 도시한다.
도 12 는, 지지봉 연결바의 차동 나사산 Ns 이 +1 인 경우에, 외부 회전 부재의 암나사와 유성 나사 롤러의 수나사의 맞물림 상태 (A), 및 유성 나사 롤러의 수나사와 지지봉 연결바의 수나사의 맞물림 상태 (B) 의 도면이다.
도 13 은 실시예 2 의 회전/직선 운동 변환 장치의 중앙부의 축에 수직한 단면을 도시하는 확대된 단면도이다.
도 14 는, 지지봉 연결바의 차동 나사산 Ns 이 -1 인 경우에, 각각의 나사를 그 축을 따라 도시하는 확대된 부분 단면도이고, (A) 는 외부 회전 부재의 암나사를 도시하며, (B) 는 유성 나사 롤러의 수나사를 도시하며, (C) 지지봉 연결바의 수나사를 도시한다.
도 15 는, 지지봉 연결바의 차동 나사산 Ns 이 -1 인 경우에, 외부 회전 부재의 암나사와 유성 나사 롤러의 수나사의 맞물림 상태 (A), 및 유성 나사 롤러의 수나사와 지지봉 연결바의 수나사의 맞물림 상태 (B) 의 도면이다.
도 16 은 본 발명에 따른 차량용 전동식 동력 조향 장치의 실시예 3 의 요부 를 도시한 단면도이다.
도 17 은 도 16 에 도시된 유성식 차동 나사형 회전/직선 운동 변환 장치를 도시하는 확대된 단면도이다.
도 18 은 도 16 에 도시된 능동 조향 전동기를 도시한 확대된 단면도이다.

Claims (1)

  1. 직선 운동을 하도록 지지되는 지지봉 연결바, 지지봉 연결바에 대해 회전가능한 회전 부재, 조향 샤프트의 회전을 회전 부재의 회전으로 변환하는 회전 변환 장치, 회전 부재의 회전을 지지봉 연결바의 직선 운동으로 변환하는 회전/직선 운동 변환 장치, 및 회전력을 상기 지지봉 연결바가 아닌 상기 회전 부재에 가하는 동력 보조 전동기를 포함하는 차량용 전동식 동력 조향 장치.
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