KR20090077373A - 피니언 밸브 및 이를 포함하는 전자 제어 동력 보조조향장치 - Google Patents

피니언 밸브 및 이를 포함하는 전자 제어 동력 보조조향장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피니언 밸브 및 이를 포함하는 전자 제어 동력 보조 조향장치에 관한 것이다.
본 발명은 내부에 토션 바가 구비되며 외주면에 다수개의 접촉홈이 형성된 입력축; 상기 토션 바를 매개체로 상기 입력축과 연결되며 외주면에 다수개의 홀이 형성된 피니언축; 상기 피니언축의 상기 홀에 삽입되되 상기 입력축의 접촉홈에 접촉하는 지지 부재와, 이 지지 부재가 회전 가능하게 구비되는 회전홈이 형성되며 유압에 의해 상기 입력축을 지지하는 플런저를 구비하는 반력 플런저;를 포함하는 것을 특징으로 하는 피니언 밸브를 제공한다.
본 발명에 의하면 유압에 의해 입력축을 지지하는 반력 플런저에 입력축과 접촉하는 구 형상의 지지 부재가 회전가능하게 구비되어 반력 플런저와 입력축이 구름 접촉하도록 함으로써, 조향시 외부로부터 역입력되는 래틀 노이즈를 감소시키는 한편, 이력 현상(Hysteresis)을 최소화하여 조향감이 향상되는 효과가 있다.
반력부, ECPS, 구름접촉, 이력 현상

Description

피니언 밸브 및 이를 포함하는 전자 제어 동력 보조 조향장치{Pinion Valve and Electronically Controllable Power Steering Apparatus including Same}
본 발명은 피니언 밸브 및 이를 포함하는 전자 제어 동력 보조 조향장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 유압에 의해 입력축을 지지하는 반력 플런저에 입력축과 접촉하는 구 형상의 지지 부재가 회전가능하게 구비되어 반력 플런저와 입력축이 구름 접촉하도록 함으로써, 조향시 외부로부터 역입력되는 래틀 노이즈를 감소시키는 한편, 이력 현상(Hysteresis)을 최소화하여 조향감을 향상시키는 피니언 밸브 및 이를 포함하는 전자 제어 동력 보조 조향장치에 관한 것이다.
일반적으로, 동력 보조 조향장치는 운전자가 자동차의 조향휠(Steering Wheel)을 조작할 경우에 배력 장치를 이용하여 운전자의 조향휠 조작력을 보조하여 줌으로써 보다 작은 힘으로 용이하게 차량의 진행 방향을 변경할 수 있도록 하는 장치이다. 이와 같은 동력 보조 조향장치는 유압식 동력 보조 조향장치(HPS: Hydraulic Power Steering Apparatus)와 전동식 동력 보조 조향장치(EPS: Electric Power Steering Apparatus)로 크게 구분된다.
유압식 동력 보조 조향장치는 엔진의 회전축에 연결된 유압 펌프가 작동유를 랙 바(Rack Bar)와 연결되어 있는 작동 실린더로 공급하면, 작동유를 공급받은 작동 실린더의 피스톤이 움직임으로써 조향 조작력을 보조하게 되어 운전자로 하여금 작은 힘으로 조향 조작을 할 수 있도록 하는 장치이다. 반면, 전동식 동력 보조 조향장치는 유압 펌프와 작동 실린더 대신에 랙 바 또는 칼럼에 모터 및 전자 제어 장치(ECU: Electronic Control Unit)를 포함하고 있어 모터의 힘으로 조작력을 보조해 주는 장치이다.
전자 제어 동력 보조 조향장치(ECPS: Electronically Controllable Power Steering Apparatus)는 자동차의 주행 속도에 따라 조향 보조 동력의 공급을 제어함으로써 고속에서도 조향 안정성을 유지할 수 있도록 하는 장치로서, 일반적인 유압식 동력 보조 조향장치가 갖고 있었던 문제점인 자동차가 저속인 경우든 고속인 경우든 동일한 조향 보조 동력을 공급하여 고속의 경우 필요 이상으로 조향휠이 가벼워지는 문제점을 개선한 것이다.
도 1은 종래 기술에 의한 전자 제어 동력 보조 조향장치의 구성도이고, 도 2는 종래 기술에 의한 피니언 밸브를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 종래 기술에 의한 전자 제어 동력 보조 조향장치는 자동차의 엔진(미도시)에 의해 구동되는 유압 펌프(110), 토션 바(210)가 내장되는 중공 형상의 입력축(220), 토션 바(210)를 매개로 입력축(220)과 연결되며 피니언 기어(230)가 형성되어 있는 피니언축(240), 입력축(220)과 피니언축(240)의 상대 변위에 따라 작동유의 유로를 변환하는 피니언 밸브(120), 피니언 밸브(120)로부터 전달되는 작동유에 의해 조향 보조 동력을 공급하는 작동 실린더(130), 자동차의 속도를 감지하는 차속 센서(140), 차속 센서(140)로부터 전기적 신호를 전달받는 전자 제어 장치(150), 유압에 의해 앞뒤로 운동하는 반력 플런저(Plunger: 250)를 통해 입력축(220)과 피니언축(240)의 상대 변위를 규제하는 유압 반력부(260), 피니언 밸브(120)의 일측에 구비되되 전자 제어 장치(150)에 의해 유압 반력부(260)로의 작동유의 공급을 제어하는 압력 제어 밸브(160)를 포함하여 구성된다.
이와 같은 전자 제어 동력 보조 조향장치는 자동차가 주차를 하거나 저속으로 주행하는 경우에는 차속 센서(140)로부터 감지된 차속 신호를 전달받은 전자 제어 장치(150)가 압력 제어 밸브(160)를 제어함으로써, 유압 반력부(260)에 작동유를 공급하지 못하도록 하여 반력 플런저(250)가 입력축(220)을 약하게 지지하기 때문에 결국, 조향휠(102)이 가벼워지는 조향감을 느끼게 된다.
또한, 자동차가 중속 또는 고속으로 주행하는 경우에는, 차속 센서(140)로부터 감지된 차속 신호를 전달받은 전자 제어 장치(150)가 압력 제어 밸브(160)를 제어함으로써 유압 반력부(260)에 작동유가 공급되기 때문에 작동유의 압력을 받는 반력 플런저(250)가 입력축(220)을 강하게 지지하게 되고, 그에 따라 입력축(220)은 반력 플런저(250)에 의해 강한 지지력을 받게 되므로, 조향휠(102)이 무거워지는 조향감을 느끼게 되어, 결국 운전자는 고속에서 안정적인 조향을 할 수 있게 되는 것이다.
도 3은 도 2의 A-A' 단면선에 의한 피니언 밸브의 종단면도이다.
도시된 바와 같이, 자동차의 주행시 저속과 고속에 따라 작동유의 유압에 의해 입력축을 약하게 또는 강하게 지지하는 반력 플런저(250)는 원기둥의 형상으로 입력축(220)과 닿는 방향에 반구형의 지지 부재(310)가 형성되어 있으며 피니언축(240)에 삽입된 후 주위에 스톱링(320)이 장착된다.
또한, 입력축(220)에도 반력 플런저(250)와 접촉하는 외측면에 반력 플런저(250)의 반구형 지지 부재(310)와 직경이 다른 반구형의 요홈(330)이 형성되어 있어서 반력 플런저(250)와 서로 점접촉하게 된다.
그러나, 이러한 종래의 전자 제어 동력 보조 조향장치는 저속 주행시 또는 요철이 많은 도로 주행시 반력 플런저(250)에 반구형의 돌출된 지지 부재(310)와 반구형의 요홈(330)을 갖는 입력축(220)이 서로 점접촉하게 되므로 접지력이 약하여 바퀴(170)와 타이로드(180)를 통한 역입력으로 인해 반력 플런저(250)와 입력축(220)이 서로 떨리면서 노이즈가 발생되는 문제점이 있었다.
도 4는 종래 기술에 따른 피니언 밸브의 유압 반력부에 유입되는 작동유의 압력과 입력축의 토크의 이력 현상을 나타낸 그래프이다.
도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 피니언 밸브(120)의 유압 반력부(260)에 유입되는 작동유의 압력과 입력축(220)의 토크는 유압 반력부(260)에 유입되는 작동유의 압력이 상승할수록 토크 값 역시 상승하는 작동유의 경로와 동일한 경로를 통해서 상승하게 된다.
하지만, 유압 반력부(260)에 유입되는 작동유의 압력이 하락하면 토크 값 역시 작동유가 하락하는 경로를 통해 하락해야 하는데, 하락하는 작동유의 경로와 소정의 갭(Gab)을 갖고 하락하면서 하락하는 작동유의 경로와는 다른 형태의 경로를 유지하여 하락하게 된다. 즉, 이력 현상(Hysteresis)이 발생하는 것이다.
이처럼, 반력 플런저(250)의 반구형의 지지 부재(310)와 반구형의 요홈(330)을 갖는 입력축(220) 사이에 마찰 저항의 증가로 인해서 조향 감도의 조절이 힘들고, 점접촉에 따른 이력 현상이 과도하게 생기는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 유압에 의해 입력축을 지지하는 반력 플런저에 입력축과 접촉하는 구 형상의 지지 부재가 회전가능하게 구비되어 반력 플런저와 입력축이 구름 접촉하도록 함으로써, 조향시 외부로부터 역입력되는 래틀 노이즈를 감소시키는 한편, 이력 현상을 최소화하여 조향감을 향상시키는 데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 내부에 토션 바가 구비되며 외주면에 다수개의 접촉홈이 형성된 입력축; 상기 토션 바를 매개체로 상기 입력축과 연결되며 외주면에 다수개의 홀이 형성된 피니언축; 상기 피니언축의 상기 홀에 삽입되되 상기 입력축의 접촉홈에 접촉하는 지지 부재와, 이 지지 부재가 회전 가능하게 구비되는 회전홈이 형성되며 유압에 의해 상기 입력축을 지지하는 플런저를 구비하는 반력 플런저;를 포함하는 것을 특징으로 하는 피니언 밸브를 제공한다.
또한, 본 발명은 작동유의 유로를 변환하는 피니언 밸브와 상기 피니언 밸브의 일측에 구비되어 전자 제어 장치에 의해 유압 반력부로 공급되는 상기 작동유를 제어하는 압력 제어 밸브를 포함하는 전자 제어 동력 보조 조향장치에 있어서, 상기 피니언 밸브는, 내부에 토션 바가 구비되며 외주면에 다수개의 접촉홈이 형성된 입력축; 상기 토션 바를 매개체로 상기 입력축과 연결되며 외주면에 다수개의 홀이 형성된 피니언축; 상기 피니언축의 상기 홀에 삽입되되 상기 입력축의 접촉홈에 접촉하는 지지 부재와, 이 지지 부재가 회전 가능하게 구비되는 회전홈이 형성되며 유압에 의해 상기 입력축을 지지하는 플런저를 구비하는 반력 플런저;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 제어 동력 보조 조향장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 유압에 의해 입력축을 지지하는 반력 플런저에 입력축과 접촉하는 구 형상의 지지 부재가 회전가능하게 구비되어 반력 플런저와 입력축이 구름 접촉하도록 함으로써, 조향시 외부로부터 역입력되는 래틀 노이즈를 감소시키는 한편, 이력 현상을 최소화하여 조향감이 향상되는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 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.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 피니언 밸브를 나타낸 요부 단면도, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 피니언 밸브 및 압력 제어 밸브를 나타낸 요부 단면도, 도 7은 도 6의 B-B' 선 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 피니언 밸브(400)는 내부에 토션 바(402)가 구비되는 중공의 입력축(404), 토션 바(402)를 매개체로 입력축(404)의 하단에 연결되는 피니언축(406), 입력축(404)의 외주면과 구름 접촉하도록 플런저(412)와 지지 부재(414)가 회전 가능하게 결합되는 반력 플런저(410), 반력 플런저(410)를 통해서 입력축(404)과 피니언축(406)의 상대 변위를 규제하는 유압 반력부(420), 피니언 밸브(400)의 일측에 구비되되 전자 제어 장치(150:도 1 참조)에 의해 유압 반력부(420)로 공급되는 작동유를 제어하는 압력 제어 밸브(430)를 포함하여 구성된다.
압력 제어 밸브(430)는 피니언 밸브(400)와 연결되는 밸브 바디(440), 밸브 바디(440)의 내부에 슬라이딩 되게 내장되는 스풀(450) 및, 스풀(450)을 제어하는 솔레노이드(460)를 포함하여 구성된다.
밸브 바디(440)는 내부에 스풀(450)이 구비되도록 중공의 형상으로 외주측에 공급 포트(442), 배출 포트(444) 및 반력 포트(446)가 구비되며 스풀(450)을 하측 방향으로 탄성력을 가하는 스프링(448)이 구비된다.
스풀(450)은 밸브 바디(440)의 내부에 슬라이딩 가능하게 내장되며, 상단이 스프링(448)에 의해 지지되되 밸브 바디(440)의 내측에서 슬라이딩 가능하도록 하단이 솔레노이드(460)에 의해 지지된다.
또한, 스풀(450)의 외주면에는 소정 깊이를 가지도록 형성되고 유로공(452)을 통해 서로 연통되도록 형성되는 제 1 단차부(454) 및 제 1 단차부(454)와 소정의 간격만큼 이격되게 형성되는 제 2 단차부(456)를 구비한다.
솔레노이드(460)는 전자 제어 장치(150)에 의해 스풀(450)을 하측에서 지지하며 스풀(450)을 상방향 또는 하방향으로 슬라이딩하도록 한다.
이와 같은 압력 제어 밸브(430)는 자동차가 주차를 하거나 저속으로 주행하는 경우에는 차속 센서(140:도 1 참조)로부터 감지된 차속 신호를 전달받은 전자 제어 장치(150)가 압력 제어 밸브(430)의 솔레노이드(460)를 제어함으로써 스풀(450)이 상방향으로 슬라이딩하도록 한다. 이 경우 제 1 단차부(454)가 상방향으로 이동되어 공급 포트(442)로부터 이격됨으로써 작동유가 유로공(452)으로 전달되지 못하게 된다.
따라서, 유압 반력부(420)에 작동유가 공급되지 않기 때문에 반력 플런저(410)가 입력축(404)을 약하게 지지하게 된다. 즉, 이 경우 운전자는 조향휠(102:도 1 참조)이 가벼워지는 조향감을 느끼게 되어 저속 주행시 운전자는 보다 편안하게 조향휠(102)을 조작할 수 있게 된다.
또한, 자동차가 중속 또는 고속으로 주행하는 경우에는, 차속 센서(140)로부터 감지된 차속 신호를 전달받은 전자 제어 장치(150)가 압력 제어 밸브(430)를 제어함으로써 스풀(450)이 하방향으로 슬라이딩하도록 한다. 이 경우 제 1 단차부(454)가 하방향으로 이동되어 공급 포트(442)와 연통하여 작동유가 유로공(452)에 전달되고, 유로공(452)을 지나는 작동유는 제 2 단차부(456) 및 반력 포트(446)를 지나 유압 반력부(420)에 전달된다.
이렇게 유압 반력부(420)에 작동유가 공급되기 때문에 작동유의 압력을 받는 반력 플런저(410)가 입력축(404)을 강하게 지지하게 되고, 그에 따라 입력축(404)은 반력 플런저(410)에 의해 강한 지지력을 받게 된다. 즉, 이 경우 조향휠(102)이 무거워지게 되므로 운전자는 고속에서 안정적인 조향감을 느끼게 된다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반력 플런저(410)는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 입력축(404)과 피니언축(406)의 상대 변위를 규제하는 유압 반력부(420)의 내부에 구비되어, 압력 제어 밸브(430)를 통해 공급되는 작동유의 공급량에 따라 입력축(404)을 지지하는 것으로서, 피니언축(406)의 외주면을 관통하여 형성된 다수개의 홀(610)에 삽입되고, 피니언 밸브(400)의 조립 과정에서 이탈하는 것을 방지하기 위해 반력 플런저(410)가 장착된 피니언축(406)의 외주면에 스톱링(620)을 끼워 조립되는 것이다.
이러한 반력 플런저(410)는 공급되는 작동유의 공급량에 따라 전후로 왕복 운동을 하는 플런저(412) 및, 이 플런저(412)와 입력축(404)의 외주면을 따라 다수개 형성된 접촉홈(640) 사이에 위치하되 플런저(412)에 회전 가능하게 결합되는 지지 부재(414)를 포함하여 구성된다.
플런저(412)는 압력 제어 밸브(430)에서 공급되는 작동유에 의해 왕복 운동을 하는 것으로 일단에는 지지 부재(414)가 회전 가능하게 구비되도록 회전홈(630)이 형성된다.
지지 부재(414)는 구의 형상으로 형성되며, 플런저에 형성된 회전홈(630)과 입력축(404)의 외주면에 형성된 접촉홈(640) 사이에 위치하여 구름 접촉을 통해서 입력축(404)을 지지하는 것으로서, 플런저(412)에 형성된 회전홈(630)에 회전 가능하게 구비된다. 이러한 지지 부재(414)는 잦은 마찰에 의해서 진행되는 지지 부재(414)의 마모가 최소화되도록 강성의 특성을 가지는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같은 반력 플런저(410)는 플런저(412)의 회전홈(630)과 지지 부재(414) 사이에 그리스와 같은 윤활 수단을 도포함으로써, 마찰력에 대한 저항력을 감쇠하 여 지지 부재(414)가 플런저(412)의 회전홈(630)과 입력축(404)의 접촉홈(640) 사이에서 원활하게 구름 접촉이 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 반력 플런저(410)는 플런저(412)에 지지 부재(414)가 회전 가능하게 구비됨으로써, 입력축(404)에 형성된 접촉홈(640)과 플런저(412)에 형성된 회전홈(630) 사이에서 구름 접촉을 하면서 회전함에 따라, 종래 기술에 따른 지지 부재(310)가 일체로 형성된 반력 플런저(250)를 통해서 점접촉에 의해 입력축(220)을 지지하여 발생했던 역입력에 의한 래틀 노이즈 및 이력 현상이 과도하게 생기는 문제점을 극복할 수 있는 것이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 피니언 밸브의 유압 반력부에 유입되는 작동유의 압력과 입력축의 토크의 이력 현상을 나타낸 그래프이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 피니언 밸브(400)의 유압 반력부(420)에 유입되는 작동유의 압력과 입력축(404)의 토크는 유압 반력부(420)에 유입되는 작동유의 압력이 상승할수록 토크 값 역시 상승하는 작동유의 경로와 동일한 경로를 통해서 상승하게 된다.
그리고, 유압 반력부(420)에 유입되는 작동유의 양이 줄어들면서 작동유의 압력이 하락할수록 토크 값 역시 하락하는 작동유의 경로와 동일한 경로를 통해 하락하거나 하락하는 작동유의 경로와 소정의 갭(Gab)을 가지면서 하락하기는 하지만, 그 갭(Gab)의 면적이 종래 기술에 비해서 현저하게 작은 면적을 유지하고 있으므로 이력 현상을 최소화할 수 있어 조향 감도의 조절을 용이하게 실시할 수 있는 것이다.
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 실시예는 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.
도 1은 종래 기술에 의한 전자 제어 동력 보조 조향장치의 구성도,
도 2는 종래 기술에 의한 피니언 밸브를 나타낸 도면,
도 3은 도 2의 A-A' 단면선에 의한 피니언 밸브의 종단면도,
도 4는 종래 기술에 따른 피니언 밸브의 유압 반력부에 유입되는 작동유의 압력과 입력축의 토크의 이력 현상을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 피니언 밸브를 나타낸 요부 단면도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 피니언 밸브 및 압력 제어 밸브를 나타낸 요부 단면도,
도 7은 도 6의 B-B' 선 단면도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 피니언 밸브의 유압 반력부에 유입되는 작동유의 압력과 입력축의 토크의 이력 현상을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
400: 피니언 밸브 402: 토션 바
404: 입력축 406: 피니언축
410: 반력 플런저 412: 플런저
414: 지지 부재 420: 유압 반력부
430: 압력 제어 밸브 440: 밸브 바디
442: 공급 포트 444: 배출 포트
446: 반력 포트 448: 스프링
450: 스풀 452: 유로공
454: 제 1 단차부 456: 제 2 단차부
460: 솔레노이드 610: 홀
620: 스톱링 630: 회전홈
640: 접촉홈

Claims (3)

  1. 내부에 토션 바가 구비되며 외주면에 다수개의 접촉홈이 형성된 입력축;
    상기 토션 바를 매개체로 상기 입력축과 연결되며 외주면에 다수개의 홀이 형성된 피니언축;
    이 피니언축의 상기 홀에 삽입되되 상기 입력축의 접촉홈에 접촉하는 지지 부재와, 이 지지 부재가 회전 가능하게 구비되는 회전홈이 형성되며 유압에 의해 상기 입력축을 지지하는 플런저를 구비하는 반력 플런저;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 피니언 밸브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 지지 부재는 구의 형상으로 형성되며, 상기 회전홈과 상기 접촉홈 사이에서 구름 접촉하는 것을 특징으로 하는 피니언 밸브.
  3. 작동유의 유로를 변환하는 피니언 밸브와 이 피니언 밸브의 일측에 구비되어 전자 제어 장치에 의해 유압 반력부로 공급되는 상기 작동유를 제어하는 압력 제어 밸브를 포함하는 전자 제어 동력 보조 조향장치에 있어서,
    상기 피니언 밸브는,
    내부에 토션 바가 구비되며 외주면에 다수개의 접촉홈이 형성된 입력축;
    상기 토션 바를 매개체로 상기 입력축과 연결되며 외주면에 다수개의 홀이 형성된 피니언축;
    이 피니언축의 상기 홀에 삽입되되 상기 입력축의 접촉홈에 접촉하는 지지 부재와, 이 지지 부재가 회전 가능하게 구비되는 회전홈이 형성되며 유압에 의해 상기 입력축을 지지하는 플런저를 구비하는 반력 플런저;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 제어 동력 보조 조향장치.
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