KR20110116643A - 볼감속기를 구비한 랙구동형 전동식 조향장치 - Google Patents

볼감속기를 구비한 랙구동형 전동식 조향장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 볼감속기를 구비한 랙구동형 전동식 조향장치에 관한 것으로, 본 발명에 의하면, 랙바와 동축상에 결합되어 랙바에 조향 보조력을 전달하는 볼감속기를 제공함으로써 기존의 랙구동형 전동식 조향장치에 비하여 백래쉬 증가에 의한 소음과 진동 및 마찰력을 줄일 수 있고, 조향 작동을 원활하게 하여 운전자에게 쾌적한 조향감을 제공할 수 있으며, 크기와 무게를 대폭 줄일 수 있게 되는 효과가 있게 된다.

Description

볼감속기를 구비한 랙구동형 전동식 조향장치{Rack Assist Type Electric Power Steering Apparatus having Ball Reducer}
본 발명은 랙구동형 전동식 조향장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 랙바와 동축상에 결합되어 랙바에 조향 보조력을 전달하는 볼감속기를 제공함으로써 기존의 랙구동형 전동식 조향장치에 비하여 백래쉬 증가에 의한 소음과 진동 및 마찰력을 줄이고 조향 작동을 원활하게 하여 운전자에게 쾌적한 조향감을 제공할 수 있으며, 크기와 무게를 대폭 줄일 수 있게 되는 볼감속기를 구비한 랙구동형 전동식 조향장치에 관한 것이다.
자동차의 동력보조 조향장치는 일반적으로 유압 펌프의 유압을 이용한 유압식 조향장치(Hydraulic Power Steering Apparatus)가 사용되고 있지만, 최근에는 모터를 이용한 전동식 조향장치(Electric Power Steering Apparatus)가 점차로 보편화 되어 가고 있다.
일반적인 전동식 조향장치는 조향휠부터 양측 바퀴에까지 이어지는 조향 계통 및 조향 계통에 조향 보조 동력을 공급하는 보조 동력 기구를 포함하여 구성된다.
보조 동력 기구는 운전자가 조향휠에 가하는 조향 토크를 감지하고 감지된 조향 토크에 비례하는 전기 신호를 출력하는 토크 센서, 토크 센서로부터 전해지는 전기 신호에 기초하여 제어 신호를 발생하는 전자 제어 장치(ECU: Electronic Control Unit), 전자 제어 장치로부터 전해지는 제어 신호에 기초하여 조향 보조 동력을 발생시키는 모터 및 벨트를 매개로 모터에서 발생한 보조 동력을 랙바에 전달하는 전동장치를 포함하여 구성된다.
도 1은 종래 기술에 의한 랙구동형 전동식 조향장치를 개략적으로 나타낸 부분 단면도이고, 도 2는 종래 기술에 의한 랙구동형 전동식 조향장치의 일부를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1과 도 2에서 도시하는 바와 같이 종래 기술에 의한 랙구동형 전동식 조향장치는, 자동차의 횡 방향으로 연장되어 일측에 랙 기어를 구비하고 외주면에 스크류홈(145)을 구비하는 랙바(140), 상기 랙바의 스크류홈(145)과 중간 경로(215)에 접하면서 구름이동 하는 볼(220), 랙 기어와 맞물리는 피니언 기어를 구비하는 피니언축(110), 볼(220)을 매개로 스크류홈(145)과 맞물리며 볼(220)이 순환하는 중간 경로(215)를 구비하는 볼너트(210), 상기 볼너트(210)의 끝단에 부착되는 엔드 캡(230), 볼너트(210)와 모터축(155)을 연결하는 벨트식 전동장치(160) 및 모터(150) 등을 포함하여 구성된다.
피니언축(110)은 조향축을 통해 조향휠에 연결되고, 외주면 일측에 일정 길이의 스크류홈(145)이 형성되어 있는 랙바(140)는 랙하우징(120)에 내장된다.
벨트식 전동장치(160)는 모터축(155) 및 볼너트(210)를 연결하는 벨트를 포함하여 형성되며, 조향휠에 가해진 조향 토크에 비례하여 모터(150)에서 발생하는 조향 보조 동력을 볼너트(210)를 통해 랙바(140)에 전달한다.
종래의 방식은 볼(220)이 랙바(140)의 스크류홈(145)과 볼너트(210)의 스크류홈과 접촉하면서 구름에 의한 이동에 의하여 볼너트(210)에 형성된 직선 형상의 중간 경로(215)를 순환하는 방식을 갖는다.
그러나 이러한 종래의 랙구동형 전동식 조향장치는 벨트식 전동장치를 별도로 랙바의 외측에 설치하고 볼너트와 벨트로 연결하는 복잡한 구조를 구비하고 있고 내구가 진행된 후에는 백래쉬의 증대로 소음과 진동 및 마찰이 커져서 운전자에게 불쾌한 조향감이 발생되는 문제점이 있었다.
또한, 그 구조가 복잡하고 크기와 무게가 커지며, 볼이 순환하는 중간 경로의 제작상의 어려움과 오차 등으로 볼과의 마찰이 증대되어 소음이 커지는 문제점이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 랙바와 동축상에 결합되어 랙바에 조향 보조력을 전달하는 볼감속기를 제공함으로써 기존의 랙구동형 전동식 조향장치에 비하여 백래쉬 증가에 의한 소음과 진동 및 마찰력을 줄이고 조향 작동을 원활하게 하여 운전자에게 쾌적한 조향감을 제공하며, 조향장치의 크기와 무게를 대폭 줄이는 데에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하나 이상의 센서를 통해 조향휠 조타 정보와 자동차 주행정보를 입력받아서 이에 따른 목표 조향비를 위한 제어값을 산출하는 ECU와, 상기 ECU를 통해 산출된 제어값으로 구동되는 모터, 및 상기 모터의 축과 랙바와 동축상에 연결되는 출력축을 구비하며, 내부에서 볼이 순환하면서 증감된 회전비를 상기 출력축을 통해 상기 랙바에 전달하는 볼감속기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 볼감속기를 구비한 랙구동형 전동식 조향장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 랙바와 동축상에 결합되어 랙바에 조향 보조력을 전달하는 볼감속기를 제공함으로써 기존의 랙구동형 전동식 조향장치에 비하여 백래쉬 증가에 의한 소음과 진동 및 마찰력을 줄이고 조향 작동을 원활하게 하여 운전자에게 쾌적한 조향감을 제공할 수 있으며, 크기와 무게를 대폭 줄일 수 있게 되는 효과가 있게 된다.
도 1은 종래 기술에 의한 랙구동형 전동식 조향장치를 개략적으로 나타낸 부분 단면도;
도 2는 종래 기술에 의한 랙구동형 전동식 조향장치의 일부를 개략적으로 나타낸 단면도;
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 볼감속기를 구비한 능동 전륜 조향장치를 개략적으로 나타낸 사시도;
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 볼감속기를 나타낸 단면도;
도 5는 도 4의 볼감속기를 나타낸 분해 사시도;
도 6은 도 4의 볼감속기 중 전달 디스크와 출력 디스크의 결합 상태를 나타내는 분해 사시도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 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.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 볼감속기를 구비한 능동 전륜 조향장치를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 볼감속기를 나타낸 단면도, 도 5는 도 4의 볼감속기를 나타낸 분해 사시도, 도 6은 도 4의 볼감속기 중 전달 디스크와 출력 디스크의 결합 상태를 나타내는 분해 사시도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 볼감속기(320)를 구비한 랙구동형 전동식 조향장치(300)는, 하나 이상의 센서를 통해 조향휠(311) 조타 정보와 자동차 주행 정보를 입력받아서 이에 따른 목표 조향비를 위한 제어값을 산출하는 ECU(310)와, 상기 ECU(310)를 통해 산출된 제어값으로 구동되는 모터(330), 및 상기 모터(330)의 축(403)과 랙바(140)와 동축상에 연결되는 출력축(430)을 구비하며, 에피사이클로이드 곡면(420)과 하이포사이클로이드 곡면(417)을 볼(425)이 순환하면서 증감된 회전비를 상기 출력축(430)을 통해 상기 랙바(140)에 전달하는 볼감속기(320)를 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 볼감속기(320)는, 상기 모터(330)의 축(403)이 회전시 고정판(405)에 볼을 매개로 지지되며 회전력을 전달하는 입력 디스크(410)와, 상기 입력 디스크(410)와 대향되는 일측면이 볼을 매개로 결합되고, 타측면에는 하이포사이클로이드 곡면(417)이 형성되어 있는 전달 디스크(415), 및 상기 전달 디스크(415)와 대향되는 일측면이 볼을 매개로 결합되되, 상기 하이포사이클로이드 곡면(417)과 대응되는 에피사이클로이드 곡면(420)이 형성되어 있으며, 양측면에는 상기 랙바(140)와 동축상에 연결되도록 상기 모터(330)의 축(403)을 관통하여 결합되는 출력축(430)이 구비어 있는 출력 디스크(420)를 포함하여 구성된다.
ECU(310)는 입력각 센서와 출력각 센서 등의 조향각 센서(301)와, 토크 센서(303), 차속 센서(305), 횡가속도 센서(307), 요 레이트(Yaw Rate) 센서(309) 등의 각종 센서 중 어느 하나 이상의 센서를 통해 운전자의 조향휠(311) 조타 정보와 자동차의 주행 정보를 입력받아서, 이들 정보를 근거로 실제로 출력축(430)의 목표 조향비를 위한 제어값을 산출하여 모터(330)를 구동한다.
즉, 본 발명에 의한 볼감속기(320)를 구비한 랙구동형 전동식 조향장치(300)는 운전자의 조향휠(311) 조작으로 인한 조타 정보를 조향각 센서(301)나 토크 센서(303)를 통해 감지하면, ECU(310)가 수시로 변화하는 조타 정보를 지속적으로 입력받아 이를 자동차의 각종 정보와 비교분석한 후 랙바(140)의 직선운동을 제어하는 모터(330)에 전기적 신호로 전달함으로써 조향 보조력을 조절하게 되어 있고, 모터(330)와 랙바(140)의 출력 속도를 변환시키는 감속장치로서 볼감속기(320)가 구비되어 있다.
여기서, 볼감속기(320)는 일종의 에피사이클로이드 볼감속기로서, 모터축(403)과 연동되어 회전하는 입력 디스크(410)의 회전 속도에 대해 정,부 방향으로 출력 디스크(420)의 회전비를 증감시키며, 운전자의 조향휠(311) 입력을 보정한 조향 출력 값을 랙바(140)로 전달하도록 서로 대향되는 에피사이클로이드 곡면(420)과 하이포사이클로이드 곡면(417)에 볼이 결합되어 순환되도록 되어 있다.
즉, 모터(330)의 회전력이 입력 디스크(410)와, 전달 디스크(415), 출력 디스크(420)를 통해 전달될 때, 볼(425)이 전달 디스크(415)와 출력 디스크(420)에 형성되어 있는 에피사이클로이드 곡면(420) 및 하이포사이클로이드 곡면(417)상에서 일정한 감속비로 일부 구간만을 순환함으로써, 출력 디스크(420)의 회전비를 저감시키게 된다.
볼감속기(320)는 하우징의 내부에 고정판(405), 입력 디스크(410), 전달 디스크(415), 출력 디스크(420) 등이 각각 볼을 매개로 순차적으로 연결 구성되어 있다.
모터(330)의 축(403)은 볼감속기(320)의 출력축(430)이 관통되게 중공으로 형성되는데 일측에 편심축(404)과 편심추(402)가 구비되어 있어서, 모터축(403)의 회전시 편심추(402)에 의해 편심회전력을 입력 디스크(410)에 전달하게 되고, 입력 디스크(410)의 일측면과 이에 대향되는 전달 디스크(415)의 일측면에는 입력 디스크(410)와 볼을 공유하는 짧은 직선형의 볼홈(미도시)이 형성되어 있고, 전달 디스크(415)의 타측면에는 하이포사이클로이드 곡면(417)이 형성되어 있으며, 출력 디스크(420)에는 전달 디스크(415)와 대향되는 면에 에피사이클로이드 곡면(420)이 형성되어 있다.
따라서, 이들 전달 디스크(415)과 출력 디스크(420) 사이에서 볼(425)이 에피사이클로이드 곡면(420)과 하이포사이클로이드 곡면(417)상에서 순환하면서 일정한 감속비로 회전비의 변화가 발생하게 된다.
에피사이클로이드 곡면(420)과 하이포사이클로이드 곡면(417)은 각각 전달 디스크(415)와 출력 디스크(420)에 서로 대향되도록 요홈으로 형성되는데, 여기서 에피사이클로이드(Epicycloid)는 원주 상을 외접하면서 원을 굴릴 때 원의 한 점이 그리는 궤적이고, 하이포사이클로이드(Hypocycloid)는 원주 상을 내접하면서 원을 굴릴 때 원의 한 점이 그리는 궤적을 말한다.
이때, 볼(425)은 이들 접점 즉, 에피사이클로이드 곡면(420)과 하이포사이클로이드 곡면(417)이 교차하는 위치에 배치하게 된다.
이들 볼(425)은 에피사이클로이드 곡면(420)과 하이포사이클로이드 곡면(417)에 접하면서 동시에 각각의 곡면 내에 접하면서 구동되며, 전달 디스크(415)가 일회전할 때 볼이 에피사이클로이드 곡면(420)과 하이포사이클로이드 곡면(417)의 2개의 파수에 해당되는 길이를 이동하게 되므로, 에피사이클로이드 곡면(420)이 N 개의 파수로 형성되면 감속비는
Figure pat00001
가 된다.
따라서, 감속비는 요구되는 목표치에 따라서 에피사이클로이드 곡면(420)과 하이포사이클로이드 곡면(417)의 파수를 결정하게 되는데, 이와 같은 에피사이클로이드 볼감속기는 일반적으로 사용되는 것으로, 작동 원리에 대해서 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 출력 디스크(420)의 양측면에 구비된 출력축(430)은 랙바(140)와 결합되어 변환된 회전비를 랙바(140)로 전달하게 되는데, 출력축(430)이 랙바(140)와 동축상에 연결되도록, 일측면에 구비된 출력축(430)은 모터(330)의 축(403)을 관통하여 랙바(140)와 결합되고, 타측면에 구비된 출력축(430)은 바로 랙바(140)와 결합된다.
이와 같은 출력축(430)과 랙바(140)는 출력축(430)의 회전시 랙바(140)가 중심축 방향으로 직선운동할 수 있도록 서로 삽입 결합되는데, 대향되는 외주면과 내주면에는 서로 치합되는 나사부가 구비되어 있어서, 출력축(430)이 회전하면 그 회전 방향에 따라서 랙바(140)가 일측 또는 타측으로 직선운동하게 된다.
또한, 출력축(430)과 랙바(140)가 서로 삽입되어 대향되는 외주면과 내주면에 각각 대응되는 스크류홈(435a, 435b)을 형성하고 이 스크류홈(435a, 435b)에 볼(437)을 결합할 수도 있는데, 이렇게 스크류홈(435a, 435b)에 볼(437)을 결합하면 출력축(430)의 회전시 볼(437)이 구름운동을 하게되어 나사결합되는 경우보다 마찰력을 줄여 모터의 구동력을 저감할 수 있게 된다.
이와 같은 구조와 형상을 갖는 본 발명에 의하면, 랙바와 동축상에 결합되어 랙바에 조향 보조력을 전달하는 볼감속기를 제공함으로써 기존의 랙구동형 전동식 조향장치에 비하여 백래쉬 증가에 의한 소음과 진동 및 마찰력을 줄일 수 있고, 조향 작동을 원활하게 하여 운전자에게 쾌적한 조향감을 제공할 수 있으며, 크기와 무게를 대폭 줄일 수 있게 되는 효과가 있게 된다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
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.
310: ECU 320: 볼감속기
330: 모터 403: 모터축
405: 고정판 410: 입력 디스크
415: 전달 디스크 420: 에피사이클로이드 곡면
425: 볼 430: 출력축

Claims (5)

  1. 하나 이상의 센서를 통해 조향휠 조타 정보와 자동차 주행정보를 입력받아서 이에 따른 목표 조향비를 위한 제어값을 산출하는 ECU와;
    상기 ECU를 통해 산출된 제어값으로 구동되는 모터; 및
    상기 모터의 축과 랙바와 동축상에 연결되는 출력축을 구비하며, 내부에서 볼이 순환하면서 증감된 회전비를 상기 출력축을 통해 상기 랙바에 전달하는 볼감속기;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 볼감속기를 구비한 랙구동형 전동식 조향장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 볼감속기는,
    상기 모터의 축이 회전시 고정판에 볼을 매개로 지지되며 회전력을 전달하는 입력 디스크;
    상기 입력 디스크과 대향되는 일측면이 볼을 매개로 결합되고, 타측면에는 하이포사이클로이드 곡면이 형성되어 있는 전달 디스크; 및
    상기 전달 디스크과 대향되는 일측면이 볼을 매개로 결합되되, 상기 하이포사이클로이드 곡면과 대응되는 에피사이클로이드 곡면이 형성되어 있으며, 양측면에는 상기 랙바와 동축상에 연결되는 출력축이 구비어 있는 출력 디스크;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 볼감속기를 구비한 랙구동형 전동식 조향장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 모터의 축은 상기 볼감속기의 출력축이 관통되게 중공으로 형성되고, 일측 단부에 편심추가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 볼감속기를 구비한 랙구동형 전동식 조향장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력축과 랙바는 서로 삽입 결합되되, 대향되는 외주면과 내주면에 서로 치합되는 나사부를 구비하여, 상기 출력축의 회전시 상기 랙바가 중심축 방향으로 직선운동하게 결합되는 것을 특징으로 하는 볼감속기를 구비한 랙구동형 전동식 조향장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력축과 랙바는 서로 삽입 결합되되, 대향되는 외주면과 내주면에 스크류홈을 구비하고 상기 스크류홈에 볼이 결합되어, 상기 출력축의 회전시 상기 랙바가 중심축 방향으로 직선운동하게 결합되는 것을 특징으로 하는 볼감속기를 구비한 랙구동형 전동식 조향장치.
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