KR20140002081A - 스티어링 요크 - Google Patents

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니콜라스 위팅
조셉 리퀴르
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세인트-고베인 퍼포먼스 플라스틱스 코포레이션
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Abstract

래크 및 피니언 스티어링 어셈블리에 사용하기 위한 요크가 설명된다. 요크는 낮은 마찰 계수를 제공하는 베어링 면을 포함할 수 있으며, 래크 샤프트에 대하여 보다 큰 편향력을 허용한다. 요크의 재료들 및 디자인은 진동이 감소된 더 조용한 시스템을 제공할 수 있다.

Description

스티어링 요크{STEERING YOKE}
본 발명은 베어링들에 관한 것이며, 특히, 스티어링 요크 베어링들 및 베어링 어셈블리들에 관한 것이다.
많은 차량들이 스티어링 휠에서부터 도로 위의 회전 바퀴들까지로 운동을 변환하기 위해 래크 및 피니언 스티어링 기어를 사용한다. 이 시스템들에서, 스티어링 휠은 래크 샤프트 상의 치형과 맞물리는 기어 치형을 포함하는 피니언 기어에 결합된다. 피니언 기어가 회전할 때, 운동은 타이 로드들에 연결되는 래크 샤프트의 선형 운동으로 변환된다. 타이 로드들은 그 다음에 차량이 이동되도록 하기 위해 회전 바퀴들을 회전시킨다. 피니언과 래크 샤프트 사이의 적당한 래시(lash)를 보장하기 위해 스티어링 요크 어셈블리가 사용되어 샤프트를 피니언 기어로 밀어 넣는 편향력을 제공할 수 있다. 요크는 또한 "요크 어셈블리", "요크 슬리퍼(yoke slipper)", 또는 "퍽(puck)" 으로 불리어질 수 있다. 래크 샤프트(일반적으로 강철)는 피니언 기어가 회전될 때 요크를 따라 슬라이딩된다. 샤프트와 요크 사이의 마찰은 요크의 접촉면에 저마찰 베어링을 사용함으로써 최소화될 수 있다. 다른 마찰 감소 방법들은 롤링 요소들(볼들)의 사용과 그리스와 같은 윤활유의 첨가를 포함한다. 이 스티어링 시스템들은 기계 작동식, 유압 작동식 또는 전기 작동식일 수 있다.
래크 및 피니언 스티어링 어셈블리들과 같은 적용들에 유용할 수 있는 스티어링 요크의 제조 및 사용을 위한 다양한 장치들 및 방법들이 여기에 개시된다. 스티어링 요크는 중공일 수 있으며 스티어링 래크 샤프트를 보완하며 지지하도록 디자인된 원형 홈을 포함할 수 있다. 홈은 폴리머로부터 형성될 수 있는 저마찰 코팅을 포함할 수 있다. 요크는 또한 스티어링 요크 베어링에 편향력을 제공하는 스프링을 안착하도록 만들어져 배치되는 스프링 퍼치(spring perch)를 포함할 수 있다.
일 양상에서 스티어링 요크가 제공되며, 스티어링 요크는 제1 단부 및 제2 단부를 포함하는 중공의 실린더를 포함하며, 제1 단부는 스티어링 래크 샤프트를 받아들이기 위한 활모양의 압입부(arcuate indent)로서, 저마찰 폴리머 층을 포함하는 접촉면을 포함하는 활모양의 압입부; 및 요크에 편향력을 가하기 위한 스프링을 지지하고 유지하도록 만들어져 배치되는 스프링 퍼치 중의 적어도 하나를 한정한다.
다른 양상에서 스티어링 요크 몸체를 형성하기 위한 방법이 제공되며, 이 방법은 상부면과 개방된 하부를 가지는 대체로 중공의 형상을 만들기 위해 다이의 위로 금속/폴리머 라미네이트(metal/polymer laminate)를 드로잉하는 단계, 및 스티어링 래크 샤프트를 보완하도록 형성된 오목한 활모양의 홈; 및 요크 몸체에 편향력을 가하기 위한 스프링을 지지하도록 만들어져 배치되는 스프링 퍼치 중의 적어도 하나를 상부면에 형성하는 단계를 포함한다.
다른 양상에서, 스티어링 요크 몸체를 형성하는 방법이 제공되며, 방법은 금속 시트를 실린더로 롤링하는 단계, 시트의 인접한 엣지들을 서로 부착하는 단계, 및 오목한 활모양의 베어링 면을 실린더의 일 단부에 부착하는 단계를 포함하며, 베어링 면은 스티어링 래크 샤프트를 받아들이도록 만들어져 배치된다.
본 출원의 내용은, 몇몇의 경우에, 서로 관련된 제품들, 특정한 문제에 대한 대체 해법들, 및/또는 단일 시스템 또는 물품의 복수의 상이한 용도들을 포함한다.
본 발명에 따르는 스티어링 요크의 디자인은 스티어링 칼럼의 감소된 소음과 진동을 제공할 수 있다.
도 1은 래크 및 피니언 스티어링 시스템의 분해도이다.
도 2는 래크 및 피니언 스티어링 시스템의 일부분의 단면도이다.
도 3a는 드로잉된 스티어링 요크의 실시예의 사시도이다.
도 3b는 드로잉된 스티어링 요크의 일 실시예의 제조의 일 단계의 사시도이다.
도 3c는 도3b에 도시된 실시예의 제조의 다른 단계의 사시도이다.
도 3d는 도3a의 실시예에 관련된 실시예이다.
도 4a는 스티어링 요크의 다른 실시예의 사시도이다.
도 4b는 도4a에 도시된 것과 유사한 실시예이다.
도 5는 스티어링 요크의 다른 실시예의 사시도이다.
도 6a 및 6b는 스티어링 요크의 다른 실시예의 사시도를 제공한다.
도 7은 다양한 스티어링 요크 실시예들에 대한 테스트 결과들의 그래프를 제공한다.
도 8은 다양한 실시예들에 대한 마찰 계수 데이터를 보여주는 막대 그래프이다.
일 양상에서 스티어링 요크 및 스티어링 요크 어셈블리가 설명되며 요크의 베어링 접촉면은 래크 샤프트에 대하여 더 큰 편향력을 허용하는 감소된 마찰을 보여준다. 이 증가된 편향력은 스티어링 칼럼의 감소된 소음과 진동을 유발할 수 있다. 더 낮은 마찰 레벨들은 또한 전기 모터들 또는 전기 동력 유압 펌프들의 사용을 가능하게 하는 더 낮은 레벨들의 파워의 도움(power assistance)의 사용을 가능하게 할 수 있다. 많은 경우에 요크 베어링 및 요크 어셈블리의 사용 수명에 걸쳐서 대체로 낮으며, 일정한 마찰 계수들을 가지는 것이 중요할 수 있다.
다른 양상에서, 스티어링 시스템의 감소된 소음 및 진동은 대체로 중공의 요크 어셈블리의 사용을 통해 실현될 수 있다. 주조, 기계 가공 또는 사출 성형된 요크 어셈블리들과 비교할 때, 대체로 중공의 요크는 진동을 감소시킬 수 있다. 중공의 요크들("캔들(cans)")은 시트로부터 캔을 형성함으로써 또는 하나 이상의 단계들에서 다이의 위로 시트 재료를 드로잉함으로써 생산될 수 있다. 시트 재료는 금속 및 폴리머의 라미네이트일 수 있다. "중공의 요크" 는 요크 몸체의 전체에 걸쳐 속이 차 있기 보다는 오히려 대체로 중공인 요크이다. 중공의 요크는 비어 있을 수 있거나 다른 재료로 채워질 수 있는 내부 캐비티를 가진다. 다양한 실시예들에서 베어링은 그리스와 함께 또는 그리스가 없이 사용될 수 있다.
일반적인 스티어링 어셈블리(10)의 분해도가 도1에 제공된다. 헬리컬 피니언 기어(110)가 래크 샤프트(도1에 도시되지 않음) 상의 치형과 맞물린다. 요크 어셈블리(120)는 피니언 하우징(130)으로 삽입되며, 래크 샤프트가 피니언 기어(110)와 적당한 래시(lash)를 지속하게 하는 편향력을 제공한다. 시스템은 일반적으로 리튬 그리스와 같은 그리스로 윤활된다. 도2는 도1의 스티어링 메커니즘의 일부분의 단면도를 제공한다. 헬리컬 피니언 기어(110)는 스티어링 요크(140)의 도움으로 기계적인 접촉을 지속하는 래크 샤프트(122)와 맞물린다. 스티어링 요크(140)는 스프링(160)에 의해 피니언 기어(110)에 대하여 가압된다. 스프링(160)은 나사식 캡(166)에 의해 압축되고 유지된다. 오-링(162)은 요크(140)를 둘러싸는 채널에 안착된다. 오-링은 또한 하우징(130)의 내부면을 둘러싸는 홈에 안착될 수 있다. 작동자가 차량의 스티어링 휠을 회전시킬 때, 피니언 기어(110)가 회전하여 도2에 도시된 바와 같은 페이지의 내부 또는 외부로 래크 샤프트(122)를 슬라이딩시킨다. 래크 샤프트(122)는 기어 및 샤프트를 계속 함께 맞물게 하는 편향력을 유지하는 정지된 요크(140)에 대하여 슬라이딩된다. 더 강한 편향력은 스티어링 메커니즘의 소음을 감소시키는 것을 도와줄 수 있지만, 만약 더 강한 힘이 스프링(160)에 의해 제공된다면 더 많은 양의 마찰과 그 결과로부터 나온 마모가 요크(140)와 래크 샤프트(122) 사이에서 일어날 것이다.
현존하는 스티어링 요크들은 일반적으로 저마찰 라이너가 부착되는 다이 캐스트 금속 또는 사출 성형 플라스틱으로부터 만들어진다. 이 속이 찬 재료들이 진동과 소음을 전달하고 스티어링 메커니즘에 바람직하지 않은 진동들을 초래한다는 것이 발견되었다. 이 시스템의 소음과 진동은 요크가 노후되었을 때에 악화될 수 있으며 일반적으로 "운전자의 느낌(driver feel)" 을 통해 스티어링 휠에서 감지된다. 여기에서 설명된 몇몇의 요크들은 소음과 진동의 전달을 놀라울 정도로 감소시키는 중공의 몸체 디자인을 사용한다. 중공의 요크는 또한 스티어링 메커니즘의 무게를 감소시킬 수 있다.
스티어링 메커니즘은 예를 들어, 주위 온도 변화 또는 작업 및/또는 마찰에 기인한 온도 상승의 결과일 수 있는 광범위한 온도에 노출될 수 있다. 스티어링 요크들은 일반적으로 그들이 수용되는 하우징(종종 알루미늄)과 상이한 재료로 만들어지기 때문에 하우징 내의 요크의 열 팽창과 수축을 허용하는, 요크에 형성되는, 허용 오차들이 있을 수 있다. 그러나 이 허용 오차들은 또한 요크와 샤프트 및 하우징 사이의 과도한 간극을 초래할 수 있다. 이 과도한 간극은 시스템에서 추가적인 소음을 초래할 수 있다. 이 과도한 소음의 원인들 중의 하나를 판별하였으므로, 유사하거나 동일한 열 팽창 특성들을 가지는 중공의 알루미늄 요크가 더 엄격한 허용 오차로 만들어질 수 있으며 자유 이동(play)의 양을 감소시킬 수 있으며, 진동이 감소된 더 조용한 스티어링 메커니즘을 제공할 수 있다.
중공의 요크는 많은 방식으로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 요크는 압출, 포밍, 성형, 프레스, 롤링, 기계 가공, 또는 이들 공정들의 어떤 조합으로 만들어질 수 있다. 하나의 세트의 실시예들에서, 금속 또는 금속/폴리머 시트가 요크로 변형된다. 예를 들어, 중공의 요크는 다이의 위로 스탬핑된 금속 시트 또는 금속/불소 폴리머(metal/fluoropolymer) 라미네이트를 드로잉함으로써 만들어질 수 있다. 또는, 아세탈 수지와 같은 저마찰 층이 베어링 면에 기계적으로 부착될 수 있다. 추가적인 단계들이 스티어링 래크 샤프트를 지지하도록 만들어져 배치되는 오목한 활모양의 부분을 일 단부에 형성하기 위해 사용될 수 있다. 활모양의 부분은 도3a에 도시된 바와 같이 부분적인 실린더일 수 있다. 드로잉된 재료가 불소 폴리머를 포함하지 않은 경우에, 매끄러운 베어링 면이, 예를 들어, 보스(도5), 압입, 또는 접착제에 의해 요크 몸체에 부착될 수 있다. 중공의 요크는 또한 원통형이거나 대체로 원통형일 수 있는 3차원 형상으로 금속 시트 또는 금속/불소 폴리머 라미네이트를 랩핑함으로써 만들어질 수 있다. 엣지들은, 예를 들어, 용접에 의해 접합될 수 있다. 중공의 요크는 5 mm 미만, 2 mm 미만, 1 mm 미만 또는 0.5 mm 미만의 두께를 가지는 원통형 벽을 포함할 수 있다. 단부 캡은 별도의 단계에서 추가될 수 있으며 유사하거나 유사하지 않은 재료로 구성될 수 있다. 아세탈 수지 또는 불소 폴리머와 같은 폴리머 베어링 면이 또한 단부 캡에 추가될 수 있다. 만약 캔이 금속 시트로부터 만들어진다면, 불소 폴리머 층이 기계적 또는 접착 수단에 의해 외부 금속 면에 부착될 수 있다.
본 발명의 일 양상에서, 래크 샤프트에 접촉하지 않는 요크의 일부분은 폴리머 층을 포함할 수 있다. 이 부분은 예를 들어, 도3a 내지 도3c에 도시된 바와 같이 원통형 부분의 벽들의 외부 면일 수 있다. 이는 왕복 운동을 하는 샤프트를 지지하는 활모양의 표면(224) 상의 폴리머 층에 추가하여 포함될 수 있다. 원통형 벽(226)은 왕복 운동을 하는 스티어링 샤프트와 접촉하지 않을 수 있지만 또한 폴리머(예를 들어, 불소 폴리머) 층을 포함할 수 있다. 원통형 벽(226)에 있는 불소 폴리머 층이 요크 하우징에서 더 조용하며, 더 확실한 끼워 맞춤을 제공할 수 있다는 것을 알게 되었다. 게다가, 고형의 불소 폴리머가 "냉간 유동(cold flow)" 될 수 있으며 만약에 요크가 강철이나 알루미늄 하우징으로 끼워 맞춰지는 알루미늄이나 강철의 원통형 벽만으로 구성된다면 요크가 가압되는 하우징이 요크를 받아들이기에는 너무 타이트하게 되기 때문에, 제조 공정의 허용 오차들이 느슨하게 될 수 있다. 이 특징은 요크가 무 간극(zero clearance)으로 하우징에 삽입될 수 있기 때문에 또한 소음과 진동을 최소화할 수 있다. 하나의 결과로서 스티어링 메커니즘의 사용 수명에 걸쳐서 스티어링 휠에서의 느낌이 개선될 수 있다.
하나의 세트의 실시예들에서, 요크의 접촉면은 금속 기재 상에 불소 폴리머의 라미네이트와 같은 폴리머를 포함할 수 있다. 불소 폴리머는, 예를 들어, 불소 폴리머 핫 멜트 접착제를 이용한 적층 또는 기계적 접착에 의해 기재에 접착될 수 있다. 불소 폴리머는, 예를 들어, PTFE일 수 있으며, 금속은, 예를 들어, 알루미늄, 강철, 청동, 구리 또는 이들의 합금일 수 있다. 라미네이트는 납이 없을 수 있다. 폴리머는 흑연, 유리, 방향족 폴리에스테르(EKONOL®), 청동, 아연, 질화붕소, 탄소 및/또는 폴리이미드와 같은 하나 이상의 필러들을 포함할 수 있다. 일 실시예는 흑연과 폴리에스테르 필러들 모두를 포함한다. PTFE와 같은 폴리머에 있는 이 필러들 각각의 농도는 1%중량보다 높거나, 5 중량%보다 높거나, 10 중량%보다 높거나, 20 중량%보다 높거나, 25 중량%보다 높을 수 있다. 금속과 불소 폴리머 사이에 있거나 불소 폴리머에 매립된 청동 메시와 같은, 추가적인 층들이 또한 사용될 수 있다. 이와 같은 재료들은 Saint-Gobain Performance Plastics Inc. 로부터 이용할 수 있는 NORGLIDE® 라인의 제품들을 포함한다. NORGLIDE 제품들의 적당한 예들은 NORGLIDE PRO, M, SM, T 및 SMTL을 포함한다. 불소 폴리머 층의 두께는 기재에 걸쳐 변하거나 일정할 수 있다. 불소 폴리머 층은 30 μm, 50 ,75μm,100μm,150μm,200μm,또는 250 μm보다 크거나 같은 접촉 영역에서 평균 두께를 가질 수 있다. 더 두꺼운 불소 폴리머 층들은 요크의 사용 수명에 걸쳐서 더 일정한 베어링 하중(bearing load)을 제공하는 것으로 나타났다. 몇몇 실시예들에서, 금속 기재는, 예를 들어, 100 μm에서부터 5 mm까지의 공칭 두께를 가질 수 있다. 더 구체적인 범위는 알루미늄에 대하여 200 μm 내지 4 mm 및 강철에 대하여 200 μm 내지 1.23 mm를 포함한다.
요크의 접촉면은 면의 몇몇 부분들이 다른 부분들보다 높아지도록 텍스처링될 수 있다. 텍스처링은 복수의 피크들 및 밸리들(valleys)을 포함할 수 있다. 피크들은 인접한 밸리보다 위로 10 μm, 20 μm, 50 μm, 100 μm 또는 200 μm보다 크거나 같은 것으로 측정될 수 있다. 면의 텍스처링은 그리스를 보유하기 위한 수많은 저장소를 제공할 수 있다. 텍스처링은 패턴이 형성되거나 무작위적일 수 있으며 접촉면에 걸쳐 일정할 수 있다. 일 실시예에서, 패턴이 있는 텍스처링된 표면은 청동 메시와 같은 스크린의 위에 불화탄소 층을 부착시킴으로써 형성될 수 있다. 조립될 때에, 스티어링 래크 샤프트의 매끄러운 표면은 접촉면에 걸쳐, 수많은 높은 점들, 또는 피크들에서 요크와 접촉할 수 있다. 접촉 점들은 요크와 래크 샤프트 사이의 힘이 큰 부분의 활모양 영역에 의해 지지되도록 표면에 걸쳐 분포될 수 있다. 예를 들어, 접촉 점들은 50%보다 많거나, 70%보다 많거나, 80%보다 많거나 90%보다 많은 활모양의 표면 영역에서 발견될 수 있다. 힘은 활모양 영역의 중앙과 엣지 부분들 사이에서 대체로 똑같이 분포될 수 있다. 따라서, 원통형 래크 샤프트에 대하여 요크에 의해 가해지는 압력은 베어링 면의 폭과 길이에 걸쳐 대체로 같을 수 있다. 이는 대체 디자인들, 예를 들어, 고딕 양식의 아치들과 대조를 이루며, 2개의 분명한 접촉 선들이 래크 샤프트와 베어링 면 사이에 구비된다. "고딕 양식의 아치" 디자인에서, 베어링의 면은 래크 샤프트와 2개의 영역들의 접촉을 촉진시키기 위해 오프셋 반경(offset radius)으로 만들어진다. 이 선형 영역들은 일반적으로 래크 샤프트의 축에 평행하게 이어지며, 예를 들어, 샤프트의 중심에서부터 45도에 있을 수 있다. 이 디자인은 베어링 면과 래크 샤프트 사이의 드래그(drag)를 감소시키는 것으로 믿어지고 있다. 베어링 면이 마모됨에 따라, 이 2개의 선형 영역들의 면적은 전체 베어링 면이 래크 샤프트에 접촉할 때까지 확대될 수 있다. 이 추가적인 표면적 접촉은 마모된 베어링들에서 측정된 더 높은 마찰 계수에 기여한다. 따라서, 시간이 지남에 따른 접촉 면적의 변화 때문에 고딕 양식 아치 디자인의 요크는 100,000 또는 200,000 사이클 후 보다는 새 것일 때에 훨씬 더 낮은 마찰 계수를 나타낸다.
하나의 세트의 실시예들에서, 베어링 면은 베어링 면의 중앙 및 주변 부분들에서 똑같은 힘으로 래크 샤프트와 접촉하도록 형성된다. 이는 더 큰 편향력이 요크와 샤프트에 가해지도록 할 수 있으며, 더 조용한 메커니즘을 초래한다. 비록 이와 같은 디자인이 역사적으로 이 적용에 대하여 너무 많은 마찰을 제공하는 것으로 생각되지만, 여기에서 설명된 베어링 면들을 사용함으로써 마찰 계수(COF)가 고딕 양식의 아치 디자인들을 가지는 것만큼 낮아지거나 더 낮아질 수 있다는 것이 발견되었다. 베어링 면들은 새롭고, 사용한 적이 없는 베어링들에 이 디자인을 포함할 수 있으며 래크 샤프트와 낮은 COF 폴리머 사이의 접촉 면적은 베어링의 사용 수명에 걸쳐서 대체로 일정하게 남아 있을 것이다. 이는 대다수의 베어링 면에 걸쳐 초기에 접촉을 제공하지 않는, 통상적으로 디자인된 베어링들의 사용 수명에 걸쳐서 발견되는, 증가된 COF와 대조를 이룬다.
대부분의 스티어링 요크 디자인들에서, 베어링 면은 도2에 도시된 스프링(160)과 같은, 스프링(압축 상태의)에 의해 래크 샤프트에 대하여 편향된다. 스프링이 요크의 마모된 베어링 면과 래크 샤프트 사이의 접촉을 유지하기 위해 팽창될 때, 스프링에 의해 가해지는 힘이 감소되기 때문에, 베어링/샤프트 경계면에서의 베어링 부하는 일반적으로 베어링 면이 마모됨에 따라 변한다. 그러므로, 베어링 면의 마모는 일반적으로 베어링 부하의 상응하는 하락을 동반하게 된다. 이 부하의 하락은, 예를 들어, 바람직하지 않은 소음과 진동을 유발할 수 있다. 100 μm보다 두꺼운 불소 폴리머 층들을 포함하는 베어링 면들이 100,000 또는 200,000 사이클을 초과해서도 일정한 베어링 부하를 초래할 수 있다는 것이 발견되었다.
도3a는 스티어링 요크 어셈블리의 일 실시예의 사시도를 제공한다. 중공의 요크(222)는 개방된 하부(도시되지 않음), 대체로 원통형의 벽(226)과 요크가 접하게 되도록 디자인된 래크 샤프트의 곡률 반경과 대체로 동등한 곡률 반경을 가지는 활모양의 상부면(224)을 포함한다. 면의 활모양의 함몰부는 원형 반경을 가지고 부분적으로 원형 단면을 보이는 홈일 수 있다. 홈은 원통형 스티어링 래크 샤프트와 상응할 수 있으며 홈의 대부분의 표면은 편향력이 가해질 때 스티어링 래크 샤프트와 접촉할 수 있다. 중공의 요크(222)는 원통형 또는 다른 형상의 벽을 포함할 수 있는 드로잉된 캔일 수 있다. 스프링 퍼치(228)는 나사 결합, 압입, 용접 또는 대체 커넥터에 의해 요크(222)에 부착될 수 있다. 도2에 도시된 것과 유사한 스프링(도3에 도시되지 않음)이 요크(222)에 편향력을 제공하기 위해 스프링 퍼치(228)에 대하여 배치될 수 있다. 퍼치는 요크의 접촉면에 걸쳐 스프링의 힘을 일정하게 하는데 도움을 주는 대체로 평평한 표면을 제공할 수 있다. 요크(222)는 적층 시트를 도시된 형상으로 드로잉함으로써 형성될 수 있다. 드로잉 공정은 하나 이상의 형성 단계들을 포함할 수 있으며 1개, 2개 또는 그 이상의 다이들의 사용을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스탬핑된, 둥근 시트가 도3b에 도시된 캔 형상으로 드로잉될 수 있다. 뒤따르는 단계에서, 접촉면이 도3c에 도시된 바와 같이 오목한 활모양의 표면을 형성하기 위해 압입될 수 있다. 오목한 활모양의 형상을 형성하기 위해 사용되는 다이는 요크가 접하게 되도록 디자인되는 래크 샤프트의 반경과 대체로 동등한 반경을 가질 수 있다. 도3c는 알루미늄 위에 있는 PTFE/EKONOL의 라미네이트로부터 드로잉된 요크의 예를 제공한다. 도3c의 요크 형상은 또한 놀랄 만큼 높은 압축 강도를 보여주며 이 요크는 속이 비지 않은 요크들이 일반적으로 래크 및 피니언 스티어링 시스템들에서 노출되는 힘과 동일하거나 더 큰 힘을 견디어 내는 것을 허용한다.
도3d는 일체화된 스프링 포켓(228a)을 가지는 스티어링 요크 어셈블리를 도시하고 있다. 일체화된 스프링 포켓은 요크 자체가 형성될 때 형성되는 스프링 포켓이다. 예를 들어, 요크와 스프링 포켓은 동일한 블랭크(blank)로부터 형성될 수 있다. 일체화된 스프링 포켓(228a)을 포함함으로써 도3a와 같이 별도의 스프링 퍼치의 추가에 대한 필요를 없앨 수 있다. 일 실시예에서, 스프링 포켓(228a)은 도3d에 도시된 중공의 캔을 만들기 위해 다이의 위로 블랭크(미리 형성된 상태의 부분(228a)을 포함하는)를 드로잉함으로써 만들어질 수 있다. 스프링 포켓(228a)의 오목한 부분은 제2 다이를 사용하는 제2 공정에서 또는 2개의 마주보는 다이들을 사용함으로써 동일한 단계에서 형성될 수 있다. 이 실시예에서, 베어링 면(224)은 캔이 드로잉된 후에 요크 어셈블리에 부착될 수 있다. 스프링 포켓(228a)은 요크를 통해 래크 샤프트에 전달되는 편향력을 제공할 수 있는 스프링을 받아들이기 위한 오목한 압입부를 포함한다. 스프링 포켓(228a)은 오리피스(229)를 포함할 수 있다. 스프링 포켓(228a)의 표면은 금속일 수 있거나 불소 폴리머 층과 같은 폴리머 층을 포함할 수 있다.
도4a는 접촉면(324)이 활모양이고, 부분적으로 원통형의 표면을 형성하기 위해 스탬핑되고 접힐 수 있는 다른 실시예를 도시하고 있다. 접촉면(324)은 스탬핑 다이를 사용하여 금속 시트 또는 라미네이트와 같은 평평한 시트로부터 절단될 수 있으며 그 다음에 의도된 래크 샤프트의 반경과 동일한 반경을 가지는 실린더의 둘레로 접히거나 구부러질 수 있다. 이 물품은 그 다음에 요크(322)를 형성하기 위해, 예를 들어, 용접에 의해 원통형 베이스(326)에 부착될 수 있다. 베이스(326)는 금속, 플라스틱 또는 다른 재료로 구성될 수 있지만 움직이는 부분과 접촉하지 않기 때문에 PTFE일 필요는 없다. 스프링 퍼치(328)는, 위와 같이, 스프링 힘을 요크에 전달하는 평평한 표면을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
도4b에 도시된 바와 같이, 도4a에 도시된 요크와 유사한 스탬핑되고 접힌 요크는 일체화된 스프링 포켓(328a)을 포함할 수 있다. 블랭크는 금속 또는 금속/폴리머 복합 시트로부터 스탬핑될 수 있으며 블랭크는, 접힐 때, 스프링 포켓(328a)을 형성하는 부분들을 포함할 수 있다. 블랭크는 접힐 수 있으며 이음부(330)에서 접합될 수 있다. 이음부(330)는 용접될 수 있거나 그렇지 않으면 요크의 형상을 확보하기 위해 함께 접합될 수 있다. 일체화된 스프링 포켓은 별도의 스프링 퍼치(328)를 추가할 필요를 없앨 수 있다.
도5는 베이스(426)가 몰딩 또는 드로잉 기술을 사용하여 금속 또는 플라스틱으로부터 형성될 수 있는 다른 실시예를 도시하고 있다. 베이스는 수용 구멍(432)을 한정하는 상부면(430)을 포함한다. 별도의 베어링 면(424)은 폴리머, 폴리머/금속 라미네이트, 불소 폴리머 또는 여기에서 설명된 바와 같은 불소 폴리머/금속 라미네이트를 포함할 수 있다. 베어링 면(424)은 수용 구멍(432)에 압입되기 위한 크기로 만들어지는 보스(434)를 포함할 수 있다. 따라서 접촉면(424)은 활모양의 저마찰 접촉면을 포함하는 요크를 만들기 위해 요크 몸체(426)로 압입될 수 있다. 스프링 퍼치(428)는 이전에 설명된 바와 같이 작동한다.
도6a 및 6b는 원통형 맨드릴의 둘레로 금속 또는 금속/폴리머 시트를 롤링하거나 랩핑함으로써 만들어진 스티어링 요크의 도면을 제공한다. 중공의 원통형 몸체(526)가 금속 또는 적층 시트로 된 평평한 것을 먼저 스탬핑함으로써 형성될 수 있다. 평평한 것이 그 다음에 하부와 상부 양쪽 모두에서 개방되는 중공의 원통형 몸체(526)를 만들기 위해 적당한 직경의 맨드릴의 둘레로 롤링될 수 있다. 원통형 몸체의 엣지들은, 예를 들어, 용접에 의해 영구히 접합될 수 있다. 원통형 몸체(526)는 그의 외부면의 위에 폴리머 코팅을 선택적으로 포함할 수 있다. 베어링 면(524)은 원통형 몸체(526)로부터 분리되어 제작될 수 있으며, 도시된 바와 같이, 텍스처링될 수 있는 폴리머 표면 층을 포함할 수 있다. 텍스처 형상들은 윤활유 저장 장소들을 제공할 수 있으며 대부분의 활모양의 베어링 면에 걸쳐 스티어링 래크 샤프트(도시되지 않음)에 대한 접촉과 지지를 여전히 제공할 수 있다. 예를 들어, 스티어링 래크 샤프트에 대하여 (예를 들어, 스프링에 의해) 편향될 때에 엣지 부분(532)은 샤프트에 대하여 중앙 부분(534)과 대략 동일한 압력을 받을 수 있다. 베어링 면(524) 상의 폴리머 코팅은, 예를 들어, 접착제에 의해 또는 기계적인 본딩에 의해 금속 기재(예를 들어, 강철 또는 알루미늄)에 부착될 수 있다. 베어링 면은 라미네이트로부터 직접 형성될 수 있거나 폴리머 코팅이 베어링 면이 형성된 후에 부착될 수 있다. 적당한 폴리머들은 불소 폴리머들과 아세탈 수지들을 포함할 수 있으며, 흑연 또는 EKONOL과 같은 필러들을 함유할 수 있다. 베어링 면(524)은, 예를 들어, 용접에 의해 원통형 몸체(526)에 영구히 부착될 수 있다. 청동 메시 스크린과 같은 메시 스크린이 폴리머 코팅의 내부에 또는 그에 인접하게 배치될 수 있다.
도6a에 도시된 바와 같이, 스프링 퍼치(528)는 분리되어 형성될 수 있으며 용접부들(542a, 542b) 등에 의해 원통형 몸체(526)에 부착될 수 있다. 원형 압입부(544)는 상부측으로 돌출한 딤플(546)에 의해 중앙에 있도록 유지되는 압축 상태의 스프링(도시되지 않음)을 보유하는데 도움을 줄 수 있다. 스프링 퍼치(528)는 스티어링 래크 샤프트(도시되지 않음)와 접촉할 수 있는 마주보는 베어링 면(524)에 걸쳐 동등하게 스프링에 의해 제공되는 힘을 전달하기 위해 디자인될 수 있다. 스프링 퍼치(528)는 금속일 수 있으며 몇몇 실시예들에서 강철이나 알루미늄으로 만들어질 수 있다. 이는, 예를 들어, 적당한 형상과 치수의 다이로 원형의 평평한 것을 스탬핑함으로써 형성될 수 있다.
상이한 요크 베어링 디자인들을 평가하기 위해, 상이한 베어링 재료 규격들이 유사하게 디자인된 베어링 구조들에 사용되는 테스트가 디자인되었다. 각각의 베어링 면들은 2935 N의 초기 부하가 1 Hz의 주파수와 +/- 90 mm의 행정에서 200,000 사이클 동안 가해지는 테스트를 받았다. 각각의 요크 베어링은 (1) 부하의 변화; (2) 마모; 및 (3) 마찰에 대하여 모니터링되었다. 각각의 베어링 면은 요크로부터 분리되어 제작되었으며 고딕 양식의 아치 디자인을 포함했다. 베어링 재료(A1)는 강철 받침 기재(steel backing substrate)의 위에 15% EKONOL과 5% 흑연을 포함하는 PTFE 재료인, NORGLIDE EKO15로부터 만들어졌다. 베어링 재료(A2)는 A1의 복제물이었다. 베어링 재료(B)는 강철 기재의 위에, 흑연이 없으며, 25% EKONOL을 함유하는 PTFE 재료인 NORGLIDE SMTL1.0T로부터 만들어졌다. 베어링(C)은 강철 받침의 위에 있는 250 μm의 소결된 청동 층의 위에 250 μm의 아세틸 수지 층을 포함하는 DX 재료(Garlock Bearings LLC)로부터 만들어졌다. 베어링(D)은 강철 받침의 위에 있는 PTFE 층에 납과 청동을 포함하는 Garlock Bearings LLC로부터 나온 DU 재료로부터 만들어졌다. 각각의 테스트된 베어링들은 Shell Alvania Extreme Pressure II 리튬 그리스로 윤활되었다.
도7에 제공되는 그래프는 각각의 테스트된 베어링 면들에 대한 베어링 부하와 마모 레벨을 도시하고 있다. 결과들은 DX 재료와 비교할 때 NORGLIDE 베어링 면들이 더 일정한 베어링 부하를 제공하였으며 마모를 감소시켰다는 것을 나타낸다. 결과들은 재료들(A 및 B)이 DU 재료와 유사하게 작용하였다는 것을 보여주었다. 도8은 새 것일 때, 100,000 사이클 후에, 및 200,000 사이클 후에 각각의 베어링 재료들에 대한 마찰 계수들을 제공한다. 마찰 계수들은 마찰 로드 셀을 사용하여 측정되었다. NORGLIDE 면들(A 및 B)은 추가적인 사이클과 더불어 마찰 계수의 감소(대체로 동일하지만)를 실제로 초래하였다. 마찰 계수의 값은 만약 제2의 값의 50% 내에 있다면 제2의 값과 대체로 동일한 것으로 간주된다. 몇몇 실시예들에서, 사용한 후의 마찰 계수의 변화는 원래 값의 25%보다 작거나 10%보다 작을 수 있다. DU와 DX 재료들은 증가하는 사이클과 더불어 마찰의 상당히 증가된 레벨을 보여준다. 스티어링 메커니즘의 일정한 성능을 유지하기 위해, 일정하게 낮은 레벨의 마찰을 보유하는 베어링 면을 포함하는 요크가 선호될 수 있다. 따라서, 이 결과들은 NORGLIDE 재료들 중의 어느 것도 DX 또는 DU 재료와 비교할 때 스티어링 요크에 대한 우수한 베어링 면을 제공할 수 있다는 것을 나타낸다. 각각의 베어링 면들의 검사가 또한 유익하였다. DU 재료는 100,000 사이클 후에 아래로 청동 층까지 상당한 마모를 보여주었으며, PTFE 층은 완전히 제거되었다. 재료들(A 및 B)(NORGLIDE)은 마모를 거의 보이지 않았으며 베어링 면에 걸쳐 손상되지 않은 PTFE 층을 유지하였다. 이는 더 긴 제품 수명을 제공할 수 있는 200,000 사이클까지에 걸쳐 일정한 베어링 부하와 일정하게 낮은 마찰 계수의 우수한 조합을 초래할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예들이 여기에서 설명되고 도시되었지만, 본 기술분야에서 통상의 기술을 가진 사람들은 기능들을 실행하고/실행하거나 여기에서 설명된 결과들 및/또는 하나 이상의 이점들을 획득하기 위한 다양한 다른 수단들 및/또는 구조들을 쉽게 생각할 것이며, 이와 같은 변경들 및/또는 변형들 각각은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 더 일반적으로, 본 기술분야에서 숙련된 사람들은 여기에서 설명된 모든 파라미터들, 치수들, 재료들, 및 구성들이 예시적인 것이며 실제 파라미터들, 치수들, 재료들, 및/또는 구성들은 본 발명의 교시가 사용되는 구체적인 적용이나 적용들에 의존할 것이라는 것을 쉽게 인식할 것이다. 본 기술분야에 숙련된 사람들은 여기에서 설명된 본 발명의 구체적인 실시예들에 대한 많은 균등물들을, 단지 일상적인 실험을 사용하여, 인식하거나, 확인할 수 있을 것이다. 그러므로, 앞에서 말한 실시예들은 단지 예로서 제공된 것이며, 첨부된 청구항들 및 이의 균등물들의 범위 내에서, 본 발명은 구체적으로 설명되며 주장된 바와는 다르게 실시될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 본 발명은 여기에서 설명된 개별적인 형상, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법 각각을 대상으로 한다. 게다가, 두 개 이상의 이와 같은 형상들, 시스템들, 물품들, 재료들, 키트들, 및/또는 방법들의 어떤 조합도, 만약 이와 같은 형상들, 시스템들, 물품들, 재료들, 키트들, 및/또는 방법들이 서로 불일치하지 않는다면, 본 발명의 범위 내에 포함된다.
여기에서 정의되고 사용되는 모든 정의들은 사전적인 정의들, 참조로 포함된 서류들의 정의들, 및/또는 정의된 용어들의 통상의 의미들에 우선하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 및 청구항들에서 사용되는 부정 관사들 "한" 및 "하나" 는, 만약 이와 반대로 명확히 지시되지 않는다면, "적어도 하나" 를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 및 청구항들에서 사용되는 어구 "및/또는" 은 그렇게 결합되는 요소들, 즉, 어떤 경우에는 결합하여 존재하며 다른 경우에는 택일적으로 존재하는 요소들의 "어느 하나 또는 양쪽 모두" 를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는" 절에 의해 구체적으로 확인된 요소들을 제외한 다른 요소들은 구체적으로 확인된 이 요소들에 관련되든지 또는 관련되지 않든지 간에, 만약 반대로 명확히 지시되지 않는다면, 선택적으로 존재할 수 있다.
본 출원서에 인용되거나 언급되는 모든 참조문들, 특허들 및 특허 출원서들과 공개서들은 참조로 이들의 전문이 여기에 포함된다.

Claims (13)

  1. 금속과 폴리머의 적층 시트로 형성되고 상부와 개방 하부를 포함하는 중공 실린더 몸체로서, 상기 상부는 스티어링 래크 샤프트를 받아들이기 위한 활모양의 홈(groove)을 갖고, 이때 상기 활모양의 홈은 저마찰 폴리머 층을 포함하는 접촉면을 포함하는, 중공 실린더 몸체;
    상기 활모양의 홈에 마주보는 중공 실린더 몸체의 개방 하부에 위치된 스프링 퍼치로서, 스티어링 요크에 편향력을 가하기 위한 스프링을 지지하고 유지하도록 배치된 원형 압입부 및 원형 압입부 내의 스프링을 중심에 있도록 하는 원형 압입부 내의 상부측으로 돌출한 딤플을 포함하는 스프링 퍼치; 및
    스프링 퍼치를 중공 실린더 몸체에 부착시키는 용접부들
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어링 요크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중공 실린더 몸체는 내부면과 외부면을 가지는 원통형 벽을 포함하며, 상기 원통형 벽의 상기 외부면은 저마찰 폴리머 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어링 요크.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 접촉면 상의 상기 폴리머 층은 방향족 폴리에스테르 및 흑연으로부터 선택되는 하나 이상의 필러들을 함유하는 것을 특징으로 하는 스티어링 요크.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 접촉면은 청동 메시 스크린을 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어링 요크.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 폴리머 층은 불소 폴리머 또는 아세탈 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어링 요크.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 폴리머 층은 100 μm 이상의 동일한 공칭 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 스티어링 요크.
  7. 하우징, 스프링, 및 제1항 또는 제2항의 상기 스티어링 요크를 포함하는 것을 특징으로 하는 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 활모양의 홈은 스티어링 래크 샤프트를 지지하기 위한 치수로 만들어진 홈이고, 상기 홈의 노출된 표면은 저마찰 폴리머 층을 포함하며, 상기 홈의 표면은 중앙 부분과 두 개의 측면 엣지 부분들을 포함하고, 상기 홈은 상기 중앙 부분과 두 개의 측면 엣지 부분들에 있는 단위 면적당 동등한 힘으로 스티어링 래크 샤프트를 지지하기 위해 만들어져 배치되는 것을 특징으로 하는 스티어링 요크.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 홈의 표면은 피크들과 밸리들로 텍스처링되며 상기 피크의 높이는 평균 적어도 10 μm인 것을 특징으로 하는 스티어링 요크.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 홈의 표면은 피크들과 밸리들로 텍스처링되며 상기 피크의 높이는 평균 적어도 50 μm인 것을 특징으로 하는 스티어링 요크.
  11. 제8항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 홈의 표면은 본질적으로 납이 없는 것을 특징으로 하는 스티어링 요크.
  12. 제8항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 홈은 대체로 상기 홈의 표면 전체에 걸쳐 스티어링 래크 샤프트를 지지하고 접촉하도록 만들어져 배치되는 것을 특징으로 하는 스티어링 요크.
  13. 스티어링 요크 몸체를 형성하는 방법에 있어서,
    상부면과 개방 하부를 가지는 대체로 중공 실린더 형태를 만들기 위해 다이의 위로 금속/불소 폴리머 라미네이트를 드로잉하는 단계;
    상기 상부면에 스티어링 래크 샤프트를 보완하도록 형성된 오목한 활모양의 홈을 형성하는 단계;
    상기 요크 몸체에 편향력을 가하기 위한 스프링을 지지하고 유지하도록 배치된 원형 압입부 및 원형 압입부 내의 스프링을 중심에 있도록 하는 원형 압입부 내의 상부측으로 돌출한 딤플을 포함하는 스프링 퍼치를 별도로 형성하는 단계;
    스프링 퍼치를 중공 실린더 형태의 개방 하부에 끼워맞추는 단계 및
    스프링 퍼치를 활모양의 홈에 마주보는 중공 실린더 형태의 개방 하부에서 중공 실린더 형태로 용접하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스티어링 요크 몸체를 형성하는 방법.
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