KR20150028887A

KR20150028887A - 전동식 파워 스티어링 장치

Info

Publication number: KR20150028887A
Application number: KR20130104701A
Authority: KR
Inventors: 정명철; 안성태
Original assignee: 한국델파이주식회사
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2015-03-17

Abstract

전동식 파워 스티어링 장치는, 모터, 웜 기어를 구비하며 상기 모터의 출력을 전달받는 웜 샤프트, 상기 웜 기어에 치합되는 웜 휠, 상기 웜 샤프트를 지지하는 베어링 어셈블리, 그리고 상기 베어링 어셈블리를 상기 웜 휠을 향해 상기 웜 샤프트의 반경 방향으로 틸팅(tilting)시키는 바이어싱 포스(biasing force)를 제공하는 바이어싱 메커니즘을 포함한다. 상기 바이어싱 메커니즘은 상기 베어링 어셈블리의 외주면을 둘러싸며 테이퍼진 돌기를 구비하는 제1 커버, 상기 제1 커버를 둘러싸며 상기 테이퍼진 돌기가 관통하는 관통공을 구비하는 제2 커버, 상기 관통공을 통하여 노출된 상기 테이퍼진 돌기와 접촉하여 캠 작용을 하는 지지 캠, 그리고 상기 지지 캠을 상기 테이퍼진 돌기를 향해 탄성적으로 지지하는 탄성 부재를 포함한다.

Description

전동식 파워 스티어링 장치{Electric power steering apparatus}

본 발명은 차량의 전동식 파워 스티어링 장치에 관한 것이다.

모터의 구동력을 이용하여 차량의 조향력을 어시스트(assist)하는 전동식 파워 스티어링 장치가 차량에 적용되고 있다.

종래의 전동식 파워 스티어링 장치 중 웜(warm) 및 웜 휠(worm wheel)의 치합에 의해 조향 보조력을 전달하는 방식은, 모터, 모터 커플링(motor coupling), 웜 샤프트(worn shaft), 웜 휠(worm wheel) 순서의 감속 경로를 통하여 모터의 속도를 감속시키고 모터 구동력을 배력시켜 스티어링 칼럼(steering column)으로 전달하는 구조를 가진다.

그러나 이러한 종래의 전동식 파워 스티어링 장치는 웜 휠과 웜 샤프트의 기어 치(gear teeth)의 제작 공차, 가공 정밀도, 관련 부품 제작 및 조립 공차의 확대로 인하여 기어 축간 거리 공차 불량 등으로 인하여, 웜 및 웜 휠의 기어의 치합 부위의 백래쉬(back-lash) 발생 및 물림율 저하 등의 문제가 발생할 수 있으며, 또한 이로 인한 래틀 노이즈(rattle noise)의 발생 및 동력 전달 효율 저하 등의 문제가 있다. 또한 장기간의 사용으로 인한 관련 부품의 내구성 저하 및 마모로 인한 기어 치 치합 부위의 백래쉬 증가 및 물림율 저하로 인한 래틀 노이즈의 발생 및 동력 전달 효율 저하 등이 발생할 수 있다. 나아가 차량의 험로 주행 시, 차륜으로부터 전달되는 충격이 윔 휠 및 웜 샤프트에 전달되고 이러한 충격은 웜 휠과 웜 샤프트 치합 부위에 순간적으로 불완전한 기어 물림을 유발할 수 있으며, 이로 인한 래틀 노이즈의 발생 및 관련 부품의 마모에 의한 내구 성능 저하 등이 발생할 수 있다.

이러한 문제들을 해결하기 위해, 통상적으로 웜 샤프트를 지지하는 베어링을 자동 조심형 베어링으로 적용하기도 하나, 유격을 흡수하는데 한계가 있으며, 또한 불완전한 기어 치합 부위에서 발생하는 백래쉬 및 노이즈 발생을 줄이기 위해 통상 래틀 노이즈 방지 스프링을 이용하여 웜 샤프트를 웜 휠 방향으로 가압하여 주는 유격 방지 수단을 구성하기도 하나, 거친 노면 주행 시 차륜으로부터 웜 휠에 충격이 전달될 때 웜 샤프트의 후방 밀림을 방지할 수 없으므로 근본적인 해결 방안이 되지 못한다. 또한 웜 샤프트의 후방 밀림을 줄이기 위해 래틀 노이즈 방지 스프링의 스프링 포스를 증가시킬 경우, 웜 휠 및 웜 샤프트 사이의 마모를 촉진시키고 기어 치합 부위의 마찰력을 증대시켜 조향 휠의 복원 성능을 저하시키고 차량 선회 및 복원 시 조향감과 차량의 동적 거동 성능을 떨어뜨리는 문제가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 웜 샤프트, 웜 휠 등 관련 부품의 설계 및 제작 공차, 조립 공차 등을 흡수하여 기어 치 치합 부위에서 발생하는 틈새를 줄이고 차량 운행 중 차륜으로부터 전달되는 충격과 감속기 작동 중 발생하는 기어 치합 부위의 백래쉬 발생, 내구 진행 및 마모로 인한 기어 치 백래쉬 증가, 이로 인한 래틀 노이즈 발생 및 조향감 저하를 방지하며 웜 샤프트의 축방향 이동 및 진동을 흡수하고 축 직각 방향으로 적당한 압력을 가하여 웜 휠과의 치합 부위에 백래쉬를 줄이면서 기어 물림율을 증대시키고 마찰력을 줄일 수 있는 전동식 파워 스티어링 장치를 제공하는 것이며, 나아가 차륜으로부터 웜 휠에 충격이 전달될 때 웜 샤프트가 후방으로 밀려나면서 기어 치 치합 부위에 발생하는 백래쉬 및 이로 인한 노이즈 발생을 억제할 수 있는 전동식 파워 스티어링 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치는, 모터, 웜 기어를 구비하며 상기 모터의 출력을 전달받는 웜 샤프트, 상기 웜 기어에 치합되는 웜 휠, 상기 웜 샤프트를 지지하는 베어링 어셈블리, 그리고 상기 베어링 어셈블리를 상기 웜 휠을 향해 상기 웜 샤프트의 반경 방향으로 틸팅(tilting)시키는 바이어싱 포스(biasing force)를 제공하는 바이어싱 메커니즘을 포함한다. 상기 바이어싱 메커니즘은 상기 베어링 어셈블리의 외주면을 둘러싸며 테이퍼진 돌기를 구비하는 제1 커버, 상기 제1 커버를 둘러싸며 상기 테이퍼진 돌기가 관통하는 관통공을 구비하는 제2 커버, 상기 관통공을 통하여 노출된 상기 테이퍼진 돌기와 접촉하여 캠 작용을 하는 지지 캠, 그리고 상기 지지 캠을 상기 테이퍼진 돌기를 향해 탄성적으로 지지하는 탄성 부재를 포함한다.

상기 바이어싱 메커니즘은 상기 제1 커버와 상기 제2 커버 사이에 배치되는 댐퍼를 더 포함할 수 있다.

상기 댐퍼는 고무 재질로 형성되고 상기 제1 커버는 플라스틱 재질로 형성되어 2중의 댐핑 구조를 구현할 수 있다.

상기 제1 커버의 외주면의 양 단에는 림(rim)이 각각 형성될 수 있고, 상기 댐퍼는 상기 림 사이에 배치될 수 있다.

상기 탄성 부재는 위치 조절이 가능한 어저스터(adjuster) 부재에 의해 지지될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치는 상기 제2 커버를 수용하고 상기 웜 샤프트가 설치되는 하우징의 설치 구멍에 삽입되는 케이스 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 케이스 부재의 외주면에 복수의 돌기가 형성될 수 있고, 상기 케이스 부재는 상기 복수의 돌기가 상기 설치 구멍을 형성하는 면에 가압되는 상태로 상기 설치 구멍에 설치될 수 있다.

상기 베어링 어셈블리, 상기 제1 커버, 상기 제2 커버가 상기 케이스 부재에 조립된 상태에서 상기 케이스 부재가 상기 웜 샤프트를 수용하는 하우징의 설치 구멍에 설치될 수 있다.

본 발명에 의하면, 차량 운행 중 모터 작동에 의한 웜 샤프트의 급격한 회전 방향 변경, 진동 및 차륜으로부터 전달되는 충격, 내구 진행에 따른 기어 치 마모 등에 의해 기어 치합 부위의 백래쉬 발생을 근원적으로 제거할 수 있으며, 그에 따라 각종 소음의 발생을 억제하고 불완전한 기어 치 치합에 의한 조향감 및 차량의 동적 거동 성능 저하를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치가 차량의 조향 시스템에 적용된 상태를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치가 차량의 조향 시스템의 스티어링 샤프트에 설치된 상태를 보여주는 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치를 보여주는 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치를 보여주는 도면이다.

이하에서 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치는 자동차의 조향 시스템에 적용될 수 있으며 모터의 동력을 이용하여 조향 보조력을 제공하는 장치이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시에에 따른 전동식 파워 스티어링 장치(1)는 차량의 조향 시스템에 설치되어 조향 보조력을 제공하는 작용을 할 수 있으며, 예를 들어 조향 칼럼(100)에 설치될 수 있다. 조향 칼럼(100)의 상단에는 조향 휠(도시되지 않음)이 연결될 수 있으며, 조향 칼럼(100)의 하단에는 조향 중간 샤프트(200), 조향 기어(300) 등이 차례로 연결될 수 있다.

웜 샤프트(worm shaft)(10)는 웜 기어(worm gear)(11)를 구비하며, 모터(20)의 출력을 전달받는다. 예를 들어, 웜 샤프트(10)는 커플링(coupling)을 통해서 모터(20)의 출력축에 연결됨으로써 모터(20)의 출력을 전달받을 수 있으며, 웜 샤프트(10)는 그 끝단에 구비되는 세레이션(serration)(12)을 통해서 커플링에 결합되고 또한 모터(20)의 출력축도 커플링에 결합됨으로써 커플링을 통해 모터(20)의 출력이 웜 샤프트(10)로 전달될 수 있다.

모터(20)는 전자 제어 유닛(ECU, 도시되지 않음)의 제어 신호에 의해 작동이 제어될 수 있으며, 전자 제어 유닛은 조향 토크(torque)를 검출하는 조향 토크 센서, 조향각을 검출하는 조향각 센서, 그리고 차속을 검출하는 차속 센서 등의 신호를 기초로 모터(20)를 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 출력할 수 있다.

웜 샤프트(10)의 웜 기어(11)는 스티어링 샤프트(steering shaft)(100)에 결합되어 있는 웜 휠(worm wheel)(3)에 치합됨으로써 모터(20)의 구동력이 웜 샤프트(10)를 통해서 웜 훨(3)로 전달되고 그 결과 스티어링 샤프트(100)로 조향 보조력이 전달될 수 있다.

예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이, 웜 샤프트(10)는 하우징(housing)(40) 내에 배치될 수 있다. 이를 위해 하우징(40) 내에는 관통공이 구비되며, 웜 샤프트(10)가 하우징(40)의 관통공에 회전 가능하게 설치된다. 그리고 하우징(40)의 일측에는 모터(20)가 고정되며, 모터(20)의 출력축이 하우징(40) 내부로 유입되어 커플링을 통해서 웜 샤프트(10)에 연결될 수 있다. 한편, 하우징(40)은 스티어링 샤프트(100)의 일부 및 웜 휠(3)을 수용할 수 있는 형태로 형성될 수 있다. 즉, 웜 휠(3)과 웜 샤프트(10)가 하우징(40) 내에서 서로 체결된 상태로 배치될 수 있다.

베어링 어셈블리(50)는 웜 샤프트(10)를 지지한다. 예를 들어, 웜 샤프트(10)의 한 단(13)이 베어링 어셈블리(50)의 관통공(51)에 삽입됨으로써 웜 샤프트(10)가 베어링 어셈블리(50)에 의해 회전 가능하게 지지될 수 있다. 한편, 웜 샤프트(10)에 구비되는 웜 기어(11)를 중심으로 한 단(13)이 베어링 어셈블리(50)에 의해 지지됨과 동시에 모터(20) 쪽에 가까운 부분도 별도의 베어링 어셈블리(60)에 의해 지지될 수도 있다.

바이어싱 메커니즘(biasing mechanism)(70)은 베어링 어셈블리(50)를 웜 휠(3)을 향해 웜 샤프트(10)의 반경 방향으로 틸팅(tilting)시키는 바이어싱 포스(biasing force)를 제공한다. 즉, 웜 샤프트(10)의 웜 기어(11)와 웜 휠(3) 사이에 유격이 생기는 경우 바이어싱 메커니즘(70)이 베어링 어셈블리(50) 및 이에 지지된 웜 샤프트(10)를 웜 휠(3) 방향으로 틸팅시킴으로써 유격이 효과적으로 흡수된다.

바이어싱 메커니즘(70)은 베어링 어셈블리(50)의 외주면을 둘러싸는 제1 커버(710)를 구비한다. 예를 들어, 제1 커버(710)는 웜 샤프트(10)의 축 방향을 따라 형성되는 관통홀(711)을 구비하고 전체적으로 고리 형태를 가질 수 있다. 제1 커버(710)의 관통홀(711)에 베어링 어셈블리(50)가 배치된다.

한편, 제1 커버(710)는 테이퍼진 돌기(713)를 구비할 수 있다. 즉, 도면에 도시된 바와 같이, 테이퍼진 돌기(713)는 제1 커버(710)의 외주면에 반경 방향 외측으로 돌출되어 형성되며 그 일 측면이 경사면(714)을 이루도록 테이퍼지게 형성된다.

바이어싱 메커니즘(70)은 제1 커버(710)를 둘러싸는 제2 커버(720)를 구비한다. 예를 들어, 제2 커버(720)는 웜 샤프트(10)의 축 방향을 따라 형성되는 관통홀(721)을 구비하고 전체적으로 고리 형태를 가질 수 있다. 제2 커버(720)의 관통홀(721)에 제1 커버(710)가 배치된다.

그리고 제2 커버(720)는 제1 커버(710)의 테이퍼진 돌기(713)가 관통하는 관통공(723)을 포함할 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 제2 커버(720)의 관통공(723)은 제1 커버(710)의 테이퍼진 돌기(713)와 중첩되도록 서로 대응하는 위치에 형성되며, 관통공(723)은 테이퍼진 돌기(713)의 외측 일부가 통과할 수 있는 크기 및 형태를 가질 수 있다.

바이어싱 메커니즘(70)은 제1 커버(710)의 테이퍼진 돌기(713)와 접촉하여 캠(cam) 작용을 하는 지지 캠(suppor cam)(730)을 포함할 수 있다. 지지 캠(730)는 제2 커버(720)의 관통공(723)을 통해 노출된 테이퍼진 돌기(713)의 경사면(714)에 접촉하여 캠 작용을 한다.

한편, 탄성 부재(740)는 지지 캠(730)는 테이퍼진 돌기(713)를 향해 탄성적으로 지지한다. 예를 들어, 탄성 부재(740)는 지지 캠(730)과 동축으로 배치되는 코일 스프링일 수 있으며, 하우징(40)의 설치 구멍(41)에 배치될 수 있다.

이때, 탄성 부재(740)는 위치 조절이 가능한 어저스터(adjuster) 부재(750)에 의해 지지될 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 어저스터 부재(750)가 하우징(40)의 설치 구멍(41)에 설치되고, 탄성 부재(740)은 어저스터 부재(750)와 지지 캠(730)에 각각 접촉되어 가압된 상태로 설치될 수 있다. 어저스터 부재(750)는 위치 조절이 가능한 스크류(screw) 형태로 구현될 수 있으며, 어저스터 부재(750)의 위치가 조절됨으로써 탄성 부재(740)가 지지 캠(730)을 가압하는 힘의 크기를 조절할 수 있고 그에 따라 바이어싱 포스를 적절히 설정할 수 있다.

한편, 어저스터 부재(750)가 구비되지 않는 경우에는 탄성 부재(740)는 하우징(40)의 내벽 또는 기타 지지 부재에 지지될 수 있다.

이러한 바이어싱 메커니즘(70)이 구비됨으로써, 웜 샤프프(10)의 웜 기어(11)와 웜 휠(3) 사이에 유격이 발생하는 경우 탄성 부재(740)에 의해 지지 캠(730)이 테이퍼진 돌기(713)를 향하는 방향(즉, 도 3 및 도 4에서 X축 방향)으로 이동하고, 그에 따라 테이퍼진 돌기(713)의 경사면(714)이 지지 캠(730)의 경사면(731)을 타고 웜 휠(3)을 향하는 방향(즉, 도 3 및 도 4에서 Y축 방향)으로 이동하게 된다. 이러한 이동에 의해 제1 커버(710) 및 이에 지지된 베어링 어셈블리(50) 및 웜 샤프트(10)가 웜 휠(3)을 향해 틸팅되고, 이에 따라 웜 샤프트(10)의 웜 기어(11)와 웜 휠(3) 사이의 유격이 흡수될 수 있다.

바이어싱 메커니즘(70)은 제1 커버(710)와 제2 커버(720) 사이에 배치되는 댐퍼(damper)(760)를 더 포함할 수 있다. 댐퍼(760)는 웜 샤프트(10)의 축 방향을 따라 형성되는 관통홀(761)를 구비하며, 제1 커버(710)의 테이퍼진 돌기(713)에 대응하는 위치에 관통공(763)이 형성된다. 테이퍼진 돌기(713)는 댐퍼(760)의 관통공(763) 및 제2 커버(720)의 관통공(723)을 차례로 통과한 후 지지 캠(730)에 위치하는 공간에 노출된다.

이때, 제1 커버(710)도 댐핑 역할을 수행할 수 있도록 플라스틱 재질로 형성될 수 있다. 이에 따라 플라스틱 재질의 제1 커버(710)에 의한 제1 댐핑 및 고무 재질의 댐퍼(760)에 의한 제2 댐핑이 구현되어 서로 다른 댐핑 특성을 갖는 2중의 댐핑 구조를 갖게 되어 효과적인 댐핑이 가능하다.

이때, 댐퍼(760)가 제1 커버(710)에 안정적으로 안착되도록 하기 위해, 제1 커버(710)의 외주면의 양 단에는 림(rim)(715)가 형성되고, 댐퍼(760)는 림(715) 사이에 배치될 수 있다.

이하에서 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동식 파워 스티어링 장치에 대해 설명한다. 동일한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고 중복되는 설명은 생략한다.

본 실시예에 따른 바이어싱 메커니즘(70)은 제2 커버(720)를 수용하는 케이스 부재(770)를 더 포함한다. 케이스 부재(770)는 제2 커버(720)를 수용하는 상태로 웜 샤프트(10)가 설치되는 하우징(40)의 설치 구멍(41)에 삽입된다.

케이스 부재(770)의 외주면에 복수의 돌기(775)가 형성될 수 있고, 케이스 부재(770)는 복수의 돌기(775)가 하우징(40)의 설치 구멍(41)을 형성하는 면에 가압되는 상태로 설치 구멍(41)에 설치될 수 있다. 이러한 돌기(775)에 의해 조립 시에 공차를 흡수할 수 있다.

그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 베어링 어셈블리(50), 제1 커버(710), 제2 커버(720), 댐퍼(760)가 케이스 부재(770)에 조립된 상태에서 케이스 부재(770)가 웜 샤프트(10)를 수용하는 하우징(40)의 설치 구멍(41)에 설치될 수 있다. 이와 같이 베어링 어셈블리(50), 제1 커버(710), 제2 커버(720), 댐퍼(760), 케이스 부재(770)가 하나의 어셈블리 형태로 미리 조립된 후 하우징(40)에 장착됨으로써, 조립성이 향상된다.

이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.

10: 웜 샤프트
20: 모터
3: 웜 휠
50: 베어링 어셈블리
70: 바이어싱 메커니즘
710: 제1 커버
720: 제2 커버
730: 지지 캠
740: 탄성 부재
750: 어저스터 부재
760: 댐퍼
770: 케이스 부재

Claims

모터,
웜 기어를 구비하며 상기 모터의 출력을 전달받는 웜 샤프트,
상기 웜 기어에 치합되는 웜 휠,
상기 웜 샤프트를 지지하는 베어링 어셈블리, 그리고
상기 베어링 어셈블리를 상기 웜 휠을 향해 상기 웜 샤프트의 반경 방향으로 틸팅(tilting)시키는 바이어싱 포스(biasing force)를 제공하는 바이어싱 메커니즘을 포함하며,
상기 바이어싱 메커니즘은
상기 베어링 어셈블리의 외주면을 둘러싸며 테이퍼진 돌기를 구비하는 제1 커버,
상기 제1 커버를 둘러싸며 상기 테이퍼진 돌기가 관통하는 관통공을 구비하는 제2 커버,
상기 관통공을 통하여 노출된 상기 테이퍼진 돌기와 접촉하여 캠 작용을 하는 지지 캠, 그리고
상기 지지 캠을 상기 테이퍼진 돌기를 향해 탄성적으로 지지하는 탄성 부재를 포함하는 전동식 파워 스티어링 장치.
제1항에서,
상기 바이어싱 메커니즘은 상기 제1 커버와 상기 제2 커버 사이에 배치되는 댐퍼를 더 포함하는 전동식 파워 스티어링 장치.
제2항에서,
상기 댐퍼는 고무 재질로 형성되고 상기 제1 커버는 플라스틱 재질로 형성되어 2중의 댐핑 구조를 구현하는 전동식 파워 스티어링 장치.
제2항에서,
상기 제1 커버의 외주면의 양 단에는 림(rim)이 각각 형성되고,
상기 댐퍼는 상기 림 사이에 배치되는 전동식 파워 스티어링 장치.
제1항에서,
상기 탄성 부재는 위치 조절이 가능한 어저스터(adjuster) 부재에 의해 지지되는 전동식 파워 스티어링 장치.
제1항에서,
상기 제2 커버를 수용하고 상기 웜 샤프트가 설치되는 하우징의 설치 구멍에 삽입되는 케이스 부재를 더 포함하는 전동식 파워 스티어링 장치.
제6항에서,
상기 케이스 부재의 외주면에 복수의 돌기가 형성되고,
상기 케이스 부재는 상기 복수의 돌기가 상기 설치 구멍을 형성하는 면에 가압되는 상태로 상기 설치 구멍에 설치되는 전동식 파워 스티어링 장치.
제6항에서,
상기 베어링 어셈블리, 상기 제1 커버, 상기 제2 커버가 상기 케이스 부재에 조립된 상태에서 상기 케이스 부재가 상기 웜 샤프트를 수용하는 하우징의 설치 구멍에 설치되는 전동식 파워 스티어링 장치.