KR20150053441A - 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠에 관한 것으로, 본 발명에 의하면, 전동식 동력 보조 조향장치의 감속기에 있어서, 강도와 경도, 신율, 내마모성 등에서 최적의 특성을 가짐과 동시에 온도 및 수분흡습에 따른 치수변화가 적게 되고 우수한 마찰특성을 갖게 되어, 웜기어와 같은 상대 부품을 마모시키지 않으면서 장시간 안정적으로 치수 변형 없이 사용될 수 있게 되는 효과가 있게 된다.

Description

전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠{Worm wheel of Power Steering Apparatus for Vehicle}

본 발명은 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전동식 동력 보조 조향장치의 감속기에 있어서, 강도와 경도, 신율, 내마모성 등에서 최적의 특성을 가짐과 동시에 온도 및 수분흡습에 따른 치수변화가 적게 되고 우수한 마찰특성을 갖게 되어, 웜기어와 같은 상대 부품을 마모시키지 않으면서 장시간 안정적으로 치수 변형 없이 사용될 수 있게 되는 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠에 관한 것이다.

일반적으로, 차량에 장착되는 동력 보조 조향장치 중에는 모터에 의해 조향력이 조절되는 전동식 동력 보조 조향장치가 있으며, 이것은 차속 센서 및 조향 토크 센서 등과 같은 각종 센서에서 감지된 차량의 운행 조건에 따라 전자 제어 장치에서 모터를 정밀하게 구동하고, 모터에서 발생한 토크가 감속기를 거쳐 조향컬럼 또는 피니언에 전달되어서 이 조향컬럼 및 피니언에 연결된 조향휠을 조작하는 운전자의 조향력을 돕게 된다.

이에 따라, 저속 주행시에는 가볍고 편안한 조향 상태를 제공하고, 고속 주행시에는 무겁고 안정적인 조향 상태를 제공하며, 돌발적인 비상 상황에서는 이에 대처하여 급속한 조향 운전이 가능하도록 하는 등 운전자에게 최적의 조향 조건을 유지할 수 있도록 하는 조향 성능을 제공한다.

이러한 전동식 동력 보조 조향장치는 장착되는 위치에 따라 여러 가지 종류로 나눠질 수 있는데, 주로 운전석의 조향휠과 차량 하부의 기어박스를 연결하는 조향축을 차체에 고정하기 위한 조향컬럼 부위, 또는 랙바와 결합되는 피니언이 내장된 기어박스 부위 등에 모터를 구비한 감속기를 설치하고, 운전자가 조작하는 조향휠의 회전력이 모터와 감속기에 의해서 랙바에 전달될 수 있도록 하는 장치이다.

도 1은 통상 사용되는 컬럼에 구비된 전동식 동력 보조 조향장치의 감속기 내부 구조를 나타낸 단면도이다.

이러한 감속기는 중간부에 웜(102)이 형성된 강(鋼)과 같은 금속 재질의 웜축(104)이 구비되고, 웜축(104)의 양단에는 웜베어링(106)이 각각 설치되어 웜축(104)을 지지하며, 웜축(104)과 모터축(108)이 연결되어 모터(110)의 구동에 의해 웜축(104)이 회전하는 구조로 되어 있다.

감속기어로서 웜축(104)의 중간부에 형성된 웜(102)과 치합될 수 있도록 웜(102)의 외경 일측에는 예컨대 수지 조성물로 된 웜휠(114)이 구비되며, 웜휠(114)은 운전자가 조작하는 조향휠(미도시)의 회전력을 전달하는 조향축(112)에 장착되어, 모터(110)의 구동에 의한 웜축(104)의 회전력이 조향축(112)에 전달되게 된다. 웜기어 방식으로 치합되는 이들 웜휠(114)과 웜축(104)은 외부로부터의 보호를 위해 하우징(116)의 내부에 장착되어 있다.

차량의 운행 조건에 따라 차량에 구비된 전자 제어 장치(미도시)가 모터(110)의 구동을 제어하고 모터(110)의 구동에 의한 웜축(104)의 회전력이 운전자가 조작하는 조향휠의 회전력에 부가되어 조향축(112)에 전달됨으로써 운전자의 조향 운전 상태를 부드럽고 안정적으로 유지할 수 있게 되는 것이다.

여기서, 상기와 같은 감속기의 웜휠은 모터의 회전수를 감속하여 조향축에 전달하는 역할을 하는 것으로, 전술한 바와 같이 수지 조성물로 된 기어와 금속 재질로 된 기어가 쌍으로 구성될 수 있다.

상기 수지 조성물로는, 내피로성과 치수안정성 또는 제조 비용을 고려하여, 보강재를 함유하지 않은 MC(Monomer Casting) 나일론이나, 유리섬유와 같은 섬유 보강재를 배합한 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리아미드 46, 폴리아미드 12 등이 사용되고 있다.

그러나, 전술한 수지 조성물은 수지의 흐름성이 떨어져 성형성이 좋지 않고, 수분흡습으로 인한 팽창과 수축으로 치수안정성이 떨어지며, 고온에서는 치수변형량이 크게 되어서, 고온다습한 지역(예컨대 중동, 아프리카 등)에서는 기어치의 변형 또는 팽창에 의한 회전토크가 증가되어 웜감속기는 물론 전동식 파워 스티어링 장치 전체의 성능이 저하되는 큰 문제점이 있었다.

또한, 기어치의 마모에 의한 백래쉬(backlash)의 증가로 인하여 진동 및 래틀 노이즈(rattle noise)가 일어나게 되며, 특히 오프로드(off-road) 상에서는 이러한 진동 및 래틀 노이즈가 차량의 실내에까지 전달되어 운전자에게 불쾌감을 야기시키는 문제점도 있었다.

이에 본 발명은 전술한 배경에서 안출된 것으로, 전동식 동력 보조 조향장치의 감속기에 있어서 강도와 경도, 신율, 내마모성 등에서 최적의 특성을 가짐과 동시에 온도 및 수분흡습에 따른 치수변화가 적게 되고 우수한 마찰특성을 갖게 되어, 웜기어와 같은 상대 부품을 마모시키지 않으면서 장시간 안정적으로 치수 변형 없이 사용할 수 있게 하는 데에 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 금속 재질로 된 환상의 허브와, 외주에 기어치가 형성된 기어형성부와, 상기 허브의 외주측과 상기 기어형성부의 내주측 사이를 연결하는 보스를 구비하고, 상기 기어형성부 또는 상기 기어형성부 및 보스는 수지조성물로 형성되되, 상기 수지조성물은 폴리페닐렌 설파이드를 베이스로 하며 폴리올레핀 공중합체가 혼합되고, 상기 수지조성물에는 침상의 휘스커가 첨가되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠을 제공한다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 전동식 동력 보조 조향장치의 감속기에 있어서, 강도와 경도, 신율, 내마모성 등에서 최적의 특성을 가짐과 동시에 온도 및 수분흡습에 따른 치수변화가 적게 되고 우수한 마찰특성을 갖게 되어, 웜기어와 같은 상대 부품을 마모시키지 않으면서 장시간 안정적으로 치수 변형 없이 사용될 수 있게 되는 효과가 있게 된다.

도 1은 통상 사용되는 컬럼에 구비된 전동식 동력 보조 조향장치의 감속기 내부 구조를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 전동식 동력 보조 조향장치의 감속기 중 웜휠을 나타내는 사시도,
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠을 형성하는 수지 조성물의 물성을 나타내는 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠을 형성하는 수지 조성물에 첨가되는 휘스커의 구조를 나타내는 전자 현미경 사진이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명하는 데 있어서, 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 2는 본 발명에 따른 전동식 동력 보조 조향장치의 감속기 중 웜휠을 나타내는 사시도, 도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠을 형성하는 수지 조성물의 물성을 나타내는 그래프, 도 7은 본 발명에 따른 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠을 형성하는 수지 조성물에 첨가되는 휘스커의 구조를 나타내는 전자 현미경 사진이다.

전동식 동력 보조 조향장치의 감속기는 중간부에 웜기어가 형성된 강(鋼)과 같은 금속 재질의 웜축이 구비되고, 이 웜축의 중간부에 형성된 웜기어와 치합될 수 있도록 웜축의 외주 일측에는 웜휠이 구비된다.

감속기는 모터의 구동력에 의해 웜축과 웜휠이 연동되면서 조향축을 회전시켜 운전자의 조향력을 보조하게 되는데, 모터의 구동시 모터의 축과 연동되는 웜축의 양단에는 웜축베어링이 체결되어 웜축의 회전을 지지하며, 조향축과 연동되는 웜휠과 웜축은 기어 하우징에 내장되어 있다.

한편, 운전자가 조향휠을 조작시 조향휠의 회전력을 랙바로 전달하는 조향축은 조향휠로부터 컬럼, 유니버설 조인트, 랙기어와 피니언 기어를 내장하는 기어박스까지 연결되어 있고, 감속기는 컬럼과 기어박스에 내장되는 조향축(또는 피니언)에 결합될 수 있다.

따라서, 모터의 구동으로 웜축이 회전하면 웜휠이 연동되어 회전하고, 이때 웜휠이 컬럼의 조향축 또는 기어박스의 조향축에 결합되어 운전자의 조향력을 보조하게 된다.

도 2에 도시된 것처럼, 웜휠(200)은 중심부가 조향축과 결합되고 외주측은 웜축과 결합되어 조향 보조력을 제공하는 것으로, 조향축이 삽입되는 중공의 허브(210), 외주측에 웜축의 웜기어와 치합되는 웜휠기어(220a)가 형성되어 있는 기어형성부(220), 허브(210)의 외주측과 기어형성부(220)의 내주측 사이에 일체로 형성되는 보스(230)를 포함하여 구성된다.

대략 링 형상으로 형성되는 스틸 재질의 허브(210)는 중심부에 조향축이 관통 결합되는데, 외주면에 요철부(미도시)가 구비되어 있어서 보스(230)와의 슬립을 방지하며 일체로 성형되도록 되어 있다.

외주면에 웜휠기어(220a)가 형성되어 있는 기어형성부(220)는 내주측에 일체로 인젝션 몰딩되는 보스(230)와의 슬립을 방지하며 서로 분리되는 것을 방지하면서 결합력을 높이도록 되어 있다.

보스(230)는 대략 내측튜브(231), 외측튜브(233), 내측튜브(231)와 외측튜브(233)를 연결하는 분리막(237) 등으로 형성된다.

내측튜브(231)는 허브(210)의 외주면을 둘러싸는 파이프 형상을 구비하고 외측튜브(233)는 기어형성부(220)의 내주면을 둘러싸는 파이프 형상을 구비하며, 분리막(237)은 내측튜브(231)의 외주면과 외측튜브(233)의 내주면을 연결한다.

분리막(237)은 내측튜브(231)와 외측튜브(233)의 서로 대향되는 원주면을 상하로 대칭되게 분리하면서 이들을 경방향으로 연결시키는 소정의 두께를 갖는 수평의 디스크 형상으로 형성된다.

그리고, 외측튜브(233)는 기어형성부(220)의 내주면과 내측튜브(231) 사이의 빈 공간을 메우면서 인젝션 몰딩 형성된다.

또한, 보스(230)는 내측튜브(231)의 외주면에서 방사상으로 연장되어 외측튜브(233)의 내주면 및 분리막(237)과 일체로 연결되면서 원주방향으로 소정거리 이격되게 형성되는 수개의 리브(235)가 구비되어 있다.

즉, 내측튜브(231)와 외측튜브(233)의 서로 대향되는 원주면을 상하로 대칭되게 분리하는 분리막(237)의 상측과 하측에 각각 수개의 리브(235)가 방사상으로 형성되며 내측튜브(231)와 외측튜브(233) 및 분리막(237)과 일체로 연결되게 형성된다.

그리고, 이에 추가적으로 수개의 리브(235)와 외측튜브(233)의 사이를 일체로 연결하는 보강부(239)를 구비할 수 있으며, 보강부(239)는 도 2에 도시된 것처럼 외측튜브(233)의 끝단에서 단차진 형태로 외측튜브(233)의 내주면과 리브(235)의 측면들을 연결하며 형성된다.

이와 같은 기어형성부 또는 기어형성부 및 보스는 수지조성물로 형성되는데, 여기서 수지조성물은 폴리페닐렌 설파이드(Polyphenylene sulfide)를 베이스로 하며 폴리올레핀(Polyolefin) 공중합체가 혼합되고, 수지조성물에는 침상의 휘스커(Whisker)가 첨가되어 이루어진다.

여기서 폴리페닐렌 설파이드는 평균 분자량이 8000 ~ 13000 g/mol 인 선형 폴리페닐렌 설파이드이며, 폴리올레핀 공중합체는 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리부텐(Polybutene), 저밀도 폴리에틸렌-그라프트-폴리스티렌아크릴로니트릴(LDPE-g-PSAN) 중 어느 하나이다.

그리고, 폴리올레핀 공중합체는 수지조성물 전체에 10 ~ 20 중량%로 혼합되는데, 10 중량% 보다 적게 혼합되면 신율이 나빠지고 20 중량% 보다 많게 혼합되면 강도가 낮아지는 문제점이 발생된다.

특히, 폴리올레핀 공중합체는 수지조성물 전체에 14 ~ 16 중량%로 혼합되는 것이 좋다.

한편, 일반적으로 휘스커(whisker)는 강화 복합재료의 보강재로 사용되는데, 본 발명에 있어서 수지조성물에 첨가되는 휘스커는 산화아연(ZnO) 단결정으로 형성되며, 여기서 휘스커는 도 7의 사진과 같이 각 침상의 평균 길이가 10 ~ 20 ㎛ 인 테트라포드(tetrapod) 형상을 이루는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에 있어서 수지조성물에 첨가되는 휘스커는 방파제 형상과 같이 4개의 침상이 튀어나온 형상을 가지며 각각의 침상은 평균 길이가 10 ~ 20 ㎛ 를 가져 폴리페닐렌 설파이드, 폴리올레핀 공중합체와 결합시 견고한 결합 구조를 갖게 되며 여기서, 휘스커는 4 ~ 6 중량%로 혼합 보강되는 것이 좋다.

일반적으로 기어형성부는 서로 맞물리는 웜기어와의 마찰로 인해 마모가 발생되는 부위이고 흡습으로 인한 팽창과 함께 외부로부터 유입되는 충격에 의해 서로 맞물리는 웜기어와의 충돌에 의한 파손 등이 문제되는 부위이다.

따라서, 기어형성부는 적정한 강도와 신율 등과 함께 경도 및 내마모성도 갖추고 있어야 하는데, 이와 같은 필요 물성들은 폴리올레핀 공중합체, 휘스커 등의 혼합 첨가량과 밀접한 상관 관계를 갖는다.

이를 도 3 내지 도 6을 참조하여 살펴보면, 폴리페닐렌 설파이드를 베이스로 한 수지 조성물에 폴리올레핀 공중합체(G)를 첨가하면 폴리올레핀 공중합체(G)의 중량%가 커져갈수록 신율이 증가하지만, 폴리올레핀 공중합체(G)의 중량%가 15%를 초과하는 경우에 신율이 더 이상 증가하지 않는 특성을 갖는다.

그리고, 폴리올레핀 공중합체(G)가 15% 일때 마모깊이가 최소가 되어 내마모도가 가장 좋은 상태가 된다.

또한, 폴리페닐렌 설파이드를 베이스로 한 수지 조성물에 휘스커(W)를 첨가하면 인장강도가 증가하다가 휘스커가 5%인 상태를 기준으로 다시 인장강도가 낮아지는 특성을 갖는다.

그리고, 휘스커(W)의 함량이 증가할수록 마모깊이가 낮아지는 경향을 띄나 휘스커가 5%인 상태 이후로는 휘스커의 함량이 증가되어도 마모깊이가 큰 변화를 갖지 않아 내마모성에 변화가 없는 특성을 갖는다.

또한, 아래의 표 1은, 폴리페닐렌 설파이드를 베이스로 한 수지 조성물에 폴리올레핀 공중합체, 휘스커를 첨가한 수지 조성물 각각의 물성을 비교하여 나타내고 있다.(하기표 1에서 PPS는 폴리페닐렌 설파이드, G는 폴리올레핀 공중합체, W는 휘스커를 나타낸다)

	PPS	PPS + G 5% + W 5%	PPS + G 5% + W 15%	PPS + G 15% + W 5%
인장강도 (kgf/cm2)	658	773	725	609
신율 (%)	1.9	4.3	3.9	21.6
굴곡강도 (kgf/cm2)	1238	1153	1236	952
경도 (HRM)	92.9	84.4	83.5	60.5
비중	1.34	1.37	1.44	1.31
충격강도 (J/m)	4.5	4.7	5.5	7.2
열팽창률 (㎛/℃)	0.52	0.54	0.56	0.54
마모깊이 (mm)	0.79	0.66	0.65	0.43

따라서 표 1과 도 3 내지 도 6을 함께 고려해보면, 본 발명에 따라 폴리페닐렌 설파이드를 베이스로 하되 폴리올레핀 공중합체는 14 ~ 16 중량%로 혼합하고, 휘스커는 4 ~ 6 중량%로 혼합하는 경우, 강도와 경도, 신율, 내마모성 등에서 최적의 특성을 갖는 기어형성부가 구비될 수 있음을 알 수 있다.

그리고, 폴리올레핀 공중합체의 수분 흡수율은 일반적인 폴리아미드 수지의 흡수율에 비해서 현저하게 낮기 때문에 종래의 기어형성부에 비해 수분 흡습에 따른 웜휠의 치수 변화가 작아지게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 수지 조성물로 형성된 웜휠은, 강도와 경도, 신율, 내마모성 등에서 최적의 특성을 가짐과 동시에 온도 및 수분흡습에 따른 치수변화가 적게 되고 우수한 마찰특성을 갖게 되어, 웜기어와 같은 상대 부품을 마모시키지 않으면서 장시간 안정적으로 치수 변형 없이 사용될 수 있게 된다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

예를 들어, 본 명세서에서는 주로 컬럼 타입 전동식 파워 스티어링 장치에 장착되는 웜감속기의 웜휠에 본 발명이 적용된 실시예에 대해 기술하였지만, 이에 한정되지 않고 평기어나 헬리컬기어, 베벨기어 또는 하이포이드기어 등과 같이 다양한 형태의 감속기어에도 적용될 수 있음은 물론이다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 전동식 동력 보조 조향장치의 감속기에 있어서, 강도와 경도, 신율, 내마모성 등에서 최적의 특성을 가짐과 동시에 온도 및 수분흡습에 따른 치수변화가 적게 되고 우수한 마찰특성을 갖게 되어, 웜기어와 같은 상대 부품을 마모시키지 않으면서 장시간 안정적으로 치수 변형 없이 사용될 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 아니며, 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.

200: 웜휠 210: 허브
220: 기어형성부 220a: 웜휠기어
230: 보스 231: 내측튜브
233: 외측튜브 235: 리브
237: 분리막 239: 보강부

Claims (8)

1. 금속 재질로 된 환상의 허브와, 외주에 기어치가 형성된 기어형성부와, 상기 허브의 외주측과 상기 기어형성부의 내주측 사이를 연결하는 보스를 구비하고, 상기 기어형성부 또는, 상기 기어형성부 및 보스는 수지조성물로 형성되되,
   상기 수지조성물은 폴리페닐렌 설파이드를 베이스로 하며 폴리올레핀 공중합체가 혼합되고, 상기 수지조성물에는 침상의 휘스커가 첨가되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 폴리페닐렌 설파이드는 평균 분자량이 8000 ~ 13000 g/mol 인 선형 폴리페닐렌 설파이드인 것을 특징으로 하는 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 폴리올레핀 공중합체는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 저밀도 폴리에틸렌-그라프트-폴리스티렌아크릴로니트릴(LDPE-g-PSAN) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 폴리올레핀 공중합체는 10 ~ 20 중량%로 혼합되는 것을 특징으로 하는 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 폴리올레핀 공중합체는 14 ~ 16 중량%로 혼합되는 것을 특징으로 하는 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 휘스커는 산화아연(ZnO) 단결정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 휘스커는 각 침상의 평균 길이가 10 ~ 20 ㎛ 인 테트라포드(tetrapod) 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 휘스커는 4 ~ 6 중량%로 혼합 보강되는 것을 특징으로 하는 전동식 동력 보조 조향장치의 웜휠.
   

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