KR20150057575A - 전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터에 관한 것으로서, 부품수를 축소할 수 있고, 작동 중에 발생하는 소음을 줄일 수 있는 전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터를 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 케이스와; 상기 케이스에 설치되고 동력을 제공하는 모터와; 상기 모터의 회전축에 구비되는 구동기어와; 상기 케이스 내부에 설치되고 구동기어의 회전력을 감속하여 전달하는 한 쌍의 전달부재와; 출력축에 구비되어 상기 전달부재를 통해 전달되는 회전력을 추가 감속하여 상기 출력축을 통해 출력되도록 하는 출력기어;를 포함하는 전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터를 제공한다.

Description

전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터{Actuator for Electrical Parking Brake System}

본 발명은 전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부품수를 축소할 수 있고, 작동 중에 발생하는 소음을 줄일 수 있는 전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터에 관한 것이다.

일반적으로 차량을 주차하는 경우에는 주차 브레이크를 조작하여 차량 이동을 구속하게 된다.

통상의 주차 브레이크에서는 주차 레버에 의해 케이블이 당겨지면, 케이블에 가해진 힘을 이퀄라이저를 통해 차륜에 장착된 브레이크 기구로 분배하고, 이를 통해 브레이크 기구가 차륜을 구속하여 차량 이동을 방지하게 된다.

그러나, 이러한 주차 브레이크의 레버 조작은 사용자로 하여금 불편함을 느끼도록 하므로, 버튼 조작으로 모터 동력을 이용해 주차 제동력을 발생시키는 전자식 주차 브레이크(EPB, Electrical Parking Brake) 장치가 개발된 바 있다.

최근 레버 조작 없이 간단한 버튼 조작만으로 제동/해제가 제어되는 전자식 주차 브레이크 장치가 널리 적용되고 있고, 이는 주차 레버를 수동으로 조작해야 하는 불편함을 없애주어 운전자 편의성을 증대시키는 이점을 제공한다.

전자식 주차 브레이크 장치에는 케이블 풀러(Cable Puller)형, 모터 온 캘리퍼(Motor-On-Caliper)형(당 업계에서 통상 "캘리퍼 일체형"이라고 함), 전자유압식 주차 브레이크(Hydraulic Parking Brake)형 등이 있고, 이 중에서 캘리퍼에 일체화시키는 방식으로 주차 브레이크 장치의 장착성을 용이하게 한 캘리퍼 일체형이 널리 적용되고 있다.

전자식 주차 브레이크 장치는 브레이크 페달을 통한 유압 제동과 더불어 전동식 동력발생수단인 액츄에이터를 통한 모터 동력을 함께 이용하여 제동력(Target Clamping Force)을 생성하므로 유압 제동과 전동식 주차 제동을 함께 수행할 수 있다.

특히, 전자식 주차 브레이크 장치를 캘리퍼에 일체화하는 경우 작은 사양의 모터를 사용하면서도 최종 출력을 큰 하중으로 전환시키는 기어장치를 적용하여 캘리퍼의 크기를 증대시키지 않는 콤팩트(Compact)한 구성이 가능해진다.

구성을 살펴보면, 전자식 주차 브레이크 장치는 운전자가 조작하는 버튼, 버튼 조작신호를 입력받아 주차 제동력을 발생시키기 위한 제어신호를 출력하는 제어기, 제어기가 출력하는 제어신호에 따라 동력을 발생시키는 액츄에이터, 차륜에 장착된 디스크를 감싸도록 설치되어 액츄에이터의 동력에 의해 디스크 및 차륜을 구속하여 주차 제동을 구현하는 캘리퍼(EPB 캘리퍼)를 포함한다.

도 1과 도 2는 전자식 주차 브레이크 장치의 구성을 나타내는 도면으로서, 도 1에서 도면부호 10은 액츄에이터를, 도면부호 20은 캘리퍼를 나타낸다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 액츄에이터의 회전력이 스핀들(21)에 전달되어 너트부재(22)를 전진시키는 직선이동력으로 변환되고, 직선이동하는 너트부재(22)가 전진하여 피스톤(23) 내측면과 접촉할 경우 피스톤을 밀게 되면서 패드(24)를 통해 디스크(25)를 압착하게 되어 제동력을 발생시키게 된다.

그러나, 종래의 전자식 주차 브레이크 장치는 구동력(모터로부터 스핀들에 전달되는 감속된 회전력)을 발생시키는 액츄에이터 및 스핀들 등 그 구성 부품에 있어서, 다음과 같은 문제점을 가진다.

1) 패키지 레이아웃 및 구조상으로 모터의 회전토크 증대를 위한 감속비 설정에 있어서 자유도가 제한되므로 모터 부하 및 사용 전류의 소모량이 제한적이다.

2) 차량 전원 오프(Off)시에 브레이크 밀림 방지 셀프 락킹(Self Locking) 기능을 스핀들이 담당하므로 스핀들 사양 선정의 자유도에 있어서 제한이 있고, 불가피하게 저효율 스핀들을 사용하게 되어 액츄에이터 전류 소모량이 과다해지는 문제가 있다.

4) 기어 물림의 백래쉬(Backlash)에 의한 토크 손실 및 진동량 과다의 문제가 있고, 스퍼기어, 헬리컬기어, 유성기어의 다단 기어 사용에 따른 기어 부품수 과다 및 원가 상승의 문제가 있다.

5) 기어 부품수 과다로 인해 작동시 마찰음이 크게 발생하는 문제가 있고, 기어류 고정 및 조립을 위한 기어박스 관련 부품수 과다 및 원가 상승의 문제가 있다.

6) 기어 및 기어박스의 부품수가 많으므로 조립 오차 및 불량 발생 가능성을 크게 내포하고 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 공개특허공보 제10-2013-0082021호(2013.7.18.)에는 스퍼기어/헬리컬기어/유성기어의 기어 조합을 포함하는 복잡한 구성의 액츄에이터 대신, 감속비가 높은 웜기어 형태의 기어를 사용한 보다 간단한 구성의 액츄에이터가 개시되어 있다.

상기 선행특허의 액츄에이터에서는 모터 구동시 회전되는 모터 축의 구동기어가 웜기어 형태로 되어 있고, 구동기어에 치합된 전달부재의 제1기어부가 평기어(웜휠) 형태로 되어 있다.

또한, 회전력을 출력기어로 전달하는 전달부재의 제2기어부가 웜기어 형태로 되어 있고, 전달부재의 제2기어부에 치합된 출력기어가 평기어(웜휠) 형태로 되어 있다.

이와 같이 모터 축의 구동기어와 축 형상의 전달부재에 형성된 제2기어부가 웜기어로 형태로 이루어진 더블 웜기어의 구성을 가지며, 이들을 통해 1, 2차 감속이 이루어지게 된다.

즉, 구동기어와 제1기어부 간의 동력 전달 과정(1차 감속), 제2기어부와 출력기어 간의 동력 전달 과정(2차 감속)에서 감속이 이루어지도록 되어 있다.

그러나, 선행특허의 액츄에이터에서는 하중 작용시 기어 축(전달부재)의 비틀림 토크 과다 및 축계 변형, 기어 간 백래쉬 등의 발생으로 인하여 토크 전달 효율이 좋지 못한 문제가 있다.

또한, 하중 작용시 특정 부위에서 발생하는 응력이 과다하여 내마모성 저하 및 수명 단축의 문제가 있으며, 응력 과다 및 기어 축계 불안정으로 인하여 기아 마찰음(작동 소음)이 크다는 문제를 가지고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2010-0008512호(2010.1.26.) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0082021호(2013.7.18.)

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 부품수를 축소할 수 있고, 작동 중에 발생하는 소음을 줄일 수 있는 전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 하나의 전달부재를 사용하는 구성에서 나타나는 축 비틀림 토크 과다 문제, 축계 변형 및 백래쉬 발생의 문제점을 개선할 수 있고, 토크 전달 효율을 개선할 수 있는 개선된 액츄에이터를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 특정 부위의 응력이 과다 발생으로 인한 내마모성 저하 및 수명 단축의 문제, 기아 마찰음 문제가 개선될 수 있는 액츄에이트를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 케이스와; 상기 케이스에 설치되고 동력을 제공하는 모터와; 상기 모터의 회전축에 구비되는 구동기어와; 상기 케이스 내부에 설치되고 구동기어의 회전력을 감속하여 전달하는 한 쌍의 전달부재와; 출력축에 구비되어 상기 전달부재를 통해 전달되는 회전력을 추가 감속하여 상기 출력축을 통해 출력되도록 하는 출력기어;를 포함하는 전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터를 제공한다.

바람직한 실시예에서, 상기 각 전달부재는 축 형상으로 구비되어 구동기어와 출력기어 사이를 길게 연결하도록 배치되고, 한 쌍의 전달부재가 구동기어와 출력기어를 중심으로 좌우 양측에 배치될 수 있다.

또한, 상기 각 전달부재는 상기 케이스 내부에 회전 가능하게 설치되는 축 형상의 본체와; 상기 본체의 일측에 구비되고 구동기어에 치합되어 결합되는 제1기어부와; 상기 본체의 타측에 구비되고 출력기어에 치합되어 결합되는 제2기어부;를 포함하는 구성이 될 수 있다.

또한, 상기 구동기어는 웜기어 형태로 구비되고, 상기 제1기어부는 웜휠 형태의 기어로 구비될 수 있다.

또한, 상기 제2기어부는 웜기어 형태로 구비되고, 상기 출력기어는 웜휠 형태의 기어로 구비될 수 있다.

또한, 상기 한 쌍의 전달부재는 구동기어와 출력기어를 중심으로 서로 대칭되는 형상 및 크기로 배치될 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터에 의하면, 구동기어와 전달부재, 출력기어로 이루어진 간단한 구성을 가지므로, 스퍼기어, 헬리컬기어, 유성기어가 조합된 액츄에이터 구성에 비해, 부품수 축소, 소음 저감, 조립 오차 및 불량 발생 가능성 축소, 원가 절감, 고감속비 구현, 작동 효율 증대, 소모 전류 감소, 축계 변형 및 백래쉬 저감 및 토크 전달 효율 증대 등의 여러 이점이 제공될 수 있다.

또한, 웜기어 자체의 셀프 락킹 기능 구현이 가능함에 따라 셀프 락킹 기능이 없는(Non Self Locking) 고효율의 스핀들을 적용하는 것이 가능하다.

또한, 구동기어와 출력기어를 중심으로 좌우 양측으로 배치되는 한 쌍의 전달부재를 사용하여 구성됨으로써, 단일 전달부재를 사용하는 구성에 비해 비틀림 토크와 축계 변형, 백래쉬가 축소되므로 토크 전달 효율이 증대될 수 있고, 응력 집중 및 과다 발생으로 인한 내마모성 저하 및 수명 단축, 기아 마찰음의 문제를 모두 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1과 도 2는 액츄에이터를 갖는 일반적인 전자식 주차 브레이크 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 액츄에이터에서 전달부재의 비틀림 토크와 추력의 작용방향을 나타내는 도면이다.
도 5는 비교예의 구성을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 부품수를 축소할 수 있고, 작동 중에 발생하는 소음을 줄일 수 있는 전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터를 제공하고자 하는 것이다.

전자식 주차 브레이크 장치에서 액츄에이터는 제동력을 발생시키기 위한 구동력, 즉 주차 브레이크 장치를 작동시키기 위한 구동력을 제공하는 구성부이고, 모터에 의해 발생된 회전력을 감속한 뒤 출력기어를 통해 출력하는 구성을 가진다.

상기 액츄에이터에서 출력되는 감속된 회전력은 주차 브레이크 장치의 스핀들로 전달되고, 이 액츄에이터의 회전력에 의해 차륜이 구속되는 주차 제동이 이루어지게 된다.

도 3은 실시예에 따른 액츄에이터의 구성을 나타내는 사시도로서, 케이스(11)의 커버를 제거한 상태로 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 실시예에 따른 액츄에이터(10)에서는 복수 개의 전달부재(14)가 사용된다.

구성을 살펴보면, 실시예에 따른 액츄에이터(10)는, 케이스(11)와, 케이스(11)에 설치되고 동력을 제공하는 모터(12)와, 모터(12)의 회전축에 구비되는 구동기어(13)와, 축 형상으로 구비되어 구동기어(13)의 회전력을 감속하여 전달하는 한 쌍의 전달부재(14)와, 출력축(16)에 구비되어 상기 전달부재(14)를 통해 전달되는 회전력을 추가 감속하여 출력축(16)을 통해 출력하는 출력기어(15)를 포함한다.

차량의 주차 브레이크 장치가 작동될 때 모터(12)에 전원이 인가되어 동력이 발생되며, 모터(12)의 동력은 구동기어(13)와 한 쌍의 전달부재(14), 출력기어(15)를 통해 감속된 후 출력축(16)에 최종 전달되어 출력된다.

이와 같이 구동기어(13), 축 형상의 기어수단인 전달부재(14), 그리고 출력기어(15)로 이루어지는 간단한 구성에 의해 스퍼기어, 헬리컬기어, 유성기어 등의 복잡한 구성을 갖는 종래의 액츄에이터에 비해 부품수 축소 및 원가 절감이 가능하다.

특히, 작동시의 진동 및 소음이 감소될 수 있고, 부품수 축소 및 구성의 간단화가 이루어짐에 따라 설계 자유도의 향상, 제작에 소요되는 시간 및 비용의 절감, 생산성 향상 등의 여러 이점이 있게 된다.

실시예의 액츄에이터에서 모터(12)의 회전축에 구비되는 구동기어(13), 한 쌍의 전달부재(14), 및 출력축(16)에 장착되는 출력기어(15)는 케이스(11) 내부에 배치되고, 회전력의 최종 출력이 이루어지는 출력축(16)은 케이스(11) 외부로 연결될 수 있도록 구비된다.

상기 한 쌍의 전달부재(14)는 축 형상의 기어로서, 케이스(11) 내부에서 구동기어(13)와 출력기어(15)를 중심으로 좌우 양측에 대략 수평으로 길게 배치되도록 설치되는데, 좌우 한 쌍의 전달부재(14)가 구동기어(13)와 출력기어(15) 사이를 길게 연결하는 형태로 설치된다.

이때, 한 쌍의 전달부재(14)는 동일한 형상을 가질 수 있으며, 케이스(11) 내부에서 구동기어(13)와 출력기어(15)를 중심으로 하여 서로 대칭된 배치 형태 및 구조, 대칭된 형상으로 설치될 수 있다.

또한, 상기 각 전달부재(14)는 양단부가 케이스(11) 내부에 배치된 축지지부(17)에 회전 가능하게 결합된 상태로 지지된다.

상기 각 전달부재(14)는 축지지부(17)에 의해 지지되어 회전 가능하게 설치되는 축 형상의 본체(14a)와, 본체(14a)의 일측에 구비되고 구동기어(13)에 치합되어 결합되는 제1기어부(14b)와, 본체(14a)의 타측에 구비되고 출력기어(15)에 치합되어 결합되는 제2기어부(14c)를 포함한다.

상기한 구성을 가지는 두 전달부재(14)는 동일한 형상, 즉 동일한 길이 및 크기, 제1기어부(14b)와 제2기어부(14c)에서 동일한 치 형상과 크기, 치 개수, 피치를 가질 수 있다.

또한, 상기한 전달부재(14)의 구성에서 제1기어부(14b)는 웜휠 형태의 기어로 형성되고, 이때 전달부재(14)의 제1기어부(14b)와 결합되는 구동기어(13)는 모터(12)의 회전축상에 웜기어 형상으로 구비된다.

또한, 상기한 전달부재(14)의 구성에서 제2기어부(14c)는 웜기어 형상으로 형성되고, 이때 전달부재(14)의 제2기어부(14c)와 결합되는 출력기어(15)는 웜휠 형태의 기어로 구비된다.

결국, 실시예의 액츄에이터에서는 모터(12)가 구동되면 구동기어(13)가 회전되고, 구동기어(13)의 회전력이 한 쌍의 전달부재(14)를 통해 출력기어(15)로 전달되어 출력기어(15)가 회전되며, 출력기어(15)로 전달된 회전력이 출력축(16)을 통해 최종 출력된다.

이때, 구동기어(13)가 일 방향으로 회전되면, 두 개의 전달부재(14)가 서로 반대방향으로 동시 회전되고, 출력기어(15)는 구동기어(13)와 같은 방향으로 회전된다.

물론, 구동기어(13)가 모터(12)의 동력으로 역방향으로 회전될 경우에도 전달부재(14)와 출력기어(15)의 회전방향이 역방향이 될 뿐, 두 개의 전달부재(14)가 서로 반대방향으로 동시 회전되는 것은 동일하다.

도 4는 실시예에 따른 액츄에이터에서 전달부재의 비틀림 토크와 추력의 작용방향을 나타내는 도면으로, 예시된 바와 같이 두 전달부재(14)에 있어서 비틀림 토크가 작용하는 방향은 서로 반대방향이 된다.

더불어, 두 전달부재(14)에 있어서 추력이 작용하는 방향 또한 서로 반대방향이며, 구동기어(13)의 회전방향과 상관없이 비틀림 토크와 추력의 작용방향은 두 전달부재(14)에 있어서 서로 반대방향이 된다.

또한, 모터(12)의 동력에 의해 구동기어(13)가 회전될 때, 두 전달부재(14)가 동시에 회전되면서, 웜기어 형태의 구동기어(13)로부터 웜휠 형태의 두 제1기어부(14b)에 회전력이 전달될 때 1차 감속이 이루어지고, 두 웜기어 형태의 제2기어부(14c)로부터 웜휠 형태의 출력기어(15)에 회전력이 전달될 때 2차 감속이 이루어진다.

결국, 운전자가 주차 브레이크 장치를 작동시키면, 모터(12)에 전원이 인가되면서 구동기어(13)가 회전되고, 구동기어(13)의 회전으로 전달부재(14)를 통해 출력기어(15)로 감속된 회전력이 전달되면서 출력축(16)이 회전되는바, 출력축(16)을 통해 출력되어 전달되는 동력에 의해 주차 브레이크 장치가 작동되어 차량이 구속된다.

이와 같이 하여, 실시예의 구성에 대해 설명하였는바, 실시예의 구성이 가지는 이점을 도 5에 나타낸 비교예의 구성과 비교하여 설명하기로 한다.

먼저, 도 5에 나타낸 비교예는 하나의 전달부재(14)만을 사용한 것으로, 단일 전달부재(14)를 사용한 구성에서는 기어 간의 간극(Clearance)으로 인해 백래쉬가 크게 발생하고, 하중 작용시에 축 요소인 전달부재(14)에 가해지는 비틀림 토크가 상대적으로 크다.

반면, 실시예의 액츄에이터에서는 도 4에 나타낸 바와 같이 구동기어(13)와 출력기어(15)를 중심으로 좌우 양측에 각각 더블 웜(각 전달부재에 대해 '웜기어 + 웜휠'의 조합이 2개씩임) 구성이 배치되므로, 좌우 복수 개의 기어 물림(위상차)에 의한 백래쉬 저감의 효과가 있게 된다.

더불어, 두 전달부재(14)에 반대방향의 추력이 작용하므로 추력 감쇠가 이루어지면서 전달부재(14)에 작용하는 비틀림 토크 또한 상대적으로 작다.

따라서, 실시예의 액츄에이터에서는 비교예에 비해 백래쉬 및 비틀림 토크가 축소되면서 토크 전달 효율이 증대되는 이점이 있고, 기어 축계의 안정화에 의해 작동 소음이 저감되는 이점이 있다.

또한, 하중 작용시에 하나의 전달부재(14)를 사용하는 비교예에 비해 실시예의 경우 응력 분포가 분산될 수 있으므로 내마모 수명이 증대될 수 있고, 응력 분산에 의한 기어 마찰음(소음)이 감소하는 이점이 있게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 액츄에이터 11 : 케이스
12 : 모터 13 : 구동기어
14 : 전달부재 14a : 본체
14b : 제1기어부 14c : 제2기어부
15 : 출력기어 16 : 출력축
17 : 축지지부

Claims (6)

1. 케이스와;
   상기 케이스에 설치되고 동력을 제공하는 모터와;
   상기 모터의 회전축에 구비되는 구동기어와;
   상기 케이스 내부에 설치되고 구동기어의 회전력을 감속하여 전달하는 한 쌍의 전달부재와;
   출력축에 구비되어 상기 전달부재를 통해 전달되는 회전력을 추가 감속하여 상기 출력축을 통해 출력되도록 하는 출력기어;
   를 포함하는 전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 각 전달부재는 축 형상으로 구비되어 구동기어와 출력기어 사이를 길게 연결하도록 배치되고, 한 쌍의 전달부재가 구동기어와 출력기어를 중심으로 좌우 양측에 배치되는 것을 특징으로 하는 전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 각 전달부재는
   상기 케이스 내부에 회전 가능하게 설치되는 축 형상의 본체와;
   상기 본체의 일측에 구비되고 구동기어에 치합되어 결합되는 제1기어부와;
   상기 본체의 타측에 구비되고 출력기어에 치합되어 결합되는 제2기어부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 구동기어는 웜기어 형태로 구비되고, 상기 제1기어부는 웜휠 형태의 기어로 구비되는 것을 특징으로 하는 전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터.
   
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 제2기어부는 웜기어 형태로 구비되고, 상기 출력기어는 웜휠 형태의 기어로 구비되는 것을 특징으로 하는 전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터.
   
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 한 쌍의 전달부재가 구동기어와 출력기어를 중심으로 서로 대칭되는 형상 및 크기로 배치되는 것을 특징으로 하는 전자식 주차 브레이크 장치용 액츄에이터.

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