KR20180006760A - 전동식 조향장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는, 양측 단부가 타이로드에 연결되는 랙바; 상기 랙바의 외주면에 일정 간격으로 배열되는 복수의 코어; 상기 코어를 사이에 두고 그 양측에 배치되는 동일한 극성의 제1자석; 상기 제1자석과 코어 사이에 배치되는 제1자석과 다른 극성의 제2자석; 상기 코어, 제1자석 및 제2자석의 외측에 결합되는 고정자;를 포함하는 전동식 조향장치를 제공한다.

Description

전동식 조향장치{Electronic Power steering Apparatus for vehicle}

본 발명은 차량용 조향장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자속을 집중시킬 수 있도록 한 전동식 조향장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 조향시 운전자의 조타력을 저감시키기 위한 동력 보조 조향장치로는 유압펌프에서 유압을 형성하여 조타력을 어시스트(assist)하는 유압식 조향장치(Hydraulic Power Steering)와, 전동모터의 구동토크(회전력)를 이용하여 조타력을 어시스트하는 전동식 조향장치(Motor Driving Power Steering, MDPS)가 사용되고 있다.

최근에는 대부분 차량의 주행속도에 따라 조타력을 변화시키기 위해 전동식 조향장치가 탑재되고 있다.

이러한 전동식 조향장치는 토크센서(torque sensor), 제어부(ECU) 및 전동모터를 포함하며, 토크센서는 조향휠의 회전에 따른 입력축 및 출력축의 상대 회전 변위를 감지하여 전기적 신호를 생성하고 제어부로 전송하는 역할을 수행한다.

그리고 제어부는 토크센서로부터 조타력을 나타내는 토크 검출신호를 수신하여 차량의 주행상태에 따라 전동모터의 구동을 제어하기 위한 제어신호를 생성하고, 이를 통해 전동모터의 구동을 제어하게 된다.

이러한 전동식 조향장치(MDPS)의 일례로는 동력을 발생하는 모터와 이에 연결된 감속기인 웜축(worm shaft)이 조향축(steering shaft)과 연결되어 있는 웜휠(worm wheel)을 회전시켜 조타력을 어시스트하는 구조가 제시된 바 있다.

또한 MDPS(Motor Driven Power Steering) 중 랙 어시스트식 조향장치인 R-MDPS(Rack assist Motor Driven Power Steering)는 모터에 의한 구동토크를 받아 랙바(rack bar)의 축 이동을 구현하는 타입이다.

도 1은 종래기술에 따른 R-MDPS의 구성을 나타내는 사시도로서, 랙 하우징(10)의 내부에 랙바가 내장되며, 랙바의 양측 단부에는 각각 타이로드가 결합된다.

이러한 R-MDPS에서는 모터(20)의 회전력을 랙바의 축 방향 직선 이동력으로 전환해주기 위한 수단이 요구되는데, 예컨대 모터의 회전력을 랙바에 전달해주면서 회전력을 랙바의 축방향 직선 이동력으로 전환해주기 위한 구성 즉, 벨트와 풀리, 볼너트, 베어링, 스크류(screw) 타입의 랙바가 사용된다.

즉, 감속기 내부에서 볼너트가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된 상태로 랙바에 결합되고, 구동풀리가 모터의 구동축에, 종동풀리가 랙바에 결합된 볼너트에 회전력을 전달하도록 고정되며, 모터 쪽의 구동풀리와 볼너트 쪽의 종동풀리 간에는 벨트로 연결되어, 모터의 회전력을 풀리 및 벨트를 통해 랙바에 전달하게 된다.

여기서, 모터(20)는 회전모터로서, 이 회전모터의 토크를 이용하는 기존의 R-MDPS는 저 토크, 고 PRM의 자체 특성으로 인해 감속기의 역할과 더불어 토크를 증폭시킬 수 있는 복잡한 토크 증폭기구(구동풀리, 종동풀리, 벨트, 볼너트, 베어링, 스크류 타입 랙바 등)의 구성이 필요하다.

결국, 기존의 R-MDPS는 상기와 같은 복잡한 구성 및 부품 수 과다로 인해 내구성 및 조립성이 좋지 못한 단점을 가지며, NVH 성능이나 중량, 원가 측면에서도 여러 불리한 점을 가지고 있다.

아울러, 모터의 회전력을 벨트와 스크류 방식에 의해 랙바의 직선 이동력으로 전달 및 변환하는 구성이므로 응답성 및 에너지 효율 측면에서도 불리하여 개선이 필요한 실정이다.

한국공개특허 10-2010-0041425

본 발명은 전체적인 구조의 단순화를 도모하고, 응답성 및 에너지 효율을 높일 수 있는 전동식 조향장치를 제공한다.

본 발명의 목적은 전술한 바에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 전동식 조향장치는, 양측 단부가 타이로드에 연결되는 랙바; 상기 랙바의 외주면에 일정 간격으로 배열되는 복수의 코어; 상기 코어를 사이에 두고 그 양측에 배치되는 동일한 극성의 제1자석; 상기 제1자석과 코어 사이에 배치되는 제1자석과 다른 극성의 제2자석; 상기 코어, 제1자석 및 제2자석의 외측에 결합되는 고정자;를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 코어의 외주면에는 적어도 하나 이상의 노치가 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 고정자는 랙바의 외측을 감싸며 내부에 슬롯이 형성된 원통형의 몸체, 상기 슬롯에 권취되는 코일을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 코일은 코어, 제1자석, 제2자석과 이격 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 고정자와 이동자로 이루어지는 간단한 구성의 리니어 모터를 랙바와 랙 하우징 사이에 구성함으로써 전동식 조향장치의 구조 및 구성의 단순화가 가능해지며, 이에 따라 내구성 및 조립성이 개선될 수 있는 이점이 있게 된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 벨트를 이용한 에너지 전달이나 스크류에 의한 에너지 변환(회전력→직선 이동력) 등의 과정이 없는 직접적인 어시스트 방식이 적용됨으로써 조타감 및 응답성 향상, 에너지 효율 향상의 이점이 있게 된다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 일반적인 전동식 조향장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전동식 조향장치를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전동식 조향장치를 도시한 단면도이다.
도 4는 도 3의 ”A”부를 상세히 도시한 단면도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전동식 조향장치를 도시한 사시도이디.

도 2를 참고하면, 일 실시예에 의한 전동식 조향장치는, 기어박스의 랙 하우징에 내장되고 양단부가 좌, 우측의 타이로드에 연결되는 랙바, 구동부의 구동을 제어하기 위한 제어신호를 생성 및 출력하는 제어부(ECU), 제어부의 제어신호에 따라 랙바를 축 방향으로 선형 이동시키는 구동부를 포함한다.

랙바는 구동부의 구동력을 전달받아 축 방향으로 선형 이동을 하는 바, 랙바가 구동부에 의해 축 방향으로 선형 이동됨에 따라 차륜과 연결된 타이로드가 움직이면서 조향조작이 이루어지게 된다. 타이로드는 각각 좌, 우측 차륜을 지지하는 너클 암에 연결된다.

일 실시예에 의한 전동식 조향장치는 랙바의 위치를 검출하는 위치검출센서, 조향축의 토크를 측정하는 토크센서를 더 포함하며, 제어부는 토크센서와 위치검출센서의 검출신호에 기초하여 고정자를 자화시킴으로써 보조 조향력을 생성시키게 된다.

랙바, 토크센서, 위치검출센서 및 제어부는 전동식 조향장치의 일반적인 구성이므로 본 명세서에서는 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 전동식 조향장치를 도시한 단면도이며, 도 4는 도 3의 ”A”부를 상세히 도시한 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참고하면, 일 실시예에 의한 전동식 조향장치는 랙바(110), 이동자, 고정자를 포함한다.

랙바(110)는 대략 원통형으로 이루어지며, 랙 하우징에 내장되고, 양측 단부가 각각 타이로드에 연결된다.

이동자는 랙바(110)의 외주면에 일정 간격으로 배열되는 복수의 코어(130), 코어(130)를 사이에 두고 그 양측에 배치되는 동일한 극성의 제1자석(140), 제1자석(140)과 코어(130) 사이에 배치되는 제1자석(140)과 다른 극성의 제2자석(150)을 포함한다. 제1자석(140)과 제2자석(150)은 영구자석으로 이루어질 수 있다.

고정자(120)는 랙바(110)의 외경에 결합되는 원통형의 몸체, 몸체의 내부에 권취되는 코일을 포함한다. 즉, 고정자(120)는 원통형 철심의 슬롯에 코일을 권선한 구성을 가지며, 원통형의 고정자(120), 즉 권선 코일을 이동자의 주변을 둘러싸도록 리니어 모터의 하우징(도시 생략) 내주면에 고정 설치하여 구성된다.

이때, 고정자(120)를 구성하는 원통형의 권선 코일과 이동자를 구성하는 코어(130) 및 영구자석 사이에는 간극을 가지도록 배치한다.

이러한 리니어 모터의 구동 및 그 제어는 토크센서 및 위치검출센서의 검출신호(조향 토크 및 랙바의 위치)에 기초하여 제어부가 고정자(120)의 코일에 인가되는 전류를 제어함으로써 이루어진다. 즉, 고정자(120)의 코일에 전류를 통과시키면 코일 주위에 자속이 발생하여, 이것이 자석에서 발생하는 자속과 작용하여 추력이 발생한다. 추력의 크기는 전류와 자속의 곱에 비례한다.

예컨대, 고정자(120)의 코일로 교번하는 전력을 보내주게 되면, 고정자(120)와 이동자의 사이에 작용하는 전자력에 의해 영구자석을 포함한 이동자가 어느 한 방향으로 이동하게 된다.

이때, 고정자(120)의 코일로 공급되는 전류의 방향을 바꿔주게 되면, 이동자는 반대쪽 방향으로 이동하게 된다.

이와 같이 이동자가 고정자(120) 측으로 공급되는 전류의 방향에 따라 좌측 방향 또는 우측 방향으로 이동하게 되고, 이로써 분기된 각 축 및 랙바(110), 좌, 우측의 타이로드가 일체로 축 방향 선형 이동을 하여 좌, 우측의 차륜이 움직이면서 조향조작이 이루어지게 된다.

한편, 일 실시예에서는 코어(130)와 코어(130) 사이에 서로 다른 극성의 제1자석(140) 및 제2자석(150)이 교번 배치되고, 어느 하나의 코어(130)의 양측에는 서로 동일한 극성의 자석이 배치된다. 이에 따라 코어(130)를 중심으로 자속을 집중시킬 수 있으며, 집중된 자속은 모터의 높은 출력을 생성하게 된다.

또한, 코어(130)의 외주면에는 적어도 하나 이상의 노치(131)가 형성되어 모터에서 발생하는 리플(ripple)을 저감시킬 수 있다.

따라서, 일 실시예에 따르면, 고정자(120)와 이동자로 이루어지는 간단한 구성의 리니어 모터를 랙바(110)와 랙 하우징 사이에 구성함으로써 전동식 조향장치의 구조 및 구성의 단순화를 도모할 수 있고, 이에 따라 전동식 조향장치의 내구성 및 조립성이 개선될 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 기존의 벨트를 이용한 에너지 전달이나 스크류에 의한 에너지 변환(회전력→직선 이동력) 등의 과정이 없는 자속 집중에 의한 직접적인 어시스트 방식이 적용됨으로써 조타감 및 응답성 향상, 에너지 효율 향상을 유도할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

즉, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

따라서, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110; 랙바
120; 고정자 121; 고정자 몸체
122; 코일
130; 코어 131; 노치
140; 제1자석 150; 제2자석

Claims (4)

1. 양측 단부가 타이로드에 연결되는 랙바;
   상기 랙바의 외주면에 일정 간격으로 배열되는 복수의 코어;
   상기 코어를 사이에 두고 그 양측에 배치되는 동일한 극성의 제1자석;
   상기 제1자석과 코어 사이에 배치되는 제1자석과 다른 극성의 제2자석;
   상기 코어, 제1자석 및 제2자석의 외측에 결합되는 고정자;
   를 포함하는 전동식 조향장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 코어의 외주면에는 적어도 하나 이상의 노치가 형성되는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 고정자는 랙바의 외측을 감싸며 내부에 슬롯이 형성된 원통형의 몸체, 상기 슬롯에 권취되는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 코일은 코어, 제1자석, 제2자석과 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 전동식 조향장치.

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