KR20180025913A - 스핀들 드라이브 및 스핀들 드라이브를 갖춘 액추에이터 - Google Patents

스핀들 드라이브 및 스핀들 드라이브를 갖춘 액추에이터 Download PDF

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KR20180025913A
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헨닝 슈벤케
슈테판 슈미트
프랑크 브링크만
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젯트에프 프리드리히스하펜 아게
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Abstract

본 발명은, 스핀들 스레드(2a)를 갖는 스핀들(2), 너트 스레드(3a)를 갖는 스핀들 너트(3)를 포함하는 스핀들 드라이브(1)에 관한 것으로, 상기 스핀들 스레드(2a) 및 너트 스레드(3a)는 헤드 간극(5)과 루트 간극(6) 그리고 플랭크 간극을 갖는 병진 스레드(4)로서 형성된다. 본 발명에 따라, 스핀들(2) 및 스핀들 너트(3)는 감소된 헤드 간극(5) 및/또는 감소된 루트 간극(6)을 통해 센터링될 수 있다.

Description

스핀들 드라이브 및 스핀들 드라이브를 갖춘 액추에이터
본 발명은, 특허 청구항 1의 전제부에 따라 스핀들 스레드를 갖는 스핀들 및 너트 스레드를 갖는 스핀들 너트를 포함하는 스핀들 드라이브 및 특허 청구항 13의 전제부에 따른, 스핀들 드라이브를 갖춘 액추에이터에 관한 것이다.
스핀들 드라이브는 공지되어 있고, 다양한 사용 목적을 위해 사용되는데, 예를 들면 사다리꼴 스레드, 직사각형 스레드 또는 톱 형상 스레드로서 형성될 수 있는 자체 로킹(self-locking) 병진 스레드를 갖춘 서보 모터로서 사용된다. 사다리꼴 스레드는 헤드(이끝, top of tooth) 간극 및 루트(이뿌리, root of tooth) 간극 그리고 플랭크 간극을 가지며, 축방향 하중용으로 설계되었고, 횡력에 의해 하중을 받지 않아야 한다. 사다리꼴 스레드의 경우에는 스핀들 너트에 대한 스핀들의 센터링이 플랭크를 통해 이루어지기 때문에, 이를 플랭크 센터링이라고 지칭한다. 그럼에도, 스핀들 축과 너트 축의 오프셋(offset)을 야기하는 횡력이 발생하면, 스핀들 스레드 및 너트 스레드의 플랭크들이 끼이게 되고, 결과적으로 걸림(jamming) 및 저항 증가, 다시 말해 구동 모멘트 증가 또는 스핀들 드라이브의 고장까지도 발생할 수 있다. 이를 피하기 위하여, 병진 스레드 외부에서 원형 센터링을 제공하는 방법이 공지되어 있지만, 이는 축방향으로 추가 설치 공간 및 비용 증가를 야기한다.
또한, 액추에이터 내에 서보 모터라고도 지칭되는 스핀들 드라이브를 사용하는 것도 공지되어 있다. 동일 출원인의 과거의 출원(제10 2014 206 934.3호)에서, 자동차의 후방 휠 조향 장치를 위한 스핀들 드라이브를 갖춘 액추에이터가 공지되었다. 이와 같은 사용 목적에 기인하여, 스핀들은 축력에 의한 하중뿐만 아니라 휨 하중까지도 받게 되며, 이로 인해 스핀들 드라이브의 병진 스레드 내에서 횡력이 발생할 수 있다. 이로부터, 상황에 따라 스핀들과 스핀들 너트 사이에 더 이상 동심성(coaxiality)이 없어지게 되고, 이로 인해 스핀들 드라이브의 기능이 적어도 제한될 수도 있다.
본 발명의 토대가 되는 문제는 독립 특허 청구항 1 및 11에 의해 해결된다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 제시되어 있다.
본 발명의 제1 양태에 따라, 스핀들 드라이브의 경우에는, 스핀들 및 스핀들 너트가 감소된 헤드 간극 및/또는 루트 간극의 덕택으로 센터링될 수 있다. 공지되고 표준화된 병진 스레드와 달리, 본 발명에 따른 병진 스레드는 감소된 헤드 간극 또는 감소된 루트 간극을 갖거나, 감소된 헤드 간극과 감소된 루트 간극을 모두갖는다. 감소된 헤드 간극 및/또는 루트 간극에 의해, 공지된 사다리꼴 스레드의 경우에서와 마찬가지로 플랭크 센터링이 배제되고, 오히려 각각 스핀들 스레드와 너트 스레드 간의 감소된 반경방향 간극을 통해 센터링이 이루어진다. 걸림(jamming) 또는 끼임(sticking)은 더 이상 발생할 수 없는데, 그 이유는 상응하는 이끝원 및 이뿌리원을 통한 센터링으로 인해 스핀들 스레드와 너트 스레드 간의 동심성이 보장되기 때문이다.
바람직한 일 실시예에 따라, 병진 스레드는 사다리꼴 스레드로서 형성되는데, 다시 말해 본 발명은 공지되고 표준화된 사다리꼴 스레드(DIN 103)에 기반하며, 상기 표준화된 사다리꼴 스레드가 감소된 헤드 간극 및/또는 루트 간극이 존재하도록 변형된다. 사다리꼴 스레드는 대칭성 스레드 횡단면을 갖기 때문에 양쪽 축방향으로 동일한 하중을 받을 수 있다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따라, 헤드 간극 및/또는 루트 간극은 미끄럼 또는 슬라이딩 끼워 맞춤부로서 형성된다. 즉, 대응되는 이끝원 직경과 이뿌리원 직경 간의 공차가, 스핀들의 원주 면과 너트의 원주 면 간에 항상 미끄럼 동작이 실시될 수 있도록 치수 설계된다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따라, 너트 스레드는 축소된 이뿌리원 직경을 갖는데, 다시 말하자면 본 발명에 따른 너트 스레드의 이뿌리원 직경은 공지된 사다리꼴 스레드의 이뿌리원 직경에 비해, 헤드 간극이 최소로 감소할 정도로 축소된다. 스핀들 스레드의 이끝원 직경은 표준화된 사다리꼴 스레드에 비해 변경 없이 유지된다. 그와 마찬가지로, 루트 간극도 변경되지 않는다. 본 실시예는 특히 제조 기술적인 장점을 가지며, 즉, 너트 스레드의 절단 시 유리하다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따라, 스핀들 스레드는 확대된 이끝원 직경을 갖는 한편, 너트 스레드의 이뿌리원 직경은 표준 스레드에 비해 변경 없이 유지된다. 이로써, 마찬가지로 감소된 헤드 간극 또는 루트 간극, 그리고 더 큰 외경을 갖는 스핀들이 형성된다.
바람직하게, 너트 스레드는 축소된 이끝원 직경을 갖는데, 다시 말하자면 너트 스레드의 이끝원 직경은 공지된 사다리꼴 스레드의 이끝원 직경에 비해, 루트 간극이 최소로 감소할 정도로 축소된다. 스핀들 스레드의 이뿌리원 직경은 표준화된 사다리꼴 스레드에 비해 변경 없이 유지된다.
한 바람직한 실시예에서, 스핀들 스레드는 확대된 이끝원 직경을 갖는 한편, 너트 스레드의 이끝원 직경은 표준 스레드에 비해 변경 없이 유지된다. 이로써, 마찬가지로 감소된 루트 간극 또는 반경방향 간극, 그리고 확대된 이뿌리원 직경을 갖는 스핀들이 형성된다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따라, 헤드 간극 및/또는 루트 간극은 각각 플랭크 간극의 반경방향 비율보다 더 작다. 즉, 스핀들 드라이브의 작동 시 동심성을 악화시키는, 다시 말해 스핀들 축과 너트 축의 오프셋을 야기하는 횡력이 발생하면, 먼저 반경방향 간극이 0이 되는 동시에 0보다 큰 또 하나의 축방향 간극이 존재하게 된다. 이로써, 병진 스레드의 걸림이 방지된다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따라, 이끝원 면과 플랭크들 사이에 제1 전이 윤곽이 제공되고, 이뿌리원 면과 플랭크들 사이에 제2 전이 윤곽이 제공되며, 이들 전이 윤곽 사이에 갭이 남겨진다. 따라서, 병진 스레드 주변을 둘러싸는 모서리 영역들에 재료가 걸리거나 끼이는 현상이 방지된다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따라, 전이 윤곽들이 상이한 반경으로서 형성되며, 이 경우 이뿌리원 전이 영역에 상대적으로 더 작은 반경이 제공되고, 이끝원 전이 영역에 상대적으로 더 큰 반경이 제공된다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따라, 전이 윤곽들은 그들 사이에 환형 간극이 남겨지는 챔퍼(chamfer)로서, 다시 말해 경사지게 깎인 에지로서 형성된다.
또 다른 바람직한 일 실시예에 따라, 스핀들 스레드는 원통형의 이끝원 면을 갖고, 너트 스레드는 원통형의 이뿌리원 면을 가지며, 이들 면은 미끄럼 베어링과 마찬가지로 서로를 향해 미끄러지면서 센터링을 구현한다. 원통형 형상으로 인해 최대의 면적, 다시 말해 최소의 표면 압축이 달성된다.
본 발명의 또 다른 일 양태에 따라, 본 발명에 따른 스핀들 드라이브가 액추에이터, 특히 바람직하게는 자동차의 후방 휠 조향 장치용 액추에이터에서 사용된다. 도입부에서 선행 기술과 관련하여 언급된 바와 같이, 이와 같은 액추에이터의 경우에는, 스핀들 스레드와 너트 스레드의 동심성을 방해할 수 있는 휨 하중이 스핀들 내에서 발생한다. 이 경우, 본 발명에 따른 센터링은 추가의 축방향 설치 공간 없이, 감소된 반경방향 간극을 통해 특히 바람직하게 구현되는데, 그 이유는 횡력이 발생하여도 스핀들 드라이브의 능률이 보장되기 때문이다. 후방 휠 조향 장치는 안전 관련 시스템이므로, 작동 안전의 장점이 매우 중요하다.
본 발명의 실시예들은 도면에 도시되어 있고, 이하에서 더 상세하게 기술되며, 명세서 및/또는 도면부에 또 다른 특징들 및/또는 장점들이 제시되어 있다.
도 1은 병진 스레드의, 감소된 헤드 간극을 갖는 스핀들 드라이브의 단면도이다.
도 2는 감소된 헤드 간극의 확대도이다.
도 2a는 확대된 전이 윤곽(반경)을 갖는 도 2의 부분(X)의 상세도이다.
도 3은 전이 윤곽(챔퍼)에 대한 또 다른 실시예를 도시한 도이다.
도 4는 감소된 루트 간극을 갖는 스핀들 드라이브에 대한 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예로서, 스핀들 스레드(2a)를 갖는 스핀들(2)과 너트 스레드(3a)를 갖는 스핀들 너트(3) 그리고 회전축(a)을 포함하는 스핀들 드라이브(1)의 단면을 보여준다. 스핀들 스레드 또는 볼트 스레드(2a)는 너트 스레드(3a)와 함께 병진 스레드(4)를 형성하며, 이 병진 스레드는 바람직하게 사다리꼴 스레드로서 형성되고, 그 구조는 DIN 103에 따라 공지된 사다리꼴 스레드에 기반한다. 스핀들 스레드(2a) 및 너트 스레드(3a)의 축들이 회전축(a)과 일치할 경우, 동심성이 구현된다. 표준화된 사다리꼴 스레드는 헤드 간극(5)과, 반경방향 간극이라고도 지칭되는 루트 간극(6)을 갖는다. 추가로, 표준화된 사다리꼴 스레드는 축방향 간극이라고도 지칭되는 플랭크 간극을 갖는다. 표준화된 사다리꼴 스레드는 플랭크 센터링되는데, 다시 말해 스핀들 스레드 및 너트 스레드의 스레드 축들의 오프셋이 플랭크들을 통해 차단됨으로써, 스핀들 스레드의 이끝원과 너트 스레드의 이뿌리원 사이에 반경방향 접촉이 발생하지 않게 된다. 본 발명에 따른 스핀들 스레드(2a)는, 표준화된 사다리꼴 스레드의 이끝원 직경에 상응하는 이끝원 직경(dK0)을 갖는다. 너트 스레드(3a)는, 표준화된 너트 스레드의 이뿌리원 직경(DF0)에 비해 축소된 이뿌리원 직경(DF1)을 가지며, 다시 말해 DF1 < DF0이다. 너트 스레드(3a)의 이뿌리원 직경이 감소함으로써 헤드 간극(5)은 미끄럼 접촉부를 제외하고 감소하며, 그에 따라 스핀들 스레드(2a)는 자신의 이끝원(dK0)에 걸쳐 너트 스레드(3a)의 이뿌리원(DF1)에 대해 센터링된다. 스핀들(2)과 너트(3) 간의 동심성이 방해를 받게 되면 반경방향 미끄럼 접촉이 발생하게 되고, 다시 말해 반경방향 간극이 실제로 0이 되며, 그와 동시에, 이하에서 도 2와 관련하여 설명되겠지만, 축방향 간극이라고도 지칭되는 플랭크 간극이 더 존재한다. 스핀들 스레드(2a)와 너트 스레드(3a) 사이의 루트 간극(6)은 표준화된 사다리꼴 스레드의 루트 간극(6)에 상응하고, 이로써 변동이 없다.
도 2는, 스핀들 스레드(2a)와 너트 스레드(3a) 간의 감소된 헤드 간극의 확대 단면을 보여준다. 스핀들 스레드(2a)의 사다리꼴 프로파일은 하나의 원통형 이끝원 면(2b)과, 제1 전이 윤곽(7)을 통해 서로 이어지는 2개의 플랭크(2c, 2d)를 갖는다. 너트 스레드(3a)의 사다리꼴 프로파일은 하나의 원통형 이뿌리원 면(3b)과, 제2 전이 윤곽(8)을 통해 서로 이어지는 2개의 플랭크(3c, 3d)를 갖는다. 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 이끝원 면(2b)은 이뿌리원면(3b)에 간극 없이 접하는데, 다시 말해 원통형으로 형성된 면들(2b, 3b) 사이에 미끄럼 접촉이 존재하고, 이들 면은 하나의 미끄럼 베어링을 형성한다. 이 경우, 표준 스레드용으로 공지된 헤드 간극이 실제로 0으로 감소한다. 바람직하게, 원통형의 외부원 면 또는 이끝원 면(2b)과 원통형의 내부원 면 또는 이뿌리원 면(3b) 사이에, 최소 및 최대 헤드 간극을 정의하는 미끄럼 또는 슬라이딩 끼워 맞춤이 형성된다.
도 2는 또한, 플랭크 간극(9)이라고도 지칭되는 축방향 간극(9)을 보여주는데, 다시 말하자면 스핀들 스레드(2a)의 플랭크(2d)와 너트 스레드(3a)의 플랭크(3d) 사이에 존재하는 축방향 간격을 보여준다. 본 도면으로부터, 본 발명에 따라 감소된 헤드 간극의 경우 플랭크(2d, 3d 또는 2c, 3c)의 끼임 현상이 발생할 수 없다는 것을 알 수 있는데, 그 이유는 축방향 간극(9)의 반경방향 비율이 플랭크 간극의 반경방향 비율보다 항상 더 크기 때문이다. 여기서는 위에서 이미 언급한 루트 간극(6)도 명확하게 확인할 수 있다.
도 2a는, 도 2의 일부분(X), 다시 말해 전이 윤곽(7, 8)을 확대한 도해를 보여준다. 2개의 전이 윤곽(7, 8)은 반경(r, R)으로서 형성되며, 이 경우 너트 스레드(3a)에서의 반경(r)이 스핀들 스레드(2a)에서의 반경(R)보다 작게 치수 설계됨으로써, 상기 두 전이 윤곽(7, 8) 사이에 주변을 둘러싸는 갭(10)이 형성된다. 그럼으로써, 모서리 영역에서의 걸림 또는 끼임 현상이 방지된다.
도 3은, 본 도면에서 너트 스레드(3a)에 있는 제1 챔퍼(12) 및 스핀들 스레드(2a)에 있는 제2 챔퍼(11)로서 형성되어 있는 전이 윤곽들에 대한 또 다른 실시예를 보여준다. 2개의 챔퍼(11, 12) 사이에는 갭(13)이 남겨져 있다.
도 4는, 스핀들 스레드(22a)를 갖는 스핀들(22), 너트 스레드(23a)를 갖는 스핀들 너트(23), 그리고 회전축(a)을 포함하는 스핀들 드라이브(21)에 대한 본 발명의 또 다른 실시예를 보여준다. 스핀들 스레드(22a) 및 너트 스레드(23a)는, 사다리꼴 스레드로서 형성되었고 표준화된 사다리꼴 스레드로부터 파생된 병진 스레드(24)를 형성한다. 표준 스레드는 헤드 간극(25)과, 반경방향 간극이라고도 지칭되는 루트 간극(26)을 갖는다. 본 발명에 따른 이 변형예에서는 루트 간극(26)이 감소되어 있고, 특히 바람직하게는 미끄럼 또는 슬라이딩 끼워 맞춤부까지 감소되어 있다. 헤드 간극(25)은 그대로 유지된다. 이로써, 너트(23)에 대한 스핀들(22)의 센터링은 감소된 루트 간극(26)을 통해 이루어지며, 이는 바람직하게 표준 스레드의 선택적 변형에 의해 달성된다. 변형 중 하나는 스핀들 스레드에서 수행되며, 표준 스레드의 이뿌리원 직경(dF0)을 본 발명에 따른 이뿌리원 직경(dF1)으로 확대하는 것과 관련된다. 너트 스레드(23a)의 이끝원 직경(DK0)은 변경 없이 유지되며, 헤드 간극(25)도 마찬가지다. 또 다른 변형은 너트 스레드에서 수행되며, 이 변형에서는 표준 스레드의 이끝원 직경(DK0)이 축소되고, 특히 이끝원 직경(DK1)으로 축소됨으로써, 결과적으로 DK1 < DK0의 관계가 적용된다. 그에 상응하게, 제1 변형예의 경우에는 dF1 > dF0의 관계가 적용된다.
도면에 도시되어 있지 않은 한 이론적인 추가 변형예는, 헤드 간극뿐만 아니라 루트 간극도 감소되는 예이다.
1: 스핀들 드라이브
2: 스핀들
2a: 스핀들 스레드
2b: 이끝원 면
2c: 플랭크
2d: 플랭크
3: 스핀들 너트
3a: 너트 스레드
3b: 이뿌리원 면
3c: 플랭크
3d: 플랭크
4: 병진 스레드
5: 헤드 간극
6: 루트 간극
7: 제1 전이 윤곽
8: 제2 전이 윤곽
9: 플랭크 간극
10: 갭
11: 챔퍼
12: 챔퍼
13: 갭
21: 스핀들 드라이브
22: 스핀들
22a: 스핀들 스레드
23: 스핀들 너트
23a: 너트 스레드
24: 병진 스레드
25: 헤드 간극
26: 루트 간극
a: 회전축
dK0: 이끝원 직경, 스핀들(표준)
dK1: 이끝원 직경, 스핀들, 확대됨
dF0: 이뿌리원 직경, 스핀들(표준)
dF1: 이뿌리원 직경, 스핀들, 확대됨
DK0: 이끝원 직경, 너트(표준)
DK1: 이끝원 직경, 너트, 축소됨
DF0: 이뿌리원 직경, 너트(표준)
DF1: 이뿌리원 직경, 너트, 축소됨
r: 전이 윤곽의 반경
R: 전이 윤곽의 반경

Claims (14)

  1. 스핀들 스레드(2a, 22a)를 갖는 스핀들(2, 22), 너트 스레드(3a, 23a)를 갖는 스핀들 너트(3, 23)를 포함하는 스핀들 드라이브로서, 상기 스핀들 스레드(2a, 22a) 및 너트 스레드(3a, 23a)는 헤드 간극(5, 25), 루트 간극(6, 26), 및 플랭크 간극(9)을 갖는 병진 스레드(4, 24)로서 형성되는, 스핀들 드라이브에 있어서,
    스핀들(2, 22) 및 스핀들 너트(3, 23)는 감소된 헤드 간극(5, 25) 및/또는 감소된 루트 간극(6, 26)을 통해 센터링될 수 있는 것을 특징으로 하는, 스핀들 드라이브.
  2. 제1항에 있어서, 상기 병진 스레드는 사다리꼴 스레드(4, 24)로서 형성된 것을 특징으로 하는, 스핀들 드라이브.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 헤드 간극(5, 25) 및/또는 루트 간극(6, 26)이 미끄럼 또는 슬라이딩 끼워 맞춤부(2b, 3b)로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 스핀들 드라이브.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 너트 스레드(3a)는 축소된 이뿌리원 직경(DF1)을 갖는 것을 특징으로 하는, 스핀들 드라이브.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 스핀들 스레드(2a)는 확대된 이끝원 직경(dK1)을 갖는 것을 특징으로 하는, 스핀들 드라이브.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 너트 스레드(3a)는 축소된 이끝원 직경(DK1)을 갖는 것을 특징으로 하는, 스핀들 드라이브.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 스핀들 너트(2a)가 확대된 이뿌리원 직경(dF1)을 갖는 것을 특징으로 하는, 스핀들 드라이브.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 헤드 간극(5, 25) 및/또는 루트 간극(6, 26)이 플랭크 간극(9)의 반경방향 비율보다 작게 치수 설계되는 것을 특징으로 하는, 스핀들 드라이브.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 스핀들 스레드(2a)가 이끝원 면(2b)과 플랭크들(2c, 2d) 사이에 제1 전이 윤곽(7, 11)을 갖고, 너트 스레드(3a)가 이뿌리원 면(3b)과 플랭크들(3c, 3d) 사이에 제2 전이 윤곽(8, 11)을 가지며, 상기 제1 전이 윤곽과 제2 전이 윤곽(7, 8; 11, 12) 사이에 주변을 둘러싸는 갭(10, 13)이 남겨지는 것을 특징으로 하는, 스핀들 드라이브.
  10. 제9항에 있어서, 전이 윤곽들(7, 8)이 상이한 반경(R, r)으로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 스핀들 드라이브.
  11. 제9항에 있어서, 전이 윤곽들이 챔퍼(11, 12)로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 스핀들 드라이브.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 스핀들 스레드(2a, 22a)가 원통형의 이끝원 면(2b)을 가지고, 너트 스레드(3a, 23a)가 원통형의 이뿌리원 면(3b)을 가지며, 상기 이끝원 면(2b)과 이뿌리원 면(3b)이 대응 미끄럼 면들을 형성하는 것을 특징으로 하는, 스핀들 드라이브.
  13. 스핀들 드라이브를 갖춘, 후방 축 조향 장치용 액추에이터에 있어서,
    제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 스핀들 드라이브(1, 21)가 형성되는 것을 특징으로 하는, 후방 축 조향 장치용 액추에이터.
  14. 제13항에 따른 액추에이터를 갖춘 후방 축 조향 장치.
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