KR20200002402A

KR20200002402A - 전동 기어 조향 장치

Info

Publication number: KR20200002402A
Application number: KR1020180075860A
Authority: KR
Inventors: 고경민; 박정식; 안상희
Original assignee: 주식회사 만도
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2020-01-08
Also published as: KR102598139B1

Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 회전 구동력을 조향을 위한 직선 운동으로 변환하는 기어 유닛; 및 상기 기어 유닛에 회전 구동력을 전달하는 구동 유닛; 을 포함하고, 상기 구동 유닛은, 제1 액추에이터 및 제2 액추에이터와, 상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터에 각각 결합되어 회전하는 제1 웜 및 제2 웜과, 상기 제1 웜 및 상기 제2 웜과 치합되어 회전하는 웜휠을 포함하는 전동 기어 조향 장치가 제공된다.

Description

전동 기어 조향 장치{ELECTRIC GEAR STEERING APPARATUS}

본 발명은 전동 기어 조향 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 전동 방식을 통해 고출력을 낼 수 있어 상용차에도 전동 파워 스티어링을 구현할 수 있게 해주는 전동 기어 조향 장치에 관한 것이다.

종래 버스, 트럭 등 상용차에 적용되는 조향 장치는 운전자의 조향 의지를 스티어링 휠(Steering Wheel), 컬럼(Column), 인터미디에이트 샤프트(Intermediate Shaft), 스티어링 기어(Steering Gear), 피트넘 암(Pitman Arm) 및 링크(Link)를 거쳐 차륜으로 전달한다. 이 가운데 스티어링 기어는 유압펌프 및 관련 부품과 연결되어 유압을 제공함으로써 조향 시 운전자의 힘이 적게 들도록 파워 어시스트를 수행한다.

즉, 상용차용 조향 장치는 유압식으로 파워 스티어링을 구현하며, 유압을 생성하는 유압펌프, 작동유를 저장하는 리저버(Reservoir) 및 유압라인을 포함한다. 유압펌프는 자동차의 엔진 및 리저버에 연결되어 유압을 생성하고, 생성된 유압은 유압라인을 통해 스티어링 기어로 전달되며, 스티어링 기어가 조향 방향에 따라 랙 피스톤 압력을 배분하여 조향력을 보조하게 된다.

이와 같은 유압식 조향 장치는 몇 가지 문제점을 가지고 있다. 우선, 유압펌프가 엔진에 연결되어 엔진의 출력을 소모하므로 연비를 저하시킨다. 또한, 유압펌프, 리저버 및 유압라인 등 유압 관련 부품이 설치되어야 하므로 차량 내 공간의 효율성을 떨어뜨리고 비용을 상승시킨다. 또한, 작동유의 사용으로 인한 환경 오염 유발의 개연성도 높다. 또 한편, 전자식 제어가 불가능하므로 차선 유지, 자동 주차, 제동 등 타 시스템과의 협조 등과 같은 운전자 편의기능의 제공이 어렵다.

전술한 문제점들을 해결하기 위해서는 전동식 조향 동력 장치의 적용이 필요한데, 종래 전동식 조향 장치로는 상용차의 조향에 필요한 고출력을 얻는 것이 어려운 실정이다.

한국 등록특허 제10-0358999호 “차량용 조향 안정성 향상장치”, 2002. 12. 18 등록공고

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로,

본 발명은 전동 방식을 통해 고출력을 낼 수 있어 상용차에도 전동 파워 스티어링을 구현할 수 있게 해주는 전동 기어 조향 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 조향력 보조를 위한 유압 관련 부품들을 삭제하고, 2 이상의 액추에이터를 통해 고출력을 달성하되, 주행 중 하나의 액추에이터가 고장난 경우에도 나머지 하나의 작동이 가능하여 안전 성능이 향상된 전동 기어 조향 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 평행하게 배치된 2개의 웜을 통해 하나의 웜휠을 회전시킴으로써 편력의 발생을 방지하며 안정적으로 조향 보조력을 제공하는 전동 기어 조향 장치를 제공하고자 한다.

이 때, 상기 기어 유닛은 상기 웜휠의 회전축 상에 배치된 볼 스크류와, 상기 볼 스크류에 결합된 볼 너트와, 상기 볼 너트에 치합된 섹터 샤프트를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터는 독립적으로 제어될 수 있다.

또한, 상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터는 인접하여 나란히 배치될 수 있다.

또한, 상기 제1 웜의 회전축과 상기 제2 웜의 회전축은 각각 상기 웜휠의 회전축과 수직을 이룰 수 있다.

또한, 상기 제1 웜 및 상기 제2 웜은 평행하게 배치되어 각각 상기 웜휠의 일측과 타측에 치합될 수 있다.

또한, 상기 기어 유닛은 상기 웜휠과 상기 볼 너트 사이에 배치되어 상기 볼 스크류를 회전 가능하게 지지하며 스러스트 하중을 받는 베어링을 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 베어링은 테이퍼드 로울러 베어링일 수 있다.

한편, 상기 구동 유닛은, 차량의 스티어링 휠의 조향 토크를 전달 받아 회전하는 인풋 샤프트와, 상기 인풋 샤프트의 회전에 따라 비틀리도록 배치된 토션 바와, 상기 토션 바의 비틀림 정보를 전자 제어 유닛에 전달하는 토크 센서를 더 포함하고, 상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터는 상기 전자 제어 유닛의 제어에 따라 제어될 수 있다.

이 때, 상기 전자 제어 유닛은 상기 토크 센서로부터 전달된 상기 토션 바의 비틀림 정보에 근거하여 상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전동 기어 조향 장치는 전동 방식을 통해 고출력을 낼 수 있어 상용차에도 전동 파워 스티어링을 구현할 수 있게 해준다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 기어 조향 장치에 의하면 조향력 보조를 위한 유압 관련 부품들을 삭제하고, 2 이상의 액추에이터를 통해 고출력을 달성하되, 주행 중 하나의 액추에이터가 고장난 경우에도 나머지 하나의 작동이 가능하여 안전 성능이 향상된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 기어 조향 장치는 평행하게 배치된 2개의 웜을 통해 하나의 웜휠을 회전시킴으로써 편력의 발생을 방지하며 안정적으로 조향 보조력을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 기어 조향 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 기어 조향 장치의 제1 웜, 제2 웜 및 웜휠의 배치를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전동 기어 조향 장치의 사시도이다.
도 5는 도 4의 B-B'에 따른 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 도면에서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하였다.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 기어 조향 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A'에 따른 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 기어 조향 장치(1)는, 기어 유닛(100) 및 구동 유닛(300)을 포함한다.

이하에서 구성을 상세하게 설명함에 있어서, 기어 유닛(100)에 상대적으로 가까운 쪽을 하방향 또는 하부, 구동 유닛(300)에 상대적으로 가까운 쪽을 상방향 또는 상부로 기술한다.

기어 유닛(100)은 회전 구동력을 조향을 위한 직선 운동으로 변환한다. 더욱 상세하게 살펴보면, 기어 유닛(100)은 구동 유닛(300)의 회전 구동력을 직선 운동으로 변환하여 차륜 측으로 전달하여 조향이 이루어질 수 있게 해준다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 기어 유닛(100)은 볼 너트 기어로 이루어질 수 있는데, 이 때, 기어 유닛(100)은 볼 스크류(110), 볼 너트(120), 섹터 샤프트(130), 베어링(140) 등을 포함하며, 이들은 기어 하우징(150) 내에 배치될 수 있다.

볼 스크류(110)는 기어 하우징(150) 내에 회전 가능하게 배치되며, 외주면에 나선형으로 형성된 그루브(111)를 포함하고 있다. 또한, 볼 너트(120)는 볼 스크류(110)에 결합되어 볼 스크류(110)의 회전에 따라 상방향 또는 하방향으로 직선거동을 한다. 볼 너트(120)의 내주면에는 나선형으로 그루브(121)가 형성되어 있으며, 볼 스크류(110)의 외주면과 볼 너트(120)의 내주면 사이 즉, 볼 스크류(110)의 그루브(111)와 볼 너트(120)의 그루브(121)에 의해 형성되는 통로에는 볼(122)이 배치된다. 볼(122)을 매개로 볼 스크류(110)와 볼 너트(120)는 회전운동을 직선운동으로 변환한다. 또한, 볼(122)은 볼 스크류(110)와 볼 너트(120) 사이의 마찰력을 감소시켜 주기도 한다. 이 때, 볼 너트(120)는 볼(122)의 순환을 위한 리서큘레이터(123)를 포함할 수 있다.

섹터 샤프트(130)는 볼 너트(120)의 외주면에 형성된 기어부(124)에 치합되어 있으며, 볼 너트(120)의 상하 거동에 따라 회전 거동한다. 섹터 샤프트(130)는 피트먼 암(미도시)와 연결되어 있으며, 회전 거동하며 상기 피트먼 암을 작동시켜 조향력을 차륜 쪽으로 전달한다.

한편, 베어링(140)은 볼 스크류(110)를 회전 가능하게 지지하며 스러스트 하중을 받는다. 베어링(140)은 웜휠(350)과 볼 너트(120) 사이에 배치되어 있다. 베어링(140)은 테이퍼드 로울러 베어링일 수 있으며, 더 나아가 복열 테이퍼 로울러 베어링일 수 있다.

구동 유닛(300)은 기어 유닛(100)에 회전 구동력을 전달한다. 구동 유닛(300)은 제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320), 제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320)에 각각 결합되어 회전하는 제1 웜(330) 및 제2 웜(340), 제1 웜(330) 및 제2 웜(340)과 치합되어 회전하는 웜휠(350), 차량의 스티어링 휠(미도시)의 조향 토크를 전달 받아 회전하는 인풋 샤프트(360), 인풋 샤프트(360)의 회전에 따라 비틀리도록 배치된 토션 바(370) 및 토션 바의 비틀림 정보를 전자 제어 유닛(미도시)에 전달하는 토크 센서(380)를 포함할 수 있다.

제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320)는 전자 제어 유닛의 제어에 따라 회전 구동력을 생성한다. 구체적인 예를 들면, 제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320)는 각각 모터일 수 있다.

본 발명에서 제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320)는 독립적으로 제어될 수 있다. 제1 액추에이터(310)와 제2 액추에이터(320)가 각각 독립적으로 제어됨으로써 제1 액추에이터(310)에 결합된 제1 웜(330), 제2 액추에이터(320)에 결합된 제2 웜(340)이 독립적으로 작동할 수 있으며, 이를 통해 제1 웜(330)과 제2 웜(340)에 치합된 웜휠(350)의 회전을 정밀하게 제어할 수 있게 된다.

또한, 차량의 주행 중에 제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320) 중 어느 하나가 고장으로 인해 작동이 불가능하게 된 경우에도 나머지 다른 하나로 웜휠(350)을 회전시킬 수 있다. 즉, 페일 세이프티(fail safety) 또는 리던던시(redundancy)를 통한 안전 성능을 확보할 수 있다.

또한, 제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320)는 인접하여 나란히 배치되는 것이 바람직하다. 제1 액추에이터(310)와 제2 액추에이터(320)가 상호 대향하며 배치되는 것도 가능하지만 이 경우 차량의 패키징 측면에서 불리하기 때문이다.

제1 웜(330) 및 제2 웜(340)은 각각 제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320)에 결합되어 회전한다. 이 때, 웜휠(350)은 제1 웜(330) 및 제2 웜(340)에 치합되어 회전하며 기어 유닛(100)으로 회전 구동력을 전달한다.

도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 기어 조향 장치(1)의 제1 웜(330), 제2 웜(340) 및 웜휠(350)의 배치를 나타낸 사시도가 나타나 있는데, 이를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 제1 웜(330)의 회전축과 제2 웜(340)의 회전축은 각각 웜휠(350)의 회전축과 수직을 이룰 수 있다.

또한, 웜휠(350)은 기어 유닛(100)의 볼 스크류(110)에 회전 구동력을 전달하는데, 웜휠(350)의 회전축과 볼 스크류(110)의 회전축은 일치하도록 배치되는 것이 바람직하다. 이때, 웜휠(350)에 볼 스크류(110)가 직접 결합할 수도 있다.

한편, 도 3을 참조하면, 제1 웜(330) 및 제2 웜(340)은 평행하게 배치되어 각각 웜휠(350)의 일측과 타측에 치합되어 있다. 이와 같은 배치를 통해 웜휠(350)의 양측에서 회전력이 전달되도록 할 수 있으며, 웜휠(350)에 편력을 발생하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과 안정적인 조향력의 전달이 이루어지게 된다.

인풋 샤프트(360)는 차량의 스티어링 휠(미도시)의 조향 토크를 전달 받아 회전하며, 토션 바(370)는 인풋 샤프트(360)의 회전에 따라 비틀리도록 배치된다. 구체적으로, 토션 바(370)는 인풋 샤프트(360)와 볼 스크류(110)의 내부에 배치되되 일부분은 인풋 샤프트(360)에 배치되고, 나머지 부분은 볼 스크류(110) 내부에 배치될 수 있다.

토크 센서(380)는 토션 바(370)의 비틀림 정보를 측정하여 전자 제어 유닛(미도시)에 전달한다. 토크 센서(380)에 의해 전달된 토션 바(370)의 비틀림 정보는 전자 제어 유닛의 제어에 활용될 수 있다. 즉, 전자 제어 유닛은 토크 센서(380)로부터 전달된 토션 바(370)의 비틀림 정보에 근거하여 적절한 조향 보조력이 생성되도록 제1 액추에이터(310) 및 제2 액추에이터(320)를 제어할 수 있다.

도 4에는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전동 기어 조향 장치의 사시도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 B-B'에 따른 단면도가 나타나 있다.

도 4 및 5를 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전동 기어 조향 장치(1a)는 앞에서 살펴본 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 기어 조향 장치(1)와 마찬가지로 기어 유닛(100) 및 구동 유닛(300)을 포함한다. 이하에서는 본 발명의 다른 일 실시예에 대해 본 발명의 일 실시예와 차이가 있는 구성들을 중심으로 설명한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전동 기어 조향 장치(1a)는 기어 유닛(100)의 볼 스크류(110)가 별도의 아웃풋 샤프트(390)에 의해 웜휠(350)과 연결되어 있다. 즉, 구동 유닛(300)이 인풋 샤프트(360)와 볼 스크류(110) 사이에 배치된 아웃풋 샤프트(390)를 더 포함하며, 웜휠(350)의 회전 구동력을 전달하는 아웃풋 샤프트(390)와 볼 스크류(110)가 분리되어 있다.

아웃풋 샤프트(390)의 안정적인 동력 전달을 위해 아웃풋 샤프트(390) 중 웜휠(350) 하부에 배치된 부분에는 베어링(391)이 결합되어 있다. 또한, 토션 바(370)는 인풋 샤프트(360)와 아웃풋 샤프트(390)의 내부에 배치되되 일부분은 인풋 샤프트(360)에 배치되고, 나머지 부분은 아웃풋 샤프트(390) 내부에 배치되어 있다.

도 4에 나타난 바와 같이, 이와 같은 구조를 통해 기어 유닛(100)과 구동 유닛(300)의 패키지를 일체형이 아닌 분리형으로 구현하는 것이 용이하게 된다. 그 결과 제조의 효율성이 향상될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전동 기어 조향 장치(1a)에 따르면 기어 유닛(100) 내의 볼 스크류(110)의 상부와 하부가 베어링(140a)에 의해 지지되도록 배치되어 있다. 즉, 베어링(140a)이 볼 스크류(110)의 상부와 하부에 결합되어 볼 스크류(110)의 양측 지지 구조를 형성한다. 이와 같은 양측 지지 구조는 볼 스크류(110)의 축력이 구동 유닛(300)으로 전달되지 않게 해준다. 이에 따라 기어 유닛(100)의 내구성이 향상될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전동 기어 조향 장치(1a)는 볼 스크류(110)의 하단부에 배치된 베어링(140)과 기어 하우징(150)의 사이에 배치되는 락 스크류(160)를 더 포함한다. 락 스크류(160)는 볼 스크류(110)의 상부와 하부에 결합된 베어링(140a)에 의한 양측 지지 구조가 풀리는 것을 방지한다. 본 발명의 다른 일 실시예에서 기어 하우징(150)은 하단부가 하우징 커버(151)에 의해 밀폐되도록 이루어져 있는데, 락 스크류(160)가 볼 스크류(110)의 하단부에 배치된 베어링(140a)과 하우징 커버(151) 사이에 배치됨으로써 볼 스크류(110)의 양측 지지 구조의 풀림을 방지하여 준다. 더욱 상세하게는, 락 스크류(160)를 통해 베어링(140a)에 예압을 주어 지지 안정성을 확보할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 일 실시예에서 기어 하우징(150)은 하단부가 하우징 커버(151)에 의해 밀폐되도록 이루어져 있으므로 기어 하우징(150)의 하단이 개방된 상태에서 기어 유닛(100)의 조립 과정이 수행될 수 있다. 이와 같은 구조를 통해 볼 스크류(110)의 양측 지지 구조가 용이하게 구현될 수 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예들에 의해 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 또 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

1, 1a: 전동 기어 조향 장치
100: 기어 유닛
110: 볼 스크류 120: 볼 너트
130: 섹터 샤프트 140: 베어링
150: 기어 하우징
300: 구동 유닛
310: 제1 액추에이터 320: 제2 액추에이터
330: 제1 웜 340: 제2 웜
350: 웜휠 360: 인풋 샤프트
370: 토션 바 380: 토크 센서
390: 아웃풋 샤프트

Claims

회전 구동력을 조향을 위한 직선 운동으로 변환하는 기어 유닛; 및
상기 기어 유닛에 회전 구동력을 전달하는 구동 유닛; 을 포함하고,
상기 구동 유닛은,
제1 액추에이터 및 제2 액추에이터와,
상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터에 각각 결합되어 회전하는 제1 웜 및 제2 웜과,
상기 제1 웜 및 상기 제2 웜과 치합되어 회전하는 웜휠을 포함하는 전동 기어 조향 장치.
제1 항에 있어서,
상기 기어 유닛은 상기 웜휠의 회전축 상에 배치된 볼 스크류와, 상기 볼 스크류에 볼을 매개로 결합된 볼 너트와, 상기 볼 너트에 치합된 섹터 샤프트를 포함하는 전동 기어 조향 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터는 독립적으로 제어되는 전동 기어 조향 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터는 인접하여 나란히 배치된 전동 기어 조향 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 웜의 회전축과 상기 제2 웜의 회전축은 각각 상기 웜휠의 회전축과 수직을 이루는 전동 기어 조향 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 웜 및 상기 제2 웜은 평행하게 배치되어 각각 상기 웜휠의 일측과 타측에 치합된 전동 기어 조향 장치.
제2 항에 있어서,
상기 기어 유닛은 상기 웜휠과 상기 볼 너트 사이에 배치되어 상기 볼 스크류를 회전 가능하게 지지하며 스러스트 하중을 받는 베어링을 더 포함하는 전동 기어 조향 장치.
제7 항에 있어서,
상기 베어링은 테이퍼드 로울러 베어링인 전동 기어 조향 장치.
제1 항에 있어서
상기 구동 유닛은,
차량의 스티어링 휠의 조향 토크를 전달 받아 회전하는 인풋 샤프트와,
상기 인풋 샤프트의 회전에 따라 비틀리도록 배치된 토션 바와,
상기 토션 바의 비틀림 정보를 전자 제어 유닛에 전달하는 토크 센서를 더 포함하고,
상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터는 상기 전자 제어 유닛의 제어에 따라 제어되는 전동 기어 조향 장치.
제9 항에 있어서,
상기 전자 제어 유닛은 상기 토크 센서로부터 전달된 상기 토션 바의 비틀림 정보에 근거하여 상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터를 제어하는 전동 기어 조향 장치.