KR20200094359A - 전동파워 스티어링 장치 - Google Patents

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Abstract

전동파워 스티어링 장치에 대한 발명이 개시된다. 본 발명의 전동파워 스티어링 장치는: 전동모터의 출력축에 연결되어 회전하는 웜샤프트 및 웜샤프트에 맞물려서 회전하며 랙바와 연결되는 피니언샤프트가 회전중심에 위치하는 웜휠기어를 포함하며, 웜휠기어에 구비된 웜휠치형의 크기는 서로 상이한 것을 특징으로 한다.

Description

전동파워 스티어링 장치{ELECTRIC POWER STEERING APPARATUS}
본 발명은 전동파워 스티어링 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 웜샤프트에 맞물리는 웜휠의 피치원지름이 복수로 이루어지는 전동파워 스티어링 장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량에는 조향휠을 조작하는 운전자의 조타력을 보조하기 위해 동력보조 조향장치가 사용되며, 이러한 동력보조 조향장치는 유압을 이용한 유압식 파워 스티어링(HPS: Hydraulic Power Steering)과 모터의 회전력을 이용한 전동식 파워 스티어링(MDPS: Motor Driven Power Steering)이 있다.
전동식 파워 스티어링은 차속 센서와 토크 센서 등에서 감지한 차량의 운행조건에 따라 전자제어장치(ECU:Electronic Control Unit)에서 모터를 구동시킨다. 전동식 파워 스티어링은 저속 운행시 가볍고 편안한 조향감을 부여하며, 고속 운행시에는 무거운 조향감과 더불어 양호한 방향 안정성을 부여하다. 또한 조향휠의 회전각에 따른 조속한 조향휠의 복원력을 제공하여 비상 상황에서 급속한 조향이 이루어지도록 하여 운전자에게 최적의 조향 조건을 제공한다.
이러한 전동식 파워 스티어링은 모터의 장착 위치에 따라 C-MDPS(Column-assiste Type Motor Driven Power Steering), R-MDPS(Rack-assiste Type Motor Driven Power Steering) 등으로 분류할 수 있다.
랙 어시스트식 파워 스티어링(R-MDPS)의 경우 전동모터가 스티어링 기어의 랙(Rack)에 장착되어 있으며, 차량의 운행조건에 따라 발생되는 전동모터의 구동 토크를 이용하여 차륜측에 연결되어 있는 스티어링 랙의 축방향 이동을 보조한다.
전동파워 스티어링(ELECTRIC POWER STEERING:EPS)에서 사용되는 기어는, 전동모터의 출력축에 연결되는 웜샤프트와, 웜샤프트에 연결되는 웜휠과, 웜휠과 함께 회전되는 피니언샤프트와 피니언샤프트에 맞물려 돌아가는 랙바를 포함한다.
웜휠의 치형은 단일 피치원지름(Pitch of Center Diamete:PCD)을 갖으며 일정한 치형상으로 구성되므로 조향휠 조작시 일정한 기어비를 갖는다. 즉, 웜샤프트가 회전하면, 웜휠의 피치원지름 상에서 웜샤프트와 웜휠이 접촉하며 웜휠을 회전시킨다. 그리고 웜휠과 연결된 피니언샤프트가 회전하며 랙바를 좌측이나 우측으로 이동시키며 너클과 연결된 타이어를 회전시키므로 차량의 조향이 이루어진다.
웜휠의 치형은 항상 일정하므로 웜샤프트와 접하는 점들의 자취인 피치원지름이 항상 일정하며, 이로 인해서 웜휠이 1바퀴 회전시 마다 일정한 랙바의 이송거리를 만들어 낸다.
종래에는 전동파워 스티어링에 사용되는 웜휠이 일정한 치형으로 형성되므로 다양한 기어비 구현이 어려우며, 전동모터의 용량이 증가되어 생산원가가 상승되는 문제점이 있다. 따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2018-0102332호(2018.09.17 공개, 발명의 명칭: 전동식 파워 스티어링의 모터 동력 전달 장치)에 게시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 웜샤프트에 맞물리는 웜휠의 피치원지름이 복수로 이루어지므로 모터의 용량을 변경할 수 있으며, 이로 인하여 생산원가를 절감할 수 있는 전동파워 스티어링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 전동파워 스티어링 장치는: 전동모터의 출력축에 연결되어 회전하는 웜샤프트 및 웜샤프트에 맞물려서 회전하며 랙바와 연결되는 피니언샤프트가 회전중심에 위치하는 웜휠기어를 포함하며, 웜휠기어에 구비된 웜휠치형의 크기는 서로 상이한 것을 특징으로 한다.
또한 웜휠치형은 서로 다른 피치원지름을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한 웜휠치형은, 제1피치원지름을 갖는 제1치형 및 제1피치원지름 보다 작은 제2피치원지름을 갖는 제2치형을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 제1치형은 제2치형 보다 크며, 제2치형은 적어도 2개가 연이어 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 웜휠치형은 서로 다른 압력각을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한 웜휠치형은, 제1압력각을 갖는 제1치형 및 제1압력각과 다른 제2압력각을 갖는 제2치형을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 제2압력각은 제1압력각 보다 큰 것을 특징으로 한다.
또한 제2치형은 적어도 2개가 연이어 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전동파워 스티어링 장치는, 웜샤프트에 맞물리는 웜휠의 피치원지름이 복수로 이루어지므로 다양한 기어비를 구현할 수 있으며, 보다 액티브한 조향감을 만들어 낼 수 있다.
또한 본 발명은 조향 끝단에서의 무거움을 해소 하기 위해서 피치원지름을 작게 만들면 전동모터의 출력을 작게 할 수 있으므로 생산원가를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동파워 스티어링 장치의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 웜휠기어가 설치된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 웜샤프트가 웜휠기어에 맞물린 상태를 도시한 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 웜샤프트가 웜휠기어에 맞물린 상태를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 웜휠기어를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 웜휠기어에 구비되는 피치원지름을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 웜휠치형의 서로 다른 압력각을 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전동파워 스티어링 장치를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동파워 스티어링 장치의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 웜휠기어가 설치된 상태를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 웜샤프트가 웜휠기어에 맞물린 상태를 도시한 정면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 웜샤프트가 웜휠기어에 맞물린 상태를 도시한 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 웜휠기어를 도시한 단면도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 웜휠기어에 구비되는 피치원지름을 도시한 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 웜휠치형의 서로 다른 압력각을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동파워 스티어링 장치(1)는, 전동모터(10)의 출력축에 연결되어 회전하는 웜샤프트(20) 및 웜샤프트(20)에 맞물려서 회전하며 랙바(30)와 연결되는 피니언샤프트(40)가 회전중심에 위치하는 웜휠기어(50)를 포함하며, 웜휠기어(50)에 구비된 웜휠치형(52)의 크기는 서로 상이한 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른 전동파워 스티어링 장치(1)는 웜휠치형(52)을 변화시켜 웜샤프트(20)와 접하는 웜휠치형(52)의 피치원지름(Pitch of Center Diameter:PCD) 크기를 변경하므로 웜휠의 회전속도도 가변된다.
조향휠의 회전에 의해 하우징부(15)에 설치된 전동모터(10)가 동작되며, 전동모터(10)의 출력축에는 웜샤프트(20)가 설치된다. 따라서 전동모터(10)가 동작되면 웜샤프트(20)가 회전된다. 웜샤프트(20)는 직선 방향으로 연장된 몸체의 외측에 나선형의 웜기어(22)가 설치된다.
웜샤프트(20)와 이격된 위치에 설치되는 랙바(30)는 직선 형상의 기어이며, 랙바(30)의 측면에는 평기어(32)가 형성된다. 랙바(30)가 좌측이나 우측으로 이동되며 너클과 연결된 타이어를 회전시키므로 차량의 조향이 이루어진다.
피니언샤프트(40)는 랙바(30)와 교차하는 방향으로 설치되며, 봉 형상으로 이루어진 피니언샤프트(40)의 외측에는 나선형의 측면기어(42)가 형성된다. 이러한 측면기어(42)는 랙바(30)의 평기어(32)에 맞물린 상태로 설치된다. 따라서 피니언샤프트(40)의 회전에 의해 측면기어(42)에 맞물린 평기어(32)가 수평방향으로 이동된다.
웜휠기어(50)는 웜샤프트(20)에 맞물려서 회전하며 랙바(30)와 연결되는 피니언샤프트(40)가 회전중심에 고정된다. 웜휠기어(50)는 원판 형상의 몸체 외측에 웜휠치형(52)이 구비된다. 웜휠기어(50)에 구비된 웜휠치형(52)의 크기는 서로 상이하므로 다양한 형태의 출력값을 가질 수 있으며, 웜휠기어(50)를 돌리는데 사용되는 힘이 감소되어 모터의 용량을 줄일 수 있다.
웜휠기어(50)의 웜휠치형(52)에는 복수의 피치원지름이 적용될 수 있다. 예를 들어 웜휠기어(50)를 구성하는 치형 보다 작은 치형을 인접하게 2산 이상을 형성할 수 있다. 즉 웜휠기어(50)에 있는 웜휠치형(52)에서 주 모듈의 잇수가 43개인 경우, 주 모듈 보다 작은 모듈로 형성된 잇수는 최소 2개 이상이어야 한다.
일 실시예에 따른 웜휠치형(52)은 서로 다른 피치원지름을 갖는다. 예를 들어 2종류의 피치원지름으로 각각 2종류의 웜휠치형(52)을 형성할 수 있으며, 필요에 따라 2종류나 4종류 이상으로 웜휠치형(52)을 형성하는 피치원지름의 개수를 증가시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 웜휠치형(52)은, 제1피치원지름(PCD1)을 갖는 제1치형(53) 및 제1피치원지름(PCD1) 보다 작은 제2피치원지름(PCD2)을 갖는 제2치형(56)을 포함한다. 제1치형(53)은 제2치형(56) 보다 크며, 제2치형(56)은 적어도 2개가 연이어 설치된다.
웜휠기어(50)에서 제2치형(56)은 최소한 2개 이상 설치되며, 제2치형(56)은 웜기어(22)에 맞물려 돌아가는 동작을 고려하여 2개가 연이어 설치된다. 또한 제2치형(56)은 제1치형(53)과 번갈아 가며 설치될 수 있으며, 웜샤프트(20)의 회전을 고려하여 제1치형(53)과 제2치형(56)의 배열위치는 다양하게 변형이 가능하다.
제1치형(53)과 제2치형(56)의 형상과 피치원지름의 크기 및 제1치형(53)과 제2치형(56)의 배열을 다양하게 하여 원휠기어의 기어치 형상을 변형할 수 있으며, 이를 통하여 전동모터(10)의 출력 토크값을 변경하거나 조절할 수 있다.
일 실시예에 따른 제1피치원지름(PCD1)은 종래 하나의 피치원지름을 가지고 있는 웜휠치형(52)의 피치원지름과 같으며, 제2피치원지름(PCD2)은 제1피치원지름(PCD1) 보다 작으므로 제2치형(56)은 제1치형(53)보다 작은 크기를 가질 수 있다. 웜휠치형(52)의 모듈변경을 통해 하나의 웜휠기어(50)에 다양한 피치원지름을 구현할 수 있다.
웜휠기어(50)에서 웜휠치형(52)의 모듈변경을 통해 웜샤프트(20)와 접하는 피치원지름을 변경시켜 웜휠기어(50)의 회전속도와 이동길이 등에 변화를 줄 수 있다.
제1피치원지름(PCD1)에서 제2피치원지름(PCD2)을 뺀 후 원주율을 곱하면 웜휠기어(50)의 원주길이가 되며, 이를 기초로 전동모터(10)의 용량을 계산하므로 종래 대비 전동모터(10)의 용량을 작게 설계할 수 있다. 즉 제1치형(53)을 돌리는 것보다 제2치형(56)을 돌리는데 힘이 적게 소요되므로 전동모터(10)의 용량이 종래 대비 적어도 되므로 생산원가를 절감할 수 있다.
또는 도 7에 도시된 바와 같이 가변 피치원지름의 구현은 기존 웜휠기어(50)를 사용하는 압력각 보다 큰 압력각을 사용해서 인접되는 치형 2산 이상을 형성한다. 즉 종래 웜휠치형(52)의 압력각이 14도가 주 압력각으로 치를 구성하고 있으면, 주 압력각보다 큰 압력각의 치가 최소 두개 이상 웜휠치형(52)에 설치된다.
일 실시예에 따른 웜휠치형(52)은 서로 다른 압력각을 갖는다. 이를 상세히 설명하면 웜휠치형(52)은 제1압력각(A1)을 갖는 제1치형(54) 및 제1압력각(A1)과 다른 제2압력각(A2)을 갖는 제2치형(57)을 포함한다. 그리고 제2압력각(A2)은 제1압력각(A1) 보다 큰 것을 특징으로 하며, 이러한 제2치형(57)은 적어도 2개가 연이어 설치된다.
따라서 웜기어(22)에 맞물리는 제1치형(54)과 제2치형(57)으 크기가 상이하며, 이로 인해 휠기어가 회전되는 반경도 상이하므로 웜휠기어(50)의 출력값을 다양하게 변형할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 웜휠치형(52)에는 제1피치원지름(PCD1)과 제2피치원지름(PCD2)이 2개 적용된 것을 예로 들어 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 도 6에 도시된 바와 같이
하나의 미끄럼방지부를 설치하여도 본 발명의 목적을 충분히 달성할 수 있는 것은 물론이다. 제1피치원지름(PCD1)과 제2피치원지름(PCD2)과 제3피치원지름(PCD3)이 3개 적용될 수 있으며, 필요에 따라 4개 이상이 적용될 수도 있다. 피치원지름의 적용 개수와 이에 따른 치형의 설치 위치 및 그 수도 다양하게 구현될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전동파워 스티어링 장치(1)의 작동상태를 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 하우징부(15)에 설치된 전동모터(10)가 동작되어 웜샤프트(20)를 회전시키면, 웜기어(22)에 맞물린 웜휠기어(50)가 회전한다. 웜휠기어(50)에 구비된 웜휠치형(52)은 제1치형(53)과 제2치형(56)으로 구분되므로, 제1치형(53)이 웜휠기어(50)에 맞물려 돌아갈 때와 제2치형(56)이 웜휠기어(50)에 맞물려 돌아갈 때 웜휠기어(50)의 회전속도와 회전반경이 상이하다.
따라서 제1치형(53)과 제2치형(56)의 배치와 개수에 따라 웜휠기어(50)의 출력값과 회전반경이 상이하며, 종래 대비 전동모터(10)의 용량도 감소시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 웜샤프트(20)에 맞물리는 웜휠의 피치원지름이 복수로 이루어지므로 다양한 기어비를 구현할 수 있으며, 보다 액티브한 조향감을 만들어 낼 수 있다. 또한 조향 끝단에서의 무거움을 해소 하기 위해서 피치원지름을 작게 만들면 전동모터(10)의 출력을 작게 할 수 있으므로 생산원가를 절감할 수 있다. 또한 웜휠기어(50)의 회전반경이 변경되어 전동모터(10)의 출력이 저감되므로 장치의 외형과 중량을 축소시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1: 전동파워 스티어링 장치
10: 전동모터 15: 하우징부
20: 웜샤프트 22: 웜기어
30: 랙바 32: 평기어
40: 피니언샤프트 42: 측면기어
50: 웜휠기어 52: 웜휠치형
53,54: 제1치형 56,57: 제2치형
PCD1: 제1피치원지름
PCD2: 제2피치원지름
PCD3: 제3피치원지름
A1: 제1압력각 A2: 제2압력각

Claims (8)

  1. 전동모터의 출력축에 연결되어 회전하는 웜샤프트; 및
    상기 웜샤프트에 맞물려서 회전하며, 랙바와 연결되는 피니언샤프트가 회전중심에 위치하는 웜휠기어;를 포함하며,
    상기 웜휠기어에 구비된 웜휠치형의 크기는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 전동파워 스티어링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 웜휠치형은 서로 다른 피치원지름을 갖는 것을 특징으로 하는 전동파워 스티어링 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 웜휠치형은,
    제1피치원지름을 갖는 제1치형; 및
    상기 제1피치원지름 보다 작은 제2피치원지름을 갖는 제2치형;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동파워 스티어링 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1치형은 상기 제2치형 보다 크며, 상기 제2치형은 적어도 2개가 연이어 설치되는 것을 특징으로 하는 전동파워 스티어링 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 웜휠치형은 서로 다른 압력각을 갖는 것을 특징으로 하는 전동파워 스티어링 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 웜휠치형은,
    제1압력각을 갖는 제1치형; 및
    상기 제1압력각과 다른 제2압력각을 갖는 제2치형;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동파워 스티어링 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2압력각은 상기 제1압력각 보다 큰 것을 특징으로 하는 전동파워 스티어링 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2치형은 적어도 2개가 연이어 설치되는 것을 특징으로 하는 전동파워 스티어링 장치.
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