KR20230114438A - 자동차의 조향장치 - Google Patents

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전인환
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Abstract

본 실시예들에 의하면, 조향 안정성과 신뢰성을 확보하고, 높은 응답성과 출력 성능을 가지며, 노이즈가 감소되어 조향감이 향상되고, 부품 수가 감소되어 원가가 절감될 수 있다.

Description

자동차의 조향장치{STEERING APPARATUS FOR VEHICLE}
본 실시예들은 자동차의 조향장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조향 안정성과 신뢰성을 확보하고, 응답성과 출력 성능이 향상되며, 노이즈가 감소되어 조향감이 향상되고, 부품 수가 감소되어 원가가 절감되는 자동차의 조향장치에 관한 것이다.
차량의 운전석 전방에는 조향휠이 설치되고, 조향휠의 회전축에는 조향축이 연결되어, 운전자가 조향휠을 회전시킴에 따라 조향휠의 회전축이 회전되면서 조향축이 회전 및 차량의 전륜이 좌우로 회동되어 차량의 주행방향을 전환시키는 조향시스템이 구비되어 있다.
또한, 차속 센서와 토크 센서 등에서 감지한 차량의 운행조건에 따라 모터를 구동시켜 운전자의 조향을 보조하는 동력 보조 조향장치가 흔히 사용된다. 이러한 동력 보조 조향장치는 일반적으로 저속 운행시에는 가볍고 편안한 조향감을 부여하고, 고속 운행시에는 무거운 조향감과 더불어 양호한 방향 안정성을 부여하며, 조향휠의 회전각에 따른 조속한 조향휠의 복원력을 제공하여 비상 상황에서 급속한 조향이 이루어지도록 한다.
근래에는 완전자율주행을 목표로 하여 자율주행차의 조향 안정성을 보다 강화하기 위한 다양한 노력이 이루어지고 있다. 그러나, 종래의 동력 보조 조향장치를 이용하여 자율주행을 구현함에 있어서, 기구적인 이상, 고장 발생 시 이를 대체하거나 보조할 수 있는 별도의 수단이 없어 운행 안정성을 확보하기 어려운 문제가 있다.
본 실시예들은 전술한 배경에서 안출된 것으로서, 조향 안정성과 신뢰성을 확보하고, 높은 응답성과 출력 성능을 가지며, 노이즈가 감소되어 조향감이 향상되고, 부품 수가 감소되어 원가가 절감되는 자동차의 조향장치에 관한 것이다.
본 실시예들에 의하면, 양단이 바퀴와 연결되며, 하우징 내에서 축방향으로 이동가능하게 구비되는 스크류샤프트, 스크류샤프트와 맞물리는 볼너트, 볼너트에 결합되는 제 1 너트풀리와 제 2 너트풀리, 제 1 너트풀리를 통해 볼너트에 토크를 가하기 위한 제 1 모터, 제 2 너트풀리를 통해 볼너트에 토크를 가하기 위한 제 2 모터를 포함하는 자동차의 조향장치가 제공될 수 있다.
본 실시예들에 의하면, 조향 안정성과 신뢰성을 확보하고, 높은 응답성과 출력 성능을 가지며, 노이즈가 감소되어 조향감이 향상되고, 부품 수가 감소되어 원가가 절감될 수 있다.
도 1은 본 실시예들에 의한 자동차의 조향장치의 단면도이다.
도 2는 도 1의 일부 확대도이다.
도 3은 본 실시예들에 의한 자동차의 조향장치의 일부 단면도이다.
도 4는 본 실시예들에 의한 자동차의 조향장치의 분해사시도이다.
도 5는 본 실시예들에 의한 자동차의 조향장치의 일부 평면도이다.
도 6은 본 실시예들에 의한 자동차의 조향장치의 일부 사시도이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 기술 사상의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다. 본 명세서 상에서 언급된 "포함한다", "갖는다", "이루어진다" 등이 사용되는 경우 "~만"이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별한 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함할 수 있다.
또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다.
구성 요소들의 위치 관계에 대한 설명에 있어서, 둘 이상의 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속" 등이 된다고 기재된 경우, 둘 이상의 구성 요소가 직접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속" 될 수 있지만, 둘 이상의 구성 요소와 다른 구성 요소가 더 "개재"되어 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 여기서, 다른 구성 요소는 서로 "연결", "결합" 또는 "접속" 되는 둘 이상의 구성 요소 중 하나 이상에 포함될 수도 있다.
구성 요소들이나, 동작 방법이나 제작 방법 등과 관련한 시간적 흐름 관계에 대한 설명에 있어서, 예를 들어, "~후에", "~에 이어서", "~다음에", "~전에" 등으로 시간적 선후 관계 또는 흐름적 선후 관계가 설명되는 경우, "바로" 또는 "직접"이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
한편, 구성 요소에 대한 수치 또는 그 대응 정보(예: 레벨 등)가 언급된 경우, 별도의 명시적 기재가 없더라도, 수치 또는 그 대응 정보는 각종 요인(예: 공정상의 요인, 내부 또는 외부 충격, 노이즈 등)에 의해 발생할 수 있는 오차 범위를 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
도 1은 본 실시예들에 의한 자동차의 조향장치의 단면도, 도 2는 도 1의 일부 확대도, 도 3은 본 실시예들에 의한 자동차의 조향장치의 일부 단면도, 도 4는 본 실시예들에 의한 자동차의 조향장치의 분해사시도, 도 5는 본 실시예들에 의한 자동차의 조향장치의 일부 평면도, 도 6은 본 실시예들에 의한 자동차의 조향장치의 일부 사시도이다.
본 실시예들에 의한 자동차의 조향장치(100)는, 양단이 바퀴와 연결되며, 하우징(130) 내에서 축방향으로 이동가능하게 구비되는 스크류샤프트(110), 스크류샤프트(110)와 맞물리는 볼너트(141), 볼너트(141)에 결합되는 제 1 너트풀리(142)와 제 2 너트풀리(143), 제 1 너트풀리(142)를 통해 볼너트(141)에 토크를 가하기 위한 제 1 모터(121), 제 2 너트풀리(143)를 통해 볼너트(141)에 토크를 가하기 위한 제 2 모터(122)를 포함한다.
도 1을 참고하여 살펴보면, 스크류샤프트(110)는 제 1 모터(121) 및/또는 제 2 모터(122)의 토크에 의해 하우징(130) 내에서 축방향으로 이동된다. 도면에는 생략되었으나, 스크류샤프트(110)의 양단은 너클, 타이로드 등에 의해 바퀴와 연결되며, 스크류샤프트(110)가 축방향으로 이동됨에 따라 바퀴가 조타된다. 스크류샤프트(110)의 축방향 이동은 부시(113,114)에 의해 하우징(130)에 지지된다(도 6 참조). 본 실시예들에 의한 자동차의 조향장치(100)는 스티어 바이 와이어(steer-by-wire)식 조향장치로서 기능할 수 있다.
제 1 모터(121)와 제 2 모터(122)의 토크는 볼너트(141)에 의해 축방향으로 변환되어 스크류샤프트(110)에 가해진다. 즉, 제 1 모터(121)와 제 2 모터(122)의 토크는 스크류샤프트(110)와 맞물리는 볼너트(141)에 가해지며, 볼너트(141)가 회전됨에 따라 스크류샤프트(110)가 축방향으로 이동된다. 볼너트(141)를 매개로 모터의 동력이 스크류샤프트(110)로 전달되므로 높은 응답성을 확보할 수 있다.
제 1 모터(121)와 제 2 모터(122)의 모터축에는 모터풀리가 구비되며, 각각의 모터풀리는 벨트에 의해 제 1 너트풀리(142)와 제 2 너트풀리(143)와 연결된다. 즉, 제 1 모터(121)와 제 2 모터(122)는 함께 볼너트(141)에 토크를 제공할 수 있다. 또는, 제 1 모터(121)와 제 2 모터(122) 중 어느 하나만 볼너트(141)에 토크를 제공할 수 있다. 다시 말해, 제 1 모터(121)와 제 2 모터(122)가 함께 구동되며 높은 출력 성능을 확보할 수 있다. 또는 제 1 모터(121)와 제 2 모터(122) 중 어느 하나의 동력이 스크류샤프트(110)로 전달되지 못하는 경우, 다른 하나가 스크류샤프트(110)에 동력을 전달할 수 있다. 모터 또는 파워팩의 고장, 벨트 파손 등의 문제가 발생하여 예를 들어 제 1 모터(121)의 동력이 스크류샤프트로 전달되지 못하더라도, 제 2 모터(122)가 계속해서 스크류샤프트(110)에 동력을 전달함으로써 조향 기능 또는 조향 보조 기능이 상실되지 않는다. 따라서, 조향 안정성과 신뢰성이 확보된다.
도 2를 참고하여 본 실시예들에 의한 자동차의 조향장치(100)의 구조에 대해 보다 자세히 살펴본다. 제 1 너트풀리(142)와 제 2 너트풀리(143)는 볼너트(141)의 외주면에 결합된다. 제 1 너트풀리(142)와 제 2 너트풀리(143)의 사이에는, 볼너트(141)의 회전을 하우징(130)에 대해 지지하기 위한 베어링(144)이 구비된다. 즉, 제 1 너트풀리(142)와 제 2 너트풀리(143)는 베어링(144)의 양측에 각각 대칭적으로 위치한다. 따라서, 제 1 모터(121)와 제 2 모터(122)의 토크가 균형적으로 볼너트(141)에 가해지며, 또한 베어링(144)이 볼너트(141)의 중심부를 지지함에 따라 볼너트(141)의 회전 시 발생하는 노이즈가 감소되어 조향감이 향상된다.
본 실시예들에 의한 자동차의 조향장치(100)는 볼너트(141)의 회전각을 센싱하기 위한 센싱부(150)를 포함한다. 센싱부(150)는 제 1 기어(211), 제 2 기어(212), 제 3 기어(213), 및 제 4 기어(214) 등을 포함하는데, 자세한 구조는 후술한다.
도 2에 도시된 실시예를 살펴보면, 볼너트(141)의 외주면에는 단턱부(142a)가 돌출형성되어 베어링(144)의 내륜이 지지될 수 있다. 그리고, 제 1 너트풀리(142)에는 축방향으로 연장되어 베어링(144)의 내륜에 지지되는 연장부가 구비될 수 있다. 볼너트(141)에는 락너트(221)가 결합되어, 제 1 너트풀리(142)와 베어링(144)의 내륜은 락너트(221)와 단턱부(142a)의 사이에서 축방향으로 고정될 수 있다. 제 2 너트풀리(143)는 베어링(144)의 반대편에서 단턱부(142a)에 지지되고, 제 3 기어(213)에 지지되며 축방향으로 고정될 수 있다. 즉, 제 2 너트풀리(143)에는 제 3 기어(213)와 맞물리는 기어치가 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 실시예를 살펴보면, 베어링(144)의 내륜은 볼너트(141)와 일체로 형성될 수 있다. 그리고, 제 1 너트풀리(142)와 제 2 너트풀리(143)에는 각각 축방향으로 연장되어 베어링(144)의 내륜에 지지되는 연장부가 형성될 수 있다. 제 1 너트풀리(142)는 락너트(221)와 베어링(144)의 내륜 사이에서 축방향으로 고정될 수 있다. 제 2 너트풀리(143)는 베어링(144)의 내륜과 제 3 기어(213)의 사이에서 축방향으로 고정될 수 있다.
한편, 하우징(130)은 축방향 일측에서 베어링(144)의 외륜에 지지되는 제 1 하우징(131) 및 축방향 타측에서 베어링(144)의 외륜에 지지되는 제 2 하우징(132)을 포함할 수 있다. 즉, 제 1 하우징(131)과 제 2 하우징(132)은 각각 베어링(144)의 축방향 양측에 위치하며, 제 1 하우징(131)과 제 2 하우징(132)이 서로 결합(예를 들어, 볼팅으로)됨에 따라 베어링(144)이 하우징(130)에 결합된다. 따라서, 베어링(144)을 하우징(130)에 결합시키기 위한 부품(예를 들어, 락스크류, 서포트링 등)을 추가적으로 더 구비할 필요가 없어 부품 수가 감소되어 원가가 절감된다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예들에 의한 자동차의 조향장치(100)는 볼너트(141)의 회전각을 센싱하기 위한 센싱부(150)를 더 포함한다. 자동차에 구비된 전자제어장치는 센싱부(150)가 센싱한 볼너트(141)의 회전각으로부터 스크류샤프트(110)의 축방향 이동거리를 도출할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참고하여 센싱부(150)의 구성에 대해 보다 자세히 살펴본다. 센싱부(150)는 볼너트(141)의 회전과 연동되어 회전되는 제 1 기어(211)와 제 2 기어(212), 및 제 1 기어(211)와 제 2 기어(212)의 회전각을 센싱하는 센서(410)를 포함할 수 있다. 볼너트(141)가 회전됨에 따라 제 1 기어(211)와 제 2 기어(212)가 회전되며, 센서(410)가 제 1 기어(211)와 제 2 기어(212) 각각의 회전각을 센싱함으로써 센싱부(150)는 볼너트(141)의 회전각을 센싱할 수 있다.
제 1 기어(211)와 제 2 기어(212)는 서로 다른 직경으로 형성된다. 즉, 제 1 기어(211)와 제 2 기어(212)는 서로 다른 개수의 기어치를 가진다. 도면에는 제 1 기어(211)가 36개의 기어치를 가지고 제 2 기어(212)가 35개의 기어치를 가지는 실시예가 도시되어 있다. 제 1 기어(211)와 제 2 기어(212)가 서로 다른 직경으로 형성됨에 따라 볼너트(141)가 회전될 때 제 1 기어(211)와 제 2 기어(212)는 서로 다른 각도로 회전되며, 전자제어장치는 제 1 기어(211)와 제 2 기어(212)의 서로 다른 회전각으로부터 볼너트(141)의 회전각을 도출할 수 있다.
볼너트(141)의 회전에 의해 제 1 기어(211)와 제 2 기어(212)가 회전되는 구조에 대해 보다 자세히 살펴본다. 센싱부(150)는 제 1 너트풀리(142)와 제 2 너트풀리(143) 중 어느 하나의 회전과 연동되어 회전되는 제 3 기어(213)를 더 포함하고, 제 1 기어(211) 및 제 2 기어(212)는 제 3 기어(213)와 맞물릴 수 있다. 도면에는 제 3 기어(213)가 제 2 너트풀리(143)의 회전과 연동되어 회전되는 실시예가 도시되어 있다. 즉, 제 1 기어(211)와 제 2 기어(212)는 각각 제 3 기어(213)와 맞물리고, 제 3 기어(213)가 제 2 너트풀리(143)의 회전에 의해 회전됨에 따라 제 1 기어(211)와 제 2 기어(212)도 회전된다.
또한, 제 1 너트풀리(142)와 제 2 너트풀리(143) 중 어느 하나에는 기어치가 형성될 수 있다. 그리고, 센싱부(150)는 제 1 너트풀리(142)와 제 2 너트풀리(143) 중 어느 하나의 기어치와 맞물리는 제 4 기어(214)를 더 포함하고, 제 3 기어(213)와 제 4 기어(214)는 동축으로 결합될 수 있다. 도 2 등에는 제 2 너트풀리(143)에 기어치가 형성되는 실시예가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 제 4 기어(214)에는 샤프트가 구비되어 제 3 기어(213)와 동축으로 결합될 수 있으며, 제 4 기어(214)의 회전은 샤프트에 결합된 베어링에 의해 하우징(130)에 지지된다. 제 2 하우징(132)에는 센싱부(150)를 수용하는 수용부(133)가 구비되고, 수용부(133)에는 수용부(133)를 커버하는 커버(134)가 결합될 수 있다. 따라서, 볼너트(141)의 회전에 의해 제 2 너트풀리(143), 제 4 기어(214), 제 3 기어(213)가 순차적으로 연결되어 회전되며, 제 3 기어(213)와 맞물린 제 1 기어(211)와 제 2 기어(212)가 회전된다. 이러한 제 4 기어(214)는 베벨기어일 수 있다.
다음으로 도 6을 참고하여 살펴보면, 스크류샤프트(110)는 볼너트(141)와 맞물리는 스크류가 형성된 제 1 샤프트부(111) 및 외주면에 적어도 하나의 면취부(112a)가 형성된 제 2 샤프트부(112)를 포함할 수 있다. 제 1 샤프트부(111)와 제 2 샤프트부(112)는 일체로 형성될 수도 있으며, 도면에 도시된 바와 같이 각각 형성된 후 결합될 수 있다. 일 실시예에 의하면, 제 1 샤프트부(111)와 제 2 샤프트부(112)는 마찰 용접으로 결합될 수 있다.
스크류샤프트(110)가 축방향으로 이동되기 위해서는 스크류샤프트(110)의 회전이 제한되어야 한다. 스크류샤프트(110)의 회전을 제한하기 위해, 제 2 샤프트부(112)에는 면취부(112a)에 지지되며 하우징(130)에 원주방향으로 지지되는 부시(114)가 결합될 수 있다. 제 1 샤프트부(111)와 제 2 샤프트부(112)에는 각각 부시(113,114)가 결합되고, 스크류샤프트(110)의 축방향 이동은 부시(113,114)에 의해 하우징(130)에 지지된다. 특히, 제 2 샤프트부(112)에 결합된 부시(115)는 면취부(112a)에 지지되며 스크류샤프트(110)의 회전을 제한한다. 도면에는 4개의 면취부(112a)가 형성되어 제 2 샤프트부(112)가 대략 사각 바의 형태를 가지는 실시예가 도시되어 있다.
이와 같은 형상을 가지는 자동차의 조향장치에 의하면, 조향 안정성과 신뢰성을 확보하고, 높은 응답성과 출력 성능을 가지며, 노이즈가 감소되어 조향감이 향상되고, 부품 수가 감소되어 원가가 절감될 수 있다.
이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 기술 사상의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 또한, 본 실시예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 이러한 실시예에 의하여 본 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 자동차의 조향장치 110: 스크류샤프트
111: 제 1 샤프트부 112: 제 2 샤프트부
113: 부시 114: 부시
121: 제 1 모터 122: 제 2 모터
130: 하우징 131: 제 1 하우징
132: 제 2 하우징 133: 수용부
134: 커버 141: 볼너트
142: 제 1 너트풀리 143: 제 2 너트풀리
144: 베어링 150: 센싱부
211: 제 1 기어 212: 제 2 기어
213: 제 3 기어 214: 제 4 기어
221: 락너트 410: 센서

Claims (13)

  1. 양단이 바퀴와 연결되며, 하우징 내에서 축방향으로 이동가능하게 구비되는 스크류샤프트;
    상기 스크류샤프트와 맞물리는 볼너트;
    상기 볼너트에 결합되는 제 1 너트풀리와 제 2 너트풀리;
    상기 제 1 너트풀리를 통해 상기 볼너트에 토크를 가하기 위한 제 1 모터;
    상기 제 2 너트풀리를 통해 상기 볼너트에 토크를 가하기 위한 제 2 모터;
    를 포함하는 자동차의 조향장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 너트풀리와 제 2 너트풀리의 사이에는, 상기 볼너트의 회전을 상기 하우징에 대해 지지하기 위한 베어링이 구비되는 것을 특징으로 하는 자동차의 조향장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 베어링의 내륜은 상기 볼너트와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차의 조향장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 하우징은, 축방향 일측에서 상기 베어링의 외륜에 지지되는 제 1 하우징 및 축방향 타측에서 상기 베어링의 외륜에 지지되는 제 2 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 조향장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 볼너트의 회전각을 센싱하기 위한 센싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 조향장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 센싱부는, 상기 볼너트의 회전과 연동되어 회전되는 제 1 기어와 제 2 기어, 및 상기 제 1 기어와 제 2 기어의 회전각을 센싱하는 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 조향장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 기어와 제 2 기어는 서로 다른 직경으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차의 조향장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 센싱부는 상기 제 1 너트풀리와 제 2 너트풀리 중 어느 하나의 회전과 연동되어 회전되는 제 3 기어를 더 포함하고, 상기 제 1 기어 및 제 2 기어는 상기 제 3 기어와 맞물리는 것을 특징으로 하는 자동차의 조향장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 너트풀리와 제 2 너트풀리 중 어느 하나에는 기어치가 형성되며,
    상기 센싱부는 상기 기어치와 맞물리는 제 4 기어를 더 포함하고, 상기 제 3 기어와 제 4 기어는 동축으로 결합되는 것을 특징으로 하는 자동차의 조향장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 4 기어는 베벨기어인 것을 특징으로 하는 자동차의 조향장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크류샤프트는, 상기 볼너트와 맞물리는 스크류가 형성된 제 1 샤프트부 및 외주면에 적어도 하나의 면취부가 형성된 제 2 샤프트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차의 조향장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 샤프트부와 제 2 샤프트부는 마찰 용접으로 결합되는 것을 특징으로 하는 자동차의 조향장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 샤프트부에는, 상기 면취부에 지지되며 상기 하우징에 원주방향으로 지지되는 부시가 결합되는 것을 특징으로 하는 자동차의 조향장치.
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