KR100857623B1 - 전동식 파워 스티어링 장치의 웜휠 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 스티어링 컬럼의 축상에 조향력을 보조할 수 있도록 설치되는 구동전동모터와, 상기 전동모터의 구동력을 스티어링 샤프트에 전달할 수 있도록 웜축과 웜휠로 이루어진 감속기어와, 상기 조향각 센서, 차속 센서 및 토크 센서로 부터 입력되는 신호를 연산하여 구동전동모터의 출력축의 구동력을 제어하는 ECU를 포함하는 컬럼타입 전동식 파워 스티어링 장치에 채용되는 웜휠의 구조에 관한 것으로서, 전동모터의 구동력을 스티어링 샤프트에 전달할 수 있도록 웜축과 치합되는 전동식 파워 스티어링 장치의 웜휠에 있어서, 상기 웜축에 치합되는 외치형부재와 이를 지지하는 허브를 사출시키되, 상기 허브의 외주부 외측에는 제1 및 제2 댐부를 연속적으로 형성하고, 상기 허브 외주부 중앙에는 T자형의 걸림부를 연속적으로 형성한 것을 특징으로 한다.

Description

전동식 파워 스티어링 장치의 웜휠 구조{Structure of worm gear for electric power steering system}

도 1은 종래의 전동식 스티어링 장치의 외관을 도시한 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 웜휠을 도시함에 있어, 도 1에서 커버를 제외한 상태에서 웜축 및 웜휠을 포함하는 주요부를 상세히 도시한 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 웜휠의 외관을 도시한 사시도,

도 4는 도 2의 선 B-B에 따른 웜휠의 허브 및 외치형부재의 결합 상태를 도시한 종단면도, 및

도 5는 도 2의 웜휠을 부품을 일부 절취하여 도시한 부분 조립 사시도.

<도면의 주요부위에 대한 부호설명>

3 : 전동모터 4 : 하우징

32 : 웜축

40 : 웜휠 41 : 허브

49 : 외치형부재

본 발명은 자동차 등의 차량에 탑재되며, 전동모터의 구동에 의해 차량의 조향력을 어시스트(Assist)하여 드라이버의 조타동작을 보조하는 전동 파워 스티어링 장치의 웜휠구조에 관한 것이다.

예를 들면, 자동차에 탑재되는 전동 파워 스티어링 장치는 조타부재(操舵部材)로부터 조향차륜(操向車輪)에 이르는 조타기구에 연결된 전동모터를 구비하고 있으며, 이 모터동력을 웜축구를 개재시켜서 조타기구에 부여함으로써 상기 조타부재에서의 드라이버에 의한 조타동작을 보조하도록 되어 있다. 또한, 이와 같은 스티어링 장치에서는, 상기 웜축구에 포함된 톱니부의 맞물림부에서 발생한 톱니 부딪침음이 드라이버에 래틀 노이즈(rattle noise)(래틀음)로서 전달되어 불쾌감을 주는 경우가 있어, 이 래틀음을 저감할 것이 요구되고 있다.

그래서, 종래 장치에는, 예를 들면 일본국 특허공개 2000-43739호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 그 웜축구에 있어서 상기 전동모터의 출력축측에 연결된 웜축을 상기 조타기구에 장착된 웜휠(worm wheel)측에 부세(付勢)함으로써, 이들 웜휠과 웜축과의 상기 톱니부 맞물림부에서의 백래시(backlash)를 흡수하여 래틀음을 억제하고자 한 것이 있다.

또한, 종래 장치에는, 예를 들면 일본국 특허공개 2003-63424호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 상기 톱니부 맞물림부의 근방에 영구자석을 설치함과 아울러, 이 자석에 의해 자기적으로 흡인되는 자성 유체로 이루어지는 윤활유를 사용함으로써, 이 윤활유를 톱니부 맞물림부에 항상 개재시켜서, 당해 윤활유로 래틀음을 완충하고자 한 것도 있다.

그러나, 상기와 같은 종래 장치에서는, 그 웜축구 및 전동모터를 포함한 진동계에 대해서는 충분히 고려된 것이 아니며, 그 진동계의 고유 진동에 기인해서 래틀음이 발생하거나, 조타 필링이 저하하는 경우가 있었다. 상세하게 말하면, 관성요소인 전동모터가 탄성 요소인 웜축구의 톱니부 맞물림부를 통해서 조타기구에 연결되어 있고, 조타기구 및 전동모터를 각각 기준단측 및 자유단측으로 하는 상기 진동계가 구성되어 있다. 그리고, 예를 들면 조향차륜측으로부터의 외란(外亂)이 역입력되었을 때, 특히 전동모터를 구동하지 않는 어시스트 불감대(不感帶)에 있어서, 이 진동계는 진동(공진)하기 쉬워서, 래틀음이 커지거나, 조타 필링의 대폭적인 저하를 초래하는 경우가 있었다.

도 1은 위와 같은 종래 C-EPS의 개략 구성상태를 보인 도면으로서, 종래의 C-EPS는 일반적인 조향장치를 기반으로 하고 있다.

우선, 중공으로 마련된 스티어링 컬럼의 내부에는 스티어링 샤프트(2)가 회전 가능하게 베어링(미도시)에 의해 양단이 지지된 채로 설치되어 있는데, 이 스티어링 샤프트(2) 일단은 운전석에 마련되는 스티어링 휠(미도시)에 결합되고, 타단은 기어박스측에 설치되는 유니버셜 조인트(미도시)와 연결된다.

그리고, 상기 스티어링 컬럼의 외부에는 이와 직교하는 방향으로 조향보조력을 위한 전동모터(3)가 설치되는데, 이러한 전동모터(3)의 회전 샤프트 단부 및 스티어링 컬럼에 내설된 스티어링 샤프트(2)의 중앙부에는 한쌍의 구동기어와 종동기어로 이루어진 감속기어가 마련되어 전동모터 출력을 적정수준으로 감속함과 동시에 운전자 조작에 의한 스티어링 샤프트(2)의 회전 조타력을 어시스트 하게 된다.

이때, 상기 C-EPS에 사용되는 웜축은 두축이 엇갈린 상태에서 동력전달이 이루어져야 하기 때문에 통상 웜축과 웜휠 기어를 한쌍으로 사용하고 있다.

즉, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 전동모터의 출력축(30) 단부에는 웜축(32)이 스플라인 연결되어 전동모터의 회전력이 윔축(32)으로 전달될 수 있도록 이루어져 있으며, 웜휠(40)은 스티어링 컬럼 내에 삽입된 스티어링 샤프트(2) 외주부에 압입된 상태에서 상기 윔축(32)과 치합토록 구성되어, 전동모터(3)로 부터의 회전력이 한쌍의 웜축과 웜휠을 거쳐 스티어링 샤프트(2)의 회전력을 보조할 수 있도록 구성된다.

여기서, 상기 웜축(32)의 양단부는 하우징(4) 내에서 한쌍의 베어링(34)에 의해 지지되어 회전이 가능하도록 이루어져 있다.

또한, 상기 웜축(32)의 한쪽의 지지단부측 제1 베어링(34) 및 탄력커버(50)의 일측면과 접하는 복수의 와셔(90)에 의해 상기 제1 베어링(34)의 마모에 기인한 유격이 항시 보상되도록 탄성력을 인가되어 가압되도록 되어 있다.

이와 같이, 각종의 탄력성 유격보상수단이 상기 제1 및 제2 베어링(36)과 함께 하우징(4) 사이에 개입됨으로써, 웜축(32)의 축방향 및 반경방향유격을 동시에 흡수 또는 보상할 수 있게 되어 있다.

따라서, 상기한 구성으로 이루어진 종래의 C-EPS는 차속센서 및 조향토크센서 등에서 감지한 차량의 운행조건에 따라 ECU에서 전동모터를 구동시키고, 이러한 전동모터의 구동력은 전술한 감속기어를 거쳐 회전속도가 감속된 상태로 스티어링 샤프트에 전달되어 운전자의 스티어링 휠 조타력을 보조하게 된다.

그러나, 이와 같은 종래의 컬럼타입 전동식 스티어링 장치의 웜휠(40)은 스티어링 샤프트(2) 외주부에 압입된 허브와, 이 허브의 외주부에 접착제로 접합되는 외치형부재로 구성되어 있기 때문에, 잦은 웜축과 상기 웜휠의 외치형부재와의 잦은 마찰로 인해 마모는 물론이고, 상기 허브와 외치형부재와의 결착 상태가 해제되는 상태로 이어지며, 이와 같은 접합 릴리즈 상태는 스티어링 장치의 작동의 중단 및 그 외의 진동, 소음을 유발하여 제품의 성능 및 신뢰성을 저하시킨다는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선시키고자 안출한 것으로, C-EPS의 웜축에 치합되는 외치형부재와 이를 지지하는 허브를 사출시키되, 허브의 외주부 외측에는 제1 및 제2 댐부를 형성하고, 외주부 중앙에는 T자형의 걸림부를 형성함으로써, 외치형부재와 허브가 직접적으로 강력하게 결합되는 장점을 가진다. 이로 인해 기존의 허브에 접착제를 바른 후 수동으로 외치형부재를 억지끼워맞추기 위한 비교적 비싼 제조공정이 생략되는 전동식 파워 스티어링 장치의 웜휠 구조를 제공하는 데 주된 목적이 있다.

이와 같은 외치형부재를 포함하는 웜휠은 간단하고, 저렴한 방식으로 하나의 작업 단계에서 사출 성형 방법에 의해 제조될 수 있다. 사출성형구조를 지지하는 기반기술로 인해 동시에 접착 조립 단계가 생략되는데, 그 이유는 부품의 조립공정이 단순화되기 때문이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 전동식 파워 스티어링장치의 웜휠 구조는,

전동모터의 구동력을 스티어링 샤프트에 전달할 수 있도록 웜축과 치합되는 전동식 파워 스티어링 장치의 웜휠에 있어서,

상기 웜축에 치합되는 외치형부재와 이를 지지하는 허브를 사출시키되,

상기 허브의 외주부 외측에는 제1 및 제2 댐부를 연속적으로 형성하고,

상기 허브 외주부 중앙에는 T자형의 걸림부를 연속적으로 형성한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 걸림부의 외측면에는 다수의 요철부가 형성되도록 구성됨이 바람직하다.

또, 상기 걸림부와 상기 제1 및 제2 댐부의 기단부에는 강도 보강용 비드부가 연속적으로 형성됨이 바람직하다.

이하, 본 발명의 일실시예에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 웜휠을 도시함에 있어, 도 1에서 커버를 제외한 상태에서 웜축 및 웜휠을 포함하는 주요부를 상세히 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 웜휠의 외관을 도시한 사시도이며, 도 4는 도 2의 선 B-B에 따른 웜휠의 허브 및 외치형부재의 결합 상태를 도시한 종단면도이며, 도 5은 도 2의 웜휠을 부품을 일부 절취하여 도시한 부분 조립 사시도이다.

컬럼타입 전동식 파워 스티어링 장치(Column type Electric Power Steering apparatus; 이하 C-EPS라 약칭함.)의 구성을 살펴보면, 스티어링 휠의 조향각을 감지하는 조향각 센서(미도시)가 스티어링 컬럼의 일단에 설치되며, 상기 스티어링 컬럼 내부에는 토션바와 이 토션바의 비틀림을 감지하는 토크 센서가 내설되고, 차량의 진행속도를 감지하는 차속 센서가 구비되며, 상기 조향각 센서, 차속 센서 및 토크 센서로부터 입력되는 신호를 연산하는 ECU를 포함하여 이루어져 있다.

이때, 상기 ECU로 부터 연산된 신호를 근거로 작동되어 조향력을 보조하는 전동모터(3)는 스티어링 샤프트(2)의 축상에 이와 직각방향으로 교축되도록 설치되어 있으며, 상기 구동전동모터(3)측에는 웜축(32)과 웜휠(40)로 이루어진 감속기어가 마련되어 전동모터로부터의 회전출력 속도를 감속하여 스티어링 샤프트(2)에 전달할 수 있도록 구성된다.

본 발명은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기한 웜축(32) 및 웜휠(40)로 이루어진 감속기어 내부 구성요소들 간 잦은 마찰이나 충격력으로 인해 웜휠(40)의 허브(41)와 외치형부재(49)의 탈리가 유발되는 현상을 규제할 수 있도록, 감속기어 중 웜휠(40)의 조립 구조를 획기적으로 개선하기 위한 구성으로 되어 있다.

먼저, 상기 웜축(32)을 회전가능토록 지지하는 제1 베어링(34)과 이 제2 베어링(36)을 포함하여 상기 감속기어를 감싸도록 마련되는 하우징(4)을 포함하는 구성으로 되어 있다.

또한, 상기한 전동모터의 구동력을 스티어링 샤프트에 전달할 수 있도록 웜축과 치합되는 전동식 파워 스티어링 장치의 웜휠(40)을 구성함에 있어, 상기 웜축 에 치합되는 외치형부재(49)와 이를 지지하는 허브(41)를 사출형성시킨다.

또, 상기 허브(41)의 외주부 외측에는 제1 및 제2 댐부(42, 43)가 외주방향으로 돌출형성되어 있다.

또한, 상기 허브(41) 외주부 중앙에는 T자형의 걸림부(45)가 외주방향으로 돌출 형성되어 있다.

또, 상기 걸림부(45)의 외측면에는 다수의 요철부(45a)가 형성되어 있다.

또한, 상기 걸림부(45)와 상기 제1 및 제2 댐부(42, 43)의 기단부에는 강도 보강용 비드부가 연속적으로 형성되어 있다.

이와 같은 구조의 독립 청구항 제 1항의 특징을 포함하는 본 발명에 따른 웜휠(40) 구조는, 상기 외치형부재(49)가 웜축의 외주부에 사출형성됨으로써 상기 허브(41)에 외치형부재(49)가 직접적으로 완전 결합되는 장점을 가진다. 이로 인해 세레이션 및 클램핑 소자용 홈이 전단 형성되는 요철부(45a)의 비교적 비싼 제조가 생략되게 되는 것이다.

또한, 상기 사출형 외치형부재(49)를 포함하는 웜휠은 간단하고, 저렴한 방식으로 하나의 작업 단계에서 사출 성형 방법에 의해 제조될 수 있다.

이는, 기존의 접착단계의 생략으로 인해 동시에 인위적인 추가의 조립 단계가 생략되는데, 그 이유는 사출성형에 의해 완전 기밀한 접촉이 이루어지기 때문이다.

또한, 종속항에서 구현된 조치에 의해 청구항 제 1항에 제시된 특징의 바람직한 실시예 및 개선이 제공된다.

먼저, 상기 허브(41)의 외주부 외측에는 제1 및 제2 댐부(42, 43)가 연속적으로 형성되어 있기 때문에, 외치형부재(49)를 조립하기 이전에 외치형부재(49)를 가열한 후 허브(41)에 지지되도록 하는 공정의 배제가 이루어지게 된다.

또한, 상기 허브(41) 외주부 중앙에 연속적으로 형성된 T자형의 걸림부(45)로 인해, 기존의 잦은 외력의 작용으로 인해, 상기 외치형부재(49)가 반경방향 외측으로 탈리되는 현상을 규제할 수 있게 되는 것이다.

또, 상기 걸림부(45)의 외측면에는 다수의 요철부(45a)가 형성되되, 이 요철부(45a)의 외면은 임의로 줄눈무늬 등으로 형성될 수 있고, 그 때문에 저렴하게 사용된 플라스틱 사출 성형 방법에 매칭될 수 있게 되는 것이다.

이와 같은 외치형부재(49)와 웜휠의 일체형 제조에 의해, 웜휠은 저렴하게 반경방향 외부의 영역에서 허브(41)의 상응하는 형상부 즉, 걸림부(45)나 제1 및 제2 댐부(42, 43)에 지지될 수 있다.

또한, 이러한 지지력의 보강을 위해 요철부(45a)에 상응하는 표면이 형성되고, 상기 표면은 외치형부재(49)의 재료와의 조합을 위해 최적화될 수 있다.

이로써, 외치형 부재의 내벽의 성형이 그 안정성 및 제조 방법과 관련하여 최적화될 수 있다.

또한, 상기 걸림부(45)와 상기 제1 및 제2 댐부(42, 43)의 기단부에는 강도 보강용 비드부가 연속적으로 형성되어 있기 때문에, 지지강도 측면에서의 보강을 도모할 수 있게 되는 것이다.

여기에서, 상기 요철부(45a)는 원기둥형 돌기가 매우 바람직한데, 그 이유는 전단 부하가 감소되는 경우 힘이 수용될 수 있기 때문이다. 이러한 형태는 사출 성형 방법에 의해 매우 저렴하게 제조되는 웜휠(40)을 보다 더 바람직한 설계기준을 맞출 수 있게 만든다.

바람직한 방법으로 플라스틱으로 이루어진 요철부(45a) 단부 영역이 매우 거친 표면으로 형성됨으로써, 클램핑을 위한 소자홈으로서의 역할을 톡톡히 수행할 수 있게 되고, 따라서 외치형부재(49)의 탈리가 제거된다.

이러한 요철부(45a)는 저렴하게 주조 방법 또는 소결 방법에 의해 제조될 수 있지만, 선택적으로 이로 인해 웜휠(40)의 구조적으로 변경될 필요 없이 생략될 수도 있다.

웜축이 나선형으로 맞물리는 외치형부재(49)를 가지는 것이 바람직하고, 상기 외치형부재(49)는 예컨대 플라스틱으로 이루어진 나사부로부터 금속 웜축으로 토크를 확실하게 전달하기 위해, 본원과 같이 금속 허브(41)-플라스틱 치형이라는 특수한 형태를 가지고도, 상기 형태에서 웜축의 외치형부재(49)와 허브(41)의 요철부(45a) 사이의 조화를 이룬, 응력이 무한대인 모멘트 전달이 보장된다. 이 경우 프로파일 이동, 이뿌리면 및 이끝면은, 연성 플라스틱 재료의 톱니가 웜축의 경질재료의 톱니보다 넓게 형성되도록 선택될 수 있다. 이러한 인벌류트 기어(involute gear)의 형성에 의해 본 발명에 따른 재료 조합에서, 정상 치형부에서보다 더 큰 힘이 전달될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와같이 본 발명인 컬럼타입 전동식 파워 스티어링 장치의 웜휠 구조에 의하면, C-EPS의 웜축에 치합되는 외치형부재(49)와 이를 지지하는 허브(41)를 사출시키되, 허브(41)의 외주부 외측에는 제1 및 제2 댐부(42, 43)를 형성하고, 외주부 중앙에는 T자형의 걸림부(45)를 형성함으로써, 외치형부재(49)와 허브(41)가 직접적으로 강력하게 결합되는 장점을 가진다. 이로 인해 기존의 허브(41)에 접착제를 바른 후 수동으로 외치형부재(49)를 억지끼워맞추기 위한 비교적 비싼 제조공정이 생략되는 전동식 파워 스티어링 장치의 웜휠 구조를 제공할 수 있게 되는 등의 매우 뛰어난 효과가 있는 것이다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims (3)

1. 전동모터의 구동력을 스티어링 샤프트에 전달할 수 있도록 웜축과 치합되는 전동식 파워 스티어링 장치의 웜휠에 있어서,

   상기 웜축에 치합되는 외치형부재와 이를 지지하는 허브를 사출시키되,

   상기 허브의 외주부 외측에는 제1 및 제2 댐부가 외주방향으로 돌출형성되고,

   상기 허브 외주부 중앙에는 T자형의 걸림부가 외주방향으로 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 웜휠 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 걸림부의 외측면에는 다수의 요철부가 형성된 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 웜휠 구조.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 걸림부와 상기 제1 및 제2 댐부의 기단부에는 강도 보강용 비드부가 연속적으로 형성된 것을 특징으로 하는 전동식 파워 스티어링 장치의 웜휠 구조.

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