KR20010052955A - 파워스티어링 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파워스티어링 시스템에 관한 것으로, 모터(1)가 웜기어(13)와 휠기어조립체(11)를 통하여 출력축(12)에 보조토크를 가할 수 있게 되어 있으며 탄지수단(14)이 제공되어 웜기어(13)의 축을 휠기어(11)의 축에 결합되게 탄지한다. 탄지수단(14)은 변속기 하우징과 웜기어축의 자유단부를 지지하는 베어링(9)사이에 제공되는 스프링부재 또는 베어링조립체에 작용할 수 있게 된 토션 스프링으로 구성된다.

Description

파워스티어링 시스템 {IMPROVEMENTS RELATING TO ELECTRICAL POWER ASSISTED STEERING}
종래 고정자와 회전자를 갖는 전기모터, 회전자에 연결되어 이와 함께 회전할 수 있게 된 입력축, 스티어링 컬럼에 결합된 출력축과, 토크감지기에 의하여 발생된 출력축의 토크의 크기에 응답하여 입력축으로부터 출력축으로 토크를 전달할 수 있게 된 변속기로 구성되는 차량용 파워스티어링 시스템을 제공하는 것이 알려져 있다. 전형적으로 모터는 측정된 토크값이 증가할수록 출력축에 증가된 토크를 가하도록 작동되어 차량의 조향에 도움이 되는 보조토크를 가할 수 있게 되어 있다.
간단한 구성으로서, 입력축은 웜기어로 구성되고 출력축은 웜기어와 결합될 수 있게 된 휠기어를 구비한다. 이러한 시스템이 비교적 효과적이기는 하나 웜과 기어휠사이의 부정확한 결합으로 소음과 진동이 발생하는 문제접이 있다. 이러한 부정확한 결합은 제조공차, 열변형, 비틀림부하에 의한 왜곡 및 사용중의 마모에 의하여 일어날 수 있다.
본 발명은 기어조립체의 개선에 관한 것으로, 특히 전기모터의 토크를 이러한 모터에 연결된 스티어링 컬럼 또는 출력축에 전달하기 위하여 웜과 휠기어조립체가 결합된 파워스티어링 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명이 적용된 파워스티어링 시스템의 제1실시형태를 보인 부분단면도.
도 2는 본 발명이 적용된 파워스티어링 시스템의 제2실시형태를 보인 단면도.
도 3은 토션 바아와 하우징에 고정되는 나선볼트 사이의 연결상태를 보인 도 2의 시스템의 단면도.
도 4는 본 발명이 적용된 파워스티어링 시스템의 제3실시형태를 보인 부분단면도.
도 5는 모터 회전자의 제2지지허브를 보인 상세도.
도 6은 유연성 스파이더요소의 상세도.
도7은 판스프링 요소의 평면도,
제1관점에 따라서, 본 발명의 파워스티어링 시스템은 하우징, 고정자와 회전자를 가지고 하우징에 고정되는 전기모터, 회전자에 연결된 입력축, 스티어링 컬럼에 연결된 출력축과, 입력축의 토크를 나타내는 출력신호를 발생할 수 있게 된 토크감지기로 구성되고, 모터가 출력축의 휠기어에 결합되는 입력축의 웜기어를 통하여 토크감지기로부터의 출력신호에 따라 출력축에 토크를 가할 수 있게 된 것에 있어서, 이 파워스티어링 시스템이 모터로부터 원격한 단부에서 하우징에 대하여 입력축을 지지하는 제1베어링수단과 입력축을 휠기어측으로 탄지하도록 제1베어링수단에 작용할 수 있게 된 탄지수단을 포함함을 특징으로 한다.
입력축은 모터에 인접한 단부에서 하우징에 대하여 입력축을 지지하는 제2베어링수단으로 집중되는 경사운동으로 탄지되는 것이 좋다.
탄지수단은 휠기어에 실리는 사전에 결정된 토크값의 범위에서 웜기어의 톱니와 휠기어의 톱니사이의 완전결합을 유지하기 위하여 제1베어링수단에 충분한 탄지력을 가할 수 있게 되어 있다. 이는 웜과 휠의 결합하는 톱니의 양면이 이러한 전 범위의 토크에서 항상 접촉할 수 있도록 하여 차량이 직진하거나 또는 비포장도로를 주행할 때 기어가 덜컥거리는 것을 방지하는데 도움을 준다. 이러한 구성은 변속기에서 정지마찰을 증가시키므로 요구된 입력축의 전 범위에서 탄지수단에 의하여 가하여지는 힘의 제어를 유지하는데 중요하다. 따라서, 탄지수단은 낮은 스프링 레이트를 가져야 한다.
탄지수단이 구비됨으로서 제어된 탄지력이 가하여질 수 있도록 하는 반면에 제조시의 변화 및 온도변화에 의한 구조적인 변형을 보상토록 입력축의 충분한 경사운동을 허용한다. 완전결합이 유효하게 될 때까지의 최대 토크값은 지나친 마찰을 방지하기 위하여 조심스럽게 선택(절충에 의하여)된다.
탄지수단은 하우징의 일부와 제1베어링수단사이에 작용할 수 있는 것이라면 어떠한 형태이든지 탄성스프링으로 구성될 수 있다.
일부의 구성에 있어서, 탄성스프링은 제1단부에서 하우징에 취부되고 제2단부에서 제1베어링수단에 작용할 수 있게 된 판스프링으로 구성되는 것이 좋다. 이는 웜을 휠기어에 접촉토록 탄지하기 위하여 입력축의 반대측에서 제1베어링수단을 휠기어에 결합토록 한다.
판스프링은 하우징의 외측에 제공되고 이 판스프링의 제2단부가 하우징의 개방부를 관통하여 제1베어링수단에 결합될 수 있게 되어 있다. 판스프링의 제2단부에는 이 판스프링이 관통하는 개방부를 밀폐하는 씨일이 구비될 수 있다.
입력축은 모터 회전자에 직접 연결될 수 있다. 이는 회전자를 통하여 연속적으로 연장될 수 있다.
입력축은 회전자의 움직임이 없이 웜이 경사질 수 있도록 허용하는 유연성 커플링을 통하여 회전자에 연결될 수 있다.
유연성 커플링은 예를 들어 고무와 같은 탄성요소로 구성될 수 있다. 모터 회전자는 탄성요소의 주연방향으로 일정한 간격을 둔 하나 이상의 방사상 연장면을 통하여 탄성요소에 구동력을 가할 수 있게 되어 있다. 그리고 탄성요소는 이 탄성요소의 주연방향으로 일정한 간격을 둔 하나 이상의 방사상 연장면을 통하여 입력축에 구동력을 가할 수 있게 되어 있다. 탄성요소는 주연방향으로 간격을 둔 다수의 방사상 연장면을 제공하는 다수의 암을 갖는 스파이더 형상으로 구성될 수 있다.
입력축이 유연성 커플링에 의하여 모터의 회전자에 연결되는 경우 제1압축수단이 입력축을 모터 회전자에 탄지하도록 입력축에 압축력을 가하는 모터로부터 원격한 입력축의 단부에서 하우징과 제1베어링수단사이에 제공될 수 있다. 이는 코일스프링으로 구성될 수 있다. 그 기능은 제2베어링수단에서 축방향의 유동에 의한 소음과 진동을 방지하는 것이다. 압축된 상태에서, 입력축의 경사운동에 대한 마찰저항을 피하기 위하여 인접한 코일사이의 공간이 자유스러워야 한다.
또한, 제2압축수단(코일스프링과 같은)이 모터 회전자에 인접한 입력축의 단부와 모터 회전자사이에 제공될 수 있다. 이는 입력축의 단부에 형성된 컵에 제공되는 한편 모터 회전자의 회전축선을 중심으로 하여 연장되고 회전자의 일부를 형성하는 핀이 컵측으로 돌출되어 스프링에 결합된다.
이와 같이, 제1압축수단이 유연성 커플링을 통하여 제2베어링수단을 탄지하는 반면에, 제1압축수단은 핀을 통하여 직접 회전자를 탄지한다. 요구된 양 만큼 입력축의 축선방향으로 제2베어링수단을 충분히 탄지하는 제1 및 제2압축수단에 의하여 각각 제공된 힘사이에 차이가 있어야 한다.
또한, 탄지수단은 제1베어링수단과 하우징사이에 제공된 환상의 O-링으로 구성될 수 있다. O-링은 고무로 구성될 수 있으며, 제1베어링수단의 외주면과 하우징의 일부분에 접촉한다.
따라서, 제1베어링수단은 O-링의 일부가 압축될 때 O-링에 의하여 가하여지는 저항력에 대항하여 하우징에 대해 이동할 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 휠기어와 웜기어는 이들의 각 축선사이의 거리에 따라 계산된 크기보다 약간 크게 신중히 제작되어야 한다. 이는 O-링이 항상 작은 양의 잔류압축하에 놓이게 되도록 한다.
O-링과는 별도로, 탄지수단은 제1베어링수단과 하우징사이에 삽입되는 고무스페이서 블록과 같은 탄성요소로 구성될 수 있다. 이 요소는 입력축의 기어휠에 결합되는 부분의 반대측에서 제1베어링수단과 하우징사이에 배치될 수 있다. 탄지수단은 압축 또는 긴장토록 작용할 수 있다.
제2베어링수단은 하우징에 대하여 입력축의 방사상 및 축방향운동을 방지하는 반면에 탄지수단에 의하여 제공되는 탄지력에 대항하여 입력축의 경사운동을 허용할 수 있게 된 볼베어링으로 구성될 수 있다.
제2베어링수단은 입력축이 제2베어링수단을 관통할 때 볼이 하우징에 대한 입력축의 방사상 변위를 방지할 수 있도록 배치되고 입력축이 제2베어링수단의 평면의 한 점을 지나는 그 축선의 한 점을 중심으로 하여 회전토록 허용하는 요구의 형상에 의하여 적용되는 공차가 큰 볼베어링으로 구성토록 선택될 수 있다.
우선실시형태의 구성에 있어서, 하우징은 제1부분과 제2부분으로 구성되고, 제1부분은 한 쌍 이상의 대향된 벽을 가지고 각 벽에 제1 및 제2베어링수단이 제공되는 개방부를 갖는 입력축을 위한 하우징을 구성하며, 제2부분은 한 쌍 이상의 대향된 벽을 갖는 출력축의 일부분을 위한 하우징을 구성하고, 개방부가 하우징에 출력축을 고정할 수 있게 된 하나 이상의 베어링을 삽입할 수 있도록 각 벽에 제공된다. 출력축은 입력축에 대하여 직각으로 착설되고 하우징에 대하여방사상으로 이동되는 것을 방지한다.
플라스틱 라이닝부분이 제1베어링수단의 외주면 둘레에 제공되어 광범위한 변위에서 제1베어링수단과 하우징사이의 접촉을 방지한다. 이는 제1베어링수단과 하우징사이의 금속대 금속의 접촉에 의한 진동소음을 제거하는데 도움이 된다.
하우징의 제1부분에 형성된 제1개방부(제1베어링수단이 삽입됨)는 반원형 양단부와 중앙의 평행한 한 쌍의 측면을 가지며 입력축이 지날 수 있게 된 기다란 슬로트로 구성될 수 있다. 평행한 측면사이의 간격은 제1베어링수단의 외경과 동일할 수 있다. 슬로트의 반원형 단부의 반경은 제1베어링수단의 반경과 동일하다. 따라서, 제1베어링수단은 슬로트를 따라서 축방향으로 이동할 수 있으나 슬로트에 수직인 방사상 방향으로 이동되는 것이 방지된다.
제1부분의 제1개방부는 제1베어링수단의 직경보다 큰 직경의 내면을 갖는 환상공으로 구성된다. 따라서, 제1베어링수단의 외면은 내벽으로부터 간격을 두고 있다. 탄지수단을 구성하는 O-링은 이 공간에 수용될 수 있다.
내벽의 주연에는 벽에 대하여 O-링을 사전에 결정된 위치에 배치하는 요구가 제공되며, 이 요구의 깊이는 O-링의 방사상 두께보다작다. 이와 같은 경우, 제1베어링수단은 O-링의 방사상 두께와 요구의 깊이사이의 차이와 같은 거리를 통하여 O-링에 의하여 제공되는 탄지력에 대항하여 그 휴지위치로부터 이동될 수 있다. 이후에, 제1베어링수단은 이 제1베어링수단이 제1개방부의 내벽에 결합할 때 개방부내에서 추가로 방사상으로 이동하는 것이 방지된다.
또 다른 구성에 있어서, 탄지수단은 제1베어링수단에 작용하는 제1단부와 하우징의 일부분에 대하여 고정된 제2단부를 갖는 토션 바아로 구성될 수 있으며 이 토션 바아는 제1베어링수단에 대하여 탄지력을 가한다.
토션 바아는 기다란 U자형 롯드로 구성될 수 있으며 이 롯드는 그 제1단부에 말단부를 가지고 이 말단부는 제1베어링수단의 일부분과 결합토록 제1단부의 나머지 부분에 대하여 그리고 롯드의 중심부에 대하여 거의 90°각도로 만곡되어 있다. 말단부는 하우징의 제1부분의 제1개방부에 형성된 내벽으로부터 방사상으로 연장된 하우징의 개방채널을 관통함으로서 출력축의 휠기어에 대향된 제1베어링수단의 외면에 직접 작용한다.
토션 바아의 중앙부는 하나 이상의 클램프 또는 고리를 통하여 하우징의 일부분에 고정될 수 있다.
토션 바아의 제2단부는 하우징에 결합되는 나선볼트의 단부면에 놓인다. 나선공내에서 볼트의 회전은 토션 바아의 제2단부가 하우징에 대하여 이동될 수 있도록 한다. 제1단부가 제1베어링수단에 결합될 때 이는 잘 알려진 방법으로 토션 바아의 토션을 증감시키고 제1베어링수단에 가하여지는 탄지력을 변경시킨다(사용을 위하여 설정될 때).
우선실시형태의 구성에 있어서, 토션 바아의 제2단부의 말단부는 제2단부의 나머지부분에 대하여 거의 90°각도로 만곡되고 볼트의 단부면에 형성된 요구에 결합된다. 이는 제2단부가 적극적으로 배치될 수 있도록 한다.
또 다른 구성에 있어서, 차량내의 공간이 허용된다면, 탄지수단은 축선이 웜축에 수직인 코일스프링으로 구성될 수 있다. 코일스프링은 하우징에 형성된 통공에 설치될 수 있다. 스프링의 제1단부는 스프링의 단부를 통하여 또는 스프링과 제1베어링수단사이에 배치된 별도의 구성요소를 통하여 제1베어링수단의 외측 레이스에 힘을 가할 수 있다. 베어링수단으로부터 원격한 통공의 단부에 폐쇄플러그 또는 플레이트가 코일스프링에 대한 지지체와 밀폐수단을 제공한다.
최선의 구성에 있어서, 토션 바아의 제2단부의 말단부가 하우징의 요구에 결합된다. 이는 이러한 구성이 조절이나 조정이 필요없도록 하여 생산시 유리할 수 있도록 한다.
보다 상세하게는, 탄지수단이 제1베어링수단과 하우징사이에 작용하는 O-링 씨일로 구성되는 경우, O-링의 중심축은 입력축의 중심축선으로부터 벗어날 수 있다. 이는 O-링과 축의 중심축선이 일치하는 경우에 비하여 베어링수단의 탄지력과 변위사이에 차등관계를 제공한다. O-링의 축선은 제1베어링수단을 지나는 입력축 보다는 휠기어에 더 근접한다.
제1베어링수단의 탄지력과 변위사이를 더욱 상세히 설명하면, O-링의 단면에 대한 O-링 요구(제공되는 경우)의 형상은 O-링의 압축부분이 사전에 결정된 탄지력에 일치하는 사전에 결정된 변위에서 요구를 완전히 채울 수 있도록 선택될 수 있으며, 이로써 완전변위에 의한 탄지력의 증가율은 사전에 결정된 변위 이하의 변위에서 변위에 의한 탄지력의 증가율 보다 현저히 크다. O-링이 기어휠의 제로 토크에 해당하는 정상위치에 있을 때, O-링은 요구를 부분적으로만 채울 것이다.
제2관점에 따라서, 본 발명의 파워스티어링 시스템은 하우징, 고정자와 회전자를 가지고 하우징에 고정되는 전기모터, 회전자에 연결된 입력축, 스티어링 컬럼에 연결된 출력축과, 입력축의 토크를 나타내는 출력신호를 발생할 수 있게 된 토크감지기로 구성되고, 모터가 출력축의 휠기어에 결합되는 입력축의 웜기어를 통하여 토크감지기로부터의 출력신호에 따라 출력축에 토크를 가할 수 있게 된 것에 있어서, 이 파워스티어링 시스템이 입력축이 유연성 커플링에 의하여 모터 회전자에 연결됨을 특징으로 한다.
유연성 커플링을 제공함으로서 입력축이 모터 회전자에 대하여 경사질 수 있다. 이는 회전자를 움직이지 않고 기어의 덜컥거림을 제거할 수 있도록 휠에 대한 웜의 위치를 조절할 수 있도록 한다.
유연성 커플링은 탄성요소로 구성될 수 있다. 이는 고무요소일 수 있다.
이 요소는 방사상으로 연장된 다수의 구동면을 가질 수 있다. 하나 이상의 구동면이 회전자에 형성된 하나 이상의 방사상 구동면과 협동할 수 있다. 따라서 모터 회전자는 이들 면을 통하여 입력축이 토크를 가할 수 있다.
이 요소는 구동면을 형성하는 다수의 방사상 연장암을 갖는 스파이더로 구성될 수 있다.
입력축은 모터 회전자에 인접한 그 단부에 형성된 컵을 갖는다. 회전자의 회전축선을 따라 배치된 핀이 컵에 삽입될 수 있게 되어 있다. 유연성 커플링이 컵의 단부면과 회전자 사이, 즉 핀의 둘레에 제공될 수 있다.
컵은 회전자를 입력축으로부터 탄지토록 핀의 단부와 컵의 기부사이에서 작용하는 스프링과 같은 제1탄지요소를 삽입할 수 있게 되어 있다.
제2압축수단이 입력축을 회전자측으로 탄지토록 제공될 수 있다. 이는 하우징과 입력축을 지지하는 베어링수단사이에 배치되는 스프링으로 구성될 수 있다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
스티어링 컬럼축에 연결된 출력축(12)에 보조토크를 가하기 위한 모터(1)는 고정자(2)와 회전자(3)로 구성된다. 모터는 하우징(4)의 측부에 착설된다. 회전자의 단부에 스플라인으로 연결된 입력축(5)의 일측단부는 개방부(8)를 통하여 하우징의 내부공간(6)으로 연장된다. 입력축의 타측단부는 하우징의 반대측에 형성된 개방부(7)를 통하여 개방부(8)측으로 연장되고, 개방부(7)와 개방부(8)에 배치된 제1베어링수단(9)과 제2베어링수단(10)은 각각 하우징에 대하여 입력축을 지지한다.
입력축(5)에는 두 베어링수단 사이에서 하우징을 관통하는 출력축(1)에 제공된 톱니형 휠(11)과 결합되는 웜기어(13)가 착설되어 있다. 베어링(도시하지 않았음)은 입력축(5)의 축선에 수직으로 하우징에 대하여 출력축(12)을 지지하여 웜기어와 휠기어가 결합될 수 있도록 한다.
실제로, 출력축(12)(또는 이에 연결된 스티어링 축)의 토크를 측정할 수 있게 된 토크감지기(도시하지 않았음)로부터의 출력은 모터(1)에 의하여 발생된 토크를 제어하는 모터구동신호를 발생토록 전자제어장치(ECU)로 보내어진다. 그리고 모터(1)는 차량의 운전자를 보조하도록 모터 회전자(3)를 통하여 토크를 입력축(5)에 전달하여 출력축(12)으로 전달되도록 한다.
각 베어링수단(9)(10)은 입력축에 결합되는 내부베어링 레이스와 내부 레이스의 둘레에 간격을 두고 있는 외부베어링 레이스를 가지고 이들 사이에 베어링이 제공되는 볼베어링 또는 롤러베어링 카트리지로 구성된다. 설계자에 의하여 설정된 공차나 부하의 조건에 맞는 잘 알려진 베어링조립체가 사용될 수 있다.
제2베어링수단(10)이 하우징(4)에 고정되고 이를 중심으로 하여 입력축(5)이 경사질 수 있는 피봇트로서 작용한다. 이는 베어링(10)을 지나는 축(5)의 모든 방사상 운동을 방지한다.
제1베어링수단(9)은 입력축(5)을 출력축(11)의 기어휠(12)측으로 탄지할 수 있게 된 탄지수단(14)에 의하여 하우징(4)으로부터 간격을 두고 있다.
따라서, 제2(대형)의 베어링수단(10)은 웜에 의하여 기어휠에 가하여지는 접선방향의 힘과 톱니의 나선각과 압력각에 의한 방사상의 힘(즉, 웜의 축선에 직각인 힘)에 반작용한다.
제1베어링수단(9)은 하우징(4)에 대하여 축방향으로 구속되나(이후 상세히 설명됨) 탄지수단(14)에 의하여 가하여지는 탄지력에 대하여 방사상으로 자유롭게 이동될 수 있다.
탄지수단(14)은 탄성매체를 통하여 웜을 기어휠에 결합토록 탄지하고 기어휠의 크기와 위치변화(제조공차에 의함), 온도 및 톱니마모의 상태의 범위에서 충분히 결합상태(즉, 결합된 웜과 기어휠 톱니의 양측면 사이에 간극이 없는 경우)에 이르도록 작용한다. 도 1에서 보인 바와 같이, 탄지수단은 사각단면을 갖는 요구(15)내에 배치되는 O-링으로 구성된다.
거친 도로에서 주행시 기어가 덜컥거리는 것을 방지하기 위하여 이러한 완전결합상태는 기어휠에서 측정된 토크값(예를 들어 4N-m까지)의 범위에서 유지되는 것이 요구된다. 4N-m의 기어휠 토크에서 완전결합을 유지하기 위하여 기어휠에 대하여 방사상으로 웜에 20N의 힘이 가하여지는 것이 요구된다. 높은 토크가 가하여질 때, 웜은 기어휠로부터 멀리 이동하려 할 것이며 톱니의 양측면에 간극이 나타나 토크를 전달하지 못할 것이다. 도 1에서 보인 기어시스템의 최대토크정격은 42N-m이다.
시험결과, 탄지수단이 결합되지 않은 경우, 일어날 수 있는 공차, 온도 및 마모에 의한 백래쉬변화의 범위는 전형적으로 0.150mm 정도임이 확인되었다. 이를 보상하기 위하여 기어휠에 대해 웜의 방사상 변위의 범위는 약 2 X 백래쉬변화(압력각이 14°이므로), 즉 총 0.300mm(또는 공칭 웜축선위치로부터 +/- 0.150mm)가 요구된다. 이러한 변위범위는 웜축을 통상 수직평면을 움직이는 대형 볼베어링을 중심으로 하여 회전토록 하고 소형 볼베어링의 외측 레이스에 작용하는 3mm 광폭 O-링에 의하여 기어휠측으로 운동이 치우칠 수 있도록 함으로서 제공된다.
특히 도 1에서 보인 구성에 있어서, 각 베어링의 중심에 대한 웜의 결합중심으로부터 길이의 비는 20 x 48[48 + 38.5] N (=11N)의 힘이 O-링에 가하여져야 함을 의미한다. 이는 공칭의 웜축선위치로부터 +/- 0.270mm(=+/- 0.150 x [(48 + 38.5)/48]mm)의 변위범위에서 이상적으로 유지될 수 있어야 한다. 그러나, 이러한 간단한 탄성매체의 경우에 있어서 힘이 운동으로 변화하여야 하므로 실질적으로는 그렇지 못하다. 절충안으로서, 본 발명에서는 힘이 전체 변위범위 0.540mm(즉 +/- 0.270mm)에서 약 17-27 N의 범위가 되게 하였다. 이는 웜축선의 공칭위치에 대하여 O-링 요구의 중심을 오프셋트시켜 배치함으로서 이루어질 수 있다. 이러한 오프셋트의 양은 힘(Force) 대 O-링의 변위(Displacement)특성에 따라 달라질 것이며, 이러한 O-링은 그 비율이 웜이 기어휠로부터 멀리 떨어지도록 힘을 받으면 받을 수록 증가하는 비선형의 스프링으로서 작용할 것이다. 기어휠로부터 멀어지는 방향으로 상기 작동변위범위의 한계가 초과할 때, O-링의 저항은 높은 토크에서 과잉의 웜축운동을 방지하기 위하여 매우 신속히 일어나야 한다.
이동의 절대한계는 22mm직경의 베어링인 경우 하우징의 통공이 23mm까지 가공된다는 사실에 의하여 제공된다(예를 들어 공칭축선으로부터 0.500mm). 금속대 금속의 충격소음이 발생되는 것을 방지하기 위하여 소형 베어링의 0.500mm 편심변위에서 O-링의 힘은 적어도 150 N이 되도록 선택되어야 한다. 이는 0.300과 0.500mm 변위사이에서 매우 신속히 상승하는 스프링 레이트를 요구할 것이다. 이는 O-링 단면의 직경에 대하여 O-링 요구의 정밀한 형상을 가공함으로서 달성될 수 있으며, O-링 물질이 스프링 레이트가 급격히 상승되도록 요구되는 정확한 지점에서 요구에 채워진다. 고무의 경도는 최적화될 수 있도록 하는 다른 파라메타이다.
낮은 토크에서 일어나는 결합력은 이것이 변속기의 작동에 상당히 큰 정지마찰을 유도하고 효율과 주행감에 좋지 않은 영향을 주므로 제한되는 것이 중요하다. 20N의 결합력은 기어휠에서 측정하였을 때 0.4N의 마찰력을 증가시킬 것이다. 최대 허용량은 전형적으로 0.5N 정도이다.
관련된 작은 각변위(+/- 0.18°)에서 웜축의 피봇트 중심으로서 작용할 수 있도록 대형 베어링은 "C3" 클리어런스 급으로 특정될 수 있다(즉, 최대표준 클리어런스의 선택으로). 이는 베어링이 과잉마찰과 마모없이 요구된 오정렬상태에서 회전될 수 있도록 할 것이다. 거친 노면을 직진주행할 때 나타나는 산발적인 변속기토크반전에 의한 덜컥거림을 방지하기 위하여 베어링은 사전에 90N의 부하가 축방향으로 작용할 수 있도록 프리-로드될 수 있다. 이러한 프리-로드는 압축 코일스프링(16)에 의하여 소형 베어링의 외측 레이스를 사전에 로딩함으로서 축을 통하여 가하여질 수 있다.
웜축(5)과 모터 회전자(3)사이의 연결은 클리어런스 스프라인결합을 통하여 이루어지며 이러한 결합에서는 판스프링이 자형(雌形) 스플라인에 대하여 웅형(雄形) 스플라인을 축방향으로 로딩하고 모터구동에서 비틀림 유동을 제거하는데 사용된다. 이러한 구성은 웜축과 모터 회전자사이의 소량의 굽힘 유연성을 허용하고 이로써 웜축의 요구된 변위를 허용한다.
디른 실시형태가 도 2와 도 3에 도시되어 있는 바, 이들 도면에서는 도 1의 구성에서 보인 부분과 동일한 부분에 대하여 동일한 부호로 표시하였다.
제2실시형태는 탄지수단이 O-링 씨일 대신에 제1베어링수단의 외면에 작용하는 토션 바아(100)로 구성되는 점에서 제1실시형태와 상이하다.
토션 바아(100)는 기다란 U자형으로 만곡된 기다란 바아로 구성된다.이 바아의 각 단부는 약 90°각도로 다시 만곡되어 있다.
바아(100)의 중앙부(101)는 바아가 축선을 중심으로 하여 회전할 수 있도록 하는 부쉬를 통하여 하우징(4)의 일부분에 고정된다. 바아의 일측 단부(102)는 베어링수단에 작용하는 반면에 타측 단부(103)는 하우징(4)에 나선결합된 볼트(104)에 작용한다. 볼트(104)의 회전은 타측 단부가 베어링수단에 의하여 이동되는 것이 방지되어 있으므로 이에 결합된 바아의 단부의 변위가 이루어져 바아의 비틀림을 유도한다. 이와 같이 탄지력은 볼트를 회전시켜 조절될 수 있다.
물론, 볼트가 필수적인 것은 아니며 탄지력을 변화시킬 수 있는 많은 다른 방법이 이용될 수 있다. 예를 들어 토션 바아의 단부와 베어링수단 또는 하우징사이에 쐐기가 삽입될 수 있다. 본 발명의 범위내에서 다른 형태의 스프링이 사용되는 것이 예상될 수 있다.
따라서, 전문가라면 본 발명은 적어도 한 관점에서 적어도 부분적으로 기어의 덜컥거림을 방지하기 위하여 요구된 변위탄지력(Displacement Biasing Force)관계를 갖는 출력축을 향하여 입력축을 탄지하는 탄지수단을 제공하는 것에 있음을 이해할 것이다.
본 발명 파워스티어링 시스템의 제3실시형태가 도 4에 도시되어 있다.
이 시스템은 웜기어가 유연성 커플링에 의하여 모터 회전자(3)으로부터 분리된 입력축(5)에 제공되는 점에서 상기 두 시스템과 상이하다. 이 웜기어도 또한 모터에 대향된 축(5)의 단부를 지지하는 제1베어링수단(9)에 작용토록 배열된 판스프링(200)을 이용하여 휠기어(11)에 대하여 탄지된다.
모터 회전자(3)는 원통형이고 각 단부에서 각 허브(30)(31)에 의하여 지지된다. 제1허브(30)는 그 회전축선에 배치된 베어링을 갖는 지지프레임으로 구성된다. 이 베어링은 모터 하우징(4)의 일부를 이루고 회전자의 회전중심축에 배치된 중심스터드(32)상에 활동가능하게 삽입된다. 따라서, 스터드는 베어링을 관통하여 변속기에 대향된 모터의 단부에서 회전자를 지지하는 지지체를 구성한다.
제2허브(31)는 방사상 지지프레임과 중심에 배치된 핀(33)으로 구성된다. 핀(33)은 회전자(3)로부터 변속기를 향하여 외측으로 돌출되고 회전자와 입력축(5)의 축방향 정렬이 이루어질 수 있도록 입력축(5)의 단부에 형성된 컵(51)에 삽입된다.
제2허브(31)와 컵(51)사이에는 16개의 방사상 구동면(54)을 형성하는 8개의 동일한 주연방향으로 간격을 둔 암(53)을 갖는 고무 스파이더로 구성되는 유연성 커플링(52)이 배치된다.
도 6에서 보인 바와 같이, 제2허브(31)는 변속기를 향하여 돌출되고 유연성 스파이더의 일치하는 암사이에 결합되는 4개의 구동돌기(31a)를 갖는다. 웜기어축의 컵(51)에도 유사한 방법으로 회전자를 향하여 축방향으로 연장되고 스파이더의 암사이의 나머지 구동면에 결합되는 4개의 돌기가 구비되어 있다. 따라서, 모터 회전자로부터의 구동이 스파이더를 통하여 웜축에 결합된다.
도 5와 도 7에서 상세히 보인 바와 같은 유연성 커플링을 제공함으로서 입력축(5)은 모터 회전자(3)를 이동시킬 필요가 없이 이동될 수 있도록 하여 모터의 사용수명을 증가시킬 수 있도록 한다.
소형 코일스프링(55)이 모터 회전자를 변속기로부터 멀어지는 방향으로 탄지할 수 있도록 제2허브의 핀의 단부에 스페이서를 통하여 작용하는 컵내에 제공된다. 제2스프링(56)이 입력축(5)을 회전자측으로 탄지토록 변속기 하우징과 제1베어링수단사이에 제공된다.
판스프링(200)은 도 7에 상세히 도시되어 있다. 이는 일측단부에서 모터하우징에 볼트(202)로 체결되며 스프링 평면이 입력축의 축선과 평행하게 되는 평면상의 탄성요소로 구성된다.
판스프링(200)의 자유단부(201)는 90°각도로 만곡되고 하우징의 통공을 관통하여 제1베어링수단(9)에 결합된다. 이는 휠기어를 향하도록 입력축에 힘을 가한다. 판스프링의 단부(201)에 형성된 전면성형 씨일이 통공을 밀폐하도록 통공의 벽과 협동한다. 부가적으로, 커버판(300)이 제공되어 이 커버를 분리하지 않고서는 판스프링에 접근하는 것을 방지한다.
웜기어축의 자유단부를 지지하는 제1베어링수단은 하우징에 삽입되는 플라스틱 가이드내에 배치된다. 이 가이드는 휠기어에 대한 제1베어링수단의 운동범위보다 0.76mm 이상 크나 직각(수평)방향으로 베어링의 운동을 제한하기 위하여 이러한 방향으로 밀착삽입되어 있다. 이 가이드는 제1스프링의 운동중 단지 자유도 1°만을 허용한다.

Claims (28)

  1. 하우징(4), 고정자(2)와 회전자(3)를 가지고 하우징(4)에 고정되는 전기모터(1), 회전자(3)에 연결된 입력축(5), 스티어링 컬럼에 연결된 출력축(12)과, 출력축(12)의 토크를 나타내는 출력신호를 발생할 수 있게 된 토크감지기로 구성되고, 모터(1)가 출력축(12)의 휠기어(11)에 결합되는 입력축(5)의 웜기어(13)를 통하여 토크감지기로부터의 출력신호에 따라 출력축(12)에 토크를 가할 수 있게 된 파워스티어링 시스템에 있어서, 이 파워스티어링 시스템이 모터(1)로부터 원격한 단부에서 하우징(4)에 대하여 입력축(5)을 지지하는 제1베어링수단(9)과 입력축(5)을 휠기어(11)측으로 탄지하도록 제1베어링수단(9)에 작용할 수 있게 된 탄지수단(14, 200)을 포함함을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 입력축이 모터에 인접한 단부에서 하우징에 대하여 입력축을 지지하는 제2베어링수단으로 집중되는 경사운동으로 탄지됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 탄지수단(14, 200)이 휠기어에 실리는 사전에 결정된 토크값의 범위에서 웜기어(13)의 톱니와 휠기어(11)의 톱니사이의 완전결합을 유지하기 위하여 제1베어링수단(9)에 충분한 탄지력을 가할 수 있게 되어 있음을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탄지수단이 하우징(4)의 일부와 제1베어링수단(9)사이에 작용하는 탄성스프링(200)으로 구성됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 탄성스프링(200)이 제1단부에서 하우징에 취부되고 제2단부에서 제1베어링수단(9)에 작용할 수 있게 된 판스프링으로 구성됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 판스프링(200)이 하우징(4)의 외측에 제공되고 이 판스프링(200)의 제2단부가 하우징(4)의 개방부를 관통하여 제1베어링수단(9)에 결합될 수 있게 되어 있음을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 판스프링(200)의 제2단부에 이 판스프링이 관통하는 개방부를 밀폐하는 씨일이 구비됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  8. 제1항-제4항의 어느 한 항에 있어서, 탄지수단이 제1베어링수단에 작용하는 제1단부와 하우징의 일부분에 대하여 고정된 제2단부를 갖는 토션 바아로 구성됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 토션 바아의 제2단부는 하우징에 결합되는 조절수단의 단부면에 놓임을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  10. 제1항-제4항의 어느 한 항에 있어서, 탄지수단이 제1베어링수단과 하우징사이에 제공된 환상의 O-링으로 구성됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  11. 제1항-제4항의 어느 한 항에 있어서, 탄지수단이 축선이 웜축에 수직인 코일스프링으로 구성됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 코일스프링이 하우징에 형성된 통공에 설치되고 폐쇄플러그 또는 플레이트가 제1베어링수단으로부터 원격한 통공의 단부에 제공되어 코일스프링을 위한 지지체를 제공함을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  13. 전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 입력축(5)이 회전자(3)를 통하여 연속연장되고 탄지수단이 요구된 양 만큼 웜을 편향시킬 수 있도록 하는 유연성 커플링(52)을 통하여 회전자(3)에 연결됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  14. 제1항-제12항의 어느 한 항에 있어서, 입력축(15)이 회전자(3)의 운동없이 웜이 이동될 수 있도록 하는 유연성 커플링(52)을 통하여 회전자(3)에 연결됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 유연성 커플링(52)이 탄성요소로 구성되고 모터 회전자(3)가 탄성요소의 주연방향으로 일정한 간격을 둔 하나 이상의 방사상 연장면(54)을 통하여 탄성요소(52)에 구동력을 가할 수 있게 되어 있음을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 탄성요소(52)가 이 탄성요소의 주연방향으로 일정한 간격을 둔 하나 이상의 방사상 연장면(54)을 통하여 입력축(5)에 구동력을 가할 수 있게 되어 있음을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  17. 제14항, 제15항 또는 제16항에 있어서, 제1압축수단이 입력축을 모터 회전자에 탄지하도록 입력축에 압축력을 가하는 모터로부터 원격한 입력축의 단부에서 하우징과 제1베어링수단사이에 제공됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 제1압축수단이 코일스프링으로 구성됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  19. 제14항-제18항의 어느 한 항에 있어서, 제2압축수단(코일스프링과 같은)이 모터 회전자에 인접한 입력축의 단부와 모터 회전자사이에 제공됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 컵이 입력축의 단부에 형성되고 모터 회전자의 회전축선을 중심으로 하여 연장되고 회전자의 일부를 형성하는 핀이 컵측으로 돌출되어 제2압축수단(55)에 결합됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  21. 제2항에 종속하는 제3항-제20항의 어느 한 항에 있어서, 하우징이 제1부분과 제2부분으로 구성되고, 제1부분은 한 쌍 이상의 대향된 벽을 가지고 각 벽에 제1 및 제2베어링수단(9, 10)이 제공되는 개방부를 갖는 입력축을 위한 하우징을 구성하며, 제2부분은 한 쌍 이상의 대향된 벽을 갖는 출력축(12)의 일부분을 위한 하우징을 구성하고, 개방부가 하우징에 출력축을 고정할 수 있게 된 하나 이상의 베어링을 삽입할 수 있도록 각 벽에 제공됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  22. 전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 플라스틱 라이닝부분이 제1베어링수단의 외주면 둘레에 제공되어 광범위한 변위에서 제1베어링수단과 하우징사이의 접촉을 방지함을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  23. 전기 청구항의 어느 한 항에 있어서, 제1베어링부분(9)이 삽입되는 하우징의 제1부분에 형성된 개방부가 반원형 양단부와 중앙의 평행한 한 쌍의 측면을 가지며 입력축(5)이 지날 수 있게 된 기다란 슬로트로 구성되어 제1베어링수단(9)이 슬로트를 따라서 축방향으로 이동할 수 있으나 슬로트에 수직인 방사상 방향으로 이동되는 것이 방지됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  24. 하우징, 고정자와 회전자를 가지고 하우징에 고정되는 전기모터, 회전자에 연결된 입력축, 스티어링 컬럼에 연결된 출력축과, 입력축의 토크를 나타내는 출력신호를 발생할 수 있게 된 토크감지기로 구성되고, 모터가 출력축의 휠기어에 결합되는 입력축의 웜기어를 통하여 토크감지기로부터의 출력신호에 따라 출력축에 토크를 가할 수 있게 된 것에 있어서, 이 파워스티어링 시스템이 입력축이 유연성 커플링에 의하여 모터 회전자에 연결됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  25. 제24항에 있어서, 유연성 커플링이 탄성요소로 구성됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 탄성요소가 방사상으로 연장된 다수의 구동면을 가지고, 하나 이상의 구동면이 회전자에 형성된 하나 이상의 방사상 구동면과 협동하며 하나 이상의 구동면이 입력축에 형성된 구동면과 협동함을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  27. 제26항에 있어서, 탄성요소가 구동면을 형성하는 다수의 방사상 연장암을 갖는 스파이더로 구성됨을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
  28. 제24항-제27항의 어느 한 항에 있어서, 입력축이 모터 회전자에 인접한 그 단부에 형성된 컵을 가지고 회전자의 회전축선을 따라 배치된 핀이 컵에 삽입될 수 있게 되어 있음을 특징으로 하는 파워스티어링 시스템.
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