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KR102634689B1 - 토크 오버레이 조향 장치 - Google Patents

토크 오버레이 조향 장치 Download PDF

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KR102634689B1
KR102634689B1 KR1020180163085A KR20180163085A KR102634689B1 KR 102634689 B1 KR102634689 B1 KR 102634689B1 KR 1020180163085 A KR1020180163085 A KR 1020180163085A KR 20180163085 A KR20180163085 A KR 20180163085A KR 102634689 B1 KR102634689 B1 KR 102634689B1
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KR
South Korea
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steering
gear
shaft
axis
rotation
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KR1020180163085A
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KR20190076863A (ko
Inventor
주니어 조셉 이. 하터
케빈 이. 보일
Original Assignee
티알더블유 오토모티브 유.에스. 엘엘씨
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Abstract

조향 시스템 내의 조향 샤프트의 회전을 돕기 위한 조향 장치가 개시된다. 상기 조향 장치는, 구동 샤프트 축선을 중심으로 회전하는 구동 샤프트를 갖춘 모터 및 출력 샤프트 축선을 중심으로 회전하는 출력 샤프트를 포함한다. 상기 출력 샤프트 축선은 상기 구동 샤프트 축선에 대해 평행하게 연장된다. 상기 출력 샤프트는 조향 샤프트와 함께 회전하도록 연결된다. 기어 트레인은 모터를 출력 샤프트에 구동 가능하게 연결시킨다. 상기 기어 트레인은 웜 스크류 및 웜 휠을 포함한다.

Description

토크 오버레이 조향 장치{TORQUE OVERLAY STEERING APPARATUS}
본 발명은 차량 조향에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 조향 시스템 내의 조향 샤프트의 회전을 돕기 위한 조향 장치에 관한 것이다.
조향 휠을 회전시키기 위해 그리고 차량의 조향 가능한 휠이 터닝(turning)되도록 하기 위해 차량 조작자가 조향 휠에 가해야만 하는 토크를 감소시키기 위한 파워 스티어링 시스템이 차륜 차량에 마련되는 것이 알려져 있다. 추가적으로 조작자의 수고를 덜기 위해, 상기 파워 스티어링 시스템에 토크 오버레이 조향 장치를 제공하는 것이 알려져 있다. 토크 오버레이 조향 장치는, 파워 스티어링 시스템을 제어하는 조향 샤프트에 토크를 인가함으로써 조향을 위한 수고를 덜어준다. 구체적으로, 모터가 조향 샤프트에 기계적으로 결합되며(예컨대, 벨트 구동부를 이용), 이 모터는 조작자에 의해 조향 휠을 통해 조향 샤프트에 인가되는 토크를 보충하기 위해 조향 샤프트에 토크를 인가하도록 작동된다.
특정 용례에 있어서, 토크 오버레이 조향 장치는, 차량의 엔진 베이(engine bay)에서 나타날 수 있는 가혹한 조건에 토크 오버레이 조향 장치가 노출되는 것을 방지하기 위해 차량의 차 내부(passenger compartment)에 있는 조향 컬럼에 장착될 수 있다. 이러한 장착 구성으로 인해, 조작자가 위치하는 차 내부로의 침범을 줄이기 위해 토크 오버레이 시스템의 물리적 치수를 최소화하는 것이 중요할 수 있다. 알려져 있는 토크 오버레이 조향 장치는, 차 내부에서 바람직하지 않은 수준의 많은 공간을 점유한다는 점에서, 및/또는 조향 샤프트에 인가되는 보충 토크가 충분히 크지 않다는 점에서 부족함이 있다. 예를 들면, 알려져 있는 토크 오버레이 조향 장치로서, 벨트 구동부를 채용하는 토크 오버레이 조향 장치는, 모터에 의해 발생되는 토크를 겨우 3:1의 비율로 배가시킬 수 있을 뿐이며, 이는 일부 용례의 경우에는 너무 작다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 파워 스티어링 시스템 내의 조향 샤프트의 회전을 돕기 위한 조향 장치가 개시된다. 상기 조향 장치는, 구동 샤프트 축선을 중심으로 회전하는 구동 샤프트를 갖춘 모터 및 출력 샤프트 축선을 중심으로 회전하는 출력 샤프트를 포함한다. 상기 출력 샤프트 축선은 상기 구동 샤프트 축선에 대해 평행하게 연장된다. 상기 출력 샤프트는 조향 샤프트와 함께 회전하도록 연결된다. 기어 트레인은 모터를 출력 샤프트에 구동 가능하게 연결시킨다. 상기 기어 트레인은 웜 스크류(worm screw) 및 웜 휠(worm wheel)을 포함한다.
이제 첨부 도면을 참고하여 단지 예시로서만 본 발명의 실시예를 설명할 것이다.
도 1은 본 개시에 따른 토크 오버레이 조향 장치의 단면 사시도이다.
도 2는 도 1의 토크 오버레이 조향 장치의 단면 평면도이다.
도 3은 도 1의 토크 오버레이 조향 장치의 일부에 대한 단면도로서, 웜 스크류와 웜 휠 사이의 결합을 나타내고 있다.
도 4는 도 1의 토크 오버레이 조향 장치를 구비한 차량의 개략도이다.
본 발명에 따른 토크 오버레이 조향 장치(10)가 도 1 내지 도 3에 도시되어 있다. 토크 오버레이 조향 장치(10)는 하우징(80) 내에 배치되는 모터(60) 및 기어 트레인(20)을 포함한다. 기어 트레인(20)은 제1 베벨 기어(22), 제2 베벨 기어(24), 웜 스크류(26), 및 웜 휠(28)을 포함한다. 기어 트레인(20)이 하우징(80) 내의 다양한 지점에서 베어링에 의해 지지된다는 것을 당업자는 이해할 것이다.
제1 베벨 기어(22)는 모터(60)의 구동 샤프트(62)와 함께 회전하도록 고정된다. 한 가지 예에 있어서, 제1 베벨 기어(22)는 구동 샤프트(62)와 별도로 형성되며, 나중에 부착된다. 그러나, 제1 베벨 기어(22)가 구동 샤프트(62)와 일체로 형성될 수 있는 것을 고려할 수 있다. 구동 샤프트(62)는 구동 샤프트 축선(64)을 따라 연장된다. 제1 베벨 기어(22)는 구동 샤프트 축선(64)을 중심으로 모터(60)의 구동 샤프트(62)와 함께 회전한다. 제1 베벨 기어(22)는 제2 베벨 기어(24)와 맞물린다.
제2 베벨 기어(24)는, 제1 단부(34)와 제2 단부(36) 사이에서 전달 샤프트 축선(92)을 따라 연장되는 전달 샤프트(30)와 함께 회전하도록 고정된다. 한 가지 예에 있어서, 제2 베벨 기어(24)는 전달 샤프트(30)와 별도로 형성되며, 나중에 부착된다. 그러나, 제2 베벨 기어(24)가 전달 샤프트(30)와 일체로 형성될 수 있는 것을 고려할 수 있다. 전달 샤프트 축선(92)은 상기 구동 샤프트 축선(64)에 대해 수직이다. 제2 베벨 기어(24)는 전달 샤프트(30)의 제1 단부(34)에 마련된다. 웜 스크류(26)는 전달 샤프트(30)의 제2 단부(36)와 제2 베벨 기어(24) 사이에 마련된다. 웜 스크류(26)는 전달 샤프트(30)와 함께 회전하도록 고정된다. 한 가지 예에 있어서, 웜 스크류(26)는 전달 샤프트(30)와 일체로 형성된다. 그러나, 웜 스크류(26)가 전달 샤프트(30)와 별도로 형성되고, 나중에 부착될 수 있는 것을 고려할 수 있다. 제2 베벨 기어(24) 및 웜 스크류(26)는 각각 전달 샤프트 축선(92)을 중심으로 전달 샤프트(30)와 함께 회전한다.
웜 스크류(26)는 웜 휠(28)과 맞물린다. 한 가지 예에 있어서, 웜 스크류(26) 및 웜 휠(28)에 의해 제공되는 감속비는 대략 16 내지 22 : 1의 범위에 속한다. 이러한 비율에 있어서, 웜 스크류(26)는 웜 휠(28)을 회전시킬 수 있으며, 웜 휠(28)은 웜 스크류(26)를 회전시킬 수 있다[즉, 셀프 록킹(self-locking)되지 않음].
웜 휠(28)은 출력 샤프트(40)와 동심이며, 출력 샤프트(40)와 함께 회전하도록 고정된다. 한 가지 예에 있어서, 웜 휠(28)은 출력 샤프트(40)와 별도로 형성되며, 나중에 부착된다. 그러나, 웜 휠(28)이 출력 샤프트(40)와 일체로 형성될 수 있는 것을 고려할 수 있다. 출력 샤프트(40)는 제1 단부(42)와 제2 단부(44) 사이에서 출력 샤프트 축선(94)을 따라 연장된다. 출력 샤프트 축선(94)은 전달 샤프트 축선(92)에 대해 수직이며, 구동 샤프트 축선(64)과 평행이다. 웜 휠(28)은 출력 샤프트 축선(94)을 중심으로 출력 샤프트(40)와 함께 회전한다.
토크 오버레이 조향 장치(10)를 구비한 차량(100)이 도 4에 도시되어 있다. 파이어월(102; firewall)에 의해 차량(100)은 차 내부 공간(104)과 엔진 베이 공간(106)으로 구분된다. 토크 오버레이 조향 장치(10)는 차 내부 공간(104)에 마련되며, 조향 샤프트(114)에 장착된다. 차량(100)은 유압식 파워 스티어링 시스템(110)에 의해 터닝될 수 있는 조향 가능한 휠(108)을 포함한다. 유압식 파워 스티어링 시스템(110)이 엔진 베이 공간(106)에 마련된다. 한 가지 예에 있어서, 유압식 파워 스티어링 시스템(110)은 랙 앤드 피니언 유형(rack and pinion type)이다. 그러나, 다른 유형의 유압식 파워 스티어링 시스템(예컨대, 재순환식 공)이 사용될 수도 있다는 것을 고려할 수 있다. 추가적으로, 유압식 이외의 다른 유형의 파워 조향 시스템이 이용될 수 있다는 것을 고려할 수 있다.
유압식 파워 스티어링 시스템(110) 및 토크 오버레이 조향 장치(10)는 조향 휠(112)에 의해 제어된다. 조향 휠(112)은 차 내부 공간(104)에 마련된다. 조향 휠(112)은 조향 가능한 휠(108)의 터닝을 수행하기 위해 차량(100)의 조작자에 의해 회전될 수 있다.
조향 샤프트(114)는 파이어월(102)을 통해 연장되어 조향 휠(112)을 유압식 파워 스티어링 시스템(110)에 상호 연결시킨다. 조향 샤프트(114)는 조향 휠(112)의 회전을 유압식 파워 스티어링 시스템(110)에 전달하여 유압식 파워 스티어링 시스템(110)이 조향 가능한 휠(108)을 터닝시키도록 한다. 조향 휠(112)을 통한 조작자 입력의 감지를 위해 제어 유닛(120)이 마련된다. 제어 유닛(120)은, 예를 들어, 조향 휠(112)에 인가되는 토크, 조향 휠(112)의 회전 각도, 및/또는 조향 휠(112)의 각속도를 감지할 수 있다. 한 가지 예에 있어서, 제어 유닛(120)은 조향 샤프트(114)를 모니터링함으로써 조작자 입력을 감지할 수 있다. 그러나, 조향 휠(112)을 직접 모니터링함으로써 제어 유닛(120)이 조작자 입력을 감지할 수 있는 것을 고려할 수 있다.
조향 샤프트(114)는 제1 부분(116) 및 별도의 제2 부분(118)을 포함할 수 있다. 조향 샤프트(114)의 제1 부분(116)은 조향 휠(112)과 함께 회전하도록 부착된다. 조향 샤프트(114)의 제2 부분(118)은 유압식 파워 스티어링 시스템(110)에 회전 가능하게 부착된다. 토크 오버레이 조향 장치(10)는, 조향 샤프트(114)의 제1 부분(116)이 출력 샤프트(40)의 제1 단부(42)에 부착되도록 그리고 조향 샤프트(114)의 제2 부분(118)이 출력 샤프트(40)의 제2 단부(44)에 부착되도록, 조향 샤프트(114)에 통합된다. 조향 샤프트(114) 및 토크 오버레이 조향 장치(10)의 다른 구성이 제공될 수도 있다는 것을 고려할 수 있다. 예를 들면, 조향 샤프트(114)에 대한 토크 오버레이 조향 장치(10)의 배향은, 출력 샤프트(40)의 제1 단부(42)가 조향 샤프트(114)의 제2 부분(118)에 부착되도록 그리고 출력 샤프트(40)의 제2 단부(44)가 조향 샤프트(114)의 제1 부분(116)에 부착되도록, 플립핑(flipping)될 수 있다. 다른 예로서, 출력 샤프트(40)는 다부품형(또는 단부품형) 조향 샤프트의 말단부에 마련될 수도 있다. 즉, 출력 샤프트(40)는 조향 휠(112) 및 조향 샤프트에 직접 연결될 수도 있다. 대안으로, 출력 샤프트(40)는 파워 스티어링 시스템(110) 및 조향 샤프트에 직접 연결될 수도 있다. 또 다른 하나의 예로서, 토크 오버레이 조향 장치(10)는 2개가 넘는 별도의 부품을 갖춘 조향 샤프트에 통합될 수 있다.
차량(100)의 작동 과정 중에, 조작자는 조향 휠(112)을 통해 입력을 제공하여 조향 샤프트(114)에 토크를 인가하고 조향 가능한 휠(108)의 터닝을 달성할 수 있다. 제어 유닛(120)은 조작자 입력을 감지하고, 감지된 입력을 토크 오버레이 조향 장치(10)에 통신한다. 감지된 입력에 응답하여 모터(60)에 동력이 공급되고, 이에 따라 모터는 구동 샤프트(62)가 구동 샤프트 축선(64)을 중심으로 제1 베벨 기어(22)를 회전시키도록 한다. 제2 베벨 기어(24)와 맞물려 있는 제1 베벨 기어(22)의 회전은, 제2 베벨 기어(24)가 전달 샤프트 축선(92)을 중심으로 회전하도록 유도한다. 전달 샤프트(30)는 제2 베벨 기어(24)의 회전을 웜 스크류(26)에 전달하며, 이에 따라 웜 스크류(26)가 또한 전달 샤프트 축선(92)을 중심으로 회전하게 한다. 웜 휠(28)과 맞물려 있는 웜 스크류(26)의 회전은 웜 휠(28)에 대한 토크의 인가로 귀결된다. 인가된 토크는 웜 휠(28)로부터 출력 샤프트(40)로 전달되며, 이후 조향 샤프트(114)로 전달된다. 따라서, 토크 오버레이 조향 장치(10)는 조향 샤프트(114)에 인가되는 토크를 보충시킬 수 있다. 조향 샤프트(114)에 인가되는 조합된 토크(즉, 조작자에 의해 인가되는 토크 및 토크 오버레이 조향 장치에 의해 인가되는 토크)는 조향 샤프트(114)의 회전을 유발하며, 이에 따라 유압식 파워 스티어링 시스템(110)을 작동시키고 당업계에 알려져 있는 바와 같은 조향 가능한 휠(108)을 터닝시킨다.
토크 오버레이 조향 장치(10)의 구성은, 전기 모터(90)의 구동 샤프트(62)의 회전 축선[즉, 구동 샤프트 축선(64)]이 출력 샤프트(40)의 회전 축선[즉, 출력 샤프트 축선(94)]에 평행하게 연장될 수 있도록 허용하며, 이에 따라 차량(100)의 차 내부 공간(104)에서 최소한의 공간을 점유하는 매우 컴팩트한 조립체를 제공한다. 추가적으로, 기어 트레인(20)은 매우 높은 감속비를 제공하며, 이에 따라 모터(60)에 의해 발생되는 토크의 현저한 증가를 가능하게 한다. 한 가지 예에 있어서, 기어 트레인(20)에 의해 제공되는 감속비는 40:1이다. 그러나, 다른 감속비가 제공될 수 있다는 것을 고려할 수 있다. 40:1의 감속비에 있어서, 토크 오버레이 조향 장치(10)는, 유압식 파워 스티어링의 고장 발생 시에 조작자가 안전하게 차량을 조작할 수 있도록 할 수 있다[즉, 조향 가능한 휠(108)은 심지어 유압식 파워 스티어링 시스템(110)이 고장인 경우에도 터닝하게 될 수 있음].
본 발명에 대한 전술한 설명으로부터, 당업자는 개량, 변경, 및 변형을 착안할 수 있다. 예를 들면, 토크 오버레이 조향 장치(10)가 유압식 파워 스티어링 시스템과 함께 사용되는 것으로 설명되어 있지만, 상기 토크 오버레이 조향 장치는 다른 유형의 파워 스티어링 시스템과 함께 사용될 수 있다는 것을 고려할 수 있다. 다른 하나의 예로서, 토크 오버레이 조향 장치(10)는 다른 하나의 조향 시스템과 함께 사용되는 것으로 설명되어 있지만, 상기 토크 오버레이 조향 장치는 단독 메커니즘일 수 있으며, 상기 단독 메커니즘에 의해 조향 가능한 휠(108)의 터닝 보조가 제공될 수 있다는 것을 고려할 수 있다[즉, 유압식 파워 스티어링 시스템(110)이 생략됨]. 이러한 개량, 변경, 및 변형은 당업계에서 첨부된 청구범위에 의해 커버되는 것으로 간주된다.

Claims (13)

  1. 조향 시스템 내의 조향 샤프트의 회전을 돕기 위한 조향 장치로서,
    구동 샤프트 축선을 중심으로 회전하는 구동 샤프트를 갖춘 모터;
    출력 샤프트 축선을 중심으로 회전하는 출력 샤프트로서, 상기 출력 샤프트 축선은 구동 샤프트 축선에 대해 평행하게 연장되며, 상기 출력 샤프트는 조향 샤프트와 함께 회전하도록 연결되는 것인 출력 샤프트;
    모터를 출력 샤프트에 구동 가능하게 연결시키는 기어 트레인으로서, 웜 스크류(worm screw) 및 웜 휠(worm wheel)을 포함하는 것인 기어 트레인
    을 포함하고,
    상기 기어 트레인은, 구동 샤프트 상에 마련되고 상기 모터에 의해 상기 구동 샤프트 축선을 중심으로 회전 가능한 제1 기어, 및 제1 기어에 의해 구동되고 제1 기어의 회전을 상기 웜 스크류에 전달하기 위해 상기 웜 스크류와 함께 회전 가능한 제2 기어를 더 포함하는 것인, 조향 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 기어는 구동 샤프트 축선에 대해 수직하게 연장되는 축선을 중심으로 회전하는 것인 조향 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 기어 및 상기 제2 기어는 베벨 기어인 것인 조향 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 웜 스크류는 제2 기어의 회전 축선을 중심으로 회전하는 것인 조향 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    제2 기어의 회전을 웜 스크류에 전달하는 샤프트
    를 더 포함하는 조향 장치.
  6. 제5항에 있어서, 제2 기어의 회전을 웜 스크류에 전달하는 상기 샤프트는 제2 기어의 회전 축선을 따라 연장되는 것인 조향 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 기어의 회전 축선은 구동 샤프트 축선 및 출력 샤프트 축선에 대해 수직인 것인 조향 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 웜 휠은 출력 샤프트와 동심인 것인 조향 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 조향 샤프트는 조향 휠을 조향 시스템에 연결시키며, 제어기가 조향 휠의 회전을 탐지하고, 조향 휠의 회전을 탐지하는 제어기에 응답하여 구동 샤프트를 회전시키도록 모터에 동력이 공급되는 것인 조향 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 기어 트레인의 감속비는 적어도 40:1인 것인 조향 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 조향 시스템은 파워 스티어링 시스템인 것인 조향 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 파워 스티어링 시스템은 유압식인 것인 조향 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제2 기어 및 웜 스크류는 전달 샤프트의 대향하는 단부에 구비되는 것인 조향 장치.
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