KR100232694B1 - 토오크 전달 케이스 - Google Patents

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KR100232694B1
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수 에이 그리핀
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Abstract

토오크 전달 케이스는 정속(CV) 자재 연결 장치에 의해 입력축에 대해 각을 이룬 출력축을 포함한다.
이 정속 자재 연결 장치는 떨어져 이격되고, 다른 크기로 된 한쌍의 베어링 조립체들에 의해 하우징내에 회전가능하게 지지된 중공의 구동 스프로켓내에 포함되며, 구동 체인을 경유하여 입력축에 결합된다. 구동 스프로켓에는 한 단부에 원통형 구멍이 제공되고 그 반대쪽 단부에 좀더 작은 원통형 구멍이 제공된다. 스프로켓이 회전될 때, 이러한 다른 크기의 구멍들이 이 구멍들을 가로질러 압력차를 발생시킴으로써, 하우징내에 내포된 윤활유가 스프로켓을 통해 흘러서 정속 연결 장치를 윤활한다. 출력축은 구동 스프로켓의 한 원통형 구멍으로 연장하며 정속 자재 연결 장치에 결합되는 한 단부, 및 하나의 베어링 유닛에 의해 하우징내에서 회전 가능하게 지지되는 반대쪽 단부를 구비한다.
이 토오크 전달 케이스는 4륜 구동 전달 케이스이고 후방 출력축 및 각을 이룬 전방 출력축 사이의 토오크를 분할하는 차동 톱니바퀴를 포함한다.

Description

토오크 전달 케이스
제1도는 본 발명의 전달 케이스를 차량의 전방 및 후방 차동장치에 연결시킨 4륜 구동 시스템의 평면도.
제2도는 전방 및 후방 구동축 사이의 각을 이룬 관계를 도시한 제1도의 측면도.
제3도는 본 발명의 각형 전방 출력축의 정속 연결장치를 사용할 수 있는 전달 케이스의 한 실시예를 도시한 구성도.
제4도는 제3도의 A부분의 확대단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 전달 케이스 12 : 변속기
18,32 : 구동축 22,41 : 입력축
40 : 전자 제어기 44 : 클러치 조립체
46 : 유성 기어 48 : 태양 기어
52 : 정속 연결장치 54 : 링 기어
55,56 : 클러치 판 57 : 코일
59,62 : 속도 센서
본 발명은 차량의 토오크 전달 케이스에 관한 것으로, 특히 전방 차동장치(differential)의 입력축에 연결하기 위한 각형 전방 출력축(angled front output shaft)을 포함하는 4륜 구동 전달 케이스(transfer case)에 관한 것이다.
차량용 4륜 구동 시스템은 점점 일반화되고 있다. 과거에, 이러한 시스템은, 차량의 2륜 구동 모드나 4륜 구동 모드중 어느 한 모드로 선택되기 위해 차량 운전자에 의해 조작가능한 선택적 제어 수단을 갖는 차량 변속기의 출력에 연결된 전달 케이스를 포함하였다. 최근에, 일부 차량들에는 “풀 타임” 4륜 구동 시스템이 제공된다. 전륜 구동 시스템으로 알려진 이들 시스템에서, 전달 케이스에는 차량의 전방 및 후방 차등장치 사이의 토오크를 분할하기 위해 차축간(interaxle)의 차동장치가 제공된다. 또한, 전륜과 후륜 사이의 과도한 미끄러짐을 방지하기 위해, 상기 전달 케이스는 전달 케이스의 전방 출력축과 후방 출력축 사이에서 소정의 미끄럼이 감지되었을 때 차축간 차동장치를 로킹하는 선택적 결합가능한 클러치 수단을 포함한다.
일부 차량들에서, 차량의 지면 간격을 충분히 유지하면서, 전방 및 후방 차등장치에 토오크를 효과적으로 전달하는 방식으로 전달 케이스를 배치하는 것은 쉽지않은 작업이다.
본 발명은 정속 연결장치[constant velocity(CV) universal joint]에 의해 출력축이 입력축에 대해 각도를 형성하고 있는 차량 토오크 전달 케이스에 관한 것이다. 특히, 정속 연결장치는, 전달 케이스 하우징내에 회전가능하게 지지되며, 구동 체인과 같은 수단에 의해 입력축에 결합되는 구동 스프로켓내에 위치된다. 상기 구동 스프로켓은 그 한쪽 단부에 제1직경의 제1원통형 구멍과 대향 단부에 제2직경의 제2원통형 구멍을 포함한다. 출력축은 하우징내에 회전가능하게 지지되며, 정속 연결장치에 결합되어 스프로켓으로 연장되는 한쪽 단부를 가진다. 본 발명에 따르면, 상기 제1 및 제2구멍은 스프로켓이 회전할 때 상기 구멍을 가로질러 압력차가 발생되도록 서로 다른 직경으로 형성되며, 따라서 정속 연결장치의 부품들을 윤활하기 위해 전달 케이스 하우징내에 내포된 기름을 스프로켓을 통해 가압하게 된다.
전달 케이스의 다른 특징은 구동 스프로켓이 전달 케이스 하우징에 회전가능하게 지지된다는 점이다. 보다 구체적으로, 상기 구동 스프로켓은 제1베어링 수단에 의해 하우징에 회전가능하게 지지된 한 단부에서 제1허브를 포함하며, 제2베어링 수단에 의해 회전가능하게 지지되는 그 반대쪽 단부에서 제2허브를 포함한다. 출력축을 통해 연장하는 제1베어링 수단은 제2베어링의 내경보다 큰 제1내경을 가진다. 따라서, 전달 케이스가 보다 큰 각도로 변위하는 출력을 수용할 수 있다.
토오크 전달 케이스의 또 다른 특징은, 출력축이 전달 케이스 하우징내에 회전가능하게 지지된다는 것이다. 특히, 출력축은 정속 연결장치에 의해 한쪽 단부에 회전가능하게 지지되며, 단일의 베어링 수단에 의해 대향 단부에서 회전가능하게 지지된다. 이와 같이 배열함으로써 단일의 베어링 수단과 정속 연결장치 사이에 중간 베어링이 필요없게 되어 전달 케이스의 구조를 간단하게 하고 편리하게 한다.
본 발명의 토오크 전달 케이스는, 입력축을 전방 및 후방 출력축에 구동가능하게 연결하고 이들 사이의 토오크를 분할하는 차동장치 수단이 제공되는 4륜 구동 전달 케이스로 양호하게 사용된다. 또한, 전방 및 후방 출력축 사이의 미끄러짐을 방지하기 위해 차등장치 수단을 선택적으로 로킹하는 클러치 수단이 제공된다. 입력축과 후방 출력축은 직선 관계로 정렬되는 반면에, 전방 출력축은 후방 출력축의 회전 축선과 평행하지도 않고 교차하지도 않는 회전 축선을 가짐으로써 전방 출력축의 회전 축선과 후방 출력축의 회전 축선은 비스듬한 선(skew line)을 형성하도록 협력한다. 본 발명의 정속 연결장치는 차등장치 수단과 전방 출력축 사이에 연결된다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 양호한 실시예를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도 및 제2도에는 본 발명의 전달 케이스를 사용하는 차량의 4륜 구동 시스템이 도시되어 있다. 제1도 및 제2도에 도시된 바와 같이, 전달 케이스(10)는 구동 라인(14)(2점쇄선으로 도시)에 순서대로 결합되는 변속기 유닛(2점쇄선으로 도시)의 후방에 고정된다. 상술한 바와 같이, 변속기(12)는 전달 케이스(10)의 입력축에 결합된 출력축을 갖는다. 전달 케이스(10)는 종래의 유니버설 조인트 커플링(universal joint coupling)(20)에 의해 후방 구동축(18)의 전방 단부에 연결된 요크 또는 후방 출력축(16)을 포함한다. 상기 후방 구동축(18)의 후방 단부는 유니버설 조인트 커플링(universal joint coupling)(26)에 의해 후방 차동장치(24)의 입력축 또는 요크(22)에 결합된다. 후방 차동장치(24)는 후륜(28) 사이에서 후방 구동축(18)으로부터의 토오크를 분할한다.
전달 케이스(10)는 유니버설 조인트 커플링(34)에 의해 전방 구동축(32)의 후방 단부에 연결된 요크 또는 전방 출력축(30)을 갖는다. 상기 전방 구동축(32)은 유니버설 조인트 커플링(39)에 의해 전방 차등장치(38)의 요크 또는 입력축(36)에 연결된 전방 단부를 구비하며, 차량의 전륜(37) 사이에서 전방 구동축(32)으로부터 수용되는 토오크를 분할한다.
제1도 및 2도에 도시된 바와 같이, 후방 구동축(18)은 축선(R)을 중심으로 회전하며, 전방 구동축(32)은 축선(F)을 중심으로 회전한다. 제1도 및 2도에 도시된 본 발명의 양호한 실시예에서, 후방 구동축(18)은 전달 케이스(10)로부터 후방 차등장치(24)로 하방으로 각을 이루고 있으며, 전방 구동축(32)은 전달 케이스(10)로부터 전방 차등장치(38)로 하방으로 각을 이루고 있다. 전달 케이스(10)의 후방 출력축(16)과 후방 구동축(18) 및 후방 차등장치(24)로의 입력축(22)은 모두 축선(R)을 따라 일직선을 이룬다. 또한, 전달 케이스(10)의 전방 출력축(30)과 전방 구동축(32) 및 전방 차동장치(38)로의 입력축(36)도 전방 축선(F)을 따라 일직선을 이룬다. 그러나, 일부 차량에서는 전방 및 후방중 어느 한쪽 또는 양쪽 모두 일직선이 아닐 수 있다. 이러한 경우, 미국 특허 제4.860.612호에 기재된 바와 같이 부가적인 구동 설비들이 사용된다.
양호한 실시예에서, 상기 축선(R, F)은 수직의 평행한 면에서 이격되어 배치된다. 이러한 구동 배치를 달성하기 위해, 제2도에 도시된 바와 같이 전방 출력축(30)은 후방 출력축(16)에 대해 각을 이루면서 측방으로 이격되어야 하며, 이에 의해 전방 출력축(30)은 후방 출력축(16)과 평행하지도 않고 교차하지도 않게 되어 비스듬한 선들을 형성한다. 상술한 바와 같이, 각형 연결은 정속 연결장치를 통해 성취된다.
제3도에는 본 발명의 각형 출력축 설비를 통합시킬 수 있는 전달 케이스(10)의 내부 구성품들이 개략적으로 도시되어 있다. 또한, 제3도에는 블록(40)으로 도시된 전자 제어기로의 전기 연결이 도시되어 있다. 제3도에 도시된 바와 같이, 전달 케이스(10)는 변속기(12)(제1도 및 제2도에 도시)의 출력축에 연결된 입력축(41)을 포함한다. 또한, 전달 케이스(10)는 후방 구동축(18)에 연결되는 후방 출력축(42)과, 전방 구동축(32)에 연결되는 전방 출력축(43)을 포함한다. 전달 케이스는 후방 출력축(42) 및 전방 출력축(43)사이의 토오크를 분할하기 위해 차축간 유성 기어 차동 장치(64)를 사용한다. 또한, 전방 출력축과 후방 출력축 사이의 어떠한 미끄럼도 방지하기 위해 차동 기어 톱니 바퀴를 선택적으로 로킹하는 전자기 클러치 조립체(44)도 제공된다.
특히, 입력축(41)은 원주방향으로 이격되어 각각 회전가능한 복수개의 유성 기어(46)를 이송하는 유성기어 캐리어(45)에 고정된다. 슬리브 부재(47)는 입력축(41)에 대해 회전가능하게 장착되며, 그 한쪽 단부는 태양 기어(48)를 이송하고 다른쪽 단부는 구동 스프로켓(49)을 이송한다. 상기 구동 스프로켓은, 전달 케이스 하우징내에 회전가능하게 지지된 제2구동 스프로켓(51)을 순서대로 구동시키는 구동 체인(50)에 연결된다. 하기에 상세히 서술되는 바와 같이, 정속 연결장치(52)는 제2구동 스프로켓(51)내에 배치되며, 각형 전방 출력축(43)을 구동하도록 연결된다. 유성 기어 차동장치(64)의 링 기어(54)는 후방 출력축(42)에 고정된다.
전자기 클러치 조립체(44)는 링기어(54)와 함께 회전하도록 고정된 제1그룹의 클러치 판(55)과, 태양 기어(48)와 함께 회전하도록 슬리브 부재(47)에 고정된 제2그룹의 클러치 판(56)을 포함한다. 환형의 클러치 코일(57)은 클러치 판(55, 56)의 근처에 배치되며, 전자 제어기(40)로부터의 라인(58)상에서 클러치 결합 신호를 수용한다. 전자기 클러치 조립체(44)는 클러치 결합 신호가 발생되어 클러치 코일(57)을 여자할 때, 여자 코일에 의해 발생된 자계(magnetic field)가 자력을 발휘하여 상기 클러치 판(55, 56)을 서로 마찰결합시키므로써 그들 사이의 상대적인 회전을 방지하고 이에 따라 태양 기어(48)와 링 기어(54)를 로킹하는 구성을 갖는다. 이것은 전방 출력축과 후방 출력축 사이의 어떠한 상대적 미끄럼을 방지하게 된다.
전방 출력축(43)의 속도는 구동 스프로켓과 함께 회전하도록 장착된 톱니형 기어 필의 톱니 외주 부근에 배치될 수 있는 속도 센서(59)에 의해 감지된다. 상기 속도 센서(59)는 전자 제어기(40)에 전방 출력축 속도 신호를 발신한다. 이와 마찬가지로, 후방 출력축(42)의 속도는 속도 센서(62)에 의해 감지되며, 이러한 속도 센서(62)는 링기어(54)의 외주 부근에 배치된, 원주방향으로 이격된 복수개의 외측 톱니를 감지한다. 상기 속도 센서(62)는 전자 제어기(40)에 후방 출력축 속도 신호를 발신한다.
상술한 바와 같이, 후방 출력축(42)과 전방 출력축(43)사이의 토오크를 분할하기 위해서는 유성 기어 차등장치(64)가 제공된다. 클러치 코일(57)은, 차량이 회전할 때처럼 정상적인 지면 조건하에서 발생하는 전륜과 후륜의 미세한 속도 편차를 수용하기 위해 전방 출력축과 후방 출력축 사이에 소정 미끄럼이 발생할 수 있도록 여자되지 않는다. 그러나, 미국 특허 출원 제137.394호에 기재된 바와 같이, 전자 제어기(40)는 전륜과 후륜 사이의 미끄러짐이 소정량을 초과할 때, 유성 기어 차등장치가 로킹되어 입력축(41)과 전방 출력축(43) 및 후방 출력축(42) 사이의 직접적인 구동 연결을 제공하도록 클러치 결합 신호를 발생한다. 특히, 클러치 코일(57)이 여자될 때, 링 기어(54)는 기어 사이의 상대적인 회전을 방지하도록 태양기어(48)에 대해 로킹된다. 링 기어(54)가 태양 기어(48)에 대해 로킹될 때, 유성 기어(46)는 관련의 축 주위로의 회전이 방지되고, 이에 따라 링 기어(54) 또는 태양 기어(48)중 어느 하나에 대해 유성 기어 캐리어(45)가 회전하는 것을 방지한다.
제3도에 도시된 전달 케이스는 본 발명의 각형 출력축 설비를 사용할수 있는 전달 케이스의 실시예이며, 다른 전달 케이스도 본 발명에 사용될 수 있음을 인식해야 한다.
제4도에는 본 발명의 각형 축 배열의 특수한 구조가 도시된다. 특히, 전달 케이스(10)는 다수의 볼트(도시않음)와 배치 핀(71) 등에 의해 서로 함께 고정되는 전방부(70a) 및 후방부(70b)로 구성된 외측 분할형 케이스 하우징(70)을 포함한다. 구동 체인(50)은 제3도에는 2점쇄선으로 도시되어 있다. 상기 구동 체인(50)은 한쌍의 베어링 조립체(72, 73)에 의해 전달 케이스내에 회전가능하게 지지된 제2구동 스프로켓(51)을 구동시킨다. 제4도에서, 제2구동 스프로켓(51)은 2부재형 구조로 도시되어 있으며, 다수의 볼트(74)(제4도에는 하나만 도시)에 의해 후방 허브부(51b)에 고정된 전방 허브부(51a)를 포함한다. 선택적으로, 상기 전방 허브부(51a) 및 후방 허브부(51b)는 용접에 의해서도 결합될 수 있다. 스프로켓(51)의 후방 허브부(51b)는 관련의 구동 체인(50)을 결합하기 위해 다수의 외측 스프로켓 치형부(75)를 갖는다. 구동 체인(50) 대신에, 기어 트레인에 의해 제2구동 스프로켓(51)이 구동될수 있으며, 이 경우에는 스프로켓 치형부(75)가 기어 톱니가 된다,
구동 스프로켓은 픽업(pickup) 기어(76)가 장착되는 후방 연장부(51c)를 포함한다. 상기 픽업 기어(76)는 전방 속도 신호를 발생하는 전방 속도 센서(59)(제4도에 도시않음)와 협력한다. 또한, 컵 모양의 토운 휠(77)도 볼트(74)에 의해 제2구동 스프로켓(51)에 고정된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 구동 장치는 제2구동 스프로켓(51)내의 정속 연결장치를 통합한다. 제4도에 도시된 바와 같이, 정속 연결장치는 구동 스프로켓의 중공 부분에 일체로 형성된 외측 레이스(52a)와, 구동 스프로켓내로 연장되는 전방 출력축(43)의 내측 단부에 스플라인 연결에 의해 고정된 피봇형 내측 레이스(52b)를 포함한다.
원주방향으로 이격된 다수의 토오크 전달 볼(80)은 내측 및 외측 레이스내에 형성된 홈내에 수용되며, 잠금부재(79)에 의해 상기 홈내에 보유된다.
본 발명에 따르면, 전방 허브부(51a)내의 내측 원통형 구멍(81)의 직경(B1)은 후방 허브부(51b)내의 내측 원통형 구멍(82)의 직경(D2)과는 다르게 형성된다. 제4도에서, 상기 직경(D1)은 직경(D2)보다 크다. 따라서, 제2구동 스프로켓(51)이 회전할 때, 이 구멍들을 가로질러 압력차가 발생되므로, 이에 의해 하우징내의 윤활유가 스프로켓을 통해 가압되어 정속 유니버설 조인트 커플링의 부품들이 윤활된다. 제4도에 도시된 바와 같이, 전방 베어링 조립체(72)는 후방 베어링 조립체(73)보다 큰 내경을 갖는다. 이에 의해, 제2구동 스프로켓(51)은 더욱 큰 각도로 변위하는 전방 출력축을 수용할수 있도록 보다 큰 전방 원통형 구멍(81)을 가질 수 있다.
전방 출력축(43)의 전방 단부는 다수의 볼트(85)에 의해 전달 케이스의 전방부에 고정된 단부 캡(84)내에서 베어링 조립체(83)에 의해 회전가능하게 지지된다. 필요할 경우, 상기 단부 캡(84)은 다른 단부 캠으로 대체되어 단부 케이스가 다른 각도로 변위하는 전방 출력축을 수용하게 할 수 있다. 선택적으로, 상기 단부 캡(84)은 전달 케이스의 전방부(70a)와 일체로 형성될 수 있다. 전방 출력축(43)의 전방 단부는 전방 출력축의 전방 단부에 삽입된 너트(87)와 스플라인 연결에 의해 연결 부재(86)에 고정된다. 밀봉 조립체(88)는 단부 캡(84)의 전방 단부에 장착되며, 연결 부재(86)의 외측 원통면과 밀봉결합된다.
전방 출력축(43)은 베어링 조립체(83)에 의해 전방 단부에서 지지되고, 정속 연결장치(52)에 의해 후방 단부에서 지지되며, 이들 두 지점들 사이에 어떠한 중간 지지 베어링들도 없다. 이러한 구조는 출력축의 제조 및 조립을 간단하게 하며, 축을 따라 중간 베어링을 정밀하게 일치시킬 필요성을 제거한다.
본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.

Claims (8)

  1. 하우징과, 상기 하우징내에 회전가능하게 지지된 입력축과, 상기 하우징내에 회전가능하게 지지된 전방 출력축 및 후방 출력축과, 상기 입력축을 상기 전방 출력축 및 후방 출력축에 작동가능하게 연결하고 그 사이에서 토오크를 분할하는 구동 수단을 포함하며, 상기 전방 출력축은 후방 출력축의 회전축선과는 평행하지 않은 회전 축선을 포함하는 토오크 전달 케이스에 있어서, 상기 전방 출력축에 토오크를 공급하기 위해 상기 구동 수단과 전방 출력축 사이에 연결되는 정속 연결장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 토오크 전달 케이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구동 수단은 한쪽 단부에 제1직경(D1)의 제1원통형 구멍(81)과 대향 단부에 제2직경(D2)의 제2원통형 구멍(82)을 구비한 제2구동 스프로켓(51)이며, 상기 제1직경(D1)과 제2직경(D2)은 제2구동 스프로켓(51)이 회전할 때 상기 구멍을 가로질러 압력차가 발생되고 이에 의해 상기 하우징내에 포함된 윤활유가 가압되어 정속 연결장치가 윤활될 수 있도록 서로 다른 칫수로 형성되는 것을 특징으로 하는 토오크 전달 케이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 구동 수단은 한쪽 단부에서 제1베어링 수단에 의해 상기 하우징에 회전가능하게 지지된 제1허브를 가지며 대향 단부에서 제2베어링 수단에 의해 회전가능하게 지지된 제2허브를 갖는 구동 부재이며, 상기 제1베어링 수단은 제1내경을 형성하며, 상기 제2베어링 수단은 상기 제1내경보다 작은 제2내경을 형성하는 것을 특징으로 하는 토오크 전달 케이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전방 출력축은 상기 정속 연결장치에 의해 한쪽 단부에 회전가능하게 단독으로 지지되며, 단일의 베어링 수단에 의해 대향 단부에 회전가능하게 단독으로 지지되는 것을 특징으로 하는 토오크 전달 케이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 토오크 전달 케이스는 4륜 구동 전달 케이스인 것을 특징으로 하는 토오크 전달 케이스.
  6. 하우징과, 상기 하우징내에 회전가능하게 지지되며 서로 평행한 제1구동 스프로켓 및 제2구동 스프로켓과, 상기 제1구동 스프로켓 및 제2구동 스프로켓 사이에 구동가능하게 연결되는 체인을 포함하는 토오크 전달 케이스에 있어서, 볼 형태의 정속 연결장치가 상기 제1구동 스프로켓 및 제2구동 스프로켓중 어느 하나에 연결되는 것을 특징으로 하는 토오크 전달 케이스.
  7. 제6항에 있어서, 상기 볼 형태의 정속 연결장치의 외측면은 상기 제1구동 스프로켓 및 제2구동 스프로켓중 어느 하나에 형성되는 것을 특징으로 하는 토오크 전달 케이스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 볼 형태의 정속 연결장치의 내측면은 상기 제1구동 스프로켓 및 제2구동 스프로켓과는 평행하지 않은 축의 단부상에 형성되는 것을 특징으로 하는 토오크 전달 케이스.
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