KR100309980B1 - 샤프트/허브 유니트 - Google Patents

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KR100309980B1
KR100309980B1 KR1019997000801A KR19997000801A KR100309980B1 KR 100309980 B1 KR100309980 B1 KR 100309980B1 KR 1019997000801 A KR1019997000801 A KR 1019997000801A KR 19997000801 A KR19997000801 A KR 19997000801A KR 100309980 B1 KR100309980 B1 KR 100309980B1
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바이강볼프강
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에이치. 학커, 더블류. 밀러
지케이엔 오토모티브 게엠베하
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Abstract

본 발명은 토크 전달용 물림부 조립체를 갖고, 샤프트 물림부(5)를 가지는 샤프트(1) 및 허브 물림부(7)를 가지는 허브(2)를 구비하는 샤프트/허브 유니트에 관한 것이다. 상기 샤프트 물림부와 허브 물림부는 상호 맞물린다. 본 발명에 따르면, 토크는 샤프트 생크(4)를 거쳐 가해지고, 샤프트 물림부(5)는 상기 생크의 단부에 위치한다. 상기 샤프트 물림부(5)의 치형은 길이 방향으로 변한다. 샤프트 물림부(5)의 주 지름은 길이 방향으로 일정하고, 허브 물림부(7)의 기초 지름은 길이 방향으로 일정하다. 상기 물림부 조립체는 축방향으로 연장되는 적어도 2개의 부분(9, 10)을 가진다. 각각의 부분에서, 샤프트 물림부(5)의 기초 지름은 일정하고 허브 물림부(7)의 주 지름은 일정하다. 각기 인접된 한쌍의 부분 중에서, 샤프트 생크(4)에 면한 부분은 보다 큰 샤프트 물림부(5)의 기초 지름과 보다 큰 허브 물림부(7)의 주 지름을 가진다. 이와 동일하게, 각기 인접된 한쌍의 부분 중에서, 샤프트 생크(4)에 면한 부분은 상기 인접된 부분의 상부를 형성하는 헤드부에 대응되는 샤프트 물림부(5)의 치형을 가진다.

Description

샤프트/허브 유니트 {Shaft-Hub Unit}
이러한 형식의 샤프트/허브 유니트는 특히 차량의 구동 라인에서 차축과 유니버설 조인트의 구성 부품 사이의 회전식 연결부에 사용된다.
DE 44 15 033 C1은 이러한 샤프트/허브 유니트를 개시하는데, 여기에서는 샤프트 물림부의 치형이 길이 방향으로 변하고 샤프트 물림부의 이높이는 런-아웃(run-out)부에서 연속적으로 감소한다. 상기 샤프트 물림부가 인볼류트 물림부의 형태로 그리고 허브 물림부가 직선-측면형(straight-flanked) 물림부의 형태로 마련되므로, 상기 2개의 물림부 세트 사이에 선접촉부가 존재한다. 그 결과, 상기 선접촉부의 상하에서 이측면(tooth flank) 유격이 발생한다. 상기 샤프트 물림부의 이높이가 상기 선접촉부의 높이보다 더 짧은 런-아웃부에서는, 샤프트 물림부의 이와 허브 물림부의 이가 서로 접촉하지 않는다. 토크를 가하면 상기 런-아웃부에서 샤프트 비틀림이 발생하고, 샤프트 물림부의 측면이 허브 물림부의 측면과 축방향으로 접촉하는 정도가 커지게 된다. 따라서 물림부 조립체의 샤프트 생크 단부에서 일반적으로 발생하는 응력 피크가 감소하고, 높은 응력값을 가지는 부분이 물림부 조립체의 더 큰 길이로 확대된다. 상기 샤프트/허브 유니트의 단점은 런-아웃부가 칩 형성(chip-forming) 가공 작업을 부가하여야만 제작될 수 있다는 점이다.
FR 1 581 658은 샤프트/허브 유니트에 사용되는 한 세트의 샤프트 물림부를 가지는 샤프트를 개시하는데, 여기에서는 기초 지름(base diameter)과 주 지름(major diameter)이 길이 방향에서 원추부상에 위치하고, 이높이는 상기 물림부 조립체의 전 길이를 따라 일정하다. 상기 기초 지름 및 주 지름은 토크가 가해지는 샤프트 단부를 향하는 방향으로 증가된다. 그러나 상기 형식의 물림부는 브로우칭 또는 드로잉 작업과 같이 축방향의 이송 방향을 가지는 기존의 제작 방법에 의하여서도 그리고 평행한 전조 수단에 의한 전조 작업에 의해서도 제작될 수 없다. 또한 허브의 샤프트상의 축방향 위치는 상기 원추부의 공차에 의존한다. 외부 원추면이 평 개구 각(flat opening angle)을 가지는 경우에는, 각도가 미소하게 일탈한다 하더라도 상기 허브의 축방향 위치에 상당한 영향을 미친다. 많은 적용 분야에서 이것은 받아들일 수 없다.
본 발명은 토크 전달용 물림부(toothing) 조립체를 갖고, 샤프트 물림부가 있는 샤프트와 허브 물림부가 있는 허브를 구비하는 샤프트/허브 유니트에 관한 것으로서, 이 물림부 세트는 상호 맞물리고, 단부에 상기 샤프트 물림부가 마련된 샤프트 생크에 의하여 토크가 가해지며, 상기 샤프트 물림부의 치형(tooth profile)은 길이방향으로 가변하는 코스를 따르게 된다.
도1은 본 발명에 따른 샤프트/허브 유니트의 길이 방향의 단면도,
도2는 도1에 따른 본 발명의 샤프트/허브 유니트의 샤프트 생크로부터 멀리 떨어져서 면하는 부분의 횡단면도,
도3은 도1에 따른 본 발명의 샤프트/허브 유니트의 샤프트 생크에 면한 부분의 횡단면도,
도4는 이두께 계단부가 형성된 샤프트 물림부를 갖고, 샤프트 생크로부터 멀리 떨어져서 면하는 부분에서의 샤프트/허브 유니트의 횡단면도,
도5는 샤프트/허브 유니트의 샤프트 생크에 면한 부분의 횡단면도,
도6은 도2 및 도3에 따른 물림부 조립체의 전 길이에 대한 응력 곡선을 도시한 도면,
도7은 도4 및 도5에 따른 물림부 조립체의 전 길이에 대한 응력 곡선을 도시한 도면이다.
본 발명의 목적은 소정의 토크에 대하여 물림부 조립체의 샤프트 생크의 단부에서의 응력이 가능한 한 낮으며 그 물림부가 간단한 제작 방법으로 제작될 수있는 샤프트/허브 유니트를 제공하는 것이다.
상기 목적은 다음과 같은 구성, 즉 샤프트 물림부는 길이 방향으로 일정한 코스를 따르는 주 지름을 가지고 허브 물림부는 길이 방향으로 일정한 코스를 따르는 기초 지름을 가지며, 물림부 조립체는 그 샤프트 물림부의 각 기초 지름이 일정한 코스를 따르고 그 허브 물림부의 각 주 지름이 일정한 코스를 따르는 적어도 2개의 축방향 연장 부분을 구비하고, 각기 2개의 인접된 부분들 중에서 샤프트 생크에 면한 부분은 보다 큰 기초 지름의 샤프트 물림부와 보다 큰 주 지름의 허브 물림부를 가지고, 각기 2개의 인접된 부분들 중에서 샤프트 생크에 면한 부분은 상기 인접된 부분의 헤드부에 대응하는 샤프트 물림부의 치형을 가지며, 그 헤드부는 상기 치형의 상부를 형성하는 구성에 의하여 달성된다.
상기 샤프트 생크를 향하여 기초 지름을 부분마다 증가시킴으로써, 샤프트의 저항 모멘트가 커지게 된다. 그 결과, 물림부 조립체의 샤프트 생크 단부에서의 응력이 감소한다. 각기 2개의 인접된 부분들 중에서 샤프트 생크에 면한 부분이 상기 인접된 부분의 치형의 상부를 형성하는 헤드부에 대응하는 샤프트 물림부의 치형을 구비함으로써, 전 물림부 조립체를 따라 어떠한 원 지름상의 이들도 동일한 이두께를 갖기 때문에, 상기 샤프트 물림부와 허브 물림부는 모두 축방향의 이송 방향을 가지는 제작 방법에 의하여 제작될 수 있다.
일 실시예에서는, 부분들의 수가 무한히 커져서 실제적으로 상기 샤프트 물림부의 기초 지름과 허브 물림부의 주 지름이 길이 방향으로 원추부상에 위치하는 구성이 마련된다.
하나의 유리한 실시예에 따르면, 각기 2개의 인접된 부분들의 치형들 중에서 샤프트 생크로부터 멀리 떨어져서 면하는 부분의 샤프트 물림부의 치형은 상기 인접된 부분의 치형에 대응하는 치형의 상부를 형성하는 헤드부 아래에서 계단식으로 넓어지고, 샤프트 단부에 위치한 부분의 샤프트 물림부의 이측면은 허브 물림부의 이측면과 치형의 하부를 형성하는 오직 하나의 이 베이스부에서 접촉된다. 상기 물림부 조립체의 샤프트 생크 단부에 위치한 부분을 제외하고는, 모든 부분에서 샤프트 물림부가 이두께 계단부를 가진다. 상기 샤프트 생크로부터 가장 멀리 떨어진 부분의 샤프트 물림부의 베이스부만이 허브 물림부와 유격없이 맞물리는데, 상기 베이스부는 치형의 하부를 형성하는 것이다. 그 나머지 모든 부분들에서는, 샤프트 물림부의 측면이 허브 물림부의 측면에 대하여 유격을 가진다. 그 결과, 토크가 작용하면, 샤프트 물림부의 이측면과 허브 물림부의 이측면이 상호 접촉되지 않는 부분들에서는 모든 부분들의 측면이 서로 접촉될 때까지 샤프트가 비틀릴 수 있다. 샤프트 물림부의 측면이 허브 물림부의 측면에 축방향으로 접촉하는 정도가 커지기 때문에, 토크의 전달에 관여하는 부분이 물림부 조립체의 더 큰 길이로 확대된다. 샤프트 물림부의 기초 지름과 허브 물림부의 주 지름이 물림부 조립체의 전 길이를 따라 일정한 물림부 조립체와 비교하면, 본 실시예는 보다 낮은 최대 응력을 제공한다는 특징을 가진다.
더욱 유리한 실시예에 따르면, 그 샤프트 물림부의 기초 지름값이 한 인접 부분의 기초 지름으로부터 다른 인접 부분의 기초 지름까지 길이 방향으로 연속 함수를 따르고 그 허브 물림부의 주 지름값이 상기 한 부분의 주 지름으로부터 상기다른 부분의 주 지름까지 길이 방향으로 연속 함수를 따르는 전이 부분들이 마련된다. 이와 같이 하여, 상기 부분들 사이에서 계단부의 모서리가 급격해지는 것을 피할 수 있다. 이것은 노치 효과로 인한 불리한 응력 피크를 방지하고, 또한 물림부의 제작을 간단하게 한다.
일 실시예에 따르면, 샤프트 물림부의 기초 지름 및 허브 물림부의 주 지름의 전이 부분이 모두 한 원추부 상에 연장되는 것이 가능하다.
다른 실시예에 따르면, 허브를 샤프트상에 축방향으로 고정하기 위하여 샤프트 물림부에 환형 홈이 그리고 허브 물림부에 대향되는 환형 홈이 마련되는데, 상기 홈들은 연합하여, 특히 원형의 횡단면을 가지는 보유 링 형태의 축방향 고정 수단을 수용한다. 이높이가 너무 짧아서 상기 보유 링이 우연히 미끄러져 나가는 것을 피하기 위해서, 상기 환형 홈들은 샤프트 생크로부터 가장 멀리 떨어진 부분에 배열된다. 이와 같이 하여, 원형의 횡단면을 가지는 상기 보유 링이 환형 홈의 측면상에 확실하게 고정 지지된다. 샤프트에 대한 허브의 축방향 위치는 상기 환형 홈들의 공차와 상기 축방향 고정 수단의 공차에 의해서만 영향을 받는다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 바람직한 실시예를 설명한다.
도1은 본 발명의 샤프트/허브 유니트의 길이 방향의 부분 단면도를 도시한 것으로, 이 샤프트/허브 유니트는 샤프트(1), 허브(2) 및 원형의 횡단면을 가지는 보유 링(3)으로 구성된다. 상기 샤프트(1)는 샤프트 생크(4)를 구비하는데, 이 샤프트 생크에 의하여 토크가 샤프트/허브 유니트로 가해질 수 있다. 또한, 상기 샤프트 생크(4)로부터 멀리 떨어져서 면하는 샤프트 단부에서 상기 샤프트(1)는 샤프트 물림부(5)와 환형 홈(6)을 구비한다. 상기 허브(2)는 허브 물림부(7)와 환형 홈(8)을 구비한다. 상기 샤프트 물림부(5)와 허브 물림부(7)로 이루어지는 물림부 조립체는 제1 부분(9), 제2 부분(10) 및 전이 부분(11)을 구비하는데, 샤프트 물림부의 주 지름은 상기 세 부분 모두에서 일정한 값(Dw)을 가진다. 또한, 상기 허브 물림부의 기초 지름도 상기 세 부분 모두에서 모두 일정한 값(dn)을 가진다. 샤프트 생크(4)로부터 멀리 떨어져서 면하는 상기 제1 부분(9)은 소정 길이(L1)를 가지는데, 여기에서 샤프트 물림부(5)는 소정 값(dw1)의 기초 지름을 가지고 허브 물림부(7)는 소정 값(Dn1)의 주 지름을 가진다.
소정 길이(L2)를 가지는 상기 제2 부분(10)은 샤프트 생크(4)에 면한다. 상기 부분(10)에서, 샤프트 물림부(5)는 상기 제1 부분(9)의 기초 지름의 값(dw1)보다 더 큰 값(dw2)의 기초 지름을 가진다. 상기 제2 부분(10)에서 허브 물림부(7)는 상기 제1 부분(9)의 주 지름의 값(Dn1)보다 더 큰 값(Dn2)의 주 지름을 가진다. 상기 부분(9, 10)들 사이에는 소정 길이(L3)를 가지는 전이 부분(11)이 위치되는데, 이 부분(11)에서 샤프트 물림부(5)의 기초 지름과 허브 물림부(7)의 주 지름이 상기 제1 부분(9)로부터 제2 부분(10)까지 길이 방향으로 일정하게 증가하여, 그 길이 방향으로 상기 샤프트 물림부의 기초 지름은 값(dw1)으로부터 값(dw2)으로 커지고 상기 허브 물림부의 주 지름은 값(Dn1)으로부터 값(Dn2)으로 커진다. 상기 제1 부분(9)에는 샤프트(1)에 대하여 허브(2)를 축방향으로 고정하기 위해 원형의 보유 링(3)에 의해 맞물리는 환형 홈(6, 8)들이 마련되어 있다.
도2는 도1에 따른 본 발명의 샤프트/허브 유니트의 제1 부분(9)에서의 일부 횡단면도를 도시한 것이다. 샤프트 물림부(5)의 이(14)는 볼록한 이측면(12)을 구비하는 반면에, 허브 물림부(7)의 이(15)에는 직선의 이측면(13)이 마련된다. 상기 이측면(12, 13)들은 피치 지름(DT)의 부분에서 상호 접촉한다. 샤프트 물림부 (5)는 값(dw1)의 기초 지름과 값(Dw)의 주 지름을 가진다. 허브 물림부(7)는 값(dn)의 기초 지름과 값(Dn1)의 주 지름을 가진다.
도3은 도1에 따른 본 발명의 샤프트/허브 유니트의 제2 부분(10)에서의 일부 횡단면도를 도시한 것이다. 샤프트 물림부(5)의 이측면(23)은 허브 물림부(7)의 이측면(24)과 피치 지름(DT)의 부분에서 접촉된다. 도1에서 보는 바와 같이, 이(16, 17)들의 이높이가 부분(9)에서보다 부분(10)에서 더 작다. 샤프트 물림부(5)의 주 지름 및 허브 물림부(7)의 기초 지름이 동일하고, 샤프트 물림부(5)의 기초 지름과 허브 물림부(7)의 주 지름은 도2에 도시된 부분(9) 보다 부분(10)에서 각각 더 큰 값을 가진다. 샤프트 물림부(5)의 이(16)는 피치 지름(DT)과 주 지름(Dw) 사이에서 도2에 도시된 이(14)와 동일한 횡단면을 가진다. 허브 물림부(7)의 이(17)는 피치 지름(DT)과 기초 지름(dn) 사이에서 도2에 도시된 이(15)와 동일한 횡단면을 가진다.
도4는 도1에 따른 샤프트/허브 유니트의 부분(9)에서의 일부 횡단면도를 도시한 것이다. 허브 물림부(7)는 도2의 허브 물림부와 동일하다. 그러나, 샤프트 물림부(5)의 이(18)는 주 지름으로부터 기초 지름까지 계단식으로 넓어지는 횡단면을 가지는데, 그 계단부(21)는 피치 지름(DT)의 부분에 위치된다. 피치 지름(DT)과 기초 지름(dw1) 사이에서 상기 이(18)의 횡단면은 도2의 이(14)의 횡단면과 대응한다. 따라서, 샤프트 물림부(5)의 이(18)의 이측면(20)은 허브 물림부(7)의 이(15)의 이측면(13)과 피치 지름(DT)의 부분에서 접촉한다. 피치 지름(DT)과 주 지름(Dw) 사이에서는 샤프트 물림부(5)의 이(18)의 이측면(19)이 이(15)의 이측면(13)에 접촉하지 않는다.
도5는 도1에 따른 샤프트/허브 유니트의 부분(10)에서의 일부 횡단면도를 도시한 것이다. 허브 물림부(7)는 도3의 허브 물림부와 동일하다. 샤프트물림부(5)의 이(22)는 피치 지름(DT)과 주 지름(Dw) 사이에서 도4의 이(18)와 동일한 횡단면을 가진다. 따라서, 토크 부하가 없을때 이측면(19)과 이측면(13)은 서로 접촉하지 않으므로, 소정의 토크 값으로부터 시작해서 상기 이측면(19, 13)들이 상호 접촉되어질 정도로 샤프트가 비틀릴 때가지 토크를 가하면 이 샤프트(1)의 비틀림이 허용된다.
도6은 물림부 조립체들의 길이에 따른 응력 곡선을 도시한 것이다. 곡선(A)은 도2 및 도3에 따른 본 발명의 샤프트/허브 유니트의 응력 곡선이다. 곡선(B)은 허브 물림부와 샤프트 물림부의 주 지름과 기초 지름이 모두 물림부 조립체의 전 길이를 따라 일정한 종래 기술에 따른 물림부 조립체의 응력 곡선이다.
상기 두 응력 곡선들은 샤프트 생크로부터 멀리 떨어져서 면하는 물림부 조립체 단부에서 낮은 값으로 시작하여 최대값까지 연속적으로 상승하고, 그 다음에 약간 하강한다는 것을 알 수 있다. 본 발명에 따른 물림부 조립체 설계의 결과로서, 토크가 걸리는 부분의 최대 응력값이 (토크의 저항 모멘트가 증가하기 때문에) 곡선(B)의 최대값보다 더 낮다.
도7은 상기 물림부 조립체들의 길이에 따른 2개의 응력 곡선을 도시한 것이다. 곡선(C)은 도4 및 도5에 따른 샤프트/허브 유니트의 응력 곡선이다. 곡선(B)은 종래 기술에 따른 물림부 조립체의 응력 곡선으로서, 도6에 따른 곡선(B)과 동일하다. 상기 곡선(C)은 샤프트 생크로부터 멀리 떨어져서 면하는 물림부 조립체 단부에서 낮은 값으로부터 시작하여 첫번째 최대값까지 연속적으로 상승하고, 이어서 약간 하강한 다음에, 다시 두번째 최대값까지 상승한다. 상기 2개의 최대값은도4 및 도5에 따른 두 부분에서의 응력을 나타낸다. 토크가 상기 두 부분에 분산되어 걸리므로, 상기 2개의 최대 응력값은 도6의 곡선(A)의 최대 응력값보다 더 낮다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 샤프트
2 : 허브
3 : 원형 횡단면의 보유 링
4 : 샤프트 생크
5 : 샤프트 물림부
6 : 환형 홈
7 : 허브 물림부
8 : 환형 홈
9 : 제1 부분
10 : 제2 부분
11 : 전이 부분
12 : 이측면
13 : 이측면
14 : 이
15 : 이
16 : 이
17 : 이
18 : 이
19 : 이측면
20 : 이측면
21 : 계단부
22 : 이
23 : 이측면
24 : 이측면

Claims (5)

  1. 토크 전달용 물림부 조립체를 갖고, 샤프트 물림부(5)가 있는 샤프트(1)와 허브 물림부(7)가 있는 허브(2)를 구비하는 것으로서, 상기 물림부 세트가 상호 맞물리고, 단부에 상기 샤프트 물림부(5)가 마련된 샤프트 생크(4)에 의하여 토크가 가해지며, 상기 샤프트 물림부(5)의 치형은 길이 방향으로 가변하는 코스를 따르는 구성의 샤프트/허브 유니트에 있어서,
    상기 샤프트 물림부(5)는 길이 방향으로 일정한 코스를 따르는 주 지름을 가지고, 상기 허브 물림부(7)는 길이 방향으로 일정한 코스를 따르는 기초 지름을 가지며,
    상기 물림부 조립체는 그 샤프트 물림부(5)의 각 기초 지름이 일정한 코스를 따르고 그 허브 물림부(7)의 각 주 지름이 일정한 코스를 따르는 적어도 2개의 축방향 연장 부분(9, 10)를 구비하고,
    각기 2개의 인접된 부분들 중에서 상기 샤프트 생크(4)에 면한 부분은 보다 큰 기초 지름의 샤프트 물림부(5)와 보다 큰 주 지름의 허브 물림부(7)를 가지고,
    각기 2개의 인접된 부분들 중에서 상기 샤프트 생크(4)에 면한 부분은 상기 인접된 부분의 헤드부에 대응하는 샤프트 물림부(5)의 치형을 가지며, 그 헤드부는 상기 치형의 상부를 형성하는 것을 특징으로 하는 샤프트/허브 유니트.
  2. 제 1항에 있어서,
    각기 2개의 인접된 부분들의 치형들 중에서, 상기 샤프트 생크(4)로부터 멀리 떨어져서 면하는 부분의 샤프트 물림부(5)의 치형은 상기 인접된 부분의 치형에 대응하는 치형의 상부를 형성하는 헤드부 아래에서 계단식으로 넓어지고,
    상기 샤프트 단부에 위치한 부분의 샤프트 물림부(5)의 이측면은 상기 허브 물림부(7)의 이측면과 치형의 하부를 형성하는 오직 하나의 이 베이스부에서 접촉되는 것을 특징으로 하는 샤프트/허브 유니트.
  3. 제 1항 또는 제2항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    각기 2개의 인접된 부분들 사이에, 그 샤프트 물림부(5)의 기초 지름값이 상기 한 부분의 기초 지름으로부터 상기 다른 부분의 기초 지름까지 길이 방향으로 연속 함수를 따르고 그 허브 물림부(7)의 주 지름값이 상기 한 부분의 주 지름으로부터 상기 다른 부분의 주 지름까지 길이 방향으로 연속 함수를 따르는 전이 부분이 마련된 것을 특징으로 하는 샤프트/허브 유니트.
  4. 제1항 또는 제2항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 샤프트 생크(4)로부터 가장 멀리 떨어진 부분(9)에는, 축방향 고정 요소 특히 원형 횡단면을 가지는 보유 링(3)을 수용하는 환형 홈(6, 8)이 상기 허브 물림부(7) 및 상기 샤프트 물림부(5)에 각각 마련된 것을 특징으로 하는 샤프트/허브 유니트.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 샤프트 생크(4)로부터 가장 멀리 떨어진 부분(9)에는, 축방향 고정 요소 특히 원형 횡단면을 가지는 보유 링(3)을 수용하는 환형 홈(6, 8)이 상기 허브 물림부(7) 및 상기 샤프트 물림부(5)에 각각 마련된 것을 특징으로 하는 샤프트/허브 유니트.
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