KR100366316B1

KR100366316B1 - 핀형동기장치

Info

Publication number: KR100366316B1
Application number: KR1019970047244A
Authority: KR
Inventors: 스카트 스미스 티모시; 듀크 글루이스 제임스
Original assignee: 이턴 코포레이션
Priority date: 1996-09-16
Filing date: 1997-09-12
Publication date: 2003-02-11
Also published as: ES2153152T3; CN1105245C; JP3733545B2; EP0834667B1; JPH10103374A; KR19980024640A; IN192956B; CN1177684A; BR9702857A; DE69703606T2; DE69703606D1; EP0834667A1; US5738196A

Abstract

핀형 복동식 동기 장치(10)는 마찰 링(26, 46 및 28, 48), 리테이너(44)에 의해 축 방향으로 함께 고정된 맞물림 부재(30, 38 및 32, 40)들, 조 클러치의 비동기 맞물림을 방지하기 위해 원주 방향으로 떨어져 있으며 블록커 쇼울더를 포함하는 핀(50) 3개, 시프트 플렌지(42)의 초기 맞물림 운동에 응답하여 마찰 링들과 블록커 쇼울더들의 초기 맞물림을 보장하는 프리-에너자이저 어셈블리(52), 및 셀프-에너자이징 경사면(20a-20d, 62a-62d)을 포함한다. 동기 장치는 개량된 조 부재 및 셀프-에너자이징 경사면, 개량된 시프트 플렌지, 개량된 프리-에너자이저, 및 개량된 조 부재 리테이너를 구비한다.

Description

핀형 동기 장치{PIN-TYPE SYNCHRONIZER}

본 발명은 개선된 변속기용 핀형 동기 장치에 관한 것이다.

동기 장치가 일부 또는 모든 변속 기어비의 변속 시간을 감소시키는데 이용될 수 있다는 것은 다단 속도 변속기(multiple speed ratio transmission) 업계에 잘 알려져 있다. 셀프-에너자이징 형(self-energizing type) 동기 장치를 사용하여 차량 운전자에게 요구되는 변속 조작 작동력(예: 변속 레버에 가하는 힘)을 줄일 수 있는 것도 잘 알려져 있다. 이 변속 조작 작동력은 차량의 크기에 따라 증가하기 때문에, 일반적으로 셀프-에너자이징 형 동기 장치는 대형 트럭에 있어서 중요하다. 본 발명의 동기 장치와 관계있는 선행 기술의 예들이 미합중국 특허 제 5,078,244호, 제5,092,439호 및 제5,339,936호에 게재되어 있으며, 이들 발명들이 본 발명의 참고로 포함된다.

본 발명은 조 부재에 사용되는 개량된 축 방향 리테이너들을 갖는 핀형 동기 장치(pin-type synchronizer)를 제공하는데 그 목적이 있다.

미합중국 특허 제5,092,439호에 게재되어 있고 청구항 1의 전제부에 설명되어 있듯이, 본 발명의 핀형 동기 장치는 샤프트 둘레를 회전할 수 있도록 장착된제1 및 제2드라이브 중 하나를 마찰로 동기화하여 완전 연결하도록 선택적으로 작동한다. 동기 장치는 제1 및 제2드라이브에 각각 부착된 제1 및 제2 조 부재(jaw member)를 포함하며, 이들 조 부재들은 이 드라이브들 사이에 위치하며 축 방향으로 이동할 수 있는 제3 및 제4조 부재와 각각 맞물린다. 제3 및 제4 조 부재는 샤프트에 부착된 외부 스플라인에 대해 상대 회전하지 않도록 미끄럼 결합하는 내부 스플라인을 갖는다. 제1 및 제2 콘 마찰 링(cone friction ring)은 제1 및 제2드라이브와 회전할 수 있게 고정되어 있다. 제3 및 제4 콘 마찰 링은 샤프트와 동심이고, 드라이브들 사이를 축 방향으로 이동할 수 있는데, 이와 같이 이동하여 제1 및 제2 마찰 링과 각각 마찰 결합하여 드라이브들과 샤프트를 동기화시키기 위한 동기화 토크를 제공한다. 조 부재들을 축 방향으로 이동시키고 링들을 플렌지에 작용하는 양방향 축 시프트 힘(F_o)에 대해 전술한 맞물림 위치로 이동하도록, 반경 방향으로 연장된 플렌지는 제3 및 제4 조 부재 사이 및 제 3 및 제4 마찰 링들 사이에 위치하며, 축 방향으로 대향하여 마주보는 측면들을 갖는다. 블록커 수단(blocker means)은 동기화되기 전에 조 부재들이 맞물림되는 것을 방지하기 위해 결합하여 작동한다. 블록커 수단은 원주 방향으로 간격을 두고 배치된 다수의 핀을 포함하는데, 이 핀들은 플렌지의 제1세트 개구부 쪽으로 제3 및 제4 마찰 링 사이에 축 방향으로 견고하게 연장된다. 모든 핀들은 블록커 쇼울더를 가지며, 이들 핀의 블로커 쇼울더는 결합되는 개구부에 형성된 블로커 쇼울더와 맞물린다. 제1수단은 제3및 제4 조 부재에 대한 축 방향 운동에 대해서 플렌지를 고정시킨다.

개선된 점은 원주 방향으로 떨어져 있는 다수의 리테이너를 포함하는 제1수단으로 특정된다. 모든 리테이너는 제3 및 제4 조 부재의 반경 방향 바깥 부분 둘레에 배치되는 축 방향으로 연장되는 부분과, 제3 및 제4 조 부재의 축 방향으로 반대쪽으로 마주보는 부분들을 둘러싸는 반경 방향 안쪽으로 연장되는 부분을 포함한다. 축 방향으로 연장되는 부분들은 모두 축 방향으로 떨어져 있고 반경 방향 바깥쪽으로 마주보는 부분들을 가지며, 이 부분들은 리테이너들의 반경 방향 바깥쪽으로 이동하는 것을 제한하기 위해 제3 및 제4 마찰 링의 반경 방향 안쪽 부분들과 밀접한 상대 미끄럼 관계를 가지며 위치한다.

도 1은 중립 위치에 있는 복동식 동기 장치(double-acting synchronizer mechanism)를 다소 개략적으로 도시한 단면도,

도 2는 도 1에 도시한 동기 장치가 오른쪽으로 맞물려진 상태를 나타낸 도면,

도 3은 도 1에 도시한 동기 장치를 구성하는 부품들의 분해도,

도 4는 도 1에 도시한 샤프트의 일부를 나타낸 상세도,

도 5는 도 1에 도시된 샤프트를 도 4의 5-5선으로 절단하여 도시한 단면도,

도 6 및 도 7은 도 3에 도시한 결합 셀프-에너자이징 경사면(mating self-energizing ramps)을 가지며, 도 4에 도시한 샤프트의 일부분을 도 4의 6-6선을 따라 본 도면,

도 8은 동기 장치의 시프트 플렌지에 작용하는 축 방향 힘 및 토크를 그림으로 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

12 : 샤프트 12b, 12c : 원통형 표면

12d : 환상 부재 12e, 12f : 쇼울더

30, 32, 34, 36 : 조 부재 38, 40 : 내부 스플라인

42 : 플렌지 42e, 42f : 환상 강성 링

50 : 핀

여기서 사용한 "동기 클러치 장치(synchronizer clutch mechanism)"라는 용어는 확동 클러치에 의해 선택된 비율의 기어를 샤프트에 비회전 연결하는데 사용되는 클러치 장치를 말하며, 이 장치에서 확동 클러치의 부재들이 이 확동 클러치와 함께 작동하는 동기 마찰 클러치에 의해 실질적으로 동기 회전하기 전까지 확동 클러치의 맞물림 시도가 저지된다. "셀프-에너자이징(self-energizing)"이란 마찰 클러치의 동기화 토크에 비례하게 동기 클러치의 맞물림 힘을 증가시키도록 경사면 또는 캠 등을 포함하는 동기 클러치 장치를 의미한다.

이제 도면들을 살펴보자. 기어 및 동기 어셈블리(10)는 변속기 안에서 축(12a)을 중심으로 회전할 수 있도록 설치된 샤프트(12), 축 방향으로 떨어져 배치된 드라이브들 또는 기어들(14, 16) 및 복동식 동기 장치(double-acting synchronizer)(22)를 구비하고 있다.

샤프트(12)는 기어를 회전할 수 있게 지지하는 원통형 표면(12b, 12c), 원통형 표면의 직경보다 직경이 큰 외부 원주를 갖는 환상 부재(12d)를 포함한다. 이 환상 부재는 축 방향으로 길이를 갖는데, 이 길이는 다른 기어에 대한 기어들의 축 방향 이동을 제한하는 쇼울더(shoulders)(12e, 12f)들을 축 방향으로 마주보게 함으로써 기어들을 분리한다. 기어들을 서로 분리시키는 것은 공지된 방법들 중 어느 하나를 사용해도 무방하다. 환상 부재는 샤프트에 고정된 링으로 형성되어 있거나, 여기서처럼 샤프트와 일체로 형성될 수 있다. 환상 부재의 외부 원주는 이에 형성된 외부 스플라인(12g)과 환상 부재와 동일한 축 방향 길이를 갖는 리세스(recesses)(18)들 3개 및 셀프-에너자이징 경사면(20a, 20b, 20c, 20d)들을 포함한다. 이 리세스들은 여러 인접한 스플라인(12g)을 전체적으로 제거하여 셀프-에너자이징 경사면의 제조를 단순화한다.

동기 장치(22)는 마찰 링(26, 28) 및 기어(14, 16)와 일체로 형성된 조 부재(30, 32), 환상 부재(12d)의 외부 원주에 형성된 외부 스플라인(12g)의 기어 이와 미끄러질 수 있게 맞물리는 내부 스플라인(38, 40)의 기어 이들을 지닌 조 부재(34, 36), 조 부재(34, 36)의 축 방향으로 대향하는 면(34a, 36a) 사이에서 끼워져 축 방향으로 대향하게 마주하는 측면(42a, 42b)을 지닌 반경 방향으로 연장한 시프트 플렌지(42), 축 방향 이동에 대해 플렌지와 조 부재를 고정하는 축 방향으로 연장된 리테이너(44) 3개, 각 마찰 부재로부터 플렌지의 개구부(42c)를 통해 축 방향으로 연장된 원주를 따라 분리되어 위치한 핀(50) 3개에 의해 단단히 함께 고정된 환상 마찰 링(46, 48) 및 프리-에너자이저 어셈블리(pre-energizerassembly)(52) 3개를 구비한다. 그리고 어셈블리(52)는 도 3에만 도시되어 있다.

이 마찰 링은 조 부재들이 맞물리기 전에 샤프트에 기어를 마찰로 동기화 하도록 맞물리는 콘 마찰면(26a, 46a, 28a, 48a)을 갖는다. 링(46, 48)은 원주 상에서 떨어져 연장되어 축 방향으로 개방되는 리세스(46b, 48b) 3개와 마찰 링(46, 48)을 통해 축 방향으로 연장되고 원주 상에서 떨어져 안쪽 반경 방향으로 개방되는 리세스(46c, 48c) 6개를 포함한다. 별도 리세스(46c, 48c)는 마찰 링(46, 48)의 교환성을 향상시킨다. 후술되어 있듯이, 리세스(46b, 48b)는 프리-에너자이저 어셈블리의 끝부분을 수용하며, 리세스(46c, 48c)는 리테이너(retainers)(44)들을 수용한다. 넓은 범위의 콘 각이 이용되는데, 여기서는 콘의 각이 7.5°로 이용된다. 마찰면(46a, 48a 및/또는 26a, 28a)은 베이스 부재에 고정된 여러 공지된 재료들 중 하나에 의해 형성되는데, 여기서는 미합중국 특허 제4,700,823호, 제4,844,218호 및 제4,778,548호에 게재된 열분해 탄소 마찰 재료(pyrolytic carbon friction material)가 애용된다. 또한, 이들 특허는 본 발명의 참고로 포함된다.

각각의 핀(50)은 플렌지 개구부(42c)의 직경보다 약간 작은 주직경부(50a), 마찰 링(46, 48) 사이에(여기서는 중앙에) 떨어져 위치한 감소 직경부 또는 홈부(50b) 및 핀 축으로부터 바깥 반경 방향으로 연장되며 핀 축에 수직한 평면에서 비스듬하게 서로 축 방향으로 멀어지는 원뿔형 블록커 쇼울더 또는 표면(50c, 50d)을 포함한다. 홈부가 각각의 플렌지 개구부 안에 위치될 때, 흠부는 플렌지에 대하여 강체인 마찰 링과 핀 조립체의 회전을 일부 허용하며, 플렌지 개구부(42c) 주위에 형성된 모따기된(chamfered) 블록커 쇼울더와 핀 블록커 쇼울더와 맞물려진다. 이들 핀은 공지된 방법들 중 하나에 의해 마찰 링(46, 48)에 고정된다.

프리 에너자이저 어셈블리(52)는 스플릿 핀형(split pin-type)으로, 앞에서 언급한 미합중국 특허 제5,339,936호에 자세히 설명되어 있다. 모든 프리 에너자이저 어셈블리는 개구부(42c) 사이에서 교대로 떨어져 위치한 개구부(42d)를 통해 마찰 링들(46, 48) 사이에 축 방향으로 연장해 있다. 도 3에만 도시된 프리 에너자이저 어셈블리는 두 개의 동일한 쉘(shells)(54)들을 포함하며, 이 쉘들 사이에 끼워져 이를 치우치게 하는 두 개 이상의 동일한 판 스프링(leaf spring)(56), 스프링의 끝부분(56a)에 끼워 넣어진 두 개의 리테이너(retainer)(58) 및 각 마찰 링(46, 48)의 직사각형 리세스(46b, 48b)에 설치된 길게 늘여진 직사각형 컵 형상의 부재(60)를 포함한다. 직사각형 컵 형상의 부재(60)들과 리세스(46b, 48b)들은 마찰 링의 원주 방향으로 연장되어 있고, 마찰 링의 반경 방향으로 길이가 충분하여서 쉘(54)의 대향단(54a)의 미끄럼 운동을 허용한다. 각각의 쉘(54)은 압착될 때 맞물리는 개구부(42d)의 직경보다 작은 주직경부, 반환(semi-annular) 형 홈들(54b), 모따기된 끝 표면(54c) 및 끝 부분(54a)을 포함한다. 알려진 바처럼, 플렌지(42)의 초기 맞물림 운동에 응답하여 끝부분(54a)은 마찰 링(46, 48)들과 작용하며, 모따기된 끝 표면(54c)은 플렌지(42)의 개구부(42d) 주변의 모따기된 것과 반작용한다. 컵 형상 부재(60)는 마모 방지재로써 마찰 링(46, 48)과 끝부분(54a) 사이를 단단히 상호 결합시킨다. 예를 들어, 컵 형상 부재는 강철로 만들어지고 마찰 링은 알루미늄 등과 같은 비교적 부드러운 재료로 만들어진다.

전술하였듯이, 조 부재(34, 36)는 샤프트에 고정된 외부 스플라인 기어이와미끄럼 이동할 수 있게 결합되는 내부 스플라인 기어이(38, 40)를 포함한다. 외부 스플라인은 샤프트의 축에 평행하게 연장된 플랭크 면을 가지며, 이들 플랭크 면은 조 부재의 플랭크 면과 결합되어 이들간 상대 회전이 방지된다.

또한, 플렌지(42)는 플렌지의 대향하는 측면으로부터 축 방향으로 연장된 환상 강성 링(42e, 42f)과 샤프트 환상 부재(12d)의 외부 원주에 있는 리세스(18) 안에 반경 방향으로 돌출한 셀프-에너자이징 톱니들(self-energizing teeth)(62)을 포함한다. 모든 톱니들(62)은 셀프-에너자이징 경사면(20a, 20b, 20c, 20d)과 연동하거나 작용하는 셀프-에너자이징 표면(62a, 62b, 62c, 62d)을 포함한다 모든 강성 링들은 조 부재(34, 36)의 바깥쪽 반경 방향으로 마주보는 환상면(34c, 36c)을 수용하는 안쪽 방경 방향으로 마주보는 표면(42h)을 갖는다. 강성 링은 제조 과정이나 작동 중에 플렌지(42)의 축 방향 비틀림을 줄인다. 경사면에 의해 조 부재(34, 36) 및 샤프트(12)에 대하여 플렌지가 제한적 범위에서 회전할 수 있도록 한다. 플렌지(42)에 가해진 시프트 힘에 의해 최초로 맞물린 콘 클러치의 맞물림력을 증가하고 이로 인하여 콘 클러치에 의한 동기화 토크를 증가하기 위하여, 경사면은 콘 클러치와 샤프트 사이의 동기화 토크에 반응한다. 경사면은 하나 또는 두 기어에 대한 동기화 토크를 향상시키기 위해서 그리고/또는 업·다운 시프트 때 양 방향으로의 토크에 대한 동기 힘을 향상시키기 위해 형성될 수 있다.

모든 리테이너(44)는 조 부재(34, 36)의 바깥 반경부(34b, 36b) 주위에 배치된 축 방향으로 연장한 부분(44a)과, 조 부재(34, 36)의 축 방향으로 마주보는 표면부들(34c', 36c')을 감싸는 축 방향으로 떨어져 배치되며 반경 안쪽 방향으로 연장된 부분(44b)을 포함한다. 리테이너는 개구(42g)를 헐겁게 관통하여 연장되는데 이것은 제한된 범위에서 이들이 서로 회전할 수 있도록 한다. 축 방향으로 연장된 부분들은 모두 리세스들의 내부 반경 방향으로 마주보는 부분과 상대 근접 미끄럼 관계를 가지며, 마찰 링 리세스(46c, 48c) 안에 수용되는 축 방향으로 떨어져 배치되고 바깥 반경 부분으로 마주보는 부분(44c)들을 포함한다. 부분(44c)들은 리세스의 안쪽으로 마주보는 부분들에 대해 미끄러질 수 있도록 충분히 길다. 기어(14, 16)들은 조 부재들이 맞물릴 때 리테이너의 끝부분을 수용하기 위해 축 방향으로 연장한 리세스(14a, 16a)들을 포함한다. 도 2에서 알 수 있듯이, 리세스(46c, 48c)의 축 방향 연장 측면들은 리테이너의 원주 방향 공간을 유지한다. 샤프트(12)에 고정된 경사면(20a, 20b)들은 플렌지 톱니들(62) 위에 있는 경사면(62a, 62b)에 대하여 각각 작용함으로써 어느 한 방향의 토크에 응답하여 동기화 비율(synchronization rate) 및/또는 기어(16)의 변속 성질을 향상시키거나 지원한다. 경사면(20c, 20d)들은 각각 경사면들(62a, 62b)에 대해 작용함으로써, 어느 한 방향의 동기화 토크에 응답하여 기어(14)에 축 방향 부가력을 제공한다. 경사면의 각도들은 업·다운 시프트 또는 고·저속 변속에 따라 축 방향 부가력을 차별하여 제공하도록 변화될 수 있다. 그리고 하나 이상의 기어의 일방향에 대해 축 방향 부가력이 필요하지 않으면, 경사면들이 샤프트의 축에 평행하게 형성될 수 있다.(즉, 유효한 경사면이 제공되지 않는다.) 뒤에서 자세히 설명하겠지만, 축 방향 부가력의 크기 및 양은 마찰 클러치 및 셀프-에너자이징 경사면의 평균 반경비의 함수 형태로 결정된다. 따라서, 시프트 포크에 의해 시프트 플렌지(42)에 가해져 주어진시프트 힘에 대한 부가력의 크기는 경사각 및/또는 평균 반경비를 변경시킴으로써 조절될 수 있다.

플렌지(42)가 도 1의 중립 위치에 있을 때, 핀(50)들의 감소 직경부(50b)들은 이와 결합되는 플렌지 개구부(42c)들과 반경 방향으로 정렬되어 있고, 콘 클러치들의 마찰면들이 약간 떨어져 유지되는데, 이 간격은 스프링(56)들의 탄성력으로 플렌지 개구부(42d)들의 모따진 셀프-에너자이징 표면에 작용하는 프리 에너자이저 어셈블리(52)의 모따기된 또는 경사진 셀프-에너자이징 표면(54c)들에 의해 유지된다. 바람직하게는 셀프-에너자이징 표면에 의해 형성되는 축 방향 힘이 콘 클러치 면들 사이에 있는 오일의 점성 전단력으로 인하여 셀프-에너자이징 경사면에 의해 플렌지(42)에 생기는 어떤 축 방향 힘도 상쇄할 수 있다. 어떤 기어를 샤프트에 맞물리게 해야 할 때, 도시하지는 않았으나 여기서 참고로 포함한 미합중국 특허 제 4,920,815호에 게재되어 있는 적절한 변속 장치가 공지된 방법으로 플렌지(42)의 바깥 주변부에 연결되는데, 이렇게 함으로써 기어(14)를 왼쪽으로 또는 기어(16)를 오른쪽으로 샤프트(12)의 축을 따라 이동시킨다. 변속 장치는 기구 시스템을 통해 사용자에 의해 수동 조작될 것이고, 엑츄에이터에 의해 선택적으로 이동되거나 변속 장치의 구동을 자동으로 초기화하고 변속 장치에 의해 부가되는 힘의 크기도 제어하는 수단에 의해 이동될 수 있다. 변속 장치가 수동으로 이동될 때, 이 힘은 사용자에 의해 시프트 레버에 가해진 힘에 비례한다. 수동 및 자동에 의해 플렌지에 가해지는 힘의 크기는 도 8에서 F_o의 길이로 표시되며, 그 방향은 축 방향이다.

사용자의 시프트 힘 F_o에 의해 초기에 플렌지(42)가 오른쪽으로 축방향 이동하면, 이 이동량이 셀프-에너자이징 표면(54c)에 의해 핀(50)들에 전달되어 콘 면(28a, 48a)들이 초기 마찰 맞물림된다. 콘 면의 초기 맞물림 힘은 스프링(56)의 힘과 셀프-에너자이징 표면의 각도의 함수로 정해진다 (비동기 상태가 존재하고 셀프-에너자이징 경사면의 효과를 일시적으로 무시하면) 초기 마찰 맞물림은 플렌지(42)와 맞물림 마찰 링 사이의 제한된 상대 회전을 보장하는 초기 콘 클러치 맞물림 힘과 동기화 토크 T₀을 발생하며, 플렌지 개구부(42c)의 적절한 측으로의 감소한 직경의 핀 부분(50b)의 운동을 제공함으로써 개구부(42c) 주위에 배치된 블록커 쇼울더와 핀 블록커 쇼울더(50d)의 맞물림을 제공한다. 블록커 쇼울더가 맞물릴 때, 사용자가 플렌지(42)에 가하는 시프트 힘 F₀전부가 블록커 쇼울더를 통해 마찰 링(48)에 전달되면, 이에 따라 콘 클러치가 사용자 시프트 힘 F₀를 전부 받아 맞물리게 되어 결국 사용자 동기화 토크 T₀을 형성한다. 도 8에서 화살표로 표시된 T₀가 이 사용자 동기화 토크 T_o를 나타낸다. 블록커 쇼울더가 사용자 시프트 힘 F₀의 축 방향에 대해 경사져 형성되기 때문에, 이들은 콘 클러치로부터 동기화 토크에 대항하는 역힘 또는 언블록킹 토크를 발생시키는데 비동기화 조건에서는 그 크기가 작다. 실질적으로 동기화가 완료되면, 동기화 토크가 언블록킹 토크 이하로 강하됨으로써, 블록커 쇼울더가 핀들을 개구부(42c) 안으로 동심 관계로 이동시켜 플렌지의 축 방향 이동을 계속 가능하게 하고, 도 2에 나타낸 것처럼 조 부재(36)의 내부 스플라인 톱니(40)와 조 부재(32)의 외부 스풀라인 톱니와 맞물려질 수 있도록 한다. 이것은 도 2에 도시되어 있다. 스플라인/조의 톱니는 여기에 참고로 포함한 미합중국 특허 제3,265,173호과 제4,246,993호에 도시된 것과 같이 구성될 수 있다.

셀프-에너자이징 경사면의 효과를 무시하면, 힘 F₀에 의해 형성되는 콘 클러치 토크는 식 (1)로 나타난다.

여기서, R_c는 콘 마찰면의 평균 반경을, μ_c는 콘 마찰면의 마찰 계수를, α는 콘 마찰면의 각을 각각 가리킨다.

도 6과 도 7을 참고하여 셀프-에너자이징 경사면의 작용에 대해 살펴보겠다. 사용자가 가하는 축 방향 시프트 힘 F₀에 의해 동기화 토크 T₀는 물론 핀(50)들에 의해 플렌지(42)로 전달되고 셀프-에너자이징 경사면을 통해 샤프트(12)에 반작용한다. 맞물리는 경우, 셀프-에너자이징 경사면들이 샤프트(12) 및 조 부재(34, 36)들에 대한 플렌지의 회전을 제한하며, 시프트 힘 F₀와 동일한 방향으로 플렌지에 작용하는 축 방향 힘 성분 또는 축 방향 부가적인 힘 F_a를 발생시켜 이 힘이 전체 힘 F_t를 제공하도록 합해지며, 이로 인해 콘 클러치의 맞물림 힘을 늘려서 토크 T_o에 더해져 전체 토크 T_t를 형성하는 부가 동기화 토크 T_a를 제공한다. 도 6은 플렌지(42)가 도 1의 위치에 해당하는 중립 위치에 있을 때 셀프-에너자이징 경사면의 위치를 나타낸다. 도 7은 기어(16)가 맞물린 콘 면(28a, 48a)들에 의해 동기화될 때 경사면들과 스플라인들의 위치를 나타낸다. 맞물린 콘 면들은 동기화 토크를 한 방향으로 발생시키는데, 이 동기화 토크는 샤프트 경사면(20a)들과 플렌지 경사면(62a)들을 맞물리게 한다. 따라서, 콘 클러치를 맞물리게 하는 축 방향 힘은 F_o와 F_a의 합이며, 콘 클러치에 의해 생성되는 동기화 토크는 T_o와 T_a의 합이다. 이런 관계를 도 8에 도시화하여 나타내었다. 주어진 사용자 시프트 힘 F₀및 사용자 동기화 토크 T₀에 대하여, 축 방향 부가력의 크기는 바람직하게는 맞물린 셀프-에너자이징 경사면의 경사각의 함수이다. 이 경사각은 부가력 F_a를 형성할 수 있을 정도로 충분히 큰 것이 바람직하며, 부가력 F_a의 크기는 동기화 토크를 현저히 증가시키고, 주어진 사용자의 보통 변속 노력에 응답하여 동기화하는 시간을 줄이기에 충분해야 한다. 그러나, 이 경사각은 제어된 축 방향 부가력 F_a을 발생하도록 충분히 낮은 것이 바람직하다. 즉, F_a는 힘 F₀의 증감에 응답하여 증가 또는 감소되어야 한다. 경사각이 지나치게 크면, 경사면은 셀프-에너자이징이 아니라 스스로 잠기게 된다. 즉, 일단 콘 클러치가 초기 맞물림되면 F_a는 F_o에 무관하게 증가하고, 그래서 콘 클러치가 제어 불능한 잠금 상태로 된다. 셀프-에너자이징이 아니라 자기 잠금 상태가 되는 것은 변속 특성과 변속 느낌을 저하시키며, 동기 장치의 구성 요소들을 과도 응력 상태로 만들 수 있으며, 콘 클러치 면들을 과열시키고 낡게 만들 수 있고, 심지어 시프트 레버에 대한 사용자의 이동이 무시될 수 있다.

셀프-에너자이징 경사면의 경사각을 계산하는데 사용되는 변수들과 수식들은위에서 언급한 미합중국 특허 제5,092,439호에 게재되어 있다.

여기에 핀형 동기 장치의 바람직한 실시예가 게재되어 있다. 다음 청구 범위는 상술한 동기 장치의 기술적 사상을 포함하기 위한 것으로, 그 범위 안에서 변경 및 수정이 가능하다.

Claims

샤프트(12)의 축(12a) 둘레를 상대 회전할 수 있게 장착된 제1 및 제2드라이브(14, 16) 중 하나를 마찰로 동기화하고 확동 연결하도록 선택적으로 작동하는 핀형 동기 장치(22)에 있어서,

상기 샤프트(12)에 붙여진 외부 스플라인(12g)과 상대 회전 없도록 미끄럼 맞물림하는 내부 스플라인(38, 40)을 가지고 상기 드라이브들 사이에 위치하며 축방향으로 이동할 수 있는 제3 및 제4 조 부재(34, 36)에 각각 맞물려지고, 상기 제 1 및 제2 드라이브(14, 16)에 각각 붙여진 제1 및 제2 조 부재(30, 32);

상기 제1 및 제2 드라이브들과 회전하기 위해 각각 고정되는 제1 및 제2 콘마찰 링(26, 28)과, 상기 샤프트에 동심이고, 상기 제1 및 제2 마찰 링과 각각 마찰 맞물림되어 상기 샤프트와 상기 드라이브들을 동기화하기 위한 동기화 토크를 제공하도록 상기 드라이브들 사이에서 축 방향으로 이동할 수 있는 제3 및 제4 콘마찰 링(46, 48);

플렌지에 가해진 축 방향의 양 방향 변속 힘(F_o)에 응답하여 상기 제3 및 제 4 조 부재와 상기 제3 및 제4 링을 상기 맞물림으로 축 방향 이동시키기 위해 상기 제3 및 제4 조 부재(34, 36) 사이와 상기 제3 및 제4 마찰 링(46, 48) 사이에 위치한 축 방향으로 반대쪽으로 마주보는 면(42a, 42b)들을 갖는 반경 방향으로 연장된 플렌지(42);

상기 제3 및 제4 마찰 링(46, 48)들 사이에 그리고 상기 플렌지에 있는 한 세트의 개구(42c) 안에 축 방향으로 견고하게 뻗어 있으며 원주 방향으로 떨어져 있는 다수의 핀(50)들을 포함하며, 상기 핀들은 각각 결합하는 개구(42c) 둘레에 형성된 블록커 쇼울더와 맞물려지는 블록커 쇼울더(50c, 50d)를 가지며, 동기화되기 전에 맞물림 부재(30, 38 및 32, 40)들의 맞물림을 저지하기 위해 맞물려질 때 작동하는 블록커 수단(50c, 50d); 및

상기 제3 및 제4 조 부재들에 대한 상대적인 축 방향 이동에 대해 상기 플렌지를 고정하는 제1수단(44)을 포함하며,

상기 제1수단은 원주방향으로 떨어져 있는 다수의 리테이너(44)를 포함하며, 상기 리테이너는 모두 상기 제3 및 제4 조 부재의 반경 방향 바깥 부분(34b, 36b)둘레에 배치되는 축 방향으로 연장된 부분(44a)과, 상기 제3 및 제4 조 부재(34, 36)의 축 방향 반대쪽으로 마주보는 부분들을 둘러싸는 축 방향으로 떨어져 있으며 반경 방향 안쪽으로 연장된 부분들(44b)을 가지며, 상기 리테이너들의 반경 방향 바깥쪽으로의 이동을 제한하기 위해 축 방향으로 연장되는 부분은 모두 상기 제3 및 제4 마찰 링(46, 48)의 반경 방향 안쪽 부분(46c, 48c)과 근접 상대 미끄럼 관계로 배치되는 축 방향으로 떨어져 있으며 반경 방향 바깥쪽으로 마주보는 부분들(44c)을 갖는 것을 특징으로 하는 동기 장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제3 맞물림 부재(30, 38) 또는 제2 및 제4 맞물림 부재(32, 40)가 맞물려질 때, 상기 리테이너 사이에 축 방향으로 떨어져 있으며 반경 방향 바깥쪽으로 마주보는 부분들(44c)은 상기 제3 및 제4 마찰 링의 반경방향 안쪽 부분(46c, 48c)과 상대 미끄럼하게 유지되기에 충분한 것을 특징으로 하는 동기 장치.
제1항에 있어서, 상기 제3 및 제4 마찰 링(46, 48)은 모두 반경 방향 안쪽 개구와, 이 개구를 통해 축 방향으로 뻗어 있고 상기 리테이너들이 원주 방향으로 떨어져 있는 것을 유지하기 위해 상기 리테이너들을 미끄럼 수용하는 원주 방향으로 떨어져 있는 리세스들(46c, 48c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기 장치.
제2항에 있어서, 상기 제3 및 제4 마찰 링(46, 48)은 모두 반경 방향 안쪽 개구와, 이 개구를 통해 축 방향으로 뻗어 있고 상기 리테이너들이 원주 방향으로 떨어져 있는 것을 유지하기 위해 상기 리테이너들을 미끄럼 수용하는 원주 방향으로 떨어져 있는 리세스들(46c, 48c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기 장치.
제3항에 있어서, 상기 제3 및 제4 링(46, 48)의 상호 교환성을 허용하기 위해 상기 제3 및 제4 마찰 링(46, 48)은 리테이너들(44)보다 적어도 2배만큼 많은 반경 방향 안쪽으로 개방된 리세스들(46c, 48c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기 장치.
제4항에 있어서, 상기 제3 및 제4 링(46, 48)의 상호 교환성을 허용하기 위해 상기 제3 및 제4 마찰 링(46, 48)은 리테이너들(44)보다 적어도 2배만큼 많은 반경 방향 안쪽으로 개방된 리세스들(46c, 48c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 맞물림 부재들이 맞물릴 때 상기 리테이너들(44)의 끝 부분들을 수용하기 위해 상기 제1 및 제2 드라이브(14, 16)는 축 방향으로 연장된 리세스들(14a, 16a)을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기 장치.