KR100491087B1 - 단일레일시프트오퍼레이터조립체 - Google Patents

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KR100491087B1
KR100491087B1 KR10-1998-0014040A KR19980014040A KR100491087B1 KR 100491087 B1 KR100491087 B1 KR 100491087B1 KR 19980014040 A KR19980014040 A KR 19980014040A KR 100491087 B1 KR100491087 B1 KR 100491087B1
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Abstract

2단 변속(two-speed) 구동 조립체를 구비하는 트랜스퍼 케이스(transfer case)는 피드백을 갖는 직접 결합된 시프트 오퍼레이터(shift operator)를 포함한다. 시프트 오퍼레이터는 시프트 레일(shift rail)을 직접 회전 구동시키는 전기식, 공압식 또는 유압식 모터를 포함한다. 시프트 레일은 나사부를 포함하고, 상보적인 나사부를 갖는 시프트 포크(shift fork)를 수용한다. 시프트 포크는 맞물림 클러치(dog clutch))에 맞물려진다. 시프트 레일의 양방향 회전은 이에 대응되게 시프트 포크를 양방향으로 병진운동시켜, 2단 변속 구동 조립체의 집적 구동(고속 기어), 감속 구동(저속 기어) 또는 중립 작동을 선택할 수 있게 한다. 시프트 레일 위치 센서는 시프트 포크의 실제 위치에 관한 데이터를 관련 논리 및 명령 회로(logic and command circuitry)에 제공한다.

Description

단일 레일 시프트 오퍼레이터 조립체{SINGLE RAIL SHIFT OPERATOR ASSEMBLY}
본 발명은 전체적으로 변속 기어용 시프트 오퍼레이터(shift operator)에 관한 것으로, 더 상세하게는 변속기, 트랜스퍼 케이스(transfer case), 차동장치 등과 같은 자동차 구동라인 구성요소에 사용하기 위해 단일 시프트 레일(single shift rail) 및 피드백 조립체를 구비하는 시프트 오퍼레이터에 관한 것이다.
트랜스퍼 케이스와 같은 다수의 자동차 구동라인 구성요소에서, 전형적으로 유성기어 감속 장치를 포함하는 2단 변속 조립체(two-speed assembly)는 고속 및 저속 범위를 제공하며, 이 고속 및 저속 범위는 종래의 포장 도로와 비포장 도로 여건에서 각각 최적의 차량 작동을 제공한다. 맞물려 질 때, 감속 조립체는 차량 변속기의 출력 속도를 대략 3 내지 4 배수만큼 감소시킨다. 그래서, 자동 변속기가 그 정상 속도 범위 및 정상 시프트 위치(point)로 작동하는 동안에도, 트랜스터 케이스의 출력 샤프트 속도 및 차량 속도는 대응되게 감소된다. 트랜스퍼 케이스 감속 조립체가 맞물림 해제되거나 바이패스(by-passed)되면, 트랜스퍼 케이스의 입력 속도와 출력 속도는 동일하다. 또한, 이러한 감속 조립체는 보통 변속기 출력을 자동차 구동 라인으로부터 단절하는 중립 위치를 제공한다.
감속 조립체의 범위 선택을 달성하는 장치는 많은 다양한 구성들을 포함한다.
미국 특허 제 4,770,280호에서는, 회전 캠이 캠 종동절(follower) 및 결부된 시프트 레일을 축방향으로 병진운동시키며, 이에 상응하게 캠 종동절 및 결부된 시프트 레일은 적어도 하나의 압축 스프링을 통해 클러치 칼라를-병진운동시킨다. 만약 시도된 시프트가 기어 충돌을 일으키면 동기화(synchronism)가 이루어질 때까지 스프링은 일시적으로 에너지를 저장하며 그리고 나서 시프트를 종료한다.
미국 특허 제 5,407,024호에서는, 맞물림 클러치(dog clutch)가 캠 종동절을 포함하는 시프트 포크에 의해 맞물려진다. 에너지 저장 스프링을 통해 전기 모터에 의해 회전되는 원형 캠에 의해 시프트 포크와 캠 종동절이 양방향으로 이동된다. 다시, 만약 2개의 기어가 맞물려질 때 간섭과 충돌이 발생하면, 에너지 저장 스프링은 구동 모터로 하여금 그 작동을 종료하도록 하며, 스프링에 저장된 에너지는 기어 이(gear tooth)의 간섭이 멈추면 시프트를 종료시킨다.
이러한 2단 변속 오퍼레이터 조립체에서 시프트 포크의 실제 위치에 관한 피드백 신호를 컨트롤러에 제공하는 것과 관련하여, 많은 설계에서는 피드백을 전혀 제공하지 않는다. 미국 특허 제 5,159,847호와 같은 다른 설계에서는 트랜스퍼 케이스의 작동 상태에 관한 피드백을 제공하지만, 이러한 피드백은 실제 시프트 포크로와 별개이며 종종 실제 시프트 포크로부터 멀어진 부분의 위치로부터 획득된다. 미국 특허 제 5,052,245호에서는, 위치 센서가 시프트 레일에 인접하게 작동 가능하게 배치되어 있어서 시프트 포크의 위치를 제공하는 것이 아니라 시프트 레일의 위치를 제공한다.
종래 기술의 시프트 레일 오퍼레이터와 센서는 물론 전술한 종래 기술의 특허를 고찰함으로써 이들 조립체의 개선이 가능하고 바람직하다는 것이 자명해진다.
따라서, 본 발명의 목적은 모터, 단일 회전 시프트 레일, 시프트 포크 및 피드백 조립체를 구비하는 자동차 구동라인 구성요소용 시프트 오퍼레이터 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 모터에 의해 직접 구동되는 단일 회전 시프트 레일을 구비하는 시프트 오퍼레이터 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 회전 시프트 레일, 시프트 포크 및 시프트 포크의 실제 위치에 관한 신호를 제공하는 근접 배치된 센서를 구비하는 시프트 오퍼레이터 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 나사부가 형성된 단일의 회전 시프트 레일, 모터 및 시프트 포크 내에 상보적으로 형성된 나사부가 있는 개구부를 갖는 시프트 포크를 구비하는 시프트 오퍼레이터 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 나사부가 형성된 단일의 회전 시프트 레일, 모터 및 시프트 레일 상에 자유 회전 가능하게 배치되며 그 위에서 축방향으로 구속되는 시프트 포크를 구비하는 시프트 오퍼레이터 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 나사부가 형성된 단일의 회전 시프트 레일, 모터, 시프트 레일 상에 자유 회전 가능하게 배치되며 그 위에서 축방향으로 구속되는 시프트 포크 및 시프트 포크의 실제 위치에 관한 신호를 제공하는 근접 배치된 센서를 구비하는 시프트 오퍼레이터 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 구동 모터, 선형 볼 스크류 조립체(linear ball screw assembly), 시프트 레일 및 시프트 레일에 고정된 시프트 포크를 구비하는 시프트 오퍼레이터 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 구동 모터, 선형 볼 스크류 조립체, 시프트 레일, 시프트 레일에 고정된 시프트 포크 및 시프트 포크의 실제 위치에 관한 신호를 제공하는 근접 배치된 센서를 구비하는 시프트 오퍼레이터 조립체를 제공하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적과 장점은 이하의 바람직한 실시예의 상세한 설명과 첨부된 도면을 참고함으로써 분명하게 될 것이며, 이들 도면에서 동일한 참조 번호는 동일한 부품, 요소 또는 특징부를 지칭한다.
2단 변속 구동 조립체를 구비하는 트랜스퍼 케이스는 피드백을 갖는 직접 결합된 시프트 오퍼레이터를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 시프트 오퍼레이터는 시프트 레일을 직접 회전 구동시키는 전기식, 공압식 또는 유압식 모터를 포함한다. 시프트 레일의 일부분은 나사부가 형성되어, 상보적으로 나사부가 형성된 관통 개구를 포함하는 시프트 포크를 수용한다. 시프트 포크는 맞물림 클러치에 맞물려진다. 시프트 레일의 양방향 회전은 이에 대응되게 시프트 포크를 양방향으로 병진 운동시켜, 2단 변속 구동 조립체의 직접 구동(고속 기어), 감속 구동(저속 기어) 또는 중립 작동을 선택할 수 있게 하게 한다. 시프트 포크는 캠을 포함하며, 근접 배치되는 위치 센서는 시프트 포크의 실제 위치에 관한 데이터를 관련 놀리 및 명령 회로(logic and command circuitry)에 제공한다. 시프트 레일 오퍼레이터 조립체의 2개의 다른 실시예도 제시되어 있다.
<실시예>
이제 도 1을 참조하면, 4륜 차량의 구동력 전달 장치가 개략적으로 도시되어 참조 번호 "10"으로 지칭되어 있다. 4륜 차량의 구동력 전달 장치(10)는 변속기(14)에 결합되어 변속기(14)를 직접 구동시키는 원동기(12)를 포함한다. 변속기(14)의 출력은 제 1 또는 리어 구동 라인(rear drive line)(20)에 원동력을 제공하는 트랜스퍼 케이스 조립체(16)를 직접 구동시키며, 제 1 또는 리어 구동 라인(20)은 제 1 또는 리어 구동 샤프트(propshaft)(22)와, 제 1 또는 리어 차동장치(24)와, 한 쌍의 제 1 또는 리어 구동 액슬(live axle)(26), 및 한 쌍의 제 1 또는 리어 타이어 및 휠 조립체(28)를 포함한다.
트랜스퍼 케이스 조립체(16)는 또한, 제 2 또는 프런트 구동 샤프트(32)와, 제 2 또는 프런트 차동장치 조립체(34)와, 한 쌍의 제 2 또는 프런트 구동 액슬(36) 및 한 쌍의 제 2 또는 프런트 타이어 및 휠 조립체(38)를 포함하는 제 2 또는 프런트 구동 라인(30)에 원동력을 선택적으로 제공한다. 프런트 타이어 및 휠 조립체(38)는 프런트 액슬(36) 각각에 직접 연결될 수 있으며, 또는 원하는 경우에, 수동 또는 원격 작동 가능한 한 쌍의 로킹 허브(locking hub)(42)가 프런트 액슬(36)과 각 쌍의 타이어 및 휠 조립체(38)를 선택적으로 연결할 수 있도록 프런트 액슬(36)과 각 쌍의 타이어 및 휠 조립체(38) 사이에 작동 가능하게 배치될 수 있다. 최종적으로, 제 1 구동 라인(20)과 제 2 구동 라인(30) 모두는 적절하게 배치되며 적합한 유니버설 조인트(44)를 포함할 수 있으며, 이 유니버설 조인트(44)는 다양한 샤프트와 구성 요소 사이에 정적 및 동적 오프셋(static and dynamic offset)과 정렬 불일치를 허용하도록 종래의 방식으로 기능한다.
고속, 중립 및 저속과 같은 트랜스퍼 케이스 조립체(16)의 다양한 운전자 선택가능 작동 위치에 상응하는 복수의 푸시 버튼(52)을 구비한 제어 조립체(50)가 자동차 운전자에 근접한 지점에서 승객실 내에 설치된다. 이와 달리, 푸시 버튼(52)은 회전 스위치(rotary switch) 또는 다른 유사한 운전자 선택가능 입력 장치로 대체될 수 있다. 제어 조립체(50)는 신호를 수신하고 트랜스퍼 케이스 조립체(16)의 구성요소에 의해 제공되는 피드백 또는 신호를 기초로 한 논리 판단(logic decision)을 제공하는 장치는 물론, 다양한 전자 계산, 논리 및 출력 장치를 포함할 수 있다.
전술한 설명과 이하의 설명은, 리어 구동 라인(20)이 제 1 구동 라인 기능을 하고, 즉 리어 구동라인(20)이 거의 항상 맞물려져 작동하고, 그에 따라 프런트 구동 라인(30)은 제 2 구동 라인 기능을 하는, 즉, 프런트 구동 라인(30)은 파트타임 또는 2차적으로 또는 보충적인 방식으로만 맞물려져 작동하는, 통상적으로 후륜 구동 차량이라 지칭되는 차량에 관한 것이다.
여기에 개시되고 권리가 청구되는 본 발명이, 제 1 구동 라인(20)이 차량의 프런트에 배치되고 제 2 구동 라인(30)이 차량의 리어에 배치되는 변속기와 트랜스퍼 케이스에도 용이하게 사용될 수 있기 때문에, 여기서는 "프런트" 및 "리어"라는 명칭보다는 "제 1" 및 "제 2"이라는 명칭을 사용하며, 그래서 이들 '제 1'과 '제 2'라는 명칭은 개별 구동 라인의 특정 위치보다는 그 기능을 광범위하고 적절하게 특징화한다.
이제 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명에 통합되는 트랜스퍼-케이스 조립체(16)는 트랜스퍼 케이스(16)의 다양한 구성요소 또는 조립체를 수용하기 위하여, 다수의 평면 실링 표면, 샤프트와 베어링용 개구부, 및 다양한 리세스(recess), 숄더(shoulder), 카운터보어(counterbore) 등을 구비하는 복수 부품의 하우징 조립체(60)를 포함한다. 입력 샤프트(62)는 도 1에 도시된 변속기(14)의 출력부를 입력 샤프트(62)에 구동 가능하게 결합시키는 암(female) 또는 내부 스플라인 또는 기어 이(64) 또는 다른 적합한 커플링 구조를 포함한다. 입력 샤프트(62)는 그 일단이 볼 베어링 조립체(66)와 같은 감마(減摩) 베어링(anti-friction bearing)에 의해 그리고 그 타단은 롤러 베어링 조립체(68)와 같은 내부 감마 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 롤러 베어링 조립체(68)는 계단형 출력 샤프트(70)의 일부분 위에 배치된다. 입력 샤프트(62)와 하우징 조립체(60) 사이에 위치하는 적합한 오일 실(oil seal)(72)은 입력 샤프트(62)와 하우징 조립체(60) 사이에 적절한 유체 밀폐 실(fluid tight seal)을 제공한다. 출력 샤프트(70)의 반대편 단부는 볼 베어링 조립체(74)와 같은 감마 베어링에 의해 지지되며, 유니버설 조인트(44)의 일부분일 수도 있고 또는 제 1 구동 샤프트(22)와 같이 해당 구동라인 구성요소에 고정될 수 있는 플랜지(76)를 포함한다. 플랜지(76)와 하우징 조립체(60) 사이에 배치되는 적합한 오일 실(78)은 플랜지(76)와 하우징 조립체(60) 사이에 적절한 유체 밀폐 실을 제공한다.
이제 도 2와 도 3을 참조하면, 트랜스퍼 케이스 조립체(16)는 입력 샤프트(62) 둘레에 배치되는 2단 변속 유성기어 구동 조립체(80)를 포함한다.
유성기어 구동 조립체(80)는 입력 샤프트(62) 상의 상보적인 복수의 수(male) 스플라인 또는 기어 이(86)에 맞물리는 복수의 암 또는 내부 스플라인 또는 기어 이(84)를 갖는 태양 기어(sun gear)(82)를 포함한다. 그래서, 태양 기어(82)는 입력 샤프트(62)에 결합되어 함께 회전한다. 태양 기어(82)는 그 둘레를 따라 외부 또는 수 기어 이(88)를 포함한다. 내측으로 향하는 기어 이(92)를 갖는 링 기어(90)가 태양 기어(82) 및 태양 기어의 이(84)와 반경방향으로 정렬되어 있다. 링 기어(90)는 공동 작용하는 둘레 홈(circumferential groove)과 스냅 링 조립체(94)에 의해 하우징 조립체(60) 내에서 유지된다. 유성 캐리어(planet carrier)(100) 내에 장착되어 고정되어 동수(同數)의 복수의 스터브 샤프트(stub shaft)(98) 상에 복수의 피니언 기어(96)가 회전 가능하게 수용된다. 유성 캐리어(100)는 입력 샤프트(62) 상의 수 스플라인 또는 기어 이(86)에 인접하게 배치되는 복수의 암 또는 내부 스플라인 또는 기어 이(102)를 포함한다. 유성기어 조립체(80)는 본 명세서에 참조 문헌으로 병합된 공동 소유의 미국 특허 제 4,440,042호에 보다 상세히 기술되어 있다.
또한, 유성기어 구동 조립체(80)는 입력 샤프트(62) 상의 수 스플라인 또는 기어 이(86)와 축방향으로 정렬되며 모든 점에서 수 스플라인 또는 기어 이(86)에 상보적인 암 또는 내부 스플라인 또는 기어 이(106)를 한정하는 맞물림 클러치(dog clutch) 또는 클러치 칼라(clutch collar)(104)를 포함한다. 클러치 칼라(104)와 그 내부 스플라인 또는 기어 이(106)는 계단형 출력 샤프트(70) 상의 상보적인 복수의 수 또는 외부 스플라인 또는 기어 이(108) 상에 미끄럼운동 가능하게 수용된다. 그래서, 클러치 칼라(104)는 출력 샤프트(70)와 함께 회전하지만, 출력 샤프트(70)를 따라 양방향으로 병진운동을 할 수 있다. 또한, 클러치 칼라(104)는 그 일단부 상에 모든 점에서 유성 캐리어(100) 상의 암 스플라인 또는 기어 이(102)에 상보적인 수 또는 외부 스플라인 또는 기어 이(110)를 포함한다.
마지막으로, 맞물림 클러치 또는 클러치 칼라(104)는 스플라인 또는 기어 이(110)의 반대편 단부 상에 위치하며 원주 채널(116)을 한정하는, 반경방향으로 돌출하며 서로 이격된 한 쌍의 플랜지(114)를 포함한다. 채널(116)은 상보적으로 형성된 시프트 포크(120)의 반원형 스로트(throat) 또는 요크(yoke)(118)를 수용한다. 시프트 포크(120)는 회전 가능한 시프트 레일(126) 상에 상보적으로 형성된 수 또는 외부 나사부(124)와 맞물리는 암 또는 내부 나사부(122)를 한정하는 관통 통로를 포함한다. 시프트 레일(126)은 적합한 저널 베어링(journal bearing) 또는 부싱(128) 내에 수용되어, 전기식, 공압식 또는 유압식 회전 모터(130)에 연결되어 구동된다. 회전 모터(130)는 라인(132)을 통하여 에너지를 제공받는다.
반원형 요크(118)의 반대편에 있는 시프트 포크(120)의 단부는 리세스(138)와, 이 리세스(138)보다 더 큰 높이를 갖는 또는 적어도 리세스(138)와 구별되는 제 1의 더 큰 또는 더 긴 돌기부 또는 돌출부(140H)와 제 2의 더 짧은 돌기부 또는 돌출부(140L)를 갖는 캠(136)을 포함한다. 롤러 또는 볼 액추에이터(146)를 구비하는 3가지 위치의 센서(144)는 홀 효과 센서와 같은 근접 센서 또는 위치 센서를 포함하며, 시프트 포크(120) 및 결합된 클러치 칼라(104)가 도 2와 도 3에 도시된 중립 위치에 있음을 나타내거나, 또는 액추에이터(146)가 더 큰 돌기부 또는 돌출부(140H)에 맞물려져서 병진운동을 하고 유성기어 구동 조립체(80)를 효과적으로 통과함으로써 클러치 칼라(104)가 고속 기어 또는 직접 구동을 선택하는 위치에 있음을 나타내는 신호를 센서(144)가 제공하도록 시프트 포크(120)가 도시된 위치로부터 좌측으로 이동하였음을 나타내거나, 또는 반대로, 돌기부 또는 돌출부(140L)가 액추에이터(146)와 맞물려 병진운동시키며 유성기어 구동 조립체(80)의 저속 출력 또는 저속 범위를 선택하도록 시프트 포크(120)가 병진운동되었음을 센서(144)가 나타내도록 시프트 포크(120)가 도 2와 도 3에 도시된 위치로부터 우측으로 이동하였음을 나타내는 제 1 신호를 한정하는 출력을 바람직하게는 다중 도체 케이블(148)로 제공한다. 이러한 병진운동은, 시프트 레일(126)을 회전시키고 시프트 레일(126)의 수 나사부(124)를 따라 시프트 포크(120)를 양방향으로 병진운동시키는 구동 모터(130)의 선택적인 양방향 작동에 의해 이루어진다.
또한 트랜스퍼 케이스 조립체(16)는 전자기로 작동되는 디스크 팩 타입의 클러치 조립체(150)를 포함한다. 클러치 조립체(150)는 출력 샤프트(70) 둘레에 배치되며, 스플라인형 상호 연결부(154)를 통하여 출력 샤프트(70)에 연결된 원형 구동 부재(152)를 포함한다. 원형 구동 부재(152)는 도 4에 도시된 것과 같이, 나선형 원환체(helical torus)의 경사 단면 형상이며 원주를 따라 이격된 복수의 리세스(156)를 포함한다. 리세스(156) 각각은 동수(同數)의 복수의 하중 전달 이송 볼(158)을 하나씩 수용한다.
원형 피동 부재(circular driven member)(162)가 원형 구동 부재(152) 근처에 배치되어 리세스(156)와 동일한 형상을 한정하는 동수의 복수의 반대편 리세스(166)를 포함한다. 리세스(156과 166)의 경사 측벽은 램프(ramp) 또는 캠(cam) 기능을 하며, 원형 부재(152와 162) 사이의 상대 회전에 따라 원형 부재(152와 162)를 이격 상태로 구동시키도록 볼(158)과 공동으로 작용한다. 리세스(156과 166)와 하중 전달 볼(158)은 원형 부재(152와 162) 사이의 상대 회전에 따라 원형 부재(152와 162)의 축방향 변위를 일으키는 다른 유사한 기계 요소로 대체될 수 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 상보적으로 형성되는 원추형 나선부(helix) 내에 배치되는 테이퍼 롤러(tapered roller)가 사용될 수 있다.
원형 피동 부재(162)는 반경 외측방향으로 돌출하여, 연철(soft iron) 로터(170)에 고정된다. 로터(170)는 아마추어(armature)(176)와 대향 관계에 배치된다. 로터(170)는 U-자 형상이며, 전자기 코일(180)을 포함하는 하우징(178)을 둘러싼다. 단일 또는 2중 도체 케이블(182)은 전자기 코일(180)에 전기 에너지를 제공한다.
케이블(182)을 통하여 전자기 코일(180)에 전기 에너지를 제공하면 로터(170)에 대한 아마추어(176)의 자기 인력(magnetic attraction)이 유발된다. 이러한 자기 인력은 아마추어(176)와 로터(170) 간의 마찰 접촉을 야기한다. 제 2 출력 샤프트(184)와 동일한 회전 속도로 회전하는 아마추어(176)와 다른 속도로 출력 샤프트(70)가 회전할 때, 이러한 마찰 접촉은 출력 샤프트(70)로부터 원형 구동 부재(152)와 하중 전달 볼(158)을 통하여 원형 피동 부재(162)로 마찰 토크가 전달되게 한다. 이러한 결과로 발생되는 마찰 토크는 볼(158)이 리세스(156과 166)의 램프를 타고 올라가게 하여, 원형 구동 부재(152)를 축방향으로 이동시킨다. 원형 구동 부재(152)의 축방향 이동은 디스크 팩 클러치 조립체(190) 쪽으로 밀착 플레이트(apply)(186)를 축방향으로 병진운동시킨다. 전자기 클러치 조립체(150)가 자동되지 않을 때 그 구성요소들 사이에 최대 틈새와 최소 마찰을 제공하도록, 압축 스프링(192)은 원형 피동 부재(162) 쪽으로 원형 구동 부재(152)를 편향시키며 원형 리세스(156과 166) 내의 중심 위치로 하중 전달 볼(158)을 복귀시키는 복원력을 제공한다.
리세스(156과 166)와 볼(158)의 설계시 중요한 고려 사항은 리세스(156과 166)와 볼(158)의 설계의 기하학적 형상, 압축 스프링(192)의 설게 및 클러치 조립체(150)의 틈새가 클러치 조립체(150)의 자동 맞물림이 일어나지 않도록 보장하는 것이다. 전자기 클러치 조립체(150)는 자동 맞물림이 일어나서는 안되며, 대신에 조절 입력 신호에 직접 반응하여 조절 작동 및 토크 전달을 할 수 있어야 한다.
디스크 팩 클러치 조립체(190)는 복수의 사이사이에 끼워진 마찰 플레이트 또는 디스크(192A와192B)를 포함한다. 제 1 복수의 디스크(192A)는 상호 맞물림 스플라인(194)에 의해서 클러치 허브(196)에 결합되며, 이 클러치 허브(196)는 다시 출력 샤프트(70)와 함께 회전하도록 출력 샤프트(70)에 결합된다. 제 2 복수의 디스크(192B)는 환형 하우징(annular housing)(198)과 함께 회전하도록 상호 맞물림 스플라인(202)에 의해 환형 하우징(198)에 결합된다.
환형 하우징(198)은 출력 샤프트(70)에 대해 자유 회전하도록 배치되고, 복수의 상호 맞물림 돌기부 및 리세스(206)에 의해 체인 구동 스프로켓(204)에 회전 가능하게 결합된다. 구동 스프로켓(204)도 출력 샤프트(70) 상에 자유 회전 가능하게 배치된다. 구동 체인(208)이 체인 구동 스프로켓(204)의 이(teeth) 위에 수용되어, 피동 체인 스프로켓(212)에 맞물려서 회전 에너지를 전달한다. 피동 스프로켓(212)은 상호 맞물림 스플라인(214)을 통해서 트랜스퍼 케이스(16)의 제 2 출력 샤프트(184)에 연결된다.
트랜스퍼 케이스 조립체(16)는 또한 톤 휠(tone wheel)(224) 상의 복수의 이(teeth)(222)와 근접 감지 관계(proximate sensing relationship)로 배치되는 제 1 홀 효과 센서(220)를 포함한다. 톤 휠(224)은 제 1 출력 샤프트(70)에 결합되어 함께 회전한다. 제 2 홀 효과 센서(226)는 피동 체인 스프로켓(212) 상에 배치되는 톤 휠(230)의 복수의 이(228)와 근접 감시 관계로 배치된다. 바람직하게는, 동일한 샤프트 속도가 홀 효과 센서(220과 226)로부터 단위 시간당 동일 수의 펄스를 유발하도록, 톤 휠(224) 상의 이(222)의 개수는 피동 스프로켓(212)의 톤 휠(230) 상의 이(228)가 수와 동일하다. 이는 계산을 간단하게 하며, 이러한 데이터에 기초한 모든 판단의 정확성을 향상시킨다. 톤 휠(224) 상의 이(222)의 실제 개수와 톤 휠(230) 상의 이(228)의 실제 개수와 관련하여, 회전 속도 및 센서 구조에 따라 30 내지 40개의 이 또는 더 많거나 더 적은 수의 이로 달라질 수 있다. 본 휠 상에 35개의 이를 이용하는 것이 홀 효과 센서(220 및 226)에 양호한 결과를 제공한다.
이제 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 단일 시프트 레일 오퍼레이터 조립체의 제 1의 다른 실시예가 도시되어 참조 번호 '240'으로 지정되어 있다. 시프트 레일 오퍼레이터 조립체(240)의 제 1의 다른 실시예는 트랜스퍼 케이스 조립체(16)의 하우징 조립체(60)에 적절하게 고정되는 전기식, 공압식 또는 유압식 구동 모터(242)를 포함한다. 구동 모터(242)는 시프트 레일(250)의 단부 상에 배치되는 상보적인 구성의 수 또는 외부 스플라인 또는 기어 이(248)와 맞물리는 암 또는 내부 스플라인 또는 기어 이(246)를 갖는 출력 샤프트(224)를 포함한다. 시프트 레일(250)은 하우징 조립체(60) 내의 상보적으로 형성된 암 나사부(254) 영역 내에 수용되는 수 나사부(252) 영역을 포함한다. 이와 달리, 암 나사부(254)는 구동 모터(242)의 하우징 확장부에 존재할 수 있다. 시프트 레일(250)을 제 1 방향으로 회전시키면 제 1 방향으로 시프트 레일(250)이 축방향으로 병진운동되며, 시프트 레일(250)을 반대 방향으로 회전시키면 반대 방향으로 시프트 레일(250)이 축방향으로 병진운동된다. 바람직하게는, 구동 모터(242) 반대편의 시프트 레일(250)의 단부는 하우징 조립체(60) 내에 설치된 저널 베어링 또는 부싱(256) 내에 수용되어 회전 가능하게 지지된다.
시프트 포크(260)는 시프트 레일(250)의 외경보다 약간 더 큰 내경을 갖는 원통형의 관통 개구 또는 저널 베어링(262)을 포함한다. 그래서, 시프트 포크(260)는 시프트 레일(250) 상에 자유 회전 가능하게 수용된다. 시프트 포크(260)는 시프트 레일(250)에 형성되는 상보적인 구성의 원주형 그루브(circumferential groove) 또는 채널(266) 내에 수용되는 한 쌍의 스냅 링(snap ring)(264)에 의해서 시프트 레일(250) 상에 축방향으로 구속된다. 바람직하게는, 한 쌍의 평판 와셔(268)가 스냅 링(264)과 시프트 포크(260)의 몸체(body) 사이에 배치된다. 시프트 포크(260)는, 바람직한 실시예와 관련된 전술한 단락에서 상세하게 설명이 이루어진 맞물림 클러치 또는 클러치 칼라(104)를 수용하는 종래의 요크(yoke)(272)를 포함한다.
또한 시프트 포크(260)는 제 1의 더 긴 돌기부 또는 돌출부(278H)와 제 2의 더 짧은 돌기부 또는 돌출부(278L) 사이에 배치되는 중앙 배치 리세스(276)를 갖는 캠(274)을 포함한다. 롤러 또는 볼 액추에이터(146)를 구비하는 3가지 위치의 센서(144)는 홀 효과 센서와 같은 근접 센서 또는 위치 센서를 포함하며, 시프트 포크(260)가 도 5에 도시된 중립 위치에 있음을 나타내거나, 또는 액추에이터(146)가 돌기부 또는 돌출부(278H)에 의해 병진운동되고 유성기어 구동 조립체(80)로부터 고속 기어를 선택하는 위치에 클러치 칼라(104)가 있음을 나타내는 신호를 센서(144)가 제공하도록 시프트 포크(260)가 도시된 위치로부터 좌측으로 이동하였음을 나타내거나, 또는 반대로, 돌기부 또는 돌출부(278L)가 액추에이터(146)에 접촉하도록 이동되고 유성기어 구동 조립체(80)의 저속 출력 또는 저속 범위의 선택에 대응하는 위치로 시프트 포크(260)가 병진운동되었음을 센서(144)가 나타내도록 시프트 포크(260)가 도 5에 도시된 위치로부터 우측으로 이동하였음을 나타내는 제 1 신호를 한정하는 출력을 바람직하게는 다중 도체 케이블(148)로 제공한다. 시프트 레일 조립체(240)의 제 1의 다른 실시예의 작동에 대한 다른 구체적인 사항은 본질적으로 시프트 레일 조립체의 바람직한 실시예의 것과 동일하다는 것을 알 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 시프트 레일 오퍼레이터 조립체의 제 2의 다른 실시예가 도시되어 참조 번호 '300'으로 지칭되어 있다. 시프트 레일 오퍼레이터 조립체(300)의 제 2의 다른 실시예는 트랜스퍼 케이스 조립체(16)의 하우징 조립체(60)에 적합하게 고정되는 볼 스크류 오퍼레이터 조립체(302)를 포함한다. 볼 스크류 오퍼레이터 조립체(302)는 라인(306)을 통하여 에너지가 제공되는 전기식, 공압식 또는 유압식 구동 모터(304)를 포함한다. 구동 모터(304)는 출력 샤프트(308)의 양방향 회전 운동을 양방향 직선 병진운동으로 전환하는 종래의 볼 스크류 오퍼레이터 조립체(310)를 구동하는 출력 샤프트(308)를 포함한다. 볼 스크류 조립체(310)의 양방향 직선 병진운동은 볼 스크류 오퍼레이터 조립체(302)의 내부로 및 볼 스크류 오퍼레이터 조립체(302)로부터 외부로 양방향으로 병진운동하는 망원경식 관형 부재(312)에 결부된다.
핀 또는 세트 스크류(set screw)(316)와 같은 임의의 적합한 수단에 의해 망원경식 부재(312)에 시프트 레일(314)아 고정된다. 시프트 레일(314)의 반대편 단부는 바람직하게는 부싱 또는 저널 베어링(318) 내에 수용되며, 이 저널 베어링(318)은 하우징 조립체(60) 내에 설치된다. 시프트 포크(320)는 시프트 레일(314)을 수용하는 관통 보어(bore)(322)를 한정한다. 시프트 포크(320)는 세트 스크류 또는 핀(324)에 의해 시프트 레일(314)에 확실하게 부착된다. 시프트 포크(320)는 클러치 칼라(104) 상에 이격된 플랜지(114)에 의해 형성된 채널(116) 내에 자리하는 종래의 스로트 또는 요크(326)를 포함한다. 시프트 포크(320)는 제 1의 더 긴 또는 더 큰 돌기부 또는 돌출부(336H)와 제 2의 더 짧은 또는 더 얕은 돌기부 또는 돌출부(336L) 사이에 위치되는 중앙 배치 리세스(334)를 갖는 캠(332)을 포함한다. 롤러 또는 볼 액추에이터(146)를 구비하는 3가지 위치의 센서(144)는 홀 효과 센서와 같은 근접 센서 또는 위치 센서를 포함하며, 시프트 포크(320)가 도 6에 도시된 중립 위치에 있음을 나타내거나, 또는 액추에이터(146)가 돌기부 또는 돌출부(336H)에 의해 병진운동되고 유성기어 구동 조립체(80)로부터 고속 기어를 선택하는 위치에 클러치 칼라(104)가 있음을 나타내는 신호를 센서(144)가 제공하도록 시프트 포크(320)가 도시된 위치로부터 좌측으로 이동하였음을 나타내거나, 또는 반대로, 돌기부 또는 돌출부(336L)가 액추에이터(146)에 접촉하도록 이동되고 유성기어 구동 조립체(80)의 저속 기어 또는 감속 범위 출력을 선택하도록 시프트 포크(320)가 병진운동되었음을 센서(144)가 나타내도록 시프트 포크(320)가 도 6에 도시된 위치로부터 우측으로 이동하였음을 나타내는 제 1 신호를 한정하는 출력을 바람직하게는 다중 도체 케이블(148)에서 제공한다.
바람직한 실시예와 제 1 및 제 2의 다른 실시예의 시프트 레일 조립체(240과 300)의 3가지 작동 특징은 중요하다. 첫째로, 많은 종래 기술의 시프트 레일 오퍼레이터 구조가 시프트 오퍼레이터로 하여금 원하는 클러치 칼라의 위치에 대응하는 최종 위치에 도달할 수 있게 하는 에너지 흡수 스프링 또는 유사한 장치를 포함하지만, 클러치 칼라는 기어 이의 충돌 또는 간섭으로 인해 이러한 위치에 실제로 도달할 수 없을 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 이러한 설계에서, 기어 동기화가 달성될 때까지 스프링은 구동 에너지를 저장하여, 그리고 나서 시프트가 완료될 수 있다. 이러한 설계의 단점은 어떤 시프트 레일의 위치 센서가, 실제로는 시프트가 완료되지 않았는데도, 완료되었다는 표시를 제공할 수 있다는 것이다.
본 발명의 시스템에서, 센서(140)와 그 액추에이터(146)는 바람직한 실시예에서는 실제 시프트 포크(120) 바로 근처에 위치하며, 제 1 및 제 2의 다른 실시예서는 각각 시프트 포크(260과 320) 바로 근처에 위치된다. 시프트 포크(120,260 및 320) 각각에 직접 위치되는 캠(138,274 및 332)은 시프트 포크의 정밀한 실제 위치에 대한 정보를 감지하여 제어 조립체(50)에 제공하며, 또한 시프트 포크의 명령된 위치(commanded position)와 그 실제 위치 사이의 임의의 불일치를 제거함으로써 논리 및 제어 판단을 향상시킨다.
두 번째 특징은 주로 구동 모터(130,242 및 304)의 크기에 관한 것이다. 회전 운동을 직선 운동으로 전환하는 조립체에 의해 제공되는 기계적인 이점으로 인해, 구동 모터(130,242 및 304)의 출력과 구동 모터로 전달되는 동력 및 구동 모터에 의해 소비되는 동력은 상대적으로 작을 수 있다. 따라서, 만약 기어의 충돌로 인해 시프트가 완료되지 못하면, 구동 모터(130,242 및 304)로 동력이 지속적으로 전달되며 모터는 그 자체 또는 관련 구성요소에 어떠한 손상도 입히지 않으면서 그저 실속(失速)되어 명령된 시프트를 완료하도록 계속 시도하게 된다. 이러한 설계에 따라, 제어 조립체(50)는 미완료(未完了) 시프트를 감지하는 타이머를 포함할 수 있고, 타이머의 설정 간격의 종료점에서, 시프트가 가능하지 않다는 표시를 제공하고, 이전 위치로 되돌아가서 다시금 시프트를 완료하도록 시도하거나 고장 표시를 제공하거나 기록할 수 있다.
최종적으로, 전기 구동 모터(130,242 또는 304)를 사용할 때 가장 용이하게 달성되는 특징은 시프트 포크(120,260 및 320)의 정밀한 위치 설정과 관련된다. 센서(140)가 시프트 포크(120,260 및 320)가 원하는 위치에 도달했다고 판단하면, 제어 조립체(50)내의 회로는 모터(130,242 및 304)로의 전기 공급을 종료할 수 있고, 실제로, 모터(130,242 및 304)로의 전원 공급선을 서로 접속, 즉 서로 단락시킴으로써 전기적으로 모터를 제동시켜 모터의 회전을 신속하게 종료시킨다는 것을 알 수 있다. 그래서, 비록 모터(130,242 및 304)가 비교적 고속으로 회전할 수 있지만, 시프트 포크(120,260 및 320)와 클러치 칼라(104)를 정확하게 제어하고 위치시키고 기계적인 제동장치가 필요 없게 전기적인 제동을 이용할 수 있다.
비록 본 발명의 시프트 레일 오퍼레이터 조립체가 자동차 트랜스퍼 케이스와 연계되어 설명되었지만, 시프트 레일, 회전 운동을 직선 운동으로 전환하는 관련 조립체 및 시프트 포크 위치 센서는 차동장치 및 다른 분야에서 변속기 또는 액슬 단절부와 같이 관련 구동라인 구성요소에서 널리 사용된다는 것을 알게 될 것이다.
상기 명세서는 본 발명자에 의해 고안된 본 발명을 실행하기 위한 최상의 형태이다. 그러나, 여러 변경과 변형에 포함하는 장치도 구동라인 구성요소 시프트 조립체의 당업자에게는 자명하다는 것이 분명하다. 상기 명세서가 본 발명자에 의해 안출된 본 발명을 수행하기 위한 최상의 모드를 제시하고, 당업자로 하여금 본 발명을 실시하는 것을 가능하게 하는 한, 위의 명세서에 국한되는 것으로 해석해서는 안되며, 위에서 언급한 자명한 변형를 포함하는 것으로 해석해야 하며 다음의 청구범위의 사상 및 범위에 의해서만 제한된다고 해석해야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 나사부가 형성된 단일의 회전 시프트 레일, 모터, 시프트 레일 상에 자유 회전 가능하게 배치되며 그 위에서 축방향으로 구속되는 시프트 포크 및 시프트 포크의 실제 위치에 관한 신호를 제공하는 근겁 배치된 센서를 구비하며, 구동 모터, 선형 볼 스크류 조립체(linear ball screw assembly), 시프트 레일 및 시프트 레일에 고정된 시프트 포크를 구비하는 시프트 오퍼레이터 조립체를 제공하게 되는 등의 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명이 병합되는 트랜스터 케이스를 구비하는 자동차 동력 전달 장치(power train)를 도시하는 개략도.
도 2는 본 발명의 시프트 레일 오퍼레이터 조립체가 병합된 트랜스퍼 케이스를 도시하는 상세 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 시프트 레일 오퍼레이터 조립체를 도시하는 확대 부분 단면도.
도 4는 도 2의 4-4 선을 따라 취해진, 본 발명이 병합된 트랜스퍼 케이스의 볼 램프(ball ramp) 오퍼레이터를 도시하는 평면 형태의 전개도.
도 5는 본 발명에 따른 시프트 레일 오퍼레이터 조립체의 제 1의 다른 실시예를 도시하는 확대 부분 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 시프트 레일 오퍼레이터 조립체의 제 2의 다른 실시예를 도시하는 확대 부분 단면도.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
62 : 입력 샤프트 70 : 출력 샤프트
80 : 속도 변환 조립체 86 : 제 1 출력
102 : 제 2 출력 104 : 클러치 칼라
120,260,320 : 시프트 포크 122,124 : 조립체
126,250,314 : 시프트 레일 130,242,304 : 구동 모터
136 : 캠 144 : 위치 센서

Claims (10)

  1. 자동차 구동라인 구성요소용 단일 레일 시프트 오퍼레이터 조립체(single rail shift operator assembly)에 있어서,
    회전 출력부(126)를 구비하는 구동 모터(130)와,
    상기 구동 모터(130)의 상기 회전 출력을 직선 병진운동으로 변환하는 조립체(122,124)와,
    제 1 속도 범위를 제공하는 적어도 하나의 제 1 출력부(86)와 제 2의 다른 속도 범위를 제공하는 제 2 출력부(102)를 구비하는 변속 조립체(80)와,
    제 1 위치에서 상기 제 1 속도 범위 출력부(86)와 맞물리고 제 2 위치에서 상기 제 2의 다른 속도 범위 출력부(102)에 맞물리도록 적응된 축방향으로 병진운동이 가능한 클러치 칼라(clutch collar)(104)와,
    상기 변환 조립체(122,124)와 상기 클러치 칼라(104) 사이에 작동 가능하게 배치되는 시프트 포크(shift fork)(120)를
    조합하여 구성되는, 단일 레일 시프트 오퍼레이터 조립체.
  2. 제 1항에 있어서,
    적어도 2개의 다른 영역(140H,140L)을 구비하며 상기 시프트 포크(120)와 함께 운동하도록 배치되는 캠(136)과,
    상기 적어도 2개의 캠 영역(140H,140L)을 탐지하고 상기 적어도 2개의 캠 영역(140H,140L)에 대응하는 2개의 다른 출력을 제공하기 위해 상기 캠(136) 근처에 작동 가능하게 배치되는 센서(144)를
    더 포함하는, 단일 레일 시프트 오퍼레이터 조립체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 캠(136)은 상기 시프트 포크(120)에 일체로 형성되는, 단일 레일 시프트 오퍼레이터 조립체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 변환 조립체는 나사부(124)를 구비하는 시프트 레일(126)을 포함하고,
    상기 시프트 포크(120)는 상기 시프트 레일(126)의 상기 나사부(124)를 수용하기 위해 상보적으로 나사가 형성된 통로(122)를 포함하는,
    단일 레일 시프트 오퍼레이터 조립체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 변환 조립체는 상기 구동 모터(242) 상의 스플라인 출력 부재(splined output member)(244)를 포함하며,
    상기 스플라인 출력 부재(244)에 상보적이며 이에 맞물리는 스플라인(248)을 구비하는 시프트 레일(250)과, 상기 시프트 레일(250)을 자유 회전 가능하게 수용하기 위한 상기 시프트 포크(260) 내의 관통 개구(262), 및 상기 시프트 포크(260)와 상기 시프트 레일(250) 사이에서 상대적인 축방향 운동을 억제하기 위해 상기 시프트 레일(250) 상에 상기 시프트 포크(260)에 인접한 축방향 멈춤부(axial stop)(264)를 더 포함하는,
    단일 레일 시프트 오퍼레이터 조립체.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 변환 조립체는 비회전성의, 양방향으로 병진운동하는 시프트 레일(314)을 포함하고,
    상기 시프트 포크(320)는 상기 시프트 레일(314)에 고정되는,
    단일 레일 시프트 오퍼레이터 조립체.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 변환 조립체는 볼 스크류 오퍼레이터 조립체(ball screw operator assembly)(310)를 포함하는, 단일 레일 시프트 오퍼레이터 조립체.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 변속 조립체(80)를 구동하기 위한 입력 샤프트(62)와, 상기 클러치 칼라(104)에 의해 구동되는 출력 샤프트(70)를 더 포함하는, 단일 레일 시프트 오퍼레이터 조립체.
  9. 제 1항에 있어서,
    적어도 상기 제 1 속도 범위 또는 상기 제 2 속도 범위를 선택하기 위한 피동식의 조절 가능한 제어 조립체(driven adjustable control assembly)(50)를 더 포함하는, 단일 레일 시프트 오퍼레이터 조립체.
  10. 자동차 트랜스퍼 케이스용 시프트 오퍼레이터 조립체에 있어서,
    양방향의 회전 출력부(126)를 구비하는 구동 모터(130)와,
    상기 구동 모터(130)의 상기 양방향의 회전 출력을 양방향의 직선 병진운동으로 변환하는 조립체(122,124)와,
    제 1 속도 범위를 제공하는 적어도 하나의 제 1 출력부(86)와 제 2의 다른 속도 범위를 제공하는 제 2 출력부(102)를 구비하는 변속 조립체(80)와,
    상기 제 1 출력부(86)에 맞물리는 제 1 위치와 상기 제 2 출력부(102)에 맞물리는 제 2 위치 사이에 양방향으로 병진운동이 가능한 클러치 칼라(104)와,
    상기 변환 조립체(122,124)와 상기 클러치 칼라(104) 사이에 작동 가능하게 배치되는 시프트 포크(120)와,
    상기 시프트 포크(120)와 함께 운동하도록 배치되며 적어도 2개의 다른 영역(140H,140L)을 구비하는 캠(136)과, 상기 적어도 2개의 캠 영역(140H,140L)을 탐지하기 위해 상기 캠(136) 근처에 배치되는 위치 센서(144)를
    조합하여 구성되는, 자동차 트랜스퍼 케이스용 시프트 오퍼레이터 조립체.
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