KR100881675B1 - 트라이포드 등속 유니버설 조인트 - Google Patents

Abstract

강도와 내구성 사이의 균형을 고려하면서, 특히 축의 강도와 상용에서의 여지가 있는 내구성 면에서, 종래의 트라이포드 조인트들이 강도의 관점에 특별한 주의를 기울여 설계되었다는 사실에 주목하여, 외부 조인트 부재의 외형 크기를 가능한 줄여 트라이포드 조인트의 경량화 및 소형화를 이룬다.

Description

트라이포드 등속 유니버설 조인트 {TRIPOD CONSTANT VELOCITY UNIVERSAL JOINT}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 트라이포드 등속 유니버설 조인트의 롤러와 롤러 안내면 사이 접촉 영역의 확대 단면도;

도 2a는 트라이포드 조인트의 횡단면도;

도 2b는 트라이포드 조인트의 종단면도;

도 3a는 외부 조인트 부재의 끝면도;

도 3b는 트러니언 저널 및 그 주변부의 단면도;

도 3c는 도 3b의 부분 확대도;

도 4는 본 발명의 실시예와 종래기술의 예를 비교하기 위해 나란히 도시한 트라이포드 조인트의 단면도;

도 5a 및 도 5b는, 각각 각접촉과 원형접촉을 나타내는, 롤러와 롤러 안내면 사이 접촉 영역의 확대단면도;

도 6은 니들 롤러의 스큐를 설명하는 도면;

도 7은 스큐각(θ₂)과 유기 스러스트 사이의 관계를 나타내는 그래프;

도 8a는 트러니언 저널 기부의 확대 단면도;

도 8b는 종래의 트라이포드 조인트에서 도 8a에 대응하는 부분의 확대 단면도;

도 9a 및 도 9b는, 각각 트라이포드 조인트의 여러 부분들의 치수를 나타내는 트라이포드 유니트의 횡단면도 및 종단면도이다.

본 발명은 자동차, 산업기계 등의 동력 전달에 쓰이는 플런징 형 트라이포드 등속 유니버설 조인트에 관한 것이다.

도 4의 좌반부에 도시된 바와 같이, 트라이포드 등속 유니버설 조인트는, 내주면에 세 개의 축 트랙 홈(12')들을 가지고 각각의 트랙 홈(12')의 마주보는 측벽에 롤러 안내면(14')을 구비한 외부 조인트 부재(10'), 토크 전달용 축에 끼워맞춤되기에 적합한 트러니언 배럴(21') 및 트러니언 배럴(21')에서 등간격으로 방사상으로 돌출한 3개의 트러니언 저널(22')들을 가지는 트러니언(20'), 및 다수의 니들 롤러(32')들에 의해 트러니언 저널(22') 주위를 각각 회전할 수 있고 외부 조인트 부재(10')의 트랙 홈(12')들에 수용된 롤러(30')들을 포함하고, 롤러(30')는 롤러 안내면(14')에 의해 외주면에 안내된다.

롤러(30')와 롤러 안내면(14') 사이의 접촉은 각접촉과 원형접촉의 두가지 형태가 있다. 각접촉은 일정한 각을 가지고 두 지점에서 일어난다(도 5a 참조). 원형접촉은 한 지점에서 일어나고 접촉비(즉, 롤러의 곡률반경(r)에 대한 롤러 안내면의 곡률반경(R)의 비(R/r))는 보통 1.002∼1.008이다(도 5b 참조).

각접촉의 경우, 접촉각 방향의 두 지점에서 접촉 타원이 발생하고 소정의 토크가 작용하면, 접촉 타원은 롤러(30')의 폭 내에 있어야 한다. 이러한 이유로, 기존의 상황에서는 롤러(30')의 외경에 대한 폭의 비는 32%∼36%이다. 또한, 접촉각 및 접촉비가 재고된다하더라도, 횡방향 접촉 길이는 롤러(30')의 폭을 넘는다. 롤러(30')의 양단이 롤러 안내면(14')을 파고드는 현상 또는 두 개의 접촉 타원이 롤러(30')의 중앙부에서 서로 겹치는 현상은, 수명 향상 및 진동 감소의 장애가 되고, 피할 수 없는 현상이다.

종래의 원형접촉의 경우, 소정의 토크가 작용하면 접촉비는 1.002∼1.008의 범위이기 때문에, 횡방향 접촉 타원의 길이는 때때로 롤러(30')의 폭을 넘는다. 이러한 이유로, 각접촉의 경우처럼 롤러(30')의 폭을 줄이는데 한계가 있다. 기존의 상황에서는, 롤러(30')의 외경에 대한 폭의 비는 32%∼36%이다. 또한, 롤러(30')의 폭이 줄어든다면, 전체 횡방향 접촉길이는 롤러(30')의 폭을 훨씬 넘게되고, 수명 향상 및 진동 감소의 장애가 된다.

또한, 각접촉과 원형접촉 양쪽에서, 롤러 안내면(14')은 일정 접촉비의 곡률반경을 가지고 대내경 및 소내경은 R에서 (릴리프 없이) 접촉한다. 트라이포드 조인트가 작동각을 이루면서 회전하면, 롤러(30')와 롤러 안내면(14')의 사이에서 각변위가 또한 일어난다. 이는 롤러 안내면의 마모를 일으킨다. 또한, 대내경 및 소내경 양쪽에서 롤러(30')의 양단이 롤러 안내면(14')을 파고드는 현상이 일어나고, 진동 증가의 원인이 된다.

본 발명의 목적은 진동특성을 악화시키지 않으면서 진동을 줄이고 트라이포드 조인트의 경량화 및 소형화를 이루는 것에 있다.

종래의 트라이포드 조인트에서, 트러니언 저널(22'), 니들 롤러(32') 및 롤러(30') 사이의 간극(반지름 간극, 원주 간극)은 스큐각을 고려하여 정해지지 않았다. 도 6에 도시된 바와 같이, 롤러의 스큐는 롤러의 축이 이동 방향의 직각보다 작은 일정 각도(θ)로 기울어진 것을 의미한다.

트라이포드 조인트의 NVH 특성은 니들 롤러가 실제로 기울어질수 있는 각도에 의존한다는 것이 밝혀졌다. 스큐각은 반지름 간극 및 원주 간극에 의해 결정되지만 이는 지금까지 고려되지 않았다. 그러므로, NVH 특성은 트라이포드 조인트의 비율 및 크기의 차이에 따라 다르고, 이러한 상황의 최적화는 현재 이뤄지지 않았다.

그러므로, 본 발명의 다른 목적은, 니들 롤러의 스큐를 억제하여 트라이포드 등속 유니버설 조인트의 진동을 줄이는 것에 있다.

일반적으로, 트라이포드 조인트는 강도(비틀림 강도)의 관점에서 특별한 주의를 기울여 설계된다. 일반적으로 강도는 독특하게 축의 최소 외경에 의해 결정되고, 그리고나서 트러니언의 강도 또는 롤러의 강도가 고려된다. 강도는 주로 정적 비틀림 강도 (시험)와 반복 피로 강도 (시험)의 두가지 방법으로 구한다. 일반적으로, 두 시험에서, 축은 제일 먼저 파괴되도록 배열된다. 그러므로, 트러니언 또는 롤러는 축보다 작은 강도를 가지지 않게 배열된다.

트라이포드 조인트에 토크를 인가하는 정적 비틀림 강도 시험에서, 정적 비 틀림 강도는 한 부분 또는 다른 부분이 비틀림 파괴되는 토크로 구한다. 반복 피로 강도는 트라이포드 조인트에 소정의 반복 토크가 작용될 때 한 부분 또는 다른 부분이 파괴되는 사이클의 수로 구한다.

트러니언의 강도는 트러니언 저널 기부의 강도와 트러니언 배럴의 강도에 의존한다.트러니언 저널의 직경이 증가하면 트러니언 저널 기부의 강도가 증가하고, 트러니언 배럴의 외경이 증가하면 트러니언 배럴의 강도가 증가한다.

그러나, 트러니언 저널의 직경이 증가하면 롤러 외경이 반드시 증가해야 하고, 트러니언 배럴의 외경이 증가하면 외부 조인트 부재의 소내경이 증가해야 한다. 그러므로, 트라이포드 조인트의 작동 영역(구조)의 한계로 인해, 트라이포드 조인트의 경량화 및 소형화를 위해서 단순히 외부 조인트 부재의 외형 크기를 작게하는 것으로는 불충분하다. 그러므로, 여러 부분들의 균형적인 설계가 중요하다.

또한, 특히 니들 롤러들과 트러니언 저널 사이에서 롤러부의 구름 피로 수명(박리 수명)도 고려되어야 한다. 내구성 시험에서, 내구성은 소정의 토크를 인가하면서 트라이포드 조인트를 소정의 rpm으로 구동시킬 때, 박리가 일어나는 사이클 수 또는 시간으로 구한다. 일반적으로, 알려진 바와 같이, 이러한 내구성은 니들 롤러의 외경 또는 길이, 또는 니들 롤러의 수를 증가시켜 향상될 수 있다. 그러나, 이는 외부 조인트 부재의 외형 크기의 증가를 초래한다.

그러므로, 본 발명은 또한 강도와 내구성 사이의 균형을 고려하면서 외부 조인트 부재의 외형 크기를 가능한 줄여 트라이포드 조인트의 경량화 및 소형화를 이루는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 트라이포드형 등속 유니버설 조인트는 내주면에 세 개의 트랙 홈들을 가지고 각 트랙 홈의 마주보는 측벽에 형성된 롤러 안내면을 가진 외부 조인트 부재, 세 개의 방사상으로 돌출한 트러니언 저널들을 가진 트러니언, 및 다수의 니들 롤러들에 의해 각각의 트러니언 저널 주위를 각각 회전할 수 있고 외부 조인트 부재의 트랙 홈들에 수용된 롤러들을 포함하고, 각각의 롤러들은 롤러 안내면에 의해 외주면에 안내되며, 롤러와 롤러 안내면 사이의 접촉은 접촉비가 1.01 이상이고 롤러의 폭 치수는 소정의 토크가 작용하는 동안 롤러에 생긴 접촉 타원이 롤러의 단부면에서 벗어나지 않는 범위로 축소된다. 롤러와 롤러 안내면 사이의 접촉 형태를 원형접촉으로 유지하고, 소정의 토크 부하 하에서 접촉 타원의 횡방향 길이가 롤러의 횡방향 길이를 넘지 않도록 접촉비를 설정하여, 경량화, 소형화 및 우수한 내구성을 이룰 수 있다.

롤러와 롤러 안내면 사이의 접촉비는, 소정의 토크가 작용하는 동안 롤러상에 발생된 표면 접촉 압력이 트러니언 저널과 니들 롤러들 사이에 발생된 접촉 표면 압력을 넘지않도록 설정될 수도 있다. 특히, 롤러와 롤러 안내면 사이의 접촉비는 1.02∼1.2의 범위로 정해질 수 있다.

롤러의 외경(do)에 대한 폭(Ls)의 비(Ls/do)는 0.32 이하로 될 수 있다. 바람직하게, 비(Ls/do)는 0.24∼0.27의 범위로 정해질 수 있다. 접촉 타원 길이가 롤러의 횡방향 길이 이하가 되도록 접촉비를 설정하면, 외부 조인트 부재 및 트라이포드 조인트의 소형화를 이루면서 롤러 폭을 줄일 수 있다.

롤러의 일단에 대응하는 롤러 안내면 부분은 릴리프부(relief portion)를 구비할 수도 있다. 그러한 릴리프부를 준비하면 롤러가 롤러 안내면을 파고드는 것을 예방하고 우수한 진동 특성을 얻을 수 있다. 릴리프부에 대한 롤러 안내면의 곡률반경, 즉 R과 접촉하는 코너 R 부분(냉간 단조 면이므로 에지가 없음)은 롤러 외경(R) 면의 범위 내에서 접촉하기 때문에, 파고드는 현상이 일어나지 않는다. 바람직하게, 릴리프부는 롤러 안내면에 부드럽게 연결되는 호의 형태로 될 수 있다.

니들 롤러가 실제로 기울어질 수 있는 각도, 즉, 스큐각은 직경방향의 간극(반경 간극)과 피치원의 롤러들 사이의 간극에 의해 제한되고, 두 간극중 작은 쪽이 더 큰 영향을 끼친다. 원주 간극으로 인한 스큐각의 경우, 스큐는 니들 롤러들이 서로 접촉할 때까지 허용된다. 그러므로, 이러한 경우의 스큐각(θ1)은 식(1)으로 표현된다:

…(1)

식(1)에서, D는 롤러의 내경, d는 니들 롤러 직경, 그리고 Z는 롤러의 수이다.

또한, 반경 간극에 기초한 스큐의 경우, 롤러의 양단이 롤러 내경과 접촉할 때까지 스큐가 계속될 수 있기 때문에, 이 때의 스큐각(θ2)은 식(2)으로 표현된다:

…(2)

식(2)에서, gr은 반경간극, l은 롤러의 유효길이이다.

상기 식에서 얻어진 스큐각(θ1, θ2)중 작은 쪽이 실제로 일어날 수 있는 스큐각이다[노리무네 소다가 지은 이와나미 쇼텐 출판사의 "베어링(BEARINGS)" 참조].

그리고 반경간극이 두 스큐각(θ1, θ2) 사이의 관계가 θ1＞θ2이 되고 스큐각(θ2)이 4.0°∼ 4.5°가 되도록 정해질 때, 트라이포드 조인트 상에 힘을 형성하는 진동이 최소값으로 된다는 것이 알려져 있다. 이를 고려하면, 트라이포드 조인트의 진동 감소에 대한 최적값을 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 트라이포드 등속 유니버설 조인트는 내주면에 등간격으로 배치되어 축방향으로 연장하는 3개의 트랙 홈들을 가지는 외부 조인트 부재, 토크 전달용 축에 끼워맞춤되기 적합한 트러니언 배럴과 트러니언 배럴의 원주에 등간격으로 배치되어 방사상으로 돌출한 3개의 트러니언 저널들을 갖는 트러니언, 및 다수의 니들 롤러에 의해 회전하는 트러니언 저널에 각각 속하고 트랙 홈들에 수용된 롤러들을 포함하고, 각각의 롤러는 트랙 홈의 마주보는 측벽에 형성된 롤러 안내면에 의해 외주면으로 안내되고, 거기서 니들 롤러의 스큐각은 소정의 특정값 내에 있도록 조절된다.

롤러와 트러니언 저널 사이의 환상 공간에서 니들 롤러들의 반경간극에 의해 야기된 니들 롤러들의 스큐각(θ2)은 소정의 특정값 내에 있도록 조절된다. 스큐각(θ2)은 상기 식(2)에 기초하여 롤러 내경(D), 반경 간극(gr), 니들 롤러의 유효 길이(l)의 값을 적당하게 조합함으로써 결정될 수 있다.

특히, 스큐각(θ2)의 바람직한 범위는 4.0°∼ 4.5°이다. 이는 스큐각(θ2)이 4.0°∼ 4.5°의 범위 내에 있을 때 스러스트 힘(thrust force)이 최소가 된다는 사실에 근거한 것이다. 스큐각(θ2)이 4.5°를 초과하면, 스러스트 힘은 특정 값에 이를 때까지 증가하고, 반대로 스큐각(θ2)이 4.0°미만이면, 스러스트 힘이 증가하는 경향이 있다.

원주 간극들에 의해 생긴 니들 롤러들의 스큐각(θ1)은 롤러와 트러니언 저널 사이의 환상공간의 반경 간극에 의해 생긴 니들 롤러들의 스큐각(θ2) 보다 커질 수도 있다. 상기와 같이, 원주 간극으로 인해 생길 수 있는 스큐각(θ1)과 반경 간극에 의해 생길 수 있는 스큐각(θ2)중 작은 쪽이 실제로 발생할 수 있는 스큐각이다. 그러므로, 스큐각(θ2)을 감소시킴으로써 단지 스큐각(θ2)만을 조절하여 니들 롤러들의 스큐에 대한 측정을 할 수 있다.

롤러와 롤러 안내면 사이의 접촉비는 1.02∼1.2의 범위이고, 롤러의 폭 치수는 소정의 토크가 작용하는 동안 롤러에 생긴 접촉 타원이 롤러의 단부면에서 벗어나지 않는 정도가 되도록 감소될 수 있다. 그 이유는 토크가 작용하는 동안 접촉비가 작으면 접촉 타원이 롤러의 폭 치수보다 커져서 수명 단축을 야기하고, 반면에, 접촉비가 크면 접촉 타원이 작아지지만 표면 압력이 증가하여 접촉부의 마모를 가속시키고 수명 단축을 야기하기 때문이다.

또한, 롤러의 폭 치수가 감소하면 외부 조인트 부재와 트라이포드 조인트의 소형화를 이룰 수 있다. 특히, 롤러의 외경(do)에 대한 폭(Ls)의 비(Ls/do)는 0.24∼0.27의 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이 비율(Ls/do)이 작을수록, 즉, 롤러의 외경(do)에 대한 롤러의 폭(Ls)이 작을수록 소형화에 더 크게 기여한다. 그러나, 비율을 과도하게 감소시키면 표면 압력이 증가하게 되어, 강도 및 내구성이 낮아지게 된다. 그러므로, 이러한 관점에서 하한선이 결정되었다.

롤러들의 폭 치수 및 니들 롤러들의 길이는 롤러와 롤러 안내면 사이에서 발생된 접촉 표면 압력이 트러니언 저널과 니들 롤러들 사이에서 발생된 접촉 표면 압력과 같도록 설정할 수도 있다. 그 이유는 접촉 압력을 같게 하는 것이 어느 한쪽의 조기 마모를 방지하여 트라이포드 조인트의 내구성이 저하되지 않도록 확보하는 것에 있다.

트라이포드 조인트의 강도 및 내구성은 주로 다음의 설계 파라미터에 의해 지배된다.

강도 파라미터들: 축 직경, 트러니언 저널 직경, 트러니언 배럴 직경, 트러니언 배럴 폭, 세레이션 길이, 롤러 벽 두께, 롤러 폭.

내구성 파라미터들: PCD, 트러니언 저널 직경, 니들 롤러 길이(유효 직경)≒롤러 폭, 니들 롤러 직경.

종래 기술의 강도와 내구성 사이의 균형에 있어서, 내구성에 너무 많은 비중을 두면, 중량 감소와 소형화가 얻어지게 될 때 비틀림 강도를 확보하기 어렵다. 또한, 작동 영역(구조)에서, 축 직경이 변화하지 않고 유사 설계가 외부 조인트 부재의 소내경/대내경 비율로 이루어지게 되면, 작동 영역은 감소한다.

① 축 직경/롤러 안내면 피치원 직경(Φds/PCD)

② 트러니언 배럴 직경/트러니언 외경(Φdr/SDj)

③ 외부 조인트 부재의 소내경/대내경(ΦD2/ΦD1)

④ 롤러 폭/롤러 외경(Ls/ΦDs)

⑤ 트러니언 저널 직경/롤러 외경(ΦDj/ΦDs)

⑥ 트러니언 저널 직경/축 직경(ΦDj/Φds)

⑦ 니들 롤러 길이/ 트러니언 저널 직경(Ln/Dj)

상기 7개 항목에서의 치수 비의 재고는 강도와 내구성 사이의 균형과 경량화 및 소형화를 이루는 트라이포드의 배열을 제공한다. 또한, 작동 영역(구조)을 감소시키지 않고 미끄럼 양을 확보할 수 있다. 그리고 외부 조인트 부재의 대내경과 소내경 사이의 벽 두께 차이의 감소와, 트러니언 저널 길이의 감소는 가단성의 향상을 가능하게 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른면, 트라이포드 조인트는 내주면에 등간격으로 배치되어 축방향으로 연장하는 3개의 트랙 홈들을 가지는 외부 조인트 부재, 토크 전달용 축에 끼워맞춤되기 적합한 트러니언 배럴과 트러니언 배럴의 원주에 등간격으로 배치되어 방사상으로 돌출한 3개의 트러니언 저널들을 갖는 트러니언, 및 다수의 니들 롤러에 의해 결합 트러니언 저널의 주위를 각각 회전할 수 있고, 트랙 홈에 수용된 롤러들을 포함하고, 각각의 롤러는 트랙 홈의 마주보는 측벽에 형성된 롤러 안내면에 의해 외주면에 안내된다. 트러니언의 비틀림 강도와 축의 최소 외경 부분의 비틀림 강도는 같도록 설정되고, 니들 롤러들과 구름 접촉하는 트러니언 저널상의 표면 압력은 소정 값까지 허용된다.

트러니언의 외경(SDj)에 대한 트러니언 배럴의 직경(dr)의 비(dr/SDj)는 0.65∼0.70의 범위로 될 수 있다.

롤러 안내면의 피치원 직경(PCD)에 대한 축의 직경(ds)의 비(ds/PCD)는 0.50∼0.55의 범위로 될 수 있다.

외부 조인트 부재의 대내경(D1)에 대한 소내경(D2)의 비(D2/D1)는 0.66∼0.72의 범위로 될 수 있다.

롤러들의 외경(Ds)에 대한 폭(Ls)의 비(Ls/Ds)는 0.24∼0.27의 범위로 될 수 있다.

트러니언 저널 직경(Dj)에 대한 니들 롤러들의 길이(Ln)의 비(Ln/Dj)는 0.47∼0.50의 범위로 될 수 있다.

롤러 외경(Ds)에 대한 트러니언 저널 직경(Dj)의 비(Dj/Ds)는 0.54∼0.57의 범위로 될 수 있다.

축의 직경(d)에 대한 트러니언 저널 직경(Dj)의 비(Dj/d)는 0.83∼0.86의 범위로 될 수 있다.

트러니언 배럴 및 트러니언 저널의 기부는 2단계로 형성할 수 있고, 트러니언 저널에서 코너는 소정의 곡률반경으로 계속해서 연장하는 하나의 R면 또는 둥근면이 될 수 있다.

도 1부터 도 3까지를 참조하여 본 발명의 제 1 실시예를 설명한다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 트라이포드 등속 유니버설 조인트는, 주요 구성요소로서, 연결될 두 개의 회전축중 하나에 연결된 외부 조인트 부재(10)와 다른 하나의 회전축에 연결된 트라이포드 유니트(20, 30, 32)를 가진다.

외부 조인트 부재(10)는 등간격으로 형성된 세 개의 트랙 홈(12)들이 축선상으로 뻗어있는 중공 컵의 형태이다. 각 트랙 홈(12)은 트랙 홈의 마주보는 측벽에 형성된 롤러 안내면(14)들을 가진다. 이 롤러 안내면(14)은 원통형 표면의 일부이다. 즉, 외부 조인트 부재(10)의 축과 평행인 부분적인 원통형 표면이다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 외부 조인트 부재(10)의 횡단면은, 원주 방향으로 번갈아 나타나는 직경(D1)의 소내경부(16)와 직경(D2)의 대내경부(18)가 롤러 안내면(14)들에 의해 접촉하는 꽃부리 모양이다.

트라이포드 유니트는 트러니언(20), 롤러(30), 및 복수의 니들 롤러(32)를 포함한다.

트러니언(20)은 원주상에서 등간격으로 방사상으로 돌출하는 세 개의 트러니언 저널(22)들을 가진다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 각각의 트러니언 저널은 원통형 외주면(24) 및 축단 부근에 형성된 환상 링 홈(26)을 가진다. 트러니언 저널(22)은 다수의 니들 롤러(32)들에 의해 회전가능하게 끼워맞춤된 롤러(30)들을 가진다. 트러니언 저널(22)의 원통형 외주면(24)은 니들 롤러(32)용 내측궤도면을 제공한다. 롤러(30)의 내주면은 원통형이고 니들 롤러(32)용 외측궤도면을 제공한다.

니들 롤러(32)는 트러이언(20)의 반경방향으로 본 외측 단면에서 외부 와셔(34)에 접하고 반대측 단면에서 내부 와셔(38)에 접한다. 외부 와셔(34)의 축이동은 링 홈(26)에 삽입된 서클립(36)에 의해 조절되고 따라서 니들 롤러(32)의 축이동 또한 조절된다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 외부 와셔(34)는 트러니언 저널(22)의 반경방향으로 확장하는 디스크부(34a) 및 트러니언 저널(22)의 축방향으로 확장하는 원통부(34b)로 구성된다. 외부 와셔(34)의 원통부(34a)는 롤러(30)의 내경보다 작은 외경을 가지고, 트러니언(20)의 반경방향으로 외측에 배치된 단부(34c)가 직경이 확장되어 롤러(30)의 내경보다 큰 직경을 가진다. 그러므로, 롤러(30)는 트러니언 저널(22)의 축방향 이동이 가능하다.

롤러(30)의 외주면은 구면의 일부, 즉, 부분적 구면이고, 축으로부터 방사상으로 떨어진 부분에 곡률중심을 가지며 그 곡률은 롤러 안내면(14)의 곡률보다 조금 작다(도 1 참조). 또한, 롤러(30)와 롤러 안내면(14)들 사이의 접촉 형태는 횡단면에 보이는 바와 같이 호 접촉, 즉, 원형접촉이다.

롤러(30)와 롤러 안내면(14) 사이의 접촉비가 작아지면, 토크가 작용하는 동안 접촉 타원이 롤러(30)의 폭을 넘을 때까지 커지게 되어 수명이 줄어든다. 반대로, 접촉비가 커지면, 접촉 타원은 작아지지만, 표면 압력이 증가하여 접촉부의 마모를 가속시키므로 수명이 줄어든다. 그러나, 구조상, 트러니언 저널(22)과 니들 롤러(32)들 사이의 영역에서 트라이포드 조인트의 표면 압력이 가장 크기 때문에, 이 영역의 표면 압력이 한계값을 넘지 않도록 접촉비를 설정하는 것이 바람직하다. 특히, 이 접촉비는 바람직하게 1.02∼1.2의 범위이고, 더 바람직하게는 1.05∼1.18이다.

접촉 타원의 길이가 롤러(30)의 횡폭(Ls)(도 3)을 넘지 않도록 접촉비를 설정하면, 롤러(30)의 폭을 줄일 수 있다. 또한, 그렇게 하면 외부 조인트 부재(10)및 트라이포드 조인트의 소형화에 전적으로 기여한다. 구체적으로, 롤러(30)의 외경(do)에 대한 폭(Ls)의 비(Ls/do)는 0.32이하이고, 더 바람직하게는 0.24∼0.27이다. 접촉 타원은 도 1에 2점 쇄선으로 도시되어 있다.

트라이포드 조인트가 작동각을 취하면서 회전함에 따라, 롤러(30)와 롤러 안내면(14) 사이에 각변위가 발생한다. 이 때, 이미 설명한 바와 같이, 롤러(30)의 양단이 롤러 안내면(14)의 양단, 즉, 외부 조인트 부재(10)의 소내경부(16)와 대내경부(18)를 파고드는 현상이 발생하고, 그 결과 진동 특성이 악화된다. 이를 방지하기 위해서, 도 1에 도시된 바와 같이, 롤러 안내면의 양단(14)에 릴리프부(15a, 15b)를 형성한다.

릴리프부(15a, 15b)의 직경을 d, 롤러(30)의 단부면의 직경을 di라고 하면, 릴리프부량은 (d-di)/2로 표현된다. 릴리프부량이 너무 작으면, 롤러(30)가 롤러 안내면(14)을 파고드는 현상을 효과적으로 방지할 수 없다. 반대로, 릴리프부량이 너무 크면, 롤러(30)가 미끌어지거나 롤러(30)와 롤러 안내면(14) 사이의 접촉 면적이 줄어들고, 오히려 진동특성의 악화와 수명 단축을 야기한다. 그러므로, 최적의 릴리프부량은 소정의 토크가 작용하는 동안 적어도 접촉 타원이 롤러(30)의 폭보다 작고 파고드는 현상이 일어나지 않게 하는 것이다. 이를 위해, 릴리프부(15a, 15b)의 직경(d)은 롤러 단부면 직경(di)보다 작지 않다.

횡단면에 보이는 바와 같이, 릴리프부(15a, 15b)는 롤러 안내면(14)의 양단이 외부 조인트 부재(10)의 소내경부(16) 및 대내경부(18)에 각각 부드럽게 접촉하는 아치형 곡선으로 형성되어 있다. 도 1의 실시예에서, 이점 쇄선으로 나타낸 접촉 타원의 길이는 롤러 안내면(14)들과 릴리프부(15a, 15b)간의 접촉 지점 사이의 거리와 같다.

본 발명의 제 1 실시예에서, 상기한 바와 같이, 롤러와 롤러 안내면들 사이의 접촉 형태는 원형접촉이고 접촉비는 소정의 토크가 작용하는 동안 횡방향 접촉 타원 길이가 롤러의 횡방향 길이를 넘지 않도록 설정되고, 그로 인해 트라이포드 조인트의 경량화, 소형화 및 우수한 내구성이 얻어진다. 도 4는 이것을 나타낸다. 도 4에는, 종래의 트라이포드 조인트는 좌반면에 도시되어 있고, 본 발명의 트라이포드 조인트는 비교를 위해 우반면에 도시되어 있다.

또한, 롤러 안내면에 릴리프부를 두면 트라이포드 조인트가 작동각을 취하면서 회전할 때 롤러가 롤러 안내면을 파고드는 위험성을 제거할 수 있고, 진동특성의 개선과 트라이포드 조인트의 진동감소를 이룰 수 있다.

도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명의 제 2 실시예를 설명한다.

트라이포드 조인트의 기본 구조와 상기 설명이 도 2a, 2b, 3a, 3b, 및 3c와 관계되는한 제 1 및 제 2 실시예는 동일하다. 여기서, 롤러(30)의 외주면은 곡률 중심이 축상에 위치하는 부분적인 구면이 될 수도 있고, 이 외에, 곡률 중심이 축으로부터 방사상으로 떨어진 지점에 위치하는 호로 이루어진 볼록한 곡면이 될 수도 있다. 롤러 안내면(14)과 롤러(30)의 접촉 형태는 도 5a에 도시된 바와 같이 각접촉이 될 수도 있고, 또는 도 5b에 도시된 바와 같이 원형접촉이 될 수도 있다. 각접촉은 특정 접촉각을 가지고 두 지점에서 발생하여, 접촉 타원이 접촉각 방향의 두 지점에서 발생한다. 원형접촉은 구면 사이의 한 지점에서 발생한다. 어느 경우에서든지, 롤러(30)의 폭(Ls)은 소정의 토크가 작용할 때 접촉 타원이 롤러(30)의 단부면으로부터 벗어나지 않고 롤러 폭 내에 오도록 설정되어야 한다. 접촉비가 작으면, 토크가 작용하는 동안 접촉 타원이 커져 롤러(30)의 폭(Ls)을 넘어, 수명 단축을 야기한다. 반대로, 접촉비가 크면 접촉 타원이 작아지지만 표면 압력이 증가하여 접촉부의 마모를 가속시키고, 수명단축을 야기한다. 그러나, 구조상, 트라이포드 조인트의 표면 압력이 트러니언 저널(22)과 니들 롤러(32) 사이의 영역에서 가장 크기 때문에, 이 영역의 표면 압력이 한계값을 넘지 않도록 접촉비를 설정하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 접촉비는 1.02∼1.2의 범위이고 더 바람직하게는 1.05∼1.18이다. 또한, 롤러(30)의 외경(do)에 대한 폭(Ls)의 비(Ls/do)는 0.24∼0.27이 되어야 한다.

또한, 롤러(30)의 폭(Ls)과 니들 롤러(32)의 유효길이(l)는 롤러(30)와 롤러 안내면(14) 사이에서 발생된 접촉 압력이 트러니언 저널(22)과 니들 롤러(32)들 사이에서 발생된 접촉 압력과 같도록 설정하는 것이 바람직하다.

제 2 실시예에서, 단지 반경 간극으로 인한 니들 롤러(32)의 스큐각(θ2)에서만 서로 다른 다수의 트라이포드 조인트를 고려하면, 유기 스러스트(induced thrust)가 측정되고, 도 7에 도시된 결과가 얻어진다. 시험 조건은 다음과 같다.

토크: 294N·m

작동각: 7deg

RPM: 150

도 7은 트라이포드 조인트의 유기 스러스트를 나타내는 수직축과 계산된 스큐각(θ2)을 나타내는 수평축으로 스러스트 힘 측정 데이터를 구한 것을 나타낸다. 도면으로부터 스큐각(θ2)이 4.0°∼4.5°의 범위 내에 있을 때 스러스트 힘이 최소값에 있다는 것을 알 수 있다. 스큐각(θ2)이 4.5°를 넘으면, 스러스트 힘은 특정값에 이를 때까지 증가한다. 또한, 스큐각(θ2)이 4.0°보다 작게 되면, 스러스트 힘이 증가하는 경향이 있다. 그러므로, 니들 롤러(32)의 스큐를 고려하여, 스큐각(θ2)을 4.0°∼4.5°의 범위로 설정하면 트라이포드 조인트의 유기 스러스트와 진동을 감소시킬 수 있다.

상기 설명한 바와 같이, 제 2 실시예에 따른 트라이포드 조인트는 내주면에 등간격으로 배치되어 축방향으로 연장하는 3개의 트랙 홈들을 가지는 외부 조인트 부재, 토크 전달용 축에 맞춰지도록 된 트러니언 배럴과 이 트러니언 배럴의 주변에서 등간격으로 배치된 3지점에서 방사상으로 돌출한 트러니언 저널들로 이루어진 트러니언, 및 다수의 니들 롤러들을 통한 회전을 위해 트러니언 저널들에 각각 부착되고 트랙 홈들에 수용된 롤러들을 포함하고, 각각의 롤러는 트랙 홈의 마주보는 측벽에 형성된 롤러 안내면에 의해 그 외주면에서 안내된다. 따라서, 니들 롤러의 스큐각을 소정의 특정값 내에 있도록 조절하여 트라이포드 조인트의 진동을 감소시킬 수 있다.

원주 간극으로 인해 발생할 수 있는 스큐각(θ1)과 반경 간극으로 인해 발생할 수 있는 스큐각(θ2), 이 두가지 형태의 스큐각중 작은 쪽이 실제로 발생할 수 있는 스큐각이기 때문에, 롤러와 트러니언 저널 사이의 환상 공간에서 원주 간극으로 인해 발생할 수 있는 니들 롤러의 스큐각(θ1)이 반경 간극으로 인해 발생할 수 있는 니들 롤러의 스큐각(θ2)보다 크게하여(θ1＞θ2), 후자의 스큐각(θ2)만을 조절하여 니들 롤러의 스큐에 대한 측정을 할 수 있다.

도 8a, 8b, 9a, 및 9b를 참조하여 본 발명의 제 3 실시예를 설명한다.

트라이포드 조인트의 기본 구조와 상기 설명이 도 2a, 2b, 3a, 3b, 및 3c와 관계되는한 제 1, 제 2 및 제 3 실시예는 동일하다. 여기서, 도 8a에 도시된 바와 같이, 트러니언 저널(22)의 기부는 2단의 형태이다. 즉, 트러니언 배럴(21)로부터 돌출한 단 부분이 형성되고 원통형 외주면(24)이 단 부분으로부터 확장한다. 원통 형 외주면(24) 기부 끝의 코너는 소정의 곡률반경(Rb)를 가진 하나의 연속적인 R면이다. 도 8b에 도시된 종래 기술의 경우, 트러니언 배럴(21')은 곡률반경(Ra)을 가지는 R면을 통해 원통형 외주면(24')과 직접 접촉한다. 두 도면 사이의 비교로부터 명백한 바와 같이, Ra＞Rb 및 tw1＞tw2의 관계가 있다.

표 1은 도 2a 및 2b에 도시된 실시예의 여러 부분들의 치수비로 주어진 재고의 예를 나타낸다.

항목		비율(%)의 재고		재고로 얻는 효과
		종래기술	실시예	a	b	c	d
	Φds/PCD	45∼49	50∼55	○	○	-	-
	Φdr/SDj	60∼63	65∼70	-	○	○	-
	ΦD2/ΦD1	59∼64	66∼72	-	-	○	○
	Ls/ΦDs	32∼36	24∼27	○	○	-	-
	ΦDj/ΦDs	46∼57	54∼57	-	○	-	-
	ΦDj/Φds	73∼86	83∼86	-	○	-	-
	Ln/ΦDj	58∼76	47∼50	○	○	-	-

표 1에 나타난 예에 있어서, 도 2a 및 2b의 배열에서 여러 부분들의 치수들(도 9a 및 9b 참조)은 다음과 같이 설정했다.

축 직경/PCD의 백분율(Φds/PCD)은 50%∼55%로 설정했다. 축 직경(Φds)은 허용 부하 용량으로부터 결정했고, 롤러 안내면(14)의 피치원 직경(PCD)은 외경(Φds)에 대한 롤러(30)의 폭(Ls)의 비율로부터 결정했다.

트러니언 배럴 직경/트러니언의 외경의 백분율(Φdr/SDj)은 65%∼70%로 설정했다. 트러니언 배럴 직경(Φdr)은 소정의 토크가 작용하는 동안의 비틀림 강도로부터 결정했고, 트러니언 외경(SDj)은 롤러(30)의 폭(Ls), 와셔 높이, 및 외부 조인트 부재(10)의 대내경(ΦD1)으로부터 결정했다.

외부 조인트 부재(10)의 소내경/대내경의 백분율(ΦD2/ΦD1)은 66%∼72%로 설정했다. 외부 조인트 부재(10)의 소내경은 축 직경(Φds)과 트러니언 배럴 직경(Φdr)의 작동 영역을 확보할 수 있는 값으로 설정했고, 대내경(D1)은 트랙 홈(12)의 피치원 직경(PCD)과 트러니언 외경(SDj)으로부터 결정했다.

롤러(30)의 폭/외경의 백분율(Ls/ΦDs)은 24%∼27%로 설정했다. 롤러(30)의 폭(Ls) 및 외경(ΦDs)은 소정의 토크를 적용할 때 롤러(30)와 롤러 안내면(14) 사이의 접촉 타원 길이 및 접촉 표면 압력을 고려하여 최적값으로 설정했다.

트러니언 저널 직경/롤러 외경의 백분율(ΦDj/ΦDs)은 54%∼57%로 설정했다. 트러니언 저널 직경(ΦDj)은 비틀림 강도를 확보하기 위해 현행의 치수와 같게 만들고, 롤러 외경(ΦDs)은 접촉 표면 압력에 기초하여 설정했다.

트러니언 저널 직경/축 직경의 백분율(ΦDj/Φds)은 83%∼86%로 설정한다. 비틀림 강도와 내구성을 확보하기 위해 현행 비율과 동일한 치수로 설정했다.

니들 롤러 길이/트러니언 저널 직경의 백분율(Ln/ΦDj)은 47%∼50%로 설정했다. 니들 롤러 길이(Ln)는 베어링에 대한 최대 접촉 표면 압력을 고려하여 설정했다. 또한, 계단 형태를 제공하기 위한 기부의 직경을 대응적으로 증가시키도록 트러니언 저널(22) 기부(R)의 크기를 줄이고 내부 와셔를 얇게 함으로써, 기부와 세레이션들 사이의 벽 두께가 증가하고 또한 비틀림 강도를 증가시킬 수 있다.

표 1에서, 재고로 얻는 효과의 항목에서의 열들(a∼d)은 다음의 항목들을 나타낸다.

a: 경량, 소형

b: 강도와 내구성 사이의 균형

c: 공정 능력

d: 작동 영역의 확보

특히 축의 강도와 상용에서의 여지가 있는 내구성 면에서, 강도와 내구성 사이의 균형을 고려하면서, 종래의 트라이포드 조인트들이 강도의 관점에 특별한 주의를 기울여 설계되었다는 사실에 주목하면, 본 발명의 제 3 실시예는 외부 조인트 부재의 외형 크기를 가능한 줄여 트라이포드 조인트의 경량화 및 소형화를 이룬다.

강도의 관점에서, 축과 트러니언는 강도와 내구성 면을 같게 하고, 니들 롤러와 트러니언 저널 사이의 접촉 표면 압력을 주의하면, 이 표면 압력은 소정의 값까지 허용되고, 그로인해 외부 조인트 부재의 소형화가 이루어진다.

내구성의 관점에서, 트러니언 저널에서의 접촉 표면 압력에 주의하면 트러니언 저널에서의 접촉 표면 압력은 종래의 트라이포드 조인트에 비해 상용치의 최대 1.15배까지 허용된다. 종래의 트라이포드 조인트는 DOJ(더블 옵셋 조인트)의 내구성의 두 배 미만이기 때문에, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 트라이포드 조인트는 DOJ의 내구성 이상의 내구성을 가질 수 있다.

	타원 다리 축	진원 다리축
종래기술	259.2	343.7
실시예	292.9	398.1
비율	1.13	1.16

단위: ㎏f/㎟

본 발명에 따른 트라이포드 등속 유니버설 조인트는 진동특성을 악화시키지 않으면서 진동을 줄이고, 강도와 내구성 사이의 균형을 고려하면서, 외부 조인트 부재의 외형 크기를 가능한 줄여 트라이포드 조인트의 경량화 및 소형화를 이룰 수 있다.

Claims (23)

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7. 삭제
8. 내주면에 등간격으로 배치되어 축방향으로 연장하는 3개의 트랙 홈들을 가지는 외부 조인트 부재,

   토크 전달용 축에 끼워맞춤되기 적합한 트러니언 배럴과 상기 트러니언 배럴의 원주에 등간격으로 배치되어 방사상으로 돌출한 3개의 트러니언 저널들을 갖는 트러니언, 및

   다수의 니들 롤러에 의한 회전을 위해 상기 트러니언 저널들에 각각 부착되고 트랙 홈들에 수용된 롤러들을 구비하고,

   각각의 롤러는 상기 트랙 홈의 마주보는 측벽에 형성된 롤러 안내면에 의해 외주면에 안내되며,

   원주 간극에 의해 발생될 수 있는 니들 롤러들의 스큐각(θ1)은 상기 롤러와 상기 트러니언 저널 사이의 환상 공간에서 상기 니들 롤러의 반경 간극에 의해 발생될 수 있는 니들 롤러들의 스큐각(θ2)보다 더 크고,

   상기 롤러와 상기 트러니언 저널 사이의 환상 공간에서 상기 니들 롤러의 반경 간극에 의해 야기된 니들 롤러의 스큐각(θ2)은 4.0°∼4.5°인 것을 특징으로 하는 트라이포드 등속 유니버설 조인트.
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12. 제 8항에 있어서, 상기 롤러의 곡률반경(r)에 대한 롤러 안내면의 곡률반경(R)의 비(R/r)가 1.02∼1.2인 것을 특징으로 하는 트라이포드 등속 유니버설 조인트.
13. 제 12항에 있어서, 상기 롤러의 외경(do)에 대한 폭(Ls)의 비(Ls/do)는 0.24∼0.27의 범위인 것을 특징으로 하는 트라이포드 등속 유니버설 조인트.
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