KR101657061B1

KR101657061B1 - 리니어 액추에이터

Info

Publication number: KR101657061B1
Application number: KR1020150035221A
Authority: KR
Inventors: 이창훈; 문국찬; 최봉기; 이경민; 송종은
Original assignee: 주식회사 유니크
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2016-09-20
Also published as: EP3070825A1

Abstract

본 발명은 트랜스퍼 케이스의 4H/4L 모드 전환 구조를 단순화하며 4H/4L 모드의 전환이 확실하게 이루어질 수 있도록 하는 리니어 액추에이터에 관한 것으로, 스풀 형상의 보빈과, 상기 보빈의 외주면에 감긴 코일과, 상기 보빈을 관통하여 결합되고 내부에 작동공간이 형성된 코어와, 상기 보빈의 상부에 결합되며 안내공이 형성된 요크와, 상기 작동공간에 이동 가능하게 설치된 플런저와, 상기 플런저를 관통하여 결합되고 상기 안내공을 통해 외부로 돌출된 로드와, 상기 코어와 상기 플런저 사이에 설치되어 상기 플런저를 상향으로 탄성 지지하는 스프링과, 상기 보빈의 둘레에 마련되고 일측에 커넥터가 마련된 홀더와, 상기 홀더를 감싸도록 결합된 케이스를 포함하여 구성된다.

Description

리니어 액추에이터{LINEAR ACTUATOR}

본 발명은 4륜구동차량의 트랜스퍼 케이스에 설치되는 리니어 액추에이터에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 4H 모드와 4L 모드를 전환할 때 사용되는 리니어 액추에이터에 관한 것이다.

차량의 구동방식은 2륜구동방식과 4륜구동방식으로 구분된다. 2륜구동방식은 엔진에서 발생한 구동력을 전륜과 후륜 중 어느 하나에만 전달하는 방식이고, 4륜구동방식은 구동력을 전륜과 후륜에 모두 전달하는 방식이다. 이 중에서, 4륜구동방식은 파트타임 4륜구동방식(part-time four wheel drive; 4WD)과, 풀타임 4륜구동방식(full-time four wheel drive; AWD)로 다시 구분된다. 파트타임 4륜구동방식은 2륜구동과 4륜구동을 필요에 따라 선택할 수 있는 방식이며, 풀타임 4륜구동방식은 항상 4륜구동을 하는 방식이다.

상술한 4륜구동방식은 4개의 바퀴에 구동력이 전달되므로 요철이 많은 험로나 미끄러지기 쉬운 노면에서 주행성이 우수하다. 특히, 풀타임 4륜구동방식의 경우 각 바퀴의 접지력과 회전수를 감안하여 구동력을 분배하므로, 바퀴의 접지력을 최적화할 수 있어 안정적인 주행이 가능하다.

일반적으로, 4륜구동차량에는 엔진에서 발생한 구동력을 전륜과 후륜으로 분배하는 트랜스퍼 케이스(transfer case)가 설치된다. 파트타임 4륜구동차량의 트랜스퍼 케이스에는, 2H 모드와 4H 모드를 변환하는 모드 변환 기능과, 4H 모드와 4L 모드를 전환하는 변속 전환 기능이 구비된다.

대한민국공개특허공보 제2012-0079568호(2012.07.13.)에는 4륜구동차량용 트랜스퍼 케이스가 개시되어 있다.

도 6을 참조하여 종래의 트랜스퍼 케이스를 살펴보면, 변속기에 연결되는 입력축(11)에는 후륜으로 동력을 인출하는 출력축(12)이 구비되고, 출력축(12)에는 4H/4L 모드 전환용 제1슬리브(13)가 구비된다. 또한, 출력축(12)에는 2H 모드에서 4H 모드로 전환할 때 전륜으로 동력을 전달하기 위한 제2슬리브(14)와 콘(15)이 구비된다. 제2슬리브(14)는 출력축(12)에 공회전 가능하게 설치되며 구동 스프로켓(16)을 따라 이동 가능하게 설치되어 4H 모드 시 콘(15)에 결합되도록 구성된다.

2H 모드에서 4H 모드로 전환할 경우 제어기(미도시)로부터 신호를 받아 작동하는 모터(17)에 의해 구동캠(18)이 회전하고, 구동캠(18)에 의해 작동하는 쉬프트 포크(19)가 제2슬리브(14)를 이동시켜 콘(15)에 결합시킨다. 이와 같이, 제2슬리브(14)와 콘(15)이 결합되면 출력축(12)의 회전력이 제2슬리브(14)를 통해 전륜으로 인출된다.

한편, 구동캠(18)은 4H/4L 모드 전환용 제1슬리브(13)를 직선으로 왕복 이동시키기 위한 구동포크(21)를 작동시킨다. 제1슬리브(13)가 유성기어세트(22)의 선기어에 맞물리면 4H 모드로 전환되고, 캐리어에 맞물리면 4L 모드로 전환된다.

상술한 제1슬리브(13)와 유성기어세트(22)를 이용한 4H/4L 모드 전환 구조는, 복잡한 구성으로 인해 사용이 불편하고 4H/4L 모드의 전환이 확실하게 이루어지지 못하는 단점이 있다. 또한, 곡선도로 주행 시 운전자의 의도와 관계없이 4H 모드에서 4L 모드로, 4L 모드에서 4H 모드로 전환되어 차량의 상태가 불안정해지며 도로 바깥쪽으로 밀리거나 전복될 우려가 있다.

대한민국공개특허공보 제2012-0079568호(2012.07.13.)

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 트랜스퍼 케이스의 4H/4L 모드 전환 구조를 단순화하며 4H/4L 모드의 전환이 확실하게 이루어질 수 있도록 하는 리니어 액추에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 구조가 간단하고 제작이 용이하며, 작동성과 응답성이 우수한 리니어 액추에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 리니어 액추에이터는, 스풀 형상의 보빈과, 상기 보빈의 외주면에 감긴 코일과, 상기 보빈을 관통하여 결합되고 내부에 작동공간이 형성된 코어와, 상기 보빈의 상부에 결합되며 안내공이 형성된 요크와, 상기 작동공간에 이동 가능하게 설치된 플런저와, 상기 플런저를 관통하여 결합되고 상기 안내공을 통해 외부로 돌출된 로드와, 상기 코어와 상기 플런저 사이에 설치되어 상기 플런저를 상향으로 탄성 지지하는 스프링과, 상기 보빈의 둘레에 마련되고 일측에 커넥터가 마련된 홀더와, 상기 홀더를 감싸도록 결합된 케이스를 포함한다.

상기 코어의 중단 외주면에 자력강화홈이 형성된다. 상기 코어의 내부에 형성된 상기 작동공간은, 상기 플런저가 이동 가능하게 설치되는 제1작동공간과, 상기 로드가 이동 가능하게 설치되는 제2작동공간으로 이루어진다. 이때, 상기 제2작동공간에는 상기 로드의 이동을 지지하며 마찰을 저감하기 위한 드라이 베어링이 설치되고, 상기 드라이 베어링과 상기 플런저 사이에 상기 스프링이 위치된다.

상기 로드는, 상기 플런저를 관통하는 소경부와, 상기 소경부의 상부에 형성된 대경부로 이루어지고, 상기 대경부와 상기 플런저 사이에 비자성체 심플레이트가 개재된다.

상기 요크의 상면에는 가이드가 돌출되고, 상기 안내공이 상기 가이드를 상하로 관통하도록 형성된다. 이때, 상기 안내공의 내벽에 도금층이 형성된다.

또한, 본 발명은, 상기 홀더의 내부에 설치되고 상기 커넥터를 통해 외부로 돌출되며 상기 코일과 전기적으로 연결된 터미널과, 상기 홀더의 내부에 마련되고 상기 터미널과 전기적으로 연결된 다이오드를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명은 리니어 액추에이터를 통해 웜기어의 회전을 허용 또는 제한하여 트랜스퍼 케이스의 4H/4L 모드 전환하므로, 트랜스퍼 케이스의 4H/4L 모드 전환 구조를 단순화할 수 있고, 4H/4L 모드의 전환이 확실하게 이루어질 수 있도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 리니어 액추에이터는 구조가 간단하고 제작이 용이할 뿐만 아니라 작동성과 응답성이 우수하여 트랜스퍼 케이스의 모드 전환용 액추에이터로 적합하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 액추에이터의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 액추에이터의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 액추에이터가 트랜스퍼 케이스에 설치된 상태의 사시도.
도 4와 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 액추에이터의 작동 상태도.
도 6은 종래의 트랜스퍼 케이스를 도시한 단면도.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이하, 본 발명에 따른 실시예를 설명함에 있어, 그리고 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 부가하였다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어 액추에이터(100)는 전원의 인가 여부에 따라 작동하는 솔레노이드 방식의 액추에이터로서, 전원이 인가될 경우 로드(160)가 삽입되어 웜기어(도 4의 200)의 회전을 허용하고, 전원이 차단될 경우 로드(160)가 돌출되어 웜기어(200)의 회전을 제한하는 장치이다.

도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 리니어 액추에이터(100)를 구조를 살펴보도록 한다.

리니어 액추에이터(100)는, 보빈(110)과, 보빈(110)의 외주면에 감긴 코일(120)과, 보빈(110)을 관통하여 결합된 코어(130)와, 보빈(110)의 상부에 결합된 요크(140)와, 코어(130)의 내부에 이동 가능하게 설치된 플런저(150)와, 플런저(150)에 결합되며 외부로 돌출된 로드(160)와, 플런저(150)를 상향으로 탄성 지지하는 스프링(170)과, 보빈(110)을 감싸는 홀더(180) 및 케이스(190)를 포함하여 구성된다.

보빈(110)은 중공의 스풀(spool) 형상이다. 즉, 보빈(110)은, 원통 형상의 몸체(112)와, 몸체(112)의 상단 및 하단에 각각 마련된 플랜지(114)로 이루어진 스풀 형상이다. 플랜지(114)는 몸체(112)의 외주면에 감긴 코일(120)을 보호함과 동시에 코일(120)이 일정한 두께로 감길 수 있도록 안내하는 역할을 한다. 이때, 상부 플랜지(114a)의 상면과 하부 플랜지(114b)의 하면에 고정돌기(116)가 형성되어, 보빈(110)에 결합된 홀더(180)가 임의로 분리되지 않도록 한다.

코일(120)은 보빈(110)의 주위에 자기장을 발생시키는 도선이다. 코일(120)은 보빈(110)의 외주면에 촘촘하고 균일하게 감겨 일정한 두께의 원통 형상을 이룬다. 코일(120)에서 발생한 자기장은 코어(130)와 요크(140)에 의해 유도되어 플런저(150)를 이동(하강)시킨다. 이때, 플런저(150)를 이동시키는 자기장의 세기는 코일(120)을 따라 흐르는 전류의 세기 및 보빈(110)에 감긴 코일(120)의 수에 비례한다. 따라서 코일(120)에 높은 전류를 인가할 경우, 그리고 코일(120)을 많이 감을 경우 강한 자기장을 발생시켜 플런저(150)의 이동을 확실하게 제어할 수 있다.

보빈(110)의 상부와 하부에는 요크(140)와 코어(130)가 결합된다. 코어(130)와 요크(140)는 코일(120)에서 발생한 자기장을 유도하여 가동철심인 플런저(150)를 이동시키는 고정철심이다.

코어(130)는 보빈(110)을 관통하는 원주 형상이다. 코어(130)의 상단 외주면에는 장착홈(132)이 형성되고, 중단 외주면에는 자력강화홈(134)이 형성되며, 하단 외주면에는 플랜지(136)가 형성된다.

코어(130)의 상단은 보빈(110)을 관통하여 상부로 돌출되며, 요크(140)의 결합홈(144)에 삽입 및 고정된다. 장착홈(132)은 결합홈(144)에 삽입되는 코어(130)의 상단 외주면에 형성되고, 장착홈(132)에는 오링(R)이 설치된다. 오링(R)은 코어(130)와 요크(140) 사이를 밀봉하여 플런저(150)와 로드(160)의 이동 시 액추에이터(100)의 내부로 이물질이 유입되는 것을 방지한다.

자력강화홈(134)은 코어(130)로 유도된 자기장을 특정 위치에 집중시켜 플런저(150)를 이동시킬 수 있는 충분한 자기력을 확보하기 위한 것이다. 도 2에 도시된 것처럼, 자력강화홈(134)은 내측으로 갈수록 폭이 좁아지는 테이퍼 형상의 단면으로 형성되는데, 자력강화홈(136)을 테이퍼 형상으로 제작할 경우 해당 부위에 자속밀도를 집중시켜 플런저(150)의 이동을 더욱 확실하게 제어할 수 있다.

플랜지(136)는 보빈(110)에 결합된 코어(130)를 특정 위치에 고정하기 위한 것이다. 플랜지(136)는 보빈(110)과 코어(130)의 결합 시 보빈(110)의 하부 플랜지(114b)와 접촉하여 코어(130)가 보빈(110)의 내부에서 유동하는 것을 방지한다.

한편, 코어(130)의 내부에는 플런저(150)와 로드(160)의 이동을 위한 작동공간(138)이 형성된다. 작동공간(138)은, 코어(130)의 중단 내부에 형성된 제1작동공간(138a)과, 제1작동공간(138a)의 하부에 형성된 제2작동공간(138b)으로 이루어진다. 제1작동공간(138a)은 제2작동공간(138b)보다 큰 직경으로 형성되고, 코어(130)의 중단에서 상단까지 연장되어 상부로 개방된 형태를 갖는다. 제2작동공간(138b)는 제1작동공간(138a)보다 작은 직경이며, 제1작동공간(138a)과 연결된 형태를 갖는다. 제1작동공간(138a)에는 플런저(150)가 이동 가능하게 설치되고, 제2작동공간(138b)에는 로드(160)의 하단이 이동 가능하게 설치된다. 이때, 제2작동공간(138b)에는 로드(160)의 이동을 지지하며 마찰을 저감하기 위한 드라이 베어링(B)이 설치된다.

요크(140)는 서로 다른 직경을 가진 다단의 원판 형상이다. 요크(140)의 상단은 리니어 액추에이터(100)의 설치 시 트랜스퍼 케이스(도 3의 1)에 삽입된다. 요크(140)의 상단 외주면에는 장착홈(142)이 형성되고, 장착홈(142)에는 오일의 누출을 방지하기 위한 오링(O)이 설치된다. 요크(140)의 중단은 상단 및 하단보다 큰 직경으로 형성되며 케이스(190)에 의해 고정된다. 요크(140)의 하단은 홀더(180)에 삽입되며, 하단 내부에는 코어(130)의 상단이 삽입되는 결합홈(144)이 형성된다. 또한, 결합홈(144)의 상부에는 작동공간(138)과 연결된 작동홈(146)이 형성된다.

한편, 요크(140)의 상면에는 가이드(148)가 돌출되고, 가이드(148)의 내부에는 로드(160)의 이동을 안내하는 안내공(149)이 형성된다. 도면에 도시되진 않았지만, 안내공(149)의 내벽에는 로드(160)와의 마찰력을 감쇠하기 위한 도금층이 형성된다. 일례로, 도금층은 제1도금층과 제2도금층으로 이루어진 복층구조이며, 제1도금층의 재질은 니켈(Ni) 또는 크롬(Cr)이고, 제2도금층의 재질은 이황화텅스텐(WS₂) 또는 붕소(B)일 수 있다.

플런저(150)는 코일(120)에서 발생하여 코어(130)와 요크(140)로 유도된 자기장에 의해 왕복운동을 하는 가동철심이다. 플런저(150)는 소정 길이를 갖는 원기둥 형상이다. 플런저(150)에는 중심을 수직으로 관통하는 제1관통공(152)과 수평으로 관통하는 제2관통공(154)이 형성된다. 제1관통공(152)은 로드(160)가 결합되는 부분이고, 제2관통공(154)은 플런저(150)에 결합된 로드(160)를 고정하는 고정핀(156)이 결합되는 부분이다. 또한, 플런저(150)의 하면에는 스프링(170)의 상단이 삽입되는 삽입홈(158)이 형성된다.

로드(160)는, 요크(140)를 관통하는 대경부(162)와, 플런저(150)를 관통하는 소경부(164)로 이루어진다. 대경부(162)는 안내공(149)을 따라 이동하며 요크(140)의 외부로 돌출되거나 요크(140)의 내부로 삽입된다. 소경부(164)는 제1관통공(152)에 삽입되고 고정핀(156)에 의해 고정된다. 이때, 소경부(164)의 하단은 제2작동공간(138b)까지 연장되어 드라이 베어링(B)에 의해 지지된다.

한편, 로드(160)의 대경부(162)와 플런저(150) 사이에는 심플레이트(166)가 개재되는데, 심플레이트(166)는 비자성체 재질로 제작되어 플런저(150) 및 로드(160)가 원활하게 이동할 수 있도록 한다.

스프링(170)은 플런저(150)의 하부에 위치되어 플런저(150)를 상향으로 탄성 지지하는 코일 스프링이다. 플런저(150)는 전원이 인가될 경우 자기장에 의해 하강하지만, 전원이 차단되면 스프링(170)의 탄성에 의해 상승한다.

홀더(180)는 보빈(110)을 감싸도록 형성되며, 일측에 커넥터(182)가 형성된다. 홀더(180)의 내부에는 코일(120)과 전기적으로 연결된 터미널(184)이 마련되되 터미널(184)의 일단은 커넥터(182)를 통해 외부로 노출된다. 홀더(180)의 내부에 위치된 터미널(184)의 타단에는 다이오드(186)가 설치된다. 다이오드(186)는 터미널(184)과 전기적으로 연결되어 전원 차단 시 역기전력이 발생되는 것을 방지한다.

케이스(190)는 상부가 개방되고 하부가 밀폐된 컵(cup) 형상이다. 케이스(190)의 내부에는 수납공간(192)이 형성되고, 수납공간(192)에는 보빈(110)을 포함한 부품(110~180)이 설치된다. 이때, 케이스(190)의 상단은 요크(140)의 중단을 감싸도록 코킹(caulking) 처리된다. 이처럼 케이스(190)의 상단을 코킹 처리할 경우 요크(140)가 보빈(110) 측으로 압착되어 케이스(190)의 내부에 설치된 부품(110~180)을 밀착시킨다. 따라서 케이스(190)의 내부에 설치된 부품(110~180)의 유동을 방지할 수 있으며, 케이스(190)의 상부로 이물질이 유입되는 것을 방지할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 리니어 액추에이터(100)는 트랜스퍼 케이스(1)에 설치되어 웜기어(도 4의 200)의 회전을 허용 또는 제한함으로써 4H/4L 모드 전환한다.

도 4와 도 5는 본 실시예에 따른 리니어 액추에이터(100)의 작동 상태를 도시한 도면으로, 도 4는 전원이 인가되지 않은 상태를 도시하고, 도 5는 전원이 인가된 상태를 도시한다.

도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 리니어 액추에이터(100)에 전원이 인가되지 않은 상태에서는 스프링(170)의 탄성에 의해 플런저(150)가 이동(하강)하여 로드(160)의 하단이 요크(140)의 외부로 돌출된다. 이때, 요크(140)의 외부로 돌출된 로드(160)의 하단은 웜기어(200)의 상면에 돌출된 걸림턱(210)의 회전 궤적 상에 위치되어 웜기어(200)의 회전을 제한한다.

반면, 리니어 액추에이터(100)에 전원이 인가되면 코일(120)에서 발생한 자기장이 코어(130)와 요크(140)에 의해 유도되어 플런저(150)를 상승시킨다. 따라서 플런저(150)에 결합된 로드(160)가 함께 상승하여 요크(140)의 내부로 삽입되며, 웜기어(200)의 회전을 허용한다(도 2 및 도 5 참조).

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 트랜스퍼 케이스 100: 리니어 액추에이터
110: 보빈 120: 코일
130: 코어 140: 요크
150: 플런저 160: 로드
170: 스프링 180: 홀더
190: 케이스 200: 웜기어

Claims

스풀 형상의 보빈;
상기 보빈의 외주면에 감긴 코일;
상기 보빈을 관통하여 결합되고, 내부에 작동공간이 형성된 코어;
상기 보빈의 상부에 결합되며, 안내공이 형성된 요크;
상기 작동공간에 이동 가능하게 설치된 플런저;
상기 플런저를 관통하여 결합되고, 상기 안내공을 통해 외부로 돌출된 로드;
상기 코어와 상기 플런저 사이에 설치되어 상기 플런저를 상향으로 탄성 지지하는 스프링;
상기 보빈의 둘레에 마련되고, 일측에 커넥터가 마련된 홀더; 및
상기 홀더를 감싸도록 결합된 케이스를 포함하고,
상기 로드는, 상기 플런저를 관통하는 소경부와, 상기 소경부의 상부에 형성된 대경부로 이루어지며,
상기 대경부와 상기 플런저 사이에 비자성체 심플레이트가 개재된 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
청구항 1에 있어서,
상기 코어의 중단 외주면에 자력강화홈이 형성된 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
청구항 2에 있어서,
상기 작동공간은, 상기 플런저가 이동 가능하게 설치되는 제1작동공간과, 상기 로드가 이동 가능하게 설치되는 제2작동공간으로 이루어진 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
청구항 3에 있어서,
상기 로드의 이동을 지지하며 마찰을 저감하기 위한 드라이 베어링이 상기 제2작동공간에 설치되고,
상기 스프링이 상기 플런저와 상기 드라이 베어링 사이에 위치된 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 플런저와 상기 로드는, 상기 플런저의 측면을 관통하는 고정핀에 의해 결합된 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
청구항 1에 있어서,
상기 요크의 상면에는 가이드가 돌출되고, 상기 안내공이 상기 가이드를 상하로 관통하도록 형성된 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
청구항 7에 있어서,
상기 안내공의 내벽에 도금층이 형성된 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
청구항 7에 있어서,
상기 요크의 하면에는 상기 코어가 삽입되는 결합홈이 형성되며, 상기 요크와 상기 코어 사이에 오링이 개재된 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
청구항 1에 있어서,
상기 홀더의 내부에 설치되고 상기 커넥터를 통해 외부로 돌출되며 상기 코일과 전기적으로 연결된 터미널; 및
상기 홀더의 내부에 마련되고 상기 터미널과 전기적으로 연결된 다이오드를 더 포함하는 리니어 액추에이터.