KR101699734B1 - 전동 분리 조립체, 전동 분리 시스템, 그리고 2개의 샤프트들을 선택적으로 맞물리게 하기 위한 방법 - Google Patents

전동 분리 조립체, 전동 분리 시스템, 그리고 2개의 샤프트들을 선택적으로 맞물리게 하기 위한 방법 Download PDF

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에이브릴 브라이언
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원 인더스트리즈, 아이엔씨.
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Abstract

차량 구동트레인의 2개의 회전 구성요소들을 선택적으로 맞물리고 맞물림 해제하도록 동작 가능한 전동 분리 방법들 및 시스템들이 제공된다. 하나의 예로서, 전기 모터를 통해 동작하고 두 회전 구성요소들을 선택적으로 결합하기 위해 축 방향으로 시프터 조립체를 이동시키면서 시프터 조립체를 회전시키기 위한 요동 기어 트랙 및 캠 프로파일을 구비하는 시프터 조립체를 포함하는 전동 분리 시스템이 제공된다.

Description

전동 분리 조립체, 전동 분리 시스템, 그리고 2개의 샤프트들을 선택적으로 맞물리게 하기 위한 방법{A MOTORIZED DISCONNECT ASSEMBLY, A MOTORIZED DISCONNECT SYSTEM, AND A METHOD FOR SELECTIVELY ENGAGING TWO SHAFTS}
관련 출원들과의 상호 참조
본 출원은 2014년 4월 16일에 제출된 미국 예비(Provisional) 특허 출원번호 61/980,425의 "전동 분리 시스템 및 동작 방법들(Motorized Disconnect System and Operation Methods)" 및 2014년 9월 17일에 제출된 미국 예비 특허 출원번호 62/051,864의 "전동 분리 시스템 및 동작 방법들(Motorized Disconnect System and Operation Methods)"의 우선권을 주장하고, 이들 각각의 전체 내용들은 모든 목적들을 위해 이에 참조로서 통합된다.
본 출원은 일반적으로 차량의 두 회전 구성요소(rotating component)들을 맞물리게 하고(engage) 풀리게 하는(disengage) 전동 분리 시스템에 관한 것이다.
현대의 차량들은 흔히 엔진에서 구동 휠(driven wheel)들로 동력을 제공하기 위해 하나 이상의 구동트레인(drivetrain) 모드들을 포함한다. 예를 들어, 단지 2륜 구동 시스템, 또는 4x2 모드만을 가지는 차량은 하나 또는 일련의 회전 샤프트들을 통해 동력을 차량의 두 휠(wheel)들에 제공할 수 있다. 소형차들과 같은 차량들은 동력이 2개의 전륜들에 제공되는 전륜 구동 시스템을 사용할 수 있다. 다른, 흔히 더 큰 차량들에서는, 2륜 구동 및 4륜 구동 주행 모드들을 통합하여, 동력이 한 모드에서는 두 휠들로 다른 모드에서는 네 휠들로 선택적으로 분배되는 것이 흔히 바람직하다. 상이한 크기들의 차량들은 연료 소모를 줄이고 동력 소비를 줄이기 위하여 여전히 2륜 구동으로 전환할 수 있으면서도 변하는 견인력 조건(condition)들 동안 더 양호한 핸들링을 가능하게 할 목적으로 후륜들의 2륜 구동 및 4륜 구동을 흔히 통합한다.
전환 가능한 구동 모드들을 구비하는 차량들의 경우, 차축(axle)들 및 샤프트(shaft)들과 같은 구동트레인 구성요소들을 맞물리게 하고 풀리게 하는 디바이스들 및 시스템들이 필요하다. 그에 따라, 흔히 2개의 샤프트들과 같은 2개의 회전 가능 구성요소들을 연결하거나 분리하도록 이동할 수 있는 클러치의 형태를 흔히 수반하는 분리 조립체들이 사용된다. 분리 조립체(disconnect assembly)들은 휠 단부들, 하나 이상의 차축들, 또는 구동 샤프트들 중 하나를 따라서 배치되는 것을 포함하여 차량의 구동트레인의 여러 에어리어(area)들에 배치될 수 있다. 분리 시스템들의 사용을 통해, 차량들은 운전 여건들 및 동작자의 바람에 따라 상이한 구동 모드들 사이에서 전환되는 능력을 가짐으로써 더욱 다용도화될 수 있다.
일부 동력트레인(powertrain) 분리 시스템들에서는, 차량 엔진으로부터 기원하는 진공이 분리 시스템에 동력을 가하는 동기(motive) 또는 작동력(actuating force)으로 사용된다. 특히, 분리 시스템 액추에이터(actuator)들이 진공에 의해 동력을 공급받을 수 있다. 많은 시스템들에서, 이 진공은 가솔린 연료의 엔진의 흡기 매니폴드(intake manifold)로부터 통로를 통해 기원된다. 이로 인해, 진공 레벨, 또는 진공으로부터 이용 가능한 힘 또는 압력의 양은 엔진 스로틀(throttle) 세팅들이 엔진 부하에 따라 변할 때 바뀔 수 있다. 터보차지(turbocharge)식 디젤 연료 엔진 시스템들의 경우, 진공은 보조 펌프에 의해 발생될 수 있다. 가솔린 및 터보차지식 디젤 엔진 시스템들 이 둘 모두의 경우, 진공 레벨(이용 가능한 압력의 양)은 제한되거나 고도(altitude)의 영향들에 따라 변할 수 있다. 더욱이, 온도 변화들 또한 진공 레벨의 압력 변동(pressure fluctuation)들을 일으킴으로써, 분리 액추에이터의 이동의 변동들을 일으킬 수 있고 이 이동은 결과적으로 다이아프램(diaphragm) 및 클러치 구성요소들과 같은 분리 구성요소들을 원치 않게 이동시킬 수 있다. 게다가, 일부 차량들에서는 진공을 이용하는 것이 용이하지 않을 수 있는데 왜냐하면 다양한 차량 부속 시스템들이 진공으로 동력을 공급받지 않을 수 있거나 또는 엔진 제어 및 성능을 향상시키기 위해 진공 라인들과 같은 엔진 흡기 연결부들을 제거하도록 차량이 설계될 수 있기 때문이다. 마지막으로, 진공에 의해 동력을 공급받는 동력트레인 분리 시스템들은 차량 설계가 더 진보함에 따라 점점 더 바람직해지지 않고 있다. 이에 따라, 현대의 차량 시스템들에 도움이 되는 진공 및 피처(feature) 설계들 이외의 소스(source)들에 의해 동력을 공급받는 동력트레인 분리 시스템들이 필요하다. 발명자들은 본원에서 상기 문제들을 인식하였고 이들을 처리하기 위한 다양한 방법들을 개발하였다.
그러므로, 하나의 예에서, 진공 동력 공급 분리부들과 연관되는 상기 문제들은 적어도 부분적으로 전동 분리 조립체(motorized disconnect assembly)에 의해 처리될 수 있고, 이 조립체들은: 시프터 조립체(shifter assembly)를 포함하고, 시프터 조립체는 시프터 조립체의 두 단부들 사이에 제 1 계면 샤프트(interfacing shaft)의 회전 축의 방향으로 파상화(undulating)한 파상화 기어 트랙(gear track)을 포함하고, 기어 트랙은 고정 캠 가이드들 사이에 트랩(trap)된다. 이 방식에서, 분리 조립체에 탑재되어 위치되는 전기 모터에 의해 동력을 공급받고 진공 동력에 의존하지 않는 컴팩트한 분리 조립체가 제공된다. 파상화 기어 트랙은 이 전기 모터가 하나 이상의 특정한 시프트 명령들 또는 모드들 동안에 단지 단일한 방향으로만 구동되도록 함으로써, 시프터 조립체가 축방향을 따라 전후로 이동하는 것을 가능하게 할 수 있다.
다른 예에서, 전동 분리 조립체는 자납식 하우징(housing) 내에 놓이고 두 회전 구성요소 사이에 배치될 수 있다. 이로 인해 다른 분리 조립체들에 비해 더 컴팩트한 설계가 가능할 수 있다. 또한, 이후에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 분리 하우징이 놓임으로써 내부 구성요소들은 먼지 및 원치 않는 그리스(grease) 및/또는 오일과 같은 외부 오염물로부터 보호되고 실질적으로 격리될 수 있다. 내부 구성요소들의 격리는 분리 조립체의 내구성 및 수명을 증가시키는 데 일조함으로써, 자체의 연속 동작을 위한 수리 및 대체 비용들을 줄일 수 있다.
제안되는 동력트레인 분리 시스템은 진공으로 동력을 공급받는 분리부들과 관련되는 상술한 문제들을 경감시킬 수 있는 전기 전동 분리부를 포함할 수 있다. 전기 모터로 동력을 공급받는 분리부는 진공으로 동력을 공급받는 분리부들이 변동(fluctuate)하는 바에 따라 변동하지 않을 수 있다. 더욱이, 분리 조립체는 또한 웜 구동장치(worm drive)를 통해 회전하고 축방향으로 이동하는 시프터 조립체를 특징으로 한다. 이 축방향 이동은 웜 기어가 요동하는(oscillating)(비평면 또는 곡면의) 기어 트랙과 맞물리고 이 요동하는 기어 트랙이 차례대로 시프터 조립체가 회전할 때 이 시프터 조립체를 축방향을 따라 이동시킴으로써 발생될 수 있다. 이 이동은 구동 샤프트들 및/또는 차축들과 같은 두 회전 구성요소들 사이를 맞물리게 하고 풀리게 하는 데 사용될 수 있다.
상기 요약은 상세한 설명에서 더 설명되는 개념들의 선택된 부분들을 간소화된 형태로 소개하기 위해 도입된 것임이 이해되어야 한다. 이 요약은 청구되는 특허 대상의 핵심 또는 본질적인 특징들을 식별하도록 의도되지 않고, 상기 특허 대상의 범위는 상세한 설명의 뒤에 오는 청구항들에 의해 고유하게 규정된다. 더욱이, 상기 청구되는 특허 대상은 상술한 또는 본 명세서의 임의의 부분에 있는 임의의 단점들을 해결하는 구현들로 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 차량의 간소화된 동력트레인을 도시하는 도면이다.
도 2는 차량 구동트레인의 두 회전 구성요소들을 선택적으로 맞물리게 하기 위한 전동 분리부를 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2의 전동 분리부의 시프터 조립체(shifter assembly)를 전개도로 도시하는 도면이다.
도 4는 도 2의 전동 분리부의 단면도를 도시하는 도면이다.
도 5는 도 2의 전동 분리부의 추가적인 뷰(View)들을 도시하는 도면이다.
도 6은 전동 분리부의 위치를 검출하는 자기 바이폴라 센서(magnetic bi-polar sensor) 및 분극 자석들의 다이아그램을 도시하는 도면이다.
도 7은 전동 분리부의 4x4 및 4x2 위치들 사이의 시프팅(shifting)의 일반적 동작을 도시하는 흐름도이다.
도 8은 도 2의 전동 분리부의 시프팅 동작들을 명령하는 제어기의 다이아그램을 도시하는 도면이다.
도 9는 휠 단부에 부착되는 전동 분리 조립체의 다른 예를 도시하는 도면이다.
도 10은 도 9의 전동 분리 조립체의 4x2, 4x4 및 블록된(blocked) 시프트 위치들을 도시하는 도면이다.
도 11은 도 9의 전동 분리부의 단면 및 상세도를 도시하는 도면이다.
도 12는 도 9의 전동 분리부의 제어 조립체를 도시하는 도면이다.
도 13은 도 9의 전동 분리부의 시프터 조립체를 중심으로 위치되는(positioned) 일련의 자석들을 도시하는 도면이다.
도 14는 도 9의 전동 분리부의 스프링들의 편향되는(deflected) 위치들을 도시하는 도면이다.
도 15 및 도 16은 차량의 좌측 또는 우측에 위치되는 전동 분리부의 4x4 및 4x2 위치들 사이의 시프팅의 일반적인 동작을 도시하는 흐름도들이다.
도 17은 도 9의 전동 분리부의 시프팅 동작들을 명령하는 제어기의 다이아그램을 도시하는 도면이다.
도 18 내지 도 22는 차량의 중앙 전동 분리부의 위치를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 23 내지 도 27은 차량의 차축에 대한 중앙 전동 분리부를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2 내지 도 5, 도 9 내지 도 14 및 도 23 내지 도 27은 대략 축척에 따라 도시된다.
다음의 상세한 설명은 차량의 회전 구성요소들을 선택적으로 연결하는 전동 분리 조립체 및 이의 동작의 방법들에 관한 정보를 제공한다. 차량에 원동력(motive power)을 제공하기 위해 엔진, 변속기, 다양한 차축들 및 샤프트들 및 휠들을 포함하는 차량 동력트레인의 예의 실시예가 도 1에 도시된다. 전기 모터에 의해서 동작되며 도 1의 동력트레인과 함께 사용될 수 있는 전동 분리부의 하나의 실시예가 도 2에 도시된다. 도 2의 전동 분리부의 구성요소인, 시프터 조립체가 도 3에 도시된다. 전동 분리부의 추가적인 뷰(View)들이 도 4 및 도 5에 도시된다. 시프터 조립체의 위치를 검출하기 위한 자기 바이폴라 센서 및 연관되는 시스템이 도 6에 도시된다. 전동 분리부를 동작시키는 방법은 도 7에 도시되고 반면에 분리 조립체에 위치되는 제어기의 간략한 개략적인 다이아그램은 도 8에 도시된다. 하나의 예에서, 전동 분리 조립체는 차량의 휠 단부에 위치되는 휠 단부 분리부일 수 있다. 휠 단부 분리부로서 사용되는 전동 분리 조립체의 하나의 실시예는 도 9 내지 도 14에 도시되고 반면에 이 분리부의 일반적인 동작 방식은 도 15 및 도 16에 도시된다. 도 9의 상기 분리부의 제어기에 대한 간략한 개략적인 다이아그램은 도 17에 도시된다. 다른 예에서, 전동 분리 조립체는 도 18 내지 도 22에 도시되는 바와 같이, 전 또는 후륜 차축에 위치되는 중앙 전동 분리부일 수 있다. 중앙 전동 분리 조립체의 하나의 실시예는 도 23 내지 도 27에 도시된다.
본 상세한 설명 전체에 걸쳐 사용되는 용어들과 관련하여, 엔진으로부터 단 2개의 휠들만이 동력을 공급받는 차량 동작은 2륜 구동(two-wheel drive) 또는 2WD 또는 4x2로 칭해질 수 있다. 전동 분리부의 대응하는 위치는 4x2 위치로 칭해질 수 있다. 대안으로, 엔진으로부터 모든 네 휠들이 동력을 공급받는 차량 동작은 4륜 구동(four-wheel drive) 또는 4WD 또는 4x4로 칭해질 수 있다. 전동 분리부의 대응하는 위치는 4x4 위치로 칭해질 수 있다. 또한 전동 분리부는 두 회전 구성요소들을 선택적으로 맞물리게 할 수 있다. 시스템은 또한 소위 전륜 구동(all wheel drive) 적용예들에서 적용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이 구성요소들은 차축들, 샤프트들 또는 회전력을 전달하는 차량의 구동트레인에서 사용되는 다른 디바이스들일 수 있다.
현대의 차량들은 상이한 동작 여건들 및/또는 동작자(즉, 운전자) 명령들에 따라 상이한 휠들에 선택적으로 동력을 전달하는 것을 수반하는 아주 다양한 구동트레인 시스템들에 의해서 동작될 수 있다. 예를 들어, 전륜 구동 차량들은 제 1 동작 모드 동안 2개의 동일 선상의 휠들에 동력을 공급하고 미끄러짐(slippage)이 검출되면 또한 남은 휠들 중 하나 이상에 동력을 공급할 수 있다. 다른 예들에서, 승용차와 같은 보다 작은 차량은 연료 경제성을 증가시키기 위해 동력을 차량의 2개의 전륜들에만 항구적으로 제공할 수 있다(2 전륜 구동). 그러나 다른 예들에서, 차량은 2륜 구동 및 4륜 구동 모드 사이에서 선택적으로 전환되도록 구성될 수 있고, 여기서 4륜 구동 모드 동안에는 모든 4개의 휠들이 동력을 공급받는다. 각각의 차량 구동트레인에는 장점들 및 단점들이 있으며, 특히 각각의 차량의 특정 용도 및 예상 기능은 어떤 구동트레인을 통합할지를 결정하는 데 도움을 줄 수 있다.
도 1은 차량의 동력트레인(100)의 간략한 다이아그램을 도시한다. 이 다이아그램에서, 동력트레인(100)을 더 양호하게 보기 위해서 많은 다른 구성요소들과 함께 차량의 몸체가 제거된다. 후술되는 바와 같이 동력트레인은 도 1에서 도시되는 구성요소들을 포함하고 반면에 구동트레인은 엔진과 변속기를 제외한 도 1의 구성요소들로 참조할 수 있음이 주목된다. 동력트레인 구성에 따르면, 도 1의 차량은 선택적인 4WD 구동트레인을 가질 수 있고, 여기서 후륜들은 후륜 구동 모드(또는 2WD 모드)에서 동력을 공급받고 모든 네 휠들은 4WD 모드에서 동력을 공급받으며, 4WD 구동 모드는 2WD 모드와 상이하다. 더 큰 트럭, 전지형(all-terrain) 차량들 및 스포츠 유틸리티 차량들과 같은 많은 유틸리티 차량들은 다양한 이유들로 인해 전륜 구동보다는 후륜 구동을 통합할 수 있다. 하나의 이유는 후륜 구동이 차량의 뒤에 연결되는 트레일러를 통해 견인하는 것과 같이 하중을 끌거나 당기는데 더 도움이 되기 때문일 수 있다.
도 1에서, 우측 후륜(101) 및 좌측 후륜(102)은 차량의 뒷부분, 즉 차량의 동작자 뒤에 위치되는 단부에 위치된다. 이 예에서, 좌, 우, 전 및 후 방위들은 차량의 동작자의 관점에 따라 제공된다. 전, 후, 좌 및 우 방향들에 대한 방향 화살표들이 도 1에 도시된다. 따라서, 우측 전륜(103) 및 좌측 전륜(104)은 차량의 앞 부분에 위치된다.
도 1의 차량으로부터의 동력은 다수의 실린더들을 가지는 내연 기관(110)에 의해 발생된다. 엔진(110)은 특정 차량에 따라 가솔린 또는 디젤을 연료로 할 수 있고 본 예에서 엔진(110)은 V 자로 배향 구성되어, V6 엔진을 형성하는 6개의 실린더들을 포함한다. 엔진(110)은 도 1에 도시된 바와 유사한 방식으로 동력을 제공하면서 상이한 배향들로 구성될 수 있고 상이한 수의 실린더들을 포함할 수 있음이 이해된다. 엔진(110)에 의해 동력을 공급받는 샤프트는 차량을 구동하는 데 필요한 기어링(gearing)을 제공하는 변속기(115)에 직접 결합될 수 있다. 변속기(115)는 차량 시스템의 요건들에 따라 수동 또는 자동 변속기일 수 있다. 후륜 구동 샤프트(rear drive shaft)(131)는 변속기가 출력할 때 변속기(115)에 연결되어, 차량의 후단부에 동력을 제공할 수 있다.
동력트레인(100)의 상술한 2WD 모드 동안, 휠들(101 및 102)은 후차축(rear axle)(132)을 통해 동력을 공급받는다. 후차축(132)은 일부 실시예들에서 단일의 연속 샤프트일 수 있거나, 또는 2개의 차축들로 2-차축 구성으로 분리될 수 있고, 여기서 차축에는 후방 차동장치(121)가 개재된다(interpose). 2-차축 구성에서, 제 1 후차축은 후방 차동장치(121) 및 우측 후륜(101) 사이에 위치될 수 있고 제 2 후차축은 후방 차동장치(121) 및 좌측 후륜(102) 사이에 위치될 수 있다. 후방 차동장치는 또한 후륜 구동 샤프트(131)에 부착된다. 후방 차동장치는 도 1에 도시되는 바와 같이, 휠들(101 및 102) 사이의 상이한 상대적인 회전 속도들을 가능하게 하고 회전(및 동력)을 구동 샤프트(131)의 단일 방향으로부터 후차축(132)의 두 수직 방향들로 전달하는 것을 포함하여, 여러 목적들에 소용될 수 있다. 예를 들어, 차량이 좌측 방향으로 돌고 있으면, 안쪽의 휠(휠(102))은 바깥쪽의 휠(휠(101)의 회전보다 더 낮은 속도로 회전할 수 있다. 이에 따라, 후방 차동장치(121)는 돌고 있는 동안 차량의 휠과 차량이 통과하는 길 사이에서의 밀림(slipping)을 방지하기 위해 두 휠들이 상이한 속도들로 회전하는 것을 가능하게 할 수 있다.
명목상으로 동력을 공급받은 후륜들 외에 전륜들이 구동되는 상술한 4WD 모드의 동작의 경우, 동력을 차량의 앞부분에 전달하는 시스템이 제공된다. 전달 케이스(140)는 변속기(115)의 출력부 가까이 위치될 수 있고, 전달 케이스(140)는 동력의 일부를 엔진(110)으로부터 전륜 구동 샤프트(front drive shaft)(133)로 지향시키도록 구성될 수 있다. 하나의 실시예에서, 전달 케이스(140)는 동력의 일부를 후륜 구동 샤프트(131)로부터 전륜 구동 샤프트(133)로 전달하기 위해 체인을 사용할 수 있다. 후륜 구동 시스템과 유사한 방식으로, 전륜 구동 샤프트(133)는 전방 차동장치(122)에 연결된다. 전방 차동장치(122)는 전방 차동장치(122)가 두 휠들의 상대적인 회전 속도들을 가능하게 하는 점에서 후방 차동장치(121)와 실질적으로 동일할 수 있다. 이에 따라, 2-차축 시스템의 두 차축들로 분리될 수 있는 전차축(front axle)(134)은 한 단부에서 차동장치(122)에 부착되고 자체의 각각의 좌측 전륜(104) 및 우측 전륜(103)에 부착될 수 있다. 이 구성에서, 전륜 구동 샤프트(133)로부터의 구동 동력은 전차축(134)을 통해 전방 차동장치(122)를 통과하여 휠들(103 및 104)에 전달될 수 있다. 전달 케이스(140)는 동력을 전후차축들 모두에 출력하는 것이 가능하므로, 4WD 모드는 모든 네 휠들이 동시에 동력을 공급받는 것을 가능하게 할 수 있다. 달리 말하면, 차량이 4WD 모드에 있을 때, 전륜들(103 및 104) 및 후륜들(101 및 102) 모두가 구동될 수 있다.
도 1의 예에서 4WD 및 2WD 사이에서 전환되는 경우, 전륜들에 입력되는 동력을 선택적으로 연동하고 연동 해제하는 시스템이 필요하다. 이에 따라, 분리부(150)가 전륜 구동 샤프트(133) 상에 제공되어, 샤프트를 2개의 별개의 길이 부분(length)들로 효과적으로 분리할 수 있다. 분리부들은 하나 이상의 구동트레인 모드를 구비하는 차량들 내에서 사용되고 휠 허브들, 차축들 및 구동 샤프트들과 같은 2개의 별개의 입력 구성요소들을 맞물리게 하거나 풀리게 하는 것이 가능할 수 있다. 도 1에 도시되는 바와 같이 본 예에서, 분리부(150)는 전륜 구동 샤프트(133) 상에 위치된다. 다른 차량 시스템들에서, 분리부(150)는 전차축(134) 상의 장소를 포함하는 다양한 장소들에 배치될 수 있다. 분리부(150)는 변속기의 출력부 상에 위치될 수 있고/있거나 동력 전달 유닛(power transfer unit; PTU) 샤프트 출력의 연동 및 연동 해제가 가능하도록 PTU에 위치될 수 있다. 더욱이, 일부 실시예들에서, 다수의 분리부들이 제공되고, 다수의 분리부들의 각각은 휠들(103 및 104)의 휠 허브에 고정될 수 있다. 분리부의 특정한 위치에 따라, 휠 단부 분리부 및 중앙 차축 분리부를 포함하는 다양한 명칭들이 제공된다. 본 예에서, 분리부(150)는 이후에 더 상세하게 기술되는 바와 같이, 샤프트(133)의 두 개의 길이 부분들을 기어들, 제어 메커니즘들 및 다른 구조의 시스템을 통해 선택적으로 연결 및 분리할 수 있다.
동력이 단지 후륜들(101 및 102)에만 제공되는 2WD 모드 동안, 입력 명령은 분리부(150)로 하여금 샤프트(133)의 두 길이 부분들 사이가 고정되어 회전되지 않게 함으로써, 휠들(103 및 104)뿐만 아니라 전차축(134)에도 동력이 제공되지 않을 수 있다. 이에 따라, 엔진(110)에 의해 제공되는 대부분의 동력은 전달 케이스(140)를 통하여 전환된 상대적으로 더 적은 양의 동력을 가지는 후륜 구동 샤프트(131)와 분리부에 연결되는 샤프트(133)의 길이 부분들에 지향될 수 있다. 즉, 맞물려 있지 않은 동안, 전륜들(103 및 104)은 엔진으로부터 견인력을 받지 않고 자유로이 회전할 수 있다. 또한, 휠들(103 및 104)의 회전은 분리부(150)의 앞부분에 배치되는 차축(134) 및 샤프트(133)의 일부분의 회전과 함께(도 1에서 화살표에 의해 지시되는 바와 같은) 구동트레인의 나머지의 회전에 영향을 미치지 않는다. 구체적으로, 분리부(150)가 샤프트(133)의 두 부분을 분리부의 전후로 위치되도록 분리하므로, 두 길이 부분들의 회전은 서로 영향을 미치지 않는데 왜냐하면 이 둘은 분리되기(풀리기) 때문이다.
동력이 모든 네 휠들에 제공되는 4WD 모드 동안, 입력 명령은 분리부(150)로 하여금 샤프트(133)의 두 길이 부분들 사이를 고정하여 회전하도록 함으로써, 차축(134)뿐만 아니라 샤프트(133) 모두에 동력이 제공될 수 있다. 현재의 예에서, 일련의 기어들 및/또는 스플라인 샤프트(splined shaft)들 사이의 맞물림으로 인해 분리부(150)의 양쪽의 단부에 있는 샤프트들이 실질적으로 단일 유닛으로 회전되도록 함으로써 고정 회전이 발생될 수 있다. 이 동작 모드 동안, 엔진(110)으로부터의 동력은 휠들(101, 102, 103 및 104)에 실질적으로 동일하게(또는 다른 실시예에서 동일하지 않게) 전환될 수 있다. 구성요소들을 추가, 변경 및/또는 제거하는 것에 의해 다른 구동 모드들이 여전히 본 발명의 범위에 부합하면서 가능하다는 것이 주목된다.
게다가, 동력트레인(100)은 개별 휠들을 대응하는 차축(예를 들어, 전차축(134) 및/또는 후차축(132))과 맞물리고 풀리게 하기 위해서 하나 이상의 휠 단부들에 위치되는 전동 분리부(160)를 포함할 수 있다. 이 유형의 분리부는 본원에서 휠 단부 분리부로 칭해질 수 있다. 전동 분리부(160)는 전차축(134) 및 후차축(132) 중 하나 또는 이 둘 모두에 교호하여 위치될 수 있다. 더욱이, 전동 분리부(160)는 전방 차동장치(122) 및/또는 후방 차동장치(121)의 어느 한 측 상에 위치될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전동 분리부(160)는 전차축(134) 상의 전방 차동장치(122)의 각각의 측(예를 들어, 양 측들) 상에 위치되어 있을 수 있다. 추가 또는 대안으로, 전동 분리부(160)는 후차축(132)에 따라 후방 차동장치(121)의 각각의 측(예를 들어, 양 측들) 상에 위치되어 있을 수 있다. 이 방식에서, 차량 동력트레인(100)은 이중 분리 차동장치 시스템을 포함할 수 있다. 전 또는 후차축들을 따라 전방 또는 후방 차동장치들 가까이에 위치되는 이 유형의 분리부는 본원에서 도 18 내지 도 27와 관련하여 후술되는 바와 같은 중앙 분리부로 칭해질 수 있다. 후술되는 전동 분리부는 도 1에 도시되는 전동 분리부(160)의 위치들 중 하나 이상에서 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 일부의 분리부들은 도 1의 엔진(110)과 같은 엔진으로부터 전환되어 오는 진공에 의해 동력을 공급받을 수 있다. 그러나, 발명자들은 여기에서 진공이 용이하게 이용되지 않을 수 있거나 진공 동력이 바람직하지 않게 변동됨으로써, 결과적으로 분리 제어의 감소가 발생할 수 있음을 인식하였다. 그러므로, 더 단순하고 더 컴팩트한 분리 설계를 제공하는 대안의 동력원들이 사용될 수 있다. 이에 따라, 발명자들은 본원에서 분리 시스템 상에 위치되는 모터로부터 전력에 의해 가동되는 전동 분리부를 제안하였다. 전력은 일정하게 유지될 수 있고(변동 없이) 차량 전체를 통하여 흐르는 진공 라인들을 필요로 하지 않음으로써 진공 동력 이상으로 전력의 신뢰성을 증가시킬 수 있다. 첫번째로, 제안되는 전동 분리부의 다양한 구성요소들의 설명이 제공되고, 그 후에 예시 제어 방식을 포함하는 분리부의 동작의 설명이 이어진다.
도 2는 전동 분리 조립체(200)(또한 본원에서 분리부(200)로 칭해진다)의 제 1 조립체 도(201) 및 제 2 조립체 도(203)뿐만 아니라 분해도(205)를 도시한다. 제 1 조립체 도(201) 및 제 2 조립체 도(203)는 조립되는 분리부(200)의 대향하여 향하는 도들이다. 분리부(200)는 시프터 구조(230) 및 제어 조립체(250)에 의해 전반적으로 원형의 형상을 지니고, 제어 조립체(250)는 시프터 구조(230)의 외측에 부착된다. 예를 들어, 제어 조립체(250)는 시프터 구조(230)의 외측 면의 단일 측(예를 들어, 상측)에 결합될 수 있다. 다른 실시예들에서, 제어 조립체(250)는 시프터 구조(230)의 외측 면을 따른 다른 위치(하측과 같은)에 결합될 수 있다. 시프터 구조(230)의 상측 및 하측은 분리부(200)가 설치되는 차량이 자리잡고 있는 면에 관하여 규정될 수 있다.
분리부(200)의 분해도(205)에서 도시되는 바와 같이, 제어 조립체(250)는 전기 모터(251)를 포함한다. 전기 모터(251)는 웜(Worm) 구동장치에서 사용하기 위한 웜(253)이 설비되어 있는 출력 샤프트를 회전시킨다. 여기서 모터(251)는 일련의 시프팅 모드(shifting mode)들 동안 방향들을 역전시키는(reverse) 능력 없이 단지 단 하나의 방향으로만 회전할 수 있음이 주목된다. 그러므로, 모터(251)의 구동 방향은 한 기간의 시간 동안 변하지 않을 수 있다. 이 특징은 이후에 더 상세하게 설명된다. 더욱이, 제어 조립체(250)는 차량 시스템들 및 분리부(200) 외부의 제어기들과 통신하면서 분리부(200)를 동작하도록 구성될 수 있는 제어기(255)(예를 들어, 허브 제어기(hub controller))를 포함한다. 제어기(255)는 차량의 주 차량 제어기 또는 다른 유사한 디바이스들과 분리되어 있는 것이 주목된다. 그러나, 제어기(255)는 차량 또는 엔진 제어기와 통신하고 이들로부터 명령들을 수신할 수 있다. 제어기 외부에 있든지 또는 제어기(255)에 부착되든지, 자기 바이폴라 센서는 위치될 수 있다. 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 시프터 조립체(270)의 원주 주위에 위치되는 자석들은 센서가 감지하는 범위 내의 자석들 중 하나에 의해 트리거(trigger)될 수 있도록 바이폴라 센서와 정렬되어 있는 시프터 조립체(270)와 함께 회전할 수 있다. 마지막으로, 제어 조립체(250)의 형상을 형성하기 위해 캡(cap)(258)이 제어기(255) 및 모터(251)(웜(253)을 구비하는)를 에워쌀 수 있다.
시프터 구조(230)는 샤프트들 또는 차축들과 같은 2개의 일반적으로 원형인 입력 구성요소들을 맞물리게(그리고 풀리게) 하기 위해 일반적으로 원과 고리와 같은 형상을 포함한다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 분리부(200)는 회전 가능한 제 1 샤프트(207) 및 회전 가능한 제 2 샤프트(209)를 맞물리게 하고 풀리게 한다. 이 예에서, 입력 구성요소들(예를 들어, 제 1 샤프트(207) 및 제 2 샤프트(209))은 도 2에서 축의 화살표(211)에 의해 도시되는 바와 같이, 축 방향을 따라 양 단부들로부터 분리부(200) 내로 입력된다. 예를 들어, 제 1 입력 구성요소(예를 들어, 제 1 샤프트(207))는 분리부(200)의 제 1 단부에 인접하게 위치될 수 있고 제 2 입력 구성요소(예를 들어, 제 2 샤프트(209))는 분리부(200)의 제 2 단부에 인접하게 위치될 수 있으며, 제 1 단부는 축 방향에 관하여 제 2 단부의 맞은 편에 있다. 분리부(200)의 내부 구성요소들을 보호하기 위해 외부 구조를 제공하는 하우징(232)이 도 2에 도시된다. 하우징(232)은 먼지 및 다른 오염물들이 분리부(200)의 기능을 방해하지 못하도록 하는 데 도움을 줄 수 있다. 웜 기어(234)는 하우징(232)의 내부에 위치되고 모터(251)를 통해 웜(253)에 동력을 공급할 때 웜 기어(234)의 회전을 제공하기 위하여 웜(253)과 맞물리게 위치된다. 웜(253) 및 웜 기어(234)의 결합은 또한 웜 구동장치(worm drive)로 칭해진다. 웜(253)의 회전(모터(251)에 의해 가동됨)은 웜 기어(234)의 회전을 일으킨다. 특히, 웜 기어(234)는 도 2에 도시되는 축 방향에 평행한 축을 중심으로 회전하고 반면에 웜(253)은 축 방향에 수직인 축을 중심으로 회전한다. 즉, 웜(253) 및 웜 기어(234)의 회전의 축들은 수직이다. 더욱이, 웜 기어(234)의 회전의 축은 분리부(200)의 회전 축(213)에 평행하고, 여기서 회전 축(213)은 또한 제 1 샤프트(207) 및 제 2 샤프트(209)의 회전 축이다.
시프터 조립체(270)는 또한 하우징(232) 내에 위치되고 분리부(200)의 동작을 규정하는, 즉 두 회전 구성요소들(샤프트들과 같은)을 선택적으로 연결 및 분리하는 시프팅 모션(shifting motion)을 제공한다. 핀(236)은 하우징(232) 내부에 위치되고 웜 기어(234)를 하우징(232)에 결합하도록 위치된다. 또한, 캠 가이드(예를 들어, 본원에서 또한 고정 캠 가이드 또는 고정 가이드로서 칭해질 수 있다)(237)는 하우징 내부에 고정된다. 2개의 추가의 고정 캠 가이드들은 하우징의 내측을 따라(도 2에서 보이는 것으로부터 블록된) 캠 가이드(237)와 유사하게 위치된다. 추가 고정 캠 가이드들은 또한 캠 가이드들(캠 가이드(237)를 포함하는)의 어느 것도 시프터 조립체(270)의 이동에 관하여 이동되지 않도록 하우징 내부에 고정된다. 캠 가이드(237) 및 2개의 추가 고정 캠 가이드들은 고정 가이드(stationary guide)들이고 하우징(232)과 동일한 재료의 부품일 수 있다. 하우징(232)의 밀봉된 단부는 적어도 부분적으로 실(seal)(233)에 의해 덮인다. 제 1 샤프트(207)와 같은 샤프트 또는 차축은 실(233)의 중심을 통하여 삽입될 수 있고, 여기서 실(233)은 실 및 샤프트 사이에 타이트한 연결을 제공하도록 크기가 정해질 수 있다. 타이트한 연결은 샤프트가 회전하고 실(233)이 하우징(232)에 움직이지 않고 부착되어 있는 것이 여전히 가능하면서 파편들이 하우징(232)의 내부로 들어오는 것을 실질적으로 방지할 수 있다. 실(233)을 포함하는 하우징(232)의 밀봉된 단부는 제 1 샤프트(207)(제 1 입력 구성요소)를 둘러쌀 수 있다. 캠 키퍼(cam keeper)(235)는 시프터 조립체(270)의 축향면(axial-facing surface)에 인접하게 위치되고, 캠 키퍼는 자신이 하우징(232)에 대하여 정적으로 유지되도록(회전하지 않도록) 하우징 내에 형성되는 홈(groove) 내에 삽입될 수 있는 홀딩 탭(holding tab)을 포함한다. 시프터 조립체(270)는 형상이 일반적으로 원형이며, 이 원형의 중심 축은 축 방향과 평행하고 실(233), 캠 키퍼(235) 및 하우징(232)과 같은 다른 구성요소들의 중심 축들과 동일 선상에 있을 수 있다. 더욱이, 캠 키퍼(235)는 정적이며 캠 키퍼로부터 시프터 조립체(270)로 도출되도록 위치되는 3개의 고정 가이드들(예를 들어, 고정 캠 가이드들)(238)을 포함한다. 도 2에서는 단 하나의 캠 가이드(238)만을 볼 수 있다. 최종적으로, 리테이닝 링(retaining ring)(239)(예를 들어, 잠금 링(lock ring))은 다른 구성요소들을 하우징(232) 내부에 유지하고 차량 동작 동안 원치 않는 이동을 줄이기 위하여 캠 키퍼(235) 외부에 위치될 수 있다. 실(233)을 포함하는 밀봉된 단부의 맞은 편 하우징(232)의 단부는 도 2의 분해도(205)에서 도시되는 바와 같이 보다 양의 축 방향에 위치되고 캠 키퍼(235) 및 리테이닝 링(239)을 포함한다. 하우징(232)의 맞은 편 단부는 제 2 샤프트(209)(제 2 입력 구성요소)를 에워쌀 수 있다.
도 3은 도 2의 시프터 조립체의 분해도(301), 조립체 도(303), 상면도(304), 측면도(305) 및 단면도(307)를 도시한다(단면도(307)는 측면도(305)에 도시되는 바와 같이, 섹션 B-B를 따라 취해진다). 시프터 조립체는 시프터 조립체(270)의 외부 형상(예를 들어, 바깥부분)을 형성하는 시프터 기어(310)를 포함한다. 시프터 기어(310)의 외면은 시프터 기어(310)의 두 단부들 사이에서 요동하는 비평면형 기어 트랙(315)에 의해 덮여 있고, 두 단부들은 제 1 단부(395) 및 제 2 단부(396)이다. 두 단부들(395 및 396)은 상면도(304)에 도시되는 바와 같이, 시프터 기어(310)의 양 단부에서 축방향으로 위치된다. 기어 트랙(315)은 두 단부들의 선형의 프로파일을 따르지 않고 시프터 기어(310)의 외면에 외접한다. 달리 말하면, 기어 트랙(315)은 시프터 기어(310)의 외측 원주 주위에서 연속적이고, 기어 트랙(315)은 자신이 시프터 기어(310)의 외측 원주 주위에서 이동될 때 실질적으로 사인 경로를 가진다. 게다가, 기어 트랙(315)은 시프터 기어(310)의 수직의 중심선 위 및 아래 모두를 지나갈 수 있고, 수직의 중심선은 축 방향과 수직이다(예를 들어, 시프터 기어의 회전 축에 수직이고, 여기서 시프터 기어(310)의 회전하는 축은 분리부(200)의 회전 축(213)이다).
시프터 조립체(270)는 또한 시프터 기어(310)의 내면 상에 위치되는 클러치 링(330)을 포함한다. 클러치 링(330)은 외부 샤프트 또는 차축의 기어 치(tooth)들과 맞물릴 수 있는 기어 치들을 포함한다. 클러치 링(330)은 내면 및 외면을 포함하고, 내면은 클러치 링(330)의 기어 치들을 포함한다. 클러치 링(330)의 외경은 클러치 링(330)이 시프터 기어(310) 내에 들어 맞도록 시프터 기어(310)의 내경보다 더 작을 수 있다. 또한, 클러치 링(330)은 시프터 기어(310)의 내부에 위치될지라도, 시프터 기어(310)와는 다른 속도로 자유로이 회전하고 시프터 기어(310)가 움직이지 않더라도 회전할 수 있다. 그러나, 클러치 링(330)은 시프터 기어(및 시프터 조립체(270))와 함께 축방향으로 이동하게 된다. 제 1 와셔(washer)(320)는 시프터 기어(310)의 한 측에 위치되고 반면에 제 2 와셔(350)는 클러치 링(330)에 인접한, 시프터 기어(310)의 반대 측에 위치된다. 마지막으로, 시프터 조립체 내에는 2개의 스프링들(340)이 포함되고, 도 3에 도시되는 바와 같이, 시프터 조립체의 각 단부에 하나의 스프링이 위치된다. 하나의 예로서, 2개의 스프링들(340)은 핑거 스프링(finger spring)일 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시되는 바와 같이, 각각의 스프링(340)은 스프링의 탄성의 가역력(reversible force)을 제공하도록 휘어지는 3개의 가요성 암들(flexible arms)을 포함한다. 그러나, 스프링들(340) 용으로 핑거 스프링과는 다른 유형의 스프링이 사용될 수 있다. 스프링들(340)은 와셔들(320 및 350)과 함께, 클러치 링(330)이 시프터 조립체(270)와 함께 축방향으로 이동하도록 할 수 있다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 단지 단일 와셔(예를 들어, 와셔(320) 또는 와셔(350))만이 시프터 조립체(270) 및 스프링들(340) 중 하나 사이에 위치된다. 시프터 조립체를 단일 유닛으로 유지하기 위해서 시프터 조립체의 구성요소들을 통해 다수의 리벳(rivet)들(360)이 삽입될 수 있다.
기어 트랙(315)의 요동들(oscillations)(예를 들어, 파상들(undulations))은 시프터 기어(310)의 주변(periphery)의 주위에서 다수의 사이클들을 완료한다. 하나의 완전한 사이클은 제 1 단부(395)에 인접한 지점으로부터 떨어지면서 제 2 단부(396)에 인접한 지점 쪽으로 요동하고 제 1 단부(395)에 인접한 다른 지점에서 끝나는 기어 트랙(315)의 길이로 규정된다. 기어 트랙(315)이 있는 시프터 조립체(270)의 이 방향으로 기어 트랙의 하나의 완전한 사이클이 보이고 있다. 기어 트랙(315)의 요동들은 일부 실시예들에서 연속 곡선(사인파형)일 수 있고, 반면에 다른 실시예들에서 기어 트랙(315)은 편평한 선형 부분들이 결합되어 있는 경사지고, 대체로 선형인 램프(ramp)들을 포함할 수 있다. 시프터 기어(310)의 주변의 주위에서 다수의 사이클들을 완료하는 다른 기어 트랙 형상들이 가능할 수 있다. 기어 트랙(315)은 시프터 조립체(270)의 회전을 일으키기 위하여 모터(251)에 의해 제공되는 웜 기어(234)로부터의 동력이 기어 트랙(315) 내로 전달되도록 도 2의 웜 기어(234)와 접촉될 수 있다. 더 구체적으로, 웜 기어(234)의 치들은 기어 트랙(315)의 치들과 짝을 이루어 연동될 수 있다. 이에 따라, 웜 기어(234)의 회전은 기어 트랙(315), 그리고 후속해서 시프터 조립체(270)의 회전을 일으킨다. 회전을 제공하는 것 외에, 시프터 조립체(270)는 도 3에서 축의 화살표(211)에 의해 도시되는 바와 같이 축 방향으로 선형으로 이동할 수 있다. 구체적으로, 시프터 조립체(270)는 부착된 제어 조립체(250)에 의해 정적인 하우징(232)에 대하여 축 방향으로 전진 및 후진 이동할 수 있다. 하우징(232)은 도 4와 관련하여 아래에 개설되는 바와 같이, 외부 정적 차량 구성요소에 고정될 수 있다.
시프터 조립체(270)의 회전 및 축방향 이동은 기어 트랙(315)과 맞물려 있는 웜 기어(234)에 의해 가동된다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 기어 트랙(315)은 시프터 기어(310)로부터 멀어지게 방사상으로 돌출되어, 기어 트랙(315)의 기어 치들의 양 측 상의 면들로서 규정될 수 있는 캠 프로파일(cam profile)(318)을 형성한다. 더 구체적으로, 기어 트랙(315)은 시프터 기어(310)의 외면으로부터 멀어지게 바깥쪽으로(시프터 어셈블리(270)의 회전 축에 수직인 방향으로) 연장된다. 고정 캠 가이드들(237)은 시프터 기어(310)의 한 측 상의 캠 프로파일(318)에 접촉하고 고정 캠 가이드들(238)은 시프터 기어(310)의 반대 측 상의 캠 프로파일에 접촉한다. 이 방식에서, 기어 트랙(315)은 고정 캠 가이드들(예를 들어, 고정 가이드들)(237 및 238) 사이에 효과적으로 트랩(trap)(예를 들어, 배치)된다. 그러므로, 시프터 조립체(270)가 회전할 때, 고정 캠 가이드들(237 및 238)은 캠 프로파일(318)에 맞대어 있는 채로 슬라이딩됨으로써, 시프터 조립체를 축방향으로 이동하게 한다.
하나의 예에서, 축방향의 캠 프로파일(318)은 3개의 동일 부분들로 나누어질 수 있는데, 각각의 부분은 4x4 및 4x2 위치, 상기 위치들 사이에 있는 캠 램프들을 함께 포함한다. 특히, 이 세 개의 동일한 부분들은 기어 트랙(315)의 세 개의 완전한 사이클들을 형성하고, 4x4 및 4x2 위치들은 각각 시프터 기어(310)의 제 1 단부(395) 및 제 2 단부(396)에 가장 가까운 지점들이다. 상응하여, 본 예에서, 기어 트랙(315)은 또한 축방향의 캠 프로파일(318)의 세 동일한 부분들과 같은 세 동일한 부분들을 포함한다. 그러므로, 모터(251)가 웜(253) 및 웜 기어(234)를 단일 또는 제 1 방향으로 동작시킬 때, 웜 기어(234) 및 기어 트랙(315) 사이의 기어 맞물림은 시프터 조립체(270)를 회전시키고 축방향으로 이동시킬 수 있다. 이 방식에서, 모터(251)는 4x2 및 4x4 모드들로의 시프트들 동안 단일 방향으로 구동될 수 있다. 모터(251)의 회전하는 방향은 차량 방향이 변경될 때 상기 제 1 회전 구성요소가 또한 방향을 변경하도록 제 2 방향으로 가역(reverse)될 수 있다. 시프터 조립체(270)를 동력을 공급받는 제 1 회전 구성요소의 회전과 동일한 방향으로 회전시키는 것이 바람직할 수 있다. 이에 따라, 차량이 이동하는 방향이 변경되면, 모터(251)는 또한 방향을 변경할 수 있다. 이 방식에서, 모터(251)의 단일 또는 제 1 회전 방향은 차량이 대응하는 방향으로 이동하고 있는 한 유지될 수 있다. 유사한 방식으로, 이후에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 모터(251)의 회전 방향은 분리 조립체(200)가 가까이 있는 휠들(103 또는 104)과 같이, 차량의 좌 또는 우측에 배치되는지 여부에 좌우될 수 있다.
도 3에 도시되는 스프링들(340)은 시프터 기어(310)의 양 측에 부착되고 클러치 링(330)을 시프터 조립체 내에 유지시키는 것을 보조한다. 예를 들어, 4x4 위치로의 시프트 동안, 클러치 링(330)의 치들이 짝을 이루는 외부 회전 구성요소(예를 들어, 샤프트 또는 차축)의 치들과 정렬되지 않으면, 스프링들은 시프터 조립체(270)의 나머지가 축 방향에서 외부 회전 구성요소 쪽으로 이동하면서도 클러치 링(330)이 축방향으로 움직이지 않고 유지되는 것이 가능하도록 편향될 것이다. 클러치 링(330)이 회전을 계속하고 외부 구성요소의 짝이 되는 치들과 정렬될 때, 스프링들(340)은 클러치 링이 시프터 기어(310) 내의 원하는 위치가 되도록 힘을 가할 수 있다. 이 예 동안, 클러치 링(330)의 축방향 이동은 클러치 링 및 제 2 샤프트의 치들이 정렬되어 시프터 조립체(270)가 축방향으로 이동한 후에 발생한다.
4x4로부터 4x2로, 또는 그 역으로의 시프트가 외부 제어기로부터 명령될 때, 제어기(255)로 신호가 송신될 수 있고, 그 후에 제어기(255)는 모터(251)에 웜 구동장치를 가동하도록 명령한다. 특히, 제어기(255)는 전동 분리 조립체 외부의 제어 시스템으로부터의 요청에 기초하여 시프터 조립체를 조정하기 위하여 비일시적 메모리에 저장되는 컴퓨터 판독 가능 명령들을 포함할 수 있다. 시프터 기어(310)가 회전하기(웜 구동장치를 통해) 시작하고 캠 프로파일(318)이 고정 캠 가이드들(237 또는 238)에 의해 밀림으로써 축방향으로 이동될 때, 클러치 링(330)은 클러치 치들에서의 마찰로 인해 축방향 이동에 저항할 수 있다. 시프터 조립체(270)의 나머지가 축방향으로 이동하려고 할 때 시프팅하는 힘이 클러치 링(330)에 작용할 수 있다. 클러치 링이 회전할 때, 클러치 링은 차축과 같은 외부 회전 구성요소에 연결되므로, 이 클러치 링에 의해 토크가 발생되고 이 토크는 시프터 조립체(270)의 나머지로 전달될 수 있다. 이 토크는 시프터 조립체(270)로 하여금 회전하게 하고, 이에 의해 모터(251)에 의해 제공되는 토크에 추가되어, 시프터 조립체(270)가 회전하고 축방향으로 자체의 다른 위치로 이동할 때 시프트 속도를 증가시킬 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시되는 전동 분리부의 일반적인 동작 및 특히 시프터 조립체(270)의 동작의 경우, 차량은 처음에 제 1 구동 모드에 있다. 이 경우에, 제 1 구동 모드는 분리부가 분리 위치에 있는 것에 대응하여 2WD 또는 4x2이고, 여기서 두 입력 구성요소들은 분리부(200)를 통해 연결되지 않는다. 제 2 구동 모드는 분리부가 연결 위치에 있는 것에 대응하여 4WD 또는 4x4일 수 있고 여기서 두 입력 구성요소들은 분리부(200)를 통해 맞물리게 되고 구성요소들 중 하나의 회전은 다른 구성요소의 회전에 대응한다. 구체적으로, 클러치 링(330)이 입력 구성요소들 중 단 하나에 연결되면, 차량은 4x2 모드에 있다. 대안으로, 클러치 링이 2개의 샤프트들과 같은, 입력 구성요소들 모두에 연결되면, 차량은 4x4 모드에 있다. 이 방식에서, 시프터 조립체(270)가 모터 및 웜 구동장치에 의해 결정된 양만큼 축방향으로 이동할 때, 클러치 링(330)은 또한 축방향으로 이동하여 두 회전 구성요소들을 맞물리게 하거나 풀리게 한다. 시프터 조립체(270)가 요청된 4x4 또는 4x2 모드에 있음이 검출되자마자, 제어기(255)는 모터를 끌 수 있다.
두 회전 구성요소들(샤프트들)을 선택적으로 맞물리게 하기 위한 하나의 예의 동작 방식에서, 차량은 처음에 제 1 모드(2WD)에 있을 수 있다. 이 모드 동안, 시프터 조립체(270)는 제 1 위치에서 유지될 수 있다. 제 1 위치는 시프터 조립체를 실(233)에 더 가까운 위치에 또는 도 3에서의 화살표(211)에 의해 도시되는 바에 따른 음의 축의 방향으로 위치시킬 수 있다. 이 제 1 위치에서, 제 1 샤프트(207)는 시프터 조립체와, 특히 클러치 링(330)과 맞물릴 수 있고 반면에 제 2 샤프트(209)는 클러치 링(330)과 결합되지 않는다. 그리고 나서, 차량 제어기에 의해 제 1 모드(2WD)로부터 그리고 제 2 모드(4WD)로 시프팅(shifting)하라는 명령이 발행될 수 있다. 제 2 모드로 시프팅하는 동안, 웜 기어(234)는 기어 트랙(315)을 구동하기 위해 모터(251)에 의해 동력을 공급받는 웜(253)에 의해서 구동될 수 있다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 기어 트랙(315)은 제 1 및 제 2 단부들(측들)(395 및 396) 사이에서 요동하고, 이는 시프터 조립체가 고정 캠 가이드들(237 및 238)에 맞대어 있는 채로 슬라이딩되도록 하고, 이에 의해 시프터 조립체는 시프터 조립체(270)가 제 1 샤프트 및 제 2 샤프트 모두와 맞물리는 제 2 위치로 제 1 축 방향(도 2에서 화살표(211)에 의해 도시되는 바와 같은)으로 이동된다. 달리 말하면, 클러치 링(330)의 치들은 제 1 샤프트(207) 및 제 2 샤프트(209)의 대응하는 치들과 맞물릴 수 있다. 제 2 위치는 시프터 조립체(270)가 제 1 위치보다는 제 2 위치에서 실(233)로부터 덜 멀리 떨어지도록 제 1 위치보다 더 양인 축 방향(도 2에서 축방향 화살표에 의해 규정된다)에 위치될 수 있다. 후속해서, 제 1 모드(2WD)로 역으로 시프팅하라는 명령이 차량 제어기에 의해 발행될 수 있다. 이에 따라, 모터는 웜 기어를 계속해서 동일한 방향으로 구동시킴으로써, 시프트 조립체는 제 2 샤프트가 다시 클러치 링(330)으로부터 풀리는 제 1 위치에 자신이 도달할 때까지 제 2 축방향으로(화살표의 반대인, 도 2의 음의 축 방향) 이동될 수 있다
일부 실시예들에서, 추가적인 다판(multi-plate) 클러치는 클러치 링(330)을 포함하는 시프터 조립체(270)와 직렬로 결합될 수 있다. 하나의 예로서, 다판 클러치(또한 마찰 클러치라 칭해질 수 있다)는 제 1 및 제 2 샤프트들(207 및 209) 중 하나에 회전 결합되는 쐐기판(wedge plate)의 세트 및 제 1 및 제 2 샤프트들(207 및 209) 중 다른 하나에 회전 결합되는 클러치 판들의 세트를 포함할 수 있다. 압력 판(예를 들어, 피스톤 판)은 제 1 및 제 2 샤프트들(207 및 209) 사이의 속도들을 동기화하기 위해 쐐기 및 마찰 판들을 압축할 수 있다. 시프터 조립체(270)의 클러치 링(330)은 그 후에 잠금 클러치(locking clutch)로서 사용되어 제 1 및 제 2 샤프트들(207 및 209)을 서로 잠금으로써 두 샤프트들 사이에서의 완전한 토크 전달을 위해 두 샤프트들을 완전히 맞물리게 할 수 있다. 상술한 다판 클러치는 본원에서 설명되는 전동 분리 조립체들 중 임의의 조립체와 직렬로 포함될 수 있음이 주지되어야 한다.
도 4는 전동 분리부(200)의 전면도(401) 및 전면도(401)의 섹션 A-A를 따라 취해지는 단면도(403)를 도시한다. 전면도 및 단면도로부터, 시프터 조립체(270)는 클러치 링(330)의 치들과 함께 도시되어 있다. 더욱이, 분리부(200)는 각각 나사들, 볼트들 또는 다른 적절한 파스너(fastener)들을 삽입하기 위한 홀을 포함하는 하나 이상의 장착 브래킷(mounting bracket)(450)을 포함할 수 있다. 장착 브래킷(450)에 있어서, 전동 분리부를 제 자리에 확실히 잡아 두기 위해 이 분리부는 다양한 정적 차량 구성요소들에 장착될 수 있다. 예를 들어, 분리부(200)가 도 1의 가까운 휠(103)과 같은 차량의 휠 단부들에 배치되었다면, 브래킷들(450)은 휠의 너클(knuckle) 또는 휠을 제 자리에 붙잡아 두는 다른 비회전 구성요소에 고정될 수 있다. 대안의 실시예들에서, 분리부(200)는 브래킷들(450)을 포함하지 않을 수 있고/있거나 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 분리부를 전차축 또는 후차축을 따르는 것과 같은 대안의 차량 위치에 장착하기 위해서 변형된 하우징을 포함할 수 있다.
도 5는 전동 분리부(200)의 전면도(501), 상면도(503) 및 측면도(505)를 도시한다. 도 5에 도시되는 바와 같이, 제어 조립체(250)는 하우징(232)이 제어 조립체(250)의 구성요소들을 포함하기 위해 단일 피스(piece)로서 확장되도록 시프터 구조(230)의 하우징(232)과 일체로 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 제어 조립체(250)는 제어 조립체가 분리부의 나머지로부터 용이하게 분리될 수 있도록 제거 가능 파스너들을 통해 시프터 구조(230)에 제거 가능하게 고정될 수 있다. 이 방식에서, 제어 조립체(250)의 부품들의 대체물은 전체 분리부를 분해하지 않고 용이하게 대체될 수 있다. 대체 가능한 부품들은 모터(251), 웜(253) 및 제어기(255)를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 분리부(200)는 다른 기능들 중에서, 모터(251)를 구동하도록 구성될 수 있는 탑재(on-board) 제어기(255)를 포함한다. 더욱이, 자기 바이폴라 센서는 제어 조립체(205) 내에 또는 시프터 구조(230) 내에서 조립체(250)에 인접하게 위치될 수 있다. 바이폴라 센서는 제어기(255)에 결합되고(그리고/또는 제어기(255)의 일부로서 통합되고) 제어기와 신호들을 송신 및 수신하도록 구성될 수 있다. 바이폴라 센서의 목적은 시프터 조립체(270)의 위치, 즉 시프터 조립체가 4x4(2WD) 또는 4x4(4WD) 위치에 있는지를 결정하는 것일 수 있다. 자석들은 바이폴라 조립체가 시프트 위치를 결정하기 위해 상이한 자석들 사이를 식별할 수 있도록 극성들이 교호되는 상태로 시프터 조립체(270)의 주변의 주위에 배치될 수 있다. 예를 들어, 자기의 N극성은 4x2 위치들에 대응할 수 있고 반면에 자기의 S극성은 4x4 위치들에 대응할 수 있다.
도 6은 시프터 조립체(270)의 시프트 위치를 결정하기 위한 바이폴라 센서(620)의 동작의 간소화된 다이아그램(600)을 도시하다. 요동 캠 프로파일(318)은 도 6에 도시되고, 이는 도 3과 관련하여 이전에 상술한 바와 동일한 캠 프로파일이다. 반복하자면, 캠 프로파일(318)은 시프터 기어(310)의 두 단면 사이를 시프팅하는 기어 트랙(315)에 의해 형성된다. 바이폴라 센서(620)가 제어 조립체(250) 내에 고정인 방식으로 위치될 수 있는 반면에, 6개의 자석들(602)은 시프터 기어(310) 내에서 캠 프로파일(318)과 기어 트랙(315) 가까이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 6개의 자석들(602)은 기어 트랙(315)이 시프터 기어(310)의 원주 주위의 시프터 기어(310)로부터 돌출되는 교차 지점에서 캠 프로파일(318) 상에 직접적으로 배치될 수 있다. 이 경우에, 캠 프로파일(318)(및 기어 트랙(315))이 시프터 기어(310)의 주변 주위에서 3개의 완전한 사이클들을 완성하므로 6개의 자석들(602)이 사용된다. 더욱이, 이 예에서, N극성을 가지는 자석들은 캠 프로파일(318)의 4x2 위치들과 정렬될 수 있고 반면에 S 극성을 가지는 자석들은 캠 프로파일(318)의 4x4 위치들과 정렬될 수 있다. 바이폴라 센서(620)는 6개의 자석들(602)을 검출하기 위해 시프터 기어(310) 가까이에 배치될 수 있다. 자석들 각각에 의해 발생되는 자기장이 바이폴라 센서(620)에 의해 거리를 두고 검출될 수 있으므로, 센서 및 자석들 사이에 공간이 유지됨으로써, 센서 및 자석들의 마모가 감소될 수 있다. 자석들의 수는 캠 프로파일(318) 상에 동일한 수의 4x2 및 4x4 위치들이 가능할 수 있도록 짝수(even)일 수 있는 것이 주목된다.
시프터 기어(310)(및 시프터 조립체(270))가 회전할 때, 자석들은 도 6에서 604로 도시되는 시프팅 방향으로 바이폴라 센서(620) 앞으로 교호하면서 지나간다. 도 6에서는 모터(251)가 상술한 바와 같이, 시프팅 동작 동안 단일 방향으로 회전할 수 있으므로 단 하나의 시프팅 방향만이 도시된다. 도 6에 도시된 위치에서, N극의 자석이 센서(620)에 의해 감지되어 시프터 조립체가 현재 4x2 위치에 있음을 알리는 신호가 제어기(255)로 송신될 수 있다. 다음으로, 시프팅 동작이 발생하고 캠 프로파일(318)이 이동할 때, 일단 후속하는 S 극성을 가지는 자석이 센서(620)의 앞으로 지나가면, 제어기(255)로 신호가 송신될 수 있다. 신호를 수신하자마자, 제어기는 모터(251)에게 시프터 조립체(270)의 회전을 중지하라는 명령을 발행함으로써 이 시프터 조립체(270)를 S극성의 자석에 대응하는 검출된 4x4 위치에 잡아둘 수 있다. 이 방식에서, 제어기(255)는 바이폴라 센서(620)에 근접한(예를 들어, 가장 가까운) 자석의 극에 의해 결정되는 바에 따른 시프터 조립체(270)의 위치에 기초하여 모터(251)를 가동시키고 정지시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전동 분리부의 동작에 대한 흐름도를 도시한다. 반복하자면, 4x2(2WD) 모드는 시프터 조립체(270)가 두 샤프트들 중 단 하나만을 맞물리게 하는 위치에 대응하고 반면에 4x4(4WD) 모드는 시프터 조립체(270)가 샤프트들 모두를 맞물리게 함으로써, 2개의 샤프트들을 서로 결합하는 위치에 대응한다. 이해의 용이성을 위해, 이전의 도면들과 관련하여 제시된 구성요소들 및 설명이 참조될 것이다. 도 7은 도 2 내지 도 5의 분리부(200)와 같은 분리부 및 연관되는 구성요소들의 이동 및 시프팅 기능들을 제어하기 위한 방법(700)을 도시한다. 방법(700)을 실행하기 위한 명령들은 도 2에 도시되는 제어기(255)와 같은 제어기의 메모리에 저장될 수 있다.
먼저, 701에서, 제어기(255)에 의해 일련의 초기화 동작들이 수행될 수 있다. 초기화 동작들은 주 차량 제어기와 같은 외부 제어기 및 제어기 사이에 통신을 설정하는 것과 함께 제어기에 부착된 바이폴라 센서를 교정하는 것을 포함할 수 있다. 다음으로, 702에서, 상술한 바와 같이, 분리부(200) 상에 위치되는 제어기(255)에 입력 명령이 송신될 수 있다. 입력 명령은 4x2에서 4x4로, 또는 그 역으로 변경하라는 동작자(즉, 운전자) 요청일 수 있다. 이 시스템에서, 명령은 제어기(255)로 송신되기 전에 주 차량 제어기를 통해 송신될 수 있다. 이에 따라, 방법은 702에서 주 차량 제어기로부터 입력 명령을 수신하는 것을 포함할 수 있다. 시프트 명령을 수신하자마자, 703에서, 4x4 동작이 요청되는지 또는 아닌지가 결정될 수 있다. 4x4 동작이 요청되면, 프로세스는 704로 진행된다. 대안으로, 4x4 동작이 요청되지 않으면, 프로세스는 708로 진행되고, 이는 아래에서 더 설명된다. 704에서 시프터 기어(310)가 4x4 위치에 있는지가 결정될 수 있다. 다시 도 6의 바이폴라 센서(620)의 논의를 참조하면, 센서는 N 또는 S극의 자석이 센서의 앞에(또는 센서의 판독 범위 내에) 위치되어 있는지를 검출함으로써, 시프터 기어가 4x4 위치에 있는지를 제어기(255)가 결정하는 것이 가능할 수 있다. 시프터 기어가 4x4 위치에 있지 않으면, 705에서는 캠 프로파일(318)이 4x4 위치에 부합하는 자석에 도달되도록 충분히 이동할 때까지 시프터 조립체를 회전시키고 축방향으로 이동시키기 위해 모터가 켜질 수 있다. 일단 시프터 기어가 4x4 위치에 있으면, 706에서 모터는 원하는 4x4 위치에서 유지되기 위해 꺼질 수 있다. 최종적으로, 707에서, 제어기는 주 차량 제어기에 4x4 피드백 신호를 출력함으로써, 4WD로의 시프트의 완료를 알릴 수 있다.
703으로 돌아가서, 4x4 동작이 요청되지 않으면, 프로세스는 708로 진행된다. 후속해서, 708에서 방법은 4x2 동작이 요청되는지를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 4x2 동작이 요청되지 않으면(702의 차량 입력 명령으로서), 713에서 제어기(255)에 의해 무효 입력이 검출된다. 이 상황에서, 714에서 출력 결함 코드(fault code)가 제어기에 의해 외부 차량 제어기로 송신될 수 있고 프로세스가 종료된다. 이 동작의 가지(branch)(단계 713 및 단계 714를 포함하는)로 인해 무효 명령들이 제어기의 동작 및 분리 동작을 방해하는 것이 가능하지 않고 제어기(255)가 무효 입력 명령들을 검출하고 결함 코드를 발행하는 것이 가능하다. 대안으로, 708에서 4x2 동작이 검출되면, 709에서 시프터 기어(310)가 4x2 위치에 있는지가 결정될 수 있다. 시프터 기어가 4x2 위치에 있지 않으면, 710에서 모터는 4x4 위치에 대응하는 자석에 도달하도록 캠 프로파일(318)이 충분히 이동할 때까지 시프터 조립체를 회전시키고 축방향으로 이동시키기 위해 켜질 수 있다. 예를 들어, 도 6을 참조하면, 시프터 기어가 초기에 S극의 자석에 대응하는 4x4 위치에 있으면, 모터는 바이폴라 센서 앞에 N극의 자석이 위치되어서 시프터 기어가 4x2 위치에 있음을 알릴 때까지 시프터 기어를 움직이도록(캠 프로파일과 함께) 켜질 수 있다. 일단 4x4 위치에 도달하면, 711에서 모터는 원하는 4x2 위치를 유지하기 위해 꺼질 수 있다. 최종적으로, 712에서, 제어기(255)는 4x2 피드백 신호를 주 차량 제어기로 출력함으로써 2WD로의 시프트의 완료를 알릴 수 있다.
이 방식에서, 방법(700)은 두 회전 가능한 샤프트들(4x4)을 연결하는 연결 위치 또는 두 회전 가능한 샤프트들(4x2)을 연결하지 않는 분리 위치에 대응하는 4x2 또는 4x4 위치들과 같은 요청되는 위치로 시프터 조립체(200)를 조정하기 위하여 제어 조립체(250)의 허브 제어기(hub controller)(255)에서 차량 제어기로부터 차량 제어기로부터의 요청을 수신하는 것을 포함한다. 또한, 시프터 조립체의 현재의 위치는 제어 조립체(250)에 결합될 수 있는 자기 위치 센서(620)의 출력에 기초하여 결정될 수 있다. 시프터 조립체(270)는 시프터 조립체의 원주 주위에 배치되는 복수의 자석들을 포함할 수 있다. 자석 위치 센서는 복수의 자석들 중 어느 자석이 위치 센서에 가장 가까운지에 기초하여 위치 신호를 출력함으로써 현재의 위치가 연결(4x4) 또는 분리(4x2) 위치인지를 결정할 수 있다. 최종적으로, 전기 모터(251)는 현재의 위치가 요청된 위치와 상이할 때 시프터 조립체를 단일 방향으로 회전시키고 이 시프터 조립체를 요청된 위치(4x4 또는 4x2)로 축방향 조정하기 위하여 웜 기어(234)를 구동하도록 가동될 수 있다. 상술한 바와 같이, 요청되는(원하는) 위치가 시프터 조립체의 현재 위치와 동일하면, 더 이상의 동작이 요구되지 않는다.
제어기(255)에 의한 전기 제어를 통해 분리부(200)의 시프팅 동작을 명령하기 위한 시프팅 방법(700)이 다수의 상이한 제어 방식들에 따라 실행될 수 있음이 이해된다. 도 7에 도시되는 방식은 분리부가 원하는 시프팅 동작을 달성하기 위해 어떻게 제어될 수 있는지를 보여주는 하나의 예이다. 본 발명의 범위에 따라 분리부의 일반적인 동작을 유지하면서 다른 제어 방식들이 구현될 수 있다.
도 8은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 도 2의 제어기(255)의 간단한 개략도(800)를 도시한다. 제어기(255)는 전동 분리부(200)의 신호들을 입력하고 출력하고, 외부 차량 제어기와 통신하고, 시프팅 동작들을 동작하는 데 필요한 프로세싱을 수행하는 마이크로제어기 유닛(810)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 마이크로제어기 유닛(810)은 인입하는 데이터(예를 들어, 수신되는 신호들)를 프로세싱하고 필요한 시프팅 동작들을 다양한 액추에이터들, 센서들 및 상술한 분리 구성요소들과 결합하여 수행할 수 있다. 도 8에 도시되는 배열에서, 차량 입력 명령 신호(720)는 마이크로제어기 유닛(810)으로 송신될 수 있다. 입력 제어 신호(720)는 외부 차량 제어기(제어기(255)의 외부)에 의해 송신되고 4x4 또는 4x2 시프팅을 위한 명령들을 포함할 수 있다. 하나의 예로서, 차량은 원래 4x2 모드(2WD 모드)에 있을 수 있고 동작자는 4x4 모드(4WD 모드)로 전환하기를 희망할 수 있다. 동작자 입력 시에, 차량 제어기는 명령(720)을 마이크로제어기 유닛(810)으로 송신할 수 있고, 명령은 4x4 모드로 시프팅하라는 요청을 포함한다. 입력 명령을 수신하고 프로세싱할 때, 마이크로제어기 유닛(810)은 웜 구동장치를 맞물리게 하고 시프터 조립체를 원하는 위치로 이동시키기 위해 명령에 맞게 모터(251)를 켤 수 있다. 시프팅 사건의 완료 시에, 출력 피드백 신호(730)가 외부 차량 제어기에 송신될 수 있다. 원하는 시프트의 완료 시에 모터(251)가 꺼지면, 도 8에 도시되는 바와 같이, 모터가 접지되므로 동적 제동(dynamic braking) 동작이 있을 수 있음이 주목된다. 이 동적 제동으로 클러치 링(330)만이 회전하도록 하면서 시프터 조립체가 움직이지 않게 유지되는 것이 가능하다. 더욱이, 모터(251)에 부착되는 웜 구동장치는 실질적으로 모터(251) 및 시프터 조립체(270)의 반대 방향으로의 구동을 방지할 수 있다. 특히, 모터(251)는 시프터 조립체(270)에 반대로 작용하는 차축 마찰 토크에 의해 반대방향으로 구동되지 않도록 함으로써 모터(251)가 꺼져 있을 때 시프터 조립체(270)가 움직이지 않게 유지되는 것이 가능할 수 있다.
더욱이, 제어기(255)는 개방 루프인 시간 기반 방식과 대조되는 폐루프 방식에 따라 모터(251)를 동작시킨다는 점에서 스마트 제어기일 수 있다. 더욱이, 제어기(255)가 독립적으로 되어(self-contained) 분리부(200) 상에 위치될 때, 차량 제어기가 분리부(200)를 동작시키는 데 필요한 프로세싱 명령들을 통합할 필요가 없으므로 차량 비용이 감소될 수 있다. 바이폴라 센서(620)는 시프터 조립체의 현재의(예를 들어, 실제의) 위치를 포함하는 신호를 마이크로제어기 유닛(810)에 송신할 수 있다. 예를 들어, 마이크로제어기 유닛(810)에서 바이폴라 센서(620)로부터 수신되는 신호는 시프터 조립체가 4x4인 연결 모드 또는 4x2인 분리 모드에 있는지에 대한 피드백일 수 있다. 상술한 바와 같이, 4x4 및 4x2 구동 모드들은 S극 자기 신호 및 N극 자기 신호에 각각 대응할 수 있다. 그리고 마이크로제어기(810)로부터 모터(251)로 송신되는 신호는 바이폴라 센서로부터의 위치 피드백(예를 들어, 시프터 조립체의 현재의 위치) 및 차량 입력 명령 신호(720)(예를 들어, 시프터 조립체의 요청된 위치) 모두에 기초할 수 있다.
이 방식에서, 전동 분리 조립체(200)는 두 회전 구성요소들을 선택적으로 맞물리게 하는 컴팩트한 디바이스를 제공한다. 시프터 구조(230)는 설계에 있어서 계속 컴팩트하면서 두 상이한 구동 모드들 사이를 시프팅하기 위한 시프터 조립체(270) 및 다른 구성요소들을 포함한다. 더욱이, 제어 조립체(250)는 제어기(255) 및 모터(251)가 분리 조립체의 나머지에 비해 작을 수 있으므로 컴팩트한 설계를 유지하면서 시프터 구조(230)의 주변에 부착될 수 있다. 시프터 기어를 동작시키는 웜 구동장치는 웜 구동장치가 기어 감속을 위한 복잡한 기어 박스들을 필요로 하지 않고도 디폴트(default)에 의해 토크를 증가시키면서 회전 속도를 감속하므로 다른 시스템들보다 더 신뢰성이 있을 수 있다. 또한, 웜 구동장치는 다른 기어 조립체들보다 더 소음이 없을 수 있다. 이 이유들로, 독립적으로 되어 있으면서 컴팩트한 전동 분리 시스템은 다른 분리 시스템들에서 보이지 않는 이점들을 제공할 수 있다.
게다가, 분리 조립체(200)의 시프팅 동작에 동력을 공급하는 데 필요한 전기 모터(251)는 분리 조립체의 하우징(232) 내에 포함되고(예를 들어, 하우징(232)에 의해 둘러싸이고 이 하우징(232) 내에 완전히 수납된다) 분리 조립체에 탑재되어 위치되는 허브 제어기(255)에 의해 국지적으로 제어될 수 있다. 허브 제어기는 외부 차량 제어기로부터 명령 신호들을 수신하기 위해 필요한 명령들을 포함하고, 상기 명령들을 해석하고 프로세싱하고, 분리부의 현재의 동작 모드를 결정하기 위해 하나 이상의 센서들로부터 신호들을 수신하면서 전기 모터를 구동할 수 있다. 이에 따라, 외부 차량 제어기의 컴퓨팅 전력은 다른 기능들을 위해 지정될 수 있고 반면에 허브 제어기(255)는 전동 분리 조립체(200)의 동작에 전용될 수 있다.
도 9 내지 도 17은 다양한 도들에서 전동 분리 조립체의 다른 실시예를 관련된 제어 방식 및 전자 다이아그램과 함께 도시한다. 예를 들어, 도 9 내지 도 17은 차량의 휠 단부에 결합되는 휠 단부 분리부로서 사용되는 전동 분리부의 하나의 실시예를 도시한다. 도 1 내지 도 8에서의 많은 디바이스들, 방법들 및/또는 구성요소들은 도 9 내지 도 17에 도시되는 디바이스들, 방법들 및/또는 구성요소들과 동일하다. 그러므로, 간소화를 위해, 도 1 내지 도 8에 포함되는 도 9 내지 도 17의 디바이스들, 방법들 및 구성요소들은 동일하게 라벨링(labeling)되고 이 방법들, 디바이스들 및 구성요소들의 설명들은 도 9 내지 도 17의 설명들에서 생략된다.
도 9는 휠 너클(925)에 장착되는 전동 분리 조립체(900)의 하나의 실시예를 도시한다. 구체적으로, 도 9는 너클(925)에 장착되는 전동 분리 조립체(900)의 측면도(901), 측면도(901)의 섹션 A-A를 따라 취해지는 단면도(903) 및 단면도(903)의 전개도(905)를 도시한다. 너클(925)은 휠 및 다른 휠 구성요소가 장착되는 중간 구조일 수 있다. 예를 들어, 너클(925)의 한 측에는 휠이 부착되는 반면에, 너클(925)의 다른 측은 차량 서스펜션, 조향 시스템 및 제동 시스템에 연결하기 위한 부착 피처(feature)들을 포함할 수 있다. 전동 분리 조립체(900)는 두 회전 구성요소들을 선택적으로 분리하기 위해 너클(925)의 한 측에 부착될 수 있다. 이 실시예에서, 두 회전 구성요소들은 차축 하프 샤프트(half shaft)(931) 및 휠 허브(934)일 수 있다. 차축 하프 샤프트(931)는 2-차축(하프 샤프트) 시스템의 두 차축들로 분리되는 도 1의 전차축(134)과 유사하거나 동일할 수 있다. 더욱이, 휠 허브(934)가 이 실시예에서 제 2 회전 구성요소인데 반해, 커플러(937)는 클러치 링(330)의 기어 치들과 선택적으로 맞물리는 기어 치들을 포함할 수 있다. 커플러(937)는 커플러(937) 또는 휠 허브(934)의 회전이 다른 구성요소의 동일한 회전에 대응하도록 휠 허브(934)에 회전 가능하게 부착될 수 있다. 휠 허브(934)는 휠 베어링(933)을 통해 너클(925)에 부착될 수 있다. 이 방식으로, 휠 허브(934)는 회전할 수 있는 반면에 너클(925)은 정적으로 남아 있다(회전하지 않음). 도 9 및 후속 도면들에 도시되는 구성의 경우, 분리 조립체(900)는 통합 휠 단부 분리부로 칭해질 수 있다.
도 10은 전동 분리 조립체(900)의 3개의 가능한 위치들을 도시한다. 더 구체적으로, 도 10은 자체에 장착되는 전동 분리 조립체(900)를 포함하는 너클의 측면도(901) 및 절단면 C-C를 따라 취해지는 너클의 단면도(1000)를 도시한다. 도 10은 일련의 세부도들을 도시하며, 여기서 세부도의 위치는 단면(1000) 내의 1001에 도시된다. 제 1, 4x2 위치는 세부도(910)에 도시되고 반면에 제 2, 4x4 위치는 세부도(912)에 도시된다. 도(910)를 참조하면, 클러치 링(330)은 단지 차축(931)(제 1 회전 구성요소)하고만 맞물리고 휠 허브(934)와는 맞물리지 않는다. 클러치 링(330)의 4x2 위치에 대응하는 4x2 모드 동안, 휠 허브(934)의 회전은 차축(931)의 회전과는 별개일 수 있다. 도(912)를 참조하면, 클러치 링(330)은 커플러(937)를 통해 차축(931) 및 휠 허브(934) 모두의 기어 치들과 맞물린다. 클러치 링(330)의 4x4 위치에 대응하는 4x4 모드 동안, 휠 허브(934)의 회전 속도는 차축(931)의 회전 속도와 실질적으로 동일할 수 있다. 추가적으로, 도(912)에 도시되는 4x4 모드 동안, 엔진으로부터의 동력(회전 속도 및 토크)은 차축(931)에 제공되고 클러치 링(330)을 통해 휠 허브(934)에 전달될 수 있다. 제 3 세부도(911)는 블록된 시프트 위치를 도시하고, 여기서 스프링들(340)은 클러치 링(330) 시프트가 지연되는 동안에 시프터 조립체(270)가 자체의 시프팅 모션을 완료하는 것이 가능하도록 편향(deflect)될 수 있다. 예를 들어, 세부도들(910 및 912)에 각각 도시되는 바와 같이 4x2 위치로부터 4x4 위치로의 시프트 동안, 클러치 링(330)의 기어 치들은 커플러(937)의 기어 치들과 정렬되지 않을 수 있다. 이에 따라, 시프터 조립체(270) 및 시프터 기어(310)는 스프링들(340)이 클러치 링(330)에 대하여 편향되어 있는 동안 웜 구동장치에 따라 축방향으로 이동하는 것을 계속할 수 있다. 일단 기어 치들이 적절하게 정렬되면, 스프링들(340)은 클러치 링(330)을 자체의 4x4 위치로 밀어 넣을 수 있다. 이 방식에서, 시프터 기어(310)는 급작스럽게 정지하지 않아 웜 구동장치 및/또는 모터(251)에 손상을 입히지 않을 수 있다.
도 11은 전동 분리 조립체(900)의 측면도(1101), 측면도(1101)에서 섹션 J-J를 따라 취해지는 단면도(1103) 및 단면도(1103)에서의 세부도(1105)를 도시한다. 특히, 제어 조립체(250)로부터 연장되는 전기 케이블(958)이 도시된다. 케이블(958)은 분리 조립체(900)에 시프팅 요청들을 제공하기 위하여 분리 조립체(900) 및 외부 차량 제어기 사이에 전기 접속을 제공할 수 있다. 더욱이, 도 11의 세부도(1105)에 도시되는 바와 같이, 제어 조립체(250)로부터 연장되는 암에 부착되는 자기 바이폴라 센서(620)가 도시된다. 센서(620)는 암을 통해 허브 제어기(255)에 전기적으로 부착될 수 있다. 이 방식에서, 센서(620)는 시프터 구조(230) 내에서 시프터 조립체(270)에 근접하게 위치될 수 있다. N 및 S극들을 가지는 일련의 자석들(961)이 기어 트랙(315)을 따라 캠 프로파일(318)에 인접하게 위치될 수 있다. 하나의 예의 구성에서, 센서(620)는 3개의 고정 캠 가이드들(237) 중 하나에 직접적으로 인접하게 위치될 수 있다. 특히, 센서(620)는 제어 조립체(250)에 가장 가까운 고정 캠 가이드(237)의 한 측에 부착될 수 있다. 기어 트랙(315)이 대응하는 고정인 캠 가이드들(237 및 238) 사이에 수용되어 있으므로, 기어 트랙(315)(및 캠 프로파일(318))은 캠 가이드들(237 및 238) 사이에서 회전할 수 있고 반면에 센서(620)는 N 또는 S극의 자석(961)이 센서(620) 앞으로 지나가는지를 검출할 수 있다. 이 방식에서, 센서(620)의 적절한 교정 및 기능이 가능하도록 센서(620) 및 자석들(961) 사이에 실질적으로 일정한 폭으로 에어 갭(977)이 유지될 수 있다.
대안의 실시예에서, 제어 조립체(250)의 캡(258)은 케이블(958)을 포함하지 않을 수 있고 대신에 와이어 하네스 커넥터(wire harness connector)가 제어 조립체(250) 내로 플러그인되기 위한 내장 리셉터클(receptacle)을 포함할 수 있다. 달리 말하면, 캡(258)은 시프팅 요청들을 분리 조립체(900)에 제공하기 위해 외부 차량 제어기에 결합되는 와이어 하네스를 수용하도록 적응되는 전기 리셉터클을 포함할 수 있다.
도 12는 제어 조립체(250)의 제 1 도(1201) 및 제 2 도(1203)를 도시하고, 제 1 도 및 제 2 도는 서로 90도로 회전되어 있다. 허브 제어기(255)는 전동 분리 조립체(900)의 여러 기능들을 명령하기 위하여 회로 및 전기 구성요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 모터(251)를 구동하기 위해 제어 조립체(250)에 전력을 공급하는 전력 공급원(915)이 제어기(255) 내에 포함될 수 있다. 더욱이, 모터 구동기(916)는 모터(251)의 순 또는 역 방향을 명령하기 위해 제어기(255) 내에 포함될 수 있다. 즉, 모터(251)는 출력 샤프트에 시계 또는 반시계 회전 방향들로 동력을 제공할 수 있다. 마이크로프로세서(917)는 케이블(958)을 통해 외부 차량 제어기로부터 수신되는 시프팅 요청들을 해석하고 제어기(255) 내에 위치되는 다른 구성요소들에 명령들을 송신하기 위해 상기 요청들을 프로세싱할 수 있다. 도 12에 도시되는 바와 같이, 자기 바이폴라 센서(620)는 제어기(255)로 연결되는 암에 부착된다. 암은 센서(620)가 시프터 조립체(270)의 원주에 인접하도록 연장될 수 있다.
도 13은 시프터 구조(230)의 외부에 있는 시프터 조립체(270)의 상면도(1301), 측면도(1300), 측면도(1300)에서의 섹션 L-L을 따라 취해지는 단면도(1302) 및 단면도(1302)의 일부분의 세부도(1303)를 도시한다. N극 및 S 극을 가지는 자석들(961)은 상세하게 그리고 기어 트랙(315)의 측들의 주위에서 도시된다. 자석들(961)의 극성은 기어 트랙(315)을 돌면서 교호하고, 각각의 자석은 시프터 조립체(270)의 4x2 또는 4x4 위치에 대응한다. 시프터 조립체(270)의 양 단부들에는 여러 개(981)가 배치될 수 있다. 더욱이, 스프링(340)은 응축되거나(collapsed) 또는 형태가 변형되지 않은(non-deformed) 상태(position)로 보일 수 있다.
도 14는 시프터 조립체(270)의 상면도(1401), 측면도(1400) 및 측면도(1400)의 섹션 N-N을 따라 취해지는 단면도(1402)를 도시하고, 이 도들은 도 13에서 도시된 도들과 유사하다. 그러나, 스프링들(340)은 도 13에서의 자체가 연장되거나 형태가 변형된 상태들로 도시된다. 상술한 바와 같이, 스프링들(340)은 시프터 조립체(270)의 나머지가 시프팅 모션 동안 축 방향으로 이동할 때 클러치 링(330)에 대해 편향될 수 있다. 그와 같은 상황에서, 클러치 링(330)은 클러치 링(330)의 기어 치들 및 제 2 회전 구성요소(휠 허브(934)에 부착되는 커플러(937))의 기어 치들이 정렬될 때까지 축 방향으로 정적으로 유지될 수 있고, 그 결과로 스프링들(340)은 클러치 링(330)을 제 2, 4x4 위치로 밀어 넣을 수 있다.
도 15 및 도 16은 도 9 내지 도 14에 도시되는 분리 조립체(900) 및 연관되는 구성요소들을 동작시키는 예시 방법(1600)을 도시한다. 방법(1600)은 방법(700)과 유사한 단계들을 공유하며 분리 조립체(900)가 좌 또는 우륜에 부착(예를 들어, 설치)되어 있는지 뿐만 아니라 차량이 전방 또는 후방으로 이동하고 있는지를 결정하는 것을 추가할 수 있다. 이에 따라, 시프터 조립체(270)를 4x2 및 4x4 위치들로 이동시키는 모터(251)는 차량의 전진 또는 후진 방향이 바람직한지 또는 분리 조립체가 차량의 좌 또는 우측에 부착되어 있는지에 따라 전진 또는 후진 방향들 모두로 회전하도록 구성될 수 있다.
처음, 1501에서, 방법(700)의 단계 701과 유사하게 제어기(255)에 의해 일련의 초기화 동작들이 수행될 수 있다. 다시, 초기화 동작들은 주 차량 제어기와 같은 외부 제어기 및 제어기 사이에 통신을 설정하는 것과 함께 제어기에 부착된 바이폴라 센서의 교정을 포함할 수 있다. 다음으로, 1502에서, 입력 명령은 분리부(900)에 인접하게 위치되는 제어기(255)로 송신될 수 있다. 입력 명령은 4x2에서 4x4로 또는 그 역으로 변경하라는 동작자(즉, 운전자) 요청일 수 있다. 이 시스템에서, 명령은 주 차량 제어기를 통해 케이블(958)을 경유하여 허브 제어기(255)로 송신될 수 있다.
시프트 명령을 수신하자마자, 1503에서, 상기 방법은 4x4 동작이 요청되는지 또는 아닌지를 결정하는 것을 포함한다. 4x4 동작이 요청되면, 프로세스는 1504로 진행된다. 대안으로, 4x4 동작이 요청되지 않으면, 프로세스는 방법(1500)이 계속되는 도 16으로 진행된다. 1504에서, 방법은 시프터 기어(310)가 4x4 위치에 있는지를 결정하는 것을 포함한다. 시프터 기어(310)가 4x4 위치에 있지 않으면, 1507에서 방법은 좌륜이 선택되는지, 즉 제 2 회전 구성요소가 좌륜 허브(또는 커플러)인지를 결정하는 것을 포함한다. 좌륜이 선택되면, 1508에서 제어기(255)는 모터(251)를 시계 방향으로 회전하도록 켬으로써 시프터 조립체(270)를 제 1 회전 구성요소(또는 앞 좌측 하프 샤프트)와 동일한 방향으로 회전시킬 수 있다. 대안으로, 우륜이 선택되면, 제어기(255)는 모터(251)를 반시계 방향으로 회전하도록 켬으로써, 시프터 조립체(270)를 앞 우측 하프 샤프트와 동일한 방향으로 회전시킬 수 있다. 단계 1508 및 단계 1509에서, 전진하는 차량 모션(vehicle motion)이 취해지는 것이 주목된다. 차량이 후진으로 이동하고 있으면, 1508에서 모터는 도 15에 도시된 것과 반대로 시계 반대방향으로 회전할 수 있다. 유사하게, 후진하는 차량 모션의 경우, 1509에서, 모터는 시계 방향으로 회전할 수 있다. 이 방식에서, 시프터 조립체(270)는 제 1 회전 구성요소와 동일한 방향으로 회전할 수 있다.
단계 1508 또는 단계 1509에 따라 모터(251)를 동작시키자마자, 1504에서 방법은 센서(620) 앞에서 자석들(961)의 정렬을 감지하는 것을 통해 시프터 기어(310)가 4x4 위치에 있는지를 다시 검사하는 것을 포함한다. 일단 시프터 기어(310)가 4x4 위치에 있으면, 1505에서 모터는 원하는 4x4 위치를 유지하기 위해 꺼질 수 있다. 마지막으로, 1506에서, 제어기는 4x4 피드백 신호를 주 차량 제어기로 출력함으로써 4WD로의 시프트의 완료를 알릴 수 있다.
1503으로 돌아와서, 4x4 동작이 요청되지 않으면, 방법(1500)은 방법(1500)의 나머지를 도시하는 도 16으로 진행된다. 후속해서, 1510에서, 방법은 4x2 동작이 요청되는지를 결정하는 것을 포함한다. 4x2 동작이 요청되지 않으면, 1517에서 제어기(255)에 의해 무효 입력이 검출된다. 이 상황에서, 1518에서, 출력되는 결함 코드가 제어기(255)에 의해 외부 차량 제어기로 송신됨으로써 프로세스가 종료될 수 있다. 대안으로, 1510에서, 4x2 동작이 검출되면, 1514에서 방법은 단계 1507과 유사하게, 좌륜이 선택되는지를 결정하는 것을 포함한다. 좌륜이 선택되면, 1515에서 모터는 시계 방향으로 켜진다. 좌륜이 선택되지 않고 대신 우륜이 선택되면, 1516에서 모터는 시계 반대방향으로 켜진다. 상술한 바와 같이, 차량이 후진으로 이동하고 있으면, 단계 1515 및 단계 1516에서의 모터 방향 또한 뒤바뀔 수 있다. 일단 시프터 기어가 센서(620)에 의해 결정되는 바에 따라 4x2 위치에 도달하면, 1512에서, 모터는 4x2 위치를 유지하고 동적 제동을 통해 모터의 역방향 구동을 실질적으로 방지하기 위해 꺼질 수 있다. 마지막으로, 1518에서, 제어기(255)는 4x2 피드백 신호를 주 차량 제어기로 출력함으로써 2WD로의 시프트의 완료를 알릴 수 있다.
도 17은 도 7에 도시되는 동일한 구성요소들의 다수를 포함하는 제어기(255)의 간소화된 전기 개요도(1700)의 다른 예를 도시한다. 4x2 및 4x4 모드들 사이의 전환을 위해 입력 명령(720)을 수신하는 것 외에, 마이크로제어기 유닛(810)에 의해 제 2 입력 명령(750)이 수신될 수 있다. 제 2 입력 명령(750)은 유닛(810)에게 제어기(255)에 의한 분리 조립체 제어기가 차량의 좌 또는 우측에 위치되어 있는지 또는 아닌지를 전할 수 있다. 더욱이, 제 3 입력 명령(760)은 외부 차량 제어기에 의해 유닛(810)으로 송신될 수 있고, 제 3 입력 명령(760)은 유닛(801)에게 차량이 전진 또는 후진(역) 방향으로 이동하고 있는지를 알릴 수 있다. 센서(620)에 의해 결정되는 분리 조립체의 현재 위치와 함께 신호들(720, 750 및 760)로 모터(251)는 적절하게 동작될 수 있다. 이 예에서 모터(251)는 입력 신호들에 따라 시계방향 및 반시계 방향 모두로 회전될 수 있음이 주목된다. 그러나, 좌륜 상에서 전방으로 4x4와 같은 명령의 모드 동안, 모터(251)는 이 명령의 모드의 지속기간 동안 적절한 방향(시계방향과 같은)으로만 회전하도록 명령을 받을 수 있다. 이 방식에서, 모터(251)는 동적 제동을 제공하기 위해 하나의 방향으로 구동되고 유지될 수 있다.
도 17의 제어기 개략도는 간소하고 저비용의 양방향 구동을 위한 제어를 제공할 수 있고 여기서 모터(251)는 분리 조립체의 위치(positioning) 및 차량의 이동 방향에 따라 2 방향들로 구동될 수 있다. 다른 실시예들에서, 각각 좌/우 분리부 위치 및 전진/후진 차량 이동을 결정하기 위한 신호들(750 및 760)은 마이크로제어기 유닛(810)으로의 추가 핀 연결들에 의해 대체될 수 있다. 이에 따라, 외부 차량 제어기로부터 신호들(750 및 760)을 수신하기 보다는 오히려, 센서들 또는 다른 디바이스들은 모터(251)가 어느 방향으로 회전하는지를 결정하기 위해 차량의 차축 회전을 결정하도록 분리 조립체에 인접하게 위치될 수 있다. 본 발명의 범위에 여전히 부합하면서도 다른 구성요소들이 추가, 변경 및/또는 도 17의 개략도로부터 제거될 수 있다.
이 방식에서, 4x2 및 4x4 위치들 사이에서 전환하는 것을 제어하는 것을 제외하고, 제어기(255)는 케이블(958)을 통해 외부 차량 제어기로부터 신호를 수신함으로써 분리 조립체(900)가 차량의 좌 또는 우측에 장착되는지를 결정할 수 있다. 일단 분리 조립체의 장착 위치가 결정되면, 제어기(255)는 모터(251)에게 차량이 이동하고 있는 동안 차축 회전의 방향과 정합하는 방향으로 회전하라고 지시할 수 있다. 두 전륜들 각각 별로 하나와 같이 다수의 분리 조립체들을 구비하는 차량에서, 차량 제어 시스템은 모터들에게 전진 차량 이동을 위하여 하나의 방향으로 그리고 후진 차량 이동을 위하여 반대 방향으로 회전하라고 지시할 수 있다. 이에 따라, 외부 차량 제어기는 차량의 상이한 부분들에 위치되는 하나 이상의 분리 조립체들에 시프팅 요청들을 송신하기 위한 명령들을 포함할 수 있다.
이제 도 18 내지 도 22로 전환해서, 차량 차축을 따라 위치되는 중앙 전동 분리부(1802)의 실시예들이 도시된다. 중앙 전동 분리부(1802)는 도 2 내지 도 8와 관련하여 상술된 전동 분리 조립체와 유사하게 동작하고 그와 유사한 구성요소들 및 기능을 가질 수 있다. 중앙 전동 분리부(1802)는 또한 도 9 내지 도 17에 도시되는 휠 단부 전동 분리부와 유사한 구성요소들을 유사하게 동작시키고 포함할 수 있다. 그러나, 차축 하프 샤프트 및 휠 허브를 선택적으로 분리하는 대신, 중앙 전동 분리부(1802)는 차축의 두 부분들(예를 들어, 도 1에 도시되는 전차축(134) 또는 후차축(132)의 두 부분들과 같은)을 선택적으로 분리할 수 있다.
예를 들어, 도 18은 차량의 차축(1804)을 따라 위치되는 중앙 전동 분리부(1802)의 제 1 실시예의 개략도(1800)를 도시한다. 예를 들어, 차축(1804)은 차량의 전차축 또는 후차축일 수 있다. 도 18에 도시되는 바와 같이, 중앙 전동 분리부(1802)는 차축(1804)의 가운데 부분에 위치되고 차축(1084)의 양 단부에 위치되는 휠 및 타이어(1818)와는 떨어져 있다. 차축(1804)은 차축(1804)의 양 단부에서 하프 샤프트(1816)에 결합될 수 있다. 각각의 하프 샤프트(1816)는 하프 샤프트(1816) 및 휠 허브(1820) 사이에서 연결 샤프트를 둘러싸는 휠 베어링(1822) 및 너클(1824)에 의해 휠 허브(1820)에 결합된다. 도 18에 도시되는 바와 같이, 중앙 전동 분리부(1802)는 차동장치(1806)(예를 들어, 도 1에 도시된 전방 차동장치(122) 또는 후방 차동장치(121)일 수 있는)의 한 측에 위치된다. 대안의 실시예들에서, 중앙 전동 분리부는 아래에서 더 설명되는 도 21에서 도시되는 바와 같이, 차동장치(1806)의 반대 측 상에 위치될 수 있다.
차동장치(1806)는 프로펠러 샤프트(1814)에 직접 결합된다. 프로펠러 샤프트(1814)는 차량의 전륜 또는 후륜 구동 샤프트(예를 들어, 도 1에 도시되는 전륜 구동 샤프트(133) 또는 후륜 구동 샤프트(131)와 같은)의 일부이거나 또는 이들에 결합될 수 있다. 이에 따라, 회전력은 차량 구동 샤프트에서 차동장치(1806)로 전달된다. 차축(1804)을 따라 배열되는 차동장치(1806)는 그 후에 토크를 차축(1804)에 결합되는 휠들의 각각에 배분한다. 차동장치(1806)는 제 1 측에서 스터브 샤프트(stub shaft)(1812)에 결합되고, 스터브 샤프트(1812)는 차축(1804)의 일부이고 하프 샤프트(1816) 중 하나에 직접 결합된다. 차동장치(1806)는 제 1 측의 반대쪽인 제 2 측 상에서 차축(1804)의 중간 샤프트(1810)에 직접 결합된다.
중간 샤프트(1810)는 중앙 전동 분리부(1802)에 더 결합된다. 중앙 전동 분리부(1802)는 또한 커플러 샤프트(1808)에 결합되고, 커플러 샤프트(1808)는 하프 샤프트들(1816) 중 다른 하나에 직접 결합된다. 이에 따라, 중앙 전동 분리부는 선택적으로 두 회전 구성요소들을 서로 분리하고, 상기 두 회전 구성요소들은 제 1 휠(1801)에 연결되는 커플러 샤프트(1808) 그리고 중간 샤프트(1810)이고, 상기 중간 샤프트(1810)는 차동장치(1806) 및 프로펠러 샤프트(1814)를 통하여 차량의 구동 샤프트에 결합된다.
중앙 전동 분리부(1802)는 각각의 휠에 하나의 조립체를 가지는 허브 잠금 시스템의 두 유닛들에 대향하는 하나의 분리 유닛으로 구성된다. 단 하나의 분리 유닛이 사용되므로, 단 하나의 휠(예를 들어, 제 1 휠(1801))만이 분리될 수 있고 다른 휠(예를 들어, 제 2 휠(1803))은 계속 연결되어(예를 들어, 차축(1804)의 구동 부분에) 있을 수 있다. 예를 들어, 도 18에 도시되는 중앙 전동 분리부(1802)는 제 2 휠(1803)이 구동트레인에 계속 결합되어 있으면서 제 1 휠(1801)을 구동트레인으로부터 분리할 수 있다. 하프 샤프트(1816)에 인접한 연결된 제 2 휠(1803) 및 스터브 샤프트(1812)는 함께 돌고 마찬가지로 하프 샤프트(1816)에 인접한 분리된 커플러 샤프트(1808) 및 제 1 휠(1801)은 함께 돈다. 중간 샤프트(1810)는 휠(1803) 및 스터브 샤프트(1812)에 연결되는 하프 샤프트(1816)와 동일한 속도로, 그러나 차동 베벨 기어(bevel gear)들로 인해 반대 방향으로 돈다. 중간 샤프트(1810) 및 스터브 샤프트(1812)의 평균 속도가 대략 0일 수 있으므로, 디퍼런셜 캐리어(differential carrier) 및 프로펠러 샤프트(1814)는 움직이지 않는다. 중앙 전동 분리부(1802)는 전체 크기 감소, 비용 감소, 구현의 간소화 및 시프팅 잡음의 감소와 같이, 도 9 내지 도 17에 도시되는 휠 단부 분리부보다 이점들을 제공할 수 있다. 더욱이, 도 18에 도시되는 바와 같이, 중앙 전동 분리부(1802) 및 차동장치(1806)는 차축 하우징(1826)에 결합될 수 있다. 중앙 전동 분리부(1802)는 아래에서 도 23 내지 도 27와 관련하여 더 설명되는 바와 같이, 커플러 샤프트(1808) 및 중간 샤프트(1810)를 선택적으로 맞물리게 하고 풀리게 하는 액추에이터(1828)를 포함한다.
도 19는 차량의 차축(1804)을 따라 위치되는 중앙 전동 분리부(1802)의 제 2 실시예의 개략도(1900)를 도시한다. 도 19에 도시되는 바와 같이, 차축(1804)(특히, 차축(1804)의 중간 샤프트(1810))는 엔진 오일 팬(oil pan)(1902)을 통하여 위치된다. 중앙 전동 분리부(1802)는 엔진 오일 팬(1902)의 제 1 측 상에 위치되고 반면에 차동장치(1812)는 엔진 오일 팬(1902)의 제 2 측 상에 위치되면, 제 2 측은 차축(1804)의 길이를 따라 제 1 측의 맞은편에 있다.
도 20은 차량의 차축(1804)을 따라 위치되는 중앙 전동 분리부(1802)의 제 3 실시예의 개략도(2000)를 도시한다. 제 3 실시예는 도 18에 도시되는 제 1 실시예와 유사하다. 그러나, 도 20에 도시되는 바와 같이, 하프 샤프트들(2002)은 도 18에서의 하프 샤프트들(1816)보다 더 길 수 있다. 중앙 전동 분리부(1802)는 중간 샤프트(2004)를 따라 차동장치(1806)에 더 가까이에 위치된다. 이에 따라, 도 20의 중간 샤프트(2004)는 도 18의 중간 샤프트(1810)보다 더 짧다. 더욱이, 차축(1804)의 전체 길이는 도 18에서보다 도 20에서 더 짧을 수 있다. 이 방식에서, 중앙 전동 분리부(1802) 및 차동장치(1806)는 차축(1804)을 따라 서로 더 가까이 또는 서로 더 멀리 위치될 수 있다.
도 21은 차량의 차축(1804)을 따라 위치되는 중앙 전동 분리부(1802)의 제 4 실시예의 개략도(2100)를 도시한다. 제 4 실시예에서, 엔진 오일 팬(1902)은 엔진 오일 팬(1902)을 통하여 지나가는 스터브 샤프트(1812)를 구비하는 차동장치(1806)의 제 1 측 상에 위치된다. 중앙 전동 분리부(1802)는 차동장치(1806)의 제 2 측 상에 위치되고 제 2 휠(1803)을 구동트레인(이전의 도 18 내지 도 20에서 도시되는 바와 같은 제 1 휠(1801) 대신)과 분리할 수 있다.
도 22는 차량의 차축(1804)을 따라 위치되는 중앙 전동 분리부(1802)의 제 5 실시예의 개략도(2200)를 도시한다. 그러나, 도 22에서, 차축(1804)은 휠 허브(1820)의 조인트(2202)에 직접 결합되지만 하프 샤프트에 결합되지 않는 모노빔 차축(monobeam axle)이다. 이에 따라, 도 22에 도시되는 중앙 전동 분리부(1802)는 모노빔 차축(1804)의 커플러 샤프트(1808) 및 중간 샤프트(1810)를 선택적으로 분리한다.
종래의 중앙 분리 시스템들은 기어 모터 액추에이터에 의해서 시프트 샤프트 상에서 슬라이딩되는 시프트 포크(shift fork)를 통해 시스템의 클러치 링을 이동시킬 수 있다. 그러나, 이 배열의 결과로 비용이 더 높아지고, 복잡도가 더 높아지며 모든 시스템 구성요소들을 설치하는 데 필요한 공간이 더 커질 수 있다. 추가로, 차축 샤프트 회전은 기어 모터 액추에이터와 효과적으로 격리될 수 있다. 그러므로, 차축 샤프트 회전은 클러치 링을 맞물림 또는 풀림으로 시프팅하는 것을 보조하는 데 사용되지 않을 수 있다.
대신, 도 23 내지 도 27에서 더 상세하게 도시되는 중앙 전동 분리부(1802)는 액추에이터, 클러치 링 및 시프트 포크를 단일 컴팩트 조립체로 결합할 수 있다. 이 컴팩트 조립체는 차축을 따라 조립하는 데 필요한 비용, 복잡도 및 공간을 줄일 수 있다. 더욱이, 후술되는 중앙 전동 분리부(1802)는 클러치 링을 맞물림 또는 풀림으로 시프팅하는 것을 돕기 위해 차축 샤프트 회전을 사용할 수 있다. 이에 따라, 차량이 도로를 이동할 때 차축(1804)이 회전하는 것이 중앙 전동 분리부의 기어들 및 캠들을 이동시키는 것을 도움으로써, 모터에 대한 부하를 감소시킬 수 있다. 모터 부하의 감소는 시프트 속도의 증가 및 모터 내구성의 증가로 이어진다.
도 23 내지 도 27은 도 2 내지 도 8 및 도 9 내지 도 17에서 상술한 구성요소들과 유사한 구성요소들을 포함할 수 있다. 이에 따라, 유사한 구성요소들은 유사하게 번호가 매겨졌고 도 2 내지 도 17과 관련하여 상술한 바와 같이 기능할 수 있다. 그러므로, 중앙 전동 분리부는 도 2 내지 도 17과 관련하여 상술한 바와 유사하게 동작할 수 있다. 도 23은 중앙 전동 분리부(1802)의 다양한 외부 도들의 개략도(2300)를 도시한다. 구체적으로, 도 23은 제 1 측면도(2301), 제 1 측면도(2301)로부터 중앙 전동 분리부(1802)의 회전 접근부의 주위로 회전된 제 2 측면도(2302), 등측도(isometric view)(2305) 및 단부도(end view)(2307)를 포함한다. 중앙 전동 분리부(1802)는 베이스 하우징(2302) 및 커버 하우징(2304)을 포함하는 외부 하우징(2306)을 포함한다. 외부 하우징(2306)은 중앙 전동 분리부(1802)의 내부 구성요소들을 완전히 에워싼다(예를 들어, 완전히 둘러싸고 수납한다). 중앙 전동 분리부(1802)는 중간 샤프트(1810) 및 커플러 샤프트(1808)를 더 포함하고, 중앙 전동 분리부는 중간 샤프트(1810) 및 커플러 샤프트(1808)를 선택적으로 분리한다. 시프팅 요청들을 분리 조립체에 제공하기 위해 중앙 전동 분리부(1802) 및 외부 차량 제어기 사이에 전기 접속을 제공하는 전기 케이블(958)이 또한 도 23에 도시된다.
하나의 실시예에서, 베이스 하우징(2302)(도 2에서 도시되는 캡(258)과 유사한)은 전기 케이블(958)을 포함하는 대신 와이어 하네스 커넥터가 베이스 하우징(2302) 내로 플러그인되기 위한 내장 리셉터클을 포함할 수 있다.
도 24는 중앙 전동 분리부(1802)의 분해도 뿐만 아니라 분해도의 일부의 세부도(2401)를 도시한다. 중앙 전동 분리부(1802)는 시프터 조립체(270)를 수납하는 시프터 조립체 하우징(2406)(도 2에 도시되는 하우징(232)과 유사할 수 있다)을 포함한다. 시프터 조립체(270)는 하나 이상의 자석들(961)을 포함하는 시프터 기어(310)(또한 캠 기어로 칭해질 수 있다)을 포함한다. 클러치 링(330)은 시프터 기어(310) 내에 위치되고 부싱들(bushings)(2402)은 클러치 링(330)의 양 측에 위치된다(부싱들은 도 3에 도시되는 와셔들(320 및 350)과 유사할 수 있다). 시프터 조립체(270)는 2개의 스프링들(340)을 더 포함한다. 커버 캠 삽입부(2404)는 시프터 조립체(270)에 근접하게 위치될 수 있고 도 2에 도시되는 캠 키퍼(235)와 유사하게 동작할 수 있다. 중앙 전동 분리부는 웜(253)을 구동하는 모터(241)를 더 포함하고, 웜(253)은 순서대로 웜 기어(234)를 구동한다. 웜(243)은 역방향으로 구동될 수 없다. 대안의 실시예들에서, 웜(253)은 웜 기어로 칭해질 수 있고 웜 기어(234)는 구동 기어로 칭해질 수 있다.
제어기(255)(예를 들어, 중앙 분리 제어기)는 모터(251)를 동작시키고 그리고 자석들(961)을 통해 시프터 기어(310)의 위치를 감지하기 위하여 위치 센서(620)와 통신할 수 있다. 위치 센서(620) 및 자석들(961)은 전환 시스템(switching system)을 포함하는 것이 인정될 것이다. 대안의 실시예들에서, 스냅 스위치 및 가동 지점(actuation point)들, 인코더 뒤에 오는 접촉 와이퍼 또는 광학 스위칭과 같은 대안의 유형의 전환 시스템이 사용될 수 있다. 제어기(255)는 모터(251)를 작동시키고 정지시키는 제어 입력들에 응답하여 모터를 정확한 방향으로 가동시키기 위해 사용된다. 모터(251)의 회전 방향은 전진 또는 후진하는 차량 모션을 나타내는 차량 신호로부터 결정될 수 있다. 이에 따라, 전진하는 차량의 모션은 결과적으로 모터가 전진 방향으로 회전하게 된다. 차량 후진 신호가 검출되면 모터는 후진 방향으로 가동될 수 있다. 그러나, 모터는 항상 차량 방향과 동일한 방향으로 작동되고 차량 방향이 전환되지 않는 한 방향들을 전환할 수 없다.
제어기(255)는 또한 다양한 유형들의 결함들을 검출하고 검출된 결함들에 응답하여 교정 조치들을 취하도록 구성될 수 있다. 정지된(stalled) 모터는 예를 들어, 결함으로서 검출될 수 있다. 하나의 예에서, 모터 방향의 순간 역전은 정지된 모터를 정정할 수 있다. 제어기(255)는 차축 속도 센서들과 같은 추가 센서들을 포함할 수 있다. 차축 속도 센서들로부터의 신호들은 특정한 차량 여건들 하에서 시프팅 알고리즘을 더 정교하게 하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제어기(255)는 차량이 정지되어 있거나 고속으로 이동하고 있을 때 모드 시프트(예를 들어, 4x4에서 4x2로)가 가능하지 않을 수 있다.
일부 실시예들에서, 추가, 다판 클러치는 클러치 링(330)을 포함하는 시프터 조립체(270)와 직렬로 결합될 수 있다. 다판 클러치는 도 2 내지 도 3과 관련하여 상술한 다판 클러치 실시예와 유사하게 구성될 수 있다.
이 방식에서, 전동 분리 조립체의 기술 효과는 차량 구동트레인의 두 회전 구성요소들을 효과적으로 그리고 정확하게 맞물리게 하고 풀리게 한다. 상술한 바와 같이, 전동 분리 조립체는 차량에서 용이하게 이용 가능하지 않을 수 있는 진공 대신 전기 모터를 통해 가동 가능하다.
도 25 내지 도 27은 상술한 중앙 전동 분리부(1802)의 다양한 단면도들을 도시한다. 구체적으로, 도 25는 제 1 단부도(2500), 제 1 단부도(2500)에서 도시되는 섹션 라인 B-B를 따라 취해지는 제 1 단면도(2401) 및 중앙 전동 분리부(1802)의 제 1 단면도(2401)의 일부분의 제 1 상세도(2502)를 도시한다. 제 1 상세도(2502)에 도시되는 바와 같이, 클러치 링은 시프터 기어(310)에 방사상으로 내부에 있고 시프터 기어(310)과 동심이다. 도 25는 명료성을 위해 구성요소들이 제거된 제 2 단부도(2503), 제 2 단부도(2503)에서 도시된 섹션 라인 D-D를 따라 취해지는 제 2 단면도(2404) 및 제 2 상세도(2505)와 제 2 상세도(2505)의 일부분들의 제 3 상세도(2506)를 더 도시한다. 특히, 제 2 상세도(2505)는 하나의 자석(961)이 위치 센서(960)에 근접해 있고, 여기서 이 자석의 S극이 위치 센서(960)에 근접해 있는 것을 도시한다.
도 26 내지 도 27은 중앙 전동 분리부(1802)의 제 1 단부도(2600)를 도시한다. 더욱이, 도 26 내지 도 27은 분리부가 4x2 구성으로 있는 제 1 단면도(2601), 분리부가 4x4 구성으로 있는 제 2 단면도(2603) 및 분리부가 블록된 시프트 상태들로 있는 제 3 단면도(2605)를 도시하고, 단면도들의 각각은 제 1 단부도(2600)의 라인 섹션 G-G를 따라 취해진다. 도 26은 4x2 구성으로 있는 분리부의 제 1 상세도(2602), 4x4 구성으로 있는 분리부의 제 2 상세도(2604) 및 블록된 시프트 상태에 있는 분리부의 제 3 상세도(2606)를 더 도시한다. 이 세 구성들은 도 10과 관련하여 상술한 시프트 구성들과 유사할 수 있다. 예를 들어, 4x2 구성에서, 클러치 링(330)은 중간 샤프트(1810) 및 커플러 샤프트(1808) 모두와 맞물리지 않는다. 4x4 구성에서, 클러치 링(330)은 중간 샤프트(1810) 및 커플러 샤프트(1808) 모두와 완전히 맞물린다.
중앙 전동 분리부(1802)에는 본원에서 설명되지 않는 추가 구성요소들이 포함될 수 있다. 더욱이, 도 2 내지 도 17에 도시되는 추가 구성요소들은 중앙 전동 분리부(1802) 내에 포함될 수 있다. 더 부가적으로, 중앙 전동 분리부(1802)의 구성요소들은 도 9 내지 도 14에 도시되는 휠 단부 분리부 실시예에 포함될 수 있다.
하나의 실시예로서, 전동 분리 조립체는: 시프터 조립체의 두 단부들 사이에서 계면 샤프트(interfacing shaft)의 회전 축의 방향으로 파상화된 파상화(undulating) 기어 트랙을 포함하는 시프터 조립체를 포함하고, 기어 트랙은 고정 캠 가이들 사이에 트랩(trap)된다. 상기 실시예의 추가적인 실시예에서, 파상화 기어 트랙은 웜과 접촉되는 웜 기어와 접촉된다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예에서, 웜은 전기 모터의 출력 샤프트에 연결된다. 추가로, 상기 실시예들 중 임의의 실시예에서, 전기 모터는 계면 샤프트가 단일 방향으로 회전하는 동안 이 단일 방향으로 회전하도록 적응된다.
다른 실시예로서, 두 샤프트들을 선택적으로 맞물리게 하는 방법은: 제 1 모드 동안, 시프터 조립체가 웜 기어를 제 1 방향으로 회전시키도록 적응되는 모터에 의해 구동되는 웜 기어를 통해서 단지 제 1 샤프트하고만 맞물리는 제 1 위치에 시프터 조립체를 유지시키는 단계; 제 2 모드로 전환하라는 명령을 수신하자마자, 웜 기어를 시프터 조립체의 두 단부들 사이에서 요동하는 시프트 조립체의 기어 트랙과 접촉하도록 구동하고, 시프터 조립체를 제 1 축 방향으로 그리고 시프터 조립체가 제 1 샤프트 및 제 2 샤프트 모두와 맞물리는 제 2 위치 내로 이동시키는 단계; 및 제 1 모드로 역으로 전환하라는 명령을 수신하자마자, 웜 기어를 제 1 방향으로 구동시키고 시프터 조립체가 제 1 위치로 도달할 때까지 제 1 축 방향과 반대인 제 2 축 방향으로 시프터 조립체를 이동시키는 단계를 포함한다. 상기 실시예의 부가적인 실시예에서, 제 1 모드는 2륜 구동 모드이고 제 2 모드는 4륜 구동 모드이다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 다른 부가적인 실시예로서, 제 2 모드로 전환하라는 명령 및 제 1 모드로 역으로 전환하라는 명령은 시프터 조립체에 결합되는 제어기에 의해 수신되고, 제어기는 모터를 동작시킨다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 또 다른 실시예로서, 제어기는 제 1 및 제 2 모드들로 시프팅하라는 명령들을 수신하기 위해 외부 차량 제어기와 통신하는 프로그래밍을 더 포함한다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 다른 실시예로서, 제어기는 시프터 조립체가 제 1 또는 제 2 위치들에 도달했는지를 결정하기 위해 자기 위치 센서로부터 신호들을 수신하는 입력들을 더 포함한다. 더욱이, 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 다른 실시예에서, 시프터 조립체는 시프터 조립체의 원주 주위에 부착되는 짝수의 자석들을 포함하고, 이 자석들은 시프터 조립체가 회전하면 자기 위치 센서와 정렬된다.
또 다른 실시예로서, 전동 분리 조립체는: 전기 모터; 전기 모터 및 웜 기어의 출력 샤프트에 연결되는 웜 및 웜 기어를 포함하는 웜 구동장치; 웜 기어와 접촉되고 시프터 조립체의 두 단부들 사이에서 요동하는 기어 트랙 및 선택적으로 제 1 모드에서 제 1 샤프트를 맞물리게 하고 제 2 모드에서 제 1 샤프트 및 제 2 샤프트를 맞물리게 하는 클러치 링을 포함하는 시프터 조립체로서, 상기 두 모드들은 시프터 조립체를 제 1 위치 및 제 2 위치로 선형으로 이동시키는 것에 대응하고, 제 1 위치는 제 2 위치와 상이한 축방향 위치에 위치되는, 상기 시프터 조립체; 및 전동 분리 조립체의 외부에 있는 제어 시스템으로부터의 요청에 기초하여 시프터 조립체를 제 1 및 제 2 위치들로 조정하기 위해 비일시적 메모리에 저장되는 컴퓨터 판독 가능 명령들을 가지는 제어기를 포함한다. 상기 실시예의 부가적인 실시예에서, 상기 조립체는 클러치 링의 치들이 제 2 샤프트의 치들과 오정렬될 때 클러치 링을 축방향으로 위치시키는 하나 이상의 스프링들을 더 포함하고, 여기서 클러치 링의 축방향 이동은 클러치 링 및 제 2 샤프트의 치들이 정렬되어 시프터 조립체가 축방향으로 이동된 후에 발생한다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 추가 실시예에서, 클러치 링은 시프터 조립체와 관계 없이 회전한다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 또 다른 실시예로서, 클러치 링은 시프터 조립체와 함께 축방향으로 이동한다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 부가적인 실시예에서, 상기 조립체는 시프터 조립체를 담도록 형상화되는 하우징을 더 포함한다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 또 다른 실시예로서, 상기 조립체는 하우징의 측 상에 위치되는 실(seal)을 더 포함하고, 상기 실은 제 1 샤프트와 접촉된다.
다른 실시예로서, 시스템은: 제어기(예를 들어, 허브 제어기)를 포함하고, 상기 제어기는 차량의 전동 분리 조립체 상에 배치되며, 그리고 상기 제어기는 제 1 샤프트를 제 2 샤프트와 맞물리게 하고 이 두 샤프트를 회전 가능하게 결합하기 위해 전기 모터에 결합되는 웜 기어를 제 1 방향으로 회전시키는 상기 전기 모터를 가동시키고, 여기서 웜 기어는 시프터 조립체의 요동 기어 트랙과 결합되고, 요동 기어 트랙은 제 2 샤프트와 맞물리도록 적응되는 클러치 링에 결합되며; 그리고 클러치 링을 제 2 샤프트로부터 풀리게 하고 제 1 샤프트 및 제 2 샤프트를 결합 해제하기 위해 웜 기어가 제 1 방향으로 회전하는 것을 계속하도록 상기 전기 모터를 가동시키는 동작이 가능하다. 상기 실시예의 부가적인 실시예에서, 제어기는 전동 분리 조립체의 외부에 위치되는 차량 제어기와 통신 접속된다. 상기 실시예들의 임의의 실시예의 또 다른 실시예로서, 전기 모터는 웜 기어와 맞물리는 웜이 설치된 출력 샤프트를 회전시킨다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 부가적인 실시예로서, 상기 시스템은 허브 제어기를 담는 제어 조립체를 더 포함한다. 상기 실시예들의 임의의 실시예의 부가적인 실시예에서, 제어 조립체는 전동 분리 조립체의 시프터 구조에 부착되는 하우징을 더 포함한다.
또 다른 실시예로서, 전동 분리 조립체를 동작시키는 방법은: 제어 조립체에 결합되는 시프터 조립체를 요청된 위치로 조정하기 위하여 상기 분리 조립체의 상기 제어 조립체의 허브 제어기에서 차량 제어기로부터 요청을 수신하는 단계로서, 상기 요청된 위치는 두 회전 가능 샤프트를 연결하는 연결 위치 또는 두 회전 가능 샤프트들을 연결하지 않는 분리 위치 중 하나인, 상기 수신하는 단계; 상기 제어 조립체에 결합되는 자기 위치 센서의 출력에 기초하여 시프터 조립체의 현재의 위치를 결정하는 단계로서, 시프터 조립체는 시프터 조립체의 원주 주위에 배치되는 복수의 자석들을 포함하는, 상기 결정하는 단계; 및 현재의 위치가 요청된 위치와 상이할 때 시프터 조립체를 단일 방향으로 회전시키고 축방향으로 요청된 위치로 조정하기 위해 상기 제어 조립체 내에 포함되고 웜 기어를 통해 시프터 조립체에 결합되는 전기 모터를 가동시키는 단계를 포함한다. 상기 실시예의 부가적인 실시예에서, 차량 제어기는 전동 분리 조립체의 외부에 위치되고 전동 분리 조립체와 분리된 하나 이상의 분리 조립체들에 시프팅 요청들을 송신하기 위한 명령들을 포함한다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 다른 실시예로서, 연결 위치는 차량의 4륜 구동 모드에 대응한다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 추가 실시예에서, 분리 위치는 차량의 2륜 구동 모드에 대응한다. 상기 실시예들 중 임의의 예의 또 다른 실시예에서, 시프터 조립체는 웜 기어와 접촉되는 파상형 기어 트랙을 포함하고, 파상형 기어 트랙은 시프터 조립체의 외부 원주 주위에 반복하는 파상들을 포함한다.
다른 실시예로서, 시스템은: 차량의 중앙 전동 분리 조립체 상에 배치되는 제어기를 포함하고, 중앙 전동 분리 조립체는 차량 차축의 중간 부분을 따라 그리고 차량의 차축 및 구동 샤프트 사이에 위치되는 차동장치에 근접하게 위치되고, 제어기는: 제 1 샤프트를 제 2 샤프트와 맞물리게 하고 이 샤프트들을 회전 가능하게 결합하기 위하여 모터에 결합되는 웜 기어를 제 1 방향으로 회전하도록 전기 모터를 가동시키고, 웜 기어는 시프터 조립체의 요동 기어 트랙에 결합되고, 요동 기어 트랙은 제 2 샤프트와 맞물리도록 적응되는 클러치 링에 결합되며, 클러치 링을 제 2 샤프트로부터 풀리게 하고 제 1 샤프트 및 제 2 샤프트를 결합 해제하기 위해 웜 기어가 제 1 방향으로 회전하는 것을 계속하도록 상기 전기 모터를 가동시키는 동작이 가능하다. 상기 실시예들의 부가적인 실시예에서, 제어기는 전동 분리 조립체의 외부에 위치되는 차량 제어기와 통신 접속된다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 또 다른 실시예에서, 전기 모터는 웜 기어와 맞물리는 웜이 설치되는 출력 샤프트를 회전시킨다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 또 다른 실시예에서, 제어기는 전진 또는 후진하는 차량 모션을 나타내는 차량 신호를 수신하고, 응답하여 차량의 모션 방향과 동일한 방향으로 전기 모터를 구동시킨다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 추가 실시예에서, 제어 조립체는 전동 분리 조립체의 시프터 조립체에 부착되는 시프터 조립체 하우징을 더 포함한다.
또 다른 실시예로서, 중앙 전동 분리 조립체는: 전기 모터; 웜 및 웜 기어를 포함하는 웜 구동장치로서, 웜은 전기 모터의 출력 샤프트 및 웜 기어에 연결되는, 상기 웜 구동장치; 웜 기어와 접촉되고 시프터 조립체의 두 단부들 사이에서 요동되는 기어 트랙 및 선택적으로 제 1 모드에서 차축의 중간 샤프트를 맞물리게 하고 제 2 모드에서 차축의 중간 샤프트 및 커플러 샤프트 모두를 맞물리게 하는 클러치 링을 포함하는 시프터 조립체로서, 커플러 샤프트는 휠에 결합되고, 상기 두 모드들은 시프터 조립체를 제 1 위치 및 제 2 위치로 선형으로 이동시키는 것에 대응하고, 제 1 위치는 제 2 위치와 상이한 축방향 위치에 위치되는, 상기 시프터 조립체; 전동 분리 조립체의 외부에 있는 제어 시스템으로부터의 요청에 기초하여 시프터 조립체를 제 1 및 제 2 위치들로 조정하기 위하여 비일시적 메모리 내에 저장되는 컴퓨터 판독 가능 명령들을 가지는 제어기; 및 전기 모터, 웜 구동장치 및 시프터 조립체를 완전히 수납하는 외부 케이싱(casing)을 포함하고, 외부 케이싱은 차축의 중간 부분을 따라 차축 및 구동 샤프트 사이에 배열되는 차동장치에 근접하여 배열된다. 상기 실시예의 부가적인 실시예에서, 커플러 샤프트는 하프 샤프트에 결합되고, 하프 샤프트는 휠에 결합되며, 중간 샤프트는 차동장치에 결합되고, 차동장치는 차축의 스터브 샤프트 및 중간 샤프트 사이에 배열되고 차량의 구동 샤프트에 더 결합된다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 다른 실시예에서, 중간 샤프트는 엔진 오일 팬을 통해 지나가고 전동 분리 조립체 및 차동장치는 차축의 길이를 따라 엔진 오일 팬의 반대 단부들에 배열된다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 또 다른 실시예에서, 스터브 샤프트는 차동장치의 제 1 측 상에 위치되는 엔진 오일 팬을 통하여 지나가고 전동 분리 조립체는 제 1 측의 맞은 편인, 차동장치의 제 2 측 상에 배열된다. 상기 실시예들 중 임의의 실시예의 부가적인 실시예에서, 차축은 어떠한 하프 샤프트들을 포함하지 않는 모노빔이고 커플러 샤프트는 휠의 휠 허브의 u-조인트에 직접적으로 결합된다.
본원에서 개시되는 제어 방법들 및 루틴들은 비일시적 메모리 내에 실행 가능한 명령들로 저장될 수 있고 제어기를 본원에서 기술되는 다양한 센서들, 액추에이터들 및 다른 하드웨어와 결합하여 포함하는 제어 시스템에 의해 실행될 수 있다. 본원에서 기술되는 특정 루틴들은 이벤트 구동(event-driven), 인터럽트 구동(interrupt-driven), 다중 작업, 다중 스레딩(multi-threading) 등과 같은 임의의 수효의 프로세싱 전략들 중 하나 이상을 표현할 수 있다. 이에 따라, 예시되는 다양한 행위들, 동작들 및/또는 기능들은 예시된 시퀀스로, 또는 동시에 또는 일부 경우들에서 생략되어 수행될 수 있다. 마찬가지로, 프로세싱의 순서는 본원에서 설명되는 예의 실시예들의 특징들 및 장점들을 달성하는 데 반드시 요구되는 것은 아니고, 예시 및 설명의 용이성을 위해 제공된다. 예시된 행위들, 동작들 및/또는 기능들 중 하나 이상은 사용되는 특정한 전략에 따라 반복 수행될 수 있다. 더욱이, 설명된 행위들, 동작들 및/또는 기능들은 분리 및/또는 차량 제어 시스템 내의 컴퓨터 판독 가능 저장 매체의 비일시적 메모리 내로 프로그램되는 코드를 그래픽화하여 표현할 수 있고, 여기서 설명된 행위들은 다양한 하드웨어 구성요소들을 포함하는 시스템 내의 명령들을 전기 제어기와 결합하여 실행함으로써 수행된다.
본원에서 개시되는 구성들 및 루틴들은 현실적으로 예시이고 이 특정한 실시예들은 수많은 변형들이 가능하기 때문에 제한하는 의미로 간주되지 않아야만 하는 것이 인정될 것이다. 본 발명의 특허 대상은 본원에서 기술되는 다양한 시스템들 및 구성들 및 다른 특징들, 기능들 및/또는 속성들의 모든 신규하고 비자명한(non-obvious) 결합들 및 하위 결합들을 포함한다.
다음의 청구항들은 특히 신규하고 비자명한 것으로 간주되는 특정한 결합들 및 하위 결합들을 언급한다. 이 청구항들은 "하나의" 요소들 또는 "제 1" 요소들 또는 이들의 등가물을 칭할 수 있다. 그와 같은 청구항들은 하나 이상의 그와 같은 요소들의 통합을 포함하여, 둘 이상의 그와 같은 요소들을 필요로 하거나 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 개시된 특징들, 기능들, 요소들 및/또는 속성들의 다른 결합들 및 하위 결합들은 본 청구항들의 개정을 통해 또는 본 또는 관련 출원에서의 새로운 청구항들의 제시를 통해 청구될 수 있다. 그와 같은 청구항들은 원래의 청구항들에 대해 범위가 더 넓거나, 협소하거나 같거나 상이할지라도, 또한 본 발명의 특허 대상 내에 포함되는 것으로 간주된다.

Claims (20)

  1. 제1 샤프트 및 제2 샤프트를 맞물리게 하거나 풀리게 하는 전동 분리 조립체(motorized disconnect assembly)로서:
    시프터 조립체(shifter assembly)를 포함하고, 상기 시프터 조립체는 상기 전동 분리 조립체에 맞물린 상기 제1 샤프트의 회전 축의 방향으로 상기 시프터 조립체의 두 단부들 사이에 파상화(undulating)한 기어 트랙(gear track)을 포함하고, 상기 기어 트랙은 고정 캠 가이드(cam guide)들 사이에서 트랩(trap)되는 전동 분리 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전기 모터 및 웜(worm) 및 웜 기어를 포함하는 웜 구동장치(worm drive)를 더 포함하고, 상기 파상화 기어 트랙은 상기 웜 기어와 접촉되고, 상기 웜 기어는 상기 웜과 접촉되며, 상기 웜은 상기 전기 모터의 출력 샤프트에 연결되는 전동 분리 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기 모터는 상기 제 1 샤프트가 단일 방향으로 회전하는 동안 상기 단일 방향으로 회전하도록 적응되는 전동 분리 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    선택적으로 제 1 모드에서 상기 제 1 샤프트를 맞물리게 하고 제 2 모드에서 상기 제 1 샤프트 및 상기 제 2 샤프트 모두를 맞물리게 하는 클러치 링(clutch ring)을 더 포함하고, 상기 두 모드들은 상기 시프터 조립체를 제 1 위치 및 제 2 위치로 선형으로 이동시키는 것에 대응하고, 상기 제 1 위치는 상기 제 2 위치와 상이한 축방향 위치에 위치되는 전동 분리 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전동 분리 조립체의 외부의 제어 시스템으로부터의 요청에 기초하여 상기 시프터 조립체를 상기 제 1 및 제 2 위치들로 조정하기 위해 비일시적 메모리에 저장되는 컴퓨터 판독 가능 명령들을 가지는 제어기를 더 포함하는 전동 분리 조립체.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 클러치 링의 치들(teeth)이 상기 제 2 샤프트의 치들과 오정렬될 때 상기 클러치 링을 축방향으로 위치시키는(positioning) 하나 이상의 스프링들을 더 포함하고, 상기 클러치 링의 축방향 이동은 상기 클러치 링의 치들 및 상기 제 2 샤프트의 치들이 정렬되어 상기 시프터 조립체가 축방향으로 이동한 후에 발생하는 전동 분리 조립체.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 클러치 링은 상기 시프터 조립체와는 관계 없이 회전하고 상기 클러치 링은 상기 시프터 조립체와 함께 축방향으로 이동하는 전동 분리 조립체.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 샤프트는 차축의 중간 샤프트이고 상기 제 2 샤프트는 상기 차축의 커플러 샤프트이고, 상기 커플러 샤프트는 휠에 결합되고, 상기 전동 분리 조립체는 상기 시프터 조립체 및 전기 모터를 완전히 수납(encase)하는 외부 케이싱(casing)을 더 포함하며, 상기 외부 케이싱은 상기 차축의 중간 부분을 따라 상기 차축 및 차량의 구동 샤프트 사이에 배열되는 차동장치 가까이에 배열되는 전동 분리 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 샤프트는 차축의 하프 샤프트(half shaft)이고 제 2 샤프트는 커플러(coupler)를 포함하는 휠 허브(wheel hub)이고, 상기 전동 분리 조립체는 상기 시프터 조립체를 포함하고 이를 둘러싸도록 형상화되는 하우징(housing)을 더 포함하고, 상기 하우징의 한 측에 위치되는 실(seal)을 더 포함하며, 상기 실은 상기 제 1 샤프트와 접촉되는 전동 분리 조립체.
  10. 2개의 샤프트들을 선택적으로 맞물리게 하기 위한 방법으로서:
    제 1 모드 동안, 웜 기어를 제 1 방향으로 회전시키도록 적응되는 모터에 의해 구동되는 상기 웜 기어를 통하여, 시프터 조립체가 제 1 샤프트하고만 맞물리는 제 1 위치에 상기 시프터 조립체를 유지하는 단계;
    제 2 모드로 시프팅하라는 명령을 수신하자마자, 상기 웜 기어를 상기 시프터 조립체의 두 단부들 사이에서 요동하는 상기 시프터 조립체의 기어 트랙과 접촉하도록 구동시키고, 상기 시프터 조립체를 제 1 축 방향으로 상기 시프터 조립체가 상기 제 1 샤프트 및 제 2 샤프트 모두와 맞물리는 제 2 위치로 이동시키는 단계; 및
    상기 제 1 모드로 역으로 시프팅하라는 명령을 수신하자마자, 상기 웜 기어를 상기 제 1 방향으로 구동하고 상기 시프터 조립체가 상기 제 1 위치에 도달할 때까지 상기 시프터 조립체를 상기 제 1 축 방향과 반대인 제 2 축 방향으로 이동시키는 단계를 포함하는, 2개의 샤프트들을 선택적으로 맞물리게 하기 위한 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 모드는 2륜 구동 모드이고 상기 제 2 모드는 4륜 구동 모드인, 2개의 샤프트들을 선택적으로 맞물리게 하기 위한 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 모드로 시프팅(shfting)하라는 명령 및 상기 제 1 모드로 역으로 시프팅하라는 명령은 상기 시프터 조립체에 결합되는 제어기에 의해 수신되고, 상기 제어기는 상기 모터를 동작시키는, 2개의 샤프트들을 선택적으로 맞물리게 하기 위한 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제 1 및 제 2 모드들로 시프팅하라는 명령들을 수신하기 위해 외부 차량 제어기와 통신하는 프로그래밍(programming)을 더 포함하는, 2개의 샤프트들을 선택적으로 맞물리게 하기 위한 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 시프터 조립체가 상기 제 1 또는 제 2 위치들에 도달했는지를 결정하기 위해 자기 위치 센서로부터 신호들을 수신하는 입력들을 더 포함하고, 상기 자기 위치 센서는 상기 시프터 조립체의 원주 주위에 위치되어 있는 하나 이상의 자석들을 감지할 때 상기 제어기에 신호들을 송신하는, 2개의 샤프트들을 선택적으로 맞물리게 하기 위한 방법.
  15. 전동 분리 시스템으로서:
    차량의 전동 분리 조립체 상에 배치되는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는:
    제 1 샤프트를 제 2 샤프트와 맞물리게 하고 회전 가능하게 결합시키기 위해 전기 모터에 결합되는 웜 기어를 제 1 방향으로 회전시키는 상기 전기 모터를 가동시키고, 상기 웜 기어는 상기 제 2 샤프트와 맞물리도록 적응되는 클러치 링에 결합되는 시프터 조립체의 요동(oscillating) 기어 트랙에 결합되며; 그리고
    상기 제 2 샤프트로부터 상기 클러치 링을 풀리게 하고 상기 제 1 샤프트 및 상기 제 2 샤프트를 결합 해제하기 위해 상기 웜 기어가 상기 제 1 방향으로 회전하는 것을 계속하도록 상기 전기 모터를 가동시키는 동작이 가능한 전동 분리 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 전동 분리 조립체의 외부에 위치되는 차량 제어기와 통신 가능하게 접속되는 전동 분리 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 전기 모터는 상기 웜 기어와 맞물리는 웜이 설치되는 출력 샤프트를 회전시키는 전동 분리 시스템.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어기를 포함하는 제어 조립체를 더 포함하고, 상기 제어 조립체는 상기 전동 분리 조립체의 시프터 구조에 부착되는 하우징을 포함하는 전동 분리 시스템.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 전동 분리 조립체는 차량 차축의 중간 부분을 따라 그리고 상기 차량의 상기 차축 및 구동 샤프트 사이에 위치되는 차동장치 가까이에 위치되는 전동 분리 시스템.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 제어기는 전진 또는 후진하는 차량 모션(motion)을 나타내는 차량 신호를 수신하고 응답하여 상기 차량 모션의 방향과 동일한 방향으로 상기 전기 모터를 구동하도록 더 동작 가능한 전동 분리 시스템.
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