KR101820437B1 - 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터 - Google Patents

디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터 Download PDF

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KR101820437B1
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김현우
김상욱
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계양전기 주식회사
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Abstract

본 발명은 2륜 구동과 4륜 구동을 상호 전환하기 위해 장착되는 디스커넥터 타입 클러치의 액츄에이터에 관한 것으로서, 특히 전기적 특성에 의해 구동함에 따라 빠른 응답성과 기어를 사용함에 있어 오작동 시에 발생하는 충격을 흡수하여 내구성을 향상시킬 수 있도록 구성한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 2륜 구동과 4륜 구동을 상호 전환하기 위해 장착되는 디스커넥터 타입 클러치의 액츄에이터로서, 모터에 의해 회전하는 스크류에 체결되어 액츄에이터 케이스의 내부에서 스크류의 길이방향으로 전후진 이동하는 버텀 케이스와, 액츄에이터 케이스의 내부에 위치하며 버텀 케이스가 후방으로 이동하였을 때에 접하여 탄성변형되는 댐핑 스프링과, 액츄에이터 케이스 내부에 장착되어 버텀 케이스의 전후 이동 거리에 비례한 전압신호를 출력하는 센서를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

Description

디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터{Gear Actuator for Disconnecter Type Clutch}
본 발명은 2륜 구동과 4륜 구동을 상호 전환하기 위해 장착되는 디스커넥터 타입 클러치의 액츄에이터에 관한 것으로서, 특히 전기적 특성에 의해 구동함에 따라 빠른 응답성과 기어를 사용함에 있어 오작동 시에 발생하는 충격을 흡수하여 내구성을 향상시킬 수 있도록 구성한 것이다.
일반적으로, 차량은 구동방식에 따라서 2륜구동 방식과 4륜구동 방식으로 나눌 수 있다.
2륜구동 방식의 차량에 대하여 살펴보면, 2륜구동 차량은 엔진과 변속기의 위치가 실제 구동륜의 위치에 따라 RR(Rear Engine Rear Drive), FF(Front Engine Front Drive), FR(Front Engine Rear Drive) 방식 등으로 나눌 수 있다.
상기한 RR 방식은 오늘날 일반적인 승용, SUV 타입의 차량보다는 스포츠카 등에만 쓰이고 있으므로, 일반적으로 2륜구동 방식의 차량은 크게 FF 방식과 FR 방식으로 볼 수 있다.
상기한 FF 방식과 FR 방식의 차량은 엔진과 변속기가 모두 차량의 앞쪽에 설치되는 반면, 그 배치 구조가 상이하다. 즉, 상기한 FF 방식의 차량은 엔진과 변속기가 보통 차량의 측방향으로 배치되어 변속기와 일체로 이루어진 디퍼런셜(Differential)을 통해서 전륜으로 동력전달이 되는 구조를 가지며, 상기한 FR 방식의 차량은 일반적으로 엔진과 변속기가 차량의 전후 방향을 따라 배치되고 변속기로부터 추진축을 통해서 후륜까지의 동력전달이 가능한 구조를 가진다.
다음으로, 4륜구동 방식의 차량에 대하여 살펴보면, 4륜구동 방식의 차량은 엔진의 구동력을 4바퀴에 적절하게 공급하기 위하여 클러치와 변속장치 및 디퍼런셜 등을 적용하고 있으며, 운전자의 수동조작에 의해 2륜 구동모드에서 4륜 구동모드로 전환하는 파트 타임(part time) 방식과, 항상 4륜 구동 상태를 유지하는 풀 타임(full time: 혹은 상시사륜) 방식으로 구분 가능하다.
파트 타임 4륜 구동 차량은 기본적으로 2륜 구동모드로 주행을 하고 있다가 운전자의 필요에 의해 수동조작으로 4륜 구동 모드로 전환을 하게 되는데, FF 방식의 파트 타임 4륜 구동 차량은 2륜 구동모드에서는 전륜에 동력을 공급하고 있다가 4륜 구동모드 시에 후륜으로 동력을 분배하여 전달하는 구조로 이루어지며, FR 방식의 파트 타임 4륜 구동 차량은 2륜 구동모드에서는 후륜에 동력을 공급하고 있다가 4륜 구동모드시에 전륜으로 동력을 분배하여 전달하는 구조로 이루어진다.
이와 같이 엔진을 동력원으로 사용하는 4륜 구동 방식의 차량과는 달리, 4륜구동 전기 자동차에서는 모터를 동력원으로서 사용하게 되는데, 전륜 구동용 모터와 후륜 구동용 모터가 각각 별도로 설치되어 있어서, 2륜 구동모드에서는 전륜 구동용 모터 또는 후륜 구동용 모터의 1개의 모터로부터 발생되는 동력을 이용하다가, 4륜 구동모드 시에는 전륜 구동용 모터 및 후륜 구동용 모터의 2개의 모터로부터 발생되는 동력을 모두 이용하는 구조로 이루어진다.
도 1은 종래의 4륜구동 전기 자동차용 후륜 구동장치의 단면 구성도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 4륜구동 전기 자동차용 후륜 구동장치의 단면 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 4륜구동 전기 자동차용 후륜 구동장치의 구성은, 차량의 주행을 위해 회전 동력을 발생시키는 후륜 구동용 모터(10)와, 상기한 후륜 구동용 모터(10)의 회전축에 연결된 감속기(20)와, 상기한 감속기(20)에 결합된 클러치(30)와, 상기한 클러치(30)에 결합된 차동장치(40)와, 상기한 차동장치(40)에 결합되어 있으며 좌우 양단에 후륜(도시되지 않음)이 각각 장착되는 후륜 구동축(50)을 포함하여 이루어진다.
상기한 구성에 의한 종래의 4륜구동 전기 자동차용 후륜 구동장치의 동작은 다음과 같이 이루어진다.
4륜 구동시에 후륜 구동용 모터(10)로부터 회전동력이 발생하면, 상기한 후륜 구동용 모터(10)의 회전동력을 전달받은 감속기(20)는 다판 클러치(30)로 회전동력을 전달하게 된다.
다판 클러치(30)는 상기한 감속기(20)로부터 전달되는 회전동력을 차동장치(40)의 케이스로 전달함으로써 차동장치(40)에 결합된 후륜 구동축(50)이 회전되도록 한다.
상기한 후륜 구동축(50)의 양단에는 후륜(도시되지 않음)이 장착되어 있어서 차동기능과 함께 구동력이 후륜으로 전달되어 주행될 수 있도록 한다.
2륜 구동시에 후륜 구동용 모터(10)는 회전동력을 발생시키지 않으며, 다판 클러치(30)는 차동장치(40)의 케이스로 회전동력이 전달되지 않도록 하며, 전륜의 구동력에 의해 후륜이 끌려가게 된다.
그러나, 상기한 바와 같은 종래의 4륜구동 전기 자동차용 후륜 구동장치는, 4륜 구동 시에 다판클러치를 이용하여 동력을 전달하기 때문에 다판클러치 내부에 있는 마찰 플레이트간의 슬립으로 인한 구동력 손실이 발생하게 되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 4륜구동 전기 자동차용 후륜 구동장치는, 후륜 구동모터가 작동하지 않는 2륜 구동시에 전륜의 구동력에 의해 후륜이 끌려갈 때 차동장치와 함께 차동장치의 케이스에 연결된 다판클러치의 일부분까지 불필요하게 회전해야 하므로 에너지 손실이 발생하게 되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 대한민국 등록특허공보 제10-152388호(공고일; 2015.05.18)에 소개된 발명 내용은, 4륜 구동 시에 디스커넥터 타입 클러치를 이용하여 후륜으로 동력을 전달함으로써, 다판클러치 내부에 있는 마찰 플레이트간의 슬립으로 인한 구동력 손실을 원천적으로 없앨 수가 있으며, 하나의 후륜 구동축으로 동력이 전달되도록 하여 구조를 단순화시키고, 디스커넥터 타입 클러치를 모터의 상부에 설치하여 축방향 길이가 컴팩트화될 수 있도록 하는, 4륜구동 전기 자동차용 후륜 구동장치에 관한 것이며, 도 2에 도시된 바와 같이, 차량의 주행을 위한 회전 동력을 발생시키는 후륜 구동용 모터(210)와, 상기한 후륜 구동용 모터(210)로부터 동력을 전달받는 감속기(220)와, 상기한 감속기(220)에 연결된 차동장치(230)와, 상기한 차동장치(230)에 일단이 결합된 후륜 구동축(240)과, 상기한 후륜 구동축(240)의 타단에 연결된 제1 등속조인트 샤프트(251)와, 상기한 제1 등속조인트 샤프트(251)의 외주면에 설치된 허브(253)와, 상기한 차동장치(230)를 중심으로 상기한 후륜 구동축(240)과 동일선상에 마주보며 설치되는 제2 등속조인트 샤프트(252)와, 상기한 제1 등속조인트 샤프트(251)와 후륜 구동축(240)을 연결 또는 분리시키는 디스커넥터 타입 클러치(260)를 포함하여 이루어진다.
한편, 디스커넥터 타입 클러치(260)에 장착된 종래의 액츄에이터(261)는 도면에 도시하지 않았으나, 유압 펌프의 작동에 의해 유동하는 유체의 압력에 의해 구동하는 액츄에이터로서, 사륜 구동 시에 엔진의 동력 전달 과정에 필요한 구성 부품수가 증가하며 레이아웃(layout)의 공간 확보가 필요하다. 따라서 공간활용도가 떨어지는 단점이 있다.
또한 종래에는 구동의 전환 시에 푸시 케이스(263)의 위치를 제어하기 위해 홀센서(Hall Sensor)를 사용하여 구동의 전환을 제어하였다. 즉, 푸시 케이스(263)의 위치 이동에 따른 신호를 단순 초기 지점에서 오프(off)모드로 인식하고, 목표지점에 도달하면 온(on)모드로 전환하는 위치 제어 방식으로 정밀도가 떨어지며, 그에 따라 위치 제어의 오작동에 의해 충격이 발생하게 되고, 충격은 푸시 케이스(263)와 스크류(264)에 전달되며 푸시 케이스(263)와 스크류(264)의 파손을 발생시킨다.
대한민국 등록특허공보 제10-152388호(공고일; 2015.05.18)
본 발명은 앞에서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 이륜과 사륜의 전환 구동 시에 푸시 케이스의 위치 제어를 정밀 제어함으로써 발생할 수 있는 충격을 방지하며, 설사 충격이 발생하더라도 푸시 케이스와 스크류의 파손을 감소시킬 수 있게 구성한 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 2륜 구동과 4륜 구동을 상호 전환하기 위해 장착되는 디스커넥터 타입 클러치의 액츄에이터로서, 모터에 의해 회전하는 스크류에 체결되어 액츄에이터 케이스의 내부에서 스크류의 길이방향으로 전후진 이동하는 버텀 케이스와, 액츄에이터 케이스의 내부에 위치하며 버텀 케이스가 후방으로 이동하였을 때에 접하여 탄성변형되는 댐핑 스프링과, 액츄에이터 케이스 내부에 장착되어 버텀 케이스의 전후 이동 거리에 비례한 전압신호를 출력하는 센서를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 센서는 리니어 센서로서 도체인 버텀 케이스의 전후방향 이동 거리에 비례하여 전압신호를 출력한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 버텀 케이스의 내부에 위치하는 푸시 스프링과, 버텀 케이스에 장착되며 버텀 케이스의 이동에 따라 푸시 스프링의 탄성력에 의해 전후진 이동하는 푸시 케이스와, 푸시 케이스의 전진에 따라 전방으로 이동하며 입력축에 허브를 결합시키는 시프트 포크(Shift Fork)와, 푸시 케이스가 후진함에 따라 시프트 포크를 후진시키는 리턴스프링을 포함한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 스크류의 표면에는 마찰저감코팅(Anti Friction Coating)층이 형성된다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 모터에는 유성기어가 장착되며, 유성기어의 감속비에 의해 저속 회전하는 출력축이 스크류이다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터는 이륜과 사륜의 구동 전환 시에 모터에 의해 이동하는 푸시 케이스의 위치를 제어함으로써, 푸시 케이스의 위치 이동에 따라 전압이 비례적으로 출력되는 리니어센서를 사용함으로써, 푸시 케이스의 위치를 정밀 제어할 수 있다. 따라서 오작동에 의해 발생하는 충격을 방지하여 푸시 케이스 및 스크류의 파손을 방지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터는 댐핑스프링으로 푸시 케이스를 지지함으로써, 푸시 케이스에서 스크류로 전달되는 충격을 댐핑스프링의 탄성력으로 상쇄시켜 푸시 케이스와 스크류의 파손을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터는 스크류를 작은 기어비를 갖는 유성기어 모터로 구동시킴으로써, 구동 전환 시에 응답성의 지연을 감축할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 따른 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터는 스크류의 표면을 표면마찰저감코팅(Anti Friction Coating)을 적용하여 오일 및 그리스 소진 시에 오일씰 마모를 최소화할 수 있다.
도 1은 종래의 4륜구동 전기 자동차용 후륜 구동장치의 단면 구성도이고,
도 2는 종래 기술에 따른 4륜구동 전기 자동차용 후륜 구동장치의 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터를 나타낸 분해사시도이고,
도 4는 도 3에 도시된 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터의 이륜 구동시의 작동관계를 나타낸 개념도이며,
도 5는 도 3에 도시된 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터의 사륜 구동시의 작동관계를 나타낸 개념도이다.
도 6은 2륜 구동 시의 버텀 케이스의 위치 관계(a)와 4륜 구동 시의 버텀 케이스의 위치 관계(b)를 나타낸 상세도이고,
도 7은 도 6에 도시된 리니어 센서의 PCB구조를 나타낸 개념도이며,
도 8은 리니어 센서의 출력 값을 나타낸 그래프이다.
아래에서는 본 발명에 따른 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도면에서, 도 3은 본 발명에 따른 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터를 나타낸 분해사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터의 이륜 구동시의 작동관계를 나타낸 개념도이며, 도 5는 도 3에 도시된 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터의 사륜 구동시의 작동관계를 나타낸 개념도이다. 그리고 도 6은 2륜 구동 시의 버텀 케이스의 위치 관계(a)와 4륜 구동 시의 버텀 케이스의 위치 관계(b)를 나타낸 상세도이고, 도 7은 도 6에 도시된 리니어 센서의 PCB구조를 나타낸 개념도이며, 도 8은 리니어 센서의 출력 값을 나타낸 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터는 모터(110)의 동력에 의해 구동하는 유성기어(120)와, 모터(110)에 장착되며 유성기어(120)를 감싸는 액츄에이터 케이스(130)와, 액츄에이터 케이스(130)를 관통해 전방으로 돌출된 유성기어(120)의 출력축인 스크류(121)와, 스크류(121)의 둘레에 위치하며 액츄에이터 케이스(130)의 내측 단차와 걸쳐 위치하는 댐핑 스프링(140)과, 스크류(121)와 체결되어 액츄에이터 케이스(130)의 내부에서 스크류(121)의 길이방향으로 이동함에 따라 댐핑 스프링(140)을 가압하거나 가압해제하는 버텀 케이스(150)와, 버텀 케이스(150)의 내부에 위치하는 푸시 스프링(160)과, 버텀 케이스(150)에 장착되며 버텀 케이스(150)의 이동에 따라 푸시 스프링(160)의 탄성력에 의해 전후진 이동하는 푸시 케이스(170)와, 푸시 케이스(170)의 전진에 따라 전방으로 이동하며 입력축(101)에 허브(103)를 결합시키는 시프트 포크(Shift Fork)(105)와, 푸시 케이스(170)가 후진함에 따라 시프트 포크(105)를 후진시키는 리턴스프링(180)을 포함한다.
이와 같이 구성된 기어 액츄에이터에 있어서, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 모터(110)의 동력은 유성기어(120)의 감속비에 의해 감속되어 스크류(121)가 회전하게 되고, 스크류(121)의 회전 방향에 의해 버텀 케이스(150)가 전후진 하게 된다. 이때 버텀 케이스(150)가 전진하게 되면 시프트 포크(105)와 버텀 케이스(150)의 사이 간격이 좁아지면서 푸시 스프링(160)은 수축되면서 탄성력이 증가하게 되고, 그로 인해 푸시 케이스(170)가 접해 위치한 시프트 포크(105)를 밀어 전진시킨다. 그러면 시프트 포크(105)에 체결된 허브(103)가 전진하면서 입력축(101)에 결합되어 이륜에서 4륜으로 전환된다.
반면에 스크류(121)의 회전에 의해 버텀 케이스(150)가 후진하게 되면 시프트 포크(105)와 버텀 케이스(150)의 사이 간격이 벌어지면서 푸시 스프링(160)은 신장되면서 탄성력이 감소되고 푸시 스프링(160)의 탄성력이 리턴 스프링(180)의 탄성력보다 작아질 경우 리턴스프링(180)의 탄성력에 의해 시프트 포크(105)는 후진하게 된다. 그러면 입력축(101)과 결합된 허브(103)가 후진하여 결합이 해체되면서 4륜에서 2륜으로 전환된다.
한편, 액츄에이터 케이스(130)의 내부에는 버텀 케이스(150)의 이동 방향으로 리니어 센서(190)가 장착되며 리니어 센서(190)에 의해 버텀 케이스(150)의 위치가 감지될 수 있도록 버텀 케이스(150)는 도체의 특성을 갖는다.
따라서 도 7에 도시된 바와 같이 스크류(121)의 회전에 의해 이동하는 버텀 케이스(150)의 위치는 리니어 센서(190)에 의해 감지되며, 앞서 설명한 바와 같이 버텀 케이스(150)가 전진하여 4륜으로 전환하였을 시의 리니어 센서(190)의 출력값은 도 8에 도시된 바와 같이 4.5V이며, 버텀 케이스(150)가 후진하여 2륜으로 전환되었을 시의 리니어 센서(190)의 출력값은 0.5V에 해당한다.
이와 같이 버텀 케이스(150)의 전후진 이동을 리니어 센서(190)로 감지함으로써 버텀 케이스(150)의 이동에 비례한 전압을 출력하게 되고, 결국 동력 전환에 따른 허브(103)의 위치를 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 기어 액츄에이터는 버텀 케이스(150)와 액츄에이터 케이스(130)의 내부 단차의 사이에는 댐핑 스프링(140)이 위치한다.
통상적으로 버텀 케이스(150)의 이동거리는 8mm이며, 도 6에 보이듯이 버텀 케이스(150)가 8mm의 이동범위에서 후방으로 후진하였을 때(도 6의 a)에 버텀 케이스(150)는 댐핑 스프링(140)과 접하게 되고, 댐핑 스프링(140)의 탄성력에 의해 지지된다.
댐핑 스프링(140)은 스크류(121)의 회전에 의해 이동하며 또한 푸시 스프링(160)의 탄성력을 받는 버텀 케이스(150)가 오작동 시에 받게 되는 충격에 의해 버텀 케이스(150)의 자체 파손 또는 버텀 케이스(150)와 스크류(121)의 결합 구조의 파손 등을 방지하기 위해 충격을 완충시키는 기능을 수행한다.
더불어 스크류(121)의 표면에는 마찰저감코팅(Anti Friction Coating)층이 형성되어 오일 및 그리스 소진 시에도 오일 씰 등의 마모를 최소화할 수 있게 구성된다.
101 : 입력축
103 : 허브
105 : 시프트 포크
110 : 모터
120 : 유성기어
121 : 스크류
130 : 액츄에이터 케이스
140 : 댐핑 스프링
150 : 버텀 케이스
160 : 푸시 스프링
170 : 푸시 케이스
180 : 리턴 스프링
190 : 리니어 센서

Claims (5)

  1. 2륜 구동과 4륜 구동을 상호 전환하기 위해 장착되는 디스커넥터 타입 클러치의 액츄에이터로서,
    모터(110)에 의해 회전하는 스크류(121)에 체결되어 액츄에이터 케이스(130)의 내부에서 스크류(121)의 길이방향으로 전후진 이동하는 버텀 케이스(150)와,
    액츄에이터 케이스(130)의 내부에 위치하며 버텀 케이스(150)가 후방으로 이동하였을 때에 접하여 탄성변형되는 댐핑 스프링(140)과,
    액츄에이터 케이스(130) 내부에 장착되어 버텀 케이스의 전후 이동 거리에 비례한 전압신호를 출력하는 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서,
    센서는 리니어 센서(190)로서 도체인 버텀 케이스(150)의 전후방향 이동 거리에 비례하여 전압신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    버텀 케이스(150)의 내부에 위치하는 푸시 스프링(160)과,
    버텀 케이스(150)에 장착되며 버텀 케이스(150)의 이동에 따라 푸시 스프링(160)의 탄성력에 의해 전후진 이동하는 푸시 케이스(170)와,
    푸시 케이스(170)의 전진에 따라 전방으로 이동하며 입력축(101)에 허브(103)를 결합시키는 시프트 포크(Shift Fork)(105)와,
    푸시 케이스(170)가 후진함에 따라 시프트 포크(105)를 후진시키는 리턴스프링(180)을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    스크류의 표면에는 마찰저감코팅(Anti Friction Coating)층이 형성된 것을 특징으로 하는 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    모터(110)에는 유성기어(120)가 장착되며, 유성기어(120)의 감속비에 의해 저속 회전하는 출력축이 스크류(121)인 것을 특징으로 하는 디스커넥터 타입 클러치용 기어 액츄에이터.
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