KR101904450B1 - 동력 전달 유닛 - Google Patents

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KR101904450B1
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베른트 그라이쓰
오스틴 알. 거딩
제이슨 보크
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지케이엔 드라이브라인 뉴톤, 엘엘씨
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Abstract

토크를 전달하기 위한 동력 전달 유닛은 제 1 장치로부터 토크를 수용하도록 구성되는 제 1 샤프트, 제 2 장치로 토크를 출력하도록 구성되는 제 2 샤프트, 및 제 1 샤프트로부터 제 2 샤프트로 토크를 선택적으로 전달하기 위한 활성화 조립체를 포함한다. 활성화 조립체는 슬라이딩 캠, 회전 캠, 슬라이딩 캠에 대하여 회전 캠을 선택적으로 회전시키도록 구성되는 액추에이터, 및 맞물림 기어를 포함한다. 기어는 토크가 제 1 샤프트로부터 기어를 통하여 제 2 샤프트로 전달되는 제 1 맞물림 위치와 제 2 샤프트에 토크가 전달되지 않는 제 2 맞물림 해제 위치 사이에서 슬라이딩 캠에 의해 이동되도록 구성된다. 회전 캠과 슬라이딩 캠 사이의 상대 회전은 슬라이딩 캠을 이동시키고 이에 의해 제 1 맞물림 위치와 제 2 맞물림 해제 위치 사이에서 기어를 이동시킨다.

Description

동력 전달 유닛 {POWER TRANSFER UNIT}
본 출원은 2012년 4월 20일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제 61/477,570 호의 이익 및 우선권을 주장한다. 미국 가특허 출원 번호 제 61/477,570 호는 그 전체가 인용에 의해 본 출원에 포함된다.
본 출원은 일반적으로 자동차들의 구동 트레인들의 분야에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 출원은 후방 휠들에 구동 토크를 선택적으로 제공하기 위해 구동 트레인 시스템에서 사용하기 위한 동력 전달 유닛에 관한 것이며, 동력 전달 유닛은, 속도 및 효율을 최적화하기 위해 활성 및 비활성 사이클들을 조정할 수 있는, 캠 조립체에 의해 활성화 및 비활성화된다.
몇몇의 자동차들(더 일반적으로는 트럭들 및 스포츠 다목적 차량들(Sport Utility Vehicles))에서, 전환 가능한 4륜 구동을 제공하는 구동 트레인을 갖는 것이 알려져 왔다. 이러한 시스템들은 통상적으로, 변속기에 의해 구동되는 프롭샤프트(propshaft)로부터의 토크에 의해 연속적으로 구동되는 후방 휠들을 갖는다. 이러한 시스템들은, 사용자가 레버(예컨대, 시프터(shifter), 스위치)를 통하여 후방 휠들로부터 전방 휠들로 토크의 일부를 재분배하는 전달의 경우에 관여하도록 사용자 전환 가능한 4륜 구동을 갖는 경향이 있다. 이러한 시스템들은, 눈에 의해 생성되는 미끄러운 조건들 또는 오프 로드 타입 조건들과 같은, 낮은 마찰력 조건들 동안 작동하도록 주로 디자인된다.
다른 자동차들(더 일반적으로는, 세단들과 같은 승용차들)에서, 전륜 구동(AWD)을 제공하는 구동 트레인을 갖는 것이 알려져 왔다. 이러한 시스템들은 통상적으로 변속기로부터의 토크에 의해 구동되는 하나의 세트의 휠들(통상적으로 전방 휠들)을 가지며, 요구된다면, 토크는 클러치 시스템의 동작에 의해 다른 세트의 휠들(통상적으로 후방 휠들)에 재분배된다. 토크의 이러한 재분배는, 마찰력을 초과하는 토크에 의해 생성되는 전방 휠들의 미끄러짐을 나타내는, 후방 휠들의 각속도들과 미리 정해진 양만큼 상이한 각속도들을 전방 휠들이 갖는 것으로 판정될 때 차량에 의해 자동적으로 전달될 수 있다. 차량이 휠들 사이의 각속도들에서의 이러한 차이를 판정할 때, 클러치 메커니즘이 관여되며, 이 클러치 메커니즘은 동력 트레인을 통하여 발생되는 토크의 일부를 후방 휠들로 재분배하는 작동 동력 트레인 시스템에 구동 샤프트를 커플링한다. 이러한 시스템은 미끄러지는 휠들에 의해 구동되는 토크를, 마찰력을 다시 달성하기 위한 지점으로 감소시키고, 감소된 토크를 미끄러지지 않는 휠들로 재분배한다.
토크를 더 효율적으로(즉, 더 적은 동력 손실로) 재분배함으로써 운전자 선택 가능한 AWD 성능을 제공하는 구동 트레인 시스템을 갖는 것이 유리할 것이다. 종래의 AWD 시스템들보다 더 큰 신뢰도를 갖고 더 낮은 비용으로 제조될 수 있는 AWD 구동 트레인 시스템을 갖는 것이 또한 유리할 것이다.
일 실시예는 토크를 전달하기 위해 차량에서 사용하기 위한 동력 전달 유닛에 관한 것이다. 동력 전달 유닛은 제 1 장치로부터 토크를 수용하도록 구성되는 제 1 샤프트, 제 2 장치로 토크를 출력하도록 구성되는 제 2 샤프트, 및 제 1 샤프트로부터 제 2 샤프트로 토크를 선택적으로 전달하기 위한 활성화 조립체를 포함한다. 활성화 조립체는 슬라이딩 캠, 회전 캠, 슬라이딩 캠에 대하여 회전 캠을 선택적으로 회전시키도록 구성되는 액추에이터, 및 이동 가능한 기어를 포함한다. 기어는 토크가 제 1 샤프트로부터 기어를 통하여 제 2 샤프트로 전달되는 제 1 맞물림 위치와 제 2 샤프트로 토크가 전달되지 않는 제 2 맞물림 해제 위치 사이에서 슬라이딩 캠에 의해 이동되도록 구성된다. 회전 캠과 슬라이딩 캠 사이의 상대 회전은 슬라이딩 캠을 이동시키고 이에 의해 제 1 맞물림 위치와 제 2 맞물림 해제 위치 사이에서 기어를 이동시킨다.
도 1 은 예시적인 실시예에 따른 구동 트레인 시스템의 평면 개략도이다.
도 2 는 분리 샤프트가 입력 샤프트로부터 커플링 해제된 비활성화 작동 모드로 구성되어 나타낸, 도 1 의 구동 트레인 시스템과 같은, 차량의 구동 트레인 시스템 내에서 사용하기 위해 구성되는 동력 전달 유닛의 예시적인 실시예의 횡단면도이다.
도 3 은 분리 샤프트가 입력 샤프트에 커플링된 활성화 작동 모드로 구성된 도 2 의 동력 전달 유닛을 도시하는 횡단면도이다.
도 4 는 도 2 의 동력 전달 유닛의 활성화 조립체의 예시적인 실시예의 상세도이다.
도 5 는 도 2 의 동력 전달 유닛과 같은, 동력 전달 유닛의 활성화 조립체에서 사용하기 위한 슬라이딩 캠의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 6 은 도 2 의 동력 전달 유닛과 같은, 동력 전달 유닛의 활성화 조립체에서 사용하기 위한 회전 캠의 예시적인 실시예의 사시도이다.
도 7 은 회전 캠의 1 회의 풀 회전에 대한 회전 캠의 각도 회전의 함수로서 슬라이딩 캠의 변위를 도시하는 그래프이다.
도 8 은 회전 캠의 1 회의 풀 회전의 1/3 에 대한 회전 캠의 각도 회전의 함수로서 슬라이딩 캠의 변위를 도시하는 그래프이다.
일반적으로 도면들을 참조하면, 구동 휠들의 전방 세트로부터 구동 휠들의 후방 세트로와 같이, 추진력을 전달하기 위해 차량들의 동력 트레인 또는 구동 트레인 시스템들에서 사용하기 위한 동력 전달 유닛들이 본원에 기재된다. 본원에 기재된 동력 전달 유닛들은 토크를 수용하도록 구성되는 제 1 샤프트 또는 입력 샤프트, 토크를 출력하도록 구성되는 제 2 샤프트 또는 분리 샤프트, 및 제 1 샤프트에/로부터 제 2 샤프트를 커플링/커플링 해제함으로써 제 1 샤프트로부터 제 2 샤프트로 토크를 선택적으로 전달하기 위한 활성화 조립체를 포함할 수 있다. 활성화 조립체는 이동 가능한 기어, 슬라이딩 캠, 회전 캠, 및 슬라이딩 캠에 대하여 회전 캠을 선택적으로 회전시키도록 구성되는 액추에이터를 포함할 수 있다. 기어는 제 1 맞물림 위치와 제 2 맞물림 해제 위치 사이에서 슬라이딩 캠에 의해 이동되거나 미끄러질 수 있도록 구성될 수 있다. 제 1 맞물림 위치에서, 토크는 제 1 샤프트로부터 이동 가능한 기어를 통하여 제 2 샤프트로 전달된다. 제 2 맞물림 해제 위치에서, 토크는 제 2 샤프트로 전달되지 않는다. 다시 말하면, 기어의 맞물림 해제 위치에서 제 1 샤프트로부터 제 2 샤프트로 토크가 전달되지 않는다. 또한, 회전 캠과 슬라이딩 캠 사이의 상대 회전은 슬라이딩 캠을 이동시킬 수 있어서 이에 의해 제 1 맞물림 위치와 제 2 맞물림 해제 위치 사이에서 기어를 이동시킨다.
도 1 은 자동차에서 사용하기 위해 구성되고 차량을 추진 또는 이동시키기 위한 추진 동력을 제공하는 동력 트레인 또는 구동 트레인 시스템(10)을 도시한다. 예시적인 실시예에 따르면, 구동 트레인 시스템(10)은 엔진(13), 변속기(15), 최종 구동 유닛(17), 전방 차동 조립체(19), 제 1(또는 전방 우측) 구동샤프트(21), 제 2(또는 전방 좌측) 구동샤프트(23), 제 3(또는 후방 우측) 구동샤프트(25), 제 4(또는 후방 좌측) 구동샤프트(27), 제 1(또는 전방 우측) 휠(22), 제 2(또는 전방 좌측) 휠(24), 제 3(또는 후방 우측) 휠(26), 제 4(또는 후방 좌측) 휠(28), 프롭샤프트(29), 동력 전달 유닛(30), 및 후방 구동 유닛(90)을 포함한다. 엔진(13)은 차량을 횡단하여 또는 길이방향 아래로 일렬로 장착될 수 있고, 요구에 따라 최종 구동 유닛(17)에 동력 및 토크를 전달하도록 구성되는 변속기(15)에 출력 동력 및 토크를 제공하도록 구성된다. 최종 구동 유닛(17)은 동력 및 토크를 전방 차동 조립체(19) 안으로 제공하도록 구성되고, 최종 구동 유닛(17)은 전방 차동 조립체(19)의 정합하고 메쉬형 기어 안으로 토크를 전달하도록 구성될 수 있는 하나 이상의 베벨 기어, 하이포이드(hypoid) 기어, 또는 헬리컬 기어를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 구동샤프트(21, 23)들은 전방 차동 조립체(19)에 회전식으로 커플링되고, 이에 의해 구동 토크가 엔진(13)으로부터 변속기(15)를 통하여, 최종 구동 유닛(17)을 통하여, 그리고 전방 차동 조립체(19) 안으로 전달되는 것을 가능하게 하고, 따라서 제 1 및 제 2 구동샤프트(21, 23)들을 구동한다. 전방 차동 조립체(19)는 제 1 및 제 2 구동샤프트(21, 23)들이 차량 선회 또는 하나의 구동샤프트에 의한 마찰력의 손실을 수용하기 위해 상이한 각속도들에서 회전하는 것을 가능하게 하는 기어 트레인을 포함한다.
동력 전달 유닛(PTU; 30)은 전방 차동 조립체(19)의 구성요소(예컨대, 케이스, 캐리어, 사이드 기어)에 커플링될 수 있는 입력 샤프트(31), 및 PTU(30)의 캠 및 기어 조립체를 통하여 입력 샤프트(31)를 프롭샤프트(29)에 선택적으로 커플링할 수 있는 활성화 조립체(50)를 포함한다. 캡 및 기어 조립체 그리고 활성화 조립체(50)를 포함하는 동력 전달 유닛(30)은 이하에 더 상세하게 논의된다. 예시적인 실시예에 따르면, 구동 트레인은 차량의 제 1 휠(22)을 회전시키기 위해 제 1 구동샤프트(21)에 연결되는 중간 구동 샤프트(20)를 포함한다.
차량의 전자 제어 유닛(ECU) 또는 전자 제어 모듈(ECM)이, PTU(30)를 통하여 프롭샤프트(29)를 입력 샤프트(31)에 커플링하는 활성화 조립체(50)의 맞물림을 동작시킬 수 있다. 프롭샤프트(29)는, 후방 차동 조립체(92)를 포함하는 후방 구동 유닛(RDU; 90)에 커플링된다. 따라서, 프롭샤프트(29)를 통하여 전달되는 토크는 후방 차동 조립체(92) 안으로 전달될 수 있다. 후방 차동 조립체(92)는 제 3 및 제 4 구동샤프트(25, 27)들이 차량 선회 또는 하나의 구동샤프트에 의한 마찰력의 손실을 수용하기 위해 상이한 각속도들에서 회전하는 것을 가능하게 하는 기어 트레인을 포함한다. 차량의 ECU 는 또한 진공 시스템 또는 RDU(90) 내에 포함되는 하나 또는 그 초과의 제 2 클러치 메커니즘(94)들이 실질적으로 동시에 맞물리는 것을 야기하는 다른 동작 시스템(예컨대 유압 시스템, 전자 시스템)을 또한 동작시키고, 이는 차동 조립체(92)로부터 제 3 및 제 4 구동샤프트(25, 27)들 양쪽으로 토크를 전달한다. 진공 또는 동작 시스템은 활성화 조립체(50)의 동작 다음에 그리고 구동 트레인 시스템(10)이 임의의 속도에 이르게 된 후에 활성화될 수 있거나, 활성화 조립체(50)의 동작에 앞서 활성화될 수 있다.
도 2 내지 도 6 은 도 1 의 구동 트레인 시스템(10)과 같은, 구동 트레인 시스템에서 사용하기 위한 PTU(30)의 예시적인 실시예를 도시한다. PTU(30)는 입력 샤프트(31), 분리 샤프트(36), 활성화 조립체(50), 및 PTU(30)의 적어도 일부를 에워싸도록 구성되는 하우징(40)을 포함한다. 입력 샤프트(31)는 회전 축선(34)을 중심으로 입력 샤프트(31)를 회전시키기 위해, 전방 차동 조립체(19)의 구성요소(예컨대, 케이스, 캐리어, 사이드 기어)로부터와 같은, 입력 토크를 수용하도록 구성된다. 예시적인 실시예에 따르면, 입력 샤프트(31)는 차동 조립체로부터 토크를 수용하기 위해 전방 차동 조립체(19)의 케이스에 커플링되는 중공 튜브 부재이다. 입력 샤프트(31)는 강, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 차량의 수명 동안 요구되는 토크를 전송하기에 충분히 강한 임의의 다른 적절한 재료로부터 만들어질 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 입력 샤프트(31)는 차량의 길이(또는 이동)방향에 횡단인 방향으로 연장하도록 구성되며, 제 1 단부(32) 및 제 2 단부(33)를 포함한다. 제 2 단부(33)는 전방 차동 조립체(19)에 커플링될 수 있어서, 전방 차동 조립체(19)를 통하여 전송되는 토크는 실질적으로 동일한 토크와 빈도수로 대응하는 회전 방향으로 입력 샤프트(31)를 구동할 수 있다. 제 1 단부(32)는 수용된 토크를, 예컨대 활성화 조립체(50)를 통하여 분리 샤프트(36)에 출력(또는 전달)하도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 입력 샤프트(31)의 제 1 단부(32)는, 기어 메쉬를 통하여, 활성화 조립체(50)의 구성요소(예컨대, 맞물림 부재)와 같은, 다른 장치의 정합 기어 치형부들과 맞물리도록 구성되는 기어 치형부들을 갖는 기어(48)를 포함한다. 입력 샤프트(31)의 기어(48)는 스퍼 기어, 헬리컬 기어, 베벨 기어 또는 운동을 통하여 토크를 전달하는 임의의 적절한 형상의 기어로서 구성될 수 있다. 기어(48)는 입력 샤프트(31)와 일체로 형성될 수 있거나 그와는 별개로 형성되어 그 후 용접과 같은 임의의 적절한 프로세싱 방법을 통하여 입력 샤프트(31)에 연결될 수 있고, 기어(48) 및 입력 샤프트(31)는 하나의 부재로서 작동한다.
분리 샤프트(36)는 토크를 전달하기 위해 회전 축선(34)을 중심으로 선택적으로 회전하도록 구성된다. 예시적인 실시예에 따르면, 분리 샤프트(36)는 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)에 토크를 전달하기 위해 입력 샤프트(31)의 기어(48)를 통하여 그리고 활성화 조립체(50)를 통하여 입력 샤프트(31)에 선택적으로 커플링되도록 구성된다. 활성화 조립체(50)가 활성화될 때, 분리 샤프트(36)는 실질적으로 동일한 토크 및 빈도수로 회전하기 위해 입력 샤프트(31)에 선택적으로 커플링된다. 활성화 조립체(50)가 비활성화될 때, 분리 샤프트(36)는 입력 샤프트(31)로부터 선택적으로 커플링 해제되고, 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)로 토크가 전달되지 않는다. 커플링 해제될 때, 입력 샤프트(31) 및 분리 샤프트(36)는 상이한 빈도수들 및 토크들로 회전할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 분리 샤프트(36)는 제 1 단부(37), 제 2 단부(38) 그리고 토크를 전달하기 위해 제 1 및 제 2 단부(37, 38)들 사이에 제공되는 제 1 기어(39)를 포함하도록 구성된다. 다른 실시예들에 따르면, 제 1 기어(39)는 제 1 단부 상에, 제 2 단부 상에, 또는 분리 샤프트(36)의 길이를 따른 임의의 장소에 제공될 수 있다. 제 1 및 제 2 단부(37, 38)들은 유사한 또는 유사하지 않은 직경들을 갖는 중공 튜브들로서 구성될 수 있다. 예컨대, 분리 샤프트(36)는 유사한 내경들 및 유사하지 않은 외경들을 갖는 제 1 및 제 2 단부(37, 38)들을 가지고 구성될 수 있다. 제 1 기어(39)는 스퍼 기어, 헬리컬 기어, 베벨 기어, 또는 운동을 통하여 토크를 전달하는 임의의 적절한 형상의 기어로서 구성될 수 있다. 분리 샤프트(36)는 강, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 차량의 수명 동안 요구되는 토크를 전송하기에 충분히 강한 임의의 다른 적절한 재료로부터 만들어질 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 분리 샤프트(36)의 제 1 단부(37)는 분리 샤프트(36)와 일체로 형성되는 제 2 기어(47)를 포함하고, 제 2 기어(47)는 활성화 조립체(50)와 같은 장치에 의해 맞물릴 때 토크를 전달하도록 구성되는 기어 치형부들을 포함한다. 분리 샤프트(36)의 제 2 기어(47)는 스퍼 기어, 헬리컬 기어, 베벨 기어, 또는 운동을 통하여 토크를 전달하는 임의의 적절한 형상의 기어로서 구성될 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 제 2 기어(47)는 제 2 단부와 같은, 분리 샤프트(36)의 길이를 따른 임의의 장소에 구성될 수 있고/있거나 제 2 기어(47)는 분리 샤프트(36)와는 별개로 형성되어 그 후 용접과 같은 임의의 적절한 방법을 사용하여 분리 샤프트(36)에 연결될 수 있다.
예컨대 PTU(30)는 내부의 구성요소들의 회전에 의해 발생되는 마찰을 감소시키는 것에 의해, 내부의 구성요소들 사이의 상대 회전의 효율을 개선하기 위해 베어링들을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 베어링들 또는 니들 베어링들(41)은 분리 샤프트(36)에 대한 입력 샤프트(31)의 효율적인 회전을 가능하게 하기 위해 분리 샤프트(36)와 입력 샤프트(31) 사이에 제공될 수 있다. 예컨대, PTU(30)는 분리 샤프트(36)의 제 1 단부(37)와 입력 샤프트(31)의 제 1 단부(32) 사이에 제공되는 제 1 니들 베어링(41)을 포함할 수 있고, 분리 샤프트(36)의 제 2 단부(38)와 입력 샤프트(31)의 제 2 단부(33) 사이에 제공되는 제 2 니들 베어링(41)을 포함할 수 있고, 베어링(41)들은 분리 샤프트(36)에 대한 입력 샤프트(31)의 동심이고 효율적인 회전을 가능하게 한다. PTU(30)는 추가 베어링들을 포함할 수 있다. 예컨대, PTU(30)는 하우징(40) 및/또는 입력 샤프트(31)에 대한 분리 샤프트(36)의 동심의 및 효율적인 회전을 가능하게 하기 위해 하우징(40)과 분리 샤프트(36) 사이에 제공되는 베어링(42)들을 포함할 수 있다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 활성화 조립체(50)는 활성화될 때 입력 샤프트(31)에 분리 샤프트(36)를 커플링하도록 구성되고 비활성화될 때 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)를 커플링 해제하도록 구성된다. 활성화 조립체(50)가 활성화될 때, 입력 샤프트(31)로부터의 토크는 분리 샤프트(36)로 전달되어서, 분리 샤프트는 그 후 입력 샤프트와 동일한 빈도수 및 토크로 회전하게 된다. 활성화 조립체(50)가 비활성화될 때, 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)로 토크가 전달되지 않으며, 입력 샤프트는 분리 샤프트의 토크 및 빈도수와 상이할 수 있는 토크 및 빈도수로 회전한다.
예시적인 실시예에 따르면, 활성화 조립체(50)는 회전 캠(51), 슬라이딩 캠(52), 맞물림 기어(54), 및 액추에이터(57)를 포함한다. 액추에이터(57)는 미리 정해진 각도 이동(예컨대 120°, 10°등)만큼 회전 캠(51)이 회전하도록 구성될 수 있고, 회전 캠(51)의 상기 회전은 슬라이딩 캠(52)이 제 1 비활성 위치로부터 제 2 활성 위치로 이동하는 것을 가능하게 하여 이에 의해 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)에 토크를 전달하기 위해 입력 샤프트(31)에 분리 샤프트(36)를 커플링한다. 액추에이터(57)는 그 후 다른 미리 정해진 각도 이동만큼 회전 캠(51)이 회전하도록 또한 구성될 수 있고, 회전 캠(51)의 상기 회전은 슬라이딩 캠(52)을 제 2 활성 위치로부터 다시 제 1 비활성 위치로 구동 또는 이동시켜서, 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)로 토크가 전달되지 않는다. 액추에이터(57)는 PTU 및/또는 구동 트레인 시스템에 의해 요구되는 대로 활성화 및 비활성 위치들 사이에서 회전 캠(51)이 회전하도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 액추에이터(57)는 모터(예컨대, 전기 모터), 모터에 의해 회전식으로 구동될 수 있는 샤프트, 및 모터에 의해 선택적으로 구동될 때 샤프트와 회전하도록 샤프트에 연결되는 기어를 포함한다. 액추에이터는, 예컨대 기어 감소를 제공하는 것에 의해, 기어 장치(gearing)(즉, 기어 비(gear ratio)에 변화를 제공하기 위해 유성 기어 트레인(planetary-gear-train))과 같은 장치를 또한 포함할 수 있다. 대안적으로는, 액추에이터(57)는 커플링된 기어의 회전을 구동할 수 있는 임의의 장치일 수 있다.
PTU(30)의 활성화 조립체(50)는 회전 캠(51)의 각도 위치를 감시하도록 구성될 수 있는 센서(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 센서는, 차량의 전자 제어 유닛(ECU)(도시되지 않음)와 같은 다른 장치에 회전 캠(51)의 감시된 각도 위치를 전할 수 있다. 따라서 ECU 는, 예컨대 활성 위치와 비활성 위치 사이에서 회전 캠(51)을 이동하게 하도록, 회전 캠(51)을 미리 정해진 각도 이동만큼 회전시키기 위해 액추에이터(50)가 활성화되는 시간의 길이를 제어할 수 있다.
도 5 는 PTU(30)의 활성화 조립체(50)에서 사용하기 위한 슬라이딩 캠(52)의 예시적인 실시예를 도시한다. 슬라이딩 캠(52)은 환형 부분(65), 하나 또는 그 초과의 맞물림 해제 캠 표면(66), 하나 또는 그 초과의 맞물림 캠 표면(67), 및 하나 또는 그 초과의 돌출부(또는 아암 또는 스플라인들)(68)를 포함할 수 있다. 도 5 에 나타낸 예시적인 실시예에 따르면, 슬라이딩 캠(52)은 환형 부분(65), 3 개의 맞물림 해제 캠 표면(66)들, 3 개의 맞물림 캠 표면(67)들, 3 개의 돌출부(또는 아암 또는 스플라인들)(68)들을 포함한다. 슬라이딩 캠(52)은 강, 알루미늄, 알루미늄 합금, 플라스틱 또는 폴리머 재료, 복합 재료, 분말 금속, 또는 차량의 수명 동안 회전 캠 및 다른 PTU 구성요소들을, 예컨대 활성 위치와 비활성 위치 사이에서 주기적으로 맞물리게 하기에 충분히 강한 임의의 다른 적절한 재료로 만들어질 수 있다. 슬라이딩 캠(52)은 주조, 단조, 기계가공, 성형(예컨대, 사출 성형), 분말 금속(예컨대, 소결 또는 성형), 또는 임의의 적절한 프로세싱 방법을 통하여 형성될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 슬라이딩 캠(52)의 맞물림 해제 캠 표면(66)은 2 개의 인접한 맞물림 캠 표면(67)들 사이에 점진적으로 증가하는 경사를 갖는 기울어진 또는 비스듬한 표면으로서 구성된다. 하지만, 맞물림 해제 캠 표면(66)은 곡선(예컨대, 오목한, 볼록한)일 수 있거나 임의의 적절한 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 슬라이딩 캠(52)의 맞물림 캠 표면(67)은 2 개의 인접한 맞물림 해제 캠 표면(66)들 사이에 실질적으로 수직 표면 또는 가파르게 감소하는 기울어진 표면으로서 구성된다. 하지만, 맞물림 캠 표면은 곡선(예컨대, 오목한, 볼록한)일 수 있거나 임의의 적절한 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 슬라이딩 캠(52)의 맞물림 및 맞물림 해제 캠 표면들의 형상은 활성화 조립체(50)의 성능을 조정하기 위해, 예컨대 각도 캠 회전(예컨대 회전 캠에 대하여)에 대한 옮김 거리(예컨대 슬라이딩 캠에 대하여)를 규정하기 위해 회전 캠(51)의 캠 표면들과 집합적으로 작동하기 위해 변할 수 있다. 다시 말하면, 캠(예컨대, 슬라이딩 및 회전)들의 형상들 또는 프로파일들은 PTU 의 성능을 조정하기 위해, 예컨대 상이한 고객 사항들 또는 취향들을 수용하기 위해 변할 수 있다. 따라서, 본원에 기재된 캠들의 형상들은 예시적인 실시예들로서의 의미를 가지며 제한들로서의 의미를 갖지 않는다.
슬라이딩 캠(52)의 돌출부(68)는 슬라이딩 캠(52)의 회전을 방지하도록 구성되는데, 이는 회전 캠(51)이 슬라이딩 캠(52)과 접촉해 있는 동안 회전할 수 있기 때문이다. 예시적인 실시예에 따르면, 돌출부(68)는 PTU(30)의 하우징(40) 내의 공동에 맞물리도록 구성되는 직사각형 횡단면 형상을 갖고, 하우징(40)의 공동은, 예컨대 유사한 횡단면 형상을 갖는 것에 의해 슬라이딩 캠(52)의 회전을 방지하도록 구성될 수 있고 이에 의해 돌출부(68)를 내부에 유지한다. 다른 실시예들에 따르면, 돌출부는 임의의 형상(예컨대, 둥근 형상, 반원 형상, 불규칙 형상, 스플라인 형상)으로 구성될 수 있고, 회전 캠(51)에 대한 슬라이딩 캠(52)의 회전을 방지하기 위해 PTU(30)의 임의의 회전식으로 고정된(또는 고정식) 구성요소와 맞물리도록 구성될 수 있다.
슬라이딩 캠(52)은, 도 4 에 나타낸 것과 같은 중간 구동 샤프트(20)와 같은, 다른 차량 구성요소를 수용하도록 구성될 수 있는 개구(69)를 또한 포함할 수 있다. 개구(69)의 크기(예컨대 직경)는 변할 수 있고, 예컨대, 회전 샤프트와 회전식으로 고정식인 슬라이딩 캠 사이의 접촉으로부터 초래될 수 있는 마찰에 의한 것과 같은, 에너지 손실을 유도하지 않으면서 중간 구동 샤프트(20)가 슬라이딩 캠(52)에 대하여 회전하는 것을 가능하게 하기 위해, 슬라이딩 캠(52)과 다른 구성요소(예컨대, 중간 구동 샤프트(20)) 사이에 이들을 통과하는 간극을 제공하도록 구성될 수 있다.
도 6 은 PTU(30)의 활성화 조립체(50)에서 사용하기 위한 회전 캠(51)의 예시적인 실시예를 도시한다. 회전 캠(51)은 환형 기어 부분(60), 하나 또는 그 초과의 맞물림 해제 캠 표면(61), 및 하나 또는 그 초과의 맞물림 캠 표면(62)을 포함할 수 있다. 도 6 에 나타낸 예시적인 실시예에 따르면, 회전 캠(51)은 환형 기어 부분(60), 3 개의 맞물림 해제 캠 표면(61)들, 및 3 개의 맞물림 캠 표면(62)들을 포함한다. 회전 캠(51)은 강, 알루미늄, 알루미늄 합금, 플라스틱 또는 폴리머 재료, 복합 재료, 분말 금속, 또는 차량의 수명 동안 슬라이딩 캠 및 다른 PTU 구성요소(예컨대, 액추에이터)들을 주기적으로 맞물리게 하기에 충분히 강한 임의의 다른 적절한 재료로 만들어질 수 있다. 회전 캠(51)은 주조, 단조, 기계가공, 성형(예컨대, 사출 성형), 분말 금속(예컨대, 소결 또는 성형), 또는 임의의 적절한 프로세싱 방법을 통하여 형성될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 회전 캠(51)의 맞물림 해제 캠 표면(61)은 2 개의 인접한 맞물림 캠 표면(62)들 사이에 증가하는 경사를 갖는 기울어진 (또는 비스듬한) 표면으로서 구성된다. 하지만, 맞물림 해제 캠 표면은 곡선(예컨대, 오목한, 볼록한)일 수 있거나 임의의 적절한 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 회전 캠(51)의 맞물림 캠 표면(62)은 2 개의 인접한 맞물림 해제 캠 표면(61)들 사이에 실질적으로 수직 표면 또는 가파르게 감소하는 기울어진 표면으로서 구성된다. 하지만, 맞물림 캠 표면은 곡선(예컨대, 오목한, 볼록한)일 수 있거나 임의의 적절한 형상을 갖도록 구성될 수 있다. 회전 캠(51)의 맞물림 및 맞물림 해제 캠 표면들의 형상은 활성화 조립체(50)의 성능을 조정하기 위해, 예컨대 각도 캠 회전(예컨대 회전 캠에 대하여)에 대한 옮김 거리(예컨대 슬라이딩 캠에 대하여)를 규정하기 위해 슬라이딩 캠(52)의 캠 표면들과 집합적으로 작동하기 위해 변할 수 있다. 다시 말하면, 캠(예컨대, 슬라이딩 및 회전)들의 형상들 또는 프로파일들은 PTU 의 성능을 조정하기 위해, 예컨대 상이한 고객 사항들 또는 취향들을 수용하기 위해 변할 수 있다. 따라서, 본원에 기재된 캠들의 형상들은 예시적인 실시예들로서의 의미를 가지며 제한들로서의 의미를 갖지 않는다.
예시적인 실시예에 따르면, 회전 캠(51)의 환형 기어 부분(60)은 기어 메쉬를 통하여, 액추에이터(57)와 같은 액추에이터 상의 정합 기어와 맞물리도록 구성되고, 액추에이터는 기어 부분(60)과 기어 메쉬를 통하여 회전 캠(51)의 회전을 제어 및 구동한다. 환형 기어 부분(60)은 스퍼 기어, 헬리컬 기어, 베벨 기어, 또는 운동(예컨대, 회전 운동)을 통하여 토크를 전달하는 임의의 적절한 형상의 기어로서 구성될 수 있다. 기어 부분(60)은 회전 캠(51)과 일체로 형성될 수 있거나 그와는 별개로 형성되어 그 후 회전 캠(51)에 연결되어 하나의 부재로서 작동한다.
회전 캠(51)은, 도 4 에 나타낸 것과 같은 중간 구동 샤프트(20)와 같은 차량의 다른 구성요소를 수용하도록 구성될 수 있는 개구(63)를 또한 포함할 수 있다. 개구(63)의 크기(예컨대, 직경)는 변할 수 있고, 예컨대 회전 입력 구동 샤프트와, 상이한 회전 속도들로 회전할 수 있는 선택적으로 회전식인 회전 캠 사이의 접촉으로부터 초래될 수 있는 마찰에 의한 것과 같은, 에너지 손실을 유도하지 않으면서 중간 구동 샤프트(20)가 회전 캠(51)에 대하여 회전하는 것을 가능하게 하기 위해, 회전 캠(51)과 구성요소(예컨대, 중간 구동 샤프트(20) 사이에 이들을 통과하는 간극을 제공하도록 구성될 수 있다.
회전 캠(51) 및 슬라이딩 캠(52) 상에 제공되는 캠 표면(61, 62)들의 개수는 활성 위치와 비활성 위치 사이에서 슬라이딩 캠(52)이 이동하는데 필요한 회전 캠(51)의 각도 이동에 영향을 미친다. 예컨대, 회전 캠(51)은 회전 캠(51)에 의한 100 내지 120 도(120°)의 회전 내에서 PTU(30)와 맞물림 해제 및 맞물림(즉, 입력 샤프트(31)와 분리 샤프트(36)의 커플링 해제 및 커플링) 양쪽을 하도록 구성된다. 따라서, 회전 캠(51)은 회전 캠(51)에 의해 각각의 풀 회전 동안(즉, 360도(360°)의 각도 회전에 걸쳐) PTU(30)와 3 번 맞물림 해제되고 맞물리도록 구성된다. 따라서, 회전 캠(51)은 임의의 개수의 캠 표면(61, 62)들을 포함하도록 구성될 수 있으며, 이는 결국 PTU(30)를 활성화 및 비활성화하는데 필요한 회전 캠(51)의 각도 회전을 변하게 한다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 슬라이딩 캠(52)은 환형 부분(65) 및 하나 또는 그 초과의 돌출부(68)(또는 아암 또는 스플라인)를 포함한다. 따라서, 슬라이딩 캠(52)은 임의의 캠 표면(66, 67)들을 포함하지 않도록 구성될 수 있고, 회전 캠(51)의 캠 표면(61, 62)들(예컨대, 맞물림, 맞물림 해제)은 요구에 따라 슬라이딩 캠(52)을 활성화(또는 맞물림) 위치와 비활성화(또는 맞물림 해제) 위치 사이에서 구동시킨다. 회전 캠(51)은 임의의 형상을 갖는 임의의 개수의 캠 표면(61, 62)들을 포함하도록 구성될 수 있고, 이는 회전 캠(51)의 회전 위치(또는 배향)를 통하여 슬라이딩 캠(52)의 위치를 제어한다.
예시적인 실시예에 다르면, 활성화 조립체(50)는, PTU(30)의 하우징(40) 내에와 같이, PTU(30) 내에 제공된다. 다른 예시적인 실시예에 따르면, 활성화 조립체(50)는, 하우징(40)에 연결될 수 있는, 별개의 케이스(도시되지 않음) 내에 제공된다.
또한 도 2 내지 도 6 에 나타낸 것과 같이, 활성화 조립체(50)는 분리 샤프트(36)의 제 1 단부(37) 근처의 PTU(30)의 구역에 제공될 수 있고, 기어(48)와 같은, 적어도 입력 샤프트(31)의 부분을 둘러싸도록 구성될 수 있다. 대안적으로는, 활성화 조립체(50)는 PTU(30) 내에 임의의 장소에 제공될 수 있다. 회전 캠(51)은 중간 구동 샤프트(20)의 부분을 둘러쌀 수 있고, 중간 구동 샤프트(20)는 회전 캠(51)의 개구(63)를 통과한다. 회전 캠(51)은, 액추에이터(57)에 의해 회전하도록 구동될 때 회전 캠(51)이 실질적으로 회전 축선(34)을 중심으로 회전하도록 중간 구동 샤프트(20)와 동심일 수 있다. 회전 캠(51)은 하우징(40)에 의해 위치될 수 있거나 임의의 다른 구성요소에 의해 위치될 수 있으며, 베어링들이 다른 구성요소에 대한 회전 캠(51)의 회전을 가능하게 하기 위해 회전 캠(51)과 다른 PTU(30) 구성요소(예컨대, 하우징(40)) 사이에 제공될 수 있다.
슬라이딩 캠(52)은 슬라이딩 캠(52)의 캠 표면(66, 67)들이 회전 캠(51)의 캠 표면(61, 62)들과 접촉 상태에 있도록 회전 캠(51)에 인접하여 제공될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 회전 캠(51)의 각각의 맞물림 해제 캠 표면(61)은 슬라이딩 캠(52)의 하나의 맞물림 해제 캠 표면(66)과 접촉 상태로 남아 있다. 회전 캠(51)의 맞물림 해제 캠 표면(62)이 접촉하는 슬라이딩 캠(52)의 맞물림 해제 캠 표면(66)은 회전 캠(51)의 회전 위치에 의존하여 변할 수 있는데, 이는 회전 캠(51)이 회전식으로 고정식인 슬라이딩 캠(52)에 대하여 회전하기 때문이다. 회전 캠(51)이 회전할 때, 슬라이딩 캠과 회전 캠 사이에서 접촉 상태인 캠 표면들의 부분들은 변하고, 이는 접촉의 위치에 의존하여 슬라이딩 캠(52)이 회전 캠(51)으로부터 멀어져서 또는 이를 향하여 이동하는 것을 유발한다. 회전 캠(51)과 슬라이딩 캠(52) 사이의 정렬 또는 각도 배향에 의존하여, 회전 캠(51)은 슬라이딩 캠(52)을 구동할 수 있거나 슬라이딩 캠(52)이 활성 위치와 비활성 위치 사이에서 이동하는 것을 가능하게 할 수 있다. 슬라이딩 캠(52)이 활성 위치에 위치될 때, 활성화 조립체(50)는 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)에 토크를 전달하기 위해 분리 샤프트(36)를 입력 샤프트(31)에 커플링한다. 슬라이딩 캠(52)이 비활성 위치에 위치될 때, 활성화 조립체(50)는 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)를 커플링 해제하고, 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)로 토크가 전달되지 않는다.
예시적인 실시예에 따르면, 맞물림 기어(54)는 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)에 토크를 전달하기 위해(또는 전달하지 않기 위해) 분리 샤프트(36)를 입력 샤프트(31)에 커플링 및 입력 샤프트로부터 커플링 해제하도록 구성된다. 맞물림 기어(54)는 내측 표면(또는 내경)을 따라 제공되는 기어 치형부들을 갖는 환형 부재로서 구성될 수 있고, 기어 치형부들은 기어 메쉬를 통하여 분리 샤프트(36) 및 입력 샤프트(31) 중 하나 또는 이들 양쪽의 기어 치형부들과 맞물릴 수 있다. 추가적으로, 맞물림 기어(54)는 분리 샤프트(36)와 입력 샤프트(31)를 커플링하기 위한 스플라인형 슬리브 또는 임의의 적절한 구성요소일 수 있다. 예컨대, 맞물림 기어(54)는 분리 샤프트(36)의 제 2 기어(47)와 맞물리도록 구성될 수 있고 입력 샤프트(31)의 기어(48)와 선택적으로 맞물리도록 구성될 수 있다. 도 2 내지 도 6 에 나타낸 예시적인 실시예에 따르면, 맞물림 기어(54)는 PTU(30)가 분리 또는 비활성 모드로 작동하도록 구성될 때 기어 메쉬를 통하여 단지 분리 샤프트(36) 및 제 2 기어(47)와 맞물리도록 구성되며, 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)로 토크가 전달되지 않는다. PTU(30)가 연결 또는 활성 모드로 작동하도록 구성될 때, 맞물림 기어(54)는 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)로 토크를 전달하기 위해 기어 메쉬를 통하여 분리 샤프트(36)에 제 2 기어(47)를 통하여 그리고 입력 샤프트(31)에 기어(48)를 통하여 맞물리도록 구성된다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 활성화 조립체의 맞물림 기어(54)는 PTU(30)가 분리 또는 비활성 모드로 작동하도록 구성될 때 기어 메쉬를 통하여 단지 입력 샤프트(31)와 맞물리도록 구성될 수 있으며, 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)로 토크가 전달되지 않는다. PTU(30)가 연결 또는 활성 모드로 작동하도록 구성될 때, 맞물림 기어(54)는 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)로 토크를 전달하기 위해 기어 메쉬를 통하여 분리 샤프트(36) 및 입력 샤프트(31)와 맞물리도록 구성될 수 있다.
활성화 조립체(50)는, 맞물림 기어(54)와 같은 활성화 조립체(50)의 구성요소를 편향시키기 위하여 힘을 제공하기 위해 제 1 편향 부재(55)를 또한 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 제 1 편향 부재(55)는 코일 스프링으로서 구성되고 활성 위치(즉, 맞물림 기어(54)가 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)로 토크를 전달하기 위해 분리 샤프트(36)와 입력 샤프트(31) 양쪽과 맞물리는 위치)를 향하는 방향으로 맞물림 기어(54)를 편향하기 위해 힘을 제공한다. 다른 예시적인 실시예들에 따르면, 제 1 편향 부재(55)는 웨이브 스프링(wave spring) 또는 비활성 위치(즉, 맞물림 기어(54)가 단지 분리 샤프트(36) 또는 입력 샤프트(31)와 맞물리는 위치)를 향하는 방향과 같은 방향으로 맞물림 기어(54)를 편향시킬 수 있는 임의의 적절한 형상을 갖는 임의의 다른 적절한 타입의 스프링으로서 구성될 수 있다.
활성화 조립체(50)는, 맞물림 기어(54)와 같은 활성화 조립체(50)의 구성요소를 편향시키기 위하여 힘을 제공하기 위해 제 2 편향 부재(56)를 또한 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 제 1 편향 부재(55)는 코일 스프링으로서 구성되고 비활성 위치(즉, 맞물림 기어(54)가 단지 분리 샤프트(36) 또는 입력 샤프트(31)와 맞물리는 위치)를 향하는 방향으로 맞물림 기어(54)를 편향하기 위해 힘을 제공한다. 다른 실시예들에 따르면, 제 2 편향 부재(56)는 임의의 적절한 형상을 가질 수 있고 활성 위치(즉, 맞물림 기어(54)가 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)로 토크를 전달하기 위해 분리 샤프트(36)와 입력 샤프트(31) 양쪽과 맞물리는 위치)를 향하는 방향과 같은 상이한 방향으로 맞물림 기어(54)를 편향시킬 수 있다. 제 2 편향 부재(56)는 스톨링(stalling) 및 손상으로부터 액추에이터(57)를 보호하도록 또한 구성될 수 있다.
활성화 조립체(50)는 활성 모드 및 비활성 모드의 작동 사이에서 맞물림 기어(54)의 이동을 안내 또는 구동하기 위해 안내 부재(53)(또는 인발 컵)을 또한 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 안내 부재(53)는 실질적으로 C 형상 횡단면을 갖는 부재를 갖는 박벽으로 형성된 부재로서 구성되고, 안내 부재(53)의 일 단부는 맞물림 기어(54)의 적어도 부분을 에워싸고, 안내 부재의 다른 단부는, 회전 캠(51)과 접촉 상태에 있는 단부에 대향하는 슬라이딩 캠(52)의 단부와 같은, 슬라이딩 캠(52)에 접한다. 또한, 제 2 편향 부재(56)를 유지할 수 있는 공간이 슬라이딩 캠(52)에 접하는 안내 부재(53)의 단부와 맞물림 기어(54) 사이에 제공되고, 제 2 편향 부재(56)는, 토크 바인딩(torque-binding)과 같은, 바람직하지 않은 작동 조건들로부터 액추에이터(57)를 보호하고/하거나 슬라이딩 캠(52)에 접하는 안내 부재(53)의 단부로부터 멀어지도록 맞물림 기어(54)를 편향시키기 위해 힘을 제공한다.
안내 부재(53)는 강, 알루미늄, 또는 차량의 수명 동안 슬라이딩 캠(52) 및 다른 PTU 구성요소들과 주기적으로 맞물리기에 충분히 강한 임의의 다른 적절한 재료로 만들어질 수 있다. 안내 부재(53)는 스탬핑, 블랭킹, 미세 블랭킹, 또는 임의의 적절한 프로세싱 방법을 통하여 형성될 수 있다.
도 2 및 도 3 에 나타낸 것과 같이, 활성화 조립체(50)가 비활성 또는 분리 모드로 작동하도록 구성될 때, 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)로 토크는 전달되지 않고, 맞물림 기어(54)는 분리 샤프트(36)의 제 2 기어(47)를 통한 것과 같이, 단지 분리 샤프트(36)에 맞물린다(또는 회전식으로 커플링된다). 이러한 비활성 모드의 작동에서, 회전 캠(51)은 액추에이터(57)에 의해 미리 정해진 각도 회전으로 회전되고, 회전 캠(51) 및 슬라이딩 캠(52)의 캠 표면들은 회전 캠(51)으로부터 멀어지는 방향으로 슬라이딩 캠(52)을 이동시키고, 이는 결국 안내 부재(53)를 실질적으로 동일한 거리만큼 이동시키며 이에 의해 제 1 편향 부재(55)를 압축하고 내부에 에너지를 저장한다. 저장된 에너지를 갖는 제 2 편향 부재(56)는, 맞물림 기어(54)가 제 1 편향 부재(55)에 인접한 안내 부재(53)의 단부에 접하도록, 입력 샤프트(31)와의 맞물림 밖으로의 방향으로(즉, 슬라이딩 캠(52)으로부터 멀어지는 방향) 맞물림 기어(54)를 편향하기 위해 힘을 가한다. 따라서, 맞물림 기어(54)의 기어 치형부들은 비활성 또는 분리 모드의 작동에서 단지 분리 샤프트(36)와 맞물리고 입력 샤프트(31)와 맞물리지 않는다.
도 4 및 도 5 에 나타낸 것과 같이, 활성화 조립체(50)가 활성 또는 연결 모드로 작동하도록 구성될 때, 맞물림 기어(54)를 통하여 입력 샤프트(31)로부터 분리 샤프트(36)로 토크가 전달되고, 맞물림 기어(54)는 분리 샤프트(36)와 입력 샤프트(31) 양쪽과 동시에 맞물린다(또는 회전식으로 커플링된다). 이러한 활성 모드의 작동에서, 회전 캠(51)은 액추에이터(57)에 의해 미리 정해진 각도 회전으로 회전되고, 회전 캠(51)의 캠 표면들은 슬라이딩 캠(52)이 회전 캠(51)을 향하는 방향으로 이동하는 것을 가능하게 하고, 이는 결국 안내 부재(53)가 제 1 편향 부재(55)의 압축 해제에 의해 가해지는 힘으로부터 실질적으로 동일한 거리만큼 이동시키는 것을 가능하게 한다. 다시 말하면, 제 1 편향 부재(55) 내에 저장된 에너지는 안내 부재(53)와 슬라이딩 캠(52)의 접함(또는 맞물림)을 유지하고, 뿐만 아니라 안내 부재(53)와 슬라이딩 캠(52)을 회전 캠(51)을 향하여 이동시키는 힘을 가한다. 저장된 에너지를 갖는 제 2 편향 부재(56)는, 맞물림 기어(54)가 제 1 편향 부재(55)와 인접한 안내 부재(53)의 단부에 접하도록, 슬라이딩 캠(52)으로부터 멀어지는(또는 제 1 편향 부재(55)를 향하는) 방향으로 맞물림 기어(54)를 편향시키기 위해 힘을 가한다. 안내 부재(53)가 슬라이딩 캠(52)에 의해 회전 캠(51)을 향하여 이동할 때, 맞물림 기어(54)가 또한 분리 샤프트(36)와 계속하여 맞물리도록, 맞물림 기어(54)를 입력 샤프트(31)와의 맞물림으로 당긴다. 따라서, 맞물림 기어(54)의 기어 치형부들은 활성 또는 연결 모드의 작동에서 분리 샤프트(36)와 입력 샤프트(31) 양쪽과 동시에 맞물린다.
PTU(30)는 분리 샤프트(36)로부터 토크를 수용하고 후방 휠들을 구동하기 위해 이 토크를 출력 샤프트에 전달하거나 또는 직접적으로 프롭샤프트(29)에 전달하도록 구성되는 제 2 샤프트(43)를 또한 포함할 수 있다. 제 2 샤프트(43)는 입력 샤프트(31)와 평행하게 그리고 임의의 거리만큼 오프셋 되어 제공될 수 있다. 제 2 샤프트(43)는 입력 샤프트(31)의 회전 축선(34)에 평행할 수 있는 제 2 회전 축선(46)을 중심으로 회전하도록 구성될 수 있다. 제 2 샤프트(43)는 기어(44)를 포함할 수 있으며, 이 기어는 스퍼 기어, 헬리컬 기어, 또는 운동(예컨대, 회전 운동)을 통하여 토크를 전달하는 임의의 적절한 기어로서 구성될 수 있다. 기어(44)의 치형부들은 분리 샤프트(36)로부터 토크를 수용하기 위해 기어 메쉬를 통하여 분리 샤프트(36)의 제 1 기어(39)의 치형부들과 맞물릴 수 있다.
제 2 샤프트(43)는 제 2 링 기어(45)를 또한 포함할 수 있고, 제 2 링 기어(45)는 제 2 샤프트(43)와는 별개로 형성되고 그 후 이에 연결될 수 있거나, 하나의 부재로서 제 2 샤프트(43)와 일체로 형성될 수 있다. 제 2 링 기어(45)는 베벨 기어 또는 스퍼 기어, 헬리컬 기어, 또는 임의의 적절한 기어일 수 있고 출력 샤프트의 피니언과 같은, 제 2 샤프트(43)로부터 토크를 전달하도록 구성된다. 제 2 샤프트(43)는 PTU(30)의 하우징(40) 내에 제공될 수 있거나 하우징(40)과는 별개의 구조물 내에 제공될 수 있다. 제 2 샤프트(43)는 제 2 샤프트(43)가 하우징(40)에 대한 제 2 회전 축선(46)을 중심으로 회전하는 것을 가능하게 하기 위해 하우징(40) 또는 구조물에 하나 또는 그 초과의 베어링(42)들에 의해 회전 가능하게 커플링될 수 있다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 토크는 분리 샤프트(36)로부터 직접적으로 출력 샤프트(43)에 전달된다. 다른 예시적인 실시예에 따르면, 토크는 분리 샤프트(36)로부터, 차량의 프롭샤프트(29)와 같은, PTU 외부의 구성요소에 직접적으로 전달된다.
도 7 및 도 8 은, 예시적인 실시예에 따른 회전 캠의 각도 회전(도)에 걸친 슬라이딩 캠의 옮김 거리(㎜)를 도시하는 그래프들이다. 도 7 은 회전 캠의 1 회의 풀 회전 또는 회전(즉, 360 도(360°))에 걸친 슬라이딩 캠의 옮김 거리를 ㎜ 로 도시한다. 도 8 은 회전 캠의 1 회의 풀 회전 또는 회전의 대략 1/3(즉, 회전의 제 1 120 도(120°))에 걸친 슬라이딩 캠의 옮김 거리를 ㎜ 로 도시한다. 회전 캠이 회전됨에 따라 슬라이딩 캠의 옮김 거리는 점진적으로 증가한다. 완전히 맞물림 해제된 위치에서 옮김 거리의 약간의 디텐트(detent) 또는 감소가 있다. 그 후, 동작 시에 캠들을 맞물리도록 옮기고 옮김 거리를 감소시키기 위해 신속한 에너지 방출이 있다.
나타낸 예시적인 실시예에 대하여, 회전 캠은 약 0.70 초에 맞물림(또는 활성) 위치로부터 맞물림 해제(또는 비활성) 위치로 회전하도록 구성되고 약 0.09 초에 맞물림 해제(또는 비활성) 위치로부터 맞물림(또는 활성) 위치로 회전하도록 구성된다. 캠 표면들은 입력 샤프트(또는 입력 샤프트)로부터 분리 샤프트를 커플링 해제하기 위해 PTU 에 PTU 의 점진적인 맞물림 해제(또는 비활성)를 제공하도록 구성된다. 캠 표면들은 입력 샤프트에 분리 샤프트를 커플링하기 위해 PTU 에 PTU 의 신속한 맞물림(또는 활성)을 제공하도록 구성된다. 비록 도 7 및 도 8 의 그래프들이 예시적인 실시예를 도시하지만, 맞물림 해제(또는 비활성) 및 맞물림(또는 활성) 양쪽의 경사들은, 예컨대 활성화 조립체의 캠들의 프로파일들 또는 표면들(예컨대, 맞물림, 맞물림 해제)의 조정에 의해, 특정한 고객 요구사항들로 PTU 의 성능을 조정하기 위해 또는 특정한 성능을 제공하기 위해 조정되도록 변할 수 있다. 추가적으로, ㎜ 단위의 옮김 거리는 성능을 조정하기 위해 변할 수 있다. 이러한 그래프들은 예시적인 실시예들을 도시하며 제한들로서 해석되어서는 안된다.
예시적인 실시예에 따르면, 회전 캠이 맞물림 해제 위치로부터 맞물림 위치로 그리고 맞물림 위치로부터 맞물림 해제 위치로 회전하는데 요구되는 초(들) 단위의 시간 양쪽이 계산될 수 있다. 예컨대, 활성화 조립체는 액추에이터로서, 98 : 1 의 캠에 대한 구동 비를 갖는 분당 2500 회전들(rpm)로 회전하도록 구성되는 모터를 포함하도록 구성되고, 모터는 약 0.087 초에 캠을 약 13.3°회전시킬 수 있고, 회전 캠은 맞물림 해제 위치로부터 맞물림 위치로 회전할 수 있다. 또한, 예컨대 유사하게 구성된 활성화 조립체는 약 0.697 초에 캠이 약 106.7°회전하도록 구성될 수 있고, 회전 캠은 맞물림 위치로부터 맞물림 해제 위치로 회전할 수 있다. 비록 이러한 계산들이 PTU 의 하나의 예시적인 실시예에 대한 것이지만, 본원에 기재된 PTU 들이, 회전 캠을 회전시키는데 요구되는 상이한 시간을 발생할 수 있는, 상이한 성능 특징들(예컨대, 속도, 구동 비 등)을 갖는 상이한 구성요소들(예컨대, 액추에이터)을 가지고 구성될 수 있기 때문에 이들은 제한들을 의미하지 않는다. 예컨대, 활성화 조립체를 통하여 PTU 를 맞물림 및/또는 맞물림 해제하기 위해 요구되는 시간은 특정한 차량 또는 고객의 성능 및 요구사항들을 기본으로 하여 조정될 수 있다.
비활성 모드 또는 분리 모드의 작동으로부터 활성 모드 또는 연결 모드의 작동으로 PTU(및 그리하여 차량의 구동 트레인)의 예시적인 실시예를 스위치하고 이에 의해 2륜 구동 모드의 작동으로부터 4륜 또는 전륜 구동 모드의 작동으로 차량을 스위치하는데 요구되는 초 단위의 전체 시간이 계산될 수 있다. 예컨대, PTU 의 활성화 조립체는 0.100 초 미만에 맞물림 해제 모드 또는 비활성 모드의 작동으로부터 맞물림 모드 또는 활성 모들의 작동으로 PTU 를 스위치할 수 있다(이에 의해 2륜 구동 모드의 작동으로부터 전륜 구동 모드의 작동으로 전환됨). 이러한 신속한 맞물림은 이하에 논의되는 몇몇 이점들을 제공한다. 비록 이러한 계산이 PTU 의 하나의 예시적인 실시예에 대한 것이지만, 본원에 기재된 PTU 들이, PTU 를 활성화 또는 비활성화하는데 요구되는 상이한 시간을 발생할 수 있는, 상이한 성능 특징들(예컨대, 속도, 구동 비 등)을 갖는 상이한 구성요소들(예컨대, 액추에이터)을 가지고 구성될 수 있기 때문에 이는 제한을 의미하지 않는다. 예컨대, 활성화 조립체를 통하여 PTU 를 맞물리게 그리고 맞물림 해제되게 하는데 요구되는 시간은 특정한 차량 또는 고객의 성능 및 요구사항들을 기본으로 하여 조정될 수 있다.
본원에 기재된 것과 같은 캠 및 기어 조립체를 갖는 활성화 조립체들을 포함하는 PTU 들은 다른 타입들의 활성화 장치들을 갖는 다른 PTU 들에 대하여 몇몇 이점들을 제공하지만, 이점들의 단지 일부가 본원에 논의된다. 첫 번째로, 활성화 조립체들은 PTU 에 더 빠른 맞물림 시간(또는 더 짧은 옮김 시간)을 제공하며, 이는 PTU 가 비교적 더 짧은 시간에 차량의 구동 트레인을 2륜 구동 모드의 작동으로부터 전륜 구동 모드의 작동으로 스위치할 수 있다는 것을 의미한다. 예컨대, 예시적인 실시예에 따르면, 전체 맞물림 시간은 0.100 초 미만으로 계산되었다. 감소된 옮김 시간은, 예컨대 차량의 구동되는 휠들의 하나 또는 그 이상이 미끄러질 때, 다른 휠들에 토크를 재분배하기 위한 차량의 반응성을 개선하고, 이는 차량의 핸들링을 개선할 수 있다. 더 빠른 맞물림 시간은 입력 샤프트와 분리 샤프트의 속도들(예컨대, rpm) 사이에 비교적 더 큰 차이(또는 속도들의 변화)가 있을 때 또한 PTU 가 작동 모드들 사이에서 스위치 하는 것을 가능하게 한다. 다시 말하면, PTU 의 더 빠른 맞물림 시간은 입력 샤프트와 분리 샤프트 사이의 작동 속도들에 비교적 더 큰 차이가 존재할 때 입력 샤프트에 대한 분리 샤프트의 커플링을 가능하게 한다. 입력 샤프트에 분리 샤프트를 커플링하는데 요구되는 더 짧은 시간은 기어 충돌로부터의 치형부들의 팁들 상의 충격을 최소화하기 위해 기어 메쉬 내에 함께 치형부들의 완전한 맞물림을 더 신속하게 가져옴으로써 PTU 의 내구성을 개선하고, 이는 기어 치형부들에 대한 손상 가능성을 감소시킨다. 입력 샤프트에 분리 샤프트를 커플링하는데 요구되는 더 짧은 시간은 기어들의 치형부들이 메쉬될 때 기어 충돌과 연관된 소음을 감소시킴으로써 PTU 의 소음을 또한 감소시킬 수 있다. 두 번째로, 맞물림 및 맞물림 해제 시간은 캠들의 표면들의 프로파일을 수정함으로써 변화하는 고객 요구사항들(예컨대, 성능 요구사항들)에 용이하게 조정될 수 있다. 세 번째로, 본원에 기재된 것과 같은, 활성화 조립체들은 비교적 더 작은 패키지 크기를 가질 수 있는데, 이는 활성화 조립체들이 더 작은 패키지 내에 그리고 옮김 포크들과 같은 다수의 구성요소들 없이 구성될 수 있기 때문이다. 더 작은 패키지 크기는 비교적 더 낮은 질량을 갖도록 구성될 수 있고, 이는 차량 제조자가 차량의 크기 및 질량을 감소시키는 것을 가능하게 한다. 네 번째로, 액추에이터(예컨대, 모터)는 덜 복잡하고 덜 비싸게 구성될 수 있다. 예컨대, 모터가 단지 하나의 회전 방향으로 구성될 수 있고, 예컨대 회로 보드를 필요로하지 않음으로써 더 간단한(그리고 덜 비싼) 전자 장치들로 구성될 수 있기 때문에, 모터는 비교적 더 작은 패키지 크기를 갖도록 구성될 수 있다. 또한, 예컨대 모터는 감소된 전류 인출에 의해 유사한 속도 및 힘을 제공하도록 구성될 수 있다. 이러한 변화들은 모터의 작동 수명을 또한 증가시킬 수 있다.
본원에 이용된, 용어들 "대략", "약", "실질적으로" 및 유사한 용어들은 본 명세서의 주제와 관련된 당업계의 숙련자들에 의한 일반적이고 용납되는 용도와 조화된 넓은 의미를 갖는 것이 의도된다. 이러한 용어들은 설명되고 청구된 특정한 특징들의 설명이 이들의 특징들의 범주를 제공된 정밀한 수치적 범위들로 한정하지 않는 것이 의도된다는 것이 본 명세서를 검토하는 당업계의 숙련자들에 의해 이해되어야 한다. 따라서, 이러한 용어들은 설명되고 청구된 주제의 가공적이거나 또는 중요치 않은 수정들 또는 변경들이 첨부된 청구항들에서 인용된 것과 같은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 여겨지는 것으로서 해석되어야 한다.
다양한 실시예들을 설명하기 위해 본원에 사용된 것과 같은 용어 "예시적인"은 이러한 실시예들은 가능한 실시예들의 가능한 예들, 대표들, 및/또는 도시들을 나타내는 것이 의도되는(그리고 이러한 용어는 이러한 실시예들이 필수적인 특별한 또는 최선의 예들로 암시하는 것으로 의도되지 않는) 것에 주의해야 한다.
본원에 사용된 것과 같은 용어들 "커플링되는", "연결되는" 등은 2 개의 부재들을 서로에 대해 직접적으로 또는 간접적으로 접합하는 것을 의미한다. 이러한 접합은 고정적(예컨대 영구적)이거나 또는 이동 가능(예컨대, 제거 가능 또는 해제 가능)할 수 있다. 이러한 접합은 2 개의 부재들 또는 2 개의 부재들 및 서로와 단일 통합형 본체로서 일체로 형성되는 임의의 추가 중간 부재들에 의해서 또는 2 개의 부재들 또는 2 개의 부재들 및 서로 부착되는 임의의 추가 중간 부재들에 의해 달성될 수 있다.
본원의 요소들의 위치(예컨대, "정상", "바닥", "위", "아래" 등)들에 대한 참조들은 단지 도면들에서의 다양한 요소들의 배향을 설명하는데 사용된다. 다양한 요소들의 배향은 다른 예시적인 실시예들에 따라 상이할 수 있고, 이러한 변동들은 본 명세서에 의해 포함되는 것이 의도되는 것에 주의해야 한다.
다양한 예시적인 실시예들에 나타낸 것과 같은 동력 전달 유닛들의 구성 및 배열은 단지 도시적인 것에 주의해야 하는 것이 중요하다. 단지 몇 개의 실시예들만이 본 명세서에서 상세하게 설명되었지만, 본 명세서를 검토하는 당업계의 숙련자들은 본원에 설명된 주제의 신규한 교시들 및 이점들로부터 실질적으로 벗어나지 않으면서 많은 수정들(예컨대, 다양한 요소들의 크기들, 치수들, 구조들, 형상들 및 비율들의 변동들, 파라미터들의 값들, 장착 배열들, 재료들의 사용, 색상들, 배향들 등)이 가능한 것이 즉시 이해될 것이다. 예컨대, 일체로 형성된 것으로 나타낸 요소들은 다중 부품들 또는 요소들로 구성될 수 있고, 요소들의 위치는 역전되거나 또는 그렇지 않으면 변할 수 있으며, 별도의 요소들의 개수 또는 본질 또는 위치들은 변경되거나 또는 변할 수 있다. 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 차례는 대안적인 실시예들에 따라 변하거나 다시 차례가 정해질 수 있다. 다른 교체들, 수정들, 변화들 및 생략들은 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 예시적인 실시예들의 디자인, 작동 조건들 및 배열에서 또한 이루어질 수 있다.

Claims (13)

  1. 토크를 전달하기 위하여 차량에서 사용하기 위한 동력 전달 유닛(30)으로서,
    제 1 장치로부터 토크를 수용하도록 구성되는 제 1 샤프트(31);
    상기 토크를 제 2 장치로 출력하도록 구성되는 제 2 샤프트(36); 및
    상기 제 1 샤프트(31)로부터 제 2 샤프트(36)로 토크를 선택적으로 전달하기 위한 활성화 조립체(50)를 포함하며, 상기 활성화 조립체(50)는
    슬라이딩 캠(52);
    회전 캠(51);
    상기 슬라이딩 캠(52)에 대하여 회전 캠(51)을 선택적으로 회전시키도록 구성되는 액추에이터(57); 및
    맞물림 기어(54)를 포함하며,
    상기 맞물림 기어(54)는 맞물림 기어(54)를 통하여 제 1 샤프트(31)로부터 제 2 샤프트(36)로 토크가 전달되는 제 1 맞물림 위치와 제 2 샤프트(36)에 토크가 전달되지 않는 제 2 맞물림 해제 위치 사이에서 슬라이딩 캠(52)에 의해 이동되도록 구성되고,
    상기 회전 캠(51)과 슬라이딩 캠(52) 사이의 상대 회전은 슬라이딩 캠(52)을 이동시킬 수 있고 이에 의해 제 1 맞물림 위치와 제 2 맞물림 해제 위치 사이에서 맞물림 기어(54)를 이동하게 하고,
    상기 슬라이딩 캠(52)은 맞물림 캠 표면(67) 그리고 회전 캠(51)과 슬라이딩 캠(52) 사이의 상대 회전을 통하여 슬라이딩 캠(52)이 이동하도록 회전 캠(51)의 맞물림 해제 캠 표면(61)과 맞물림 캠 표면(62)을 맞물리게 하도록 구성되는 맞물림 해제 캠 표면(66)을 포함하는,
    동력 전달 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬라이딩 캠(52)은 회전 캠(51)과 슬라이딩 캠(52) 사이의 상대 회전을 통하여 슬라이딩 캠(52)을 이동시키기 위해 회전 캠(51) 상의 캠 표면(61, 62)과 맞물리도록 구성되는 캠 표면(66, 67)을 포함하는,
    동력 전달 유닛.

  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 맞물림 해제 및 맞물림 캠 표면들 중 하나 이상이 경사 표면으로서 구성되는,
    동력 전달 유닛.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 맞물림 해제 및 맞물림 캠 표면들 중 하나 이상이 실질적으로 수직 표면으로서 구성되는,
    동력 전달 유닛.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 맞물림 해제 및 맞물림 캠 표면들 중 하나 이상이 곡선 표면으로서 구성되는,
    동력 전달 유닛.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성화 조립체(50)는 제 1 맞물림 위치와 제 2 맞물림 해제 위치 사이에서 맞물림 기어(54)를 이동시키기 위해 슬라이딩 캠(52)에 의해 구동되도록 구성되는 안내 부재(53)를 또한 포함하는,
    동력 전달 유닛.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 맞물림 기어(54)를 슬라이딩 캠(52)을 향하여 편향시키도록 구성되는 편향 부재(55)를 더 포함하는,
    동력 전달 유닛.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 안내 부재(53)는 제 1 단부, 제 2 단부, 및 상기 단부들을 연결하는 벽을 포함하며, 상기 제 1 단부는 슬라이딩 캠(52)에 접하도록 구성되고 제 2 단부는 맞물림 기어(54)의 운동을 구동하도록 구성되는,
    동력 전달 유닛.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 활성화 조립체(50)는 안내 부재(53)의 제 2 단부를 향하여 맞물림 기어(54)를 편향시키기 위해 맞물림 기어(54)와 안내 부재(53)의 제 1 단부 사이에 배치되는 제 1 편향 부재(55)를 또한 포함하는,
    동력 전달 유닛.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 활성화 조립체(50)는 슬라이딩 캠(52)을 향하여 안내 부재(53)를 편향시키도록 구성되는 제 2 편향 부재(56)를 또한 포함하는,
    동력 전달 유닛.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 캠(51)의 각도 위치를 감시하도록 구성되는 센서를 더 포함하는,
    동력 전달 유닛.
  13. 제 1 항에 있어서,
    하우징(40)을 더 포함하며,
    상기 슬라이딩 캠(52)은 하우징(40) 및 회전 캠(51)에 대한 슬라이딩 캠(52)의 회전을 방지하기 위해 하우징과 맞물리는 돌출부(68)를 포함하는,
    동력 전달 유닛.
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