KR102105046B1 - 등속 조인트 - Google Patents

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KR102105046B1
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groove
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김동욱
김성현
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서한산업(주)
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Abstract

본 발명은 등속 조인트에 관한 것으로서, 상세하게는 절각 상태에서 토크가 가해지는 경우, 중심으로 기준으로 비대칭 구조를 제공하는 등속조인트에 관한 것이다. 이를 통해서 상호 정반대 방향의 영역에서 서로 반대 방향으로 동일한 크기의 힘이 작용하도록 함으로써, 조인트의 컴팩트화 및 경량화, 토크 전달 효율 개선, 발열량을 저감할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 복수의 내측 그루브가 형성되는 외륜과; 복수의 외측 그루브가 형성되는 내륜과; 내륜과 외륜 사이에 배치되는 복수의 볼과; 외륜과 내륜 사이에 배치되며 볼이 삽입되는 케이지를 포함하되, 복수의 내측 그루브 및 복수 외측 그루브 중 절반의 쌍은 외륜의 바깥방향을 향하여 퍼넬각이 형성되고, 복수의 내측 그루브 및 복수의 외측 그루브 중 나머지 절반의 쌍은 외륜의 안쪽 방향을 향하여 퍼넬각이 형성되되, 서로 대칭되는 방향의 그루브의 쌍은 서로 반대 방향의 퍼넬각을 형성하는 것을 특징으로 하는 등속 조인트를 제공한다.

Description

등속 조인트{ Constant Veocity Joint}
본 발명은 등속 조인트에 관한 것으로서, 상세하게는 절각 상태에서 토크가 가해지는 경우, 중심으로 기준으로 비대칭 구조를 제공하는 등속조인트에 관한 것이다. 이를 통해서 상호 정반대 방향의 영역에서 서로 반대 방향으로 동일한 크기의 힘이 작용하도록 함으로써, 조인트의 컴팩트화 및 경량화, 토크 전달 효율 개선, 발열량을 저감할 수 있다.
일반적으로 조인트는 회전축의 각도가 서로 다른 회전축에 회전동력(토크)을 전달하기 위한 것으로서, 동력전달각도가 작은 추진축의 경우에는 후크 조인트, 플렉시블 조인트 등이 사용되고, 동력전달 각도가 큰 전륜 구동차의 구동축의 경우에는 등속 조인트가 사용된다.
상기 등속 조인트는 구동축과 피동축의 교차각이 큰 경우에도 등속으로 원활하게 동력을 전달할 수 있기 때문에 독립 현가 방식의 전륜 구동차의 액슬축에 주로 사용되며, 샤프트를 중심으로 엔진측(인보드측)은 트라이포드 타입 조인트로 이루어지고, 샤프트를 중심으로 타이어측(아웃보드측)은 볼타입 조인트로 이루어진다.
샤프트를 중심으로 바퀴측(아웃보드측)에 설치되어 있는 볼타입 조인트의 구성은, 한국 공개 특허 10-2011-0125107에서 나타난 바와 같이, 트라이포드 타입 조인트의 회전동력을 전달받아서 회전되는 샤프트와, 샤프트의 일단에 연결설치되는 내륜과, 상기 내륜의 외부에 설치되는 외륜과, 외륜에 전달하기 위한 다수개의 볼과, 볼을 지지하기 위한 케이지와, 외륜의 외부에 설치되는 센서링과, 상기 샤프트에 일단이 연결되고 상기 외륜에 일단이 연결되는 부트와, 상기 부트를 고정시키기 위한 클램핑 밴드를 포함하여 이루어진다.
종래의 차량의 볼타입 등속조인트는, 케이지 및 내륜이 볼을 고정하고 있으며, 조향에 따라 볼이 외륜의 내주면에 길이방향으로 형성되어 있는 그루브내에서 이동되는 구조로 이루어진다.
외륜의 그루브의 회전중심과 내륜의 그루브 회전중심은 볼에 의해서 구현되는 등속평면의 회전중심을 기준으로 일정한 오프셋을 가지고 평행하게 위치해 있다.
절각시에 케이지와 볼은 내륜의 절각량의 반각만큼 회전하며, 외륜의 그루브회전중심과 내륜의 볼트랙 회전 중심은 등속 평면의 회전중심 기준으로 오프셋량을 반지름 삼아 회전한다.
절각 상태에서 조인트가 구동 토크에 의해 회전을 하게 되면, 내륜과 외륜 트랙 구조에 의해 각각의 볼에 힘이 발생된다.
조인트가 회전하면서 각각의 볼들에 대해서 가해지는 힘의 크기와 방향의 차이가 있지만 볼을 등속평면에 잡아주고 있는 케이지는 볼들이 받는 힘을 등속 평면의 법선 방향으로 힘을 받는다.
기존 조인트의 경우 Non-Counter 트랙 타입으로 구성되어 모든 트랙구조가 외륜 외측으로 열린 방향을 구성한다. 이러한 조인트가 절각되는 경우, 입력토크(T input)에 의해 회전을 하게 되면, 토크가 조인트로 전달되면서 내륜과 외륜 트랙 구조에 의해 각각의 볼(Ball)에 힘이 발생하게 된다.
이 힘은 등속평면을 유지하기 위해 볼을 잡아주고있는 케이지에 힘을 가하게 되며, 이 힘은 조인트가 회전시 위상이 바뀌면서 각 트랙의 위치한 볼에 그 크기와 방향의 차이를 보이게 된다.
특히, 조인트의 절각이 증대되면서 그 힘은 커지게 되며, 볼의 회전시 위상이 외륜 컵부 외측으로 위치할 경우 컵부 외측으로 나가려는 힘이 가장 크게 된다.
이로 인하여, 조인트가 회전을 하면서 볼에 가해지는 힘이 트랙의 열린 방향(내/외륜의 트랙이 볼을 바깥으로 밀어내는 방향)으로만 케이지를 밀어내는 인장하중을 발생시킨다.
이로 인하여, 케이지의 피로파괴 또는 파단에 영향을 주게된다.
케이지의 편측으로 작용되는 일방향 힘이 잠재적 원인이 되며, 이러한 편측 방향으로 나갈려는 힘은 케이지를 내/외륜에 접촉시키고, 이로 인하여 조인트 내부 온도를 증가 된다. 따라서 입력되는 토크 중 일부가 조인트 발열로 손실이 되므로 조인트 효율이 저감되는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 조인트 내부에서의 발열을 억제하는 한편, 케이지의 파단 강도를 증대할 수 있으며, 조인트의 경량화 및 컴팩트화에 기여할 수 있는 등속 조인트를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 복수의 외측 그루브가 형성되는 외륜과; 복수의 내측 그루브가 형성되는 내륜과; 내륜과 외륜 사이에 배치되는 복수의 볼과; 외륜과 내륜 사이에 배치되며 볼이 삽입되는 케이지를 포함하되, 복수의 내측 그루브 및 복수 외측 그루브 중 절반의 쌍은 외륜의 바깥방향을 향하여 퍼넬각이 형성되고, 복수의 내측 그루브 및 복수의 외측 그루브 중 나머지 절반의 쌍은 외륜의 안쪽 방향을 향하여 퍼넬각이 형성되되, 서로 대칭되는 방향의 그루브의 쌍은 서로 반대 방향의 퍼넬각을 형성하는 것을 특징으로 하는 등속 조인트를 제공한다.
복수의 내측 그루브 및 복수의 외측 그루브 중 어느 한 쌍이 외륜의 바깥방향을 향하여 퍼넬각을 형성하는 경우, 그 쌍의 양 옆에 배치되는 내측 그루브 및 외측 그루브의 쌍은 안쪽을 향하여 퍼넬각을 형성하는 것을 특징으로 한다.
복수의 내측 그루브 및 복수의 외측 그루브 중 어느 한 쌍이 외륜의 안쪽 방향을 향하여 퍼넬각을 형성하는 경우, 그 쌍의 양 옆에 배치되는 내측 그루브 및 외측 그루브의 쌍은 바깥쪽을 향하여 퍼넬각을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상호 이웃하는 내측 그루브 및 외측 그루브의 쌍은 상호 반대 방향의 퍼넬각을 형성하는 것을 특징으로 한다.
복수의 내측 그루브 또는 복수의 외측 그루브의 수량을 절반으로 나눈 숫자가 홀수 인것을 특징으로 한다.
외륜의 바깥방향으로 퍼넬각을 형성하는 외측 그루브의 센터는 조인트의 센터를 기준으로 하여 조인트 센터보다 외륜의 바깥방향으로 소정 길이만큼 형성된 수평 오프셋을 갖고, 외륜의 바깥방향으로 퍼넬각을 형성하는 내측 그루브의 센터는 조인트의 센터를 기준으로 하여 조인트 센터보다 외륜의 안쪽방향으로 소정 길이만큼 형성된 수평 오프셋을 갖는 것을 특징으로 한다.
외륜의 바깥방향으로 퍼넬각을 형성하는 외측 그루브의 센터는 조인트의 센터를 기준으로 하여 맞은편 외측 그루브 방향으로 소정 길이만큼 멀어진 수직 오프셋을 갖고, 외륜의 바깥방향으로 퍼넬각을 형성하는 내측 그루브의 센터는 조인트의 센터를 기준으로 하여 맞은편 내측 그루브 방향으로 소정 길이만큼 멀어진 수직 오프셋을 갖는 것을 특징으로 한다.
외륜의 안쪽방향으로 퍼넬각을 형성하는 외측 그루브의 센터는 조인트의 센터를 기준으로 하여 조인트 센터보다 외륜의 안쪽방향으로 소정 길이만큼 형성된 수평 오프셋을 갖고, 외륜의 안쪽방향으로 퍼넬각을 형성하는 내측 그루브의 센터는 조인트의 센터를 기준으로 하여 조인트 센터보다 외륜의 바깥방향으로 소정 길이만큼 형성된 수평 오프셋을 갖는 것을 특징으로 한다.
외륜의 안쪽방향으로 퍼넬각을 형성하는 외측 그루브의 센터는 조인트의 센터를 기준으로 하여 맞은편 외측 그루브 방향으로 소정 길이만큼 멀어진 수직 오프셋을 갖고, 외륜의 안쪽방향으로 퍼넬각을 형성하는 내측 그루브의 센터는 조인트의 센터를 기준으로 하여 조인트 센터보다 외륜의 바깥방향으로 소정 길이만큼 형성된 수평 오프셋을 갖는 것을 특징으로 한다.
조인트 절각시 볼 및 케이지의 윈도우에 가해지는 힘의 방향은, 서로 이웃한 볼 또는 케이지에 대해서 서로 반대 방향으로 향하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 의하면, 케이지에 작용하는 편측 방향의 힘을 없앨 수 있도록 트랙(그루브)구조를 비대칭화하여 내/외측으로 교차시킴으로서 케이지와 내/외륜과의 접촉열 발생을 줄여 조인트 효율을 증대 및 케이지 강도 향상을 시킬 수 있다.
또한, 볼 수량을 증대시키면서 볼 사이즈를 줄일 수 있으므로 내/외륜의 PCD를 컴팩트하게 설계가 가능한데, 이는 조인트 외경을 기존의 범용 조인트보다 줄일 수 있는 설계가 가능하므로 동등 전달능력을 가지는 조인트 대비 중량 축소가 가능하다.
그리고 본 발명의 비대칭 구조에서는 대칭 구조의 케이지보다 볼(ball) 수가 많고, 바깥쪽으로 가해지는 힘의 발생 영역과, 표시된 안쪽으로 가해지는 힘의 발생 영역이 케이지에서 좌우로 서로 교번적으로 위치하되, 중심을 기준으로 상호 대칭되게 형성되므로, 케이지에 가해지는 힘의 분포가 균등해지고, 힘이 서로 상쇄되며, 백래쉬가 억제됨으로서, 토크 전달 효율이 개선될 수 있다.
도1은 본 발명에 의한 등속 조인트의 사시도이다.
도2는 본 발명에 의한 등속 조인트의 정면도이다.
도3은 본 발명에 의한 등속 조인트의 측단면도이다.
도4는 본 발명에 의한 등속 조인트에서 절각 발생 및 구동 토크 입력시 등속 조인트 내부에서의 힘의 분포를 도시한 상태도이다.
도5는 본 발명에 의한 등속 조인트에서 절각 발생 및 구동 토크 입력시 케이지에서의 힘의 분포를 도시한 상태도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 이외의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 실시예들을 첨부 도면을 참조하면서 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명에 의한 등속 조인트(1)의 구성을 보면, 컵부(10a)를 구비하여, 차량의 휠에 회전력을 전달하는 샤프트(2)와 연결되는 외륜(10)과, 외륜 내부에 마련되는 내륜(20)과, 외륜(10)과 내륜(20) 사이에 마련되는 복수의 볼(30) 및 볼을 지지하여 볼이 등속 평면을 유지하도록 돕는 케이지(40)를 포함한다.
본 발명에서는 10개의 볼(30)이 있는 것을 도시하였으나, 10개의 볼(30)에만 한정되지 않는다.
컵부(10a)의 내면에는 볼의 수량에 대응되는 수량의 외측 그루브(11,12)가 마련된다.
그리고, 내륜(20)의 외면에도 볼의 수량에 대응되며, 각각의 외측 그루브(11,12)에 대향되는 내측 그루브(21.22)가 마련된다.
케이지(40)에는 각각의 볼(30)이 삽입되는 윈도우(41)가 마련되며, 조인트가 절각되는 경우, 케이지(40)에 의하여 볼(30)의 등속평면이 유지될 수 있다.
도2는 본 발명에 의한 등속 조인트의 정단면도이고, 도3은 본 발명에 의한 등속 조인트의 측단면도이다.
도2 내지 도3에서 도시한 바와 같이, 외측 그루브(11,12)는 두 종류로 구분되고, 내측 그루브(21,22)도 두 종류로 구분된다.
외측 그루브(11,12)는 제1 외측 그루브(11)와 제2외측 그루브(12)로 구분되고, 내측 그루브(21,22)는 제1 내측 그루브(21)와 제2 내측 그루브(22)로 구분된다.
제1외측 그루브(11)는 컵부(10a)에서 외측 방향으로 열려진 형태가 되는 곡면 형태로 구현되고, 제2외측 그루브(12)는 컵부(10a)에서 내측 방향으로 열려진 형태가 되는 곡면 형태로 마련된다.
또한, 제1내측 그루브(21)는 컵부(10a)의 외측 방향으로 열려진 형태가 되는 곡면 형태로 구현되고, 제2내측 그루브(22)는 컵부(10a) 내측 방향으로 열려진 형태가 되는 곡면 형태로 마련된다.
제1외측 그루브(11)와 제1내측 그루브(21)로 구성되는 한 쌍의 그루브에 설치되는 볼을 제1볼(31)이라고 하고, 제2외측 그루브(12)와 제2내측 그루브(22)로 구성되는 한 쌍의 그루브에 설치되는 볼을 제2볼(32)이라고 정의한다.
볼이 10개가 되는 경우, 제1볼(31)과 제2볼(32)은 각각 5개씩 구성되고, 5개가 하나의 세트 즉, 제1볼 세트, 제2볼 세트를 구성한다.
제1 외측 그루브(11)와 제2외측 그루브(12)는 컵부(10a) 내면에 교번적으로 설치되고, 제1 내측 그루브(21)와 제2 내측 그루브(22)로 내륜(20) 외면에 교번적으로 설치되므로, 제1볼(31)과 제2볼(32)도 외륜(10)과 내륜(20) 사이에서 교번적으로 설치된다.
여기서 조인트 중심을 기준으로 하여 서로 대칭되는 방향의 그루브 쌍은 서로 반대 방향으로 개방되어 서로 반대방향의 퍼넬각을 형성한다. 다만, 서로 반대방향을 향하는 각각의 퍼넬각의 크기는 동일하다.
도2에서 도시한 바와 같이, 여기서 빨간색의 점선은 제1볼(31) 및 제1볼(31)이 수용되어 있는 제1외측 그루브(11) 및 제1 내측 그루브(21)의 중심을 표시한 것이고, 파란색의 점선은 제2볼(32) 및 제2볼(32)이 수용되어 있는 제2외측 그루브(12) 및 제2 내측 그루브(22)의 중심을 표시한 것이다.
도2에서 빨간색 선은 '5개소의 open 트랙 방향 형상'이라고 정의되어 있는데, 이는 조인트 컵부 바깥 방향으로 개방된 5개 쌍의 그루브 형태를 의미하며, 파란색 선은 '5개소의 closed 트랙 방향 형상'이라고 정의되어 있는데, 이는 조인트 컵부 안쪽 방향으로 개방된(바깥 방향에서는 닫혀진) 5개 쌍의 그루브 형태를 의미한다.
빨간색 선의 반대편에는 파란색 선이 위치하는데, 이는 제1내외측 그루브쌍(11, 21)과 제2내외측 그루브 쌍(12, 22)이 서로 대칭방향에 배치됨을 의미한다.
따라서, 이 상태에서 절각이 되면, 서로 대칭되는 방향에 배열되는 볼이 반대 방향을 향하기 때문에, 볼 간의 힘을 상쇄시켜서 그루브 구조 내에서 조인트가 갖는 백래쉬 현상을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
한편, 이러한 구조는 볼의 수 또는 외측 그루브의 수 또는 내측 그루브의 수를 2로 나눈 숫자가 홀수가 되는 구조에서 가능하다. 즉, 10개의 볼(또는 외측그루브, 또는 내측 그루브)를 2로 나누면 홀수인 5가 된다.
그 상태에서 복수의 내측 그루브 및 복수의 외측 그루브 중 어느 한 쌍이 외륜의 바깥방향을 향하여 퍼넬각을 형성하는 경우(바깥 방향을 향하여 개방되는 경우), 그 쌍의 양 옆에 배치되는 내측 그루브 및 외측 그루브의 쌍은 안쪽을 향하여 퍼넬각을 형성한다(안쪽을 향하여 개방된다).
또는 복수의 내측 그루브 및 복수의 외측 그루브 중 어느 한 쌍이 외륜의 안쪽 방향을 향하여 퍼넬각을 형성하는 경우(안쪽으로 개방되는 경우), 그 쌍의 양 옆에 배치되는 내측 그루브 및 외측 그루브의 쌍은 바깥쪽을 향하여 퍼넬각을 형성한다(바깥쪽을 향하여 개방된다).
예를 들어, 도2에서 상단 중심부에 있는 제1외측 그루브(11) 및 제1내측 그루브(21)의 양 옆에는 각각 제2외측 그루브(12) 및 제2내측 그루브(22)가 배치된다.
또한, 하단 중심부에 있는 제2외측 그루브(12) 및 제2내측 그루브(22)의 양 옆에는 각각 제1외측 그루브(11) 및 제1내측 그루브(21)가 배치된다.
도3에서 제1외측 그루브(11)와 제1 내측 그루브(21)가 형성하는 볼 트랙 공간은 컵 부(10a)의 바깥쪽 방향으로 갈 수록 개방되어 있는 공간을 형성한다.
제1볼(31)은 제1 외측 그루브(11)와 제1 내측 그루브(21)와 접해져 있는데, 이 때, 제1볼(31)이 제1외측 그루브(11)와의 접선과, 제1볼(31)과 제1 내측 그루브의 접선(21)은 컵부(10a) 내측 방향으로 모아져서 제1퍼넬각(θfunnel_1)을 형성한다.
조인트가 절각되면, 제1볼(31)은 제1외측 그루브(11)와 제1 내측 그루브(21)에 의하여 가압되어 컵부(10a)의 외측 방향(빨간색 두꺼운 화살표 Fa)으로 힘을 받으며, 제1볼(31)은 케이지(40)의 외측부로 힘을 가한다.
케이지(40)에서 실제 힘을 받는 부분은 케이지(40)의 외측 단부와 윈도우 사이의 바깥살(42) 부분이다.
한편 제2외측 그루브(12)와 제2 내측 그루브(22)가 형성하는 볼 트랙 공간은 컵 부의 안쪽 방향으로 갈수록 개방되어 있는 공간을 형성한다.
제2볼(32)은 제2 외측 그루브(12)와 제2 내측 그루브(22)와 접해져 있는데, 이때, 제2볼(32)이 제2외측 그루브(12)와의 접선과, 제2볼(32)과 제2 내측 그루브(22)의 접선은 컵부(10a) 외측 방향으로 모아져서 제2퍼넬각(θfunnel_2)을 형성한다.
조인트가 절각되면, 제2볼(32)은 제2외측 그루브(12)와 제2 내측 그루브(22)에 의하여 가압되어 컵부(10a)의 내측 방향으로 힘을 받으며, 제2볼(32)은 케이지(40)의 내측부로 힘을 가한다(파란색 두꺼운 화살표 Fa).
케이지(40)에서 실제 힘을 받는 부분은 케이지(40)의 내측 단부와 윈도우 사이의 안쪽살(43) 부분이다.
제1퍼넬각(θfunnel_1)과 제2퍼넬각(θfunnel_2)의 크기는 동일하다.
여기서 보면 서로 대향되는 반대 위치에서 서로 반대 방향으로 힘이 가해져서 상쇄되므로 어느 한쪽을 힘이 쏠려서 발생하는 백래시 현상이나 편심 또는 편중 현상이 억제될 수 있다.
한편, 도3에서 도시한 바와 같이, 제1볼(31)의 중심점에 의하여 구현되는 가상의 등속 평면의 회전 중심점(O)의 수평 좌표와, 제1 외측 그루브(11)의 회동 중심(P1)의 수평 좌표 간에 수평 오프셋(t1)이 형성된다.
또한, 제1볼(31)의 중심점에 의하여 구현되는 가상의 등속 평면의 회전 중심점(O)의 수직 좌표와, 제1 외측 그루브(11)의 회동 중심(P1)의 수직 좌표 간에 수직 오프셋(a1)이 형성된다.
이하에서 언급하는 외측 그루브 또는 내측 그루브의 회전 중심점이란, 밀링머신으로 그루브를 곡면 형태로 가공하는 경우에, 외륜과 내륜의 모재가 되는 재료의 회전 중심이 되는 것을 의미한다.
따라서, 회전 중심점은 그루브의 곡면 가공을 위한 외륜 및 내륜 재료의 회전 중심점을 의미한다고 볼 수 있다.
같은 외측 그루브라고 하여도, 컵부(10a)의 바깥쪽을 향하여 열린 제1 외측 그루브(11)와, 안쪽을 향하여 열린 제2외측 그루브(12)를 곡면 가공하기 위한 재료들의 회전 중심이 달라질 것이고, 또한, 제1,2내측 그루브(21,22)를 각각 곡면 가공하기 위한 재료들의 회전 중심점이 달라진다.
한편, 제1볼(31)의 중심점에 의하여 구현되는 가상의 등속 평면의 회전 중심점(O)의 수평 좌표와, 제1 내측 그루브(21)의 회동 중심(P2)의 수평 좌표 간의 수평 오프셋(t1)이 형성된다.
또한, 제1볼(31)의 중심점에 의하여 구현되는 가상의 등속 평면의 회전 중심점(O)의 수직 좌표와, 제1 내측 그루브(21)의 회동 중심(P2)의 수직 좌표 간에 수직 오프셋(a1)이 형성된다.
여기서 두 개의 t1은 모두 같은 값을 가지며, 이를 제1 수평 오프셋(t1)이라고 한다. 또한 두 개의 a1값은 같은 값을 가지며, 이를 제1수직 오프셋(a1)이라고 한다.
이를 다른 방식으로 표현하면, 외륜(10)의 바깥방향으로 제1퍼넬각(θfunnel_1)을 형성하는 제1외측 그루브(11)의 센터 또는 중심점(P1)은 조인트의 센터(O)를 기준으로 하여 맞은편 제2외측 그루브(12) 방향으로 소정 길이만큼 멀어진 수직 오프셋(a1) 및 조인트 센터(O)보다 외륜(10)의 바깥방향으로 소정 길이만큼 형성된 수평 오프셋(t1)을 갖고, 외륜(10)의 바깥방향으로 제1퍼넬각(θfunnel_1)을 형성하는 제1내측 그루브(21)의 센터 또는 중심점(P2)는 조인트의 센터(O)를 기준으로 하여 맞은편 제2 내측 그루브(22) 방향으로 소정 길이만큼 멀어진 수직 오프셋(a1) 및 조인트 센터보(O)다 외륜(10)의 안쪽방향으로 소정 길이만큼 형성된 수평 오프셋(t1)을 갖는다.
다만, 여기서 수직 오프셋(a1)은 0이 될 수 도 있다. 이 경우, P1과 P2는 회전 중심선(C1) 상에 위치한다.
한편, 제2볼(32)의 중심점에 의하여 구현되는 가상의 등속 평면의 회전 중심점(O)의 수평 좌표와, 제2 외측 그루브(12)의 회동 중심(P3)의 수평 좌표 간에 수평 오프셋(t2)이 형성된다.
또한, 제2볼(32)의 중심점에 의하여 구현되는 가상의 등속 평면의 회전 중심점(O)의 수직 좌표와, 제2 외측 그루브(12)의 회동 중심(P3)의 수직 좌표 간에 수직 오프셋(a2)이 형성된다.
한편, 제2볼(32)의 중심점에 의하여 구현되는 가상의 등속 평면의 회전 중심점(O)의 수평 좌표와, 제2 내측 그루브(22)의 회동 중심(P4)의 수평 좌표 간의 수평 오프셋(t1)이 형성된다.
또한, 제2볼(32)의 중심점에 의하여 구현되는 가상의 등속 평면의 회전 중심점(O)의 수직 좌표와, 제2 내측 그루브(22)의 회동 중심(P4)의 수직 좌표 간에 수직 오프셋(a2)이 형성된다.
다만, 여기서 수직 오프셋(a2)은 0이 될 수 도 있다. 이 경우, P3과 P4는 회전 중심선(C1) 상에 위치한다.
여기서 두 개의 t2은 모두 같은 값을 가지며, 이를 제2 수평 오프셋(t2)이라고 한다. 또한 두 개의 a2값은 같은 값을 가지며, 이를 제2수직 오프셋(a2)이라고 한다.
이를 다른 방식으로 표현하면, 외륜의 안쪽방향으로 제2퍼넬각(θfunnel_2)을 형성하는 제2외측 그루브(12)의 센터 또는 중심점(P3)는 조인트의 센터(O)를 기준으로 하여 맞은편 제1외측 그루브(11) 방향으로 소정 길이만큼 멀어진 수직 오프셋(a2) 및 조인트 센터(O)보다 외륜(10)의 안쪽방향으로 소정 길이만큼 형성된 수평 오프셋(t2)을 갖고, 외륜(10)의 안쪽방향으로 제2퍼넬각(θfunnel_2)을 형성하는 제2내측 그루브(22)의 센터(P4)는 조인트의 센터(O)를 기준으로 하여 맞은편 제1내측 그루브(21) 방향으로 소정 길이만큼 멀어진 수직 오프셋(a2) 및 조인트 센터(O)보다 외륜(10)의 바깥방향으로 소정 길이만큼 형성된 수평 오프셋(t2)을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제1외측 그루브(11)는 가상의 회전 중심점(O)를 기준으로 하여 제2외측 그루브(12)와 대각 대칭을 이룬다. 즉, 제1외측 그루브(11)의 바깥 방향과, 제2외측 그루브(12)의 안쪽 방향이 대칭을 이루고, 제1외측 그루브(11)의 안쪽 방향과, 제2외측 그루브(12)의 바깥쪽 방향이 대칭을 이룬다.
이러한 구조가 가능할 수 있도록 a1는 a2와 동일하고, t1은 t2와 동일하다.
그리고, 본 발명에서 제1내측 그루브(21)는 가상의 회전 중심점(O)를 기준으로 하여 제2내측 그루브(22)와도 대각 대칭을 이룬다. 즉, 제1내측 그루브(21)의 바깥 방향과, 제2내측 그루브(22)의 안쪽 방향이 대칭을 이루고, 제1내측 그루브(21)의 안쪽 방향과, 제2내측 그루브(22)의 바깥쪽 방향이 대칭을 이룬다.
그리고, 제1볼(31)과 제2볼(32)의 크기는 서로 동일하다.
이는 힘의 대각방향에서 힘의 대칭 또는 상쇄가 이루어지기 위해서 반드시 필요하다.
그리고, 이러한 구조에서는 회전축(2)의 회전 중심선(C1)기준으로 하여, P1과 P4 위치가 상하 대칭을 이루고, P2와 P4 위치가 상하 대칭을 이루며, 절각이 없는 상태에서의 회전 중심점(O)과 제1볼(31) 및 제2볼(32)의 중심을 지나는 수직선(C2)를 기준으로 하여, P3와 P4 위치가 전후 방향으로 대칭을 이루고, P1과 P2 위치가 전후방향으로 대칭을 이룬다.
이와 같이 각각의 그루브의 회전 중심점이 등속 평면과 같은 수직 위치에 놓여 있지 않고, 수평 및 수직 방향으로 오프셋이 되면, 그 오프셋 양 만큼 그루브와 회전 중심점이 놓인 회전중심선 간의 간격이 줄어들고, 그 만큼 외륜과 내륜의 크기도 줄어들 수 있음을 의미한다.
따라서, 조인트의 전체적인 크기를 줄일 수 있음을 의미한다.
이러한 본 발명에 의하면, 볼의 수량 및 아우터/내측 그루브의 수를 2로 나누었을 때, 홀수가 될 경우는 중심축을 기준으로 비대칭 구조를 가지게 된다. (10개 / 2 = 5 또는 14개 / 2 = 7 → 비대칭 트랙 구조)
이에 의하여 케이지(40)에 작용되는 힘의 분포가 대칭 구조보다 조인트의 토크를 감안한 PCD기준에서 볼 때 볼 수가 증가되면서 볼의 외경과 조인트의 외경이 작아짐으로 케이지(40)에 작용하는 힘을 더 많이 상쇄시키며, 경량화 측면에 장점이 있다.
이러한 구조에 Double Offset구조(수평오프셋, 수직 오프셋)를 적용하면 PCD 증대 효과로 케이지에 작용하는 힘을 더 줄일 수 있으며, 또한 Double Opposed Offset(오프셋이 서로 대칭되는 구조)을 적용할 경우에는 케이지(40)에 상쇄되는 힘의 구조를 컵부(10a) 내측으로 많이 유도하여 마치 케이지(40)의 살두께를 증대시키는 것과 같은 효과가 있어서 케이지(40)의 파단 강도를 향상 시킬 수 있다.
또한, 케이지에 작용하는 편측 방향의 힘을 없앨 수 있도록 트랙(그루브)구조를 비대칭화하여 내/외측으로 교차시킴으로서 케이지(40)와 내외륜과의 접촉열 발생을 줄여 조인트 효율을 증대 및 케이지 강도 향상을 시킬 수 있다.
한편, 위에서 설명한 것을 부연하면, 볼 수량을 증대시키면서 볼 사이즈를 줄일 수 있으므로 내/외륜의 PCD를 컴팩트하게 설계가 가능하다. 이는 조인트 외경을 기존의 범용 조인트보다 줄일 수 있는 설계가 가능하므로 동등 전달능력을 가지는 조인트 대비 중량 축소가 가능하다.
이러한 조인트를 차량에 장착시 중량 절감 및 효율 증대가 가능하여 경쟁력 확보가 가능하다.
그리고 본 발명의 조인트를 구성하는 볼 구성 숫자를 2로 나누었을때의 비대칭 구조에서는 대칭 구조의 케이지보다 볼(ball) 수가 많으므로, 케이지에 작용하는 힘을 더 많이 분산 시킬수 있다. 더불어 볼의 힘을 상쇄시킴으로서 그루브 구조에서 조인트가 가지는 백래쉬를 구조적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 도4을 참고하여 본 발명의 동작에 대해서 알아보도록 하겠다.
도8에서 도시한 바와 같이, 절각이 되면, 제1볼(31)은 제1외측 그루브(11)와 제1내측 그루브(21)에 의하여 가압되어 외륜(10)의 외측 방향을 향하고(빨간색 화살 표 방향), 이에 따라서 케이지(40)의 바깥 살을 가압한다.
반면, 제2볼(32)은 제2외측 그루브(12)와 제2 내측 그루브(22)에 의하여 가압되어 외륜(10)의 내측 방향을 향하고, 이에 따라서 케이지(40)의 안쪽 살을 가압한다.
여기서 제1볼(31)에 가해지는 힘(F out)과 제2볼(32)에 가해지는 힘(F in)의 크기는 동일하되, 그 방향은 반대 방향을 이룬다. 여기서 T input은 축(2)를 통하여 입력되는 입력 토크를 의미하고, T output은 외륜(10)을 통하여 출력되는 출력 토크를 의미한다.
한편, 제1볼(31) 세트에 의하여 이루어지는 등속평면원(PCD)의 크기는, 제2볼(32)세트에 의하여 이루어지는 등속 평면원(PCD)의 크기와 동일하다.
이는 상술한 바와 같이 제2수평 오프셋(t2)이 제1수평 오프셋(t1)과 크기가 동일하고, 제2수직 오프셋(a2)가 제1수직 오프셋(a1)과 크기가 동일하기 때문이다.
따라서, 절각 상태에서 입력 토크(T input)가 가해지면, 도5(a) 내지 도5(c)와 같이 제1볼(31) 세트가 바깥 살(42)에 가하는 힘과 제2볼(32) 세트가 케이지(40)의 안쪽 살(43)에 가하는 힘이 동일해 지는 것이다.
그리고 도5(a) 내지 도5(c)에서 도시한 바와 같이, 빨간색 화살표로 표시된 바깥쪽으로 가해지는 힘(F out)의 발생 영역과, 파란색 화살표로 표시된 안쪽으로 가해지는 힘(F in)의 발생 영역이 케이지에서 좌우로 서로 교번적으로 위치하되, 중심을 기준으로 상호 대칭되게 형성되므로, 케이지에 가해지는 힘의 분포가 균등해지고, 힘이 서로 상쇄되며, 백래쉬가 억제됨으로서, 토크 전달 효율이 개선될 수 있다.
이상과 같이 본 발명을 도면에 도시한 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 발명의 상세한 설명으로부터 다양한 변형 또는 균등한 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 권리범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 한다
10:외륜 10a: 컵부
11: 제1외측 그루브 12: 제2외측 그루브
21: 제1내측 그루브 22: 제2내측 그루브
31: 제1볼 32: 제2볼
40: 케이지 41: 윈도우

Claims (10)

  1. 복수의 외측 그루브가 형성되는 외륜과;
    복수의 내측 그루브가 형성되는 내륜과;
    내륜과 외륜 사이에 배치되는 복수의 볼과;
    외륜과 내륜 사이에 배치되며 볼이 삽입되는 케이지를 포함하되,
    복수의 내측 그루브 및 복수 외측 그루브 중 절반의 쌍은 외륜의 바깥방향을 향하여 퍼넬각이 형성되고,
    복수의 내측 그루브 및 복수의 외측 그루브 중 나머지 절반의 쌍은 외륜의 안쪽 방향을 향하여 퍼넬각이 형성되되,
    서로 대칭되는 방향의 그루브의 쌍은 서로 반대 방향의 퍼넬각을 형성하되,
    외륜의 바깥방향으로 퍼넬각을 형성하는 외측 그루브의 센터는 조인트의 센터를 기준으로 하여 조인트 센터보다 외륜의 바깥방향으로 소정 길이만큼 형성된 제1수평 오프셋을 갖고,
    외륜의 바깥방향으로 퍼넬각을 형성하는 내측 그루브의 센터는 조인트의 센터를 기준으로 하여 조인트 센터보다 외륜의 안쪽방향으로 소정 길이만큼 형성된 제1수평 오프셋을 가지며,
    외륜의 바깥방향으로 퍼넬각을 형성하는 외측 그루브의 센터는 조인트의 센터를 기준으로 하여 맞은편 외측 그루브 방향으로 소정 길이만큼 멀어진 제1수직 오프셋을 갖고,
    외륜의 바깥방향으로 퍼넬각을 형성하는 내측 그루브의 센터는 조인트의 센터를 기준으로 하여 맞은편 내측 그루브 방향으로 소정 길이만큼 멀어진 제1수직 오프셋을 가지며,
    외륜의 안쪽방향으로 퍼넬각을 형성하는 외측 그루브의 센터는 조인트의 센터를 기준으로 하여 조인트 센터보다 외륜의 안쪽방향으로 소정 길이만큼 형성된 제2수평 오프셋을 갖고,
    외륜의 안쪽방향으로 퍼넬각을 형성하는 내측 그루브의 센터는 조인트의 센터를 기준으로 하여 조인트 센터보다 외륜의 바깥방향으로 소정 길이만큼 형성된 제2수평 오프셋을 가지며,
    외륜의 안쪽방향으로 퍼넬각을 형성하는 외측 그루브의 센터는 조인트의 센터를 기준으로 하여 맞은편 외측 그루브 방향으로 소정 길이만큼 멀어진 제2수직 오프셋을 갖고,
    외륜의 안쪽방향으로 퍼넬각을 형성하는 내측 그루브의 센터는 조인트의 센터를 기준으로 하여 맞은편 내측 그루브 방향으로 길이만큼 멀어진 제2수직 오프셋을 갖되,
    제1수평 오프셋과 제2수평 오프셋은 동일한 값을 갖고,
    제1수직 오프셋과 제2수직 오프셋도 동일한 값을 갖는 것을 특징으로 하는 등속 조인트.
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 내측 그루브 및 복수의 외측 그루브 중 어느 한 쌍이 외륜의 바깥방향을 향하여 퍼넬각을 형성하는 경우,
    그 쌍의 양 옆에 배치되는 내측 그루브 및 외측 그루브의 쌍은 안쪽을 향하여 퍼넬각을 형성하는 것을 특징으로 하는 등속 조인트.
  3. 제1항에 있어서,
    복수의 내측 그루브 및 복수의 외측 그루브 중 어느 한 쌍이 외륜의 안쪽 방향을 향하여 퍼넬각을 형성하는 경우,
    그 쌍의 양 옆에 배치되는 내측 그루브 및 외측 그루브의 쌍은 바깥쪽을 향하여 퍼넬각을 형성하는 것을 특징으로 하는 등속 조인트.
  4. 제1항에 있어서,
    상호 이웃하는 내측 그루브 및 외측 그루브의 쌍은 상호 반대 방향의 퍼넬각을 형성하는 것을 특징으로 하는 등속 조인트.
  5. 제1항에 있어서,
    복수의 내측 그루브 또는 복수의 외측 그루브의 수량을 절반으로 나눈 숫자가 홀수 인것을 특징으로 하는 등속 조인트.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    조인트 절각시 볼 및 케이지의 윈도우에 가해지는 힘의 방향은, 서로 이웃한 볼 또는 케이지에 대해서 서로 반대 방향으로 향하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 등속 조인트.

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