KR102432127B1 - 액티브 코어 전동기용 마찰 끼워 맞춤 핀들을 갖는 차동장치 - Google Patents

액티브 코어 전동기용 마찰 끼워 맞춤 핀들을 갖는 차동장치 Download PDF

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Abstract

차동 어셈블리의 전동기의 중공 로터 내에의 일체화를 간단히 하는 기어 어셈블리가 제공된다. 기어 어셈블리는, 중앙 부분 및 기어들이 장착되는 복수의 중공 연장 부재들을 포함하는 중공 크로스 부재를 이용한다. 중공 연장 부재들의 각각 내에 핀이 있다. 핀들이 인출될 경우, 어셈블리는 중공 로터 내에 방해받지 않고 끼워 맞춰진다. 핀들이 대응하는 연장 부재들 밖으로 연장될 경우, 핀들의 단부들은 로터 내의 어퍼쳐들 내에 끼워 맞춰진다. 플러그는 중공 크로스 부재의 중앙 부분의 중앙에 위치된 스루홀 내에 끼워 맞춰지고, 이에 의해 핀들을 연장된 위치에 로킹하고 기어 어셈블리를 제자리에 로킹한다.

Description

액티브 코어 전동기용 마찰 끼워 맞춤 핀들을 갖는 차동장치{DIFFERENTIAL WITH FRICTION FIT PINS FOR AN ACTIVE CORE ELECTRIC MOTOR}
본 발명은 일반적으로 전동기에 관한 것이고, 특히 액티브 코어 전동기에서의 사용을 위한 분리 가능한 차동 어셈블리에 관한 것이다.
계속 상승하는 연료 가격 및 지구 온난화의 심각한 결과에 의해 내몰린 소비자들의 요구에 응답하여, 자동차 산업은 서서히 초저 배출, 고효율 자동차에 대한 필요성을 받아들이기 시작하고 있다. 산업 내의 일부분에서는 보다 효율적인 내연 기관을 엔지니어링함으로써 이들 목적들을 달성하는 것을 시도하고 있는 한편, 다른 부분에서는 하이브리드 또는 순수 전기 구동트레인들을 그들의 차량 라인업들 내로 통합하고 있다. 그러나, 소비자 기대에 부응하기 위해, 자동차 산업은 친환경 구동트레인을 달성할 뿐만 아니라, 그렇게 하면서 합리적 수준의 성능, 범위, 신뢰성, 안전 및 비용을 유지해야 한다.
저배출, 고효율 자동차를 달성하는 가장 일반적인 접근법은, 내연 기관(ICE)이 하나 이상의 전동기와 조합되는 하이브리드 구동트레인의 사용을 통하는 것이다. 하이브리드 차량들은 종래의 ICE 기반 차량보다 개선된 연비 및 낮은 차량 배출량을 제공하는 한편, 그들의 내연 기관의 포함으로 인해, 종래의 차량에 비해 감소된 레벨이지만 여전히 유해한 오염물을 방출한다. 추가적으로, 그 부속 배터리 팩과 함께 내연 기관 및 전동기(들)의 포함으로 인해, 하이브리드 차량의 구동트레인은 전형적으로 종래의 ICE 기반 차량 또는 순수 전기 차량의 어느 것보다도 더 복잡하여, 비용 및 중량이 증가하게 된다. 따라서, 복수의 차량 제조사들은 전동기만을 이용하는 차량들을 설계하고 있고, 이에 의해 하나의 오염원을 제거하면서 구동트레인 복잡성을 크게 줄이고 있다.
다양한 하이브리드 및 순수 전기 차량들이 공지되어 있지만, 탑승자들, 화물, 및 다른 차량 컴포넌트들/액세서리에 대한 이용 가능한 공간을 증가시키도록 감소된 엔벨로프 내에 끼워 맞춰지는 높은 파워 밀도 파워트레인이 요구된다. 감소된 파워트레인 엔벨로프를 달성하는 하나의 방법은 유성-차동-유성 구성을 이용하여 트랙션 모터를 구동 휠 축들과 동축으로 정렬하는 것이다. 이러한 설계에서, 차동장치는 전동기의 로터 내에 일체화될 수 있고, 이 구성은 일반적으로 액티브 코어 모터라고 한다. 이 접근법은 콤팩트한 파워트레인 어셈블리의 달성을 가능하게 하지만, 내부에 장착된 차동장치의 내구성 및 서비스능력은 이러한 어셈블리를 이용하는 전기 차량(EV)의 성능 및 신뢰성 모두에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 본 발명은 내구성 있고 쉽게 액세스 가능한/서비스 가능한 액티브 코어 모터용 차동 어셈블리를 제공한다.
본 발명은 전동기의 중공 로터 내에의 일체화를 위해 구성되는 기어 어셈블리를 제공한다. 기어 어셈블리는 중공 크로스 부재, 복수의 기어들, 및 복수의 핀들을 포함한다. 어셈블리의 중공 크로스 부재는 중앙 바디 부분, 중앙 바디 부분 내의 중앙 바디 스루홀, 및 중앙 바디 부분으로부터 외측으로 연장되는 복수의 중공 연장 부재들을 포함하고, 각각의 중공 연장 부재는 중앙에 위치된 스루홀과 유체 연통한다. 바람직하게는 중공 연장 부재들은, 중공 크로스 부재의 중앙 바디 부분을 중심으로 균일하게 이격된 4개의 중공 연장 부재들로 구성된다. 복수의 기어들이 복수의 중공 연장 부재들 상에 장착되도록 구성된다. 복수의 핀들의 각각은 대응하는 중공 연장 부재 내에서 슬라이딩하도록 구성되고 제1의 인출 위치와 제2의 연장 위치 사이에서 위치 가능하다. 핀들이 연장될 경우, 각각의 핀의 제1 단부는 중공 로터의 대응하는 어퍼쳐 내에 끼워 맞춰지고 중앙에 위치된 스루홀은 로터 축선과 동축으로 정렬된다. 핀들이 인출될 경우, 중공 크로스 부재는 중공 로터 내에 방해받지 않고 끼워 맞춰진다. 핀들의 각각이 제2의 연장 위치에 있을 경우, 플러그 부재가 중앙 바디 스루홀 내에 끼워 맞춰지도록 구성될 수 있다. 플러그 부재는 스루홀을 포함할 수 있고, 플러그 부재가 중공 크로스 부재의 중앙 바디 부분의 중앙 바디 스루홀 내에 장착될 경우, 플러그 부재 스루홀은 로터 축선과 동축으로 정렬될 수 있다.
일 태양에서, 중공 크로스 부재의 중앙 바디 부분의 중앙 바디 스루홀을 향해 내향으로 되는 각각의 핀의 제2 단부가 테이퍼질 수 있다.
다른 태양에서, 기어 어셈블리는 복수의 스프링 부재들(예를 들면, 베벨 스프링들)을 포함할 수 있다. 이들 스프링 부재들은 기어들의 각각과 중공 크로스 부재의 중앙 바디 부분의 대응하는 면 사이에 개재된다.
다른 태양에서, 기어 어셈블리는 복수의 와셔들(예를 들면, 마찰 와셔들)을 포함할 수 있고, 그 각각은 대응하는 중공 연장 부재의 단부에 장착된다. 결과적으로, 기어들이 중공 크로스 부재에 장착될 경우, 기어들의 각각은 와셔들 중 하나와 중공 크로스 부재의 중앙 바디 부분 사이에 개재된다. 중공 연장 부재들의 각각의 단부는, 대응하는 와셔 상의 상보적인 피쳐 내에 끼워 맞춰지는 적어도 하나의 회전 방지 탭을 포함할 수 있고, 회전 방지 탭은 와셔가 회전하는 것을 방지한다.
본 발명의 특성 및 이점들의 추가 이해는 명세서 및 도면의 나머지 부분들에 대한 참조에 의해 실현될 수 있다.
첨부 도면은 본 발명의 범위의 제한이 아닌 단지 예시를 의도하는 것이고 축척으로 되어 있는 것은 아님을 이해해야 한다. 추가적으로, 서로 다른 도면 상의 동일한 참조 부호는 동일한 컴포넌트 또는 유사한 기능의 컴포넌트를 지시하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 차동 어셈블리를 통합하는 파워트레인 어셈블리의 단면도.
도 2는 중공 로터 샤프트 내에 장착된 본 발명의 차동 기어 어셈블리의 상세한 단면도.
도 3은 도 2에 나타난 어셈블리의 사시 단면도.
도 4는 도 1-3에 나타난 차동 기어 어셈블리의 일부의 사시 정면도이고, 이 도면은 제자리에서의 기어들 중 2개 및 반경 방향 핀들 중 3개만을 나타냄.
도 5는 도 1-3에 나타난 차동 기어 어셈블리의 일부의 사시 후면도이고, 이 도면은 제자리에서의 기어들 중 2개 및 반경 방향 핀들 중 3개만을 나타냄.
도 6은 도 5에 나타난 어셈블리의 단면도이고, 이 도면은 도 2에 나타난 단면도와 직교함.
도 7은 도 1-6에 나타난 차동 기어 어셈블리의 사시 단면도이고, 이 도면은 제자리에서의 모두 4개의 기어들을 나타내고 모두 4개의 반경 방향 핀들은 제거되어 있음을 나타냄.
본원에서 사용하는 단수 형태("a", "an" 및 "the")는, 문맥상 달리 명확히 지시하지 않는다면, 복수 형태도 포함하는 것을 의도한다. 본원에서 사용하는 용어 "구비한다", "구비하는", "포함한다", 및/또는 "포함하는"은 언급된 특징들, 정수들, 스텝들, 동작들, 요소들, 및/또는 컴포넌트들의 존재를 명시하지만, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 스텝들, 동작들, 요소들, 컴포넌트들, 및/또는 그 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본원에서 사용하는 용어 "및/또는" 및 심볼 "/"는, 연관되는 열거된 항목들 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합들을 포함하는 것을 의미한다. 추가적으로, 다양한 스텝들 또는 계산들을 설명하는데 용어 제1, 제2 등이 본원에서 사용될 수 있지만, 이들 스텝들 또는 계산들은 이들 용어들에 의해 제한되어서는 안 되며, 이들 용어들은 단지 하나의 스텝 또는 계산을 또 다른 것으로부터 구별하기 위해 사용된다. 예를 들면, 모두 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고, 제1 계산을 제2 계산이라 할 수 있고; 마찬가지로 제1 스텝을 제2 스텝이라 할 수 있고; 마찬가지로 제1 컴포넌트를 제2 컴포넌트라 할 수 있다.
도 1은, 중공 로터 샤프트(103) 내에 차동 기어 어셈블리(101)를 포함하는 파워트레인 어셈블리(100)의 단면도를 제공하고, 차동 어셈블리(101)는 본 발명에 따라 설계된다. 액티브 코어 구성을 이용하는 파워트레인 어셈블리(100)는, 유성 어셈블리(105), 차동 기어 어셈블리(101), 및 유성 어셈블리(107)가 동축으로 정렬되고, 이에 의해 상대적으로 짧은 폭(109)을 갖는 파워트레인을 생성하도록 배치되고, 폭(109)은 2개의 등속(즉, CV) 조인트 하우징 부재들의 바닥면들(111)간에서 측정된다.
본 발명에 의해 필수적인 것은 아니지만, 예시된 어셈블리에서 중공 로터 샤프트(103)는 로터 적층 스택에 직접 연결되고, 이에 의해 전기 차량(EV)에서의 사용에 적절한 고속 모터 비율 구성을 달성한다. 예시된 실시형태에서, 적층 스택은 4개의 라미네이션 팩 층들(113A-113D)로 구성된다. 이 라미네이션 스택 구성은 본 발명에 의해 필수적인 것은 아님을 이해해야 한다. 스테이터(115)는 로터 라미네이션 스택을 둘러싼다. 이 도면에서 스테이터의 양 단부로부터 연장되는 스테이터 권선(117)을 볼 수 있다.
이하 구체적으로 설명되는 바와 같이, 본 발명은 전동기의 로터 내에 장착되도록 구성되는 분리 가능한 차동 기어 어셈블리(101)를 제공한다. 출력 구동 샤프트들(119)은 기어들(121)을 이용하여 차동 어셈블리(101)에 연결된다.
도 2는 로터 샤프트(103) 내에 장착된 차동 기어 어셈블리(101)의 상세한 단면도를 제공한다. 도 3은 도 2에 나타난 어셈블리의 사시 단면도를 제공한다. 도 4 및 5는 기어 어셈블리(101)의 일부의 사시 정면도 및 후면도를 각각 제공하고, 이들 도면은 제자리에서의 기어들 중 2개 및 반경 방향 핀들 중 3개만을 나타낸다. 도 6은 도 5에 나타난 어셈블리의 단면도이다. 도 6에 나타난 단면도는 도 2에 나타난 단면도에 직교한다. 도 7은 제자리에서의 모두 4개의 기어들을 갖고 모두 4개의 반경 방향 핀들이 제거된 어셈블리의 사시 단면도(101)를 제공한다.
어셈블리(101)의 주요 컴포넌트는 중공 크로스 부재(601)이고, 도 6 및 7에 최선으로 나타나 있다. 크로스 부재(601)의 중앙 바디는 스루홀(603)을 포함한다. 바람직하게는 스루홀(603)은, 도시된 바와 같이, 원통형으로 형성되고, 보다 바람직하게는 스루홀(603)은 원통형으로 형성되며 로터 축선(201)과 동축이다. 바람직한 실시형태에서, 스루홀(603)과 상보적인 형상을 갖는 플러그(203)가 크로스 부재(601)의 스루홀(603) 내에 끼워 맞춰지도록 구성된다. 바람직하게는 플러그(203)는 스루홀(205)을 포함한다. 바람직하게는 로터 축선(201)뿐만 아니라 플러그(203)의 원통 축선과 동축인 스루홀(205)은, 차동 어셈블리의 일측으로부터 다른 측으로, 예를 들면 출력 구동 샤프트들(119)간에서 유체가 쉽게 흐르게 한다. 전형적으로 적절한 기어 오일이 스루홀(205)을 통해 흐르고, 이 오일은 차동 어셈블리뿐만 아니라 파워트레인 내의 다른 컴포넌트들을 윤활시킨다.
다수의 중공 연장부들(207)이 크로스 부재(601)의 바디로부터 외측으로 연장된다. 각각의 중공 연장부(207) 내의 스루홀(605)은 크로스 부재(601)의 중앙 어퍼쳐(603) 내로 연장되고, 그와 유체 연통한다. 각각의 크로스 부재 연장부(207)의 길이(607)는, 차동장치 통합 동안에 크로스 부재(601)가 방해받지 않고 중공 로터(103) 내에 슬라이딩할 수 있는 것을 보장하도록, 선택된다. 바람직한 실시형태에서, 크로스 부재(601)의 바디를 중심으로 균일하게 이격된 4개의 크로스 부재 연장부들(207)이 있다. 그러나, 다른 구성들이 발명자들에 의해 구상됨을 이해해야 한다. 예를 들면, 어셈블리는 크로스 부재(601)의 바디를 중심으로 균일하게 이격된 3개의 중공 연장부들(207)을 이용할 수 있다. 마찬가지로, 어셈블리는 균일하지 않은 이격, 예를 들면 89도, 91도, 89도, 및 91도의 이격을 갖는 4개의 중공 연장부들(207)을 이용할 수 있다.
크로스 부재를 로터 샤프트(103) 내에 설치하기에 앞서, 기어들(209) 및 기어 베어링들(617)이 각각의 크로스 부재 연장부(207) 상에 설치된다. 바람직하게는 기어들(209)은 크기, 형상 및 톱니 수가 동일하다. 도시된 바와 같이, 기어들(209)은 인접한 기어들간에 공간(609)이 있도록 선택되고, 이에 따라 기어들이 동작 중에 서로 간섭하지 않음을 보장한다. 바람직한 실시형태에서, 와셔(예를 들면, 마찰 와셔)(611)가, 기어 조립 후에, 각각의 크로스 부재 연장부(207)의 단부에 위치된다. 각각의 크로스 부재 연장부(207)의 단부면의 일부로부터 연장되는 탭(613)은 와셔(611)의 상보적인 개구(614) 내에 끼워 맞춰지고, 이에 의해 대응하는 기어가 회전할 경우 와셔(611)가 회전하는 것을 방지한다. 적어도 하나의 실시형태에서, 스프링 부재(211)(예를 들면, 베벨 스프링 또는 부싱)가 각각의 기어(209)와 크로스 부재(601)의 대응하는 면(616) 사이에 위치된다.
4개의 핀들(213)이 차동 어셈블리를 중공 로터 샤프트(103)의 내부에 유지한다. 도시된 바와 같이, 핀들(213)은 크로스 부재 연장부들(207) 내에 끼워 맞춰져서, 크로스 부재와 로터 내의 대응하는 스루홀(215) 사이에 연장된다. 결과적으로, 크로스 부재 어셈블리는 로터 내에 로킹된다. 바람직하게는 각각의 핀(213)의 단부 부분(615)이 테이퍼지고, 이에 따라 조립 및 분해 프로세스를 간단히 한다.
차동 어셈블리를 로터 내에 삽입하여 그것을 제자리에 로킹하는 다수의 방법들이 있음이 이해될 것이다. 하나의 접근법에서, 기어들(209) 및 베어링들(617)의 크로스 부재 연장부들(207) 상에의 장착 후(구성에 따라 스프링 부재(211)가 존재하거나 존재하지 않음), 핀들(213)이 크로스 부재 연장부들(207) 내에 위치된다. 이어서 와셔들(611)이 설치된다. 이 조립 단계에서, 플러그(203)는 크로스 부재 어퍼쳐(603) 내에 위치되지 않아, 핀들(213)이 부재(601) 내에 완전히 삽입 가능하게 한다. 완전히 삽입된 경우, 핀들(213)의 단부들은 연장부들(207)의 단부면들을 넘어 연장되지 않는다. 이 상태에서, 차동 어셈블리는 중공 로터 샤프트(103) 내로 삽입될 수 있다. 차동 어셈블리가 로터(103) 내로 삽입되면, 핀들(213)은 로터 내의 대응하는 스루홀들(215)과 정렬된다. 정렬되면, 핀들(213)은 로터 스루홀들(215) 내로 외측으로 푸시된다. 특수 툴이 크로스 부재 스루홀(603) 내로 삽입되어, 핀들(213)이 대응하는 로터 스루홀들(215) 내로 외측으로 푸시될 수 있게 한다. 예시적인 툴은, 핀들에 외측 방향으로 부드럽게 힘을 가하도록 구성된 테이퍼진 선단면을 갖고 원통형으로 형성된다. 또는, 플러그(203)는, 로터 스루홀들(215) 내로 외측으로 핀들에 힘을 가하는데 사용될 수 있다. 핀들(213)은 로터 스루홀들(215) 내에 마찰 끼워 맞춤될 수 있다. 택일적으로 및 바람직하게는, 핀들(213)이 스루홀들(215) 내로 완전히 삽입되었다면, 플러그(203)는 크로스 부재 스루홀(603) 내로 삽입되고, 이에 의해 핀들(213)을 제자리에 로킹한다. 이것은, 적층 스택 또는 다른 컴포넌트가 미리 로터 샤프트 상에 장착되었을 경우, 바람직한 조립 기술이다.
차동-로터 어셈블리를 조립하는 택일적 접근법에서, 크로스 부재 연장부들(207) 상에 스프링 부재들(211)(사용될 경우), 기어들(209), 베어링들(617) 및 와셔들(611)을 장착한 후에, 크로스 부재(601)가 로터 샤프트(103) 내에 위치된다. 이 조립 단계에서, 핀들(213)은 아직 크로스 부재 내로 삽입되지 않았다. 바람직하게는 플러그(203)가 크로스 부재 스루홀(603) 내에 삽입되었지만, 또한 핀들이 크로스 부재 내에 적절히 위치된 후에, 스루홀(603) 내에 삽입될 수 있다. 연장 스루홀들(605)이 로터 스루홀들(215)과 정렬되도록 크로스 부재(601)가 로터 내에 적절히 위치되면, 핀들(213)은 로터 스루홀들(215)을 통해 크로스 부재 연장부들(207) 내로 푸시된다. 전술한 바와 같이, 플러그(203)가 미리 크로스 부재 스루홀(603) 내에 삽입되지 않았다면, 바람직하게는 조립 프로세스의 이 시점에 삽입된다. 핀들이 적절히 위치되면, 적층 스택, 또는 다른 컴포넌트가 로터 샤프트 상에 장착되고, 이에 의해 핀들이 어셈블리로부터 빠지는 것을 방지한다.
필수인 것은 아니지만, 본 발명의 적어도 하나의 실시형태에서 각각의 핀(213)의 단부 부분(615)은 도 2 및 3에서 보는 바와 같이, 작은 어퍼쳐(217)를 포함한다. 어퍼쳐(217)는 툴을 사용 가능하게 하여, 로터로부터 적층 스택 또는 다른 컴포넌트를 제거하지 않고, 핀들을 크로스 부재(601) 내로 쉽게 인출하는데 사용된다. 따라서, 차동 어셈블리가 메인터넌스를 요할 경우, 로터 어셈블리를 완전히 분해하지 않고 로터로부터 제거될 수 있다.
시스템 및 방법은 본 발명의 세부사항의 이해를 돕도록 일반적인 용어로 설명되었다. 일부 예에서, 주지의 구조들, 재료들, 및/또는 동작들은, 본 발명의 태양들을 모호하게 하는 것을 피하기 위해, 구체적으로 나타내거나 구체적으로 설명되지 않았다. 다른 예에서, 특정 세부사항이 본 발명의 철저한 이해를 제공하기 위해 주어졌다. 당업자는, 사상 또는 그 본질적 특징에서 벗어나지 않고, 본 발명이, 예를 들면 특정 시스템 또는 장치 또는 상황 또는 재료 또는 컴포넌트에 적응되게 다른 특정 형태로 구현될 수 있음을 인식할 것이다. 따라서 본원에서의 발명들 및 기재들은 제한이 아닌 본 발명의 범주의 예시를 의도한다.

Claims (6)

  1. 중공 로터 샤프트(103); 및
    상기 중공 로터 샤프트(103) 내에 장착된 차동 기어 어셈블리(101)를 포함하고,
    상기 차동 기어 어셈블리(101)는,
    제1 스루홀(603)을 갖는 중공 크로스 부재(601) ― 상기 제1 스루홀(603)은 상기 중공 로터 샤프트(103)와 동축임 ― ;
    상기 중공 크로스 부재(601)의 바디로부터 외측으로 연장되는 중공 연장부들(207) ― 상기 중공 연장부들(207)의 각각은 제2 스루홀(605)을 갖고, 상기 중공 연장부들(207)의 각각의 길이(607)는 상기 중공 크로스 부재(601)가 상기 중공 로터 샤프트(103) 내에 슬라이딩할 수 있는 것을 보장함 ― ;
    상기 제1 스루홀(603)과 상보적인 형상을 갖는 플러그(203) ― 상기 플러그(203)는 제3 스루홀(205)을 갖고, 상기 제3 스루홀(205)은 상기 중공 로터 샤프트(103)와 동축임 ― ;
    상기 중공 연장부들(207)의 각각 상에 설치된 기어들(209); 및
    상기 중공 연장부들(207)의 각각 내에 끼워 맞춰지는 핀들(213) ― 상기 핀들(213)의 각각은 상기 중공 크로스 부재(601)의 바디와 상기 중공 로터 샤프트(103)의 대응하는 제4 스루홀(215) 사이에서 연장되고, 상기 핀들(213)의 각각은 대응하는 제4 스루홀(215) 내에 마찰 끼워 맞춰짐 ― 을 포함하는,
    장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 핀들(213)의 각각의 단부 부분(615)은 어퍼쳐(217)를 갖는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기어들(209)의 각각과 상기 중공 크로스 부재(601)의 대응하는 면(616) 사이에 위치되는 대응하는 스프링 부재(211)를 더 포함하는 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중공 연장부들(207)의 각각의 단부에 위치되는 대응하는 와셔(611)를 더 포함하는 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 중공 연장부들(207)의 각각의 단부면의 일부로부터 연장되고 상기 와셔(611)의 상보적인 개구(614) 내에 끼워 맞춰지는 탭(613)을 더 포함하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중공 연장부들(207)의 각각 상에 설치된 기어 베어링들(617)을 더 포함하는 장치.
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