KR102517733B1

KR102517733B1 - 등속 조인트

Info

Publication number: KR102517733B1
Application number: KR1020210002044A
Authority: KR
Inventors: 김필기
Original assignee: 현대위아 주식회사
Priority date: 2021-01-07
Filing date: 2021-01-07
Publication date: 2023-04-05
Also published as: KR20220099762A

Abstract

등속 조인트가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 등속 조인트는 상이한 곡선트랙을 교대로 형성하여 토크 전달 효율과 선택적인 볼 규제력이 발생되는 등속 조인트를 제공한다.

Description

등속 조인트{Constant velocity joint}

본 발명은 등속 조인트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 토크 전달 효율과 케이지의 강도가 향상된 등속 조인트에 관한 것이다.

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 구동 축과 피동축의 교차각이 큰 경우에도 등속으로 원활하게 동력을 전달할 수 있기 때문에 독립 현가 방식의 전륜 구동차의 액슬축에 주로 사용되며, 샤프트를 중심으로 변속기측(인보드측)은 트라이포드식 등속 조인트나 슬라이드형 볼 타입 등속 조인트로 이루어지고, 샤프트를 중심으로 휠 측(아웃보드측)은 고정형 볼 타입 등속 조인트로 이루어진다.

변속기측의 트라이포드식 등속 조인트나 슬라이드형 볼 타입 등속 조인트는 축 방향 운동과 절각 운동을 통해 차량의 변위를 흡수하고, 휠 측의 고정형 볼 타입 등속 조인트는 휠 측의 조향각 만큼 회전하여 등속으로 동력을 전달한다.

상기한 고정형 볼 타입 등속 조인트는, 외륜과 내륜의 트랙이 곡선으로만 이루어져 최대 절각이 47도인 볼 조인트와, 외륜과 내륜의 트랙이 곡선과 직선으로 이루어져 최대 절각이 50도인 언더컷 볼 조인트로 나뉜다.

종래의 차량용 볼 타입 등속 조인트는, 케이지 및 내륜이 볼을 고정하고 있으며, 조향에 따라 볼이 외륜의 내주면에 길이방향으로 형성되어 있는 그루브 내에서 이동되는 구조로 이루어진다.

예를 들어 허브 측에 체결되는 등속 조인트의 경우 차량의 조향에 따라 절각을 하는 기능을 가진다. 좁은 도로 여건에서 차량의 회전 반경의 축소는 차량개발에 있어서 중요한 요인으로 작용하였다.

종래의 등속 조인트는 볼이 그루브 사이에 끼임(Jamming) 없이 등속이 이루어 질 수 있는 작동성을 부여할 수 있도록 외륜, 내륜의 그루브 홈 반경이 회전중심으로부터 축방향으로 옵셋(offset) 된 구조를 가지고 있다.

또한 종래의 등속 조인트는 외륜의 옵셋과 내륜의 옵셋의 크기는 동일하며 대칭을 이루도록 되어 있으며 어느 절각 위치에서도 볼과 그루브의 접촉력의 방향은 옵셋에 의한 퍼넬각을 만들고 케이지를 한쪽 축방향으로 밀어내는 힘을 발생시켜 볼과 그루브 사이의 끼임(Jamming)을 방지한다.

반면에 이러한 옵셋 구조는 조인트의 절각이 커질수록 볼의 축 방향 볼 분력이 크게 발생하여 케이지의 강도, 조인트의 토크전달효율이 불리해지는 문제점이 유발되었다.

대한민국등록특허 제10-1187529호

본 발명의 실시 예들은 등속 조인트의 내부에서 서로 다른 곡선트랙으로 이루어진 등속 조인트를 통해 볼에 대한 규제력 향상과, 토크 전달 효율을 개선한 등속 조인트를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시 예에 의한 등속 조인트는 엔진의 회전동력을 전달받는 구동 축과 결합되며 내주면 내측에서부터 상기 구동 축과 멀어지는 외측을 따라 외륜 곡선트랙(S1)으로 연장된 외륜(100); 상기 외륜(100)의 내부에 설치되며 외주면 안쪽에서부터 외측을 따라 내륜 곡선트랙(S2)으로 연장된 내륜(200); 상기 외륜(100)의 회전동력을 상기 내륜(300)에 전달하기 위해 상기 외륜(100)과 상기 내륜(200) 사이에서 구름 접촉되는 다수개의 볼(300); 및 상기 볼(300)을 지지하는 케이지(400)를 포함하되, 상기 외륜(100)과 내륜(200)은 상기 외륜 곡선트랙(S1)과 상기 내륜 곡선트랙(S2)이 상기 케이지(400)의 원주 방향을 따라 교대로 서로 다르게 형성된다.

상기 외륜(100)과 상기 내륜(200)은 제1 위치(P1)에서는 상기 외륜 곡선트랙(S1)의 반경중심(Ro)과, 상기 내륜 곡선트랙(S2)의 반경중심(Ri)이 등속 조인트의 중심(CO)에 위치되고, 상기 제1 위치(P1)와 이웃하여 시계 방향을 기준으로 이격된 제2 위치(P2)에서는 상기 등속 조인트의 중심(CO)을 기준으로 X축 방향에서 소정의 거리로 이격 되고 상기 외륜(100)의 중심(C1)이 위치된 제1 오프셋(f1)과, 상기 등속 조인트의 중심(CO)을 기준으로 상기 제1 오프셋(f1)과 X축 방향에서 반대방향으로 서로 동일한 거리로 이격 되고, 상기 내륜(200)의 중심(C2)이 위치된 제2 오프셋(f2)이 유지되는 조건에서 상기 외륜 곡선트랙(S1)의 반경중심(Ro)이 상기 외륜(100)의 중심(C1)에 위치되고, 상기 내륜 곡선트랙(S2)의 반경중심(Ri)이 상기 내륜(200)의 중심(C2)에 위치된다.

상기 외륜(100)과 상기 내륜(200)은 상기 제1 위치(P1)에서 상기 등속 조인트의 중심(CO)을 기준으로 X축 방향에서 오프셋이 미 형성된다.

상기 외륜(100)과 상기 내륜(200)은 상기 제2 위치(P2)에서 상기 제1 오프셋(f1)과 상기 제2 오프셋(f2)이 서로 간에 동일 거리로 이격된다.

상기 제1 위치(P1)에서 상기 볼(300)에 대한 상기 외륜 곡선트랙(S1)의 볼 접촉력(Fo1)과, 상기 내륜 곡선트랙(S2)의 볼 접촉력(Fi1)이 상기 볼(300)에 대해 수직한 중심 방향으로 발생되고, 축 방향 볼 분력(Fc1)은 미 발생된 상태로 볼(300)의 끼임 없이 이동이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 위치(P1)에서는 상기 볼(300)의 퍼넬각이 최소 0도에서 최대 3도 이하의 각도 중에서 선택되는 어느 하나의 각도인 것을 특징으로 한다.

상기 제2 위치(P2)에서는 상기 볼(300)의 퍼넬각이 최소 9도에서 최대 10도 이하의 각도 중에서 선택되는 어느 하나의 각도인 것을 특징으로 한다.

상기 볼(300)은 상기 제2 위치(P2)에서 상기 케이지(400)가 절각의 반각으로 규제되는 것을 특징으로 한다.

상기 외륜(100)과 상기 내륜(200)의 중심(C1, C2)은 상기 볼(300)의 중심을 기준으로 제2 위치(P2)에서는 상기 등속 조인트의 중심(CO) 하측에 위치된 것을 특징으로 한다.

본 실시 예들은 제1 위치와 제2 위치에서 서로 다른 곡선트랙을 형성하여 볼의 이동에 따른 축 방향 분력이 위치에 따라 서로 상이하게 발생되어 토크 전달 효율이 향상된다.

본 실시 예들은 절각이 증가되는 경우에도 케이지의 강도를 개선할 수 있으며, 등속 성능은 유지하면 서도 볼의 끼임을 방지할 수 있다.

본 실시 예들은 위치에 따른 볼의 규제력이 변화하여 등속 조인트의 안정적인 작동을 도모하도록 사용할 수 있다.

도 1은 본 실시 예에 의한 등속 조인트의 분해 사시도.
도 2는 본 실시 예에 의한 등속 조인트의 정면도.
도 3은 도 2의 C-C선 단면도.
도 4는 도 2의 D-D선 단면도.
도 5는 본 실시 예에 의한 제1 위치(P1)에서 볼의 이동 궤적을 도시한 도면.
도 6은 본 실시 예에 의한 제1 위치(P1)에서 케이지의 접촉력을 일 예로 도시한 도면.
도 7은 본 실시 예에 의한 제2 위치(P1)에서 볼의 이동에 따른 절각 상태를 도시한 도면.
도 8은 제2 위치에 대한 다른 실시 예를 도시한 도면.

본 발명의 일 실시 예에 따른 등속 조인트에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 첨부된 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 등속 조인트의 분해 사시도 이고, 도 2는 본 실시 예에 의한 등속 조인트의 정면도 이며, 도 3은 도 2의 C-C선 단면도 이고, 도 4는 도 2의 D-D선 단면도 이며, 도 5는 본 실시 예에 의한 제1 위치(P1)에서 볼의 이동 궤적을 도시한 도면이다.

첨부된 도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 실시 예에 의한 등속 조인트는 케이지(400)의 원주 방향을 따라 교대로 서로 상이한 곡선트랙으로 이루어진 등속 조인트를 통해 토크 전달 효율 향상과, 볼의 축 방향 분력 감소 및 불필요한 마찰이 감소된 등속 조인트를 제공한다.

이를 위해 본 실시 예는 엔진의 회전동력을 전달받는 구동 축과 결합되며 내주면 내측에서부터 상기 구동 축과 멀어지는 외측을 따라 외륜 곡선트랙(S1)으로 연장된 외륜(100)과, 상기 외륜(100)의 내부에 설치되며 외주면 안쪽에서부터 외측을 따라 내륜 곡선트랙(S2)으로 연장된 내륜(200)과, 상기 외륜(100)의 회전동력을 상기 내륜(300)에 전달하기 위해 상기 외륜(100)과 상기 내륜(200) 사이에서 구름 접촉되는 다수개의 볼(300) 및 상기 볼(300)을 지지하는 케이지(400)를 포함한다.

그리고 상기 외륜(100)과 내륜(200)은 상기 외륜 곡선트랙(S1)과 상기 내륜 곡선트랙(S2)이 상기 케이지(400)의 원주 방향을 따라 교대로 서로 다르게 형성된다.

일 예로 제1 위치(P1)는 도 2 기준 12시 방향 위치에 해당되고, 제2 위치(P2)는 2시 방향 위치에 해당되며, 상기 2시방향에 위치된 제2 위치(P2)를 기준으로 새로운 제1 위치(P1)이 4시 방향에 해당된다. 이와 같이 제1 위치(P1)와 제2 위치(P2)가 교대로 번갈아 가면서 배치된다.

상기 외륜 곡선트랙(S1)과 내륜 곡선트랙(S2)은 도면에 도시된 바와 같이 연장될 수 있으며 상기 제1 위치(P1)와 이웃하여 시계 방향을 기준으로 이격된 제2 위치(P2)에서는 상기 등속 조인트의 중심(CO)을 기준으로 X축 방향에서 소정의 거리로 이격 되고 상기 외륜(100)의 중심(C1)이 위치된 제1 오프셋(f1)과, 상기 등속 조인트의 중심(CO)을 기준으로 상기 제1 오프셋(f1)과 X축 방향에서 반대방향으로 서로 동일한 거리로 이격 되고, 상기 내륜(200)의 중심(C2)이 위치된 제2 오프셋(f2)이 유지되는 조건에서 상기 외륜 곡선트랙(S1)의 반경중심(Ro)이 상기 외륜(100)의 중심(C1)에 위치되고, 상기 내륜 곡선트랙(S2)의 반경중심(Ri)이 상기 내륜(200)의 중심(C2)에 위치된다.

이와 같이 제1 위치(P1)와 제2 위치(P2)에서 서로 다른 외륜 곡선트랙(S1)과 내륜 곡선트랙(S2)을 갖는 이유는 토크 전달 효율을 향상시키기 위해서이다.

일 예로 상기 외륜 곡선트랙(S1)과 내륜 곡선트랙(S2)이 제1,2 위치(P1, P2)에서 교대로 배치되면서 볼(300)과의 마찰이 제1 위치(P1)에서는 감소되고, 케이지(400)에 개구된 창과 볼(300) 사이의 마찰과, 케이지(400) 내외구경의 마찰로 인한 토크손실이 함께 감소될 수 있어 전체적인 토크 전달 효율이 향상된다.

특히 본 실시 예는 케이지(400)의 창과 볼(300) 사이의 마찰 및 케이지(400) 내외구경의 마찰로 인해 발생된 토크 손실이 주로 볼(300)의 축 방향 볼 분력에 의해 발생되는 것으로 이 두가지를 줄임으로서 토크전달효율을 보다 효율적으로 개선할 수 있다

상기 볼(300)은 외륜 곡선트랙(S1)과 내륜 곡선트랙(S2)이 도면에 도시된 바와 같이 연장되어 있고 볼(300)이 외륜 곡선트랙(S1)과 내륜 곡선트랙(S2)과 구름 접촉되면서 이동하게 된다.

특히 본 실시 예에 의한 등속 조인트는 제1 위치(P1)에서는 외륜 곡선트랙(S1)의 반경중심(Ro)과, 상기 내륜 곡선트랙(S2)의 반경중심(Ri)이 등속 조인트의 중심(CO)에 위치되어 있어 퍼넬각이 발생되지 않은 상태로 볼(300)이 이동 될 수 있다.

이와 같이 퍼넬각이 미 발생될 경우 볼(300)의 축 방향 분력이 발생되지 않고 이동된다.

즉 상기 제1 위치(P1)에서 상기 볼(300)에 대한 상기 외륜 곡선트랙(S1)의 볼 접촉력(Fo1)과, 상기 내륜 곡선트랙(S2)의 볼 접촉력(Fi1)이 상기 볼(300)에 대해 화살표로 도시된 바와 같이 수직한 중심 방향으로 발생되고, 축 방향 볼 분력(Fc1)은 미 발생된 상태로 볼(300)의 끼임 없이 이동이 이루어지게 된다.

이 경우 볼(300)은 점선 및 실선 그리고 점선으로 도시된 이동 궤적을 그리며 외륜 곡선트랙(S1)과 내륜 곡선트랙(S2)을 따라 이동하게 된다.

상기 제1 위치(P1)에서는 상기 볼(300)의 퍼넬각이 최소 0도에서 최대 3도 이하의 각도 중에서 선택되는 어느 하나의 각도가 유지된다. 상기 퍼넬각은 볼(300)에서 축 방향 분력(Fc1)이 미 발생되는 각도로 토크 전달 효율이 향상되고, 볼(300)의 끼임이 발생되지 않고 안정적으로 이동된다. 일 예로 기존 대비 축 방향 분력(Fc1)이 50% 이상 저감될 수 있다.

이 경우 등속 조인트는 볼(300)에 대한 규제력은 없으나 케이지(400)의 접촉력이 감소하게 되어 마찰 발생이 최소화된 상태로 작동된다.

따라서 제1 위치(P1)에서는 케이지(400)를 강도 저하 없이 안정적으로 사용할 수 있게 된다.

상기 외륜(100)과 상기 내륜(200)은 상기 제2 위치(P2)에서 상기 제1 오프셋(f1)과 상기 제2 오프셋(f2)이 서로 간에 동일 거리로 이격 되고, 상기 외륜 곡선트랙(S1)의 반경중심(Ro)이 상기 외륜(100)의 중심(C1)에 위치되고, 상기 내륜 곡선트랙(S2)의 반경중심(Ri)이 상기 내륜(200)의 중심(C2)에 위치된 상태로 상기 볼(300)이 상기 외륜 곡선트랙(S1)과 내륜 곡선트랙(S2)을 따라 이동하게 된다.

제2 위치(P2)에서 볼(300)은 외륜 및 내륜 곡선트랙(S1, S2)을 따라 이동할 때 외륜 곡선트랙(S1)과의 접촉에 따른 볼 접촉력(Fo2)과, 상기 내륜 곡선트랙(S2)의 볼 접촉력(Fi2)이 상기 볼(300)에 대해 발생된다.

그리고 상기 볼(300)은 화살표로 도시된 방향으로 축 방향 분력(Fc2)이 발생되고 볼(300)에 대한 규제력이 발생되어 설계자가 원하는 등속 조인트의 설계 사항을 보다 유리하게 반영시킬 수 있다.

이 경우 볼(300)의 퍼넬각이 최소 9도에서 최대 10도 이하의 각도 중에서 선택되는 어느 하나의 각도가 유지된다. 일 예로 볼(300)에서 끼임이 발생되는 각도는 최소 3도에서 9도 이하에서 선택되는 어느 하나의 각도에서 끼임이 발생되므로 전술한 퍼넬각을 유지시켜 볼(300)이 외륜 및 내륜 곡선트랙(S1, S2)을 따라 이동할 때 끼임 발생을 방지할 수 있다.

이와 같이 본 실시 예는 제1 위(P1)와 제2 위치(P2)에서 볼(300)에 대한 규제력과 토크 전달 효율을 변화시켜 케이지(400)의 마찰 저감을 통한 파손을 방지하고, 케이지(400)의 접촉력을 감소시켜 전단응력 감소를 도모할 수 있다.

상기 볼(300)의 PCD(Pitch Circle Diameter)를 중심으로 제1,2 오프셋(f1, f2)이 유지되도록 함으로써 볼(300)에 분력을 발생시켜 방향성을 유지하고, 내부 부품간의 공차로 인한 끼임 발생을 방지할 수 있다.

또한 볼(300)의 중심이 등속평면에 위치하게 됨으로써 안정적인 볼 조인트의 작동을 도모할 수 있다.

첨부된 도 7을 참조하면, 본 실시 예에 의한 볼(300)은 제2 위치(P2)에서 상기 케이지(400)가 절각의 반각으로 규제된다. 이 경우 볼(300)은 축 방향 분력(Fc2)이 발생하게 되어 볼(300)에 대한 규제력이 유지되어 볼 규제력이 없는 제1 위치(P1)에서의 단점을 보완할 수 있다.

참고로 절각은 휠 중립상태 대비 볼 조인트 측의 외륜(100) 축을 중심으로 꺾인 정도를 의미하며 상기 절각이 커질수록 강도 및 내구성능이 떨어진다.

첨부된 도 8을 참조하면, 본 실시 예는 전술한 실시 예와 다르게 외륜(100)과 상기 내륜(200)의 중심(C1, C2)은 상기 볼(300)의 중심을 기준으로 제2 위치(P2)에서는 상기 등속 조인트의 중심(CO) 하측에 위치된다.

상기 외륜과 내륜(100, 200)의 중심(C1, C2)은 각각 등속 조인트의 중심(CO)를 기준으로 제3 오프셋(f3)와 제4 오프셋(f4)으로 동일 거리로 이격되고, 상기 등속 조인트의 중심(CO)과 제3 오프셋 앵글(f3α)과, 제4 오프셋 앵글(f4α)이 유지된다.

그리고 외륜 공선트랙의 반경중심(Ro)와, 내륜 곡선트랙의 반경중심(Ri)는 도면에 도시된 바와 같이 유지된다.

이상, 본 발명의 일 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

100 : 외륜
200 : 내륜
300 : 볼
400 : 케이지
S1 : 외륜 곡선트랙
S2 : 내륜 곡선트랙

Claims

엔진의 회전동력을 전달받는 구동 축과 결합되며 내주면 내측에서부터 상기 구동 축과 멀어지는 외측을 따라 외륜 곡선트랙(S1)으로 연장된 외륜(100);
상기 외륜(100)의 내부에 설치되며 외주면 안쪽에서부터 외측을 따라 내륜 곡선트랙(S2)으로 연장된 내륜(200);
상기 외륜(100)의 회전동력을 상기 내륜(200)에 전달하기 위해 상기 외륜(100)과 상기 내륜(200) 사이에서 구름 접촉되는 다수개의 볼(300); 및
상기 볼(300)을 지지하는 케이지(400)를 포함하되,
상기 외륜(100)과 내륜(200)은 상기 외륜 곡선트랙(S1)과 상기 내륜 곡선트랙(S2)이 상기 케이지(400)의 원주 방향을 따라 교대로 서로 다르게 형성
상기 외륜(100)과 상기 내륜(200)은 제1 위치(P1)에서는 상기 외륜 곡선트랙(S1)의 반경중심(Ro)과, 상기 내륜 곡선트랙(S2)의 반경중심(Ri)이 등속 조인트의 중심(CO)에 위치되고,
상기 제1 위치(P1)와 이웃하여 시계 방향을 기준으로 이격된 제2 위치(P2)에서는 상기 등속 조인트의 중심(CO)을 기준으로 X축 방향에서 소정의 거리로 이격 되고 상기 외륜(100)의 중심(C1)이 위치된 제1 오프셋(f1)과, 상기 등속 조인트의 중심(CO)을 기준으로 상기 제1 오프셋(f1)과 X축 방향에서 반대방향으로 서로 동일한 거리로 이격 되고, 상기 내륜(200)의 중심(C2)이 위치된 제2 오프셋(f2)이 유지되는 조건에서 상기 외륜 곡선트랙(S1)의 반경중심(Ro)이 상기 외륜(100)의 중심(C1)에 위치되고, 상기 내륜 곡선트랙(S2)의 반경중심(Ri)이 상기 내륜(200)의 중심(C2)에 위치되는 등속 조인트.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 외륜(100)과 상기 내륜(200)은 상기 제1 위치(P1)에서 상기 등속 조인트의 중심(CO)을 기준으로 X축 방향에서 오프셋이 미 형성된 등속 조인트.
제1 항에 있어서,
상기 외륜(100)과 상기 내륜(200)은 상기 제2 위치(P2)에서 상기 제1 오프셋(f1)과 상기 제2 오프셋(f2)이 서로 간에 동일 거리로 이격된 등속 조인트.
제1 항에 있어서,
상기 제1 위치(P1)에서 상기 볼(300)에 대한 상기 외륜 곡선트랙(S1)의 볼 접촉력(Fo1)과, 상기 내륜 곡선트랙(S2)의 볼 접촉력(Fi1)이 상기 볼(300)에 대해 수직한 중심 방향으로 발생되고, 축 방향 볼 분력(Fc1)은 미 발생된 상태로 볼(300)의 끼임 없이 이동이 이루어지는 등속 조인트.
제1 항에 있어서,
상기 제1 위치(P1)에서는 상기 볼(300)의 퍼넬각이 최소 0도에서 최대 3도 이하의 각도 중에서 선택되는 어느 하나의 각도인 것을 특징으로 하는 등속 조인트.
제5 항에 있어서,
상기 제2 위치(P2)에서는 상기 볼(300)의 퍼넬각이 최소 9도에서 최대 10도 이하의 각도 중에서 선택되는 어느 하나의 각도인 것을 특징으로 하는 등속 조인트.
제1 항에 있어서,
상기 볼(300)은 상기 제2 위치(P2)에서 상기 케이지(400)가 절각의 반각으로 규제되는 것을 특징으로 하는 등속 조인트.
제1 항에 있어서,
상기 외륜(100)과 상기 내륜(200)의 중심(C1, C2)은 상기 볼(300)의 중심을 기준으로 제2 위치(P2)에서는 상기 등속 조인트의 중심(CO) 하측에 위치된 것을 특징으로 하는 등속 조인트.