KR20040085138A - 액티브 토크 바이어스 커플링 - Google Patents

Abstract

토크 커플링(14)은 자동차(A)의 제2 구동륜(4)을 가변 토크 커플링(14)을 통해 자동차(A)의 동력 유닛(6)에 간접적으로 연결하는 한편, 자동차(A)의 제1 구동륜(2)은 동력 유닛(6)에 직접 연결된다. 토크 커플링(14)은 토크를 제2 구동륜(4)에 계속 전달하면서 제1 구동륜과 제2 구동륜(2, 4)의 각속도에 있어서의 변화를 보상한다. 그러한 토크 커플링(14)은 축선(X)을 중심으로 하여 편제된 자기 분말 클러치(38) 및 동일한 축선(X)을 중심으로 하여 편제된 유성 기어 세트(36)를 포함한다. 토크 커플링(14)은 토크가 전달되면서 거치는 2개의 경로를 갖는데, 그 하나는 기계적 경로이고, 다른 하나는 클러치 경로이다. 토크의 대부분은 기계적 경로를 통해 전달되는 반면에, 클러치 경로는 슬립피지를 허용하여 제2 구동륜(4)에 송출되는 토크의 비율을 제어하되, 그러한 제어는 오직 클러치(38)를 통과하는 전류의 크기에만 의존하여 달라진다.

Description

액티브 토크 바이어스 커플링{Active Torque Bias Coupling}

승용차, 스포츠형 다목적 차량(sport-utility vehicle), 밴, 및 경트럭과 같은 대부분의 경자동차는 4개의 바퀴를 구비하지만, 전형적인 차량에서는 차량을 구동하는 엔진이 단지 바퀴 중의 2개에만 커플링된다. 예전의 차량에서는 후륜이 그러한 차량을 구동하는 것이 통상적이었지만, 근래의 차량에서는 전륜이 차량을 구동하는 것이 일반적이다. 물론, 예컨대 군용 지프와 같은 초기의 일부 차량은 4륜 구동이기는 하였지만, 그러한 유형의 차량은 단지 2개의 바퀴에만 송출되는 동력으로 작동되는 일이 빈번하였다. 보다 더 큰 견인력을 필요로 할 경우에는 엔진을 트랜스퍼 케이스(transfer case)를 통해 다른 2개의 바퀴에 커플링시켰다. 후륜과 전륜은 엔진에 의해 송출되는 토크를 고정된 비율로 나누었다.

근년에 들어, 자동차 제조업체들은 그들의 보다 더 정교한 차량 중의 일부를 소위 "전륜 구동(all wheel drive)"으로 생산하고 있다. 그러한 유형의 전형적인 차량에서는 전륜과 후륜 사이에 엔진 토크가 배분된 채로 4개의 바퀴 모두가 차량을 구동하는 것이 통상적이다. 엔진은 트랜스미션을 통해 그 동력을 송출하고, 트랜스미션은 다시 제1 구동륜으로서 작용하는 2개의 바퀴에 직접 연결된다. 나머지 2개의 바퀴는 제2 구동륜으로서 작용하고, 제1 바퀴와 제2 바퀴 사이의 미세한 속도 변동을 수용하는 토크 커플링 통해 트랜스미션에 연결된다. 제1 구동륜과 트랜스미션 사이에는 차동 장치가 개재되지만, 제1 구동륜과 트랜스미션 사이에 슬립피지(slippage)가 전개될 수 없다는 점에서 연결은 직접적이다. 토크 커플링과 제2 바퀴 사이에는 다른 차동 장치가 존재하지만, 토크 커플링은 제2 바퀴와 트랜스미션 사이의 슬립피지를 감안하고 있으므로, 그런 점에서 연결은 간접적이다. 토크 커플링은 제1 바퀴와 제2 바퀴 사이에 토크를 배분한다.

또한, 일부의 전륜 구동 차량은 제1 바퀴와 제2 바퀴 사이에서 토크를 변경하는 용량을 가진 커플링을 구비하여 변하는 도로 및 작동 조건에 보다 잘 적응하고 있다. 그러한 유형의 차량에서는 제2 바퀴에 송출되는 토크의 전체가 클러치를 통과하여 토크 커플링으로 가는데, 그 결과 토크 커플링이 대형이고 육중하게 된다. 그와는 별도로, 흔히 다수의 플레이트 및 가변력으로 그 플레이트를 함께 강압하는 복잡한 기구를 포함하는 것도 또한 복잡하다. 실제로, 그러한 클러치를 통해 전달되는 토크는 플레이트에 가해지는 힘에 의존하여 달라질 뿐만 아니라, 플레이트 사이의 슬립피지 및 온도에 따라서도 달라진다. 그것은 클러치의 제어를 어렵게 만든다.

본 발명은 토크를 전달하는 것에 관한 것으로, 보다 더 상세하게는 차량의 바퀴 사이에 토크를 배분하기 위한 토크 커플링 및 그러한 커플링을 구비한 자동차에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 첨부 도면 중에서,

도 1은 본 발명에 따라 구성되고 본 발명을 실시하고 있는 토크 커플링을 구비한 4륜 구동 승용차를 개략적으로 나타낸 도면이고;

도 2는 토크 커플링을 구비한 후륜 구동 승용차를 개략적으로 나타낸 도면이며;

도 3은 토크 커플링의 종단면도이고;

도 4는 커플링의 운동 기구 선도(kinematic diagram)이며;

도 5는 커플링의 자기 클러치에서 커플링의 클러치에 의해 전달되는 토크를 전류의 함수로서 나타낸 그래프이고;

도 6은 커플링을 통해 전달되는 토크를 그 클러치를 통해 전달되는 토크의함수로서 나타낸 그래프이며;

도 7은 변형된 토크 커플링의 종단면도이고;

도 8은 다른 변형된 토크 커플링의 운동 기구 선도이며;

도 9는 본 발명에 따른 토크 커플링을 각각의 바퀴에 배치된 승용차를 개략적으로 나타낸 도면이다.

첨부 도면 중의 몇몇 도면에 걸쳐 동일한 도면 부호가 동일한 부품을 지시하고 있다.

본 발명의 주제는 커플링을 통해 하나는 기계적 경로이고 다른 하나는 클러치 경로인 2개의 토크 전달 경로가 존재하도록 연결된 클러치와 유성 기어 세트를 포함하는 토크 커플링이다. 클러치 경로에 있는 클러치는 커플링에서의 슬립피지를 수용하여 각각의 경로로 전달되는 토크의 양을 제어한다. 클러치 경로를 통해 전달되는 토크에 대한 기계적 경로를 통해 전달되는 토크의 비율은 유성 기어 세트와 그 기어 비에 의해 결정된다. 또한, 본 발명의 주제는 제1 바퀴와 제2 바퀴 및 동력 유닛을 구비하되, 그 동력 유닛이 제1 바퀴에 직접 연결되고 토크 커플링을 통해 제2 바퀴에 연결되는 자동차이다. 토크 커플링의 클러치를 통해 전달되는 토크의 양은 제1 바퀴와 제2 바퀴 사이에 토크를 배분하는 것을 제어한다.

이제 첨부 도면을 참조하면, 승용차, 스포츠형 다목적 차량, 밴, 또는 심지어 트럭과 같은 자동차(A)(도 1)는 전방 로드 휠인 제1 구동륜(2) 및 후방 로드 휠인 제2 구동륜(4)을 포함한다. 또한, 자동차(A)는 횡 방향으로 또는 종 방향으로 장착되어 자동 타입이거나 수동 타입일 수 있는 트랜스미션(8)에 커플링된 엔진(6)을 포함한다. 엔진(6)과 트랜스미션(8)은 기본적으로 트랜스미션의 주 샤프트인 트랜스미션 출력 샤프트(10)를 통해 토크를 송출하는 동력 장치를 형성한다. 트랜스미션(8)의 샤프트(10)는 제1 차동 장치(12)를 통해 제1 구동륜(2)에 연결된다. 그러한 연결은 출력 샤프트(10)와 제1 구동륜(2) 사이에 슬립피지가 일어나지 않는다는 점에서 직접적이다. 트랜스미션(8)의 샤프트(10)는 구동 샤프트(18)를 통해 제2 구동륜(4)에도 연결되는데, 다만 그러한 연결은 커플링(14)이 제2 구동륜(4)과 트랜스미션 샤프트(10) 사이에, 그리고 제2 구동륜(4)과 제1 구동륜(2) 사이에도 마찬가지로 일정한 양의 슬립피지를 허용한다는 점에서 간접적이다. 슬립피지는제1 구동륜(2)과 제2 구동륜(4) 사이의 작은 속도 변동을 수용하기 위한 것이다. 그러한 변동은 타이어 크기의 차에 의해 또는 회전을 진행할 때에 발생될 수 있다. 토크 커플링(14)은 제1 차동 장치(12)에 또는 그 부근에 배치되고, 차량(A)을 통해 종 방향으로 연장되는 구동 샤프트(18)를 통해 트랜스미션(8)의 샤프트(10)에 연결되는 것이 바람직하다.

다른 자동차(B)(도 2)는 부품이 상이하게 편제된다는 것을 제외하고는 본질적으로 차량(A)과 동일한 부품을 구비한다. 차량(B)에서는 제1 구동륜(2)과 제1 차동 장치(12)가 차량(B)의 후방에 있는 반면에, 제2 구동륜(4)과 제2 차동 장치(16)는 차량(B)의 전방에 있다. 엔진(6)과 트랜스미션(8)은 차량(B)의 전방에 있으면서 종 방향으로 장착된다. 트랜스미션(8)의 샤프트(10)와 제1 차동 장치(12)는 제1 구동 샤프트(22)를 통해 연결된다. 토크 커플링(14)은 체인(24)을 통해 샤프트(10)에 연결되고, 토크 커플링(14)은 다시 제2 구동 샤프트(26)를 통해 제2 차동 장치(16)에 연결된다.

각각의 차량(A, B)은 그 차량(A 또는 B)이 작동 시에 처하는 조건을 반영하는 전기 신호를 발생시키는 각종의 센서를 구비하고, 그들 신호는 그들을 평가하여 토크 커플링(14)을 제어하는 신호를 발생시키는 온보드 마이크로프로세서에 전달된다. 실제로, 그들 신호는 토크 커플링(14)으로 하여금 트랜스미션(8)의 샤프트(10)에 송출된 토크를 차량(A 또는 B)이 센서에 의해 모니터링된 구동 조건에 가장 잘 응할 수 있게 되도록 제1 구동륜(2)과 제2 구동륜(4) 사이에 배분하게끔 한다. 그러한 구동 조건 중에서, 각각의 구동륜(2, 4)의 각속도, 종 방향 가속도, 측 방향 가속도, 트랜스미션(8)의 샤프트(10)에 송출된 토크, 엔진(6)용 스로틀의 위치, 및 스티어링 기어의 위치(스티어링 각도)가 모니터링될 수 있다.

토크 커플링(14)은 트랜스미션(8)에 송출된 토크를 차량(A 또는 B)이 작동 그 당시에 처하는 조건을 가장 잘 충족시키도록 제1 구동륜(2)과 제2 구동륜(4) 사이에 배분한다. 토크 커플링(14)은 트랜스미션(8)의 샤프트(10)에 연결된 입력 부재 또는 입력 샤프트(32)와 제2 차동 장치(16)에 연결된 출력 부재 또는 출력 샤프트(34)(도 3)를 포함한다. 그러한 2개의 샤프트(32, 34)는 공통의 축선(X)을 중심으로 하여 회전한다. 또한, 토크 커플링(14)은 축선(X)을 중심으로 하여 편제되고 입력 샤프트와 출력 샤프트(32, 34)의 양자에 연결되는 유성 기어 세트(36)를 포함한다. 마지막으로, 토크 커플링(14)은 역시 축선(X)의 둘레에 배치된 자기 분말 클러치(38)를 구비하는데, 그 자기 분말 클러치(38)는 슬립피지가 발생되었을 경우에 축선(X)에서 입력 샤프트(32)를 유성 기어 세트(36)에 커플링시켜 그 양자 사이에 토크가 전달되도록 한다. 토크 커플링(14)은 입력 샤프트(32)와 출력 샤프트(34) 사이에 2개의 토크 전달 경로(도 4)를 제공하는데, 그 하나는 유성 기어 세트(36)를 통과하는 순수한 기계적 경로이고, 다른 하나는 클러치(38)와 유성 기어 세트(36)를 통과하는 클러치 경로이다. 토크의 대부분은 기계적 경로를 통과하므로, 그것은 고 토크 경로이다. 클러치 경로는 저 토크 경로로서의 역할을 한다.

유성 기어 세트(36)는 클러치(38) 내로 연장되는 스터브 샤프트(44)를 구비한 태양 기어(42)(도 3)를 포함한다. 유성 기어 세트(36)는 입력 샤프트(32)가 플랜지(48)와 기계 나사(50)를 통해 커플링되는 링 기어(46)도 포함하는데, 기계 나사(50)는 클러치(38)를 관통하여 연장된다. 즉, 입력 샤프트(32)와 링 기어(46)를 클러치(38)에 커플링시킨다. 또한, 유성 기어 세트(36)는 태양 기어(42)와 링 기어(46) 사이에 배치되어 그 양자와 맞물리는 유성 기어(52)를 포함한다. 마지막으로, 유성 기어 세트(36)는 스핀들(56)을 포함하는 캐리어(54)를 구비하는데, 그 스핀들(56) 상에서 유성 기어(52)가 회전한다. 캐리어(54)는 출력 샤프트(34)에 직접 연결된다. 기어(42, 46, 52)와 캐리어(54)는 유성 기어 세트(36)의 구성 요소를 이룬다.

자기 분말 클러치(38)는 입력 샤프트(32) 상의 플랜지(48)와 유성 기어 세트(36)의 링 기어(46) 사이에 붙들려 기계 나사(50)에 의해 그 양자에 고정된 전자석(60)(도 3)을 포함한다. 그 결과, 입력 샤프트(32), 그 플랜지(48), 링 기어(46), 및 전자석(60)이 모두 축선(X)을 중심으로 하여 하나의 유닛으로서 회전하게 된다. 전자석(60)은 안쪽으로 축선(X)과 대면되어 주어지는 원통형 표면(62)을 구비하고, 일 세트의 고정 브러시(66) 및 전자석(60)과 함께 회전하는 일 세트의 슬립 링(68)을 통해 전류를 공급받는 코일(64)을 추가로 포함한다.

클러치(38)는 전자석(60) 및 그 코일(64)에 추가하여 전자석(60) 내에 배치된 전기자(70)를 구비하고, 유성 기어 세트(36)의 스터브 샤프트(44) 상에 끼워 맞춰지는 슬리브(72)를 포함한다. 유성 기어 세트(36)는 짝맞춤 스플라인을 통해 스터브 샤프트(44)에 커플링된다. 또한, 전기자(70)는 바깥쪽으로 축선(X)으로부터 외면되고 전자석(60) 상의 원통형 표면(62)과 대면되어 주어지는 원통형 표면(74)을 구비하는데, 그 양자의 원통형 표면(62, 74) 사이에는 작은 갭 "g"이 있게 된다. 전기자(70)의 단부를 벗어나 있는 개구부는 전자석(60)을 전기자(7) 상에 지지하는 마찰 방지 베어링(78)이 들어있는 환형 공동이다.

그러한 베어링(78)은 전기자(70)의 슬리브(72)의 둘레에 끼워 맞춰지고, 전자석(60)은 다시 베어링(78)의 둘레에 끼워 맞춰진다. 그러한 배열은 입력 샤프트(32), 링 기어(46), 및 전자석(60)이 축선(X)을 중심으로 하여 단일의 유닛으로서 회전하도록, 그리고 마찬가지로 스터브 샤프트(44), 태양 기어(42), 및 전기자(70)가 축선(X)을 중심으로 하여 다른 하나의 유닛으로서 회전하도록 이뤄진다. 통상적으로, 그러한 2개의 유닛은 차축 또는 타이어 설계에 의해 유도된 다소의 차이가 나는 각속도로 회전한다. 클러치(38)가 맞물릴 때에, 스터브 샤프트(44)와 태양 기어(42)는 필요한 반작용 토크를 제공하여 그 2개의 유닛을 함께 회전시킨다.

클러치(38)는 자화될 수 있는 철 함유 물질로 된 미립자(80)를 포함하는데, 그 미립자(80)는 갭 "g" 내에 존재한다. 베어링(78)은 시일(82)에 의해 자기 미립자(80)로부터 격리된다. 코일(64)에 전류가 통할 때에 미립자(80)가 자화되어 전자석(60)을 전기자(70)에 연결시키고, 그에 따라 그 양자 사이에 토크가 전달될 수 있지만, 양자 사이에 슬립피지가 발생될 수도 있다. 전달되는 토크의 양은 오직 코일(64)에 의해 전도된 전류의 양에만 의존하고, 슬립피지의 크기 또는 온도와는 전혀 무관하다. 실제로, 토크와 전류 사이의 관계는 데카르트 좌표 상에 플롯되었을 때에 거의 선형에 가깝다(도 5). 센서가 차량(A 또는 B)의 구동 조건을 반영하는 신호를 그에 보내는 마이크로프로세서는 클러치(38)의 코일(64)에 공급되는 전류의 양을 제어한다. 그러나, 전류의 양은 가감 저항기(rheostat)와 같은 수동으로 동작되는 장치에 의해 제어될 수도 있다.

차량(A 또는 B)의 작동 시에는 엔진(6)(도 1)이 트랜스미션(8)을 통해 전달되는 토크를 발생시키고, 트랜스미션(8)은 토크를 변경하는 용량을 가지므로, 트랜스미션(8)의 샤프트(10)에 송출되는 토크는 엔진(6)에 의해 송출되는 토크와는 상이할 수도 있다. 트랜스미션 샤프트(10)에서의 토크 중의 일부는 제1 구동륜(2)과 트랜스미션 샤프트(10) 사이에 어떠한 슬립피지도 발생시킴이 없이 제1 차동 장치(12)를 통해 제1 구동륜(2)에 송출된다. 잔여 토크는 트랜스미션 샤프트(10)와 제2 구동륜(4) 사이에 약간의 슬립피지를 동반한 채로 제2 구동륜(4)에 송출되는데, 그러한 슬립피지는 토크 커플링(14) 내에서 발생된다. 제1 구동륜(2)과 제2 구동륜(4)에 송출되는 토크의 총량은 기본적으로 트랜스미션(8)의 샤프트(10)에서의 토크와 동일하다. 그러한, 그 토크를 제1 구동륜(2)과 제2 구동륜(4) 사이에 배분하는 것은 똑같지 않을 수 있는데, 대부분의 구동 조건 하에서는 그와 같이 똑같지 않다. 제1 구동륜(2)과 제2 구동륜(4) 사이에 토크를 배분하는 것은 토크 커플링(12)의 클러치(38)에 있는 코일(64)을 통과하는 전류의 양에 의존하여 달라진다. 코일(64)을 통과하는 전류가 많으면 많을수록 제2 구동륜(4)에 전달되는 토크의 비율이 보다 더 높다(도 5).

토크 커플링(14)의 입력 샤프트(32)에 커플링되는 트랜스미션(8)의 샤프트(10)는 입력 샤프트(32)를 회전시켜 입력 샤프트(32)에 토크를 전달한다.커플링(14) 내에는 토크가 2개의 경로로 나누어지고 나서 재결합되고, 그에 따라 적어도 클러치(38)에서 최소의 슬립피지가 발생될 때에는 커플링(14)의 출력 샤프트(34)에서의 토크가 본질적으로 입력 샤프트(32)에서의 토크와 동일하게 된다. 하나의 경로, 즉 기계적 경로에서는 토크가 입력 샤프트(32)와 그 플랜지(48)로부터 유성 기어(52)를 통해 유성 기어 세트(36)의 링 기어(46)로, 그 곳으로부터 유성 캐리어(54)로, 그리고 최종적으로 출력 샤프트(34)로 나아간다. 다른 경로, 즉 클러치 경로에서는 토크가 입력 샤프트(32)와 그 플랜지(48)로부터 클러치(38)의 전자석(60)으로, 이어서 자기 미립자(80)를 통해 전자석(80)과 전기자(70) 사이의 갭 "g"로, 이어서 스터브 샤프트(44)를 통해 유성 기어 세트(36)의 태양 기어(42)로, 그리고 그 곳으로부터 유성 기어(52)를 통과하여 최종적으로 캐리어(54)를 통해 출력 샤프트(34)로 나아간다. 유성 기어 세트(36)와 클러치(38) 사이의 연결은 기계적 경로가 클러치 경로보다 더 많은 토크를 전달하도록 이뤄진다.

2개의 경로 사이에 토크를 배분하는 것은 링 기어(46)와 태양 기어(42) 사이의 기어 비(U)에 의존하여 달라진다:

U = 링 기어(46) 상의 기어 이빨/태양 기어(42) 상의 기어 이빨

기어 비(U)가 높으면 높을수록 클러치 경로를 통해 전달되는 토크의 양이 보다 더 적어지고, 반대로 기계적 경로를 통해 전달되는 토크는 보다 더 많아지게 된다. 그러한 관계는 데카르트 좌표 상에 플롯된 토크 커플링(14)에 대한 출력 토크, 즉 클러치(38)에서의 토크에 대비된 출력 샤프트(34)에서의 토크로써 입증될 수 있다(도 6).

그러한 2개의 플롯(도 5 및 도 6)을 참조하면, 클러치(38)의 코일(64)에서의 전류의 감소는 클러치 경로를 통해 전달되는 토크의 감소를 가져오고, 그것은 다시 출력 샤프트(34)를 통해 제2 구동륜(4)에 전달되는 토크를 감소시키게 된다. 출력 샤프트(34)에서의 토크는 일반적으로 입력 샤프트(32)에서의 토크와 동일하기 때문에, 트랜스미션(8)의 샤프트(10)로부터 적은 양의 토크만이 토크 커플링(14)의 입력 샤프트(32)로 돌려지고, 많은 양은 제1 구동륜(2)에 전달되는 상태로 남겨진다. 그와는 반대로, 클러치(38)의 코일(64)에서의 전류가 증가되면, 클러치(38)는 보다 더 많은 클러치 경로의 토크로 옮겨지는 토크를 더 많이 전달하여 출력 샤프트(34)와 입력 샤프트(32)에 비례적으로 더 많은 토크를 전달하게 된다. 그와 같이 입력 샤프트(32)에 의한 보다 더 많은 토크 수요로 인해, 제1 구동륜(2)에 대한 토크는 보다 덜한 채로 남겨진다. 즉, 자기 분말 클러치(38)의 코일(64)을 통과하는 전류의 양이 총 토크 중에서 토크 커플링(14)을 통해 트랜스미션 샤프트(10)에 돌려지는 비율, 즉 제2 구동륜(2)에 송출되는 토크의 양을 결정한다. 트랜스미션 샤프트(10)로부터의 잔여 토크는 제1 구동륜(2)으로 간다. 요컨대, 자기 분말 클러치(38)의 코일(64)에서의 전류가 제1 구동륜(2)과 제2 구동륜(4) 사이의 토크 배분을 제어한다. 그것은 종래의 플레이트형 클러치와는 대조적인 것으로, 종래의 플레이트형 클러치에서는 플레이트에 인가되는 압력, 클러치에서의 슬립피지의 양, 및 온도와 같은 다른 변수가 그 클러치를 통해 전달되는 토크의 양을 제어하였다. 또한, 본 발명에서의 토크와 전류 사이의 관계는 선형에 가깝고, 그에 의해 제1 구동륜(2)과 제2 구동륜(4) 사이의 토크 배분에 대한 양호한 제어가 제공되게 된다.

클러치(38)는 입력 샤프트(32)가 출력 샤프트(34)보다 더 빠르게 회전함에 따라 전형적인 구동 조건 하에서 약간의 슬립피지를 보이기는 하지만, 각속도의 차가 그리 크지 않아 단지 매우 적은 동력의 소산만을 일으킬 뿐이다.

토크 커플링(12)을 통해 전달되는 토크의 대부분은 기계적 경로를 통과하고, 상대적으로 클러치 경로로는 별로 통과하지 않는다. 따라서, 클러치(38)가 상대적으로 콤팩트하고 경량으로 될 수 있다. 또한, 코일(64)과 그것을 통과하는 전류는 토크 커플링(14)을 통해 전달되는 토크를 제어하는데, 그것은 플레이트형 클러치에 사용되는 피스톤, 볼 램프, 및 기타의 장치보다 훨씬 덜 복잡하다.

차량(A 또는 B)에 있는 센서는 임의의 순간에 차량이 겪는 구동 조건을 모니터링하여 그러한 작동 조건을 반영하는 신호를 마이크로프로세서에 보낸다. 마이크로프로세서는 다시 클러치(38)의 코일(64)을 통과하는 전류의 양을 제어하여 제1 구동륜(2)에 전달되는 토크 및 제2 구동륜(4)에 전달되는 토크가 그 구동 조건에 가장 잘 맞춰지도록 한다.

변형된 토크 커플링(86)(도 7)은 토크 커플링(14)(도 4)과 동일한 운동학적 원리에 의거한 것이지만, 다소 다른 구성을 갖는다. 변형된 토크 커플링(86)에서는 입력 샤프트(32)가 클러치(3)의 전기자(70) 상에 있는 슬리브(72)를 통해, 그리고 유성 기어 세트(36)의 태양 기어(42)를 통해 연장된다. 입력 샤프트(32)와 슬리브(72)는 짝맞춤 스플라인을 통해 맞물리지만, 태양 기어(42)는 입력 샤프트(32)를 중심으로 하여 자유롭게 회전한다. 태양 기어(42)를 지나서, 입력 샤프트(32)는 플랜지(88)를 통해 링 기어(46)에 연결된다. 다른 한편으로, 태양 기어(42)는다른 플랜지(90)에 커플링되고, 플랜지(90)는 다시 기계 나사(92)에 의해 클러치(38)의 전자석(60)에 고정되는데, 그 기계 나사(92)는 전자석(60)을 통과하여 플랜지(90)에 나사 결합된다. 출력 샤프트(34)는 그 내부에서 유성 기어 세트(36)가 회전하는 드럼(94)에 커플링되고, 드럼(94)은 유성 기어 세트(36)의 캐리어(54)에 연결된다.

다른 변형된 토크 커플링(100)(도 8)은 본질적으로 동일한 클러치(38)를 사용하지만, 토크 커플링(14, 86)과는 다소 다른 운동학적 원리로 작동하는 유성 기어 세트(102)에 의거하고 있다. 그러한 유성 기어 세트(102)는 2개의 태양 기어(104, 106)를 포함한다. 2개의 태양 기어(104, 106)는 축선(X)을 중심으로 하여 회전하지만, 서로 분리되어 하나의 태양 기어(104)는 입력 샤프트(32)에 연결되지만, 다른 태양 기어(106)는 출력 샤프트(34)에 연결된다. 그러한 태양 기어(104, 106)는 스핀들(114)을 구비한 캐리어(112)에 커플링되는 유성 기어(108, 110)와 맞물린다. 실제로, 유성 기어(108, 110)는 단일의 유성 기어(108)와 단일의 유성 기어(110)를 포함한 각각의 쌍이 캐리어(112)의 단일의 스핀들(114)의 둘레에 배치된 채로 쌍을 이루어 편제된다. 하나의 쌍의 유성 기어(108, 110)는 그 스핀들(114)을 중심으로 하여 일제히 동일한 각속도로 회전하도록 함께 결합된다. 캐리어(112)는 클러치(38)의 전자석(60)에 부착되는 반면에, 클러치(38)의 전기자(70)는 태양 기어(104)에 부착되고, 물론 입력 샤프트(32)에도 부착된다. 그러한 기어(104, 106, 108, 110)와 캐리어(112)는 모두 유성 기어 세트(102)의 구성 요소를 이룬다.

토크 커플링(100)의 작동 시에는 그 토크 커플링(100) 내의 입력 샤프트(32)에 인가되는 토크가 기계적 경로와 클러치 경로로 나누어진 후에 재결합되어 출력 샤프트(34)에서의 토크가 본질적으로 입력 샤프트(32)에 인가되는 토크와 동일하게 된다. 기계적 경로에서는 토크가 태양 기어(104)로부터 유성 기어(108)로, 아울러 그 유성 기어(108)가 결합된 유성 기어(110)로, 그리고 그 곳으로부터 다른 태양 기어(106)와 그것이 연결된 출력 샤프트(34)로 통과한다. 클러치 경로에서는 토크가 입력 샤프트(32)로부터 자기 분말 클러치(38)의 전기자(70)로, 그리고 그 곳으로부터 클러치(38)의 전자석(60)으로 통과한다. 캐리어(112)를 통해 유성 기어(108, 110)에 커플링되는 전자석(60)은 캐리어(112)와 유성 기어(108, 110)를 축선(X)을 중심으로 하여 회전시키고, 그에 따라 토크를 클러치(38)의 전자석(60)으로부터 유성 기어(110)가 맞물린 태양 기어(106)로 전달하고, 물론 태양 기어(106)가 연결된 출력 샤프트(34)로도 전달한다.

단일의 토크 커플링(14)은 차량(A, B)의 제1 구동륜(2)과 제2 구동륜(4) 사이에 토크를 배분하지만, 다중의 토크 커플링(14) 또는 그에 관한 한 다중의 토크 커플링(86 또는 100)은 또 다른 차량(C)(도 9)의 4개의 모든 바퀴(2, 4) 사이에 토크를 분배하는데 사용될 수 있다. 그러한 차량(C)에서는 각각의 바퀴(2, 4)가 그 자체의 차축 샤프트(120)를 구비하고, 각각의 차축 샤프트(120)는 별개의 토크 커플링(14)의 출력 샤프트(34)에 연결된다. 차량(C)의 전방에 있는 2개의 토크 커플링(14)은 공통의 크로스 샤프트(122)에 연결된 그 입력 샤프트(32)를 구비한다. 그것은 차량의 후방에 있는 토크 커플링에서도 마찬가지인데, 그 경우에 2개의 후방 토크 커플링(14)의 입력 샤프트(32)는 다른 크로스 샤프트(124)에 연결된다. 양자의 크로스 샤프트(122, 124)는 차동 장치(12 또는 16)나 토크 커플링(14)을 개재함이 없이 트랜스미션의 샤프트(10)에 연결된다. 차량(C)의 작동 시에는 트랜스미션(8)의 샤프트(10)에 송출되는 토크가 트랜스미션 샤프트(10)와 크로스 샤프트 중의 어느 하나(122 또는 124) 사이에 슬립피지를 전혀 발생시킴이 없이 크로스 샤프트(122, 124)로 전달된다. 4개의 토크 커플링(14)은 개개의 바퀴(2, 4)에 송출되는 토크를 제어하고, 그에 따라 트랜스미션샤프트(10)에서의 토크가 4개의 토크 커플링(14)의 클러치(38)의 전자석(60)에서의 전류를 변경함으로써 4개의 바퀴(2, 4) 사이에 배분되게 된다. 예컨대, 바퀴(4) 중의 하나가 슬립을 일으키기 시작하면, 그 바퀴에 있는 토크 커플링(14)의 클러치(38)를 통과하는 전류가 감소될 수 있고, 그것은 견인력이 더 좋은 나머지 바퀴(2, 4)에 보다 더 많은 토크가 전달되는 효과를 낳는다.

다른 변형예도 가능한데, 그 변형례는 상이한 연결 요소를 갖는 동일한 유성 기어 세트(36 또는 102)나 심지어 다른 유성 기어 세트를 채용할 수 있다. 그러한 연결 요소 또는 유성 기어와는 상관이 없이, 그 장치는 토크를 기계적 경로와 클러치 경로로 배분하되, 토크의 대부분이 기계적 경로를 통과하도록 해야 한다. 같은 맥락으로, 입력 샤프트(32)와 출력 샤프트(34)는 그대로 유지되어 토크가 출력 샤프트(34)에 인가되고 입력 샤프트(32)로부터 송출되도록 한다. 또한, 유성 기어 세트(36, 102)는 기어 장치에 의거할 필요가 없고, 그 대신에 마찰 표면에 의거하여 견인 장치 또는 구동 장치로 될 수 있다. 실제로, 토크 커플링(14, 86, 100)은토크를 차량의 제2 구동륜에 전달하는데 국한될 필요가 없다. 그들 토크 커플링은 자동차의 기계 장치 이외의 기계 장치에 적용되기도 하고, 자동차에서도 다른 지점에 사용될 수 있다.

Claims (22)

1. 제1 구동륜, 제2 구동륜, 엔진, 및 제1 구동륜에 직접 연결된 트랜스미션을 구비하는 자동차에서 트랜스미션을 제2 구동륜에 간접적으로 연결하는 토크 커플링에 있어서,

   트랜스미션에 연결되는 입력 토크 부재와 제2 구동륜에 연결되는 출력 토크 부재;

   상이한 각속도로 회전할 수 있는 제1 및 제2 클러치 부재를 구비하고, 클러치 부재가 상이한 각속도로 회전할 때에 클러치 부재 사이에 토크를 전달할 수 있으며, 제1 클러치 부재가 토크 부재 중의 하나에 연결되는 클러치; 및

   축선을 중심으로 하여 편제되는 제1, 제2, 제3, 및 제4 요소를 구비하고, 제1 요소는 제1 클러치 부재와 토크 부재 중의 하나에 연결되며, 제2 요소는 제2 클러치 부재에 연결되고, 제3 요소는 다른 토크 부재에 연결되며, 제4 요소는 제1 요소와 제2 요소 사이 및 제2 요소와 제3 요소 사이에 연결되는 유성 기어 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
2. 제1항에 있어서, 클러치는 자기 분말 클러치인 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
3. 제2항에 있어서, 클러치 부재는 유성 기어 세트의 축선과 합치되는 공통의축선을 중심으로 하여 회전하는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
4. 제3항에 있어서, 입력 토크 부재와 출력 토크 부재도 역시 동일한 축선을 중심으로 하여 회전하는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
5. 제4항에 있어서, 제2 요소는 축선을 중심으로 하여 회전하는 태양 요소이고, 제1 요소는 축선의 둘레에 배치된 링 요소이며, 제4 요소는 태양 요소와 링 요소 사이에 배치되어 그와 맞물리는 유성 요소이고, 제3 요소는 유성 요소 상에서 축선을 중심으로 하여 회전하는 캐리어 요소인 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
6. 제4항에 있어서, 제1 요소는 축선을 중심으로 하여 회전하는 태양 요소이고, 제3 요소도 역시 축선을 중심으로 하여 회전하는 태양 요소이며, 제4 요소는 그 2개의 태양 요소와 맞물리는 유성 요소이고, 제2 요소는 제4 요소가 그것을 중심으로 하여 회전하는 캐리어 요소인 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
7. 토크 공급원에 연결되기 적합하게 형성된 입력 토크 부재;

   그로부터 토크가 송출되는 출력 토크 부재;

   공통의 축선을 중심으로 하여 회전하는 제1 및 제2 클러치 부재를 구비하고, 클러치 부재가 상이한 각속도로 회전할 때에 클러치 부재 사이에 토크를 전달할 수 있으며, 제1 클러치 부재가 토크 부재 중의 하나에 연결되는 클러치; 및

   동일한 축선을 중심으로 하여 편제되고, 그 축선을 중심으로 하여 편제된 제1, 제2, 제3, 및 제4 요소를 구비하며, 제1 요소는 제1 클러치 부재와 토크 부재 중의 하나에 연결되며, 제2 요소는 제2 클러치 부재에 연결되고, 제3 요소는 다른 토크 부재에 연결되며, 제4 요소는 제1 요소와 제2 요소 사이 및 제2 요소와 제3 요소 사이에 연결되는 유성 기어 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
8. 제7항에 있어서, 클러치 부재는 대향된 표면을 구비하고, 클러치는 대향된 표면 사이에 있는 자기 입자 및 클러치 부재 중의 하나에 있는 전기 코일을 추가로 구비함으로써 클러치 부재 사이에 전달되는 토크가 코일을 통과하는 전류에 의존하여 달라지는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
9. 제8항에 있어서, 클러치 부재는 다른 클러치 부재 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
10. 제9항에 있어서, 제1 클러치 부재는 제2 클러치 부재를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
11. 제9항에 있어서, 제2 클러치 부재는 제1 토크 부재를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
12. 제8항에 있어서, 동력 유닛, 동력 유닛에 직접 연결된 제1 바퀴, 및 제8항에 따른 토크 커플링을 통해 동력 유닛에 간접적으로 연결되는 제2 바퀴를 구비한 자동차와 조합되는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
13. 제8항에 있어서, 동력 유닛, 전반적으로 차량을 가로질러 차축을 따라 정렬되는 바퀴, 및 그와 같이 정렬된 각각의 바퀴에 대한 별개의 토크 커플링을 통해 그 각각의 바퀴에 토크가 전달되도록 각각의 바퀴와 동력 유닛 사이에 연결되는 제8항에 따른 별개의 토크 커플링을 구비한 자동차와 조합되는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
14. 제8항에 있어서, 제2 요소는 축선을 중심으로 하여 회전하는 태양 요소이고, 제1 요소는 축선의 둘레에 배치된 링 요소이며, 제4 요소는 태양 요소와 링 요소 사이에 배치되어 그와 맞물리는 유성 요소이고, 제3 요소는 유성 요소 상에서 축선을 중심으로 하여 회전하는 캐리어 요소인 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
15. 제8항에 있어서, 제1 요소는 축선을 중심으로 하여 회전하는 태양 요소이고, 제3 요소도 역시 축선을 중심으로 하여 회전하는 태양 요소이며, 제4 요소는 그 2개의 태양 요소와 맞물리는 유성 요소이고, 제2 요소는 제4 요소가 그것을 중심으로 하여 회전하는 캐리어인 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
16. 축선을 중심으로 하여 편제되고 밀접하게 이격된 대향 표면을 갖는 내부 및 외부 클러치 부재, 대향 표면 사이의 공간에 있는 자기 입자, 및 클러치 부재 중의 하나에 있는 코일을 구비하고, 그 모든 구성 요소는 클러치에 의해 전달되는 토크가 코일에서의 전류에 의존하여 달라지도록 구성되는 자기 분말 클러치; 및

    동일한 축선을 중심으로 하여 편제되고, 클러치 부재 중의 하나에 연결되는 태양 기어, 태양 기어를 둘러싸고 다른 클러치 부재에 연결되는 링 기어, 태양 기어와 링 기어 사이에 배치되어 그와 맞물리는 유성 기어, 및 축선을 중심으로 하여 회전할 수 있고 그것을 중심으로 하여 유성 기어가 회전하는 스핀들을 갖는 캐리어를 구비하는 유성 기어 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
17. 제16항에 있어서, 토크 입력 부재와 토크 출력 부재를 추가로 구비하고, 그 중의 하나는 링 기어에 연결되며, 다른 하나는 캐리어에 연결되는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
18. 축선을 중심으로 하여 편제되고 밀접하게 이격된 대향 표면을 갖는 내부 및 외부 클러치 부재, 대향 표면 사이의 공간에 있는 자기 입자, 및 클러치 부재 중의 하나에 있는 코일을 구비하고, 그 모든 구성 요소는 클러치에 의해 전달되는 토크가 코일에서의 전류에 의존하여 달라지도록 구성되는 자기 분말 클러치; 및

    동일한 축선을 중심으로 하여 편제되고, 내부 클러치 부재에 연결되는 제1태양 기어, 제2 태양 기어, 제1 및 제2 태양 기어와 맞물리는 공동 결합형 유성 기어, 및 축선을 중심으로 하여 회전할 수 있고 그것을 중심으로 하여 유성 기어가 회전하는 스핀들을 가지며 외부 클러치 부재에 연결되는 캐리어를 구비하는 유성 기어 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
19. 제18항에 있어서, 토크 입력 부재와 토크 출력 부재를 추가로 구비하고, 그 중의 하나는 클러치 부재 중의 하나와 제1 태양 기어에 연결되며, 다른 하나는 제2 태양 기어에 연결되는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
20. 제1 바퀴와 제2 바퀴 및 제1 바퀴에 직접 연결되는 동력 유닛을 구비한 자동차에서 동력 유닛과 제2 바퀴 사이에 연결되어 제1 바퀴와 제2 바퀴 사이에 토크를 배분하고, 토크가 동력 유닛과 제2 바퀴 사이에 전달되면서 거치는 기계적 경로와 클러치 경로가 존재하되, 기계적 경로를 통해 전달되는 토크의 양에 대한 클러치 경로를 통해 전달되는 토크의 양이 클러치에 의해 변경될 수 있음으로써 제1 바퀴와 제2 바퀴 사이의 토크 배분이 클러치에 의해 제어되도록 연결되는 클러치와 유성 기어 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
21. 제20항에 있어서, 클러치는 전기 코일을 포함하는 자기 분말 클러치이고, 클러치 경로를 통해 전달되는 토크의 비율은 코일을 통과하는 전류에 의존하여 달라지는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.
22. 코일 및 토크가 토크 커플링을 통과하면서 거치는 기계적 경로와 클러치 경로가 존재하되, 기계적 경로를 통해 전달되는 토크의 양에 대한 클러치 경로를 통해 전달되는 토크의 양이 가변적이고 코일을 통과하는 전류에 의존하여 달라지도록 클러치에 연결되는 유성 기어 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 커플링.