KR20040086784A - 볼 램프 작동기 메커니즘을 갖는 동기장치 - Google Patents

볼 램프 작동기 메커니즘을 갖는 동기장치 Download PDF

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Abstract

변속기와 동력분배장치(transfer case)같은 자동차 동력전달계통(drive line) 요소용 동기장치(synchronizer)는 동기력(synchronizing force)을 증폭시켜서 이를, 상이하게 회전하는 요소들간의 동기화를 이루는, 한 쌍의 마찰클러치 팩(friction clutch pack)중 어느 하나에 가하는 한 쌍의 볼 램프 메커니즘(ball ramp mechanism)을 포함한다. 이 동기장치는 상대적으로 적은 작동하중을 갖는다. 각 볼 램프 메커니즘은, 그 회전 운동 범위가 한정되며 또한 그 축 방향 이격과 중간의 압축 스프링 조립체를 한정하는, 한 쌍의 볼 램프 멤버를 가진다. 볼 램프 멤버의 스프링 조립체와 운동 범위는, 갑작스럽고 통제할 수 없는 마찰클러치 팩의 발동작용 및 상응하는 갑작스런 회전 요소의 동기화를 방지하기 위해, 볼 램프 메커니즘에 의해 발생되고 마찰클러치 팩에 가해지는 힘을 한정한다.

Description

볼 램프 작동기 메커니즘을 갖는 동기장치{SYNCHRONIZER HAVING BALL RAMP ACTUATOR MECHANISM}
본 발명은, 크게는 변속기와 동력분배장치(transfer case)같은 자동차 동력전달계통(drive line) 요소용 동기장치(synchronizer)에 관련한 것이며, 보다 구체적으로는 볼 램프 구동기 메커니즘을 갖는 상기 요소용 동기장치에 관련한 것이다.
자동차 동력전달계통에 있어서는, 하나의 회전 멤버를 다른 속도로 회전하는 또 다른 회전멤버에 연결할 필요가 종종 있다. 이 경우에 있어서, 평활한 결속을 위한 연결에 우선하여 두 개의 회전 멤버간의 속도를 동조, 일치시키는 것이 일반적으로 바람직하다. 변속기와 동력분배장치용 동기장치들은 70년 이상 동안 사용되어 왔다. 가장 자주 접하는 동조장치는 승용차나 트럭에 상용화된 수동 변속기에서 찾아볼 수 있다.
자동차 파워트레인 제품들의 정교함이 증가함에 따라, 신 장치들은 회전멤버 중에서 하나를 다른 하나에 동기화 시키기 위해 그 속도를 조정하고(종종 제동에 의해서) 이들이 결속되고 조절되도록 하기 위해 회전 멤버들의 속도를 모니터링 하는 센서들을 상용화하고 있다. 다른 구동트레인에서는, 엔진과 변속기 양자의 속도를 조절시킬 수 있는 전자제어기는 어떤 기계적 동기장치를 사용하지 않고서도 회전멤버간의 동기화를 실현시킨다.
상기의 특별한 장치들이 있음에도, 예를 들어 동력전달장치에서는 여전히 동기장치에 대한 수요가 있다. 동력전달장치의 동기장치에 대한 빈번한 요구사항은빠른 작동, 다시 말해, 동기현상은 대체로 1초 이내에 달성되어야 하고 이 동기장치는 상대적으로 적은 힘을 받아야 한다는 것이다. 종종 그러한 것처럼, 이러한 두 가지 요구사항은 서로 배타적이다. 즉, 보다 빨리 작동하는 동기장치는 대체로 보다 큰 전달 하중과 에너지 조건을 갖춘 보다 큰 장치를 요구한다. 또한, 보다 작은 장치는 적은 에너지를 요구하지만 대체로 적은 힘을 발생시키고, 동기현상을 달성하기 위해서 보다 긴 시간을 요구한다.
따라서, 보다 빠른 반응시간과 낮은 작동하중 및 동력소모를 갖는 동기장치가 바람직함은 명백하다.
변속기와 동력분배장치 같은 자동차 동력전달계통용 동기장치는 동기력을 증폭시켜서 이를, 상이하게 회전하는 요소들간의 동기화를 이루는, 한 쌍의 마찰클러치 팩 중에서 어느 하나에 가하는 한 쌍의 볼 램프 메커니즘을 포함한다. 이 동기장치는 상대적으로 낮은 작동하중을 갖는다. 각 볼 램프 메커니즘은, 그 회전 운동 범위가 한정되며 또한 그 축 방향 이격과 중간의 압축 스프링 조립체를 한정하는, 한 쌍의 볼 램프 멤버를 가진다. 볼 램프 멤버의 스프링 조립체와 운동 범위는, 갑작스럽고 통제할 수 없는 마찰클러치 팩의 발동작용 및 상응하는 갑작스런 회전 요소의 동기화를 방지하기 위해, 볼 램프 메커니즘에 의해 발생되고 마찰클러치 팩에 가해지는 힘을 한정한다.
따라서, 본 발명의 과제는 변속기와 동력분배장치 같은 자동차 동력전달계통 요소에 사용되는 동기장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 볼 램프 구동기 메커니즘과 마찰 클러치 팩을 가진 동기장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 상대적으로 적은 구동력을 갖는 동기장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 회전하며 힘을 한정하는 요소를 갖는 한 쌍의 볼 램프 메커니즘을 구비한 자동차 동력전달계통 요소용 동기장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 중요한 과제는 볼 램프 멤버들간 상대 회전운동을 한정하는 멈춤 기능을 가진, 한 쌍의 볼 램프 메커니즘을 구비한 자동차 동력전달계통 요소용 동기장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제이자 이점들은, 다음의 바람직한 실시예에 대한 기술과 첨부된 도면(유사한 참조번호는 동일한 부품이나 요소 또는 특성을 나타낸다)을 참조하면, 명백해질 것이다.
도1: 본 발명을 포함하는 동력분배장치를 갖는 자동차의 동력전달계통에 대한 도식도.
도2: 본 발명에 따른 동기장치를 포함하는 자동차의 동력전달계통에 대한 전체 단면도.
도3: 본 발명에 따른 동기장치의 확대 부분 단면도.
도4: 본 발명에 따른 동기장치 조립체의 크게 확대한 부분 단면도.
도5: 도4의 (5-5)라인을 따라 취한 것으로, 본 발명에 따른 동기장치의 일부의 전체 단면도.
도6: 도2의 (6-6)라인을 따라 취한 것으로, 경사진 홈과 동력분배장치의 전 자기 클러치의 볼 램프 작동기 중 하나의 하중전달 볼에 대한 평면 확대도.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 4륜차의 구동트레인 14: 변속기 16: 동력분배장치 조립체
20: 제1 또는 후방 동력전달계통 30: 제2 또는 전방 동력전달계통
50: 금속 하우징 조립체 52: 입력샤프트 60: 제1 출력샤프트
68: 축 방향 통로 74: 플랜지 80: 유성기어 감속 조립체
82: 태양기어 88: 피니언 또는 유성기어 94: 스터브 샤프트
96: 유성기어 운반체(planet carrier)
114: 고정 링 기어(stationary ring gear) 130: 동기장치 조립체
132; 환형 시프트 고리 134: 시프트 포크( shift fork) 136: 그루브
150: 내부 고정 고리(inner detented collar) 154:원주의 그루브
156:원주형 스프링 164A,164B,184A 및 184B: 원형멤버
172A 및 172B: 하중 전달 볼 168A,168B,188A 및 188B: 휘어진 홈
182: 압축 스프링 194A 및 194B: 평면 와셔
200A 및 200B: 마찰 클러치 팩(friction clutch pack)
210: 시프트 오퍼레이터 조립체(shift operator assembly)
216: 시프트 샤프트 또는 레일(shift shaft or rail)
218: 전기 모터 구동 메커니즘
220: 디스크 팩 형태 클러치 조립체 228: 하중 전달 볼
232: 원형 피구동 멤버(driven member)
222: 원형 구동 멤버 (drive member)
244: 전자기 코일 242: 전기자(armature) 246: 전기 전도체
250: 디스크 팩 클러치 조립체 254; 첫 번째 복수의 디스크
258: 두 번째 복수의 보다 큰 마찰 판 또는 디스크
262: 체인 구동 스프로킷(chain drive sprocket) 272: 제2 출력샤프트
이제 도1을 참조하면, 4륜차의 구동트레인이 도식적으로 그려져 있고 참조번호(10)가 지정되어 있다. 4륜차의 구동트레인(10)은 변속기(14)에 연결되어 바로 이를 구동하는 원동기(12)를 포함한다. 변속기(14)는 자동 또는 수동 타입일 수 있다. 변속기(14)의 출력은, 제1(primary) 또는 후방 추진샤프트(22)와 제1 또는 후방 차동기어(differential)(24)와 한 쌍의 작동중인 제1 또는 후방 차축(26)과 제1 또는 후방 타이어 및 휠 조립체(28)의 각 쌍을 포함하는 제1 또는 후방 동력전달계통(20)에 원동력을 제공하는, 동력분배장치 조립체(16)를 직접 구동한다.
동력분배장치 조립체(16)는 또한 선택적으로, 제2(secondary) 또는 전방 추진샤프트(32)와 제2 또는 전방 차동기어 조립체(34)와 한 쌍의 작동중인 제2 또는 전방 차축(36)과 제2 또는 전방 타이어 및 휠 조립체(38)의 각 쌍을 포함하는, 제2 또는 전방 동력전달계통(30)에 원동력을 제공한다. 전방 타이어 및 휠 조립체(38)는 제2 또는 전방 차축(36)의 쌍 중의 하나에 각각 직접 연결될 수 있고, 원한다면, 수동으로 또는 원격으로 활성화시킬 수 있는 잠금 허브(locking hub)(42) 한 쌍이 선택적으로 연결하기 위하여 제2 또는 전방 차축(36)의 쌍과 제2 또는 전방 타이어 및 휠 조립체(38)의 쌍의 각 하나 사이에 작동 가능하게 배치될 수 있다.
마지막으로, 제1 또는 후방 동력전달계통(20)과 제2 또는 전방 동력전달계통(30)은, 여러 샤프트와 요소들간의 정적 및 동적 오프셋과 오 정렬을 가능케 하기 위해 전형적인 방식으로 기능하는 적절하고 알맞게 배치된 유니버셜 조인트(44)를 포함할 수 있다. 바람직하게는 차량 운전자가 편리하게 접근할 수 있는 곳에 배치된 제어반(control console)(46)은, 다음에서 상세하게 기술될 것처럼 동력분배장치 조립체(16)의 작동모드의 선택을 용이하게 하는, 한 개 또는 복수의 개별 스위치 또는 누름 버튼(48)들을 포함한다.
앞서 그리고 뒤에 기술될 자동차는 후방 동력전달계통(20)이 제1 동력전달계통으로 기능(즉, 대체로 항상 연결되고 작동하는)을 하고, 그에 상응하게, 전방 동력전달계통(30)은 제2 동력전달계통으로 기능(즉, 단지 일정 시간 또는 제2의 또는 보조적인 방식으로 연결되고 작동하는)을 하는데, 이러한 자동차는 일반적으로 후륜 구동 자동차로 불린다.
"제1의" 와 "제2의" 같은 이러한 지정은, 여기 공개되고 청구된 본 발명이 제1 동력전달계통(20)이 자동차의 전방에 배치되고 제2 동력전달계통(30)이 자동차의 후방에 배치되는 변속기와 동력분배장치에서 용이하게 구현되는 한, 여기서는 "전방의"와 "후방의"보다 더 사용된다. "제1의" 와 "제2의" 같은 이러한 지정은 그래서 각 동력분배계통의 특정한 위치보다는 그 기능을 넓고 적절하게 특징짓고있다.
이제 도1과 도2를 참조하면, 본 발명이 구현된 동력분배장치 조립체(16)는, 평면 또는 원형의 실링 표면(sealing surface)과 샤프트, 베어링, 다양한 홈, 숄더(shoulder), 플랜지(flange), 대응보어(counterbore) 및 이와 유사한 것들이 동력분배장치 조립체(16)의 조립체 및 다양한 요소들을 수용하도록 하는 구멍(opening)을 갖는, 여러 조각으로 구성되며 전형적으로 주조된 금속 하우징 조립체(50)를 포함한다. 입력샤프트(52)는 변속기(14)(도1에 도시됨)의 출력을 입력샤프트(52)에 구동할 수 있게 연결하는 암 또는 내부 스플라인(spline) 또는 기어 이(54), 또는 다른 적절한 구조를 포함한다. 입력 샤프트(52)는 외부에서는 볼 베어링 조립체(56)같은 비 마찰 베어링에 의해, 내부에서는 롤러 베어링 조립체(58)와 같은 비 마찰 베어링에 의해 회전 가능한 채로 지지된다. 롤러 베어링 조립체(58)는 제1 출력샤프트(60)의 직경이 줄어든 부분에 위치한다. 입력샤프트(52)와 하우징 조립체(50)사이에 위치한 기름 밀봉(oil seal)(62)은 그 사이에서 적당하게 유체의 빈틈없는 실을 제공한다.
출력 샤프트(60)의 대응 단부는 볼 베어링 조립체(64)같은 비 마찰 베어링에의해 지지된다. 단부 캡(cap) 또는 실(seal, 66)은 제1 출력 샤프트(60)에서 축 방향 통로(68)의 단부를 차폐한다. 지로터 펌프(gerotor pump)(70)는, 제1 출력샤프트(60)에 있는 복수의 방사상 포트(port)를 통해 동력분배장치 조립체(16)의 요소들에 분배되는, 윤활 및 냉각용 유체의 흐름을 축 방향 통로(68)에 제공하기 위해, 일반적으로 사용된다. 하우징(50)과 플랜지(74) 같은 출력 부분 사이에 위치한 오일 실(72)은 하우징(50)과 제1 출력 샤프트(60) 사이에 밀봉(seal)을 형성한다.
이제 도2와 도3을 참조하면, 동력분배장치 조립체(16)는 유성기어 감속 조립체(80)를 포함한다. 유성기어 감속 조립체(80)는, 내부 결속하는 스플라인(84)에 의해 입력 샤프트(52)에 연결되는 고리이거나 또는 그것과 함께 일체로 형성되는, 태양기어(82)를 포함한다. 태양기어(82)는 복수의 피니언 또는 유성기어(88)와 일정하게 맞물리는 기어 이(86)를 갖는다. 유성기어(88)는, 고정된 스터브 샤프트(stub shaft)(94)에 의해 지지되는 롤러 베어링(92)위에 회전 가능하게 위치하거나, 또는 피니언 기어(88)는 원한다면 스터브 샤프트(94) 위에 직접 회전 가능하게 위치하여 지지 받을 수 있다. 스터브 샤프트(94)는, 종 모양의 연장부(bell shaped extension)(98)와 숫 또는 외부 스플라인 또는 기어 이(100)를 포함하는, 유성기어 운반체(planet carrie)(96) 내에 위치하고 지지된다. 유성기어 운반체(96)는 또한 입력 샤프트(52)에 위치한 숄더(104)를 일 측면에 결속시키고 반대 측면에 위치한 스페이서(spacer)(106)에 의해 축 방향으로 위치한 원형 디스크(102)에 의해 지지된다.
복수의 피니언 또는 유성 기어(88)는, 예를 들어 스냅 링(snap ring)(116)에의해서 하우징(50)내에 유지되는 고정 링 기어(stationary ring gear)(114)의 기어 이(112)와 일정하게 맞물리게 된다.
입력 샤프트(52)는 긴 슬리브 또는 퀼(sleeve or quill)(122)을 포함한다. 슬리브 또는 퀼(122)은 상기 롤러 베어링 조립체(58)의 쌍에 의해 회전 가능하게 지지된다. 입력 샤프트(52)의 슬리브 또는 퀼(122)은, 유성기어 운반체(96)위에 위치한 숫 스플라인 또는 기어 이(100)와 떨어진 채 축 방향으로 정렬된 숫 스플라인 또는 기어 이(126)를 포함한다.
이제 도3 및 도4를 참조하면, 동력분배장치 조립체(16)는 또한 동기장치 조립체(130)를 포함한다. 동기장치 조립체(130)는, 원주의 통로 또는 그루브(136)내에 수용되는 시프트 포크( shift fork)(134)의 상응하는 2방향 운동에 의해 그 중심 위치에서 2방향으로 이동될 수 있는 외부의 환형 시프트 고리(outer annual shift collar)(132)를 포함한다. 환형 시프트 고리(132)는, 제1 출력 샤프트(60)의 환형 멤버(144) 위에 형성된 숫 또는 외부 스플라인 또는 기어 이(142)와 보완적이며 일정한 결속을 유지하는, 내부 또는 암 스플라인 또는 기어 이(138)를 포함한다. 환형 시프트 고리(132)는 또한, 입력 샤프트 슬리브 또는 퀼(122) 위에 위치한 유성기어 운반체(96)와 숫 스플라인(126) 상의 숫 스플라인(100)과 보완적이며 축 방향으로 정렬된, 내부 또는 암 스플라인 또는 기어 이(148)를 포함한다. 숫 또는 외부 스플라인 또는 기어 이(152)를 갖는 내부 고정 고리(inner detented collar)(150)는 환형 시프트 고리(132)내에 수용되어 함께 회전한다. 고정 고리(150)는, 이완상태에서는 얕고 기울어진 벽을 갖으며 외부의 환형 시프트고리(132)에 있는 원주형 홈(158)내에 놓이게 되는 수축 가능한 원주형 스프링(156)을 수용할 수 있는, 원주의 통로(154)를 포함한다. 원주의 그루브(154), 수축 가능한 원주형 스프링(156) 및 기울어진 벽을 가진 원주형 홈(158)은, 고정된 고리(150)와, 고정된 고리가 도3에 도시된 위치에서 이탈되었을 때 이 고정된 고리를 운동에 대한 약간의 저항력을 제공하며 도3에 도시된 중심 위치로 이 고정된 고리의 복귀를 돕는, 환형 시프트 고리(132) 사이의 정지시키는 동작을 제공하기 위하여 함께 작동한다.
이제 도3, 4 및 5를 참조하면, 축 방향으로 연장된 내부 또는 암 스플라인 또는 기어 이(162)의 구역이 고정된 고리(150)의 내부 면의 중심에 위치해 있다. 상기 스플라인 또는 기어 이(162)는, 고정 고리(150) 상의 암 스플라인 또는 기어 이(162)와 보완적이며 결속된 스플라인(166A 및 166B)을 포함하는, 첫째 또는 내부 좌우 원형 볼 램프 멤버(164A 및 164B)와 맞물린다. 상기 원형 멤버(164A 및 164B)는 동일한 복수의 하중 전달 볼(172A 및 172B)을 수용하는 복수의 경사진 벽을 가진, 휘어진 홈(168A 및 168B)을 포함한다. 바람직하게는, 휘어진 홈(168A 및 168B)은 각도 상으로 거의 90도 이상 100도까지 연장된다. 상기 원형 멤버(164A 및 164B)는 또한, 보완적인 형태를 가진 숫 또는 외부 스플라인 또는 기어 이(178)를 입력 샤프트의 슬리브 또는 퀼(122) 위에 자유롭게 회전할 수 있게 위치하는 고리 또는 허브(180)에 결속하는, 내부 또는 암 스플라인 또는 기어 이(174A 및 174B)를 포함한다. 상기 스플라인 또는 기어 이(178)는 120도 간격으로 배치된 단지 3개의 스플라인 또는 기어 이(178)가 고리 또는 허브(180)상에 존재한다는 점에서 표준형은 아니다. 제1 출력 샤프트(60), 환형 시프트 고리(132), 고정 고리(150), 첫째 또는 내부 클러치 멤버(164A 및 164B) 및 고리 또는 허브(180)는 모두 함께 회전한다는 것을 이해할 것이다.
압축 스프링(182)은 첫째 또는 내부 좌우 원형 볼 램프 멤버(164A 및 164B)의 인접한 면 사이에서 작동하도록 위치한다. 압축 스프링(182)은 벨러빌 와셔(Belleville washer), 웨이브 와셔(wave washer) 또는, 제1 출력 샤프트(60)의 중심선에 축 방향으로 평행하게 배열되고 그로부터 등거리 떨어진 복수의 작은 압축 스프링들을 갖는 원형 디스크일 수 있다.
동기장치 조립체(130)는 또한 각각 대응되는 복수의 경사진 벽, 휘어진 홈(188A 및 188B)을 갖는 둘째 또는 외부 좌우 원형 볼 램프 멤버(184A 및 184B)를 포함한다. 바람직하게는, 휘어진 홈(188A 및 188B)은 각도 상으로 대략 90도 이상에서 100도까지 연장한다. 도5에 도시된 것처럼, 120도의 간격을 갖고 떨어져 있는 3개의 숫 또는 외부 스플라인(178)은 대응하는 멤버, 즉 둘째 원형 멤버(184A 및 184B)의 쌍에 각각 위치한 3개의 떨어진 스플라인(192)과 결속한다. 따라서, 둘째 원형 멤버(184A 및 184B)는 고리 또는 허브(180)에 의해 상대적으로 한정된 운동 범위를 통해서 자유롭게 회전한다. 그러한 운동 범위는 80도에서 90도 사이이며, 따라서 대응하는 원형 멤버(184A 및 184B)에 대한 원형 멤버(164A 및 164B)의 상대 회전과 축 방향 이격은 제한적이다.
휘어진 홈(168A,168B,188A 및 188B) 및 하중 전달 볼(172A 및 172B)은 원형 멤버들(164A,164B,184A 및 184B)간의 상대적인 회전에 대한 반응으로 그들의 축 방향 이격을 일으키는 다른 유사한 기계 요소에 의해 대체될 수 있다는 점을 이해할 것이다. 예를 들어, 상보적으로 형성된 원추형 나선에 위치한 테이퍼 롤러(tapered roller)를 사용할 수 있을 것이다.
둘째 또는 원형 외부 멤버(184A 및 184B)의 각각은 대응하는 평면 와셔(194A 및 194B)를 감싸고 결속하는 각각의 숄더(192A 및 192B)를 포함한다. 평면 와셔(194A 및 194B)의 각각의 반대 면은 내부 스플라인 또는 기어 이(162)를 내부 고정 고리(150)에 결속시킨다. 따라서, 고정 고리(150)가 도3에 도시된 위치로부터 좌우로 이동함에 따라, 상기 암 또는 내부 스플라인 또는 기어 이(162)는 고정고리(150)의 이동 방향에 대응하는 방향으로 평면 와셔(194A 또는 194B)중 하나를 결속하고 이동시키고, 대응해서 둘째 또는 외부 원형 멤버(184A 또는 184B)중 하나를 대응하는 좌우 마찰 클러치 팩(friction clutch pack)(200A 또는 200B)과 결속하도록 이동시킨다.
상기 좌우 마찰 클러치 팩(200A 및 200B)은 첫 번째 복수의 보다 큰 마찰 클러치 판 또는 디스크(larger friction clutch plate or disc)(202A 및 202B)를 포함한다. 상기 좌측의 보다 큰 클러치 판 또는 디스크(202A)는 상보적으로 형성된 스플라인 또는 기어 이(204A)를 유성기어 운반체(96)의 종 모양 부분(98)과 결속한다. 왼쪽에 위치한 두 번째 복수의 보다 작은 직경의 마찰 클러치 판 또는 디스크(206A)는 스플라인(178)을 고리 또는 허브(180)에 결속한다. 대응해서, 오른쪽에 위치한 첫 번째의 보다 큰 마찰 클러치 판 또는 디스크(202B)세트는 상보적인 복수의 내부 또는 암 스플라인 또는 기어 이(204B)를 입력 샤프트(52)의 긴 퀼 또는 슬리브(122)에 결속한다. 오른쪽에 두 번째로 끼워 넣어진 복수의 보다 작은 직경을 갖는 마찰 클러치 판 또는 디스크(206B)는 또한 스플라인(178)을 고리 또는 허브(180)에 결속한다.
다시 도2를 참조하면, 시프트 포크(134)는 시프트 오퍼레이터 조립체(shift operator assembly)(210)의 일부분이다. 상기 시프트 포크(134)는 각 단부에 한 쌍의 동일한 캠(212A)을 갖는 실린더형 바디(212)로부터 방사 상으로 연장된다. 상기 캠(212A)은 2방향으로 회전할 수 있는 시프트 샤프트 또는 레일(shift shaft or rail)(216)에 고정된 한 쌍의 공간적으로 이격된 캠 종동부(cam follower)(214)에 의해 결속된다. 상기 시프트 레일(216)은, 선택적으로, 상기 시프트 레일(216)을 2방향으로 회전시키고 외부의 긴 시프트 고리(shift collar)(132)를 축 방향으로, 2방향으로 이동시키기 위해 상기 시프트 포크(134)를 축 방향으로 이동시키는 전기 모터 구동 메커니즘(218)에 의해 2방향으로 회전한다.
이제 도2와 도6을 참조하면, 동력분배장치 조립체(16)는 또한 제1의 출력 샤프트(60)로부터 제2 동력전달계통(30)으로 선택적인 토크 전달을 이뤄내는 전자기적으로 구동되는 디스크 팩 형태 클러치 조립체(220)를 포함한다. 상기 디스크 팩 클러치 타입 조립체(220)는 제1 출력 샤프트(60) 주변에 위치하고 예를 들어 키홈에 의한 내부 연결을 통한, 제1 출력 샤프트(60)에 연결된 원형 구동 멤버(222)를 포함한다. 상기 원형 구동 멤버(222)는 나선의 원환체(圓環體)의 경사진 부분의 모양을 갖는 곳에 복수의 주변방향으로 이격된 홈(226)을 포함한다. 상기 홈(226)의 각각은 대응하는 복수의 하중 전달 볼(228)중 하나씩을 수용한다.
원형 피구동 멤버(driven member)(232)는 원형 구동 멤버(drive member)(222)에 인접하며 홈(226)과 같은 형상을 한정하는 유사한 복수의 대응하는 홈(234)을 포함한다. 홈(226 및 234)의 경사진 측면 벽은 경사로(ramp)나 캠으로 기능하고, 원형 멤버(222 및 232)간의 상대적인 회전운동에 따라서 원형멤버를 따로 따로 구동하기 위해 볼(228)과 협력한다. 홈(226 및 234) 그리고 하중 전달 볼(228)은, 원형 멤버(222 및 232)간의 상대적인 회전운동에 대한 반응에서 원형 멤버를 축 방향으로 이동시키는 다른 유사한 기계 요소에 의해 대체될 수 있음을 인식할 수 있다. 예를 들어, 상보적으로 형성된 원추형 나선 내에 위치한 테이퍼 롤러가 사용될 수 있을 것이다.
원형 피 구동 멤버(232)는 방사 상으로 밖으로 연장되고 연철 축차(rotor)(236)에 잠긴다. 전기자(armature)(242)는 상기 축차(236)의 면에 인접해 있다. 상기 축차(236)는 전자기 코일(244)을 3면에서 둘러싸고 있다. 상기 전자기 코일(244)은 바람직하게는 전기 전도체(246)를 통해 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 제어기로부터 전기 에너지를 공급받는다. 펄스 폭 변환 기구는 전자기 클러치 조립체(240)의 전자기 코일(244)에 대한 평균 전류 및 그에 따른 디스크 팩 타입 클러치 조립체(220)의 토크 출력을, 뒤에서 보다 자세히 기술될 것처럼, 구동신호의 임무 사이클(duty cycle)을 증가시키거나 줄임으로써, 증가시키거나 줄인다. 상기 전자기 디스크 팩 타입 클러치 조립체(220)의 결속과 해제를 달성하기 위한 다른 변환 제어 기술이 사용될 수 있음을 인식할 수 있다.
전기에너지를 전자기 코일(244)에 제공하는 것은 전기자(242)와 축차(236)의자력을 유발한다. 이 자력은 전기자(242)의 축차(236)에 대한 마찰력을 갖는 접촉을 초래한다. 제1 출력 샤프트(60)가 전기자(242)와 다른 속도로 회전할 때, 이러한 마찰력을 갖는 접촉은 제1 출력 샤프트(60)로부터, 원형 구동멤버(222) 통해, 하중 전달 볼(228)을 통해서 원형의 피 구동 멤버(232)로 전달되는 마찰력을 갖는 토크를 발생시킨다. 상기의 결과적인 마찰력을 갖는 토크는 볼(228)이 홈(226 및 234)의 경사로를 올라가게 하여, 원형 구동멤버(222)의 축 방향 이동을 유발한다. 원형 구동멤버(222)의 축 방향 이동은 어플라이 판(apply plate)(248)을 디스크 팩 클러치 조립체(250)를 향해 축 방향으로 이동시킨다. 많은 벨러빌 와셔(Belleville washer)를 포함할 수 있는 압축 스프링(252)은, 전자기 클러치 조립체(220)가 작동하지 않을 때 그것의 구성요소간의 최대의 공차와 최소의 마찰을 제공하기 위해서, 원형 구동멤버(222)를 원형의 피 구동멤버(232)쪽으로 치우치게 하고 원형 홈(226 및 234)의 중앙위치로 하중 전달 볼(228)을 복귀시키는 복원력을 제공한다. 상기 홈(226 및 234)과 상기 볼(228)의 설계 상 중요한 고려사항은 그것들의 디자인의 외형과 압축 스프링(252)의 디자인 및 디스크 팩 조립체(250)의 공차가 전자기 클러치 조립체(220)의 자동으로 잠기지 않는 것을 보장해 준다는 것이다. 상기 전자기 클러치 조립체(220)는 스스로 결속하기보다는 변환을 일으키는 제어입력에 즉각 반응하여 통제될 수 있고, 부분적인 결속 및 토크전달이 가능해야만 한다.
디스크 팩 클러치 조립체(250)는 첫 번째 복수의 더 작은 마찰 판 또는 디스크(254)를 포함한다. 첫 번째 복수의 디스크(254)는 내부에 결속시키는 스플라인에 의해서, 함께 회전하는 제1 출력 샤프트(60)에 연결된 클러치 허브(256)에 연결된다. 두 번째 복수의 보다 큰 마찰 판 또는 디스크(258)는 함께 회전하는 내부에 결속시키는 스플라인에 의해 원형 하우징(260)에 연결되고, 첫 번째 복수의 마찰 디스크(254)와 상호 배치된다.
원형 하우징(260)은 제1 출력 샤프트(60)의 주위에 동심원상으로 배치되고 복수의 내부 결속시키는 스플라인 또는 러그(lug) 및 홈(264)에 의해 체인 구동 스프로킷(chain drive sprocket, 262)에 연결된다. 체인 구동 스프로킷(262)은 제1 출력샤프트(60)에 자유로이 회전할 수 있게 배치되어 있으며, 저널 또는 니들 베어링 조립체(266)에 의해 지지된다. 상기 클러치 조립체(220)가 결속될 때, 저널 또는 니들 베어링 조립체(266)는 상기 제1 출력샤프트(60)에서 상기 체인 구동 스프로킷(262)으로 토크를 전달한다. 구동 체인(268)은 상기 체인 구동 스프로킷(262) 위에 수용되며, 피 구동(driven) 체인 스프로킷(270)과 결속하고 에너지를 전달한다. 상기 피 구동(driven) 체인 스프로킷(270)은 내부 결속 스플라인(274)에 의해서 동력분배장치 조립체(16)의 전방 또는 제2의 출력샤프트(272)에 연결된다. 상기 제2 출력샤프트(272)는 한 쌍의 롤러 베어링 조립체(276)에 의해 회전 가능하게 지지되며 오일 밀봉(278)은 제2 출력샤프트(272)와 하우징(50)간의 타이트한 유체 밀봉을 제공한다.
작동 시에, 본 발명의 따른 동기장치 조립체(130)는 상대적으로 낮은 결속력을 이용하면서도 빠른 동기화를 제공한다. 그래서, 상기의 관련된 시프트 오퍼레이터는 많은 종래 디자인보다 가볍고, 작으면서도 적은 동력소비를 나타낸다. 시프트에 지령이 내려질 때, 상기 시프트 포크(134)는 상기 외부 원형 시프트 고리(132)를 도2, 도3 및 도4에 도시된 위치로부터 오른쪽 또는 왼쪽으로 이동시키기 시작한다. 다음의 설명에서, 상기 외부 원형 시프트 고리(132)는 유성기어 감속 조립체(80)의 캐리어(96)로부터 감속된 출력을 보장하기 위해 도2, 도3 및 도4에 도시된 바대로 왼쪽으로 이동될 것임을 추정할 수 있다. 상기 외부 원형 시프트 고리(132)의 오른쪽으로의 이동은 입력샤프트(52)로부터의 직접 구동을 보장하나, 동기장치 조립체(130)의 동작은 근본적으로 동일하다.
상기 외부 원형 시프트 고리(132)가 왼쪽으로 이동함에 따라, 압축할 수 있는 스프링(156)은 경사진 측벽(158)에 의해 내부 고정 고리(150)의 주변 통로(154)로 이동되어 진다. 상기 고정 고리(150)는 유사하게 왼쪽으로 움직이기 시작하고 상기 암 또는 내부 스플라인 또는 기어 이(162)는, 차례로 상기 제2 또는 외부 좌측 원형 볼 램프 멤버(184A)를 이동시키는, 평면 와셔(194A)를 이동시켜, 좌측 마찰 클러치 팩(200A)과 증가된 마찰 결속이 되게 한다. 그래서 생긴 항력(drag)은 외부 원형 불 램프 멤버(184A)와, 하중전달 볼(172A)이 축 방향으로 상기 원형 멤버(164A 및 184A)를 분리시키는, 내부 원형 볼 램프 멤버(164A)간의 상대적인 회전을 유발한다.
상기 내부 및 외부 원형멤버(164A 및 184A)의 상대적 회전과 그에 따른 그것들의 축 방향 분리 모두는 상기 스플라인(178 및 192)의 협력 동작에 의해 제한된다. 상기 내부 및 외부 원형멤버(164A 및 184A)의 축 방향 분리는 마찰 클러치 팩(200A)을 누르고 유성기어 캐리어(96)를 제1 출력샤프트와 동기화 되게 구동하기 시작한다. 마찰 클러치 팩(200A)에 가해진 상기 압축력은 압축 스프링(182)에 의해생성된 압축력에 의해 제어되고 제한되며, 사실은, 상기 압축 스프링(182)에서 발생되는 힘보다 더 클 수는 없다. 상기의 인접한 제1 또는 내부 원형멤버(164A 및164B)는 서로 간에 접촉하지 않도록 되어야 하며, 그렇지 않으면 압축 스프링(182)에 의해 제어되고 제한되는 압축력의 과잉에 의한 힘이 마찰 클러치 팩(200A 및 200B)에 가해지고 갑작스럽고 수용할 수 없는 동기장치의 작동을 제공하게 될 것이라는 점을 인식하여야 한다.
이러한 관점에서, 압축 스프링(182)의 스프링 등급의 선택이 마찰 클러치 팩(200A 및 200B)에 가해지는 힘 및 그로 인해 동기장치 조립체(130)에 의해 성취되는 동기화의 상대적인 속도가 제어될 것이라는 점을 또한 인식하여야 한다. 다시 말해, 더 높고 강한 스프링 등급은 보다 빠른 동기화를 가져오도록 마찰 클러치 팩(200A 및 200B)에 더 큰 힘이 가해지도록 할 것이고 더 낮거나 연한 등급의 스프링 등급은 더 느린 동기화율을 얻을 것이다,
유성기어 운반체(96)의 속도가 제1 출력샤프트(60)의 속도와 일치될 때, 상기 외부 원형 시프트 고리(132)는 더 왼쪽으로 전진하여 암 또는 내부 스플라인 또는 기어 이(148)가 유성기어 운반체(96) 상의 숫 스플라인 또는 기어 이(100)와 결속될 것이다. 이러한 조건에서, 구동토크는 직접 유성기어 운반체(96)로부터 상기 외부 원형 시프트 고리(132)를 통해서, 상기 내부 결속하는 스플라인(138 및 142)을 통해 제1 출력샤프트(60)에 전달된다.
전술한 공개사항은 발명자에 의해 본 발명의 실현을 위해 고안된 최상의 모드이다. 그러나, 수정물 및 변형물을 포함하는 장치들이 기계적 동기장치의 기술분야의 당업자에게 자명할 것이라는 점이 명백하다. 전술한 공개사항은 본 발명의 실현을 위해 발명자에 의해 고안된 최상의 모드이고 당업자라면 누구나 본 발명을 실행할 수 있도록 하기 위한 것이므로, 그에 의해서 제한되는 것으로 해석할 것이 아니라 앞서 언급한 자명한 변형물들을 포함하고 오직 다음의 청구항의 사상과 범위에 의해 제한되는 것으로 해석하여야 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 변속기와 동력분배장치 같은 자동차 동력전달계통 요소에 사용되는 동기장치를 제공하는 것으로, 상기 동기장치는 마찰 클러치 팩과, 회전하며 힘을 한정하는 요소를 갖는 한 쌍의 볼 램프 메커니즘을 구비하고, 상기 볼 램프 메커니즘의 볼 램프 멤버들간 상대 회전운동을 한정하는 멈춤 기능을 갖으며, 상대적으로 적은 구동력을 갖는 동기장치를 제공하는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 자동차 동력전달계통 요소용 동기장치로서,
    제1 구동멤버(96);
    제2 구동멤버(52);
    출력멤버(60);
    상기 출력멤버를 구동하고 선택적으로 상기 제1 및 상기 제2 구동멤버 중 하나를 선택적으로 결속시키도록 만들어진 클러치 고리(132);
    한 쌍의 인접한 멤버(164,184)를 각각 포함하는 한 쌍의 볼 램프 메커니즘으로서, 상기 한 쌍의 인접한 멤버 각각은 복수의 대응하는 경사진 홈(168,188), 상기 홈에 위치한 동일하게 복수인 하중전달멤버(172), 상기 출력멤버와 함께 회전하도록 위치한 상기의 인접한 멤버들 쌍의 각각의 하나를 각각 한정하는, 한 쌍의 볼 램프 메커니즘;
    상기 쌍을 이루는 볼 램프 메커니즘의 사이에 작동 가능하게 배치된 압축스프링(182);
    각각 첫째(202) 및 둘째(206)의 상호 배치된 클러치 판 세트를 가지는 한 쌍의 마찰 클러치 팩(200)으로서, 마찰 클러치 팩의 각각의 클러치 판 세트의 하나는 상기 구동멤버들 중 하나와 회전하도록 위치하며 마찰 클러치 팩의 각각의 클러치 판 세트의 다른 하나는 상기 출력멤버와 회전하도록 위치한, 한 쌍의 마찰 클러치 팩(200); 그리고
    상기 쌍을 이루는 인접한 멤버들 각각 중의 다른 하나를 상기 마찰클러치 팩의 인접한 하나를 향해 선택적으로 이동시키기 위해 상기 클러치 고리와 관련된 내부 고리(150);
    의 결합으로 이루어진, 자동차 동력전달계통 요소용 동기장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 압축스프링(182)은 벨러빌 와셔(Belleville washer)인 것을 특징으로 하는, 자동차 동력전달계통 요소용 동기장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 압축스프링(182)은 상기 출력멤버(60)의 축에 평행하며 오프셋되게 배치된 축을 갖는 복수의 압축스프링을 갖는 디스크인 것을 특징으로 하는, 자동차 동력전달계통 요소용 동기장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 클러치 고리(132)와 상기 내부 고리(150) 사이에 작동 가능하게 배치된 멈춤쇠(156)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차 동력전달계통 요소용 동기장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 쌍을 이루는 볼 램프 메커니즘의 각각의 상기 쌍을 이루는 인접한 멤버들(164,184)간의 상대적인 회전을 제한하는 수단(178,192)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차 동력전달계통 요소용 동기장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 클러치 고리(132)와 작동 가능하게 맞물리는 시프트 포크(134)와, 상기 클러치 고리 및 상기 시프트 포크를 2방향으로 이동시키기 위한 구동기(218)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차 동력전달계통 요소용 동기장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 출력멤버(60) 및 상기 클러치 고리(132) 상의 복수의 내부 결속 스플라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차 동력전달계통 요소용 동기장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 클러치 고리(132) 및 상기 제1 구동멤버(96) 그리고 상기 제2 구동멤버(52) 상에 내부 결속 스플라인(100,126,148)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차 동력전달계통 요소용 동기장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 구동멤버(96)는 유성기어 감속 조립체(80)의 감속 출력이고 상기 출력멤버(60)는 동력분배장치(16)의 제1 출력샤프트인 것을 특징으로 하는, 자동차 동력전달계통 요소용 동기장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 마찰 클러치 팩(200)의 쌍은 상기 쌍을 이루는 볼 램프 메커니즘 중의 각각의 하나와 인접하게 배치된 것을 특징으로 하는, 자동차 동력전달계통 요소용 동기장치.
  11. 자동차 동력분배장치(16)용 동기장치로서,
    제1 구동멤버(96)를 갖는 유성기어 감속 조립체(80);
    제2 구동멤버(122)를 갖는 입력샤프트(52);
    제1 출력샤프트(60);
    상기 제1 출력샤프트와 회전 가능하게 연결되고 상기 제1 및 상기 제2 구동멤버 중에 하나와 결속시키도록 이동될 수 있는 클러치 고리(132);
    상기 클러치 고리 내에서 그와 회전하도록 연결되는 시프트 고리(150);
    한 쌍의 상대적으로 회전 가능한 내부 및 외부 인접 멤버(164,184)를 각각 포함하는 볼 램프 메커니즘으로서, 상기 멤버들 각각은 동일하게 복수인 하중전달멤버(172)를 수용하도록 하고, 상기 인접한 내부 멤버들 각각은 복수의 경사진 홈(168,188)을 한정하여 이들이 상기 시프트 고리와 회전하도록 연결된, 한 쌍의 볼 램프 메커니즘;
    상기 쌍을 이루는 볼 램프 메커니즘의 인접한 내부멤버들 사이에 배치된 압축스프링(182);
    상기 볼 램프 메커니즘의 상기 외부 멤버의 각각의 하나에 인접하게 배치된 한 쌍의 마찰클러치 팩(200)으로서, 상기 마찰클러치 팩의 각각은 상기 쌍을 이루는 볼 램프 메커니즘의 상기 내부 멤버(164)와 회전할 수 있게 배치된 첫 번째 복수의 클러치 디스크(206) 및 두 번째 복수의 상호 배열된 클러치 디스크(202)를 포함하고, 또한 상기 두 번째 복수의 클러치 디스크 중 하나(202A)는 상기 제1 구동멤버(96)와 회전하도록 배치되고 상기 두 번째 복수의 마찰 클러치 디스크의 다른 하나(202B)는 상기 제2 입력멤버(122)와 회전하도록 배치되는 한 쌍의 마찰 클러치 팩(220)의 결합으로 이루어지고,
    이에 의하여 상기 클러치 고리 및 상기 내부 고리의 이동이 상기 쌍을 이루는 인접한 클러치 멤버 중의 하나 사이의 상대 회전과, 상기 마찰클러치 팩의 하나의 팩의 압축 및 상기 구동멤버의 하나와 상기 출력 멤버간의 동기화를 가져오는, 자동차 동력분배장치(16)용 동기장치.
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