KR20060122719A - 체결 상태 탐지 시스템을 갖는 체결 차동 장치 - Google Patents

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KR20060122719A
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조나단 알. 골
재이슨 이. 무어
제프리 이. 레아
앤드류 에프. 핀코스
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아메리칸 액슬 앤드 매뉴팩쳐링, 인코포레이티드
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Abstract

동력 전달 장치는 내부에 입력 샤프트, 적어도 하나의 출력 샤프트 및 기어 세트를 갖는 하우징을 포함한다. 기어 세트는 입력 샤프트 및 출력 샤프트 사이에서 회전력을 전달한다. 전기적 액츄에이터는 선형으로 이동 가능한 부재를 포함하며 이동 가능한 부재를 기어 세트와 구동 가능하게 체결하도록 동작한다. 센서는 하우징 내에 위치하고 이동 가능한 부재의 선형의 위치를 표시하는 신호를 출력하도록 동작한다.

Description

체결 상태 탐지 시스템을 갖는 체결 차동 장치{LOCKABLE DIFFERENTIAL WITH LOCKING STATE DETECTION SYSTEM}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 장치 어셈블리를 포함하는 예시적인 모터 차량 드라이브트 레인을 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 앞쪽 구동 액슬을 나타내는 부분 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 상기 앞쪽 구동 액슬을 나타내는 부분 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 차동장치 어셈블리를 나타내는 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 차동장치 어셈블리를 나타내는 종단면도이다.
도 6은 도 5의 6-6 라인을 따라 자른 본 발명에 따른 차동장치 어셈블리를 나타내는 측단면도이다.
도 7은 사이드 기어로부터 분리된 위치에 있는 액츄에이팅 링을 나타내는 본 발명에 따른 차동 장치 어셈블리의 부분 측면도이다.
도 8은 사이드 기어와 구동가능하게 체결된 액츄에이팅 링을 나타내는 본 발명에 따른 차동 장치 어셈블리의 부분 측면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차동 장치 어셈블리의 부분 사시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 서킷을 나타내는 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 어셈블리에서 자기장 밀도 대 거리를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 어셈블리에서 자기장 밀도 대 거리를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 간단한 설명>
40：차동 장치 케이스 43：기어 세트
44：피니온 기어 45：교차 샤프트
46：제1 사이드 기어 47：제2 사이드 기어
48：센서 어셈블리 49：캡
52：솔레노이드 어셈블리 54：액츄에이팅 링
59：센서 어셈블리 140：조임자
142：워셔
본 발명은 대체적으로 차량을 위한 차동 장치들에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 본 발명은 체결 상태 탐지 시스템을 갖는 체결 차동 장치에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 많은 자동차들에는 동력이 전달되게 입력 샤프트와 한 쌍의 출력 샤프트들을 서로 연결시키는 기능을 수행하는 차동 장치들을 포함하는 동력 전달 시스템들(driveline systems)이 구비되어 있다.
평행축 나선형 차동 장치(parallel-axis helical differential)와 같은 종래의 차동 장치들은 출력축들과의 회전을 위해서 고정된 한 쌍의 측면 기어들(side gears)과, 차동장치 케이스 내에 설치된 두 개 이상의 맞물려진 피니언 기어들을 포함한다. 그러나 종래의 차동 장치는 자동차가 미끄러운 표면에서 작동하는 때에 결함을 가지고 있다. 자동차 바퀴 하나가 낮은 마찰 계수를 가지는 표면에 위치하는 때, 토크 대부분 또는 전체는 상기 미끄러지는 바퀴에 전달될 것이다. 결과적으로, 자동차가 종종 움직이지 못하게 된다.
이러한 문제점을 극복하기 위해서, 상기 출력축들 사이의 속도의 차이를 제한하거나 선택적으로 방지하는 추가적인 기계 장치가 구비된 기계 차동 장치를 제공하는 것이 알려져 있다. 일반적으로 상기 제한된 미끄러짐 기능 또는 미끄러짐 없는 기능을 제공하는데 사용되는 상기 기계 장치는 마찰 클러치이다. 상기 마찰 클러치는 어느 정도의 차동 속도가 만족된 이후에는 상기 출력축들 사이의 차동 속도를 제한하는 피동 장치(passive device)이다. 또한, 이러한 기계 장치들은, ABS 장치(anti-lock braking system) 또는 자동차 마찰 제어 장치(vehicle traction control system)가 작동하는 동안에 선택적으로 연결이 풀리지 않는다. 예를 들어, 4 바퀴 ABS 장치들은 각 바퀴의 회전 속도를 독립적으로 측정하고 제어하려고 한다. 만약 기계장치 형태의 제한된 미끄러짐 차동장치가 제공된다면, 차동 장치에 연결된 각 바퀴 속도의 독립적인 제어는 더 이상 가능하지 않다. 따라서 자동차에 제공되는 다른 제어 장치들과 연결되어 독립적으로 제어될 수 있는 개선된 차동 장치를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 차동 장치 동작의 현재 상태를 결정하도록 동작할 수 있는 탐지 시스템이 바람직하다.
본 발명의 제1 목적은 상술한 문제점을 해결할 수 있는 동력 전달 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 상술한 문제점을 해결할 수 있도록 하는 케이스 및 사이드 기어를 갖는 차동장치 안에서 회전하는 샤프트들 사이에서 차동 체결 및 비체결의 차동 모드를 탐지하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 내부에 입력 샤프트, 적어도 하나의 출력 샤프트 및 기어세트를 갖는 하우징을 포함하는 동력 전달 장치와 관련된다. 상기 기어 세트는 상기 입력 샤프트 및 상기 출력 샤프트 사이에서 회전력을 전달한다. 전기적 액츄에이터는 선형으로 이동 가능한 부재를 포함하며, 상기 이동 가능한 부재를 상기 기어 세트와 구동 가능하게 체결하도록 동작한다. 센서는 상기 하우징 내에 위치하고 상기 이동 가능한 부재의 선형의 위치를 표시하는 신호를 출력하도록 동작한다.
이하, 제공되는 상세한 설명으로부터 본 발명의 넓은 적용 가능 분야는 확실해 질 것이다. 상세한 설명 및 구체적 예들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내지만 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니라 단지 예시적인 목적으로 설명됨이 이해될 것이다.
본 발명은 차량의 구동트레인을 위한 체결 상태 탐지 시스템을 갖는 개선된 차동 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 차동 장치는 이러한 차동 장치를 "열림" 상태 또는 "체결" 상태에 놓도록 작동 가능한 액츄에이터를 포함한다. 탐지 시스템은 본 발명에 따른 차동 장치가 "열림" 또는 "체결" 상태에 있는지 여부를 나타내는 신호를 제공한다. 본 발명에 따른 차동 장치는 다양한 종류의 동력 전달 계통의 부품들과 함께 사용될 수 있고, 여기에 설명된 특정 용도에 특별히 한정되도록 의도되어 있지 않다. 또한, 본 발명에 따른 차동 장치의 액츄에이터는 완전히 열려있거나 제한된 미끄러짐 상태에 있는 베벨 기어 등과 같은 여러 형태의 차동 장치들과 연결되어 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 차량을 위한 구동 트레인(drivetrain)(6)은 엔진(8), 트랜스미션(transmission)(10), 트랜스퍼 케이스(transfer case)(12), 전방 프로펠러 샤프트(forward propeller shaft)(14) 및 후방 프로펠러 샤프트(rearward propeller shaft)(16)를 포함한다. 후방 프로펠러 샤프트(16)는 후방 액슬 어셈블리(rear axle assembly)(18)에 토크(torque)를 제공한다. 전방 프로펠러 샤프트(14)는 엔진(8)으로부터 전방 액슬 어셈블리(front axle assembly)(22)의 피니온 샤프트(pinion shaft)(20)에 토크를 제공한다. 전방 액슬 어셈블리(22)는 액슬 하우징(axle housing)(24), 액슬 하우징(24) 내에서 지지되는 차동 장치 어셈블리(26) 및 좌측 및 우측 앞바퀴들(32, 34)들과 각각 연결되는 한 쌍의 샤프트들(28, 30)을 포함한다.
피니언 샤프트(20)는 이에 고정되며 차동 장치 어셈블리(26)의 차동장치 케이스(40)에 고정된 링 기어(ring gear)(38)를 구동시키는 피니언 기어(36)를 갖는다. 차동 장치 케이스(40)는 베어링(bearing)(41)들에 의하여 회전 가능하게 지지 된다. 베어링(41)들은 액슬 하우징(24)에 연결된 베어링 캡(bearing cap)(42)들에 의하여 보유된다. 차동 장치 케이스(40) 내에 지지되는 기어 세트(43)(도 4 참조)는 회전력을 차동 장치 케이스(40)로부터 액슬 샤프트들(28, 30)로 전달하고 그들 사이에서 상대적인 회전(즉, 차동(differentiation))이 용이하게 되도록 한다. 따라서 엔진(8)으로부터의 회전력은 트랜스미션(10), 트랜스퍼 케이스(12), 전방 프로펠러 샤프트(14), 피니온 샤프트(20), 차동장치 케이스(40) 및 기어 세트(43)를 통하여 차축 샤프트들(28, 30)로 앞바퀴들(32, 34)을 구동하기 위하여 전달된다. 차동장치 어셈블리(26)가 앞바퀴의 구동에 적용되는 것이 설명되었으나, 본 발명은 사륜 구동 차량 및/또는 다른 알려진 구동 방식의 차량들에 사용하기 위한 트레일링 액슬(trailing axle)들, 후방 액슬(rear axle)들, 트랜스퍼 케이스들이 설치된 차동 장치 어셈블리에서의 사용될 수 있다.
도 4 내지 도 8은 차동 장치 케이스(40) 및 기어 세트(43)를 포함하는 차동 장치 어셈블리(26)를 나타낸다. 기어 세트(43)는 교차 샤프트(cross shaft)(45) 상에서 회전 가능하게 지지되는 한 쌍의 피니온 기어(44)들을 포함한다. 제1 및 2 사이드 기어(46, 47)는 피니온 기어(44)들 및 액슬 샤프트들(28, 30)에 구동 가능하게 연결되어 있다. 또한, 차동 장치 어셈블리(26)는 차동 장치 어셈블리(26)를 충분히 체결된 상태(fully locked condition)로 놓여지게 하기 위하여 제1 사이드 기어(46)를 차동 장치 케이스(40)에 선택적으로 연결시키도록 동작할 수 있는 액츄에이터 및 센서 어셈블리(actuator and sensor assembly)(48)를 포함한다.
캡(cap)(49)은 액츄에이터 및 센서 어셈블리(48)를 수용하기 위한 포 켓(pocket)(50)을 정의하기 위하여 차동 장치 케이스(40)에 연결된다. 상기 액츄에이터 및 센서 어셈블리(48)는 솔레노이드 어셈블리(solenoid assembly)(52), 액츄에이팅 링(actuating ring)(54), 드로우 플레이트(draw plate)(56), 리테이너(retainer)(58) 및 센서 어셈블리(sensor assembly)(59)를 포함한다. 캡(49)은 케이스(40)의 플랜지(flange)(62)에 연결된 플랜지(60)를 포함한다. 캡(49)의 플랜지(60)는 발동(actuation) 과정에서 솔레노이드 어셈블리(52)의 일부를 수용하는 크기의 리세스(64)를 포함한다. 캡(49)은 포켓(50)을 정의하는 한 쌍의 단차진 구멍들(66, 68)을 포함한다. 특히, 제1 구멍(66)들은 고리형 표면(70)을 포함하고 제2 구멍(68)은 고리형 표면(72)을 포함한다. 제1 구멍(66)은 고리형 표면(70)으로부터 방사상으로 안쪽으로 연장하는 말단 면(74)을 포함한다. 관통구(76)는 캡(49)을 관통하여 연장하고 관통구(76) 및 제2 구멍(68)이 액슬 샤프트의 일부를 수용하는 크기가 되는 곳에서 제2 구멍(68)과 연통한다.
액츄에이팅 링(54)은 일 단부에 형성된 고리형 리세스(80)를 갖고 일반적으로 속이 빈 실린더 형상의 몸통(78)을 포함한다. 사이드 기어(46)는 외부 면(84) 상에 형성된 유사한 크기의 고리형 리세스(82)를 포함한다. 압축 스프링(85)은 고리형 리세스들(80, 82) 내에서 액츄에이팅 링(54) 및 사이드 기어(46)의 사이에 위치한다. 다수의 축 방향으로 연장하는 도그(86)들은 액츄에이팅 링(54)의 말단 면(88)으로부터 돌출된다. 대응하는 다수의 도그(90)들은 사이드 기어(46)의 면(84)으로부터 축 방향으로 연장한다. 액츄에이팅 링(54)은 도 6 및 도 7에 도시된 비체결 위치에서 도 8에 도시된 체결 위치로 이동 가능하다. 상기 비체결 위치 에서의 액츄에이팅 링(54)의 도그(86)들은 사이드 기어(46)의 도그(90)들과의 체결로부터 풀려난다. 반대로 액츄에이팅 링(54)이 그 체결 위치로 이동될 때, 도그(86)들은 사이드 기어(46)를 차동 장치 케이스에 회전 가능하게 고정하기 위하여 도그(90)들과 체결한다.
솔레노이드 어셈블리(52)는 금속 컵(metallic cup)(94), 전선으로 이루어진 코일(96)을 포함한다. 전선은 컵(94) 내에 위치하고 에폭시(98)에 의해서 이에 고정된다. 컵(94)은 내부 고리형 벽(100), 외부 고리형 벽(102) 및 말단 벽(104)을 포함한다. 말단 벽(104)은 내부 고리형 벽(100) 및 외부 고리형 벽(102)을 연결한다. 리테이너(58)는 컵(94)의 말단 벽(104)에 장착된 외부 가장 자리(106)를 갖고 실질적으로 디스크 형상을 갖는 부재이다. 리테이너(58)의 일부는 슬롯(108)을 정의하기 위하여 말단 벽(104)으로부터 이격된다.
리테이너(58)는 축 방향으로 연장하고 베어링 캡(42) 가까이 위치하는 탭(tab)(109)들을 포함한다. 탭(109)들은 액슬 하우징(24)에 대한 리테이너(58)의 회전을 제한한다. 센서 어셈블리(59)는 리테이너(58)에 장착된다. 센서 어셈블리(59)는 실질적인 직사각형의 몸통을 갖는 홀 요소(Hall component)(110)를 포함한다. 홀 요소(110)는 액슬 샤프트들(28, 30)의 회전의 축에 실질적으로 수직하도록 연장하는 제1 면(112)을 포함한다. 또한, 센서 어셈블리(59)는 홀 요소(110)로부터 연장하여 커넥터(connector)(118) 내에 장착되는 단자들(116)에서 끝나는 한 쌍의 전선들(114)을 포함한다. 커넥터(118)는 액슬 하우징(24) 내에 형성된 관통구(122)를 통해 연장되는 몸통(120)을 포함한다. 코일(96)에 감긴 전선의 말단은 커넥터(118) 내에 장착된 단자(124)들에서 종료된다. 이러한 방식으로, 솔레노이드 어셈블리(52) 및 센서 어셈블리(59)로의 전기적 연결이 액슬 하우징(24)의 외부로부터 달성된다.
타겟(126)은 브라캣(128), 자석(130) 그리고 조임자(132)를 포함한다. 브라캣(128)은 이를 관통하여 연장하는 관통구(136)를 갖는 제1 다리(leg)(134)를 포함한다. 조임자(132)는 관통구(136)를 통해 연장되고 베어링 캡(42)에 타겟(126)을 장착시키기 위해 사용된다. 브라캣(128)은 제1 다리(134)에 대하여 수직 각도로 위치하는 제2 다리(138)를 포함한다. 제2 다리(138)는 실질적으로 평탄하고 홀 요소(110)의 제1 면(112)에 실질적으로 평행하게 위치한다. 자석(130)은 제2 다리(138)에 장착되는 실질적으로 실린더의 디스크 형상을 갖는 부재이다. 따라서 자석(130)은 제1 면(112)에 실질적으로 평행하게 위치하는 외부 표면(139)(도 7 참조)을 포함한다. 본 발명에서 통상의 지식을 지닌 자는 도면들에 도시된 방향성에 대하여 90도 재 방향성을 가질 수 있음을 이해할 것이다. 도면에 도시된 센서 및 자석의 방향은 단순히 예시적이며 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
드로우 플레이트(56)는 리테이너(58)에 의해서 정의된 슬롯(108) 내에 위치하고 다수의 조임자(140)들을 통해서 액츄에이팅 링(54)에 연결된다. 워셔(washer)(142)는 캡(49)과 액츄에이팅 링(54) 사이에 위치한다. 바람직하게, 와셔(142)는 비강자성체 물질로 구성되어 솔레노이드 어셈블리(52)의 활성화 과정에서 액츄에이팅 링(54)이 차동 장치 케이스(40) 대신에 금속 캡(49)의 말단 면(74)을 향하여 움직이는 어떠한 경향이라도 감소시킬 수 있다. 베어링(144)은 캡(49)의 외부 저널(outer journal)(146) 상에서 컵(94)을 지지한다.
코일(96)은 코일(96)을 선택적으로 활성화하거나 비활성화하도록 동작하는 컨트롤러(148)(도 1 참조)와 연결된다. 코일의 활성화 과정에서, 코일(96)을 흐르는 전류에 의해서 자기장이 발생한다. 자기장은 액츄에이터 및 센서 어셈블리(48)가 캡(49)의 플랜지(60)를 향하여 이끌어지도록 한다. 솔레노이드 어셈블리(52)가 리세스(64)로 들어갈 때, 액튜에이팅 링(54)의 도그(86)는 사이드 기어(46)의 도그(90)들과 맞물린다. 일단 상기 도그들이 맞물리게 되면, 도 8에 도시된 바와 같이 차동 장치 어셈블리(26)는 충분히 체결된 위치에 있게 되고 액츄에이팅 링(54)은 그것의 맞물려진 위치에 놓여진다. 충분히 체결된 위치에서, 센서 어셈블리(59) 내에 둘러싸인 상기 홀 요소(110)는 "X"의 거리만큼 자석(130)의 외부 표면(139)으로부터 이격된다. 상기 거리 "X"에서 자석(130)은 소정의 자기장 밀도(magnetic field density)를 발생한다. 센서 어셈블리(59)는 액츄에이팅 링(54)의 축 위치(axial position)를 표시하는 신호를 출력한다. 이러한 신호는 컨트롤러(148)에 의하여 차동 장치 어셈블리(26)가 충분히 체결된 위치에 있다는 확인으로 사용된다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 축 방향으로 이동 가능한 전자석이 감소된 수의 구성 성분들을 갖는 단순화된 디자인을 가짐을 알 수 있다. 또한, 본 발명은 전자석을 위한 전기자(armature)로서 전체 차동 장치 케이스를 사용한다. 이는 유효한 전자력의 더욱 효과적인 사용을 가능케 한다. 전자석에 의하여 제공된 기전력(electromotive force)을 전기자가 더욱 효과 적으로 사용할 수 있기 때문에 이러한 특성들은 디자이너로 하여금 전자석의 크기를 줄이도록 허용할 수 있다. 이러한 밀집한 디자인은 이미 사용되던 구성 요소들 및 표준 크기의 액슬 하우징으로의 패키징에서 작은 변화를 가능케 한다.
차동 장치 어셈블리(26)를 개방된 상태, 즉, 체결되지 않은 상태로 놓기 위하여 코일(96)에 전류가 중단된다. 코일(96)에 흐르는 전류가 중단되면 자기장이 없어진다. 이 때, 스프링(85)의 압축은 액츄에이터 및 센서 어셈블리(48)를 축 방향으로 옮기고 도그(86)를 도그(90)로부터 떼어낸다. 따라서 사이드 기어(46)는 차동장치 케이스(40)에 구동가능하게 연결되지 않으므로 도 7에 도시되는 개방된 위치에 차동장치 어셈블리(26)를 위치시킨다. 상기 차동 장치 어셈블리가 개방되고 체결되지 않은 상태에 있는 경우, 홀 요소(110)는 차동 장치 어셈블리가 체결된 위치에 있을 때보다 타겟(126)에 실질적으로 근접하게 위치한다. 특히, 코일(96)이 활성화되지 않을 때 자석(130)의 외부 표면(139)으로부터 제1 면(112)은 "Y" 거리만큼 이격한다. "Y" 거리에서 자석(130)에 의해서 발생된 자기장 밀도는 "X" 거리에서의 자기장 밀도에서 보다 상당히 크다. 센서 어셈블리(59)는 도그(86)들이 도그(90)들로부터 분리되고 차동 장치(differential)가 개방된 상태에 있는 위치에 있음을 가리키는 신호를 컨트롤러(148)에 출력하도록 구성된다. 액츄에이팅(actuating) 및 디액츄에이팅(deactuating) 시간은 그와 관련해 움직이는 구성 요소들의 수가 매우 작음으로 말미암아 매우 짧다는 것이 이해될 것이다. 특히, 도그(86)들 및 도그(90)들의 체결 및 분리를 일으키는데 다른 관련된 램핑(ramping) 또는 다른 구성 요소들의 발동이 요구되지 않는다.
전자 컨트롤러(48)는 액츄에이터 및 센서 어셈블리(48)의 동작을 제어한다. 도 1에 도시된 바와 같이 전자 컨트롤러(48)는 제1 속도 센서(150) 및 제2 속도 센서(152)에 의해서 수집된 데이터를 수용한다. 제1 속도 센서(150)는 액슬 샤프트(28)들의 회전 속도에 대응하는 데이터를 제공한다. 이와 유사하게, 제2 속도 센서(152)는 액슬 샤프트(30)의 회전 속도를 측정하고 그를 표시하는 신호를 컨트롤러(148)에 출력한다. 도 1에 도시된 바와 같이 기어 위치 센서(gear position sensor)(154), 차량 속도 센서(vehicle speed sensor)(156), 이송 케이스 레인지 위치 센서(transfer case range position sensor) 또는 제동 센서(158)와 같은 몇몇의 차량 센서에 의해서 수집된 데이터에 따라 컨트롤러(148)는 전기 신호가 코일(96)에 보내지는지 여부를 결정할 것이다. 컨트롤러(148)는 측정되거나 계산된 파라미터들을 소정의 값들과 비교하고 특정 조건이 만족될 경우에만 차동 장치 어셈블리(26)를 체결되는 위치에 놓기 위하여 전기 신호를 출력한다. 이에 따라 컨트롤러(148)는 안티-락(anti-lock) 제동과 같은 상황이 발생할 때 확실하게 개방된 상태가 유지될 수 있도록 한다. 개방된 상태는 센서 어셈블리(59)로부터의 신호 출력에 의해서 확인된다. 안티-락 제동 과정에서 액슬 차동(axle differentiation)을 제한하는 것은 안티-락 제동 시스템을 저해할 수 있다. 다른 유사한 상황들이 컨트롤러(148) 내에서 프로그래밍된다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차동 장치 어셈블리(160)를 나타낸다. 본 실시예에 따른 차동 장치 어셈블리(160)는 전술한 차동 장치 어셈블리(26)와 실질적으로 유사하다. 명확성을 기하기 위하여, 유사한 구성 요소들에 대해서는 이미 도입된 참조 번호들을 사용한다. 차동 장치 어셈블리(160)는 코일(162)이 차동 장치 케이스(40) 상에 고정된 축 위치(fixed axial position)에서 회전 가능하게 장착된다는 점에서 차동 장치 어셈블리(160)는 상술한 차동 장치 어셈블리(26)와 차이가 있다. 회전 방지 브래킷(anti-rotation bracket)(164)은 코일(162)의 회전을 저지하기 위해 컵(166)과 도 3에 도시된 바와 같은 액슬 하우징(24; axle housing)(24)을 연결한다. 차동 장치 어셈블리의 동작 중에 차동장치 케이스(40)가 코일(162)에 대하여 회전하도록 하기 위하여 베어링(167)은 컵(166)을 회전가능하게 지지한다.
고정 코일(stationary coil)(162)의 사용을 통해서, 파워 서플라이 및 센서의 배선 체계 복잡성(wire routing complexity)들이 줄어드는데 이는 배선들이 더 이상 코일의 축 동작을 책임질 필요가 없기 때문이다. 그래서 차동 장치 어셈블리(160)의 어떠한 동작 모드 동안 코일(162)은 회전하거나 축 방향으로 이동하지 않는다. 축 방향으로 이동 가능한 전기자(armature)(168)는 액츄에이팅 링(actuating ring)(54)에 연결된다. 전기자(168)는 코일(162)에 가까이 위치하는 고리형의 평탄한 링과 같은 형상을 갖는다. 전기자(168) 및 액츄에이팅 링(54)은 구동 가능하게 차동 장치 케이스(40)와 연결되고 코일(162) 및 차동장치 케이스(40)에 대하여 축 방향으로 이동 가능하다. 전기자(168) 및 액츄에이팅 링(54)은 차동 장치 어셈블리(26)와 관련하여 이미 기술되었듯이 압축 스프링에 의해서 도 9에 도시된 비체결된 개방된 차동장치 위치로 치우친다.
차동 장치 어셈블리(160)를 체결된 위치에 놓이게 하기 위하여, 코일(162)은 자기장을 발생시키려고 활성화된다. 전기자(168)는 강자성의 물질로 구성된다. 따라서 전기자(168) 및 액츄에이팅 링(54)은 차동 장치 어셈블리(160)를 체결된 위치에 놓기 위하여 사이드 기어(46)를 액츄에이팅 링(54)과 구동 가능하게 체결시키도록 축 방향으로 옮겨진다.
전방 구동 액슬 어셈블리가 자세히 기술되었지만, 본 발명의 파워 트랜스미팅 장치는 그러한 적용에 한정되지 않음을 이해할 것이다. 특히, 본 발명은 후방 구동 차축들, 앞바퀴 구동 차량들을 위한 트랜스 액슬들, 4륜 구동 차량을 위한 트랜스퍼 케이스 및/또는 많은 다른 차랑 드라이브 라인 적용들에 사용될 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 어셈블리(200)를 갖는 서킷(198)을 설명한다. 센서 어셈블리(200)는 제1 홀 요소(202), 제2 홀 요소(204) 및 상기 홀 요소들을 감싸는 몸통(206)을 포함한다. 센서 어셈블리(200)는 센서 어셈블리(59)와 실질적으로 유사한 방식으로 차동장치 어셈블리와 상호 연결되도록 위치한다. 따라서 액슬 어셈블리 내의 센서 어셈블리(200)의 장착과 관련된 기술은 반복되지 않는다.
홀 현상 장치들의 특성, 영구 자석들 및 센서 어셈블리(200)가 기능하도록 요구되는 일반적인 환경으로 말미암아 매우 큰 기계적 이력현상은 시스템 내에서 고유한 것이다. 이러한 예에서 기계적 이력현상은 그 출력 상태를 바꾸기 위하여 타겟 마그넷과 연관하여 움직여야만 하는 절대 거리고 가장 잘 표현될 수 있다. 홀 효과 장치는 상태를 스위칭하거나 자기장 밀도의 변화에 노출되는 홀 요소에 기초하는 차동장치 신호를 출력한다. 홀 현상 장치는 그 동작 포인트(Bop)로 기술되는 소정 자기장에서 스위칭을 시작하도록 구성되고 스위치하기 위하여 장 밀도는 양을 홀 현상 장치의 본래의 히스테리시스(Bhys)와 같도록 변경하여야 한다.
도 11은 도 4 내지 도 8에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 어셈블리(59)를 위한 자기장 밀도 대 거리를 나타내는 그래프이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 영구 자석(130)은 기하급수적으로 감소하며 수밀리미터로 이동되는 거리에 대해 가우스로 측정된 장 밀도를 발생시킨다. 예를 들어, 만약 홀 요소(110)가 80 가우스 Bop에서 스위칭되도록 프로그램 되고 10 가우스 Bhys를 갖는 경우, 홀 요소(110)는 80 가우스에서 스위치를 시작시키고 70 가우스에서 그 상태를 바꾼다. 코일(96)이 활성화될 때 자기장이 발생하기 때문에, 두 개의 구별되는 가우스 곡선들이 만들어진다. 위쪽 곡선은 솔레노이드 어셈블리(52)의 자기장이 활성화되었을 때 나타나는 장 밀도를 설명한다. 아래 곡선은 코일(96)이 활성화되지 않을 때 영구 자석에 의해서만 발생된 자기장 밀도를 나타낸다. 나타낸바와 같이 상대적으로 큰 히스테리시스가 솔레노이드 어셈블리(52)의 동작에 의해서 시스템 내로 도입된다.
도 11에 도시된 실시예에서, 센서 어셈블리(59)는 거리 "Y"가 약 4㎜ 정도이고 거리 "X"가 약 8㎜ 정도인 위치로부터 이동한다. 센서 어셈블리(59)가 제1면(112) 및 외부 표면(139) 사이에 공간의 거리가 약 7.8㎜ 정도에 도달하기 전까지 차동장치 어셈블리가 체결된 상태에 있음을 나타내는 신호를 출력하지 않는다. 코일(96)의 탈에너지화 중, 센서 어셈블리(59)는 홀 요소와 영구 자석 사이의 공간이 약 4.8㎜이기 전까지 센서 어셈블리(59)가 체결되었음을 나타내는 신호를 출력 하지 않는다. 따라서 약 3㎜ 정도인 전체 기계적인 히스테리시스는 단일 센서 실시예에서 존재한다. 센서 어셈블리(59)를 포함하는 기계적인 시스템의 동작 특성에 따라서 히스테리시스의 이러한 양은 수용가능하거나 그러하지 않을 수 있다.
도 12는 도 10에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 어셈블리(200)를 위한 자기장 밀도 대 거리를 나타내는 그래프이다. 기계적인 이력현상의 양을 감소시키기 위해서, 센서 어셈블리(200)의 홀 요소들(202, 204)은 도 10 및 도 12에 따라 구성된다. 제2 홀 요소(204)는 100 가우스의 동작 지점을 갖도록 설정되고 제1 홀 요소(202)는 60 가우스의 동작 지점을 갖도록 설정된다. 동작 중, 자기장 밀도가 100 가우스에서 90 가우스로 줄어든다면 제2 홀 요소(204)는 차동장치 어셈블리가 체결된 상태에 있음을 나타내는 신호를 발생시킨다. 이 상태는 제2 홀 요소(204) 및 자석(130)의 외부면(139) 사이가 약 6.3㎜ 정도일 때 발생한다. 전자석의 비활성화에서, 제1 홀 요소(202)는 자기장 밀도가 50 가우스에서 60 가우스로 바뀌는 경우 개방된 차동장치 상태를 나타내는 신호를 출력한다. 이 상태는 제1 홀 요소(202)가 외표면(139)으로부터 대략 5.6㎜ 정도의 거리로 이격되었을 때 존재한다. 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자라면 다른 작동 지점들을 갖는 두 개의 홀 요소들을 사용할 때 전체 기계적인 히스테리시스는 현재 대략 0.75㎜ 정도임을 알 수 것이다.
도 10에 나타난 서킷(198)은 제1 홀 효과 센서(202) 및 제2 홀 효과 센서(204)를 포함한다. 제1 홀 효과 센서(202)는 차동 장치 게인 증폭기 (differential gain amplifier)(232)와 연속하여 연결된다. 차동 장치 게인 증폭 기(232)는 전류 게인 트랜지스터(current gain transistor)(234)의 베이스에 연결된다. 일정 전류 소스(236)는 전류 게인 트랜지스터(234)의 콜렉터 다리(collector leg)에 공급된다. 전류 게인 트랜지스터(234)의 에미터 다리는 "Iout1"으로 라벨이 붙여진 출력 신호를 제공한다.
유사한 방식으로 제2 홀 효과 센서(204)는 차동 게인 증폭기(240)와 연속으로 연결된다. 차동 장치 게인 증폭기(240)는 전류 게인 트랜지스터(242)의 베이스와 연결된다. 일정 전류 소스(236)는 전류 게인 트랜지스터(242)의 콜렉터 다리에 공급된다. 전류 게인 트랜지스터(242)의 에미터 다리는 "Iout2"로 라벨이 붙여진 출력 신호를 제공한다. 컨트롤러(148)는 차동장치의 동작 모드를 체결 또는 비체결인지 결정하기 위하여 "Iout1" 및 "Iout2""를 분석한다. Iout1 및 Iout2가 모두 낮거나 제로일 경우, 컨트롤러(148)는 차동 장치가 체결된 모드에서 동작한다고 결정한다. Iout1 및 Iout2가 모두 높거나 1일 경우, 컨트롤러(148)는 비체결된 모드에서 차동장치가 동작한다고 결정한다.
또한, 상술한 논의는 단순히 본 발명의 예시적인 실시예를 개시하고 논의한다. 상기 논의로부터 그리고 첨부된 도면 및 청구항들로부터 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변경들, 수정들 및 변화들이 하기의 청구항들에 의해서 정의된 본 발명의 사상과 범위에서 벗어남 없이 가능하다는 것을 인식할 것이다.
본 발명에 따르면, 차량에 제공되는 다른 제어 장치들과 연결되어 독립적으로 제어될 수 있는 개선된 차동 장치를 제공할 수 있으며, 차동 장치 동작의 현재 상태를 결정하도록 동작할 수 있는 개선된 탐지 시스템을 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (27)

  1. 하우징(housing);
    상기 하우징 내에 회전 가능하게 위치하고 내부 캐비티(interior cavity)를 정의하는 케이스;
    상기 내부 캐비티 내에 회전 가능하게 지지되는 한 쌍의 피니온 기어들;
    상기 내부 캐비티 내에 회전 가능하게 지지되고 각각의 상기 피니온 기어들과 구동 가능하게 맞물리는 한 쌍의 사이드 기어들;
    전자석을 포함하고, 축 방향으로 이동 가능한 부재 및 상기 사이드 기어들 중 어느 하나를 상기 케이스에 구동 가능하게 연결하도록 동작할 수 있는 축 방향으로 이동 가능한 부재를 포함하는 전기적으로 구동 가능한 커플링(coupling); 및
    상기 하우징, 상기 케이스, 상기 축 방향으로 이동 가능한 부재 중 어느 하나와 연결되고 상기 축 방향으로 이동 가능한 부재의 위치를 나타내는 신호를 출력하도록 동작 가능한 센서를 포함하는 동력 전달 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 커플링과 연결된 컨트롤러를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 커플링을 선택적으로 구동시켜 상기 커플링으로 하여금 상기 동력 전달 장치가 체결된 상태 또는 개방된 상태에 있도록 하게 하는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 바퀴 속도, 바퀴 속도 차동(wheel speed differential), 트랜스퍼 케이스 레인지 위치(transfer case range position), 기어 위치, 차량 속도, 제동 어플리케이션(brake application) 및 바퀴 속도의 변화로 이루어진 그룹에서 선택된 하나인 차량 신호에 대응하여 상기 커플링을 동작시키는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 커플링은 상기 사이드 기어들 중 하나와 선택적으로 맞물릴 수 있는 링을 포함하고, 상기 링은 상기 케이스에 의해서 회전 가능하게 보유되고 상기 케이스에 대하여 축 방향으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 링을 상기 제1 사이드 기어로부터 분리되는 위치를 향해 치우치게 하는 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 센서는 타켓(target)의 상기 센서에 대한 근접 정도를 나타내는 신호를 출력하도록 구동가능한 홀 효과 타입 센서임을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 타겟은 상기 하우징, 상기 케이스 및 상기 축 방향으로 이동 가능한 부재 중 어느 하나에 장착된 자석인 것을 특징으로 하는 동력 전 달 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 축 방향으로 이동 가능한 부재의 위치를 나타내는 신호를 출력하도록 구동 가능한 제2 센서를 더 포함하고, 상기 센서는 제1 자기장 밀도를 나타내는 신호를 제공하도록 구동 가능하고, 상기 제2 센서는 상기 제1 자기장 밀도보다 작은 제2 자기장 밀도를 나타내는 신호를 제공하도록 구동 가능한 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제2 센서는 홀 효과 타입 센서인 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징 내에 형성된 관통구를 통해 연장하는 커넥터를 더 포함하고, 상기 커넥터는 상기 센서 및 상기 커플링과 전기적으로 연결되는 다수의 단자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  11. 하우징;
    상기 하우징 내에 회전 가능하게 위치한 입력 샤프트;
    상기 하우징 내에 회전 가능하게 위치한 적어도 하나의 출력 샤프트;
    상기 하우징 내에 위치하고 상기 입력 샤프트 및 상기 적어도 하나의 출력 샤프트 사이에서 회전력을 전달하는 기어 세트;
    선형으로 이동 가능한 부재를 가지며, 상기 이동 가능한 부재를 상기 기어 세트와 구동 가능하게 체결하도록 작동할 수 있는 전기적 액츄에이터(actuator); 및
    상기 하우징 내에 위치하고, 상기 이동 가능한 부재의 선형적 위치를 나타내는 신호를 출력하도록 동작 가능한 센서를 포함하는 동력 전달 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 센서 및 센서 타켓 중 하나는 상기 이동 가능한 부재에 장착되고 상기 이동 가능한 부재와 함께 이동되는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 하우징에 회전 가능하게 연결된 케이스를 더 포함하고, 상기 기어 세트는 상기 케이스 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 이동 가능한 부재는 상기 케이스에 연결되어 함께 회전하는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 센서는 상기 센서가 상기 타켓으로부터 소정의 거리에 위치할 경우 신호를 출력하도록 동작할 수 있는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 타켓은 자석인 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  17. 제 11 항에 있어서, 상기 전기적 액츄에이터는 전자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 이동 가능한 부재의 위치를 표시하는 신호를 출력하도록 동작할 수 있는 제2 센서를 더 포함하고, 상기 센서는 제1 자기장 밀도를 나타내는 신호를 제공하도록 동작할 수 있고, 상기 제2 센서는 상기 제1 자기장 밀도 보다 적은 제2 자기장 밀도를 나타내는 신호를 제공하도록 동작할 수 있는 것을 특징으로 하는 동력 전달 장치.
  19. 센서를 축 방향으로 이동 가능한 부재 및 고정된 부재 중 하나에 장착시키는 단계;
    상기 축 방향으로 이동 가능한 부재 및 상기 고정된 부재 중 나머지 하나에 타겟을 장착시키는 단계;
    상기 타겟에 대하여 상기 축 방향으로 이동 가능한 부재가 제1 위치에 있을 때 상기 케이스가 상기 사이드 기어와 함께 회전하기 위해 상기 사이드 기어에 연결되는 체결된 차동 모드를 나타내는 제1 센서 신호를 출력하는 단계; 및
    상기 타겟에 대하여 상기 축 방향으로 이동 가능한 부재가 제2 위치에 있을 때 상기 케이스의 상기 사이드 기어와 함께하는 회전을 가능하게 하는 상기 케이스의 상기 사이드 기어로의 연결이 되지 않은 비체결 차동 모드를 나타내는 제2 센서 신호를 출력하는 단계를 포함하는 케이스 및 사이드 기어를 갖는 차동 기어 안에서 회전하는 샤프트들 사이에서 차동의 체결 및 비체결 모드를 탐지하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 타켓으로 자석을 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이스 및 사이드 기어를 갖는 차동 기어 안에서 회전하는 샤프트들 사이에서 차동의 체결 및 비체결 모드를 탐지하는 방법.
  21. 제 21 항에 있어서, 상기 센서 및 전자석의 코일을 회전 가능하게 연결하는 것을 더 포함하고, 상기 전자석의 코일은 상기 축 방향으로 이동 가능한 부재를 이동시키도록 동작 가능한 것을 특징으로 하는 케이스 및 사이드 기어를 갖는 차동 기어 안에서 회전하는 샤프트들 사이에서 차동의 체결 및 비체결 모드를 탐지하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 센서의 상기 케이스와 함께하는 회전을 제한하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이스 및 사이드 기어를 갖는 차동 기어 안에서 회전하는 샤프트들 사이에서 차동의 체결 및 비체결 모드를 탐지하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 케이스에 대하여 상기 전자석의 코일을 회전시키도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이스 및 사이드 기어를 갖는 차동 기어 안에서 회전하는 샤프트들 사이에서 차동의 체결 및 비체결 모드를 탐지하는 방법.
  24. 제 19 항에 있어서, 상기 축 방향으로 이동 가능한 부재 및 상기 고정된 부재 중 하나에 대하여 제2 센서를 장착시키는 단계 및 상기 제2 센서의 축 위치를 나타내는 제3 신호를 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이스 및 사이드 기어를 갖는 차동 기어 안에서 회전하는 샤프트들 사이에서 차동의 체결 및 비체결 모드를 탐지하는 방법.
  25. 제1 및 2 센서들을 축 방향으로 이동 가능한 부재 및 고정된 부재 중 어느 하나에 장착시키는 단계;
    타겟을 상기 이동 가능한 부재 및 상기 고정된 부재 중 나머지 하나에 장착시키는 단계;
    상기 제1 센서가 자기장 밀도의 제1 양에 노출될 때 상기 제1 센서로부터 제1 신호를 출력하는 단계;
    자기장 밀도의 상기 제1 양보다 적은 자기장 밀도의 제2 양에 상기 제2 센서가 노출되었을 때 상기 제2 센서로부터 제2 신호를 출력하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 신호들에 기초하여 차동의 모드를 결정하는 단계를 포함하 는 케이스 및 사이드 기어를 갖는 차동 기어 안에서 회전하는 샤프트들 사이에서 차동의 체결 및 비체결 모드를 탐지하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서, 차동의 모드를 결정하는 단계는 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호가 낮아서 개방된 또는 체결된 차동의 모드를 표시하는지 여부를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이스 및 사이드 기어를 갖는 차동 기어 안에서 회전하는 샤프트들 사이에서 차동의 체결 및 비체결 모드를 탐지하는 방법.
  27. 제 27 항에 있어서, 차동의 모드를 결정하는 단계는 상기 제1 및 제 2 신호들이 모두 높아서 다른 개방 또는 체결된 차동의 모드를 나타내는지 여부를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이스 및 사이드 기어를 갖는 차동 기어 안에서 회전하는 샤프트들 사이에서 차동의 체결 및 비체결 모드를 탐지하는 방법.
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