KR20070114799A - 구동 휠 허브용 페이스 스플라인 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구동 가능한 휠 허브(2)용 휠 베어링 장치(wheel bearing arrangement)(1)에서 회전축(1a)을 중심으로 원주 방향으로 진행하는 기어 림(toothed rim)의 페이스 스플라인(face spline)(9)에 관한 것으로써, 페이스 스플라인(9)에 대향하는 카운터 스플라인(counter spline)(10)에 유극 없이 맞물리기 위해 페이스 스플라인(9)이 제공되며 페이스 스플라인(9)의 기하학적 선(14, 15, 16)이 회전축(1a)에서 중앙의 공동의 점에 만나고 이로써 톱니(13)가 방사상 방향에서 회전축(1a)으로 진행하도록 페이스 스플라인(9)의 톱니(13)가 쇄기 형태로 형성된다.

Description

구동 휠 허브용 페이스 스플라인{FACE SPLINE FOR A DRIVEN WHEEL HUB}
본 발명은 구동 가능한 휠 허브용 휠 베어링 장치에서 회전축을 중심으로 원주 방향으로 진행하는 기어 림의 페이스 스플라인에 관한 것으로써, 페이스 스플라인에 대향하는 카운터 스플라인에 유극 없이 맞물리기 위해 페이스 스플라인이 제공되며 페이스 스플라인의 기하학적 선들이 회전축에서 중앙의 공동의 점에 만나고 이로써 톱니가 방사상 방향에서 회전축으로 진행하도록 페이스 스플라인의 톱니가 쇄기 형태로 형성된다.
이러한 유형의 페이스 스플라인은 독일 특허 DE 31 16 720 C1에 상세히 설명되어 있다. 차량 구동축의 해당 카운터 스플라인이 페이스 스플라인에 맞물린다. 일반적으로 카운터 스플라인은 유니버셜 조인트의 소켓 또는 소켓의 뿌리에 형성된다.
구동 부재를 휠 허브 장치에 부착할 때 세레이션(serration)의 형상으로 인해 회전축을 중심으로 구동 부재와 휠 허브가 서로 센터링된다. 이로써 주행 모드에서 조인트의 우수한 진원도가 보장된다. 허브에 대한 카운터 피스의 부착은 셀프 센터링으로 인해 간단하지만, 매우 높은 축방향 예하중이 필요하다.
페이스 스플라인의 모든 톱니의 치면은 카운터 스플라인의 모든 톱니의 양측 치면과 맞물린다. 스플라인은 하나 또는 복수의 볼트 부재를 통해 축방향에서 조여진다. 토크는 면 압착에서 형성된 형상 및 마찰 결합을 통해 휠 허브로 전달된다.
특히 높은 토크가 구동장치에서 휠로 또는 경우에 따라서는 반대 방향으로 토크 흐름이 전달되어야 하는 경우에, 휠 허브와 조인트 부분과의 결합이 이점으로 작용한다. 대개 일반적으로 적용되는 내측 스플라인과 외측 스플라인의 쌍이 설치 공간적 이유 및 강도의 측면에서 충분치 못하므로, 페이스 스플라인이 설치 공간 절약적이고 더욱 안정적인 대안으로 작용한다. 과부하 발생 시 경우에 따라 휠 허브의 파열로 인해 차량 휠의 손실로 이어질 경우, 휠로의 높은 토크의 전달이 단점으로 작용할 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 전술한 단점을 극복한 페이스 스플라인을 제공하는 것이다.
이 목적은, 맞물리기 위해 제공되는 페이스 스플라인의 치면이 20˚보다 크고 30˚보다 작은 측면각으로 각각 경사지는 것을 통해 달성된다. 스플라인이 대칭적으로 형성되는 경우에 측면각은 톱니각의 반에 해당한다. 치면은 회전축에서 시작되는 가상의 분할면에 대해 측면각만큼 경사져 있다.
페이스 스플라인의 치수 변화 및 치수는 휠 베어링에서 설치 공간과 관련된 이유에서 한정된다. 스플라인의 피치원 직경(회전축을 중심으로 한 페이스 스플라인의 중간 원주)은 대개 매우 좁은 한계 범위 내로 한정된다. 따라서 예를 들어 구동 토크의 부하에 대항하여 스플라인의 피치원 변화를 통해 스플라인의 거동에 거의 또는 전혀 영향을 미칠 수 없다. 본 발명에서는 측면각을 통해 스플라인의 개별 톱니의 형상을 변화시킴으로써 구동 토크에 의한 부하 및 조립성과 관련하여 허용되는 범위 내에서 최적의 톱니 수량을 결정할 수 있다. 카운터 스플라인과 공차 없이 맞물리는 유효 치면의 측면각은 바람직하게도 22.5˚이다. 이러한 형상에서는 조립 시 상대적으로 낮은 축방향 힘벡터로 인해 스플라인에서 예하중이 낮아진다. 페이스 스플라인이 공칭 정격에서 높은 토크를 전달하지만 규정된 파열 토크에서는 탄성을 나타내도록 이뿌리에서 각 톱니의 횡단면이 설계된다.
본 발명에 따른 형상에서는, 페이스 스플라인의 이폭이 적어도 이폭에서 서로 대향하는 각각 두 개의 치면 사이에서(치면에서 치면으로) 적어도 이뿌리원 반지름으로 오목하게 라운딩되며, 각 톱니의 이봉우리면이 적어도 치면에서 각 톱니의 다른 치면으로 적어도 볼록한 이끝원 반지름으로 라운딩된다. 또한 이끝원 반지름이 항상 이뿌리원 반지름보다 크다. 따라서 카운터 스플라인의 이봉우리면이 바닥에서 페이스 스플라인의 이폭과 접촉하지 않고 페이스 스플라인의 이봉우리면이 바닥에서 카운터 스플라인의 이폭과 접촉하지 않는다. 공차 없이 유효 치면이 접촉하는 것이 보장된다. 본 발명에 따른 카운터 스플라인 및 페이스 스플라인은 동일하게 형성될 수 있다. 바람직하게도 비절삭 방식으로 소위 리벳팅 툴(riveting tool)을 이용한 성형을 통해 스플라인이 부착되는 경우에는, 양측 스플라인에 대해 동일한 툴을 사용할 수 있다.
또한 반지름의 크기는 페이스 스플라인의 톱니 높이 및 이로써 부하에 대한 스플라인의 저항력에 영향을 미친다. 따라서 본 발명에서는 각 톱니의 최대 이론적 총 이높이와 이끝원 반지름 사이의 비율이 적어도 숫자 5이고 최대 숫자 9 사이이다:
5 ≤ Hth/R ≤ 9
이론적 총 이높이는 대칭면 또는 분할면에서 톱니 이끝면의 제1 교차 모서리와 이뿌리면의 제2 교차 모서리 사이의 최대 축방향 간격에 해당한다. 교차 모서리에는 서로 대향하는 두 개의 기하학적 면이 만나는데, 이 기하학적 면은 카운터 스플라인과 맞물리는 치면의 적어도 일부를 설명한다. 이에 따라 이봉우리면에서 이중 측면각을 포함하는 톱니의 기하학적 치면들이 제1 교차 모서리에서 만난다. 각각 하나의 이폭에서 서로 대향하는 인접 톱니의 두 개의 기하학적 치면이 이뿌리면에서 제2 교차 모서리와 만난다.
동시에 또는 그에 대안적으로 각 톱니의 최대 이론적 총 이높이와 이뿌리원 반지름 사이의 비율이 적어도 숫자 7이고 최대 숫자 11 사이이다:
7 ≤ Hth/r ≤ 11
동시에 또는 그에 대안적으로 각 톱니의 최대 이론적 총 이높이와 이론적 이뿌리 폭 사이의 비율이 적어도 숫자 0.9이고 최대 숫자 1.3 사이이다:
0.9 ≤ Hth/Bth ≤ 1.3
이론적 이뿌리 폭은 서로 인접한 두 개의 이뿌리측 교차 모서리 사이의 간격이다.
전술한 형상을 통해 추진축과 휠 사이의 토크 결합부의 휠 허브 베어링에서 페이스 스플라인의 파절부가 형성되는데, 이 파절부는 예를 들어 휠 베어링과 같은 안전 관련 부품에서 멀리 이격되게 배치된다. 따라서 토크에 의해 회전축 둘레에서 하중을 받는, 페이스 스플라인의 재료는 변형에 대한 약한 저항을 갖게 되고, 이는 과부하 토크에서 스플라인의 탄성 변형을 야기시킨다. 동일한 토크로 부하되고, 페이스 스플라인에서 이격된 휠 허브 재료의 횡단면이 더 강한 저항 토크를 갖는다. 전체 횡단면은 각각의 총 토크가 작용하는 동일 시점에 토크의 하중이 가해지는, 톱니 및 이뿌리의 개별 횡단면 및/또는 톱니로의 전이부에서 휠 허브 재료의 횡단면의 모든 합이다. 따라서 과부하 시 톱니가 파괴되고 휠 허브로의 구동력이 전달되지 않는 경우에도, 휠 베어링은 손상되지 않는다.
대안적으로 페이스 스플라인의 쌍이 안전 래칫 클러치(safety ratchet clutch)로서 설계된다. 휠 허브 및 구동 부재는 적어도 하나의 나사 핀을 통해 축방향에서 예하중으로 서로 조여진다. 나사 핀은 전체적으로, 또는 그 재료의 임의의 각 부분 및 횡단면 및 적어도 임의 횡단면의 가장 약한 부분에서, 토크 또는 토크로 인한 힘으로 부하되는 휠 베어링 유닛의 임의의 부분보다 토크 부하로 인한 변형에 대해 더 약한 저항력을 갖는다. 이 조치는, 페이스 스플라인 또는 쌍이 큰 피치원 지름으로 인해 강직성으로 형성되어 이것이 파절부로서 적합하지 않는 경우에 적용된다.
중앙 핀 또는 회전축을 중심으로 배치된 복수의 핀은 요구되는 파절 토크의 크기에 따라 설계된 총 횡단면을 갖는다. 과부하 시 스플라인에 작용하는 토크는 스플라인에서 본 발명에 따른 치면 형상으로 인해 축력으로 전환되는데, 이 축력은 핀을 축방향으로 확장시켜 치면이 상승하여 마지막으로 서로 분리되므로 토크 결합이 해제된다. 나사 핀은 축방향에서 적어도 탄성이지만 소성으로 변형될 수도 있으므로, 이 나사 핀은 적어도 축방향에서 소성 및 탄성 변형과 관련하여, 축방향 예하중 및 토크에 의해 동시에 부하되는 스플라인의 총 횡단면보다 더 약한 저항력을 갖는다. 이 저항력은, 서로 맞물리는 스플라인이 예하중에 대항하여 서로 분리되기 시작하는 축방향 분리력보다 약하거나 같은 정도로 볼트 체결부에 가해지는 축력이다.
또한 페이스 스플라인의 파절부 및 핀 확장 부재의 조합을 구현하는 것도 생각할 수 있다.
본 발명에서 저항력이란 재료의 면 부분이 휨(저항 토크, 비틀림, 인장력 및 압력) 부하를 견디는 능력으로 이해해야 한다. 부하는 우선 토크로서 회전축을 중심으로 전달되고 그 다음 스플라인에서 축방향 및 접선방향 힘 벡터로 전환된다.
도 1은 하나의 휠 허브(2), 2열의 회전체(3) 및 하나의 차량 플랜지(4)를 구비한 휠 베어링 장치(1)를 도시한다.
도 2, 도 2a 및 도 3는 스플라인(9, 10)의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 1은 하나의 휠 허브(2), 2열의 회전체(3) 및 하나의 차량 플랜지(4)를 구비한 휠 베어링 장치(1)를 나타낸다. 휠 허브(2)는 도시하지 않은 차량 휠의 고정을 위한 플랜지(5)를 포함하며 차량에 고정된 차량 플랜지(4)에 대해 회전축(1a)을 중심으로 회전할 수 있도록 회전체(3)를 통해 지지된다. 휠 허브(2)에는 내측 링(6)이 안착되어 있는데, 그 위에서 1열의 회전체(3)가 구동된다. 내측 링(6)은 칼라(collar)(7)를 통해 휠 허브(2)에서 축방향으로 고정된다. 또한 칼라(7)를 통해 테이퍼 롤러 베어링 장치에 예하중이 가해진다. 칼라(7)는 휠 허브(2)의 중공 부분(8)을 포함하는 단일 재료로 형성되며 그에서부터 방사상 외측으로 젖혀진다.
본 발명에 따른 실시예에서 칼라(7)의 축방향을 향하는 측면으로 예를 들어 냉간 단조, 엠보싱 또는 압연과 같은 성형 가공을 통해 비절삭 방식으로 페이스 스플라인(9)이 형성된다. 페이스 스플라인은 상세히 도시하지 않은 구동 부재(11)에서 상응하는 카운터 스플라인(10)과 쌍을 이룬다. 스플라인(9, 10)은 서로 동일한 수의 톱니(13)를 포함하며, 축방향에서 서로 대향하고, 서로 공차 없이 맞물리며 나사 핀(12)을 통해 축방향에서 서로 맞물리게 조여진다.
스플라인(9, 10)의 실시예는 도 2, 도 2a 및 도 3에 개략적으로 도시되어 있다. 도 2에는 스플라인(9, 10)의 사시도가 도시되어 있으며, 교차점(P)에서 만나며 방사상 방향을 향하는 기하학적 선(14, 15, 16)을 통하여 쇄기 형태로 형성된 톱니(13)의 머리부, 다리부 및 측면부를 나타낸다. 교차점(P)은 방사상 방향으로 진행하는 기어 림의 모든 기하학적 선에 대한 공동의 교차점이다. 톱니 측면각(α)의 두 배에 해당하는 톱니각(β)은 각각의 모든 톱니(13)의 방사상 진행에 있어 일정하다.
특히 도 2a에서 알 수 있듯이, 치면(tooth flank)은 가상의 면(E)에 대해 측면각(α)만큼 경사진 면으로 설명된다. 면(E)은 감소되는 간격(A)으로 둘레 측에 인접한 두 개의 이폭((17)의 방향으로 진행한다. 이 간격은 회전축에 근접할수록 작아진다. 면(E)은 치면(18, 19)의 진행으로 설명되는 면(Z1)과 P에서 만난다. 선(15)은 외측을 기준으로 최고 이높이(H)에서부터 P로 진행함에 따라 하강한다. 이높이(H)는 외측을 기준으로 회전축(1a)에 대한 방사상 거리가 감소할수록 낮아진다.
도 3은 최고 이높이(H)를 갖는 위치에서 스플라인의 톱니(13)을 절개한 횡단면도를 나타낸다. 페이스 스플라인(9)의 이폭(17)은 카운터 스플라인(10)의 톱니로 거의 완전히 채워지고 카운터 스플라인(10)의 이폭은 페이스 스플라인(9)의 톱니(13)로 거의 완전히 채워진다. 이폭의 중앙(23)과 이(tooth)봉우리면(22) 사이의 축방향 틈새만 남게 된다. 각각의 톱니(13)에 대한 공동의 면(Z1)이 교차 모서리(20)의 이봉우리면 측에서 서로 만나고 α만큼 E에 대해 경사지게 형성된다. 교차 모서리(20)는 서로 동일한 분할비(T)로 배치된다. 뿌리측의 교차 모서리(21)에서 면(Z1)이 서로 교차한다. 교차 모서리(20, 21)는 면(K, F)에 놓인다. 방사상 이끝면(K)과 방사상 이뿌리면(F) 사이의 이론적 총 이높이(Hth)는 스플라인(9)의 원주(U)가 일정할 때 α에 따라 결정된다. 그림에서 수직 간격 및 페이스 스플라인(9)에서 축방향 간격(H)은 높이(Hth)가 변하지 않는 조건에서 이끝원 반지름(R) 및 이뿌리원 반지름(r)에 따라 결정된다. 여기에서 R은 r보다 크다(R > r). 이로써 스플라인(9, 10)의 공차 없는 맞물림이 보장되는데, 그 이유는 이폭(17)에는 이봉우리면(22)과 이폭(17)의 중앙(23) 사이의 간격이 항상 남게되기 때문이다. 회전 축(1a)을 중심으로 한 토크(Md)는 스플라인에서 힘 벡터(FR, FA, FU)를 발생시킨다. FA는, 나사핀(12)을 통해 스플라인의 장력으로 예하중을 받는 다른 축방향 힘 벡터와 중첩된다.
본 발명은 구동 휠 허브용 페이스 스플라인에 이용될 수 있다.
[도면 부호의 설명]
1 휠 베어링 장치
1a 회전축
2 휠 허브
3 회전체
4 차량 플랜지
5 플랜지
6 내측 링
7 칼라
8 부분
9 페이스 스플라인
10 카운터 스플라인
11 구동 부재
12 나사 핀
13 톱니
14 기하학적 선
15 기하학적 선
16 기하학적 선
17 이폭
18 치면
19 치면
20 교차 모서리
21 교차 모서리
22 이봉우리면
23 중앙

Claims (9)

  1. 구동 가능한 휠 허브(2)용 휠 베어링 장치(1)에서 회전축(1a)을 중심으로 원주 방향으로 진행하는 기어 림의 페이스 스플라인(9)으로서, 페이스 스플라인(9)에 대향하는 카운터 스플라인(10)에 유극 없이 맞물리기 위해 페이스 스플라인(9)이 제공되며 페이스 스플라인(9)의 기하학적 선(14, 15, 16)이 회전축(1a)에서 중앙의 공동의 점에 만나고 이로써 톱니(13)가 방사상 방향에서 회전축(1a)으로 진행하도록 페이스 스플라인(9)의 톱니(13)가 쇄기 형태로 형성되는 페이스 스플라인에 있어서,
    맞물림에 제공되는, 페이스 스플라인(9) 톱니(13)의 치면(18, 19)이 하강하면서 각각의 톱니(13)를 대칭적으로 분할하는 가상의 분할면에 대해 20˚보다 크고 30˚보다 작은 측면각(α)으로 각각 경사지는 것을 특징으로 하는 페이스 스플라인.
  2. 제1항에 있어서, 상기 페이스 스플라인(9)의 이폭(17)이 적어도 이폭(17)에서 서로 대향하는 각각 두 개의 치면(18, 19) 사이에서 적어도 이뿌리원 반지름만큼 오목하게 라운딩되는 것을 특징으로 하는 페이스 스플라인.
  3. 제2항에 있어서, 각 톱니(13)의 이봉우리면이 적어도 하나의 치면(17)에서 각 톱니(13)의 다른 치면(17)으로 적어도 볼록한 이끝원 반지름만큼 라운딩되며 이 끝원 반지름은 이뿌리원 반지름보다 큰 것을 특징으로 하는 페이스 스플라인.
  4. 제1항에 있어서, 각 톱니(13)의 최대 이론적 총 이높이와 이끝원 반지름 사이의 비율이 적어도 숫자 5와 최대 숫자 9 사이에 해당하며, 분할면에서 이론적 총 이높이는 제1 교차 모서리(20)와 제2 교차 모서리(21) 사이의 최대 축방향 간격이고, 교차 모서리(20, 21)에서 각각 대향하는 두 개의 기하학적 면이 서로 교차하며, 각각의 면이 치면(18, 19) 중 하나에 의해 한정되고, 제1 교차 모서리(20)에서는 톱니(13) 치면(18, 19)의 기하학적 면이 이봉우리면에서 교차하고 제2 교차 모서리(21)에서는 각 이폭(17)에서 서로 대향하는 두 개의 치면(18, 19)에 인접한 톱니(13)의 기하학적 면이 이뿌리면에서 교차하는 것을 특징으로 하는 페이스 스플라인.
  5. 제1항에 있어서, 각 톱니(13)의 최대 이론적 총 이높이와 이끝원 반지름 사이의 비율이 적어도 숫자 7과 최대 숫자 11 사이에 해당하며, 분할면에서 이론적 총 이높이는 제1 교차 모서리(20)와 제2 교차 모서리(21) 사이의 최대 축방향 간격이고, 교차 모서리(20, 21)에서 각각 대향하는 두 개의 기하학적 면이 서로 교차하며, 각각의 면이 치면(18, 19) 중 하나에 의해 한정되고, 제1 교차 모서리(20)에서는 톱니(13) 치면(18, 19)의 기하학적 면이 이봉우리면에서 교차하고 제2 교차 모서리(21)에서는 각 이폭(17)에서 서로 대향하는 두 개의 치면(18, 19)에 인접한 톱니(13)의 기하학적 면과 이뿌리면에서 교차하는 것을 특징으로 하는 페이스 스플라 인.
  6. 제1항에 있어서, 각 톱니(13)의 최대 이론적 총 이높이와 이론적 이뿌리 폭 사이의 비율이 적어도 숫자 0.9와 최대 숫자 1.3 사이에 해당하며, 분할면에서 이론적 총 이높이는 제1 교차 모서리(20)와 제2 교차 모서리(21) 사이의 최대 축방향 간격이고, 교차 모서리(20, 21)에서 각각 대향하는 두 개의 기하학적 면이 서로 교차하며, 각각의 면이 치면(18, 19) 중 하나에 의해 한정되고, 제1 교차 모서리(20, 21)에서는 톱니(13) 치면(18, 19)의 기하학적 면이 이봉우리면에서 교차하고 제2 교차 모서리(21)에서는 각 이폭(17)에서 서로 대향하는 두 개의 치면(18, 19)에 인접한 톱니(13)의 기하학적 면이 이뿌리면에서 교차하고, 이론적 이뿌리 폭이 서로 인접한 두 개의 제2 교차 모서리(21) 사이의 간격인 것을 특징으로 하는 페이스 스플라인.
  7. 제1항에 있어서, 토크에 의해 회전축(1a)을 중심으로 부하된, 페이스 스플라인(9) 재료의 총 횡단면이 동일한 토크로 부하된 임의의 다른, 휠 허브(2) 재료 횡단면보다 토크로 인한 더 약한 변형 저항력을 가지며, 총 횡단면이 휠 허브(2)와 일체형으로 형성된 페이스 스플라인(9) 재료의, 토크로 부하된 모든 개별 횡단면의 합인 것을 특징으로 하는 페이스 스플라인.
  8. 제1항에 따른 페이스 스플라인(9)을 구비한 휠 베어링 장치(1)로서, 카운터 스플라인(10)이 휠 허브(2)를 통해 축방향에서 예하중을 받는 구동 부재에서 형성되며, 휠 허브(2) 및 구동 부재가 적어도 하나의 나사 핀(12)을 통해 축방향에서 예하중으로 서로 조여기는 휠 베어링 장치에 있어서,
    축방향에서 예하중이 가해지는 나사 핀(12)의 적어도 하나의 임의 확장부가 동일한 토크가 가해지는 휠 허브(2) 재료 횡단면보다 페이스 스플라인(9)으로 가해지는 토크에 의한 변형에 대해 더 적은 저항력을 갖는 것을 특징으로 하는 휠 베어링 장치.
  9. 제1항에 있어서, 페이스 스플라인(9)이 휠 허브(2)의 칼라(7)에 형성되며, 휠 허브(2)에 안착된 적어도 하나의 내측 링이 이 칼라를 통하여 적어도 1열의 회전체를 위해 적어도 축방향에서 휠 허브(2)에 고정되고, 칼라(7)가 휠 허브(2)의 중공 부분에서부터 방사상 외측으로 성형되는 것을 특징으로 하는 휠 베어링 장치.
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