KR20090075742A - 구형 유니버셜 커플링 - Google Patents

Abstract

1쌍의 구형 기어는 CV-조인트의 교차용 샤프트를 연결한다. 하나의 기어는 내부 치를 가지며, 다른 하나의 기어는 외부 치를 갖는다. 기어 설계는, 동심이며 동일한 반경을 가지는 이론상 피치구 상의 대원인 피치원에 기초를 둔다. 외부 치면은 접선 평면 연장부를 갖는 원통형으로 되어 있는 반면, 내부 치는 원뿔형이나 구형태로 되어 있다. 구형 기어는 하프-샤프트 상에 보여지고 있다. 바람직한 실시예는 각각의 기어에 6개의 치를 가지며, 또한 하나의 바람직한 실시예는 내부 치를 위한 볼을 사용한다. 기어는, 하중을 받으며 고속으로 회전하면서, 60°이상의 연속적인 최대 범위에 걸쳐 전방위로 교차할 수 있다.

컵 모양의 지지부, 내부 기어, 외부 기어, 하프-샤프트, 중심 볼

Description

구형 유니버셜 커플링{SPHERICAL UNIVERSAL COUPLING}

본 발명은 유니버셜 커플링 및 자동차용 하프 샤프트(half-shafts), 더 구체적으로는 원동 샤프트(driving shaft)의 회전을 종동 샤프트(driven shaft)에 전달하도록 2개의 샤프트를 직접 연결시키는 동시에, 샤프트의 축 사이의 교각을 180°정렬 상태로부터 비교적 광범위하고 연속적인 각도 범위(예, 60°이상)에 걸쳐 전방위로 변화시키는 등속 유니버셜 조인트에 관한 것이다.

본 PCT 출원은, 2006년 10월 27일에 출원된 "SPHERICAL UNIVERSAL COUPLING"을 발명의 명칭으로 하는 특허출원 제11/553,736호의 일부계속출원인 2007년 10월 25일 출원된 "SPHERICAL UNIVERSAL COUPLING"을 발명의 명칭으로 하는 미국특허출원 제11/924,130호에 개시된 하나 이상의 발명에 대한 권리를 주장하는 것이다. 본 명세서에서는 전술한 출원을 참조로 원용한다.

각도 변화가 일어나는 샤프트 사이의 회전 운동을 전달하기 위한 비기어수단에 대해서는 잘 알려져 있다. 그러한 장치로 가장 잘 알려져 있는 것은 아마도 자동차의 구동 샤프트와 휠 축을 연결시키는데 사용되는 유니버셜 조인트일 것이다. 대체로, 이러한 유니버셜 조인트는 1쌍의 요크에 의해 상호 연결된 2개의 작은 교차축(intersecting axles)의 구형 2중 요크(카르단) 형태로 이루어진다. 그러나, 이러한 요크에 의해 연결된 샤프트와 축 조인트 각각은 전체 회전 동안 동일한 회전율로 회전되지 않는다. 따라서, 엥글식 샤프트 사이의 연결 지점에, 원동 및 종동 샤프트가 각각 회전하는 동안 개별 트랙을 통해 앞뒤로 미끄러지는 미끄럼 볼이 제공되어, 상기 샤프트 사이에 형성된 순간 각도를 이등분하는 면에서 항상 미끄럼 볼 각각의 중심을 유지시키는 등속("CV") 조인트가 개발되었다(예, Rzeppa 및 Birfield). 그러나, 이러한 유니버셜 조인트 및 CV-조인트는 매우 복잡하고, 비교적 윤활하기 어려우며, 그 조인트 부품의 설계 및 제조는 세계 자동차 산업에 있어 상당히 중요하기 때문에 매우 특수한 비전 기술(esoteric art)로써 널리 인식되어 있다. 이러한 유니버셜 조인트 기술은 상당히 발전되어 있지만, 매우 정확하게(예, ±0.0002"/0.005㎜) 연마되어야 하는 넓은 표면적으로 인해 제조가 어렵고 값이 비싼 많은 부품을 포함하는 상기 조인트는 값이 비싸다. 이러한 조인트는 전달할 수 있는 회전 속도, 더 구체적으로는, 효율적으로 동작할 수 있는 각도의 크기에 따라 한정된다.

범용 Rzeppa CV-조인트 설계에 있어서, 예를 들면, 이 조인트가 매회전 시에, 여기에는, (a) 자오선 방향(구부러진 길이방향)의 내외부 볼 가이드 슬롯을 따르는 상당한 왕복운동 미끄럼 작용이 있고, (b) 요구되는 구형 볼 리테이너의 직사각형 슬롯을 따라 추가로 볼의 교차 미끄러짐 작용이 있으며, (c) 하우징 컵의 볼록형 구면 뿐만 아니라, 슬롯식 코어 요소의 볼록형 구면 직경에 대한 설계에 필요한 구면 내부 경로의 미끄러짐 작용이 있다. 이들 미끄러짐 작용의 회수는 열을 발생시키고, 작동 속도 및 샤프트 각도에 비례하여 증가한다. 또한, Rzeppa 조인 트 설계는, 볼과 볼의 리테이너를 등속면 위치로 보내기 위해, 자오선 방향의 내외부 볼 가이드 슬롯에 대한 캠 변경을 필요로 한다. 또한, 이들 캠 각도는 슬롯을 따르는 볼 운동의 일부가 순수 굴림 운동보다는 미끄러짐 운동으로써 발생할 수 있도록 한다.

기존의 상업용 CV-조인트 구조의 운동 제한과 관련하여, Rzeppa 자오선 방향의 슬롯의 깔때기 각도(또는 내외부 결합형 캠 각도)는 볼 재밍 마찰(ball-jamming friction)을 피하기 위해 15°를 초과할 필요가 있으며, 그 결과 각각의 내외부 볼 가이드 슬롯은 보다 빠르게 수렴하거나 발산하여, 적절한 크기의 CV-조인트 조립 패키지 내에 수용될 수 있는 전체 각도 범위를 제한한다.

미국특허 제5,613,914호에는 새로운 유형의 "구형" 전동장치를 사용한 유니버셜 커플링이 개시되어 있다. 이 특허와 이와 대응하는 전세계에 걸친 대응 특허에는, 개시된 CV-조인트의 다양한 구조로 구현될 수 있는, 여러가지 상이한 치형을 갖는 구형 기어가 개시되어 있다. 이 구형 전동장치는 근본적으로 기어 형상이 상이한 구조로 되어 있다. 다시 말해, 2개의 샤프트 사이에 일정한 속도를 전달하기 위해 1쌍의 기어, 즉 하나가 내부 치(teeth)를 가지고 다른 하나가 외부 치를 갖는 기어의 구조가 사용된다. 2개의 기어의 피치원은 동일한 크기를 가지며, 실제로는 항상 동일 피치구 상의 대원이 된다. 구 형상으로 자명하게 되어 있는 바, 그러한 대원은 두 지점에서 교차하고, 교차하는 대원 사이(즉, 2개의 기어의 피치원 사이)의 구 표면에 형성된 활꼴 쌍은 구 표면 둘레에 대형 8자 모양을 이룬다. 대응하는 기어 사이에 공유된 이 접촉 지점의 상대 운동이 기어 샤프트 모두를 상대적으 로 각도 조절시키면서 각각 8자를 그리고 있기 때문에, 2개의 샤프트는 일정한 속도로 회전하게 된다.

각각의 구형 기어의 피치원이 동일 피치구 상의 이론상 대원임을 전술하였지만, 각각의 기어 쌍은 그 자신의 이론상 피치면을 갖는 것으로 보고 구형 전동장치를 더 쉽게 개념화시킬 수 있기 때문에, 기어 사이에 필요한 상대 운동을 허용한다. 따라서, 각각의 구형 기어는, 구형 기어가 각각의 피치구를 그 각각의 축을 중심으로 독립적으로 회전시키면서, 실제로 동일한 중심과 반경을 가지는 1쌍의 피치구 중 하나의 형태로 그 자신의 피치면을 갖는 것으로, 이론적으로 고려될 수 있다. 따라서, 각각의 피치원은 각각 실제로 동일한 피치구 중 하나의 피치구 상의 대원으로 이론적으로 고려될 수 있다. 기어 쌍의 피치원은 180°간격의 두 지점(즉, "극")에서 실제로 서로 교차하며, 2개의 각각의 피치구의 회전축은 교차가 언제 어느 각도로 이루어지든지 2개의 피치구의 동일한 중심에서 교차한다.

1쌍의 대형 스틸 기어가 제조되어 제조공장 내에서 검사가 이루어졌기 때문에, 구형 전동장치는, 샤프트 사이의 각도가 광범위한 각도 범위, 예컨대 상업용 자동차의 기준 CV-조인트에 의해 종래에 이루어진 것보다 훨씬 더 넓은 각도 범위로 끊임없이 변화되면서 구형 전동장치가 고속으로 작동할 때, 각도 연결부에 낮은 마찰과 함께 실제로 일정한 속도를 제공할 수 있다. 바람직하지 못하게, 미국특허 제5,613,914호에 개시된 구형 전동장치는 복잡하고, 제조하기 어려우며, 상업용 CV-조인트 용도에 요구되는 실용성이 부족하다.

유니버셜 조인트는 (a) 차량의 구동 샤프트에서의 각도 상호연결시키기 위한 상호잠금 요크(예, 카르단 조인트) 및 (b) 차동장치의 출력 샤프트와 차량의 터닝 및 바운싱(turning and bouncing) 구동 휠을 연결시키기 위한 자동차용 하프-샤프트 구동 축의 형태로 현재 사용되고 있다. 일반적인 상업용 하프-샤프트는 2개의 다른 유형의 유니버셜 조인트, 예컨대 일 단부에는 Rzeppa 유니버셜 조인트와, 타 단부에는 트리포트 유니버셜 조인트를 포함한다. 이들 조인트 각각은 제조하는데 복잡하고 비용이 비싸다. Rzeppa 유니버셜 조인트는, 전술한 바와 같이, 정밀 연마된 트랙 각각의 구조를 통해 앞뒤로 미끄러지는 6개의 정밀 연마된 볼을 사용하고, 트리포트 유니버셜 조인트는 3개의 정밀 연마된 구형 롤러와 직선 연마된 트랙을 사용한다.

1쌍의 구형 기어는 CV-조인트의 교차용 샤프트를 연결한다. 하나의 기어는 내부 치를 가지며, 다른 하나의 기어는 외부 치를 갖는다. 기어 설계는, 동심이며 동일한 반경을 가지는 이론상 피치구 상의 대원인 피치원에 기초를 둔다. 외부 치면은 접선 평면 연장부를 갖는 원통형으로 되어 있는 반면, 내부 치는 원뿔형이나 구형태로 되어 있다. 구형 기어는 하프-샤프트 상에 보여지고 있다. 바람직한 실시예는 각각의 기어에 6개의 치를 가지며, 또한 하나의 바람직한 실시예는 내부 치를 위한 볼을 사용한다. 기어는, 하중을 받으며 고속으로 회전하면서, 60°이상의 연속적인 최대 범위에 걸쳐 전방위로 교차할 수 있다. 전술한 구형 기어 구조를 통해, 제조하는데 용이하고 비용이 비싸지 않으면서 기존의 조인트보다 더 가볍고 더 강한 실제 상업용 CV-조인트가 제공된다. 또한, 이러한 구형 기어 구조를 사용한 하프-샤프트가 개시되어 있다.

본 발명의 1쌍의 구형 기어는 차량 구동 샤프트의 교차용 샤프트를 연결하기 위한 대체로 정확히 작동하는 등속 조인트로서 기능을 한다. 외부 기어는 내부 치를 가지고, 그 쌍인 내부 기어는 외부 치를 가지며, 외부 기어 및 내부 기어는 동심이며 동일한 반경을 갖는 이론상 피치원 상의 대원인 피치원을 각각 갖는다. 그러나, 본 발명의 구형 기어의 개별 치의 구조는 전술한 미국특허번호 제5,613,914호에 개시된 구조와는 근본적으로 상이하며, 심지어는 연속하는 소형 구 사이의 접점 모두가 기어의 동일한 피치원의 원주에 위치되도록, 동일한 원 내에 배치된 복수의 개별 소형 건조 구를 사용하기 때문에, 본 발명의 구형 전동장치의 가하학적 구성 조차도 다르다.

기어의 치면 각각은 기어 각각의 피치구에 해당하는 이론상 커다란 구의 대원의 중심에 위치되며, 각각의 대원의 축은 기어의 교차용 구동 샤프트의 축과 항상 정렬된다. 외부 기어의 내부 치면은 원뿔형태나 구형태로 형성된다. 만일, 원뿔형태로 이루어진다면, 각각의 원뿔면의 크기는 원뿔의 소형 건조 구의 피치원에 접할 수 있도록 이루어지지만, 구형태로 이루어진다면, 각각의 구면은 개별 소형 건조 구와 동일한 직경을 갖는 내부 볼 치로 이루어질 수 있다.

외부 기어의 치면 각각은 (i) 개별 소형 건조 구의 직각 원형 두께의 1/2과 동일한 반경을 갖는 원통형 중심부와, (ⅱ) 기어가 교차될 수 있는 연속 각도인 소정의 최대 각도에 따라 중심부로부터 접선방향으로 연장되는 2개의 각각의 평면 연장부를 포함한다. 바람직한 실시예는 각각의 기어에 단지 6개의 치만을 사용하고, 기어는, 하중을 받으면서 고속으로 회전하는 동안, 60°이상의 연속 최대 범위에 걸쳐 교차될 수 있다. [주의: 당업자는 바로 이해하겠지만, 본 명세서에 개시된 2개의 구형 기어 조인트를 연립하여 배치시킴으로써(2중 카르단 유니버셜 조인트와 같이), 등속 회전 운동이 120°이상의 연속 최대 각도 범위에 걸쳐 교차하는 샤프트에 의해 전달될 수 있다.]

일실시예에서, 본 발명의 구형 기어 CV-조인트는 조인트 중 하나의 조인트의 샤프트 단부 상의 소형 플런지 어댑터와 함께 자동차용 하프-샤프트로 구현된다. 또다른 하프-샤프트 실시예에서, 플런지 어댑터는 커플링 중 하나의 볼-치 기어를 위한 설치 부품으로써 구현된다. 기존의 상업용 하프-샤프트 조립체와 비교해 보면, 전술한 두 실시예는 (a) 미끄럼 작용과 이와 관련된 열, 및 이러한 미끄럼에 의해 발생되는 마모를 상당히 감소시키고, (b) CV-하우징 컵 내에 매우 난해한 내부 곡선 또는 휘어진 내부 홈을 연마할 필요가 없으며, (c) 또한 개별 볼 리테이너의 난해한 내부 및 외부 구면 연마 뿐만 아니라 정밀한 볼-슬롯 연마를 할 필요가 없고, (d) 개별 볼 리테이너를 적절하게 위치시키기 위해 캠 작용 슬롯을 변경시킬 필요도 없다. 오목형 슬롯 세트 사이에 운동 전달 연결부로 사용된 종래의 상업용 CV-조인트의 볼 리테이너 및 볼 세트의 매개 기능이 요소 간에 바람직한 구름 작용을 하는 직접 구동 볼록형 및 오목형의 형상으로 대체된다.

또한, 본 발명의 하프-샤프트 실시예의 각각은 비플런징 외부 CV-조인트 조립체와 플런징 내부 CV-조인트 조립체에서 통상적인 구조의 구형 기어 요소를 사용하여, 재고, 생산량, 및 조립 복잡성 및 비용을 줄일 수 있다.

본 명세서에 개시된 등속 조인트는, 예컨대 자동차 엔진 샤프트와 차량의 구동 휠 사이에 구동 토크를 전달하거나, 피스톤 로드와 자동차 엔진의 출력 샤프트를 연결시켜 엔진 피스톤 상의 접선 하중을 감소시키기 위해 각도가 연속적으로 변화되면서 샤프트가 교차하는 동안, 원동 샤프트로부터의 회전을 종동 샤프트로 전달한다.

도 1은 각각의 엑슬 샤프트의 축이 180°정렬 상태인 본 발명에 따른 구형 기어 CV-조인트의 개략적인 부분 단면도이다.

도 2는, 각각의 축 샤프트가 180°정렬 상태로부터 소정의 최대 각도 x°를 이루며 교차되어(본 도면에서는 30°로 교차하는 샤프트를 나타냄), 전방위로 2x°의 전체 연속 각도 범위에 걸친 각 운동을 제공하는 것을 보여주는, 도 1의 CV-조인트의 제2 도면이다.

도 3a은 도 2에 전체적으로 표시되도록 배치된 1쌍의 회전 구형 기어의 이론상 구형 피치면 상의 제1 위치에서의 치 접촉점 세트의 상대 위치를 개략적으로 나타낸다.

도 3b는 도 3a의 위치를 1/4 회전시킨 제2 위치에서의 치 접촉점 세트를 개략적으로 나타낸다.

도 3c는 도 3b의 위치를 1/4 회전시킨 제3 위치에서의 치 접촉점 세트를 개략적으로 나타낸다.

도 4는 도 3a, 도 3b, 및 도 3c에 도시된 치 접촉점 세트 사이의 상대 운동 을 나타내는 그래프식 도면이다.

도 5a는 본 발명의 일실시예의 1쌍의 구형 기어에 대한 치 형상을 결정하기 위한 기하학적 구조의 제1 단계를 나타낸다.

도 5b는 1쌍의 구형 기어에 대한 치 형상을 결정하기 위한 기하학적 구조의 제2 단계를 나타낸다.

도 5c는 외부 기어의 하나의 치면의 구조를 더욱 상세히 나타내는 확대 도면으로서, 1쌍의 구형 기어에 대한 치 형상을 결정하기 위한 기하학적 구조의 제3 단계를 나타낸다.

도 5d는 전술한 치 구조를 사용한 1쌍의 기어의 일부의 개략적인 부분 단면도를 갖는 기하학적 구조의 결합으로서, 1쌍의 구형 기어에 대한 치 형상을 결정하기 위한 기하학적 구조의 제4 단계를 나타낸다.

도 6a는 도 1 및 도 2의 실시예의 변형예에 따른 구형 기어 쌍의 제1 기어의 구조를 나타내는 사시도이다.

도 6b는 도 1 및 도 2의 실시예의 변형예에 따른 구형 기어 쌍의 제2 기어의 구조를 나타내는 사시도이다.

도 7은 도 6a 및 도 6b에 도시된 본 발명의 CV-조인트의 변형예를 나타내는 분해도이다.

도 8은 도 7의 CV-조인트의 구형 기어의 맞물림 치에 의해 공유된 선접촉의 위치를 나타내는 차트로서, 이 차트는 엑슬의 축 사이의 여러 교각에서의 2개의 맞물림 치면 각각의 치면 상의 접촉선의 상대 위치를 나타내는 차트이고, 치면의 모 양은 도면 상에 단조롭게 표현되어 있으며, 이해를 돕기 위해 약간 강조되어 있다.

도 9a는 도 7의 CV-조인트의 제1 도로서, 명확성을 위해, 제1 기어의 내부 치를 위한 컵 모양의 지지부가 생략되어 있다.

도 9b는 도 7의 CV-조인트의 제2 도로서, 도 9a에서와 같이 맞물림 체결할 때, 구형 기어의 반대쪽 극에서 바라본 도면이다.

도 10a는, 엑슬 샤프트 각각의 축이 180°로 정렬되고, 제1 기어의 내부 치용 볼을 사용한, 본 발명에 따른 구형 기어 CV-조인트의 일실시예의 개략적인 부분 측단면도이다.

도 10b는 면 10B-10B를 따라 잘린 도 10a의 실시예의 개략적인 부분 단면도이다.

도 10c는 명확성을 개선하기 위해 다른 부품이 제거된, 도 10a 및 도 10b에 도시된 구형 기어 쌍의 제2 기어의 사시도이다.

도 11은 도 10a, 도 10b 및 도 10c에 도시된 본 발명의 CV-조인트의 실시예의 분해도이다.

도 12는 본 발명의 CV-조인트가 CV-조인트와 하프-샤프트 작동을 위한 슬라이더로서 기능하도록 하는, 도 11에 도시된 볼-치 실시예의 제1 기어의 마운팅의 변형예의 분해도이다.

도 13a는 도 12에 도시된 볼-치 실시예의 개략적인 부분 단면도이다.

도 13b는, 컵 모양의 지지부 내에서 코어 하우징의 운동의 미끄러짐 운동의 범위를 나타내기 위한 가상 볼을 보여주는, 도 13a의 면 13b-13b를 따라 도시된 볼 -치 실시예의 개략적인 부분 측단면도이다.

도 14는 단지 본 발명의 CV-조인트를 사용한 2중 유니버셜 조인트의 개략도이다.

도 15는 플런지-유닛 슬라이더와 함께 각 단부에 본 발명의 CV-조인트를 포함한 하프-샤프트의 개략도이다.

도 16a는 본 발명의 CV-조인트 사이에 위치된 도 15의 하프-샤프트 상에 보여지는 플런지-유닛 슬라이더의 측면도이다.

도 16b는 도 16a의 면 16B-16B을 따라 잘린 단면도이다.

도 17은, 하프-샤프트의 바깥쪽 단부의 CV-조인트를 도 11에 개시된 실시예로 대체하고, 하프-샤프트의 안쪽 단부의 CV-조인트와 슬라이더를 도 12에 개시된 실시예로 대체한, 도 15에 도시된 하프-샤프트의 일부분의 개략도이다.

도 1 및 도 2는 한쌍의 회전 샤프트를 상호연결하기 위한 구형 기어를 사용한 등속 유니버셜 조인트(constant-velocity universal joint)를 나타낸다. 도 1은 컵 모양의 지지부(12) 내에 고정되고, 일단부가 제1 샤프트(14)에 고정되는 외부 기어(10)(내부 치(58) 포함)의 개략적인 부분 단면도이다. 대응하는 내부 기어(20)(외부 치(60) 포함)가 회전용으로 제2 샤프트(16)에 고정된다. 도 1에서, 샤프트(14, 16)는 그 각각의 축(22, 24)이 180°로 정렬되어 배치된 상태로 도시되어 있다. 또한, 축(22, 24)은 대응하는 구형 기어(10, 20) 각각의 축이다.

구형 베어링 기어는 대응하는 기어(10, 20) 간의 적절한 맞물림 상태로 유지 된다. 본 실시예에 있어서, 이 구형 베어링은 볼트(18)에 의해 컵 모양의 지지부(12)의 베이스에 고정되는 (a)내측 부재, 바람직하게는 중심 볼(26), 및 기어(20)의 내부에 형성된 허브(28)의 형태로 이루어진 (b)외측 부재을 포함한다. 외측 부재는, 중심 볼(26)을 에워싸며 C-클립(25)에 의해 허브(28) 내에서 지지되는 2개의 원형 링(27, 29)을 포함한다. 기어(10, 20) 각각의 이론상 피치를 갖는 동일한 구의 중심점(30)은 구형 베어링의 내측 부재(26) 내에 표시되고, 축(22, 24) 각각은 그 중심점(30)을 지난다.

도 2는 샤프트(16)가 생략된 도 1에 도시되는 동일한 구형 기어 구조를 나타내고 있다. 그러나, 도 2에서는, 샤프트(14, 16)의 축(22, 24) 각각의 교각 x°, 즉 소정의 최대 샤프트 각도 x°가 도시되어 있으며, 이 각도 범위 내에서, 회전력이 전달되는 동안 샤프트 축이 가변적으로 교차될 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, 소정의 최대 샤프트 각도 x°는 180°정렬 상태로부터 30°가 되므로, 도시된 한쌍의 구형 기어는, 샤프트 사이의 교각의 연속적인 범위에 걸쳐 최대 2x°(바람직한 본 실시예에 있어서는 최대 60°범위)까지 전방위로, 회전력을 전달하도록 되어있다.

실선으로 나타낸 기어(20)의 외부 치(60)는 축(22, 24)의 교차 지점에서 중심점(30)(도 1 참조)을 통과하는 피봇 축(32)을 중심으로 축회전된다. 기어(20)는 기어(10)에 대해 제1 방향의 소정의 각도 x°(본 실시예에서는 30°)로 축회전되며, 또한 그 반대 방향으로 소정의 각도 x°로 가상선으로 나타낸 기어(20)의 외부 치(60)는 피봇 축(32)을 중심으로 축회전되기 때문에, 전방위로의 전체 이동 범위 는 2x°(본 실시예에서는 60°)가 된다.

이는, 회전력이 충분히 전달되는 동안, 한쌍의 기어가 광범위한 교차 각도 범위를 통하여 가변적으로 축회전될 수 있음을 나타낸다. 샤프트 축 사이에 각 상대 운동이 변화하는 동안 내내, 기어(10, 20)는 2개의 각각의 맞물림 영역에서 맞물려 있게 되고, 각각의 맞물림 영역의 중심은, 아래에서 계속 설명하겠지만, 기어의 피치원(pitch circle)이 피봇 축(32)과 교차하는 2개의 각각의 지점 중 한 지점에 위치된다.

도 1 및 도 2에 도시된 CV-조인트 구성에 있어서, 각각의 샤프트가 1:1의 비율로 회전하기 때문에 서로에 대해 회전하지 않는다는 점에서, 구형 기어(10, 20)는 공지된 기어 커플링과 유사한 방식으로 작용한다. 그러나, 구형 기어 각각의 샤프트의 각 방향이 180°정렬 상태에서 가변적으로 매 조절될 시에는, 기어가 등속도로 항상 회전되더라도, 기어의 치는 2개의 각각의 맞물림 지점에서 맞물려 있든 맞물려있지 않든 계속해서 회전한다. 이또한 아래에서 계속 설명하기로 한다.

맞물려 있거나 맞물려있지 않은 상태에서의 기어(10, 20) 치의 전술한 상대운동이 도 3a, 도 3b, 및 도 3c에 개략적으로 도시되어 있으며, 이들 도면 각각은 축(22, 24)이 소정의 최대 각도 x°로 교차할 때 축(22, 24)을 중심으로 기어가 상대회전한 3개의 다른 위치를 나타낸다. 도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 치가 맞물리거나 맞물리지 않은 상태로 회전할 때 치 접촉 지점의 4개의 상이한 각각의 세트의 상대적인 진행과정을 나타낸다.

도 3a에서는, 내부 기어(10)의 치 접촉 지점(A)은 외부 기어(20)의 치 접촉 지점(A')과 맞물려 있으며, 내부 기어(10)의 치 접촉 지점(C)은 외부 기어(20)의 치 접촉 지점(C')과 맞물려 있다. 도 3b는 1/4 회전 동안 기어가 1:1 비율로 회전된 후, 현재 기어(10)의 치 접촉 지점(D, B)이 각각 기어(20)의 치 접촉 지점(D', B')에 맞물려 있는 상태의, 각각의 기어의 동일한 치 접촉 지점을 나타낸다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 계속해서 1/4 회전되면, 치 접촉 지점(A, A')과 치 접촉 지점(C, C')은 다시 한번 맞물리게 되지만, 그 상대 위치는 도 3a에 도시되는 초기 접촉 위치에서 180°만큼 이동한다.

도 3a, 도 3b, 및 도 3c에 도시된 치 접촉 지점은 그 각각의 기어의 피치원 상에 위치되고, 이론적으로 이들 피치원은 각각 동일한 구 상의 커다란 원이다(전술한 배경기술 참조). 기하학상, 모든 커다란 원은 180°로 떨어져 있는 두 위치에서 서로 교차한다. 구형 기어의 운동을 설명하기 위해, 이들 교차 지점을 "극(poles)"이라 부른다. 도 4는 도 3a, 도 3b 및 도 3c에 도시된 치 접촉 지점의 개별 세트 중 하나에서의 상대 운동을 개략적이고 그래픽적으로 나타내고 있다. 즉, 도 4는, 기어(10, 20) 전체가 1회전할 때, 치 접촉 지점(A, A')이 그 각각의 피치원(10', 20')을 따라 이동하는 궤적을 나타낸 것이다. 각각의 피치원이 평면 투영도에 도시되어 있지만, 각각의 치 접촉 지점은 렘니스케이트형 패턴(lemniscate-like pattern)(구 표면 상의 8자 모양의 도형)을 그리고 있음을 볼 수 있는데, 유니버셜 조인트 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 그러한 렘니스케이트 운동은 2개의 관절식 샤프트 사이에 일정한 속도를 전달하는 경우에 필수적이다.

구형 기어 치의 설계

본 구형 기어 시스템에 적합한 기어 치의 설계 파라미터를 결정하는 다른 방법이 있는 경우에(전술한 배경기술 참조), 본 발명의 제1 실시예의 설계는 도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d에 도시된 다음의 기하학적 구조에 의해 바람직하게 이루어진다.

(1) 본 명세서에 개시된 구형 기어 치의 설계의 제1 단계는 전동 장치(gearing) 분야에서 잘 알려져 있는 것과 동일한 방식으로 접근한다. 즉, 한쌍의 기어에 대한 크기와 강도 사양은 기어로 수행될 것으로 예상되는 용도에 따라 결정된다. 예를 들면, 본 명세서에 개시된 바람직한 CV-조인트 기어는 자동차용 라이트 트럭의 조향 및 구동 엑슬의 용도로 설계된다. 기어의 이끝원(addendum circle)(최대 직경)은 전동 장치가 작동되야만 하는 물리적 공간에 의해 보통 제한되고, 치의 현 이두께(chordal thickness)(예컨대, 피치원에 따른 치 각각의 현 이두께)가 맞물려 있는 치에 의해 최대 예상 하중을 얻을 수 있기에 충분하도록, 지름 피치(diametral pitch)가 선택되어야 한다. 이와 관련하여, 운동을 전달하기 위해 본 발명에 따른 한쌍의 구형 기어를 사용할 때, 이 기어는 동일한 크기를 갖는 종래의 기어 쌍보다 2배의 하중을 가질 수 있음을 유념하여야 한다. 즉, 본 발명의 기어 쌍은 180°떨어져 중심에 위치된 2개의 맞물림 영역(극 영역)을 공유하고 있기 때문에, 본 발명에 따른 구형 기어 쌍은 동일한 크기를 갖는 종래의 기어 쌍보다 2배 더 많은 맞물림 치수(teeth in mesh)를 갖는다.

(2) 전술한 각각의 기어를 위한 동심의 피치구의 추가로, 본 발명은 소형의 개별 건조 구(construction spheres)를 복수개 사용한다. 소형의 건조 구의 개수 는 최종 기어 쌍에 요구되는 치의 총 개수에 따라 선택되며, 소형의 건조 구는, 연속하는 소형 구 사이의 접점이 기어의 동일한 피치원의 주변에 전부 위치되도록, 원에 배치된다. 이러한 상태는 도 5a에 도시된 제1 구성의 파라미터로 표현되고 있다. 본 발명의 바람직한 설계로서, 각각의 기어는, 구형 기어의 축이 180°로 정렬될 때 12개의 모든 치가 전부 맞물리도록, 치를 6개만 갖도록 구성된다. 따라서, 이러한 바람직한 구성을 형성하기 위해, 12개의 동일한 소형 구(40)는 2개의 기어의 이론상 동일한 소정의 피치원(42)의 중심(30)을 중심으로 한 원에 배치된다. 구의 직경(d)은, 구가 2개의 기어의 이론상 동일한 소정의 피치원(42)을 따라 서로 접하도록, 선택된다. 전술한 바와 같이, 기어 각각의 피치원은 전동 장치를 운전할 수 있는 제한된 물리적 공간 내에 체결되도록 크기가 형성되는 기어의 동일한 피치구 상의 대원이다. 각각의 소형 구(40)는 하나의 기어 치를 나타내며, 기어 축이 180°에 있을 때, 12개의 소형 구는 12개의 모든 치가 완전히 맞물려 있는 상태로 나타낸다. [주의: 전동장치 기술분야의 당업자는 이해하겠지만, 기어 쌍 중 하나의 기어의 치가 다른 기어의 치와는 다른 현 이두께를 갖는 대응하는 치가 구비된 기어 쌍을 설계하는 것이 가능하다. 이러한 설계가 필요한 곳에, 하나의 소형의 건조 구의 절반은 다른 건조 구의 절반보다는 작지만, 연속하는 소형 구 사이의 접점이 전부 기어의 동일한 피치원의 주변, 즉 이론상 동심인 2개의 대형 구의 대원 상에 비슷하게 위치되면서, 상이한 크기의 건조 구는 서로 유사한 방식으로 끊임없이 교차한다.]

(3) 상기 건조물은 중심에 위치한 추가의 소형 구(44)를 포함하고, 이 구(44)는 피치원(42)의 중심과 동일하고, 소형 구(40)의 크기와 동일하다.

(4) 중심에 위치한 구(44) 및 소형 구(40) 중 선택된 하나를 포함하는 구성은 내부 기어의 각각의 직선면 치의 원뿔형 치면의 원뿔면에 대한 꼭지각을 결정하는데 사용된다. 2개의 교차선(46, 47)은 중심에 위치한 구(44)의 반대편에 접하도록 구성되고, 교차선(46, 47) 각각은 선택된 구(40)가 이웃하는 구와 공유하는 2개의 접점 각각을 지난다. 다시 말해, 교차선(46)은 접점(48)을 지나고, 교차선(47)은 접점(49)을 지난다. 도 5a에서 굵은 실선으로 나타나 있는 원뿔 건조물(50)은 도 5b의 평면도로 도시된 내부 치(58')의 치면(56', 57')의 원뿔면에 대한 꼭지각을 결정하는데 사용된다. 원뿔 꼭지각(52)의 크기는 교차선(46, 47)의 교차점(c)에서 형성된 끼인각에 의해 결정된다. 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 본 건조물의 원뿔 꼭지각은 60°이다.

(5) 또한, 도 5a에 도시된 구성은 기어 치 각각의 직각 현 이두께(54)를 결정하는데 사용된다. 본 구성에서, 직각 현 이두께(54)는 각각의 기어의 피치선, 즉 하나의 선택된 구(40)가 이와 이웃하는 구와 공유하는 2개의 각각의 접점 사이에서의 각각의 선택된 소형 구(40)에 의해 결정된다. 또한, 이러한 직각 현 이두께(54)는 도 5b에서의 내부 치(58') 및 도 5c에서의 외부 치(60)(더 확대됨)에도 나타난다.

(6) 또한, 도 5a에 도시된 건조물은 기어 쌍(10, 20)이 공유하는 내부 구형 베어링 부재인 중심 볼(26)(도 1 및 도 2 참조)의 최대 크기를 결정하는데 사용된다. 다시 참조하면, 2개의 교차선(46, 47)은 중심에 위치한 구(44)의 반대편에 접 하도록 구성되고, 내부 기어 치의 원뿔 형태의 면의 꼭지각을 결정하는데 사용된다. 교차선(46, 47)은 교차점(c)에서 교차되고, 교차점(c)과 중심점(30) 사이의 거리는 원(59)의 반경을 결정한다. 원(59)은 중심 볼(26)에 대한 최대 원주를 제공한다.

(7) 도 5c에서, 구형 기어 쌍의 외부 기어의 치(60) 각각의 건조물은 치(60) 자체가 굵은 실선으로 보이면서 확대되어 도시되고 있다.

실린더(62)의 표면은 치(60)의 2개의 면 각각의 중심부(64)를 형성한다. 실린더(62)는, 직각 원주 이두께의 1/2이며 소형 구(40)에 의해 측정된 직각 현 이두께(54)를 이루는 반경을 갖는다. 원통형 중심부(64)의 각각의 면으로부터, 각각의 외부 치면은 소정의 최대 각도 x°(기어 쌍이 작동될 수 있는 기어 축 사이의 최대 교각)에 따라 변화되는 평면 연장부(66)를 포함하며, 도시된 본 구성에서 소정의 최대 각도는 30°이다. 물론, 원통형 중심부(64)의 각각의 면 상에 2개의 평면 연장부(66)가 있다.

각각의 평면 연장부(66)는 치면의 중심선(65)으로부터 x°만큼 떨어져 위치된 초기 접점(t)에서 시작해서, 2x°만큼 떨어진 원통형 중심부(64)의 반경 라인을 교차하는 교차점(e)까지 연장되어, 평탄부 각각의 길이(t-e)는 초기 접점(t)을 지나 추가의 x°만큼 연장된다. 평면 연장부(66)가 더 연장될 수 있더라도(파선으로 도시됨), 각각의 평면 접촉 연장부(66)의 x°만큼의 길이는 기어 축이 소정의 최대 각도로 교차할 때에 완전한 선접촉을 보장할 수 있다. 바람직하게는, 도 5c에 도시된 바와 같이, 평면 연장부(66) 각각의 외측 단부는 상기 x°만큼의 길이를 나타 태는 교차점(e)을 소정의 짧은 간격으로 약간 지나서 종료된다. 외부 치(60)의 상기 치면 각각은 평탄하거나 도시된 바와 같이 약간 둥근 2개의 각각의 치 단부면(68)과 교차된다.

(8) 도 5c의 좌측 부분에는, 외부 치의 하나의 작동면의 각각의 접선면 연장부를 나타내는 구성이 도시되어 있다.

도 3a, 도 3b 및 도 3c의 참조함으로써 명백해지듯이, 기어(20)의 원형 궤도가 내부 기어(10)의 원형 궤도면에 대해 소정의 각도를 이루며 멀어지는 방향으로 기울어져 있는 경우, 외부 치의 원형 궤도는 기어(10)의 면으로부터 보일 때 타원형으로 나타난다. 또한, 기어(10)의 면으로부터 수직으로 보일 때, 외부 기준 방위는 잘못 정렬된다(예컨대, 도 3a에서, 지점(B, D)으로부터 수직으로 보일 때, 지점(A, A')과 지점(C, C')은 극 지점에서 맞물리게 되며, 지점(B', D')은 지점(B, D) 내부에 있게 된다). 따라서, 기어 축 사이의 교각이 180°에서 벗어날 때마다, 실제로 외부 기어(20)의 피치원은 내부 기어(10)의 피치원의 원형 아크에 비해 "타원형 아크"가 된다.

도 8, 도 9a 및 도 9b를 참조로 하여 더 자세히 후술하겠지만, 외부 치가 내부 치와 맞물려 회전하는 경우, 이들은 서로 내부 기어의 면 위 또는 아래로부터 타원형 아크를 따라 다가가게 되고, 외부 치가 내부 치와 맞물려 있지 않고 회전하는 경우에는, 이들 서로는 반대방향으로 맞물리게 된다. 외부 치가 내부 기어의 면 아래에서부터 안쪽으로 회전하게 되면, 외부 치는 면 위의 바깥쪽으로 회전하게 된다. 외부 치가 내부 기어의 면 위 및 아래로 이동하는 거리는 기어의 대원 피치 원 사이의 교각의 크기에 따라 결정된다.

외부 치가 내부 기어의 면 아래로부터 타원형 아크를 따라 맞물림 상태에 접근하면, 하나의 극에서 각각의 치면의 한 쪽에 치 접촉이 발생하고, 외부 치가 내부 기어의 면 위로부터 타원형 아크를 따라 맞물림 상태에 접근하면, 동일한 치면의 다른 쪽에 유사한 치 접촉이 발생한다. 도 5c의 구성을 위해, 타원형 아크가 바람직한 최대 각도 x°(30°)로 이루어지는 것으로 가정한다. 내부 기어(10)의 면 아래로부터 접근하는 타원형 아크의 경로 부분을 선(a)으로 나타내는 한편, 내부 기어(10)의 면 위로부터 접근하는 타원형 아크의 경로 부분은 선(b)으로 나타내어진다.

이러한 구성에 의해, 치면의 중심부(64)를 형성하는 실린더(62)의 중심이 접근 선(a)을 따라 이동되어, 기준 실린더(62)의 중심을 지나는 수평선 위에 궤적을 그리는 복수의 추가 원형 아크(원형 아크 4개만 도시되어 있음)를 형성한다. 또한, 또다른 복수의 추가 원형 아크가 기준 실린더(62)의 중심을 지나는 수평선 아래에 궤적을 그린다(원형 아크 4개만 도시됨). 추가되는 모든 원형 아크에 대한 접선(T)은 원통형 중심부(64)의 양 측면에 평면 연장부(66)의 윤곽을 형성한다. 이를 또다른 방식으로 설명하면, 각각의 평면(66)은 초기 접점(t)에서 시작하여, 기어 축이 최대 각도 x°만큼 떨어져 교차할 때 반경 중심이 외부 기어의 대원 피치원을 따라 이동함에 따른 원통형 중심부(64)의 반경 중심의 이동선(a 또는 b)에 평행하게 연장된다.

도시된 본 구성의 이해를 돕기 위해, 평면 연장부(66)는 2x°(60°) 반경 라 인의 한계를 정하는 교차점(e)으로 표시된 최소 필요한 길이보다 약간 더 길다. 이러한 구성에 의해, 평면 치 단부면(68)은 약간 라운딩되었으며, 이는 최종 형성 제조 공정 처리를 더욱 쉽게 할 수 있는 구조를 보여준다.

(9) 마지막 구성에 대하여, 기어의 방사상 중심면에서의 내부 기어(10) 및 외부 기어(20)의 부분 개략도를 나타내는 도 5d에 대한 참조가 이루어진다. 앞서 기술된 방식으로 구성되는 각각의 기어 치는, 기어 축이 180°로 정렬될 때 기어가 맞물린 상태로 도시되어 있다. 3개의 내부 치(58)가 2개의 외부 치(60)와 맞물린 상태로 도시되어 있다. 처음에 나타낸 바와 같이, 모든 치의 작동면은 직선면인 것으로 이해할 수 있다. 외부 치(60)는 직경의 길이가 직각 현 이두께(54)와 동일한 원(58)으로부터의 연장선(56)에 의해 결정되는 스플라인 형태를 갖는다.

본 발명의 구형 기어의 축이 180°로 정렬되어 있는 경우, 기어(10, 20)의 모든 치는 기어 커플링의 치와 동일한 방식으로 맞물리게 된다. 그러나, 전술한 바와 같이, 구형 기어의 축이 180°로 정렬되지 않은 상태로 배치되는 경우, 기어는 각각의 극, 즉 기어의 공유된 2개의 맞물림 중심에 맞물리든 맞물리지 않든 간에 끊임없이 회전한다. 이와 관련하여, 각각의 기어의 치 사이에 부품 제작 및 윤활을 위한 공차(tolerance)(예, 0.002"/0.05㎜)가 물론 형성되지만, 구형 기어의 바람직한 실시예에서는 실질적으로 어떠한 백래시(backlash)를 필요로 하지 않음을 이해하여야 한다. 또한, 치의 상단부는 구형 양각패턴(spherical relief)이 형성된다.

도 6a 및 도 6b에서는, 한 쌍의 구형 기어의 사시도가 각각 별도로 도시되어 있다. 본 실시예 중 도 6a에서, 제1 기어(외부)(10')는 내측면을 갖는 기준 지지 링(70)을 포함하며, 이 지지 링(70)으로부터 각각의 내부 치(58')는 기어(10')의 축(22')에 대해 수직하게 연장된다. 지지 링(70)은 제1 기어(10')를 위한 컵 모양의 지지부(예컨대, 도 16b에서 컵(112') 참조)의 외부와 대응되게 맞물리도록 형성되는 오목 림(72, indented rim)을 포함하여, 기어(10')는 회전가능하게 컵 지지부와 고정된다. 본 도면을 통해, 본 실시예의 내부 치(58') 각각의 원뿔형 치면(56', 57')의 작동면에 인접하는 평면 치 단부면(74)를 더 쉽게 볼 수 있다. 이 평면 치 단부면의 무게가 감소하면, 최종 성형 제조가 용이해질 수 있고, 완전하지만 부분적으로 중공된 원뿔(도 1, 도 2, 및 도 7에 개시된 바람직한 실시예 참조)을 형성하기 위해 각각의 치의 비치면 부분을 채움으로써 추가의 강도를 얻을 수 있다.

도 6b에서, 외부 치(60')는, 본 실시예에서 일 단부가 각각의 샤프트를 수용하기 위한 스플라인 샤프트(예, 도 1에서의 샤프트(16))를 포함하는 허브(28')에 대한 링에 설치되는 제2 기어(내부)(20')의 축(24')에 대해 수직하게 연장된다. 허브(28')의 타 단부(도시되지 않음)는 조인트의 중심 볼(예, 도 1 및 도 2에서의 중심 볼(26))과 대응되게 맞물린다. 본 사시도를 통해, 원통형 중심부(64) 및 각각의 외부 치(60')의 작동 치면을 형성하는 평면 연장부(66)를 더 쉽게 볼 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 평면 치 단부면(68)은 제조가 용이하도록 라운딩될 수 있다. 또한, 주목할 만한 것은 외부 기어의 상단부(69) 각각의 구형 양각패턴이라는 점이다.

도 7은 도 1 및 도 2에서 설명된 본 발명의 CV-조인트의 구조의 사시도를 나타내고 있다. 바람직한 본 실시예에서, 외부 기어(20)의 중공형 치(60)가 허브(28)의 외부에 대해 형성되는 한편, 내부 기어(10)의 치(58)는 개별적으로 형성되며, 지지 컵(12)의 벽에 미리 형성된 구멍(13) 안으로 압입된다. 전술한 바와 같이, 중심 볼(26)은 허브(28) 내의 C-클립(본 도면에서는 도시되지 않음)에 의해 고정되는 원형 링(27, 29) 사이에 설치된다. 더불어, CV-조인트는 컵(12)의 하부 안으로 조이는 볼트(18)에 의해 고정된다. 내부 치(58)와 외부 치(60)는 금속과 무게를 저장하기 위해 중공되어 있다. 외부 치(60)는 허브와 일체형으로 형성되거나 허브에 압입되는 개별 링 내에 형성될 수 있다.

치 접촉 형태

상기 평행면을 갖는 치면은, 교각이 전부 연속하는 동안 맞물려(throughout mesh during the entire continuum of angles of intersection), 비교적 긴 접촉선을 형성한다. 기어 축이 일직선으로 정렬되어 있을 때 완전히 맞물린 상태로 접촉해 있는 것을 나타내는 도 5d에서 이러한 선 접촉의 길이를 매우 쉽게 볼 수 있다. 당업자는 이해하겠지만, 이러한 선 접촉은 매우 길다. 예를 들면, 개시된 바와 같이 본 발명에 따라 설계된 실제 조인트에서, 각각의 소형 구(40)의 직경은 0.75"(19㎜)이고, 기어의 피치원(42)의 직경은 2.625"(67㎜)이며, 중심 볼(26)의 직경은 0.9375"(24㎜)이고, 선 접촉의 길이는 0.4375"(11㎜)이다.

기어 축이 정렬되지 않고 회전할 때, 맞물림이 12개의 치를 통하여 빠르게 진행되고, 하중의 대부분은 주로 4개의 치에 의해 지지된다. 다시 말해, 전술한 바와 같이, 구형 기어의 축이 정렬되지 않고 회전할 때, 기어의 대원 피치원은 180°로 떨어져 있는 2개의 "극"에서 교차한다(예컨대, 지구에 대한 황경권(circles of longitude)이 남극과 북극에서 교차하는 것처럼). 매우 작은 교각을 제외하고, 대부분의 하중은 각각의 극 위치에서 맞물리는 각각의 기어의 2개의 치에 의해 분배된다. 그러나, 각각의 극에서 연속적으로 일어나는 내부 치와 외부 치의 맞물림 세트 사이에서 매끄러운 전환이 이루어지도록, 치 간의 접촉이 충분히 이루어진다. 즉, 치 접촉이 치의 다음 쌍으로 구를 때 이전 쌍에서 떨어지면서 구르게 된다.

교각은 커지지만, 접촉선의 길이는 동일함을 유지한다. 접촉선 형태는 치가 극 위치를 통해 동작하는 순간에 -30°, -18°, -12°, -6°, 0°, +6°, +12°, +18°, 및 +30°에서의 내부 치(I)와 외부 치(E)의 각각의 치면에 대한 접촉선의 위치를 나타내고 있는 도 8에 도시된 차트에서 진한 굵은 실선으로 도시되어 있다. 보는 바와 같이, 접촉선은 내부 기어의 외부 치면에 대해 직각을 이루지만, 외부 기어의 원뿔형 내부 치면에 대해서는 직각을 이루지 않고 기울어져 있다. 기어 사이의 각도가 커지면, 접촉선은 기어면의 각각의 중심으로부터 떨어져 연장된 점점 더 커지는 접촉면적을 통해 회전한다. 각각의 외부 기어면 상의 접촉선이 기어면에 대해 직각을 이루는 반면, 각각의 원뿔형 내부 치면 상의 접촉선은 원뿔형 치면의 중심으로부터 멀어질수록 더욱 기울어지게 된다. 도 8에 도시된 접촉선은 각각의 축방향 교각에서의 접촉 형태를 나타내는 외부 한계를 나타내며, 기어는 치면의 중심으로부터 도시된 위치까지 접촉을 통해 회전한다.

선 접촉이 한쪽 극에서 각각의 치면 상의 왼쪽으로 이동하여 기울어질 때, 상기 선 접촉은 그 반대쪽 극에서 정확히 동일한 방식으로 오른쪽으로 이동하여 기울어진다. 이러한 사실을 이해하기 어려울 수도 있기 때문에, 시계 방향으로 서로 회전하는 1쌍의 구형 기어의 이론상 구형 피치면 상의 치 접촉점의 세트 사이의 상대 운동을 나타내는 도 3a, 도 3b 및 도 3c와, 기어 축이 수평선으로부터 최대 각도 x°(예시된 바람직한 실시예에서는 30°)로 교차하여, 2x°(도시되는 바와 같이 60°)의 전체 각도 변위를 제공할 때, 기어가 각각의 극 부근에서 접촉한 상태를 나타내는 도 9a 및 도 9b를 다시 참조하는 것이 바람직할 것이다. 도 9a 및 도 9b에서, 기어는 그 각각의 축을 중심으로 도시된 시계 방향으로 회전하고, 외부 치(60)가 외부 기어의 이뿌리원으로부터 보여지는 내부 치(58)를 구동시키는 것으로 가정한다. [주의: 명확성을 위해, 도 9a 및 도 9b에서는 외부 기어(10)의 치를 위한 컵 모양의 지지부(12)(도 1 및 도 2)가 생략되어 있다.]

도 9a에서, 내부 기어(20)의 중심 외부 치(60)는, 치(60)가 외부 기어(10)의 면 아래에서부터 올라올 때, 한쪽 극과 정확히 정렬되고, 이는 외부 치(60)가 내부 치(58)와 접촉하지 않고 회전되기 직전에 볼 수 있다. 이러한 접촉선의 위치는 화살표(76)로 나타내어진다. 도 9b는 반대쪽 극에서 본 동일한 순간의 도 9a의 동일한 기어쌍을 도시하고 있다. 또한, 도 9b에서도, 외부 기어(20)의 중심 외부 치(60)는 반대쪽 극과 정확히 정렬되지만, 외부 기어(10)의 면 위에서부터 내려가는데, 이 또한 내부 치(58)와 접촉하지 않고 회전되기 직전에 볼 수 있다. 이러한 접촉선의 위치는 화살표(77)로 나타내어진다.

도 9a 및 도 9b에서, 각각 중심에 위치된 외부 치(60)의 상부면의 일부는 치 의 전체 작동면과의 정렬을 나타내는 얇은 크로스 해칭법에 의해 표시된다. 도 9a에서는 외부 치(60)의 작동면의 하부 절반 상에 일련의 굵은 직선이 나타나 있고, 도 9b에서는 외부 치(60)의 작동면의 상부 절반 상에 유사한 일련의 직선이 나타나 있다. 이러한 직선은, 치가 각각의 극에서 치 각각의 맞물림 체결을 통해 회전할 때, 그 치에 의해 공유되는 접촉 형태를 보여주는 상기 도 8에 도시된 일련의 접촉선을 나타낸다. 이들 각각의 접촉은 반대편의 각각의 치면의 절반에도 동시에 발생하여, 하중과 마모의 균형을 제공한다.

하중 대부분이 각각의 극에서 맞물려 있는 2개의 치만으로 분배되더라도, 4개 이상의 치는 항상 완전하게 맞물려 있으며, 180°간격으로 떨어진 2개 이상의 지점 사이에서 전체 하중은 항상 배분된다. 예를 들면, 전술한 실시예에 따라 설계된 실제 조인트와 관련하여, 접촉선의 길이는 0.4375"(11㎜)이다. 따라서, 전체 길이가 0.875"(22㎜)인 2개의 선에 걸쳐 전체 하중이 분배된다는 것을 기억해 두는 것은 중요하다. 또한, 치가 두 기어의 반대편의 2개의 극에서 동시에 맞물릴 때, 하중은 기어에 대하여 항상 균형을 이룬다.

상기 배경기술에서 기술된 종래의 구형 전동장치와의 또다른 매우 중요한 차이점으로서, 본 명세서에 개시된 치는 하이포이드 전동장치(hypoid gearing)와 유사하게 이론상 미끄럼 접촉을 하지 않는다. 이에 반해, 바로 위에서 설명한 선 접촉은 양쪽 극에서 맞물림을 통해 회전한다. 이 중요한 특징을 통해, 윤활이 촉진되고 마모가 줄어든다.

볼-치 실시예

도 10a, 도 10b, 도 10c 및 확대도로서 도 11에서는, 본 발명의 또다른 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 이 변형예에서는, 외부 기어(210)의 내부 치가 구형 기어 쌍의 내부 치를 각각 나타내는 소형 구(40)(도 5a에 도시된 구성)와 직경이 동일한 볼(258)로 대체된다. 따라서, 각각의 내부 기어 치(258)는 효과적인 "구형" 치면을 갖는다. 이러한 바람직한 실시예에 대해서는, "원뿔"면 내부 치(58)의 형성에 관한 전술한 구성 단계는 관련이 없다. 그러나, 본 변형예의 내부 기어(220)의 외부 치(260)는 도 5c에 나타낸 바 대로 구성되어 있으며, 도 10c에서 가장 잘 볼 수 있다.

전술한 초기 각각의 실시예처럼, 본 실시예의 구형 기어 쌍은, 도 10a에서 가상선(224)으로 나타낸 각도의 범위 내에서 샤프트(222, 224) 각각의 축이 지점(230)(구형 기어 쌍의 동심성 중심)에서 교차할 때, 제1 샤프트(214)의 회전과 제2 샤프트(216)의 회전을 연결시키도록 설계된다. 명확성을 위해, 도 11에서는 제2 샤프트(216)가 생략되어 있다. 초기의 실시예(예, 도 7을 참조)와 유사하게, 내부 볼 치(258)는 축(222)과 정렬된 제1 샤프트(214)의 단부에 고정되는 컵 모양의 지지부(212) 내에 배치되며, 각각의 볼 치(258)는 컵 모양의 지지부(212)와 결합된 코어 하우징(266)의 각각의 구멍(262) 내에 수용된다(도 11에 가장 잘 도시되어 있음). 또한, 마찬가지로 외부 치(260)는 제2 샤프트(216)의 단부에 설치된다. 또한, 샤프트(214, 216) 간의 교차가 언제 어느 각도로 일어나든지, 내부 볼 치(258)와 외부 치(260)는 각각의 기어의 피치원의 면에 각각 있게 된다. 앞서 나타낸 바와 같이, 각각의 피치원은 기어의 이론상 대형 피치 구의 대원이며, 피치원 각각의 축은, 쌍을 이루는 각각의 구형 기어가 부착되는 각각의 회전가능한 부재의 축과 항상 정렬 상태를 유지한다.

기어 쌍은 도 10a에 도시된 바와 같이 정렬된 각각의 축(222, 224)과 함께 처음에 설치된다. 각각의 볼 치(258)가 각각의 구멍(262) 내에 삽입된 후, 볼 치의 내측 부분이 2개의 연속적인 외부 치(260)의 치면 사이에 배치되고, 그 후 구멍(262)은, 꼭 맞게 밀봉되거나, 압박고정 또는 알맞은 위치에 나사체결될 수 있는 볼 리테이너(ball retainer, 264)에 의해 밀봉되어, 각각의 볼의 치면이 기어의 피치원의 중심에 위치되도록 유지시킨다. 강도와 안정성을 더 강화하기 위해, 압입식 또는 볼트식 외부 링(270)이 컵 모양의 지지부(212)의 개방 단부를 에워싼다.

컵 모양의 지지부(212)의 코어 하우징(266)은, 외부 구형 기어(210)와 내부 구형 기어(220)의 피치구 의 중심의 동심성을 유지시키기 위해, 외부 치(260)의 상부면에 형성된 구형 표면(269)과 대응하는 구형 표면(268)을 포함하여, 축(222)에서 소정의 최대 각도 x°까지의 전방위로 샤프트(214, 216)가 상대적인 교각을 이루면서 등속 회전을 보장하며, 여기서 x°는 도 10a, 도 10b, 도 10c, 및 도 11에 도시된 본 실시예에 대하여 30°이며, 전방위로 60°의 총 범위를 제공한다. 대응하는 구형 표면(268, 269)이 전술한 본 발명의 실시예의 중심 볼(26)과 동일한 기능을 한다(예, 도 7참조).

치-치 실시예에 대하여 전술한 치 접촉 형태와의 차이점으로, 내부 볼 치(258)는 선접촉에 의해 외부 치(260)와 맞물리지 않는다는 것이다. 대신에, 볼 치의 구형 치면은, 통상적인 전동장치의 이론상 점접촉으로부터 보통 발생되는 허 용가능한 결과인 상대적으로 넓은 접촉 영역과 유사한 연장된 원형 접촉 영역을 형성한다.

도 12, 도 13a, 및 도 13b는 상기 볼-치 구형 조인트의 변형예를 나타내고 있으며, 여기서는 쌍을 이루는 제1 기어를 위한 컵 모양의 지지부(212')가 축(222')과 정렬되고, 하프-샤프트의 일 단부를 위해 슬라이더-조인트의 조합으로써 작용하는 것으로 변경된다. 명확성을 위해, 각각의 구형 기어 쌍의 샤프트는 3개의 본 도면들에서는 생략되었다.

본 실시예에서 제공되는 가장 중요한 변경사항으로는, a) 축(222')에 평행한 컵 모양의 지지부(212')의 확장, 및 b) 하프-샤프트의 작동 단부 사이의 상이한 간격을 허용하기 위해, 지지부(212') 내부로의 구형 기어 쌍의 동심성 중심(230')의 축방향 이동에 대한 구형 코어 하우징(266')의 미끄러짐가능한 설치이다. 각각의 볼 치(258')는 2가지 기능, 즉 구형 기어 쌍의 맞물림 치로써의 기능과, 컵 모양의 지지부(212')의 내벽에 형성된 각각의 축방향 볼 트랙(272') 위아래로 자유롭게 구를 수 있는 기능을 한다. 본 발명에 따라 설계된 실제 조인트에서, 볼 트랙(272')의 길이는 2"(5㎝)이다. 도 13b는 현저하게 큰 양의 플런징 운동(plunging motion)을 필요로 하는 상태를 허용할 수 있는 구조 변형예를 나타낸다. 이러한 특수한 상태 하에서는, 컵의 개방 단부의 측벽에 의한 제약이 발생될 수 있는데, 즉 코어 하우징(266')이 컵 모양의 지지부(212')의 바닥에 위치될 때, 내부 CV-조인트 기어 쌍의 상대 각도 조절이 +/-20°로 제한된다. 그러나, 점점 소형화됨에 따라, 즉 더욱 표준화되고, 플런지 운동의 요구에 따라, 본 발명의 하프-샤프트의 내부 CV-조인트 기어 쌍의 상대 각도 조절능은 점차 증가되어, 전술한 +/-20°제한을 훨씬 넘게 된다.

그러나, 볼 트랙(272')을 통한 볼 치(258')의 축방향 이동은 한가지 기능만을 가지고 있음을 유념해야 하는데, 즉 이 기능은 축(222')을 따라 구형 기어 쌍의 동심성 중심의 유효한 위치를 변경시키는 것이다. 볼 트랙(272')을 통한 볼 치(258')의 전술한 축방향 이동은, 2개의 구형 기어의 피치원이 동일한 동심성 중심을 항상 공유하고 있기 때문에, 구형 전동장치의 볼 치의 어떠한 등속 작동이라도 변경하지 않는다.

2중 CV-조인트

대형 트럭에는 일반적인 부분 구동 샤프트는 카르단 또는 후크 유니버셜 조인트의 조합에 의해 일반적으로 연결된다. 이들 종래의 커플링은 유지하기 어렵고, 비교적 수명이 짧다. 전술한 바와 같이, 당업자는 이해하겠지만, 본 발명의 2개의 구형 기어 조인트를 연속적으로 배치시킴으로써, 등속 회전 운동이 120°이상의 연속하는 최대 각도 범위 내에서 교차하는 샤프트에 의해 전달될 수 있다. 이러한 구성은, 축(24', 24")을 따라 위치된 제1 샤프트와 제2 샤프트의 단부를 연결하기 위해 도 7에 도시된 본 발명의 실시예의 변형예를 사용하여 도 14에 도시되어 있다. 도 14에서는, 명확성을 위해, 연속적인 외부 기어의 원뿔형 내부 치(58', 58")의 상대 위치가 변경되었다. 다시 말해, 바람직한 구조에 있어서, 치(58')는 치(58")로부터 30°만큼 상대적으로 오프셋되어, 사인 효과(sinusoidal effect)를 상쇄시킨다.

외부 치(60', 60")는 피봇 축(32', 32")을 중심으로 회전된 상태로 굵은 실선에 의해 나타나 있다. 또한, 외부 치(60', 60")는 반대방향으로 축(32', 32")을 중심으로 각도 x°만큼 회전된 상태로 가상선에 의해 나타나 있으며, 전방위로 4x°의 전체 운동 범위(x°가 30°일 때에는 120°)를 제공한다. 또한, 허브(28', 28") 및 내부 치(58', 58")도 도 14에 도시되어 있다. 본 실시예에 있어서, 제1 유니버셜 커플링은 제1 요소를 통해 제2 유니버셜 커플링에 고정되게 장착된다. 이는, 제1 유니버셜 커플링으로부터 연장되는 제2 요소와 제2 유니버셜 커플링으로부터 연장되는 제3 요소 사이에서 4x°의 연속적인 운동범위를 제공한다.

자동차용 하프-샤프트의 사용

다음으로, 도 15, 도 16a, 및 도 16b를 참조하기로 한다. 본 발명에 따른 2개의 동일한 구형 기어 CV-조인트가 하프-샤프트(100)의 반대편 단부에 배치되며, 이는, "부츠(boots)"가 제거된 상태로(즉, 도로 파편 및 먼지로부터 조인트를 보호하는데 사용되는 잘 알려진 가요성 덮개 없이) 도 15에 개략적으로 도시되어 있다. 앞서 자세히 설명한 바와 같이, 각각의 CV-조인트의 컵 모양의 지지부(112, 112')는 컵의 베이스에 고정된 중심 볼(126, 126')을 각각 가지며, 각각의 CV-조인트는 허브(128, 128')를 가지고, 이 허브(128, 128')는 0°에서 소정의 최대 각도 x°까지 전방위로 각도 방향을 연속적으로 움직이게 하기 위하여 중심 볼(126, 126') 둘레에 체결된다. 또한, 각각의 CV-조인트는 컵 모양의 지지부 내에 고정된 내부 치(도 16b에서의 110')를 구비한 제1 구형 기어와, 각각의 허브(도 16b에서의 128')에 고정된 외부 치(도 16b에서의 120')를 구비한 제2 구형 기어를 포함한다. 도시된 바람직한 실시예에서, 각각의 CV-조인트의 허브(128, 128')는 샤프트(116)의 각 단부가 회전하도록 각각 연결된다. 컵 모양의 지지부(112, 112')의 베이스는 연결 샤프트(114, 114')의 단부를 각각 수용하기 위한 스플라인 개구(splined opening)을 포함한다.

도 15의 개략도는 차동장치(differential, 102)와 구동 휠(104)을 포함한 차량의 구동열의 단부에서의 자동차용 하프-샤프트(100)를 보여준다. 본 개략도에서는 도시되지 않지만, 구동 휠(104)이 종래에 잘 알려진 방식으로 차량 전방에 설치되어, 구동 휠(104)은 차동장치(102)에 비하여 각도 방향을 연속적으로 자유롭게 움직일 수 있는데, 이는 구동 휠을 조종하기 위해 돌리거나 지형 변화에 따라 구동 휠을 위아래로 움직일 수 있도록 한다. 하프-샤프트(100)는, 차량의 구동열의 두 부분 사이에서 발생하는 상대적인 모든 순간 각 운동 동안, 차량 엔진으로부터의 등속 회전력을 차동장치(102)를 통하여 구동 휠(104)로 전달한다.

당업자는 이해하겠지만, 이동가능하게 설치된 구동 휠(104)이 차동장치(102)의 고정 위치에 대한 각 위치를 변경할 때, 구동 휠(104)과 차동장치(102) 사이의 간격은 변경된다. 이러한 간격의 변경은 크지 않지만(예, 1.0"/25㎜ 이하), 이에 대해서는 보상되어야 하고, 이러한 보상은 도 16a 및 도 16b에서 확대되어 도시된 슬라이더(180)에 의해 이루어진다. 슬라이더(180)는 상대적으로 이동가능한 2개의 부재(181, 182)를 포함하는데, 제1 부재(181)는 왕복운동하도록 제2 부재(182) 내에 설치된다. 부재(181)는 허브(128')에 고정되고, 바람직하게는 크로스 암(cross arm, 186)에 부착된 1쌍의 롤러(184)를 포함한다. 롤러(184)는, 샤프트(116)에 각 각 고정되는 외부 부재(182)에 형성된 1쌍의 트랙에 지지되어 움직인다. 구동 휠(104)과 차동장치(102) 사이의 미세한 간격 변화에 따라, 슬라이더(180)는 롤러(180)에 대해 앞뒤로 이동한다. 후술하는 바와 같이, 하프-샤프트(100)는 종래의 상업상 이용가능한 하프-샤프트에 비해 여러 중요한 장점을 갖는다.

도 17은, 도 15의 하프-샤프트(100)와 유사하지만, 전술한 본 발명의 2개의 볼-치 실시예를 통합한 또다른 하프-샤프트(200)를 나타내고 있다. 다시 말해, 이들 2개의 상이한 실시예는 샤프트(216')의 반대편 단부에 각각 배치된다. 또한, 본 개략도에는 도시되지 않지만, 하프-샤프트(200)의 바깥쪽 단부(도면에서는 왼쪽 단부)는 종래에 잘 알려진 방식으로 차량 전방에 설치된 스티어링 구동 휠에 부착될 수 있고, 하프-샤프트(200)의 안쪽 단부(도면에서는 오른쪽 단부)는 차동장치에 부착될 수 있으며, 스티어링 구동 휠은 차동장치에 비해 각도 방향을 연속적으로 자유롭게 움직일 수 있어서, 구동 휠을 조종하기 위해 돌리거나 지형 변화에 따라 구동 휠을 위아래로 움직일 수 있도록 한다.

바깥쪽 볼-치 구형 기어 CV-조인트(274) 및 안쪽 볼-치 구형 기어 CV-조인트(276')는 그 각각의 축(222, 222')이 샤프트(216')의 축(224')과 대략 10°를 이루며 교차하면서 도시되어 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 바깥쪽 CV-조인트(274)의 바람직한 실시예는 축(222) 위치를 기준으로 전방위 30°까지 등속 회전을 전달할 수 있고(최대 범위 60°), 바람직한 실시예에서 안쪽 CV-조인트(276')는 축(222') 위치를 기준으로 전방위 20°~ 30°로 등속 회전을 전달할 수 있다(최대 범위 40°~ 60°). [주의: 실제로는, 상업용 하프-샤프트의 안쪽 CV-조인트의 최 대 범위는 23°로 제한되고, 상업용 하프-샤프트의 바깥쪽 CV-조인트의 최대 범위는 52°로 제한됨.]

또한, 주의해야 할 점은, 전술한 CV-조인트의 두 실시예의 컵 모양의 지지부(212, 212')의 직경이 동일하여, 두 CV-조인트의 이동부를 보호하는데 사용되는 부츠 장치가 동일하다라는 점이며, 이는 제조, 제고 및 서비스 비용의 상당한 절감을 가져온다. 또한, 더욱 중요하게는, 전술한 더 큰 범위로 움직이는 CV-조인트는 소형 및 소중량이며, 종래의 상업상 이용가능한 CV-조인트보다 더 적은 비용으로 제조 및 조립될 수 있다.

하프-샤프트(100)(도 15) 및 하프-샤프트(200)(도 17)는 종래의 상업상 이용가능한 하프-샤프트에 비해 여러 중요한 장점을 갖는다.

(1) 오목형 슬롯 세트 사이의 운동 전달 링크로서 사용된 종래의 상업용 CV-조인트의 볼 리테이너 및 볼 세트가 요소 사이에 바람직한 구름작용을 하는 본 발명의 직접 구동방식인 볼록형 및 오목형의 구형 기어 커플링으로 대체됨에 따라, (a) 미끄럼 작용과 이에 관한 열 및 이러한 미끄럼에 의해 야기되는 마모가 상당히 감소되고, (b) CV-하우징 컵 내의 매우 난해한 곡선 또는 휘어진 내부 홈을 연마할 필요가 없으며, (c) 개별 볼 리테이너의 난해한 내부 및 외부 구면 연마 뿐만 아니라 정밀한 볼-슬롯 연마를 할 필요가 없고, (d) 개별 볼 리테이너를 적절하게 위치시키기 위해 캠 작용 슬롯을 변경시킬 필요가 없다.

(2) 본 발명의 각각의 구형 기어 CV-조인트의 부품 수는 적고, 이 부품은 복잡하지 않으며, 제조나 조립함에 있어서도 비싸지 않다.

(3) 하프-샤프트(100, 200)의 양 단부에는 실질적으로 동일한 커플링을 각각 가지므로, 제조 및 대체용 제고품을 위한 상이한 부품을 약간 필요로 하는 제조를 단순화시킨다.

(4) 본 발명의 CV-조인트에서 구형 기어의 치가 각각의 극에서만 접촉할 수 있기 때문에, 모든 각도 방향으로의 회전에 대한 마찰 저항은 종래의 하프-샤프트보다 두드러지게 줄어들게 되어, 각도 방향이 변하는 동안 하프-샤프트(100, 200)를 돌리는데 요구되는 토크가 감소되고, 조립이 간단해지며, 구동 열 효율(drive train efficiency)이 증가된다.

(5) 구형 기어 치가 매 회전시 2번 맞물림과 맞물림 해제됨에 따라, 하프-샤프트(100, 200)의 윤활은 구형 기어 치의 구름 운동에 의해 용이해지고, 맞물림은 비교적 마찰이 적어서, 저렴한 윤활제를 사용할 수 있다.

본 발명의 구형 기어는 30°의 바람직한 소정의 최대 각도를 갖는 것으로 설명되었지만, 본 발명의 범위 내에서 구형 기어의 바람직한 최대 각도는 30°미만이거나 30°초과될 수 있다. 도 5c에 도시된 바와 같이 및 전술한 바와 같이, 각각의 쌍의 구형 기어의 제2 기어의 외부 치의 치형은 소정의 최대 각도에 따라서 바뀐다.

본 명세서에서 기술되고 주장하는 구형 기어의 구조는 자동차용 CV-조인트, 유니버셜 커플링 및 하프-샤프트의 분야에서 상당한 진보를 가져다준다.

따라서, 본 명세서에서 기술된 본 발명의 실시예는 본 발명의 원리를 적용한 예시에 지나지 않을 뿐이다. 본 명세서에서 예시된 실시예의 세부 구성요소에 대 한 참조는 청구항의 범위를 한정하려는 것은 아니며, 그 자체로 본 발명에 있어 필수적인 것으로 고려되는 특징을 열거한다.

Claims (36)

1. 각도를 변화시켜서 교차될 수 있는 각각의 축을 중심으로 회전가능한 제1 요소와 제2 요소를 상호연결하기 위한 유니버셜 커플링에 있어서,

   제1 기어 및 제2 기어를 포함하는 1쌍의 구형 기어

   를 포함하고,

   상기 제1 기어는 함께 회전하도록 상기 제1 요소에 고정되고, 복수의 내부 치를 포함하며, 각각의 상기 내부 치는 원의 형상을 갖는 길이 방향의 만곡부(lengthwise curvature)가 형성된 내부 치면을 가지고,

   상기 제2 기어는 함께 회전하도록 상기 제2 요소에 고정되고, 상기 내부 치와 쌍으로 맞물리는 복수의 외부 치를 포함하며, 각각의 상기 외부 치는, 소정의 반경을 갖는 원통형 중심부 및 상기 원통형 중심부의 각 측면에 각각 형성된 소정의 폭을 갖는 2개의 평면 연장부를 포함하는 외부 치면을 가지고,

   상기 기어의 각각은 대형 피치구의 형태의 피치면을 가지며, 상기 대형 피치구는 동심이며 실질적으로 동일한 반경을 가지고, 상기 기어 각각의 피치원은 상기 대형 피치구 중 하나의 피치구 상의 대원이며, 상기 피치원은 180°로 떨어져 있는 2개의 극 지점에서 효과적으로 서로 교차하고,

   상기 기어 각각의 각각의 치는, 연속하는 각각의 소형 구가 상기 대형 피치구의 표면에 떨어지는 접촉 지점에서 다음의 소형 구에 접하도록 원형을 이루어 배치되는 복수의 개별 소형 구 중 어느 하나의 구 내부에 형성되고, 각각의 소형 구 상의 상기 접촉 지점 사이의 간격은 각각의 치의 직각 현 이두께(normal chordal thickness)를 형성하며,

   상기 요소의 축이 180°에서 소정의 최대 각도 x°만큼 180°와 다른 각도까지의 연속 범위에 걸쳐 다양하게 교차함에 따라 상기 기어가 원동과 종동의 구동관계로 회전할 때, 상기 축이 항상 상기 대형 피치구의 중심에서 교차하여, 상기 요소는 2x°의 연속 최대 각도 범위에 걸쳐 교차하는,

   유니버셜 커플링.
2. 제1항에 있어서,

   상기 x는 30 이상인, 유니버셜 커플링.
3. 제1항에 있어서,

   각각의 상기 내부 치 및 각각의 상기 외부 치의 내부는 중공되어 있는, 유니버셜 커플링.
4. 제1항에 있어서,

   상기 유니버셜 커플링은 상기 유니버셜 커플링과 실질적으로 동일한 제2 유니버셜 커플링에 연립하여 고정식으로 장착되어, 상기 제1 또는 제2 요소와 상기 제2 유니버셜 커플링으로부터 연장된 제3 요소 사이에 4x°의 연속 최대 운동 범위를 제공하는, 유니버셜 커플링.
5. 제1항에 있어서,

   각각의 상기 내부 치면의 표면은 상기 소형 구 사이에 공유된 상기 접촉 지점에서 상기 내부 치의 각각의 개별 소형구에 접하고, 각각의 상기 내부 치면의 상기 길이 방향의 만곡부의 원의 형상은

   ⅰ) 상기 각각의 개별 소형 구의 절반 이상의 소형 구의 직경과 동일한 직경을 갖는 구의 형상이거나, 또는

   ⅱ) a)상기 소형의 이론상 구에 더하여, 상기 2개의 대형의 이론상 구와 동심을 이루며, 중심에 배치되고, 크기가 동일한 추가의 소형의 이론상 구, 및 b) 상기 소형의 중심구의 서로 반대되는 면에 접하도록 구성되고, 상기 소형의 이론상 구 중 하나가 이와 이웃하는 구와 공유하는 2개의 접점 중 대응하는 하나의 접점을 지나는 2개의 교차선을 포함하는 구조물에 의해 결정된 원뿔 꼭지각을 갖는 원뿔의 형상이며,

   상기 원뿔 꼭지각은 상기 교차선에 의한 교차 지점에서 형성된 끼인각으로 결정되는, 유니버셜 커플링.
6. 제5항에 있어서,

   각각의 내부 치는 상기 제1 요소의 축에 대해 수직하게 연장되며, 각각의 외부 치는 상기 제2 요소의 축에 대해 수직하게 연장되어, 각각의 기어의 치의 각각의 치면이 각각의 기어의 피치구인 각각의 대형 구의 대원의 중심에 배치되고, 각 각의 상기 대원의 축은 상기 각각의 요소의 축과 항상 정렬되는, 유니버셜 커플링.
7. 제1항에 있어서,

   각각의 상기 외부 치면의 상기 평면 연장부의 상기 소정의 폭은 상기 최대 각도 x°에 따라 변하며, 상기 연장부는 치면 중심의 각각의 측면에 상기 치면 중심의 중심선으로부터 x°떨어져 위치된 초기 접점에서, 2x°로 측정된 적어도 상기 원통형 중심부의 방사상 선까지 연장되어, 상기 치면 중심의 각각의 측면 상의 각각의 평면부의 길이는 x°의 상기 접점을 지나 x°만큼 추가로 연장되고, 기어의 축이 상기 최대 각도 x°에서 교차하는 경우, 상기 제2 기어가 상기 제1 기어에 대한 타원형 호를 따라 운동함에 따라, 각각의 상기 평면 연장부는 상기 원통형 중심부의 방사형 중심의 운동선에 평행하게 상기 초기 접점으로부터 연장되는, 유니버셜 커플링.
8. 제1항에 있어서,

   각각의 상기 외부 치면의 상기 원통형 중심부의 상기 소정의 반경은 기어 각각의 각각의 외부 치의 상기 직각 현 이두께의 1/2과 동일한, 유니버셜 커플링.
9. 제5항에 있어서,

   상기 복수의 개별 소형 구는, 각각의 상기 기어가 6개의 치를 갖도록, 12개로 구성되며, 원뿔형인 각각의 상기 내부 치면은 상기 제1 요소의 단부에 고정된 컵 모양의 지지부 내에 형성되며, 상기 컵 모양의 지지부 내부에 장착되고, 상기 대형 피치구의 상기 동심성 중심과 상기 교차 지점 사이의 간격보다 작은 반경을 가지는 중심 볼을 추가로 포함하는, 유니버셜 커플링.
10. 제6항에 있어서,

    각각의 상기 기어가 6개의 치를 갖도록, 12개의 개별 소형 구가 제공되고, 각각의 상기 내부 치는 상기 각각의 개별 소형 구의 절반 이상의 직경과 동일한 직경을 갖는 볼인, 유니버셜 커플링.
11. 제10항에 있어서,

    각각의 상기 내부 볼 치는, 각각의 볼 치의 면이 상기 제1 기어의 상기 각각의 대형 구의 대원면의 중심에 항상 위치되도록, 상기 제1 요소의 단부에 고정된 컵 모양의 지지부 내부에서 지지되는, 유니버셜 커플링.
12. 제11항에 있어서,

    상기 컵 모양의 지지부는 구면을 갖는 코어 하우징을 추가로 포함하고, 각각의 상기 외부 치는 상기 제2 요소의 단부에 부착될 수 있는 허브부 상에 설치되며, 상기 외부 치의 상단부는, 180°에서 소정의 최대 각도 x°까지 어떠한 방향으로도 각 운동을 허용하도록, 상기 코어 하우징의 상기 구면과 맞물리는 구면인, 유니버셜 커플링.
13. 제12항에 있어서,

    상기 내부 및 외부 치는 180°떨어진 상기 극 지점 각각에서 동시에 맞물리게 되는, 유니버셜 커플링.
14. 제13항에 있어서,

    각각의 상기 내부 및 외부 치의 쌍은, 상기 요소가 상기 연속하는 각도 범위에 걸쳐 다양하게 교차함에 따라 언제 어느 각도로, 상기 치의 쌍 중 첫번째 치 쌍이 맞물림 해제되기 전에 두번째 치 쌍이 맞물리기 시작하도록, 연속하여 맞물리게 되는, 유니버셜 커플링.
15. 제9항에 있어서,

    맞물려져 있는 상기 내부 및 외부 치의 쌍에 의해 공유된 접촉 패턴은 상기 변화가능한 모든 각도에 대한 완전 선 접촉이며, 상기 접촉 선은, 상기 연속 범위에 대해 교각이 변화됨에 따라, 상기 각각의 기어의 전체 치면을 가로질러 이동되는, 유니버셜 커플링.
16. 제14항에 있어서,

    자동차용 하프-샤프트의 단부에 각각 부착된 제1 유니버셜 커플링 및 제2 유니버셜 커플링을 포함하는, 유니버셜 커플링.
17. 제16항에 있어서,

    상기 각각의 커플링의 상기 허브부는 상기 자동차용 하프-샤프트의 일 단부에 각각 부착되는, 유니버셜 커플링.
18. 제17항에 있어서,

    상기 제1 유니버셜 커플링의 상기 컵 모양의 지지부는 자동차용 차동장치에 연결가능하고, 상기 제2 유니버셜 커플링의 상기 컵 모양의 지지부는 자동차용 구동 휠에 연결가능한, 유니버셜 커플링.
19. 제16항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 유니버셜 커플링의 중간에 위치된 슬라이더를 추가로 포함하고, 상기 슬라이더의 전체 길이는, 상기 구동 휠과 상기 차동장치 사이의 간격이 상기 구동 휠의 상대 운동으로 인해 달라지는 것에 대해 보상하기 위하여, 변경될 수 있는, 유니버셜 커플링.
20. 제16항에 있어서,

    상기 커플링 중 하나의 상기 컵 모양의 지지부는 축방향으로 연장되고, 상기 구형 코어 하우징은, 상기 구동 휠과 상기 차동장치 사이의 간격이 상기 구동 휠의 상대 운동으로 인해 달라지는 것에 대해 보상하기 위하여, 축방향 운동가능하도록 미끄러짐 가능하게 상기 지지부 내부에 설치되는, 유니버셜 커플링.
21. 제20항에 있어서,

    상기 슬라이더는 1개 이상의 롤러를 구비한 제1 부재와, 상기 롤러를 대응되게 수용하기 위한 트랙을 구비한 제2 부재를 포함함으로써, 상기 롤러를 따르는 상기 슬라이더의 운동은, 상기 구동 휠과 상기 차동장치 사이의 간격이 상기 구동 휠의 상대 운동으로 인해 달라지는 것에 대해 보상하기 위하여, 상기 슬라이더의 전체 길이를 변경시키는, 유니버셜 커플링.
22. 제1항에 있어서,

    각각의 상기 내부 치는 상기 제1 요소의 단부에 고정된 컵 모양의 지지부의 내부에 형성되는, 유니버셜 커플링.
23. 제22항에 있어서,

    각각의 상기 내부 치는 개별적으로 형성되고, 상기 컵 모양의 지지부에 가압 체결되는, 유니버셜 커플링.
24. 제22항에 있어서,

    상기 컵 모양의 지지부 내에 중심 볼이 설치되는, 유니버셜 커플링.
25. 제22항에 있어서,

    각각의 상기 외부 치는 상기 제2 요소의 단부에 부착될 수 있는 허브에 설치되는, 유니버셜 커플링.
26. 제25항에 있어서,

    상기 허브는, 180°에서 소정의 최대 각도 x°까지 전방위로 각 운동할 수 있도록, 상기 컵 모양의 지지부 상에 대응되게 체결되는, 유니버셜 커플링.
27. 회전가능한 입력 장치와 상기 입력 장치에 대한 순간 각 운동을 위해 설치되는 구동 휠을 상호연결하기 위한 자동차용 하프-샤프트에 있어서,

    - 컵 모양의 지지부와, 0°에서 최대 각도 x°로 연속하는 각도 범위에 걸쳐 전방위로 자유롭게 운동할 수 있도록 대응되게 맞물려 있는 허브를 각각 포함하는, 1쌍의 실질적으로 동일한 유니버셜 커플링,

    - 컵 모양의 지지부 내에 각각 설치되는 내부 치를 구비한 기어와, 각각의 허브에 고정되는 외부 치를 구비한 다른 기어를 각각 포함하는, 2쌍의 구형 기어,

    - 상기 하프-샤프트의 각각의 단부와 함께 회전하도록 각각 연결되어 있는 각각의 커플링의 허브,

    - 상기 회전가능한 입력 장치에 연결될 수 있는 일 커플링의 컵 모양의 지지부와, 상기 구동 휠에 연결될 수 있는 타 커플링의 컵 모양의 지지부, 및

    - 상기 구동 휠과 상기 회전가능한 입력 장치 사이의 간격이 상기 구동 휠의 상대 운동으로 인해 달라지는 것을 보상하기 위한, 상호 이동가능한 부재를 포함한 미끄러짐 기구

    를 포함하는,

    자동차용 하프-샤프트.
28. 제27항에 있어서,

    상기 미끄러짐 기구는 1개 이상의 롤러를 구비한 제1 부재와, 상기 롤러를 대응되게 수용하기 위한 트랙을 구비한 제2 부재를 포함함으로써, 상기 트랙를 따르는 상기 롤러의 운동이, 상기 구동 휠의 상대 운동에 대해 보상하기 위하여, 상기 기구의 전체 길이를 변경시키는, 자동차용 하프-샤프트.
29. 제27항에 있어서,

    상기 미끄러짐 기구의 상기 부재 중 하나는 상기 커플링의 상기 허브에 고정되는, 자동차용 하프-샤프트.
30. 제27항에 있어서,

    상기 미끄러짐 기구는, 내부 치용 볼을 구비한 1쌍의 구형 기어를 포함하는 상기 커플링 중 하나의 내에 통합되며, 상기 볼은 축방향 운동을 위해 축방향으로 연장된 컵 모양의 지지부 내에 설치된 구형 코어 하우징 내부에 수용되어, 상기 구동 휠과 입력 장치 간의 달라지는 거리를 보상하는, 자동차용 하프-샤프트.
31. 제1 요소와 다양한 각도로 교차하는 각각의 축을 중심으로 회전가능한 제2 요소를 상호연결시키기 위한 1쌍의 구형 기어에 있어서,

    제1 기어 및 제2 기어

    를 포함하고,

    상기 제1 기어는 함께 회전하도록 상기 제1 요소에 고정되고, 복수의 내부 치를 포함하며, 각각의 상기 내부 치는 원의 형상을 갖는 길이 방향의 만곡부가 형성된 내부 치면을 가지고,

    상기 제2 기어는 함께 회전하도록 상기 제2 요소에 고정되고, 상기 내부 치와 쌍으로 맞물리는 복수의 외부 치를 포함하며, 각각의 상기 외부 치는, 소정의 반경을 갖는 원통형 중심부 및 상기 원통형 중심부의 각 측면에 각각 형성된 소정의 폭을 갖는 2개의 평면 연장부를 포함하는 외부 치면을 가지고,

    상기 기어의 각각은 대형 피치구의 형태의 피치면을 가지며, 상기 대형 피치구는 동심이며 실질적으로 동일한 반경을 가지고, 상기 기어 각각의 피치원은 상기 대형 피치구 중 하나의 피치구 상의 대원이며, 상기 피치원은 180°로 떨어져 있는 2개의 극 지점에서 효과적으로 서로 교차하고,

    상기 기어 각각의 각각의 치는, 연속하는 각각의 소형 구가 상기 대형 피치구의 표면에 떨어지는 접촉 지점에서 다음의 소형 구에 접하도록 원형을 이루어 배치되는 12개의 개별 소형 구 중 어느 하나의 구 내부에 형성되고, 각각의 소형 구 상의 상기 접촉 지점 사이의 간격은 각각의 치의 직각 현 이두께를 형성하며,

    상기 요소의 축이 180°에서 소정의 최대 각도 x°만큼 180°와 다른 각도까지의 연속 범위에 걸쳐 다양하게 교차함에 따라 상기 기어가 원동과 종동의 구동관계로 회전할 때, 상기 축이 항상 상기 대형 피치구의 중심에서 교차하여, 상기 요소는 2x°의 연속 최대 각도 범위에 걸쳐 교차하는,

    구형 기어.
32. 제31항에 있어서,

    각각의 상기 내부 치는 상기 각각의 개별 소형 구의 절반 이상의 소형 구의 직경과 동일한 직경을 갖는 볼인, 구형 기어.
33. 제32항에 있어서,

    상기 내부 볼 치는 컵 모양의 지지부 내부에 있는 코어 하우징에 설치되고, 상기 외부 치는 허브 상에 설치되며, 상기 외부 치의 상단부는, 상기 구형 기어의 치가 맞물릴 때, 상기 코어 하우징 상에 형성된 구면과 대응되게 맞물리는 구의 형상을 가지는, 구형 기어.
34. 제33항에 있어서,

    각각의 상기 내부 볼 치는 상기 코어 하우징 내의 개별 구멍 내에서 유지되어, 각각의 상기 내부 치의 구면이 상기 제1 기어의 피치원의 중심에 항상 위치하게 되는, 구형 기어.
35. 제34항에 있어서,

    각각의 상기 내부 볼 치는 리테어너(retainer)에 의해 상기 구멍 내에 유지되는, 구형 기어.
36. 제34항에 있어서,

    상기 컵 모양의 지지부는 축방향으로 연장되며, 상기 코어 하우징의 상기 각각의 구멍 내에 각각의 상기 내부 볼 치를 유지하여, 각각의 상기 내부 볼 치의 치면이 상기 제1 기어의 피치구인 각각의 대형 구의 대원의 중심에 항상 위치되는 동안, 상기 코어 하우징이 상기 컵 모양의 지지부 내부에서 축방향 운동을 할 수 있도록, 상기 컵 모양의 지지부는 상기 볼 치를 회전시킬 수 있고, 상기 대원의 축은 상기 제1 요소의 축과 항상 정렬되는, 구형 기어.

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