KR20090101177A - 자동차용 종방향 구동축 - Google Patents

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shaft
joint
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pipe
drive shaft
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KR1020097012325A
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제바슈티안 프로스트
크리스티안 코로트와
게랄드 랑거
Original Assignee
이파-테크놀로지즈 게엠베하
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Abstract

토크를 전달하기 위한 자동차용 종방향 구동축(longitudinal drive shaft)은 중개축(intermediate shaft) 또는 저널(journal)에 의해 서로 연결되는 둘 이상의 축부(shaft section)로 구성된다. 상기 중개축 또는 저널은 센터 베어링의 지지체이며, 또한 파이프에 견고하게 배치한 등속 변위 조인트(homokinetic displacement joint)에 의해 축부에 연결된다. 충돌사고시에 변위되는 센터 베어링과 축부의 부분들은 파이프의 안지름보다 더 작게 형성된다. 외측 조인트 링(outer joint ring)의 안지름은 센터 베어링의 롤러 베어링 및 파이프의 바깥지름들보다 더 크다. 등속 변위 조인트는 밀폐 캡(sealing cap)과 밀폐 벨로우즈(sealing bellows)를 사용하여 축부 쪽으로 밀폐되며, 등속 변위 조인트에 배치되는 폐쇄덮개(closure lid)를 구비한다.

Description

자동차용 종방향 구동축{Longitudinal Drive Shaft for Motor Vehicles}
본 발명은 자동차에서 토크(torque)를 전달하기 위해, 둘 이상의 축부(shaft section)와 조인트로 구성되고, 상기 축부들이 중개축(intermediate shaft)이나 저널(journal)에 의해 연결되어 있는 종방향 구동축(longitudinal drive shaft)에 관한 것이다.
이러한 종방향 구동축들은 일반적으로 알려져 있고, 토크를 전달하는데 사용되며, 자동차 종방향으로의 정면충돌시나 충돌사고시에, 구부려져서 자동차 내측으로 뚫고 들어오는 것을 방지하기 위해, 상기 종방향 구동축이 축방향으로 짧아지게 형성되어 있다. 동시에, 가능한 한 승객이 상해를 입지 않도록 되어 있다. 상술한 유형의 자동차용 종방향 구동축은 독일특허 No. DE 43 44 177 C1로부터 공지되었다.
이 자동차용 종방향 구동축은 축방향으로 변위 가능한 볼 로터리 조인트로서 형성되는 중개 조인트(intermediate joint)를 가지고 있으며, 종방향으로 뻗은 제 1 볼 주행로(raceway)들을 구비한 적어도 하나의 외측 조인트 부분과, 종방향으로 뻗은 제 2 볼 주행로들을 구비한 내측 조인트 부분과, 토크를 전달하며 또한 반지름 방향으로 서로 마주보게 놓여 있는 제 1 및 제 2 볼 주행로 내에 각각 안내되는 볼들로 구성되어 있다. 이와 관련하여 외측 조인트 부분은 관형 축(tubular shaft)과 견고하게 연결되어 있고, 내측 조인트 부분은 축 저널과 견고하게 연결되어 있다. 운전 중, 관형 축 쪽으로 밀어넣기를 할 때, 내측 조인트 부분에 의해 차지되는 자유 공간(free space)을 수반하는, 외측 조인트 부분 또는 뒤이은 관형 축의 안지름이 내측 조인트 부분의 바깥지름보다 더 작게 형성되어 있다.
이 구성에 의해, "충돌사고"시에, 서로 변위되는 종방향 구동축의 부분들이 마찰하여 넓어짐으로써, 종방향 구동축에 의해 에너지가 감소하거나 흡수되는 것이 달성되어야 한다. 하지만, 충돌시에 작용하는 힘 때문에 종방향 구동축이 구부려질 수 있는 단점이 있다.
이 유형의 다른 해결법이 독일특허 No. DE 42 24 201 C2에 기재되어 있는데, 이 독일특허의 경우는, 자동차 구동열(drive train)의 종방향 축이 내측 조인트 부분과 축 저널 사이의 하나의 연결부에 의해서 종방향 축의 다른 부분들이 손상되지 않은 상태로 유지되도록 형성되어 있고, 이 연결부는 구동열에서 설정 축력으로 이탈될 수 있다. 이 때문에, 축방향 정지 수단(axial stopping means)들이 내측 조인트 부분에 설치되어 있으며, 외측 조인트 부분에서, 이 수단에 의해, 내측 조인트 부분과 축 저널 사이의 연결부가 이탈된 다음에, 축 저널이 내측 조인트 부분을 뚫고 나갈 때, 내측 조인트 부분이 스스로 지지해야 한다.
마찬가지로, 외측 조인트 부분의 콘형 도입부(introduction cone)나, 외측 조인트 부분의 뒤를 이어 외측 조인트 부분과 연결되는 바닥 부분의 콘형 도입부에 의해 지지가 이루어져야 한다. 0으로부터 확연하게 벗어나 있고 에너지 흡수를 제 어한 설정 축력이, 축 저널이 인너 조인트 부분을 축방향으로 뚫고 나가 콘형 도입부 안으로 밀려 들어갈 때, 마찰 일 또는 변형 일(deformation work)을 흡수할 수 있는 수단에 의해 조절될 수 있다는 것이 특히 유리한 점으로 강조되고 있다.
이 해결책은 또한, 사고시에, 이 종방향 구동축이 승객공간 쪽으로 구부려져서 뚫고 들어갈 수 있어, 승객 공간 내에 머물러 있는 사람들에게 상해를 가할 수 있는 단점을 지니고 있다. 게다가, 축 저널의 길이가 더 긴 경우, 종방향 축의 굽힘 임계 회전 속도(bending-critical speed of the rotation)들이 나타나는데, 이것은 그와 같이 형성된 종방향 축의 안정 시스템에 나쁜 결과를 낳기 때문에, 단순히 어떤 요구 길이를 가지도록 축 저널이 채택될 리 없으므로, 이 변형시에는 충돌 경로의 최대 길이가 매우 불리하다.
또한, 독일특허 No. DE 199 43 880 C1에는, 종방향 구동축과 중개 베어링을 구비하고 있는, 자동차에서 사용되는 구동장치가 기재되어 있다.
이 종방향 구동축은 제 1 조인트를 구비하는 제 1 축부와, 제 2 조인트 및 등속 고정 조인트 형태의 제 3 조인트를 구비하는 제 2 축부로 구성되는데, 제 3 조인트는 제 1 축부와 제 2 축부를 연결하며, 중개 베어링을 포함한다. 중개 베어링은 제 1 축부에 배치되며, 등속 고정 조인트, 롤러 베어링에 인접해 있다. 이 구동장치의 경우에는, 외측 조인트 부분, 제 2 축 파이프, 상기 조인트의 외측 조인트 부분, 제 2 축부의 일부를 이루는 축 파이프의 최소 안지름들이 제 1 축부 및 중개 베어링의 롤러 베어링의 최대 바깥지름들보다 더 크다.
이 구동장치의 경우에는, 예컨대 자동차의 정면충돌로 인해, 축방향으로, 제 1 조인트와 제 2 조인트의 최대로 허용가능한 변위 경로가 초과하게 되면, 두 축부가 힘을 가할 필요 없이, 텔레스코핑 되는 방식으로 서로 움직이도록 해야 한다.
상기 구동장치의 기능 부분들의 서로 다른 크기에 의해, 기능 부분들을 텔레스코핑 시킬 수 있도록, 이 기능 부분들이 서로 밀려들어 갈 것은 확실하지만, 이 텔레스코핑 과정을 시작하기 위해서는 상당한 힘 효과 요구되며, 게다가 종방향 구동축이 구부려지는 것이 방지될 리 없다.
그러므로 본 발명은, 충돌사고시에, 종방향 구동축의 개개의 기능 결정 요소(individual function-determining component)들이 상대방 쪽으로 전진해서 종방향 구동축의 축부들이 자유롭게 구부려지는 것을 방지할 수 있는 그러한 방식으로, 자동차용 종방향 구동축을 더 발전시키는데 바탕을 두고 있다.
본 발명에 따르면, 이 과제는, 토크를 전달하는데 사용되고 또한 어느 한 축부와 견고하게 연결되는 중개축 또는 저널에 의해 서로 연결되어 있는 둘 이상의 축부로 구성되는 자동차용 종방향 구동축에 의해 달성된다.
연결은, 상기 중개축/저널이 끼워지는 볼 허브 안으로, 제 1 축부와 함께 배치하는 등속 변위 조인트에 의해 이루어진다. 반대쪽에, 상기 중개축이 제 2 축부의 회전자(rotor)와 견고하게 연결되는 슬리브(sleeve)에 장착되어 있다.
두 축부 사이에 설치되는 센터 베어링은 중개축 또는 저널이 사용되는 경우에 그 저널이 센터 베어링의 지지체인 방식으로 구성되어 배치된다.
센터 베어링, 여기서는 상기 센터 베어링의 롤러 베어링은 물론, 종방향 구동축의 제 2 축부가, 정면충돌시나 충돌사고시에, 제 1 축부의 내측으로 텔레스코핑(telescoping) 될 수 있는 치수로 만들어져 배치되어 있으므로, 종방향 구동축 전체 및 종방향 구동축의 개개의 부분들이 더 이상 구부려지지 않는 것은 확실하다.
제 1 축부에 배치한 등속 변위 조인트는 제 1 축부의 외측 파이프와 견고하게 연결되고, 등속 변위 조인트의 외측 조인트 링과 볼 허브는 각각 내측 벽과 외측 벽에 볼 그루브들이 형성되어 있으며, 각각 그 안에 볼들이 배치되어, 볼들이 안내되면서 주위를 도는 형태로 되어 있다.
저널이 중개축 대신에 사용되는 경우, 저널은 제 1 축부 쪽으로 등속 변위 조인트와 연결되며, 제 2 축부 쪽으로 제 2 축부와 직접적으로 견고하게 연결된다. 이것은 예를 들면 용접에 의해 이루어질 수 있다.
상기 저널은, 제 2 축부 쪽으로, 상기 제 2 축부의 파이프의 바깥지름에 알맞은 최대 바깥지름을 가진 형태로 형성되어 있어, 용접에 의해 견고한 연결이 달성된다.
등속 변위 조인트는 밀폐 캡과 밀폐 벨로우즈에 의해, 한쪽이 주변으로부터 밀폐되며, 반대쪽에는 폐쇄덮개가 설치되어 있다. 이 폐쇄덮개는 이물질이 등속 변위 조인트의 내측으로 침입하는 것을 방지하는데, 이물질은 오염 및 오염으로 인한 일시적인 운전 불능을 야기한다. 동시에, 윤활유가 등속 변위 조인트의 내측으로부터 누출될 수 없게 한다.
이 폐쇄덮개는 윤활유의 누출 및 등속 변위 조인트 안으로의 유해물의 침입을 방지함은 물론, 사고시에 파열되어 어느 한 축부가 다른 축부 쪽으로 자유롭게 텔레스코핑 되는 것을 확실하게 하는 파열예정부(planned breaking point)들을 가진 하나의 안전요소로서 배치되어 있다.
상기 폐쇄덮개는, 평면부에 의해 말단(end side)이 밀폐되어 있는 상기 폐쇄덮개의 원통부 쪽으로 변화하는 후속 안내경사면(subsequent guidance bevel)과 함께 외측 칼라를 구비한 깔때기 모양의 성형품으로 형성되어 있다.
상기 폐쇄덮개의 파열예정부들은, 제 1 축부 또는 상기 제 1 축부의 파이프의 내측 벽에 폐쇄덮개를 부착함으로써, 또는 다른 구성으로서, 폐쇄덮개의 원통부와 평면부 사이의 변화 영역에 폐쇄덮개를 부착함으로써 형성된다.
상기 폐쇄덮개는, 등속 변위 조인트를 밀폐하는 기능과 파열예정부들을 형성하는 기능뿐 아니라, 충돌사고시에 텔레스코핑 된 부품들, 예컨대 등속 변위 조인트의 볼 허브는 물론, 중개축이나 저널, 센터 베어링의 롤러 베어링, 볼, 케이지가 폐쇄덮개의 원통부 내에 안내되는 방식으로, 안내 요소로서의 역할을 한다.
이와 관련하여, 등속 변위 조인트가 거의 힘들이지 않고 개개의 부분들로 부서지고, 또한 파열예정부들이 등속 변위 조인트의 외측에 위치해 있어, 폐쇄덮개의 파괴뿐 아니라, 충돌사고시에 변위되는 기능 부분들의 자유로운 텔레스코핑이 가능해지는 장점이 있다. 이것은 전체적으로, 텔레스코핑 전 과정에 바람직한 효과를 나타낸다.
도 1은 운전 상태에서 종방향 구동축의 일 예를 나타내는 도면.
도 2는 제 1 파열 위치에서 종방향 구동축을 나타내는 도면.
도 3은 제 1 파열예정부가 활동하기 시작하는 다른 파열 위치에서 종방향 구동축을 나타내는 도면.
도 4는 제 2 파열예정부가 활동하기 시작하는 또 다른 파열 위치에서 종방향 구동축을 나타내는 도면.
본 발명의 다른 목적들과 특징들은 첨부도면에 관한 이하의 상세 설명으로부터 명확해질 것이다. 하지만, 첨부도면은 하나의 실시예에 불과한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하지는 않는 것으로 이해해야 한다.
첨부도면에서, 각각의 도면을 통해 동일 부호는 동일 구성요소를 나타낸다.
기본적인 설명을 위해, 종방향 구동축의 일 실시예의 구성이 도 1에 나타나 있다. 종방향 구동축은, 각각 파이프(3, 4)로 구성되고, 중개축(12) 또는 저널(16)처럼 형성된 것에 의해 서로 연결되는 제 1 축부(1)와 제 2 축부(2)로 이루어져 있다. 센터 베어링(6)은 두 축부(1, 2) 사이에 설치되어 있다. 예컨대, 센터 베어링의 롤러 베어링(7)이 중개축(12)에 설치되어 있거나, 저널(16)이 사용된 경우에는, 저널에 설치되어 있다.
이하에서는, 단지 중개축에 대해서만 언급한다. 제 1 축부(1)는 파이프(3)로 구성되어 있으며, 파이프 안이나 파이프 쪽으로 등속 변위 조인트(5)가 배치되어 있다.
등속 변위 조인트(homokinetic displacement joint)(5)는 중개축(12)에 배치 되어 있는 볼 허브(ball hub)(8)와, 외측 조인트 링(outer joint ring)(9)과, 케이지(cage)(10)와, 상세히 나타내지 않은 볼 그루브(ball groove)들로 구성되어 있다. 볼 그루브들은 외측 조인트 링(9)과 볼 허브(8)에 설치되어 있으며, 볼 그루브 내에서 볼(13)들이 움직인다.
등속 변위 조인트(5)는 밀폐 캡(sealing cap)(15)과 상세히 나타내지 않은 밀폐 벨로우즈(sealing bellows)에 의해 오른쪽이 밀폐되어 있으며, 등속 변위 조인트(5)의 왼쪽에는 상기 등속 변위 조인트에 대한 안전요소로서 기능을 하는 폐쇄덮개(closure lid)(11)가 설치되어 있다.
폐쇄덮개(11)는 두께가 얇은 소재, 예컨대 금속 시트로 제작되며, 하나의 성형품으로 형성된다. 폐쇄덮개는 안내경사면(guidance bevel)(19)에 의해 서로 연결되어 있는 외측 원주 칼라(outer circumferential collar)(20)와 원통부(17)로 구성되어 있다.
폐쇄덮개(11)의 말단에는, 폐쇄덮개(11) 및 장착된 상태에서 등속 변위 조인트(5)를 밀폐하는 평면부(18)가 배치되어 있다.
도 1로부터, 폐쇄덮개(11)가 등속 변위 조인트(5)의 외측 조인트 링(9)과 연결되는 것은 명백하다. 이 연결부는 제 1 파열예정부(14)를 나타내는데, 제 1 파열예정부가 하는 일은, 충돌사고시에, 제 2 축부(2)가 제 1 축부(1) 안으로 텔레스코핑 될 수 있도록 하기 위해, 폐쇄덮개(11)와 등속 변위 조인트(5) 사이의 연결부가 분해 또는 해제되는 기능을 수행하도록 하는 것이다.
등속 변위 조인트(5) 쪽으로 제 2 축부(2)의 제 1 변위 상태가 도 2에 나타 나 있는데, 이로부터, 롤러 베어링(7)이 센터 베어링(6)의 바깥으로 밀려나와, 볼 허브와 함께 중개축이 폐쇄덮개(11)에 부딪치거나 접촉하도록, 제 2 축부(2)가 왼쪽으로 이미 밀려나와 있는 것이 명백하다. 변위하는 동안, 볼 허브(8)가 외측 조인트 링(9)의 바깥으로 어느 정도까지 이동하고, 중개축(12)이 폐쇄덮개(11)의 평면부의 내측면에 접촉하게 됨으로써, 축방향 응력도 등속 변위 조인트(5) 상에 발생한다.
이 상태에서는, 도 2에 부호 14로 표시된 파열예정부에 의해 증명되듯이, 폐쇄덮개(11)와 등속 변위 조인트(5) 사이의 연결부가 아직 존재한다.
제 2 축부(2)가 등속 변위 조인트(5) 쪽으로, 계속해서, 파이프(3)의 내측으로 더 들어가면, 폐쇄덮개(11)와 등속 변위 조인트(5) 사이의 연결이 끊어지므로, 파열예정부(14)가 그 기능을 수행한다.
도 3은, 또한 볼(13)들이 케이지(10)로부터 빠져 나와 볼 허브(8)와 롤러 베어링(7)과 케이지(10) 사이의 중개 공간(intermediate space)에 위치되는 정도까지 제 2 축부(2)가 제 1 축부(1) 안으로 텔레스코핑 된 상태를 나타낸다.
도 3으로부터, 어떻게 폐쇄덮개(11)가 안내 역할을 수행하는지, 다시 말해, 폐쇄덮개(11)가 외측 원주 칼라(20)에 의해 파이프(3)의 내측 벽을 따라 슬라이드 되고, 텔레스코핑 되는 기능 요소들 쪽으로 안내를 하며, 종방향 구동축의 구부려짐이 방지되는 지가 명백하다. 도 4는 폐쇄덮개(14)의 제 2 파열예정부(14)가 효과적임을 나타낸다. 여기서, 폐쇄덮개(11)는 제 2 파열예정부(14)가 원통부(17)와 평면부(18) 사이의 변화 영역에 위치되는 형태로 형성되어 있으며, 도 4로부터 명백 한 것처럼, 폐쇄덮개(11)의 파열이 이 부분에서 이루어진다.
이와 관련하여, 이 파열예정부(14)는 볼 허브(8)가 폐쇄덮개(11) 전체를 등속 변위 조인트(5)의 외측 조인트 링(9)의 바깥으로 밀지 않고, 볼 허브(8)가 정면 부분, 즉 폐쇄덮개(11)의 평면부(18)를 최대로 넓게 뚫고 나가는 치수로 되어 있다. 그 때문에, 텔레스코핑 되는 구성요소들이 더 변위될 수 있도록 하기 위해, 경로에서 장애물이 제거되어 있다. 여기서, 폐쇄덮개(11)의 원통부(17)는 이 부분들을 안내하는 기능을 대신한다.
따라서, 본 발명의 몇 가지 실시예가 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 사상과 범주로부터 벗어남이 없이, 많은 변화와 변경이 이루어질 수 있다는 것은 명백하다.

Claims (8)

  1. 토크를 전달하기 위한 자동차용 종방향 구동축(longitudinal drive shaft)으로서,
    제 1 축부(first shaft section)와 제 2 축부(second shaft section)를 포함하는 적어도 2개의 축부와;
    상기 2개의 축부를 서로 연결하는 중개축(intermediate shaft) 또는 저널(journal)과;
    롤러 베어링을 구비하며, 상기 중개축 또는 저널에 의해 지지되는 센터 베어링과;
    상기 중개축 또는 저널을 상기 제 1 축부에 연결하기 위해 파이프에 견고하게 배치한 등속 변위 조인트(homokinetic displacement joint)로서, 외측 조인트 링(outer joint ring)과, 볼 허브(ball hub)와, 상기 외측 조인트 링과 상기 볼 허브의 볼 그루브(ball groove) 내에 안내되어 움직이는 볼, 및 케이지(cage)를 포함하는 상기 등속 변위 조인트와;
    상기 제 2 축부 쪽으로 상기 등속 변위 조인트를 밀폐하기 위한 밀폐 캡(sealing cap) 및 밀폐 벨로우즈(sealing bellows)와;
    상기 등속 변위 조인트에 배치되며 또한 안내 및 고정 요소로서 설치되는 폐쇄덮개(closure lid)로서, 상기 제 1 축부 쪽으로 배치되어 상기 파이프의 내측으로 돌출되어 있는 상기 폐쇄덮개;
    를 포함하며,
    충돌사고시에 변위되는 상기 센터 베어링과 상기 제 2 축부의 부분들이 상기 파이프의 안지름보다 더 작게 형성되고,
    상기 외측 조인트 링의 안지름이 상기 롤러 베어링 및 상기 파이프의 바깥지름들보다 더 큰 것을 특징으로 하는 자동차용 종방향 구동축.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐쇄덮개(closure lid)는 상기 외측 조인트 링과 견고하게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차용 종방향 구동축.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐쇄덮개(closure lid)는 두께가 얇은 소재로 제작된 성형품이며, 결합 칼라(attachment collar), 원통부(cylindrical part), 평면부(planar part), 및 안내경사면(guidance bevel)으로 구성되고, 파열예정부(planned breaking point)들을 구비하는 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차용 종방향 구동축.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 폐쇄덮개와 상기 외측 조인트 링의 연결부가 파열예정부로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차용 종방향 구동축.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 폐쇄덮개의 원통부와 평면부 사이의 변화 영역이 파열예정부로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차용 종방향 구동축.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 폐쇄덮개의 원통부는 충돌사고시에 상기 파이프의 내측으로 텔레스코핑 되는 구성요소들을 안내하며,
    상기 안내경사면은 콘형 도입부(introduction cone)로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차용 종방향 구동축.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐쇄덮개는 상기 파이프의 내측 벽과 견고하게 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차용 종방향 구동축.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 저널은 상기 파이프의 지름과 동일한 확장된 바깥지름이 한쪽에 형성되어 있고,
    또한, 상기 저널은 상기 파이프에 견고하게 용접되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차용 종방향 구동축.
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