KR20090103998A - 하이브리드 기어전동장치를 구비한 풀 트랙션 차동장치 - Google Patents

하이브리드 기어전동장치를 구비한 풀 트랙션 차동장치 Download PDF

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KR20090103998A
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케이쓰 이. 글리스만
제임스 와이. 글리스만
폴 더블유. 수위즌
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토르벡 인코포레이티드
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Abstract

콤팩트형의 올-기어 풀 트랙션 차동장치(compact all-gear full-traction differential)는, "하이브리드(hybrid)" 디자인의 사이드 기어 웜 및 웜-휠 밸런스 기어의 맞물림 쌍을 포함한다. 바람직하게는, 각 사이드 기어 웜의 톱니는 오직 플런지 이송에 의해 절삭되는 인벌류트 프로파일(involute profile)을 갖고, 반면에 밸런스 기어의 웜-휠부의 톱니는 오목한 형상의 커터에 의해 만들어지는 팁 및 루트 변형을 갖는 헬리코이드 웜이다. 사이드 기어 웜의 톱니는 45도 이상의 헬릭스 각도 및 현저하게 모따기한 단부를 갖고, 기어는 1.5:1 내지 2.5:1의 기어비를 갖도록 설계된다. 각 밸런스 기어의 스퍼 기어부 및 웜-휠부, 및 각 사이드 기어 웜의 톱니수는 모두 2 또는 3의 배수이고, 바람직하게는 2와 3의 공배수이다.
슬립 제한 차동장치, 트랙션 차동장치, 하이브리드 기어전동장치, 사이드 기어 웜, 밸런스 기어, 스퍼 기어, 웜-휠

Description

하이브리드 기어전동장치를 구비한 풀 트랙션 차동장치 {FULL TRACTION DIFFERENTIAL WITH HYBRID GEARING}
관련 출원에 대한 참조
본 출원은 2006년 10월 27일에 출원되고 발명의 명칭이 "하이브리드 기어전동장치를 구비한 풀 트랙션 차동장치(FULL TRACTION DIFFERENTIAL WITH HYBRID GEARING)"인 미국 실용특허출원 제11/553,603호에 개시된 하나 이상의 발명을 청구하고, 전술한 출원은 본 출원에서 참조로서 원용된다.
본 발명은 주로 자동차에 사용하기 위해 설계된, 일반적으로 슬립 제한(limited-slip)으로 불리는 유형의 올-기어 차동장치(all-gear differential)에 관한 것으로, 특히 효율, 공간, 비용, 및 무게가 중요한 차량에 사용하기 위해 설계된 차동장치에 관한 것이다.
수많은 유형의 슬립 제한 차동장치가 존재하지만, 가장 상업적으로 성공한 것 중 하나는 버논 이. 글리스만(Vernon E. Gleasman)의 설계에 기초한 올-기어 차동장치이고, 이들 중 가장 효율적인 것은 상업적으로 토르젠(등록상표)-타입 1(Torsen(등록상표)-type 1) 차동장치로 알려진 글리스만의 교차축(crossed-axis) 설계에 기초한 올-기어 차동장치이다. 교차축 유성기어전동장치(planetary gearing)를 사용한 이러한 공지의 슬립 제한 차동장치의 최근 개선된 내용은 원용에 의해 본 명세서에 포함된 미국특허 제6,783,476호 ("콤팩트형의 풀 트랙션 차동장치(Compact Full-Traction Differential)", 상표 "IsoTorque"로 알려져 있으며, 본 발명과 동일한 양도인에게 양도된 특허)에 개시되어 있다. 상기 특허에 개시된 개선된 차동장치는 다른 종래의 교차축 차동장치의 종전의 설계보다 크기와 무게가 작고, 제작 비용은 적게 드는 반면에, 유사한 하중 전달 특성을 만족시킨다.
모든 전통적인 글리스만 교차축 차동장치는, 예를 들어 도 1a 및 도 1b에서의 131, 132, 131a, 및 132a와 같은 통상적이지 않은 밸런스(결합) 기어 쌍을 포함하는데, 이들은 (a)각 단부에 형성된 스퍼 기어부(spur-gear portion)(133)를 통해 서로 맞물리고, (b)두 개의 스퍼 톱니 단부 사이에 위치한 모래시계 형상의 웜-휠부(worm-wheel portion)(134)에 형성된 헬리컬 톱니를 통해 사이드 기어 웜(side-gear worms)(141, 142)과 맞물린다. 구 설계(예를 들면, 토르젠(등록상표)-타입 1)를 포함하는 글리스만 올-기어 교차축 차동장치의 핵심 특징은 "웜"으로서 동작하고자 하는 각 사이드 기어와 차동장치의 각 밸런스 기어의 중심 부상의 "웜-휠" 톱니와의 관계에 있다.
"웜"은 일반적으로 "웜기어" 또는 "웜-휠"로 불리는 큰 기어와 짝이 되는 나사 형상의 톱니를 갖는 전통적 원통형 기어로서, 여기에서는 "웜-휠"의 용어가 사용된다. 그러나, 글리스만 타입 차동장치에서 사용되는 것처럼, 사이드 기어 웜은 두 기어 중 큰 것이다. 전통적인 웜/웜-휠 기어전동장치(gearing)에서는, 에너지가 웜으로부터 웜-휠로 전달될 때 기계적인 이점이 있고, 이에 수반하여 에너지가 웜-휠로부터 웜으로 전달될 때 기계적인 손실이 있다. 이와 같이 동일한 기계적인 이점/손실 관계는, 전술한 바와 같이, 또한 여기 개시된 바와 같이, 글리스만 타입 차동장치의 사이드 기어 웜과 밸런스 기어 웜-휠 사이의 에너지 전달에 관해서도 마찬가지이다.
종래의 차동장치에서, 차량의 구동 휠(drive wheel) 하나가 트랙션(traction)을 잃을 때, 대부분의 엔진 토크가 즉시 미끄러지는 휠로 전달된다. 글리스만 타입 차동장치의 경우에는, 엔진으로부터 휠까지의 웜-휠/웜 연결에 의하여 발생하는 기계적인 손실은 트랙션이 작은 휠의 과도한 미끄러짐을 억제한다. 이러한 동일한 연결은, 웜/웜-휠 방향으로 작동하는 경우, 차량이 코너를 돌아 같은 시간동안 바깥쪽 휠이 안쪽 휠보다 더 긴 거리를 이동할 때 구동 휠 속도의 변화에 대한 차동장치의 응답성을 향상시킨다.
원활한 롤링 기어 맞물림(gear-mesh)을 위한 구조상의 요건은 보통 실제 웜/웜-휠 기어 세트의 톱니비(즉, 기어 쌍에서 다른 쪽 기어의 톱니의 수에 대한 한 쪽 기어의 톱니의 수의 비)를 적어도 3.5:1로 제한하고, 이러한 유형의 기어 세트에 대해서는 보다 높은 톱니비가 설계된다. 이러한 비율의 제한은 나사 타입의 직선 플랭크 웜(straight flank worm) 및 제너레이티드 타입(generated type)의 인벌류트 헬리코이드 웜(involute helicoid worm)의 경우에도 마찬가지이다. 많은 구조상의 간섭은 보통 3.5:1보다 낮은 비의 웜/웜-휠 기어 세트의 설계를 시도하는 데에서 비롯된다.
하지만, 교차축 차동장치에서 기어 부재에 대해 상대적으로 작은 크기 및 상대적으로 높은 강도가 요구되는 관점에서는, 적합한 웜/웜-휠 비가 이상적으로는 1.5:1 내지 2.5:1의 기어비 범위 이내에 해당되겠지만, 어떠한 종래의 기어도 이 비를 만족시킬 수 없다. 따라서, 실제 적용에 있어서, 종래의 교차축 차동장치의 사이드 기어 "웜" 톱니 및 밸런스 기어 "웜-휠" 톱니는 실제 웜/웜-휠 설계로 구현되지 않고, 양쪽 모두 간단한 헬리컬 기어 구조를 갖는 교차 헬리컬 기어 세트로 구현된다. 이러한 접근 방법에 따른 심각한 한계는, 교차 헬리컬 기어 세트가 넓은 면(broad area) 접촉 패턴이 아닌 순간적인 "점(point)" 접촉을 갖고, 따라서 하중 제한을 받게 되고 마모가 가속된다는 것이다.
현재 기술로는 교차 헬리컬 기어 구조도, 주로 매우 제한된 접촉면에서 롤링 접촉하여 작동하므로, 이들의 마찰 요소(frictional component)에 있어서 상당히 제한된다. 더 큰 트랙션을 갖는 휠로의 토크 전달 효과가 이 마찰 요소에 의존하기 때문에, 이러한 중요한 사이드 기어/밸런스 기어 맞물림에서 마찰을 증가시키는 것이 바람직할 것이다. 이 세트의 낮은 상대 회전 속도는 실제로 보통 0-20rpm 범위의 휠 속도의 차이만을 나타내기 때문에, 이러한 마찰 증가는 전체적인 드라이브 라인(driveline) 효율에 거의 영향을 미치지 않을 것이다.
종래의 헬리컬 형상으로부터의 부분적인 변화는 앞에 언급한 미국 특허 제6,783,476호에 개시되어 있다. 상기 특허는 "슈프라-엔빌롭핑(supra-enveloping)" 접촉 패턴을 갖는 헬리컬 웜/웜-휠 톱니에 대하여 개시하고 있다. 즉, 밸런스 기어의 웜-휠 부분은 여전히 종래의 헬리컬 기어 형상(직선형 측면을 갖는 호 브(straight-sided hob)로 절삭한 인벌류트 헬리코이드 형상)을 갖는 반면, 맞물리는 웜(즉, 사이드 기어)은 인벌류트 호브로 절삭된, 짝을 이룬 "역-인벌류트(inverse-involute)" 톱니를 갖는다. 다른 선행기술 뿐만 아니라 상기 특허 역시 "폐쇄 단부(closed-end)" 사이드 기어의 사용을 제안한다.
종래의 교차축 헬리컬 기어는 직선형 측면의 톱니를 갖는 호브로 절삭되고, 호브는 플런지 및 축 이송의 조합으로 회전된다. 종래의 웜-휠도 직선형 측면의 톱니를 갖는 호브로 절삭되지만, 호브는 축 이송 없이 오직 플런지 이송만으로 회전된다.
위에서 지적한 바와 같이, 올-기어 교차축 차동장치는 통상적이지 않은 밸런스 기어를 포함하고, 밸런스 기어는 (a)각 단부에 형성된 스퍼 톱니를 통해 서로 맞물리고, (b)두 스퍼 톱니 단부 사이에 형성된 헬리컬 톱니를 통해 사이드 기어와 맞물린다. 조립 동안, 이 통상적이지 않은 톱니는 동일한 하중 분배를 위하여 적합한 맞물림과 배향(orientation)이 되도록 위치해야 한다. 이 배향 과정을 "타이밍"이라고 한다.
모든 종래의 설계에서, 기어는 홀수 개의 톱니와 짝수 개의 톱니가 혼합되어 있다. 전형적인 종래의 예는 다음과 같다. 밸런스 기어의 각 단부의 스퍼 톱니의 수는 18이고, 각 밸런스 기어의 웜-휠의 톱니의 수는 7이고, 각 사이드 기어의 톱니의 수는 13이다. 이와 같이 특이한 종래의 톱니수는 우연히 만들어진 것이 아니고, 부분적으로는, 교차 헬리컬 기어 세트의 점 또는 선 접촉 특성과 관련된 특별한 기어 세트 마모 문제를 해결하기 위하여 특히 선택된 것이다. 그럼에도 불구하 고, 이와 같이 다른 기어 수는 복잡한 타이밍 문제를 발생시킨다. 예를 들면, 모든 종래의 설계는, 타이밍 마크가 각 결합 기어에 놓일 것과 조립하는 동안 지시 차트에 세심한 주의를 기울일 것을 요구한다. 기어 조립의 순서 뿐만 아니라 각각의 기어가 조립됨에 따라 각각의 기어에 대해 타이밍 마크가 회전되어야 하는 각각 상이한 거리 등이 지시된다. 종래기술은, 예를 들면, "내부 하중은 기어 사이에서 똑같이 균형을 이루지 않고, 일부는 심하게 과부하(overload)될 것이다. 이것은 결국 결함, 종종 파손을 야기할 것이다"라고 하여, 부정확한 타이밍은 위험한 결과를 가질 수 있다고 경고한다.
콤팩트형의 올-기어 풀 트랙션 차동장치(compact all-gear full-traction differential)는, 사이드 기어와 밸런스 기어의 중앙부 사이에 개선된 톱니 접촉 패턴을 유도하는 "하이브리드(hybrid)" 설계를 갖는 사이드 기어 및 웜-휠 밸런스 기어의 맞물림 쌍을 포함하고, 정확한 웜/웜-휠 특성을 보다 가깝게 근사하여, 더 큰 트랙션을 갖는 휠로의 토크 전달 효과를 증가시키고, 충격 저항을 증가시키며, 조립을 현저하게 단순화한 차동장치의 모든 기어 사이의 타이밍 관계를 허용한다. 바람직하게는 각 사이드 기어 웜의 톱니는 인벌류트 프로파일(involute profile)을 갖지만, 오직 플런지 이송에 의해 절삭되고, 반면에 밸런스 기어의 웜-휠 부분의 톱니는, 오목한 형상(concave-shaped)의 커터에 의해 만들어진 팁(tip) 및 루트(root) 변형을 갖는, 헬리코이드 웜이다. 사이드 기어 웜 톱니는 45도 이상의 헬릭스 각도(helix angle) 및 현저하게 모따기한 단부(significantly chamfered end)를 갖고, 기어는 1.5:1 내지 2.5:1의 기어비를 제공하도록 설계된다. (a)스퍼 기어부 및 (b)각 밸런스 기어의 웜-휠부, 및 (c)각 사이드 기어 웜에서 톱니수는 모두 2 또는 3의 배수이고, 바람직하게는 2와 3의 공배수이다. 게다가, 부정확하게 위치한 밸런스 기어는 하우징 내 각각의 마운팅 홀에 정확하게 정렬되지 않으며, 잘못 정렬된 이러한 밸런스 기어를 단지 어느 방향으로든 한 톱니만큼 회전시킴으로써 정확한 정렬과 기어 타이밍이 이루어진다.
도 1a는 개선된 타입의 종래의 콤팩트형의 풀-트랙션 차동장치 개략적인 부분 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 1B-1B면을 따라 취한 차동장치의 개략적인 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 2세트 차동장치를, 일부 부품 및 단면 해칭을 제거하여 명확하게 도시한 도면으로서, 도1a에 도시된 것과 유사하지만 90도 회전한 개략적인 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 3세트 차동장치를, 일부 부품 및 단면 해칭을 제거하여 명확하게 도시한, 도 1b와 유사한 개략적인 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 밸런스 기어의 웜-휠부 상의 톱니를 변형된 호브 툴로 절삭하는 것을 도시한 부분 개략도이다.
도 5는 도 4에 도시된 웜-휠 톱니 및 변형된 호브 툴을 크게 확대한 부분의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 사이드 기어 웜의 톱니를 종래의 호브 툴로 웜-휠 톱니 절삭에 전형적으로 사용되는 방식에 따라 절삭하는 것을 도시한 부분 개략도이다.
도 7은 본 발명에 따른 밸런스 기어 및 사이드 기어의 사시도로서, 도 6에 도시된 절삭 공정에 앞서 사이드 기어 블랭크(blank)는 현저하게 모따기처리 되었다.
바람직하게는, 각 사이드 기어 웜의 톱니는 인벌류트 프로파일을 갖지만 오직 플런지 이송에 의하여 절삭되고, 반면에 밸런스 기어의 웜-휠부의 톱니는 오목한 형상의 커터에 의해 만들어진 팁 및 루트 변형을 갖는 헬리코이드 웜이다. 사이드 기어 웜의 톱니는 45도 이상의 헬릭스 각도 및 현저하게 모따기한 단부를 갖고, 기어는 1.5:1에서 2.5:1 사이의 기어비를 제공하도록 설계된다. (a)스퍼 기어부, (b)각 밸런스 기어의 웜-휠부, 및 (c)각 사이드 기어 웜의 톱니수는 모두 2 또는 3의 배수이고, 바람직하게는 2와 3의 공배수이다. 게다가, 부정확하게 위치한 밸런스 기어는 하우징 내 각각의 마운팅 홀에 정확하게 정렬되지 않으며, 잘못 정렬된 이러한 밸런스 기어를 단지 어느 방향으로든 한 톱니만큼 회전함으로써 정확한 정렬과 기어 타이밍이 이루어진다.
본 명세서에 기술된 새로운 톱니 설계는, "박스형(box-like)" 넓은 톱니 접촉 패턴(즉, 선 또는 면 접촉과 다른 패턴)을 만들어내는, 표준 웜/웜-휠 기어전동장치와 헬리컬 기어전동장치 사이의 "하이브리드(hybrid)"로서 잘 기술되어 있다. 새로운 사이드 기어 웜은 더 이상 종래의 교차축 헬리컬 기어처럼 절삭되지 않는다. 대신에, 종래의 웜-휠과 동일한 방식으로, 즉, 축 이송 없이 오직 플런지 이송만으로 절삭된다. 게다가, 사이드 기어 웜에는 45도 이상의 라디칼(radical) 헬리컬 각도가 제공되어 밸런스 기어의 웜-휠과의 관계에서 웜으로서 효과적으로 기능하게 된다. 종래의 교차 헬리컬 기어 세트와 비교하여 본 발명에 기술된 하이브리드 웜/웜-휠 세트는 현저하게 넓고 긴 톱니 접촉 패턴을 가져서, 맞물리는 톱니의 특정 부분에 대한 단위 하중을 감소시키는 장점을 가진다. 사이드 기어 웜이 실제 모래시계(플런지로 생성) 구조를 갖기 때문에, 이 새로운 사이드 기어 톱니의 양 단부의 톱니 빔 단면 또한, 종래의 교차 헬리컬 사이드 기어 설계의 경우보다 더 두껍고 튼튼하다.
웜/웜-휠 세트는 그 특성상 맞물림 동작 시 헬리컬 세트보다 상당히 높은 미끄러짐을 갖는 미끄러짐 요소를 갖고, 이는 맞물림에 있어서 더 높은 마찰 요소에 대응된다. 실제 웜/웜-휠 세트에서는 밸런스 기어의 웜-휠이 사이드 기어 웜을 역구동(back-drive)할 때 커다란 기계적인 손실이 발생한다. 따라서 실제 웜/월-휠에서, 더 큰 트랙션을 갖는 휠에 토크를 전달함에 있어서 교차축 차동장치의 효과는, 전형적으로 교차 헬리컬 기어 맞물림에 기초한 종래기술의 경우보다 원래 더 클 것이다.
종래기술과는 대조적으로, 본 발명의 각 밸런스 기어의 웜-휠 중앙부는 종래의 헬리컬 기어에서와 동일한 방식으로, 즉, 축 이송 및 회전에 의해 절삭된다. 그러나, 헬리컬 기어 톱니를 절삭하는데 일반적으로 사용되는 종래의 직선형 측면을 갖는 호브 툴은, 각 웜-휠 톱니의 절삭된 프로파일이 팁과 루트의 간섭을 피하기 위해 통상적인 인벌류트 형상으로부터 의도적으로 변형되도록, 약간 "오목한" 형태로 변형되고, 따라서 특히 낮은 기어비의 웜/웜-휠 세트에서의 웜-휠과 같이 효과적으로 작용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 종래의 웜/웜-휠 설계는 톱니비가 적어도 3.5:1이 되어야 함을 요구하고 있고, 반면에 종래의 글리스만 타입 차동장치의 설계는 1.5:1보다 작았다. 이러한 공지의 설계와는 달리, 본 발명의 각 하이브리드 쌍의 사이드 기어 웜 및 밸런스 기어의 웜-휠 부재는 단지 1.5:1에서 2.5:1 사이의 톱니비를 갖는다.
이 새로운 하이브리드 웜/웜-휠 설계는 하중 운반 특성, 및 2기어 세트 및 3기어 세트 차동장치에서의 토크-전달 효과에 있어서 상당한 개선을 가져온다. 넓고 상대적으로 긴 톱니 접촉 패턴은 우수한 충격-저항 특성으로 원활한 작동을 제공한다.
본 발명의 새로운 하이브리드 웜/웜-휠 설계는 주로 매우 제한된 면에 롤링 접촉을 갖는 종래의 교차 헬리컬 세트에 비하여 맞물림에 있어서,평균적으로 더 넓은 접촉 면에 걸쳐, 더 높은 미끄러짐을 갖는 미끄러짐 요소를 제공한다. 따라서, 본 발명의 하이브리드 기어 세트는 더 큰 트랙션을 갖는 휠로의 토크 전달의 효과를 근본적으로 증대시킨다. 밸런스 기어와 사이드 기어 사이에 주어진 어떠한 헬릭스 각도 결합에서도, 밸런스 기어에 의한 사이드 기어의 역구동이 마찰 요소 증가에 비례하여 더욱 어려워지게 된다. 그러나, 이러한 기어 맞물림 마찰의 증가는, 겨우 구동 휠의 차동장치의 회전 속도와 같은 정도의, 사이드 기어/밸런스 기어 세 트의 매우 낮은 전형적인 회전 속도로 인하여, 드라이브 라인 효율에 거의 영향을 주지 않는다. 마찬가지로, 낮은 작동 속도뿐만 아니라, 마모가 이들 부재 사이의 훨씬 넓은 접촉 면적에 걸쳐 균분되기 때문에, 기어 세트 마모는 거의 증가하지 않는다.
게다가, 매우 커다란 조립 이점을 제공하기 위해 차동장치 전체에서의 기어 사이의 비가 정당화된다. 종래기술의 설계에서 홀수 비는, 부분적으로는, 교차 헬리컬 기어 세트의 점 또는 선 접촉 특성과 관련된, 특별한 기어 세트 마모 문제를 해결하기 위해 선택된다. 본 발명의 관련 기어비의 단순화는, 조립 동안에 개별 기어를 정확하게 배향시키는 것에 관하여 종래의 차동장치의 전술한 "타이밍" 문제를 극복한다. 본 발명의 상호 관련된 기어는, 모든 조건하에서 정확하게 맞물리고 하중을 균등하게 분배하기 위하여, 간단하고 신속하게 조립된다.
여기에 개시된 바람직한 밸런스 기어에서, 각 단부의 스퍼 톱니의 각 세트에서의 톱니수는 밸런스 기어의 중앙부의 톱니수의 정확히 2배이다. 따라서, 기어 상에 어떠한 타이밍 마크도 필요로 하지 않고, 사이드 기어와 밸런스 기어 사이에 배향이 부정확하게 되면, 밸런스 기어가 하우징 내의 밸런스 기어용 마운팅 보어 (mounting bore)와 눈에 보일 정도로 짝이 맞지 않게 되고, 밸런스 기어의 스퍼 톱니를 어느 방향으로든 한 톱니만큼 회전함으로써 어떤 경우이든 정확한 조립이 이루어지게 된다.
바람직한 실시예에서, 사이드 기어는 밸런스 기어의 스퍼 기어부와 같은 톱니수를 갖는다(예를 들면, 스퍼=12, 웜-휠=6, 사이드 기어 웜=12). 모든 비가 2와 3으로 나누어질 수 있기 때문에, 전술한 바와 같이, 스퍼를 한 톱니만큼 회전하는 것에 의한 정확한 조립은 2세트 또는 3세트의 밸런스 기어를 갖는 차동장치의 경우에도 전술한 바와 같이 성립한다. 타이밍에 있어서 이러한 현저한 단순화는 전술한 종래의 기어-톱니수와 비교함으로써 이해될 수 있을 것이다(예를 들면, 스퍼=18, 웜-휠=7, 사이드 기어 웜=13).
결국, 모든 기어에 있어서 짝수의 톱니수를 이용함으로써 어떠한 밸런스 기어도 임의의 순서로 2세트 또는 3세트 차동장치로 조립 가능하게 된다.
본 발명은 미국 특허 제6,783,476호에 개시된 종래의 콤팩트형의 풀 트랙션 차동장치를 개선한 것이고, 종래의 차동장치와 유사한 기본 구조를 갖는다. 따라서, 오직 2세트의 밸런스 기어를 이용한 종래의 차동장치의 일 실시예에의 완전한 종래의 웜/웜-휠 기어 컴플렉스를 나타낸 도 1a 및 도 1b를 먼저 참조하여 설명한다.
하우징(12)은 바람직하게는 성형 또는 주조(cast) 금속으로 이루어지고, 단지 3개의 개구를 구비한다. 즉, 적합한 제1 세트의 개구(121, 122)는 출력 축(미도시)의 각각의 내측 단부를 수용하기 위하여 제1 축(125)을 따라 정렬된다. 그리고, 단지 하나의 추가 개구(126)는 직사각형 형상이고, 하우징(120)을 통해 직접 연장되며, 축(125)에 수직으로 가운데 위치한다.
두 쌍의 결합 기어(131, 132, 및 131a, 132a)는 각각 모래시계 형상의 웜-휠부(134)에 의해 분리된 각각의 스퍼 기어부(133)를 구비한다. 각 쌍의 각각의 스퍼 기어부(133)는 서로 맞물리고, 이러한 모든 결합 기어는 양쪽의 마운팅 플레이 트(mounting plate)(138, 139)와 일체로 형성된 허브 세트(136, 137)에 회전 가능하게 지지된다. 결합 기어 쌍(131, 132)의 각각의 웜-휠부(134)는 사이드 기어 웜(141, 142) 쌍의 하나와 각각 맞물리는 반면, 결합 기어 쌍(131a, 132a)의 각각의 웜-휠부(134)는 동일한 사이드 기어 웜(141, 142) 쌍과 각각 유사한 방식으로 맞물린다.
사이드 기어 웜(141, 142)의 내측의 양 단부 중간에 위치한 스러스트 플레이트(thrust plate)(150)는 각각의 베어링 표면(152, 153), 마운팅 탭(mounting tab)(156, 157), 및 무게 절감 윤활 개구(weight-saving lubrication opening)를 포함한다. 마운팅 탭(156, 157)은 동일한 마운팅 플레이트(138, 139)의 중앙에 형성된 슬롯(slot)(160, 161)과 짝이 되도록 설계된다. 슬롯(160, 161)은 스러스트 플레이트(150)를 사이드 기어 웜(141, 142)의 내측 양쪽 단부 중간에 위치시킬 뿐만 아니라, 스러스트 플레이트(150)의 측면 이동을 방지한다. 따라서, 도 1a를 특히 참조하면, 사이드 기어 웜(141, 142)에 인가되는 구동 토크가 좌측으로의 스러스트를 야기할 때, 웜(142)은 스러스트 플레이트(150)의 고정 베어링 표면(152)에 대항하여 이동한다. 반면에 웜(141)은 스러스트 플레이트(150)의 고정 베어링 표면(153)으로부터 멀어지고, 하우징(120)에 대항하여(또는 웜(141)과 하우징(120) 사이에 전형적으로 위치한 적합한 워셔(washer)에 대항하여) 이동한다. 웜(141)의 회전에 대항하여 생기는 마찰은 웜(142)에 작용하는 스러스트 힘에 의해 영향을 받지 않는다. 유사하게, 사이드 기어 웜(141, 142)에 인가되는 구동 토크가 우측으로의 스러스트를 야기할 때, 웜(141)은 스러스트 플레이트(150)의 고정 베어링 표 면(153)에 대항하여 이동하고, 반면에 웜(142)은 스러스트 플레이트(150)의 고정 베어링 표면(152)으로부터 멀어지고, 하우징(120)에 대항하여(또는, 웜(142)과 하우징(120) 사이에 전형적으로 위치한, 적합한 워셔(washer)에 대항하여) 이동한다. 유사하게, 웜(142)의 회전에 대항하여 생기는 마찰은 웜(141)에 작용하는 스러스트 힘에 의해 영향을 받지 않는다. 따라서, 구동 토크의 방향과 관계없이, 각 사이드 기어 웜의 회전에 대항하여 작용하는 마찰은 다른 사이드 기어 웜에 작용하는 스러스트 힘에 의하여 영향을 받지 않는다. 차동장치의 바이어스 토크(bias torque)는 마찰력에 의하여 영향을 받기 때문에, 추가의 스러스트 힘이 이렇게 방지되는 것은 토크의 불균형, 즉, 차량이 다른 방향으로 도는 동안에 토크의 차이를 최소화한다.
기본 구조( Basic Structure )
도 2는 본 발명에 따른 콤팩트형의 풀 트랙션 차동장치를 나타낸다. 그러나, 도면은 축(25)을 중심으로 90도 회전되었다. 바람직하게는, 하우징(120)은 성형 또는 주조 금속으로 형성되고, 단지 3개의 개구를 구비한다. 즉, 적합한 제1 세트의 개구는 출력축(21, 22)의 각각의 내측 단부를 수용하기 위하여 축(25)을 따라 정렬된다. 그리고, 단지 하나의 추가 개구(26)는 직사각형 형상이고, 하우징(20)을 통해 직접 연장되며, 축(25)에 수직으로 가운데 위치한다.
두 쌍의 밸런스 기어(31, 32)(한 쌍만 도시됨)는 각각 웜-휠 부분(34)에 의해 분리된 각각의 스퍼 기어부(33)를 구비한다. 주목할 것은, 여기에 개시되는 새로운 하이브리드 기어 설계에서는 각 밸런스 기어의 중앙 부분이 종래의 모래시계 형상을 갖지 않는다는 점이다. 각 쌍의 각각의 스퍼 기어부(33)는 서로 맞물리는 반면에, 종래기술의 마운팅 플레이트는 하우징(20)에 형성된 관통 구멍(through hole)(38)으로 대체되고, 각 밸런스 기어는, 각 밸런스 기어의 중심 축에 위치한 각각의 마운틴 관통 구멍(39)에 맞는 각각의 저널 핀(journal pin)(36)에 회전 가능하게 지지된다. 초기 조립에 이어서, 각각의 정지 핀(44)은 하우징(20) 내에서 각각의 관통 구멍(38)에 수직하게 형성된 각각의 정지 핀 구멍(46)에 가압-끼워맞춤되어, 각각의 밸런스 기어 쌍(31, 32)의 저널 핀(36)의 위치를 유지한다.
도 3은 본 발명에 따른 다른 차동장치의 3기어 세트 실시예를 나타낸 것으로, 이 개략적인 단면도는 축(25')에 수직으로 취해진 것이다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 이러한 3기어 세트 차동장치는 고성능 차량의 예외적인 토크 요구를 달성하는데 사용된다. 이러한 실시예는 세 쌍의 밸런스 기어를 포함하지만, 각 세트의 하나의 밸런스 기어(31')만 도시되었다. 하우징(20')은 세 개의 대향하는 마운팅 섹션(mounting section)(27', 28', 29')을 포함하고, 각 마운팅 섹션은, 두 개의 내부 표면을 갖는 활꼴(segment) 형상을 갖고, 두 개의 내부 표면은 240도로 만나는 마운팅 표면을 형성하며, 마운팅 관통 구멍(38')을 포함한다. 각 밸런스 기어(31')를 회전 가능하게 지지하기 위하여, 복수의 저널 핀(36')은 각 밸런스 기어(31')에 형성된 저널 구멍(39')에 각각 짝을 지어 수납되고, 각각의 저널 핀(36')은, 다시, 하우징(20')의 각 쌍의 마운팅 섹션(27', 28', 29')의 양쪽 마운팅 표면에 형성된 각 세트의 정렬된 관통 구멍(38')에 수납된다.
도 2에 도시된 차동장치의 설계와 유사하게, 복수의 정지 핀(44')은 각각의 저널 핀(36')의 우연한 탈락을 방지하는 데 바람직하게 사용될 수 있다. 각각의 정지 핀(44')은, 각각의 관통 구멍(38')에 수직으로 각각의 마운팅 섹션(27', 28', 29')에 형성된, 적합한 크기의 각각의 정지 핀 구멍(46')에 가압-끼워맞춤된다.
하이브리드 기어전동장치( Hybrid Gearing )
본 발명의 주요 특징은 사이드 기워 웜 및 각 밸런스 기어의 웜-휠부에 의하여 공유되는 기어전동장치의 설계이다. 전술한 바와 같이, 종래의 풀 트랙션 교차축 기어 차동장치는 양쪽 사이드 기어 웜의 톱니 및 밸런스 기어의 웜-휠부의 톱니에 대해 전통적인 인벌류트 헬리코이드 톱니 디자인의 원통형 헬리컬 기어를 사용한다. 본 발명은 이러한 두 기어 모두의 설계를 변형하여, "박스형" 넓은 톱니 접촉 패턴(즉, 종래의 설계의 점 또는 선 접촉과는 다른 패턴)을 제공하면서 전통적인 웜/웜-휠 결합의 특성에 보다 가깝게 근사시키는 하이브리드 기어전동장치를 제공한다. 이 하이브리드 톱니 특성은 아래에서 서술하는 방식으로 각 쌍의 각각의 기어에 바람직하게 적용된다.
밸런스 기어의 웜-휠부의 톱니 변형에 관하여, 도 4는 밸런스 기어(55)의 웜-휠부(56)의 톱니를 절삭하는 동안 호브(54)의 상대적인 동작을 나타낸다. 호브(54)는 초기에, 호브와 기어가 모두 회전하는 동안, 밸런스 기어에 대하여 플런지 이송(PF)(92)되고, 이어서 축 이송(AF)(94)된다. 당업자에게는 이는 종래의 헬리컬 기어의 절삭에 사용되는 것과 동일한 과정이라고 이해될 것이다. 그러나, 전통적인 과정에서는, 호브 절삭 툴은 직선형 측면을 갖고, 그 결과 헬리코이드 톱니 는 인벌류트 프로파일을 갖는다.
본 발명은 호브 커터의 형상을 변경함으로써 이러한 전통적인 과정을 수정한다. 이는 호브(54)의 확대된 절삭 툴(57) 및 밸런스 기어(55)의 웜-휠부(56)의 두 개의 확대된 하이브리드 톱니(58, 59)를 나타낸 도 5에 개략적으로 도시된다. 호브 절삭 툴(57)은 직선형 측면(점선으로 도시됨)을 갖지 않고, 실선으로 도시된 바와 같이 약간 오목한 형상을 갖는다. 이 오목한 형상의 커터는 톱니(58, 59)의 인벌류트 형상(점선으로 과장되어 도시됨)을 변경하여, 실선으로 도시된 바와 같이 각 톱니의 팁(62) 및 루트(63) 모두 절삭 깊이를 증가시킨다.
전술한 바와 같이, 사이드 기어 웜의 설계 역시 수정된다. 새로운 사이드 기어 웜은 더 이상 종래의 교차축 헬리컬처럼 절삭되지 않는다. 대신에, 종래의 웜-휠과 동일한 방식, 즉, 도 6에 개략적으로 도시된 방식으로 절삭된다. 사이드 기워 웜(65)의 톱니(66)는 종래의 직선형 측면을 가진 절삭 툴을 구비한 종래의 인벌류트 헬리코이드 호브(67)로 절삭된다. 그러나, 원통형 헬리컬 톱니의 절삭에 통상적으로 사용되는 전통적인 플런지 및 축 이송(예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같음)을 대신하여, 호브(67)는 사이드 기어 웜(65) 및 호브(67)가 회전할 때 단지 플런지 이송(PF)(92)만 된다. 전술한 바와 같이, 톱니(66)는 라디칼 헬리컬 각도(즉, 45도 이상)를 갖고, 사이드 기어 블랭크에는 호브 과정에 앞서 현저한 모따기(significant chamfer)가 제공되어 사이드 기어 톱니가 "폐쇄" 단부 형태로 절삭되지 않도록 한다. 여기에서 정의된 모따기부는 사이드 기어 웜의 에지(edge)를 절삭하여 만들어진 편평한 면이다. 여기에서 정의된 현저한 모따기부는, 단지 과도하 게 날카로운 에지를 편평하게 만드는 데 사용되는 전형적인 모따기부와 구별하기 위하여, 사이드 기어 웜 반경의 적어도 5%의 폭을 갖는 모따기부를 말한다. 바람직하게는, 현저한 모따기부는 사이드 기어 웜 반경의 적어도 10%의 폭을 갖는다.
전술한 바와 같이, 바람직하게는 사이드 기어 톱니가 오직 플런지 이송에 의하여 생성된 인벌류트 프로파일을 갖고, 바람직하게는 웜-휠 톱니가 오목한 형상의 커터에 의해 만들어진 팁 및 루트 변형을 갖는 헬리코이드 웜이지만, 대안적인 실시예에서는, 사이드 기어 톱니가 유사한 오목한 형상의 커터에 의해 만들어진 팁 및 루트 변형을 갖는 헬리코이드 웜인 반면, 웜-휠 톱니는 오직 플런지 이송에 의하여 생성된 인벌류트 프로파일을 갖는다.
방금 서술한 변형은 도 7에 도시된 사이드 기어 웜(65) 및 밸런스 기어(55)의 바람직한 형상을 생성한다. 마지막 도면에서 잘 알 수 있듯이, 사이드 기어 웜(65)의 모따기는 사이드 기어 웜(65)의 톱니에 현저한 모따기부(70)를 제공함으로써, 기어 쌍의 톱니간의 핀치를 방지하여 작동을 개선한다. 이 개선된 기어 쌍은 실제 웜/웜-휠 쌍에 한층 더 근사한 특성, 및 맞물리는 동작에 있어서 종래의 헬리컬 세트에 비해 현저하게 높은 미끄러짐을 갖는 미끄러짐 요소를 포함하는 특성을 갖고 기능한다. 증가된 미끄러짐을 갖는 미끄러짐 요소는 맞물림에 있어서 높은 마찰 요소를 야기한다. 전술한 바와 같이, 이러한 증가된 마찰 요소는, 밸런스 기어 웜-휠이 사이드 기어 웜을 역구동하려고 할 때 큰 트랙션을 갖는 휠로 토크를 전달함에 있어서 본 발명의 교차축 차동장치의 효과를 증가시키는, 기계적인 손실을 증가시킨다.
또한, 본 발명의 기어는 넓은 사이드 기어 톱니 면에 걸쳐 넓은 "박스형" 접촉 패턴으로 맞물리고, 각 쌍이 특히 낮은 1.5:1에서 2.5:1의 기어비를 갖는 웜/웜-휠 결합으로서 효과적으로 기능할 수 있도록 팁 및 루트 간섭이 회피된다. 이러한 모든 이점은 효율의 손실 없이 새로운 웜/웜-휠 세트에 의해 달성된다.
기어전동장치의 타이밍( Timing of Gearing )
이러한 효율적인 새로운 설계는 또 다른 중요한 이점을 가져온다. 상기 기어 설계는 각 기어 세트에서 하나보다 많은 톱니가 항상 맞물리게 하고, 모든 기어 세트가 항상 맞물리게 한다. 도 7에 도시된 바람직한 설계에서, 각 밸런스 기어의 스퍼 기어 세트(68)는 각각 12개의 톱니를 갖고, 반면에 웜-휠부(56)는 사이드 기어 웜(65)의 12개의 톱니(66)와 맞물리는 단지 6개의 톱니를 갖는다.
이들 톱니수는 모두 2 또는 3의 배수이기 때문에, 항상 모든 톱니에 하중이 균일하게 분배된다. 또한 부정확한 타이밍으로 기어가 조립될 수 없다. 즉, 밸런스 기어가 부적절하게 위치하면 각각의 하우징(20, 20')의 각각의 마운팅 구멍(38, 38')과 정확하게 정렬되지 않는다. 게다가, 잘못 정렬된 이러한 밸런스 기어를 단지 어느 방향으로든 한 톱니만큼 회전함으로써 정확한 정렬과 기어 타이밍이 이루어진다.
또한, 도 7의 바람직한 12-6-12 설계에 따라, 임의의 밸런스 기어가 도 2에 도시된 설계와 같은 차동장치의 2기어 세트에서의 맞물림에 있어서 사용될 수 있거나, 동일한 밸런스 기어가 도 3에 도시된 설계와 같은 3기어 세트 구현 차량 차동 장치에서의 맞물림에 있어서 사용될 수 있다. 이러한 중요한 특징으로, 조립에 있어서의 시간과 비용 및 부품 재고의 보관이 현저히 절감된다.
따라서, 여기에 기재된 본 발명의 실시예는 단지 본 발명의 원리의 적용을 설명한 것에 불과한 것으로 이해되어야 한다. 도시된 실시예에서 언급된 세부 사항은 청구범위를 한정하려는 의도가 아니고, 본 발명의 본질로 여겨지는 특징들을 기술한 것이다.

Claims (10)

  1. 외부 동력원으로부터 상기 외부 동력원에 의해 회전 구동되는 하우징(housing) 내에 지지된 기어 컴플렉스의 사이드 기어 웜(side-gear worm) 쌍으로 회전력을 전달하는 풀 트랙션 차동장치(full-traction differential)에 있어서,
    각 사이드 기어 웜은 복수의 사이드 기어 톱니를 포함하고, 상기 기어 컴플렉스는 제1 축을 중심으로 회전하는 상기 사이드 기어 웜과 적어도 2세트의 쌍을 이룬 밸런스 기어를 포함하고, 각 사이드 기어 웜은 상기 하우징 내에 수납되는 2개의 출력축의 각각의 하나의 출력축에 고정되고, 각 세트에서의 각 밸런스 기어는 상기 제1 축에 실질적으로 수직한 축을 중심으로 회전하도록 장착되고, 각 밸런스 기어는, 복수의 웜-휠(worm-wheel) 톱니를 포함하는 웜-휠부에서 이격되어 있는, 복수의 스퍼 기어(spur-gear) 톱니를 포함하는 스퍼 기어부 쌍을 구비하고, 각 밸런스 기어는 상기 스퍼 기어부를 통해 상기 밸런스 기어 쌍의 다른 밸런스 기어와 짝을 지어 결합하고 상기 웜-휠부를 통해 상기 사이드 기어 웜의 각각의 사이드 기어웜과 짝을 지어 결합하며,
    짝이 되어 결합하는 각 사이드 기어 톱니 및 웜-휠 톱니 쌍에서, 상기 사이드 기어 톱니 또는 상기 웜-휠 톱니 중 어느 하나는 오직 플런지 이송에 의하여 절삭된 인벌류트 프로파일(involute profile)을 갖고, 상기 사이드 기어 톱니 또는 상기 웜-휠 톱니 중 다른 하나는 오목한 형상의 커터에 의하여 만들어지는 복수의 팁(tip) 및 루트(root) 변형을 갖는 헬리코이드 웜(helicoid worm)이고,
    상기 사이드 기어 웜은 45도 이상의 헬리컬 각도(helical angle)를 갖고,
    상기 사이드 기어 웜과 상기 웜-휠 부분의 기어비가 1.5:1 내지 2.5:1인 것을 특징으로 하는 풀 트랙션 차동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사이드 기어 톱니는 오직 플런지 이송에 의한 인벌류트 프로파일을 갖고, 상기 웜-휠 톱니는 팁 및 루트 변형을 갖는 헬리코이드 웜인 것을 특징으로 하는 풀 트랙션 차동장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 사이드 기어 웜 및 상기 밸런스 기어의 상기 웜-휠부가 짝을 지어 결합함에 있어서 미끄러짐 요소를 공유하여, 상기 외부 동력원으로부터 상기 각각의 출력축으로의 토크 전달의 효율이 감소하고, 상기 출력축으로부터 상기 외부 동력원으로의 토크 전달의 효율이 증가하는 것을 특징으로 하는 풀 트랙션 차동장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 사이드 기어 웜의 각 인벌류트 톱니의 각 단부가 현저하게 모따기되어 있는 것을 특징으로 하는 풀 트랙션 차동장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 웜-휠 톱니는 오직 플런지 이송에 의한 상기 인벌류트 프로파일을 갖고, 상기 사이드 기어 톱니는 팁 및 루트 변형을 갖는 헬리코이드 웜인 것을 특징으로 하는 풀 트랙션 차동장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스퍼 기어 톱니, 상기 웜-휠 톱니, 및 상기 사이드 기어 톱니의 수는 2의 배수인 것을 특징으로 하는 풀 트랙션 차동장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스퍼 기어 톱니, 상기 웜-휠 톱니, 및 상기 사이드 기어 톱니의 수는 3의 배수인 것을 특징으로 하는 풀 트랙션 차동장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스퍼 기어 톱니, 상기 웜-휠 톱니, 및 상기 사이드 기어 톱니의 수는 2의 배수인 것을 특징으로 하는 풀 트랙션 차동장치.
  9. 제1항에 있어서,
    각 밸런스 기어의 상기 스퍼 기어 톱니의 수는 상기 동일한 밸런스 기어의 상기 웜-휠 톱니의 수의 2배인 것을 특징으로 하는 풀 트랙션 차동장치.
  10. 제9항에 있어서,
    각 스퍼 기어부는 12개의 스퍼 기어 톱니를 갖고, 각 웜-휠부는 6개의 웜-휠 톱니를 가지며, 각 사이드 기어는 12개의 사이드 기어 톱니를 갖는 것을 특징으로 하는 풀 트랙션 차동장치.
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