KR20130053129A

KR20130053129A - 차량용 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정장치 및 방법

Info

Publication number: KR20130053129A
Application number: KR1020110118707A
Authority: KR
Inventors: 김용주; 김장호
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2013-05-23
Also published as: KR101714080B1

Abstract

본 발명은, 내면에 반타원형의 슬라이드홈이 형성된 외륜; 일단부가 외륜 내에 배치되며, 타단부가 외륜의 축을 중심으로 하여 상하로 틸팅될 수 있고, 길이 방향을 따라 중앙에 가이드홀이 형성된 샤프트; 및 상기 가이드홀에 끼워지며, 샤프트의 틸팅시 일단부가 슬라이드홈에 마찰되면서 타단부 측으로 미끄럼 이동하는 이동스틱;을 포함하여 구성되는 차량용 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정장치 및 방법이 소개된다.

Description

차량용 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING TILTABLE MAXIMUM ANGLE OF CONSTANT VELOCITY JOINT FOR VEHICLE}

본 발명은 등속조인트의 강도에 민감하게 영향을 주는 과도 절각의 최대값을 측정하도록 한 차량용 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 드라이브샤프트는 파워트레인에서 발생한 동력을 휠로 전달하는 장치로, 변속기와 휠 측에는 각각 조인트가 마련되며, 특히 휠 쪽에는 조향시의 절각을 반영하여 동력을 전달할 수 있도록 볼 조인트가 주로 사용된다.

이에, 드라이브샤프트의 파손시 휠로의 구동력을 전달하는 것이 불가능할 뿐만 아니라, 파워트레인의 파손으로 이어질 수 있는 문제가 있다. 드라이브샤프트의 강도를 결정하는 것은 드라이브샤프트에 들어가는 조인트의 사이즈인데, 이 조인트는 꺾임 각도에 따라 허용되는 강도의 차이가 크다.(보통 43.5°를 상용 한도각도로 정의함)

차세대 고절각 조인트의 경우, 한도각도 이상의 꺾임 각도에서도 강도가 보증되기도 하나, 추가적 비용이 발생하며, 동일하게 꺾임각이 올라갈수록 강도가 나빠지는 것을 피할 수 없다.

도 1은 종래의 볼조인트의 내부 구성을 나타낸 것으로, 케이지(4)와 내륜(2) 사이에 마련된 볼(3)들이 외륜(1) 안에서 구름운동을 하도록 구성되며, 도 2와 같이 꺾인 상태에서도 파워트레인의 구동력을 전달하도록 기능한다.

여기서, 절각(θ)은 휠의 중립상태에 대비하여 샤프트가 외륜의 축을 중심으로 꺾인 각도를 의미하며, 이 절각(θ)이 커질수록 강도 및 내구성능이 떨어지게 된다.

실제로, 차량의 과도한 핸들 조향 및 가혹한 운행 조건에서 과도 절각에 의한 조인트의 파손이 빈번하게 발생되고 있으며, 이로 인해 과도 절각의 정확한 측정 요구가 부각되고 있다.

이에, 종래의 절각을 측정하는 방식으로 볼 조인트의 외측에 실을 연결하여 변위를 재는 방법이 있으나, 이는 변위의 측정이 정확하지 못한 문제가 있다.

아울러, 또 다른 절각 측정방법으로 가변저항을 이용하여 변위에 따른 계측을 하는 방법이 있으나, 계측장비를 설치하는 데 추가적인 시간과 비용이 발생되고, 차량의 패키지 문제로 장비를 설치하는 것 자체가 어려운 경우도 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 드라이브샤프트에 최대 구동토크 및 가혹한 조향 핸들링이 적용되는 시험조건에서 등속조인트의 강도에 민감하게 영향을 주는 과도 절각의 최대값을 측정하도록 한 차량용 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 내면에 반타원형의 슬라이드홈이 형성된 외륜; 일단부가 외륜 내에 배치되며, 타단부가 외륜의 축을 중심으로 하여 상하로 틸팅될 수 있고, 길이 방향을 따라 중앙에 가이드홀이 형성된 샤프트; 및 상기 가이드홀에 끼워지며, 샤프트의 틸팅시 일단부가 슬라이드홈에 마찰되면서 타단부 측으로 미끄럼 이동하는 이동스틱;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 샤프트의 외측에는 가이드홀과 연통되도록 슬롯이 형성되어, 이동스틱의 변위 위치를 확인할 수 있다.

상기 샤프트의 외측에는 변위측정기구가 더 마련되어, 샤프트의 길이 방향을 따라 좌우로 이동될 수 있다.

상기 변위측정기구의 외형면에 샤프트의 길이 방향을 따라 눈금이 형성될 수 있다.

상기 가이드홀의 내부에 마련되며, 이동스틱의 가압에 의해 가이드홀 내에서 이동하여 위치가 고정되도록 하는 변위고정부재;를 더 포함할 수 있다.

상기 변위고정부재는 가이드홀과 접촉되는 부분에 탄성을 갖는 돌출부가 형성될 수 있다.

상기 슬라이드홈에 마찰되는 이동스틱의 일단부는 원형으로 형성될 수 있다.

상기 이동스틱과 가이드홀 사이에는 점성물질이 마련될 수 있다.

한편, 본 발명은, 이동스틱의 일단부를 타원형의 슬라이드홈의 내주면 위치에 접촉된 상태에서, 샤프트 외부로 돌출된 이동스틱의 초기길이를 측정하는 초기길이 측정단계; 외륜의 축을 중심으로 샤프트의 단부가 틸팅시, 이동스틱의 일단부가 슬라이드홈에 마찰되면서 미끄럼 이동한 거리를 측정하는 이동거리 측정단계; 초기길이에서 이동거리의 수치를 감산하여 샤프트 외부로 돌출된 이동스틱의 변위길이를 계산하는 변위길이 측정단계; 및 상기 이동스틱의 변위길이에 따라 이동스틱의 일단부가 슬라이드홈에 접하는 지점의 좌표값을 타원의 방정식을 이용하여 구하고, 이동스틱의 틸팅 각도인 절각을 계산하는 절각 측정단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 타원의 방정식은

a = 반장축의 거리, b = 반단축의 거리

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 샤프트에 마련된 이동스틱이 샤프트의 틸팅에 따라 반타원형의 슬라이드홈에 접하면서 샤프트 측으로 이동되도록 구성함으로써, 이동스틱의 이동거리를 뺀 변위길이만큼의 절각을 수식을 이용하여 정확하게 측정할 수 있어, 등속조인트의 강도에 민감하게 영향을 주는 최대 절각의 측정이 가능한 바, 등속조인트의 파손 위험을 저감하여 드라이브샤프트의 성능 및 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 볼조인트의 내부 구성을 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시한 볼조인트의 꺾인 상태를 나타내 도면.
도 3은 본 발명에 의한 등속조인트의 내부 형상을 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 의한 샤프트에 마련되는 부품들의 분리된 상태를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 의한 이동스틱과 변위고정부재의 위치 이동작용을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 의해 샤프트의 절각 측정에 이용되는 타원의 방정식을 개념적으로 설명하기 위한 도면.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3 내지 도 6을 통해 도시된 본 발명의 차량용 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정장치는, 내면에 반타원형의 슬라이드홈(11)이 형성된 외륜(10)과, 일단부가 외륜(10) 내에 배치되며, 타단부가 외륜(10)의 축을 중심으로 하여 상하로 틸팅될 수 있고, 길이 방향을 따라 중앙에 가이드홀(25)이 형성된 샤프트(20)와, 상기 가이드홀(25)에 끼워지며, 샤프트(20)의 틸팅시 일단부가 슬라이드홈(11)에 마찰되면서 타단부 측으로 미끄럼 이동하는 이동스틱(30)과, 상기 가이드홀(25)의 내부에 마련되며, 이동스틱(30)의 가압에 의해 가이드홀(25) 내에서 이동하여 위치가 고정되도록 하는 변위고정부재(40)를 포함하여 구성될 수 있다.

즉, 샤프트(20)의 각도 변화에 따라 반타원형으로 형성된 슬라이드홈(11)의 내면에 이동스틱(30)의 일단부가 마찰 및 가압됨으로써, 상기 이동스틱(30)과 함께 변위고정부재(40)가 가이드홀(25)을 따라 샤프트(20) 측으로 이동된다. 이로 인해, 이동스틱(30)의 변위를 측정할 수 있게 되는데, 이동된 변위만큼의 꺾임 각도를 타원의 방정식과 삼각함수에 의해 역으로 계산함으로써, 절각을 측정할 수 있게 된다.

여기서, 도 3과 같이 본 발명에서의 등속조인트는 볼 조인트가 적용될 수 있는 것으로, 외륜(10) 측에 배치된 샤프트(20)의 단부에 내륜(21)이 설치되고, 상기 내륜(21)의 둘레를 따라 다수의 볼(22)과 케이지(23)가 마련된다. 그리고, 상기 내륜(21)을 커버하도록 외륜(10)이 마련되며, 상기 외륜(10)의 선단 내주면에 볼(22)들이 끼워진 형태로 마련되는 바, 샤프트(20)와 외륜(10)이 함께 회전될 수 있게 된다.

도 4와 같이 본 발명에서 상기 샤프트(20)의 외측에는 가이드홀(25)과 연통되도록 슬롯(26)이 형성되어, 이동스틱(30)의 변위 위치를 확인하도록 할 수 있다.

즉, 샤프트(20)의 길이 방향을 따라 가이드홀(25)과 연통되도록 슬롯(26)이 형성됨으로써, 드라이브샤프트를 탈거할 필요없이 이동스틱(30)의 이동에 따른 변위고정부재(40)의 위치와 그에 따른 이동스틱(30)의 이동거리(D)를 측정할 수 있게 된다.

이때, 상기 슬롯(26)은 복수 형성이 가능함으로써, 회전된 드라이브샤프트의 정지 위치에 관계없이 이동스틱(30)의 변위 위치를 쉽게 확인할 수 있게 된다.

본 발명에서 상기 샤프트(20)의 외측에는 변위측정기구(50)가 더 마련되어, 샤프트(20)의 길이 방향을 따라 좌우로 이동되도록 할 수 있다.

여기서, 상기 변위측정기구(50)는 샤프트(20)에 끼워질 수 있도록 원통형의 형상으로 형성될 수 있으며, 슬롯(26)과 대응하는 부분이 절단된 형태로 형성되어, 상기 슬롯(26)을 통해 변위고정부재(40)의 위치를 확인하도록 할 수 있다.

즉, 바람직하게는 상기 변위측정기구(50)가 샤프트(20)에 끼워진 상태에서 이동스틱(30)의 이동변위를 계측하기 전에 변위측정기구(50)의 끝단 부분을 변위고정부재(40)와 일치시킨 후, 이동스틱(30)의 이동 후에 변위측정기구(50)의 끝단부에서 변위고정부재(40)의 위치까지 거리를 측정하게 됨으로써, 이동스틱(30)의 이동된 거리를 측정할 수 있게 된다.

아울러, 본 발명에서 상기 변위측정기구(50)에는 샤프트(20)의 길이 방향을 따라 눈금이 더 형성될 수 있다.

즉, 이동스틱(30)의 이동변위를 계측하기 전에 변위측정기구(50)에 형성된 눈금에서 임의로 설정된 부분(바람직하는 0 부분)을 변위고정부재(40)와 일치시킨 후, 이동스틱(30)의 이동 후에 변위고정부재(40)가 위치한 거리까지 눈금을 통해 거리를 측정하게 됨으로써, 이동스틱(30)의 이동된 거리를 측정할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 상기 변위고정부재(40)는 가이드홀(25)과 접촉되는 부분에 탄성을 갖는 돌출부(41)가 형성될 수 있다.

즉, 상기 변위고정부재(40)는 이동스틱(30)의 가압에 의해 가이드홀(25) 내부에서 샤프트(20) 측으로는 이동되면서 외륜(10)측으로는 이동이 제한되도록 하는 구성요소로써, 바람직하게는 원기둥형의 형상으로 형성되어 가이드홀(25) 내부에 끼워질 수 있는데, 상기 변위고정부재(40)의 외주면 둘레를 따라 적어도 하나 이상의 돌출부(41)가 마련되어, 샤프트(20) 측으로 이동된 변위고정부재(40)가 그 이동된 위치에 고정될 수 있게 된다.

본 발명에서 상기 슬라이드홈(11)에 마찰되는 이동스틱(30)의 일단부는 원형으로 형성될 수 있다. 즉, 반타원형의 형상으로 형성된 슬라이드홈(11)의 내주면에 이동스틱(30)이 원활하게 마찰되면서 이동되어야 함으로써, 슬라이드홈(11)과의 접지면적을 최소화시킬 수 있도록 이동스틱(30)의 일단부가 원형으로 형성될 수 있다.

본 발명에서 상기 이동스틱(30)과 가이드홀(25) 사이에는 점성물질이 마련될 수 있는 것으로, 상기 점성물질로는 파라핀이나 왁스와 같은 물질이 사용되며, 상기 점성물질을 이동스틱(30)의 외주면 및/또는 가이드홀(25)의 내주면에 도포하거나 그 사이에 충진할 수 있게 됨으로써, 가벼운 진동과 같이 외란에 의한 이동변위의 오차를 줄일 수 있도록 한다.

본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명한다.

본 발명의 차량용 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정방법은, 상기한 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정장치에 있어서, 이동스틱(30)의 일단부를 타원형의 슬라이드홈(11)의 내주면 위치에 접촉된 상태에서, 샤프트(20) 외부로 돌출된 이동스틱(30)의 초기길이(L)를 측정하는 초기길이 측정단계와, 외륜(10)의 축을 중심으로 샤프트(20)의 단부가 틸팅시, 이동스틱(30)의 일단부가 슬라이드홈(11)에 마찰되면서 미끄럼 이동한 거리를 측정하는 이동거리 측정단계와, 초기길이(L)에서 이동거리(D)의 수치를 감산하여 샤프트(20) 외부로 돌출된 이동스틱(30)의 변위길이(L')를 계산하는 변위길이 측정단계와, 상기 이동스틱(30)의 변위길이(L')에 따라 이동스틱(30)의 일단부가 슬라이드홈(11)에 접하는 지점의 좌표값(x,y)을 타원의 방정식을 이용하여 구하고, 이동스틱(30)의 틸팅 각도인 절각을 계산하는 절각 측정단계를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 타원의 방정식은

a = 반장축의 거리, b = 반단축의 거리를 나타낸다.

도 5 및 도 6을 통해 본 발명의 절각 측정장치를 이용한 절각 측정방법에 대해 구체적으로 설명하면, 먼저 차량의 주행 전 이동스틱(30)의 일단부를 타원형의 슬라이드홈(11) 내주면에 접촉시켜 샤프트(20) 외부로 돌출된 이동스틱(30)의 초기길이(L)를 측정한다. 이때, 상기 샤프트(20)와 외륜(10)은 동일 축선상에 위치시킨 상태에서 측정하는 것이 적절한 것으로, a는 반타원형의 반장축의 거리를 나타내며, b는 반타원형의 반단축의 거리를 나타내고, θ는 절각을 나타낸다.

이어서, 드라이브샤프트에 최대 구동토크 및 가혹한 조향 핸들링이 적용되는 시험조건에서 차량을 운행한다. 이처럼 차량을 운행하게 되면, 이동스틱(30)의 일단부가 슬라이드홈(11)에 마찰되면서 이동스틱(30)의 타단부와 변위고정부재(40)가 샤프트(20) 측으로 미끄럼 이동하게 됨으로써, 미끄럼 이동한 이동거리(D)를 측정한다.

즉, 도 5와 같이 이동스틱(30)이 이동된 거리만큼 변위고정부재(40)가 가이드홀(25) 내부에서 함께 이동하여 위치 고정됨으로써, 변위고정부재(40)의 이동거리(D) 측정을 통해 이동스틱(30)이 이동한 거리를 측정할 수 있게 된다. 이때, 상기 이동스틱(30)이 샤프트(20) 측으로 이동한 후에, 다시 예기치 않게 외륜(10) 측으로 복귀 이동하게 되더라도 변위고정부재(40)는 함께 복귀 이동되지 않으므로, 이동스틱(30)의 최대 이동거리(D)를 측정할 수 있게 된다.

이어서, 이동스틱(30)의 차량 운행 전 측정한 초기길이(L)에서 상기한 이동거리(D)의 수치를 빼는 계산을 함으로써, 틸팅 후에 샤프트(20) 외부로 돌출된 이동스틱(30)의 변위길이(L')를 측정할 수 있게 된다.

그렇게 되면, 이동스틱(30)의 변위길이(L')는 결국 도 6에 도시한 바와 같은 길이로 구해질 수 있게 되는데, 이때의 이동스틱(30)의 일단부가 슬라이드홈(11) 내주면에 접하는 지점의 좌표값인 x값과 y값을 타원의 방정식을 이용하여 구하게 된다.

이어서, 위에서 구해진 값들을 삼각함수의 공식에 대입하여 이동스틱(30)의 틸팅 각도인 절각을 계산할 수 있게 된다.

즉, 타원의 방정식은,

이며,

으로 변형될 수 있다.

그리고, 절각 COSθ는 아래의 수식에 의해 계산될 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 외륜(10) 내주면에 반타원형의 슬라이드홈(11)을 형성하고, 샤프트(20)에 마련된 이동스틱(30)이 샤프트(20)의 틸팅에 따라 상기 슬라이드홈(11)에 접하면서 이동되도록 구성함으로써, 이동스틱(30)의 이동거리(D)를 측정할 수 있게 된다.

따라서, 이동스틱(30)의 초기길이(L)에서 이동거리(D)를 뺀 만큼의 변위길이(L')를 구할 수 있고, 상기한 이동스틱(30)의 변위길이(L')만큼의 샤프트(20)의 절각을 타원의 방정식과 삼각함수의 공식을 이용하여 측정할 수 있으므로, 등속조인트의 강도에 민감하게 영향을 주는 최대 절각의 측정이 가능한 바, 등속조인트의 파손 위험을 저감하여 드라이브샤프트의 성능 및 품질을 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

10 : 외륜 11 : 슬라이드홈
20 : 샤프트 21 : 내륜
25 : 가이드홀 26 : 슬롯
30 : 이동스틱 40 : 변위고정부재
41 : 돌출부 50 : 변위측정기구

Claims

내면에 반타원형의 슬라이드홈(11)이 형성된 외륜(10);
일단부가 외륜(10) 내에 배치되며, 타단부가 외륜(10)의 축을 중심으로 하여 상하로 틸팅될 수 있고, 길이 방향을 따라 중앙에 가이드홀(25)이 형성된 샤프트(20); 및
상기 가이드홀(25)에 끼워지며, 샤프트(20)의 틸팅시 일단부가 슬라이드홈(11)에 마찰되면서 타단부 측으로 미끄럼 이동하는 이동스틱(30);을 포함하는 차량용 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 샤프트(20)의 외측에는 가이드홀(25)과 연통되도록 슬롯(26)이 형성되어, 이동스틱(30)의 변위 위치를 확인하도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정장치.
청구항 2에 있어서,
상기 샤프트(20)의 외측에는 변위측정기구(50)가 더 마련되어, 샤프트(20)의 길이 방향을 따라 좌우로 이동되도록 한 것을 특징으로 하는 차량용 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정장치.
청구항 3에 있어서,
상기 변위측정기구(50)의 외형면에 샤프트(20)의 길이 방향을 따라 눈금이 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 가이드홀(25)의 내부에 마련되며, 이동스틱(30)의 가압에 의해 가이드홀(25) 내에서 이동하여 위치가 고정되도록 하는 변위고정부재(40);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정장치.
청구항 5에 있어서,
상기 변위고정부재(40)는 가이드홀(25)과 접촉되는 부분에 탄성을 갖는 돌출부(41)가 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 슬라이드홈(11)에 마찰되는 이동스틱(30)의 일단부는 원형으로 형성된 것을 특징으로 하는 차량용 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 이동스틱(30)과 가이드홀(25) 사이에는 점성물질이 마련된 것을 특징으로 하는 차량용 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정장치.
이동스틱(30)의 일단부를 타원형의 슬라이드홈(11)의 내주면 위치에 접촉된 상태에서, 샤프트(20) 외부로 돌출된 이동스틱(30)의 초기길이(L)를 측정하는 초기길이 측정단계;
외륜(10)의 축을 중심으로 샤프트(20)의 단부가 틸팅시, 이동스틱(30)의 일단부가 슬라이드홈(11)에 마찰되면서 미끄럼 이동한 거리를 측정하는 이동거리 측정단계;
초기길이(L)에서 이동거리(D)의 수치를 감산하여 샤프트(20) 외부로 돌출된 이동스틱(30)의 변위길이(L')를 계산하는 변위길이 측정단계; 및
상기 이동스틱(30)의 변위길이(L')에 따라 이동스틱(30)의 일단부가 슬라이드홈(11)에 접하는 지점의 좌표값(x,y)을 타원의 방정식을 이용하여 구하고, 이동스틱(30)의 틸팅 각도인 절각을 계산하는 절각 측정단계;를 포함하는 차량용 드라이브샤프트의 등속조인트 절각 측정방법.
여기서, 타원의 방정식은

a = 반장축의 거리, b = 반단축의 거리