KR20170028246A - 전자기 코일 시스템 및 방법들 - Google Patents

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KR20170028246A
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허래비 올리버
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원 인더스트리즈, 아이엔씨.
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Abstract

전자기 코일 조립체를 동작시키는 방법들 및 시스템들이 제공된다. 하나의 예로서, 방법은 전자기 코일 조립체의 전자기 코일의 여자에 응답하여, 전자기 코일 조립체의 중심축을 따라 고정되는 자기 전기자를 유지하면서 이 중심축을 따라 전자기 코일 조립체의 전자기 코일을 상기 전기자 쪽으로 병진 이동시키는 단계를 포함한다. 전자기 코일 조립체는 다양한 클러칭, 브레이킹 또는 레버 적용 예들 내에서 활용될 수 있다.

Description

전자기 코일 시스템 및 방법들{ELECTROMAGNETIC COIL SYSTEM AND METHODS}
관련 출원들과의 상호 참조
본 출원은 2014년 4월 23일에 제출된 미국 임시 특허 출원번호 61/983,388인 "Electromagnetic Pulse Disconnect System and Methods" 및 2014년 9월 17일에 제출된 미국 임시 특허 출원번호 62/051,858인 "Electromagnetic Pulse Disconnect System and Methods"의 우선권을 주장하는 2015년 4월 14일에 제출된 미국 특허 출원번호 14/686,057인 "Electromagnetic Pulse Disconnect System and Methods"의 일부 계속 출원(Continuation-In-Part)이며, 이에 이들 각각의 전체 내용들은 모든 목적들을 위해 참조로서 통합된다.
본 출원은 일반적으로 차량의 두 회전 구성요소(rotating component)들을 맞물리게 하고(engage) 풀리게 하는(disengage) 전자기 코일 조립체(electromagnetic coil assembly) 및 관련 시스템들에 관한 것이다.
다양한 적용예들은 회전 또는 병진 이동 구성요소들의 운동(motion)이 최소의 에너지로 신속하게 저지 또는 발생되는 것을 요구할 수 있다. 하나의 예에서, 차량의 구동트레인(drivetrain)의 축들 및 회전 샤프트(rotating shaft)들은 차량을 2륜 구동 모드(예를 들어, 4x2 모드) 또는 4륜 구동 모드(예를 들어, 4x4 모드)로 시프트(shift)하기 위하여 연결 또는 분리될 수 있다. 구체적으로, 차량들은 2개의 샤프트들과 같은 2개의 회전 가능 구성요소들을 연결하거나 분리하도록 이동할 수 있는 클러치를 구비하는 분리 조립체들을 사용할 수 있다. 분리 조립체들은 휠 단부(wheel end)들에, 하나 이상의 차축들에, 또는 구동 샤프트들 중 하나를 따라서 배치되는 것을 포함하여 차량의 구동트레인의 다양한 에어리어(area)들에 배치될 수 있다. 분리 시스템들의 사용을 통해, 차량들은 운전 여건들 및 동작자의 바람에 따라 상이한 구동 모드들 사이에서 전환되는 능력을 가짐으로써 더욱 다용도화될 수 있다.
일부 동력트레인(powertrain) 분리 시스템들에서는, 차량 엔진으로부터 유도된 진공이 분리 시스템에 동력을 공급하는 동기 또는 작동력으로 사용된다. 특히, 분리 시스템 액추에이터(actuator)들이 진공에 의해 동력을 공급받을 수 있다. 많은 시스템들에서, 진공은 가솔린 연료의 엔진의 흡기 매니폴드(intake manifold)로부터 통로를 통해 유도된다. 이로 인해, 진공 레벨, 또는 진공으로부터 이용 가능한 힘 또는 압력의 양은 엔진 스로틀(throttle) 세팅들이 엔진 부하에 따라 변함에 따라 바뀔 수 있다. 많은 엔진 시스템들의 경우, 진공 레벨(이용 가능한 압력의 양)은 고도(altitude)의 영향들로 인해 제한되거나 변할 수 있다. 더욱이, 온도 변화들은 또한 진공 레벨에서의 압력 변동(pressure fluctuation)들을 일으킴으로써, 분리 액추에이터의 움직임의 변동들을 일으킬 수 있고 이 움직임은 결과적으로 다이아프램(diaphragm) 및 클러치 구성요소들과 같은 분리 구성요소들의 원치 않는 이동을 발생시킬 수 있다. 게다가, 일부 차량들에서는 진공을 이용하는 것이 용이하지 않을 수 있는데 왜냐하면 다양한 차량 부속 시스템들은 진공으로 동력을 공급받지 않을 수 있거나 또는 차량은 엔진 제어 및 성능을 향상시키기 위해 진공 라인들과 같은 엔진 흡기 연결부들을 제거하도록 설계될 수 있기 때문이다. 마지막으로, 진공에 의해 동력을 공급받는 동력트레인 분리 시스템들은 차량 설계가 더 진보함에 따라 점점 더 바람직해지지 않고 있다. 이에 따라, 진공 이외의 소스(source)들 및 현대의 차량 시스템들에 도움이 되는 피처(feature) 설계들에 의해 동력을 공급받는 동력트레인 분리 시스템들이 필요하다. 발명자들은 본원에서 상기 문제들을 인식하였고 이들을 처리하기 위한 다양한 방법들을 개발하였다.
추가로, 다른 클러칭 또는 브레이킹 시스템들과 같은 다른 적용예들에서, 운동은 신속하게 저지 또는 발생될 필요가 있을 수 있다. 하나의 예에서, 습식 판 클러치(wet plate clutch)들 또는 차동기어 잠금장치(locking differential)들에서 전자기 코일들이 사용될 수 있다. 이 시스템들에서, 코일은 정지되어 있고 이 코일의 여자(energization) 시에, 전기자(armature)가 인력을 받아 코일 쪽으로 병진 이동된다. 전기자의 운동은 그 후에 다른 구성요소에 대하여 클러칭(clutching)될 수 있는 원하는 동작을 발생시킨다. 전형적으로, 코일 및 전기자 사이에는 전기자를 통해 원하는 움직임을 일으키는 데 매우 높은 에너지 수요를 발생시키는 에어 갭(air gap)이 항상 존재한다. 이것은 결과적으로 시간의 경과에 따라 전자기 코일 조립체 구성요소들에 대하여 에너지 사용이 높아지게 되고 잠재적으로 저하될 수 있다.
본 발명의 목적은 상술한 문제를 해결하는 것이다.
그러므로, 하나의 예에서, 상기 문제들은 적어도 부분적으로 전자기 코일 조립체를 동작시키는 방법에 의해 처리될 수 있고, 상기 방법은: 전자기 코일 조립체의 전자기 코일의 여자(energization)에 응답하여 전자기 코일 조립체의 중심축을 따라 고정되는 전기자를 유지하면서 상기 축을 따라 전자기 코일을 자기 전기자 쪽으로 병진 이동시키는 단계를 포함한다. 코일이 전기자 쪽으로 병진 이동하므로, 코일 및 전기자 사이의 에어 갭이 줄어든다. 그러므로, 코일을 병진 이동시켜서 에어 갭을 메우게 함으로써, 코일을 다른 전기자에 대하여 클러칭하는 데 더 적은 에너지가 필요하고 그러므로 전기자의 움직임 또는 전기자와 결합되는 2차 메커니즘들의 움직임을 일으키는 데 더 적은 에너지가 필요할 수 있다. 더욱이, 중심축을 따라 고정되는 전기자를 유지하면서 코일을 전기자 쪽으로 병진 이동시킴으로써, 조립체 구성요소들의 더 정확한 축방향 이동이 달성될 수 있다.
상기 요약은 상세한 설명에서 더 설명되는 개념들 중에서 선택된 것을 간소화 형태로 소개하기 위하여 제공된다. 이는 청구되는 특허 대상의 핵심 또는 본질적인 특징들을 식별하도록 의도되지 않으며, 이의 범위는 고유하게 상세한 설명 뒤에 오는 청구항들에 의해 규정된다. 더욱이, 청구되는 특허 대상은 위에 언급되거나 본 발명의 임의의 부분에 있는 임의의 단점들을 해결하는 구현들로 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 차량의 간소화된 동력트레인을 도시하는 도면.
도 2는 전자기 펄스 분리 조립체의 조립도의 단면을 도시하는 도면.
도 3은 전자기 펄스 분리 조립체의 조립도를 도시하는 도면.
도 4는 전자기 펄스 분리 조립체의 분해도를 도시하는 도면.
도 5는 4x2 위치에 있는 동안의 전자기 펄스 분리 조립체의 도들을 도시하는 도면.
도 6은 시프트 위치의 단부에 있는 동안의 전자기 펄스 분리 조립체의 도들을 도시하는 도면.
도 7은 4x4 위치에 있는 동안의 전자기 펄스 분리 조립체의 도들을 도시하는 도면.
도 8은 전자기 펄스 분리 조립체의 래칭 트랙(latching track)의 개략도를 도시하는 도면.
도 9는 전자기 펄스 분리 조립체의 시프팅 위치, 조립체의 자속 밀도 및 위치 센서 출력 사이의 관계에 대한 그래프를 도시하는 도면.
도 10 및 도 11은 도 2 내지 도 8의 전자기 펄스 분리 조립체의 일반적인 동작을 위한 방법을 도시하는 도면.
도 12 내지 도 16은 차량의 차축을 따라 위치결정(positioning)되는 중앙 전자기 펄스 분리부의 상이한 실시예들을 도시하는 도면.
도 17은 차량의 차축을 따라 위치결정되도록 적응되는 중앙 전자기 펄스 분리부의 제 1 실시예의 외부도를 도시하는 도면.
도 18은 중앙 전자기 펄스 분리부의 분해도를 도시하는 도면.
도 19는 중앙 전자기 펄스 분리부의 단면도를 도시하는 도면.
도 20은 중앙 전자기 분리부의 상이한 시프트 위치들에 대한 위치 센서 조립체의 배향(orientation)을 도시하는 도면.
도 21 내지 도 23은 단일 연속 하우징(housing)을 가지는 중앙 전자기 펄스 분리부의 제 2 실시예를 도시하는 도면.
도 24는 단일 연속 하우징의 중앙 전자기 펄스 분리부의 제 3 실시예를 도시하는 도면.
도 25는 전자기 코일 시스템의 개략도를 도시하는 도면.
도 26은 전자기 코일 시스템의 전자기 코일의 하나의 실시예의 개략도를 도시하는 도면.
다음의 상세한 설명은 다양한 적용예들에서 사용되는 전자기 코일에 관한 정보를 제공한다. 예를 들어, 전자기 코일은 브레이크 조립체(예를 들어, 순간 브레이크들), 습식 판 클러치 적용예들 또는 전자기 펄스 분리 조립체들에서 활용될 수 있다. 도 25 내지 도 16은 다양한 클러칭 또는 브레이킹 적용예들에 사용되는 전자기 코일 시스템의 예의 실시예들을 도시한다. 하나의 예에서, 도 25 또는 도 26에 도시되는 전자기 코일은 전자기 펄스 분리 조립체에서 활용될 수 있다. 전자기 펄스 분리 조립체는 차량의 회전 구성요소들을 선택적으로 연결하는 데 사용될 수 있다. 원동력(motive power)을 차량에 제공하기 위하여 엔진, 변속기, 다양한 차축들 및 샤프트들 및 휠들을 포함하는 차량 동력트레인의 예의 실시예는 도 1에 도시된다. 이산적인 전기 펄스들에 의해 동작되는 전자기 펄스 분리 조립체의 하나의 실시예는 도 2 내지 도 3에 도시되고, 이는 도 1의 동력트레인에 의해 사용될 수 있다. 전자기 펄스 분리(electromagnetic pulse disconnect; EMPD) 조립체의 분해도는 도 4에 도시되고 전자기 코일, 시프터(shifter)와 인터페이싱하는 전기자 캠(armature cam) 조립체 및 두 인접하는 회전 구성요소들(예를 들어, 샤프트들 또는 차축들과 같은)을 선택적으로 맞물리게 하는 클러치 링(clutch ring)을 포함하는 EMPD 조립체의 다양한 구성요소들을 도시한다. 이에 따라, EMPD 조립체는 두 회전 구성요소들이 서로 회전 가능하게 결합되는 4x4로 그리고 두 회전 구성요소들이 서로 회전 가능하게 결합되지 않는 4x2 위치로 클러치 링을 이동시킬 수 있다. 도 5 내지 도 7은 상이한 시프트 위치들(예를 들어, 4x2, 시프트의 종료, 및 4x4 위치들)에서의 전자기 펄스 분리 조립체의 단면도 및 조립된 도들을 도시한다. EMPD 조립체는 전자기 코일이 계속 여자되어(energized) 있을 것을 요구하지 않으면서 상기 조립체를 선택된 시프트 위치에 유지하는 래칭 시스템(latching system)을 더 포함할 수 있다. 이 방식에서, 코일은 단지 하나의 시프트 위치에서 다른 시프트 위치로 이동할 때에 여자될 수 있다. 래칭 시스템의 예의 래칭 메커니즘은 도 8에 도시된다. EMPD 조립체는 조립체의 시프트 위치를 결정하기 위하여 자기 위치 센서 조립체를 더 포함할 수 있다. 도 9는 시프팅 위치 및 자기 위치 센서의 출력 사이의 관계에 대한 예의 그래프를 도시한다. 도 10 및 도 11은 명령을 받은 시프트 모드들(예를 들어, 위치들)에 따라 전자기 분리 조립체를 동작시키는 방법의 흐름도를 도시한다. 전자기 펄스 분리 조립체는 차량 구동트레인(도 1에 도시되는 구동트레인과 같은)을 따른 다양한 위치들에 배치될 수 있다. 예를 들어, EMPD 조립체는 휠 단부에 근접하게(예를 들어, 휠 단부 분리부로서) 위치결정될 수 있고/있거나 전 또는 후륜 차축 상에(예를 들어, 중앙 분리부로서) 위치결정될 수 있다. 전 또는 후륜 차축을 따른 중앙 EMPD 조립체의 다양한 배열들의 예들은 도 12 내지 도 16에 도시된다. EMPD 조립체의 내부 구성요소들이 중앙 및 휠 단부 분리부 사이에서 실질적으로 동일할 수 있어도, 조립체의 외부 하우징들(예를 들어, 케이싱(casing)들)은 구동트레인을 따라 특정한 장소를 수용하도록 변경될 수 있다. 중앙 전자기 펄스 분리 조립체의 하나의 실시예가 도 17 내지 도 24에 도시된다.
우선 도 25로 전환하면, 전자기 코일 시스템(10)의 예가 도시된다. 도 25는 전자기 코일 시스템(10)의 측면도(2500), 상면도(2525) 및 정면도(2550)를 도시한다. 위에서 소개된 바와 같이, 전자기 코일들은 순간 브레이크들, 습식 판 클러치 적용예들, 조립체 라인 레버들 및 구동트레인 분리 시스템들과 같은 다양한 브레이킹 또는 클러칭 시스템들에서 사용될 수 있다. 전자기 코일 시스템(10)은 브레이킹, 분리 또는 클러치 적용예들의 가동을 촉발시킬 수 있는 전자기 코일 조립체(12)를 포함한다. 코일 조립체(12)(또한 본원에서 전반적으로 전자기 코일로 칭해진다)는 코일 코어(11), 전자기 코일(9), 코일 복귀 스프링(20) 및 접촉 조립체(13)를 포함한다. 예를 들어, 전자기 코일 조립체(12)는 제어기에 의해 여자되고 비여자화(de-energized)될 수 있다. 구체적으로, 전자기 코일 조립체(12)는 코일(9) 및 제어기 사이에 전기 연결을 제공하는 접촉 조립체(13)를 포함한다. 구체적으로, 접촉 조립체의 단자들(15)은 코일(9)을 제어기에 전기적으로 결합시킬 수 있다. 이와 같으므로, 제어기에서 수신되는 가동 신호들에 기초하여 코일(9)을 여자 또는 비여자시키기 위하여 제어기로부터 코일(9)로 신호들이 송신될 수 있다.
도 25에 도시되는 바와 같이, 코일 조립체(12)의 가동 전에는, 코일 조립체(12) 및 전기자(14) 사이에는 에어 갭(17)이 존재한다. 전기자(14)는 축방향(16)으로 정적인 구성요소이고, 반면에 코일 조립체(12)는 축방향으로 병진 이동하도록 적응된다. 전기자(14)는 샤프트(18)에 결합된다. 구체적으로, 환형의 전기자(14)는 샤프트(18)의 환형 슬롯(19) 내에 위치결정(positioning)된다. 이와 같으므로, 전기자(14)는 슬롯(19) 내에서 샤프트(18)를 중심으로 회전할 수 있지만, 슬롯(19)은 전기자(14)가 축방향(16)으로 이동하는 것을 제한한다. 코일(9)의 가동(예를 들어, 여자) 시에, 코일 조립체(12)는 전기자(14)로 병진 이동하여 전기자 상에 직접 접촉한다(예를 들어, 클러칭한다). 이 방식에서, 코일 조립체(12)는 축방향(16)으로 이동하고 반면에 전기자(14)는 축방향으로 이동하지 않는다. 코일 조립체(12) 및 전기자(14) 사이의 자기 인력은 이 두 구성요소들이 서로 접촉하고 코일 조립체(12) 및 전기자(14) 사이에 에어 갭이 존재하지 않을 때 가장 높다. 코일 조립체(12)가 전기자(14)로 이동하므로, 자기력들은 코일 조립체(12) 및 전기자(14)가 서로 더 가까이 갈수록 기하급수적으로 증가한다. 필요한 코일 에너지는 두 부품들 사이의 에어 갭의 양, 이탈력(separation force)들 및 전기자 및/또는 전자기 코일의 원하는 효과에 좌우된다. 작은 에어 갭 및 가벼운 이탈 스프링을 가짐으로써, 작업을 행하는 데 필요한 에너지 및 코일의 크기는 감소될 수 있다. 원하는 효과가 코일 병진 이동에서 기인하면, 일단 코일 조립체가 전기자에 접촉하면, 코일에 공급되는 전류는 자체의 접촉 위치를 유지하기 위하여 감소될 수 있는데 왜냐하면 힘들은 코일 및 전기자 사이의 에어 갭이 0일 때 가장 높기 때문이다. 원하는 효과가 전기자로부터 기인하면, 에어 갭이 0일 때 생성되고 그리고 마찰 또는 기계적 특성들을 사용함으로써 생성되는 높은 수직력(normal force)은 전기자로 하여금 회전 중일 수 있는 자체의 운동을 느리게 하거나 중단하도록 할 수 있다. 전기자 운동의 저지는 원하는 효과일 수 있거나 또는 전기자가 결합되는 램핑 메커니즘(ramping mechanism)과 같은 2차 메커니즘이 발생하도록 할 수 있다(전자기 펄스 분리 조립체에 관하여 아래에서 더 기술되는 바와 같이). 원하는 효과가 완료되면, 코일 조립체는 비여자화되고 스프링(들), 자석들 또는 또 다시 전기자의 자유 이동을 가능하게 하는 어떤 다른 수단을 통하여 전기자로부터 멀어지게 이동한다. 예를 들어, 도 25는 전자기 코일 시스템의 하우징(21) 및 코일 조립체(12) 사이에 위치 결정되어 있는 코일 복귀 스프링(20)을 도시한다. 도 25에 도시되는 바와 같이, 코일 복귀 스프링(20)은 환형 스프링이다. 자력들이 가장 높은, 코일 및 전기자 사이의 에어 갭이 거의 0이거나 0일 때 원하는 효과가 발생하기 때문에, 이것은 코일을 가동하는 데 사용되는 에너지 및 코일 크기가 감소되는 것을 가능하게 한다.
도 26은 전자기 코일 조립체(또한 본원에서 전반적으로 전자기 코일로서 칭해진다)의 제 2 실시예의 하나의 예를 도시한다. 구체적으로, 도 26은 전자기 코일 조립체(30)의 측면도(2600) 및 정면도(2650)를 도시한다. 코일 조립체(30)는 전자기 코일(32)을 포함하고 도 25의 전자기 코일 시스템(10)과 같은 전자기 코일 시스템에서 사용될 수 있다. 이에 따라, 코일 조립체(30)는 전자기 코일 시스템 내에서 코일 조립체(12) 대신 사용될 수 있다. 도 26에 도시되는 바와 같이, 코일 조립체(30)는 전자기 코일(32), 코일 코어(34) 및 레그(leg)들(35 내지 37)을 포함한다. 레그들(35 내지 37)의 각각은 개별 스프링(38)을 포함한다. 제 2 레그(36) 및 제 3 레그(37)는 코일 조립체(30)의 단자들 역할을 한다. 하나의 예에서, 제 2 및 제 3 레그들(36 및 37)은 코일 조립체(30)의 접촉 조립체로서 칭해질 수 있고, 여기서 접촉 조립체는 제어기와 전기적으로 결합되도록 적응된다. 이에 따라, 제 2 레그(36) 및 제 3 레그(37) 내의 각각의 스프링은 코일(32) 및 대응하는 제어기 단자에 전기적으로 결합된다. 예를 들어, 레그(36) 내의 스프링은 코일(32)에 대한 양의 전기 접속이고 레그(37) 내의 스프링은 코일(32)의 전기 접지이다. 달리 말하면, 제어기 단자는 레그(36) 및 레그(37)의 스프링들의 각각과 메이팅(mating)하고 이에 직접 연결된다. 도 26에 도시되는 바와 같이, 제 2 및 제 3 레그들(36 및 37)의 스프링들(38)의 각각은 40에서 도시되는 바와 같이 대응하는 제어기 단자에 솔더링 또는 용접될 수 있다. 레그들(36 및 37)의 스프링들의 각각은 또한 코일(32)에 집적 결합된다. 이에 따라, 레그들(36 및 37)에 있는 스프링들은 도 25를 참조하여 위에서 논의된 바와 같이, 코일 조립체의 가동을 위해서 코일(32)을 각각의 제어기 단자에 전기적으로 연결하는 역할을 한다. 제 1 레그(35)는 또한 개별 스프링(38)을 포함하지만, 제 1 레그(35)의 스프링은 코일(32) 및 제어기 단자들에 전기적으로 결합되지 않는다. 3개의 레그들(35 내지 37)의 모두 세 개의 스프링들은 함께 코일 조립체의 코일 복귀 스프링들 역할을 하고 그리고 도 25에서의 코일 복귀 스프링(20)과 유사하게 기능을 행한다. 그러나, 본 예에서, 스프링들의 각각은 환형 대신 선형이다. 개별 레그들(35 내지 37)의 이 3개의 개별 스프링들(38)은 코일 조립체(30)의 원주 주위에 레그들(35 내지 37)이 분포하는 것에 의해서 코일 조립체(30)에 균형 잡힌 복귀력을 제공한다. 예를 들어, 제 2 및 제 3 레그들(36 및 37)은 전기 연결들 및 스프링 복귀력들을 제공하는데 반해, 제 1 레그(35)는 제 2 및 제 3 레그들(36 및 37)에 있는 스프링들의 힘의 균형을 맞추는 추가 스프링력을 제공한다. 이 방식에서, 3개의 레그들(35 내지 37)은 코일 조립체(30)에 복귀 스프링력 및 전기 연결 이 둘 모두를 제공한다. 구체적으로, 제 2 및 제 3 레그들(36 및 37)은 코일 전기 연결부들(예를 들어, 단자들) 및 코일 복귀 스프링들 이 둘 모두를 하나의 부분으로 통합한다. 도 26에서는 3개의 레그들이 도시되어 있지만, 대안의 실시예들에서, 코일 조립체(30)는 코일 복귀 스프링력의 추가 균형을 위하여, 제 1 레그(35)와 유사한, 추가의 비 전기 결합 레그들을 포함할 수 있다.
전자석들이 자체의 의도된 작업을 행하기 위하여 자기장을 여자시키고 생성하는데 신속하므로, 전자석들은 많은 적용예들에 걸쳐 광범위하게 사용된다. 아래에서 도 1 내지 도 14를 참조하여 더 기술되는 바와 같이, 전자기 펄스 분리(electromagmetic pulse disconnect; EMPD) 디바이스에서, 캠에 부착되는 전기자는 오직 회전만 하고 코일은 오직 병진 이동만 하도록 허용된다. 전기자는 회전하고 자체의 기능이 램핑하는 힘들에 저항하면서 다른 구성요소들과 함께 회전하는 것이므로 전기자는 스러스트 와셔(thrust washer) 또는 베어링(bearing)에 대하여 병진 이동하는 것이 제한되고 정지되어 있는 코일로 병진 이동될 수 없다. 코일이 여자될 때 전기자로 병진 이동하는 것을 허용함으로써, 이는 코일이 전기자 상에 클러칭될 때 캠이 작동하는 것을 가능하게 한다. 전기자 회전의 감속 또는 중지로 인하여 액추에이터(actuator)는 자체의 캠 피처(feature)들에 기초하여 램프 상향(ramp up) 및 병진 이동하게 된다. 병진 이동은 자체의 원하는 효과를 위해 2개의 샤프트들을 연결/분리하는 클러치 링을 이동시킨다. EMPD 조립체는 아래 도 1 내지 도 24를 참조하여 더 상세하게 기술될 것이다.
본 상세한 설명 전체에 걸쳐 사용되는 용어와 관련하여, 단 2개의 휠들만이 엔진으로부터 동력을 공급받는 차량 동작은 2륜 구동(two-wheel drive) 또는 2WD 또는 4x2로 칭해질 수 있다. 전자기 펄스 분리부의 대응하는 위치는 4x2 위치로 칭해질 수 있다. 대안으로, 모든 네 휠들이 엔진으로부터 동력을 공급받는 차량 동작은 4륜 구동(four-wheel drive) 또는 4WD 또는 4x4로 칭해질 수 있다. 전자기 펄스 분리부의 대응하는 위치는 4x4 위치로 칭해질 수 있다. 다른 예들에서, 4륜 구동은 전륜 구동(all-wheel drive; AWD)으로 상호 교환하여 칭해질 수 있고, 여기서 통상적으로 동력이 공급되지 않는 휠들은 특정한 여건들 동안 동력을 공급받을 수 있다. 4WD 및 2WD 사이의 시프팅(shifting)을 달성하기 위하여, 전자기 펄스 분리부는 두 회전 구성요소들을 선택적으로 맞물리게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이 회전 구성요소들은 차축들, 샤프트들, 커플러(coupler)들, 휠 허브(wheel hub) 조립체들 또는 회전력을 전달하는 차량의 구동트레인에서 사용되는 다른 디바이스들일 수 있다.
현대의 차량들은 상이한 동작 여건들 및/또는 동작자(즉, 운전자) 명령들에 따라 상이한 휠들에 선택적으로 동력을 공급하는 것을 수반하는 매우 다양한 구동트레인 시스템들에 의해서 동작될 수 있다. 예를 들어, 전륜 구동 차량들은 제 1 동작 모드 동안 2개의 동일 선상의 휠들에 동력을 공급하고 미끄러짐(slippage)이 검출되면 나머지 휠들 중 하나 이상에 또한 동력을 공급할 수 있다. 다른 예들에서, 승용차와 같은 보다 작은 차량은 연료 경제성을 증가시키기 위해 동력을 차량의 2개의 전륜들에만 항구적으로 제공할 수 있다(2 전륜 구동). 그러나 다른 예들에서, 차량은 2륜 구동 및 4륜 구동 모드 사이에서 선택적으로 전환되도록 구성될 수 있고, 여기서 4륜 구동 모드 동안에는 모든 4개의 휠들이 동력을 공급받는다. 각각의 차량 구동트레인에는 장점들 및 단점들이 있으며, 각각의 차량의 특정 용도 및 예상 기능은 어떤 구동트레인을 통합할지를 결정하는 데 도움을 줄 수 있다.
도 1은 차량의 동력트레인(100)의 간략한 다이아그램을 도시한다. 이 다이아그램에서, 동력트레인(100)을 더 양호하게 도시하기 위해서 많은 다른 구성요소들과 함께 차량의 몸체가 제거된다. 동력트레인은 도 1에서 도시되는 구성요소들을 포함하고 반면에 구동트레인은 후술되는 바와 같이 엔진과 변속기를 제외한 도 1의 구성요소들을 칭할 수 있음이 주목된다. 동력트레인 구성에 따르면, 도 1의 차량은 선택적인 4WD 구동트레인을 가질 수 있고, 여기서 후륜들은 후륜 구동 모드(또는 2WD 모드)에서 동력을 공급받고 모든 네 휠들은 4WD 모드에서 동력을 공급받으며, 4WD 구동 모드는 2WD 모드와 상이하다. 보다 대형인 트럭, 전지형(all-terrain) 차량들 및 스포츠 유틸리티 차량들과 같은 많은 유틸리티 차량들은 다양한 이유들로 인해 전륜 구동보다는 후륜 구동을 통합할 수 있다. 하나의 이유는 차량의 뒤에 연결되는 트레일러를 통해 견인하는 것과 같이 하중을 끌거나 당기는데 후륜 구동이 더 도움이 되는 점일 수 있다.
도 1에서, 우측 후륜(101) 및 좌측 후륜(102)은 차량의 뒷부분, 즉 차량의 동작자 뒤에 위치되는 단부에 위치결정된다. 이 예에서, 좌, 우, 전 및 후 방위들은 차량의 동작자의 관점에 따라 제공된다. 전, 후, 좌 및 우 방위들에 대한 방향 화살표들은 도 1에 도시된다. 따라서, 우측 전륜(103) 및 좌측 전륜(104)은 차량의 앞 부분에 위치결정된다.
도 1의 차량으로부터의 동력은 다수의 실린더들을 가지는 내연 기관(110)에 의해 발생된다. 엔진(110)은 특정 차량에 따라 가솔린 또는 디젤을 연료로 할 수 있고 본 예에서 엔진(110)은 V 자로 배향 구성되어, V6 엔진을 형성하는 6개의 실린더들을 포함한다. 엔진(110)은 도 1에 도시된 바와 유사한 방식으로 동력을 제공하면서 상이한 배향들로 구성되고 상이한 수의 실린더들을 포함할 수 있음이 이해된다. 엔진(110)에 의해 동력을 공급받는 샤프트는 차량을 구동하는 데 필요한 기어링(gearing)을 제공하는 변속기(115)에 직접 결합될 수 있다. 변속기(115)는 차량 시스템의 요건들에 따라 수동 또는 자동 변속기일 수 있다. 후륜 구동 샤프트(rear drive shaft)(131)는 변속기(115)에 이 변속기의 출력으로서 연결되어, 차량의 후단부에 동력을 제공할 수 있다.
상술한 동력트레인(100)의 2WD 모드 동안, 휠들(101 및 102)은 후차축(rear axle)(132)을 통해 동력을 공급받는다. 후차축(132)은 일부 실시예들에서 단일 연속 샤프트일 수 있거나, 또는 2-차축 구성에서 2개의 차축들로 분리될 수 있으며, 이 구성에서는 차축에 후방 차동장치(rear differential)(121)가 개재된다(interpose). 2-차축 구성에서, 제 1 후차축은 후방 차동장치(121) 및 우측 후륜(101) 사이에 위치결정될 수 있고 제 2 후차축은 후방 차동장치(121) 및 좌측 후륜(102) 사이에 위치결정될 수 있다. 후방 차동장치는 또한 후륜 구동 샤프트(131)에 부착된다. 후방 차동장치는 도 1에 도시되는 바와 같이, 휠들(101 및 102) 사이의 상이한 상대 회전 속도들을 가능하게 하고 회전(및 동력)을 구동 샤프트(131)의 단일 방향으로부터 후차축(132)의 두 수직 방향들로 전달하는 것을 포함하여, 여러 목적들에 소용될 수 있다. 예를 들어, 차량이 좌측 방향으로 돌고 있으면, 안쪽의 휠(휠(102))은 바깥쪽의 휠(휠(101))의 회전보다 더 낮은 속도로 회전할 수 있다. 이에 따라, 후방 차동장치(121)는 돌고 있는 동안 차량의 휠 및 차량이 통과하는 길 사이에서의 밀림(slipping)을 방지하기 위해 두 휠들이 상이한 속도들로 회전하는 것을 가능하게 할 수 있다.
명목상으로 동력을 공급받은 후륜들 외에 전륜들이 구동되는 상술한 4WD 모드의 동작의 경우, 동력을 차량의 앞부분에 전달하는 시스템이 제공된다. 전달 케이스(140)는 변속기(115)의 출력 가까이 위치결정될 수 있고, 전달 케이스(140)는 동력의 일부를 엔진(110)으로부터 전륜 구동 샤프트(front drive shaft)(133)로 지향시키도록 구성될 수 있다. 하나의 실시예에서, 전달 케이스(140)는 동력의 일부를 후륜 구동 샤프트(131)로부터 전륜 구동 샤프트(133)로 전달하기 위해 체인을 사용할 수 있다. 후륜 구동 시스템과 유사한 방식으로, 전륜 구동 샤프트(133)는 전방 차동장치(122)에 연결된다. 전방 차동장치(122)는 전방 차동장치(122)가 두 휠들의 상대적인 회전 속도들을 가능하게 하는 점에서 후방 차동장치(121)와 실질적으로 동일할 수 있다. 이에 따라, 2-차축 시스템의 두 차축들로 분리될 수 있는 전차축(front axle)(134)은 한 단부에서 차동장치(122)에 부착되고 자체의 각각의 좌측 전륜(104) 및 우측 전륜(103)에 부착될 수 있다. 이 구성에서, 전륜 구동 샤프트(133)로부터의 구동 동력은 전방 차동장치(122)를 통과하여 전차축(134)을 통해 휠들(103 및 104)에 전달될 수 있다. 전달 케이스(140)는 동력이 전후차축들 모두에 출력되도록 하는 것이 가능하므로, 4WD 모드는 모든 네 휠들이 동시에 동력을 공급받는 것을 가능하게 할 수 있다. 달리 말하면, 차량이 4WD 모드에 있을 때, 전륜들(103 및 104) 및 후륜들(101 및 102) 모두가 구동될 수 있다.
도 1의 예에서 4WD 및 2WD 사이에서 전환되는 경우, 전륜들에 입력되는 동력을 선택적으로 연동하고 연동 해제하는 시스템이 필요하다. 이에 따라, 분리부(150)가 변속기(115)의 출력 샤프트와 동일 선상에 위치결정되는 전달 케이스(140) 내에 제공할 수 있다. 이 구성에서, 분리부(150)는 또한 전달 케이스(140)와 통합하여 형성되거나 전달 케이스(140)와 분리될 수 있다. 분리부들은 하나 이상의 구동트레인 모드를 구비하는 차량들 내에서 사용되고 휠 허브들, 차축들 및 구동 샤프트들과 같은 2개의 별개의 회전 가능한 입력 구성요소들을 맞물리게 하거나 풀리게 하는 것이 가능할 수 있다. 도 1에 도시되는 바와 같이 본 예에서, 분리부(150)는 전달 케이스(140) 내에 위치결정된다. 다른 차량 시스템들에서, 분리부(150)는 전차축(134) 상 또는 전륜 구동 샤프트(133) 상을 포함하는 다양한 장소들에 배치되어, 도 1에서의 파선의 분리부(150)에 의해 샤프트를 2개의 별개의 길이 부분(length)들로 효과적으로 분리될 수 있다. 다른 예들에서, 분리부(150)는 동력 전달 유닛(power transfer unit; PTU) 샤프트 출력의 맞물림 및 풀림이 가능하도록 PTU에 위치결정될 수 있다. 더욱이, 일부 실시예들에서, 다수의 분리부들이 제공되고, 다수의 분리부들의 각각은 동력트레인(100)의 개별적인 구성요소에 고정될 수 있다. 하나의 예에서, 제 1 분리부(150)는 도 1에 도시되는 바와 같이 전달 케이스(140) 내에 배치될 수 있고, 반면에 추가 분리부들은 휠(103)의 휠 허브에, 휠(104)의 휠 허브에 그리고/또는 전차축(134)을 따라 부착될 수 있다. 이 방식에서, 분리부들(150)은 별개로 또는 서로 함께 제어될 수 있다. 분리부의 특정한 장소에 따라, 휠 단부 분리부 및 중앙 차축 분리부를 포함하여, 다양한 명칭들이 제공된다. 본 예에서, 분리부(150)는 전륜 구동 샤프트(133)에 동력을 공급하는 체인을 구동하는 전달 케이스(140) 내의 기어들을 선택적으로 연결 및 분리할 수 있다. 이에 따라, 분리부(150)는 이후에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 기어들, 제어 메커니즘들 및 다른 구조의 시스템을 통해 전달 케이스(140)(및 샤프트(133))를 변속기(115) 및 후륜 구동 샤프트(131)로부터 효과적으로 분리한다.
동력이 단지 후륜들(101 및 102)에만 제공되는 2WD 모드 동안, 입력 명령은 분리부(150)로 하여금 샤프트(133)의 두 길이 부분(length)들 사이의 고정 회전을 풀도록 함으로써, 휠들(103 및 104)뿐만 아니라 전차축(134)에도 동력이 제공되지 않을 수 있다. 이에 따라, 엔진(110)에 의해 제공되는 대부분의 동력은 전달 케이스(140)를 통하여 전환되는 상대적으로 더 적은 양의 동력으로 후륜 구동 샤프트(131)로 지향되고 분리부로 연결되는 샤프트(133)의 길이 부분들로 지향될 수 있다. 즉, 풀려 있는 동안, 전륜들(103 및 104)은 엔진으로부터 견인력을 받지 않고 자유로이 회전할 수 있다. 또한, 휠들(103 및 104)의 회전은 분리부(150)의 앞부분에 배치되는 차축(134) 및 샤프트(133)의 일부분의 회전과 함께(도 1에서 화살표에 의해 지향되는 바와 같은) 구동트레인의 나머지의 회전에 영향을 미치지 않는다. 구체적으로, 분리부(150)가 분리부의 앞뒤로 위치되는 샤프트(133)의 두 부분을 분리하므로, 두 길이 부분들의 회전은 서로 영향을 미치지 않는데 왜냐하면 이 둘은 분리되기(풀리기) 때문이다. 하나의 분리부가 전달 케이스(140) 내에 또는 샤프트(133)에 있고 반면에 다른 분리부가 휠(103)에 그리고 또 다른 분리부가 휠(104)에 있는 다수의 분리부들(150)이 제공되면, 전차축(134) 및 샤프트(133)의 일부 또는 모두는 분리부들이 자체의 입력 구성요소들을 분리할 때 회전을 중지시킬 수 있다. 이에 따라, 전방 차동장치(122)는 또한 분리부들이 휠들(103 및 104) 및 차축(134) 사이의 회전을 풀고 있는 동안 회전을 중지시킬 수 있다. 이 방식에서, 휠들(103 및 104)이 차축(134)의 회전 관성(관성 모멘트)이 추가되지 않고 차동장치(122)의 마찰 항력(frictional drag)이 없이 자유로이 회전할 수 있으므로 연료 소비가 감소될 수 있다.
동력이 모든 네 휠들에 제공되는 4WD 모드 동안, 입력 명령은 분리부(150)로 하여금 샤프트(133)의 두 길이 부분들 사이가 고정 회전을 하도록 함으로써, 차축(134) 뿐만 아니라 샤프트(133) 모두에 동력이 제공될 수 있다. 현재의 예에서, 일련의 기어들 및/또는 스플라인 샤프트(splined shaft)들 사이의 맞물림으로 인해 분리부(150)의 양쪽의 단부에 있는 샤프트들이 실질적으로 단일 유닛으로 회전되도록 함으로써 고정 회전이 발생될 수 있다. 이 동작 모드 동안, 엔진(110)으로부터의 동력은 휠들(101, 102, 103 및 104)에 실질적으로 동일하게(또는 다른 실시예에서는 동일하지 않게) 전환될 수 있다. 구성요소들을 추가, 변경 및/또는 제거하는 것에 의해 다른 구동 모드들이 여전히 본 발명의 범위에 부합하면서 가능하다는 것이 주목된다.
게다가, 동력트레인(100)은 개별 휠들을 대응하는 차축(예를 들어, 전차축(134) 및/또는 후차축(132))과 맞물리게 하고 풀리게 하기 위해서 하나 이상의 휠 단부들에 위치결정되는 전자기 펄스 분리부(160)를 포함할 수 있다. 이 유형의 분리부는 본원에서 휠 단부 분리부로 칭해질 수 있다. 전자기 펄스 분리부(160)는 전차축(134) 및 후차축(132) 중 하나 또는 이 둘 모두에 교호하여 위치결정될 수 있다. 더욱이, 전자기 펄스 분리부(160)는 전방 차동장치(122) 및/또는 후방 차동장치(121)의 어느 한 측 상에 위치결정될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에서, 전차축(134) 상의 전방 차동장치(122)의 각각의 측(예를 들어, 양 측들) 상에 위치결정되는 전동 분리부(160)가 있을 수 있다. 추가 또는 대안으로, 후방 차동장치(121)의 각각의 측(예를 들어, 양 측들) 상에 후차축(132)에 따라 위치결정되는 전동 분리부(160)가 있을 수 있다. 이 방식에서, 차량 동력트레인(100)은 이중 분리 차동장치 시스템을 포함할 수 있다. 전 또는 후차축들을 따라 전방 또는 후방 차동장치들에 근접하여 위치결정되는 이 유형의 분리부는 본원에서 도 12 내지 도 16과 관련하여 후술되는 바와 같이 중앙 분리부로 칭해질 수 있다. 후술되는 전자기 펄스 분리부는 도 1에 도시되는 전자기 펄스 분리부(160)의 위치들 중 하나 이상에서 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 일부의 분리부들은 도 1의 엔진(110)과 같은 엔진으로부터 전환되어 오는 진공에 의해 동력을 공급받을 수 있다. 그러나, 발명자들은 본원에서 진공이 용이하게 이용되지 않을 수 있거나 진공 동력이 바람직하지 않게 변동됨으로써, 결과적으로 분리 제어의 감소가 발생할 수 있음을 인식하였다. 그러므로, 더 단순하고 더 컴팩트한 분리 설계를 제공하는 대안의 동력원들이 사용될 수 있다. 이에 따라, 발명자들은 본원에서 펄스화된 전력에 의해 분리 조립체 상의 전자기 코일에 작용되는 전자기 펄스 분리 조립체를 제안하였다. 전력은 차량 전체를 통하여 흐르는 진공 라인들을 필요로 하지 않음으로써 진공 동력 이상으로 전력의 신뢰성을 증가시킬 수 있다. 첫번째로, 제안되는 전자기 펄스 분리부의 다양한 구성요소들의 설명이 제공될 것이고, 그 후에 예의 제어 방식을 포함하는 분리부의 동작의 설명이 이어질 것이다.
도 2 및 도 3은 본원에서 분리부(200)로 칭해질 수 있는 전자기 펄스 분리(electromagnetic pulse disconnect; DMPD) 조립체(200)의 조립도를 도시하고, 도 4는 EMPD 조립체(200)의 분해도를 도시한다. 더 구체적으로, 도 2는 도 3의 조립도에서 라인 A-A를 따라 취해지는 분리부(200)의 단면의 조립도를 도시한다. 이에 따라, 도 2는 분리부(200)의 구성요소들의 내부도들을 도시하고 반면에 도 3은 분리부(200)의 구성요소들의 외부도들을 도시한다. 분리부(200)의 내부 구성요소들은 추가 구성요소들에 의해 둘러싸일 수 있으므로 도 3의 외부도에서 보이지 않을 수 있다. 더욱이, 분리부(200)의 일부 내부 구성요소들은 도 4의 분해도에서만 확인될 수 있다.
분리부(200)는 일반적으로 두 회전 구성요소들 사이의 결합이 가능하도록 중공의(hollow) 내부를 가지는 원형의 형상을 포함한다. 특히, 분리부(200)는 상술한 바와 같이, 차량의 두 샤프트들 사이의 결합을 제공할 수 있다. 더욱이, 두 샤프트들 사이의 결합이 동력 전달 및 동기 회전(synchronous rotation)을 가능하게 하도록 샤프트들 중 하나는 동력을 공급받고 반면에 다른 하나는 동력을 공급받지 않는다. 샤프트들과 같은 두 회전 구성요소들은 분리부(200)의 클러치 링(230)과 맞물리도록 기어 치(tooth)들 또는 스플라인들을 포함할 수 있다. 도 2 및 도 4에 도시되는 바와 같이, 클러치 링(230)은 클러치 링(230)의 내부(예를 안쪽의) 면에 외접하는 일련의 기어 치들(233)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시되는 바와 같이, 클러치 링(230)은 클러치 링(230)의 내부 원주 주위에 치들을 포함하지 않는 링 부분에 의해 분리되는 2개의 별개의 치들의 열(row)들을 포함한다. 더욱이, 도 2에 도시되는 바와 같이, 블록 시프트 스프링(2408)에 근접한 기어 치들의 제 1 세트는 화살표(203)에 의해 도시되는 바와 같이, 기어 치들의 제 1 세트보다 블록 시프트 스프링(2408)으로부터 더 멀리 위치결정되어 있는 기어 치들의 제 2 세트보다 축 방향으로 더 큰 폭을 가진다. 블록 시프트 스프링(2408)은 아래에서 도 5와 관련하여 더 논의된다.
두 샤프트들이 분리부(200)의 중공의 내부에 위치될 때, 클러치 링(230)은 두 샤프트들을 맞물리게 하거나 풀리게 하기 위하여 화살표(203)에 의해 도시되는 바와 같이 축 방향으로 앞뒤로 시프팅할 수 있다. 축 방향은 분리부(200)의 중심축(215)에 평행할 수 있다. 이 의미에서, 두 샤프트들을 맞물리게 하는 것은 클러치 링(230)이 양 샤프트들의 기어 치들과 맞물리는 것을 포함할 수 있고, 이에 의해 동력 및 회전이 샤프트들 사이에서 전달(예를 들어, 완전히 전달)될 수 있도록, 샤프트들 사이에는 실질적으로 견고한 연결이 효과적으로 발생된다. 역으로, 두 샤프트들을 풀리게 하는 것은 클러치 링(230)이 샤프트들 중 단 하나의 샤프트의 기어 치들과 맞물리는 것을 포함할 수 있고, 이에 의해 두 샤프트들 사이의 분리(예를 들어, 결합되지 않음)가 유지되고 샤프트들이 독자적으로 회전하는 것이 가능하다. 하나의 예로서, 클러치 링(230)의 기어 치들의 제 1 세트는 상술한 바와 같이, 두 샤프트들 중 하나의 샤프트와 맞물릴 수 있고 반면에 클러치 링(230)의 기어 치들의 제 2 세트는 두 샤프트들 중 다른 샤프트와 맞물린다. 4x2 위치에서 4x4 위치로 시프팅될 때, 클러치 링(230)은 화살표(203)에 의해 도시되는 바와 같이, 양의(positive) 축 방향으로 이동한다.
본 명세서 전체에 걸쳐, 도 2 내지 도 3에서의 화살표(203)에 의해 도시되는 바와 같은 축 방향으로의(예를 들어, 중심축(215)의 방향에서의) 병진 이동은 축 방향 또는 양의 축 방향으로 칭해질 수 있고, 반면에 반대 방향으로의 병진 이동은 음의 축 방향으로 칭해질 수 있다. 더욱이, 음의 축 방향은 제 1 방향일 수 있고 반면에 양의 축 방향은 제 2 방향일 수 있다. 마지막으로, 축 방향 또는 중심축(215)을 중심으로 하는 회전은 또한 방향 또는 회전에 따라 시계방향 또는 반시계“‡향 회전으로 칭해질 수 있다. 분리부(200) 및 이의 다양한 구성요소들은 일반적으로 원의 형상들을 가지므로, 상기 구성요소들 중 일부는 축 방향과 동일 선상일 수 있는 자체의 중심축들을 중심으로 회전할 수 있다.
EMPD 조립체(200)의 다양한 구성요소들은 하우징(도 2 내지 도 3에 도시되지 않음) 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 분리부(200)의 하우징은 분리부(200)의 구성요소들을 완전히 둘러싸고 수납할 수 있다. 이에 따라, 분리부 하우징은 분리부(200)의 이동하는 부분들을 방해하지 않게 그리스(grease), 먼지 또는 오일과 같은 외부 물질들로부터 적어도 부분적인 보호를 제공할 수 있다. 하우징은 분리부(200)를 고정형(stationary) 차량 구성요소에 고정하기 위해 다수의 장착 플랜지(flange)들을 포함할 수 있다. 분리부 하우징의 실시예들을 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 도 17 내지 도 27에 도시된다.
분리부(200)는 전자기 코일(220), 코일 복귀 스프링(coil return spring)(2418), 전기자(2406)와 캠(2404)을 포함하는 전기자 캠 조립체(2405), 시프터(2416), 블록 시프트 스프링(2408), 래칭 링 하우징(latching ring housing)(263)(또한 본원에서 캐리어(carrier)로서 칭해진다) 및 래칭 링(latching ring)(260), 래치 캠 링(latch cam ring)(261) 및 래치 가이드 링(latch guide ring)(271)을 포함하는 래칭 메커니즘(latching mechanism)을 더 포함한다. 래치 캠 링(261) 및 래치 가이드 링(271)은 도 4에 도시되고 도 2 내지 도 3에는 도시되지 않는다. 전자기 코일(220)은 아래에 더 설명되는 바와 같이 분리부(200)의 가동 및 클러치 링(230)의 이동을 발생시킨다. 코일(220)은 전기자(2406)와 접촉하기 위해, 축 방향으로 향하는, 편평한 접촉면을 포함한다. 코일(220)은 분리부(200)의 제어기(2414)의 인쇄 회로 기판(printed circuit board; PCB)(207)과 코일(220) 사이의 전기 접속을 제공하는 접촉 조립체(303)를 더 포함한다. 접촉 조립체(303)는 코일(220)의 한 측에 결합되고, 이 측은 분리부(200)의 나머지 구성요소들로 향하는 측과는 반대 측이다.
PCP(207)를 포함하는 제어기(2414)(도 4에 도시되는 바와 같은)는 PCB(207)에 부착되는 여러 전기 디바이스들(211)을 포함한다. 전기 디바이스들(211)은 마이크로프로세서들 및 다양한 과업들을 위해 저장된 명령들(마이크로프로세서들의 메모리 상에 저장되는)을 실행하기 위한 다른 구성요소들일 수 있다. 제어기(2414)는 본원에서 분리부 제어기로서 칭해질 수 있다. 아래에서 도 10 내지 도 11과 관련하여 더 설명되는 바와 같이, 제어기는 차량 제어기와 같이 분리부(200) 외부에 있는 디바이스 및 위치 센서(208)(도 2 내지 도 4에서는 감춰져 있으나 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 도 19 및 도 20에서 확인될 수 있음)로부터 시프팅 명령들(예를 들어, 4x2 또는 4x4 명령들)과 같은 다양한 신호들을 수신할 수 있다. 제어기(2414)는 그 후에 클러치 링(230)을 맞물리는 위치(예를 들어, 4x4 위치) 또는 풀리는 위치(4x2 위치)로 시프팅하기 위해 수신된 신호들을 프로세싱하고 이 신호들을 코일(220)과 같은(예를 들어, 코일을 여자시킴으로써) 분리 구성요소들의 다양한 액추에이터들로 송신할 수 있다. 이에 따라, 제어기(2414)는 자체의 메모리 내에 저장되어 있는 명령들을 분리부(200)의 다양한 센서들 및 액추에이터들과 결합하여 실행시킬 수 있다.
더욱이, 다수의 나사들(210)이 PCB(207)를 래치 캠 링(261)의 외면에 고정할 수 있다. 위치 센서(208)는 PCB(207)(도 4에서는 감춰져 있음)의 저면에 결합되고, 도 19 및 도 20에 도시되고 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 래치 캠 링(261)의 상면에 있는 슬롯(slot)을 통해 방사상으로 내향하여 연장된다. 이에 따라, 위치 센서(208)는 래칭 링 하우징(263) 내에 통합되는 2개의 자석들(212)과 인터페이싱한다. 더 구체적으로, 2개의 자석들(212)은 제 1 가이드 러그(guide lug)의 상측(분리부(200)가 차량 구동트레인 상에 설치될 때 차량이 있는 지면에 대해) 외면에 포함된다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 2개의 자석들(212)은 래칭 링 하우징(263) 내에 들어가 있고 래칭 링 하우징(263)의 폭에 걸쳐 서로 떨어진 거리로 이격되어 있다. 래칭 링 하우징(263)은 래칭 링 하우징(263)의 외부 원주 주위에서 간격을 두고 3개의 가이드 러그들(213)을 포함한다(도 4에 도시되는 바와 같이). 3개의 가이드 러그들(213)의 각각은 래칭 링 하우징(263)의 외면으로부터 외향하여 방사 방향(축 방향과 수직인 방사 방향)으로 연장되고 래칭 링 하우징(263)의 폭을 가로질러, 축 방향으로 연장된다. 3개의 가이드 러그들(213)은 병진(예를 들어, 축방향) 이동 동안 래칭 링 하우징(263)을 센터링(centering)하는 것을 보조한다. 이 방식에서, 가장 위에 있는 가이드 러그 내의 자석들(212)은 PCB(207) 상의 위치 센서(208)와 동일한 원주 정렬 상태로 유지될 수 있다. 예를 들어, 3개의 가이드 러그들(213)은 래치 캠 링(261)의 내부면 내의 대응하는 홈(groove)들(예를 들어, 슬롯들)(259)(도 4에 도시되는 바와 같은)과 대면한다. 다른 실시예들에서, 래칭 링 하우징(263)은 3보다 더 많거나 더 적은 가이드 러그들(213) 및/또는 2보다 더 많거나 더 적은 자석들(212)을 포함할 수 있다. 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 분리부(200)의 래칭 링 하우징(263) 및 현재의 시프트 위치의 축방향 정렬은 위치 센서(208)가 자석들(212)과 축방향으로 정렬되어 있어서 이 자석들(212)을 감지하는지에 기초하여 결정될 수 있다.
전기자 캠 조립체(2405)는 전기자(2406) 및 캠(2404)을 분리하는 어떠한 추가 개재 구성요소들 없이, 캠(2404)에 직접적으로 결합되는(예를 들어, 부착되는) 전기자(2406)를 포함한다. 하나의 예로서, 전기자(2406) 및 캠(2404)은 하나의 피스(piece)로 형성될 수 있다. 전기자(2406)는 코일(220)에 가까이 근접하여 위치결정되는 편평한 금속 디스크(예를 들어, 가운데에 개구(aperture)를 가지는 얇고, 편평한 금속의 링-형상의 판(plate))이다. 코일(220)은 중심축(215)을 따라 축방향으로 병진 이동하도록 적응되지만 중심축(215)을 중심으로 회전 가능하게 고정된다(예를 들어, 회전하지 않는다). 대조적으로, 전기자(2406)는 중심축(215)을 중심으로 회전하도록 적응되지만 축방향으로 변동되지 않는다(예를 들어, 중심축(215)을 따라 병진 이동하지 않는다). 예를 들어, 코일(220)이 여자되지 않을 때, 전기자(2406) 및 코일(220)은 도 2 및 도 3에 도시되는 바와 같이, 에어 갭(408)에 의해 분리된다. 코일 복귀 스프링(2418)은 또한 코일(220)에 근접하고 코일의 일부를 둘러쌀 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시되는 바와 같이, 코일(220)은 더 큰 직경 부분과 더 작은 직경 부분을 가지는 계단식 프로파일(profile)을 포함하고, 코일 복귀 스프링(2418)은 더 큰 직경 부분의 내측의 축방향으로 향하는 면에 대고 위치결정되고 더 작은 직경 부분의 외면을 둘러싼다. 아래에서 도 5 내지 도 7과 관련하여 더 설명되는 바와 같이, 코일(220)이 여자되면, 코일(220)은 금속의 전기자(2406)로 인력을 받고 따라서 전기자(2406) 쪽으로 축방향 이동하고 반면에 전기자(2406)는 축 방향으로(예를 들어, 중심축(215)을 따라) 계속 고정되어 있다.
도 3 및 도 4에서 도시되는 바와 같이, 캠(2404)은 캠(2404)의 원주 주위에 위치결정되는 일련의 양방향 램프들을 포함한다. 각각의 양방향 램프는 전기자(2406)에 근접하는 정점(vertex)을 포함한다. 더욱이, 일련의 양방향 램프들은 2개의 인접한(예를 들어, 연속하는) 정점들(307) 사이에 위치결정되는 베이스(base)(309)를 포함한다. 이에 따라, 양방향 램프들의 각각의 램프 부분은 정점(307) 및 베이스(309) 사이에서 연장된다.
시프터(2416)는 캠(2404)에 인접하게 위치된다. 시프터(2416)는 가이드 부분(2415) 및 케이지(cage) 부분(2417)을 포함한다. 가이드 부분(2415)은 케이지 부분(2417)보다 축 방향으로 캠(2404)에 더 가까이 있다. 가이드 부분(2415)은 시프터(2416)의 외면으로부터 방사상으로 멀어지게 연장되는 상승 면 프로파일을 포함한다. 상승 프로파일은 시프터(2416)의 원주 주위에 위치되는 일련의 가이드들을 포함한다. 특히, 가이드들의 각각은 상승 프로파일의 베이스 부분으로부터 축방향으로 그리고 캠(2404) 쪽으로 연장되고, 베이스 부분은 시프터(2416)의 원주 주위로 연장된다. 가이드들은 시프터(2416)의 윈주 주위에서 서로 떨어진 거리로 위치결정됨으로써 베이스 부분에 평탄하고 편평한 저 지점들이 그리고 각각의 가이드의 선단에 고 지점이 만들어진다. 가이드 부분(2415)의 가이드들의 각각은 하나의 선단(307) 및 캠(2404)의 대응하는 램프들과 인터페이싱한다. 더욱이, 두 인접한 가이드들 사이의 베이스 부분의 각각의 섹션은 캠(2404)의 하나의 베이스(309)와 인터페이싱한다. 캠(2404)의 정점들(307)의 수는 시프터(2416)의 가이드 부분(2415)의 가이드들의 수와 동일하다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 가이드 부분(2415)의 가이드들은 아래에서 도 5와 관련하여 더 설명되는 바와 같이, 분리부(200)가 4x2 위치에 있을 때 캠(2404)의 선단(307) 내에 들어맞도록 형상화(shaped)될 수 있다(예를 들어 선단 및 각이 진 측들를 가지는).
시프터(2416)의 케이지 부분(2417)은 복수의 외측 스플라인들(예를 들어, 핑거(finger)들)(403) 및 케이지 부분(2417)의 원주 주위에 위치결정되고 시프터(2416)의 중앙 부분으로부터 가이드 부분(2415)의 가이드들이 연장되는 방향과 반대인 방향으로 연장되는 포스트들(405)을 포함한다. 포스트들(405) 및 외측 스플라인들(403)은 케이지 리테이너(retainer)(401)(도 4에 도시됨)에 결합된다. 케이지 리테이너(401)는 클러치 링(230)을 케이지 부분(2417) 내에 유지시킨다. 구체적으로, 포스트들(405)은 케이지 리테이너(401) 내의 대응하는 개구 내로 삽입되고 외측 스플라인들(303)은 케이지 리테이너(401)를 시프터(2416)에 대한 공간 내에 유지하기 위해 케이지 리테이너(401) 내의 대응하는 개구들(409) 내로 삽입되고 스냅 고정(snap)된다.
케이지 부분(2417)은 케이지 부분(2417)의 내부면에 그리고 시프터(2416)의 원주 주위에 배열되는 복수의 내측 스플라인들(2419)을 더 포함한다. 내측 스플라인들(2419)의 각각은 포스트들(405) 중 하나를 포함하는 대응하는 포스트 몸체에 부착된다. 내측 스플라인들(2419)의 각각은 클러치 링(230)의 외면 주위에(예를 들어, 외경(outer diameter)을 따라) 위치결정되는 복수의 스플라인 절제부(cutout)들(231) 중 하나와 인터페이싱한다. 이에 따라, 클러치 링(230)은 스플라인 절제부들(231) 및 스플라인들(2419) 사이가 짝을 이루어 맞물리게 하는 것을 통해 시프터(2416)의 케이지 부분(2417)에 고정된다. 이에 따라, 내측 스플라인들은 클러치 링(230)에 토크를 전달한다. 달리 말하면, 시프터(2416) 및 클러치 링(230)은 서로 고정되므로 단일 유닛(unit)으로서 중심축(215)을 중심으로 함께 회전하거나 병진 이동된다. 이 방식에서, 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 시프터(2416)의 축 방향으로의 병진 이동은 결과적으로 클러치 링(230)이 공동으로 병진 이동됨으로써 분리부(200)의 외부의 두 회전 구성요소들 사이에 선택적인 맞물림을 제공한다.
위에 소개된 바와 같이, 분리부(200)는 래칭 링(260)(회전하고 축 방향으로 병진 이동되는), 래치 캠 링(261) 및 래치 가이드 링(271)을 포함하는 래칭 메커니즘을 포함한다. 래칭 링(260)은 일반적으로 중공의 내부를 가지는 동그란, 환형의 형상을 포함한다. 래칭 링(260)의 외면(예를 들어, 외부 원주)은 래칭 링(260)의 원주 주위에 고르게 이격되어 있는 다수의 돌출 핀들(2412)을 포함한다. 달리 말하면, 핀들(2412)은 래칭 링(260)의 외부 방사면(radial surface)에 부착되는 핀들이다. 대안의 실시예들에서, 핀들(2412)은 래칭 링(260)의 원주 주위에 고르게 이격되어 있지 않을 수 있다. 핀들(2412)은 래칭 링(260)의 외면으로부터 방사 방향(축 방향과 수직인 방사 방향)으로 외향하여 연장된다.
도 2 및 도 4에서 도시되는 바와 같이, 래칭 링 하우징(263)은 래칭 링(260)을 잡기 위하여 계단식 오목부(recess)(239)를 포함한다. 예를 들어, 래칭 링(260)의 내면은 계단식 오목부(239)의 외면 주위와 들어맞는다. 더욱이, 계단식 오목부(239)는 가이드 러그들(213)을 포함하는 래칭 링 하우징(264)의 나머지 부분보다 더 작은 직경을 가진다. 예를 들어, 래칭 링 하우징(263)은 래칭 링(260)이 중심축(215)을 중심으로 자유로이 회전하는 것을 가능하게 하지만 래칭 링(260)이 축 방향으로 단지 제한된 양으로 병진 이동(즉, 선형으로 이동)하는 것만을 가능하게 한다.
도 4에 도시되는 바와 같이, 래칭 메커니즘은 고정형 래치 캠 링(261)(내부 트랙을 제공하는) 및 고정형 래치 가이드 링(271)(외부 트랙을 제공하는)을 더 포함한다. 래치 캠 링(261) 및 래치 가이드 링(271)(도 4에 도시됨)은 전기자 캠 조립체(2405), 클러치 링(230) 및 시프터(2416)와 같이, 상술한 분리부(200)의 다른 구성요소들을 둘러싸고 이들의 외부에 있다. 이에 따라, 래치 캠 링(261) 및 래치 가이드 링(271)은 분리부(200)의 하우징의 내면으로 직접적으로 내부에 위치될 수 있다. 래치 캠 링(261) 및 래치 가이드 링(271)은 분리부(200)의 고정된 하우징에 대해 정지된 상태로 유지된다. 즉, 래치 캠 링(261) 및 래치 가이드 링(271)은 중심축(215)에 대해 회전하거나 병진 이동하지 않는다. 래치 캠 링(261) 및 래치 가이드 링(271)은 중심축(215)을 따라 서로 인접하게 위치결정되고 래치 캠 링(261) 및 래치 가이드 링(271)의 원주 주위에 산(peak)들 및 골(valley)들로 배열되는 패턴을 형성한다. 산들 및 골들에 의해 형성되는 공간은 본원에서 래칭 트랙(latching track) 프로파일(265)(아래에서 더 설명되는 도 8에 도시됨)로 칭해진다. 더 구체적으로, 래치 캠 링(261)은 래치 가이드 링(271)과 인터페이싱하는 래치 캠 링의 제 1 단부로부터 래치 캠 링(261)으로 연장되는 상이한 크기의 압입 자국(indentation)들의 패턴을 형성하는 제 1의 일련의 치들을 포함하고, 제 1 일련의 치들은 래치 캠 링(261)의 원주 주위에서 연장되어 있다. 래치 가이드 링(271)은 래치 캠 링(261)과 인터페이싱하는 래치 가이드 링(271)의 제 1 단부로부터 래치 가이드 링(271)으로 연장되는 일정한 크기의 압입 자국들의 패턴을 형성하는 제 2의 일련의 치들을 포함한다. 래칭 링(260)의 핀들(2412)은 아래에서 도 8과 관련하여 더 설명되는 바와 같이, 래치 가이드 링(271) 및 래치 캠 링(261) 사이에 형성되는 래칭 트랙 프로파일(265) 내에서 들어맞고 이 프로파일(265)을 따라 이동하고 따르도록 억제된다.
분리부(200)는 분리부(200)의 구성요소들을 제 자리에 유지시키는 하나 이상의 리테이닝 링(retaining ring)들(277)을 더 포함한다. 추가로, 분리부(200)는 분리부(200)의 플라스틱 구성요소들 사이에서의 마모를 줄이기 위해서 도 4에 도시되는 바와 같이, 와셔(washer)(301)를 포함한다. 상기에 설명된 바와 같이, 전기자(2406)는 금속을 포함한다. 그러나, 시프터(2416), 캠(2404) 및 래칭 링 하우징(263)과 같은 분리부(200)의 다른 구성요소들은 플라스틱 재료를 포함한다. 와셔(301)는 회전 가능한 시프터(2416) 및 고정형(예를 들어, 고정되거나 회전하지 않는) 래칭 링 하우징(263) 사이에 위치결정된다. 결과적으로, 시프터(2416) 및 래칭 링 하우징(263) 사이의 마모가 감소됨으로써 분리부(200)의 수명과 신뢰성이 증가된다. 일부 실시예들에서, 분리부(200)는 차축 및 분리부(200)의 하우징과 같이, 분리부 구성요소들 및 회전 구성요소 사이에 보호 실(seal)을 제공하기 위하여 하나 이상의 실들을 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 먼지 및 다른 물질들이 분리부(20)의 내부로 들어가거나 내부에서 나오는 것이 실질적으로 방지될 수 있다.
도 2 내지 도 4와 관련하여 상술되는 분리부(200)는 일련의 고정 및 이동 구성요소들을 포함한다. 구성요소가 고정인(모든 방향들에서 고정인) 것으로 기술되면, 이는 이 구성요소가 분리부의 다른 구성요소들에 대해 그리고 분리부(200)의 구성요소들을 둘러싸는 외부 하우징에 대해 이동하지 않는 것을 의미한다. 더욱이, 이동하는 구성요소들은 분리부(200)의 중심축(215)을 중심으로 회전하고/하거나 중심축(215)에 대하여 양 및/또는 음의 축 방향으로 병진 이동할 수 있다. 상술한 바와 같이, 래치 캠 링(261) 및 래치 가이드 링(271)은 완전히 고정인 요소들이고 축 방향으로 병진 이동하지 않고 중심축(215)을 중심으로 회전하지 않는다. 이에 따라, 이 구성요소들은 고정되고 분리부 구성요소들을 둘러싸고 수납하는 분리부의 하우징에 결합될 수 있다. 코일(220)은 회전이 고정(예를 들어, 중심축(215)을 중심으로 회전하지 않는다)되고 축 방향으로 적은 양으로(단지 코일(220) 및 전기자(2406) 사이의 에어 갭을 메우는(close) 데 충분한) 이동하도록 억제된다. 시프터(2416)는 클러치 링(230)에 결합되고 이 구성요소들은 하나의 유닛으로 함께 축 방향으로 병진이동하고 중심축(215)을 중심으로 회전한다. 시프터(2416)의 병진 이동에 응답하여, 래칭 링 하우징(263) 및 래칭 링(260)은 또한 축 방향으로(예를 들어, 양 및 음의 축 방향) 병진 이동한다. 그러나, 래칭 링 하우징(263)은 중심축(215)으로부터 회전하지 않도록 회전으로부터 고정된다. 래칭 링(260)은 또한 래치 캠 링(261)의 트랙 면 및 래치 가이드 링(271)의 트랙 면(래치 캠 링 및 래치 가이드 링의 트랙 면들 사이에 형성되는 래칭 트랙 프로파일(265)) 사이 또는 이들을 따라 앞뒤로 이동하면서 중심축(215)을 중심으로 회전할 수 있다. 전기자(2406) 및 캠(2404)은 하나의 유닛(예를 들어 전기자 캠 조립체(2405))으로 서로 고정되므로 중심 축(215)을 중심으로 함께 회전한다. 그러나, 전기자(2406) 및 캠(2404)은 축방향으로 정적이다(예를 들어, 이것들은 양 및/또는 음의 축방향으로 병진 이동하지 않는다). 코일(220)이 여자되지 않으면, 이는 전기자(2406)로 당겨지거나 부착되지 않는다. 결과적으로, 전기자(2406) 및 캠(2404)은 시프터(2416)와 함께 중심축(215)을 중심으로 자유로이 회전할 수 있다. 그러나, 코일(220)이 여자되면, 코일(220)은 전기자(2406) 쪽으로 이동하여 전기자(2406)에 직접 접촉함으로써, 코일(220) 및 전기자(2406) 사이의 에어 갭이 메워진다. 결과적으로, 전기자(2406) 및 캠(2404)은 속도가 느려지거나 회전을 중지한다. 전기자(2406) 및 캠(2404)이 축 방향으로 이동(예를 들어, 병진 이동)하지 않고 대신에 코일(220)이 단지 전기자(2406) 쪽으로 병진 이동만 하도록 하기 위하여 전기자(2406) 및 캠(2404)을 제한함으로써, 더 정확한 축방향 이동이 달성된다. EMPD(200)의 시프팅 모드들에 대한 부가적인 세부사항들은 아래에서 도 5 내지 도 11과 관련하여 논의된다.
이 방식에서, EMPD 조립체(200)는 조립체의 클러치 링을 2개의 회전 구성요소들(예를 들어, 차량 동력트레인의 차축들 또는 샤프트들)이 서로 회전 가능하게 결합되는 4x4 위치로 그리고 2개의 회전 구성요소들이 서로 회전 가능하게 결합되지 않는 4x2 위치로 조정할 수 있다. 도 5 내지 도 7은 상이한 시프트 위치들(예를 들어, 각각 4x2, 시프트의 종료 및 4x4 위치들)에서의 EMPD(200)의 단면 및 조립도들을 도시한다. 도 5 내지 도 7에 도시되는 EMPD의 구성요소들은 도 2 내지 도 4에서 도시되고 상술한 구성요소들과 동일할 수 있다. 이에 따라, 이 구성요소들은 유사하게 번호가 매겨지고 도 5 내지 도 7을 참조할 때 아래에서 다시 소개되지 않을 수 있다. 구체적으로, 도 5는 제 1의 4x2 위치(예를 들어, 풀려 있는 위치)에 있는 분리부(200)의 제 1 조립도(501) 및 도(501)의 섹션 A-A를 따라 취해지는 제 1 조립 단면도(503)의 개략도(500)를 도시한다. 도 7은 제 2의 4x4 위치(예를 들어, 맞물리는 위치)에 있는 분리부(200)의 제 2 조립도(701) 및 도(701)의 섹션 A-A를 따라 취해지는 제 2 조립 단면도(703)의 개략도(700)를 도시한다. 도 6은 제 3의 시프트의 종료(end of shift; EOS) 위치에 있는 분리부(200)의, 제 3 조립도(601) 및 도(601)의 섹션 A-A를 따라 취해지는 제 3 조립 단면도(603)의 개략도(600)를 도시한다. 이 위치들은 차량의 시프팅 모드들에 대응할 수 있고, 시프트 명령은 차량 제어기로 송신될 수 있고, 이 명령들은 차례대로 이 명령에 따라 EMPD 조립체(200)를 가동시키기 위해 분리부 제어기(2414)로 송신될 수 있다.
도 5에서 도시되는 4x2 위치에서, 클러치 링(230)은 단지 하나의 회전 구성요소(도시되지 않음)와 맞물리고 반면에 다른 회전 구성요소(도시되지 않음)는 독자적으로 회전하도록 허용된다. 4x2 위치에서, 코일(220) 및 전기자(2406)는 에어 갭(408)에 의해 서로 분리된다. 추가로, 시프터(2416)의 가이드 부분(2415)의 가이드들은 캠(2404)의 선단들(307)에 대하여(그리고 인터페이싱하여) 위치결정된다. 더욱이, 시프터(2416)의 가이드 부분(2415)의 베이스 부분들은 캠(2404)의 베이스들(309)에 대하여(그리고 인터페이싱하여) 위치결정된다. 이에 따라, 시프터(2416) 및 캠(2404) 사이의 비어 있는 공간은 4x4 위치에 비해 최소화될 수 있다. 시프터(2416)가 클러치 링(230)과 결합되므로, 시프터(2416)는 클러치 링(230)(및 클러치 링이 맞물리는 회전 구성요소)과 함께 회전된다. 게다가, 캠(2404)은 각각 시프터(2416) 및 캠(2404)의 인터페이싱 가이드들 및 양방향 램프들로 인해 시프터(2416)와 함께 회전한다.
4x2로부터 4x4 모드로의 시프트를 명령하면, 차량 제어기는 두 회전 구성요소들을 연결하는 것이 안전한지를 결정할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 두 회전 구성요소들은 차량 전진 또는 후진에 대응하는 동일한 방향으로 회전할 필요가 있을 수 있다. 분리부(200)를 4x4 위치로 시프트하라는 시프트 명령을 수신하자마자, 제어기(2414)는 코일(220)을 여자시키기 위해 접촉 조립체(303)(도 3과 관련하여 상술한)를 통해 전자기 코일(220)에 전류를 제공한다. 전자기의 속성들에 따라, 코일(220)을 여자시키면 코일을 둘러싸는 자기장이 생성될 수 있다. 이에 따라, 코일(220)은 코일(220)에 의해 만들어진 자기장과 상호 작용을 하기 위해 적절한 금속 재료로 구성되는 전기자(2406)로 당겨진다. 코일(220)이 회전하는 것으로부터 고정되어 있는 동안, 전기자(2406)(및 전기자(2406)에 부착되는 캠(2404))은 상술한 바와 같이, 시프터(2416) 및 클러치 링(230)과 함께 회전한다. 코일(220)이 제한된 양만큼 자유로이 병진 이동하므로, 코일(220)은 양의 축 방향으로, 전기자(2406) 쪽으로 그리고 전기자(2406)와 접촉하도록 이동하고, 반면에 전기자(2406)는 축 방향으로 정지되어 있는 상태로 유지된다. 코일(220)의 전기자(2406)로의 이 움직임은 에어 갭(408)을 효과적으로 메우고 이에 의해 코일(220) 및 전기자(2406) 사이에 마찰을 발생시킨다. 이에 따라, 전기자(2406)의 회전이 느려지거나 정지될 수 있다. 전기자(2406) 및 캠(2404)이 시프터(2416)보다 더 느리게 회전하고 있을 때, 캠(2404)의 양방향 램프들은 시프터(2416)의 가이드들에 대한 힘을 발생시킨다. 결과적으로, 도 701에 도시되는 바와 같이, 시프터(2416)의 가이드들은 선단들로부터 멀어지면서 캠(2406)의 베이스들 쪽으로, 캠(2406)의 램프들을 따라 부분적으로 슬라이딩(sliding)된다. 이는 시프터(2416)가 양의 축 방향으로(203으로 도시됨) 캠(2404)으로부터 멀어지게 이동되도록(반면에 캠(2404)은 축 방향으로 정적인 상태로 유지된다) 한다. 시프터(2416)가 클러치 링(230)에 부착되므로, 양 구성요소들 모두는 단일 유닛으로서 축 방향(예를 들어, 양의 축 방향)으로 병진 이동한다. 이 방식에서, 여자된 코일(220) 및 전기자(2406)에 의해 발생되는 구동력은 클러치 링 조립체를 양의 축 방향으로 힘을 가해 제 2 회전 구성요소와 맞물리게 한다. 풀림 위치에서 맞물림 위치로의 시프트를 발생시키기 위해 시프터(2416)의 축방향 운동(axial motion)이 후속해서 클러치 링(230)에 작용함으로써, 4x2로부터 4x4 위치로 시프팅하게 된다.
위에 그리고 아래에서 도 8과 관련하여 더 설명되는 바와 같이, 분리부(200)는 코일(220)이 계속 여자되어 있을 필요 없이 분리부를 4x4 위치로 유지하는 래칭 메커니즘을 포함한다. 예를 들어, 하나의 위치에서 다른 위치로 시프팅될 때 단지 코일(220)만을 여자시키는 것이 유용하다. 그러나, 래칭 메커니즘이 분리 조립체에 포함되지 않으면, 코일(220)을 비여자화하는 결과로 전기자(2406) 및 캠(2404)은 시프터(2416)와 함께 자유로이 회전하게 되고 복귀 스프링(2410)은 그 후에 클러치 링(230)을 4x2 위치로 복귀시킨다(시프터(2416) 및 클러치 링(230)을 음의 축 방향으로 병진 이동시킴으로써). 대신, 4x4 위치를 명령하면, 코일(220)은 여자되고 클러치 링(230)은 상술한 바와 같이 4x4 위치로 시프팅된다. 이 운동 외에, 래칭 메커니즘은 심지어 코일(220)이 비여자화된 이후에도, 분리부(200)를 4x4 위치로 유지시킨다. 이 상태에서, 4x2 모드가 선택될 때까지 차량은 4x4 모드에서 유지될 것이다.
4x2로부터 4x4 모드로 시프팅하라고 명령하면, 제어기(2414)는 코일(220)을 여자시키기 위해 다시 접촉 조립체(303)를 통해 전류를 전자기 코일(220)에 제공한다. 결과적으로, 시프터(2416)의 가이드 부분(2415)의 가이드들은 가이드들이 캠(2404)의 양방향 램프들(예를 들어, 베이스들(309))의 경사지지 않은 베이스 단부들과 접촉될 때까지 캠(2404)의 램프들 위로 더 이동한다. 이 위치는 시프트의 종료(end-of-shift; EOS) 위치로서 칭해지고 도 6에 도시된다. 이 추가 이동 거리로 인해 래칭 메커니즘은 아래에서 도 8과 관련하여 더 설명되는 바와 같이, 플립(flip)하게 된다. 일단 래칭 메커니즘이 플립되면, 코일(220)은 비여자화될 수 있다. 코일(220)이 EOS 위치로부터 비여자화되면, 코일(220)은 전기자(2406)로부터 멀어지게 이동되고 코일(220) 및 전기자(2406) 사이에는 에어 갭(408)이 다시 존재한다. 전기자(2406) 및 캠(2404)은 그 후에 시프터(2416)과 함께 자유로이 회전하고 복귀 스프링(2410)은 클러치 링(230)을 4x2 위치로 복귀시킨다. 차량 구동 모드는 코일(220)이 짧은 지속기간 동안 여자화되거나 펄스화될 때마다 4x2 및 4x4 위치 사이에서 순환될 수 있다.
게다가, 클러치 치들이 정렬되지 않거나 결속(binding)이 발생하였기 때문에 클러치 링(230)이 시프팅될 수 없으면, 블록 시프트 스프링(2408)은 편위(deflection)되고 시프터 조립체가 명령을 받은 운동을 완료하는 것이 가능하다. 치들이 정렬될 때 또는 결속이 제거될 때, 블록 시프트 스프링(2408)은 클러치 링이 원하는 위치가 되도록 이 클러치 링에 힘을 가할 것이다.
상술한 바와 같이, 래칭 메커니즘은 전자기 코일이 여자화된 상태를 유지할 것을 요구하지 않고 분리부(200)를 선택된 시프트 위치로 유지한다. 이 방식에서, 코일은 단지 하나의 시프트 위치에서 다른 시프트 위치로 이동될 때 여자화될 수 있다. 분리부(200)에서 사용될 수 있는 래칭의 하나의 예는 도 8에 도시된다. 구체적으로, 도 8은 분리 조립체(200)의 상면도로부터의 래칭 트랙 프로파일(265)의 개략도(750)를 도시한다. 래칭 트래픽 프로파일(265)은 고정형 래치 캠 링(261) 및 고정형 래치 가이드 링(271) 사이에 형성된다. 래칭 메커니즘은 트랙 프로파일(예를 들어, 트랙)(265)을 따라 이동하는 복수의 방사상 지향(radially oriented) 핀들(2412)을 포함하는 병진(축 방향으로의) 및 회전 래칭 링(260)을 더 포함한다. 래칭 링(260)의 하나의 핀(2412)의 이동 경로가 도 8에 도시된다. 래치 캠 링(261) 및 래치 가이드 링(271)의 트랙 면들은 원형의 래칭 트랙 프로파일(265)에 배열되는 산들 및 골들의 패턴을 형성한다. 위에 도 3 및 도 4와 관련하여 소개된 바와 같이, 래치 가이드 링(271)은 일정한 크기의 홈들(예를 들어, 압입 자국들)의 패턴을 형성하는 제 2의 일련의 치들(751)을 포함하고, 도 8에 도시된 일련의 홈들 중 2개의 홈들(752 및 759)은 래치 가이드 링(271)까지 연장된다. 래치 캠 링(261)은 더 얕은 홈들(예를 들어, 디텐트(detent)), 즉 도 8에서 도시되는 2개의 더 얕은 홈들(754 및 757), 그리고 더 깊은 홈들(예를 들어, 디텐트), 즉 도 8에 도시되는 하나의 더 깊은 홈들(755)의 래치 캠 링(261)의 원주 주위에 반복 패턴을 형성하는 제 1의 일련의 치들(753)을 포함한다. 래칭 트랙 프로파일(265)은 일련의 홈들(예를 들어, 도 8에 도시되는 752 및 759), 더 얕은 홈들(예를 들어, 도 8에 도시되는 754) 및 더 깊은 홈들(예를 들어, 도 8에 도시되는 755) 및 래치 캠 링(261) 및 래치 가이드 링(271)의 치들을 분리시키는 공간에 의해 형성된다. 래치 캠 링(261) 및 래치 가이드 링(271)의 홈들 전체의 일부만이 도 8에 도시된다.
래칭 링(260)은 핀들(2412)이 트랙(265)의 산들 및 골들을 위 아래로 이동할 때 회전하고, 트랙의 산들 및 골들은 래치 캠 링 및 래치 가이드 링의 트랙 면들에 의해 형성된다(예를 들어, 치 패턴). 래치 캠 링(361)의 트랙 면의 홈들은 핀(2412)이 안정된 위치에서 정지될 수 있는 더 얕은 홈들(754 및 757)을 포함한다. 핀(2412)은 또한 당연히 안정된 위치인 더 깊은 홈(755)에서 정지될 수 있다. 분리부(200)의 시프팅 메커니즘이 상술한 바와 같이 위치를 시프팅할 때(그리고 양의 축의 방향으로 이동할 때), 래치 링 핀들(2412)은 래치 가이드 링(271)의 트랙 면에 대하여 힘을 받고 트랙(265)의 래치 가이드 링 측을 따라 이동된다. 핀들(2412)의 운동은 래치 가이드 링(271) 상의 정지 홈들(752 및 759)에 의해 정확한 지점에서 정지된다. 래치 홈 가이드 EOS 위치(756)인 제 1 정지 홈(예를 들어, EOS 홈)(752)은 4x2 모드로의 시프트가 완료될 때 래치 링 핀(2412)이 안정한 더 깊은 홈(755) 및 래치 홈 4x2 위치(758)로 전진하도록 위치결정된다. 제 2 정지 홈(759)은 4x4 모드로의 시프트가 완료될 때 래치 링 핀(2412)이 안정한 더 얕은 홈(757) 및 래치 홈 4x4 위치(762)로 전진하는 방식으로 760에서 위치결정된다. 모드 시프트가 행해질 때마다 래칭 링은 더 얕은 홈들(754 및 757) 및 더 깊은 홈들(755) 사이에서 교호하면서 하나의 방향으로 회전하고 전진한다. 래칭 시스템은 더 깊은 홈(755)이 4x4 위치에 대응하고 더 얕은 홈들(754 및 757)이 4x2 위치에 대응하도록 뒤바뀔 수 있음이 인정되어야 한다.
전자기 코일(220)이 켜지거나 여자될 때, 클러치 링(230) 및 래칭 링(260)은 203에서 도시되는 바와 같이, 양의 축 방향으로 병진 이동한다. 이에 따라, 래칭 링(260)의 핀들(2412) 또한 전체적으로 양의 축 방향으로(그리고 래치 가이드 링(271)과 반대로) 이동한다. 이 이동 외에, 핀들은 또한 래치 캠 링(261) 및 래치 가이드 링(271) 사이에서 오프셋(offset) 위치결정에 의해 분리부(200)의 중심축을 중심으로 회전할 수 있다. 명백하게, 중심축을 중심으로 하는 회전은 시계방향의 회전 방향(764)으로 도시된다. 이 방식에서, 핀들(2412)의 축방향 이동은 래치 가이드 링(271)과 반대로 반응함으로써, 래치 가이드 링(271)의 치들은 핀들(2412)이 반대로 슬라이딩될 수 있는 웨지(wedge) 역할을 하게 된다. 래치 가이드 링(271)의 트랙 면을 따라 핀들(2412)이 슬라이딩 운동함으로써 래칭 링(260)은 핀들(2412)이 트랙 면 내의 홈에 도달할 때까지 회전하게 된다. 도 8에 도시되는 예에서, 핀(2412)은 프로파일(265)의 제 1 4x4 홈(754)(또는 제 2 자체 잠금 위치)에서 시작할 수 있고, 코일을 여자시키자마자, 핀(2412)은 여자된 경로(770)를 따르고 제 1 EOS 홈(752)까지 이동한다. 핀(2412)이 EOS 홈(752) 내에 있을 때, 클러치 링 및 래칭 링 조립체들은 대응하여 EOS 위치에 있을 수 있다.
상술한 바와 같이, 핀(2412)이 EOS 홈(756) 내에 있어서 EOS 위치에 도달하자마자, 코일은 꺼질 수 있고(예를 들어, 비여자화되고), 그러므로 전기자(2406) 및 캠(2404)은 시프터(2416)와 함께 자유로이 회전함으로써 시프터를 축방향으로 캠(2404) 쪽으로 이동시키는 캠(2404)의 램프들 아래로 시프터(2416)의 가이드들을 역으로 이동시킨다. 차례로, 클러치 링(230)은 음의 축 방향으로 이동한다. 유사한 방식으로, 래칭 링(260)의 핀(2412)은 또한 분리부(200)의 중심축을 중심으로 회전하면서 또한 전체적으로 음의 축 방향으로 이동하여, 핀(2412)이 4x2 홈(예를 들어, 더 깊은 홈)(755)(예를 들어, 제 1 자체 잠금 위치)에 도달할 때까지 비여자화된 경로(772)를 따라서 래치 캠 링(261)의 프로파일을 따라갈 수 있다. 후속하여 시프팅하라는 명령이 제공되면, 코일(220)은 다시 켜져서(예를 들어, 여자되어), 클러치 및 래칭 링 조립체들이 축 방향으로 이동하도록 할 것이다. 결과적으로, 핀(2412)은 자신이 제 2 중지 홈(759)에 도달할 때까지 여자된 경로(774)를 따라간다. 코일(220)은 다시 꺼져서(예를 들어, 비여자화되어), 시프터(2416) 및 클러치 링(230)이 음의 축 방향으로 이동하는 것을 가능하게 함으로써, 핀(2412)으로 하여금 이 핀이 제 2 4x4 홈(예를 들어, 더 얕은 홈)(757)과 접촉하게 될 때까지 래치 캠 링(261)의 프로파일을 따라, 비여자화된 경로(776)를 따라 이동하도록 할 수 있다. 이 방식에서, 핀(2412)이 4x4 홈들(754 또는 757)(예를 들어, 제 2 자체 잠금 위치들)에 위치될 때, 분리 조립체(200)는 4x4 위치에 있다. 유사하게, 핀(2412)이 4x2 홈(755)(예를 들어, 제 1 자체 잠금 위치)에 위치될 때, 분리 조립체(200)는 4x2 위치에 있다. 이 방식에서, 분리부가 제 1 또는 제 2 자체 잠금 위치들 중 하나에 있을 때, 분리부는 여자화된 코일들(220)을 유지하지 않아도(예를 들어, 코일은 꺼질 수 있다) 대응하는 4x2 또는 4x4 위치에 남아 있는다. 도 8에서는 단지 5개의 홈들만이 도시될지라도, 홈들의 패턴 및 프로파일(265)은 래치 캠 링(261) 및 래치 가이드 링(271)의 주변을 따라 반복되는 것이 이해된다. 더욱이, 다수의 핀들(2412)이 프로파일(265) 내에 위치될 수 있다. 특히, 홈들의 수는 래칭 링(260)의 핀들(2412)의 수의 배수일 수 있다. 예를 들어, 래칭 링이 5개의 핀들을 포함하여야 하면, 래칭 트랙 프로파일(265) 상에 위치되는 20 또는 25개의 홈들이 있을 수 있다. 도 4에 도시되는 바와 같이, 래칭 링(260)은 8개의 핀들을 포함한다. 그러나, 8보다 더 많거나 더 적은 핀들의 수 또한 가능하다.
분리 조립체(200)를 4x2 및 4x4 위치들로 이동시키는 시프트 절차들로부터, 클러치 링 조립체(예를 들어, 클러치 링(230), 시프터(2416), 캠(2406), 블록 시프트 스트링(2408) 및 케이지 리테이너(401)) 및 래칭 링 조립체(예를 들어, 래칭 링(260), 리테이닝 링(277) 및 래칭 링 하우징(263))은 공동으로 축방향으로 병진 운동을 하는 별개의 구성요소들로 동작한다. 이에 따라, 클러치 링 및 래칭 링 조립체들은 실질적으로 단일 유닛으로 병진 이동할 수 있다. 클러치 링 및 래칭 링 조립체들은 총칭하여 캠 종동절(cam follower) 메커니즘으로 칭해질 수 있다. 래칭 링(260) 및 래칭 링 하우징(263)을 포함하는 래칭 링 조립체는 EOS 위치로의 중간 시프팅을 통해 래칭 링 조립체 및 클러치 링 조립체를 4x2 및 4x4 위치들에 유지하기 위하여 래칭 트랙 프로파일(265)과 연동한다. 코일(220)이 여자될 때, 클러치 및 래칭 링 조립체들은 이동되고 EOS 위치에서 유지될 수 있다. 역으로, 코일(220)이 비여자화될 때, 클러치 및 래칭 링 조립체들은 래칭 링 조립체(예를 들어, 상술한 래칭 링 메커니즘)에 의해 이동되고 자체의 정상 상태의 4x2 및 4x4 위치들에서 유지될 수 있다. 다시, 래칭 링 하우징(263)은 래칭 링(260)이 분리부(200)의 중심축을 중심으로 자유로이 회전하는 것을 가능하게 하지만 래칭 링(260)이 축 방향으로 제한된 양으로 병진 이동하도록 래칭 링(260)을 제한할 수 있다. 제한된 병진 이동의 양은 시프팅 운동들 동안 래칭 링(260) 및 래칭 링 하우징(263) 사이의 회전 항력의 양을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 래칭 하우징(263)은 래칭 링 하우징(263)이 병진 이동할 수 있으나 회전하는 것으로부터 고정되도록 분리부(200) 내에서 제한될 수 있다. 이에 따라, 래칭 링 하우징(263)은 전진 또는 후진 차량 방향과 관계없이 래칭 링(260)에 단지 축방향(병진 운동의) 힘들만을 인가할 수 있다.
분리부(200)의 4x2, 4x4 및 EOS 위치들의 각각에 대응하는 홈들을 제공하는 래칭 트랙 프로파일(265)은 래칭 링(260)의 핀들(2412)을 통해 래칭 링 조립체에 부착된다. 상기 트랙 프로파일(265)은 분리부의 하우징 내에서 고정형일 수 있고, 단일 회전 방향으로 회전하도록 핀들(2412)을 제한하기 위해 바이어싱(biasing)될 수 있다. 도 8에 도시되는 바와 같이, 프로파일(265)의 바이어싱된 피처(feature)는 래치 캠 링(261) 및 래치 가이드 링(271) 사이의 오정렬에 의해 발생될 수 있다. 특히, 래치 캠 링(261)은 핀이 시계방향으로만 이동하고 그리고 반시계방향으로는 이동하지 않게 바이어싱되도록 시계방향으로 시프팅될 수 있다. 일반적으로, 핀(2412)은 방향들을 바꾸지 않고 단일 회전 방향으로만 회전하도록 트랙(265)에 의해 제한될 수 있다. 이 방식에서, 래칭 링(260)이 코일(220)의 비여자화 아니면 클러치 링 조립체에 의해 양 또는 음의 축 방향들로 가동될 때, 핀들(2412)은 홈들(754, 752, 755, 759 또는 757) 중 하나에 도달할 때까지 이에 따라 시계 방향으로 이동한다. 핀(2412)이 EOS 홈(752) 또는 홈(759)에 도달하지 않도록 클러치 링 및 래칭 링 조립체들이 EOS 위치로 이동하지 않으면, 구성요소들은 이전의 상태로 역으로 복귀할 수 있다. 4x2 및 4x4 홈들은 뒤바뀔 수 있음이 주목된다. 클러치 링 조립체는 4x2 및 4x4 위치들 사이에서의 분리부(200)의 이동을 구동할 수 있고 반면에 래칭 링 조립체는 분리부(200)를 4x2 및 4x4 위치들에 유지할 수 있다.
EMPD 조립체(200)는 위에 소개된 바와 같이, 조립체의 시프트 위치를 결정하기 위해 자기 위치 센서 조립체를 더 포함할 수 있다. 위치 센서 조립체는 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 래칭 링 하우징(263) 내에 임베딩되는(embedded) 자석들(212) 및 도 19 및 도 20에 도시되는 위치 센서(208)를 포함한다. 래칭 링 하우징(263)이 자유로이 병진 이동하지만 회전할 수 없으므로, 자석들(212)은 분리부(200)의 중심축(215)을 중심으로 회전하지 않으면서 단지 병진 이동만을 할 수 있다. 위치 센서(208)는 센서가 자석(212)의 자력의 세기를 검출할 수 있도록 자기 센서일 수 있다. 그러므로, 센서(208)로부터 신호들을 수신하는 외부 차량 제어기는 자력을 분리 조립체(200)의 위치, 즉 클러치 링 조립체 및 래칭 링 조립체, 특히 클러치 링(230)의 위치와 상관시킬 수 있다. 예를 들어, 센서(208)는 분리부(200)가 EOS 위치에 있을 때 자석(212) 바로 위에 장착되어 있을 수 있다. 센서(208)는 EOS 위치로부터 4x2 및 4x4 위치들로의 자체의 축 이동을 통하여 자석(212)의 자력의 세기를 검출할 수 있다. 이 방식에서, 센서(208)는 4x2, 4x4 및 EOS 위치들 사이 또는 이 위치들 위의 임의의 클러치 링 위치들과 함께 클러치 링(230)의 4x2, 4x4 및 EOS 위치들을 검출할 수 있다. 센서(208)로부터의 자력 신호들에 있어서, 차량 제어기 또는 다른 제어기는 힘의 크기를 분리부(200)의 위치로 변환시킬 수 있다. 코일 자기장은 코일(220) 및 전기자(2406) 주위에 집중될 수 있으므로 센서(208)의 성능은 코일(220)에 의해 발생되는 국지화된(localized) 자기장에 의해 영향을 받지 않음이 주목된다. 자기 센서(208)를 사용함으로써, 분리부(200)의 가동 구성요소들 및 센서 조립체 사이에서 접촉될 필요성이 없을 수 있다.
도 9는 EMPD 조립체(200)의 시프팅 위치 및 자기 위치 센서(208)의 출력 사이의 관계의 예의 그래프(900)를 도시한다. 도시되는 바와 같이, 그래프(900)의 제 1 수평축은 분리 조립체(200)의 시프트 위치이고 반면에 수직축은 위치 센서에 의해 출력되는 최대의 전류 신호의 퍼센티지(%)로 측정되는 센서(208)의 신호 출력이다. 그래프(900)의 제 2 수평축은 가우스(Gauss; G)로 측정되는, 자석들(212)의 자속밀도(B)이다. 이 예에서, 시프트 위치 및 센서 출력 및 자속 밀도 및 센서 출력 사이에는 선형 관계가 존재한다. 4x2 위치가 하위 전압 신호(예를 들어, 약 0%)에 대응하는 반면에, 4x4 위치는 상위 전압 신호(예를 들어, 약 50%)에 대응하고, EOS 위치는 그래프(900)의 최상의 전압 신호(예를 들어, 약 100%)에 대응한다. 이 경우, 자석(212)으로부터의 상위 자속이 검출될 때 센서(208)가 상위 전압을 출력하면, 센서(208)는 분리부(200)가 EOS 위치에 있을 때 자석들(212) 바로 위에 위치결정될 수 있다. 이에 따라, 검출되는 자속(예를 들어, 힘)은 EOS 위치에서 가장 높을 수 있고 이와 같은 것은 그래프(900)의 최상의 출력 전압으로 반영된다. 그래프(900)의 상황에서, 상위 또는 하위 전압 신호들 또는 자기장들은 서로 상대적이다. 예를 들어, 4x4 위치에 대응하는 전압 신호는 4x2 위치의 전압 신호보다 더 높지만 EOS 위치의 전압 신호보다 더 낮을 수 있다. 위치 및 센서 신호 출력 사이의 다른 관계들은 본 발명의 범위와 계속 관련되는 동안 가능할 수 있다.
하나의 실시예로서, 차량 속도와 관계없이 시프팅 동작을 행하기 위하여 EMPD 조립체(200)의 코일(220)에는 단지 전류의 제한된 지속 기간의 펄스가 전달될 수 있다. 코일(220)이 분리부(200)를 시프팅하도록 여자화되면, 자기 위치 센서는 EOS 위치에 도달할 때까지 또는 코일 펄스에 최대 허용 가능한 시간이 지나갈 때까지 실시간으로 클러치 및 래칭 링 조립체들 및 임베딩된 자석(212)을 통해, 클러치 링(230)의 위치를 측정한다. 최대 허용 가능한 펄스 시간은 코일(220) 및 전기자(2406)의 과도한 저하(degradation) 및 열 발생을 방지하기 위해 자동 비여자화가 발생할 때까지 코일을 여자시키는 미리 결정된 시간일 수 있다. 핀치 토크(pinch torque) 상태에서와 같이 클러치 링 조립체가 시프팅할 수 없는 사건 동안, 최대 허용 가능한 펄스 시간은 코일(220)이 계속해서 여자된 상태로 있게 하여 분리 조립체(200)를 손상시키는 것이 가능하지 않을 수 있다. 코일(220)이 비여자화될 때, 위치 센서(208)는 4x2 또는 4x4 위치들에 대응하는 정상 상태에 도달할 때까지 분리 조립체(200)의 위치를 추적할 수 있다. 원하는 위치가 검출되지 않으면, 코일(220)은 원하는 위치에 도달될 때까지 클러치 및 래칭 링 조립체들을 시프팅하도록 다시 여자될 수 있다. 이 방식에서, 코일(220)의 여자 시간을 최소화함으로써 에너지 소비의 양이 감소될 수 있다. 코일(220)을 통과하는 펄스화한 전류는 연속적인 전류의 흐름을 요구할 수 있는 다른 분리 조립체들보다 현저하게 더 적은 에너지를 소비할 수 있다. 더욱이, 구성요소 마모, 열 발생 및 노이즈, 진동 및 거칠음(harshness)과 같이 전자기 분리 시스템들과 연관되는 다른 역효과들이 감소될 수 있다.
이 방식에서, 도 2 내지 도 9의 EMPD 조립체(200)에 있어서, 차량 과열 제어를 줄이기 위해 스마트 제어기 및 폐루프 시스템을 활용할 수 있는 자가 제한 분리 시스템이 제공된다. EMPD 조립체(200)의 스마트 제어기 양태는 제어기(2414)의 사용을 통해 명백할 수 있다. 특히, 외부 차량 제어기는 분리 위치를 검증하기 위해 피드백 신호들을 수신하면서 4x2 또는 4x4 모드들로 시프팅하라는 명령 신호들을 분리 조립체(200)의 제어기(2414)로 송신할 수 있다. 분리 조립체(200)의 하나의 예의 제어 시스템에서, 피드백 신호들은 아날로그일 수 있어서 신호 와이어는 분리 위치 및 에러 신호들을 운반할 수 있다. 더욱이, 다수의 분리 조립체들(200)을 통합하는 차량들에서, 피드백 신호들은 정상 동작 동안 그리고 분리부들의 임의의 분리부가 고장나면 각각의 분리 조립체(200)의 상태를 보고할 수 있다. 게다가, 차량의 하나의 분리부가 사용 중일 때 동기화되지 않게 되면, 제어 시스템은 차량 내의 다른 조립체와 관계없이 하나의 분리 조립체를 가동시킴으로써 동기화 문제를 정정할 수 있다. 마지막으로, 하나의 분리 조립체가 더 이상 동작 가능하지 않도록 고장이 나면, 차량 제어기 또는 다른 제어기는 차량의 운영자 또는 기술자에게 고장 및 고장 위치를 보고할 수 있다.
하나의 예에서, 분리부 제어기(2414)는 분리부(200), 분리부(200)의 래치 캠 링의 하우징에 통합될 수 있거나, 하나 이상의 와이어들을 통해 EMPD 조립체(200)에 부착되는 외부 조립체 내에 포장될 수 있다. 분리부 제어기는 전압 조정기, 마이크로프로세서 및 코일 구동기와 같은 다양한 전기 구성요소들을 포함할 수 있다. 코일 구동기는 마이크로프로세서에 의해 지시를 받을 때(명령을 받을 때) 전자기 코일(220)을 여자시키기 위해 예를 들어, 전류를 공급하는 건조 접촉 릴레이 또는 고체 스위치 중 하나일 수 있다. 위에서 도 4와 관련하여 설명된 바와 같이, 분리부 제어기가 분리부(200)의 일부일 때, 전기 구성요소들은 디바이스들(211)로서 PCB(207)에 부착될 수 있다.
일부 실시예들에서, 추가의, 다판 클러치는 클러치 링(230)을 포함하는 분리부(200)와 직렬로 결합될 수 있다. 하나의 예로서, 다판 클러치(또한 마찰 클러치로서 칭해질 수 있다)는 클러치 링(230)에 의해 선택적으로 맞물리는 2개의 회전 구성요소들 중 하나에 회전 결합되는 웨지 판들의 세트 및 클러치 링(230)에 의해 선택적으로 맞물리는 2개의 회전 구성요소들 중 다른 하나에 회전 결합되는 클러치 판들의 세트를 포함할 수 있다. 압력판(예를 들어, 피스톤 판)은 두 회전 구성요소들 사이의 속도를 동기화하기 위해 웨지 및 마찰판들을 압축할 수 있다. 분리부(200)의 클러치 링(230)은 그 후에 두 회전 구성요소들을 서로 잠그기 위한 잠금 클러치로 사용됨으로써, 두 회전 구성요소들 사이의 완전한 토크의 전달을 위해 두 회전 구성요소들이 완전히 맞물릴 수 있다. 상술한 다판 클러치는 본원에서 설명되는 EMPD 조립체들 중 임의의 조립체와 직렬로 포함될 수 있음이 주목되어야 한다.
도 10 및 도 11은 EMPD 조립체(200)를 동작시키는 방법(800)을 도시한다. 다양한 단계들 및 결정을 행하는 프로세스들은 분리 조립체(200)의 외부에 있는 주 차량 제어기의 메모리 내에 저장될 수 있음이 주목된다. 다른 예들에서, 국지화된 허브 제어기는 조립체(200)에 직접 결합되고 외부의 주 차량 제어기와 통신하면서 방법(800)의 단계들을 수행할 수 있다. 또 다른 예에서, 방법(800)의 다양한 단계들 및 결정을 행하는 프로세스들은 분리부 제어기(도 4에 도시되는 제어기(2414)와 같은)의 메모리 내에 저장될 수 있다. 이에 따라, 분리부 제어기는 다양한 센서들(예를 들어, 위치 센서(208)) 및 EMPD 조립체의 액추에이터들(예를 들어, 코일(220)의 접촉 조립체(303))와 결합하여 방법(800)을 수행할 수 있다. 반복하면, 4x2(2WD) 또는 제 1 모드는 클러치 링(230)이 회전 구성요소(예를 들어, 샤프트 또는 차축) 상에서만 맞물리는 제 1 위치에 대응하고 반면에 4x4(4WD) 또는 제 2 모드는 클러치 링(230)이 양 회전 구성요소들을(예를 들어, EMPD에 근접하게 배열되는 샤프트들 또는 구성요소들 모두를) 맞물리게 함으로써, 2개의 회전 구성요소들을 서로 결합시키는 제 2 위치에 대응한다. 마지막으로, 시프트의 종료(EOS) 위치는 코일(220)이 여자될 때 클러치 링(230) 및 다른 부착된 구성요소들이 축 방향으로 가장 멀리 시프팅되는 곳에 대응한다. 이것은 도 9에서 그래프로 도시될 수 있고, 여기서 EOS 위치는 4x2 및 4x4 위치들과 비교해서 최우측 위치이다. 이해의 용이성을 위해, 이전의 도면들에 관하여 제시되는 구성요소들 및 설명이 참조될 것이다. 그러나, 방법(800)은 위에서 기술된 것과는 다른 구성들을 가지는 대안의 EMPD 조립체들에서 사용될 수 있다.
처음으로, 도 10을 참조하면, 801에서, 방법은 일련의 초기화 동작들을 수행하는 것을 포함한다. 초기화 동작들은 자기력이 4x2, 4x4 또는 EOS 위치들에 상관될 수 있도록 위치 센서(예를 들어, 위치 센서(208))를 교정하고, 차량의 이동 방향을 결정하고, 그리고 두 회전 구성요소들(예를 들어, 분리부의 클러치 링을 통해 선택적으로 그리고 회전 가능하게 결합될 수 있는 2개의 회전 구성요소들)의 회전 속도를 동기화하는 것을 포함할 수 있다. 다음으로, 802에서, 동작자(즉, 운전자) 또는 다른 시스템은 제어기 또는 유사한 디바이스에 입력 명령을 송신할 수 있다. 입력 명령은 4x4 모드로부터 4x2 모드로 또는 그 역으로 시프트하라는 요청일 수 있다. 이에 따라, 방법은 802에서 제어기로부터 입력 명령을 수신하고 판독하는 것을 포함할 수 있다. 시프트 명령을 수신하자마자, 803에서 방법은 차량 동작자에 의해 어떤 시프트 모드가 명령되었는지(즉, 요청되었는지)를 결정하는 것을 포함한다. 4x2 동작이 요청되면, 프로세스는 도 11에서의 813에서 계속된다. 대안으로, 4x4 동작이 요청되면, 프로세스는 도 10에서의 804에서 계속된다.
804에서, 방법은 EMPD 조립체(200)가 4x4 (제 2) 위치에, 즉 클러치 링(230)이 클러치 링(230)과 같이 축방향으로 병진 이동하는 다른 구성요소들과 함께 4x4 위치에 있을 때, 2개의 회전 구성요소들이 함께 있는지를 결정하는 것을 포함한다. EMPD가 특정한 위치(예를 들어, 4x4, 4x3 또는 EOS)에 있는지가 결정되는 단계 804 및 방법(800)의 다른 단계들에서, 제어기는 이것을, 위에 도 9와 관련하여 설명되는 바와 같이 그리고 아래에서 도 19 및 도 20과 관련하여 더 설명되는 바와 같이, 위치 센서(예를 들어, 위치 센서(208))의 출력에 기초하여 결정할 수 있다. EMPD 조립체(200)가 이미 4x4 위치에 있으면, 812에서 방법은 동작자 및 다른 시스템에 현재의 4x4 위치를 고지하기 위해 외부 차량 제어기에 4x4 피드백 신호를 출력하는 것을 포함한다. 대안으로, 804에서 EMPD 조립체(200)가 4x4 위치가 아니면, 805에서 전류는 코일(220)을 여자시키기 위해 송신될 수 있다. 이전에 설명되는 바와 같이, 여자된 코일(220)에 의해 클러치 및 래칭 링 조립체들이 양의 축 방향으로 이동할 수 있다. 다음으로, 806에서, 센서(208)는 EMPD 조립체(200)가 홈들(752 또는 759)과 면을 공유하도록 접촉하게 되는 래칭 링(260)의 핀들에 의해 규정되는 EOS 위치에 있는지를 검출할 수 있다. EMPD 조립체(200)가 아직 EOS 위치에 도달하지 않았다면, 807에서, 타이머 또는 다른 디바이스는 최대 허용 가능한 시간이 지나갔는지를 결정할 수 있다. 상술한 바와 같이, 코일(220)을 펄스화하는 최대 허용 가능한 시간은 코일(220) 및 전기자(225)의 저하를 감소시키는 데 도움을 줄 수 있다. 최대 허용 가능한 시간이 만료되지 않았으면, 단계 806은 EMPD 조립체(200)가 EOS 위치에 도달했는지를 계속해서 검사하도록 반복될 수 있다. 역으로, 최대 허용 가능한 시간이 만료되었으면 808에서 전류가 코일(220)로 흐르는 것이 중단됨으로써 코일(220)을 비여자화할 수 있다. 더욱이, 806으로 역으로 진행하기 전에 코일(220)이 냉각되는 것이 가능하도록 냉각 기간이 개시될 수 있다.
806에서, 일단 EOS 위치에 도달되면, 809에서, 코일(220)은 비여자화될 수 있다. 코일(220)을 비여자화하자마자, 클러치 및 래칭 링 조립체들은 축방향으로 4x4 위치 및 대응하는 래칭 홈들로 이동한다. 이 운동이 발생하고 있는 동안, 810에서 센서(208)는 EMPD 조립체(200)의 위치를 모니터링할 수 있다. 하나의 예에서, 센서(208)는 도 9의 그래프(900)의 선형 관계에 대응하는 신호를 계속해서 출력할 수 있다. 811에서, 방법은 EMPD 조립체(200)가 4x4 위치에 있는지를 결정하는 것을 포함한다. 4x4 위치에 아직 도달하지 않았으면, 프로세스는 시프트 시도들의 임계(예를 들어, 최대) 수가 초과되었는지를 결정하기 위해 822로 계속된다. 시프트 시도들의 임계 수가 초괴되었다면, 프로세스는 종료된다. 방법(800)이 계속 반복할 수 있으므로, 방법은 단일 구동 사이클 동안 801 대신 802에서 재시작할 수 있다. 시프트 시도들의 임계 수가 초과되지 않았으면, 방법은 EMPD가 4x4 위치에 있는지를 결정하기 위해 804로 루프 회귀된다. 역으로 811에서, EMPD 조립체(200)가 4x4 위치에 있다고 센서(208)가 결정하면, 812에서, 방법은 차량 제어기 및/또는 차량 동작자로 4x4 피드백 신호를 출력하는 것을 포함함으로써 방법(800)을 종료한다.
803에서, 4x2 동작이 요청되면, 방법(800)은 도 11에서 계속된다. 도 11의 단계들 813 내지 단계 823은 도 10의 단계 804 내지 단계 812에 유사할 수 있으나, 반면에 도 11은 4x2 위치로의 시프팅에 초점을 맞추고 있다. 이에 따라, 간소화를 위해, 단계 813 내지 단계 821의 각각의 간략한 설명들이 제시될 것이지만 더 철저한 설명을 위해서 도 10이 참조될 수 있다. 도 11을 참조하면, 813에서 방법은 EMPD 조립체(200)가 4x2 위치에 있는지를 결정하는 것을 포함한다. 4x2 위치에 도달했으면, 방법은 4x2 피드백 신호를 차량 제어기로 출력함으로써 821에서 종료될 수 있다. 대안으로, 814에서 코일(220)은 EMPD 조립체(200)가 4x2 위치가 아닐 경우 여자될 수 있다. 815에서, EMPD(200)가 EOS 위치에 있지 않으면, 코일의 냉각을 허용하고 최대 허용 가능한 펄스 시간을 고수함으로써 코일(220)을 과열하지 않고도 EMPD(200)가 EOS 위치에 도달하는 것이 가능하도록 단계 816 및/또는 단계 817이 개시될 수 있다. 일단 EMPD(200)가 EOS 위치에 있으면, 818에서 코일(220)은 EMPD(200)가 반대의 음의 축 방향으로 병진 이동하는 것이 가능하도록 비여자화될 수 있다. EMPD(200)의 위치는 EMPD(200)가 820에서 요청된 4x2 위치에 도달했는지를 방법이 결정할 때까지 819에서 센서(819)에 의해 모니터링될 수 있다. EMPD(200)가 4x2 위치에 도달하지 않았으면, 823에서 시프트 시도들의 임계 수에 도달되었는지를 결정한 후에 도 11의 단계들 중 서너 개가 반복될 수 있다. 대안으로, 4x2 위치에 도달되었으면, 821에서 4x2 피드백 신호가 차량 제어기로 출력됨으로써, 방법(800)이 종료될 수 있다.
이 방식에서, 전자기 펄스 분리 조립체(200)는 전력 소모를 줄이고 진공을 동력원으로 의존하지 않으면서 두 회전 구성요소들 사이의 선택적인 맞물림을 제공할 수 있다. 래칭 링, 래치 가이드 링 및 래치 캠 링을 포함하는 래칭 메커니즘이 분리부(200)를 4x4 및 4x2 위치들에 유지할 수 있으므로, 전류는 단지 4x2 및 4x4 위치들 사이의 시프팅이 요구될 때에만 제공될 수 있다. 그러므로, 분리부(200)는 다른 분리 조립체들에게 연속 전류를 제공할 수 있는 동력을 보존할 수 있다. 더욱이, 상술한 바와 같은 코일(220)의 부동(floating) 양상(예를 들어, 축 방향으로 미세하게 이동 가능한)은 코일(220)이 비여자화될 때 코일 복귀 스프링(2418)이 에어 갭(657)을 유지할 수 있으므로 코일(220) 및 전기자(2406)의 내구성 및 수명을 증가시킬 수 있다.
이제 도 12 내지 도 16으로 전환해서, 차량 차축을 따라 위치결정되는 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)의 실시예들이 도시된다. 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)는 도 2 내지 도 11과 관련하여 상술된 전자기 펄스 분리 조립체와 유사하게 유사한 구성요소들 및 기능을 가질 수 있다. 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)는 차축의 두 부분들(예를 들어, 도 1에 도시되는 전차축(134) 또는 후차축(132)의 두 부분들과 같은)을 선택적으로 분리할 수 있다.
예를 들어, 도 12는 차량의 차축(1804)을 따라 위치결정되는 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)의 제 1 실시예의 개략도(1800)를 도시한다. 예를 들어, 차축(1804)은 차량의 전차축 또는 후차축일 수 있다. 도 12에 도시되는 바와 같이, 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)는 차축(1804)의 가운데 부분에 위치결정되고 차축(1084)의 양 단부에 위치결정되는 휠 및 타이어(1818)와는 떨어져 있다. 차축(1804)은 차축(1804)의 양 단부에서 하프 샤프트(1816)에 결합될 수 있다. 각각의 하프 샤프트(1816)는 하프 샤프트(1816) 및 휠 허브(1820) 사이의 연결 샤프트를 둘러싸는 휠 베어링(1822) 및 너클(1824)에 의해 휠 허브(1820)에 결합된다. 도 12에 도시되는 바와 같이, 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)는 차동장치(1806)(예를 들어, 도 1에 도시된 전방 차동장치(122) 또는 후방 차동장치(121)일 수 있는)의 한 측에 위치결정된다. 대안의 실시예들에서, 중앙 전자기 펄스 분리부는 아래에서 더 설명되는 도 15에서 도시되는 바와 같이, 차동장치(1806)의 반대 측 상에 위치결정될 수 있다.
차동장치(1806)는 프로펠러 샤프트(1814)에 직접 결합된다. 프로펠러 샤프트(1814)는 차량의 전륜 또는 후륜 구동 샤프트(예를 들어, 도 1에 도시되는 전륜 구동 샤프트(133) 또는 후륜 구동 샤프트(131)와 같은)의 일부이거나 또는 이것들에 결합될 수 있다. 이에 따라, 회전력은 차량 구동 샤프트에서 차동장치(1806)로 전달된다. 차축(1804)을 따라 배열되는 차동장치(1806)는 그 후에 토크를 차축(1804)에 결합되는 휠들 각각에 배분한다. 차동장치(1806)는 제 1 측에서 스터브 샤프트(stub shaft)(1812)에 결합되고, 스터브 샤프트(1812)는 차축(1804)의 일부이고 하프 샤프트(1816) 중 하나에 직접 결합된다. 차동장치(1806)는 제 1 측의 반대쪽인 제 2 측 상에서 차축(1804)의 중간 샤프트(1810)에 직접 결합된다.
중간 샤프트(1810)는 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)에 더 결합된다. 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)는 또한 커플러 샤프트(1808)에 결합되고, 커플러 샤프트(1808)는 하프 샤프트들(1816) 중 다른 하나에 직접 결합된다. 이에 따라, 중앙 전자기 펄스 분리부는 선택적으로 두 회전 구성요소들을 서로 분리할 수 있고, 두 회전 구성요소들은 제 1 휠(1801)에 연결되는 커플러 샤프트(1808) 및 차동장치(1806) 그러므로 프로펠러 샤프트(1814)를 통하여 차량의 구동 샤프트에 결합되는 중간 샤프트(1810)이다.
중앙 전자기 펄스 분리부(1802)는 각각의 휠에 하나의 조립체를 가지는 허브 잠금 시스템의 두 유닛들에 대향하는 하나의 분리 유닛으로 구성된다. 단 하나의 분리 유닛만이 사용되므로, 단 하나의 휠(예를 들어, 제 1 휠(1801))만이 분리될 수 있고 다른 휠(예를 들어, 제 2 휠(1803))은 계속 연결되어(예를 들어, 차축(1804)의 구동 부분에) 있을 수 있다. 예를 들어, 도 12에 도시되는 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)는 제 2 휠(1803)이 구동트레인에 계속 결합되어 있는 동안 제 1 휠(1801)을 구동트레인으로부터 분리할 수 있다. 하프 샤프트(1816)에 인접하게 연결되는 제 2 휠(1803) 및 스터브 샤프트(1812)는 함께 회전하고 마찬가지로 하프 샤프트(1816)에 인접한 분리된 커플러 샤프트(1808) 및 제 1 휠(1801)은 함께 회전한다. 중간 샤프트(1810)는 휠(1803) 및 스터브 샤프트(1812)에 연결되는 하프 샤프트(1816)와 동일한 속도로, 그러나 차동 베벨 기어(bevel gear)들로 인해 반대 방향으로 회전한다. 중간 샤프트(1810) 및 스터브 샤프트(1812)의 평균 속도가 대략 0일 수 있으므로, 디퍼런셜 캐리어(differential carrier) 및 프로펠러 샤프트(1814)는 움직이지 않는다. 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)는 전체 크기 감소, 비용 감소, 구현의 간소화 및 시프팅 잡음의 감소와 같이, 휠 단부 분리부보다 이점들을 제공할 수 있다. 더욱이, 도 12에 도시되는 바와 같이, 중앙 전자기 펄스 분리부(1802) 및 차동장치(1806)는 차축 하우징(1826)에 결합될 수 있다. 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)는 아래에서 도 17 내지 도 24와 관련하여 더 설명되는 바와 같이, 커플링된 샤프트(1808) 및 중간 샤프트(1810)를 선택적으로 맞물리게 하고 풀리게 하는 액추에이터(1828)를 포함한다.
도 13은 차량의 차축(1804)을 따라 위치결정되는 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)의 제 2 실시예의 개략도(1900)를 도시한다. 도 13에 도시되는 바와 같이, 차축(1804)(특히, 차축(1804)의 중간 샤프트(1810))는 엔진 오일 팬(oil pan)(1902)을 통하여 위치결정된다. 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)는 엔진 오일 팬(1902)의 제 1 측 상에 위치결정되고, 반면에 차동장치(1812)는 엔진 오일 팬(1902)의 제 2 측 상에 위치결정되고, 제 2 측은 차축(1804)의 길이를 따라 제 1 측의 맞은편에 있다.
도 14는 차량의 차축(1804)을 따라 위치결정되는 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)의 제 3 실시예의 개략도(2000)를 도시한다. 제 3 실시예는 도 12에 도시되는 제 1 실시예와 유사하다. 그러나, 도 14에 도시되는 바와 같이, 하프 샤프트들(2002)은 도 12에서의 하프 샤프트들(1816)보다 더 길 수 있다. 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)는 중간 샤프트(2004)를 따라 차동장치(1806)에 더 가까이 위치결정된다. 이에 따라, 도 14의 중간 샤프트(2004)는 도 12의 중간 샤프트(1810)보다 더 짧다. 더욱이, 차축(1804)의 전체 길이는 도 12에서보다 도 14에서 더 짧을 수 있다. 이 방식에서, 중앙 전자기 펄스 분리부(1802) 및 차동장치(1806)는 차축(1804)을 따라 서로 더 가까이 또는 서로 더 멀리 위치결정될 수 있다.
도 15는 차량의 차축(1804)을 따라 위치결정되는 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)의 제 4 실시예의 개략도(2100)를 도시한다. 제 4 실시예에서, 엔진 오일 팬(1902)은 엔진 오일 팬(1902)을 통하여 지나가는 스터브 샤프트(1812)를 구비하는 차동장치(1806)의 제 1 측 상에 위치결정된다. 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)는 차동장치(1806)의 제 2 측 상에 위치결정되고 제 2 휠(1803)을 구동트레인(이전의 도 12 내지 도 14에서 도시되는 바와 같이, 제 1 휠(1801) 대신)으로부터 분리할 수 있다.
도 16은 차량의 차축(1804)을 따라 위치결정되는 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)의 제 5 실시예의 개략도(2200)를 도시한다. 그러나, 도 16에서, 차축(1804)은 휠 허브(1820)의 조인트(2202)에 직접 결합되지만 하프 샤프트에 결합되지 않는 모노빔 차축(monobeam axle)이다. 이에 따라, 도 16에 도시되는 중앙 전자기 펄스 분리부(1802)는 모노빔 차축(1804)의 커플러 샤프트(1808) 및 중간 샤프트(1810)를 선택적으로 분리한다.
도 13 내지 도 16에서 도시되는 위치들 중 하나 이상에서 위치결정될 수 있는 중앙 전자기 펄스 분리부의 실시예들은 도 17 내지 도 23에서 더 상세하게 도시된다. 아래에서 도 17 내지 도 24와 관련하여 설명되는 중앙 EMPD 실시예들이 차량 차축을 따라 도 13 내지 도 16의 위치들에 대한 추가 또는 대안의 위치들에 위치결정될 수 있음이 주목되어야 한다. 도 17 내지 도 24는 위에 도 2 내지 도 11과 관련하여 설명되는 것과 유사한 구성요소들을 포함할 수 있다. 이에 따라, 유사한 구성요소들은 유사한 번호가 기재되었고 위에 도 2 내지 도 11과 관련하여 설명되는 바와 같이 기능을 할 수 있다. 그러므로, 중앙 전자기 펄스 분리부는 위에 도 2 내지 도 11과 관련하여 설명되는 바와 유사하게 동작할 수 있다. 간소화를 위해, 도 17 내지 도 24 및 도 2 내지 도 11 사이의 공통 구성요소들은 아래에서 충분히 재설명되지 않을 수 있다.
도 17 내지 도 20은 중앙 EMPD(1702)의 제 1 실시예를 도시한다. 구체적으로, 도 17은 중앙 EMPD(1702)의 외부도의 개략도(1700)를 도시한다. 도 18은 중앙 전자기 펄스 분리부(1702)의 분해도를 도시한다. 도 19는 위치 센서 조립체(예를 들어, 위치 센서(208) 및 자석들(212)을 포함하는)의 추가 상세도(2420)를 포함하는, 중앙 전자기 펄스 분리부(1702)의 단면도(1950)를 도시한다. 도 20은 커플러 샤프트(1808) 및 중간 샤프트(1810)에 관한 위치 센서 조립체 및 클러치 링(230)의 상세도를 EMPD(1702)의 상이한 시프트 위치들에 대하여 도시한다. 구체적으로, 4x2 위치는 2020에서 도시되고, 4x4 위치는 2022에서 도시되고, 시프트의 종료(EOS) 위치는 2024에서 도시되고, 블록 시프트 위치는 2014에서 도시된다. 다음은 도 18, 도 19 및 도 20에 관하여 설명된다.
중앙 EMPD(1702)는 베이스 하우징(2302) 및 커버 하우징(2304)을 포함하는 외부 하우징(2306)을 포함한다. 외부 하우징(2306)은 도 19에 도시되는 바와 같이, 중앙 전자기 펄스 분리부(1702)의 내부 구성요소들 전체를 둘러싼다(그리고 모든 측들에서 완전히 둘러싼다). 이에 따라, 외부 먼지 및 파편들은 외부 하우징(2306) 내로 들어가지 않음으로써 수명이 증가하고, 저하가 감소되고 EMPD(1702)의 동작이 개선될 수 있다. 베이스 하우징(2302)은 복수의 패스너(fastener)들(2309)를 통해 커버 하우징(2304)에 결합된다. 추가로, 커버 하우징(2304)은 차량 제어기 및/또는 동력원과 같이, 제어기(2414)(도 18에 도시되는 바와 같은)를 외부 소스에 연결하기 위한 전기 접속부(2307)를 포함한다. 중앙 전자기 펄스 분리부(1702)는 중간 샤프트(1810) 및 커플러 샤프트(1808)를 더 포함하고, 중앙 전자기 펄스 분리부는 중간 샤프트(1810) 및 커플러 샤프트(1808)를 선택적으로 분리한다.
클러치 링(230)은 차축 샤프트에 의해 회전되는 캠들에 의한 위치들 사이에서 시프팅된다. 이 유형의 분리부에서, 차축 샤프트 자체에 의해 제공되는 것과는 다른 메커니즘을 제공하는 모터 또는 힘이 존재하지 않는다. 차량이 도로를 이동할 때 차축들은 항상 회전하고 있으므로, 회전력의 선택은 클러치 링(230)에 작용하는 힘들에 대해 반응 부재 역할을 하는 비이동 차량 구조에 선택 가능한 힘의 경로를 제공함으로써 달성된다. 반응 부재가 존재할 때, 클러치 링(230)은 모드들(예를 들어, 4x4 및 4x2) 사이에서 이동된다. 반응 부재가 존재하지 않으면, 클러치 링(230) 및 시프팅 조립체(2402)는 최종 명령을 받은 위치에 그대로 머무른다.
도 18은 EMPD(1702)가 조립되어 있을 때 베이스 하우징(2302) 및 커버 하우징(2304) 사이에 위치결정되는 하우징 와셔(2315)를 도시한다. 중간 샤프트는 클러치 링(230)의 보완 치들과 맞물리기 위한 복수의 치들을 포함하는 기어 부분(2314)을 포함한다(예를 들어, 클러치 링(230) 상의 치들의 열은 베이스 하우징(2302)에 근접한다). 도 18은 또한 일련의 구성요소 실(2310)(오염물들을 분리부의 내부 측에 들어오지 못하게 한다), 니들 베어링(needle bearing)(2311)(중간 샤프트(1810)를 지지한다), 스러스트 스페이서(thrust spacer)(2312)(중간 샤프트(1810)를 위치결정시키고(리테이닝 링(2313)을 통해) 전기자(2406)를 축상에서 안쪽 방향으로 위치결정시키는) 및 베이스 하우징(2302) 및 중간 샤프트(1810)에 근접하게 위치결정되는 리테이닝 링(2313)(중간 샤프트(1810)를 분리부 내에 유지시키는)을 도시한다. 커플러 샤프트(1808)는 EMPD가 4x4 위치에 있을 때 클러치 링(230)과 맞물리도록 적응되는 복수의 치들을 포함하는 기어 부분(2416)을 포함한다. EMPD(1702)는 일련의 실들, 밀봉된 볼 베어링(2417) 및 커버 하우징(2304)에 근접하는 실 슬링거(slinger)(2418)(큰 오염물들이 베어링에 이르지 못하도록 하는)를 더 포함한다.
도 2 내지 도 11과 관련되어 상술한 바와 같이, 시프팅 조립체(2402)는 캠(2404), 전기자(2406), 클러치 링(230), 시프터(2416) 및 블록 시프터 스프링(2408)으로 구성된다. 클러치 링(230)의 일부분은 슬라이딩 치들이 항상 중간 샤프트(1810)와 맞물리도록 배열된다. 중간 샤프트(1810)가 차동장치 베벨 기어들을 통해 반대측 차축 하프 샤프트(half shaft) 및 휠로 방향 전환되어, 클러치 링(230) 또한 회전한다. 클러치 링(230)의 다른 부분은 커플러 샤프트(1808)과 한 위치(예를 들어, 4x4)에서 맞물리고 다른 위치(예를 들어, 4x2)에서 풀리는 슬라이딩 치들을 가지도록 배열된다. 시프터(2416)는 고 및 저 지점들(예를 들어, 가이드 부분(2415) 상의)을 가지고 자신과 함께 회전하는 케이지 부분(2417)을 구비하는 클러치 링(230)에 연결된다. 이에 따라, 시프터(2416) 및 클러치 링(230)은 하나의 유닛으로 함께 중심축(215)을 중심으로 회전하고 축 방향(203)을 따라 앞뒤로 병진 이동한다. 캠(2404)은 시프터(2416)의 가이드들이 캠(2404)의 캠 램프들을 따라 이동하도록 시프터(2416)의 가이드 부분(2415)과 정렬된다. 더욱이, 전기자(2406)는 캠(2404)에 고정된다.
전기자 캠 조립체(2405)(전기자(2406) 및 캠(2404))는 고정형 전자기 코일(220)에 가까이 근접해 있고 작은 에어 갭에 의해 분리된다. 코일 복귀 스프링(2418)은 또한 코일(220)에 근접하게 포함될 수 있다. 코일(220)이 여자되면, 코일(220)은 축방향으로 금속의 전기자(2406) 쪽으로 병진 이동하고(반면에 전기자(2406)는 축 방향에서 정지 상태로 유지된다) 에어 갭이 메워진 후 전기자(2406)에 접촉한다. 에어 갭이 메워질 때의 전자기력으로부터 발생되는 접촉 마찰은 전기자 캠 조립체(2405)의 회전을 느리게 하거나 정지시키는 데 충분하다. 시프터(2416)가 회전하고 있는 것보다 전기자 캠 조립체(2405)가 더 느리게 회전하고 있을 때, 캠(2404)의 캠 램프들은 시프터(2416)의 가이드들에 대하여 힘을 발생시키고, 이 힘은 시프터(2416)로 하여금 캠(2404)으로부터 멀어지게 이동하도록 한다. 이 운동은 양의 축 방향으로 풀림 위치로부터 맞물림 위치로 시프팅을 발생시킴으로써 4x2 위치로부터 4x4 위치로 시프팅하기 위해서 후속해서 클러치 링(230)에 작용한다. 중앙 EMPD(1720)의 구성요소들의 시프팅 프로세스 및 대응하는 상호 작용은 위에 도 2 내지 도 11에 관하여 설명된 바와 동일한 기능을 행한다.
도 19의 상세도(2420)는 EMPD(1702) 내의 위치 센서(208)의 위치결정을 도시한다. 구체적으로, 위치 센서(208)는 PCB(207)의 저면에 결합된다. 위치 센서(208)는 래칭 링 하우징(263)의 바로 위에(수직 방향에 관하여, 이 수직 방향은 축 방향 그리고 EMPD가 설치되는 차량이 있는 땅에 대하여 수직이다) 더 배치된다. 달리 말하면, 중심축(215)에 대해, 위치 센서(208)는 래칭 링 하우징(263)으로부터 방사상으로 외향하여 배열된다. 이전에 도 2 내지 도 4에 관하여 설명된 바와 같이, 래칭 링 하우징(263)은 래칭 링 하우징(263)의 상면에 배열되고 임베딩되어 있는 2개의 자석들(212)(그러나 다른 수들의 자석들이 가능하다)을 포함하고, 이 상면은 위치 센서(208) 및 PCB(207)와 대면한다. 2개의 자석들은 래칭 링 하우징(263)의 상부 러그(213)의 반대 측들 상에, 거리를 두고 임의의 거리로 떨어져 있다. 상세도(2420)에 도시되는 바와 같이, 2개의 자석들(212)은 이 2개의 자석들 중 제 1 자석이 위치 센서(208) 쪽으로 외향하여 향하는 자체의 북극 및 러그(213) 내에 임베딩되는 자체의 남극을 가지도록 그리고 이 2개의 자석들 중 제 2 자석이 위치 센서(208) 쪽으로 외향하여 향하는 자체의 남극 및 러그(213) 내에 임베딩되는 자체의 북극을 가지도록 배열된다. 2개의 자석들의 고정형 센서(208)에 대한 축상 위치는(예를 들어, PCB(207)는 고정형이고 축 방향으로 병진 이동하지 않는다) 그 후에 센서에 의해 측정되는 자기장 세기를 결정함으로써, 센서 출력이 바뀌고 제어기가 EMPD(1702)의 시프트 위치를 결정하는 것이 가능하다.
이전에 설명된 바와 같이, 장 세기가 미리 결정된 제 1 값과 동일할 때, 시프팅 조립체(2402)는 4x4 위치에 있다. 이 장이 제 1 값보다 더 작은 제 2 값일 때, 시프팅 조립체(2402)는 4x2 위치에 있다. 그러므로, 이 위치는 제어기(2414)로 피드백된다. 제어기(2414)는 그 후에 명령을 받은 모드로의 시프트를 행하라는 요구에 따라 코일(220)을 여자화할 수 있다. 센서(208) 및 자석들(212)은 스위칭 시스템을 포함하고 스냅 스위치 및 작동 포인트들, 인코더를 따르는 접촉 와이퍼(contact wiper) 또는 광학 스위치와 같은 다른 유형들의 스위칭 시스템들로 대체될 수 있음이 인정된다.
도 20은 상이한 시프트 위치들에서의 위치 센서(208) 및 자석들(212)의 상대적인 포지셔닝(positioning)을 도시한다. 자석들(212)은 축 방향으로 제 2 자석(2012)보다 코일(220)에 더 가까이 있는 제 1 자석(2011)을 포함한다. 달리 말하면, 자석(212) 중 제 2 자석(2012)은 제 1 자석(2011)보다 복귀 스프링(2410)에 더 가까이 있다. 도(2020)는 클러치 링(230)이 중간 샤프트(1810)에만 결합되고 커플러 샤프트(1808)에는 결합되지 않는 4x2 위치에서의 EMPD(1702)를 도시한다. 제 2 자석(2012)은 위치 센서(208)에 근접하여(예를 들어, 위치 센서(208) 바로 아래 그리고 이 위치 센서(208)와 일렬로) 위치결정된다. 이에 따라, 위치 센서(208)는 제 1 자석(2011)보다 제 2 자석에 더 가까이 있다. 이에 따라, 위치 센서(208)는 EMPD가 4x2 위치에 위치결정되는 것을 나타내는 제 1 신호를 출력한다.
도(2022)는 클러치 링(230)이 중간 샤프트(1810) 및 커플러 샤프트(1808) 모두에 결합되는 4x4 위치에 있는 EMPD(1702)를 도시한다. 이 위치에서, 래칭 링 하우징(263)은 4x2 위치에 있을 때보다 양의 축 방향으로 더 멀리 밀린다. 위치 센서(208)는 제 1 자석(2011) 및 제 2 자석(2012) 사이에서 거의 등거리로 위치결정된다. 이에 따라, 위치 센서(208)는 양 자석들(212) 모두를 감지하고 EMPD가 4x4 위치에 위치결정되어 있음을 나타내는 제 2 신호를 출력할 수 있다. 위에 도 9를 참조하여 설명된 바와 같이, 제 2 신호는 제 1 신호보다 더 높은 전압 퍼센티지일 수 있다.
도(2024)는 클러치 링이 여전히 중간 샤프트(1810) 및 커플러 샤프트(1808) 모두에 결합되는 EOS 위치에 있는 EMPD(1702)를 도시한다. 그러나, 이 위치에서, 래칭 링 하우징(263)은 제 1 자석(2011)이 위치 센서(208)와 거의 수직으로 정렬되도록 양의 축 방향으로 훨씬 더 멀리 밀린다. 달리 말하면, 제 1 자석(2011)은 위치 센서(208)에 자신이 가능할 수 있는 가장 가깝게 있을 수 있고 반면에 제 2 자석은 위치 센서(208)로부터 자신이 가능할 수 있는 가장 멀리 있을 수 있다. 이에 따라, 위치 센서는 EMPD가 EOS 위치에 있음을 나타내는 제 3 신호를 출력한다. 위에 도 9와 관련하여 설명된 바와 같이, 제 3 신호는 제 2 신호보다 더 높은 전압 퍼센티지일 수 있다.
도(2026)는 클러치 치들이 오정렬되어 있거나 결속되어 있어서 클러치 링(230)이 시프팅할 수 없는 블록 시프트 위치에 있는 EMPD(1702)를 도시한다. 이에 따라, 블록 시프트 스프링(2408)은 편위되고 시프터 조립체가 명령을 받은 운동을 완료하는 것이 가능하다. 치들이 정렬될 때 또는 결속이 제거될 때, 스프링은 클러치 링에 힘을 가하여 원하는 위치가 되도록 할 것이다. 이 위치에서, 제 1 자석(2011) 및 제 2 자석(2012)은 위치 센서(208)로부터, 축 방향으로 거의 등거리이다. 이 위치에서, 도(2026)에 도시되는 바와 같이, 시프터 조립체는 자신이 명령을 받은 운동을 완료해서 4x4 위치에 정지한다. 일단 클러치 링 및 커플러 샤프트 스플라인들이 정렬되면, 시프트 스프링(2408)은 클러치 링을 맞물리게 하고 토크를 휠들에 전달한다.
정상 동작 외에, 제어기(2414)는 다양한 유형들의 결함(fault)들을 검출하고 시정 조치들을 취하도록 구성될 수 있다. 예상되는 시간 기간 내에 이동하지 않는 시프팅 조립체(2402)는 예를 들어, 결함으로 검출될 수 있다. 이 상태는 명령을 받은 모드가 달성될 때까지 코일 펄스를 반복하는 것을 포함하는 다양한 수단에 의해 시정될 수 있다.
제어기(2414)의 부가적인 장치는 차축 속도 센서들을 포함하나 이로 제한되지 않는 다른 센서 유형들을 포함할 수 있다. 이 센서들로부터의 정보는 차량이 정지되어 있거나 고속으로 이동하고 있을 때 모드 시프트를 허용하지 않는 것과 같이 특정한 차량 환경들 하에서의 시프팅 알고리즘을 더 세밀화하는 데 사용될 수 있다.
도 21 내지 도 23은 단 하나의 하우징(예를 들어, 단일 부분으로 형성되는 하나의 통합 및 연속 하우징)만을 포함하나 스터브 차축과 통합될 수 있는 중앙 EMPD(2120)의 제 2 실시예를 도시한다. 도 21은 EMPD(2120)의 등각 외부도를 도시하고, 도 22는 EMPD(2120)의 측 외부도를 도시하며, 도 22는 EMPD(2120)의 단면 내부도를 도시한다. EMPD(2120)는 도 18 내지 도 20에 도시되는 바와 동일한 내부 구성요소들을 포함한다. 이에 따라, 구성요소들에는 유사하게 번호가 매겨졌고 다시 설명되지 않을 것이다. 더욱이, 구성요소들은 도 18 내지 도 20에서와 동일하므로 모든 구성요소들에 번호가 매겨지지는 않았다.
도 21 및 도 22에 도시되는 바와 같이, EMPD(2120)는 EMPD(2120)의 내부 구성요소들(도 18 및 도 19에 도시되는 구성요소들과 같은)을 완전히 수납하고 둘러싸는 단일의, 연속 하우징(2122)을 포함한다. 하우징(2122)은 커플러 샤프트(1808)에 근접하게 위치결정되는 경사진 플랜지(flange)들(2124)을 추가로 포함한다. 경사진 플랜지들(2124)은 커플러 샤프트(1808)를 둘러싸는 하우징(2122)의 부분의 원주 주위로 연장된다. 추가로, 플랜지들(2124)은 하우징(2122)으로부터 그리고 커플러 샤프트(1808)를 둘러싸는 하우징(2122)의 더 좁은 부분 및 중간 샤프트(1810)를 둘러싸는 하우징(2122)의 더 넓은 부분 사이에서 외향하여 연장된다. 도 23에 도시되는 바와 같이, 위에 도 2 내지 도 8 그리고 도 18 내지 도 20에 관하여 설명되는 구성요소들 외에, EMPD(2120)는 또한 EMPD(2120)를 차량에 결합하기 위한 인터페이싱을 제공하면서도 EMPD(2120)의 내부 구성요소들을 제 위치에 유지시키는 커플링 플랜지(2321)를 포함한다. 대안의 실시예들에서, 하우징(212)은 플랜지들(2124)을 포함하지 않을 수 있다.
도 24는 단 하나의 하우징(예를 들어 단일 부분으로 형성되는 하나의 통합 및 연속 하우징)만을 포함하는 중앙 EMPD(2420)의 제 3 실시예를 도시한다. 개략도(2422)는 EMPD(2420)의 등각 외부도를 도시하고 개략도(2424)는 EMPD(2420)의 단면 내부도를 도시한다. EMPD(2420)는 도 18 내지 도 20에서 도시되는 바와 동일한 내부 구성요소들을 포함한다. 이에 따라, 구성요소들에는 유사하게 번호가 매겨졌고 다시 설명되지 않을 것이다. 더욱이, 구성요소들이 도 18 내지 도 20에서 도시된 바와 동일하므로 모든 구성요소들에 번호가 매겨지지는 않았다.
도 24에 도시되는 바와 같이, EMPD(2420)는 EMPD(2420)의 내부 구성요소들(도 18 및 도 19에 도시되는 구성요소들과 같은)을 완전히 수납하고 둘러싸는 단일한 연속 하우징(2416)을 포함한다. 하우징(2426)은 커플러 샤프트(1808)에 근접하여 위치결정되는 경사진 플랜지들(2428)을 추가로 포함한다. 경사진 플랜지들(2428)은 커플러 샤프트(1808)를 둘러싸는 하우징(2426)의 부분의 원주 주위로 연장된다. 추가로, 플랜지들(2428)은 하우징(2426)으로부터 그리고 커플러 샤프트(1808)를 둘러싸는 하우징(2426)의 더 좁은 부분 및 EMPD(2420)의 더 큰 직경의 내부 구성요소들을 둘러싸는 하우징(2426)의 더 넓은 부분 사이에서 외향하여 연장된다. 개략도(2424)에서 도시되는 바와 같이, 위에 도 2 내지 도 8 그리고 도 18 내지 도 20과 관련하여 설명되는 구성요소들 외에, EMPD(2420)는 EMPD(2420)를 차량에 결합하기 위해 인터페이싱을 또한 제공하면서도 EMPD(2420)의 내부 구성요소들을 제 자리에 유지시키는 커플링 플랜지(2421)를 포함한다. 양 하우징들(2120 및 2422) 모두는, 위에서 도 21 내지 23 및 도 24와 관련하여 설명되는 바와 같이, 개방되고 밀봉되지 않은 한 측을 각각 포함한다. 이에 따라, 하우징 부분은 제거되고 분리부는 차동장치 또는 오일 팬과 같은 동력트레인 구성요소의 한 측에 볼트 고정되고 이 측에 대하여 밀봉될 수 있다.
본원에서 설명되는 않는 추가 구성요소들은 도 17 내지 도 24의 중앙 전자기 펄스 분리부들에 포함될 수 있다. 더욱이, 도 2 내지 도 8에 도시되는 추가 구성요소들은 도 17 내지 도 24의 중앙 전자기 펄스 분리부들에 포함될 수 있다. 더욱이, 위에 도 17 내지 도 24와 관련하여 설명되는 중앙 전자기 펄스 분리부의 구성요소들은 도 2 내지 도 8에 도시된 실시예들에 또한 포함될 수 있다.
하나의 예로서, 샤프트의 분리 조립체를 동작시키는 방법은: 시프터 메커니즘의 축방향 연장 가이드들과 인터페이싱하는 일련의 양방향 램프들을 포함하는 전기자 캠 조립체를 통해 축력(axial force)을 발생시키는 전자기 코일을 통해 시프터 메커니즘을 제 1 자체 잠금 위치로부터 제 2 자체 잠금 위치로 구동하는 단계를 포함하고, 코일은 제 1 자체 잠금 위치 및 제 2 자체 잠금 위치 사이에서의 전이들 동안에만 여자되고, 제 1 자체 잠금 위치 및 제 2 자체 잠금 위치는 샤프트 맞물림 위치 및 샤프트 풀림 위치를 포함한다. 하나의 예로서, 샤프트를 선택적으로 맞물리게 하기 위하여 복수의 치들을 포함하는 클러치 링은 시프터 메커니즘에 결합되고 시프터 메커니즘을 구동하는 단계는 클러치 링 및 시프터 메커니즘에 인접하여 위치결정되는 래칭 링이 서로 독자적으로 회전하면서 클러치 링 및 래칭 링을 제 1 자체 잠금 위치 및 제 2 자체 잠금 위치 사이에서 분리 조립체의 중심축의 방향에서 축방향으로 함께 병진 이동시키는 단계를 포함한다. 더욱이, 시프터 메커니즘은 전자기 코일의 활성화 없이 제 1 자체 잠금 위치 및 제 2 자체 잠금 위치에서 유지될 수 있다. 상기 방법은 전자기 코일이 활성화 해제되고 분리 조립체가 제 1 자체 잠금 위치에 있을 때 전기자 캠 조립체를 시프터 메커니즘과 함께 회전시키는 단계를 더 포함한다. 다른 예에서, 상기 방법은 시프터 메커니즘을 제 1 자체 잠금 위치로부터 제 2 자체 잠금 위치로 전이시키기 위해 코일을 활성화하고 나서 활성화 해제하는 단계 및 시프터 메커니즘을 제 2 자체 잠금 위치로부터 제 1 자체 잠금 위치로 전이시키기 위하여 코일을 활성화 및 활성화 해제하는 단계를 더 포함한다. 또 다른 예에서, 상기 방법은 코일이 활성화 해제될 때, 심지어 조립체를 통해 샤프트의 토크 및 회전을 전달하고 전달하지 않을 때조차도, 시프터 메커니즘을 제 1 자체 잠금 위치 또는 제 2 자체 잠금 위치에 유지시키는 단계를 더 포함한다. 하나의 예로서, 샤프트의 맞물림 및 풀림은 샤프트의 회전 운동을 통해 보조되고 전자기 코일은 기계적 바이어싱 힘에 의해 중화(counteract)된다.
다른 실시예로서, 전자기 펄스 분리 조립체는: 펄스화한 전류에 의해 선택적으로 여자되는 전자기 코일; 일련의 양방향 램프들을 포함하는 캠에 고정되는 금속 전기자, 일련의 양방향 램프들의 각 램프 사이에서 캠과 인터페이싱하는 복수의 축방향 연장 가이드들을 포함하는 시프터 및 시프터에 결합되는 클러치 링을 포함하는 시프팅 조립체; 및 제 1 자체 잠금 위치 및 제 2 자체 잠금 위치를 포함하는 래칭 트랙 프로파일을 포함하는 래칭 링 조립체를 포함한다. 하나의 예로서, 시프터 및 클러치 링은 전자기 펄스 분리 조립체의 중심축에 관한 축 방향으로 병진 이동하고 중심축을 중심으로 하나의 유닛으로 회전한다. 다른 예로서, 래칭 링 조립체는 래칭 링의 외부 원주 주위에 배열되는 복수의 핀들을 포함하는 래칭 링 및 래칭 링을 잡아두기 위한 계단식 오목부를 포함하는 래칭 링 하우징을 더 포함하고, 래칭 링 하우징 및 래칭 링은 시프터와 함께 축 방향으로 병진 이동 가능하다. 부가적인 예로서, 래칭 링 하우징은 회전 가능하게 고정되고 래칭 링 하우징은 전자기 코일에 의해 생성되는 국지화된 자기장으로부터 분리된 검출 가능한 자기장을 생성하는 임베딩된 자석들을 포함한다. 하나의 예에서, 전자기 펄스 분리 조립체는 전자기 펄스 분리 조립체의 시프트 위치를 결정하기 위해 자석들의 자기장을 검출하는 고정형 자기 위치 센서를 더 포함한다. 다른 예로서, 래칭 링 조립체는 제 1 트랙 면을 형성하는 제 1의 일련의 치들을 포함하는 래치 캠 링 및 제 1 세트로부터 오프셋(offset)되고, 제 2 트랙 면을 형성하는 제 2의 일련의 치들을 포함하는 래치 가이드 링을 더 포함하고, 제 1 트랙 면 및 제 2 트랙 면은 래칭 트랙 프로파일을 형성한다. 추가로, 복수의 핀들은 래칭 트랙 프로파일 내에서 제 1 트랙 면 및 제 2 트랙 면 사이에 위치결정되고, 래치 캠 링 및 래치 가이드 링은 고정형이고, 래칭 링은 중심축을 중심으로 회전 가능하고 중심축을 따라 병진 이동 가능하다. 다른 예에서, 래치 캠 링은 시프팅 조립체를 원주 주위로 둘러싸고 제 1 트랙 면은 래칭 링의 복수의 핀들에 접촉하고 핀들을 제 1 자체 잠금 위치 및 제 2 자체 잠금 위치에 유지하도록 형상화된(shaped) 다수의 홈들을 더 포함한다. 더욱이, 전기자는 전자기 코일이 여자될 때 전자기 코일로 자기적으로 당겨지고 전자기 코일은 코일이 비여자화될 때 전자기 코일 및 전기자 사이에 에어 갭을 유지하기 위하여 하나 이상의 스프링들을 포함한다. 다른 예에서, 전자기 펄스 분리 시스템은 차량의 차축의 중간 부분을 따라 배열되는 외부 하우징을 더 포함하고, 외부 하우징은 전자기 코일, 시프팅 조립체 및 래칭 링 조립체를 완전히 수납하고, 클러치 링은 차축의 중간 샤프트 및 커플러 샤프트를 선택적으로 맞물리게 한다.
또 다른 실시예에서, 2개의 회전 구성요소들을 분리 조립체와 선택적으로 맞물리게 하는 방법은: 제 1 모드 동안, 래치 캠 링 내의 제 1 홈들과 접촉하는 래칭 링의 핀들을 통해 클러치 링을 제 1 위치에 유지하는 단계로서, 래칭 링은 분리 조립체의 중심축을 따라 클러치 링과 함께 병진 이동 가능한, 유지하는 단계; 제 2 모드로 시프팅하라는 명령을 수신하자마자, 전자기 코일을 여자화하여 캠에 고정되는 전기자를 자기적으로 당기고 클러치 링에 고정되는 시프터를 시프트의 종료 위치로 병진 이동시키고, 그에 따라 코일은 비여자화되고 스프링은 클러치 링을 제 2 위치에 유지하기 위해 핀들이 래치 캠 링 내의 제 2 홈들에 접촉하는 제 2 위치로 클러치 링을 미는 단계; 및 제 1 모드로 시프팅하라는 명령을 수신하자마자, 전자기 코일을 여자화하여 클러치 링을 시프트의 종료 위치로 병진 이동시키고, 그에 따라 코일은 비여자화되고 스프링은 클러치 링을 제 1 위치에 유지하기 위해 핀들이 제 1 홈들에 접촉하는 제 1 위치로 클러치 링을 미는 단계를 포함한다. 하나의 예로서, 시프터 및 클러치 링은 시프트의 종료 위치로 병진 이동하고, 래칭 링을 회전시키고 핀들을 래치 가이드 링 내의 시프트의 종료 홈들과 접촉시키기 위하여 핀들을 래칭 트랙 프로파일을 따라 그리고 래치 가이드 링의 제 1 면에 대하여 슬라이딩시키고, 래치 캠 링의 제 2 트랙 면 및 래치 가이드 링의 제 1 트랙 면은 래칭 트랙 프로파일을 형성한다. 다른 예로서, 상기 방법은 전자기 코일을 비여자화하자마자, 래칭 링을 회전시키고 핀들을 제 1 홈들 또는 제 2 홈들 중 하나에 접촉시키기 위하여 핀들을 래칭 트랙 프로파일을 따라 그리고 래치 캠 링의 제 2 트랙 면에 대하여 슬라이딩시키는 단계를 더 포함한다. 더욱이, 제 1 모드는 클러치 링이 2개의 회전 구성요소들 중 단 하나에 결합되는 2륜 구동 모드이고 제 2 모드는 클러치 링이 2개의 회전 구성요소들 모두에 결합되는 4륜 구동 모드이다. 또 다른 예로서, 상기 방법은 분리 조립체의 분리부 제어기에서, 차량 제어기로부터 제 1 모드 및 제 2 모드로 시프팅하라는 명령들을 수신하는 단계를 더 포함한다. 다른 예에서, 상기 방법은 클러치 링의 제 1 위치, 제 2 위치 및 시프트의 종료 위치 및 제 1 위치, 제 2 위치 및 시프트의 종료 위치 사이 또는 위치들을 넘는 클러치 링의 임의의 위치를, 분리부 제어기와 전기적으로 통신하는 위치 센서로 검출하는 단계를 더 포함한다.
본원에서 개시되는 구성들 및 루틴들은 성격상 예시이며 이 특정한 실시예들은 수많은 변형들이 가능하므로 제한하는 의미로 간주되어서는 안 되는 것이 인정될 것이다. 본 발명의 특허 대상은 모든 신규하고 자명하지 않은 결합들 및 다양한 시스템들 및 구성들 및 본원에 개시되는 다른 특징들, 기능들 및/또는 속성들의 하위 결합들을 포함한다.
다음의 청구항들은 특히 신규하고 비자명한 것으로 간주되는 명백한 결합들 및 하위 결합들을 언급한다. 이 청구항들은 "하나의" 요소 또는 "제 1" 요소 또는 이들의 등가를 칭할 수 있다. 그와 같은 청구항들은 하나 이상의 그와 같은 요소들의 통합을 포함하지만, 둘 이상의 그와 같은 요소들을 필요로 하거나 배제하지 않음이 이해되어야 한다. 개시된 특징들, 기능들, 요소들 및/또는 속성들의 다른 결합들 및 하위 결합들은 이 또는 관련 출원에서의 본 청구항들의 수정을 통해 또는 새로운 청구항들의 제시를 통해 청구될 수 있다. 그와 같은 청구항들은 범위에 있어서 원 청구항들에 대해 더 넓거나, 더 좁거나, 동일하거나 상이할지라도, 본 발명의 특허 대상 내에 포함되는 것으로 또한 간주된다.

Claims (20)

  1. 전자기 코일 조립체를 동작시키는 방법으로서:
    상기 전자기 코일 조립체의 전자기 코일의 여자에 응답하여, 상기 전자기 코일 조립체의 중심축을 따라 고정되는 자기 전기자(magnetic armature)를 유지하면서 상기 전자기 코일을 상기 중심축을 따라 상기 전기자 쪽으로 병진 이동시키는 단계를 포함하는 전자기 코일 조립체를 동작시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 코일을 병진 이동시키는 단계는 상기 전자기 코일이 상기 전기자에 직접 접촉하도록 상기 전자기 코일 및 상기 전기자 사이의 에어 갭(air gap)을 메우기 위하여 상기 전자기 코일을 상기 중심축을 따라 상기 전기자 쪽으로 병진 이동시키는 단계를 포함하는 전자기 코일 조립체를 동작시키는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 에어 갭을 메울 때, 상기 전기자와 결합되는 2차 메커니즘을 가동하기 위하여 상기 전기자의 회전 속도를 줄이는 단계를 더 포함하는 전자기 코일 조립체를 동작시키는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 코일을 여자시키기 위하여 상기 전자기 코일에 전류를 공급하는 단계를 더 포함하는 전자기 코일 조립체를 동작시키는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전자기 코일이 상기 전기자에 더 가까이 병진 이동할 때, 상기 전자기 코일에 공급되는 상기 전류의 양을 상기 전자기 코일 및 상기 전기자 사이의 에어 갭 거리의 함수로서 감소시키는 단계를 더 포함하는 전자기 코일 조립체를 동작시키는 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 병진 이동 동안, 상기 전자기 코일 및 상기 전기자 사이의 에어 갭이 0이 될 때, 상기 전자기 코일에 공급되는 상기 전류의 양을 줄이는 단계를 더 포함하는 전자기 코일 조립체를 동작시키는 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 전자기 코일을 비여자시키고 상기 전자기 코일을 상기 전기자와의 접촉에서 벗어나서 상기 전기자와 멀어지게 병진 이동시키기 위해서 상기 전류의 공급을 중단하는 단계를 더 포함하는 전자기 코일 조립체를 동작시키는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 코일 조립체는 상기 전기자가 시프터(shifter)의 가이드(guide)들과 인터페이싱하는 복수의 램프(ramp)들을 포함하는 캠(cam)에 직접 결합되는 전자기 펄스 분리 조립체의 일부이고 상기 시프터에 클러치 링(clutch ring)이 결합되는 전자기 코일 조립체를 동작시키는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전자기 코일을 병진 이동시키는 단계는 상기 전자기 코일이 상기 전기자에 직접 접촉하도록 상기 전자기 코일 및 상기 전기자 사이의 에어 갭을 메우기 위하여, 상기 전자기 코일을 상기 중심축을 따라 상기 전기자 쪽으로 병진 이동시키는 단계를 포함하고, 상기 방법은 상기 에어 갭이 메워지면, 상기 전기자의 회전 속도를 줄이고 이에 의해서 상기 시프터 및 클러치 링을 상기 캠과 멀어지게 상기 중심축을 따라 병진 이동시키기 위해 상기 가이드들을 상기 복수의 램프들을 따라 슬라이딩(sliding)시키는 단계를 더 포함하는 전자기 코일 조립체를 동작시키는 방법.
  10. 전자기 코일 조립체로서:
    상기 전자기 코일 조립체의 중심축에 대하여 축 방향으로 병진 이동하도록 적응되는 전자기 코일; 및
    상기 축 방향으로의 병진 이동에 고정되는 자기 전기자를 포함하고, 상기 전자기 코일이 비여자화될 때 상기 전자기 코일 및 상기 전기자 사이에는 에어 갭이 위치되고 상기 전자기 코일이 여자되면 상기 전자기 코일이 상기 에어 갭을 메우기 위하여 상기 전기자 쪽으로 병진 이동하는 전자기 코일 조립체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전자기 코일은 회전에 고정되고 상기 전자기 코일은 제어기와 전기적으로 결합되도록 적응되는 접촉 조립체를 포함하는 전자기 코일 조립체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 접촉 조립체는 상기 전자기 코일에 결합되는 제 1 및 제 2 레그(leg)들을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 레그들의 각각은 상기 전자기 코일을 상기 제어기의 대응하는 단자에 전기적으로 결합시키는 코일 복귀 스프링을 포함하고, 그리고 상기 전자기 코일 조립체는 상기 전자기 코일에 결합되며 상기 전자기 코일을 상기 제어기에 전기적으로 결합시키지 않는 제 3 코일 복귀 스프링을 포함하는 제 3 레그를 더 포함하고, 여기서 상기 제 1, 제 2 및 제 3 레그들의 상기 코일 복귀 스프링들은 상기 전자기 코일이 비여자화될 때 상기 에어 갭을 유지하기 위하여 균형된 스프링 력을 제공하는 전자기 코일 조립체.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 전자기 코일에 근접하게 위치되고 상기 전자기 코일의 일부분을 둘러싸는 코일 복귀 스프링을 더 포함하고, 상기 코일 복귀 스프링은 상기 전자기 코일이 비여자화될 때 상기 에어 갭을 유지하는 전자기 코일 조립체.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 전기자는 일련의 양방향 램프(ramp)들을 포함하는 캠과 결합되고, 상기 전자기 코일 조립체는 시프터를 더 포함하고, 상기 시프터는 상기 일련의 양방향 램프들의 각 램프 및 상기 시프터에 결합되는 클러치 링 사이에서 상기 캠과 인터페이싱하는 복수의 축방향 연장 가이드들을 포함하는 전자기 코일 조립체.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전자기 코일 조립체는 전자기 펄스 분리부의 일부이고, 여기서 클러치 링은 상기 시프터에 결합되는 전자기 코일 조립체.
  16. 전자기 코일 조립체로서:
    전자기 코일로서, 상기 전자기 코일 조립체의 중심축에 대하여 축 방향으로 병진 이동하도록 적응되고 상기 전자기 코일의 외부 주위의 원주 상에 이격되어 있는 복수의 레그들을 포함하는 상기 전자기 코일, 여기서, 상기 복수의 레그들의 각 레그는 상기 전자기 코일에 코일 복귀력 및 전기 접속 중 하나 이상을 제공하는 스프링을 포함함; 및
    상기 축 방향으로 병진 이동에 고정되는 자기 전기자로서, 상기 전자기 코일이 비여자화될 때 상기 전자기 코일 및 상기 전기자 사이에 에어 갭이 위치되고, 상기 전자기 코일이 여자될 때, 상기 전자기 코일이 상기 에어 갭을 메우기 위해 상기 전기자 쪽으로 병진 이동되는, 상기 자기 전기자를 포함하는 전자기 코일 조립체.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전자기 코일은 회전에 고정되고 상기 복수의 레그들의 제 1 레그의 제 1 스프링 및 상기 복수의 레그들의 제 2 레그의 제 2 스프링은 제어기와 전기적으로 결합되도록 적응되는 전자기 코일 조립체.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 레그들의 제 3 레그의 제 3 스프링은 상기 전자기 코일을 상기 제어기에 전기적으로 결합시키지 않고, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 스프링들은 상기 전자기 코일이 비여자화될 때 상기 에어 갭을 유지하기 위해 균형된 스프링 력을 제공하는 전자기 코일 조립체.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 각 레그의 스프링은 선형 스프링이고 상기 스프링의 제 1 단은 상기 전자기 코일에 결합되고 상기 스프링의 제 2 단은 상기 전기자의 축 면과 인터페이싱하는 전자기 코일 조립체.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 전기자는 일련의 양방향 램프들을 포함하는 캠과 결합되고, 상기 전자기 코일 조립체는 시프터를 더 포함하고, 상기 시프터는 상기 일련의 양방향 램프들의 각 램프 및 상기 시프터에 결합되는 클러치 링 사이에서 상기 캠과 인터페이싱하는 복수의 축방향 연장 가이드들을 포함하는 전자기 코일 조립체.
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