KR100375491B1 - 핀형동기장치 - Google Patents

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KR100375491B1
KR100375491B1 KR10-1998-0000719A KR19980000719A KR100375491B1 KR 100375491 B1 KR100375491 B1 KR 100375491B1 KR 19980000719 A KR19980000719 A KR 19980000719A KR 100375491 B1 KR100375491 B1 KR 100375491B1
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다글라스 레이놀드 조셉
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이턴 코포레이션
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Abstract

마찰 부재(34, 46 및 36, 48)들, 리테이너(44)들에 의해 축 방향으로 고정된 조 부재(30, 38 및 32, 40)들, 원주 방향으로 떨어져 있는 핀(50) 3개를 포함하는 핀형 복동식 동기 장치 기구(10)는 조 클러치들의 비동기 맞물림을 저지하기 위한 블록커 쇼울더들, 시프트 플렌지(42)의 초기 맞물림 이동에 응답하여 마찰 링들과블록커 쇼울더들의 초기 맞물림을 보증하기 위한 프로-에너자이저 어셈블리(52), 허브(20)로부터 돌출한 포스트(24b)에 의해 정의되는 셀프-에너자이징 경사면(24c, 24d, 24e, 24f)들, 및 플렌지에 의해 정의되는 셀프-에너자이징 경사면(42g, 42h, 42k, 43m)을 포함한다. 동기 장치는 개선된 조 부재들과 개선된 셀프-에너자이징 경사면들을 갖는다.

Description

핀형 동기 장치{PIN-TYPE SYNCHRONIZER}
본 발명은 변속기용 핀형 동기 장치(pin-type synchronizer)의 개량에 관한 것이다.
동기 장치가 일부 또는 모든 변속 기어비의 변속 시간을 감소시키는데 이용될 수 있다는 것은 다단 속도 변속기(multiple speed ratio transmission) 업계에 잘 알려져 있다. 셀프-에너자이징 형(self-energizing type) 동기 장치를 사용하여 차량 운전자에게 요구되는 변속 조작 작동력(예: 변속 레버에 가하는 힘)을 줄일 수 있는 것도 잘 알려져 있다. 이 변속 조작 작동력은 차량의 크기에 따라 증가하기 때문에, 일반적으로 셀프-에너자이징 형 동기 장치는 대형 트럭에 있어서 중요하다. 그러나, 이러한 동기 장치는 트럭에 이용되는 것에 한정되지 않는다. 본 동기 장치와 관계있는 종래 동기 장치의 예들은 미합중국 특허 제5,092,439호, 제 5,339,936호 및 제5,425,437호에 개시되어 있으며, 이들 발명들이 본 발명의 참고로 포함된다.
본 발명의 목적은 개량된 조 부재 장치를 구비한 핀형 동기 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 개량된 셀프 에너자이징 형 장치를 구비한 핀형 동기 장치를 제공하는 것이다.
미합중국 특허 제5,092,439호에 게재되어 있고 청구항 1의 전제부에 설명되어 있듯이, 본 발명의 한 특징에 따르는 핀형 동기 장치는 축을 갖는 샤프트의 제1 및 제2 원통 표면상에서 상대 회전하기 위해 각각 장착된 제1 및 제2드라이브 중 하나를 마찰로 동기화하여 완전 연결하도록 선택적으로 작동한다. 동기 장치는 제1 및 제2드라이브에 각각 부착된 제1 및 제2 조 부재(jaw member)를 포함하며, 이들 조 부재들은 이 드라이브들 사이에 위치하며 축 방향으로 이동할 수 있는 제3 및제4 조 부재와 각각 맞물린다. 제3 및 제4 조 부재는 샤프트에 부착된 외부 스플라인에 대해 상대 회전하지 않도록 미끄럼 결합하는 내부 스플라인을 갖는다. 제1 및 제2 콘 마찰 부재는 제1 및 제2드라이브와 회전할 수 있게 각각 고정되어 있다. 제 3 및 제4 마찰 부재는 샤프트와 동심이고, 드라이브들 사이를 축 방향으로 이동할 수 있는데, 이와 같이 이동하여 제1 및 제2 마찰 부재와 각각 마찰 결합하여 드라이브들과 샤프트를 동기화시키기 위한 동기화 토크를 제공한다. 조 부재들을 축 방향으로 이동시키고 마찰 부재들을 플렌지에 작용하는 양방향 축 시프트 힘(Fo)에 대해 전술한 맞물림 위치로 이동하도록, 반경 방향으로 연장된 플렌지는 제3 및 제4 조 부재 사이 및 제 3 및 제4 마찰 부재들 사이에 위치하며, 축 방향으로 대향하여 마주보는 측면들을 갖는다. 블록커 수단(blocker means)은 동기화되기 전에 조 부재들이 맞물림되는 것을 방지하기 위해 결합하여 작동한다. 블록커 수단은 원주 방향으로 간격을 두고 배치된 다수의 핀을 포함하는데, 이 핀들은 플렌지의 제1세트 개구부 쪽으로 제3 및 제4 마찰 부재들 사이에 축 방향으로 견고하게 연장된다. 모든 핀들은 블록커 쇼울더를 가지며, 이들 핀의 블로커 쇼울더는 결합되는 개구부에 형성된 블로커 쇼울더와 맞물린다. 리테이너 수단은 제3 및 제4 조 부재에 대한 축방향 운동에 대해서 플렌지를 고정시킨다. 다수의 제1 및 제2 셀프-에너자이징 경사면들이 플렌지와 샤프트에 대한 축 방향 및 반경 방향 운동에 대항하게 각각 고정된다. 시프트 힘(F0) 방향으로 플렌지에 부가력(Fa)을 형성하여 마찰 부재들을 맞물리게 하는 합력을 증가시키기 위해, 제1 및 제2 경사면들은 동기화 토크에 응답하여 맞물릴 수 있다.
개선된 사항으로는 드라이브들 사이에 축 방향으로 개재되며 원통 표면들의 지름보다 그 지름이 큰 바깥 원주를 갖는 환형 허브(annular hub)에 그 특징이 있다. 이 환상 허브는 샤프트에 대해 축 방향 및 반경 방향 상대 운동에 대항하여 고정되며, 샤프트에 고정되는 외부 스플라인들은 환상 허브의 바깥 원주 상에 형성된다. 제1 및 제2 조 부재 내부 스플라인은 환상 부재의 외부 스플라인들과 계속 맞물려진다. 제3 및 제4 조 부재 내부 스플라인은 드라이브들과 샤프트를 확동 연결시키기 위해 제1 및 제2 조 부재들의 외부 스플라인들과 각각 맞물려질 수 있다.
청구항 1의 전제부에 설명되어 있듯이 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 핀형 동기 장치의 개선된 사항은 샤프트와 동심이며 샤프트에 대해 상대 회전에 대항하게 고정된 그리고 드라이브들 사이에 축 방향으로 개재된 환형 허브에 그 특징이 있다. 허브는 제1링과 제2링을 가지고 이들 사이에 배치된 중앙 링을 포함한다. 제 1링과 제2링은 샤프트에 고정된 외부 스플라인을 포함한다. 중앙 링은 다수의 제2경사 수단을 정의하는 반경 방향 바깥으로 돌출하는 수단을 포함한다. 제1 및 제2 셀프-에너자이징 경사면들은 허브 외부 스플라인으로부터 그리고 제3 및 제4 조 부재들의 내부 스플라인으로부터 떨어져 있는 맞물려질 수 있는 경사면 부분들을 갖는다.
청구항 1의 전제부에 설명되어 있듯이 본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 핀형 동기 장치의 개선된 사항은 샤프트와 동심이며 샤프트에 대해 상대 회전에 대항하게 고정된 그리고 드라이브들 사이에 축 방향으로 게재된 환상 허브에 그 특징이있다. 허브는 제1 및 제2원통형 표면의 지름보다 큰 바깥 지름을 갖는 반경 방향 바깥쪽으로 마주보는 표면을 포함하며, 원주로 떨어져 있는 다수의 반경 방향 바깥쪽으로 향하는 돌출하여 다수의 제2경사면을 정의하는 돌출부를 갖는다. 이 표면은 중앙 부분의 축 방향 맞은 편 상에 외부 스플라인들을 포함하는데, 이 외부 스플라인들은 제1 및 제2 조 부재 내부 스플라인들과 미끄럼 맞물림되며, 그 바깥 지름은 제2 경사면의 지름보다 작다.
도 1은 도 2의 1-1선을 따라 취한 중립 위치에 있는 복동식 동기 장치를 개략적으로 도시한 단면도,
도 2는 도 1의 2-2선을 따라 취하며 그 일부는 생략한 동기 장치의 부분 단면도,
도 3은 도 2의 3-3선을 따라 취한 동기 장치의 크기가 감소된 부분 단면도,
도 4는 도 2의 4-4선을 따라 취한 동기 장치의 크기가 감소된 부분 단면도,
도 5는 도 4의 셀프-에너자이징 경사면의 맞물림 위치를 도시한 도면,
도 6은 동기 장치 부품의 사시도, 및
도 7은 동기 장치의 시프트 플렌지에 작용하는 축 방향 힘과 토크를 그래프로 표현한 도면이다.
여기서 사용한 "동기 클러치 장치(synchronizer clutch mechanism)"라는 용어는 확동 클러치에 의해 선택된 비율의 기어를 샤프트에 비회전 연결하는데 사용되는 클러치 장치를 말하며, 이 장치에서 확동 클러치의 부재들이 이 확동 클러치와 함께 작동하는 동기 마찰 클러치에 의해 실질적으로 동기 회전하기 전까지 확동클러치의 맞물림 시도가 저지된다. "셀프-에너자이징(self-energizing)"이란 마찰 클러치의 동기화 토크에 비례하게 동기 클러치의 맞물림 힘을 증가시키도록 경사면 또는 캠 등을 포함하는 동기 클러치 장치를 의미한다.
이제 기어 및 복동식(double-acting) 동기 어샘블리(10)가 도시되어 있는 도면들을 살펴보면, 기어 어셈블리는 변속기 안에서 축(12a) 둘레를 회전하도록 장착되는 샤프트(12) 및 축 방향으로 떨어져 배치된 드라이브들(drives) 또는 기어(14, 16)들을 포함한다. 이 샤프트(12)는 베어링(13)을 경유해 기어를 회전할 수 있게 지지하는 원통형 표면(12b, 12c)을 포함한다.
복동식 동기 장치(18)는 그 바깥 원주가 원통형 표면의 직경보다 큰 환상 허브(20)를 포함한다. 허브는 3개의 링(22, 24, 26)들을 포함하며, 축 방향으로 반대쪽으로 마주보는 쇼울더(22a, 26a)들에 의해 기어들을 분리하는 축 방향 길이를 갖는데, 이것은 기어들이 다른 기어 쪽으로 축 방향 이동하는 것을 제한한다. 기어들이 축 방향을 서로 멀어지는 운동은 부분적으로 도시된 스톱(stop)(28)에 의해 제한된다. 샤프트 스플라인(12d)은 링 내부 스플라인(22b, 24a, 26b)들과 맞물려져서 이들 사이의 상대적인 회전을 방지한다. 링(22, 26)의 바깥 원주는 조 부재(30, 32)들의 내부 스플라인(30a, 32a)들과 회전하지 않게 미끄럼 맞물림되는 내부 스플라인(22c, 26c)을 포함한다. 중앙 링(24)은 셀프-에너자이징 경사면(24c, 24d, 24e, 24f)들을 정의하는 반경 방향 바깥으로 돌출한 포스트(post)(24b) 3개를 포함하며, 이는 이하에서 더 설명한다. 동기 장치(18)는 기어들과 일체로 형성된 마찰링(34, 36)들과 조 부재 외부 스플라인(38, 40)들, 조 부재(30, 32)들, 이 조 부재 (30, 32)들의 축 방향으로 마주보는 표면(30b, 32b)들 사이에 끼워져 있는 축 방향으로 맞은편으로 마주보는 측면(42a, 42b)들을 갖는 반경 방향으로 뻗어있는 시프트 플렌지(42), 플렌지와 조 부재들을 축 방향 상대 운동에 대향하게 잠그기 위한 축 방향으로 뻗어 있는 리테이너(44)들, 플렌지 안에 있는 개구(42c)들을 통해 그리고 각 마찰 부재로부터 축 방향으로 뻗어 있는 원주 방향으로 떨어져 있는 핀 (50) 3개에 의해 견고하게 함께 고정되어 있는 환상 마찰 링(46, 48)들, 및 프리-에너자이저(pre-energizer) 어샘블리(52)들을 더 포함한다.
마찰 링은 콘 마찰 표면(34a, 46a 및 36a, 48a)들을 가지는데, 이것들은 조 부재들이 맞물려지기 전에 기어들을 샤프트에 마찰 동기화시키기 위해 맞물려진다.넓은 범위의 콘 각도들이 이용될 수 있다. 7½도의 콘 각도가 이용될 수 있다. 마찰면(46a, 48a 및/또는 26a, 28a)들이 링에 고정된 여러 공지된 마찰 재료 중 어느 하나에 의해 정의될 수 있다. 미합중국 특허 제4,700,823호, 제4,844,218호 및 제4,778,548호에 개시되어 있듯이, 열분해 탄소 마찰 재료(pyrolytic carbon friction material)가 이용될 수 있다. 이 특허들은 참고로 여기에 포함된다.
각각의 핀(50)은 플렌지 개구부(42c)의 직경보다 약간 작은 주직경부(50a), 마찰 링(46, 48) 사이에(여기서는 중앙에) 떨어져 위치한 감소 직경부 또는 홈부 (50b) 및 핀 축으로부터 바깥 반경 방향으로 연장되며 핀 축에 수직한 평면에서 비스듬하게 서로 축 방향으로 멀어지는 원뿔형 블록커 쇼울더 또는 표면(50c)을 포함한다. 홈부가 각각의 플렌지 개구부 안에 위치될 때, 홈부는 플렌지에 대하여 강체인 마찰 링과 핀 조립체의 회전을 일부 허용하며, 플렌지 개구부(42c) 주위에 형성된 모따기된(chamfered) 블록커 쇼울더(42d)와 핀 블록커 쇼울더와 맞물려진다. 이들 핀은 공지된 방법들 중 하나에 의해 마찰 링(46, 48)에 고정된다.
프리 에너자이저 어샘블리(52)는 몇몇 알려진 형태들 중 어느 하나일 수 있는데, 여기서 그들은 스플릿 핀형(split pin-type)이며 이것은 앞에서 언급한 미합중국 특허 제5,339,936호에 자세히 설명되어 있다. 모든 프리 에너자이저 어셈블리는 개구부(42c) 사이에서 교대로 떨어져 위치한 개구부(42e)를 통해 마찰 링들(46, 48) 사이에 축 방향으로 연장해 있다. 각 프리-에너자이저 어샘블리는 원주 방향으로 떨어져 배치된 대향단(54a)을 갖는 두 개의 동일한 쉘(shells)(54)들과, 링(46, 48) 안에 있는 축 방향 개구 리세스(46b, 48b)들과, 이 쉘들 사이에 끼워져 이를치우치게 하는 두 개 이상의 동일한 판 스프링(leaf spring)(56)을 포함한다. 리세스(46b, 48b)들은 마찰 링의 원주 방향으로 연장되어 있고(도시하지 않음), 마찰 링의 반경 방향으로 길이가 충분하여서 쉘(54)의 대향단(54a)의 미끄럼 운동을 허용한다. 각각의 쉘(54)은 압착될 때 맞물리는 개구부(42e)의 직경보다 작은 주직경부, 반환(semi-annular) 형 홈들(54b), 모따기된 끝 표면(54c) 및 끝 부분(54a)을 포함한다. 알려진 바처럼, 플렌지(42)의 초기 맞물림 운동에 응답하여 끝부분(54a)은 마찰 링(46, 48)들과 작용하며, 모따기된 끝 표면(54c)은 플렌지(42)의 개구부 (42e) 주변의 모따기된 것과 반작용하는데, 이렇게 함으로써 어떤 마찰 클러치를 초기 맞물림시키며 핀(50)들을 플렌지(42)에 대해 상대 회전시키고 블록커 쇼울더들을 맞물리게 위치시키기 위해 동기화 토크를 초기화한다.
전술하였듯이, 조 부재(30, 32)는 샤프트에 대해서 고정된 링(22, 26)들에 의해 정의되는 외부 스플라인 기어 이(22c, 26c)와 미끄럼 이동할 수 있게 결합되는 내부 스플라인 기어 이(30a, 32a)를 포함한다. 외부 스플라인(22c, 26c)은 샤프트의 축에 평행하게 연장된 플랭크 면을 가지며, 이들 플랭크 면은 조 부재의 플랭크 면과 결합되어 이들간 상대 회전이 방지된다.
플렌지(42)는 중앙 링(24)의 포스트(24b)를 수용하는 반경 방향 안쪽으로 개구된 리세스(42f)들을 더 포함한다. 각 리세스들은 서로 원주 방향으로 서로 마주보는 반경 방향으로 마주보는 측면을 포함하며, 각각 셀프-에너자이징 경사면(42g, 42h 및 42k, 42m)을 정의한다. 기어(14)가 동기화되는 동안, 경사면(42g)이 경사면 (24f)에 대항하여 반작용하거나 경사면(42h)이 경사면(24d)에 대항하여 반작용하여기어(14) 방향으로 부가적인 축 방향 힘(Fa)을 제공한다. 기어(16)가 동기화되는 동안, 경사면(42k)이 경사면(24c)에 대항하여 반작용하거나 경사면(42m)이 경사면 (24e)에 대항하여 반작용하여 기어(16)의 방향으로 부가적인 축 방향 힘(Fa)을 제공한다. 뒤에서 더 자세히 설명하겠지만, 부가적인 축 방향 힘(Fa)은 시프트 플렌지 (42)에 가해지는 운전자 시프트 힘(F0)에 더해진다. 경사 표면들은 플렌지가 조 부재(30, 32)들에 대해 제한적으로 회전하도록 허용한다. 플렌지(42)의 경사면과 중앙 링(24)이 맞물려질 때, 이들은 콘 클러치들로부터 샤프트(12)에 동기화 토크에 반작용하여 플렌지(42)에 가해진 시프트 힘에 의해 초기 맞물림된 콘 클러치의 맞물림 힘을 증대시키기 위해 부가적인 축 방향 힘을 제공하는데, 이렇게 함으로써 콘 클러치들에 의해 제공되는 동기화 토크를 증대시킨다. 경사 표면들은 상단 변속 및 저단 변속할 때 발생하는 상단 하나 또는 양 기어들에 대한 동기화 힘을 증대시키기 위해 또는/또한 어느 한 방향으로의 토크에 대해 동기화 힘을 증대시키기 위해 제공될 수 있다.
각 리테이너(44)들은 조 부재(30, 32)들 안에 있는 축 방향으로 연장된 슬롯 (30c, 32c)들 안에 꼭 맞게 배치된 축 방향으로 뻗어 있는 부분(44a)과, 조 부재 (30, 32)들의 축 방향 맞은 편으로 마주보는 측면(30d, 32d)들을 에워싸는 축 방향으로 떨어져 있고 반경 방향 바깥으로 뻗어 있는 부분(44b)들을 포함한다. 리테이너들은 그들 사이의 제한된 상대 회전을 허용하기 위해 플렌지(42)의 개구(42n)를 관통하여 헐렁하게 뻗어있다.
경사 표면(24d, 24f)들은 각각 경사 표면(42h, 42g)에 대항하여 반작용하여 어떤 한 방향으로의 동기화 토크에 응답하여 기어(14)에 축 방향 부가 힘들을 제공한다. 링(24)을 경유하여 샤프트(12)에 고정된 경사 표면(24c, 24e)들은 각각 플렌지 리세스(42f)들의 측면들 상에 있는 경사 표면(42k, 42m)들에 대항하여 반작용하여서 축 방향 부가 힘을 제공하고, 이렇게 하여 어떤 한 방향으로의 토크에 응답하여 기어(16)의 동기화 비율 또는/및 변속 특성을 증대 또는 지원한다. 경사 표면들의 각도들은 변경될 수 있어서 상단 및 저단 변속과 고속 및 저속 비율에 대해서 다른 크기의 축 방향 부가 힘을 제공한다. 또한, 하나 또는 그 이상의 기어에 대한 한 쪽 방향 축 방향 부가 힘이 없는 것이 바람직하다면, 경사 표면들은 샤프트 축에 평행하게, 즉, 유효한 경사 표면들이 제공되지 않는다. 또한, 뒤에서 더 설명되겠지만, 축 방향 부가 힘의 크기 또는 양은 마찰 클러치들과 셀프-에너자이징 경사면들의 평균 반경 비율의 함수이다. 따라서, 시프트 포크에 의해 시프트 플렌지 (42)에 가해진 특정 시프트 힘에 대한 축 방향 부가 힘의 크기는 경사 각도들 및/ 또는 평균 반경 비율을 변경함으로써 변경될 수 있다.
플렌지(42)가 도 1의 중립 위치에 있을 때, 핀(50)들의 감소 직경부(50b)들은 이와 결합되는 플렌지 개구부(42c)들과 반경 방향으로 정렬되어 있고, 콘 클러치들의 마찰면들이 약간 떨어져 유지되는데, 이 간격은 스프링(56)들의 탄성력으로 플렌지 개구부(42e)들의 모따기된 셀프-에너자이징 표면에 작용하는 프리 에너자이저 어셈블리(52)의 모따기된 또는 경사진 셀프-에너자이징 표면(54c)들에 의해 유지된다. 바람직하게는 셀프-에너자이징 표면에 의해 형성되는 축 방향 힘은 콘 클러치 면들 사이에 있는 오일의 점성 전단력으로 인한 셀프-에너자이징 경사면들의 뜻밖의 맞물림을 저지하는데 충분하다. 어떤 기어를 샤프트에 맞물리게 해야 할 때, 도시하지는 않았으나 여기서 참고로 포함한 미합중국 특허 제4,920,815호에 게재되어 있는 적절한 변속 장치가 공지된 방법으로 플렌지(42)의 바깥 주변부에 연결되는데, 이렇게 함으로써 기어(14)를 왼쪽으로 또는 기어(16)를 오른쪽으로 샤프트(12)의 축을 따라 이동시킨다. 변속 장치는 기구 시스템을 통해 사용자에 의해 수동 조작될 것이고, 엑츄에이터에 의해 선택적으로 이동되거나 변속 장치의 구동을 자동으로 초기화하고 변속 장치에 의해 부가되는 힘의 크기도 제어하는 수단에 의해 이동될 수 있다. 변속 장치가 수동으로 이동될 때, 이 힘은 사용자에 의해 시프트 레버에 가해진 힘에 비례한다. 수동 및 자동에 의해 플렌지에 가해지는 힘의 크기는 도 7에서 F0의 길이로 표시되며, 그 방향은 축 방향이다.
운전자의 시프트 힘 F0에 의해 초기에 플렌지(42)가 오른쪽으로 축 방향 이동하면, 이 이동량이 셀프-에너자이징 표면(54c)에 의해 마찰 부재(48)에 전달되어 콘 면(36a, 48a)들이 초기 마찰 맞물림된다. 콘 면의 초기 맞물림 힘은 스프링(56)의 힘과 셀프-에너자이징 표면의 각도의 함수로 정해진다. (비동기 상태가 존재하고 셀프-에너자이징 경사면의 효과를 일시적으로 무시하면) 초기 마찰 맞물림은 플렌지(42)와 맞물림 마찰 링 사이의 제한된 상대 회전을 보장하는 초기 콘 클러치 맞물림 힘과 초기 동기화 토크를 발생하며, 플렌지 개구부(42c)의 적절한 측으로의 감소한 직경의 핀 부분(50b)의 운동을 제공함으로써 개구부(42c) 주위에 배치된 블록커 쇼울더(42d)와 핀 블록커 쇼울더(50c)의 맞물림을 제공한다. 블록커 쇼울더가 맞물릴 때, 사용자가 플렌지(42)에 가하는 시프트 힘 F0전부가 블록커 쇼울더를 통해 마찰 링(48)에 전달되면, 이에 따라 콘 클러치가 사용자 시프트 힘 F0를 전부 받아 맞물리게 되어 결국 사용자 동기화 토크 T0을 형성한다. 도 7에서 화살표로 표시된 T0가 이 사용자 동기화 토크 T0를 나타낸다. 블록커 쇼울더가 사용자 시프트 힘 F0의 축 방향에 대해 경사져 형성되기 때문에, 이들은 콘 클러치로부터 동기화 토크에 대항하는 역힘 또는 언블록킹 토크를 발생시키는데 비동기화 조건에서는 그 크기가 작다. 실질적으로 동기화가 완료되면, 동기화 토크가 언블로킹 토크 이하로 강하됨으로써, 블록커 쇼울더가 핀들을 개구(42c) 안으로 동심 관계로 이동시켜 플렌지의 축 방향 이동을 계속 가능하게 하고, 포스트(24b)들의 축 방향 통로를 조 부재 리세스(32e)들 안으로 이동시켜 기어(16)에 고정되어 있는 조 부재(40)의 외부 스플라인/조 이빨과 조 부재(32)의 내부 스플라인/조 이빨이 맞물리게 허용한다. 포스트(24b)들은 플렌지(42)가 기어(14)를 맞물리게 하기 위해 왼쪽으로 이동할 때 리세스(30e)들 안으로 이동한다. 리세스(30e, 32e)들은 도 1에서 볼 수 있으며, 리세스(30e)들은 도 2에서 포스트(24b)에 의해 가려져 있다. 스플라인/조의 톱니는 여기에 참고로 포함한 미합중국 특허 제3,265,173호과 제4,246,993호에 도시된 것과 같이 구성될 수 있다.
셀프-에너자이징 경사면의 효과를 무시하면, 힘 F0에 의해 형성되는 콘 클러치 토크는 식 (1)로 나타난다.
여기서, Rc는 콘 마찰면의 평균 반경을, μc는 콘 마찰면의 마찰 계수를, α는 콘 마찰면의 각을 각각 가리킨다.
도 4와 도 5를 참고하여 셀프-에너자이징 경사면의 작용에 대해 살펴보겠다. 사용자가 가하는 축 방향 시프트 힘 F0에 의해 동기화 토크 T0는 물론 핀(50)들에 의해 플렌지(42)로 전달되고 셀프-에너자이징 경사면을 통해 샤프트(12)에 반작용한다. 맞물리는 경우, 셀프-에너자이징 경사면들이 샤프트(12) 및 조 부재(30, 32)들에 대한 플렌지의 회전을 제한하며, 시프트 힘 F0와 동일한 방향으로 플렌지에 작용하는 축 방향 힘 성분 또는 축 방향 부가적인 힘 Fa를 발생시켜 이 힘이 전체 힘 Ft를 제공하도록 합해지며, 이로 인해 콘 클러치의 맞물림 힘을 늘려서 토크 T0에 더해져 전체 토크 Tt를 형성하는 부가 동기화 토크 Ta를 제공한다. 도 4는 플렌지 (42)가 도 1의 위치에 해당하는 중립 위치에 있을 때 셀프-에너자이징 경사면의 위치를 나타낸다. 도 5는 기어(14)가 맞물린 콘 면(34a, 46a)들에 의해 동기화될 때 경사면들의 위치를 나타낸다. 맞물린 콘 면들은 동기화 토크를 한 방향으로 발생시키는데, 이 동기화 토크는 샤프트(12)에 고정된 허브 경사 표면(24d)들과 플렌지 경사면(42h)들을 맞물리게 한다. 따라서, 콘 클러치를 맞물리게 하는 축 방향 힘은 F0와 Fa의 합이며, 콘 클러치에 의해 생성되는 동기화 토크는 T0와 Ta의 합이다. 이런 관계를 도 7에 도시화하여 나타내었다. 주어진 사용자 시프트 힘 F0및 사용자 동기화 토크 T0에 대하여, 축 방향 부가 힘의 크기는 바람직하게는 맞물린 셀프-에너자이징 경사면의 경사각의 함수이다. 이 경사각들은 부가 힘 Fa를 형성할 수 있을 정도로 충분히 큰 것이 바람직하며, 부가 힘 Fa의 크기는 동기화 토크를 현저히 증가시키고, 주어진 사용자의 보통 변속 노력에 응답하여 동기화하는 시간을 줄이기에 충분해야 한다. 그러나, 이 경사각들은 제어된 축 방향 부가력 Fa을 발생하도록 충분히 낮은 것이 바람직하다. 즉, Fa는 힘 F0의 증감에 응답하여 증가 또는 감소되어야 한다. 경사각들이 지나치게 크면, 경사면은 셀프-에너자이징이 아니라 스스로 잠기게 된다. 즉, 일단 콘 클러치가 초기 맞물림되면 Fa는 Fo에 무관하게 증가하고, 그래서 콘 클러치가 제어 불능한 잠금 상태로 된다. 셀프-에너자이징이 아니라 자기 잠금 상태가 되는 것은 변속 특성과 변속 느낌을 저하시키며, 동기 장치의 구성요소들을 과도 응력 상태로 만들 수 있으며, 콘 클러치 면들을 과열시키고 낡게 만들 수 있고, 심지어 시프트 레버에 대한 사용자의 이동이 무시될 수 있다.
셀프-에너자이징 경사면의 경사각을 계산하는데 사용되는 변수들과 수식들은 위에서 언급한 미합중국 특허 제5,092,439호에 게재되어 있다.
개량된 셀프-에너자이징 장치를 구비한 핀형 동기 장치를 제공함으로써 중형 트럭과 같은 대형 차량에서 시프트 시간의 감소와 시프트 힘의 감소를 실현할 수있다.
여기에 핀형 동기 장치의 바람직한 실시예가 게재되어 있다. 다음 청구 범위는 상술한 동기 장치의 기술적 사상을 포함하기 위한 것으로, 그 범위 안에서 변경 및 수정이 가능하다.

Claims (11)

  1. 축(12a)을 가진 샤프트(12)의 제1 및 제2원통형 표면(12b, 12c) 상에서 상대회전할 수 있게 각각 장착된 제1 및 제2드라이브(14, 16) 중 하나를 마찰로 동기화하고 확동 연결하도록 선택적으로 작동하는 핀형 동기 장치(18)에 있어서,
    상기 샤프트(12)에 붙여진 외부 스플라인(22c, 26c)과 상대 회전 없도록 미끄럼 맞물림하는 내부 스플라인(30a, 32a)을 가지고 상기 드라이브들 사이에 위치하며 축 방향으로 이동할 수 있는 제3 및 제4 조 부재(30, 32)에 각각 맞물려지고, 상기 제1 및 제2 드라이브(14, 16)에 각각 붙여진 제1 및 제2 조 부재(38, 40);
    상기 제1 및 제2 드라이브들과 회전하기 위해 각각 고정되는 제1 및 제2마찰부재(34, 36)와, 상기 샤프트(12)에 동심이고, 상기 제1 및 제2마찰 부재(34, 36)와 각각 마찰 맞물림되어 상기 샤프트(12)와 상기 드라이브(14, 16)들을 동기화하기 위한 동기화 토크를 제공하도록 상기 드라이브(14, 16)들 사이에서 축 방향으로 이동할 수 있는 제3 및 제4마찰 부재(46, 48);
    플렌지(42)에 가해진 축 방향의 양 방향 변속 힘(Fo)에 응답하여 상기 조 부재(38, 40, 30, 32)들과 마찰 부재(34, 36, 46, 48)들을 상기 맞물림으로 축 방향 이동시키기 위해 상기 제3 및 제4 조 부재(30, 32) 사이와 상기 제3 및 제4마찰 부재(46, 48) 사이에 위치한 축 방향 반대쪽으로 마주보는 측면(42a, 42b)들을 갖는 반경 방향으로 뻗어 있는 플렌지(42);
    상기 제3 및 제4 마찰 부재(46, 48)들 사이에 그리고 상기 플렌지(42)에 있는 한 세트의 개구(46c) 안에 축 방향으로 견고하게 뻗어 있으며 원주 방향으로 떨어져 있는 다수의 핀(50)들을 포함하며, 상기 핀들은 결합하는 개구(42c) 둘레에 형성된 블록커 쇼울더(42d)와 맞물려질 수 있는 블록커 쇼울더(50c)를 가지며, 동기화되기 전에 조 부재(38, 40, 30, 32)들의 맞물림을 저지하기 위해 맞물려질 때 작동하는 블록커 수단;
    상기 제3 및 제4 조 부재(30, 32)들에 대한 상대적인 축 방향 이동에 대항하여 상기 플렌지(42)를 고정하는 리테이너 수단(44);
    상기 마찰 부재들을 맞물리는 총 힘을 증대하도록 시프트 힘(Fo) 방향으로 상기 플렌지 상에 축 방향 부가 힘(Fa)을 만들기 위한 동기화 토크에 응답하여 맞물려질 수 있으며, 상기 플렌지(42)와 샤프트(12)에 대한 축 방향 및 반경 방향 이동에 대항하게 각각 고정된 다수의 제1 및 제2셀프-에너자이징 경사면(42g, 42h, 42k, 42m 및 24c, 24d, 24e, 24f);
    상기 샤프트(12)에 고정된 상기 외부 스플라인(22c, 26c)이 그 바깥 원주에 형성되어 있으며, 상기 샤프트(12)에 대한 축 방향 및 반경 방향 이동에 대항하여 고정되며, 상기 드라이브(14, 16)들 사이에 축 방향으로 개재되며, 상기 원통형 표면(12b, 12c)들의 지름들보다 그 바깥 원주가 큰 환상 허브(20)를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 조 부재(38, 40)들은 환상 허브에 고정된 외부 스플라인들에 의해 정의되며, 제3 및 제4 조 부재 내부 스플라인(30a, 32a)들은 상기 환상 허브(20)의 외부 스플라인(22c, 26c)들과 계속 맞물려 있으며, 상기 제3 및 제4 조 부재 내부 스플라인(30a, 32a)들은 상기 제1 및 제2 조 부재(30, 40)들의 상기 외부 스플라인들과 각각 맞물려질 수 있으며, 상기 제1 및 제2셀프-에너자이징 경사면(42g, 42h, 42k, 42m 및 24c, 24d, 24e, 24f)들은 상기 허브 외부 스플라인(22c, 26c)들로부터 그리고 상기 제3 및 제4 조 부재(30, 32)들의 상기 내부 스플라인 (30a, 32a)으로부터 반경 방향으로 떨어져 있는 맞물려질 수 있는 경사면 부분들을 갖는 것을 특징으로 하는 핀형 동기 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 환상 허브(20)는 제1 및 제2링(22, 26)과 이들 사이에 배치된 중앙 링(24)을 포함하며, 상기 제1 및 제2링은 상기 샤프트(12)에 고정되는 상기 외부 스플라인(22c, 26c)을 정의하며, 상기 중앙 링은 다수의 제2 경사면 (24c, 24d, 24e, 24f)을 정의하는 반경 방향 바깥으로 돌출하는 수단(24b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 핀형 동기 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 시프트 플렌지(42)는 상기 돌출 수단(24b)의 하나를 각각 수용하는 다수의 반경 방향 안쪽으로 개구된 리세스(42f)를 포함하고, 각각의 리세스는 서로 원주 방향으로 대면하는 실질적으로 반경 방향으로 뻗어 있는 측면들을 가지며, 각각은 제1경사면(42g, 42h, 42k, 42m)들 중 적어도 하나를 가지며, 각각의 돌출 수단은 제2경사면(24c, 24d, 24e, 24f)의 적어도 한 경사면을 각각 지닌 축 방향으로 맞은 편으로 마주보는 측면들을 포함하는 것을 특징으로 하는 핀형동기 장치.
  4. 축(12a)을 가진 샤프트(12)의 제1 및 제2원통형 표면(12b, 12c) 상에서 상대회전할 수 있게 각각 장착된 제1 및 제2드라이브(14, 16) 중 하나를 마찰로 동기화하고 확동 연결하도록 선택적으로 작동하는 핀형 동기 장치(18)에 있어서,
    상기 샤프트(12)에 붙여진 외부 스플라인(22c, 26c)과 상대 회전 없도록 미끄럼 맞물림하는 내부 스플라인(30a, 32a)을 가지고 상기 드라이브들 사이에 위치하며 축 방향으로 이동할 수 있는 제3 및 제4 조 부재(30, 32)에 각각 맞물려지고, 상기 제1 및 제2 드라이브(14, 16)에 각각 붙여진 제1 및 제2 조 부재(38, 40);
    상기 제1 및 제2 드라이브들과 회전하기 위해 각각 고정되는 제1 및 제2마찰부재(34, 36)와, 상기 샤프트(12)에 동심이고, 상기 제1 및 제2마찰 부재(34, 36)와 각각 마찰 맞물림되어 상기 샤프트(12)와 상기 드라이브(14, 16)들을 동기화하기 위한 동기화 토크를 제공하도록 상기 드라이브(14, 16)들 사이에서 축 방향으로 이동할 수 있는 제3 및 제4마찰 부재(46, 48);
    플렌지(42)에 가해진 축 방향의 양 방향 변속 힘(Fo)에 응답하여 상기 조 부재(38, 40, 30, 32)들과 마찰 부재(34, 36, 46, 48)들을 상기 맞물림으로 축 방향 이동시키기 위해 상기 제3 및 제4 조 부재(30, 32) 사이와 상기 제3 및 제4마찰 부재(46, 48) 사이에 위치한 축 방향 반대쪽으로 마주보는 측면(42a, 42b)들을 갖는 반경 방향으로 뻗어 있는 플렌지(42);
    상기 제3 및 제4 마찰 부재(46, 48)들 사이에 그리고 상기 플렌지(42)에 있는 한 세트의 개구(46c) 안에 축 방향으로 견고하게 뻗어 있으며 원주 방향으로 떨어져 있는 다수의 핀(50)들을 포함하며, 상기 핀들은 결합하는 개구(42c) 둘레에 형성된 블록커 쇼울더(42d)와 맞물려질 수 있는 블록커 쇼울더(50c)를 가지며, 동기화되기 전에 조 부재(38, 40, 30, 32)들의 맞물림을 저지하기 위해 맞물려질 때 작동하는 블록커 수단;
    상기 제3 및 제4 조 부재(30, 32)들에 대한 상대적인 축 방향 이동에 대항하여 상기 플렌지(42)를 고정하는 리테이너 수단(44);
    상기 마찰 부재들을 맞물리는 총 힘을 증대하도록 시프트 힘(F0) 방향으로 상기 플렌지 상에 축 방향 부가 힘(Fa)을 만들기 위한 동기화 토크에 응답하여 맞물려질 수 있으며, 상기 플렌지(42)와 샤프트(12)에 대한 축 방향 및 반경 방향 이동에 대항하게 각각 고정된 다수의 제1 및 제2셀프-에너자이징 경사면(42g, 42h, 42k, 42m 및 24c, 24d, 24e, 24f);
    상기 샤프트(12)에 동심이며, 상기 샤프트(12)에 대한 상대 회전에 대항하게 고정되고, 상기 드라이브(14, 16)들 사이에 축 방향으로 개재되는 환상 허브(20)를 포함하며, 상기 허브는 제1 및 제2링(22, 26)과 이들 사이에 배치되는 중앙 링(24)을 가지며, 상기 중앙 링은 다수의 제2경사면(24c, 24d, 24e, 24f)을 정의하는 반경 방향 바깥으로 돌출하는 수단(24b)을 갖는 것을 특징으로 하는 핀형 동기 장치.
  5. 제4항에 있어서, 시프트 플렌지(42)는 상기 돌출 수단(24b)의 하나를 각각 수용하는 다수의 반경 방향 안쪽으로 개구된 리세스(42f)를 포함하고, 각각의 리세스는 서로 원주 방향으로 마주보는 실질적으로 반경 방향으로 뻗어 있는 측면들을 지니고, 각각은 상기 제1경사면(42g, 42h, 42k, 42m)들 중 적어도 하나의 경사면을 지니며, 각각의 돌출 수단은 상기 제2경사면(24c, 24d, 24e, 24f)들 중 적어도 하나의 경사면을 각각 지닌 축 방향 맞은 편으로 마주보는 측면들을 지니는 것을 특징으로 하는 핀형 동기 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2링(22, 26)은 각각 그 바깥 원주의 지름이 상기 원통형 표면의 지름보다 크며, 각 링의 바깥 원주는 상기 샤프트(12)에 고정된 상기 외부 스플라인(22c, 26c) 한 세트를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 조 부재(38, 40)들은 거기에 고정된 외부 스플라인에 의해 정의되며, 상기 제3 및 제4 조 부재 내부 스플라인(30a, 32a)은 상기 제1 및 제2링의 상기 외부 스플라인(22c, 26c)들과 맞물리며, 상기 제3 및 제4 조 부재 내부 스플라인(30a, 32a)들은 상기 제1 및 제2 조 부재(38, 40)의 외부 스플라인들과 각각 맞물리는 것을 특징으로 하는 핀형 동기 장치.
  7. 축(12a)을 가진 샤프트(12)의 제1 및 제2원통형 표면(12b, 12c) 상에서 상대회전할 수 있게 각각 장착된 제1 및 제2드라이브(14, 16) 중 하나를 마찰로 동기화하고 확동 연결하도록 선택적으로 작동하는 핀형 동기 장치(18)에 있어서,
    상기 샤프트(12)에 붙여진 외부 스플라인(22c, 26c)과 상대 회전 없도록 미끄럼 맞물림하는 내부 스플라인(30a, 32a)을 가지고 상기 드라이브들 사이에 위치하며 축 방향으로 이동할 수 있는 제3 및 제4 조 부재(30, 32)에 각각 맞물려지고, 상기 제1 및 제2 드라이브(14, 16)에 각각 붙여진 제1 및 제2 조 부재(38, 40);
    상기 제1 및 제2 드라이브들과 회전하기 위해 각각 고정되는 제1 및 제2마찰부재(34, 36)와, 상기 샤프트(12)에 동심이고, 상기 제1 및 제2마찰 부재(34, 36)와 각각 마찰 맞물림되어 상기 샤프트(12)와 상기 드라이브(14, 16)들을 동기화하기 위한 동기화 토크를 제공하도록 상기 드라이브(14, 16)들 사이에서 축 방향으로 이동할 수 있는 제3 및 제4마찰 부재(46, 48);
    플렌지(42)에 가해진 축 방향의 양 방향 변속 힘(F0)에 응답하여 상기 조 부재(38, 40, 30, 32)들과 마찰 부재(34, 36, 46, 48)들을 상기 맞물림으로 축 방향 이동시키기 위해 상기 제3 및 제4 조 부재(30, 32) 사이와 상기 제3 및 제4마찰 부재(46, 48) 사이에 위치한 축 방향 반대쪽으로 마주보는 측면(42a, 42b)들을 갖는 반경 방향으로 뻗어 있는 플렌지(42);
    상기 제3 및 제4 마찰 부재(46, 48)들 사이에 그리고 상기 플렌지(42)에 있는 한 세트의 개구(46c) 안에 축 방향으로 견고하게 뻗어 있으며 원주 방향으로 떨어져 있는 다수의 핀(50)들을 포함하며, 상기 핀들은 결합하는 개구(42c) 둘레에 형성된 블록커 쇼울더(42d)와 맞물려질 수 있는 블록커 쇼울더(50c)를 가지며, 동기화되기 전에 조 부재(38, 40, 30, 32)들의 맞물림을 저지하기 위해 맞물려질 때작동하는 블록커 수단;
    상기 제3 및 제4 조 부재(30, 32)들에 대한 상대적인 축 방향 이동에 대항하여 상기 플렌지(42)를 고정하는 리테이너수단(44);
    상기 마찰 부재들을 맞물리는 총 힘을 증대하도록 시프트 힘(F0) 방향으로 상기 플렌지 상에 축 방향 부가 힘(Fa)을 만들기 위한 동기화 토크에 응답하여 맞물려질 수 있으며, 상기 플렌지(42)와 샤프트(12)에 대한 축 방향 및 반경 방향 이동에 대항하게 각각 고정된 다수의 제1 및 제2셀프-에너자이징 경사면(42g, 42h, 42k, 42m 및 24c, 24d, 24e, 24f);
    상기 샤프트(12)에 동심이고 상기 샤프트(12)에 대한 상대 회전에 대항하여 고정된 환상 허브(20)를 포함하며,
    상기 환상 허브는 상기 제1 및 제2 원통형 표면들의 지름보다 그 바깥 지름이 큰 그리고 원주 방향으로 떨어져 있으며 상기 다수의 제2 경사면(24c, 24d, 24e, 24f)을 정의하는 다수의 반경 방향 외향 돌출부(24b)와 축 방향 중앙 부분 (24)을 지닌 반경 방향 바깥으로 마주보는 표면을 가지며, 상기 환상 허브의 반경 방향 바깥으로 마주보는 표면은 상기 중앙 부분(24)의 반경 방향 맞은 폄 측면들상에 상기 제1 및 제2 조 부재 내부 스플라인(30a, 32a)과 미끄럼 맞물림하는 외부 스플라인을 가지며, 상기 환상 허브의 상기 외부 스플라인(22c, 26c)의 바깥 지름은 상기 반경 방향 외향 돌출부들의 최대 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 핀형 동기 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 환상 허브(20)는 상기 제1 및 제2원통형 표면(12b, 12c)들 사이에 있는 상기 샤프트(12) 상에 정의된 외부 스플라인(12d)과 맞물리는 내부 스플라인(22b, 24a, 26b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 핀형 동기 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 환상 허브(20)는 상기 중앙 부분(24)을 정의하는 중앙 링(24)을 포함하며, 상기 제1 및 제2 링(22, 26)들은 상기 중앙 링(24)의 반경 방향 맞은 편 측면들 상에 배치되며 상기 제1 및 제2 조 부재 내부 스플라인(30a, 32a)들과 미끄럼 맞물림하는 상기 외부 스플라인(22c, 26c)을 정의하는 것을 특징으로 하는 핀형 동기 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 조 부재(38, 40)들은 거기에 고정된 외부 스플라인에 의해 정의되며, 상기 제3 및 제4 조 부재 내부 스플라인(30a, 32a)은 확동 연결하도록 상기 제1 및 제2 조 부재(38, 40)들의 외부 스플라인들과 각각 맞물려질 수 있는 것을 특징으로 하는 핀형 동기 장치.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 맞물려질 수 있는 경사면 부분들은 상기 허브 외부 스플라인(22c, 26c)으로부터 그리고 상기 제3 및 제4 조 부재(30, 32)들로부터 반경 방향 바깥쪽으로 떨어져 있으며, 상기 제3 및 제4 조 부재는 상기 제1 및 제2 조 부재(38, 40)가 상기 제3 및 제4 조 부재들과 각각 맞물리게 축 방향 이동하는 것을 허용하기 위해 상기 제2셀프-에너자이징 경사면 (24c, 24d, 24e, 24f)을 수용하는 축 방향으로 뻗어 있는 리세스(30e, 32e)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 핀형 동기 장치.
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