KR100364022B1 - 흡수동력계및그것에의한토크측정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 엔진으로부터 공기 동력계로 토크를 전달하는 회전하는 축(70)의 비틀림이 인접한 정지의 구조물에 있는 단독의 센서에 의하여 측정되도록 하는, 흡수 동력계와 함께 사용되는 인라인형 토크 미터에 관한 것이다. 토크 축(70)은 동력계(10)의 축(16)에 부착된 스플라인에 의하여 동력계의 단부 및 한쌍의 예압된 앵귤러 볼베어링(74)내에 있는 엔진의 단부에서 지지된다. 엔진으로부터 오는 토크는 축이 비틀어지게 한다. 돌출하는 톱니들(67,69)을 가진, 토크 축의 각 단부에 하나씩 부착된, 두개의 슬리브들(66,68)이 축(70)에 부착되어 그것과 함께 회전한다. 돌출한 톱니들(67,69)은 인터리브되어 있고 톱니들의 양 셋들이 인접한 단독의 센서(64)에 의하여 감지될 수 있도록 위치되어 있다. 축이 가해진 토크에 의하여 비틀려지면, 두개의 슬리브들에 있는 톱니들은 서로에 대하여 각변위를 한다. 이러한 각변위, 즉 이상은 센서(64)에 의하여 신호로서 측정된다. 이상은 가해진 토크에 직비례한다.

Description

흡수 동력계 및 그것에 의한 토크 측정
발명의 배경
본 발명은 흡수 동력계에 관한 것이며, 특히 공기 흡수 동력계들과 함께 사용되는 토크 측정 장치들에 관한 것이다.
토크를 측정하는 수단은 일반적으로 두가지로 분류된다. 즉 인라인형(회전형) 및 반작용형(정지형)이 그것이다. 반작용 토크 측정에는 공기 동력계들이 사용되나, 테스트될 엔진의 배기, 동력계의 배기, 및 국부적인 외부공기 속도들과 관련된 공기역학적 효과에 의하여 생기는 에러들로 인하여 부정확하다. 인라인형 토크 측정에 있어서도 공기 동력계들이 사용되나, 종래 기술에 의한 인라인형 토크 미터들은 여러가지 결점들을 가진다.
인라인형 토크 미터의 일 형태에 있어서, 토크가 거쳐서 전달되는 회전부재에 스트레인 게이지가 부착된다. 스트레인 게이지들은 미세한 저항의 변화에 의한 브리지회로에서와 전압을 측정함으로써 이 부재의 비틀림을 감지한다. 동력계에서의 고회전 속도때문에, 회전자로부터 정지자까지 스트레인 게이지의 신호를 전달하기가 어렵고 사용가능한 장치들(슬립 링들, 텔레미터법)이 비신뢰성 및 에러의 근원이 된다.
인라인형 토크 미터의 다른 형태에 있어서, 두개의 동심축들이 엔진과 동력계의 사이에 위치한다. 내축은 엔진과 동력계에 모두 연결되어 있다. 내축은 토크를 전달하고 그럼으로써 토크에 비례하여 비틀려진다. 외축은 오직 일 단부에만 연결되어 있으며 토크를 전달하지 않는다. 이 동심축들간의 각변위는 가해진 토크를 나타낸다. 이러한 각변위는 인접한 정지의 구조물에 위치한 두개의 센서들의 위상을 비교함으로써 측정된다. 센서들중의 하나는 내축의 톱니와 통과를 관찰하며, 나머지 센서는 외축의 톱니의 통과를 관찰한다. 이 톱니들이 가해진 토크에 비례하여 서로에 대하여 각변위를 함에 따라, 두 센서들로부터 오는 신호들의 위상관계도 또한 토크에 따라 변위한다.
이러한 형태의 인라인형 토크 미터는 두개의 단점을 가진다. 두 센서들을 사용하면 측정치에 본질적으로 에러를 포함시킨다. 측정된 양이 두 센서들로부터 오는 신호들의 차이므로, 센서들 자체에서의 편차에 의한 어떤 에러도 측정 에러에 합쳐진다.
상기와 같이 현 동력계의 토크 측정 시스템들에서 존재하는 제한점들이 설명되었다. 그러므로, 상기된 제한점들중 하나이상을 극복할 수 있는 대체방안이 강구된다면 유익할 것은 명백하다. 따라서, 특징들을 포함한 적절한 대체예를 더욱 자세히 기술하면 다음과 같다.
발명의 요약
본 발명의 일 양태에 있어서, 흡수 동력계, 및 일 단부가 동력계에 연결된 회전하는 비틀림 축을 가진 인라인형 토크 미터, 축의 다른 단부에 연결되어 축을 회전가능하도록 지지 하며 동력계로부터 축방향으로 연장하는 하우징에 설치된 지지 수단, 그 사이의 톱니들의 인터리브(interleave), 즉 각거리가 비틀림 축내의토크로서 변하도록 하기 위하여 비틀림 축의 제 2 위치로부터 멀리 떨어진 비틀림 축의 제 1 위치로부터 돌출한 최소한의 제 1 톱니 및 비틀림 축의 제 2 위치로부터 연장한 최소한의 제 2 톱니, 인터리브된 톱니들에 인접하여 위치한 단독 센서를 제공함으로써 본 발명이 성취된다.
이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
제 1 도는 흡수 동력계 및 토크 측정 시스템을 도시하는, 부분적으로 단면이 보여진 측면도,
제 2 도는 제 1 도에 도시된 회전자의 주요 부분에 대한 부분 단면도,
제 3 도는 제 2 도의 좌측으로부터 취해진, 그 주변에 대하여 블레이드들을 도시한 회전자 몸체의 일 부분에 대한 파단도,
제 4 도는 인라인형 토크 측정 시스템의 세부를 도시하는 측면 단면도,
제 4A 도는 제 4 도에 도시된 베어링들의 확대도, 및
제 5 도는 제 4 도의 토크 측정 시스템의 맞물리는 톱니들을 도시하는 부분 평면도이다.
상세한 설명
하기된 본 발명은 앤진으로부터 동력계에 토크를 전달하는 회전 축의 비틀림이 인접한 정지 구조물에 있는 단독 센서에 의하여 측정되는 공기 흡수 동력계와 함께 사용되는 인라인형 토크 미터에 관한 것이다. 전형적인 실시예가 제 1 도 및 4 도에 도시되어 있다. 토크 축은 동력계의 축에 스플라인으로 부착된 동력계 단부및 한쌍의 예압된 앵귤러 볼베어링들(angular contact ball bearings)내에 있는 엔진의 단부에서 지지된다. 엔진으로부터 오는 토크는 축을 비틀리게 한다. 돌출한 톱니들을 가진 두개의 슬리브들은 축에 부착되어 축과 함께 회전하며, 토크 축의 각 단부에 하나씩 부착되어 있다. 돌출한 톱니들은 인터리브되고 톱니들의 양 셋들이 인접한 센서에 의하여 관찰될 수 있도록 위치된다. 가해진 토크에 의하여 축이 비틀려지면, 두 슬리브들위의 톱니들은 서로에 대하여 각변위를 한다. 이러한 각변위는 센서에 의하여 발생된 신호의 이상(phase shift)으로써 측정된다. 이상은 가해진 토크에 직비례한다.
이러한 토크 미터는 동력계 구조내에 장착되어 있다. 엔진이 게거되어 대체될 때 토크 미터는 교란되지 않는다. 그러므로 엔진 장착 및 제거의 과정중 손상되지 않는다.
또한 토크 미터는 위상 변위의 측정을 위하여 단독 센서를 사용한다. 이러한 사용언 종전 기술에 의한 토크 미터들에서 현존하는 이중 센서의 에러들을 배제하므로, 토크 측정의 정확성을 중진시킨다.
토크 미터 시스템이 다른 흡수 동력계들과 사용될 수 있지만, 바람직한 흡수 동력계(10)는 제 1 도 내지 3 도에 도시되어 있다. 흡수 동력계(10)는 블레이드를 가진 회전자(14)가 한상의 스터브 축들(16)에 볼트로 박혀진 구조물(12)로 이루어져 있다. 각 스터브 축(16)의 일 단부는 플랜지(15)를 가진다. 회전자는 플랜지들(15) 및 회전자(14)를 관통하는 다수의 볼트들(19)에 의하여 축(16)에 부착된다. 일 축(16)의 일 단부는 토크 측정 시스템(58)에 부착될 커플링(18)을 가진다.
구조물(12)은 반대의 축방향 단부들(20,22)에서 개발되어 액체가 양 단부들로부터 진입할 수 있다. 각 단부내의 구조물(12)의 중앙에는 세개의 등거리 스트럿들(26)(하나만 도시됨)과 일체로 된 축 지지 하우징들(24)(하나만 도시됨)이 있다. 이 스트럿들(26)은 하우징들(24)과 구조물(12)의 단부들(20,22)의 내부 원주면을 반경방향으로 연결한다. 회전자(14)는 몸체(28)를 가지며, 단부들(20,22)로부터 진입하는 액체를 위한 반경방향의 진출 유동통로들내에 배치된 일련의 궁형 블레이드들(30)이 몸체(28)의 각 측면의 주위에 대하여 존재한다.
블레이드들(30)은 측면 가장자리들(36,38)내에서 종결하고 또한 그것들을 연결하는 볼록면(32) 및 오목면(34)을 한정한다. 각 블레이드(30)는 모든 블레이드들(30)에 공통적인 최대 두께 "T" 를 가진다. 어떤 블레이드(30)의 가장자리들(36,38)들도 회전자(14)의 축방향 중심으로부터 그려진 반경방향의 선 "R" 위에 놓여질 수 있다. 주어진 반경방향의 선 "R" 및 그것에 가장 인접한 블레이드(30)간의 원주 거리 "c/d" 는 상기 두께 "T" 보다 작다. 블레이드들(30)간에는, 상기 두께 "T" 보다 두꺼운 폭을 가지는 액체를 위한 궁형 채널(40)이 존재한다.
구조물(12)은 블레이드 길이를 액체의 반경방향의 진출 유동 통로로부터 막기위하여 결합하거나, 또한 블레이드 길이를 액체의 반경방향의 진출 유동 통로에 노출시키도록 결합에서 해제하도록 선택할 수 있는 한쌍의 환형 보호판들(42,44)을 유지한다. 각 환형 보호판(42,44)은 볼 나사(48)와 결합된 볼 넛(46)과 연결된다.볼 나사(48)는 롤러 체인(52)과 결합되고 그것에 의하여 피동되는 스프로킷(50)내에서 종결된다. 동력계(10)의 각 측면에는 세개의 원주상으로 이격된 볼 넛, 나사 및 스프로킷 배열들이 있으며, 각 측면은 분리된 구동 체인(52)을 가진다. 그러나, 동력계(10)의 일 측면에 있는 볼 나사(48)의 나사선은 다른 측면의 나사선과 반대 방향을 가진다. 그러므로, 롤러 구동 체인들(52)이 공통 방향을 가지면, 어느 한 측면들의 보호판들(42,44)은 회전자 블레이드들(30)의 위로 함께 전진하거나, 또는 함께 그로부터 후퇴한다. 롤러 체인들(52)을 함께 구동하기 위하여, 롤러 체인들(52)은 보호판 제어 축(56)에 설치된 구동 스프로킷들(54)에 연결된다. 보호판 제어축(56)은 도시되지 않은 수단에 의하여 선택적으로 피동된다. 보호판들(42,44)은 블레이들(30)을 접촉하지 않는다.
축방향의 블레이드들(30)은 반경방향의 공기역학적 유동 통로의 방향을 가진 회전자(14)의 몸체(28)의 어느 한 쪽에 배열된다. 도시된 것과 같이, 회전자(14)는 하우징들(24)사이에서 회전가능하도록 지지되며 회전자의 궁형측들은 진입된 축방형으로 유동하는 액체를 반경방향의 유동으로 돌려 놓는다. 그러면, 블레이드들(30)은 반경방향으로 진출하는 액체의 유동 통로내에 배치된다. 회전자 블레이드(30)의 이러한 콘피규레이션은 동력계(10)내에서 블레이드들(30)의 유효 길이에 대한 변화를 허용하므로, 속도를 일정하게 유지함에 따라, 흡수된 동력을 변화시킬 수 있다.
토크 측정 시스템(58)이 축(16)의 일 단부에 있는 커플링(18)에 부착되어 도시되고 있다. 토크 센서 하우징(60)은 축 지지 하우징들(24)중의 하나에 부착되고축 지지 하우징(24)으로부터 멀어지도록 축방향으로 연장한다. 연결 플랜지(62)가 토크 축(70)에 부착되어 있다. 테스트될 엔전은 연결 플랜지(62)에 부착된다. 토크 측정 시스템(58)은 소형이 되도록 설계되어 있으므로, 토크 측정 시스템(58)의 대다수가 흡수 동력계(10)의 원래의 외피내에 유지된다.
제 4 도에 도시된 것과 같이, 토크 측정 시스템(58)온 토크 센서 하우징(60)에 내장되어 있다. 베어링 하우징(72)이 하우징(60)의 자유단에 부착되어 있다. 한상의 앵귤러 볼베어링들(74)이 베어링 하우징(72)에 설치되어 있다. 베어링들(74)은 베어링들(74)의 사이에 위치한 스페이서(76)에 의하여 분리된다. 파형 스프링(80)과 "L" 자형 스프링 지지부(78)는 앵귤러 볼베어링들의 각각에 인접하여 위치한다. 파형 스프링들(80)은 앵귤러 볼베어링들(74)을 예압한다. 스페이서(79) 및 스냅 링(81)은 파형 스프링(80)과 스프링 지지부(78)에 인접하여 축방향으로 위치한다. 스페이서들(79)과 스냅 링들(81)은 파형 스프링들(80)의 스프링 력을 베어링 하우징(72)에 전달한다. 토크 축(70)의 축방향 이동을 수용하기 위하여 작은 틈새(82)가 제공된다. 스프링 지지부(78)와 스페이서(79)의 사이에는 틈새(82)가 제공된다. 각 틈새(82)는 약 0.508 밀리미터(0.02 인치)이다. 토크 축(70)의 축방향 이동은 스페이서들(79) 및 스냅 링들(81)에 의하여 제한된다.
토크 축(70)은 앵귤러 볼베어링들(74)에 의하여 아우트보드 단부의 위에서 지지된다. 토크 축(70)의 인보드 단부는 커플링(80)에 의하여 축(16)의 단부에 제공된 스플라인 커플링(18)에 연결된다. 토크 축(70)의 인보드 단부(84)는 커플링(86)에 대하여 축방향으로 활주하도록 허용된다. 토크 축(70)과 커플링(86)도 또한 스플라인된다. 동력계(10) 및 토크 측정 시스템(58)에 연결된 엔진이 동력계(10)에 대하여 축방향으로 이동하는 경우에, 틈새(82)는 토크 축(70)으로 하여금 커플링(86) 및 동력계(10)에 대하여 축방향으로 움직이게 허용하므로, 앤진의 축방향 이동은 토크 측정 시스템(58)에 의하여 취해져서 동력계(10)에 전달되지 않는다.
두개의 톱니가 있는 원통형 슬리브들(66,68)이 토크 축(70)에 부착되어 있다. 슬리브들(66,68)은 토크 축(70)의 반대 단부들에 부착된다. 인터리브 톱니들(67,69)은 각 슬리브(66,68)로부터 연장한다. 일 슬리브(66)가 다른 슬리브(68)보다 작은 직경을 가진다. 제 4 도 및 5 도에 도시된 것과 같이, 톱니들(67)이 슬리브로부터 반경방향으로 연장한다. 톱니들(69)은 슬리브(68)로부터 축방향으로 연장한다. 톱니들(67,69)은 제 5 도에 도시된 것과 같이 인터리브된다. 단독 센서(64)가 인터리브 톱니들(67,69)에 인접하여 위치한다. 바람직한 센서(64)는 가변 자기저항 센서이다. 이 센서(64)는 톱니들(67,69)사이의 이상을 감지한다. 이 이상은 토크 축(70)에 의하여 전달된 토크에 비례한다.
본 발명은 다음과 같은 이점들을 가진다.
토크 미터는 매우 짧은 축내에 요구된 비틀림을 일으킨다. 동력계의 외피에서는 최소로 증가한다.
토크 미터는 엔진 축의 축방향 이동을 흡수하며, 그러한 이동으로부터 동력계를 고립시킨다.
토크 미터의 한계 속도는 동력계의 작동 범위의 위에 있다.
토크 미터는, 베어링들 및 동력계 그 자체의 윤활 시스템과는 완전히 무관한, 고성능 그리스로 채워진 베어링들로 지지된다.

Claims (21)

  1. 제 1 하우징(24)과, 상기 제 1 하우징(24)내에 회전가능하게 설치된 회전자 축(16)과, 상기 회전자 축(16)에 설치되며 회전 축과, 몸체(28)와 다수의 블레이드(30)를 갖는 회전자(14)를 구비하며, 상기 블레이드는 상기 몸체로부터 돌출하여 상기 회전자(14)에 대해 실질적으로 반경방향으로 배치되는 유형의 흡수 동력계(10)에 있어서,
    상기 비틀림 축(70)의 일단부가 동력계(10)에 연결된 축에 회전하는 비틀림 축(70)을 가진 일체형 인라인 토크 미터(58), 상기 비틀림 축(70)의 다른 단부에 연결된 상기 비틀림 축(70)을 회전가능하도록 지지하며 동력계로부터 축방향으로 연장하는 하우징(60)내에 설치된 지지 수단, 상기 회전축(70)의 제 1 위치로부터 돌출하는 적어도 하나의 제 1 톱니(70), 상기 회전축(70)의 제 2 위치로부터 돌출하는 적어도 하나의 제 2 톱니(67), 인터리브된 톱니(69, 67)에 인접하여 위치된 단독 센서(64), 및 상기 회전 축(70)의 축 방향 이동을 허용하는 수용 수단을 포함하며, 상기 제 1 위치는 제 2 위치로부터 멀리 떨어져 있고, 상기 적어도 하나의 제 1 톱니(69)는 적어도 하나의 제 2 톱니(67)와 인접하여 있으므로써 톱니(69,67)가 인터리브되고, 상기 비틀림 축(70)내의 토크가 변함에 따라 상기 적어도 하나의 제 1 톱니(69) 및 상기 적어도 하나의 제 2 톱니(67)사이의 각 거리가 변화되는 흡수 동력계 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비틀림 축(70)이,
    제 1 위치에서 상기 비틀림 축(70)에 부착된 제 1 원통형 슬리브(68), 제 1 위치에서 상기 비틀림 축(70)에 부착된 제 2 원통형 슬리브(66), 제 2 위치에서 상기 비틀림 축(70)에 부착된 제 2 원통형 슬리브(66)를 포함하며,
    상기 제 1 위치는 상기 제 2 위치로부터 멀리 떨어져 있고, 상기 적어도 하나의 제 1 톱니(69)는 상기 제 1 원통형 슬리브(68)로부터 연장하여 있으며 상기 적어도 하나의 제 2 톱니(67)는 상기 제 2 원통형 슬리브(66)로부터 연장하여 있고, 상기 슬리브(66, 68)는 상기 적어도 하나의 제 1 톱니(69) 및 상기 적어도 하나의 제 2 톱니(67)가 인터리브하도록 배치되는 흡수 동력계 장치.
  3. 제 1 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 지지 수단은 한쌍의 앵귤라 볼 베어링 (angular contact bearings)(74)을 포함하는 흡수 동력계 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 1 톱니(69)가 축 방향으로 연장하며 상기 적어도 하나의 제 2 톱니(67)가 반경방향으로 연장하는 흡수 동력계 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    센서(64)가 가변 자기저항 센서인 흡수 동력계 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수용 수단이 비틀림 축(70)의 축 방향 이동을 제한하는 흡수 동력계 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    수용 수단이,
    하우징(60)내에 설치된 베어링 지지부(72),
    베어링 지지부(72)내에 활주가능하게 설치된 한쌍의 앵귤라 볼 베어링(74),
    각각은 앵귤라 볼 베어링(74)을 축방향으로 바이어스하는 예압 수단, 및 상기 예압 수단과 베어링 지지부(72)의 사이에 제공된 예정된 축방향의 갭(82)을 포함하는 흡수 동력계 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 예압 수단이 파형 스프링(80)인 흡수 동력계 장치.
  9. 제 7 또는 8 항에 있어서,
    상기 비틀림 축(70)이 커플링(86)에 의하여 상기 동력계(10)에 연결되어 있으며 커플링(86)에 대하여 축방향으로 활주가능한 흡수 동력계 장치.
  10. 제 2 항, 제 7 항, 제 8 항중 어느 한항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 원통형 슬리브(68, 66)중 일 슬리브의 직경이 다른 제 1 및 제 2 원통형 슬리브(68, 66)의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 흡수 동력계 장치.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제 1 톱니(69)가 축 방향으로 연장하며 상기 적어도 하나의 제 2 톱니(67)가 반경방향으로 연장하는 흡수 동력계 장치.
  12. 제 3 항에 있어서,
    센서(64)가 가변 자기저항 센서인 흡수 동력계 장치.
  13. 제 4 항에 있어서,
    센서(64)가 가변 자기저항 센서인 흡수 동력계 장치.
  14. 제 3 항에 있어서,
    상기 수용 수단이 비틀림 축(70)의 축 방향 이동을 제한하는 흡수 동력계 장치.
  15. 제 4 항에 있어서,
    상기 수용 수단이 비틀림 축(70)의 축 방향 이동을 제한하는 흡수 동력계 장치.
  16. 제 5 항에 있어서,
    상기 수용 수단이 비틀림 축(70)의 축 방향 이동을 제한하는 흡수 동력계 장치.
  17. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 원통형 슬리브(68, 66)중 일 슬리브의 직경이 다른 제 1 및 제 2 원통형 슬리브(68, 66)의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 흡수 동력계 장치.
  18. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 원통형 슬리브(68, 66)중 일 슬리브의 직경이 다른 제 1 및 제 2 원통형 슬리브(68, 66)의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 흡수 동력계 장치.
  19. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 원통형 슬리브(68, 66)중 일 슬리브의 직경이 다른 제 1 및 제 2 원통형 슬리브(68, 66)의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 흡수 동력계 장치.
  20. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 원통형 슬리브(68, 66)중 일 슬리브의 직경이 다른 제 1 및 제 2 원통형 슬리브(68, 66)의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 흡수 동력계 장치.
  21. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 원통형 슬리브(68, 66)중 일 슬리브의 직경이 다른 제 1 및 제 2 원통형 슬리브(68, 66)의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 흡수 동력계 장치.
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