KR100472740B1 - 기계식시동모터 - Google Patents

Abstract

저장된 변형 에너지를 동력원으로 사용하여 기계식으로 작동하는 내연 기관용 시동 모터(10)로서, 스프링 수단은 나선형 동력 스프링(90)을 포함한다.

Description

기계식 시동 모터{MECHANICAL STARTER MOTOR}

본 발명은 내연 기관용 시동 모터에 관한 것으로서, 특히 저장된 변형 에너지를 동력원으로 이용하여 기계식으로 작동하는 시동 모터에 관한 것이다.

현대식 시동 장치는 엔진을 시동시킬 만한 충분한 힘을 가지고 있는 전동기에 의하여 구동된다. 동력원은 대체로 엔진을 시동시키기 위하여 12볼트 전압에서 200암페어 이상의 전류를 제공하여야 하는 배터리이다. 특히, 대형 디젤 엔진을 시동시키려면, 이러한 전류를 초과하는 동력을 공급하여야 한다.

혹서(酷暑), 혹한 또는 다습(多濕)과 같은 극단적인 상황하에서는, 배터리와 그 연관 전기 시스템이 빨리 손상된다. 특히, 수리와 정비가 불충분하거나 결여되어 있는 경우에 그러하다. 또한, 어떤 환경에서는 전기식으로 작동되는 시동기는 화재를 발생시킬 위험이 있기 때문에, 예를 들면 광산에서는 이러한 시동기의 사용이 금지되어 있다.

기계식 시동기는 전기식 시동 장치보다 더 신뢰할 수 있는 내연 기관용 시동 동력을 제공한다.

이제까지 사용된 기계식 시동 장치는 전형적으로, 에너지 저장을 위한 스프링 수단과, 에너지를 스프링 수단에 투입하여 상기 에너지를 스프링 수단 내에 저장하기 위한 수단과, 이와 같이 저장된 에너지가 방출될 때 이를 변환시켜서 엔진용 시동 역적(starting impulse)을 제공하기 위한 구동 수단을 포함한다.

기술된 종류의 시동 장치에서는, 스프링 수단이 일련의 디스크 스프링을 포함하고, 이러한 스프링은 스프링의 중앙을 통과하는 샤프트 상의 웜(worm)을 회전시키는 크랭크 핸들의 반복되는 수동 회전으로 인하여 변형되며, 이러한 웜에는 단부판에 나사홈이 형성되어 있기 때문에 웜의 회전에 의하여 단부판이 움직여서 디스크를 압착시키게 된다. 일단 충분한 에너지가 저장되면, 이 에너지는 래칫 폴(ratchet pawl)을 분리시킴으로써 수동식으로 방출된다. 스프링은 축방향으로 반동하며, 장치가 이러한 축방향 운동을 회전 에너지로 변환시킨다. 회전 에너지는 엔진 플라이휠 상에 구비된 링 기어와 맞물리게 되는 하나의 피니언(pinion)이 포함된 출력 샤프트로 안내된다.

이러한 공지된 기계식 시동기는 에너지를 스프링 장치에 저장하기 위하여 스프링 장치를 "와인드 엎(wind up)"하는 데 분해식 크랭크 핸들을 사용한다. 이러한 핸들은 필요한 에너지를 인가시키기 위하여 그리고 조작원에게 필요한 기계적 편의를 제공하기 위하여 그 치수가 상당히 커야 한다. 이로 인하여, 시동기의 위치와 방향은, 크랭크 핸들에 자유로이 접근할 수 있고 일반적으로 엔진의 해당 부분에 쉽게 접근할 수 있는 위치로 한정된다.

디젤 기관과 같은 압축 점화 기관은, 정상적인 상황하에서는 그 작동을 유지시키기 위하여 관련 전기 시스템을 필요로 하지 않기 때문에, 이러한 기계식 장치에 의하여 시동되기 마련이다. 또한, 기계식 시동기에 이용할 수 있는 회전량은 저장 에너지가 전부 소모되기 전까지의 시간 동안에 디스크 스프링이 이동한 거리에 의하여 제한된다. 현재 이용할 수 있는 시동기는 스프링의 이동 거리가 짧고 사용 수명도 짧다. 이러한 시동기는 시동 장치에 의하여 유도되는 크랭크축의 회전 (arc) 상에서 연소가 일어나는 다기통 디젤 기관과 함께 사용하는 것이 가장 성공적이다.

전술한 바와 같이, 디스크 스프링의 스프링 에너지는 축방향 운동의 형태로 방출되어 엔진을 시동시키는 데 유용한 회전 운동으로 변환된다. 이러한 변환 과정 중에서 생기는 에너지 손실은 상당히 크며, 또한 이러한 모터는 스프링에 의하여 가하여지는 매우 큰 축방향 힘을 견딜 수 있도록 무겁게 설계되어야 한다. 이로 인하여, 상기 모터를 사용함에 있어서 비용과 중량이 과중할 정도로 커지게 된다.

그러므로, 시동기를 다양한 엔진을 시동시키는 데 이용할 수 있게 하기 위해서는 효율성 및 다용도성이 개선된 기계식 시동 장치가 필요하게 된다. 또한, 중량이 가볍고 제조 비용이 적게 드는 기계식 시동 장치도 필요하게 된다. 그 외에도, 조작이 간편하고 크랭크 핸들의 큰 동작 거리(throw)가 요구되지 않는 시동 장치가 또한 필요하게 된다.

미국 특허 제3,127,883호에서는, 이러한 문제점에 대한 해결책을 제시하고 있고 기재된 발명의 주요 목적은 효율성 및 안전성이 개선된 스프링 시동 모터를 제공하는 것이다. 보다 상세한 발명의 목적은 고장으로 인하여 우연히 시동될 수 없고 시동 운전 중에 구동되는 돌출 부분이 없는 개선된 시동 모터를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 시동 장치의 종단면도이다.

도 2는 도 1과 동일한 도면으로서, 맞물려진 위치에 있는 시동 피니언을 도시한 도면이다.

도 3은 도 1에 도시된 장치의 단부 캡을 끝에서 본 도면이다.

도 4는 도 3의 측면도이다.

도 5는 도 1에 도시된 장치의 스프링 하우징 또는 카커스(carcase)의 측면도이다.

도 6은 도 5의 선 A-A를 따라 취한 단면도이다.

도 7은 도 1에 도시된 장치의 구동축의 상세도이다.

도 8은 도 1에 도시된 장치의 와인딩 래칫의 단면도이다.

도 9는 도 8의 와인딩 래칫을 끝에서 본 도면이다.

도 10은 도 1에 도시된 스프링 드럼의 단면도이다.

도 11은 도 1에 도시된 장치의 폴 캠의 상세도이다.

도 12a, 도 12b, 도 12c 및 도 12d는 폴의 상세도이다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 에너지를 저장하기 위한 나선형 동력 스프링과, 에너지를 상기 동력 스프링에 인가시켜 상기 동력 스프링 내에 에너지를 저장시키기 위한 와인딩 수단과, 저장 에너지가 방출될 때에 상기 저장 에너지를 변환시켜서 엔진용 시동 역적을 제공하기 위한 구동 수단을 포함하는 기계식 시동 장치가 제공되며, 상기 동력 스프링과 와인딩 수단은 소정량의 에너지가 동력 스프링 내에 저장된 이후에 동력 스프링의 저장 에너지를 구동축(drive shaft)에 자동으로 방출시키는 제어 수단(94, 95, 100, 107)과 함께 연계되어 작동되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 태양에서는 이하의 특징들 중 하나 또는 그 이상의 특징들이 개별적으로 또는 조합을 이루어 행해지는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치가 제공된다. 즉,

(1) 스프링 수단은 나선형 동력 스프링을 포함한다. 여기에서, "나선형 동력 스프링"이라 함은 스프링의 나선형 코일을 팽팽히 조임으로써 포텐셜(potential)이 저장되는 편평한 리본 재료의 연속 나선을 형성하는 재료로 구성되는 시계형 스프링을 칭한다.

(2) 스프링 수단은 병렬로 작동하는 일련의 리본 스프링 또는 단일 스프링을 포함할 수 있다.

(3) 나선형 리본 스프링은 시동 장치의 출력과 나선수를 제어하기 위해서 그 치수에서 폭, 길이 및 두께를 변경시킬 수 있다.

(4) 나선형 스프링 수단은 일단부가 타단부에 대해 스프링 나선과 동일한 방향으로 회전됨으로써 변형될 수 있다.

(5) 스프링 나선의 일단부는 출력 샤프트에 고정시키고 타단부는 나선을 팽팽하게 죄기 위하여 회전시킬 수 있으며, 출력 샤프트를 풀어놓음으로써 스프링 내에 저장된 포텐셜 에너지가 직접 회전 에너지로 방출되도록 하는 수단이 제공될 수 있다.

(6) 포텐셜 에너지의 저장은, 스프링의 내부 가장자리를 회전시키고 외부 단부를 유지시킴으로써 달성될 수 있다.

(7) 포텐셜 에너지의 저장은 스프링의 내부 단부에 대해 외부 가장자리를 회전시킴으로써 달성될 수 있으며, 그 결과 와인딩 공정을 용이하게 하는 기계적 이익이 달성된다.

(8) 나선형 동력 스프링은, 그 내부 가장자리에서 구동축에 연결되고 그 외부 단부에서 회전 하우징에 연결된 코일의 형태일 수 있다. 회전 하우징은 바람직하게는 구동축과 동축이며 이 구동축에 대하여 회전될 수 있다.

(9) 스프링 하우징 부재를 스프링의 내부 가장자리에 대해 회전시켜서 그 안에 포텐셜 에너지를 저장시키는 와인딩 수단을 제공할 수 있다.

(10) 와인딩 수단은 로프 풀 와인더(rope pull winder)일 수 있다.

(11) 기어 수단이 기계적 편의를 제공하기 위하여 와인딩 수단과 회전 스프링 하우징 사이에 제공될 수 있다. 이러한 기어 수단은 유성 기어 수단일 수 있다.

(12) 나선형 동력 스프링과 와인딩 수단은 소정량의 에너지가 스프링 내에 저장된 이후에 스프링의 포텐셜 에너지를 구동축으로 자동으로 방출시키는 수단을 포함하는 제어 및 방출 수단과 함께 동작할 수 있다.

(13) 제어 및 방출 수단은 와인딩 중에 구동축의 회전을 방지하는 래치(latch)를 포함할 수 있고, 일단 와인딩이 종료되면 구동축을 풀어 놓는 방출 수단을 구비할 수 있다.

(14) 유성 기어 트레인은 와인딩 수단과 스프링 수단 사이에 제공될 수 있고, 구동축의 축에 대해 실질적으로 균일하게 원주 방향으로 일정한 간격을 두어서 와인딩 중에 응력이 균형을 이루도록 견고한 구조를 제공하는 적어도 3개의 유성 기어를 포함할 수 있다.

(15) 와인딩 수단은 인장 로프가 감겨질 수 있는 실질적으로 원판형 와인딩 부재를 포함할 수 있다. 와인딩 수단에 반동 스프링과 래칫(ratchet)이 포함됨으로써, 와인딩 로프를 당길 때에 래칫이 맞물려서 기어 트레인을 구동시켜 스프링이 감겨지게 되며, 와인딩 로프 내의 장력이 방출되는 때에는 반동 스프링이 다음의 인장을 위하여 준비되어 있는 로프를 다시 감는 데 이용된다. 이러한 경우에 인장 와인더를 사용함으로써 그 활용 및 작업면에서 보다 많은 융통성을 제공하게 된다. 예를 들면, 본 발명에 따른 시동 장치는 상당히 제한된 공간 내에 설치될 수 있고, 시동 로프는 작업을 하기에 더 편리한 위치로 안내될 수 있다. 본 발명의 이러한 특징에 따르면, 로프는 엔진 상의 작동 위치에 부착되는 바와 같이 튜브나 도관을 통하여 자체적으로 시동 장치로부터 상당히 멀리 떨어져 있는 계기판 상의 더 편리한 위치로 이송될 수 있다. 또 다른 장점은 전술한 종류의 로프 인장을 이용하는 것이 크랭크 핸들에 비하여 잠재적인 위험 요소가 더 적다는 것이다. 크랭크 핸들 장치가 고장나면 크랭크가 갑자기 회전하여 조작원의 팔에 상해를 입힐 우려가 있다.

(16) 와인딩 수단은 와인딩 중에 스프링의 포텐셜 에너지가 정수(integer)배로 증가되게 하는 래칫 수단을 더 포함할 수 있다. 본 발명의 특정 태양에 따르면, 반동 장치용 래칫과 스프링 하우징용 래칫은 실질적으로 동심이며 단일 환상부(annulus) 내에 제공될 수 있다.

(17) 제어 및 방출 수단은 구동축과 장치용 하우징 사이에서 작동하는 또 다른 폴과 래칫을 포함할 수 있다.

(18) 폴은 와인딩 작업에 대응하여 회전될 수 있도록 캠 표면과 함께 작동되게 배치될 수 있고, 충분한 포텐셜 에너지가 나선형 동력 스프링에 인가되는 경우에만 캠의 회전에 의하여 캠 가장자리의 단부가 폴과 작동 관계에 있게 배치된다.

(19) 캠은 유성 기어 트레인을 거쳐 스프링 하우징에 의해 구동될 수 있다.

(20) 방출 및 제어 수단의 래칫 휠의 외부 표면에는 윤곽이 형성된 래칫 홈이 제공될 수 있으며, 각각의 홈은 폴의 단부에서 대응되게 윤곽이 형성된 노즈(nose)와 상호 작동하게 되며, 이러한 배치로 인해 폴을 래칫 내의 대응하는 홈으로부터 분리시켜서 구동축을 방출시킬 때에 마찰이 최소화되게 된다.

(21) 폴은 하우징의 고정 부분 상에 배치되고, 래칫은 구동축과 결합된다. 본 발명의 특정 실시예에서는, 래칫이 시동될 엔진의 시동 링과 맞물리는 구동 피니언의 일부분을 형성할 수 있다.

(22) 시동 피니언과 그 연관 래칫에는 내부에 멀티스타트(multi-start) 나사 홈 또는 치형부가 형성된 하나의 중앙 보어(bore)가 제공될 수 있다.

(23) 피니언은 구동축의 전방 단부에 구비된 대응하는 멀티파트(multi-part) 치형부 상에 장착될 수 있고, 시동될 엔진의 플라이휠 쪽으로 이동될 수 있다. 피니언은, 예를 들어 압축 스프링을 이용하여, 상기 시동 링과 맞물리지 않는 위치쪽으로 편향될 수 있고, 이러한 배치에 있어서 피니언을 시동 링과 맞물리게 하기 위해서는 피니언을 구동축에 대해 상대 회전시킴으로써 피니언을 멀티스타트 나사 홈이나 치형부를 따라 전진하게 하여 자체적으로 시동 링과 맞물리게 한다.

(24) 폴은 래칫 상의 대응하는 홈과 맞물려진 상태로 유지되기 위해서 피니언의 이동 방향으로 연장될 수 있다. 조립체는, 와인딩이 시작될 때에, 피니언이 폴에 의하여 회전되지 못하지만 구동축이 자유로이 회전될 수 있고 멀티스타트 치형부 또는 나사홈들의 상호 작용으로 인해 피니언과 시동 링이 맞물려지게 되도록 구성되어야 한다. 이 행정(travel)의 끝에서 구동축은 더 이상 회전되지 못한다.

(25) 본 발명의 일 태양에서는 스프링 이외의 주요 부품이 플라스틱 재료로 제조된다.

(26) 유성 기어 트레인은 일반적으로 유리 충진 나일론(glass filled nylon)으로 형성되어 있으나, 구동축, 구동 피니언 및 와인딩 기어는 "버튼(VERTON)"이라는 상표로 시판되고 있는 나일론 유도체로 제조될 수 있다. 이러한 재료를 사용함으로써, 장치의 무게가 가볍고 가동 부분들 사이에 베어링이 필요 없으며 싸게 제조할 수 있는 이점을 갖게 된다. 또 다른 이점으로는, 장치 전체에 걸쳐서 플라스틱 부품을 광범위하게 사용함으로써, 이 장치가 습도가 높은 조건 또는 해양 환경 등과 같은 혹독한 조건에서도 매우 양호하게 작동될 수 있다는 점이다.

이하에서는 본 발명을 수행하는 방법들을 첨부 도면을 참조하여 더 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 시동 장치는 일반적으로 원통형으로 구성된 외부 하우징(10)을 포함한다. 이러한 하우징(10)의 후방 단부에는 내측으로 향해진 중앙 스피곳(spigot)(12)을 구비한 단부 캡(11)이 제공된다. 단부 캡(11)에는 상기 단부 캡을 원통형 하우징(10)에 고정시키기 위하여 그 원통형 하우징의 후방 단부에서 대응 부분과 맞물리게 되는 전방으로 연장된 다수의 텅(tongue)(13)(도 4 참조)이 제공되어 있다. 단부 캡(11)의 단부 벽(14)은 일반적으로 원형으로 되어 있고, 이 벽에는 내측으로 향해진 환상 리브(rib)(15)가 제공된다. 단부 캡(11)의 원통형 외벽(16)에는 로프 안내 개구(19)를 함께 한정하는 축방향으로 연장되는 한 쌍의 둥근 립(lip)(18)이 구비된 하나의 개구(17)가 제공된다.

원통형 하우징(10)의 전방 단부에는 전방 연장부(22)를 내측 단부에서 지지하는 중간 스텝 부분(21)이 구비된 내측으로 향해진 환상 벽(20)이 제공된다. 전방 연장부(22)는 원주 방향으로 일정한 간격을 두고 전방으로 연장된 다수의 맞물림 요소(24)를 지지하는 내측으로 향해진 플랜지(23)에서 마감되고, 여기서 상기 맞물림 요소의 전방 단부에는 내측으로 향해진 바브(barb)(25)가 각각 구비된다. 중간 스텝 부분(21)의 내표면에는 링 기어(26)를 구성하는 다수의 치형부가 구비된다. 전방 연장부(22)는 서로 간격을 두고 있는 한 쌍의 평행한 벽과 한 쌍의 아치형 벽(28, 29)에 의하여 한정되고(도 6 참조), 하부 벽(29)에는 일반적으로 전방 연장부의 종방향으로 연장되고 원통형 홈(31')을 한정하는 내측으로 돌출된 아치형 후크(hook)(30)가 구비되며, 상기 원통형 홈은 이하에서 설명하는 폴 요소를 수용하기 위하여 그 길이에 따라 종방향으로 개방되어 있다.

원통형 하우징(10)의 환상 벽(20)의 전방 연장부(22)는, 중첩되는 원통형 부분(36)을 포함하고 원통형 하우징(10)의 전방 연장부(22) 상에 활주되어 끼워 맞춰지는 피니언 하우징(35)을 지지하게 되고, 상기 부분(36)에는 일반적으로 내측으로 연장되고 내벽에 단(step)이나 멈추개(detent)(39)를 갖는 다수의 개구(38)가 구비된 전방 환상 벽(37)이 제공되며, 피니언 하우징(35)이 하우징(10)의 원통형 부분(22) 위로 들어갈 때에 각 맞물림 요소(24)의 바브 부분(25)이 멈추개(39)에 걸려서 피니언 하우징 (35)을 제자리에 유지시킬 수 있게 배치되어 있다. 하단부에서 절단되어 있고 전방 단부가 저널(41)에서 마감되는 피니언 케이싱(40)이 전방 벽(37)에 제공된다. 이러한 케이싱(40)은 원주 방향으로 일정한 간격으로 떨어져 있는 플랜지 (42)에 의하여 보강된다(도 2 참조).

저널(41)은 상기 저널의 후방으로 연장되는 스터브 축(stub axle)(43)을 지지하고, 상기 스터브 축은 바브 리브(44)에서 마감된다. 구동축(45)에는 일반적으로 중공 중앙 보어(46)가 제공되고, 이러한 보어는 구동축을 상기 스터브 축(43) 상에 유지시키기 위하여 상기 스터브 축(43)의 바브 리브(44)와 맞물리는 환상 숄더(shoulder)(47)를 한정하도록 확장되며, 상기 구동축은 이에 대하여 회전할 수 있게 배치된다.

구동축(45)의 전방 단부에는 다수의 나선형 스플라인(spline) 또는 치형부가 제공되어 있고, 그 바로 후방으로는 베어링 표면을 구성하는 더 축소된 원통형 부분(48, 49)이 제공되어 있다.

구동축 후방부의 외부 표면에는 약 0.5mm 깊이로 후방 단부(51) 쪽으로 연장되는 다수의 종방향 홈 또는 스플라인이 제공되어 있고, 상기 후방 단부는 직경이 약간 축소되어 있으며 베어링 표면을 구성하는 매끄러운 원통형 표면이 형성되어 있다.

구동축(45)의 중앙 보어(46)는 그 후방 단부에서 와인딩 래칫(52)을 수용하고(도 8 참조), 와인딩 래칫에는 구동축(45)의 중앙 보어(46) 내로 들어가는 관형 부분(53)과 후방으로 향하여 있는 원주 플랜지(55) 내에서 마감되는 환상 플레이트(54)가 포함되어 있다. 환상 플레이트(54)의 후면은 그 원주 쪽으로 6개의 원주 방향으로 일정한 간격을 두고 있는 래칫 홀더(56, 57)를 지지하며, 이러한 래칫 홀더들이 교대로 도 9에 도시된 바와 같이 형성되어 있다. 래칫 홀더(56)는 "외측" 래칫 홀더이고, 래칫 홀더(57)는 "내측" 래칫 홀더이다. 각 래칫 홀더에는 긴 요소(59) 및 짧은 요소(60)가 제공된 아암(arm)(58)이 포함되어 있다. 긴 요소(59)와 짧은 요소(60)에 대한 아암(58)의 분기점은 "도그 본(dog bone)" 래칫 요소(도시되지 않음)의 대응 부분을 수용하는 부분 원통형 소켓을 형성한다.

도그 본 래칫 요소들은 또한 인접 홀더 사이에 제공되고 그 사이에서 연장된다. 외측 래칫 홀더(56)에는 폴 부분(63)을 구비한 도그 본 래칫 요소(62)와 아치형으로 연장되는 아암(64)이 포함되고, 폴 부분(63)이 환상 플레이트(54)의 중앙으로부터 외측으로 연장되게 배치된다. 내측 래칫 홀더(57)는 폴 요소(63')를 가진 도그 본 래칫 요소(62')와 아치형 아암(64')을 지지하며, 이 경우에는 폴 요소가 플레이트(54)의 축방향으로 내측을 향하게 배치된다. 각 홀더(57, 58)에서의 도그본 래칫 요소(62, 62')의 완전한 조립체는 상기 조립체의 내측 및 외측으로 작동하는 환상 래칫 조립체를 형성하는 데 이용된다.

관형 부분(53)의 후방 단부는 이에 대한 상대 회전을 위하여 하나의 로프 요소(69)를 지지한다. 이러한 로프 요소에는, 홀더(57)에 의하여 환상 플레이트(54) 상에 지지되는 대응하는 도그 본 래칫 요소(62')를 갖춘 내측 폴(63')과 맞물리게 되는 래칫을 전면 상에서 지지하는 원형의 와인더 드럼 몸체(70)가 포함된다. 상기 요소(69)에는 와인딩 래칫(52)의 관형 부분(53) 내로 들어가게 되는 전방으로 연장된 스피곳(72)이 제공된다. 몸체(70)의 축에는 구동축, 와인딩 래칫 및 와인딩 드럼 조립체에 대한 후방 지지를 제공하는 스피곳(12)을 수용하는 블라인드 보어(blind bore)가 제공된다. 드럼에는 하나의 주변 로프 수용 홈(74)이 제공되고, 이 홈에 의하여 로프의 단부가 공동부(75)로 들어가서 고정된 다음에, 홈 (74) 내부에서 감기고, 단부 캡(11) 내의 로프 안내 개구(19)에 의하여 드럼으로부터 빠져나가게 된다. 하나의 반동 스프링(76)이 단부 캡(11)과 와인더 드럼(69) 사이에 제공되어 있어서 인장의 매 행정마다 로프를 되감는다.

구동축(45)은 이에 대하여 회전할 수 있게 결합된 스프링 하우징(80)을 지지한다. 스프링 하우징에는, 일반적으로 원통형인 외벽(81)과, 전방으로 연장된 슬리브(83)에서 내측 단부가 마감되는 전방 단부면(82)이 구비되어 있으며, 상기 슬리브의 실린더형 외표면 상에 36개의 치형부를 가진 24 지름 피치의 스퍼 기어(spur gear)를 형성하는 다수의 기어 치형부(84)가 제공되어 있다. 후면(85)에는 구동축(45)을 수용하게 되는 중앙 보어가 구비되고, 후면(85)의 내측 단부와 외측 단부 중간에는 하우징의 축 둘레로 원주 방향에 따라 일정한 간격을 둔 3개의 허브(85')가 제공된다. 각 허브(85')는 18개의 치형부를 가진 12 지름 피치의 스퍼 기어를 그 위에서 자유로이 회전할 수 있게 지지하고, 각 스퍼 기어는 와인딩 래칫에 의하여 지지되는 태양 기어(sun gear)(65)와 맞물린다. 각 스퍼 기어(87)는 단부 캡(14)과 하우징(10)에 고정된 환상 링 기어(88)와도 맞물린다. 링 기어(88)의 후방 부분에는 래칫 연장부(89)가 제공되고, 이러한 래칫 연장부의 원통형 내부 표면 상에는 외측 도그 본 래칫 폴(62)과 맞물려서 스프링 드럼(80)을 하우징(10)에 대하여 일방향으로만 회전할 수 있게 하는 다수의 래칫 스텝이 제공된다.

드럼(80)은 일반적으로 시계형 스프링의 형태로 되어 있는 나선형으로 감긴 단일 리프(leaf) 동력 스프링을 지지하며, 이 스프링의 내측 단부는 구동축(45)에 고정되고, 그 외측 단부는 케이싱(80)에 고정된다. 스프링의 내측 단부는 접착에 의하여 구동축에 고정되고, 이에 의하여 구동축 상의 스플라인은 스프링의 강재(steel)와 구동축 사이의 상호 맞물림을 형성하게 된다. 드럼 하우징(80)은 내부 표면이 거칠게 된 플라스틱 재료로 형성되고, 상당 부분이 스프링의 인접면에 접착되어 있으며, 회전이 차단된 구동축(45)에 의하여 로프 단부를 끌어당김으로써 와인더 드럼(69)을 회전시키고, 이에 의하여 내측 래칫 사이의 상호 작용이 생겨서 와인딩 래칫이 구동축에 대하여 그 축 둘레를 구동하게 되며, 외측 래칫은 외측 폴 위에 얹히게 된다. 와인딩 래칫(52)의 회전에 의하여 스프링 드럼(80)이 와인더 드럼(69)의 회전 속도보다 훨신 느린 속도로 태양 기어(65), 스퍼 기어 (87) 및 링 기어(88)를 통해 회전하게 된다. 로프가 그 최대 행정까지 후퇴한 때에는, 반동 스프링(76)이 인장되기 때문에 로프가 이완됨으로써 반동 링(76)이 와인딩 래칫(52)에 대한 와인더 드럼의 회전 방향을 역전시키게 되고, 이 와인딩 래칫(52)은 폴(53)과 래칫 연장부(89) 상의 래칫 스텝 사이의 상호 작용에 의하여 역회전이 차단됨으로써, 주 스프링(90) 내에 가해지는 추가 장력이 포텐셜 에너지로서 저장될 수 있게 된다. 와인더 드럼의 로프를 계속적으로 당기고 풀어줌으로써, 스프링(90) 내에 저장되어 있는 포텐셜 에너지가 링이 최적의 인장 수준에 도달할 때까지 증가된다.

구동축(45)은 상기 구동축(45)을 중심으로 회전할 수 있게 받쳐져 있는 캠 부재 (93)를 스프링 드럼(80)의 전면의 앞쪽으로 지지시킨다. 캠 부재(93)에는 전방으로 연장되는 캠 요소(94)가 제공된 실질적으로 평면인 디스크가 포함되어 있다. 캠 부재(93)의 후면에는 각각 유성 기어(96)를 지지하는 동일한 간격으로 떨어져 있는 3개의 기어 지지 스터드(95)가 제공되고, 그 치형부는 스프링 드럼(80)의 원통형 연장부(83) 상의 기어 치형부(84)와 하우징(10)의 내측에 제공된 링 기어(26) 사이에서 맞물리게 되며, 드럼(80)의 회전으로 인해 구동축(45) 주위로 캠(94)이 구동되도록 배치된다. 캠(94)은 일반적으로 도 11에 도시된 바와 같이 형성되고, 캠의 표면은 일반적으로 편심이며, 실질적으로 그 표면의 거의 반 이상이 아치형으로 구부러져 있고, 캠 아암(98) 내로 연장된다. 캠 폴(100)(도 12a 참조)은 일반적으로 종방향으로 되어 있고, 상기 캠 폴에는 캠의 종방향으로 연장되고 후크(30) 내에 수용되는 피봇(pivot) 부분(101)이 제공된다(도 6 참조). 폴 노즈(pawl nose)는 일반적으로 폴의 종방향 길이를 따라 여러 중간 단계에서 도 12a의 도 12b, 도 12c 및 도 12d에 따라 둥글게 되어 있다.

캠 부재의 전방에서, 구동축(45)은 시동될 엔진의 시동 링의 치형부와 맞물리는 전방 치형부(105)와, 중간 부분(106)과, 폴(100)과 맞물리는 후방 래칫(107)을 포함하는 피니언(104)을 지지한다. 피니언(104)은 압축 스프링(108)에 의하여 피니언 하우징(35)에 대해 후방 쪽으로 스프링 하중을 받는다. 중간 부분(106)의 내부 표면(109)에는 구동축 상의 나선형 스플라인 또는 치형부(48)와 맞물리게 되는 다수의 나선형 스플라인 또는 치형부(110)가 제공되어 있으며, 구동축(45)과 피니언(104) 사이의 상대 운동에 의하여 피니언이 구동축(45)의 축방향으로 그 행정의 범위 안에서 전방으로든 후방으로든 움직일 수 있게 배치된다.

피니언은 구동축의 축방향으로 이동하면서 폴(100)을 따라 활주하며, 그 폴의 다른 윤곽들이 피니언 상의 래칫(107)과 맞물린다. 폴(100)의 노즈 단부 형상은 폴의 노즈가 래칫 내의 대응하는 홈과 "자체 캐밍(self-caming)"되도록 형성되고, 피니언이 도 2에 도시된 바와 같이 충분히 전진하면 약간의 힘만으로도 폴을 피니언으로부터 분리시킬 수 있게 배치된다.

작동 중에, 와인딩 로프를 끌어당기면 와인더 드럼(69)이 회전하면서 이에 대응하여 구동축(45)을 포함한 구동 조립체 전체가 회전하게 된다. 피니언은 스프링(108)의 작용에 의하여 쉽게 회전이 저지되고, 이에 따라 치형부(105)가 시동될 엔진의 시동 링 상의 대응하는 치형부와 맞물리는 위치로 전진하게 된다. 피니언이 그 행정의 끝까지 전진한 때에는, 도 12d에 도시된 폴의 윤곽이 래칫(107) 내의 홈과 맞물려짐으로써, 피니언 하우징과 이에 부착된 케이싱(10)에 대한 피니언의 회전이 차단된다. 이와 동시에, 피니언이 그 행정의 전방 단부에 있기 때문에, 구동축(45)도 회전하지 못한다. 로프를 잡아당기면, 전술한 방식으로 스프링(90)이 감기면서 캠이 회전하게 된다. 와인딩 로프의 연속적인 행정에 의해서, 캠(94)이 회전하여 캠 로브(cam lobe)(97)가 폴(100) 아래에 맞물려서 폴(100)의 몸체가 들어올려져 피니언(104)의 래칫(107) 내의 대응하는 홈과 맞물리지 않게 될 때까지 스프링(90)이 점진적으로 조여지게 된다.

구동축(45)과 상기 구동축에 의해 지지되는 피니언(104)이 전술한 구속상태로부터 벗어나게 되면, 스프링의 영향 하에 자유로이 회전하게 되며, 스프링은 피니언을 구동시키는 샤프트에 직접 회전 운동을 제공하게 되고, 피니언은 시동될 엔진의 플라이휠 상의 링 기어를 구동시키게 된다. 엔진이 점화되면, 링 기어의 백래쉬(back lash)가 피니언(105) 상의 마찰 하중을 감소시켜 제거시키고, 압축 스프링(108)이 피니언을 링 기어와 맞물려 있는 위치에서 시동 위치로 밀어 보낸다. 이제 캠(94)이 회전하기 때문에, 로브(97)가 폴(100)과의 접점을 통과하게 되고, 폴(100)이 이제 래칫(107)과 맞물려지게 되며, 폴의 몸체가 가요성 아암(98)과 접촉하게 되어 와인딩이 시작되고, 피니언이 다시 구동축(45)을 따라 전진하여 링 기어와 맞물릴 때까지, 캠이 홈과의 맞물림에서 벗어나며, 이 때쯤에는 캠 로브(94)가 암과 폴의 맞물림이 분리될 만큼 충분히 전진하여, 폴이 다시 래칫(107) 내의 홈과 맞물리게 된다.

스프링을 제외하고는, 이러한 시동 장치의 구성 부품은 모두 구조용 플라스틱 재료로 제조될 수 있다. 따라서, 그 결과로서 제조된 시동 장치는 무게가 가볍고 베어링이 필요 없으며 스프링을 제외하고는 실질적으로 내식성이 있다.

전술한 장치의 캠 방출 장치는 스프링의 오버 와인딩(over-winding)을 방지하는 기능을 제공한다. 만약 스프링이 너무 과도하게 감기면, 스프링의 원활한 에너지 송출이 달성되지 않고, 많은 경우에 있어서 스프링은 다량의 또는 충분한 양의 에너지 송출을 못하게끔 "붕괴(collapse)"된다. 본 발명의 캠 방출 장치는 이러한 문제를 극복한다. 스프링의 성능 출력은 유성 기어 트레인의 각종 구성 부품 사이의 기어비를 변화시켜서 변동시킬 수 있고, 스프링 자체의 에너지 송출 장치는 스프링 길이, 스프링 두께 및 스프링 폭 등을 종합하여 조절될 수 있다.

이상에서 일반적으로 설명한 본 발명의 시동 장치는 모든 형태의 점화식 연소 기관을 시동하는 데 적합하게 구성된다.

Claims (25)

1. 에너지를 저장하기 위한 나선형 동력 스프링(90)과, 에너지를 상기 동력 스프링에 인가시켜 상기 동력 스프링 내에 에너지를 저장시키기 위한 와인딩 수단(69)과, 저장 에너지가 방출될 때에 상기 저장 에너지를 변환시켜서 엔진용 시동 역적을 제공하는 구동 수단(45, 48)을 포함하는 기계식 시동 장치에 있어서,

   상기 동력 스프링과 상기 와인딩 수단은 제어 수단(94, 95, 100, 107)과 연계되어 작동되고, 상기 제어 수단은, 와인딩 중에 구동축의 회전을 방지하기 위한 수단과, 소정량의 에너지가 동력 스프링 내에 저장된 이후에 동력 스프링의 저장 에너지를 구동 수단에 자동으로 방출시키기 위한 방출 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
2. 제1항에 있어서,

   구동축의 회전을 방지하기 위한 수단은 래치(latch)(100)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
3. 제2항에 있어서,

   래치는 구동축과 하우징 사이에서 작동하는 폴(100)과 래칫(ratchet)(107)을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 폴(100)은 하우징(10)의 고정부 상에 위치되고, 래칫은 구동축(45)과 결합되는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,

   상기 폴(100)은 캠 표면(94)과 상호 작용하도록 배치되고, 상기 캠 표면은 와인딩 동작에 대응하여 회전하게 되며, 소정량의 에너지가 스프링에 인가된 때에 캠의 회전에 의해 캠 표면의 단부가 상기 폴과 함께 작동 관계에 있게 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
6. 제5항에 있어서,

   캠은 와인딩 수단(69)에 의해 구동된 스프링 하우징(80)에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
7. 제6항에 있어서,

   캠은 유성 기어 트레인(26, 95)을 통해 스프링 하우징에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
8. 제3항 또는 제4항에 있어서,

   래칫은 윤곽이 형성된 래칫 홈들이 외부 표면에 구비된 휠(107)을 포함하고,

   각각의 홈은 폴(100)의 단부에서 대응되게 윤곽이 형성된 노즈와 상호 작용하도록 형성되며, 폴을 래칫 내의 대응하는 홈으로부터 분리하는 데 요구되는 마찰이 최소화되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
9. 제3항 또는 제4항에 있어서,

   래칫은 시동될 엔진의 시동 링과 맞물리는 구동 피니언(106, 105)의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
10. 제9항에 있어서,

    구동 피니언과 래칫에는 내부에 멀티스타트 나사홈 또는 치형부가 새겨져 있는 중앙 보어가 구비되는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
11. 제10항에 있어서,

    구동축의 전방 단부에 멀티파트(multi-part) 치형부가 구비되고, 구동 피니언(105, 106)은 시동될 엔진의 시동 링을 향하여 이동되도록 상기 구동축의 전방 단부에 장착되는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
12. 제11항에 있어서,

    구동 피니언은 압축 스프링(108)을 이용하여 시동 링과 맞물리지 않는 위치로 편향되고, 상기 구동 피니언을 상기 시동 링과 맞물리게 하기 위해서 구동축을 상기 구동 피니언에 대해 상대 회전시킴으로써 상기 구동 피니언을 멀티스타트 나사홈 또는 치형부를 따라 전진하게 하여 자체적으로 상기 시동 링과 맞물리게 배치되는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
13. 제12항에 있어서,

    폴(100)이 피니언의 이동 방향으로 연장됨으로써 래칫 상의 대응하는 홈과 맞물려진 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
14. 제12항에 있어서,

    와인딩이 시작되는 때에, 피니언(105, 106)은 폴(100)에 의해 회전되지 못하지만, 구동축(45)은 자유롭게 회전되며, 멀티스타트 치형부 또는 나사홈들의 상호 작용으로 인해 피니언이 시동 링과 맞물려지게 되는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
15. 제1항에 있어서,

    스프링 수단은 다수의 나선형 동력 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
16. 제1항에 있어서,

    와인딩 수단은 로프 풀 와인더(74)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
17. 제15항에 있어서,

    스프링 나선의 내측 단부가 구동축(45)에 고정되고, 스프링 나선의 외측 단부가 스프링을 조이도록 회전되는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
18. 제1항에 있어서,

    구동 수단은 시동될 엔진의 플라이휠 상의 치형부가 형성된 링과 맞물리는 피니언을 포함하고, 피니언(105)은 스프링 수단의 와인딩이 시작되기 전에 엔진 상의 시동 링과 맞물리게 되는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
19. 제1항에 있어서,

    와인딩 수단은 로프 드럼(69)과 링 기어 사이에서 작동하는 와인딩 래칫(52) 조립체 상의 동심 래칫을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
20. 제19항에 있어서,

    와인딩 수단과 드럼 사이의 기어 트레인은 유성 기어 트레인(65, 87, 88)인 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
21. 제1항에 있어서,

    스프링을 제외한 구성 부품이 구조용 플라스틱 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
22. 제17항에 있어서,

    스프링과 구동축 사이에 접착제를 사용함으로써 스프링 나선(90)의 내측 단부가 구동축(45)에 부착되는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
23. 제1항에 있어서,

    접착제를 사용함으로써 스프링 나선(90)의 상단부가 스프링 하우징(80)에 부착되는 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
24. 제22항 또는 제23항에 있어서,

    접착제는 메틸 메타크릴레이트(methyl methacrylate)계 접착제인 것을 특징으로 하는 기계식 시동 장치.
25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 기계식 시동 장치를 포함하는 점화식 압축 엔진.