KR100841272B1

KR100841272B1 - 유체 마찰식 클러치

Info

Publication number: KR100841272B1
Application number: KR1020020018563A
Authority: KR
Inventors: 틸리 크리스티안엠.; 부크홀쯔 토마스; 니더마이어 율리
Original assignee: 보그-워너 인코포레이티드
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2008-06-25
Also published as: CN1273755C; EP1248007A1; EP1248007B1; JP2002349605A; US20030006117A1; US6732845B2; DE50101324D1; CN1382924A; KR20020079487A; JP4153227B2

Abstract

특히, 내연 기관 라디에이터의 팬에 사용하는 유체 마찰식 클러치가 기술되어 있다. 클러치를 제어하는 밸브 요소(22)는 클러치의 구동축(12)에 동일축 방향으로 안내되는 피스톤 로드(24)에 의해 솔레노이드 제어부를 통해 작동한다. 피스톤 로드(24)는 구동축(12)에서 안내되는 앵커(28)를 포함한다. 엑추에이터 코일(34)은 구동축(12)에 회전 가능하도록 장착되어 있는 자성체(32)에 수용된다. 앵커(28)를 안내하는 구동축(12)에는 비자기성 분리 틈새(38)이 제공되어 있다.

Description

유체 마찰식 클러치{FLUID FRICTION CLUTCH}

도 1은, 유체 마찰식 클러치의 작동 수단을 통한 축 방향 단면도.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 플랜지 12: 구동축

14: 제 1 클러치 수단 16: 클러치 하우징

18: 마운트 또는 베어링 20: 클러치 하우징 덮개

22: 밸브 요소 24: 피스톤 로드

26: 리턴 스프링 28: 앵커

30: 플러그 32: 자성체

34: 엑추에이터 코일 36: 롤러 베어링

38: 분리 틈새 40: 연결 회로 또는 라인

42: 플러그 커넥터 44: 쇼울더

본 발명은 유체 마찰식 클러치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 청구항 1의 전제부에 기재된 내연 기관의 라디에이터용 팬에 관한 것이다.

이러한 종류의 유체 마찰식 클러치는 미국 특허 제 4,305,491호로부터 알려져 있다. 흔히 점성 클러치라 부르는 유체 마찰식 클러치는 내연 기관의 라디에이터용 팬을 구동시킨다. 클러치는 온도 센서를 통해 제어된다. 이를 위해 피스톤 로드를 통해 밸브 요소를 움직이는 솔레노이드 또는 리프팅 마그넷을 사용하고, 이러한 밸브는 작업 공간에서 점성 유체 공급을 제어하며, 이러한 유체는 클러치 메커니즘의 구동측(drive side)과 피동측(driven side) 사이의 마찰식 맞물림을 발생시킨다.

구동축 내에 동일축으로 배치된 피스톤 로드를 이용해서 밸브 요소를 가동하면, 클러치의 후방측과 클러치 피동 팬에 솔레노이드와 제어 연결부를 배치할 수 있다. 이에 따라, 팬과 클러치의 공간을 절약하면서 조립이 용이한 구조가 가능해진다.

기존의 유체 마찰식 클러치에서는, 전체 솔레노이드 메커니즘뿐만 아니라 이를 통해 작동하는 피스톤 로드가 회전 구동축에 통합되어 있다. 따라서, 마찰에 의한 접촉을 통해 구동축을 따라 회전하는 엑추에이터 코일에 작동 전류를 가할 필요가 있는데, 이러한 접촉은 마찰에 의한 마모를 일으킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 상술된 종류의 유체 마찰식 클러치를 개선하는 작업에 근거하기 때문에, 마모를 일으킬 수 있는 마찰에 의한 접촉을 피할 수 있다.

이러한 작업은 청구항 1의 특징을 갖는 유체 마찰식 클러치를 통해 창의적으로 해결된다.

본 발명의 유리한 실시예와 추가 발전사항은 종속항에 개시되어 있다.

본 발명에 따라, 피스톤 로드를 가동하는 앵커(anchor)는 중공 구동축 내에 직접 동일축으로 놓여있다. 이와 반대로, 전기자 코일은 구동축과 통합되어 있지 않고, 특별한 자성체에 놓여 있는데, 이 자성체는 구동축을 동일축으로 둘러싸고 이 내부에서 구동축이 회전할 수 있다. 이러한 방식으로, 자성체는 전기자 코일과 고정 결합되어서, 전기자 코일에 전류를 가하는데 마찰에 의한 접촉이 필요하지 않다. 적어도 앵커를 안내하고 둘러싸는 부분의 구동축은 연질의 자성 물질로 이루어져 있고, 자성체가 아닌 물질의 분리 틈새에 의해 구동축에서 자성 흐름이 단락되지 않고 앵커를 통해 안내될 수 있다. 이와 같이, 자성체는 연질의 자성 물질로 이루어져서, 전기자 코일의 자성 흐름은 자성체와, 앵커를 둘러싼 구동축 영역과, 앵커를 통해 안내된다. 전기자 코일의 고정된 구조에 의해 구조와 조립이 간단해지고, 결점이 발생할 가능성이 줄어든다.

앵커가 두 개의 단부 위치 사이를 이동할 수 있도록, 솔레노이드 제어부를 설계할 수 있다. 이러한 온-오프 제어부에서, 클러치와 팬은 시간에 따라 주기적으로 작동한다. 이러한 사이클 주파수가 시스템(질량 관성 모멘트와 유체의 점도)의 성능으로 결정되는 범위 또는 제한 주파수를 능가한다면, 앵커와 밸브 요소는 전환 주기 내에 완전한 행정 주기(stroke cycle)를 실행할 수 없고, 앵커와 밸브 요소는 행정 경로 중 중간 지점에 배치되거나 고정될 수 있다. 따라서, 행정 경로의 앵커 위치와 밸브 요소가 열린 정도는 사이클 주파수를 통해 제어될 수 있고, 이에 따라 지속적인 클러치 맞물림이 일어날 수 있다.

다른 실시예에서, 솔레노이드는 비례 솔레노이드(proportional solenoid)로써 제어된다. 이에 따라 앵커의 허브 위치는 앵커에 작용하는 힘, 즉 인가 전류에 의해 결정되는 자기력과 다른 한편으로 스프링 복귀력이 평형을 이루게 함으로써 전체 허브 행정 길이 내에서 지속적으로 조절될 수 있다. 여자 전류 세기를 조절하고, 구동축의 강자기성 영역으로 앵커의 진입 증가를 조절함으로써, 클러치의 지속적인 맞물림을 이러한 실시예에서 조절할 수 있다.

하기에서, 도면에 도시된 실시예를 근거로 본 발명은 보다 상세히 설명될 것이다. 하나의 도면은 유체 마찰식 클러치의 작동 수단을 통한 축 방향 단면도를 나타낸다.

(실시예)

유체 마찰식 클러치는 모터 전방의 피동축(예를 들어, 크랭크 축, 워터 펌프 축)(미도시됨)을 통해 내연 기관의 라디에이터용 팬(도면에 상세히 도시되지 않음)을 구동한다.

클러치 축 또는 구동축(12)은 플랜지(10)를 이용해서 이러한 피동축의 전방 단부에서 회전하지 못하도록 고정된다. 구동축(12)은 중공축으로써 형성되고, 연질의 자성 물질로 제조된다. 구동축(12)의 전방 단부 상에서 플랜지(10) 반대측에 유체마찰 클러치가 제공되고, 이를 통해 팬(미도시됨)은 구동축(12)을 통해 작동할 수 있다.

유체 마찰식 클러치는 제 1 구동측 클러치 수단(14)으로 구성되고, 이러한 수단은 필수적으로 원판 모양이며 구동축(12)의 전방 단부에서 회전하지 못하도록 고정되어 있다. 제 2 피동측 클러치 수단은 클러치 하우징(16)으로 형성되고, 클러치 하우징(16)은 베어링(18)을 통해 제 1 클러치 수단(14) 뒤의 구동축(12) 위에 회전 가능하도록 장착되어 있다. 클러치 하우징(16)의 둘레에는 미도시된 팬 날개가 있다. 클러치 하우징(16)에는 클러치 하우징 덮개(20)가 밀폐 고정되어 있다. 클러치 하우징 커버(20)는 클러치 하우징(16)의 전방측을 차단해서 점성 유체의 수용 공간을 형성한다. 이러한 수용 공간은 제 1 클러치 수단(14)에 의해서 제 1 클러치 수단(14)과 클러치 하우징 덮개(20) 사이의 공급 공간과, 제 1 클러치 수단(14)과 클러치 하우징(16) 사이의 작업 공간으로 분리된다.

제 1 클러치 수단(14)과 클러치 하우징(16)은 방사면으로 뻗어있는 원판 모양의 전단 표면을 통해 서로 대향하거나 마주한다. 작업 공간에 있는 점성 유체는 전단 표면 사이로 들어가서, 구동축(12)에 의해 구동되는 제 1 클러치 수단(14)은 마찰에 의한 맞물림을 통해 클러치 하우징(16)과 함께 이동함으로써, 유체 마찰식 클러치가 맞물리고 팬이 구동된다. 밸브 요소(22)는 공급 공간에 제공되어 밸브의 개방부와 함께 작동하는 유체 마찰식 클러치를 제어하도록 작용하고, 점성 유체가 공급 공간으로부터 작업 공간으로 이동하도록 한다. 밸브 요소(22)가 제 1 클러치 수단(14)으로부터 축방향으로 올라가면(즉, 도면에서 왼쪽으로 움직임), 밸브의 개방부를 노출함으로써, 유체가 작업 공간으로 들어갈 수 있고, 제 1 클러치 수단(14)과 클러치 하우징(16) 사이에 마찰에 의한 맞물림이 일어난다. 밸브 요소(22)가 제 1 클러치 수단(14)을 향해 움직이면(즉, 도면에서 오른쪽으로 움직 임), 이러한 밸브의 개방부를 점점 닫음으로써, 점차 적은 양의 유체가 작업 공간에 들어갈 수 있고, 최종적으로 유체는 작업 공간에 도달할 수 없다. 제 1 클러치 수단(14)으로부터 클러치 하우징(16)과 팬으로의 토크 전달이 점점 줄어들어서 최종적으로 완전 차단된다.

유체 마찰식 클러치와 밸브 요소의 설계는 본 발명의 구성성분이 아니고, 원하는 임의 방법으로 설계될 수 있다. 따라서 설계에 대한 상세한 설명이 필요하지 않다.

밸브 요소(22)가 작동할 수 있도록, 이후 설명하고자 하는 리프팅 마그넷이나 솔레노이드 제어부를 사용한다.

중공축으로서 형성된 구동축(12)에는, 축 방향으로 이동할 수 있는 피스톤 로드(24)가 안내된다. 피스톤 로드(24)의 전방 단부에는, 밸브 요소(22)가 구동축(12)의 전방 단부로부터 돌출되어 고정되어 있다. 나선형 압축 스프링(helical compression spring)으로 제작된 리턴 스프링(26)은 구동축(12)의 전방 단부 내에 수용되고, 피스톤 로드(24)를 둘러싸고 있다. 리턴 스프링(26)의 전방 단부는 밸브 요소(22)와 접해있고, 리턴 스프링(26)의 후방 단부는 구동축(12)의 내부 쇼울더 위에 있기 때문에, 리턴 스프링(26)은 밸브의 개방 위치에서, 즉 도면에서 왼쪽을 향해 밸브 요소(22)를 프리텐션(pretension) 시킨다.

피스톤 로드(24)의 후방 단부에는 연질의 자성 물질인 원통형 앵커(28)가 놓여있다. 앵커(28)는 구동축(12)의 축방향 내부 구멍보다 폭이 더 넓은 부분 내에서 축방향으로 안내된다. 앵커(28)는 도면에 도시되어 있는 전방 행정 단부 위치와 후 방 행정 단부 위치 사이에서 축방향으로 이동할 수 있다. 전방 행정 단부 위치에서, 앵커(28)는 구동축(12)의 내부 쇼울더와 축방향으로 접해있다. 이러한 행정 단부 위치에서, 밸브 요소(22)는 밸브 개방부로부터 올라와서, 점성이 있는 유체는 클러치가 맞물리도록 작업 공간으로 들어갈 수 있다. 후방 행정 단부 위치에서, 피스톤 로드(24)는 앵커(28)와 함께, 연질의 자성 물질로 이루어진 접합점(abutment)(30)과 접하며, 이러한 접합점은 후방 단부에서 구동축(12)의 폭이 더 넓은 내부 구멍 내에서 안내되는 앵커(28)를 차단한다. 앵커(28)의 후방 단부 위치에서, 밸브 요소(22)는 밸브 개방부를 밀폐시켜서, 공급 공간으로부터 작업 공간으로 들어가는 유체의 공급이 차단되고, 클러치는 맞물림이 풀린다.

구동축(12) 외부 둘레의 앵커 행정 경로 영역에는 연질의 자성물질로 이루어진 자성체(32)가 놓여있다. 자성체(32)는 구동축(12)을 동일축 방향으로 둘러싸고, 자성체(32)의 내부 둘레 표면에 수용되어 있는 전기자 코일(34)을 둘러싼다. 자성체(32)는 롤러 베어링(36)에 의해 구동축(12)에서 회전할 수 있도록 전기자 코일(34)의 양측에 축방향으로 장착되어 있다.

앵커(28) 수용 공간을 둘러싸는 축방향 영역에서 구동축(12)은 자성체가 아닌 물질로 이루어진 분리 틈새(38)로 차단된다. 분리 틈새(38)는 용접, 납땜 또는 접착과 같은 방법에 의해 구동축(12)의 재킷(jacket)에 놓인 링(ring)으로 형성된다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 분리 틈새(38)은 축방향으로 일정한 크기의 모양을 갖고 배치되어, 앵커가 행정 운동을 하는 동안 앵커(28)의 자유 후방 표면은 구동축(12) 연질 자성 재킷의 원뿔형과 같이 뒤쪽으로 갈수록 넓어지는 가장자리(44) 내에서 축방향으로 움직일 수 있다. 쇼울더(44)의 점점 커지는 물질 두께와 앵커(28)가 축방향으로 더 겹치면, 전기자 코일(34)의 전류의 흐름 또는 전압 인가와 앵커(28)의 행정 힘 사이에는 비례가 성립한다. 전자기 코일(34)은 필수적으로 분리 틈새(38)의 길이 전체에 걸쳐서 축방향으로 배치됨으로써, 엑추에이터 코일(34)의 내부 재킷 표면은 자유롭게 회전할 수 있도록 하기 위해서, 구동축(12)과 분리 틈새(38)에 대해 충분한 방사형 이동을 허용한다. 자성체(32)는 엑추에이터 코일(34)의 양측 상에서 분리 틈새(38)를 벗어나서 축방향으로 배치되고, 구동축(12)의 연질의 자성 물질과 축방향으로 겹치게 된다.

솔레노이드의 비례 제어가 필요하지 않으면(예를 들어, 온-오프 구동에서), 쇼울더(44)를 다른 모양으로 제작할 수 있거나, 앵커의 행정 경로가 구동축(12)의 연질의 자성 물질과 겹치는 것을 완전히 생략할 수 있다.

구동축(12)은 플랜지(10)를 이용해서 피동축과 결합되고, 이를 통해 회전 가능하게 구동된다. 전기자 코일(34)을 구비한 자성체(32)는 고정된 위치로 장착되기 때문에, 작동 전류는 위치가 고정된 접합부(40)와 플러그 커넥너(42)를 통해 전기자 코일(34)로 공급될 수 있다. 솔레노이드 제어부와 이것의 연결 회로가 유체 마찰식 클러치와 팬의 후방측에 제공되어 위치가 고정되도록 장착된다. 이에 따라, 한편으로 공간을 절약하고 다른 한편으로 조립이 간단하다.

작동시 구동축(12)은 피동축을 통해 구동된다. 전자 제어 장치는 냉각 필요조건(예를 들어, 냉각수 온도)에 따라 엑추에이터 코일(34)에 대한 전압 인가를 제어한다. 냉각 효과의 강화가 필요하면, 전기자 코일(34)에 대한 전기 공급이 중단 된다. 자기력은 앵커(28)에 작용하지 않는다. 리턴 스프링(26)은 밸브 개방부로부터 밸브 요소(22)를 들어올림으로써, 유체는 작업 공간으로 흘러들어가고 커플링을 맞물리도록 한다. 팬이 구동된다.

냉각 전력을 감소하고자 하면, 전기자 코일(34)에 전압이 인가된다. 전기자 코일(34)에 의해 발생하는 자기 흐름은 도면에 점선으로 도시된 바와 같이, 연질의 자기 접합점(30) 뿐만 아니라, 연질의 자기 자성체(32), 연질의 자기 구동축(12) 및 연질의 자기 앵커(28)를 통해 흐른다. 이에 따라, 앵커가 후방(즉, 도면에서 오른쪽)으로 이동하면 앵커(28)에 작용하는 자기력이 증가하고, 앵커(28)의 후면과 분리 틈새(38)의 후 벽면에 있는 자기 쇼울더(44) 사이의 자기 흐름에 대한 단면은 더욱 커진다. 앵커(28)에 작용하는 앵커를 뒤쪽으로 움직이는 자기력은 리턴 스프링(26)의 스프링 복귀력에 대해 반대로 작용한다. 비례 솔레노이드로 작동하는 동안, 앵커(28)의 행정 위치와, 밸브 요소(22)의 개방된 정도는 이들 두 힘의 평형을 통해 결정된다. 전기자 코일(34)에 공급되는 전류 세기가 증가하면 앵커(28)에 작용하는 자기력이 증가하고, 앵커(28)는 뒤로 이동해서 리턴 스프링(26)의 증가 복귀력과 자기력이 균형을 이룰 때까지 밸브 요소(22)를 점점 닫힘 위치로 움직인다. 앵커(28)의 후방 단부 위치에서, 밸브 요소(22)는 밸브 개방부를 완전히 닫기 때문에, 유체는 더 이상 클러치의 작업 공간으로 들어가지 않는다. 팬도 더 이상 구동되지 않는다.

온-오프 작동 중, 엑추에이터 코일(34)에는 주기적으로 전압이 인가되어 앵커(28)가 최후방 단부 위치로 이동하고, 경우에 따라 전류 공급이 중단되어 리턴 스프링(26)만이 앵커(28)에 작용한다. 앵커(28)가 밸브 요소(22)에 작용하는 유체의 점도와 앵커의 관성을 기준으로 해서는 전압 공급과 전압 중단과의 교대를 철저하게 따를 수 없을 정도의 높은 주파수로 전압 공급과 전압 중단의 교대가 일어난다면, 앵커(28)와 밸브 요소(22)는 중간 위치에 있게된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 종래의 유체 마찰식 클러치를 개선함으로써, 마모를 일으키는 마찰에 의한 접촉을 피하는 효과가 있다.

Claims

내연 기관의 라디에이터 팬에 사용하기 위한 유체 마찰식 클러치로서,

중공 구동축과,

상기 구동축의 구동측 전방 단부에서 회전에 대해 고정되게 장착되는 제 1 클러치 요소와,

상기 구동축의 피동측에서 회전 가능하도록 장착되어 있는 제 2 클러치 요소와,

상기 제 1 클러치 요소와 상기 제 2 클러치 요소를 유체 마찰식으로 결합하도록 점성이 있는 유체의 공급을 제어하는 밸브 요소와,

상기 중공 구동축 내에 동축상으로 제공되어 있는 피스톤 로드를 포함하는 상기 밸브 요소용 솔레노이드 제어부

를 포함하고,

상기 피스톤 로드의 전방 단부는 상기 구동축으로부터 돌출해 있고, 리턴 스프링의 힘에 대향해서 상기 밸브 요소에 축방향으로 작용하며, 앵커(anchor)는 상기 피스톤 로드의 후방 단부에 제공되고, 전기자 코일은 동축 방향으로 상기 앵커를 둘러싸는,

내연 기관의 라디에이터 팬에 사용하기 위한 상기 유체 마찰식 클러치에 있어서,

상기 앵커(28)는 상기 구동축(12) 내에서 동축 방향으로 안내되고, 상기 앵커(28) 부분을 안내하는 상기 구동축(12)은 비자성 분리 틈새(separation gap)(38)를 구비한 연질의 자성 물질로 이루어지며, 상기 전기자 코일(34)은 상기 구동축(12)을 동축 방향으로 둘러싸는 연질의 자성 물질로 이루어진 자성체(32)에 놓이고, 상기 구동축(12)은 상기 자성체(32) 내에서 회전할 수 있는

것을 특징으로 하는, 유체 마찰식 클러치.
제 1 항에 있어서, 상기 구동축(12)은 롤러 베어링(36)을 이용해서 상기 자성체(32)에 장착되는 것을 특징으로 하는, 유체 마찰식 클러치.
제 1 항에 있어서, 상기 구동축(12)은 내부에 축방향 구멍(bore)을 구비하며, 상기 앵커(28)는 구멍 내에서 안내되는 것을 특징으로 하는, 유체 마찰식 클러치.
제 1 항에 있어서, 상기 솔레노이드 제어부는 비례 솔레노이드이거나 온-오프 스위치 마그넷인 것을 특징으로 하는, 유체 마찰식 클러치.
제 3 항에 있어서, 상기 앵커(28)가 행정 운동(stroke movement)을 하는 동안 상기 앵커(28)의 후방 단부 표면에 따라 변하는 축방향 영역에서, 분리 틈새(38) 내에, 상기 구동축(12)은 상기 후방 단부쪽으로 직경이 증가하는 쇼울더(shoulder) (44)를 구비하는 것을 특징으로 하는, 유체 마찰식 클러치.
제 5 항에 있어서, 상기 분리 틈새(38)는 상기 구동축(12)을 차단하고 상기 구동축(12)에 놓여있는 비자성 물질로 제조된 링(ring)으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 유체 마찰식 클러치.
제 1 항에 있어서, 상기 앵커(28)의 행정 위치는 상기 전기자 코일(34)로 공급되는 전류의 크기에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는, 유체 마찰식 클러치.
제 1 항에 있어서, 상기 전기자 코일(34)에는 시간에 따라 펄스 전압이 인가되고, 상기 앵커(28)의 행정 위치는 상기 인가 전압의 펄스 주파수(pulse frequency)를 통해 결정되는 것을 특징으로 하는, 유체 마찰식 클러치.