KR101371146B1 - 엔진 시동 시스템용 진동 댐퍼를 가지는 단방향 클러치 - Google Patents

엔진 시동 시스템용 진동 댐퍼를 가지는 단방향 클러치 Download PDF

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마그나 파워트레인 인크.
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Abstract

하이브리드 차량용 시동시스템은 엔진 블록 안에서 회전가능하게 지지되어 있는 크랭크축을 가지는 내연기관을 포함한다. 시동 시스템은 스타터 모터에 의해 구동되는 피니언 기어(pinion gear) 및 피니언 기어에 상시 맞물려서(constant meshed) 연결되는 톱니 세트를 가지는 드라이브 플레이트(drive plate)를 포함한다. 단방향 클러치 어셈블리(one-way clutch assembly)는 드라이브 플레이트 및 엔진 크랭크축을 선택적으로 구동적으로(drivingly) 상호 연결한다. 상기 클러치는 크랭크축에 회전가능하게 고정된 내륜(inner race), 드라이브 플레이트에 회전가능하게 고정된 외륜(outer race), 및 내륜 및 외륜 사이에서 반지름 방향으로(radially) 배치되어 있는 복수의 롤러를 포함한다. 파스너는 드라이브 플레이트를 외륜에 연결시키고 드라이브 플레이트 및 외륜 사이의 탄성 댐퍼를 압축한다.

Description

엔진 시동 시스템용 진동 댐퍼를 가지는 단방향 클러치{ONE WAY CLUTCH WITH VIBRATION DAMPER FOR AN ENGINE STARTING SYSTEM}
관련 출원으로의 상호 참조
본 출원은 2009년 11월 19일에 출원한, 미국 가출원 번호 61/262,729의 우선권을 주장한다. 상기 출원의 전체 공개내용이 여기에서 참조로 통합된다.
본 개시내용은 일반적으로 두 회전가능한 구성요소 사이에서 토크를 선택적으로 전달하는 오버러닝 롤러 클러치(overrunning roller clutch)를 포함하는 토크 전달 장치(torque transfer mechanism)에 관한 것이다. 특히, 오버러닝 롤러 클러치(overrunning roller clutch)를 포함하는 내연기관용 시동 시스템이 개시된다.
본 섹션에서는 단순히 본 개시내용에 관련된 배경 정보를 제공하기 위해서 기술된 것으로 선행기술을 구성하지 않을 수 있다.
연료 비용 및 환경 문제에 대한 관심이 증가함에 따라 제1 동력 소스로서 내연기관 및 제2 동력 소스로서 전기모터를 가지는 하이브리드 차량의 인기가 점점 증가하고 있다. 적어도 하나의 하이브리드 차량에서, 차량을 가장 효율적으로 작동시키기 위해 내연기관의 시동을 자주 켜고 끈다. 일반적인 내연기관 시동 시스템에 관련된 소음, 진동 및 잡소리(harshness)를 최소 및/또는 제거하기 위해, 스타터 모터 기어가 내연기관의 회전 부재에 상시 맞물려서(constant meshed) 연결되어 배치될 수 있다. 스타터 모터 및 내연기관 사이에서 임시 구동 상호연결(temporary driving interconnection)을 허용하기 위해 클러치는 이 동력 경로(power path)를 따라 배치된다. 다양한 클러치 디자인이 통합될 수 있지만, 비용, 크기, 무게, 윤활 요구 사항 및 토크 용량 문제가 존재한다.
자동차에 관련된 적어도 하나의 공지된 클러치는 내연기관의 엔진 블록에 바로 인접하여 배치되고 또는 클러치의 일부가 엔진 블록 내에 배치되어 있다. 엔진 블록 내의 윤활제가 클러치에도 제공되기 때문에 이와 같은 위치가 필요하다. 그런 배열이 유리한 것으로 증명될 수 있지만, 이 시스템에서의 클러치의 위치가 제한되어 반드시 바람직하지 않을 수도 있다. 또한, 윤활제가 클러치에 도달하고 반환되는데 적절한 통로를 제공하기 위해 엔진 블록 또는 다른 내연기관 구성요소에 추가적인 특정한 가공(special machining)이 필요할 수 있다.
다른 공지된 클러치 특성으로서, 오버러닝(overrunning) 모드로 작동할 때의 열 발생 및 효율 손실 등을 들 수 있는데, 이런 특성은 에너지 효율을 최대화하기 위한 차량에서 이런 클러치를 사용하는 것은 적합하지 않을 수 있다. 따라서, 향상된 단방향 클러치를 포함하는 토크 전달 장치(torque transfer mechanism)를 가지는 향상된 내연기관 엔진 시동 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 섹션은 개시 내용의 일반적인 요약을 제공하는 것이고 전체 범위 또는 특징 전부를 포괄적으로 개시하는 것이 아니다.
하이브리드 차량용 시동 시스템은 엔진 블록 안에서 회전가능하게 지지되어 있는 크랭크축을 가지는 내연기관을 포함한다. 시동 시스템은 스타터 모터에 의해 구동되는 피니언 기어(pinion gear), 피니언 기어와 상시 맞물려서(constant meshed) 연결되는 톱니 세트를 가지는 드라이브 플레이트(drive plate), 및 드라이브 플레이트(drive plate) 및 엔진 크랭크축(engine crankshaft)에 구동적으로(drivingly) 상호연결되는 단방향 클러치(one-way clutch)를 포함한다. 크런치는 크랭크축(crankshaft)에 회전가능하게 고정된 내륜(inner race), 드라이브 플레이트에 회전가능하게 고정된 외륜(outer race) 및 내륜 및 외륜 사이에서 반지름방향으로(radially) 배치되는 복수의 롤러를 포함한다. 파스너(fastener)는 드라이브 플레이트를 외륜에 결합시키고 드라이브 플레이트 및 외륜 사이에서 탄성 댐퍼를 압축한다.
이용가능성의 다른 영역은 여기에서 제공되는 설명에서 명백해질 것이다. 본 섹션의 설명 및 구체적인 예는 설명을 목적으로 제공되는 것이며 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 의도하지 않는다.
여기에 설명된 도면은 선택된 구체예를 설명할 목적이고 모든 가능한 구체예를 설명할 목적이 아니며, 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 의도하지 않는다.
도 1은 밀봉 고용량 오버러닝 롤러 클러치(overrunning roller clutch)가 장착된 대표적인 하이브리드 차량의 개략도이다;
도 2는 밀봉 고용량 오버러닝 롤러 클러치(overrunning roller clutch)를 포함하는 내연기관 시동 시스템을 묘사한 부분 횡단면도이다;
도 3은 롤러 클러치 및 드라이브 플레이트 어셈블리의 확대 사시도이다;
도 4는 롤러 클러치 및 드라이브 플레이트 어셈블리의 평면도이다;
도 5는 시동 시스템 일부의 부분 단면도이다;
도 6은 프리 휠링(free-wheeling) 모드로 작동시의 롤러 클러치의 부분 단면도이다;
도 7은 롤러 클러치의 다른 부분의 부분 사시도이다;
도 8은 다른 롤러 클러치 일부의 사시도이다;
도 9는 도 8의 다른 클러치 일부의 부분 확대 사시도이다.
도 10은 토크 전달 모드로 작동시의 도 6의 롤러 클러치 어셈블리의 부분 단면도이다;
도 11은 다른 내연기관 시동 시스템의 일부를 묘사하는 부분 횡단면도이다;
도 12는 다른 내연기관 시동 시스템의 일부를 묘사하는 부분 횡단면도이다;
도 13은 다른 내연기관 시동 시스템의 일부를 묘사하는 부분 횡단면도이다;
도 14는 다른 내연기관 시동 시스템의 일부를 묘사하는 부분 횡단면도이다;
도 15는 캡(cap) 및 슈(shoe)가 장착된 다른 클러치의 부분 횡단면도이다;
도 16은 다른 케이지 및 롤러 서브어셈블리의 부분 사시도이다;
도 17은 도 16에 도시된 케이지 및 롤러 어셈블리의 부분 단면도이다;
도 18은 다른 드라이브 플레이트 어셈블리의 분해 사시도이다;
도 19는 진동 댐퍼(vibration damper)를 가지는 클러치를 포함하는 또 다른 내연기관 시동 시스템의 일부를 묘사하는 부분 횡단면도이다;
도 20은 도 19에 도시된 클러치의 부분 분해 사시도이다;
도 21은 도 19 및 20에 도시된 드라이브 플레이트 및 롤러 클러치를 포함하는 어셈블리의 평면도이다.
다음의 설명은 사실상 단지 대표적인 것이며 본 개시내용, 적용분야 또는 사용을 제한하기 위한 것이 아니다. 도면 전반에 걸쳐 대응하는 참조번호는 유사한 또는 대응하는 부품 및 기능을 지시하는 것으로 이해해야 한다.
도 1-7은 대표적인 차량(12) 내 회전가능한 구성요소 사이에서 토크를 선택적으로 전달하도록 배열된 수명 동안 밀봉된(sealed for life) 단방향 오버러닝 클러치(one-way overrunning clutch; 10)를 포함하는 토크 전달 시스템(torque transfer system; 8)을 도시한다. 차량(12)은 제1 동력 소스로 내연기관(14)을 포함하는 하이브리드 차량으로 형성될 수 있다. 제2 동력 소스는 전기모터(16)에 의해 제공된다. 도 1의 개략도는 내연기관(14)에서 제공되고 변속기(22)를 통해 전달되는 토크를 받는 한 쌍의 구동휠(driven wheel; 18, 20)을 도시한다. 전기모터(16)는 다른 한 쌍의 구동휠(24, 26)과 구동하도록 연결된 것으로 도시되어 있다. 내연기관(14) 또는 전기모터(16)에 의해 구동되는 휠의 수는 단순히 예라는 것을 기술분야의 숙련자에게 자명한 것으로, 기술분야의 숙련자는 직렬 하이브리드 드라이브(series hybrid drive), 병렬 하이브리드 드라이브(parallel hybrid drive) 또는 직렬/병렬 하이브리드 드라이브를 포함하는 다른 동력변속장치(power transmission arrangement)를 몇 개라도 실현시킬 수 있다. 또는, 오버러닝 클러치(10)가 장착된 차량이 하이브리드 차량일 필요가 없고 내연기관 동력 소스만을 장착할 수 있다.
차량(12)이 작동하는 동안, 연료 효율을 향상시키기 위해 내연기관(14)을 자주 정지시키고 재시동시킬 것이다. 예를 들면, 차량이 정지 신호(stop light)에서 아이들링(idling)할 때와 같이, 컨트롤러(28)가 차량 속도가 미리 결정된 시간 동안 미리 결정된 임계치 미만이라고 판단하면, 내연기관(14)이 멈출 것이다. 스로틀 포지션(throttle position)과 같이, 컨트롤러(28)로의 입력의 수에 따라, 전기모터(16)에서 제공되는 동력, 내연기관(14) 및 전기모터(16) 모두에서 제공되는 동력 또는 내연기관(14)에서 제공되는 동력을 통해서만 차량(12)이 추진될 수 있다. 이용된 제어 구조에 관계없이, 내연기관(14)은 자주 다시 시작해야 한다.
토크 전달 장치(8)는 컨트롤러(28)가 내연기관(14)의 시동 또는 재시동에 대하여 신호할 때, 내연기관(14)의 크랭크축(32)으로 토크를 전달하도록 선택적으로 작동가능한 스타터 모터(30)를 포함한다. 스타터 모터(30)는 드라이브 플레이트(38)에 고정된 링 기어(36)와 상시 맞물려서(constant meshed) 연결되는 피니언 기어(34)를 포함한다. 링 기어(36)는 드라이브 플레이트(38)와 일체로 형성될 수 있고 또는 드라이브 플레이트에 회전가능하게 고정된 별개의 구성 요소일 수 있다. 드라이브 플레이트(38)는 클러치(10)의 일부를 수용하는 중앙 개구(central aperture; 40)를 포함한다. 클러치(10)는 선택적으로 드라이브 플레이트(38) 및 크랭크축(32) 사이에서 토크를 전달한다. 플렉스 플레이트(flex plate; 42)는 복수의 파스너(45)에 의해 토크 컨버터(torque converter; 44)에 회전가능하게 고정되어 있다. 토크 컨버터(44)는 변속기(22) 안에서 회전가능하게 지지된다. 플렉스 플레이트(flex plate; 42)는 또한 아래에서 설명할 것처럼 크랭크축(32)에 회전가능하게 고정되어 있다.
클러치(10)는 드라이브 플레이트(38)에 회전가능하게 고정된 외륜(outer race; 46), 크랭크축(32)에 회전가능하게 고정된 내륜(inner race; 48), 복수의 롤러(50), 케이지(52), 복수의 롤러 스프링(54), 내부 및 외부 플레이트(55, 56), 내부 및 외부 스냅 링(snap ring)(57, 58), 복수의 아코디언 스프링(accordion spring; 59) 및 ID-OD 클립(60)을 포함한다. 크랭크축(32)은 (도시하지 않은) 복수의 베어링에 의해 엔진 블록(62) 안에서 회전가능하게 지지되어 있다. 블록 실(block seal; 66)은 엔진 블록(62)에 고정된 실 커버(seal cover; 70) 안에 형성된 보어(68) 안에 장착되어 있다. 실 커버(seal cover; 70)는 부싱(bushing; 74)을 수용하는 주변 립(peripheral lip; 72)을 포함한다. 외륜(46)은 부싱(74)에 의해 회전가능하게 지지되어 있다. ID-OD 클립(60)은 실 커버(seal cover; 70)에 대하여 외륜(46)의 축 방향의 움직임을 제한한다.
외륜(46)의 파일럿부(pilot portion; 76)는 드라이브 플레이트(38)의 개구(40) 내에서 배치되어 있다. 파일럿부(pilot portion; 76)는 드라이브 플레이트(38)의 내면(78)이 외륜(46)의 계단형 시트(stepped seat; 80)에 인접하게 배치되는 압입 배열(press-fit arrangement)로 드라이브 플레이트(38)에 결합될 수 있다. 특히, 드라이브 플레이트(38)가 압입(press-fit)되어 외륜(46)에 마이크로스플라인을 낼 수 있다(microsplined). 또는, 드라이브 플레이트(38) 및 외륜(46)이 용접될 수 있다. 외륜(46)은, 외륜(46)의 내부 지름 쪽에, 내부 링 홈(82), 외부 링 홈(84) 및 복수의 캠 표면부(86)를 포함한다. 각 홈(82, 84)은 실질적으로 원통형이다. 각 캠 표면부(86)는 얕은 말단(shallow end; 92) 및 외륜(46) 쪽에서 반지름 방향으로 더 후미진 깊은 말단(deep end; 94)을 가지면서 캠 표면부(86)는 각 캠 표면부(86)에 대해 서로 원주 방향에서 간격을 두고 있다.
내륜(48)은 크랭크축(32)의 말단면(98)과 연결된 실질적으로 원형인 원통형 마운팅 플랜지(cylindrical mounting flange; 96)를 포함한다. 상술한 것처럼, 내륜(48)은 크랭크축(32)에 회전가능하게 고정되어 있다. 도 2에 표시된 배열에서, 내륜(48)은 나사형 파스너(threaded fastener; 99)로 크랭크축(32)에 고정되어 있다. 파스너(99)는 크랭크축(32)에 회전가능하게 내륜(48) 및 플렉스 플레이트(flex plate; 42)를 고정한다. 내륜(48)은 실질적으로 매끄러운 롤러 접촉면(104)의 양쪽에 위치한 내부 계단형 오목부(inner stepped recess; 100) 및 외부 계단형 오목부(outer stepped recess; 102)를 포함한다. 각 구조부(100, 102, 104)는 실질적으로 원통형의 표면부를 포함한다.
롤러 및 케이지 서브어셈블리(110)는 롤러(50), 케이지(52) 및 복수의 롤러 스프링(54)을 포함한다. 외륜(46) 및 내륜(48) 사이에 롤러 및 케이지 서브어셈블리(110)가 연속적으로 삽입될 수 있다.
케이지(52)는 사출 성형 플라스틱(molded plastic) 구성요소일 수 있고 또는 금속으로 형성될 수 있으며, 뼈대(skeleton; 52)라고도 할 수 있다. 케이지는 제1 링(120) 및 제2 링(122)을 포함하며, 제1 링(120) 및 제2 링(122)은 서로 간격을 두고, 그 간격 사이에서 축 방향으로 길게 형성된 일련의 웹(web; 124)에 의해 상호 연결된다. 웹(124)은 롤러(50)의 원하는 위치에 대응하여 미리 결정된 거리만큼 서로 원주 방향에서 간격을 두고 있다. 웹(124)은 하기에서 기술할 것처럼 케이지(52) 안에, 롤러 스프링(54) 및 롤러(50)를 수용하기 위한 복수의 윈도(window; 126)를 정의한다. 케이지(52)는 또한 거기에 결합하는 아코디언 스프링(accordion spring; 59)을 가지는 4개의 반지름 방향에서(radially) 바깥쪽으로 길게 형성된 암(arm; 128)을 포함한다.
롤러 및 케이지 서브어셈블리(110)를 조립하기 위해, 롤러(50)는 롤러 스프링(54)의 대립 세트 안에서 딱 들어맞게 걸려 있다. 원하는 위치에 각 롤러(50)를 배치하기 위하여 각 롤러 스프링(54)은 분기된 레그(bifurcated leg; 132)를 포함하는 가이드(130)를 포함한다. 가이드(130)의 반대 말단에서, 롤러 스프링(54)이 케이지(52)와 결합한다. 두 개의 롤러 스프링(54)이 하나의 롤러(50)를 위치결정하기 위해 서로 협동한다.
롤러 및 케이지 서브어셈블리(110)는 내륜(48) 및 외륜(46) 사이에 배치될 수 있다. 도 4 및 6에 도시된 것처럼, 외륜(46)은 4개의 원주방향에서(circumferentially) 간격을 둔 오목부(134)를 포함한다. 암(128)의 말단 및 아코디언 스프링(59)의 말단이 오목부(134) 안에 배치된다. 특히, 아코디언 스프링(59)의 한 말단은 오목부(134)의 제1 측벽(136)에 연결된다. 암(128)은 반대쪽의 제2 측벽(138)을 향해 기울어져 있다. 내륜(48) 및 외륜(46)이 정지하고 있을 때, 아코디언 스프링(59)이 케이지(52)를 회전시켜서 암(128)과 제2 측벽(138)을 연결한다. 이 케이지 위치에서, 클러치(10)는, 롤러(50)가 내륜(48)과 간격을 두고 있고 깊은 말단(deep end; 94) 안에 위치하는, 개방 모드 또는 프리 휠링(free-wheeling) 모드에 있다. 또한 이것은 내연기관(14)은 작동하지만 스타터 모터(30)는 작동하지 않을 때와 같은 제1 방향으로 내륜(48)이 외륜(46)에 대하여 회전할 때의 케이지(52)의 위치이다.
롤러 및 케이지 서브어셈블리(110)가 외륜(46) 및 내륜(48) 사이에 위치하면, 내부 링 홈(82)에 인접하여 배치된 시트(137)와 연결된 상태에서 내부 실 플레이트(55)를 배치하여 클러치(10)의 축 말단이 둘러싸일 수 있다. 내부 실 플레이트(55)의 두께, 내부 링 홈(82) 및 시트(137)의 위치가 서로 협력해서 내부 실 플레이트(55)가 외륜(46)에 회전가능하게 고정되어 있다. 내부 실 플레이트(55)의 내주 가장자리는 내륜(48)에 근접하지만 떨어져 위치한다. 그리스(grease)와 같은 윤활제가 롤러(50), 케이지(52), 롤러 스프링(54) 및 내부 실 플레이트(55)와 접할 수 있다. 외부 실 플레이트(56) 및 외부 스냅 링(outer snap ring; 58)을 설치하여 윤활처리된(lubricated) 롤러 및 케이지 서브어셈블리(110)를 둘러싼다. 내부 실 플레이트(55)에 대하여 설명한 것과 유사한 방식으로, 외부 실 플레이트(56)는 외륜(46)에 회전가능하게 고정되어 있다. 외부 실 플레이트(56)는 내륜(48)에 매우 근접하지만 간격을 두도록 배치되어 클러치(10)가 작동하는 동안 마찰 손실을 최소화 및/또는 제거한다. 초기 조립 후 클러치(10)를 윤활처리할 필요가 없다. 따라서, 클러치(10)는 수명 동안 봉인되는(sealed-for-life) 구성요소이다. 상술한 것처럼, ID-OD 클립(60)은 클러치(10)의 내연기관(14)에 대한 축 방향의 움직임을 제한한다. 또는, 실 플레이트(55, 56)가 내륜(48)에 회전가능하게 고정되고 외륜(46)에서 떨어져 있을 수 있다.
도 8 및 9에 도시된 다른 배열에서, 롤러 스프링(54)은 서로 축 방향에서 간격을 두고 있는 제1 림(140) 및 제2 림(142)을 포함하는 일체형 멀티-스프링(multi-spring; 139)으로 대체될 수 있다. 각각의 제1 림(140) 및 제2 림(142)은 거기에 형성된 간격(144)을 가지는 분할 링으로서 형성된다. 복수의, 축 방향으로 길게 형성된 서포트(146)는 제1 림(140) 및 제2 림(142)과 상호연결된다. 서포트(146)는 원주방향에서(circumferentially) 서로 떨어져 배치되어 있고 각 서포트는 베이스부(148) 및 한 쌍의 가이드(150)를 포함하며, 가이드는 위를 향하는(upturned), 반지름 방향에서(radially) 바깥쪽으로 돌출되어 있다. 바람직하게, 제1 림(140), 제2 림(142) 및 서포트(146)가 일체의 스프링 스틸(spring steel)로 서로 일체로(integrally) 형성된다. 각 베이스부(148)는 거기에 형성된 개구(152)를 포함한다. 개구(152)는 특정한 미리 결정된 웹(124)에 형성된, (도시되지 않은) 반지름 방향에서(radially) 안쪽으로 길게 형성된 못(peg)과 결합한다. 각 가이드(150)는 베이스부(148)에서 형성된 풋부(foot portion; 154), 하부 레그부(lower leg portion; 156), 상부 레그부(158; upper leg portion)를 포함한다. 하부 레그부(156) 및 상부 레그부(158)는 90°보다 크고 180°보다 작은 각도로 서로 교차하는 평면부이다. 트로프(trough; 160)가 하부 레그부(156) 및 상부 레그부(158)의 교차부에 형성된다.
가이드(150)는 서로 간격을 두고 있고 상부 레그부(158)의 상부 가장자리(162)의 쌍은 롤러(50) 지름보다 작은 거리만큼 서로 떨어져 있다. 트로프(trough; 160)의 쌍은 롤러(50)의 지름보다 큰 거리만큼 서로 떨어져 있다. 따라서, 각 롤러(50)는 가이드(150), 제1 림(140) 및 제2 림(142) 사이의 주머니(164) 안에 점유되어 있고 거기서 회전하지 않는다. 각 가이드(150)는 도면에 도시된 공칭 위치(nominal position)로부터 움직일 수 있는 탄성 부재(resilient member)이다. 각 가이드(150)가 개별적으로 움직이기 때문에, 각 롤러(50)는 접촉면(104) 및 캠 표면부(80) 중 하나에 동시에 연결될 수 있어 클러치(10)를 통해 최대 용량의 토크를 전달한다. 탄성적으로 움직이는 가이드(150)를 통해, 원할 때 전체 수(full complement)의 롤러(50)가 토크를 전달하는 것을 보장하면서 클러치(10)의 구성요소의 다소 완화된 허용 오차(relaxed tolerancing)를 허용한다.
롤러 스프링 또는 멀티-스프링(multi-spring)이 이용되는지와 상관없이, 차량이 작동하는 동안 내연기관(14)을 자주 시동하고 정지하는 것이 바람직하다. 내연기관(14)이 정지되면, 외륜(46)도, 내륜(48)도 회전하지 않는다. 도 6에 도시된 것처럼, 아코디언 스프링(59)이 기울어져서(biasedly) 암(128)에 결합해서 롤러(50)를 캠 표면부(86)의 깊은 말단(deep end; 94) 쪽으로 가세한다. 클러치(10)는 개방 모드 또는 프리 휠링(free-wheeling) 모드에 있다.
시동 시퀀스(starting sequence) 동안, 도 10에 도시한 것처럼 클러치(10)는 잠김 모드 또는 토크 전달 모드로 작동한다. 스타터 모터(30)가 동력을 공급하여 피니언 기어(34)가 회전한다. 피니언 기어(34) 및 링 기어(36)가 맞물려서 상호 연결(meshed interconnection)되면, 드라이브 플레이트(38) 및 외륜(46)도 회전한다. 이때, 크랭크축(32) 및 내륜(48)은 회전하지 않는다. 이와 같이, 외륜(46)과 내륜(48) 사이의 상대적인 회전을 통해, 롤러(50)는 캠 표면부(86)의 얕은 말단(shallow end; 92) 쪽으로 가세된다. 외륜(46) 및 내륜(48) 사이에서 토크를 전달하기 위해 롤러(50)는 캠 표면부(86) 및 롤러 접촉면(104) 사이에 끼여 있다. 아코디언 스프링(59)은 압축되어 있다.
내연기관(14)이 시동되면, 스타터 모터(30)는 더 이상 동력을 공급하지 않는다. 내연기관(14)이 작동함에 따라, 크랭크축(32) 및 내륜(48)이, 외륜(46)과 드라이브 플레이트(38)보다 빨리 회전한다. 캠 표면부(86)은 더 이상 롤러(50)를 얕은 말단(shallow end; 92) 쪽으로 가세되지 않는다. 케이지(52)를 회전시키고 내륜(48)에서 떨어진 위치로 롤러(50)를 이동시키기 위해, 아코디언 스프링(59)에서 힘이 제공된다. 롤러(50) 및 외륜(46) 사이의 상대적 회전이 발생하지 않아서 마찰에 따른 에너지 손실을 피할 수 있다.
수명 동안 윤활 처리된 오버러닝 클러치(10)는 작은 패키지 덮개(packaging envelope) 안에서 높은 토크 용량을 제공하기 위한 저비용, 에너지 효율적 해결책을 제공한다. 상술한 것처럼, 내륜(48)이 크랭크축(32)에 고정되고 그로 인하여 클러치(10)의 내부 지름이 정의된다. 외륜(46) 및 내륜(48)에 의해 정의된 주위 덮개(circumferential envelope) 안에 가능한 많은 롤러(50)를 가깝게 포장하여 클러치(10)의 외부 지름을 최소화한다. 도면에 묘사된 예에서, 40개의 롤러가 이용된다. 각 롤러는, 지름이 약 4~5㎜인 실질적인 원통형이다. 인접한 롤러 사이의 중앙 거리는 약 7.5㎜이다. 그와 같이, 각 인접한 롤러 사이의 간격은 약 2.5 내지 3.5㎜이거나 롤러 지름의 33~50%이다. 이런 롤러 크기 결정 및 포장 구조는 이론적으로 높은 토크 출력을 제공한다. 클러치(10)의 실제 토크 용량이 실질적으로 이론적인 토크 용량을 만족하는 것을 보장하기 위해, 클러치(10)가 잠김 모드로 작동할 때, 모든 롤러(50)가 외륜(46) 및 내륜(48) 사이의 토크를 전달하는 것을 롤러 스프링(54)이 보장한다.
도 11은 다른 토크 전달 장치(torque transfer mechanism; 180)를 도시한다. 토크 전달 장치(180)는 상술한 토크 전달 장치(8)와 실질적으로 유사하다. 따라서, 유사한 요소는 접미사를 포함하여 이전에 삽입된 참조번호를 유지할 것이다. 토크 전달 장치(180)의 작동 효율을 더 높이기 위해, 부싱(74')이 베어링 어셈블리(182)로 대체되었다. 베어링 어셈블리(182)는 정확하게 엔진 블록(62')에 대하여 회전하도록 외륜(46)'을 위치결정하고 지지한다. 스냅 링(snap ring; 184)은 엔진 블록(62')에서 베어링 어셈블리(182)를 축 방향에 위치시킨다. 클러치(10')는 반지름방향에서(radially) 안쪽으로 형성된 플랜지(188)를 가지는 케이지(186)를 포함한다. 케이지(186)는 원주 홈(circumferential groove; 190)을 포함한다. 비슷한 반대쪽의 원주 홈(192)이 외륜(46')에 형성되어 있다. 외륜(46')에 대하여 케이지(186)를 안내하고 상대적으로 회전하는 동안 그 사이의 마찰을 줄이기 위해 홈(190, 192)에 하나 이상의 볼 베어링(194)이 위치한다. 개방 모드 또는 프리 휠링(free-wheeling) 모드로 작동하는 동안, 롤러(50'), 내륜(48'), 외륜(46'), 케이지(186) 사이에서 마찰 손실이 발생하지 않는다.
도 12는 참조번호 200의 다른 대체 토크 전달 장치(torque transfer mechanism)를 도시한다. 토크 전달 장치(200)는 내연기관(14)으로부터 공급된 오일이 필요하지 않기 때문에 임의의 개수의 위치에서 동력 전달 경로를 따라서 수명 동안 밀봉된 클러치(10)가 배치될 수 있다는 것을 설명한다. 특히, 토크 전달 장치(200)는 듀얼 매스 플라이휠(dual mass flywheel) 또는 토크 컨버터(202)에 연결된 클러치(10)를 묘사한다. 듀얼 매스 플라이휠(dual mass flywheel) 또는 토크 컨버터(202)는 변속기 하우징(204) 내에서 회전가능하게 지지되어 있다. 엔진 크랭크축(32)은 듀얼 매스 플라이휠(dual mass flywheel) 또는 토크 컨버터(202)에 회전가능하게 고정되어 있다. 따라서, 스타터 모터(30)는 외륜(46)에 회전가능하게 고정된 드라이브 플레이트(206)로 토크를 출력시킬 수 있다. 내륜(48)은 듀얼 매스 플라이휠(dual mass flywheel) 또는 토크 컨버터(202)에 압입(press-fit)되고 듀얼 매스 플라이휠(dual mass flywheel) 또는 토크 컨버터(202)에 회전가능하게 고정되어 있다. 반지름 방향에서 외륜(46)을 배치하는데 부싱(208)을 이용할 수 있다. 따라서, 스타터 모터(30)는 내연기관 대신에 변속기를 구동할 수 있다.
도 13은 토크 전달 장치(220)로 식별되는 토크 전달 장치(200)의 다른 변형례를 도시한다. 토크 전달 장치(220)는 부싱(208)이 베어링(222)으로 대체된 점에서 토크 전달 장치(200)와 다르다.
도 14는 또 다른 토크 전달 장치(240)를 도시한다. 토크 전달 장치(240)는 클러치(10)를 드라이 단방향 클러치(10")로 대체한 것을 제외하고 토크 전달 장치(180)와 실질적으로 유사하다. 상술한 것과 유사한 실 플레이트를 사용하여 내륜(48") 및 외륜(46") 사이에 윤활제를 가두지 않은 것을 제외하고 클러치(10")는 실질적으로 클러치(10)와 유사하다. 반대로, 비교적 큰 공기 간격이 실 플레이트(55", 56") 및 내륜(48") 사이에 존재한다. 이 정렬은 프리 휠링(free-wheeling) 모드로 작동하는 동안 내륜(48") 및 외륜(46") 사이의 상대적 회전에 매우 낮은 저항이 존재하는 것을 보장한다.
도 15는 참조번호 600으로 식별되는 또 다른 클러치를 도시한다. 클러치(600)는 드라이브 플레이트(604)에 회전가능하게 고정된 외륜(602), 내륜(606), 롤러(607), 케이지(608), 케이지 리테이너 플레이트(cage retainer plate; 610), 실(612) 및 ID-OD 클립 또는 실 플레이트(614)를 포함한다. 클러치(600)는 또한 수축 끼워맞춤(shrink fit)을 통해 외륜(602)에 결합된 캡(616)을 포함한다. 따라서, 캡(616)의 내부 원통형 표면부(618)가 외륜(602)의 외부 원통형 표면부(620)에 압축력을 적용한다. 클러치(600)가 잠겨 있을 때, 압축력이 외륜(602)에서 발생하는 후프 응력(hoop stress)을 상쇄한다.
또한, 캡(616)은 실질적인 평면 형상의 내면(624)을 가지는 반지름 방향에서(radially) 안쪽으로 길게 형성된 플랜지(622)를 포함한다. ID-OD 클립(614)의 표면(face; 626)에 평면 형상의 내면(624)이 결합한다. ID-OD 클립(614)은 플랜지(622) 및 외륜(602)에 형성된 랜드(land; 628) 사이에 갇혀 있다. 캡(616)은 ID-OD 클립(614)을 외륜(602)에 고정하는 기능을 한다. 클러치가 작동하는 동안 외륜(602)에 대한 ID-OD 클립(614)의 회전이 제한된다.
클러치(600)는 ID-OD 클립(614)의 내경부(634)에 고정된 슈(shoe; 632)를 포함한다. 슈(shoe; 632)는 말단벽(640)에 의해 상호 연결되는 제1 레그(636) 및 제2 레그(638)를 가지는 "C" 형상의 교차부를 포함한다. 슈(shoe; 632)는 청동, 폴리머 또는 일부 다른 마찰 감소 가이드 물질(friction reducing guide material)로 형성될 수 있다. 슈(shoe; 632)는 리벳과 같은 기계적 파스너를 포함하는 많은 방법에 의해 또는 접착제를 통해 ID-OD 클립(614)에 고정될 수 있다. 또는, 슈(shoe; 632)가 ID-OD 클립(614)에 오버몰드(overmolded)될 수 있다. 또 다른 버전에서, 슈(shoe)가 부하 상태에서 분리되는 기계적 잠금장치로 고정되는 두 피스로 슈(shoe; 632)를 형성할 수 있다, 제1 레그(636)는 내륜(606)에 형성된 홈(648)의 측벽(646)에서 떨어져 간격을 둔 가이드면(644)을 포함한다. 마찬가지로, 제2 레그(638)는 홈(648)의 반대쪽 측벽(652)에서 떨어져 간격을 둔 가이드면(650)을 포함한다.
도 16 및 17은 롤러(662), 케이지(664) 및 멀티-스프링(666)을 포함하는 다른 롤러 및 케이지 서브어셈블리(660)를 도시한다. 각 롤러(662)는 케이지(664)에 형성된 오목면(668) 및 멀티-스프링(666)의 볼록형의 원위부(670) 사이에 갇혀 있다. 멀티-스프링(666)의 바디부(672)는 클러치가 작동하는 동안 원위부(670)가 편향하도록 구불구불한 형상(serpentine shape)을 가진다. 원위부(670)는 롤러(662)를 오목면(668) 쪽으로 기울어지게 한다. 롤러(662)는 외륜(678)에 형성된 홈(676)에 배치된다.
도 18은 기어(702), 허브(704) 및 외륜(706)을 포함하는 다른 드라이브 플레이트(700)를 도시한다. 기어(702)는 바람직하게 경화형 스틸(hardenable steel)과 같은 금속으로 형성되며 실질적인 원통형인 내부 표면부(710) 및 복수의 외부 톱니(708)를 포함한다. 허브(704)는 내부 링(712), 외부 링(714) 및 외부 링(714) 및 내부 링(712)을 상호 연결하는 복수의, 반지름 방향으로(radially) 형성된 스포크(716)를 포함한다. 허브(704)는 바람직하게 폴리머와 같은 경량 소재로 형성된다. 외륜(706)은 바람직하게 경화형 스틸(hardenable steel)과 같은 금속으로 형성되고, 상술한 외륜과 상당히 유사하다. 드라이브 플레이트(700)의 외륜(706) 및 기어(702)는 사출 금형 캐비티 내에서 배치되는 오버몰딩(overmolding) 공정을 이용하여 생성될 수 있다. 외륜(706)에 내부 링(712)을 고정하고 동시에 외부 링(714)을 기어(702)를 고정하기 위하여 허브(704)를 형성할 때 금형 캐비티에 용융 수지를 주입한다. 비교적 경량이고 저렴한 드라이브 플레이트(700)를 상술한 클러치와 함께 사용할 수 있다.
도 19-21는 참조번호 800으로 식별하는 또 다른 토크 전달 장치를 도시한다. 토크 전달 장치(800)는 상술한 클러치(600)와 실질적으로 유사한 클러치를 포함한다. 따라서 유사한 요소에는 "a" 접미사를 포함한 유사한 참조번호로 식별될 것이다. 이전 드라이브 플레이트는 상술한 외륜에 상호연결되지만, 토크 전달 장치(800)는 드라이브 플레이트(604a)가 외륜(602a)에 단단히 결합하지 않는 점에서 이전에 설명한 토크 전달 장치와 다르다.
엔진이 작동하는 동안 크랭크축 움직임에 기인한 진동 및 동적 로딩(dynamic loading)은 토크 전달 장치(800)의 다양한 구성요소로 전달되는 고토크 또는 토크 스파이크를 발생시킬 수 있다. 특히, ID-OD 클립 또는 실 플레이트(614a)는 그 사이의 동압형 오일막(hydrodynamic oil film)의 항복현상(breakdown)에 기인하여 연결된 홈에 결합할 수 있다. 엔진이 작동하는 동안 이러한 구성요소가 정지 상태에 있지만, 외륜(602a) 및 드라이브 플레이트(604a)로 진동력(oscillatory force)이 전달될 수 있다. 그런 동적 부하 전달은 토크 전달 장치(800)의 수명에 나쁜 영향을 줄 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 드라이브 플레이트(604a) 및 외륜(602a) 사이에 발생할 수 있는 크랭크축(crankshaft)의 축 방향 진동 및 팁핑 진동(tipping oscillation)을 차단하고 줄이기 위해, 토크 전달 장치(800)는 드라이브 플레이트(604a) 및 외륜(602a)에 연결된 진동 댐퍼(802)를 포함한다. 드라이브 플레이트(604a) 및 외륜(602a) 사이의 조인트로 컴플라이언스(compliance)가 도입된다.
드라이브 플레이트(604a)는 외륜(602a)의 외경(806)보다 큰 내경을 가지는 중앙 개구(804)를 포함한다. 토크 전달 장치(800)가 작동하는 동안, 드라이브 플레이트(604a)는 외륜(602a)과 직접 접촉하지 않는다.
복수의 파스너(808)는 서로 원주 방향에서 간격을 두고 있으며 외륜(602a)을 드라이브 플레이트(604a)에 구동적으로(drivingly) 연결하는 기능을 한다. 드라이브 플레이트(604a)는 원주 방향에서(circumferentially) 간격을 두고 있는 복수의 개구(810)를 포함하며, 개구(810)는 파스너(808)의 실질적으로 원통형인 바디부(812)를 수용한다. 외륜(602a)은 유사한 세트의 원주 방향에서(circumferentially) 간격을 두고 있는 개구(814)를 포함하며, 개구(814)는 파스너(808)의 지름 감소부(816)를 수용한다.
댐퍼(802)는 그를 통해 길게 형성된 원주 방향에서(circumferentially) 간격을 두고 있는 복수의 개구(818)를 포함하는 링 형상 부재이다. 댐퍼(802)는 천연고무, 폼, 폴리머와 같은 탄성중합물질(elastomeric material) 또는 다른 탄성중합물질로 형성된다. 자유로운 상태에서의 댐퍼(802)의 두께는 조립된 상태의 두께보다 크다. 따라서, 댐퍼(802)는 외륜(602a)의 표면부(820) 및 드라이브 플레이트(604a)의 표면부(822)와 기울어져서 결합한다.
드라이브 플레이트(604a)를 외륜(602a)에 고정하기 전에, 파스너(808)를 헤드부(824), 바디부(812) 및 지름 감소부(816)를 포함하도록 성형한다. 변형된 부분(826)은 아직 존재하지 않다. 바디부(812)는 헤드부(824)의 표면부(830)에 실질적으로 평행하게 형성된 숄더(828)에서 끝난다. 숄더(828) 및 표면부(830) 사이에 드라이브 플레이트(604a)의 두께 및 변형되지 않은 댐퍼(802)의 두께의 합보다 작은 미리 결정된 거리를 형성한다. 이러한 방식으로 바디부(812)의 길이를 조립시 댐퍼(802)로 전달되는 압축의 크기로 정의한다.
드라이브 플레이트(604a) 및 외륜(602a)을 결합하기 위해, 도 19에 도시된 것과 같이 개구(810, 818, 814)를 통해 파스너(808)가 늘어나도록 배치되어 있다. 숄더(828)를 외륜(602a)에 결합하기 위해 부하가 적용된다. 이때, 파스너(808)의 지름 감소부(816)를 기계적으로 조작하여 변형부(826)를 정의한다. 특히, 표면부(832)는 외륜(602a)의 표면부(834)와 연결된 상태로 배치되어 있다. 파스너(808)는 댐퍼(802)를 압축 상태로 유지한다. 고정 작업이 완료되고 댐퍼(802)가 압축된 후에, 개구(810) 및 바디부(812) 사이에 지름상의 간격(diametral clearance)이 유지된다. 기계적 리벳 클린칭(mechanical rivet clinching) 또는 변형 프로세스 동안, 지름 감소부(816)가 확대되어 개구(814)를 채우고 변형부(826)를 형성하면서 외륜(602a)과 결합한다.
도면에서, 파스너(808)를 기계적으로 변형가능한 고체 리벳으로 묘사한다. 그러나 다른 파스너도 사용할 수 있다. 예를 들면, 나사형 숄더 볼트(threaded shoulder bolt), 중공 리벳, 용접된 파스너 등이 파스너(808)의 원하는 기능을 수행할 수도 있고 본 개시내용의 범위 내에 있는 것으로 해석된다.
댐퍼(802)를 통한 드라이브 플레이트(604a) 및 외륜(602a)의 상호 연결은 하나의 특정 클러치 정렬과 함께 설명하고 있다. 본 개시내용의 범위에서 벗어나지 않는 한 진동 댐퍼 커플링 배열도 상술한 모든 유형의 토크 전달 장치 및 순열(permutation)과 함께 사용할 수 있다.
또한, 전술한 논의는 본 개시내용의 대표적인 구체예만을 개시하고 설명한다. 기술분야의 숙련자는 그런 논의, 그리고 첨부된 도면 및 청구항에서, 다음의 청구항에서 정의된 것처럼 개시내용의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하개 변화 및 변형될 수 있다는 것을 용이하게 알 것이다.

Claims (15)

  1. 엔진 블록 안에서 회전가능하게 지지되는 크랭크축을 가지는 내연기관을 포함하는 하이브리드 차량용 시동시스템으로서,
    스타터 모터(starter motor);
    상기 스타터 모터에 의해 선택적으로 구동되는 피니언 기어(pinion gear);
    상기 피니언 기어에 상시 맞물려서(constant meshed) 연결되는 톱니 세트를 가지는 드라이브 플레이트(drive plate);
    상기 드라이브 플레이트 및 상기 크랭크축을 구동적으로(drivingly) 상호 연결시키는 단방향 클러치 어셈블리(one-way clutch assembly);
    탄성 댐퍼; 및
    상기 드라이브 플레이트 및 상기 외륜을 연결하고 상기 드라이브 플레이트 및 상기 외륜 사이의 상기 댐퍼를 압축하는 파스너(fastener); 를 포함하며,
    상기 클러치 어셈블리는 상기 크랭크축에 회전가능하게 고정되는 내륜(inner race), 상기 드라이브 플레이트에 회전가능하게 고정되고 캠 표면부에서 원주 방향에서(circumferentially) 간격을 두고 있는 외륜(outer race), 및 상기 내륜 및 외륜 사이에서 반지름 방향에서(radially) 배치되어 있는 복수의 롤러를 포함하는 시동 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 드라이브 플레이트는 상기 댐퍼에 의해 상기 외륜에서 간격을 두고 있는 시동 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 댐퍼는 상기 내륜을 둘러싸는 링으로서 형성되는 시동 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 파스너는 실질적으로 원통형 바디부(cylindrical body portion) 및 지름 감소부(reduced diameter portion)를 포함하는 시동 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 바디부는 숄더(shoulder)에서 끝나고, 상기 파스너는 상기 숄더를 상기 외륜과 연결된 상태로 유지하는 시동 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 바디부의 길이는 상기 드라이브 플레이트의 두께 및 상기 댐퍼의 자유 상태(free-state)의 두께의 합보다 작은 시동 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 파스너는 리벳(rivet) 및 나사형 파스너 중 하나를 포함하는 시동 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 파스너가 상기 외륜에 고정된 후 상기 파스너 및 상기 드라이브 플레이트 사이에 지름상의 간격(diametral clearance)이 존재하는 시동 시스템.
  9. 제1항에 있어서
    상기 외륜은 상기 엔진 블록에 의해 회전하도록 지지되어 있는 시동 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 엔진 블록에 대하여 상기 클런치의 움직임을 제한하기 위해 상기 외륜에 형성된 링 홈(ring groove) 안에 배치되는 유지 링(retaining ring)을 더 포함하는 시동 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 내륜 및 상기 외륜 중 하나에 고정된 캠 표면부에 원주방향에서 간격을 두면서 정렬된 롤러를 배치하기 위한 케이지를 더 포함하는 시동 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 내륜으로부터 롤러 요소를 간격을 형성하고 상기 클러치를 프리-휠링(free-wheeling) 모드로 놓기 위하여 상기 케이지에 작용하는 스프링을 더 포함하는 시동 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 외륜의 외면을 둘러싸고 상기 외면과 기울어져서 연결되는 내면을 가지는 캡(cap)을 더 포함하는 시동 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 캡은 수축 끼워맞춤(shrink fit)으로 상기 외륜에 고정되는 시동 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 캡은 상기 외륜 및 실 플레이트 중 하나 사이에서의 상대적 회전을 제한하기 위해 상기 실 플레이트 중 하나와 연결하는 플랜지를 포함하는 시동 시스템.
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