KR101618097B1

KR101618097B1 - 동력 전달축

Info

Publication number: KR101618097B1
Application number: KR1020140193167A
Authority: KR
Inventors: 이문기; 고재덕; 김금모; 송순종; 이지만; 최영원; 이정찬; 박진호; 김병기
Original assignee: 아이원스 주식회사
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2016-05-09
Also published as: US20170343051A1; WO2016108341A1

Abstract

다이아프램의 특정 부위에 응력이 집중되는 현상을 완화하여 피로 수명이 향상되는 동력 전달축이 게시된다. 동력 전달축은 반경 방향으로 내측에 위치하는 허브부와, 상기 허브부의 반경 방향으로 외측에 위치하는 림부와, 상기 허브부와 림부의 사이에 위치하는 플렉서블 다이아프램부로 구성되는 플렉서블 커플링을 포함하며, 동력장치를 연결하는 것으로서, 상기 플렉서블 다이아프램부는 허브부로부터 림부로 갈수록 축 방향 두께가 작아지다 커져 최소 두께 구간을 갖고; 상기 플렉서블 다이아프램부는 축 방향 일면에 컨투어드(Contoured)한 제1 측면과, 타면에 컨투어드한 제2 측면을 가지며; 상기 제1 측면은 제1 변곡점을 갖고, 상기 제2 측면은 제2 변곡점을 가지며; 상기 제1 변곡점은 제2 변곡점에 대해 반경 방향으로 서로 다른 위치에 형성된다. 따라서, 다이아프램의 특정 부위에 응력이 집중되는 현상을 완화하여 다이아프램의 피로 특성이 향상되고, 동력 전달축의 수명을 연장시킬 수 있다.

Description

동력 전달축{POWER TAKE OFF SHAFT}

본 발명은 동력 전달축에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 항공기 등의 엔진과 기어박스의 사이에 연결되어 동력을 전달하는 기능을 수행하는 동력 전달축에 관한 것이다.

일반적으로 커플링은 구동축과 종동축을 연결하는 축 연결 장치로서, 형태에 따라 유체커플링, 기어커플링, 플렉시블 커플링 등의 다양한 커플링이 제공되고 있다. 아울러, 사용처에 따른 적정 토크범위, 비틀림 강도, 편심오차 흡수도, 적정 회전수 등을 고려하여 적절한 형태의 커플링이 선정된다.

일 예로, 항공기의 경우에는 엔진과 기어박스의 사이에 동력 전달축이 설치되어 엔진의 동력을 기어박스에 전달한다. 이 경우, 항공기의 특성상 진동과 충격이 발생하게 되므로, 이러한 진동과 충격을 흡수함과 아울러 엔진과 동력 전달축 및 기어박스 간에 축 중심이 편심 되더라도 엔진의 동력이 기어박스에 계속 전달되도록 하는 플렉시블 커플링이 사용된다. 이러한 플렉시블 커플링은 회전 방향으로는 강성이지만, 축 방향으로는 연성의 성질을 갖는다.

선 출원된 미국등록특허공보 제4802882호에는 플렉시블 커플링이 게시된바 있다. 종래의 플렉시블 커플링은 동력전달축과 연결되는 제1 연결부와, 상대장치(엔진 또는 기어박스)와 연결되는 제2 연결부와, 제1 연결부와 제2 연결부의 사이에 배치되어 제1,2 연결부를 유동가능하게 연결하는 다이어프램을 포함하여 이루어진다.

다이어프램은 제1,2 연결부의 사이에 복수개의 다이어프램 부재를 설치하여 제1,2 연결부를 축 방향으로 유동가능하게 연결한다. 플렉시블 커플링은 항공기에 발생하는 진동이나 충격을 흡수함과 동시에 상기 엔진, 동력 전달축, 기어박스간에 축 중심이 편심 되더라도 서로 간의 연결상태를 유지하여 엔진의 동력이 기어박스에 전달될 수 있도록 한다.

또한, 선 출원된 미국등록특허공보 제8591345호에는 축방향 힘 하중을 위한 플렉서블 다이아프램 커플링이 게시된바 있다. 도 1은 종래의 플렉서블 커플링 어셈블리를 도시한 단면도이고, 도 2는 종래의 다이아프램 커플링 요소를 도시한 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 다이아프램 요소(10)는 반경 방향으로 내측에 위치한 허브부(12)와, 반경 방향으로 외측에 위치한 림부(14)와, 허브부(12)와 림부(14)의 사이에 위치한 플렉서블 다이아프램부(16)를 포함한다. 플렉서블 다이아프램부(16)는 허브부(12)로부터 림부(14)로 갈수록 두께가 얇아지다 다시 넓어져 최소 두께(Tmin)를 갖는 형상이며, 일 측면이 컨투어드(Contoured)인 제1 측면(22) 및 타 측면이 플래너(Planar)인 제2 측면(24)으로 구성된다.

도 2를 참조하면, 플렉서블 커플링 어셈블리(200)는 두 개의 드라이빙 샤프트의 사이에 연결된다. 플렉서블 커플링 어셈블리(200)는 제1 샤프트와 연결되는 제1 플랜지(202)와, 제2 샤프트와 연결되는 제2 플랜지(204)를 포함한다. 또한, 플렉서블 커플링 어셈블리(200)는 제1 플렉서블 다이아프램 요소(210), 제2 플렉서블 다이아프램 요소(212), 제3 플렉서블 다이아프램 요소(214) 및 제4 플렉서블 다이아프램 요소(216)를 구비한다.

제1,2 플렉서블 다이아프램 요소(210)(212)는 컨투어드 표면이 제1 플랜지(202)와 마주하도록 배치되고, 제3,4 플렉서블 다이아프램 요소(214)(216)는 컨투어드 표면이 제2 플랜지(204)와 마주하도록 배치된다.

즉, 종래의 플렉서블 커플링 어셈블리(200)는 축 방향으로 다이아프램의 일면은 평면이고 타면은 변곡점(23)이 한개인 구조를 갖는다. 이 경우, 다이아프램의 변곡점(23) 부위에서 최소 두께(Tmin)를 갖는다.

하지만, 종래의 플렉서블 커플링 어셈블리(200)는 다이아프램이 굽힘을 받으면 변곡점(23) 위치에 응력이 집중되어 피로에 취약한 특성을 나타내는 문제점이 있다. 결국, 동력을 전달하는 동력전달축의 양측면에 컨투어드 다이아프램으로 플렉서블 커플링이 구성된 경우 동력전달축의 수명은 플렉서블 커플링의 피로 수명 향상과 밀접한 관계가 있으며, 종래와 같이 변곡점이 한개인 구조로 동일 위치에 형성된 구조는 동력전달축의 수명을 저하시키는 문제점이 있다.

특허문헌 1 : 미국등록특허공보 제4802882호 특허문헌 2 : 미국등록특허공보 제8591345호

이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 다이아프램의 특정 부위에 응력이 집중되는 현상을 완화하여 피로 수명이 향상되는 동력 전달축을 제공한다.

본 발명에 따른 동력 전달축은 반경 방향으로 내측에 위치하는 허브부와, 상기 허브부의 반경 방향으로 외측에 위치하는 림부와, 상기 허브부와 림부의 사이에 위치하는 플렉서블 다이아프램부로 구성되는 플렉서블 커플링을 포함하며, 동력장치를 연결하는 것으로서, 상기 플렉서블 다이아프램부는 허브부로부터 림부로 갈수록 축 방향 두께가 작아지다 커져 최소 두께 구간을 갖고; 상기 플렉서블 다이아프램부는 축 방향 일면에 컨투어드(Contoured)한 제1 측면과, 타면에 컨투어드한 제2 측면을 가지며; 상기 제1 측면은 제1 변곡점을 갖고, 상기 제2 측면은 제2 변곡점을 가지며; 상기 제1 변곡점은 제2 변곡점에 대해 반경 방향으로 서로 다른 위치에 형성된다.

본 발명에 따른 동력 전달축은 다이아프램의 특정 부위에 응력이 집중되는 현상을 완화하여 다이아프램의 피로 특성이 향상되고, 동력 전달축의 수명을 연장시킬 수 있다.

도 1은 종래의 플렉서블 커플링 어셈블리를 도시한 단면도이고,
도 2는 종래의 다이아프램 커플링 요소를 도시한 단면도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동력 전달축을 개략적으로 도시한 정면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동력 전달축을 도시한 단면도이며,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동력 전달축의 플렉서블 커플링을 도시한 단면도이고,
도 6은 도 5의 일부를 확대 도시한 단면도이다.

이하 첨부된 도면에 따라서 동력 전달축의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동력 전달축을 개략적으로 도시한 정면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동력 전달축을 도시한 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동력 전달축의 플렉서블 커플링을 도시한 단면도이고, 도 6은 도 5의 일부를 확대 도시한 단면도이다.

이하의 설명에서, 도 4의 좌우 방향이 "축 방향"이고, 상하 방향이 "반경 방향"이다.

도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 동력 전달축(100)은 항공기의 엔진(800)과 기어박스(900)의 사이를 연결하여 동력을 전달한다. 동력 전달축(100)은 동력장치를 연결하는 메인 샤프트(130)와, 메인 샤프트(130)의 양측에 구비되어 동력장치와 결합되는 플랜지(110)와, 메인 샤프트(130)의 반경 방향으로 연장 형성되는 플렉서블 커플링(120)을 포함하여 이루어진다. 아울러, 동력 전달축(100)은 요동방지 수단인 볼 조인트(140)를 구비할 수 있다.

플렉서블 커플링(120)은 허브부(121)와, 림부(122)와, 플렉서블 다이아프램부(123)로 구성된다.

허브부(121)는 반경 방향으로 내측에 위치하며, 플랜지(110)와, 메인 샤프트(130)의 사이에 용접 결합될 수 있다. 림부(122)는 허브부(121)의 반경 방향으로 외측에 위치한다. 플렉서블 다이아프램부(123)는 허브부(121)와 림부(122)의 사이에 위치한다.

상기 플렉서블 다이아프램부(123)는 허브부(121)로부터 림부(122)로 갈수록 축 방향 두께가 작아지다 커져 최소 두께 구간(Tmin)을 갖는다. 아울러, 상기 플렉서블 다이아프램부(123)는 축 방향 일면에 컨투어드(Contoured)한 제1 측면(1231)과, 타면에 컨투어드한 제2 측면(1232)을 갖는다. 즉, 플렉서블 다이아프램부(123)는 축 방향으로 양면이 모두 유선 형상으로 연속적인 면을 형성한다.

또한, 제1 측면(1231)은 제1 변곡점(1233)을 갖고, 제2 측면(1232)은 제2 변곡점(1234)을 가지며, 제1 변곡점(1233)은 제2 변곡점(1234)에 대해 반경 방향으로 서로 다른 위치에 형성된다. 즉, 상기 제1 변곡점(1233)과 제2 변곡점(1234) 중 하나는 다른 하나에 대해 반경 방향으로 외측에 배치된다.

도 6을 참조하면, 반경 방향으로 제1 변곡점(1233)과 제2 변곡점(1234)의 사이 중심선(1235)을 기준으로, 제1 변곡점(1233)과 중심선(1235) 사이의 구간과 제2 변곡점(1234)과 중심선(1235) 사이의 구간이 대칭되게 형성된다. 즉, 상기 최소 두께 구간(Tmin)은 제1 변곡점(1233)으로부터 제2 변곡점(1234)까지 연장 형성되어, 최소 두께를 갖는 구간이 소정 길이로 길게 연장 형성된다.

또한, 상기 플렉서블 다이아프램부(123)는 축 방향으로 사이에 공간부를 형성한 제1 다이아프램 요소(123a)와 제2 다이아프램 요소(123b)가 접합되어 하나로 구성되어, 동력장치와 결합되는 축 방향 양측의 플랜지(110) 측에 각각 구비된다.

더욱 상세하게는, 플렉서블 다이아프램부(123)는 허브부(121)에서 림부(122)로 갈수록 그 두께가 점차 얇아지며, 이 두께는 전체 다이아프램면에서 작용 토크에 의한 전단응력이 전체 면에서 동일하도록 반지름의 제곱에 반비례하는 형상을 갖는다. 상기 두께는 허브부(121)와 림부(122) 사이의 임의의 지점(최소 두께 구간)에서 최소화되며, 림부(122) 측으로 갈수록 그 두께가 다시 증가한다.

이러한 플렉서블 다이아프램부(123)의 형상에 대응되어 축 방향으로 양측에 각각 변곡점(1233)(1234)이 존재하게 된다. 상기 변곡점(1233)(1234)의 위치는 서로 일치하지 않고 어느 한 측이 다른 한 측에 대해 반경 방향으로 외측에 위치한다.

이와 같이, 본 발명은 플렉서블 다이아프램부(123)의 축 방향 양면에 한 개씩 총 두개의 변곡점을 구비함과 아울러 양 변곡점의 위치가 서로 달라, 응력 집중이 완화되며 이로 인해 피로 특성이 향상되는 것이다. 이 경우, 최소 두께 구간(Tmin)의 길이를 적절히 설계하면 응력 집중 완화 효과가 극대화되는 최적의 구조를 구현 가능할 것이다.

지금까지 본 발명에 따른 동력 전달축은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 누구든지 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100 : 동력 전달축
110 : 플랜지 120 : 플렉서블 커플링
121 : 허브부 122 : 림부
123 : 플렉서블 다이아프램부 1233 : 제1 변곡점
1234 : 제2 변곡점 800 : 엔진
900 : 기어박스

Claims

반경 방향으로 내측에 위치하는 허브부(121)와, 상기 허브부(121)의 반경 방향으로 외측에 위치하는 림부(122)와, 상기 허브부(121)와 림부(122)의 사이에 위치하는 플렉서블 다이아프램부(123)로 구성되는 플렉서블 커플링(120)을 포함하며, 동력장치를 연결하는 동력 전달축에 있어서,
상기 플렉서블 다이아프램부(123)는,
허브부(121)로부터 림부(122)로 갈수록 축 방향 두께가 작아지다 커져 최소 두께 구간을 갖고; 상기 플렉서블 다이아프램부(123)는 축 방향 일면에 컨투어드(Contoured)한 제1 측면(1231)과, 타면에 컨투어드한 제2 측면(1232)을 가지며; 상기 제1 측면(1231)은 제1 변곡점(1233)을 갖고, 상기 제2 측면(1232)은 제2 변곡점(1234)을 가지며;
상기 제1 변곡점(1233)은 제2 변곡점(1234)에 대해 반경 방향으로 서로 다른 위치에 형성되고;
상기 제1 측면(1231)과 제2 측면(1232)은 림부(122)와 허브(121)를 제외한 제1 변곡점(1233)의 반경 방향 외측 및 제2 변곡점(1234)의 반경 방향 내측이 중심면을 기준으로 좌우 대칭을 이루며,
상기 제1 변곡점(1233) 및 제2 변곡점(1234)에서 최소 두께를 갖고,
제1 변곡점(1233)과 제2 변곡점(1234)의 사이가 연속적으로 형성되어 최소 두께 구간을 형성하는 것을 특징으로 하는 동력 전달축.
제1 항에 있어서,
상기 제1 변곡점(1233)과 제2 변곡점(1234) 중 하나는 다른 하나에 대해 반경 방향으로 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 동력 전달축.
삭제
제2 항에 있어서,
반경 방향으로 제1 변곡점(1233)과 제2 변곡점(1234)의 사이 중심선(1235)을 기준으로 제1 변곡점(1233)과 중심선(1235) 사이의 구간과 제2 변곡점(1234)과 중심선(1235) 사이의 구간이 대칭되게 형성되는 것을 특징으로 하는 동력 전달축.
제1 항에 있어서,
상기 플렉서블 다이아프램부(123)는,
축 방향으로 사이에 공간부를 형성한 제1 다이아프램 요소(123a)와 제2 다이아프램 요소(123b)가 접합되어 하나로 구성되고, 동력장치와 결합되는 축 방향 양측의 플랜지(110) 측에 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 동력 전달축.