KR101665257B1 - 밴드스프링 기반의 오버토크 방지장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 샤프트(12)로 동력을 전달하는 계통에 설치되는 오버토크 방지장치에 관련되며, 그 구성의 특징으로서, 상기 샤프트(12)의 단부에 결합되고, 외주면에 다수의 치형(25)을 지니는 허브(15); 상기 허브(15)의 외측으로 대향하도록 설치되고, 내주면에 다수의 요홈(35)을 지니는 풀리(30); 및 상기 허브(15)와 풀리(30) 사이에 동시에 맞물리도록 설치되고, 원형의 몸체상에 다수의 돌기(45)를 형성하도록 설정된 온도에서 초기의 형태로 복원되는 형상기억합금을 사용하며, 이음매 없는 일체의 소재를 소성가공하여 형성되는 밴드스프링(40);을 포함하여 이루어지되, 상기 밴드스프링(40)의 돌기(45)는 설정된 오버토크에 이르면 치형(25)과 요홈(35) 사이에서 수축되어 맞물림을 해제하는 치수로 형성되고, 상기 치형(25), 요홈(35), 돌기(45)는 각각 일변과 타변의 길이가 다른 편심 형태를 이루는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명은 차량용 에어컨 클러치 등의 과부하 전달을 차단하는 토크리미터에 일체형 스프링을 개재하는 방식으로 제조나 유지보수 측면에서 최적의 경제성을 확보하는 효과가 있다.

Description

밴드스프링 기반의 오버토크 방지장치{Apparatus for preventing over torque based on band spring}
본 발명은 동력전달 계통의 토크리미터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 차량용 에어컨 클러치 등에 구성되어 과부하 전달을 차단하는 밴드스프링 기반의 오버토크 방지장치에 관한 것이다.
통상적으로 차량용 에어컨 장치는 엔진의 동력을 풀리, 플레이트, 플레이트 브라켓을 통하여 압축기에 전달하여 소정의 냉매 사이클을 구성한다. 엔진의 동력은 풀리에서 전자클러치를 통하여 단속적으로 압축기에 전달되며, 이 과정에서 과부하의 전달을 차단하도록 다양한 방식의 토크리미터가 채용된다. 토크리미터는 크게 스프링을 사용하는 방식과 리벳을 사용하는 방식으로 구분되며, 작동성과 내구성을 바탕으로 제조경비와 유지보수비를 절감하는 구조가 선호된다.
이와 관련되는 선행기술문헌으로서 하기의 특허문헌 1은 고정수단에 의해 상기 구동 허브 및 종동 허브의 일측에 고정결합되고 상기 구동 허브로부터 종동 허브로 동력을 전달하며 상기 구동 허브에 가해지는 토크량(torgue)에 따라 파단되는 파단부를 구비한 동력차단부재를 포함한다. 이에 따라, 엔진의 과출력에 의해 오작동되어 동력전달이 차단되는 것을 방지하는 효과를 기대한다.
또 다른 선행기술문헌으로서 하기의 특허문헌 2는 허브플레이트와 연결부재를 동시에 관통하고 상기 고정결합부에 일단이 지지되는 상태로 연결되어 상기 풀리와 상기 구동축 사이의 동력을 전달하거나, 상기 연결부재의 일부분을 변형시켜서 동력을 차단하는 가동연결핀을 포함한다. 이에 따라, 리미터가 파단되는 과정에서 파편들이 비산되어 충격이나 손상을 주는 문제점의 해소를 기대한다.
그러나, 상기한 특허문헌에 의하면 비교적 구성이 복잡하여 제조원가의 상승 요인을 지니고 있을 뿐더러 일단 과부하가 발생한 후에 관련품의 교체에 소요되는 공수와 비용의 증가도 초래된다.
한국 공개특허공보 제2015-0007101호 "클러치리스 압축기의 동력차단장치" (공개일자 : 2015.01.20.) 한국 공개특허공보 제2014-0032570호 "압축기용 풀리-허브 조립체" (공개일자 : 2014.03.17.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 차량용 에어컨 클러치 등의 토크리미터에 일체형 스프링을 개재하여 제조나 유지보수 측면에서 경제적인 방식으로 과부하 전달을 차단하는 밴드스프링 기반의 오버토크 방지장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 샤프트로 동력을 전달하는 계통에 설치되는 오버토크 방지장치에 있어서: 상기 샤프트의 단부에 결합되고, 외주면에 다수의 치형을 지니는 허브; 상기 허브의 외측으로 대향하도록 설치되고, 내주면에 다수의 요홈을 지니는 풀리; 및 상기 허브와 풀리 사이에 동시에 맞물리도록 설치되고, 원형의 몸체상에 다수의 돌기를 형성하도록 설정된 온도에서 초기의 형태로 복원되는 형상기억합금을 사용하며, 이음매 없는 일체의 소재를 소성가공하여 형성되는 밴드스프링;을 포함하여 이루어지되, 상기 밴드스프링의 돌기는 설정된 오버토크에 이르면 치형과 요홈 사이에서 수축되어 맞물림을 해제하는 치수로 형성되고, 상기 치형, 요홈, 돌기는 각각 일변과 타변의 길이가 다른 편심 형태를 이루는 것을 특징으로 한다.
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한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 차량용 에어컨 클러치 등의 과부하 전달을 차단하는 토크리미터에 일체형 스프링을 개재하는 방식으로 제조나 유지보수 측면에서 최적의 경제성을 확보하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장치가 적용되는 차량용 공압기를 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 주요부를 분리와 확대하여 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 장치에서 밴드스프링의 1차변형을 나타내는 구성도
도 4는 본 발명에 따른 장치에서 밴드스프링의 2차변형을 나타내는 구성도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 샤프트(12)로 동력을 전달하는 계통에 설치되는 오버토크 방지장치에 관하여 제안한다. 차량용 에어컨 장치의 압축기에 탑재된 샤프트(12)를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 통상 차량의 압축기는 엔진으로부터 시작되고 전자클러치를 통하여 샤프트(12)로 이어지는 동력전달계통에 설치된다. 전자클러치는 전자석부(22)에 의하여 샤프트(12)의 동력을 단속하도록 작동되는 방식이다. 이외에 압축기에는 토크리미터와 같은 오버토크를 방지하는 설계요소가 부가된다.
본 발명에 따르면 외주면에 다수의 치형(25)을 지니는 허브(15)가 상기 샤프트(12)의 단부에 결합되는 구조이다. 샤프트(12)의 외단부에 고정되는 허브(15)는 후술하는 풀리(30)로부터 동력을 받는 부분이다. 도 2는 허브(15)에 8개의 치형(25)을 형성한 상태를 예시한다. 모든 치형(25)은 동일한 형태이면서 일정한 간격으로 배치되어 마치 별모양으로 형성된다.
또, 본 발명에 따르면 내주면에 다수의 요홈(35)을 지니는 풀리(30)가 상기 허브(15)의 외측으로 대향하도록 설치되는 구조이다. 풀리(30)는 허브(15)의 외측에 동심상으로 배치되며, 압축기 하우징에 베어링을 개재하여 회전 가능하게 장착된다. 풀리(30)의 외측에 벨트(도시 생략)가 엔진의 풀리(도시 생략)와 연결되어 동력을 받는다. 도 2에서 풀리(30)의 내면에 허브(15)의 치형(25)과 동일한 수량의 요홈(35)을 형성한 상태를 예시한다. 다만 치형(25)과 요홈(35)은 상호 맞물림되지 않고 틈새공간을 유지하는 치수로 형성된다.
또, 본 발명에 따르면 원형의 몸체상에 다수의 돌기(45)를 형성한 밴드스프링(40)이 상기 허브(15)와 풀리(30) 사이에 동시에 맞물리도록 설치되는 구조를 특징으로 한다. 밴드스프링(40)은 내측으로 허브(15)의 치형(25)과 맞물리는 동시에 외측으로 풀리(30)의 요홈(35)과 맞물리는 형태를 이룬다. 밴드스프링(40)의 돌기(45)는 허브(15)의 치형(25) 및 풀리(30)의 요홈(35)과 유사한 형태와 수량으로 형성된다. 이에 밴드스프링(40)이 치형(25)과 요홈(35)의 틈새공간에 장착되어 동력전달을 매개한다. 밴드스프링(40)은 기계적 강도 외에 고탄성, 내마모성, 내열성을 요한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 치형(25), 요홈(35), 돌기(45)는 각각 일변과 타변의 길이가 다른 편심 형태를 이루는 것을 특징으로 한다. 도 2에서 치형(25), 요홈(35), 돌기(45)는 상단의 것을 기준으로 좌측의 짧은 변부와 우측의 긴 변부로 예시된다. 이와 같은 편심 구조는 정상토크 전달시 치형(25), 요홈(35), 돌기(45)가 안정적인 맞물림으로 동력을 전달하도록 한다.
이때, 도 2는 풀리(30)가 시계방향으로 회전하는 경우를 기준으로 편심을 설정한 상태이다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 밴드스프링(40)은 이음매 없는 일체의 소재를 소성가공하여 형성되는 것을 특징으로 한다. 밴드스프링(40)은 매끄러운 원통형 소재에서 일정한 폭으로 절단하면 이음매 없는 일체형으로 된다. 이와 같은 일체형 소재의 외면에 큰 가압력을 작용하여 순간적으로 소성변형을 유발한다. 이러한 구조의 밴드스프링(40)은 내구성이 높을뿐더러 양호한 다이내믹밸런스를 유지하는 측면에서도 유리다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 밴드스프링(40)의 돌기(45)는 설정된 오버토크에 이르면 치형(25)과 요홈(35) 사이에서 수축되어 맞물림을 해제하는 치수로 형성되는 것을 특징으로 한다. 풀리(30)에서 허브(15)로 전달되는 토크가 증가할수록 도 2의 상태에서 도 3의 상태로 과부하를 전달하고 도 4의 상태로 되면 더 이상의 동력전달이 차단된다.
보다 구체적으로, 도 2에서 밴드스프링(40)의 돌기(45)는 풀리(30)의 요홈(35)을 통하여 부호 Fa의 작용력을 받는 동시에 허브(15)의 치형(25)을 통하여 부호 Fb의 작용력을 받는다. 이에 돌기(45)의 짧은 변부에는 주로 전단응력이 발생하나 긴 변부에는 부호 Sd와 같은 압축응력이 발생하여 좌굴을 유발한다. 도 3은 이러한 좌굴에 의하여 돌기(45)의 폭이 좁아진 1차변형부(41)를 나타내며, 밴드스프링(40)은 여전히 요홈(35)과 치형(25) 사이에서 과부하를 감당한다. 그러나, 부하가 허용치를 초과하여 오버토크가 발생하면 좌굴이 심화되어 돌기(45)가 작은 파형의 2차변형부(42)로 변화되고 밴드스프링(40)은 요홈(35)과 치형(25) 사이에서 헛돌아 동력을 전달하지 않는다.
다만, 본 발명의 경우 도 3의 상태가 되더라도 밴드스프링(40)의 파단이 초래되지 않으므로 인접한 관련품을 손상시키지 않아 불필요한 유지보수비의 증가를 피할 수 있다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 밴드스프링(40)은 설정된 온도에서 초기의 형태로 복원되는 형상기억합금을 사용하는 것을 특징으로 한다. 압축기의 작동온도 보다 매우 높은 온도에서 형상기억합금(SMA)의 소재를 열처리하여 돌기(45)를 성형하며, 이후 사용 과정에서 도 4처럼 외력에 의해 2차변형부(42)로 변화되어도 열처리 온도로 높이면 최초의 형상으로 복원된다. 형상기억합금의 일예로 Ti-Ni계 합금에 Mo을 첨가하여 변태온도의 항상성을 높인 Ti-Ni-Mo계, NbC를 첨가하여 형상기억성과 성형성을 높인 Fe-Mn-Si계 등을 사용할 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 압축기 12: 샤프트
15: 허브 22: 전자석부
25: 치형 30: 풀리
35: 요홈 40: 밴드스프링
41: 1차변형부 42: 2차변형부
45: 돌기

Claims (5)

  1. 샤프트(12)로 동력을 전달하는 계통에 설치되는 오버토크 방지장치에 있어서:
    상기 샤프트(12)의 단부에 결합되고, 외주면에 다수의 치형(25)을 지니는 허브(15);
    상기 허브(15)의 외측으로 대향하도록 설치되고, 내주면에 다수의 요홈(35)을 지니는 풀리(30); 및
    상기 허브(15)와 풀리(30) 사이에 동시에 맞물리도록 설치되고, 원형의 몸체상에 다수의 돌기(45)를 형성하도록 설정된 온도에서 초기의 형태로 복원되는 형상기억합금을 사용하며, 이음매 없는 일체의 소재를 소성가공하여 형성되는 밴드스프링(40);을 포함하여 이루어지되,
    상기 밴드스프링(40)의 돌기(45)는 설정된 오버토크에 이르면 치형(25)과 요홈(35) 사이에서 수축되어 맞물림을 해제하는 치수로 형성되고, 상기 치형(25), 요홈(35), 돌기(45)는 각각 일변과 타변의 길이가 다른 편심 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 밴드스프링 기반의 오버토크 방지장치.
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