KR101813088B1 - 헬리콥터 구동 장치용 비회전식 유니버설 조인트 - Google Patents

Abstract

헬리콥터 구동 장치용 비회전식 유니버설 조인트(10)는 링(30)에 의해 형성된 스파이더(spider)를 가지며, 이 링은 90°떨어져 이격된 4개의 연결부(31)를 가지며, 이 연결부는 2개의 연결 부재(11, 12)의 각각의 아암(14)의 단부를 형성하는 각각의 포크(fork)(15)와 결합하며, 2개의 연결 부재는 사용 시에 엔진(2)의 케이스(6) 및 감속 기어(3)의 케이스(7)에 대하여 고정되며, 각각의 포크(15) 및 이에 대응하는 연결부(31)는 서로 동축을 이루고 나사(34)에 의해 결합되는 각각의 관통 구멍(19, 20, 32)을 가지며, 링(30)의 연결부(31)와 나사(34)의 축부(39) 사이 또한 링(30)의 연결부(31)와 포크(15)의 사이에 댐퍼(55)가 개재된다.

Description

헬리콥터 구동 장치용 비회전식 유니버설 조인트{NON-ROTATING UNIVERSAL JOINT FOR A HELICOPTER DRIVE UNIT}

본 발명은 헬리콥터 엔진 및 감속 기어의 케이스에 연결하기 위한 비회전식 유니버설 조인트에 관한 것이다.

이러한 종류의 유니버설 조인트는 짐발(gimbal)로도 알려져 있으며, 한편으로는 열팽창에 의해 야기된 움직임을 보상하고 다른 한편으로는 감속 기어에 의해 엔진에 전달되고 헬리콥터의 메인 로터에 의해 감속 기어에 가해지는 부하에 의해 야기되는 비교적 작은 움직임을 보상하기 위해 엔진에 대한 평형 상태 제약(isostatic constraint)을 형성한다.

공지의 비회전식 유니버설 조인트의 스파이더(spider)는 파워를 엔진으로부터 감속 기어로 전달하기 위해 회전하는 동축 샤프트를 위해 중간 지점에 공간을 갖는 링에 의해 형성된다. 이 링은 엔진 케이스에 대해 고정된 직경 방향으로 대향 배치된 제1 쌍의 아암 및 제1 쌍의 아암에 대해 90°어긋나 있고 감속 기어 케이스에 대해 고정된 제2 쌍의 아암에 연결된다.

아암의 단부와 링은, 로터리 트랜스미션 샤프트(rotary transmission shaft) 및 링의 축에 대하여 반경 방향으로 연장하고, 각각이 상대 아암의 외측면 상에 올려지는 헤드와 나사를 포함하는 각각의 볼트와, 나사 축부(screw shank)의 끝에 나사 체결되고 링의 내측면 상에 올려지는 너트에 의해 연결된다.

링은 통상적으로 볼트에 전단 응력(shear stress)을 가하고 또한 아암에 굽힘 응력을 가하며, 이들은 정량화하기 어렵다. 개시된 공지의 해법에서는, 나사 축부에 가해지는 전단 응력 및 아암에 가해지는 굽힘 응력이 아암으로부터 돌출하는 나사 때문에 비교적 심각하며, 공지의 해법은 프레팅(fretting), 즉 상대적으로 이동하는 접촉면의 서로에 대한 마찰, 구체적으로 링의 구멍의 내측면에 대한 나사 축부의 표면의 마찰에 의해 야기된 마모에 놓이게 된다.

마모와 심각한 전단 응력 및 굽힘 응력은 나사와 아암의 고장을 초래하며, 이로써 볼트와 짐발이 전체적으로 설계 단계에서 강화되어야 하고, 그에 따라 중량이 증가된다.

각각의 나사의 축부에 가해지는 전단 응력 및 아암에 가해지는 굽힘 응력을 중량의 증가 없이 최소화하기 위해, 아암은 스파이더 링의, 구멍을 갖는, 각각의 부분에 의해 결합된 단부 포크(end fork)를 갖도록 설계될 수 있으며, 4개의 나사의 각각이 각각의 포크를 통해 끼워맞춤된다. 즉, 4개의 나사의 각각이 서로 이격된 2개의 지점에서 지지된다. 나사의 돌출(projection)을 제거함으로써, 이러한 유형의 어셈블리는 굽힘 응력 및 그에 따라 링에 의해 나사에 가해지는 전단 응력을 감소시킨다. 이러한 유형의 한 가지 해법은 유럽 특허 EP1539573에 종래 기술로 개시되어 있으며, 첨부된 청구항 1의 전제부에 대응한다.

전술한 공지의 해법을 추가로 향상시켜 프레팅 및 쇼크에 의해 야기되는 마모를 감소시키고 그 부피(bulk)를 최소화하는 것이 요망된다.

본 발명의 목적은 전술한 과제를 직접적이면서 저비용 방식으로 달성하고 또한 바람직하게는 헬리콥터 엔진과 감속 기어 사이에 탑재가 용이한, 헬리콥터 구동 장치를 위한 비회전식 유니버설 조인트를 제공하는 것이다.

본 발명에 따라, 헬리콥터 구동 장치용 비회전식 유니버설 조인트에 있어서,

- 길이 방향 축으로 연장하는 링에 의해 형성되는 스파이더(spider)로서, 상기 링이 90° 떨어져 이격된 4개의 연결부를 가지며, 상기 연결부가 상기 길이 방향 축에 대하여 방사상으로 위치하는 각각의 제1 관통 구멍을 갖는, 스파이더;

- 엔진의 케이스(6) 및 감속 기어의 케이스에 대해 고정되고, 각각의 아암의 쌍을 포함하는 2개의 연결 부재로서, 각각의 상기 연결 부재의 아암이 직경 방향으로 서로 대향하여 위치되고, 다른 연결 부재의 아암에 대하여 90°어긋나 있고, 각각의 포크(fork)를 포함하며, 각각의 상기 포크가 대응하는 상기 연결부에 의해 결합되는 법선 방향의 슬롯을 사이에 형성하고 있는 2개의 대향 핑거를 포함하며, 각각의 상기 포크의 핑거가 대응하는 상기 연결부에 있는 상기 제1 관통 구멍과 동축을 이루는 각각의 제2 관통 구멍을 갖는, 2개의 연결 부재; 및

- 각각의 상기 포크를 대응하는 상기 연결부에 각각 고정하는 4개의 연결 볼트 장치로서,

a) 상기 제1 관통 구멍 및 상기 제2 관통 구멍과 결합하는 축부(shank)를 갖는 나사;

b) 상기 축부의 나사산 형성된 단부 부분에 나사 체결되는 너트 나사

를 각각 갖는 4개의 연결 볼트 장치를 포함하며,

상기 연결 볼트 장치가 상기 나사의 축부와 상기 링의 연결부 사이에 개재된 제1 댐핑 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 비회전식 유니버설 조인트가 제공된다.

본 발명의 바람직한 비제한적 실시예는 이하의 첨부 도면을 참조하여 일례로서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 헬리콥터 구동 장치용의 비회전식 유니버설 조인트의 횡단면도이다.
도 2는 도 1의 비회전식 유니버설 조인트를 도시를 명료하게 하기 위해 일부분을 제거한 상태로 도시하고 있는 분해도이다.
도 3은 도 1의 비회전식 유니버설 조인트의 확대 상세도이다.

도 1의 도면부호 "1"은 전체적으로 길이 방향 축(5)을 따라 연장하는 로터리 트랜스미션 샤프트(4)에 의해 연결된 터빈 엔진(2) 및 감속 기어(3)(부분적으로 또한 개략적으로 도시됨)를 포함하는 헬리콥터 구동 장치를 나타낸다. 터빈 엔진(2) 및 감속 기어(3)는 짐발로서도 알려진 비회전식 유니버설 조인트(10)에 의해 서로 연결된 각각의 케이스(6, 7)를 포함한다.

비회전식 유니버설 조인트(10)는 샤프트(4)와 동축으로 끼워맞춤되며, 각각의 케이스(6, 7)에 고정된 추가의 바디에 의해 형성되거나 또는 각각의 케이스(6, 7)의 일부를 형성하는 부분에 의해 형성된 2개의 연결 부재(11, 12)를 포함한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 연결 부재(12)는, 환형 부분(13)과, 환형 부분(13)으로부터 축(5)에 평행하게 돌출하고 각각의 단부 포크(15)를 포함하는 직경 방향으로 대향하는 2개의 아암(14)을 포함한다.

각각의 포크(15)는, 축(5)의 접선 방향에 있는 실질적으로 평탄하고 평행한 플레이트(16, 17) 형태의 2개의 핑거를 포함하며, 이들 플레이트 사이에 실질적으로 일정한 크기의 슬롯(18)이 형성되어 있다. 플레이트 "16"은 2개의 플레이트 중에서 축(5)에 대해 가장 외측에 있는 플레이트이다. 각각의 포크(15)의 플레이트(16, 17)는 직경이 동일하고 축(5)에 대한 방사상 축(21)을 따라 서로 동축을 이루는 각각의 원형 구멍(19, 20)을 갖는다. 역시 축(5)에 대하여, 각각의 포크(15)는 환형 부분(13)의 오목한 전면(23)과 매끄럽게 이어지는 측면(22)에 의해 법선 방향으로 경계를 이룬다. 즉, 환형 부분(13)의 축 방향 두께는 포크(15)를 향해 점차적으로 그리고 원주 방향으로 증가한다.

연결 부재 "11"은 연결 부재 "12"와 실질적으로 동일하며, 이로써 그 구성 부분은 동일한 도면부호를 이용하여 나타내어져 있다.

연결 부재(11, 12)는, 샤프트(4)와 동축을 이루는 링(30)에 의해 형성된 스파이더에 의해 연결되며, 이 링은 실질적으로 평탄한 4개의 평탄부(31)를 포함하며, 이 평탄부는 축(5)의 법선 방향에 있고, 90°로 떨어져 이격되어 있으며, 슬롯(18)과 결합하고, 대응 구멍(19, 20)과 동축을 이루는 각각의 구멍(32)을 갖는다. 각각의 포크(15)는 연결 볼트 장치(33)에 의해 대응하는 평탄부(31)에 고정되며, 이 연결 볼트 장치는 와셔(36)를 개재한 상태로 플레이트(16)의 외측에 올려지는 헤드(35)를 갖는 나사(34)를 포함한다. 보다 구체적으로, 와셔(36)는 부싱(bushing)(37)의 환형 플랜지에 의해 형성되며, 부싱(37)은 나사(34)의 축부(39)와 구멍(19)의 내측면 사이에 개재되는 관형부(38)를 포함한다. 구멍(19)에 추가하여, 축부(39)는 또한 구멍(32, 20)을 통하여 끼워맞춤되고, 그 대부분이 구멍(20) 내부에 수용되어 적은 부분만이 구멍(20)으로부터 돌출하는 나사산 형성부(41)로 종료된다.

도 1을 참조하면, 각각의 연결 볼트 장치(33)는 상표명 Spiralock®(등록 상표)으로 알려진 특수한 나사산을 갖는 너트 나사(43)를 포함한다. 그러나, Spiralock® 나사산 대신에 어떠한 등가의 자체 잠금 시스템도 이용될 수 있다.

너트 나사(43)는, 나사산 형성부(41) 상에 나사 체결되고 구멍(20)과 동축으로 결합하는 내측으로 나사산 형성된 관형부(44)를 포함하는 링 너트에 의해 형성된다. 링 너트는 또한 축(21)에 직각을 이루고 플레이트(17) 상에 올려지는 환형 플랜지(47)를 포함하며, 이 플랜지는 회전을 방지하기 위해 플레이트(17)의 에지에 맞도록 축(21)에 평행하게 만곡된 탭(48)을 갖는다.

도 3을 참조하면, 각각의 연결 볼트 장치(33)는 또한 형상과 크기가 동일한 2개의 부싱(50)을 포함하며, 이 부싱은 구멍(32)의 입구 및 출구와 동축으로 그리고 대칭 방식으로 끼워맞춤되어, 각각의 원통부(51)가 구멍(32)의 내측면과 축부(39)의 중간부(52) 사이에 개재된다. 2개의 부싱(50)은 각각의 환형 플랜지(54)를 포함하며, 이 플랜지는 축(21)에 직각을 이루고, 평탄부(31)와 플레이트(16, 17) 사이에 개재되며, 평탄부(31) 바로 위에 올려진다. 2개의 부싱(50)은 또한 댐핑 재료, 구체적으로 경화된 고무와 같은 탄성중합체 재료로 이루어진 중간층에 의해 각각 형성되는 각각의 댐퍼(55)를 포함한다. 각각의 댐퍼(55)는 원통부(51)를 따라 연장하는 부분(56)과 플랜지(54)를 따라 연장하는 부분(57)을 포함한다. 보다 구체적으로, 각각의 부싱(50)의 댐퍼(55)는 예컨대 금속과 같은 강성 재료로 구성되고 원통부(51)의 원통형 외측면과 플랜지(54)의 평탄한 외측면을 형성하는 2개의 동축 부재(58, 59) 사이에 끼워진다.

도 2를 참조하면, 각각의 플랜지(54)와 대응 플레이트(16, 17) 사이에 스페이서(60)가 개재되는 것이 바람직하다. 스페이서(60)는 회전을 방지하기 위해 플레이트(16, 17)의 에지에 맞도록 축(21)에 평행하게 만곡되는 각각의 탭(61)을 갖는다.

헬리콥터 구동 장치(1)가 작동하고 있을 때에 링(30)에 의해 나사(34)에 전달되는 작은 움직임은, 돌출하는 것과는 반대로, 서로 떨어져 이격되어 있고 포크(15)의 플레이트(16, 17)에 의해 정해지는 2개의 지점에서 아암(14)에 의해 지지되는 각각의 나사(34) 때문에, 상대적으로 전단 응력을 거의 발생하지 않는다.

이와 동시에, 댐퍼(55)는 구멍(32)의 내측면과 축부(39)의 외측면 사이의 축(5)에 대한 작은 상대적 법선 방향 움직임과 평탄부(31)의 평탄면과 플레이트(16, 17) 사이의 축(5)에 대한 작은 상대적 방사상 움직임을 보장하는 쿠션을 형성한다. 이들 작은 움직임이 슬라이드 없이 발생하고 또한 충격을 방지하도록 완충되기 때문에, 링(30)이 나사(34)에 의해 결합되고 아암(14)에 연결되는 영역에서의 마모가 감소된다.

플레이트(16, 17) 양자에 대해 부싱(50)이 동일하다는 사실은 비회전식 유니버설 조인트(10)를 조립하기 위한 부품 목록을 감소시키고, 또한 그에 따라 비용을 감소시킨다. 이와 동시에, 각각의 평탄부(31)를 위한 댐핑부(57)를 갖는 2개의 플랜지(54)를 이용하는 것은 축(21)을 따른 댐핑 작용을 2회 발생한다. 더욱이, 원통부(51)가 구멍(32)과 결합하기 때문에, 부싱(50)은 링(30)을 아암(14)에 끼워마추기 전에 링(30)에 끼워맞춤될 수 있어, 비회전식 유니버설 조인트(10)의 조립을 간략화한다.

헤드(35)와 너트 나사(43)가, 축(21)을 따라, 서로에 대해 고정된 부재 상에(즉, 플레이트(16, 17) 상에, 와셔(36)는 무시) 올려지기 때문에, 상대적으로 움직이는 부재와는 반대로, 나사(34)에 의한 연결은, 상대적으로 나사에 대한 토크가 거의 없는 경우에도, 확고하고 안정하게 되며, Spiralock® 나사산 및 와셔(36)는 나사가 풀리는 것을 방지하는데 도움을 준다.

최종적으로, 연결 부재(11, 12)의 형상은 아암(14)과 이어지는 굽어진 면(23)을 이루므로, 연결 부재(11, 12)는 거의 고장이 발생하지 않는다.

첨부된 청구범위에서 정해지는 바와 같은 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고서도 본 명세서에 예시되고 설명된 비회전식 유니버설 조인트(10)에 대해 변경이 이루어질 수 있음은 자명하다.

구체적으로, 댐핑 시스템이 구멍(19, 20)에도 제공될 수 있다.

Claims (13)

1. 헬리콥터 구동 장치용 비회전식 유니버설 조인트(10)로서,
   - 길이 방향 축(5)으로 연장되는 링(30)에 의해 형성되는 스파이더(spider)로서, 상기 링은 90° 떨어져 이격된 4개의 연결부(31)를 가지며, 상기 연결부가 상기 길이 방향 축(5)에 대하여 반경 방향으로 연장되는 각각의 제1 관통 구멍(32)을 갖는, 스파이더;
   - 엔진(2)의 케이스(6) 및 감속 기어(3)의 케이스(7)에 대해 고정되고, 각각의 아암(14)의 쌍을 포함하는 2개의 연결 부재(11, 12)로서, 각각의 연결 부재(11, 12)의 아암(14)이 직경 방향으로 서로 대향하여 위치되고, 다른 연결 부재의 아암에 대하여 90°오프셋되어 있고, 각각의 포크(fork)(15)를 포함하며, 각각의 포크(15)는 대응하는 상기 연결부(31)에 의해 결합되는 법선 방향의 슬롯(18)을 사이에 형성하고 있는 2개의 대향 핑거(16, 17)를 포함하며, 각각의 포크(15)의 핑거(16, 17)는 대응하는 상기 연결부(31)에 있는 상기 제1 관통 구멍(32)과 동축을 이루는 각각의 제2 관통 구멍(19, 20)을 갖는, 2개의 연결 부재(11, 12); 및
   - 각각의 포크(15)를 대응하는 상기 연결부(31)에 각각 고정하는 4개의 연결 볼트 장치(33)로서,
   a) 상기 제1 관통 구멍(32) 및 상기 제2 관통 구멍(19, 20)과 결합하는 축부(shank)(39)를 갖는 나사(34);
   b) 상기 축부(39)의 나사산 형성된 단부 부분(41)에 나사 체결되는 너트 나사(43)
   를 각각 갖는 4개의 연결 볼트 장치(33)
   를 포함하며,
   상기 연결 볼트 장치(33)는, 상기 나사(34)의 축부(39)와 상기 링(30)의 연결부(31) 사이에 개재되는 제1 댐핑 수단(56), 및 상기 링(30)의 연결부(31)와 상기 포크(15)의 핑거(16, 17) 사이에 개재되는 제2 댐핑 수단(57)을 포함하고,
   각각의 상기 연결 볼트 장치(33)는 적어도 하나의 부싱(bushing)(50)을 포함하며, 상기 부싱은 상기 제1 댐핑 수단(56) 및 상기 제2 댐핑 수단(57)을 포함하고, 상대적인 상기 제1 관통 구멍(32)과 결합하고,
   각각의 부싱(50)은, 서로 동축을 이루고 상기 제1 댐핑 수단(56)의 양측면에 고정되는 2개의 강성 부재(58, 59)를 포함하고,
   각각의 상기 부싱(50)의 상기 강성 부재는 상기 제2 댐핑 수단(57)의 양측면에도 고정되는, 비회전식 유니버설 조인트.
2. 제1항에 있어서,
   각각의 상기 연결부(31)에 대하여, 상기 제1 댐핑 수단(56) 및 상기 제2 댐핑 수단(57)은 댐핑 재료로 이루어진 층(55)에 의해 형성되며, 상기 층은, 상기 축부(39)와 상기 연결부(31) 사이에 개재되는 제1 부분(56)과, 상기 제1 부분(56)에 결합되고 상기 연결부(31)와 이에 대응하는 상기 핑거(16, 17) 사이에 개재된 제2 부분(57)을 포함하는, 비회전식 유니버설 조인트.
3. 제1항에 있어서,
   각각의 상기 연결부(31)에 대하여, 각각의 쌍의 부싱(50)은 각각의 상기 제1 관통 구멍(32)의 입구와 출구에 끼워맞춤되는, 비회전식 유니버설 조인트.
4. 제3항에 있어서,
   상기 부싱(50)은 동일한 형상 및 크기를 갖는, 비회전식 유니버설 조인트.
5. 제4항에 있어서,
   상기 부싱(50)과 상기 핑거(16, 17) 사이에 개재되는 하나 이상의 스페이서(60)를 더 포함하는, 비회전식 유니버설 조인트.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   각각의 상기 너트 나사(43)는, 대응하는 상기 포크(15)에 있는 제2 관통 구멍(20)과 결합하는 내측으로 나사산 형성된 관형부(44)를 포함하는, 비회전식 유니버설 조인트.
7. 제6항에 있어서,
   각각의 상기 너트 나사(43)는, 대응하는 상기 포크(15)의 핑거(17)에 안착되는 환형 플랜지(47)를 포함하는, 비회전식 유니버설 조인트.
8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 너트 나사(43)의 나사산은 자체 잠금 시스템(self-locking system)을 포함하는, 비회전식 유니버설 조인트.
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