KR101858281B1

KR101858281B1 - 힘을 전달하기 위한 장치, 특히 지지 핸들

Info

Publication number: KR101858281B1
Application number: KR1020137008938A
Authority: KR
Inventors: 미햐엘 프랑크; 하쎌트 페터 판
Original assignee: 지멘스 에너지, 인코포레이티드
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2018-05-15
Also published as: DE102010040495A1; EP2601125A1; KR20130108344A; CN103167999B; JP5744205B2; CN103167999A; WO2012031972A1; US8844256B2; US20130161968A1; JP2013541679A

Abstract

본 발명은 힘을 전달하기 위한, 특히 부하를 지지하기 위한 장치(10)에 관한 것으로서, 이러한 장치는 길이가 같은 2개의 직선 림(13, 14)에 의해 서로 연결되어 있는 서로 마주하는 만곡된 2개의 아치 세그먼트(11, 12)를 포함한다. 만곡된 아치 세그먼트(11, 12)와 직선 림(13, 14)은 상기 아치 세그먼트와 림의 전이 지점(15, 16, 17, 18)에서 하나의 재료로 연속적으로 제조되어 있다. 힘 유입 및 유출이 2개의 볼트형 구조 요소(19, 20)에 의해 이루어지고, 이러한 구조 요소는 할당된 만곡된 아치 세그먼트(11, 12)에 매칭된 외형을 가지며, 힘의 전달을 위해 양 아치 세그먼트(11, 12) 내에 배치될 수 있다. 본 발명에 따라 림(13, 14)으로부터 아치 세그먼트(11, 12)로의 전이 지점(15, 16, 17, 18)에서 그리고 각 아치 세그먼트(11, 12)를 따라서 곡률의 전이가 일정하다.

Description

힘을 전달하기 위한 장치, 특히 지지 핸들{DEVICE FOR TRANSMITTING A FORCE, IN PARTICULAR A CARRYING HANDLE}

본 발명은 힘을 전달하기 위한, 특히 부하를 지지하기 위한 장치에 관한 것으로서, 이러한 장치는 길이가 같은 2개의 직선 림(limb)에 의해 서로 연결되어 있는, 서로 마주하는 동일하게 만곡된 2개의 아치 세그먼트를 포함하며, 만곡된 아치 세그먼트와 직선 림은 아치 세그먼트와 림의 전이 지점에서 하나의 재료로 연속적으로 제조되어 있으며, 힘 유입 및 유출이 2개의 볼트형 구조 요소에 의해 이루어지고, 구조 요소는 이에 할당된 아치 세그먼트에 매칭되는 외형을 가지며, 힘의 전달을 위해 양 아치 세그먼트 내에 배치될 수 있다. 또한, 본 발명은 상술한 유형의 장치에 대한 힘 유입 및 유출을 위한 볼트형 구조 요소에 관한 것이다.

힘을 전달하기 위한 장치는 예를 들어 지지 핸들의 형태나 체인 링크로 이루어지는 체인의 형태로 공지되어 있다. 그와 같은 장치들의 다수는 예를 들어 큰 부하의 지지에 사용된다. 하기의 설명에서 주로 힘을 전달하기 위한 루프들이 참고가 될 것이다. 이는 용이한 설명을 위한 것일뿐 본 발명을 제한하는 것으로 볼 수는 없다. 모든 실시예들은 적절한 방식으로 체인 링크에 전달될 수 있다.

지지 핸들(간단히 루프)은 일반적으로 소위 루프 헤드라고도 하는 반원 형상의 2개의 세그먼트들 및 그 사이에 있는 직선 영역들로 이루어진다. 만약 루프가 복합 재료, 예를 들어 수지로 함침된 (케블라) 섬유로 형성되면, 치수 안정적인 루프가 "심 지점(seam point)" 없이 일체형으로 형성될 수 있다. 치수 안정적이란 루프가 부하가 없어도 그리고 (바닥에 대한) 루프의 방향과 상관없이 전술한 형태를 가지는 것을 말한다. 힘의 유입 및 유출은 볼트형 구조 요소에 의해 이루어지고, 구조 요소는 루프 헤드의 반원 형상에 매칭되는 외형을 가지며 루프 헤드 안에 배치되므로, 구조 요소들이 직선 영역과 접촉하지 않는다. 구조 요소에 의해 방사 방향 압력이 루프 헤드 안에 도입된다. 구조 요소에 의해 가해지는 방사 방향 압력은 루프 헤드에서 섬유 방향으로 인장력으로 변환된다. 직선 영역들에서 양 루프 헤드들 사이에서 힘 전달은 인장 부하에 의해 루프의 섬유 방향으로 이루어진다.

축방향 인장력, 즉 섬유 방향 인장력과 방사 방향 압력, 즉 섬유 방향에 수직인 힘 효과는 루프 헤드에서 복합 부하를 야기한다. 복합 부하는 한 편으로 루프에 의해 최대로 전달가능한 힘을 제한하며, 이 힘은 섬유 복합 재료로 이루어지는 루프에서 섬유 방향에 수직인 재료의 최대 압력 부하 수용 능력에 의해 정해진다. 다른 한 편으로 복합 부하는 루프 헤드로부터 직선 영역으로 전이 영역에서 재료 응력의 심한 초과를 야기한다. 주지하다시피 소위 응력 초과 때문에 루프가 전이 지점들의 영역에서 기능 상실한다. 그러므로 전이 지점들은 루프의 최대 지지 강도를 제한한다. 이로 인해 나머지 영역들에서 재료 강도가 부분적으로만 활용되는데, 특히 섬유 복합 재료로 이루어지는 루프의 경우에 섬유들이 주연부를 둘러싸야 하고 다른 한편으로 가장 약한 지점이 필수적 기하 구조와 이에 따라 필수적 재료 사용을 결정하기 때문이다.

도 1에는 위에서 더욱 설명한 것처럼 전형적인 종래 루프의 구조가 개략적으로 도시되어 있다. 루프로서 형성된 힘 전달 장치(10)는 서로 마주하는, 각각의 경우 반원 형상의 2개의 아치 세그먼트(11, 12)를 포함한다. 아치 세그먼트들(11, 12)은 길이(L)를 갖는, 길이가 같은 2개의 직선 림(13, 14)에 의해 서로 연결되어 있다. 전이 지점들은 도면 부호 15, 16, 17, 18로 기입되어 있다. 사용된 루프용 재료에 따라서 아치 세그먼트(11, 12)는 전이 지점들의 영역에서 기계적으로, 예를 들어 재료 결합식으로 림(13, 14)과 서로 연결될 수 있을 것이다. 만약 루프가 섬유 복합 재료로 형성되면, 만곡된 아치 세그먼트(11, 12)와 직선 림은 전이 지점들(15, 16, 17, 18)에서 연속적으로 하나의 재료로, 즉 수지로 함침된 섬유로 제조된다. 그러므로 전이 지점들(15, 16, 17, 18)은 직선 림(13, 14)에 대한 아치 세그먼트(11, 12)의 강제 결합에만 관련된 루프 영역들을 나타낸다.

힘의 유입과 유출은 횡단면으로 도시된 2개의 볼트형 구조 요소(19, 20)에 의해 이루어진다. 아치 세그먼트(11, 12)는 반원의 형상을 가지기 때문에, 구조 요소(19, 20)의 외형(21, 22) 역시 반원 형상으로 형성되므로, 외형(21, 22)이 전부 아치 세그먼트(11, 12)와 접촉한다. 그러므로 구조 요소(19, 20)의 외형(21, 22)은 구조 요소들이 전이 지점들(15와 18 또는 16과 17)에 직접 접하지만 직선 림(13, 14)과 접촉을 가지지 않도록 이루어진다. 그러므로 일정한 힘 유입과 유출이 보장된다. 힘 유입에 관련된 힘 유입 요소들의 영역만이 표시되어 있다. 물론 볼트는 직선 세그먼트(13과 14)의 영역 안으로 연장할 수도 있다.

림(13, 14)의 길이(L)는 원칙적으로 임의로 선택될 수 있다. 도면 부호 R은 아치 세그먼트(11, 12)의 반경이다. 개략적인 도면에서 양 아치 세그먼트(11, 12)의 반경은 동일하다. 실제로 아치 세그먼트들의 반경은 다를 수도 있으며, 그런 경우 더 작은 반경을 갖는 아치 세그먼트가 지지 강도를 결정한다. 아치 세그먼트(11, 12)와 림(13, 14)은 전체 곡선에 걸쳐 같은 두께(D)를 갖는다.

섬유 복합 재료로 이루어지는 루프의 경우에 축방향 인장력과 방사 방향 압력의 복합 부하가 매치되도록, 루프 크기는 가장 큰 부하를 받는 지점들의 고려하에, 필요한 전달될 힘 및 허용된 응력에 따라 정해진다. 그러나 이 때문에 루프 기하 구조, 즉 루프의 섹션들의 두께(D) 및 아치 세그먼트의 반경(R)은 상당한 제한을 받는다. 그와 같은 루프 기하 구조는 큰 부하를 받는 루프들을 이용하여야 하는 적용예들을 억제할 수 있다. 예를 들어 다수의 루프에 의해 핫 폴 코어(hot pole core)를 갖는 HTS 발전기의 초전도성 여자기 권선의 현수가 그런 경우이다. 이런 적용에서 루프에 의해 원하지 않는 방식으로 열 전달이 이루어지기 때문에, 루프 섹션들의 두께(D)(일반적으로 횡단면)를 가능한 한 작게 유지하는 것이 사실 바람직할 수도 있을 것이다. 고장이 적도록 전이 지점에서 응력 초과를 구성할 수 있도록, 루프 횡단면은 직선 부분에서 힘 전달에 필요한 것보다 휠씬 더 크게 선택되어야 한다. 냉각부에서 그로 인한 입열량 증가를 보상하기 위해, 다시 루프의 직선 림의 길이(L)는 상응하게 확대되어야 한다. 이는 다시 기하학적 이유 및 전자기적 이유 때문에 부분적으로 불가능하며, 적어도 바람직하지 않다.

그러므로 본 발명의 과제는 종래 장치에 비해 그리고 동일 횡단면에 비해 더 큰 힘이 전달될 수 있는, 힘을 전달하기 위한, 특히 부하를 지지하기 위한 장치를 제공하는 데 있다. 또한, 본 발명의 과제는 힘의 전달을 위한 대응 구조 요소를 제공하는 데 있다.

상기 과제들은 청구범위 제1항의 특징들에 따른 장치에 의해 해결되고, 청구범위 제7항의 특징들에 따른 구조 요소에 의해 해결된다. 유리한 실시예들이 종속항들에서 나온다.

본 발명은 힘을 전달하기 위한, 특히 부하를 지지하기 위한 장치를 제공하며, 상기 장치는 길이가 같은 2개의 직선 림에 의해 서로 연결되어 있는, 서로 마주하는 동일하게 만곡된 2개의 아치 세그먼트를 포함하고, 만곡된 아치 세그먼트와 직선 림은 전이 지점들에서 하나의 재료로 연속적으로 제조되어 있으며, 힘 유입 및 유출이 2개의 볼트형 구조 요소에 의해 이루어지고, 구조 요소는 이에 할당된 만곡된 아치 세그먼트에 매칭되는 외형을 가지며, 힘의 전달을 위해 양 아치 세그먼트 내에 배치될 수 있다. 본 발명에 따라 림으로부터 아치 세그먼트로의 전이 지점들에서 그리고 각 아치 세그먼트를 따라서 곡률선이 일정하다.

다시 말하면, 이는 직선 림들의 "곡률" 및 아치 세그먼트들의 곡률이 일정하게 전이하는 것을 의미한다. 이런 방법에 근거하는 인식은 적지 않은 부분의 응력 초과가 직선 림과 곡선 림 사이 전이부에서 세그먼트에 의해 발생하도록 이 지점에서 장치 영역들의 곡률이 일정하지 않기 때문이라는 데 있다. 곡률은 값 1/R로부터 점프하며, R은 직선 림의 곡률 0에 대한 아치 세그먼트에서 호의 반경이다. 직선 림과 아치 세그먼트 사이 곡률의 일정한 전이에 의해 이런 문제가 억제될 수 있다. 그러므로 방사방향 압력과 축방향 인장력으로 이루어지는 도입부에 설명한 복합 부하는 감소한다. 그 결과 - 종래 기술에 따른 장치와 비교할 때 - 같은 힘이 더 작은 재료 횡단면으로도 전달될 수 있다.

림들의 전이 지점에서 곡률선이 일정하고 선형이면 특히 바람직하다. 특히 더 나아가서 또는 대안으로서 각각의 아치 세그먼트를 따라 곡률선이 일정하고 선형이면 적절하다.

특히 바람직한 실시예로서 림들로부터 아치 세그먼트로의 전이 지점들에서 곡률의 전이가 클로소이드에 의해 형성되어 있다. 클로소이드의 곡률선은 종래 방식으로 계산될 수 있는데, 클로소이드가 도로 건설 및 레일 건설에 공지되어 있기 때문이다.

그외 실시예로서 이러한 장치는 특히 섬유 복합 재료로 이루어지는 루프이다. 섬유 복합 재료로 제조되는 루프는 나쁜 열전달 특성을 가지므로, 이것은 특히 가열된 요소 및 냉각된 요소들이 서로 연결되어야 하는 응용 분야에서 사용하기에 적합하며, 동시에 가능한 한 최소의 열교환이 일어나야 한다. 다른 한 편으로 섬유 복합 재료로 이루어지는 루프는 특히 전이 지점들의 영역에서 균일한 재료 곡선의 장점을 가지므로, 루프의 높은 힘 전달 및 안정성이 보장된다.

대안으로서 장치는 특히 금속으로 이루어지는 체인 링크가 될 수 있다. 체인 링크 역시 바람직하게는 하나의 재료로 연속적으로 제조되어 있으며, 이는 예를 들어 펀치 공정이나 압출 공정에 의해 제조될 수 있다.

또한, 본 발명은 전술한 종류의 장치에 대한 힘 유입 및 유출을 위한 볼트형 구조 요소를 제공한다. 구조 요소의 특징으로서 구조 요소가 이에 할당된 만곡된 아치 세그먼트에 매칭된 외형을 접촉 영역에서 가지며 이런 외형이 전술한 종류의 장치에서 사용할 때 적어도 전이 지점까지 돌출된다. 그와 같이 힘 전달을 위한 장치에 매칭된 구조 요소는 - 장치의 개별 영역들 또는 지점들에 특히 응력을 가하지 않고 - 힘이 구조 요소에 의해 최적의 방식으로 힘 전달을 위한 장치에 대해 유입 및 유출될 수 있도록 보장한다.

적절한 실시예로서 외형의 곡률은 일정하다. 만약 림들의 전이 지점들에서 곡률의 전이가 일정하고 선형이면, (전이 지점들의 영역에서) 외형의 곡률 역시 일정하고 선형인 것이 적절하다. 림들로부터 아치 세그먼트들로의 전이 지점들에서 곡률의 상응하는 전이가 마찬가지로 클로소이드에 의해 형성되면, 특히 외형의 곡률이 클로소이드에 의해 형성될 수 있다.

전술한 방식의 복수의 장치들 및 구조 요소들은 특히 핫 폴 코어를 가지는 발전기의 초전도 여자기 권선의 현수에 사용될 수 있다. 그러나 그 외에도 본 발명에 따른 고정 시스템은 다른 대상물의 현수에도 적합하다. 특히 종래 기술에 비해 본 발명에 따른 방법에 의해 힘 전달이 같을지라도 더 적은 설치 공간이 필요하게 된다.

하기에서 실시예를 참고하여 본 발명을 상술한다.

도 1은 종래 기술에 따라 루프로서 형성된 힘 전달 장치에 대한 개략도로서 이미 설명하였다.
도 2A 및 도 2B는 종래 기술에 따른 종래 루프와 비교할 때 본 발명에 따른 루프의 곡률선의 개략도이다.

도 2A와 도 2B에는 종래 루프(도 2B)의 디자인과 비교할 때 루프로서 형성된 본 발명에 따른 힘 전달 장치(10)(도 2A)의 디자인이 개략적으로 도시되어 있다. 이 경우 도 2B에 도시된 루프의 디자인은 도 1에서 이미 설명한 루프에 상응한다. 이해의 편의를 위해 도 2의 루프 두께는 도 1에 비해 라인 두께로 줄어들었다. 상응하는 방식으로, 서로 마주하는, 동일하게 형성된 아치 세그먼트(11, 12)가 반원 형상으로 형성되어 있다. 아치 세그먼트(11, 12)의 서로 마주하는 단부들은 길이(L)의 직선 림(13, 14)과 연결되어 있다. 전이 지점들, 즉 곡률이 일정하지 않고 아치 세그먼트(11, 12)에서의 값(1/R)으로부터 림(13, 14)에서의 0으로 진행하는 바로 그 지점들이 도면 부호 15, 16, 17, 18을 갖는다. 이 경우 R은 각 아치 세그먼트(11, 12)의 반경을 나타낸다.

도 2A에는 본 발명에 따른 루프의 디자인이 도시되어 있다. 용이한 비교를 위해 아치 세그먼트들(11, 12)을 서로 연결하는 직선 림(13, 14)은 도 2B에 따른 루프의 림과 같은 길이(L)를 갖는다. 서로 마주하는 아치 세그먼트(11, 12)는 클로소이드의 형태에 따라 형성되어 있으며 림(13, 14)으로부터 아치 세그먼트로의 전이 지점들에서 그리고 그외 곡선에서도 곡률의 일정한 선형 전이를 갖는다. 이는 직선 림에서 전이 지점들(15, 16, 17, 18)에서 0인 곡률이 각각의 아치 세그먼트(11, 12)의 곡률로 일정하게 그리고 선형으로 전이함을 의미한다.

실시예에 도시된 클로소이드 곡선에 대한 대안으로서, 직선 림으로부터 아치 세그먼트(11, 12)로의 일정한 전이를 가능하게 하는 다른 모든 곡선 형상도 적합하다.

제안된 방법에 의해, 응력 초과가 전이 지점들(15, 16, 17, 18)에서 감소할 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 루프의 횡단면은 도 2B의 종래 루프에 비해 감소할 수 있다.

설정된 힘을 신뢰성 있게 전달할 수 있도록, 루프에 대한 힘 유입과 힘 유출을 맡는 구조 요소들(19, 20) 역시 아치 세그먼트(11, 12)의 곡률선에 매칭되어야 한다. 이런 이유로 본 발명에 따른 장치(10)의 구조 요소(19, 20)는 아치 세그먼트(11, 12)의 곡률에 매칭된 외형(21, 22)을 갖는다. 그러므로 실시예에서 구조 요소(19, 20)의 외형 역시 클로소이드 형상이다.

구조 요소(19, 20)의 디자인에서 구조 요소들이 전부 아치 세그먼트(11, 12)에 접하지만 직선 림(13, 14)에는 접촉하지 않는다. 다시 말하면, 이는 구조 요소(19, 20)가 전이 지점(15, 16, 17, 18)의 영역에서 루프와 마지막 접촉을 갖는 것을 의미한다. 그러나 이는 반드시 필수적이지는 않다. 구조 요소들은 림(13, 14)과의 접촉도 가질 수 있다.

원칙적으로 본 발명에 따른 루프의 길이(L)는 임의로 선택될 수 있다. 그러므로 극단적 실시예에서 길이(L)는 0이 될 수도 있다. 그러나 만약 서로 마주하는 구조 요소들이 가열된 주변 및 냉각된 주변과 접촉하는 본 발명에 따른 루프가 부하의 지지에 사용되도록 하려면, 특정 림 길이(L)를 제공함으로써 열 전달이 감소할 수 있다. 길이(L)의 정확한 크기는 계산에 의해 또는 실험에 의해 결정될 수 있다.

마주하는 아치 세그먼트들(11, 12)의 반경은 이미 설명한 실시예에서 단지 예시적으로 (그러나 바람직하게도) 동일하다. 실제로 아치 세그먼트들의 반경은 다를 수도 있으며, 그런 경우 더 작은 반경을 갖는 아치 세그먼트가 지지 강도를 결정한다.

루프의 본 발명에 따른 실시예의 근거가 되는 인식은 응력 초과가 전이 지점들(15, 16, 17, 18)에서 곡률 전이의 불일정성과 상관 관계에 있다는 점이다. 최적화되지 않은 루프의 부하 수용 능력이 상기 전이의 일정한 디자인에 의해 현저히 상승할 수 있다. 루프가 최적인 경우 벽 두께가 상응하게 감소할 수 있다.

루프용 재료로서 섬유 복합 재료의 사용이 적절하다. 알다시피, 이런 상황에서 개별 섬유들은 수지 안에 매립되어 있다. 그러므로 임계 전이 지점들의 영역에서도 접합 지점 없는 루프의 연속하는 설계가 얻어진다.

Claims

힘을 전달하기 위한 장치(10)로서, 상기 장치는 길이가 같은 2개의 직선 림(13, 14)에 의해 서로 연결되어 있는, 서로 마주하는 만곡된 2개의 아치 세그먼트(11, 12)를 포함하며, 만곡된 아치 세그먼트(11, 12)와 직선 림(13, 14)은 상기 아치 세그먼트와 림의 전이 지점(15, 16, 17, 18)에서 하나의 재료로 연속적으로 제조되어 있으며, 힘 유입 및 유출이 2개의 볼트형 구조 요소(19, 20)에 의해 이루어지고, 상기 구조 요소는 할당된 만곡된 아치 세그먼트(11, 12)에 매칭되는 외형을 가지며, 힘의 전달을 위해 양 아치 세그먼트(11, 12) 내에 배치될 수 있는 힘을 전달하기 위한 장치에 있어서,
외형의 곡률은 일정하고 선형이고,
림(13, 14)으로부터 아치 세그먼트(11, 12)로의 전이 지점(15, 16, 17, 18)에서 그리고 각 아치 세그먼트(11, 12)를 따라서 곡률선이 일정하고 선형인 것을 특징으로 하는, 힘을 전달하기 위한 장치.
삭제
제1항에 있어서, 림(13, 14)으로부터 아치 세그먼트(11, 12)로의 전이 지점들(15, 16, 17, 18)에서 곡률의 전이가 클로소이드에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 힘을 전달하기 위한 장치.
제1항에 있어서, 힘을 전달하기 위한 장치는 루프에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 힘을 전달하기 위한 장치.
제1항에 있어서, 힘을 전달하기 위한 장치는 체인 링크인 것을 특징으로 하는, 힘을 전달하기 위한 장치.
제1항에 있어서, 서로 마주하는 아치 세그먼트들(11, 12)의 반경들이 같거나 다른 것을 특징으로 하는, 힘을 전달하기 위한 장치.
제1항에 따른 힘을 전달하기 위한 장치에 대한 힘의 유입 및 유출을 위한 볼트형 구조 요소(19, 20)에 있어서,
구조 요소는 접촉 영역에서 구조 요소에 할당된 만곡된 아치 세그먼트(11, 12)에 매칭된 외형을 가지며, 상기 외형은 제1항에 따른 힘을 전달하기 위한 장치에서 이용할 때 적어도 전이 지점까지 돌출되는 것을 특징으로 하는, 구조 요소.
삭제
제7항에 있어서, 외형의 곡률은 클로소이드에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 구조 요소.
핫 폴 코어를 갖는 발전기의 초전도성 여자기 권선을 현수하는 방법이며, 상기 방법은 제1항에 따른 힘을 전달하기 위한 복수 개의 장치들과 제7항에 따른 구조 요소들을 사용하는 방법.
삭제