KR102295137B1

KR102295137B1 - 비틀림 진동 감쇠기 스포크 디자인

Info

Publication number: KR102295137B1
Application number: KR1020177029295A
Authority: KR
Inventors: 슈헤일 만주르
Original assignee: 데이코 아이피 홀딩스 엘엘시
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2016-03-30
Publication date: 2021-08-27
Also published as: EP3277983B1; WO2016160875A1; EP3277983A1; CN107429817A; BR112017020953A2; JP6749934B2; JP2018511756A; EP3277983A4; KR20170133384A; US10443700B2; US20160290472A1; BR112017020953B1; CN107429817B

Abstract

비틀림 및 굽힘력과 진동 모두를 견디도록 설계되는 복수의 스포크를 갖는 비틀림 진동 감쇠기(TVD)가 개시된다. 중심 부재를 주변 림에 연결하는 스포크는 상기 중심 부재의 외측 반경 표면에 결합되는 제1 단부; 림의 내측 반경 표면에 결합되는 제2 단부; 및 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장하는 4개의 오목한 표면을 포함한다. 상기 오목한 표면들은 제1 단부로부터 제2 단부까지 오목할 수 있으며, 또한 전면부터 후면까지 또는 나란히 측면으로 오목할 수 있다. 하나 이상의 오목한 표면을 갖는 스포크가 구비된 허브를 갖는 비틀림 진동 감쇠기가 또한 본 명세서에 개시된다. 허브를 위해 스포크를 설계하는 방법이 또한 개시된다.

Description

비틀림 진동 감쇠기 스포크 디자인

본 출원 발명은 2015년 3월 30일에 출원된 미국 가출원 제 62/140,114 호의 이익을 주장하며, 이는 본 명세서에서 참조로 통합된다.

본 발명은 차량 파워트레인 및 드라이브트레인에서 사용되는 비틀림 진동 감쇠기에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 스포크(spoke)를 갖는 비틀림 진동 감쇠기 허브에 관한 것이다.

비틀림 진동 감쇠기(TVD)는 회전축에 내재되는 비틀림 진동을 감쇠시키는 데에 유용하며, 이 회전축은 자동차 또는 비자동차 용도에서 사용되는 크랭크축, 구동축, 추진축, 및 하프 샤프트를 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 보통, 비틀림 진동 감쇠기는 세 개의 구성품으로 이루어진다: (1) 진동 문제를 가진 회전축에 비틀림 진동 감쇠기를 부착하는 강성의 금속 브라켓(허브); (2) 특정 진동수에서 진동 축에 대해 역상으로 진동하여 얻어지는 축 진동의 크기를 감소시키는 능동 관성 부재(링); 및 (3) 탄성중합체 부재(스트립)에 있어서: (a) 스프링 감쇠기를 제공하여 특정 진동수로 비틀림 진동 감쇠기를 조정하는 것, 그리고 (b) 비틀림 진동 감쇠기에서 서로에 대해 허브 및 링을 위치시키는 것의 2개의 기능을 갖는 탄성중합체 부재(스트립).

비틀림 진동 감쇠기의 허브는 비틀림 진동 감쇠기를 진동축에 연결하는 중심 보어, 스트립을 위한 결합 표면(mating surface)을 제공하는 외측 플랜지, 및 상기 중심 보어를 외측 플랜지에 연결하는 복수의 스포크로 이루어져 있다. 상기 감쇠기의 허브는 구조적 브라켓이며 결합된 질량 및 관성은 시스템에서 진동을 감쇠시키는 것과 관련이 없다. 그러므로, 스포크 디자인은 허브에 적절한 구조적 강도 및 NVH 안정성을 주는 것과 사용되는 재료의 양을 최소화하는 것 사이의 균형이며, 그로 인해 기생 관성 및 질량을 감소시킨다. 스포크의 2개의 전통적인 스타일(테이퍼형 사각 빔 및 I-빔 스포크)이 보통 허브 디자인에서 사용된다.

상기 허브는 벨트 힘 및 벨트 토크와 같은 (회전 당 한 번) 교대 하중; 및 역동 토크와 같은 (감쇠기가 공진에 있을 때 회전 당 여러 번) 진동 하중의 결합을 경험한다. 그러나, 최근 몇년 간, 더 가볍고 더 유연한 축의 개발 및 사용과 함께, 진동 굽힘 하중이 때때로 문제된다. 이러한 진동 굽힘 하중이 작동할 때, 초래된 스포크 디자인은 진동 하중(통상 굽힘)의 한 종류에 대해 잘 설계되며 및 다른 것(보통 비틀림)에 대해 과도 설계되는 경향이 있다. 이것은 스포크 및 결과적으로는 허브가 필요 이상으로 무거워지는 것을 야기한다.

본 개시는 종래의 스포크들과 동일한 부피(양)의 재료를 사용하는 비틀림 진동 감쇠기 스포크, 및 비틀림 진동 감쇠기 스포크를 형성하는 방법에 관한 것이나, 동일한 비틀림 하중 지지 용량으로 굽힘 하중 지지 용량에서 상당한 증가를 촉진시킨다. 이것은 사실상 진동 비틀림 및 굽힘 하중이 동시에 나타나는 적용에서 더 가벼운 허브를 생산한다. 본 개시의 일 측면에 따르면, 중심 부재를 주변 림과 연결하는 스포크는 상기 중심 부재의 외측 반경 표면에 결합되는 제1 단부; 상기 주변 림의 내측 반경 표면에 결합되는 제2 단부; 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장하고 축 방향으로 향하는 제1 오목한 표면; 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장하고 상기 제1 오목한 표면에 거의 반대로 향하는 제2 오목한 표면; 제1 단부와 제2 단부 사이 및 제1 오목한 표면과 제2 오목한 표면 사이에서 연장하는 제3 오목한 표면; 및 제1 단부와 제2 단부 사이 및 제1 오목한 표면과 제2 오목한 표면 사이에서 연장하는 제4 오목한 표면을 포함하며, 상기 제4 오목한 표면은 제3 오목한 표면에 거의 반대로 향한다.

이전 실시예의 또 다른 측면에 따르면, 제1 오목한 표면 및 제2 오목한 표면은 제1 단부로부터 제2 단부까지 오목하다. 이전 실시예들의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 오목한 표면 및 제2 오목한 표면은 상기 제3 오목한 표면으로부터 제4 오목한 표면까지 연장하여 추가로 오목하다. 또 다른 측면에서, 상기 제3 오목한 표면 및 제4 오목한 표면은 제1 단부로부터 제2 단부까지 오목하며, 제1 오목한 표면으로부터 제2 오목한 표면까지 거의 평탄하다. 또 다른 측면에서, 제1 오목한 표면, 제2 오목한 표면, 제3 오목한 표면 및 제4 오목한 표면 중 적어도 하나의 적어도 하나의 오목한 형상(concavity)은 원호에 의해 형성된다. 또 다른 측면에서, 상기 제3 오목한 표면은 축 방향에 거의 수직으로 향한다. 또 다른 측면에서, 제2 단부의 너비는 제1 단부보다 더 작다. 또 다른 측면에서, 상기 제1 단부는 중심 부재의 외측 반경 표면을 따르는 형상을 가진다. 또 다른 측면에서, 상기 제2 단부는 상기 주변 림의 내측 반경 표면을 따르는 형상을 가진다.

본 개시의 또 다른 측면에서, 비틀림 진동 감쇠기가 개시되며, 이는 허브 및 이들 사이에 탄성 중합체 부재가 작동식으로(operatively) 위치되고 허브에 대해 동심인 관성 부재를 포함한다. 상기 허브는 중심 부재의 외측 반경 표면으로부터 주변 림의 내측 반경 표면까지 연장하는 복수의 스포크를 포함한다. 복수의 스포크 각각은 상기 중심 부재의 외측 반경 표면에 결합되는 제1 단부; 상기 주변 림의 내측 반경 표면에 결합되는 제2 단부; 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장하고 축 방향으로 향하는 제1 오목한 표면; 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장하고 제1 오목한 표면에 반대로 향하는 제2 오목한 표면; 제1 단부와 제2 단부 사이 및 상기 제1 오목한 표면과 제2 오목한 표면 사이에서 연장하는 제3 오목한 표면; 및 상기 제1 단부와 제2 단부 사이 및 제1 오목한 표면과 제2 오목한 표면 사이에서 연장하는 제4 오목한 표면을 포함하고, 상기 제4 오목한 표면은 제3 오목한 표면에 거의 반대로 향한다.

비틀림 진동 감쇠기의 이전 실시예의 또 다른 측면에 있어서, 스포크들 각각에 대해, 상기 제1 오목한 표면 및 제2 오목한 표면은 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장하여 오목하다. 또 다른 측면에서, 복수의 스포크들 각각에 대해, 제1 오목한 표면 및 제2 오목한 표면은 제3 오목한 표면으로부터 제4 오목한 표면까지 연장하여 추가로 오목하다. 또 다른 측면에서, 복수의 스포크들 각각에 대해, 제3 오목한 표면 및 제4 오목한 표면은 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장하여 오목하다. 또 다른 측면에서, 복수의 스포크들 각각에 대해, 제3 오목한 표면 및 제4 오목한 표면은 제1 오목한 표면으로부터 제2 오목한 표면까지 연장하여 거의 평탄하다.

이전 실시예들의 또 다른 측면에 있어서, 상기 제3 오목한 표면은 축 방향에 거의 수직으로 향한다. 또 다른 측면에서, 복수의 스포크들 각각에 대해, 제1 오목한 표면, 제2 오목한 표면, 제3 오목한 표면 및 제4 오목한 표면 중 적어도 하나의 적어도 하나의 오목한 형상은 원호에 의해 형성된다.

또 다른 측면에서, 전방 단부 부속 구동 시스템은 이전 실시예들의 비틀림 진동 감쇠기를 포함하고, 비틀림 진동 감쇠기는 함께 회전하는 크랭크축에 장착된다.

또 다른 측면에 따르면, 비틀림 진동 감쇠기를 위한 스포크를 설계하는 방법이 개시되며, 상기 방법은: 선택된 제1 오프셋만큼 중심 부재의 외측 직경으로부터 내측으로 중심 부재 오프셋 외측 직경을 그리는 단계; 주변 림 내측 직경으로부터 외측으로 주변 림 오프셋 내측 직경을 그리는 단계; 제1 스포크의 정중시상면을 나타내는 위치에서 중심 부재의 외측 직경의 중심으로부터 적어도 주변 림 오프셋 내측 직경까지 반경 방향 외측으로 제1 선을 그리는 단계; 인접한 제2 스포크의 정중시상면을 나타내는 위치에서 중심 부재의 외측 직경의 중심으로부터 적어도 주변 림 오프셋 직경까지 반경 방향 외측으로 제2 선을 그리는 단계; 제1 선에 평행하고 선택된 제2 오프셋만큼 그로부터 측면으로 상쇄되는 제3 선을 그리는 단계; 제2 선에 평행하고 그로부터 측면으로 상쇄되지만, 제2 오프셋만큼 제3 선쪽으로 향하는 제4 선을 그리는 단계; 제3 선, 제4 선, 및 중심 부재 오프셋 외측 직경에 접하는 제1 원호를 그리는 단계; 제1 선에 대해 제1 원호의 경상으로서 제2 원호를 그리고, 그로 인해 출발 스포크 형태의 대향하는 면들을 형성하는 단계; 상기 출발 스포크 형태를 형성하는 것을 제외하고 선들 및 직경 원들을 제거하는 단계; 출발 스포크 형태를 복수 회 재생성하고 재생성된 스포크 형태 중 중앙에 위치된 스포크 형태 위쪽 및 아래쪽에 각각 2 이상의 출발 스포크 형태를 배치하는 단계로서, 중앙에 위치된 스포크 형태의 위쪽 및 아래쪽의 최외측 스포크 형태는 인접한 스포크 형태가 중심 출발 스포크 형태에 가까운 것보다 상기 인접한 스포크 형태에 더 가깝고; 각각의 상기 최외측 스포크 형태의 인접한 모서리들의 각 세트를 사용하여 8개의 원호를 그리는 단계로서, 원호들은 인접한 모서리들 사이에서 연장하고 인접한 스포크 형태의 동일한 인접한 모서리들 사이의 중점을 통과하며; 상기 최외측 스포크 형태 중 하나의 모서리들 각각으로부터 다른 최외측 스포크 형태의 동일한 모서리까지, 축에 평행한 4개의 선분(line segment)을 그리는 단계; 및 오직 8개의 원호 및 4개의 선분을 유지하여, 제1 스포크의 3차원 형상을 형성하는 단계를 포함하는 단계를 포함한다.

또 다른 측면에 있어서, 비틀림 진동 감쇠기를 설계하는 방법이 개시되며, 상기 방법은 비틀림 진동 감쇠기를 위한 스포크를 설계하는 이전 실시예들에서의 단계 모두를 포함할뿐만 아니라 이하의 단계들을 포함한다: 상기 제1 스포크의 3차원 형상의 표면들을 형성하는 단계; 미리 선택된 스포크의 수와 동등한 복수의 스포크를 형성하기 위해 제1 스포크의 3차원 형상을 재생성하는 단계; 제1 단부 각각이 중심축 쪽으로 향하는 극 배열로서 비틀림 진동 감쇠기의 중심축에 대해 복수의 스포크를 배열하는 단계; 복수의 스포크 각각의 제1 단부에 접하여 중심 부재를 그리는 단계; 및 복수의 스포크 각각의 제2 단부에 접하여 주변 림을 그리는 단계를 포함하는 단계.

이전 실시예의 또 다른 측면에서, 상기 중심 부재를 그리는 것은 상기 중심 부재를 드러내는 단계를 포함하고, 상기 주변 림을 그리는 것은 상기 주변 림을 드러내는 단계를 포함한다. 이전 실시예들의 또 다른 측면에서, 상기 방법은 상기 중심 부재의 워셔 표면을 압출하는 단계를 추가로 포함한다. 또 다른 측면에서, 상기 방법은 시일 노즈(seal nose)를 형성하기 위해 상기 허브의 하나의 축 표면상에 원을 그리는 단계/생성하는 단계를 포함한다. 이전 실시예들의 또 다른 측면에서, 상기 방법은 시일 노즈를 축 방향으로 연장하는 단계 및 모따기들 및 필렛들을 추가하는 단계를 포함한다.

개시된 발명의 많은 양태들은 이하의 도면들을 참고하여 쉽게 이해될 수 있다. 도면에 나타나 있는 구성품은 반드시 척도에 따를 필요는 없고, 대신에 본 개시의 원리를 명확히 설명하는데에 강조를 두고 있다. 또한, 도면에서, 유사한 참조 번호는 몇몇 도면을 통해 대응하는 부품을 나타낸다.
본 특허 또는 출원 발명은 컬러로 된 적어도 하나의 도면을 포함한다. 컬러 도면(들)으로 된 본 특허 또는 출원 공보의 복사본은 신청 및 수수료의 지불에 의해 특허청에 의해 제공될 것이다.
도 1은 전방 단부 부속 구동 시스템(front end accessory drive system)에 있는 구성품의 사시도이다.
도 2는 도 1의 전방 단부 부속 구동 시스템에서 사용되는 통상의 비틀림 진동 감쇠기의 축방향 단면 사시도이다.
도 3은 도 2의 비틀림 진동 감쇠기의 허브의 전방 사시도이다.
도 4는 도 3에서 허브의 스포크에 대한 일 실시예의 전방 사시도이다.
도 5는 도 4의 스포크의 투시선도(perspective line drawing)이다.
도 6 내지 도 15는 도 3 및 도 4의 스포크의 설계 방법의 단계를 도시하는 선도이다.
도 16 내지 도 20은 도 3 및 도 4의 스포크의 설계 방법의 추가적인 단계를 도시하는 사시도이다.
도 21은 고정된 비틀림 모멘트에 대응하는, 전통적인 I-빔 디자인의 스포크를 갖는 종래 기술의 허브의 유한 요소 모델의 3D 플롯이다.
도 22는 고정된 굽힘 모멘트에 대응하는 도 21의 허브의 유한 요소 모델의 3D 플롯이다.
도 23은 고정된 굽힘 모멘트 및 고정된 비틀림 모멘트 모두에 대해 본 명세서에서 개시된 바와 같은 본 발명의 실시예에 대하여 2개의 종래 기술 허브들의 유한 요소 모델의 3D 플롯의 비교이다.

이제, 도면에 도시되어 있는 바와 같은 실시예에 대한 설명을 상세히 참조하도록 한다. 여러 개의 실시예가 도면들과 함께 개시되지만, 본 개시를 본 명세서에서 개시되는 실시예(들)에 한정하고자 하는 것은 아니다. 반대로, 모든 대안예, 변형예 및 등가예도 포괄하는 것이다.

이제 도 1을 참조하면, 전방 단부 부속 구동(FEAD) 시스템(10)의 예시적 실시예가 단순히 실례를 들기 위한 목적으로 나타나 있다. FEAD(10)는 바람직하게는 엔진에 장착될 수 있으며, 예컨대, 진공 펌프, 연료 분사 펌프, 오일 펌프, 물 펌프, 파워 스티어링 펌프, 공기 조화 펌프, 발전기(alternator), 벨트 텐셔너 또는 캠 구동기와 같은 다수의 엔진 구동 부속품(18)을 포함할 수 있다. 구동 부속품(18)은 적어도 하나의 무단 구동 벨트(24)에 의해 구동되며, 이는 또한 크랭크축(30)의 노즈(28)에 장착되는 비틀림 진동 감쇠기(26)와 맞물림된다. 크랭크축(30)은 비틀림 진동 감쇠기(26)를 구동시키며, 그로 인해 무단 구동 벨트(24)를 구동시키고, 이것이 차례로 잔여 엔진 구동 부속품(18) 및 발전기(20)를 구동시킨다.

이제 도 2를 참조하면, 비틀림 진동 감쇠기(26)의 예시적 실시예가 실례를 들기 위한 목적으로 나타나 있다. 비틀림 진동 감쇠기(26)는 회전 허브(32) 및 크랭크축의 진동 주파수를 감쇠 및/또는 흡수하기 위해 감쇠기 탄성중합체 부재(34)에 의해 관성 부재(36)에 작동식으로 결합되는 허브(32)를 포함한다. 감쇠기 탄성중합체 부재(34) 및 관성 부재(36)는 감쇠기 집합적으로 조립체(44)로서 본 명세서에서 언급될 수 있다. 비틀림 진동 감쇠기(26)는 또한 FEAD 시스템에 대한 크랭크축의 강성 몸체 모드 진동의 이동을 막기 위해 분리기(isolator)(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.

관성 부재(36)는 통상 허브(32)에 반경 방향 동심이며 허브(32)로부터 외측으로 이격되므로, 관성 부재(36) 및 허브(32)는 그 사이에 갭을 형성한다. 관성 부재(36)(또한 본 명세서에서 풀리 몸체로서 개시됨)는 감쇠기 탄성중합체 부재(34)와 맞물림을 위한 내측 반경 표면(38) 및 도 1의 FEAD 시스템(10)에서 벨트(24)와 같은 무단 구동 벨트와 맞물림을 위한 벨트 맞물림부(40)를 갖는다. 감쇠기 탄성중합체 부재(34)는 허브(32)와 관성 부재(36)를 비강성적으로 결합하기 위해 관성 부재(36)와 허브(32) 사이에 형성되는 갭으로 압입 끼워맞춤되거나 삽입될 수 있다. 감쇠기 탄성중합체 부재(34)는 미국 특허 출원 번호 제 7,658,127 호에서 개시되며, 전체 내용은 본 명세서에 참조로 통합되어 있다.

도 3은 비틀림 및 굽힘 하중 모두를 견디도록 설계된 스포크를 갖는 허브(32)를 개시한다. 허브(32)는 중심 보어(52) 및 외측 반경 표면(54)을 갖는 중심 부재(50); 중심 부재(50)에 거의 반경 방향 동심이고, 중심부재(50)로부터 반경 방향 외측으로 이격되며, 내측 반경 표면(58)과 외측 반경 표면(59)을 갖는 주변 림(56); 및 중심 부재(50)의 외측 반경 표면(54)으로부터 주변 림(56)의 내측 반경 표면(58)까지 연장하는 복수의 스포크(60)를 갖는다. 허브(32)는 중심 보어(52)를 통해 크랭크축을 수용함으로써 크랭크축에 장착될 수 있다. 주변 림(56)은 림(56)으로서 본 명세서에서 지칭될 수 있다. 림(56)은 감쇠기 조립체에 맞물림하기 위해 외측 반경 표면(59)을 갖는다. 허브(32)는 공지 기술 또는 이후 개발된 기술을 사용하여 주조되거나, 회전 가공되거나, 단조되거나, 기계 가공되거나 또는 몰딩될 수 있다. 일부 실시예들에서, 허브(32)는 용접되거거나, 납땜되거나, 또는 단일 부품을 형성하기 위해 부착되는 하나 이상의 부분일 수 있다. 허브(32)의 적합한 재료는 철, 강, 알루미늄, 기타 적합한 금속, 플라스틱, 또는 복합 재료들을 포함한 이들의 조합을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

이제 도 3 내지 도 5를 참조하면, 복수의 스포크(60)는 도 3에서 도시된 바와 같이 3개의 스포크(60)를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 다른 실시예들에서, 허브(32)는 중심 부재(50)로부터 림(56)까지 연장하는 3 초과의 스포크(60)를 가질 수 있다. 복수의 스포크(60) 각각은 중심 부재(50)의 외측 반경 표면(54)에 결합되는 제1 단부(62) 및 림(56)의 내측 반경 표면(58)에 결합되는 제2 단부(64)를 가진다. 일 실시예에서, 제2 단부(64)의 너비(W)는 제1 단부(62)의 너비(W')보다 작을 수 있다. 중심 부재(50)의 외측 반경 표면(54)은 윤곽(contour)을 가지며, 스포크(60)의 제1 단부(62)는 중심 부재(50)의 외측 반경 표면(54)의 윤곽을 따르는 형상을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 중심 부재(50)의 외측 반경 표면(54)의 윤곽은 원통형이며, 스포크(60)의 제1 단부(62)는 거의 아치형일 수 있으므로, 스포크(60)의 제1 단부(62)는 중심 부재(50)의 외측 반경 표면(54)에 맞춤되고 일치된다. 각 스포크(60)의 제2 단부(64)는 림(56)의 내측 반경 표면(58)의 윤곽을 따르는 형상을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 림(56)의 내측 반경 표면(58)의 윤곽은 원통형이며, 스포크(60)의 제2 단부(64)는 림(56)의 원통형 내측 반경 표면(58)에 일치되기 위해 거의 아치형이다. 중심 부재(50)의 외측 반경 표면(54) 및 림(56)의 내측 반경 표면(58)은 스포크(60)의 제1 단부(62) 및 제2 단부(64)가 각각 이를 따르는 다른 형상들을 가질 수 있다는 것을 알 수 있다.

복수의 스포크(60) 각각은 제1 단부(62)로부터 제2 단부(64)까지 속이 꽉 차있고, 도 3 내지 도 5를 참조하면, 제1 오목한 표면(66), 제2 오목한 표면(68), 제3 오목한 표면(70), 및 제4 오목한 표면(72)에 의해 추가로 형성되며, 이들 모두는 스포크(60)의 제1 단부(62)로부터 제2 단부(64)까지 연장한다. 제1 오목한 표면(66) 및 제2 오목한 표면(68)은 스포크(60)의 거의 대향하는 표면들이며 거의 축 반대 방향으로 대면한다. 제3 오목한 표면(70) 및 제4 오목한 표면(72)은 스포크(60)의 대향하는 표면들이며 제1 오목한 표면(66) 및 제2 오목한 표면(68)에 거의 수직으로 위치된다. 일 실시예에서, 제3 오목한 표면(70)은 제1 오목한 표면(66)의 제1 에지(76)로부터 제2 오목한 표면(68)의 제1 에지(78)(도 5 참조)까지 연장할 수 있다. 제4 오목한 표면(72)은 스포크(60)의 제1 단부(62)로부터 제2 단부(64)까지 연장할 수 있으며, 스포크(60)의 길이를 따라 제1 오목한 표면(66)으로부터 제2 오목한 표면(68)까지 또한 연장할 수 있다. 일 실시예에서, 제4 오목한 표면(72)은 제1 오목한 표면(66)의 제2 에지(80)로부터 제2 오목한 표면(68)의 제2 에지(82)까지 연장할 수 있다. 제3 오목한 표면(70)은 축 방향에 거의 수직일 수 있는 방향으로 향하며, 제4 오목한 표면(72)은 제3 오목한 표면(70)이 향하는 방향에 거의 반대인 방향으로 향한다.

계속해서 도 3 내지 도 5를 참조하면, 제1 오목한 표면(66)은 스포크(60)의 제1 단부(62)로부터 제2 단부(64)까지 오목할 수 있다. 제1 오목한 표면(66)은 제1 오목한 표면(66)의 제1 에지(76)로부터 제2 에지(80)까지 오목할 수 있으며, 이는 또한 제1 오목한 표면(66)이 제3 오목한 표면(70)으로부터 제4 오목한 표면(72)까지 오목할 수 있다는 것으로 기재될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 오목한 표면(66)은 제1 단부(62)부터 제2 단부(64)까지 및 제1 오목한 표면(66)의 제1 에지(76)로부터 제2 에지(80)까지 오목할 수 있다. 제2 오목한 표면(68)은 스포크(60)의 제1 단부(62)로부터 제2 단부(64)까지 오목할 수 있다. 제2 오목한 표면(68)은 제2 오목한 표면(68)의 제1 에지(78)로부터 제2 에지(82)까지 오목할 수 있으며, 이는 또한 제2 오목한 표면(68)이 제3 오목한 표면(70)으로부터 제4 오목한 표면(72)까지 오목해 질 수 있는 것으로써 기재될 수 있다. 일 실시예에서, 제2 오목한 표면(68)은 제1 단부(62)로부터 제2 단부까지 및 제2 오목한 표면(68)의 제1 에지(78)로부터 제2 에지(82)까지 오목할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 오목한 표면(66)은 제2 오목한 표면(68)의 오목한 형상(concavity) 또는 윤곽과 동일한 오목한 형상 또는 윤곽을 가질 수 있다.

제3 윤곽 표면(70)은 스포크(60)의 제1 단부(62)로부터 제2 단부(64)까지 오목하다. 제3 오목한 표면(70)은 제1 오목한 표면(66)으로부터 제2 오목한 표면(68)까지 오목할 수 있다. 일 실시예에서, 제3 오목한 표면(70)은 제1 단부(62)로부터 제2 단부(64)까지 오목할 수 있지만, 제1 오목한 표면(66)부터 제2 오목한 표면(68)까지 연장하여 거의 평탄하거나 직선으로 될 수 있다(즉 측면으로가 아니라, 제1 단부로부터 제2 단부까지만 오목함). 또 다른 실시예에서, 제3 오목한 표면(70)은 제1 단부(62)부터 제2 단부(64)까지 및 제1 오목한 표면(66)부터 제2 오목한 표면(68)까지 모두 오목할 수 있다. 제4 오목한 표면(72)은 스포크(60)의 제1 단부(62)로부터 제2 단부(64)까지 오목하다. 제4 오목한 표면(72)은 또한 제1 오목한 표면(66)으로부터 제2 오목한 표면(68)까지 오목할 수 있다. 일 실시예에서, 제4 오목한 표면(72)은 제1 오목한 표면(66)으로부터 제2 오목한 표면(68)까지 연장하여 거의 평탄/직선이 될 수 있다(즉 측면으로 오목하지 않음). 또 다른 실시예에서, 제4 오목한 표면(72)은 제1 단부(62)부터 제2 단부(64)까지 및 제1 오목한 표면(66)부터 제2 오목한 표면(68)까지 오목할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제3 오목한 표면(70)은 제4 오목한 표면(72)의 오목한 형상 또는 윤곽과 동일한 오목한 형상 또는 윤곽을 가질 수 있다.

전술된 오목한/오목한 형상은 형상의 중심을 향해 내측으로 구부러지거나 굴곡진 표면의 윤곽을 통상 지칭하며; 이러한 경우에, 이 형상은 스포크(60)이다. 전술된 표면들의 오목한 형상들(제1 오목한 표면(66), 제2 오목한 표면(68), 제3 오목한 표면(70), 및 제4 오목한 표면(72))은 통상 원형(아치형), 타원형, 포물선형, 쌍곡선형 또는 기타 굴곡진 형상일 수 있다. 오목한 형상은 하나 이상의 방향을 기준으로 발생할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 오목한 표면(66), 제2 오목한 표면(68), 제3 오목한 표면(70), 및 제4 오목한 표면(72) 중 적어도 하나는 원호에 의해 형성되는 오목한 형상을 가진다. 일 실시예에서, 제1 오목한 표면(66), 제2 오목한 표면(68), 제3 오목한 표면(70), 및 제4 오목한 표면(72) 중 적어도 하나는 측면으로 표면을 가로질러서 그리고 제1 단부(62)로부터 제2 단부(64)까지 반경 방향으로 아치형 오목한 형상을 가지므로, 표면은 구의 표면 윤곽을 따른다.

도 6 내지 도 21을 참조하면, 본 개시의 스포크를 설계하는 방법이 개시될 것이다. 상기 방법은 손을 이용하는 전통적인 작도 기술에 의해 또는 컴퓨터 이용 도면 소프트웨어의 이용을 통해 수행될 수 있다. 두 경우 모두에서, 상기 방법은 다수의 도면층(drawing layer)의 이용을 포함할 수 있다. 도 6에서 나타난 바와 같이, 4개의 직경은 비틀림 진동 감쇠기의 중심축(101)에 대해 먼저 그려진다(중심축(101)은 지면에 수직으로 연장하며, 지면 상에 도 6이 프린트되고 따라서 점 또는 중심점으로서 표시되고, 4개의 직경은 이에 대해 거의 동심이다). 4개의 직경은 허브의 이하의 구체적인 물리적 측면들을 나타낸다: 중심 보어(102), 중심 부재의 외측 반경 표면(104), 림의 내측 반경 표면(106), 및 림의 외측 반경 표면(108). 중심 부재의 외측 반경 표면을 나타내도록 그려진 상기 직경은 중심 부재 외측 직경(104)으로서 지칭될 수 있으며, 림의 내측 반경 표면(106)은 본 명세서에서 림 내측 직경(106)으로서 지칭될 수 있다.

이제 도 7을 참조하면, 중심 부재 오프셋 외측 반경(110)은 중심 부재 외측 직경(104)으로부터 내측으로 그려지며, 중심 부재 오프셋 외측 직경(110)은 중심 부재 오프셋(111)만큼 중심 부재 외측 직경(104)보다 작으며, 이는 중심 부재 오프셋 외측 직경(110)으로부터 중심 부재 외측 직경(104)까지 반경 거리이다. 림 오프셋 내측 반경(112)은 림 내측 반경(106)으로부터 외측으로 그려지므로, 림 오프셋 내측 반경(112)은 림 오프셋(113)만큼 림 내측 반경(106)보다 더 크고, 이는 림 오프셋 내측 반경(112)으로부터 림 내측 반경(106)까지의 반경 거리이다. 림 오프셋 내측 반경(112) 및 중심 부재 오프셋 외측 반경(110)은 중심축(101)(중심점)에 대해 거의 동심일 수 있다. 중심 부재 오프셋(111) 및 림 오프셋(113)은 통상 제1 오프셋과 동일할 수 있다. 일 실시예에서, 4개의 최초 직경 (중심 보어(102), 중심 부재 외측 직경(104), 림 내측 직경(106), 및 림 외측 직경(108))은 작도선(construction line)으로 변환될 수 있으며, 도 8에서 나타난 바와 같이 오직 중심 부재 오프셋 외측 직경(110) 및 림 오프셋 내측 직경(112)만을 남겨두고, 추후 단계에서 사용을 위해 다른 도면층으로 이동될 수 있다. 일 실시예에서, 4개의 기존 직경(102, 104, 106, 108)은, 스포크가 설계된 이후에 추후 다시 추가되기 위해서, 도면으로부터 가려지거나, 지워지거나, 삭제되거나, 또는 제거될 수 있다.

이제 도 8을 참조하면, 제1 선(114)은 중심축(101)으로부터 적어도 림 오프셋 내측 직경(112)까지 반경 방향 외측으로 직선으로 그려진다. 제1 선(114)의 위치는 도 9 내지 도 20에 도시된 바와 같이 차후에 생성될 제1 스포크의 정중시상면(midsagittal plane)을 나타낸다. 제2 선(116)은, 제2 스포크의 정중시상면을 나타내기 위한 위치에서 중심축(101)으로부터 적어도 림 오프셋 내측 직경(112)까지 반경 방향 외측으로 직선으로 그려진다. 일 실시예에서, 제1 선(114)과 제2 선(116) 사이의 각도(118)는 360°(2π 라디안)을 바람직한 개수의 스포크로 나눔으로써 결정될 수 있다. 도 3에서 개시된 실시예에서, 허브는 3개의 스포크를 가지며; 그러므로, 각도(118)는 대략 120°(2.1 라디안)이다. 도 9를 참조하면, 제3 선(120)은 제1 선(114)에 평행하고 제2 오프셋(117)만큼 제1 선(114)으로부터 측면으로 상쇄되어 그려진다. y-축(122)이 제1 선(114)과 정렬된다면, 제1 선(114)으로부터 제3 선(120)의 측면 오프셋은 양(positive)의 x-축 방향에 있다(또는 도 9를 위에서 보면, 제3 선(120)은 제1 선(114)의 오른쪽에 있다). 제4 선(124)은 제2 선(116)에 평행하고 제2 오프셋(117)과 동일한 거리만큼 제2 선(116)으로부터 측면으로 상쇄되어 그려진다. 제4 선(124)은 제2 선(116)으로부터 제3 선(120)쪽으로 측면으로 상쇄되므로, 제3 선(120) 및 제4 선(124)은 교차한다.

이제 도 10을 참조하면, 제1 원호(126)는 제3 선(120), 제4 선(124), 및 중심 부재 오프셋 외측 직경(110)에 접하여 그려진다. 도 11을 참조하면, 제2 원호(128)는 제1 선(114)에 대해 또는 제1 선에 관하여 제1 원호(126)의 경상(mirror image)으로 그려진다. 출발 스포크 형태는 제1 원호(126), 제2 원호(128), 중심 부재 오프셋 외측 직경(110), 및 림 오프셋 내측 직경(112)에 의해 형성되며, 단지 도면의 이해의 편의를 위해 충전 무늬로 음영 처리된다. 더욱 구체적으로, 출발 스포크 형태는 이하 요소들에 의해 형성된다: 림 오프셋 내측 직경(112)으로부터 중심 부재 오프셋 외측 직경(110)까지 연장하는 제1 원호(126)의 세그먼트; 제1 원호(126)로부터 제2 원호(128)까지 연장하는 중심 부재 오프셋 외측 직경(110)의 세그먼트; 중심 부재 오프셋 외측 직경(110)으로부터 림 오프셋 내측 직경(112)까지 연장하는 제2 원호(128)의 세그먼트; 및 제2 원호(128)로부터 제1 원호(126)까지 연장하는 림 오프셋 내측 직경(112)의 세그먼트.

다음으로, 도 12에서 도시된 바와 같이, 출발 스포크 형태(130)의 경계를 형성하지 않는 모든 선 및 원 직경의 부분은 가려지거나, 지워지거나, 삭제되거나 또는 제거된다.

그 후, 출발 스포크 형태(130)는 도 13에 도시된 바와 같이 복수 회 재생성된다. 재생성된 스포크 형태(132) 중 하나는 중앙에 위치된 스포크 형태(134)가 되도록 중앙에 위치된다. 2 이상의 재생성된 스포크 형태(132)는 중앙에 위치된 스포크 형태(134) 위에 위치되며, 2 이상의 재생성된 스포크 형태(132)은 중앙에 위치된 스포크 형태(134) 아래에 위치된다. 중앙에 위치된 스포크 형태(134) 위의 최외측 재생성된 스포크 형태(136)은, 인접 스포크 형태(138)가 중앙에 위치된 스포크 형태(134)와 가까운 것보다, 인접 스포크 형태(138)에 더 가깝다. 마찬가지로, 중앙에 위치된 스포크 형태(134) 아래의 재생성된 최외측 스포크 형태(136)는, 인접 스포크 형태(138)가 중앙에 위치된 스포크 형태(134)와 가까운 것보다, 인접 스포크 형태(138)에 더 가깝다.

이제 도 14를 참조하면, 중앙에 위치된 스포크 형태(134) 위와 아래 모두에 있는 인접 스포크 형태(138) 각각의 경계 아치형 선의 중점(140)이 결정되고 표시된다. 8개의 원호(142)는 최외측 스포크 형태(136) 각각의 인접한 모서리(144)의 각 세트 사이에 각각 하나가 있도록 그려진다. 각각의 원호(142)는, 하나의 인접한 모서리(44)로부터 인접 스포크 형태(138)의 경계 선의 중점(140)을 통과하여, 다른 인접한 모서리(144)까지 통과한다. 4개의 수직선(146)은 그 후 최외측 스포크 형태(136) 중 하나의 모서리를 다른 최외측 스포크 형태(136)의 동일한 모서리에 연결하도록 그려진다. 수직선들(146)은 수직 축에 평행한 선분이다. 이제 도 15를 참조하면, 8개의 원호(142) 및 4개의 수직 선분(146)은 제1 스포크의 3차원 형상(148)을 형성하기 위해 유지된다. 모든 다른 선/형태는 도면으로부터 가려지거나, 지워지거나, 삭제되거나 또는 제거된다.

도 16을 참조하면, 스포크를 설계하는 방법은 제1 스포크(152)의 3차원 형상의 표면(150)을 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 표면들(150)은 고형체(solid body)(154)를 형성할 수 있다. 도 17에서 도시된 바와 같이, 제1 스포크(152)의 3차원 형상은 제1 스포크(152)와 동일한 3차원 형상을 갖는 복수의 스포크(156)를 형성하도록 재생성될 수 있다. 스포크(156)의 개수는, 예를 들어 도 17에 도시된 바와 같은 3개의 스포크와 같이 미리 선택된 개수일 수 있지만, 4개, 5개, 또는 그 이상의 스포크도 가능하다. 도 17에 도시된 바와 같이, 복수의 스포크(156)는, 제1 단부(160) 각각이 축(158)을 향해 배향된 극 배열(polar array)과 같이 축(158)에 대해 배열될 수 있다.

이제 도 18을 참조하면, 상기 방법은 복수의 스포크(156) 각각의 제1 단부(160)에 접하여 중심 부재(162)를 그리는 단계 및 복수의 스포크(156) 각각의 대향하는 제2 단부(166)에 접하여 주변 림(164)(림)을 그리는 단계를 추가로 포함한다. 일 실시예에서, 중심 부재(162)는, 중심 부재(162)를 그리는 것이 설계에 다시 중심 부재(162)를 드러내거나 중첩하는 것을 포함하도록, 스포크(156)를 설계하기 전에 설계된다. 마찬가지로, 주변 림(164)을 그리는 것은 림(164)을 설계에 다시 드러내거나 중첩하는 것을 포함할 수 있다. 중심 부재(162)의 표면(168)(워셔 표면)은 압출(extrude)될 수 있다. 이제 도 19를 참조하면, 원(170)은 시일 노즈(172)를 형성하기 위해 중심 부재(162)의 축 표면(168) 상에 그려질 수 있다. 도 20에 도시된 바와 같이, 시일 노즈(172)는 중심 부재(162)의 축 표면(168)으로부터 축 방향으로 길어질 수 있다. 그 후 모든 고체는 최종 허브 디자인(174)을 형성하기 위해 결합될 수 있다. 모따기 및 필릿들(도시되지 않음)은 최종 허브 디자인(174)에 추가될 수 있다.

본 명세서에 개시된 스포크들은 허브에 작용하는 비틀림 및 굽힘력 모두를 견디도록 설계되며, 이는 허브가 통합되는 감쇠기 시스템의 무게, 관성 및 궁극적으로는 비용의 감소를 초래한다. 이 점을 설명하기 위해, 도 21 내지 도 23이 포함된다. 도 21 및 도 22는 본 발명 분야에서 흔한 통상적인 I-빔 구성을 갖는 허브의 3D 유한 요소 모델의 결과를 보여준다. 도 21은 고정된 크기의 비틀림 모멘트에 대응하여 허브의 성능을 보여주며 비틀림력을 견디기 위해 3이라는 등가 안전 계수(safety factor)를 나타낸다. 도 22는 동일하게 고정된 크기의 굽힘 모멘트에 노출되는 동일한 허브에 대한 결과를 나타낸다. 굽힘 모멘트에 대응하는 허브에 대한 등가 안전 계수는 2.15이다.

이제 도 23을 참조하면, 본 명세서에 개시된 스포크를 갖는 허브의 성능은 전통적인 스포크 디자인을 갖는 허브들의 성능과 비교된다(하나는 사각 테이퍼형 빔 스포크를 갖고 다른 하나는 I-빔 스포크를 갖는다). 도 23은 동일한 무게 및 유사한 특징부(즉, 모따기 및 필릿들)의 허브들에 대한 3D 유한 요소 모델의 결과를 나타내며, 차이점은 단지 스포크의 형태이다. 첫 번째 시험에서, 각 허브의 성능은 500N의 벨트 하중에서 300Nm의 비틀림 모멘트에 대응하여 모델링된다. 두 번째 시험에서, 각각의 허브의 성능은 500N의 벨트 하중에서 100Nm의 비틀림 모멘트에 대응하여 모델링된다. 표 1은 첫 번째 및 두 번째 시험에서 허브 각각에 의해 받는 최대 응력을 나타낸다.

표 1에서 결과에 의해 알 수 있는 바와 같이, 3개의 허브 모두는 비틀림 모멘트에 대해 사실상 유사한 최대 응력을 받지만, 본 발명의 실시예는 굽힘에 있어서 더 우수한 구조적 강도를 가진다. 굽힘 모멘트에 대한 하부 최대 응력은 사각 테이퍼형 빔 스포크를 갖는 허브에 대해 38% 및 I-빔 스포크를 갖는 허브에 대해 49%의 향상이 있다. 이것은 첫 번째 및 두 번째 시험에서 테스트된 종래 기술 허브에서 알 수 있는 바와 같이 여전히 동일한 부피 및 무게를 유지하여도 달성된다.

굽힘력 및 굽힘 진동 모드에 반응하는 스포크의 더 나은 성능은 설계된 허브가 굽힘 및 비틀림력 모두를 견딜수 있게 한다. 이전 실시예에 의해 도시된 바와 같이, 본 명세서에서 개시된 스포크 디자인을 갖는 허브는 동일한 부피 및 무게를 갖는 종래의 허브보다 굽힘력을 더 잘 견딘다. 이것은 본 명세서에서 개시된 스포크 디자인을 갖는 허브의 피로 수명을 향상시킬 수 있으며, 감쇠기의 피로 수명을 또한 향상시키고 허브와 감쇠기 모두의 사용 수명(service life)을 증가시킬 수 있다.

본 명세서에서 개시된 스포크 디자인을 갖는 허브가 향상된 성능이 아니라 종래 기술 허브와 동일한 성능을 제공하도록 설계된다면, 본 명세서에서 개시된 스포크 디자인을 갖는 허브는 동일한 성능을 이루기 위해 종래 기술 허브보다 더 적은 재료로 만들어질 수 있다. 종래 기술과 동일한 수행 능력을 이루기 위해 더 적은 재료로 본 명세서에서 개시된 스포크를 갖는 허브를 설계하는 것은 비틀림 진동 감쇠기의 재료 비용, 무게 및 관성을 감소시킬 수 있다. 본 명세서에서 개시된 스포크 디자인은 또한 허브가 예컨대 주조와 같은 공지된 공정에 의해 비용 효율적으로 만들어지도록 한다.

비록 본 발명이 특정 실시예에 대하여 기재되고 도시되었지만, 통상의 기술자는 본 명세서를 읽고 이해하여 수정을 가할 수 있음이 분명하고, 본 발명은 그러한 모든 수정도 포함하는 것이다.

Claims

비틀림 진동 감쇠기에 있어서,
허브; 및
상기 허브와의 사이에 탄성 중합체 부재가 작동식으로 위치된 상태로 상기 허브에 대해 동심인 관성 부재;
를 포함하고,
상기 허브는 중심 부재의 외측 반경 표면으로부터 주변 림(rim)의 내측 반경 표면까지 연장하는 복수의 스포크들을 포함하고,
상기 복수의 스포크 각각은:
상기 중심 부재의 외측 반경 표면에 결합된 제1 단부;
상기 주변 림의 내측 반경 표면에 결합된 제2 단부;
상기 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장하고 축 방향으로 향하는 제1 오목한 표면;
상기 제1 단부와 제2 단부 사이에서 연장하고 상기 제1 오목한 표면에 반대로 향하는 제2 오목한 표면;
상기 제1 단부와 제2 단부 사이 및 상기 제1 오목한 표면과 제2 오목한 표면 사이에서 연장하는 제3 오목한 표면; 및
상기 제1 단부와 제2 단부 사이 및 상기 제1 오목한 표면과 제2 오목한 표면 사이에서 연장하는 제4 오목한 표면;
을 포함하고,
상기 제4 오목한 표면은 상기 제3 오목한 표면과 반대로 향하는, 비틀림 진동 감쇠기.
제 1 항에 있어서,
복수의 스포크 각각에 대해, 상기 제1 오목한 표면 및 제2 오목한 표면은 상기 제1 단부로부터 제2 단부까지 연장하고 오목한, 비틀림 진동 감쇠기.
제 2 항에 있어서,
복수의 스포크 각각에 대해, 제1 오목한 표면 및 제2 오목한 표면은 제3 오목한 표면으로부터 제4 오목한 표면까지 연장하고 추가로 오목한, 비틀림 진동 감쇠기.
제 2 항에 있어서,
복수의 스포크 각각에 대해, 제1 오목한 표면, 제2 오목한 표면, 제3 오목한 표면, 및 제4 오목한 표면 중 하나 이상의 오목한 형상은 원호에 의해 형성되는, 비틀림 진동 감쇠기.
제 1 항에 있어서,
복수의 스포크 각각에 대해, 제3 오목한 표면 및 제4 오목한 표면은 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부까지 연장하고 오목한, 비틀림 진동 감쇠기.
제 5 항에 있어서,
복수의 스포크 각각에 대해, 제3 오목한 표면 및 제4 오목한 표면은 제1 오목한 표면으로부터 제2 오목한 표면까지 연장하고 평탄한, 비틀림 진동 감쇠기.
제 1 항에 있어서,
제3 오목한 표면은 상기 축 방향에 수직으로 향하는, 비틀림 진동 감쇠기.
제 1 항에 있어서,
복수의 스포크 각각에 대해, 제2 단부의 너비는 제1 단부보다 더 작은, 비틀림 진동 감쇠기.
제 1 항에 있어서,
복수의 스포크 각각에 대해, 제1 단부는 상기 중심 부재의 외측 반경 표면을 따르는 형상을 가지고, 상기 제2 단부는 상기 주변 림의 내측 반경 표면을 따르는 형상을 가지는, 비틀림 진동 감쇠기.
함께 회전하도록 크랭크축에 장착된 제 1 항의 비틀림 진동 감쇠기를 포함하는 전방 단부 부속 구동 시스템.
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