KR102513733B1 - 커플링 장치 - Google Patents

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KR102513733B1
KR102513733B1 KR1020160011695A KR20160011695A KR102513733B1 KR 102513733 B1 KR102513733 B1 KR 102513733B1 KR 1020160011695 A KR1020160011695 A KR 1020160011695A KR 20160011695 A KR20160011695 A KR 20160011695A KR 102513733 B1 KR102513733 B1 KR 102513733B1
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coupling
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피에트로 마르코 디
마티야스 이반코비치
멜라니 후바허
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터보 시스템즈 스위츠랜드 엘티디.
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Abstract

배기가스 터보차저의 회전자에 보조 기계를 고정하기 위한 커플링 장치는 너트 (31) 를 포함하고, 상기 너트를 이용해 상기 배기가스 터보차저의 압축기휠 (20) 은 샤프트 위에 단단히 나사결합된다. 추가로, 상기 커플링 장치는 커플링 요소 (52) 를 포함하고, 상기 커플링 요소는 상기 샤프트와 형상 결합으로 연결되고, 상기 너트와 형상 결합으로 연결된다. 이를 통해, 통틀어 상기 배기가스 터보차저의 샤프트 (30) 와 상기 커플링 요소 (52) 사이의 형상 결합이 발생한다.

Description

커플링 장치{COUPLING DEVICE}
본 발명은 배기가스 터보차저들을 이용해 과급된 내연기관 분야에 관한 것이다. 본 발명은 배기가스 터보차저의 회전자에 보조 기계 (auxiliary machine) 를 고정하기 위한 커플링 장치에 관한 것이다.
빨리 회전하는 회전자를 갖는 배기가스 터보차저로부터, 과잉 에너지는 여러 가지 방식으로 배출될 수 있다.
WO 2013/18308 A1 은 배기가스 터보차저를 갖는 시스템을 기술하고, 상기 배기가스 터보차저에 있어서 유압식 펌프는 커플링을 통하여 상기 배기가스 터보차저의 회전자와 연결된다.
EP 1 961 936 A1 은 이른바 하이브리드 배기가스 터보차저를 기술하고, 상기 하이브리드 배기가스 터보차저에 있어서 전기적 기계는 커플링을 통하여 상기 배기가스 터보차저의 회전자와 연결되고, 발전기로서 작동된다. 상기 전기적 기계가 모터로서 작동되면, 상기 커플링을 통하여 상기 배기가스 터보차저에 에너지가 공급된다.
배기가스 터보차저의 회전자로부터 커플링으로의 토크의 전달은 유리하게 형상 결합식 연결을 통하여 수행된다. EP 1 961 936 A1 은 커플링과 압축기휠 사이의 형상 결합식 연결을 나타낸다.
기존의 배기가스 터보차저에 에너지 회수/에너지 공급을 위한 시스템이 설치되어야 하면, 나중에 이루어져야 하는, 커플링과 회전자 사이의 연결을 상기 회전자에서의 변경들 없이 그리고 특히 압축기휠에서의 변경 없이 실현할 수 있는 것은 추구할 가치가 있다.
특히 샤프트에서의 나사들을 통해 고정된 압축기휠들을 갖는 회전자들에 있어서, 예컨대 DE 101 00 977 A1 에 공개된 바와 같이, 이 경우 나사결합이 에너지의 공급시 또는 배출시 풀리거나 또는 과도하게 조여지고, 이를 통해 압축기휠과 샤프트 사이의 연결의 질이 방해를 받을 수 있다는 문제가 나타난다.
본 발명의 목적은, 회전자의 개별적인 구성요소들 사이의 나사결합을 방해하지 않는, 배기가스 터보차저의 회전자에 보조 기계를 고정하기 위한, 간단히 추가로 장착될 수 있는 커플링 장치를 제공하는 것이다.
이때, 본 발명에 따르면, 이는 다수의 개별부품으로 이루어진 회전자에 있어서, 압축기휠을 샤프트에 고정하는 너트에서 작용된다. 압축기휠 자체는 커플링 장치로부터 비접촉 상태이다. 상기 커플링 장치는 상기 너트에 고정되고, 본 발명에 따르면 상기 샤프트로부터 커플링 요소로의 모멘트 전달을 위한 추가적 수단을 구비한다. 모멘트를 전달하는 상기 수단은 유리하게 샤프트 단부에서의 상응하는 오목부와 맞물리고, 상기 오목부는 예컨대 상기 샤프트 위에 상기 너트를 단단히 나사결합할 때 상기 샤프트를 고정하기 위해 필요해지고, 내부 육각형으로서 형성된다. 모멘트 전달을 위한 상응하는 수단은 외부 육각형이고, 상기 외부 육각형은 직접 상기 커플링 요소에 형성되거나 또는 간접적으로 중간피스 (intermediate piece) 를 통하여 상기 커플링 요소에 고정되고, 이렇게 상기 샤프트와 상기 커플링 요소 사이의 형상 결합식 연결을 보장한다.
상기 샤프트에서의 상기 압축기휠의 나사결합된 고정이 상기 샤프트 안으로 나사결합된 샤프트 삽입 피스를 갖는, 여러 부분으로 이루어진 상기 샤프트를 포함하면, 본 발명에 따르면 상기 샤프트에서의 암나사와 상기 샤프트 삽입 피스에서의 수나사 사이의 나사산 연결은 비틀림 방지 요소를 통해, 이 나사산 연결의 의도치 않은 풀림에 대해 안전해진다. 이때, 상기 비틀림 방지 요소는 고리 모양의 요소로서 상기 샤프트 삽입 피스 위로 밀어지고, 부딪칠 때까지 수나사를 이용해 상기 샤프트 안의 추가적인 암나사 안으로 나사결합된다. 의도치 않은 풀림을 더욱 어렵게 하기 위해, 선택적으로, 상기 두 나사산 연결들은 여러 가지의 나사선 피치들 (thread pitches) 을 갖는다.
이하, 본 발명의 여러 가지 실시형태들은 도면들을 근거로 상세히 설명된다.
도 1 은 내연기관, 배기가스 터보차저, 및 상기 배기가스 터보차저와 연결된 보조 기계를 갖는 시스템의 개략적인 도면이고,
도 2 는 고정되지 않은 상태에서의, 배기가스 터보차저의 회전자에 보조 기계를 고정하기 위한 커플링 장치의 제 1 실시형태이고,
도 3 은 고정된 상태에서의, 도 2 에 따른 커플링 장치이고,
도 4 는 고정되지 않은 상태에서의, 배기가스 터보차저의 회전자에 보조 기계를 고정하기 위한 커플링 장치의 제 2 실시형태이고,
도 5 는 고정된 상태에서의, 도 4 에 따른 커플링 장치이고,
도 6 은 배기가스 터보차저의 회전자에 보조 기계를 고정하기 위한 커플링 장치의 제 3 실시형태이고,
도 7 은 비틀림 방지 요소를 갖는 도 6 에 따른 커플링 장치의 섹션 VII 의 확대된 도면이고,
도 8 은 도 7 에 따른 커플링 장치의 비틀림 방지 요소이고,
도 9 는 도 2 에 따른 커플링 장치를 통한, IX-IX 를 따라 이어진 단면의 도면이다.
도 1 은 배기가스 터빈 (4) 과 압축기 (2) 를 갖는 배기가스 터보차저를 포함하는 내연기관 (10) 의 과급 장치를 도식적으로 나타내고, 터빈휠과 압축기휠은 상기 배기가스 터보차저의 샤프트 (30) 를 통하여 서로 연결된다. 압축기측에서, 커플링 (50) 을 통하여 보조 기계는 상기 배기가스 터보차저의 회전자와 연결된다. 상기 보조 기계는 예컨대 상기 배기가스 터보차저로부터 에너지를 공급받기 위한 또는 에너지를 추출하기 위한 전기적 기계 또는 유압식 펌프이다.
도 2 는 샤프트 (30) 상에 현가 (suspend) 된 압축기휠 (20) 을 갖는 배열체를 나타내고, 상기 압축기휠은 샤프트 단부의 수나사 위에 나사결합된 너트 (31) 를 이용해 축방향 부딪침에 대해 안전하게 되어 있다. 상기 샤프트는 그의 자유 단부에 오목부를 구비하고, 상기 오목부 안에 전형적으로 내부 육각형이 형성된다. 상기 내부 육각형은 상기 샤프트 위에 상기 너트를 단단히 나사결합할 때 조립 공구를 수용하는 데에 쓰인다. 상기 너트가 조여질 수 있는 동안 상기 조립 공구는 상기 샤프트를 움직이지 않게 한다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 왼쪽으로 절단되어 도시된 커플링 요소 (52) 는 너트 (31) 와 형상 결합식 연결을 이룬다. 이는 이를 위해 제공된 너트 (31) 안의 보어들 안에, 둘레를 따라 분배되어 배치된 다수의 고정나사 (53) 를 단단히 나사결합함으로써 수행된다. 중앙에서, 커플링 요소 (52) 는 축방향으로 향한 돌출부 (54) 를 구비하고, 상기 돌출부는 상기 내부 육각형에 상응하여 외부 육각형으로서 형성되고, 커플링 요소 (52) 와 너트 (31) 를 결합할 때 상기 샤프트 단부 안의 상기 오목부와 형상 결합식 연결을 이룬다. 통틀어 이 두 형상결합은 상기 샤프트와 상기 커플링 요소 사이의 탈착 가능한, 형상 결합식 연결을 초래하고, 상기 형상 결합식 연결은 상기 샤프트로부터 상기 커플링 요소로의 최적의 모멘트 전달을 위해 사용된다. 상기 커플링 요소에서의 상기 축방향 돌출부와 상기 샤프트 단부 안의 상기 오목부 사이의 형상 결합식 연결 덕택에, 너트와 샤프트 숄더에서의 축방향 스톱 사이의 상기 압축기휠의 단단한 클램핑을 담담하는, 너트 (31) 와 샤프트 (30) 사이의 나사산 연결은 상기 커플링 요소로의 모멘트 전달로부터 방해받지 않은 채로 유지된다.
선택적으로, 이 실시형태에서 또는 하기에서 제시되는 모든 추가의 실시형태들에서, 상기 샤프트 단부 안의 상기 오목부 안의 내부 육각형과 상기 커플링 요소에서의 상기 돌출부 위의 외부 육각형 대신에, 달리 성형된, 서로 맞춰진 윤곽이 제공될 수 있다. 돌출부와 오목부가 서로 바뀔 수도 있다. 또는 상기 오목부와 상기 돌출부는 원뿔 모양으로 성형될 수 있고, 이 경우 모멘트 전달은 오목부와 돌출부 사이의 형상 결합을 통해 수행되는 것이 아니라 압착된 힘 결합을 통해 수행된다. 이로써, 고정수단들 (53) 을 그들을 수용하기 위해 제공된 상기 너트 안의 보어들과 결합할 때 생길 수 있는 각도편차들도 보상될 수 있다. 일치하는 윤곽을 이용한 형상 결합식 연결의 경우, 고정수단들 (53) 은 도 9 에 도시된 바와 같이 둘레를 따라 연장되는 세장형 구멍들 (51) 안에 배치되고, 이 세장형 구멍들 내부에서 원하는 위치로 이동될 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 세장형 구멍들을 덮기 위해 그리고 큰 면적에 걸친 압착을 보장하기 위해, 상기 고정수단들의 나사 머리들과 상기 세장형 구멍들을 구비하는 상기 커플링 요소의 플랜지 사이에 평면 와셔들이 제공될 수 있다.
도 4 는 커플링 장치의 제 2 실시형태를 나타내고, 상기 커플링 장치에 있어서 커플링 요소 (52) 는 보다 큰 반경으로 배기가스 터보차저의 회전자와 연결된다. 이를 위해, 압축기휠을 꽉 쥐고 있는 너트 (31) 위에 제 1 중간피스 (55) 가 고정되고, 예컨대, 상부 도면부분에 도시된 바와 같이, 둘레를 따라 분배되어 배치된 다수의 고정나사를 통해 고정된다. 그 후, 제 1 실시형태에서와 같이 외부 육각형으로서의 축방향 돌출부가 샤프트 단부 안의 중앙 오목부 안으로 도입됨으로써 그리고 제 2 중간피스가 둘레를 따라 분배되어 배치된 다수의 고정나사를 이용해 상기 제 1 중간피스에 고정됨으로써, 그 밖의 중간피스 (56) 를 통하여 샤프트 (30) 와 제 1 중간피스 (55) 사이의 형상 결합식 연결이 만들어진다. 마지막으로, 도 5 에 도시된 바와 같이, 커플링 요소 (52) 는 외부에 놓여 있는, 또다시 둘레를 따라 분배되어 배치된 다수의 고정나사를 이용해 중간피스 (55) 에 고정된다. 이로써, 통틀어 지금까지 상기 3개의 형상결합으로부터, 상기 샤프트와 상기 커플링 요소 사이의 탈착 가능한, 형상 결합식 연결이 발생한다.
상기 샤프트가, 도 6 에 도시된 바와 같이, 2개의 서로 상대방 내로 나사결합된 부분들로 이루어지면, 이 나사산 연결을 보장하기 위해 본 발명에 따르면 비틀림 방지 요소가 삽입된다. 도 7 에 따르면, 비틀림 방지 요소 (38) 는 샤프트 삽입 피스 (35) 위에 안착하고, 상기 샤프트 삽입 피스는 한 단부가 샤프트 (30) 의 중앙 개구부(즉, 리세스)에 삽입되고, 나사산 연결 (36) 을 통하여 단단히 나사결합된다. 이때, 상기 샤프트 안으로 샤프트 삽입 피스 (35) 를 삽입할 때 상기 샤프트 삽입 피스는 리세스의 바닥에 부딪칠 때까지 나사결합되고, 이를 통해 조여진다. 이를 통해, 나사결합 방향으로의 과도한 회전은 추후의 운전시에도 저지된다. 이로써, 상응하는 모멘트가 갑작스레 또는 지속적으로 인가될 경우 상기 나사산 연결의 의도치 않은 풀림이 발생하지 않도록, 이 나사산 연결은 오로지 다른 회전방향으로만 고정되어야 한다. 비틀림 방지 요소 (38) 는 상기 샤프트 삽입 피스를 조립할 때 그의 자유 단부로부터 상기 샤프트 삽입 피스 상에 현가되고, 마지막으로 돌출부 (351) 에 부딪칠 때까지 상기 비틀림 방지 요소의 수나사가 상기 샤프트의 자유 단부에서의 암나사 안으로 나사결합된다. 도 7 에 따르면, 제 2 암나사는 제 1 암나사에 대해 방사상으로 밖으로 그리고 축방향으로 샤프트 단부 쪽으로 오프셋된다.
도 8 에 개별적으로 도시된 비틀림 방지 요소는 안으로 향한 별도의 돌출부 (382) 를 구비할 수 있고, 또는 간단히 고리 모양으로 형성될 수 있고, 한 단부면이 상기 샤프트 삽입 피스에서의 돌출부에 놓여 있을 수 있다. 상기 샤프트 삽입 피스에서의 돌출부가 운전시 상기 비틀림 방지 요소에 밀착하고, 이를 통해 축방향에서의 상기 샤프트 삽입 피스의 이동이 배제되는 것이 상기 비틀림 방지에 대해 중요하다. 이로써, 샤프트 삽입 피스와 샤프트 사이의 나사산 연결은 두 회전방향으로 조여진다. 이 나사산 연결의 풀림은, 상기 비틀림 방지 요소가 그의 나사산 연결로부터 나사결합 해제되면 그리고 축방향에 있어서 상기 샤프트 삽입 피스를 통하여 그의 자유 단부 쪽으로 이동되면, 비로소 다시 가능하다. 선택적으로, 상기 두 나사산 연결들의 나사선들은 여러 가지의 나사선 피치들을 가질 수 있다.
10 : 내연기관
2 : 배기가스 터보차저의 압축기
20 : 압축기휠
30 : 배기가스 터보차저의 샤프트
31 : 샤프트 (30) 에 압축기휠 (20) 을 고정하기 위한 너트
32 : 샤프트에서의 모멘트 전달을 위한 수단 (내부 육각형)
35 : 샤프트 삽입 피스
351 : 샤프트 삽입 피스에서의 돌출부
36 : 샤프트 삽입 피스 (35) 와 샤프트 (30) 사이의 나사산 연결
37 : 비틀림 방지 요소 (38) 와 샤프트 (30) 사이의 나사산 연결
38 : 비틀림 방지 요소
381 : 비틀림 방지 요소 (38) 에서의 수나사
382 : 비틀림 방지 요소 (38) 에서의 돌출부
4 : 배기가스 터보차저의 터빈
50 : 배기가스 터보차저의 회전자에 보조 기계를 고정하기 위한 커플링 장치
51 : 세장형 구멍
52 : 커플링 요소
53 : 고정나사
54 : 커플링 장치에서의 모멘트 전달을 위한 수단 (축방향 돌출부)
55 : 중간피스
56 : 모멘트 전달을 위한 중간피스
60 : 보조 기계 (전기적 기계, 유압식 펌프, 등등)

Claims (10)

  1. 배기가스 터보차저의 회전자에 보조 기계를 고정하기 위한 커플링 장치로서,
    배기가스 터보차저의 샤프트 (30, 35) 위에 나사결합하기 위한 너트 (31) 와, 상기 너트에 고정하기 위한 커플링 요소 (52) 를 포함하고,
    상기 커플링 장치는 모멘트 전달을 위한 수단 (54) 을 포함하고, 상기 수단은 배기가스 터보차저의 샤프트로부터 상기 커플링 장치로 모멘트를 전달하기 위해 배기가스 터보차저의 샤프트에서의 모멘트 전달을 위한 상응하는 수단과 함께 작용할 수 있는 것을 특징으로 하는 커플링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 커플링 장치의 모멘트 전달을 위한 상기 수단 (54) 은 배기가스 터보차저의 샤프트에서의 상응하는 대응 윤곽과 형상 결합식 연결을 이루기 위한 윤곽을 갖는 커플링 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 커플링 장치의 모멘트 전달을 위한 상기 수단은 배기가스 터보차저의 샤프트에서의 오목부 안의 상응하는 대응 윤곽과 형상 결합식 연결을 이루기 위한 윤곽을 갖는 돌출부를 구비하는 커플링 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 커플링 요소의 모멘트 전달을 위한 상기 수단은 배기가스 터보차저의 샤프트에서의 돌출부에서의 상응하는 대응 윤곽과 형상 결합식 연결을 이루기 위한 윤곽을 갖는 축방향 오목부를 구비하는 커플링 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플링 요소 (52) 는 제 1 중간피스 (intermediate piece, 55) 를 통하여 상기 너트 (31) 에 고정되고,
    상기 제 1 중간피스는 상기 너트에 고정되고, 상기 커플링 요소는 상기 제 1 중간피스에 고정되는 커플링 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커플링 장치의 모멘트 전달을 위한 상기 수단 (54) 은 제 2 중간피스 (56) 에 배치되고, 상기 제 2 중간피스는 상기 너트에 또는 상기 제 1 중간피스에 또는 상기 커플링 요소에 고정되는 커플링 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가의 샤프트 삽입 피스 (35) 를 포함하고, 상기 샤프트 삽입 피스는 배기가스 터보차저의 샤프트에서의 리세스 (recess) 안의 암나사 안으로 나사결합하기 위한 수나사를 제 1 단부에 구비하고, 상기 샤프트 삽입 피스는 상기 너트 (31) 를 수용하기 위한 수나사를 제 2 단부에 구비하고,
    상기 커플링 장치는 비틀림 방지 요소 (38) 를 포함하고, 상기 비틀림 방지 요소는 고리 모양으로 형성되고, 상기 샤프트 삽입 피스의 상기 제 2 단부로부터 상기 샤프트 삽입 피스에서의 돌출부 (351) 까지 상기 샤프트 삽입 피스 위로 안내되고,
    상기 비틀림 방지 요소 (38) 는 수나사 (381) 를 구비하고,
    상기 수나사를 갖는 상기 비틀림 방지 요소는 배기가스 터보차저의 샤프트에서의 리세스의 상응하는 암나사 안으로 나사결합될 수 있는 커플링 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    추가의 배기가스 터보차저의 샤프트를 포함하고,
    2개의 암나사를 갖는 리세스가 상기 배기가스 터보차저의 상기 샤프트 안에 파져 있고,
    제 1 암나사는 상기 샤프트 삽입 피스 (35) 의 상기 제 1 단부의 영역 안의 수나사와의 나사산 연결 (36) 을 위해 제공되고, 상기 제 1 암나사에 대해 방사상으로 밖으로 그리고 축방향으로 샤프트 단부 쪽으로 오프셋된 제 2 암나사는 상기 비틀림 방지 요소 (38) 위의 수나사 (381) 와의 나사산 연결 (37) 을 위해 제공되고,
    상기 비틀림 방지 요소는 상기 샤프트 삽입 피스에서의 돌출부 (351) 에 부딪칠 때까지 상기 제 2 암나사 안으로 나사결합되는 커플링 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 나사산 연결들은 여러 가지의 나사선 피치들을 갖는 커플링 장치.
  10. 배기가스 터보차저, 및
    제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 커플링 장치를 이용해 상기 배기가스 터보차저의 회전자와 연결된 보조 기계를 포함하는 과급 장치.
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