KR20060100418A - 유체 역학적 클러치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환형 작동 챔버를 형성하는, 1차 기어 및 2차 기어를 포함하는 유체 역학적 클러치에 관한 것이다. 1차 기어는 구동 샤프트 상에 위치하거나 또는 상기 샤프트 내에 통합된다. 본 발명은 구동 샤프트가 상기 작동 챔버에 작동 매체를 공급하기 위한 하나 이상의 공급 채널 및 상기 작동 챔버로부터 작동 매체를 동시에 배출하기 위한 하나 이상의 배출 채널을 구비하는 것을 특징으로 한다.

환형 작동 챔버, 1차 기어, 2차 기어, 유체 역학적 클러치, 구동 샤프트, 공급 채널 , 배출 채널.

Description

유체 역학적 클러치{HYDRODYNAMIC CLUTCH}

본 발명은 유체 역학적 클러치, 특히 유체 역학적 클러치 내에서 작동 매체의 안내에 관한 것이다.

유체 역학적 클러치는 공지되어 있다. 특수한 사용 분야는 터보 복합 시스템의 분야이며, 이 터보 복합 시스템에서는 구동 트레인에서 배기가스 터빈이 내연기관의 배기가스 흐름 내에 배치되고 크랭크 샤프트와 구동 연결된다. 이러한 시스템에서 배기가스 터빈과 크랭크 샤프트 사이의 구동 연결부에는 바람직하게는 출력 또는 토크 전송을 위한 유체 역학적 클러치가 접속된다. 이러한 유체 역학적 클러치의 1차 기어가 배기가스 터빈에 의해 구동되면, 상기 1차 기어는 유체 역학적 클러치의 작동 챔버 내의 작동 매체 순환을 통해 유체 역학적 클러치의 2차 기어를 구동시키며, 상기 2차 기어는 일반적으로 적합한 전동 장치를 통해 크랭크 샤프트에 연결된다. 이러한 제 1 구동 모드를 터보 클러치 모드라 한다.

유체 역학적 클러치가 1차 기어를 상대 회전 불가능하게 록킹시키기 위한 수단을 구비하면, 유체 역학적 클러치는 제 2 모드 -리타더 모드- 에서 크랭크 샤프트의 제동을 위해 사용될 수 있다. 이 모드에서는 2차 기어가 크랭크 샤프트에 의해 구동되고, 1차 기어는 예컨대 다판 클러치에 의해 상대 회전 불가능하게 록킹되 며, 2차 기어로부터 1차 기어로의 토크 전달에 의해 크랭크 샤프트가 제동된다. 하나의 경우에는 (터보 클러치 모드) 1차 기어가 및 다른 경우에는 (리타더 모드) 2차 기어가 구동되기 때문에, 2가지 경우에 작동 매체 순환의 유동 방향이 반대이다. 이로 인해, 축방향 추력의 방향이 변하고, 이는 베어링 및 샤프트 시일의 설계 시에 고려되어야 한다.

또한, 터보 클러치 모드와 리타더 모드에서의 회전 속도 범위는 상이하다. 전체적으로 통상 4000 rpm 내지 12000 rpm 의 회전 속도 범위가 나타난다. 공급 시일 및 배출 시일, 즉 작동 매체를 공급하는 채널과 작동 매체를 배출하는 채널이 밀봉되게 하는 시일들은 상기 회전 속도 범위에서 작동된다. 모든 상대 시일, 즉 하나의 부품은 다른 부품과는 다른 회전 속도로 회전되고 하나의 부품은 회전되며 다른 부품은 회전되지 않은, 부품들 사이의 시일의 경우, 특히 2개의 작동 범위가 주어지는 문제가 있다. 따라서, 상대 시일은 복잡한 슬라이드 링 시일의 형태로 구현된다. 이러한 슬라이드 링 시일은 비교적 많은 비용을 필요로 하며 고장나기 쉽다.

본 발명의 목적은 선행 기술에 비해 개선된, 특히 터보 복합 시스템에 사용하기 위한 유체 역학적 클러치를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명에 따른 유체 역학적 클러치는 적은 슬라이드 링 시일만을 사용해야 한다.

상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징을 가진 유체 역학적 클러치에 의해 달성된다. 청구항 8은 상응하는 본 발명에 따른 구동 트레인을 제시한다. 종속항들은 본 발명의 특히 바람직한 실시예를 제시한다.

본 발명에 따른 유체 역학적 클러치는, 작동 매체를 작동 챔버 내로 공급하기 위한 공급 채널 및 작동 매체를 작동 챔버로부터 동시에 배출하기 위한 배출 채널이 상기 1차 기어를 구동시키는 구동 샤프트 내에 형성되는 것을 특징으로 한다. 물론, 다수의 공급 채널 및 다수의 배출 채널이 형성될 수 있다. 특히, 하나의 중앙 공급 채널, 및 상기 중앙 공급 채널을 둘러싸는 다수의 배출 채널이 고려된다.

구동 샤프트 내에 공급 채널 또는 배출 채널의 형성에 의해, 모든 채널이 동일한 회전 속도로 회전하고, 그 결과 공급 채널이 제 1 회전 속도를 가진 부품에 그리고 배출 채널이 제 2 회전 속도를 가진 부품에 형성되었고 따라서 고정 부품에 대해 개별적으로 밀봉되어야 했던 종래의 실시예에 비해, 하나 이상의 복잡한 슬라이드 링 시일이 생략될 수 있다. 그 대신에, 공급부와 배출부 사이의 간단한 홈 시일이 가능해진다.

공급 채널(들) 및 배출 채널(들)은 바람직하게는 구동 샤프트 내에서 축방향으로 미리 주어진 섹션에 걸쳐 연장된다. 배출 채널(들)은 바람직하게는 공급 채널(들)의 방사방향 외부에 배치된다. 이로 인해, 한편으로는 채널들 사이의 밀봉이 매우 간단하게 구현될 수 있고, 다른 한편으로는 방사방향으로 외부에 배치된 배출 채널들은 유체 역학적 클러치의 작동 챔버의 큰 원주 영역에서 연장되고, 방사 방향 내부의 공급 채널은 방사방향으로 더 넓게 내부에 놓인 작동 챔버의 영역에서 연장된다. 특히, 방사방향 내부의 오리피스에는 방사방향 내부의 원주와 작동 챔버의 평균 높이의 원주 사이의 영역이 고려된다. 특히, 작동 매체는 직접 중심 내로, 즉 순환 유동의 중심점 영역에서 소위 리타더 아이 내로 안내된다.

오리피스를 작동 챔버의 미리 주어진 높이로 위치 설정하는 것은 유체 역학적 클러치가 터보 클러치 모드로 작동될 때뿐만 아니라 리타더 모드로 작동될 때도 특히 바람직하다. 왜냐하면, 리타더 작동 시에는, 작동 챔버 내에서 높은 열 발생으로 인해, 발생된 열을 작동 매체에 의해 방출시키기 위해서는 작동 매체의 큰 유동률이 필요하기 때문이다. 외주에 형성된 배출 채널을 통해, 즉 리타더 작동 중에 작동 챔버의 외주에서 작동 매체 순환의 유동 방향과는 반대인, 오리피스를 가진 링형 작동 챔버의 최대 직경의 영역에서, 그 배치로 인해 여기서 주어지는 매체 유동 방향과는 반대로 작동 매체의 많은 양이 작동 챔버로부터 직접 흘러나온다. 이와는 달리, 작동 매체가 적은 슬립(이는 리타더 작동 중에는 100 퍼센트이고, 터보 클러치 작동 중에는 바람직하게는 3 내지 5 퍼센트임)으로 인해 매우 작게 가열되는 터보 클러치 작동 시에는, 유체 역학적 클러치를 통한 작동 매체의 낮은 유동률이 필요하다. 이 경우에 매체 유동이 역전되기 때문에, 작동 매체의 대부분의 양이 방사방향으로 외부에 놓인, 이제 작동 매체의 유동 방향으로 배치된 배출 채널의 개구를 통해 흐르고 상응하는 작은 유동량이 얻어진다. 따라서, 작동 챔버의 원주, 특히 외주에 있는 배출 채널의 오리피스는 바람직하게는 접선으로, 특히 1차 기어 내에 구현되고, 즉 유동 방향으로 볼 때 작동 챔버 내의 배출 채널의 오리피스에 연결되는 제 1 섹션이 1차 기어 내의 작동 챔버의 원주, 특히 최대 직경의 영역에서 원주에 대해 접선으로 형성된다. 바람직하게 상기 영역은 유체 역학적 클러치의 회전축에 대해 평행하게 연장한다. 이는 도 1과 관련해서 상세히 후술된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고로 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 유체 역학적 클러치의 실시예의 종단면도.

도 2는 도 1의 선 B-B을 따른 횡단면도.

도 3은 도 1의 선 A-A을 따른 횡단면도.

도 4는 터보 복합 시스템의 구동 트레인에서 본 발명에 따른 유체 역학적 클러치의 배치를 나타낸 개략도.

도 1에 도시된 축방향 단면도에는 구동 샤프트(4) 상에 배치된 1차 기어(1)가 나타난다. 상세하게는, 구동 샤프트(4)의 단부면 윤곽이 작동 챔버(3)의 중심에서 원주(3.2)의 영역에 연장된, 공급 채널(5)의 단부 섹션의 일부를 형성하도록, 상기 1차 기어(1)의 단부면이 구동 샤프트(4)에 나사 체결되어 밀봉된다. 추가로, 공급 채널(5)은 구동 샤프트(4)의 종축을 따라 종방향으로 연장되고 관통구로서 형성된다. 이는, 2차 기어의 단부면이 샤프트(7) 상에 나사 체결되게 하는 도시된 스크루들이, 공급 채널(5)의 축방향 섹션에 의해 나사 체결되거나 또는 풀려질 수 있는 장점을 갖는다.

유체 역학적 클러치의 작동 챔버(3)로부터 작동 매체를 배출하기 위한 다수의 배출 채널들(6)은 공급 채널(5)의 외부에서 방사방향으로 구동 샤프트(4)에 형성된다. 종축의 외부에는 상기 배출 채널(6)이 횡단면도로 나타난다. 다수의 배 출 채널들(6)이 특히 도 2 및 도 3에 나타나는 바와 같이 공급 채널(5)을 완전히 둘러싼다.

배출 채널들(6)은 링형 갭의 하나의 섹터 형태의 유동 단면을 갖는다. 이와는 달리, 공급 채널은 최대 축방향 영역에 걸쳐 원형 유동 단면을 가지며 1차 기어의 영역에서야 방사방향 외부로 안내되고 원주(3.2)에 걸쳐 분포된 다수의 유입구 형태로 작동 챔버(3)의 중심 내로 연장된다.

배출 채널들(6)은 처음에는 마찬가지로 구동 샤프트(4)의 구동측 단부(4.1)로부터 시작해서 축방향으로 그리고 1차 기어(1)의 영역에서 방사방향 외부로 방향 전환함으로써, 이들은 재차 축방향으로 최대 직경(3.3)의 영역에서 작동 챔버(3) 내로 연장한다. 이는 리타더 작동 중에 작동 매체의 유동이 직접 배출 채널(6)의 오리피스 내로 가압되는 장점을 가지며, 이는 유체 역학적 클러치를 통한 상응하게 큰 유동률을 결과하는데, 그 이유는 리타더 작동 중에 2차 기어(2) 내의 유동이 방사방향 외부로 가속되어 외주(3.3)의 영역에서 축방향으로 1차 기어(1) 내로 유입되기 때문이다(도 1에서 좌측으로부터 우측을 향한 방향으로). 이와는 달리, 터보 클러치 작동 중에 작동 매체는 외주(3.3)의 영역에서 순환 유동으로 우측으로부터 좌측으로 흐르고, 즉 1차 기어로부터 2차 기어 내로 흐르고, 상응하게 작은 분량의 작동 매체가 배출 채널(6)을 통해 수용된다. 작동 매체의 대부분의 양은 배출 채널(6)의 배출구를 통해 흐르고 2차 기어에서 방사방향 내부로 지연되어 작동 챔버(3)의 내주(3.1) 영역에서 재차 축방향으로 1차 기어(1) 내로 흐른다.

작동 매체는 공급 채널(5) 내로 그리고 배출 채널(6)로부터 구동 샤프트(4) 의 단부면(4.1)을 통해 안내된다. 이를 위해, 구동 샤프트(4)의 단부면에 중앙 채널(9), 및 상기 중앙 채널(9)을 둘러싸는 링형 채널(10)을 가진 모듈(8)이 배치된다. 중앙 작동매체 채널(9)은 적어도 구동 샤프트(4)를 향한 단부 영역에서 원형 유동 단면을 가지며, 공급 채널(5)과 작동매체 채널(9)은 서로 동일한 면에 놓인다. 적어도 구동 샤프트(4)를 향한 모듈(8)의 단부 영역에서 작동 매체 채널(10)의 링형 횡단면으로 인해, 배출 채널(6)은 작동 매체 채널(10)과 동일한 면에 놓인다.

주변에 대한 배출 채널(6) 또는 작동 매체 채널(10)의 시일은 슬라이드 링 시일(11)에 의해 이루어진다. 공급 채널(5) 또는 작동 매체 채널(9)의 특별한 시일은 필요치 않으며, 여기서는 모듈(8)에 대한 구동 샤프트(4)의 연결 영역에서 홈 시일만이 제공된다. 공급 채널(5) 또는 작동 매체 채널(9)로부터 배출 채널(6) 또는 작동 매체 채널(10) 내로의 어느 정도의 누설 흐름은 허용된다.

구동 샤프트(4)를 통해 작동 챔버 내로의 작동 매체의 공급 및 작동 챔버로부터 샤프트(7)를 통한 작동 매체의 배출이 이루어졌던, 종래의 실시예에서는 샤프트(7)의 떨어져 놓인 축방향 단부의 영역에도 슬라이드 링 시일이 상기 슬라이드 링 시일(11)에 상응하게 제공되어야 하기 때문에, 도시된 실시예는 하나의 슬라이드 링 시일이 덜 필요하다는 장점을 갖는다. 이는 비용을 감소시키고 작동 안전성을 증가시킨다.

2개의 기어, 즉 1차 기어(1) 및 2차 기어(2)는 도시된 바와 같이, 각각의 샤프트(4, 7) 상에 부동 지지된다. 이로 인해, 모든 베어링이 유체 역학적 클러치의 중심 영역 외부에 위치 설정될 수 있다.

도 4에는 크랭크 샤프트(KW)와 배기가스 터빈(21) 사이의 구동 연결부 내에 접속된 유체 역학적 클러치(22)가 도시된다. 크랭크 샤프트(20)는 공지된 바와 같이 내연기관(20)에 의해 구동되고, 배기가스 터빈(21)은 배기가스 에너지를 크랭크 샤프트의 구동에 사용하기 위해(유체 역학적 클러치(22)의 터보 클러치 작동), 내연기관(20)의 배기가스 흐름 내에 배치된다.

유체 역학적 클러치(22)의 리타더 작동 중에, 1차 기어(1)는 다판 클러치(23)에 의해 회전에 대해 록킹되고, 크랭크 샤프트로부터 2차 기어(2)로 전달된 토크는 1차 기어(1) 및 다판 클러치(23)를 통해 송출됨으로써, 크랭크 샤프트가 제동된다.

본 발명은 선행 기술에 비해 개선된, 특히 터보 복합 시스템에 사용하기 위한 유체 역학적 클러치를 제공하는 것이다.

Claims (10)

1차 기어(1) 및

2차 기어(2)를 포함하고,

상기 1차 기어(1) 및 상기 2차 기어(2)는 서로 환형 작동 챔버(3)를 형성하고,

상기 1차 기어(1)는 구동 샤프트(4) 상에 배치되거나 또는 상기 구동 샤프트 내에 통합되는 유체 역학적 클러치에 있어서,

상기 작동 챔버(3) 내에 작동 매체를 공급하기 위한 하나 이상의 공급 채널(5) 및 상기 작동 챔버(3)로부터 작동 매체를 동시에 배출하기 위한 하나 이상의 배출 채널(6)이 상기 구동 샤프트(4) 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 역학적 클러치.

제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 공급 채널(5) 및 상기 하나 이상의 배출 채널(6)은 구동 샤프트 내에서 축방향으로 적어도 미리 주어진 섹션에 걸쳐 연장되고, 상기 적어도 하나의 배출 채널(6)은 상기 적어도 하나의 공급 채널(5) 보다 큰 원주 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 유체 역학적 클러치.

제 2항에 있어서, 상기 공급 채널(5)은, 상기 작동 챔버(3)로부터 멀리 놓인 상기 구동 샤프트(4)의 축방향 단부(4.1)로부터, 적어도 거의 상기 구동 샤프트(4) 의 다른 단부까지, 상기 구동 샤프트(4)의 종축 상에 중앙 작동 매체 채널의 형태로 형성되고, 방사 방향 외부에 형성된 다수의 배출 채널(6)에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 유체 역학적 클러치.

제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 배출 채널(6)이 외주(3.3)의 영역에서 상기 작동 챔버(3) 내로 연장되고, 상기 공급 채널(5)은, 상기 작동 챔버(3)의 내주(3.1)와 상기 외주(3.3) 사이의 면 중심에 가까이 놓인 평균 원주(3.2)의 영역에서, 특히 다수의 유입구의 형태로 상기 작동 챔버(3) 내로 연장되는 것을 특징으로 하는 유체 역학적 클러치.

제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 기어(1) 및 상기 2차 기어(2)가 각각 샤프트(4, 7) 상에 부동 지지되는 것을 특징으로 하는 유체 역학적 클러치.

제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 기어(1)는 회전에 대해 기계적으로 록킹됨으로써, 상기 유체 역학적 클러치는 상기 2차 기어(2)의 구동 시에 리타더의 기능을 하는 것을 특징으로 하는 유체 역학적 클러치.

제 6항에 있어서, 상기 하나 이상의 배출 채널(6)은 회전에 대해 기계적으로 록킹된 상기 1차 기어(1)에서 작동 매체의 순환 유동의 유동 방향과는 반대로 접선 으로 연장되고, 특히 하나 이상의 배출 채널(6)의 마지막 섹션이 그 오리피스 앞에서 상기 작동 챔버(3)의 상기 외주(3.3)의 영역에서 상기 작동 챔버(3) 내로, 상기 1차 기어(1) 내의 상기 유체 역학적 클러치의 회전축에 대해 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 역학적 클러치.

제 2항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 작동 챔버(3)로부터 먼 상기 구동 샤프트(4)의 단부에는, 적어도 상기 구동 샤프트(4)에 연결되는 영역에서 횡단면이 원형인 또는 링형인 내부 작동 매체 채널(9)과, 상기 내부 작동 매체 채널(9)을 둘러싸는, 적어도 상기 구동 샤프트(4)에 연결되는 영역에서 횡단면이 링형인 외부 작동 매체 채널(10)을 가진 모듈(8)이 배치되고, 상기 내부 작동 매체 채널(9)은 상기 공급 채널(9)과 유동이 통하도록 연결되고, 상기 외부 작동 매체 채널(10)은 상기 구동 샤프트(4) 내의 하나 이상의 배출 채널(6)과 연결되는 것을 특징으로 하는 유체 역학적 클러치.

내연기관(20), 및

상기 내연기관(20)의 배기가스 흐름 내에 배치된 배기가스 터빈(21)을 포함하고,

상기 배기가스 터빈(21)은 상기 내연기관(20)에 의해 구동되는 크랭크 샤프트와 구동 연결되도록 구성된, 구동 트레인에 있어서,

상기 배기가스 터빈(21)과 상기 크랭크 샤프트 사이의 구동 연결부 내에 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 유체 역학적 클러치(22)가 배치되고, 1차 기어(1)는 상기 배기가스 터빈(21)에 의해 구동될 수 있는 것을 특징으로 하는 구동 트레인.

제 9항에 있어서, 상기 1차 기어(1)는 회전에 대해 기계적으로 록킹됨으로써, 상기 유체 역학적 클러치(22)가 상기 크랭크 샤프트를 유체 역학적으로 제동하는 것을 특징으로 하는 구동 트레인.

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