KR20100110865A - 감쇠 기능을 갖는 아이솔레이터 - Google Patents

Abstract

아이솔레이터는, 허브; 순간 회전 운동하도록 부싱을 통해 허브와 마찰 맞물림을 형성하는 풀리; 토크 전달을 위해 풀리와 허브 사이에 맞물리는 탄성 부재; 및 허브에 풀리를 유지하는 로킹 부재를 포함하며, 부싱과 허브는 마찰 계수를 갖는다.

Description

감쇠 기능을 갖는 아이솔레이터{ISOLATOR WITH DAMPING}

본 발명은 허브와 풀리 사이에 진동을 감쇠시키도록 마찰 감쇠 기구를 갖는 아이솔레이터(isolator)에 관한 것이다.

엔진의 보기용 벨트 구동 장치(engine accessory belt drive)에서의 아이솔레이터는 얼터네이터의 로터에 부착된 허브와 풀리 사이에 탄성 부재를 이용함으로써 진동 차단 기능을 제공한다. 풀리와 허브가 연결되어 있기 때문에, 이들 두 부재 간의 상대 운동은 억제된다. 탄성 부재의 강성은 벨트 구동 시스템의 제1 진동 모드가 공회전 중의 엔진의 점화 진동수(firing frequency)보다 작도록 선택된다. 따라서, 공회전시에 아이솔레이터는 풀리의 진동을 완화시켜 로터에 대한 풀리의 영향을 감소시킨다. 로터의 진동이 감소되기 때문에, 풀리에 의해 전달되어야 하는 토크가 줄어들고 이에 따라 벨트의 피크 장력이 감소한다. 그 결과, 텐셔너의 스팬(span)이 팽팽해져 텐셔너 아암을 이동시키고 벨트 이동 방향으로 얼터네이터의 앞에서의 벨트 스팬을 이완시킬 가능성이 줄어든다. 이는 벨트의 처프 소음(chirp noise)의 발생 가능성을 감소시킨다. 아이솔레이터는 통상의 엔진 작동 중에는 매우 효과적이지만 시동 및 정지 중에는 제한된 기능을 갖고 있다. 이는 시동 및 정지 중에 시스템이 공진을 통과하기 때문이다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 디커플러(decoupler)가 일방향 클러칭 특징을 제공한다. 엔진의 시동 및 작동 단계에서 크랭크샤프트 풀리의 가속 중에, 풀리와 허브는 서로에 로킹되어, 이 장치가 솔리드 풀리(solid pulley)로서 거동한다. 그러나, 감속 단계 중에는 허브가 풀리를 지나 회전, 즉 "오버런(overrun)"할 수 있다. 이는 로터의 관성에 의해 텐셔너 스팬에 큰 장력이 생성되는 것을 방지하여 벨트 슬립 소음을 막는다는 점에서 유용하다. 이러한 디커플러는 그 장치가 실제로 오버런하기 전에 전개를 위해 작은 토크를 요할 수 있다. 오버런 모드에서 풀리와 허브 간에 연결되어 있지 않기 때문에 풀리는 제한되지 않고 회전할 수 있다. 그러한 디커플러는 엔진의 시동 및 정지 단계에 대해 잘 작동할 수 있지만, 엔진의 작동 중에는 겨우 약간만 적합하다.

대표적인 종래 기술로는 자동차용 사행(蛇行)형 벨트 구동 시스템을 개시하는 미국 특허 제5,139,463호가 있는 데, 그 벨트 구동 시스템에서 일련의 피동 조립체에는 하우징 및 이 하우징 내에 아마추어 축선을 중심으로 회전하도록 장착된 아마추어 조립체를 포함하는 얼터네이터 조립체가 포함된다. 아마추어 조립체에는 아마추어 축선을 중심으로 아마추어 조립체와 함께 회전하도록 허브 구조체가 하우징의 외측에 구비되어 있다. 얼터네이터 풀리와 허브 구조 사이에는 사행형 벨트에 의한 얼터네이터 풀리의 피동 회전 운동을 허브 구조에 전달하도록 코일 스프링이 작동 관계로 배치되어, 아마추어 조립체가 얼터네이터 풀리와 동일한 방향으로 회전하게 되는 한편, 얼터네이터 풀리의 피동 회전 운동 중에 얼터네이터 풀리에 대해 반대 방향으로 순간적인 상대 탄성 회전 운동을 할 수 있게 된다.

필요로 하는 것은 허브와 풀리 사이에 진동을 감쇠시키도록 마찰 감쇠 기구를 갖는 아이솔레이터이다. 본 발명은 그러한 필요성을 충족시킨다.

본 발명의 주요 양태는, 허브와 풀리 사이에 진동을 감쇠시키도록 마찰 감쇠 기구를 갖는 아이솔레이터를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 다른 양태는 후속하는 본 발명에 대한 상세한 설명 및 첨부 도면에 의해 드러나거나 명백해질 것이다.

본 발명은, 허브; 순간 회전 운동하도록 부싱을 통해 허브와 마찰 맞물림을 형성하는 풀리; 토크 전달을 위해 풀리와 허브 사이에 맞물리는 탄성 부재; 및 허브에 풀리를 유지하는 로킹 부재를 포함하며, 부싱과 허브는 마찰 계수를 갖는 것인 아이솔레이터를 포함한다.

본 명세서에 포함되어 그 일부를 이루는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 기능을 한다.
도 1은 엔진의 가속 중에 벨트 구동 시스템의 거동을 나타내는 그래프이다.
도 2는 엔진의 감속 중에 벨트 구동 시스템의 거동을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 아이솔레이터의 분해도이다.
도 4는 도 3의 아이솔레이터의 단면도이다.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 아이솔레이터에 대한 허브와 풀리의 상대 운동을 나타내는 순차적인 개략도이다.
도 6은 다양한 부싱 재료를 이용한 아이솔레이터에 대한 동적 감쇠 크기를 나타내는 그래프이다.
도 7은 대안적인 실시예의 분해도이다.
도 8은 도 7의 대안적인 실시예의 단면도이다.

도 1에서는 엔진의 가속 중의 벨트 구동 시스템의 거동을 나타내는 그래프를 도시하고 있다. 시동 중에, 벨트 구동 시스템은 각각의 실린더의 주기적 점화에 의해 야기되는 토크 임펄스를 받게 된다. 이러한 주기적 임펄스는 벨트, 나아가서는 피동 보기 장치들의 순간적인 가속을 야기한다. 그 임펄스는 또한 벨트의 바람직하지 않은 진동을 야기할 수 있다.

도 1은 크랭크샤프트 풀리(CRK)와, 공조기 압축기(A/C) 및 얼터네이터(ALT)와 같은 보기 장치를 포함하는 엔진 벨트 구동 시스템을 도시하고 있다. 이들 각각 의 사이에서 벨트(B)가 돌아간다. 텐셔너(TEN)가 적절한 벨트 구동 장력을 유지한다.

시동 단계의 각 부분들 동안에 엔진이 도 1에 도시한 바와 같이 가속되고 있을 때에 얼터네이터(ALT) 다음의 벨트 스팬(T1)은 얼터네이터 관성체를 가속하는 데에 양의 토크가 필요하기 때문에 높은 장력을 받게 된다. 이러한 높은 장력은 벨트를 연신시키고, 이러한 벨트 길이의 증가는 텐셔너 스팬(T2)에 축적된다. 이는 텐셔너 아암(TEN)이 프리 아암 스톱(free arm stop)을 향해 이동하게 한다(언로딩). 텐셔너는 얼터네이터 앞의 스팬(T2)에 제어된 벨트 장력을 유지한다. 이러한 상황에서 시스템에는 벨트 소음이 거의 발생하지 않는다.

도 2에서는 엔진의 감속 중의 벨트 구동 시스템의 거동을 나타내는 그래프를 도시하고 있다. 그 단계 중에 엔진이 도 2에 도시한 바와 같이 감속될 때에 얼터네이터 관성체는 현재의 속도로 회전하려는 경향이 있고(뉴턴의 제1 운동 법칙), 이에 따라 얼터네이터가 벨트의 주 구동원이 될 것이다. 이는 텐셔너 둘레에서 벨트(B)의 통상 이완된 스팬(T2)이 긴장되게 한다. 이러한 벨트의 장력이 텐셔너(TEN)의 스프링 하중 및 텐셔너에서의 감쇠를 극복하기에 충분히 높은 경우, 텐셔너 아암은 풀 로드 스톱(full load stop)을 향해 이동할 것이다(벨트로부터 떨어짐). 이는 사실상 구동 길이를 감소시켜 벨트 스팬(T1)이 이완되어 장력이 느슨해지게 한다. 장력이 소정 임계값 아래로 떨어지게 되면, 벨트 구동 시스템은 벨트 처프 소음을 겪게 된다. 이러한 상황을 해결하기 위해, 얼터네이터 디커플러 또는 아이솔레이터와 같은 장치가 종래 기술의 솔리드 얼터네이터 풀리를 대신하도록 개발되었다. 종래 기술의 디커플러는 얼터네이터 풀리가 얼터네이터의 로터에 부착된 허브에 대해 회전할 수 있게 한다. 그러한 상대 운동의 크기는 그러한 특별한 장치에 좌우된다. 종래 기술의 얼터네이터 디커플러는 일반적으로 일방향 클러칭 특징을 제공하는 데, 엔진의 시동 및 작동 단계에서 크랭크샤프트 풀리의 가속 중에, 풀리와 허브는 서로에 로킹되고 디커플러가 솔리드 풀리로서 거동한다. 그러나, 감속 단계 중에는 허브는 풀리를 지나 회전, 즉 오버런할 수 있다. 이는 얼터네이터 로터의 관성에 의해 텐셔너 스팬(T2)에 큰 장력이 생성되는 것을 방지하여 벨트 슬립 소음을 막는다는 점에서 유용하다. 이러한 장치는 그 장치가 실제로 오버런하기 전에 전개를 위해 작은 토크를 요할 수 있다. 오버런 모드에서 풀리와 허브 간에 토크를 전달하는 연결이 이루어져 있지 않기 때문에 허브는 일시적으로 제한되지 않고 회전할 수 있다.

도 3에서는 본 발명의 아이솔레이터의 분해도를 도시하고 있다. 본 발명의 아이솔레이터(10)는 풀리(3), 내부 부싱(2), 외부 부싱(6), 허브(5), 비틀림 스프링(4), 허브 커버(8) 및 이들 조립체를 함께 유지하기 위한 로킹 링(1)을 포함한다. 스프링(4)은 풀리의 플랜지(31)와 허브의 플랜지(51) 사이에 압착되어 있다.

풀리가 허브에 대해 회전 이동하기 때문에, 허브 하중을 지지하도록 베어링면이 요구된다. 이러한 구조에서, 내부 부싱(2) 및 외부 부싱(6)이 베어링 기능을 제공한다. 게다가, 부싱(2, 6)들은 풀리와 허브 사이에 감쇠를 제공한다. 감쇠 크기는 서로 맞물리는 표면들의 마찰 계수와 관련이 있다.

일례로서, 강에 대해 Oiles Techmet B 부싱은 0.18의 COF(마찰 계수)를 갖는다. 스프링(4)의 스프링 상수는 약 0.27 Nm/deg이다. 풀리 직경은 약 56.5㎜이다. 이들 수치값은 단지 예를 제공하는 것이지 본 발명의 범위 또는 범주를 제한하고자 하는 것은 아니다.

도 4에서는 도 3의 아이솔레이터의 단면도를 도시하고 있다. 보어(52)가 얼터네이터 샤프트(도시 생략)를 수용한다. 벨트 지지면(32)은 다중 리브드 벨트(multi-ribbed belt)(도시 생략)와 맞물리는 프로파일을 갖고 있다. 로킹 링(1)은 허브(5)에 억지 끼워맞춤된다.

도 5a, 도 5b, 및 도 5c에서는 아이솔레이터에 대한 허브와 풀리의 상대 운동을 나타내는 순차적인 개략도를 도시하고 있다. 도 5a와 관련하여, 엔진이 정지되어 있는 경우, 풀리와 허브는 서로 인접한 마크 A 및 B로 나타낸 바와 같이 서로에 대해 변위하지 않을 것이다. 개략적으로 도시한 스프링(4)은 변형되어 있지 않다.

엔진의 시동 시에, 풀리(3)는 순간적으로 높은 가속도를 받게 되어, 풀리가 도 5b에서 CW 방향으로 A보다 각도상 앞선 B의 새로운 상대 위치로 나타낸 바와 같이 허브 앞으로 순간적으로 각운동하게 된다. 풀리에서 허브로 전달되는 토크는 스프링(4)을 통한 토크와 부싱(6)에서의 마찰면을 통한 토크의 합일 것이다. 마찰면을 통한 토크의 크기는 허브 하중과 COF에 좌우된다. "허브하중(hubload)"는 허브 작용하는 벨트 장력에 대한 벡터이다.

엔진/벨트의 가속 단계 중에, 허브 하중은 비교적 높을 수 있으며(약 1200N), 감쇠 토크는 다음과 같을 수 있다.

1200N * 0.18 * 0.045/2 = 4.9 Nm

(COF는 0.18로, 부싱 직경은 약 45㎜로 가정함)

허브에 대한 풀리의 각도 변위와 함께 스프링을 통해 전달되는 토크는 스프링의 포텐셜 에너지를 순간적으로 증가시킨다. 감쇠를 거치는 토크 에너지는 열로서 소산된다. 감쇠가 존재하지 않은 경우에, 모든 토크가 스프링을 통해 전달되어, 스프링에 훨씬 더 큰 포텐셜 에너지가 축적되게 하다.

스프링에서 포텐셜 에너지의 축적은 허브가 이제 CW 방향으로 가속되게 한다. 시동 시의 감속 단계 중에, 허브는 도 5c에서 B보다 각도상 앞선 A의 새로운 상대 위치로 나타낸 바와 같이 CW 방향으로 풀리를 지나 회전한다. 허브에서 풀리로 전달되는 토크는 스프링 토크에 감쇠 토크를 뺀 것이다. 이러한 감속 단계 중에, 허브 하중은 낮으며(∼400N), 감쇠 토크는 다음과 같을 수 있다.

400N * 0.18 * 0.045/2 = 1.6 Nm

(COF는 0.18로, 부싱 직경은 약 45㎜로 가정함)

스프링 토크가 감쇠 토크에 의해 감소되기 때문에, 텐셔너 스팬(T2)의 긴장은 덜 해지고, 텐셔너 아암이 로드 스톱을 향해 이동할 가능성이 줄어들어 다른 스팬에서 벨트를 이완시켜 벨트 슬립 노이즈를 초래한다.

도 6에서는 다양한 부싱 재료를 이용하는 아이솔레이터에 대한 동적 감쇠 크기를 보여주는 그래프를 도시하고 있다. 각각의 부싱(2, 6)은 동일한 재료를 포함하거나, 특정 용례를 위해 원하는 COF를 조절하도록 상이한 재료를 구비할 수 있다. 다양한 부싱 재료에 대한 동적 감쇠 크기에서 감쇠의 이력 특성이 드러난다. 그 재료에는 Arlen 4200(A), Lubriloy RL(B), 및 Oiles(C)가 포함된다. 그래프에서는 상대 변위에 대한 힘(N)을 비교하고 있다.

도 7에서는 대안적인 실시예의 분해도를 도시하고 있다. 이 대안적인 실시예(1000)에서, 탄성 요소(400)는 합성 고무 또는 천연 고무와 같은 폴리머를 포함할 수 있다.

또한, 서로 협동하는 캠들을 포함하는 감쇠 기구 시스템이 존재할 수 있데, 그 캠들은 허브에 대한 풀리의 회전 운동을 회전축선 A-A에 대해 평행한 캠의 직선 운동으로 전환하는 데에 이용된다. 이러한 직선 운동은 벨빌 와셔(Belleville washer)(또는 디스크 스프링)에 작용하여 탄성 감쇠 기구를 생성한다.

보다 구체적으로, 캠 부재(301)가 풀리(300) 내에 억지 끼워맞춤된다. 캠 부재(301)는 캠 표면(302)을 포함한다. 캠 표면(302)은 사인곡선 형상과 비슷한 표면 프로파일을 갖는다. 시일(101), 시일(802), 및 먼지 캡(800)은 아이솔레이터 내로 부스러기가 들어가는 것을 방지한다.

캠 부재(501)는 캠 표면(502)을 포함한다. 캠 표면(502)은 사인곡선 형상과 비슷한 표면 프로파일을 갖는다.

캠 부재(301)와 캠 부재(501) 사이에 롤러 베어링(601)이 배치된다. 이 롤러 베어링(601)은 캠 부재(301)와 캠 부재(501) 간에 상대 운동을 용이하게 한다.

스프링(400)들은 벨빌 와셔를 포함한다. 이 와셔(400)들은 허브(500)의 플랜지(503)와 캠 부재(501) 사이에서 압착된다. 와셔(400)들은 병렬 또는 직렬 설치될 수도 있다. 도 8에서는 와셔(400)들이 직렬로 도시되어 있다. 디스크 스프링이 벨빌 와셔를 대신할 수도 있다. 스프링(400)과 플랜지(503) 사이에는 강제(鋼製) 평면 와셔(504)가 배치되어 스프링(400)이 플랜지(503)를 마모시키는 것을 방지한다.

부품(900)은 부싱 또는 베어링으로서 캠 부재(301)와 허브(500) 사이에 배치된다. 부품(900)은 허브(500)에 대한 캠 부재(301)의 자유로운 회전 운동을 허용하는 한편, 이들 두 부재 사이에 마찰 감쇠를 제공한다. 부싱(900)은 도 6에서 설명한 것들을 비롯한 임의의 적절한 재료를 포함하거나, 볼 베어링을 포함할 수 있다.

보어(505)에는 보기 샤프트(도시 생략)가 맞물린다. 풀리(300)의 내면과는 롤러 베어링(200)이 맞물린다. 이 롤러 베어링(200)은 캡 부재(301)와 로킹 링(100) 사이에 배치된다. 롤러 베어링(200)은 캡 부재(301)와 로킹 링(100) 사이의 상대 운동을 용이하게 한다. 부싱(100)은 로킹 링(100)과의 마찰 맞물림에 의해 캠 부재(301)[나아가서는 풀리(300)]의 진동 운동을 감쇠시킨다.

부싱(250)이 풀리(300)의 내면과 맞물린다. 이 부싱(250)은 캠 부재(501)와 미끄럼 맞물림을 형성한다.

작동시에, 와셔(400)들은 플랜지(503)와 캠 부재(501) 사이에서 압착된다. 캠 표면(302, 502)들의 서로 협동하는 프로파일은 스프링 힘이 최소로 되는 위치를 아이솔레이터가 갖게 한다. 토크가 풀리에 가해질 때에, 캠 표면(302, 502)들은 서로에 대해 회전하여, 사인곡선형 프로파일로 인해 회전축선 A-A를 따른 직선 운동을 초래한다. 이는 스프링(400)이 플랜지(503)와 캠 부재(501) 사이에서 압착되게 한다. 와셔(400)의 압착은 풀리와 허브 사이의 스프링 힘을 증가시킨다.

도 8에서는 도 7의 대안적인 실시예의 단면도를 도시하고 있다. COF 및 허브 하중을 통해 생성된 감쇠의 크기는 벨트 슬립이 시동 및 정지 중에 10% 이하로 억제되도록 되어야 한다. 이러한 감소는 엔진의 시동 및 정지 중에 유용하며, 스프링은 엔진의 공회전 중에 풀리의 진동을 완화시키고 로터의 운동을 감소시켜 유용하다.

본 발명의 실시예에 대해 본 명세서에서 설명하였지만, 당업자라면 본 명세서에서 기술하는 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 부품들의 구조 및 관계에 있어서 변형이 이루어질 수 있다는 점을 이해할 것이다.

Claims (12)

1. 허브;
   순간 회전 운동하도록 부싱을 통해 상기 허브와 마찰 맞물림을 형성하는 풀리;
   토크 전달을 위해 상기 풀리와 상기 허브 사이에 맞물리는 탄성 부재; 및
   상기 허브에 상기 풀리를 유지하는 로킹 부재
   를 포함하며, 상기 부싱과 허브는 마찰 계수를 갖는 것인 아이솔레이터.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄성 부재는 벨빌 와셔(Belleville washer)를 포함하는 것인 아이솔레이터.
3. 제1항에 있어서, 상기 탄성 부재는 비틀림 스프링을 포함하는 것인 아이솔레이터.
4. 제1항에 있어서, 상기 풀리에 고정되는 제1 캠 부재; 및
   상기 제1 캠 부재와 미끄럼 맞물림을 형성하는 제2 캠 부재
   를 더 포함하며, 상기 제1 캠 부재와 제2 캠 부재는 상기 탄성 부재와 상기 허브 사이에서 가압 맞물림을 이루는 것인 아이솔레이터.
5. 제4항에 있어서, 제1 캠 표면과 제2 캠 표면 사이에 배치되는 롤러 베어링을 더 포함하는 것인 아이솔레이터.
6. 제4항에 있어서, 상기 풀리와 상기 허브 사이에 풀리의 진동을 감소시키도록 배치된 감쇠 부재를 더 포함하는 것인 아이솔레이터.
7. 엔진 크랭크샤프트 풀리;
   크랭크샤프트 풀리와 보기 장치용 풀리(accessory pulley) 사이에서 돌아가는 벨트에 의해 구동되는 보기 장치; 및
   상기 보기 장치용 풀리에 맞물리는 아이솔레이터
   를 포함하며, 상기 아이솔레이터는,
   상기 보기 장치에 맞물리는 허브;
   순간 회전 운동하도록 부싱을 통해 상기 허브와 마찰 맞물림을 형성하는 풀리;
   토크 전달을 위해 상기 풀리와 상기 허브 사이에 맞물리는 탄성 부재; 및
   상기 허브에 상기 풀리를 유지하는 로킹 부재
   를 포함하며, 상기 부싱과 허브는 마찰 계수를 갖는 것인 벨트 구동 시스템.
8. 제7항에 있어서, 상기 탄성 부재는 벨빌 와셔를 포함하는 것인 벨트 구동 시스템.
9. 제7항에 있어서, 상기 탄성 부재는 비틀림 스프링을 포함하는 것인 벨트 구동 시스템.
10. 제7항에 있어서, 상기 풀리에 고정되는 제1 캠 부재; 및
    상기 제1 캠 부재와 미끄럼 맞물림을 형성하는 제2 캠 부재
    를 더 포함하며, 상기 제1 캠 부재와 제2 캠 부재는 상기 탄성 부재와 상기 허브 사이에서 가압 맞물림을 이루는 것인 벨트 구동 시스템.
11. 제10항에 있어서, 제1 캠 표면과 제2 캠 표면 사이에 배치되는 롤러 베어링을 더 포함하는 것인 벨트 구동 시스템.
12. 제10항에 있어서, 상기 풀리와 상기 허브 사이에 상기 풀리의 진동을 감소시키도록 배치된 감쇠 부재를 더 포함하는 것인 벨트 구동 시스템.

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