KR20120109997A

KR20120109997A - 볼-램프 클러치

Info

Publication number: KR20120109997A
Application number: KR1020117030808A
Authority: KR
Inventors: 데럴 에프. 그린
Original assignee: 마그나 파워트레인 인크.
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2012-10-09
Also published as: CA2766108A1; CN102459941B; US20120097496A1; BRPI1012654A2; EP2446162B1; EP2446162A1; WO2010148507A1; EP2682628A1; CN102459941A; EP2446162A4; US8733527B2; CA2766108C

Abstract

전자기 클러치는 회전가능한 입력 부재 및 회전가능한 출력 부재를 포함한다. 클러치 플레이트는 입력 부재 및 출력 부재 중 하나와 함께 회전하도록 고정된다. 전기자 플레이트는 입력 부재 및 출력 부재 중 다른 하나에 대하여 축 방향으로 이동가능하다. 자가 배력 액추에이터(self-energizing actuator)는 입력 부재의 회전 운동을 전기자 플레이트의 선형 운동으로 변환한다. 액추에이터는 입력 부재 및 출력 부재 중 하나 및 전기자 플레이트 사이에서 상대적으로 회전을 가세하는 편향 부재를 포함하며 전기자 플레이트 및 클러치 플레이트를 초기에 연결한다. 자가 배력 액추에이터(self- energizing actuator)는 일단 입력 부재가 구동되면 추가적인 클러치 연결력을 제공하고 또한 전기자 플레이트를 축 방향으로 옮기고 전기자 플레이트 및 클러치 플레이트를 분리하는 전자석을 포함한다.

Description

볼-램프 클러치{BALL-RAMP CLUTCH}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2009년 6월 23일에 출원된 미국 가출원번호 61/219,472의 우선권의 이익을 요구한다. 상기 출원의 전체 개시 내용은 참고에 의해 여기에 통합된다.

본 개시내용은 클러치(clutch) 및 클러치 액추에이터(clutch actuator)에 관한 것이다. 특히, 클러치 액추에이터는 편향 부재(biasing member) 및 경사면(incline plane)을 포함하는 이중 입력 힘 기계장치(dual input force mechanism)를 포함하여 클러치에 의해 전달된 토크가 대부분의 클러치 작동 입력 힘을 제공한다. 클러치는 전자석에 의해 비작동된다.

전자기 클러치는 자동차를 포함한 다양한 분야에서 상업적으로 이용되었다. 전형적으로, 전자기 클러치는 내부 환형 베어링부(inner annular bearing portion), 내부(inner portion)의 한 말단에서 반지름 방향으로 외부로 길게 형성되는 클러치부(clutch portion) 및 내부에 대하여 일반적으로 겹치면서 간격을 둔 관계에서 클러치부로부터 길게 형성하는 외부 환형부(outer annular portion)를 가지는 로터(rotor)를 포함한다. 내부 환형부 및 외부 환형부 사이의 간격은 로터(rotor)에서 플럭스 필드(flux field)를 생성하기 위해 통전(energize)될 수 있는 전자기 코일을 수용한다. 전자기 코일에 통전(energize)될 때 로터(rotor)와 선택적으로 결합하기 위해 자기장에 의해 환형부에 거치된 플로팅 플레이트(floating plate)를 끌어당길 수도 있다.

다른 마찰 클러치는 마찰 플레이트와 연결된 플로팅 플레이트(floating plate)를 기울어지게 가세하는 복수의 스프링을 가지는 보통 폐쇄 클러치(normally closed clutch)로 형성되었다. 전체 클러치 작동력은 스프링에 의해 제공된다. 클러치를 분리하고 마찰 플레이트에서 플로팅 플레이트(floating plate)로의 토크 전달을 정지하기 위하여, 편향 스프링(biasing spring)의 힘을 극복하고 마찰 플레이트로부터 플로팅 플레이트(floating plate)를 떨어뜨리도록 전자석에 동력을 공급(energize)한다. 이전의 전자기 클러치가 목적을 이루지만, 개선의 필요성이 여전히 존재한다. 특히, 플로팅 플레이트(floating plate)를 마찰 플레이트에서 분리하기 위하여, 스프링의 편향력(biasing force)을 극복하는데 비교적 많은 에너지가 요구된다. 그러므로, 에너지 효율적인 전자기 클러치를 제공하는 것이 바람직할 수도 있다.

이 부분은 개시 내용의 일반적인 개요를 제공하고, 개시 내용의 전체 범위 또는 그 특징 전부를 포괄적으로 개시하는 것은 아니다.

전자기 클러치는 회전가능한 입력 부재 및 회전가능한 출력 부재를 포함한다. 클러치 플레이트는 입력 부재 및 출력 부재 중 하나와 함께 회전하도록 고정된다. 전기자 플레이트(armature plate)는 입력 부재 및 출력 부재 중 다른 하나에 대하여 축 방향으로 이동가능하다. 자가 배력 액추에이터(self-energizing actuator)는 입력 부재의 회전 운동을 전기자 플레이트(armature plate)의 선형 운동으로 변환한다. 액추에이터는 초기에 전기자 플레이트(armature plate) 및 클러치 플레이트를 연결시키기 위해 입력 부재 및 출력 부재 중 하나 및 전기자 플레이트 사이의 상대적인 회전을 강요하는 편향 부재(biasing member)를 포함한다. 일단 입력 부재가 구동되면 자가 배력 액추에이터(self- energizing actuator)는 추가 클러치 연결력을 제공하고 또한 전기자 플레이트(armature plate)를 축 방향으로 이동시키고 전기자 플레이트(armature plate) 및 클러치 플레이트를 분리하기 위한 전자석을 포함한다.

응용성의 다른 영역은 여기에 제공된 설명에서 명백하게 될 것이다. 이 개요의 설명 및 특정한 예는 단지 설명을 위한 것으로 예정되고 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 예정되지 않는다.

여기에 기술된 도면은 선택한 구체예만 설명할 목적으로 제공되며 모든 가능한 실시 형태를 설명하는 것은 아니며 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 예정되지 않는다.
도 1은 대표적인 물 펌프에 연결된 전자기 클러치의 횡단면도이다;
도 2는 다른 전자기 클러치의 일부의 단편적인 사시도이다;
도 3은 도 2에 도시된 전자기 클러치의 일부의 확대 사시도이다;
도 4는 다른 전자기 클러치의 일부의 확대 사시도이다;
도 5는 다른 대표적인 물 펌프와 연결된 다른 전자기 클러치의 횡단면 사시도이다;
도 6은 도 5에 도시된 클러치의 일부의 단편적인 확대 사시도이다;
도 7은 도 5에 도시된 클러치의 일부의 또 다른 단편적인 확대 사시도이다;
도 8은 도 5에 도시된 클러치의 일부의 단편적인 사시도이다;
도 9는 볼 램프 기계장치(ball ramp mechanism)의 일부의 단편적인 사시도이다;
도 10은 도 8에 도시된 볼 램프 기계장치(ball ramp mechanism)의 일부의 평면도이다;
도 11은 다른 대표적인 물 펌프에 연결된 다른 전자기 클러치의 사시도이다;
도 12는 도 11에 도시된 클러치와 펌프 어셈블리의 부분 사시도이다;
도 13은 도 11 및 12에 도시된 전자기 클러치와 물 펌프 어셈블리의 단편적인 사시도이다;
도 14는 마찰 플레이트 클러치 부재 사이의 간격당 전자기력을 묘사하는 그래프이다;
도 15는 전자기 클러치의 볼 램프 액추에이터(ball ramp actuator)에 있어서 클램핑 힘 대 토크를 묘사하는 그래프이다.
대응하는 참조 번호는 도면의 몇몇 도를 통하여 대응하는 부분을 나타낸다.

첨부된 도면을 참조하여 구체예를 더 상세히 설명할 것이다.

도 1은 대표적인 물 펌프(12)와 연결된 전자기 클러치(10)의 횡단면도를 제공한다. 물 펌프(12)는 하우징(14) 및 회전가능한 임펠러(16)를 포함한다. 물 펌프(12)는 단지 대표적인 구동 부하이고 몇 개의 다른 자동차 부속품 또는 하부 시스템이 클러치(10)를 통해서 전달된 동력을 받을 수 있다. 도 1에 도시된 예에서 회전가능한 입력 샤프트(18)는 클러치(10)로 입력된 토크를 제공하고 구동 풀리(driven pulley; 20)를 포함한다. 입력된 전력(input power)은 스프로킷(sprocket), 기어(gear), 체인(chain), 벨트(belt) 등을 포함하는 몇 개의 다른 기계적 요소를 통해 클러치(10)로 전달될 것이다. 풀리(20)는 (미도시한) 내연 기관의 출력 샤프트에 결합한 유연한 벨트에 의해 구동되도록 형성된다. 회전가능한 출력 샤프트(22)는 임펠러(16)와 함께 회전하도록 고정된 말단(24)을 포함한다. 출력 샤프트(22)는 하우징(14) 내에서 회전하도록 베어링 어셈블리(26)에 의해 지지된다. 샤프트 실(shaft seal; 28)은 도시된 것처럼 물 펌프 환경에서 사용될 수도 있다. 입력 샤프트(18)는 하우징(14)에서 회전하도록 베어링 어셈블리(32)에 의해 지지되는 허브 부분(hub portion; 30)을 포함한다.

클러치(10)는 입력 샤프트(18) 및 출력 샤프트(22) 사이에서 토크를 전달하도록 작동가능하며 편향 부재(biasing member; 38), 볼 램프 기계장치(ball ramp mechanism; 40), 마찰 플레이트 어셈블리(42) 및 전자석(44)을 포함한다. 입력 샤프트(18)는 실질적인 평면 표면(50)을 가지는 플레이트부(48)를 포함한다. 복수의 제1 홈(52)은 서로로부터 원주 방향으로(circumferentially) 간격을 두고 있고 볼 램프 기계장치(40)의 제1 캠 플레이트(cam plate)를 정의하기 위하여 표면(50)에 형성된다. 각 홈(52)은 아치형이며 다양한 깊이를 가진다.

볼 램프 기계장치(40)는 또한 전기자 플레이트(armature plate; 56) 및 복수의 볼(58)을 포함한다. 두 번째 세트의 홈(60)은 제2 캠 플레이트를 정의하기 위해 전기자 플레이트(56)의 실질적인 평면 표면(62)에 형성된다. 제2 홈(60)은 서로로부터 원주방향으로 간격을 두고 있으며 제1 홈(52)과 반대로 위치하고 제1 홈(52)과 협력한다. 각각의 제2 홈(60)은 또한 원주 방향에서 다양한 깊이를 가지는 끝이 가늘어지는(tapered) 형상이다. 각 볼(58)은 제1 홈(52) 및 제2 홈(60)의 대응하는 쌍 내에 위치한다.

편향 부재(38)는 전기자 플레이트(56) 및 입력 샤프트(18)와 상호 연결된다. 편향 부재(38)는 토션 스프링(torsional spring), 압축 스프링(compression spring), 탄성 블록(elastomeric block) 또는 편향 부재(38)에 의해 적용된 토크와 반대로 전기자 플레이트(56) 및 입력 샤프트(18) 사이에서 제한된 상대적 회전을 허용하는 다른 부재로 형성될 수도 있다. 특히, 편향 부재(38)는 홈의 가장 깊은 부분으로부터 홈의 얕은 말단을 향하여 볼(58)을 가세하는 토크를 적용한다. 상대적으로 작은 토크를 적용하도록 편향 부재(38)의 치수가 결정된다. 제1 및 제2 홈(52, 60)의 볼 램프 각(ball ramp angle) 및 볼이 위치한 반경에 기반을 두고, 상대적으로 작은 축 방향의 힘이 발생하여 전기자 플레이트(56)를 마찰 플레이트 어셈블리(42)의 구동 플레이트(68)를 향하여 축 방향으로 이동시킨다. 편향 부재(38) 및 볼 램프 기계장치(40)의 조합을 통해 100N 미만의 축 방향으로 적용되는 힘이 제공된다.

마찰 물질(70)은 구동 플레이트(68)에 고정되고 마찰 표면(72)을 포함한다. 구동 플레이트(68)는 출력 샤프트(22)의 말단(73)에 고정된다. 클러치 표면(74)은 전기자 플레이트(56)에 형성되고 마찰 클러치 표면(72)에 실질적으로 평행하여 길게 형성되며 마찰 클러치 표면(72)의 반대에 있다.

전자석(44)은 하우징(14)에 고정된 칼라(collar; 78)를 가지는 하우징(76)을 포함한다. 하우징(76)은 말단벽(84)에 의해 상호 연결된 외부 원통형 벽(80) 및 내부 원통형 벽(82)을 가지는 컵 형상부(cup-shaped portion)를 포함한다. 와이어 코일(88)이 하우징(76)의 컵 형상부 내에 위치한다. 와이어(88) 및 하우징(76)이 전자석(44)을 형성하여 전류가 와이어(88)를 통과하면 플럭스 필드(flux field)가 형성될 것이다. 전자석에 통전(energize)되는 동안, 제1 극(90)이 외부 원통형 벽(80)의 말단면에 형성된다. 반대 극(92)은 내부 원통형 벽(82)의 말단면에 형성된다. 전기자 플레이트와 마찰 플레이트(72)의 연결을 해제하도록 전기자 플레이트를 축 방향으로 이동시키기 위해 전기자 플레이트(56)에 작용하는 힘을 통해 플럭스 필드(flux field)가 전달된다. 이때, 토크는 클러치(10)에 의해 전달되지 않는다.

작동시, 클러치(10)를 통한 토크 전달이 전류가 끊긴(deenergizing) 전자석(44)에 의해 개시된다. 편향 부재(38)는 전기자 플레이트(56)와 입력 샤프트(18) 사이의 상대적인 회전을 유도하여 볼 램프 기계장치(40)가 입력 샤프트(18)의 플레이트부(48)로부터 전기자 플레이트(56)를 멀리 축 방향으로 이동시킨다. 마찰 표면(74)은 클러치 표면(74)과 기울어진 연결 상태로 놓인다. 편향 부재(38)의 상대적으로 낮은 부하 때문에, 이때에는 클러치(10)를 통해 전달가능한(transferrable) 토크가 매우 작다. 그러나, 일단 약간의 토크가 마찰 플레이트 어셈블리를 통해서 전달되면, 클러치 표면(74)이 마찰 표면(72)과 결합상태로 구동된다. 임펠러(16)로부터 저항 부하가 존재하기 때문에 클러치(10)가 자가 배력한다(self-energize). 임펠러(16)가 양수될 유체 내에 위치하고 회전에 대한 저항이 출력 샤프트(22) 및 구동 플레이트(68)를 통해서 전달된다. 마찰 플레이트 어셈블리(42)의 마찰 계면(frictional interface) 때문에, 전기자 플레이트(56)가 회전에 저항한다. 입력 샤프트(18)에 의해 제공된 드라이브 토크는 제1 홈(52) 및 제2 홈(60) 사이의 추가적인 상대적 회전을 유발한다. 볼(58)이 홈의 얕은 말단을 향해 가세되고 홈의 램프 각(ramp angle) 때문에 볼 램프 기계장치(40)를 통해 전달된 힘이 증가한다. 전기자 플레이트(56)로부터 구동 플레이트(68)로 전달된 힘이 상당히 증가한다. 마찰 표면(72) 및 클러치 표면(74) 사이의 계면에서 수직항력(normal force)이 증가함에 따라, 클러치(10)에 의해 전달가능한(transferrable) 최대 토크 또한 증가한다.

클러치(10)를 분리하기 위하여, 전자석(44)가 통전(energize)되어 마찰 표면(72)과의 연결을 해제하도록 전기자 플레이트(56)를 당긴다. 토크가 클러치(10)에 의해 전달되지 않을 경우, 편향 부재(38)가 클러치 적용 힘에 대하여 비교적 작게 공헌하고 볼 램프 기계장치(40)의 자가-배력 효과(self-energizing effect)가 마찰 플레이트 어셈블리(42)로 공급되는 대부분의 적용 힘을 제공하기 때문에, 전기자 플레이트(56)를 옮기는데 필요한 힘은 기존에 요구되는 것보다 실질적으로 더 작을 것이다. 클러치(10)가 통전(energize)될 경우, 전자석에 의해 제공되는 선형 힘이 볼 램프의 작동에 의해 발생된 선형 힘보다 클 때 전자석(44)은 토크 전송을 정지하도록 작용할 것이다. 그렇지 않으면, 전자석(44)은 마찰 표면(72)에서 전기자 플레이트(56)를 분리할 수 없다. 클러치(10)가 0 RPM 또는 0 RPM에서 분리될 수 있어서 최소량의 힘으로 당기도록 가능한 작게 전자석(44)의 치수가 결정된다. 또는, 전자석(44)이 빠른 속도로 클러치를 분리시키도록 형성될 수도 있다. 전자석의 크기와 끌어당기는 힘은 편향 부재(38)에 의해 제공된 부하 및 토크 전달 동안 제공된 자가-배력 부하(self-energization load)를 둘 다 극복하기에 충분한 힘을 제공하도록 형성될 것이다.

도 2 및 3은 다른 전자기 클러치(100)의 일부를 묘사한다. 전자기 클러치(100)는 전자기 클러치(10)와 실질적으로 유사하다. 따라서, 유사한 성분은 "a" 접미어를 포함하는 동일한 참조 번호로 지정될 것이다. 클러치(100)는 구동 풀리부(20a)를 포함하는 입력 샤프트(18a)를 포함한다. 입력 샤프트(18a)의 플레이트부(48a)는 복수의 제1 홈(52a)을 포함한다. 복수의 바나나 슬롯(banana slot; 101)이 플레이트부(48a)를 통과하여 길게 형성되어 전자석(44a)에 의해 형성된 자속(magnetic flux)이 거기를 통과하고 전기자 플레이트(56a)에 작동하도록 한다. 리테이너(retainer; 102)는 실질적으로 원통형이며 원주방향으로 간격을 둔 복수의 캐스터레이션(castellation; 104)을 포함한다. 각 캐스터레이션(castellation; 104)은 제1 측벽(106) 및 제2 측벽(108)을 포함한다. 복수의 스프링(110)은 각 캐스터레이션(castellation; 104) 사이에 형성된 간격 내에 위치한다. 특히, 각 스프링(110)은 하나의 제2 측벽(108)과 연결된다. 리테이너(102)는 플레이트부(48a)와 함께 회전하도록 고정된다. 리테이너(102)는 용접(welding), 접착 접합(adhesive bonding), 기계적 잠금(mechanical fastening) 등을 포함하는 다양한 기술을 통해 입력 샤프트(18a)에 고정될 수도 있다. 또는, 리테이너(102)는 단일체의, 한 조각 부재(monolithic, one-piece member)로 풀리(20a) 및 입력 샤프트(18a)의 다른 부분으로 일체로 형성될 수도 있다.

전기자 플레이트(56a)는 복수의 슬롯(112)을 포함한다. 각 슬롯은 제1 측면(114) 및 제2 측면(116)에 의해 적어도 부분적으로 정의된다. 일단 클러치(100)가 조립되면, 각 스프링(110)은 하나의 제2 측벽(108) 및 하나의 제2 측면(116) 사이에 갇힌다. 리테이너(102)의 제1 측벽(106)이 제1 측면(114)을 향하여 가세된다. 전기자 플레이트(56a), 스프링(110) 및 리테이너(102)의 상대적인 위치 결정을 기반으로, 전기자 플레이트(56a)는 구동 플레이트(68)와 같은 출력 부재와 결합하여 전기자 플레이트(56a)를 축 방향으로 이동시키는 방향으로 입력 샤프트(18a)에 대하여 회전하도록 강요된다(도 1).

도 4는 참조 번호 200로 지정된 다른 전자기 클러치를 묘사한다. 클러치(200)는 클러치(100)와 실질적으로 유사하다. 그러므로, 유사한 성분은 "b" 접미어를 포함하는 같은 참조 번호로 지정될 것이다. 클러치(200)는 리테이너(202)가 캐스터레이션(castellation; 104b)뿐만 아니라 반지름 방향으로 돌출하는 돌기(204)를 포함하는 점이 클러치(100)와 다르다. 각 반지름 방향으로 돌출하는 돌기(204)는 하나의 제1 홈(52b)을 포함한다. 입력 샤프트(18b)는 서로로부터 원주방향으로 간격을 두고 반지름 방향으로 돌출하는 돌기(204)를 수용하도록 치수가 결정된 복수의 키(206)를 포함한다. 조립시, 리테이너(202)는 입력 샤프트(18b)와 함께 회전하도록 고정된다. 이 배열을 통해 풀리(20b) 및 입력 샤프트(18b)와 다른 물질로 리테이너(202)를 형성할 수 있다. 리테이너(202)를 강철로 형성하여 적어도 제1 홈(52b)을 단단하게 하는 것을 생각할 수 있다. 클러치(100)와 유사하게 기능하도록 전기자 플레이트(56b)는 캐스터레이션(castellation; 104b) 및 스프링(110b)을 수용하는 슬롯(112b)을 포함한다. 전기자 플레이트(56b)를 경화가능한(hardenable) 물질로 형성하여 적어도 제2 홈(60b)을 단단하게 할 수도 있다.

도 5~10은 참조 번호 220으로 지정된 다른 전자기 클러치를 묘사한다. 장기의, 견고한 작동을 제공하기 위해 복수의 다른 특징부를 포함하는 것을 제외하고 클러치(220)는 클러치(100) 및 클러치(200)와 유사하다.

클러치(220)는 베어링(226)으로 출력 샤프트(224)를 지지하는 하우징(222)을 포함하는 펌프 어셈블리(221)의 일부를 형성한다. 오염물질의 진입을 제한하기 위하여 하우징(222) 및 출력 샤프트(224) 사이에 실 어셈블리(seal assembly; 228)가 위치한다. 임펠러(230)가 출력 샤프트(224)와 함께 회전하도록 고정된다. 입력 샤프트(232)는 허브(236)와 일체로 형성된 스프로킷(sprocket; 234)을 포함한다. 베어링(237)은 하우징(222)에 대하여 회전하도록 입력 샤프트(232)를 지지한다.

클러치(220)는 입력 샤프트(232)와 출력 샤프트(224) 사이에서 토크를 선택적으로 전달하도록 작동할 수 있다. 클러치(220)는 볼 램프 기계장치(242), 구동 플레이트(244) 및 전자석(246)을 포함한다. 볼 램프 기계장치(242)는 구동 플레이트(244)와 함께 회전하도록 고정된 마찰 패드(249)와의 결합 위치 및 분리 위치 사이에서 축 방향으로 이동가능한 전기자 플레이트(248)를 포함한다. 복수의 제1 홈(250)은 서로로부터 원주방향으로 간격을 두고 허브(236)의 실질적인 평면 표면(238)에 형성되어 볼 램프 기계장치(242)의 제1 캠 플레이트(cam plate)를 정의한다. 제2 세트의 홈(252)은 전기자 플레이트(248)의 실질적인 평면 표면(254)에 형성되어 제2 캠 플레이트(cam plate)를 정의한다. 제2 홈(252)은 서로로부터 원주방향으로 간격을 두고 제1 홈(250)과 반대로 위치하고 제1 홈(250)과 협력한다. 볼(256)은 제1 및 제2 홈의 각각의 대응하는 쌍 내에 위치한다. 각각의 제1 및 제2 홈(250, 252)의 원주 방향의 깊이가 변해서 나선형의 볼 접촉면(258)이 형성된다. 입력 샤프트(232) 및 출력 샤프트(224)가 축에서 벗어나(off-axis) 회전하도록 각각의 볼 접촉면은 반지름 방향의 폭을 가진다. 작동 동안 볼(256)이 홈(250, 252) 안에서 반지름 방향으로 이동하기에 자유롭기 때문에 클러치(220)가 구동하면서(drivingly) 입력 샤프트(232)에 출력 샤프트(224)를 결합하는 동안 샤프트와의 상대적인 부정합이 허용된다.

도 9 및 10은 홈(250, 252)을 포함하는 이전에 기술된 볼 홈(ball groove)에 이용될 수 있는 대체 구조를 묘사한다. 각각의 나선형 볼 접촉면(258)은 제1 정지면(260) 및 제2 정지면(262)에 의해 경계를 이룬다. 각 볼(256)이 홈(250, 252)의 나선형 표면(258)에 위치하여 유지되는 것을 확실하도록 제1 정지면(260)의 위치를 결정한다. 또한, 제1 정지면(260)의 위치는 평면 말단면(238) 및 평면 표면(254) 사이의 최소 간격을 유지한다. 전기자 플레이트(248)와 허브(236) 사이의 간격을 유지하여, 클러치(220)를 걸쳐 토크 전달을 원하는 경우 잔류 자기(residual magnetism)는 마찰 패드(249)에서 분리되거나 간격을 둔 위치에서 전기자 플레이트(248)를 유지하기에 충분하지 않을 것이다. 제1 정지면(260)이 나선형 접촉면(258)에 실질적으로 90도로 길게 형성되어서 볼(256)이 홈(250, 252)으로 더 깊이 가는 것을 제한한다. 제1 정지면(260)이 볼(256)의 중앙 및 및 허브(236)의 회전축을 교차 통과하는 선에 평행하게 길게 형성되어야 한다. 볼(256)을 홈(250, 252) 내의 더 얕은 위치로 이동할 것을 조장할 필요없이 이 기하학적인 관계는 각 볼(256)의 반지름 방향의 이동을 허용한다. 부주의하게 클러치를 연결하거나 분리하지 않고 입력 샤프트(232)와 출력 샤프트(224) 사이의 상대적인 부정합이 보정될 수도 있다.

면(258) 또는 면(238)과 수직으로 접하도록 제2 정지면(262)이 길게 형성될 수도 있다. 전기자 플레이트(248)가 마찰 패드(249)와 결합하는 동안 볼(256)이 제2 정지면(262)에 도달하지 못하도록 나선형 접촉면(258)의 길이를 결정할 것이다.

볼 램프 기계장치(242)는 또한 원주방향으로 간격을 둔 복수의 스프링(266)을 포함한다. 복수의 축 방향으로 돌출하는 못(peg; 268)이 전기자 플레이트(248)와 일체로 형성된다. 각 못(268; peg)은 하나의 스프링(266)의 일부를 수용하는 오목부(270)를 포함한다. 허브(236)에 형성된 어퍼쳐(aperture; 274)로부터 복수의 도그(dog; 272)가 반지름 방향으로 안쪽을 향하여 길게 형성된다. 각 도그(dog; 272)는 하나의 스프링(266)과 기울어져서 연결되며 말단면(276)을 포함한다. 스프링(266)은 홈(250, 252)의 얕은 말단을 향하여 볼(256)을 가세하는 방향에서 허브(236)에 대하여 회전하도록 전기자 플레이트(248)를 적재한다. 홈의 얕은 말단을 향하여 볼(256)이 이동함에 따라, 전기자 플레이트(248)가 마찰 패드(249)를 향하여 축 방향으로 이동한다.

전자석(246)은 직접 또는 베어링(226)을 통해 하우징(222)에 고정되는 자석 코어(278)에 결합한다. 전자석(246)은 입력 샤프트(232)에 대하여 간격을 둔 관계로 위치결정 및 유지된다. 전자석(246)은 정지상태에 있고 코드(cord; 282)를 통해 전력이 공급되는 와이어 코일(280)을 포함한다. 이전 클러치 구체예에 대하여 상술한 것처럼, 코일(280)에 전류가 흐르면, 자기장이 형성된다. 마찰 패드(249)와 연결 상태인 전기자 플레이트(armature plate)를 축 방향으로 끌어당기기 위하여 플러스 라인(flux line)이 전기자 플레이트(248)를 통과한다. 이때 클러치(220)는 입력 샤프트(232)와 출력 샤프트(224) 사이에서 토크를 전달하지 않는다.

도 11~15는 전자기 클러치(302)를 가지는 다른 펌프(300)를 묘사한다. 풀리(304)는 고정장치(fastener; 308)에 의해 허브(306)에 고정된다. 출력 샤프트(310)는 임펠러(312)와 함께 회전하도록 고정된다. 전자기 클러치(302)는 허브(306)에 의해 둘러싸여 밀봉된 환경 내에 위치한다. 허브(306)는 베어링(316)에 의해 하우징(314)에서 회전하도록 지지된다. 클러치(302)는 어플라이 스프링(apply spring; 320), 볼 스크류(322), 마찰 디스크(324) 및 전자석(326)을 포함한다. 볼 램프 기계장치(ball ramp mechanism)가 볼 스크류(322)로 대체된 것을 제외하고 클러치(302)는 클러치(10), 클러치(100) 및 클러치(200)와 실질적으로 유사하게 작동한다. 볼 스크류(322)는 출력 샤프트(310)에 형성된 복수의 제1 볼 홈(330)을 포함한다. 한 세트의 제2 볼 홈(332)이 전기자 플레이트(334)에 형성된다. 복수의 볼(336)은 제1 볼 홈(330) 및 제2 볼 홈(332)에 의해 정의된 공간 안에 위치한다. 출력 샤프트(310)가 회전하면 전기자 플레이트(334)가 축 방향으로 이동한다.

전기자 플레이트(334)는 외부 원통형 벽(340) 및 말단벽(344)에 의해 상호 연결된 내부 원통형 벽(342)을 포함한다. 마찰 디스크(324)는 말단벽(344)에 고정된다. 백킹 아이언(backing iron; 348)은 외부 원통형 벽(340) 및 내부 원통형 벽(342) 둘 다와 결합하고 캐비티(350)를 덮는다(cap).

와이어 코일(352)은 캐비티(350) 내에 위치한다. 전기 커넥터(356)는 코일(352)에 전력을 제공하기 위해 베어링(316)의 내부 지름을 따라 통과하는 전선(358)을 위한 도관을 제공한다. 튼튼한 전기 연결을 제공하기 위하여, 전기 커넥터(356)는 코일(352)에 전력 공급을 제공하는 전선(358)을 보호하도록 오버몰드(overmold)될 수도 있다.

토크를 전달하지 않는 모드로 클러치(302)를 작동하기 위하여, 전류가 코일(352)을 통과하여 자기장을 생성하고 허브(306)에 형성된 클러치 표면(360)으로부터 마찰 디스크(324)를 멀리 끌어당긴다. 풀리(304)로부터 임펠러(312)로 토크를 전달하기 위하여, 전자석(326)에 동력이 차단된다(deenergize). 스프링(320)이 클러치 표면(360)을 향하여 전기자 플레이트(334)를 가세한다. 볼 스크류(322)를 통해서, 마찰 디스크(324)가 상대적으로 가벼운 부하로 허브(306)에 연결된다. 풀리(304)가 구동되고 클러치(302)에 의하여 전달가능한(transferrable) 토크의 최대량을 증가시키도록 증가한 힘의 크기로 볼 스크류(322)의 나사 각(helix angle)이 클러치 표면(360)을 향하여 마찰 디스크(324)를 구동시키는 동안 임펠러 부하가 출력 샤프트(310)가 회전하는 것을 제한할 때 클러치 자가 배력(clutch self energization)이 일어난다. 한 구조에서, 마찰 디스크(324)와 클러치 표면(360) 사이의 약 0.3㎜의 간격의 공간을 횡단하도록 출력 샤프트(310)에 대하여 전기자 플레이트(334)가 약 2도 회전한다.

상술한 것처럼, 전자석(326)에 의해 생성된 힘은 스프링에 의해 제공된 전체 적용 힘을 가지는 클러치와 결합한 다른 전자석에 의해 요구되는 힘보다 실질적으로 작을 수 있다. 도 14는 스프링을 사용하는 디자인에 비교하면서 볼 램프 디자인을 위해 전자석에서 요구되는 힘을 나타낸다.

도 15는 클림핑 힘(clamping force) 대 볼 램프 기계장치(ball ramp mechanism)를 포함하는, 클러치(10, 100, 200) 중 하나에 있어서의 토크를 묘사한다. "가능 출력 한계(Capability Limit)" 자취는 클러치에 의하여 전달가능한 최대 토크를 나타낸다. "작동 반응(Operating Response)"으로 지정된 자취는 볼이 회전축으로부터 6㎜의 반지름에 위치하는 약 35도의 볼 램프 각(ball ramp angle)을 가지는 동일한 클러치의 출력 특성을 나타낸다. 30N의 스프링 힘은 편향 부재에 의해 제공되고 마찰 클러치의 플레이트 부재 사이의 얼마 안 되는 간격(nominal gap)은 약 0.30㎜이다.

상기 기술한 구체예는 설명 및 기술의 목적을 위해 제공되었다. 본 발명을 제한하거나 배제하는 것으로 예정되지 않는다. 특정한 구체예의 개별 요소 또는 특징부는 일반적으로 그 특정한 구체예로 제한되지 않으며, 비록 특히 도시되거나 기술되지 않아도, 적용 가능하면, 상호교환할 수 있고 선택된 구체예에서 이용될 수 있다. 많은 방법으로 동일한 것이 변경될 수도 있다. 그런 변형례는 본 발명에서 벗어나는 것으로 간주되지 않으며, 그런 수정안은 전부 본 발명의 범위 내에서 포함되는 것으로 예정된다.

Claims

회전가능한 입력 부재; 회전가능한 출력 부재; 상기 입력 부재 및 상기 출력 부재 중 하나와 함께 회전하도록 고정된 클러치 플레이트(clutch plate); 상기 입력 부재 및 상기 출력 부재 중 다른 하나에 대하여 축 방향으로 이동가능한 전기자 플레이트(armature plate); 및 상기 입력 부재의 회전 운동으로 상기 전기자 플레이트의 선형 운동으로 변환하는 자가-배력 액추에이터(self-energizing actuator)를 포함하며,
상기 액추에이터는 초기에 상기 전기자 플레이트와 상기 클러치 플레이트를 연결시키도록 상기 입력 부재 및 상기 출력 부재 중 다른 하나 및 상기 전기자 플레이트 사이의 상대적 회전을 촉구하는 편향 부재(biasing member)를 포함하며, 상기 입력 부재가 구동되면 상기 자가-배력 액추에이터가 추가적인 클러치 결합력(clutch engagement force)을 제공하고, 상기 액추에이터는 상기 전기자 플레이트를 축 방향으로 옮겨서 상기 전기자 플레이트 및 상기 클러치 플레이트를 분리시키는 전자석을 더 포함하는 전자기 클러치(electromagnetic clutch).
제1항에 있어서,
상기 액추에이터는 제1 캠 플레이트(cam plate) 및 제2 캠 플레이트(cam plate)를 가지는 볼 램프 기계장치(ball ramp mechanism) 및 상기 캠 플레이트(cam plate) 사이에 위치한 복수의 롤링 부재(rolling member)를 포함하는 전자기 클러치.
제2항에 있어서,
상기 제1 캠 플레이트(cam plate)는 상기 입력 부재와 함께 회전하도록 고정되며, 상기 제2 캠 플레이트(cam plate)는 상기 전기자 플레이트에 고정되는 전자기 클러치.
제3항에 있어서,
상기 입력 부재는 적어도 부분적으로 상기 전자석을 에워싸는 풀리부(pulley portion)를 포함하는 전자기 클러치.
제1항에 있어서,
상기 입력 부재는 원주 방향으로 간격을 둔 복수의 돌기를 포함하며, 상기 전기자 플레이트는 상기 돌기를 수용하는 복수의 슬롯(slot) 및 하나의 상기 슬롯 내에 위치하고 상기 입력 부재 및 상기 전기자 플레이트 사이에서 상대적으로 회전하도록 하나의 상기 돌기와 연결되는 스프링을 포함하는 전자기 클러치.
제2항에 있어서,
상기 제1 캠 플레이트(cam plate)는 다양한 깊이를 가지며 원주 방향으로 간격을 둔 복수의 홈을 포함하는 전자기 클러치.
제6항에 있어서,
상기 제1 캠 플레이트(cam plate)는 회전하도록 상기 입력 부재를 고정하는 잠금 특징부(locking feature)를 포함하며, 상기 제1 캠 플레이트(cam plate)는 제1 물질로 형성되고 단단한 홈(hardened groove)을 포함하고, 제1 입력 부재는 상기 제1 물질과 다른 제2 물질로 형성되는 전자기 클러치.
제1항에 있어서,
상기 액추에이터는 제1 나선형 홈(spiral groove), 제2 나선형 홈(spiral groove) 및 그 사이의 롤링 부재(rolling member)를 포함하는 볼 스크류 기계장치(ball screw mechanism)를 포함하는 전자기 클러치.
제8항에 있어서,
상기 제1 나선형 홈(spiral groove)은 상기 출력 부재에 형성되는 전자기 클러치.
제9항에 있어서,
상기 나선형 홈(spiral groove)은 상기 전기자 플레이트에 형성되는 전자기 클러치.
제8항에 있어서,
상기 입력 부재는 하우징 장착 설비(housing mounting provision)에 접근하도록 서로 분리가능한 풀리 및 허브를 포함하는 전자기 클러치.
제11항에 있어서,
상기 허브는 하우징 및 베어링에 의해 회전하도록 지지되며, 상기 볼 스크류 기계장치를 에워싸는 전자기 클러치.
제12항에 있어서,
상기 베어링 및 상기 하우징 사이에 반지름 방향으로 위치하는 오버몰드된 전기 커넥터(overmolded electrical connector)를 더 포함하는 전자기 클러치.
제1항에 있어서,
상기 출력 부재와 함께 회전하도록 고정된 임펠러(impeller)를 더 포함하는 전자기 클러치.
회전가능한 입력 부재; 회전가능한 출력 부재; 상기 출력 부재와 함께 회전하도록 고정된 클러치 플레이트(clutch plate); 상기 입력 부재에 대해 축 방향으로 이동가능하고 상기 입력 부재에 의해 구동되는 전기자 플레이트(armature plate); 상기 전기자 플레이트를 축 방향으로 옮겨서 상기 전기자 플레이트 및 상기 클러치 플레이트에 떨어뜨리는 전자석; 및 상기 클러치 플레이트 및 상기 전기자 플레이트 사이에 위치하는 복수의 롤링 부재(rolling member)를 가지는 볼 램프 기계장치(ball ramp mechanism)를 포함하며, 상기 전기자 플레이트는 다양한 깊이를 가지는 간격을 두고 원주 방향으로 연장하는 복수의 홈을 포함하며, 각 상기 홈은 한 말단에 위치한 정지면(stop face)을 가지며 상기 롤링 부재(rolling member)가 상기 정지면에 접하면 상기 롤링 부재(rolling member)의 중앙을 통과하는 선 및 상기 전기자 플레이트의 회전축에 평행하게 형성되는 펌프.
제15항에 있어서,
상기 전기자 플레이와 상기 클러치 플레이트를 연결시키기 위해 상기 입력 부재 및 상기 전기자 플레이트 사이의 상대적 회전을 촉구하는 편향 부재(biasing member)를 더 포함하는 펌프.
제16항에 있어서,
각각의 상기 입력 부재 및 상기 출력 부재를 회전가능하게 지지하는 하우징을 더 포함하며, 상기 출력 부재는 상기 클러치 플레이트에 고정된 제1 말단 및 펌핑 부재(pumping member)에 고정된 제2 말단을 포함하는 펌프.
제17항에 있어서,
상기 입력 부재는 상기 출력 부재의 일부를 둘러싸는 펌프.
제18항에 있어서,
상기 입력 부재는 상기 전자석을 둘러싸는 펌프.
제18항에 있어서,
상기 입력 부재는 외부 톱니(external teeth)를 포함하는 펌프.
제15항에 있어서,
상기 홈은 상기 롤링 부재(rolling member)의 반지름 방향의 운동을 가능하게 하는 너비를 포함하여 상기 전기자 플레이트가 상기 클러치 플레이트와 함께 회전하도록 고정될 때 상기 입력 부재가 상기 출력 부재와 다른 속도로 회전하는 펌프.