KR20160110494A - 아이솔레이팅 디커플러 - Google Patents

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KR20160110494A
KR20160110494A KR1020167022576A KR20167022576A KR20160110494A KR 20160110494 A KR20160110494 A KR 20160110494A KR 1020167022576 A KR1020167022576 A KR 1020167022576A KR 20167022576 A KR20167022576 A KR 20167022576A KR 20160110494 A KR20160110494 A KR 20160110494A
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spring
torsion spring
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KR1020167022576A
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알렉산더 세르크
로버트 데디
딘 슈나이더
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게이츠 코포레이션
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Abstract

아이솔레이팅 디커플러(isolating decoupler)는, 샤프트, 샤프트에 저널링(journaling)되는 풀리, 풀리와 맞물리는 토션 스프링, 샤프트와 마찰식으로 맞물릴 수 있는 랩 스프링을 포함하며, 토션 스프링과 랩 스프링은, 각각 감김 방향으로 비틀림 하중을 받도록 연속하여 연결되고, 랩 스프링은 제1 단면 치수와 제2 단면 치수를 갖는 가변 단면을 포함하며, 랩 스프링은 오버토크 조건에서 랩 스프링을 풀림 방향으로 강제하는 풀리와의 접촉에 의해 샤프트로부터 일시적으로 해제 가능하다.

Description

아이솔레이팅 디커플러{ISOLATING DECOUPLER}
본 발명은 아이솔레이팅 디커플러(isolating decoupler), 보다 구체적으로는 제1 단면 치수와 제2 단면 치수를 갖는 가변 단면을 포함하는 랩 스프링을 포함하는 아이솔레이팅 디커플러에 관한 것이다.
승용차 용례를 위한 디젤 엔진의 사용은 보다 양호한 연비 향상의 이점으로 인해 증가하고 있다. 더욱이, 가솔린 엔진은 연료 효율을 향상시키기 위해 압축비를 증가시키고 있다. 그 결과, 디젤 및 가솔린 엔진의 보기 구동 시스템(accessory drive system)은 전술한 엔진에서의 변화로 인한 크랭크샤프트로부터의 보다 큰 크기의 진동을 극복해야만 한다.
증가된 크랭크샤프트 진동과 더불어, 높은 가속/감속비와 높은 얼터네이터 관성으로 인해, 엔진 보기 구동 시스템은 종종 벨트 슬립으로 인한 벨트 처프 소음(belt chirp noise)을 겪게 된다. 이는 또한 벨트 작동 수명을 감소시킬 것이다.
크랭크샤프트 아이솔레이터/디커플러 및 얼터네이터 디커플러/아이솔레이터는 엔진 작동 속도 범위에서의 진동을 여과하고 또한 벨트의 처프를 제어하기 위해 각 진동이 큰 엔진에 대해 널리 이용되고 있다.
대표적 관련 기술로는, 스프링 유지 부재를 통해 얼터네이터 풀리와 허브 구조를 커플링하는 탄성의 나선형 스프링 부재를 갖는, 사행식 구동 시스템에 있는 얼터네이터 풀리를 위한 디커플러를 개시하는 미국 특허 제7,153,227호가 있다. 스프링 유지 부재와 허브 구조 사이에는 이들 간의 슬라이딩 맞물림을 용이하게 하기 위해 부싱(bushing)이 배치된다. 스프링 부재와 얼터네이터 풀리 사이에는 이들 간의 슬라이딩 맞물림을 용이하게 하기 위해 환형 슬리브 부재가 배치된다. 스프링 부재는 그 일단부에서 허브 구조에 연결되고, 그 반대측 단부에서 스프링 유지 부재에 연결된다. 탄성 스프링 부재는 사행식 벨트에 의해 얼터네이트 풀리의 피동식 회전 동작을 허브 구조로 전달하고, 이에 따라 얼터네이터 샤프트는 얼터네이터 풀리와 동일한 방향으로 회전하고, 피동식 회전 동작 중에 얼터네이트 풀리에 대하여 반대 방향으로 일시적인 상대 탄성 동작이 가능하다.
필요로 하는 것은 제1 단면 치수와 제2 단면 치수를 갖는 가변 단면을 포함하는 랩 스프링을 포함하는 아이솔레이팅 디커플러이다. 본 발명은 상기한 필요를 충족시킨다.
본 발명의 주요 양태는, 제1 단면 치수와 제2 단면 치수를 갖는 가변 단면을 포함하는 랩 스프링을 포함하는 아이솔레이팅 디커플러이다.
본 발명의 다른 양태들은 후술하는 발명의 상세한 설명 및 첨부 도면에 의해 알 수 있거나 명백해질 것이다.
본 발명은 아이솔레이팅 디커플러를 포함하며, 이 아이솔레이팅 디커플러는, 샤프트, 샤프트에 저널링(journaling)되는 풀리, 풀리와 맞물리는 토션 스프링, 샤프트와 마찰식으로 맞물릴 수 있는 랩 스프링을 포함하며, 토션 스프링과 랩 스프링은, 각각 감김 방향으로 비틀림 하중을 받도록 연속하여 연결되고, 랩 스프링은 제1 단면 치수와 제2 단면 치수를 갖는 가변 단면을 포함하며, 랩 스프링은 오버토크 조건에서 랩 스프링을 풀림 방향으로 강제하는 풀리와의 접촉에 의해 샤프트로부터 일시적으로 해제 가능하다.
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 디바이스의 단면도이다.
도 2는 디바이스의 분해도이다.
도 3은 디바이스의 사시 상세도이다.
도 4는 랩 스프링의 사시 상세도이다.
도 5는 토션 스프링의 사시도이다.
도 6은 도 5의 절단 사시도이다.
도 1은 디바이스의 단면도이다. 얼터네이터 아이솔레이팅 디커플러(100)는 풀리(2), 토션 스프링(10), 샤프트(1), 베어링(7), 단부 캡(5), 스러스트 와셔(thrust washer)(3, 6, 22) 및 랩 스프링(11)을 포함한다. 도 2는 디바이스의 분해도이다.
샤프트(1)는, 회전축(A-A)으로부터 반경방향으로 연장되는 평면형 단부 부분(142)을 포함한다. 원통형 부재(140)가 단부 부분(142)의 외측부로부터 회전축(A-A)에 평행하게 축방향으로 연장되고 있다. 원통형 부재(140)는 풀리(2)에 있는 협동 리세스(21)와 맞물리고, 이에 의해 라비린스 시일(labyrinth seal)을 형성한다. 라비린스 시일은 부스러기가 디바이스에 진입하는 것을 방지한다.
풀리(2)는 단일 니들 베어링(7)을 통해 샤프트(1)에 저널링된다. 풀리(2)는 스러스트 와셔(3)와 스러스트 와셔(6) 사이에서 샤프트(1) 상에 축방향으로 배치된다. 스러스트 와셔(6)는 와셔(6)의 일부 주위에서 연장되는 간극(61)을 포함한다. 풀리(2)의 부재(24)가 간극(61)을 통해 연장된다. 스러스트 와셔(6)는 샤프트(1)의 견부(15)에서 지탱된다. 스러스트 와셔(3), 풀리(2), 베어링(7) 및 스러스트 와셔(6)는 단부 캡(5)에 의해 샤프트(1) 상에서 제위치에 유지된다. 단부 캡(5)은 샤프트(1) 상에 압입된다.
풀리(2)는, 샤프트(1)와 풀리(2)에 평행하게 축방향으로 연장되는 내부 원통부(23)를 포함한다. 토션 스프링(10)이 풀리(2)와 내부 원통부(23) 사이에 배치된다. 내부 원통부(23)는, 디바이스의 전체 길이에 걸쳐 과도하게 연장되는 일이 없도록 풀리(2)가 베어링(7)과 맞물리게 하는 수단을 제공한다. 내부 원통부(23)는 베어링(7)이 풀리(2)의 엔벨로프 내에 배치되도록 하면서, 토션 스프링(10)을 수용하는 공간도 또한 허용한다. 베어링(7)은, 멀티 리브형 벨트(도시하지 않음)와 맞물리는 풀리의 하중 지탱부 “L”의 중간부 “M”에 위치한다. 베어링(7)은, 풀리(2)를 샤프트(1)에 저널링하는 유일한 수단이며, 이러한 구성은 풀리의 각 단부에 하나씩인 2개의 베어링에 대한 필요성을 제거한다. 샤프트(1)와 단부 캡(5)은 얼터네이터 샤프트(도시하지 않음) 상에 설치될 수 있다.
토션 스프링(10)의 일단부는 풀리(2)에 연결된다. 토션 스프링(10)의 타단부는 랩 스프링(11)에 연결된다. 랩 스프링(11)의 샤프트(1)와 마찰식으로 맞물린다. 토션 스프링(10)과 랩 스프링(11)은 연속하여 연결된다.
작동 시, 랩 스프링(11)은 샤프트(1) 둘레에 감긴다. 랩 스프링(11)은 회전축(A-A)에 대해 토션 스프링(10)의 반경방향 내측에 배치된다. 감김 방향으로 하중을 받을 때, 랩 스프링의 직경은 감소되며, 이것은 랩 스프링(11)이 샤프트(1)를 마찰식으로 파지하도록 한다. 토크 역전 중에, 얼터네이터와 같은 연결된 부하의 관성을 고려하면, 샤프트(1)는 풀리(2)에 대해 약간 과회전(overrotating)할 것이다. 랩 스프링(11)과 샤프트(1) 간의 마찰식 맞물림을 고려하면, 랩 스프링(11)은 약간 풀려 그 직경이 증가할 것이고, 이것은 랩 스프링(11)이 샤프트(1)에 대한 마찰식 파지를 부분적으로 또는 완전히 해제하도록 한다. 이것은, 풀리(2)가 속도를 줄일 때에 샤프트(1)가 계속해서 과회전하게 할 것이다. 이러한 방식에서, 랩 스프링(11)은 일방향 클러치와 유사한 방식으로 작동한다.
전형적인 얼터네이터에 있어서, 최대 토크는 대략 16 Nm 내지 20 Nm 범위이다. 이러한 토크는 풀리(2)로부터 랩 스프링(11)을 거쳐 토션 스프링(10)에 의해 풀리(2)의 회전방향으로 샤프트(1)에 전달된다. 토션 스프링(10)은, 토크가 샤프트(1)에 전달될 때에 감김 방향으로 하중을 받는다.
도 3은 디바이스의 사시 상세도이다. 도 3에서는 토션 스프링(10)이 생략되어 있다. 오버 토크 조건에서는, 랩 스프링(11)도 또한 샤프트(1)로부터 해제 가능하다. 토크가 증가할 때, 풀리(2)는 샤프트(1)로 점점 전진할 것이다. 풀리(2)가 계속해서 전진하면, 내부 원통부(23)의 부재(24)가 랩 스프링(11)의 부재(85)와 맞물릴 것이다. 부재(85)는 랩 스프링(11)의 단부로부터 반경방향 외측방향으로 돌출한다. 부재(24)는 내부 원통부(23)로부터 축방향으로 연장된다. 상시 토크 조건에서, 부재(24)는 부재(85)와 맞물리지 않는다. 전달된 토크가 증가할 때, 부재(24)는 먼저 부재(85)와 접촉한 다음, 부재(85)를 랩 스프링(11)에 대한 풀림 방향으로 압박할 것이다. 이것은 결국에는 랩 스프링(11)이 부분적으로 풀리게 할 것이고, 이에 의해 랩 스프링(11)의 직경이 증가할 것이다. 직경의 증가는 샤프트(1)로부터의 랩 스프링(11)의 마찰식 파지를 부분적으로 또는 완전히 해제할 것이고, 이에 의해 오버 토크 조건 동안에 풀리(2)가 샤프트(1)를 과회전시키게 할 것이다. 이 피쳐는 오버 토크 조건 동안에 디바이스가 손상되는 것을 방지한다.
도 4은 랩 스프링의 사시 상세도이다. 랩 스프링(11)은 기계 가공 스프링이고, 토션 스프링(10)에 영구적으로 연결된다. 토션 스프링(10)도 또한 기계 가공 스프링이다. 랩 스프링(11)은 그 본체 길이를 따라 가변 단면을 갖는다. 랩 스프링(11)은 3개 부분, 즉 일정 단면 부분(110), 가변 단면 부분(120) 및 허브(130)를 포함한다.
“기계 가공(machined)”이라는 용어는 권취뿐만 아니라 스프링에 대해 수행되는 임의의 제조 프로세스를 일컫고, 예컨대 스프링을 형성하기 위해 균질한 실린더에 사선 슬롯을 절결하는 것을 일컬을 수 있다. 상기 용어는 또한 실린더의 내면 및 외면에 바람직학 OD 및 ID 치수를 기계 가공하거나 단면 크기 및 형상을 변경하기 위해 스프링에 각각의 볼류트(volute)를 기계 가공하는 것을 일컬을 수 있다. “기계 가공”은 일반적으로 스프링의 작동 특징을 결정하기 위해 스프링의 하나 이상의 물리적인 특징을 조정 또는 변경하는 것을 일컬을 수 있다.
랩 스프링(11)의 허브(130)는 토션 스프링(10)의 단부에 부착된다. 특히, 허브(130)는 토션 스프링(10)의 환형 단부(150)에 압입된다. 랩 스프링(11)은 2개의 가변 단면 부분을 포함한다. 가변 단면 부분(120)은 허브(130)에 대한 그 연결부(121)에서 2.4 mm × 1.2 mm의 제1 단면과, 일정 단면 부분(110)과의 연결부(1210)에서 0.6 mm × 1.2 mm의 제2 단면을 갖는다. 허브(130)는 스프링 볼류트 또는 와인딩을 포함하지는 않지만, 랩 스프링(11)의 일체형 부분이다. 부재(85)는 일정 단면 부분(110)으로부터 연장된다.
여기에 포함되는 모든 수치는 단지 본 발명의 예시를 목적으로 제공되는 것이지, 본 발명의 폭 또는 범위를 어떠한 방식으로든 제한하려는 의도는 없다.
허브(130)와 가변 단면 부분(120) 사이의 연결부(121)에서, 랩 스프링의 텐션이 16 내지 20 Nm의 토크를 생성할 것이다. 가변 단면 부분(120)과 일정 단면 부분(110) 사이의 연결부(1210)에서, 랩 스프링의 텐션은 토션 스프링에 의해 전달되는 최대 토크보다 대략 6.5 내지 10배 작거나 2 내지 3 Nm인 토크를 생성한다. 이것은, 가변 단면 부분(120)과 샤프트(1) 사이의 마찰이 샤프트(1)에 대해 약 17 Nm 내지 18 Nm의 토크를 생성하게 되기 때문이다. 일정 단면 부분(110)은 이 토크 범위에 부응한다. 일정 단면 부분(110)의 단면은 약 0.6 mm × 1.2 mm이다. 랩 스프링 부분(110)은 약 9개 내지 10개의 코일을 갖는다.
가변 단면 부분(120)과 샤프트(1) 사이에서는 ID 간섭(interference)이 없거나 매우 작다. 랩 스프링 부분(110)은 대략 2 내지 3 Nm의 토크를 샤프트(1)에 전달하기에 충분한, 샤프트(1)와의 ID 억지 끼워맞춤부를 포함한다. 일단 허브(130)가 토션 스프링(10)에 의해 당겨지면, 가변 단면 부분(120)과, 이에 따라 부분(110)도 또한 당겨진다.
도 5는 토션 스프링의 사시도이다. 토션 스프링(10)은 반경방향 내측으로 돌출하는 돌출 부재(150)를 포함한다. 랩 스프링(11)의 허브(130)는 돌출 환형 부재(150)에 압입되고, 이에 의해 랩 스프링(11)을 토션 스프링(10)에 연결하고 토션 스프링 내에 축방향으로 배치한다. 종래 기술과 달리, 본 발명의 디바이스는 토션 스프링과 랩 스프링 사이에 배치되는 스프링 캐리어를 갖지 않는다. 도 6은 도 5의 절단 사시도이다.
디바이스의 장점으로는, 특히 축방향으로 크기가 더 작아진 일방향 클러치[랩 스프링(11)], 베어링(7)의 중앙 배치로 인해 더 작아진 전체 길이, 실질적으로 더 작아진 랩 스프링을 로킹하기 위한 간섭 및 마찰 토크 요건, 오버런(overrun) 중에 실질적으로 더 작아진 드래그 토크, 및 랩 스프링과 샤프트 사이의 더 작은 마찰로 인한 더 낮은 작동 온도가 있다.
여기에서 본 발명의 형태를 설명하였지만, 여기에 설명한 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나는 일 없이 부품들의 구성 및 관계에 있어서 변형이 이루어질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (11)

  1. 아이솔레이팅 디커플러(isolating decoupler)로서,
    샤프트(1);
    샤프트에 저널링(journaling)되는 풀리(2);
    풀리와 맞물리는 토션 스프링(10); 및
    샤프트와 마찰식으로 맞물릴 수 있는 랩 스프링(11)
    을 포함하고, 상기 토션 스프링과 랩 스프링은, 각각이 감김 방향으로 비틀림 하중을 받도록 연속하여 연결되고,
    상기 랩 스프링은, 제1 단면 치수와 제2 단면 치수를 갖는 가변 단면(120)을 포함하며,
    랩 스프링은 오버토크 조건에서, 랩 스프링을 풀림 방향으로 강제하는 풀리와의 접촉에 의해 샤프트로부터 일시적으로 해제 가능한 것인 아이솔레이팅 디커플러.
  2. 제1항에 있어서, 랩 스프링은 토션 스프링의 반경방향 내측에 배치되는 것인 아이솔레이팅 디커플러.
  3. 제1항에 있어서, 토션 스프링은 랩 스프링과 맞물리는 반경방향 내측 돌출 부재를 포함하는 것인 아이솔레이팅 디커플러.
  4. 제1항에 있어서, 랩 스프링은 풀리와 일시적으로 맞물리는 부재를 포함하는 것인 아이솔레이팅 디커플러.
  5. 제1항에 있어서,
    풀리는, 축방향으로 연장되고 베어링과 맞물리는 내부 원통부를 포함하고,
    토션 스프링은 내부 원통부의 반경방향 외측에 배치되는 것인 아이솔레이팅 디커플러.
  6. 제5항에 있어서, 상기 베어링은 풀리 하중 지탱부의 중앙점(midpoint)에 배치되는 것인 아이솔레이팅 디커플러.
  7. 아이솔레이팅 디커플러로서,
    샤프트;
    풀리 하중 지탱부의 중앙점에 배치된 베어링 상에서 샤프트에 저널링되는 풀리;
    풀리와 맞물리는 토션 스프링; 및
    샤프트와 마찰식으로 맞물릴 수 있는 랩 스프링
    을 포함하고, 상기 토션 스프링과 랩 스프링은, 각각이 감김 방향으로 비틀림 하중을 받도록 연속하여 연결되고,
    상기 랩 스프링은, 제1 단면 치수와 제2 단면 치수를 갖는 가변 단면을 포함하며,
    랩 스프링은 오버토크 조건에서, 랩 스프링을 풀림 방향으로 강제하는 풀리와의 접촉에 의해 샤프트로부터 일시적으로 해제 가능한 것인 아이솔레이팅 디커플러.
  8. 아이솔레이팅 디커플러로서,
    샤프트;
    풀리 하중 지탱부의 중앙점에 배치된 베어링 상에서 샤프트에 저널링되는 풀리;
    풀리와 맞물리는 토션 스프링; 및
    토션 스프링의 반경방향 내측에 배치되고, 하중을 받는 조건에서 샤프트와 마찰식으로 맞물릴 수 있는 랩 스프링
    을 포함하고, 상기 토션 스프링과 랩 스프링은, 각각이 감김 방향으로 비틀림 하중을 받도록 연속하여 연결되고,
    상기 랩 스프링은, 제1 단면 치수와 제2 단면 치수를 갖는 가변 단면을 포함하며,
    랩 스프링은 오버토크 조건에서, 랩 스프링을 풀림 방향으로 강제하는 풀리와의 접촉에 의해 샤프트로부터 일시적으로 해제 가능한 것인 아이솔레이팅 디커플러.
  9. 제8항에 있어서,
    풀리는, 축방향으로 연장되고 베어링과 맞물리는 내부 원통부를 포함하고,
    토션 스프링은 내부 원통부의 반경방향 외측에 배치되는 것인 아이솔레이팅 디커플러.
  10. 제8항에 있어서, 토션 스프링은 랩 스프링과 맞물리는 반경방향 내측 돌출 환형 부재를 포함하는 것인 아이솔레이팅 디커플러.
  11. 제8항에 있어서, 랩 스프링은 오버토크 조건에서 풀리와 일시적으로 맞물리는 부재를 포함하는 것인 아이솔레이팅 디커플러.
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