KR20180044930A - 섬유 플라스틱 복합재로 형성된 샤프트 디바이스 - Google Patents

섬유 플라스틱 복합재로 형성된 샤프트 디바이스 Download PDF

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Abstract

샤프트 디바이스는, 섬유 플라스틱 복합재로 형성된 내측 샤프트 부분 (1)과, 중첩 영역 (
Figure pct00008
)에서 상기 내측 샤프트 부분 (1)을 둘러싸는 섬유 플라스틱 복합재로 형성된 외측 샤프트 부분 (2)과, 상기 중첩 영역 (
Figure pct00009
)에서 상기 내측 샤프트 부분 (1)과 상기 외측 샤프트 부분 (2) 사이에 형성된 조인트 (3)를 포함하고, 상기 조인트 (3)에는 열가소성 우레탄 (TPU)으로 형성된 층 (4)이 적어도 부분적으로 제공된다. TPU 층에 따라 샤프트 디바이스의 댐핑 특성이 정해진다.

Description

섬유 플라스틱 복합재로 형성된 샤프트 디바이스
본 발명은 토크 전달용 샤프트 디바이스에 관한 것이다. 특히, 샤프트 디바이스는 테스트 벤치 (test bench)에서 사용될 수 있다.
샤프트 디바이스는 토크를 전달하는 역할을 하며, 예를 들어 한 쪽에 있는 부하 또는 구동부와 다른 쪽에 있는 테스트 대상 (예: 연소 모터 또는 브레이크) 사이에 토크 흐름을 전달하기 위한 테스트 벤치에 사용할 수 있다.
DE 10 2011 112 708 A1에 따르면, 샤프트 본체와 연결 플랜지가 섬유 플라스틱 복합재 (FPC: Fiber Plastic Composite)로 구성되는 샤프트 연결부를 사용하는 것이 알려져 있다.
토크 전달을 위해 섬유 플라스틱 복합재를 사용함으로써 질량 관성 모멘트 (momentum of inertia)가 감소될 수 있으며, 이는 전체 시스템의 역학에 긍정적 영향을 줄 수 있다. 그러나, 섬유 플라스틱 복합재로 형성된 샤프트 연결부는 많이 적용되기에는 불충분한 댐핑 (damping)을 갖는다. 많은 경우에 댐핑을 증가시키기 위해, 예를 들어 진동 흡수기 (vibration absorbers) 또는 고무 클러치 (rubber clutches)와 같은 추가적인 댐핑 요소가 원하는 댐핑에 도달하기 위해 샤프트 트레인에 통합되어야 한다.
DE 10 2011 112 708 A1
본 발명은 섬유 플라스틱 복합재로 적어도 부분적으로 형성되는 샤프트 디바이스를 제공하면서 이를 사용함으로써 개선된 댐핑이 얻어질 수 있는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 샤프트 디바이스에 의해 해결된다. 바람직한 실시예는 종속항에 기재되어 있다. 이러한 샤프트 디바이스는 특히 테스트 벤치 디바이스에서 유리하게 사용될 수 있다.
샤프트 디바이스는, 섬유 플라스틱 복합재로 형성된 내측 샤프트 부분과, 중첩 영역에 걸쳐 내측 샤프트 부분을 둘러싸는 섬유 플라스틱 복합재로 형성된 외측 샤프트 부분과, 내측 샤프트 부분과 내측 샤프트 부분 사이에서 중첩 영역 내에 형성된 조인트를 포함하되, 조인트에는 열가소성 우레탄 (TPU: thermoplastic urethane)으로 형성된 층이 적어도 부분적으로 제공된다.
따라서, 내측 샤프트 부분과 외측 샤프트 부분은 미리 결정된 길이에 걸쳐 중첩 영역에서 중첩됨으로써, 이들 사이에 조인트가 형성된다. 이 조인트는 원통형으로 형성되고 적어도 부분적으로 TPU로 채워질 수 있다. 전체 시스템의 댐핑 특성은 조인트의 형태와 TPU로 채우는 것을 조정함으로써 조정될 수 있다.
열가소성 우레탄은 열가소성 엘라스토머 그룹 (엘라스토플라스트 - elastoplasts라고도 함)에 속한다. 이것들은 실온에서 고전적인 엘라스토머와 비슷한 거동을 보이나 열 공급 하에서 소성 변형되어 열가소성 거동을 일으키는 플라스틱 재료이다. 따라서, TPU는 우레탄을 기반으로 하는 열가소성 엘라스토머이다.
특히 조인트의 높이 또는 너비와 같은 조인트의 치수에 의존하며 TPU 재료의 특성뿐만 아니라 TPU 층의 축방향 길이에 의존하여 미리 정의된 댐핑 특성이 얻어질 수 있다.
섬유 플라스틱 복합재는 샤프트 디바이스가 매우 낮은 중량을 갖는 것을 가능하게 한다. TPU는 일반적인 엘라스토머와 비교하여 높은 전단 강도를 가져서 특히 댐핑 층으로 적합하다. 또한, TPU를 사용함으로써, 조인트 길이 즉 TPU 층이 형성되는 중첩 영역이 감소될 수 있다.
외측 샤프트 부분은 중공 샤프트로서 형성될 수 있어서, 내측 샤프트 부분은 중공 영역 내로 용이하게 배치되거나 놓일 수 있다.
마찬가지로, 내측 샤프트 부분은 한편으로는 중량을 줄이고 다른 한편으로는 FPC로부터 내측 샤프트 부분을 쉽게 제조할 수 있도록 중공 샤프트로 형성될 수 있다.
섬유 플라스틱 복합재는 예를 들어 섬유 강화 플라스틱 (fiber reinforced plastic) 또는 섬유 복합재 플라스틱 (fiber composite plastic)일 수 있다. 이들은 보강 섬유와 플라스틱 매트릭스로 구성된 재료이다. 매트릭스는 접착제 또는 응집력에 의해 매트릭스에 묶여 있는 섬유를 둘러싼다. 섬유 재료를 사용함으로써, 섬유 플라스틱 복합재는 방향에 따른 탄성 거동을 얻는다.
적합한 섬유는 유리 섬유와 같은 무기 강화 섬유 또는 특히 아라미드 섬유, 탄소 섬유, 폴리에스테르 섬유 등과 같은 유기 강화 섬유이다. FPC 재료는 공지되어 있으므로, 여기서는 추가적인 설명을 생략할 수 있을 것이다.
다음에 자세히 설명되는 샤프트 디바이스의 경우 탄소 섬유 강화 플라스틱 (CRP: carbon fiber reinforced plastic)이 특히 적합함이 나타났다.
열가소성 우레탄 층과 각각의 관련된 샤프트 부분 사이의 조인트 표면은 접착제로 형성된 층을 적어도 부분적으로 포함할 수 있다. 섬유 플라스틱 복합재, 특히 CRP를 TPU 층과 연결하는 것은 문제가 있다는 것이 밝혀졌다. 접착제를 사용함으로써 TPU 층을 샤프트 부분의 FPC 재료에 영구적으로 그리고 신뢰성 있게 연결할 수 있다. 따라서, TPU 층은 FPC 샤프트 부분에 접착제에 의해 적어도 부분적으로 접착되는 것이 바람직하다.
내측 샤프트 부분 및 외측 샤프트 부분은 길이 방향의 억지 끼움 조립체 (interference fit assembly)를 형성할 수 있다. 이것은, 내측 샤프트 부분의 외경이 이들을 조립하기 전에 외측 샤프트 부분의 내경보다 약간 큰 것을 의미한다. 여기서 내측 샤프트 부분의 큰 것 (excess)은 단지 1 밀리미터의 수천분의 1 또는 수백분의 1에 불과할 수 있다. 내측 샤프트 부분과 외측 샤프트 부분은 길이 방향 가압에 의해 서로에 대해 축방향으로 결합되고, 이들 사이에 배치된 TPU 층은 이들 사이에 압입된다. 이러한 공정에 의해 내측 샤프트 부분, TPU 층 및 외측 샤프트 부분으로 이루어진 안정적인 조립체가 얻어질 수 있다.
위에서 논의된 두 개의 결합 원리, 즉 한편으로는 TPU 층의 접착과 다른 한편으로는 길이 방향의 억지 끼움 조립체는 특정한 안정성에 도달하기 위해 서로 조합될 수 있다.
길이 방향의 억지 끼움 조립체에 대한 대안으로서, 또한 횡 방향의 억지 끼움 조립체가 고려될 수 있는데, 여기서도 또한 TPU 층을 접착하는 것과 조합될 수 있다.
변형예에 따르면, 내측 샤프트 부분과 내측 샤프트 부분에 열가소성 우레탄 층에 의해 연결되는 외측 샤프트 부분으로 형성되는 여러 쌍이 제공될 수 있는데, 여기서 상기 쌍은 서로에 대해 동축으로 배치되며, 샤프트 디바이스에 의해 전달되는 토크는 상기 쌍에 의해 전달된다. 따라서, 기계적 직렬 연결에서, 내측 샤프트 부분과 외측 샤프트 부분으로 형성된 여러 쌍이 제공되어, 전달될 토크를 전달한다. 내측 샤프트 부분과 외측 샤프트 부분 사이의 조인트에는 TPU 층이 각각 제공된다. 여기서, 상기 샤프트 부분 중 일부는 서로의 중첩 영역에 중첩되는 다른 두 개의 샤프트 부분과 각각 연결될 수 있다. 이러한 방식으로, 내측 샤프트 부분은 2 개의 외측 샤프트 부분과 연결될 수 있고 그 반대도 가능하다.
실시예에 따르면, 공통의 외측 샤프트 부분에 의해 서로 연결된 2개의 내측 샤프트 부분이 제공되며, 각각의 내측 샤프트 부분과 외측 샤프트 부분 사이의 조인트에 TPU 층이 제공된다. 이와 같이, 매우 콤팩트 한 디자인을 사용하더라도, 보다 많은 양의 TPU 또는 TPU 층이 형성되는 보다 큰 (전체적) 중첩 영역이 얻어 질 수 있게 된다. 댐핑 특성이 실질적으로 TPU 층에 의해서만 결정되기 때문에, 이러한 방식에서는, 넓은 범위에 있는 댐핑 값이 디자인에 따라 달성될 수 있다.
TPU 층을 여러 쌍의 샤프트 부분에 분배함으로써, 짧은 축 방향 길이를 갖도록 각각의 중첩 영역을 형성하는 것이 가능하다. 이러한 제조로 인해, 특히 샤프트 부분의 결합이 간단해진다.
전술한 샤프트 연결부는 테스트 대상을 테스트하기 위한 테스트 벤치 디바이스에 유리하게 사용될 수 있다. 테스트 벤치 디바이스는 커플링 섹션에서 테스트 대상과 결합될 수 있는, 예를 들어 동력계 또는 와전류 브레이크 등과 같은 부하 혹은 구동부를 포함할 수 있다. 테스트 대상은 예를 들어 모터, 브레이크 또는 전체적 구동 트레인일 수 있다. 한편으로 부하 또는 구동부와 다른 한편으로는 커플링 섹션 사이에서의 토크 흐름에서, 전술한 샤프트 디바이스를 포함할 수 있는 샤프트 연결부가 제공될 수 있다. 특히, 샤프트 디바이스는 FPC로 형성된 샤프트 부분을 포함할 수 있고 그 사이에 배치된 TPU 층을 구비할 수 있다.
따라서 TPU 층의 치수를 정하고 디자인함으로써 샤프트 연결부의 댐핑 거동을 테스트 벤치의 요구 사항에 적합한 범위로 조정할 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 장점들 및 특징들은 첨부된 도면을 사용하여 실시예들에 기초하여 이하에서 상세하게 설명된다.
본 발명에 따르면, 섬유 플라스틱 복합재로 적어도 부분적으로 형성되는 샤프트 디바이스를 제공하면서 이를 사용함으로써 개선된 댐핑이 얻어질 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 샤프트 디바이스의 단면도이다.
도 2는 제2 실시예에 따른 샤프트 디바이스의 단면도이다.
도 1은 내측 샤프트 부분 (1) 및 외측 샤프트 부분 (2)을 갖는 샤프트 디바이스의 단면의 단면도를 도시한다.
내측 샤프트 부분 (1) 및 외측 샤프트 부분 (2)은 섬유 플라스틱 복합재 (FPC)로 구성된다. 여기서는 특히, 탄소 섬유 강화 플라스틱 (CRP)이 적합하다고 판명되었다.
외측 샤프트 부분 (2)은, 중공 샤프트로 형성됨으로써, 역시 중공 샤프트로 형성된 내측 샤프트 부분 (1)이 소정의 영역, 소위 중첩 영역 (
Figure pct00001
)과 중첩된다.
내측 샤프트 부분 (1)과 외측 샤프트 부분 (2) 사이에는 열가소성 우레탄 (TPU)으로 형성된 층 (4)이 제공된 조인트 (3)가 형성된다. TPU 층 (4)은 조인트 (3)의 전체 길이에 걸쳐, 즉 전체 중첩 영역 (
Figure pct00002
)에 걸쳐 도 1에 도시된 영역에서 연장되어 있다. 마찬가지로, 조인트 (3)의 일부분만이 TPU 층 (4)으로 채워지거나 여러 개의 TPU 층이 서로에 대해 축방향으로 오프셋되도록 배치되는 것도 가능하다.
조인트 (3) 및 이에 따른 TPU 층 (4)은 도시된 예에서는 중공 실린더로 형성된다.
도 2는 도 1의 것들과 유사하거나 동일한 요소들이 동일한 참조 부호들로 표시되는 또 다른 실시예를 도시한다.
도 2에 도시된 샤프트 디바이스는, 2개의 내측 샤프트 부분을 포함하는데, 도면의 좌측에 내측 샤프트 부분 (1)이 있고 도면의 우측에 내측 샤프트 부분 (1 ')이 있다. 2 개의 내측 샤프트 부분 (1, 1 ')은 각각의 TPU 층 (4, 4') 위에서 공통 외측 샤프트 부분 (2)과 연결된다. 이 경우에도 샤프트 부분 (1, 1 ', 2)은 예를 들면 CRP와 같은 FPC 재료로 형성된다.
각각 쌍의 샤프트 부분 (1, 1 ') 사이에는, 2 개의 조인트가 - 도 1의 실시예에서와 같이 - 형성되는데 도 2에 도면번호 3 (도면의 좌측에 도시된 조인트에 대해) 및 도면번호 3 '(도면의 오른쪽에 도시된 조인트에 대해)으로 표시되어 있다.
이러한 샤프트 디바이스의 디자인에 따라, TPU 층 (4 또는 4 ')의 치수를 정함으로써 바람직한 댐핑 특성이 달성될 수 있다.
TPU의 높은 전단 강도로 인하여, 내측 샤프트 부분 (1)과 외측 샤프트 부분 (2) 사이의 조인트 길이, 즉 중첩 영역 (
Figure pct00003
)은 도 2에서 특히 알 수 있는 것과 같이 짧게 형성될 수 있다.
도 2에 도시된 2 개의 TPU 층 (4, 4 ')의 직렬 연결은 또한 힘이 몇몇 TPU 요소 또는 TPU 층에 의해 전달되도록 반복될 수 있다.
TPU 층 (4, 4 ')에서 각각의 중첩 영역 (
Figure pct00004
)이 짧게 유지될 수 있기 때문에, 디자인의 자유도가 얻어질 수 있다. 또한, 샤프트 부분이 긴 중첩 영역 (
Figure pct00005
)에 걸쳐 결합될 필요가 없기 때문에, 샤프트 디바이스의 제조 동안 결합 프로세스가 단순화될 수 있다.
TPU와 CRP는 서로에게 어렵게 결합된다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 각각의 TPU 층 (4)과 연결될 각 샤프트 부분 {내측 샤프트 부분 (1, 1 '), 외측 샤프트 부분 (2)} 사이의 접합면에 접착제 연결부를 형성하는 것이 유리할 수 있다.
접착제 연결부에 부가하여 제2 제조 단계에서, 길이 방향의 억지 끼움 조립체에 의해 추가로 압력을 가하는 것이 달성될 수 있다. 이 경우, 내측 샤프트 부분 (1)이 외측 샤프트 부분 (2)의 내경에 비해 다소 커서 각각의 가압력이 생성될 수 있는 것이 유리할 수 있다. 길이 방향의 억지 끼움 조립체에 대한 대안으로서, 횡 방향의 억지 끼움 조립체도 가능하다.
TPU 층을 제공함으로써 댐핑의 증가 및 전체 시스템의 동적 특성의 변화가 달성 될 수 있다. 특히 시스템 전체의 댐핑 특성과 비틀림 강성을 의도적으로 조정할 수 있다.

Claims (9)

  1. 섬유 플라스틱 복합재로 형성된 내측 샤프트 부분 (1)과;
    중첩 영역 (
    Figure pct00006
    )에서 상기 내측 샤프트 부분 (1)을 둘러싸는 섬유 플라스틱 복합재로 형성된 외측 샤프트 부분 (2)과;
    상기 중첩 영역 (
    Figure pct00007
    )에서 상기 내측 샤프트 부분 (1)과 상기 외측 샤프트 부분 (2) 사이에 형성된 조인트 (3)를 포함하고,
    상기 조인트 (3)에는 열가소성 우레탄 (TPU)으로 형성된 층 (4)이 적어도 부분적으로 제공되는 샤프트 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외측 샤프트 부분 (2)은 중공 샤프트로 형성되는 샤프트 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 내측 샤프트 부분 (1)은 중공 샤프트로서 형성되는 것을 샤프트 디바이스.
  4. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 섬유 플라스틱 복합재는 탄소 섬유 강화 플라스틱 (CRP), 유리 섬유 복합재, 무기 섬유 복합재, 세라믹 섬유 복합재, 아라미드 섬유 복합재, 플라스틱 섬유 복합재, 천연 섬유 복합재의 군으로부터 선택되는 샤프트 디바이스.
  5. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    열가소성 우레탄으로 형성된 층 (4)과 관련된 샤프트 부분 (1, 2) 사이의 결합 표면은 접착제로 형성된 층을 적어도 부분적으로 포함하는 샤프트 디바이스.
  6. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내측 샤프트 부분 (1) 및 상기 외측 샤프트 부분 (2)은 길이방향의 억지 끼움 조립체 및/또는 횡 방향의 억지 끼움 조립체를 형성하는 샤프트 디바이스.
  7. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    내측 샤프트 부분 (1)과 이 내측 샤프트 부분 (1)에 열가소성 우레탄 층 (4)을 통해 연결되는 외측 샤프트 부분 (2)을 각각 갖는 여러 쌍이 제공되며;
    상기 쌍들은 서로에 대해 동축으로 배치되며;
    샤프트 디바이스에 의해 전달되는 토크는 상기 쌍에 의해 전달되는 샤프트 디바이스.
  8. 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    공통의 외측 샤프트 부분 (2)에 의해 서로 연결된 2개의 내측 샤프트 부분 (1, 1 ')이 제공되며;
    각각의 내측 샤프트 부분 (1, 1 ')과 외측 샤프트 부분 (2) 사이의 조인트 (3, 3')에는 열가소성 우레탄으로 형성된 층 (4, 4 ')이 제공되는 샤프트 디바이스.
  9. 테스트 대상을 테스트하기 위한 테스트 벤치 디바이스로서,
    부하 또는 구동부와;
    상기 테스트 대상이 결합될 수 있는 커플링 섹션과;
    한편으로 부하 또는 구동부와 다른 한편으로는 커플링 섹션 사이에서의 토크 흐름에 제공되는 샤프트 연결부;를 포함하고,
    상기 샤프트 연결부는 전술한 청구항들 중 어느 한 항에 따른 샤프트 디바이스를 포함하는 테스트 벤치 디바이스.
KR1020187007573A 2015-09-21 2016-09-19 섬유 플라스틱 복합재로 형성된 샤프트 디바이스 KR101961075B1 (ko)

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