KR20190045924A - 이중 입력 펌프 및 시스템 - Google Patents

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안드레이 코왈스키
리차드 무이젤라
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스택폴 인터내셔널 엔지니어드 프로덕츠, 엘티디.
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Abstract

변속기 또는 엔진에 결합하기 위한 이중 입력 유체 펌프 시스템이 개시된다. 시스템은 제1 외부 기어, 베인, 내부 기어, 또는 지로터 타입 펌프, 제2 외부 기어 펌프, 및 연결 샤프트를 포함할 수 있다. 제2 펌프의 기어들은, 시스템의 작동을 엔진 단독 모드, 모터 단독 모드, 엔진이 제1 펌프를 샤프트를 통해 작동시키고 모터가 제2 펌프를 샤프트보다 큰 속도로 펌핑 방향으로 회전하는 외부 기어에 의해 작동시키는 조합 모드, 입구 부스트 모드, 및 분리 모드를 포함하는 다수의 모드로 가능하게 하는 일방향 클러치 베어링을 포함한다. 또한, 엔진을 제1 외부 기어에 결합하기 위한 제1 샤프트, 모터를 제2 외부 기어에 결합하기 위한 제2 샤프트, 뿐만 아니라 유사한 방식으로 수행하는 일방향 클러치 베어링을 갖는 펌프가 언급된다.

Description

이중 입력 펌프 및 시스템
관련 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은 2016년 9월 2일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/383,160호를 우선권 주장하고, 이 출원은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
기술분야
본 개시는 전체적으로 이중 입력을 갖는 펌프에 관한 것이며, 특히 상이한 모드에서 작동하기 위한 기어와 관련된 일방향 클러치 베어링을 갖는 펌프 및 시스템에 관한 것이다.
펌프는, 예를 들어 유체 또는 윤활유(오일 등)를 차량 시스템에 펌핑하도록 다수의 용례에서 사용된다. 일부 공지된 펌프는 내연 기관 또는 전기 모터에 의해 구동될 수 있다. 그러한 펌프는 구동 장치들 중 하나와 연결하기 위해 펌프의 외부에 있는 클러치를 사용하는 것으로 알려져 있다. 미국 특허 제5,474,428호 및 제5,799,744호는, 예를 들어 그러한 개념을 나타내며, 이들 특허 모두는 그 전체가 본 명세서에 포함된다.
본 개시의 한가지 양태는 변속기 또는 내연 기관 동력원 및 전기 모터 동력원에 결합하기 위한 이중 입력 유체 펌프 시스템을 제공한다. 펌프 시스템은 제1 펌프와 제2 펌프를 포함한다. 제1 펌프는 하우징, 하우징 내에 회전 가능하게 장착되는 회전 가능한 펌핑 요소, 입구, 출구, 및 변속기 또는 내연 기관 동력원을 회전 가능한 펌핑 요소에 결합하여 회전 가능한 펌핑 요소를 펌핑 방향으로 회전시킴으로써 유체를 입구로부터 하우징을 통해 출구로 펌핑하는 입력 샤프트를 갖는다. 제2 펌프는 하우징, 하우징 내에 회전 가능하게 장착되는 적어도 상호 맞물린 제1 및 제2 외부 기어, 입구, 출구, 및 전기 모터 동력원을 제2 외부 기어에 결합하여 기어들을 역회전 펌핑 방향으로 회전시킴으로써 유체를 입구로부터 하우징을 통해 출구로 펌핑하는 입력 샤프트를 갖는 외부 기어 펌프이다. 제1 펌프의 회전 가능한 펌핑 요소와 제2 펌프의 제1 외부 기어 사이에 연결 샤프트가 마련된다. 연결 샤프트는 변속기 또는 내연 기관 동력원에 의해 회전될 때에 제1 펌프의 회전 가능한 펌핑 요소의 펌핑 방향으로 회전된다. 제2 펌프의 외부 기어들은 그 내부에 일방향 클러치 베어링을 각각 포함한다. 제2 펌프의 제1 외부 기어의 일방향 클러치 베어링은 연결 샤프트를 수용하고, (a)연결 샤프트의 회전을 펌핑 방향에서의 회전을 위해 제2 펌프의 제1 외부 기어에 전달하고, (b)제2 펌프의 제1 외부 기어의 펌핑 방향에서의 회전이 연결 샤프트로 전달되는 것을 방지하도록 구성된다. 제2 펌프의 제2 외부 기어의 일방향 클러치 베어링은 입력 샤프트를 수용하고, (a)제2 펌프의 입력 샤프트의 회전을 펌핑 방향에서의 회전을 위해 제2 펌프의 제2 외부 기어에 전달하고, (b)제2 펌프의 제2 외부 기어의 펌핑 방향에서의 회전이 제2 펌프의 입력 샤프트로 전달되는 것을 방지하도록 구성된다. 또한, 일방향 클러치 베어링은 펌프 시스템이, (a)변속기 또는 엔진이 제1 펌프를 제1 펌프의 입력 샤프트를 통해 그리고 제2 펌프를 제1 펌프의 회전 가능한 펌핑 요소와 제2 펌프의 제1 외부 기어 사이의 연결 샤프트를 통해 작동시키는 엔진 단독 모드, (b)모터가 제2 펌프만을 작동시키는 모터 단독 모드, 및 (c)변속기 또는 엔진이 제1 펌프를 입력 샤프트를 통해 작동시키고 모터가 제2 펌프를 연결 샤프트보다 큰 속도로 펌핑 방향으로 회전하는 제1 외부 기어에 의해 작동시키는 조합 모드를 포함하는 적어도 3개의 모드로 작동되게 할 수 있다.
다른 양태는 변속기 또는 내연 기관 동력원 및 전기 모터 동력원에 결합하기 위한 이중 입력 유체 펌프를 제공한다. 펌프는, 하우징, 하우징 내에 회전 가능하게 장착되는 적어도 상호 맞물린 제1 및 제2 외부 기어, 입구, 출구, 변속기 또는 내연 기관 동력원을 제1 외부 기어에 결합시켜 기어들을 역회전 펌핑 방향으로 회전시킴으로써 유체를 입구로부터 하우징을 통해 출구로 펌핑하는 제1 입력 샤프트, 및 전기 모터 동력원을 제2 외부 기어에 결합시켜 기어들을 역회전 펌핑 방향으로 또한 회전시킴으로써 유체를 입구로부터 하우징을 통해 출구로 펌핑하는 제2 입력 샤프트를 포함한다. 제2 펌프의 외부 기어들은 그 내부에 일방향 클러치 베어링을 각각 포함한다. 제1 외부 기어의 일방향 클러치 베어링은 제1 입력 샤프트를 수용하고, (a)제1 입력 샤프트의 회전을 펌핑 방향에서의 회전을 위해 제1 외부 기어에 전달하고, (b)제1 외부 기어의 펌핑 방향에서의 회전이 제1 입력 샤프트로 전달되는 것을 방지하도록 구성된다. 제2 외부 기어의 일방향 클러치 베어링은 제2 입력 샤프트를 수용하고, (a)제2 입력 샤프트의 회전을 펌핑 방향에서의 회전을 위해 제2 외부 기어에 전달하고, (b)제2 외부 기어의 펌핑 방향에서의 회전이 제2 입력 샤프트로 전달되는 것을 방지하도록 구성된다. 또한, 일방향 클러치 베어링은 펌프가, (a)변속기 또는 엔진이 펌프를 제1 입력 샤프트를 통해 작동시키는 엔진 단독 모드, (b)모터가 펌프를 제2 입력 샤프트를 통해 작동시키는 모터 단독 모드, 및 (c)모터가 펌프를 제1 입력 샤프트가 변속기 또는 엔진에 의해 회전되는 것보다 빠른 속도로 제2 입력 샤프트를 통해 작동시키는 오버드라이브 모드를 포함하는 적어도 3개의 모드로 작동되게 할 수 있다.
본 개시의 다른 양태, 특징, 및 이점은 아래의 상세한 설명, 첨부 도면, 및 첨부된 청구범위로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 이중 입력 유체 펌프의 개략도이다.
도 2는 실시예에 따른, 제1 모드로 작동하는 도 1의 시스템의 개략도이다.
도 3은 실시예에 따른, 제2 모드로 작동하는 도 1의 시스템의 개략도이다.
도 4는 실시예에 따른, 제3 모드로 작동하는 도 1의 시스템의 개략도이다.
도 5는 실시예에 따른, 제4 모드로 작동하는 도 1의 시스템의 개략도이다.
도 6은 실시예에 따른, 제5 모드로 작동하는 도 1의 시스템의 개략도이다.
도 7은 본 명세서에 개시된 펌프 시스템의 유량 요구 대 종래의 펌프 유량, 및 절감된 여분의 유량을 도시하는 그래프이다.
도 8a는 본 개시의 다른 실시예에 따른 이중 입력 유체 펌프의 개략도이다.
도 8b는 본 개시의 실시예에 따른 도 8a의 시스템에 사용될 수 있는 지로터 타입 펌프 내의 기어들 및 하우징의 개략도이다.
도 9는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 이중 입력 유체 펌프의 개략도이다.
도 10은 본 개시의 실시예들의 기어들에 사용될 수 있는 일방향 니들 롤러 베어링의 예를 도시한다.
도 11은 실시예에 따른 도 10의 일방향 베어링의 단면도이다.
도 12는 실시예에 따른, 도 11과 관련하여 참조된 일방향 니들 베어링의 치수들의 예를 도시한다.
도 13a 및 도 13b와 도 14a 및 도 14b는 샤프트를 갖는 도 10의 베어링의 개략적인 부분 단면도로서, 여러 작동 모드 중에 예시적인 양쪽 회전 방향을 도시한다.
도 15는 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 도 8a의 시스템에 사용될 수 있는 초승달형 내부 기어 펌프 내의 기어들 및 하우징의 개략도이다.
도 16은 본 개시의 또 다른 실시예에 따른 도 8a의 시스템에 사용될 수 있는 가변 베인 펌프의 부품들 및 하우징의 개략도이다.
본 명세서에서 상세히 설명되는 바와 같이, 개시된 시스템은 다수의 상이한 모드에서 일정량의 유체의 변위를 위해 펌프(들)를 구동하도록 2개의 입력(또는 "이중 입력")을 이용하는 것에 관한 것이다. 펌프 변위량을 조절하는 능력은 엔진과 전기 모터를 모두 이용하는 하이브리드 차량 또는 시동-정지 시스템과 같은 특정 용례에서 유용할 수 있다. 개시된 시스템은 또한 엔진 대신에 자동 변속기를 이용할 수 있다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 본 개시의 전반에 걸쳐 사용되는 "펌프 변위(pump displacement)" 또는 "변위"는 펌프가 특정 시구간 동안 이동시킬 수 있는 유체 또는 액체(윤활유)의 체적, 즉 유량을 지칭한다.
도 1은 실시예에 따른 이중 입력 유체 펌프 시스템(100)(또는 조립체)의 개략도를 도시한다. 펌프 시스템(100)은 제1 펌프(10) 및 제2 펌프(40)를 포함한다. 펌프 시스템(100)은 동력원(20) 및 전기 모터 동력원(34) 모두에 연결된다. 일 실시예에서, 동력원(20)은 내연 기관(ICE; internal combustion engine)이다. 예를 들어, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 제1 펌프(10)는 내연 기관 동력원(20)에 의해 직접 구동되도록 구성되고 제2 펌프(40)는 전기 모터 동력원(34)에 의해 직접 구동되도록 구성된다. 일부의 경우에, 내연 기관(ICE) 동력원(20)은 또한 내연 발전기(ICG; internal combustion generator)로 지칭될 수 있다.
본 개시의 목적상, 단순화 및 설명의 목적만을 위해, 동력원(20)은 내연 기관(ICE 또는 ICG)으로서 도시되고 설명된다. 그러나, 변형예에서, 동력원(20)은 자동 변속기일 수 있다. 일 실시예에서, 변속기는 일부의 경우에 펌프 시스템(100)을 구동시킬 수 있는 내연 기관에 의해 구동될 수 있다. 내연 기관은 제1 펌프(10)를 직접적으로 또는 간접적으로(예를 들어, 변속기를 통해) 구동시키도록 펌프 시스템(100)에 직접적으로 또는 간접적으로 연결될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 내연 기관 동력원(20)은 내연 기관의 동력 출력에 대한 직접 연결, 또는 예를 들어 벨트, 체인, 기어 시스템 또는 다른 개재 구성요소를 통한 간접 연결일 수 있다. 유사하게, 전기 모터 동력원(34)은 전기 모터의 동력 출력에 대한 직접 연결, 또는 간접 연결일 수 있다. 또한, 변속기, 엔진 및/또는 모터는 각각 펌프 시스템으로부터의 오일의 출력 흐름을 받아들이는 시스템들 중 하나일 수 있다.
양 펌프(10, 40)는 아래에서 보다 상세하게 설명되는 각각의 펌프 하우징 내의 회전 가능한 펌핑 요소를 포함한다. 일 실시예에서, 양 펌프(10, 40)는 외부 기어 펌프이고, 외부 기어는 회전 가능한 펌핑 요소로서 제공된다. 다른 실시예에서, 펌프(10, 40) 중 적어도 하나는 회전 가능한 펌핑 요소로서 작용하는 지로터 유닛(gerotor unit)을 갖는 지로터 타입 펌프(예를 들어, 도 8a 참조, 아래에서 후술됨)이다. 또 다른 실시예에서, 펌프(10 및 40) 중 적어도 하나는 내부 기어 펌프(역시 후술됨)이다. 일 실시예에서, 양 펌프(10 및 40)는 내부 기어 펌프이다. 또 다른 실시예에서, 가변 베인 펌프(variable vane pump)(예를 들어, 정변위; positive displacement pump)가 펌프(10) 및/또는 펌프(40)로서 사용될 수 있다. 실시예에서, 제1 펌프(10)는 지로터 타입 펌프일 수 있고 제2 펌프(40)는 외부 기어 펌프일 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 펌프(10)는 가변 베인 펌프일 수 있고 제2 펌프(40)는 외부 기어 펌프일 수 있다. 실시예에서, 제1 펌프(10)는 지로터 타입 펌프일 수 있고 제2 펌프(40)는 내부 기어 펌프일 수 있다. 다른 실시예에서, 제1 펌프(10)는 가변 베인 펌프일 수 있고 제2 펌프(40)는 내부 기어 펌프일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 펌프(10 및 40) 중 하나는 내부 기어 펌프일 수 있고 다른 하나는 외부 기어 펌프일 수 있다. 여기에 언급된 펌프들의 조합 및 유형은 단지 예시적인 것이며 제한하려는 것은 아니다.
도 1에 도시된 예시적인 실시예에서, 펌프(10)는 하우징(11) 내에 회전 가능하게 장착되는, 상호 맞물린 외부 구동 기어(14) 및 외부 피동 기어(16)를 갖는다. 펌프 하우징(11)은 입구(13) 및 출구(15)를 갖는다. 입구(13)는 유체를 받아들이거나 소스(예를 들어, 오일통)로부터 하우징(11) 내로 펌핑되도록 윤활유(자동차 맥락에서 통상적으로 오일)를 투입하고, 출구(15)는 가압 유체 또는 윤활유를 하우징(11)으로부터 지정된 시스템으로 배출하거나 운반하는 데에 사용된다. 기어들(14, 16)의 회전 및 맞물림은 유체를 펌프(10)의 출구(15)로 이동시키고 변위시킨다. 입력 샤프트(12)는 구동 기어(14)에 연결되고 내연 기관(ICE) 동력원(20)을 구동 기어(14)에 결합시킨다. ICE 동력원(20)은 샤프트(12)를 회전시키도록 구성되고, 샤프트는 차례로 구동 기어(14)를 회전시켜 피동 기어(16)를 회전시킨다. 기어들(14, 16)은 유체를 입구(13)로부터 하우징(11)을 통해 출구(15)로 펌핑하도록 역회전 펌핑 방향으로 회전된다. 피동 기어(16)는 마찰을 감소시킴으로써 (예를 들어, 샤프트를 중심으로 한) 그 회전에 일조하는 베어링(18)을 포함한다.
펌프(40)는 또한 제2 하우징(38) 내에 회전 가능하게 장착되는, 상호 맞물린 외부 기어들(26, 28)을 구비한다. 펌프 하우징(38)은 입구(39) 및 출구(41)를 갖는다. 입구(39)는 유체를 받아들이거나 소스(예를 들어, 오일통)로부터 하우징(38) 내로 펌핑되는 윤활유를 투입하고, 출구(41)는 가압 유체 또는 윤활유를 하우징(38)으로부터 지정된 시스템으로 배출하거나 운반하는 데에 사용된다. 실시예에서, 펌프(10)의 입구(13) 및 출구(15)는 펌프(40)의 입구(39) 및 출구(41)와 독립적일 수 있고, 즉 입구들과 출구들은 펌프(10 및 40)로의 및/또는 펌프(10 및 40)로부터의 공급물이 공통 소스와 관련되지 않는다는 점에서 유체적으로 독립적일 수 있다. 다른 실시예에서, 펌프(10)의 입구(13) 및 출구(15)는 펌프(40)의 입구(39) 및 출구(41)와 별개이지만 유체적으로 독립적이지 않을 수 있고, 즉 입구들 및/또는 출구들은 공통 회로 소스 또는 오일통을 가질 수 있다. 예를 들어, 유체 또는 윤활유를 입구(13) 및 입구(39)에 별개로 지향시키는 공통 소스 입구는 통로 및 입구 필터 연결부의 복잡성을 감소시킬 수 있다. 일 실시예에서, 입구(39)는 소스 또는 오일통으로부터 유체 또는 윤활유를 받아들인다. 다른 실시예에서, 입구(39)는 펌프(10)의 출구(15)로부터 유입 유체 또는 윤활유를 받아들인다.
실시예에서, 별개의 출구들은, 펌프 시스템(100)과 관련된 2개의 압력 회로가 존재하는 경우에 필수적일 수 있다. 예를 들어, 하나의 출구는 고압 클러치 구동 회로를 지지하는 데에 사용될 수 있는 반면, 다른 출구는 저압 윤활유 및 냉각 회로를 지지하는 데에 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 펌프(40)의 출구(41)(또는 출구 회로)는 펌프(10)와 관련된 입구 회로를 부스트시키는 데에 사용될 수 있다. 대안으로, 출구 회로들은 별개일 수 있다. 도 5를 참조하여 아래에서 보다 상세하게 설명되는 일 실시예에서, 펌프(40)의 출구(41)는 펌프(10)의 입구(13)를 부스트시키는 데에 사용될 수 있다.
(서로 독립적이거나 별개인) 펌프들의 입구들 및 출구들의 구성은 패키징 제약(들) 및 시스템 설계에 따라 좌우될 수 있다. 따라서, 펌프들(10, 40)의 입구들 및 출구들의 구성 및 연결은 본 명세서에서 제한하려는 것이 아니다.
펌프(40)의 기어들(26, 28)의 회전 및 맞물림은 유체를 펌프(40)의 출구(41)로 이동시키고 변위시킨다. 제1 펌프(10)의 구동 기어(14)와 제2 펌프(40)의 기어(28) 사이에 연결 샤프트(22)가 제공되어, 구동 기어(14)의 회전이 또한 샤프트(22)를 회전시켜 기어(28)를 구동하는 데에 사용될 수 있다. 연결 샤프트(22)는 (ICE 동력원(20)에 의해 회전되는 바와 같이) 외부 구동 기어(14)와 동일한 펌핑 방향으로 회전된다. 제2 펌프(40)는 또한 기어(26)에 연결되고 전기 모터 동력원(M)(34)을 기어(26)에 결합시키는 입력 샤프트(36)를 갖는다. 일부 모드에서, 모터 동력원(34)은 샤프트(36)를 회전시키도록 구성되고, 샤프트는 차례로 기어(26)를 회전시켜 기어(28)를 회전시킨다. 기어들(26, 28)은 유체를 입구(39)로부터 하우징(38)을 통해 출구(41)로 펌핑하도록 역회전 펌핑 방향으로 회전된다.
각각의 펌프 내의 기어들의 기어이의 갯수는 제한하려는 것이 아니라는 점이 유념된다. 예를 들어, 기어들(14, 16 및/또는 26, 28) 상의 기어이의 개수는 소음 문제 또는 공간 제약을 수용하도록 조절될 수 있다. 일 실시예에서, 각 펌프의 기어들은 1:1 비율을 갖는다. 즉, 기어들(14, 16)은 동일한 개수의 기어이를 갖고, 기어들(26, 28)은 동일한 개수의 기어이를 갖는다. 기어들(14, 16)은 실시예에서 기어들(26, 28)과 동일한 개수의 기어이를 가질 수 있다. 일 실시예에서, (동일한 개수의 기어이를 갖는) 기어들(14, 16)은 (동일한 개수의 기어이를 갖는) 기어들(26, 28)과 비교하여 상이한 개수의 기어이를 갖는다. 다른 실시예에서, 기어들(14, 16 및/또는 26, 28)은 각각의 펌프에서 상이한 개수의 기어이를 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 제1 펌프(10)의 기어(14)와 제2 펌프(40)의 기어(28) 및 입력 샤프트(12)를 연결하기 위한 연결 샤프트(22)는 공통 샤프트의 각각의 섹션이다. 다른 실시예에서, 샤프트(12, 22)는 별개의 개별 구성요소일 수 있다.
일 실시예에서, 모터 입력 샤프트(36)(또는 다른 연결 샤프트)는 기어들(26 및 16) 사이에 제공된다. 그러나, 기어들(26 및 16)은 모두 이 샤프트에 의해 회전 가능하지 않다. 대신에, 제1 펌프(10) 내의 피동 기어(16)의 베어링(18)은 피동 기어(16)가 그러한 샤프트를 중심으로(또는 샤프트에 대해) 양쪽 회전 방향으로 자유롭게 회전하게 하여, 이 샤프트는 단순히 시스템에서 기어들의 조립을 위한 가이드 및/또는 안정 장치로서 작용한다.
제2 펌프(40)의 외부 기어들(26, 28)은 그 내부에 일방향 클러치 베어링을 각각 포함한다. 기어(26)는 제1 일방향 클러치 베어링(24)을 포함하고 기어(28)는 제2 일방향 클러치 베어링(30)을 포함한다. 일방향 클러치 베어링(30)은 구동 기어(14)에 연결된 연결 샤프트(22)를 수용한다. 일방향 클러치 베어링(30)은 (a)연결 샤프트(22)의 회전을 (제1 펌프(10)의 기어(14)와 동일한 회전 펌핑 방향인) 펌핑 방향에서의 회전을 위해 제2 펌프(40)의 외부 기어(28)에 전달하고, (b)외부 기어(28)의 펌핑 방향에서의 회전이 연결 샤프트(22)로 전달되는 것을 방지하도록(이에 의해, 모터(34)의 회전을 방지하도록) 구성된다. 즉, 일방향 클러치 베어링(30)은 연결 샤프트(22)로부터 그 펌핑 방향에서 외부 기어(28)로 회전을 전달하고, 외부 기어(28)의 회전을 다시 샤프트(22)로 전달하지 않는다. 외부 기어(26)의 일방향 클러치 베어링(24)은 모터 동력원(34)의 입력 샤프트(36)를 수용한다. 베어링(24)은 베어링(30)과 동일한 기능을 하지만, 대향 방식으로 배열된다. 따라서, 베어링(24)은 (a)모터 입력 샤프트(36)의 회전을 펌핑 방향에서의 회전을 위해 제2 펌프(40)의 외부 기어(26)에 전달하고, (b)외부 기어(26)의 펌핑 방향에서의 회전이 제2 펌프(40)의 입력 샤프트(36)로 전달되는 것을 방지하도록 구성된다.
또한, 일방향 클러치 베어링(24, 30)은 가능하게는 펌프 시스템(100)이 상이한 모드, 예를 들어, (1)엔진 단독 모드, (2)모터 단독 모드, (3)조합 모드, (4)입구 부스트 모드(선택적), 및 (5)분리 모드(선택적)로 작동되게 할 수 있다. 이들 모든 모드의 사용은 필수적이 아니고, 그에 관한 설명은 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
도 2 내지 도 6은 각각의 모드 (1), (2), (3), (4) 및 (5)에 관한 특징을 도시한다. 도 2에 도시된 시스템의 엔진 단독 모드에서, ICE 동력원(20)은 펌프들(10 및 40) 모두를 구동하기 위한 일차 구동 장치로서 작용한다. 예를 들어, 구동 사이클 및 고속에서의 손실을 감소시키도록 엔진 단독 모드를 사용함으로써 시스템(100)으로부터 전체 펌프 변위를 축소하는 것, 즉 펌프를 구동할 때의 전력 손실을 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 전기 구동 모터 동력원(34)은 오프되어 있어 작동하지 않는다. ICE 동력원(20)은 제1 펌프(10)의 입력 샤프트(12)를 회전시켜 기어(14)[이에 따라, 베어링(18) 상에서 자유롭게 회전하는 구동 기어(16)]를 회전시키고 제2 펌프(40)를 기어들(14, 28) 사이의 연결 샤프트(22)의 회전을 통해, 구체적으로 샤프트(22)의 회전을 기어(28)로 전달하는 일방향 베어링(30)에 의해 작동시킨다. 따라서, 기어들(14 및 28)은 동일한 펌핑 방향으로 함께 동일한 속도로 회전하고, 기어들(16 및 26)은 각자의 상호 맞물린 기어이에 의해 반대 펌핑 방향으로 구동된다. 일방향 베어링(24)은 피동 기어(26)가 전기 모터 동력원(34)에 대한 역구동 없이 샤프트(36) 위에서 자유롭게 펌핑 방향으로 회전하게 한다. 양 펌프들(10, 40)로부터의 변위는 ICE 동력원(20)의 구동 속도에 비례한다.
도 3은 작동 시스템(100)의 모터 단독 모드를 개략적으로 도시한다. 모터 단독 모드는, 예를 들어 하이브리드 용례에서 및/또는 시동-정지 구성(예를 들어, 시동 및 정지를 위해 회로에서 유체를 준비하도록) 중에 유용할 수 있다. 이 모드에서, 전기 모터 동력원(34)은 입력 샤프트(36) 및 이에 따라 기어들(26 및 28)을 회전시킴으로써 제2 펌프(40)만을 구동시킨다. 구체적으로, 모터 동력원(34)은 회전을 일방향 베어링(24)을 통해 전달하는 샤프트(36)를 통해 기어(26)를 펌핑 방향으로 회전시킨다. 기어(28)는 상호 맞물린 기어이에 의해 반대 펌핑 방향으로 회전되고, 일방향 베어링(30)은 회전을 연결 샤프트(22)로 전달하지 않고 해당 회전이 자유롭게 발생하게 한다. ICE 동력원(20)은 오프(작동하지 않음)이고 제1 펌프(10)는 비활성화되어 정지 위치에 유지된다. 모터 동력원(34)은 하우징(38)의 출구(41)로부터 유체를 배출하는 속도로 구동된다. 제1 펌프(10)로부터의 변위가 없고, 제2 펌프(40)로부터의 변위는 모터 동력원(34)의 구동 속도에 비례한다.
도 4는 조합 모드(예를 들어, 엔진과 모터의 조합 모드)로 구현될 때에 시스템(100)을 개략적으로 도시한다. 아래의 설명에 의해 이해되는 바와 같이, 조합 모드는 전기 모터 동력원(34) 및 제2 펌프(40)에 의한 온 디맨드 증가(on demand augmentation)를 이용함으로써 펌프 시스템(100)으로부터의 더 높은 변위를 가능하게 한다. 전기 모터 동력원(34)은 빠른 반응 및 동적 응답을 위해 펌프 속도에 계속적으로 동기화되어 유동 및 부스트 압력을 증가시킬 수 있다. 그러한 조합 모드는, 예를 들어 클러치 변속 전 및/또는 클러치 변속 중에, 또는 엔진용 가변 밸브 타이밍 페이저(variable valve timing phaser)에 대한 빠른 응답으로서 클러치 또는 통로의 빠른 충진에 바람직할 수 있다. 조합 모드는, 펌프(10)로부터의 변위만이 부족한 경우, 보다 높은 온도의 유동 및 압력의 유체 또는 윤활유가 요망되는 곳에 사용될 수 있다.
조합 모드에서, ICE 동력원(20)은 엔진 단독 모드와 동일한 방식으로 입력 샤프트(12)를 통해 제1 펌프(10)를 구동하고, 구동 기어(14)는 입력 샤프트(12)를 사용하여 펌핑 방향으로 회전되고, 차례로 기어(14)와의 상호 맞물림을 통해 기어(16)를 회전시킨다. 제1 펌프(10)의 피동 기어(16)는 그 베어링(18) 상에서 자유롭게 회전한다. 그러나, 제2 펌프(40)를 작동시키는 데에 연결 샤프트(22)를 사용하는 대신에, 전기 모터 동력원(34)이 사용되어 모터 입력 샤프트(36) 및 기어들(26, 28)을 구동시킨다. 특히, 전기 모터 동력원(34)은 ICE 동력원(20)보다 빠른 속도로 제2 펌프(40)를 구동시킨다. 이로 인해, 펌프 시스템(100)으로부터의 전체 변위가 증가된다[즉, 펌프들(10 및 40) 모두로부터의 유체 변위가 증가된다]. 구체적으로, 모터 동력원(34)은 기어(26)의 일방향 클러치 베어링(24)을 과속시키고 일방향 클러치 베어링과 맞물림으로써 기어(26)를 그 펌핑 방향으로 구동시키고, 차례로 기어(28)를 상호 맞물림을 통해 그 반대 펌핑 방향으로 구동시킨다. 기어(28)와 함께 일방향 클러치 베어링(30)의 사용은 모터 동력원(34)이 연결 샤프트(22)의 회전과 비교하여 더 빠른 속도로 기어(28)를 [구동 기어(24)를 통해] 반대 펌핑 방향으로 회전하게 한다. 구체적으로, 일방향 클러치 베어링(30)은 제2 펌프(40)가 ICE 동력원 입력으로부터의 저항 없이 유체를 펌핑 및 변위시키게 하는데, 그 이유는 [연결 샤프트(22)가 회전되더라도] 베어링(30)이 기어(28)를 연결 샤프트(22) 둘레에서 반대 펌핑 방향으로 회전하게 하기 때문이다. 제1 펌프(10)로부터의 변위는 ICE 동력원(20)의 속도에 비례하는 반면, 제2 펌프(40)로부터의 변위는 모터 속도(과속)에 비례한다.
도 5에 개략적으로 도시된 시스템(100)의 입구 부스트 모드에서, 펌프(10, 40)는 조합 모드와 동일한 방식으로 작동된다. 또한, 제2 펌프(40)의 출구(41)로부터의 유출 유동(43)의 적어도 일부는 경로(45)를 통해 제1 펌프(10)의 입구(13)로 지향되어 펌프(10) 내로 유체의 유동을 부스트하거나 증가시킨다. 제2 펌프(40)를 보다 높은 엔진 rpm(예를 들어, 3500-400 rpm)에서 활성화시킴으로써, 유출 유동 압력이 증가될 수 있고, 이러한 압축 유동이 제1 펌프(10)로 지향된다. 입력 유체를 펌프(10)로 부스트하면 유체의 유입 유량이 향상되고 캐비테이션(cavitation) 및 폭기(aeration)의 잠재적으로 유해한 효과를 제거하는 데에 도움이 된다(그 이유는 약간 증가된 유입 압력이 펌프의 캐비테이션 효과를 감소시키거나 해결하도록 결정되었기 때문이다).
도 6은 분리 모드를 구현하기 위한 시스템(100)의 추가 실시예를 개략적으로 도시한다. 구체적으로, 도 6은 제1 펌프(10)와 제2 펌프(40) 사이의 연결 샤프트(12) 상에 제공되어 펌프들을 서로 작동 가능하게 연결하는 추가 커넥터(80)를 도시한다. 커넥터(80)는, 예를 들어 전자 제어식 양방향 클러치 베어링일 수 있다. 일 실시예에서, 커넥터(80)는 제2 펌프(40)로부터 제1 펌프(10)의 적어도 일시적인 연결 해제 또는 분리를 가능하게 한다. 이는, 예를 들어 필요하지 않을 때에 펌프 시스템(100)으로부터 전체 펌프 용량을 감소시킨다. ICE 동력원(20)은 펌프(40)가 펌프(10)로부터 분리되어 있는 동안에 펌프(10)를 계속 구동하지만, 제2 펌프(40)는 (예를 들어, ECU/제어기로부터의 명령을 통해) 임의의 바람직한 또는 요구되는 순간에 커넥터(80)를 통해 재연결될 수 있다. 일반적으로, 시스템(100)으로부터의 유출 유동은 펌프들(10, 40)이 연결되어 있고 둘 다 작동할 때에 더 높다. 아이들링 지점에서의 유동 및 압력은 제1 및 제2 펌프(10, 40)에 의해 함께 실행된다. 그러나, 때로는 아이들링 동안과 같은 특정한 경우에, 지정된 시스템, 예를 들어, ICE 동력원(20) 또는 변속기는 조합된 유출 유동 전부를 필요로 하지 않는다. 제1 펌프(10)로부터의 변위는 펌프들(10 및 40)이 분리되어 있는 시구간 동안 지정된 시스템에 보내기에 충분한 유동 및 용량을 제공한다. 예를 들어, 상승된 속도에서는 오버플로우가 발생하게 된다. 따라서, 제2 펌프(40)를 제1 펌프(10)로부터 커넥터(80)를 통해 일시적으로 분리하여, 제2 펌프(40)로부터 주기적인 또는 거의 0의 유동만을 초래함으로써, 이 분리 모드는 오버 플로우를 회피하게 하고 시스템(100)에 의해 사용되는 에너지를 감소시킨다. 또한, 분리 모드는 PWM 시스템과 같은 펌프 시스템(100)과 관련된 다른 시스템 또는 센서로부터의 경보에 기초하여 구현될 수 있다.
PWM 밸브/시스템은 제2 펌프(40)가 필요할 때에 즉시 준비되어 제1 펌프(10)에 재연결될 수 있도록 회로에 약간의 유동 및 압력을 추가하는 데에 사용될 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따르면, 제2 펌프(40)가 [샤프트(12) 상의 커넥터(80)를 분리함으로써] 제1 펌프(10)로부터 분리되더라도, 모터(34)는 제2 펌프(40)를 구동시키는 데에 사용될 수 있다. 따라서, 제2 펌프(40)는 제1 펌프(10)와 상이한 속도로 구동될 수 있다. 또한, 그러한 경우에도, 시스템(100)으로부터의 펌프 용량은 감소된다.
도 7의 유동 차트는 종래의 탠덤/조합 펌프 유동 뿐만 아니라 시스템에 의한 유동 요구에 대한 유량 대 엔진 rpm의 예를 도시한다. 엔진 속도가 증가함에 따라 시스템 유동 요구는 비교적 안정된 상태로(예를 들어, 약 20 ℓ/분 또는 약 20ℓ/분 부근에서) 유지되지만, 도 7은 종래의 펌프 유동이 통상적으로 속도와 함께 기하급수적으로 증가한다는 것을 나타낸다. 통상적으로, 여분의 유출 유동의 일부(즉, 유량 대 요구의 차이)는 오일통 또는 탱크로 재지향될 수 있지만, 다량의 이 유출 유동은 잠재적으로 낭비된 유동이 된다. 따라서, 유량 대 요구의 차이를 보상하고 여분의 또는 낭비된 유량을 절약하거나 감소하기 위해, 유체의 유출 유동 및 압력(예를 들어, 더 낮은 유동 및/또는 압력)은 상기 분리 모드[제2 펌프(40)가 작동하거나 또는 작동하지 않는 상태에서, 제2 펌프(40)는 여전히 제1 펌프(10)로부터 분리됨]를 구현함으로써, 일정 시구간 동안 변경될 수 있다. 예를 들어, 도 7의 화살표로 나타낸 바와 같이, 펌프(10, 40)가 분리된 경우[예를 들어, 제1 펌프(10)에 대해 9 cc의 출력 및 제2 펌프(40)에 대해 3 cc의 출력]와 비교하여 양 펌프(10, 40)가 출력을 위해 연결된 경우(예를 들어, 12 cc의 출력)에 잠재적인 낭비된 유동의 차이는 감소된다.
선택적으로, 하나 이상의 속도 제어식 밸브들(도시 생략)이 시스템(100)과 함께 제공되어 ICE 동력원(20), 모터(34), 및 펌프들의 작동 및 본 명세서에 설명된 모드들을 제어할 수 있다.
따라서, 전술한 모드들에 의해 이해되는 바와 같이, 개시된 펌프 시스템(100)은 전체 펌프 변위를 조절하기 위해 펌프 시스템(100) 내의 고압 회로 및 저압 회로 모두를 구현하는 것을 지원한다. 추가적으로, 본 명세서에 개시된 바와 같이 기어들 내에서 일방향 클러치 베어링을 사용하면 (펌프 외부에 통상적으로 제공되는 클러치를 갖는 공지된 시스템과 비교하여) 보다 콤팩트한 패키징이 제공된다. 이 패키징은 여전히 시스템이 이중 입력에 의해 구동되게 하면서 펌프 시스템(100)이 보다 작은 공간에 배치되게 한다.
전술한 바와 같이, 실시예에서, 펌프 시스템의 펌프들(10, 40) 중 적어도 하나는 지로터 타입 펌프일 수 있다. 도 8a는 제2 펌프(40)와 함께 그 회전 가능한 펌핑 요소로서 지로터 타입 유닛을 포함하는 제1 펌프(10A)를 갖는 이중 입력 유체 펌프 시스템(100A)을 도시한다. 시스템(100)과 마찬가지로, 펌프 시스템(100A)은 내연 기관 동력원(20) 및 전기 모터 동력원(34) 모두에 결합된다. 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 제2 펌프(40)는 전술한 것과 유사한 방식으로 전기 모터 동력원(34)에 의해 직접 구동되도록 구성되는 반면, 지로터 펌프(10A)는 내연 기관 동력원(20)에 의해 직접 구동되도록 구성된다. 펌프 시스템(100A)의 제2 펌프(40)의 부품들은 펌프 시스템(100)을 참조하여 전술한 것과 동일하므로[예를 들어, 기어들(26, 28)이 일방향 클러치 베어링(24,30)과 함께 하우징(38) 내에 제공됨], 그러한 피처들을 언급하기 위해 도 8a에서는 동일한 참조 번호가 사용되고, 그 설명은 여기서 반복되지 않는다.
제1 펌프(10A)는 하우징(17) 내에 제공되는 지로터 유닛(66)을 포함한다. 펌프 하우징(17)은 입구(13A) 및 출구(15A)를 갖는다. 입구(13A)는 유체를 받아들이거나 소스(예를 들어, 오일통)로부터 하우징(17) 내로 펌핑되도록 윤활유를 투입하고, 출구(15A)는 가압 유체 또는 윤활유를 하우징(17)으로부터 지정된 시스템으로 배출하거나 운반하는 데에 사용된다. 지로터 유닛(66)은 제1 펌프(10A)의 구동원으로서 작용한다. 지로터 유닛(66)은 기존 유닛이거나 공간 제약을 위해 설계될 수 있다. 당업자에 의해 이해되는 바와 같이, 지로터 유닛(66)은 내부 로터(70) 및 외부 로터(72)를 포함하는 정변위 유닛이며, 그 일례가 도 8b에 개략적으로 도시되어 있다. 내부 로터(70)는 N개의 기어이를 갖고, 외부 로터(72)는 N+1개의 기어이를 가지며, N은 2보다 큰 수로 정의된다. 내부 로터(70)는 외부 로터(72)에 대해 회전되어 그 기어이가 외부 로터(72)의 기어이 내로 이동되는 구동 기어이다. 일 실시예에 따르면, 입력 샤프트(12)는 지로터 유닛(66)의 내부 로터(70)에 연결됨으로써, 내연 기관(ICE) 동력원(20)을 제1 펌프(10A)의 구동원에 결합시킨다. ICE 동력원(20)은 샤프트(12)를 회전시키도록 구성되며, 샤프트는 외부 로터(72)에 대해 내부 로터(70)를 (예를 들어, 시계 방향으로) 회전시킨다. 유체는 기어/로터의 기어이 사이를 이동하고 배출되기 전에 그 사이에서 가압된다.
다른 실시예에서, 전술한 바와 같이, 펌프들(10 및 40) 중 적어도 하나는 내부 기어 펌프이다. 예를 들어, 도 15는 펌프(10 및/또는 40)에 사용될 수 있는 하우징 내의 초승달형 내부 기어(CIG; Crescent Internal Gear) 펌프의 부품들의 예를 도시하며, 초승달형 기어 및 스퍼 기어는 링 기어의 내측 또는 내부에 제공되고 외측 링 기어 내에서 그리고 그 주위에서 이동하도록 구성된다(즉, 초승달형 및 스퍼 기어는 도 8b에 도시된 지로터 펌프의 내부 로터와 유사한 방식으로 이동한다). 일례로서, 도 8a의 제1 펌프(10A)는 내연 기관 동력원(20) 및 전기 모터 동력원(34) 모두에 결합된 회전 가능한 펌핑 요소로서 초승달형 펌프 유닛을 제2 펌프(40)와 함께 포함할 수 있다. 일반적으로, 초승달형 펌프는 전술한 지로터 펌프와 유사한 방식으로 구동될 수 있다; 예를 들어, 내부 스퍼 기어는 펌핑 방향으로의 회전을 위해 외부 링 기어 내에 회전 가능하게 장착되어 유체를 입구로부터 하우징을 통해 출구로 펌핑할 수 있으며, 즉 ICE 동력원(20)을 사용하여, 기어이가 링 기어의 기어이 내로 이동되도록 스퍼 기어 및 초승달형 기어를 링 기어에 대해 회전 및 이동시켜 배출되기 전에 유체를 기어/로터의 기어이 사이에서 가압할 수 있다. 따라서, 추가 상세 내용은 여기에서 반복되지 않는다.
대안으로, 전술한 바와 같이, 펌프 시스템(100)의 펌프들(10, 40) 중 적어도 하나는 본 명세서의 실시예에 따른 가변 베인형 펌프일 수 있다. 도 16은 가변 베인 펌프의 부품들의 일부의 한가지 예를 도시한다. 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같이, 가변 베인 펌프는 하우징, 소스로부터 하우징으로 윤활유를 투입하기 위한 입구, 및 하우징으로부터 시스템으로 압축 윤활유를 운반하기 위한 출구를 포함할 수 있다. 출구를 통해 펌프의 변위를 조절하도록 제1 슬라이드 위치(예를 들어, 최대 펌프 변위를 위한)와 제2 슬라이드 위치(예를 들어, 감소된 변위 및/또는 최소 펌프 변위를 위한) 사이에서 하우징 내에서 변위 가능한 제어 슬라이드가 그러한 펌프에 또한 마련된다. 예를 들어, 탄성 구조체 또는 스프링이 제어 슬라이드를 제1 슬라이드 위치를 향해 편향시킬 수 있다. 하나 이상의 베인을 갖는 로터가 하우징 내에 장착되고 제어 슬라이드 내에서 그리고 제어 슬라이드에 대해 회전하도록 구성된다. 베인(들)은 그 회전 중에 제어 슬라이드의 내표면과 맞물리도록 구성된다. 하나 이상의 제어 챔버가 압축 윤활유를 받아들이도록 하우징과 제어 슬라이드 사이에 마련되어 제어 슬라이드를 제2 위치를 향해 이동시키거나 변위시킬 수 있다. 전체가 본 명세서에 참조로 포함되는 미국 특허 제9,109,597호 및 제9,534,519호는 이중 입력 유체 시스템(100)의 일부인 펌프[예를 들어, 제1 펌프(10)]로서 사용될 수 있는 베인 펌프의 예를 제공한다. 일례로서, 도 8a의 제1 펌프(10A)는 제2 펌프(40)와 함께 회전 가능한 펌핑 요소로서 작용하는 가변 베인 펌프 유닛일 수 있다. 시스템(100) 또는 시스템(100A)과 같이, 제2 펌프(40)는 전술한 것과 유사한 방식으로 전기 모터 동력원(34)에 의해 직접 구동되도록 구성될 수 있는 반면, 가변 베인 펌프(10A)는 내연 기관 동력원(20)에 의해 직접 구동되도록 구성된다. 실시예에 따르면, 입력 샤프트(12)는 펌프의 로터를 구동하도록 연결됨으로써, 내연 기관(ICE) 동력원(20)을 제1 펌프(10A)의 구동원에 결합시킨다. ICE 동력원(20)은 샤프트(12)를 회전시키도록 구성되며, 샤프트는 제어 슬라이드의 수용 공간에서 로터를 회전시키고 베인(들)을 슬라이드의 내표면과 맞물리도록 이동시킨다. 그러한 베인 펌프의 작동은 일반적으로 알려져 있으므로 더 이상 설명하지 않는다. 그러나, 예를 들어, 그러한 가변 베인 펌프의 작동 중에, 제1 펌프(10A)로부터의 가변 또는 조절 가능한 유출 유동이 하우징 내의 제어 슬라이드의 위치에 기초하여 관련 시스템에 제공될 수 있다는 것이 이해된다.
펌프 시스템(100A)은 또한 도 2 내지 도 6을 참조하여 전술한 것과 같은 다수의 모드로 작동하도록 설계됨으로써, 전체 펌프 변위를 조절하도록 고압 회로 및 저압 회로를 모두 구현한다. 오직 단순화를 위해, 각각의 모드는 여기서 다시 설명되지 않는다. 그러나, 실시예에 따르면, 펌프 시스템(100A)은 전술한 바와 같이 상이한 모드, 예를 들어, (1)엔진 단독 모드, (2)모터 단독 모드, (3)조합 모드, (4)입구 부스트 모드(선택적), 및 (5)분리 모드(선택적)로 작동될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
다시, 펌프(40)의 기어들 내에서 일방향 클러치 베어링을 사용하면 (펌프 외부에 통상적으로 제공되는 클러치를 갖는 공지된 시스템과 비교하여) 보다 콤팩트한 패키징이 제공된다. 또한, 제1 펌프(10A)의 일부인 지로터 타입 유닛(66)의 패키징 및 하우징은 외부 기어보다 작을 수 있으므로, 시스템(100A)은 시스템이 여전히 이중 입력에 의해 구동되게 하면서 더 작은 공간에 배치될 수 있다 .
일 실시예에서, 제1 펌프(10)의 변위는 제2 펌프(40)의 변위에 대해 3:1의 비율로 구동된다. 예를 들어, 제1 펌프(10)는 (1회전 당) 9cc로 구동될 수 있고, 제2 펌프(40)는 (1회전 당) 3cc로 구동될 수 있다. 그러나, 이 비율은 유체가 유출되는 시스템에 기초하여 변경될 수 있다.
일 실시예에서, 일방향 클러치 베어링(24, 30)은 도 10에 도시된 바와 같은 일방향 니들 롤러 베어링(42) 쉘 타입이다. 니들 롤러 베어링(42)은 클러치를 형성하는, 그 안의 웨지(48) 내에 장착된 다수의 소형 원통형 롤러(46)를 갖는 하우징(44)(및/또는 케이지)을 포함한다. 도 10 및 도 11의 단면도에 도시된 바와 같이, 클러치의 롤러(46)는 베어링이 장착되는 샤프트의 축선 주위에 평행하게 위치 결정된다. 도 12는, 예를 들어 일부 실시예에서 시스템(100)의 기어들(26, 28)과 함께 사용될 수 있는 다양한 크기의 니들 롤러 베어링(치수는 도 11에서 언급됨)과 관련된 예시적인 치수를 도시한다. 물론, 그러한 개수 및 치수는 예시적인 것이고 제한하려는 것은 아니다.
도 13a 및 도 13b와 도 14a 및 도 14b는 샤프트[예를 들어, 연결 샤프트(22) 또는 모터 입력 샤프트(36)]를 갖는 도 10의 일방향 니들 베어링(42)의 개략적인 부분 단면도로서, 상이한 작동 모드 동안 베어링(42) 및 샤프트의 작동 및 회전 방향을 도시한다. 도 13a 및 도 13b는 샤프트와 맞물린 일방향 니들 베어링(42)의 예를 도시한다. 하우징에 장착된 샤프트와 클러치 베어링의 상대 회전에 의해 생성되는, 클러치 내부에 장착된 스프링의 힘은 롤러(46)가 웨지(48) 면과 접촉하여 맞물리게 한다. 클러치가 맞물린 경우, 맞물림 방향은 샤프트 또는 하우징이 구동되는지의 여부에 따라 반대이다. 예를 들어, 도 13a는, 샤프트가 동력원[예를 들어, ICE 동력원(20) 또는 모터 동력원(34)]에 의해 구동될 때에, 샤프트와 맞물려 샤프트의 구동 방향으로, 예를 들어 도 13a에 도시된 바와 같이 시계 방향으로 구동되는 베어링(및 이에 따라 베어링과 관련된 기어)의 예를 도시한다. 도 13b는 샤프트와 맞물려 구동을 유발하고(예를 들어, 구동과 관련된 기어가 구동되기 때문에), 샤프트를 예를 들어 도 13b에 도시된 바와 같이 반시계 방향으로 구동하는 베어링의 예를 도시한다.
도 14a 및 도 14b는 일방향 니들 베어링(42)의 클러치가 오버러닝될 때(그리고 이에 따라 샤프트와의 상호 회전으로부터 맞물림 해제될 때)의 예를 도시한다. 하우징에 장착된 샤프트와 클러치의 상대 회전(예를 들어, 반대)에 의해, 롤러(46)는 자유롭게 웨지(48) 면으로부터 멀어지게 작동하여 샤프트의 운동을 오버러닝시킨다. 클러치가 오버러닝될 때에, 하우징 및 베어링의 클러치는 한 방향, 예를 들어 도 14a에 도시된 바와 같이 시계 방향으로 오버러닝될 수 있고, 샤프트는 실질적으로 정지된 상태로 유지되거나 또는 반대 방향(예를 들어, 반시계 방향)으로 오버러닝된다. 유사하게, 대안으로, 베어링의 클러치는, 도 14b에 도시된 바와 같이, 샤프트가 반대 방향(예를 들어, 반시계 방향)으로 오버러닝될 때에 베어링이 실질적으로 정지된 상태로 유지되도록 오버러닝될 수 있다.
도 1의 개략도는 제1 펌프(10) 및 제2 펌프(40)가 대체로 별개의 하우징(11 및 38)(각각)을 갖는 것으로 도시하고 있지만, 이는 제한하려는 것이 아니다. 실시예에 따르면, 하우징(11, 38)은 연결된 하우징의 형태로(예를 들어, 이 하우징을 통해 유체 연통됨) 또는 단일 하우징으로서 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 범용(예를 들어, 외부) 하우징은 펌프(10 및 40)를 수용한다. 하우징(11, 38)은 임의의 재료로 제조될 수 있으며, 알루미늄 다이 캐스트, 분말 금속 성형, 단조, 또는 임의의 다른 바람직한 제조 기술에 의해 형성될 수 있다.
도 9는 본 개시의 다른 실시예에 따른 이중 입력 유체 펌프(50)를 도시한다. 펌프(50)는 내연 기관 동력원(20) 및 전기 모터 동력원(34) 모두에 결합된다. 펌프(50)는 하우징(52) 내부에 기어들(54, 56)을 포함하는 단일의 외부 기어 펌프이다. 기어들(54, 56)은 상호 맞물리고 하우징(52) 내에 장착된다. 펌프 하우징(52)은 입구(58) 및 출구(60)를 갖는다. 입구(58)는 유체를 받아들이거나 소스(예를 들어, 오일통)로부터 하우징(52) 내로 펌핑되도록 윤활유(자동차 맥락에서 통상적으로 오일)를 투입하고, 출구(60)는 가압 유체 또는 윤활유를 하우징(52)으로부터 지정된 시스템으로 배출하거나 운반하는 데에 사용된다. 기어들(54, 56)의 역회전 펌핑 방향으로의 회전 및 맞물림은 유체를 펌프의 출구(60)로 이동시키고 변위시킨다.
도 9에 도시된 바와 같이, 기어(56)는 내연 기관 동력원(20)에 의해 구동되도록 구성되고 기어(54)는 전기 모터 동력원(34)에 의해 구동되도록 구성된다. 입력 샤프트(12)는 기어(56)에 연결되고 내연 기관(ICE) 동력원(20)을 기어(56)에 결합시킨다. 일부 모드에서, ICE 동력원(34)은 샤프트(36)를 (예를 들어 도 9에 도시된 바와 같이 반시계 방향으로) 회전시키도록 구성되고, 샤프트는 차례로 기어(26)를 회전시고 구동시킨다. 입력 샤프트(36)는 또한 기어(54)에 연결되고 전기 모터 동력원(M)(34)을 기어(54)에 결합시킨다. 일부 모드에서, 모터 동력원(34)은 샤프트(36)를 회전시키도록 구성되고, 샤프트는 차례로 기어(54)를 회전시킨다. 기어들(54, 56)은 유체를 입구(58)로부터 하우징(52)을 통해 출구(60)로 펌핑하도록 역회전 펌핑 방향으로 회전된다.
펌프(50)의 외부 기어들(54, 56)은 그 내부에 일방향 클러치 베어링을 각각 포함한다. 기어(54)는 제1 일방향 클러치 베어링(62)을 포함하고 기어(56)는 제2 일방향 클러치 베어링(64)을 포함한다. 일방향 클러치 베어링(62)은 구동 기어(54)에 연결된 모터 입력 샤프트(36)를 수용한다. 일방향 클러치 베어링(62)은 (a)입력 샤프트(36)의 회전을 펌핑 방향에서의 회전을 위해 기어(54)에 전달하고, (b)기어(54)의 펌핑 방향에서의 회전이 입력 샤프트(36)로 전달되는 것을 방지하도록 구성된다. 기어(56)의 일방향 클러치 베어링(64)은 ICE 동력원(20)의 입력 샤프트(12)를 수용한다. 일방향 클러치 베어링(64)은 (a)입력 샤프트(12)의 회전을 펌핑 방향에서의 회전을 위해 기어(56)에 전달하고, (b)기어(56)의 펌핑 방향에서의 회전이 입력 샤프트(12)로 전달되는 것을 방지하도록 구성된다. 따라서, 베어링(64)은 베어링(62)과 동일한 기능을 하지만, 대향 방식으로 배열된다.
또한, 일방향 클러치 베어링(62, 64)은 펌프(50)가 상이한 모드, 예를 들어, (1)엔진 단독 모드, (2)모터 단독 모드, 및 (3)오버드라이브 모드로 작동되게 할 수 있다. 펌프의 엔진 단독 모드에서, ICE 동력원(20)은 입력 샤프트(12)를 통해 펌프(50)를 작동하기 위한 일차 구동 장치로서 작용한다. 전기 구동 모터 동력원(34)은 오프되어 있어 작동하지 않는다. ICE 동력원(20)은 일방향 클러치 베어링(64)을 통해 기어(56)를 펌핑 방향으로 회전시키도록 입력 샤프트(12)를 회전시키고, 기어(56)는 차례로 상호 맞물림을 통해 반대 펌핑 방향으로 기어(54)를 구동시킨다. 일방향 베어링(22)은 기어(54)가 전기 모터 동력원(34)에 대한 역구동 없이 샤프트(36) 위에서 자유롭게 펌핑 방향으로 회전하게 한다. 펌프(50)로부터의 변위는 ICE 동력원(20)의 구동 속도에 비례한다.
펌프의 모터 단독 모드에서, 모터 동력원(34)은 입력 샤프트(36)를 통해 펌프(50)를 작동하기 위한 일차 구동 장치로서 작용한다. 전기 모터 동력원(34)은 일방향 클러치 베어링(62)을 통해 기어(54)를 펌핑 방향으로 회전시키도록 입력 샤프트(36)를 회전시키고, 기어(54)는 차례로 상호 맞물림을 통해 반대 펌핑 방향으로 기어(56)를 구동시킨다. ICE 동력원(20)은 오프되어 있다(작동하지 않는다). 모터 동력원(34)은 하우징(38)의 출구(41)로부터 유체를 배출하는 속도로 구동된다. 일방향 클러치 베어링(64)은 기어(56)가 ICE 동력원(20)에 대한 역구동 없이 샤프트(12) 위에서 자유롭게 펌핑 방향으로 회전하게 한다. 펌프(50)로부터의 변위는 모터 동력원(34)의 구동 속도에 비례한다.
펌프의 오버드라이브 모드에서, 모터 동력원(34)은 엔진/ICE 동력원(20)에 의해 회전되는 입력 샤프트(12)보다 빠른 속도로 입력 샤프트(36)를 통해 펌프(50)를 작동시킨다. 오버드라이브 모드는 전기 모터 동력원(34)에 의한 온 디맨드 증가를 이용함으로써 펌프(50)로부터 더 높은 변위를 가능하게한다. 전기 모터 동력원(34)은 빠른 반응을 위해 펌프 속도에 계속적으로 동기화되어 유동 및 부스트 압력을 증가시킬 수 있다. 구체적으로, 오버드라이브 모드에서, ICE 동력원(20)은 기어(56)를 구동하도록 입력 샤프트(12)를 펌핑 방향으로 회전시킨다. 그러나, 전기 모터 동력원(34)은 또한 모터 입력 샤프트(36) 및 기어(54)를 펌핑 방향으로 구동시키는 데에 사용되는데, 샤프트(12)의 회전 속도보다 높은 속도로 기어(56)를 펌핑 방향에서 구동시키는 속도로 구동시킨다. 기어(56)와 함께 일방향 클러치 베어링(64)를 사용하면 기어(56)가 입력 샤프트(12) 및 ICE 동력원(20)에 의해 달리 회전되는 것보다 빠른 속도로 모터 구동 기어(54)에 의해 펌핑 방향으로 회전되게 한다. 펌프(50)로부터의 변위는, 어느 쪽이든 기어를 가장 빠르게 구동시키는 모터 속도 또는 엔진 속도에 비례한다.
일 실시예에서, 일방향 클러치 베어링(62, 64)은 도 10에 도시되고 도 13a 내지 도 14b를 참조하여 이미 전술한 바와 같은 일방향 니들 롤러 베어링 쉘 타입이다.
따라서, 본 명세서에 개시된 바와 같이 기어들 내에 그리고 단일 펌프(50) 내에 일방향 클러치 베어링을 사용하면 (펌프 외부에 통상적으로 제공되는 클러치를 갖는 공지된 시스템과 비교하여) 보다 콤팩트한 패키징이 제공된다. 이 패키징은 여전히 펌프가 이중 입력에 의해 구동되게 하면서 펌프(50)가 보다 작은 공간에 배치되게 한다.
출구(15, 41)로부터의 유출 유동이 지향되는 지정된 시스템은 제한하려는 것이 아니다. 예를 들어, 지정된 시스템은 엔진, 모터, 변속기 또는 다른 장치들(그 일부는 본 설명 전반에 걸쳐 언급될 수 있음)일 수 있다.
또한, 본 설명 전반에 걸쳐 구체적으로 언급하지 않았지만, 하나 이상의 제어기, 센서 또는 밸브를 포함하는 다수의 시스템이 시스템(100)과 함께 사용될 수 있다는 것을 당업자는 이해해야 한다. 제어기는 예를 들어 본 명세서에 설명된 클러치 베어링, 그리고 ICE 동력원(20) 및 모터(34)에 전기적 신호를 전송하고 제어하도록 설계될 수 있다. 추가적인 시일, 솔레노이드, 및/또는 다른 장치가 또한 시스템에 사용될 수 있다.
도시되지는 않았지만, 샤프트를 둘러싸기 위한 링 형태의 시일 또는 하우징 상의 커버와 협동하는 시일과 같은, 임의의 개수의 시일이 하우징(11, 38, 및/또는 52)과 관련될 수 있다.
본 개시의 원리는 전술한 예시적인 실시예에서 명확해졌지만, 당업자에게는 본 개시의 실시에 사용되는 구조, 배열, 비율, 요소, 재료 및 구성요소에 대해 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것이 명백할 것이다.
따라서, 본 개시의 특징들이 완전하고 효과적으로 달성되었다는 것을 알 수 있을 것이다. 그러나, 전술한 바람직한 특정 실시예는 본 개시의 기능적 및 구조적 원리를 예시할 목적으로 도시 및 설명되었으며 그러한 원리에서 벗어나지 않고 변경될 수 있다는 것을 알 것이다. 따라서, 본 개시는 이하의 청구범위의 사상 및 범위 내에 포함되는 모든 변형을 포함한다.

Claims (10)

  1. 변속기 또는 내연 기관 동력원 및 전기 모터 동력원에 결합하기 위한 이중 입력 유체 펌프 시스템으로서,
    하우징, 상기 하우징 내에 회전 가능하게 장착되는 회전 가능한 펌핑 요소, 입구, 출구, 및 변속기 또는 내연 기관 동력원을 회전 가능한 펌핑 요소에 결합하여 회전 가능한 펌핑 요소를 펌핑 방향으로 회전시킴으로써 유체를 입구로부터 하우징을 통해 출구로 펌핑하는 제1 입력 샤프트를 포함하는 제1 펌프;
    하우징, 상기 하우징 내에 회전 가능하게 장착되는 적어도 상호 맞물린 제1 및 제2 외부 기어, 입구, 출구, 및 전기 모터 동력원을 제2 외부 기어에 결합하여 기어들을 역회전 펌핑 방향으로 회전시킴으로써 유체를 입구로부터 하우징을 통해 출구로 펌핑하는 제2 입력 샤프트를 포함하는 외부 기어 펌프인 제2 펌프; 및
    상기 제1 펌프의 회전 가능한 펌핑 요소와 상기 제2 펌프의 제1 외부 기어 사이의 연결 샤프트로서, 상기 연결 샤프트는 변속기 또는 내연 기관 동력원에 의해 회전될 때에 제1 펌프의 회전 가능한 펌핑 요소의 펌핑 방향으로 회전되는 것인 연결 샤프트
    를 포함하고, 상기 제2 펌프의 외부 기어들은 그 내부에 일방향 클러치 베어링을 각각 포함하며,
    상기 제2 펌프의 제1 외부 기어의 일방향 클러치 베어링은 상기 연결 샤프트를 수용하고, (a)연결 샤프트의 회전을 펌핑 방향에서의 회전을 위해 제2 펌프의 제1 외부 기어에 전달하고, (b)제2 펌프의 제1 외부 기어의 펌핑 방향에서의 회전이 연결 샤프트로 전달되는 것을 방지하도록 구성되며,
    상기 제2 펌프의 제2 외부 기어의 일방향 클러치 베어링은 제2 입력 샤프트를 수용하고, (a)제2 펌프의 제2 입력 샤프트의 회전을 펌핑 방향에서의 회전을 위해 제2 펌프의 제2 외부 기어에 전달하고, (b)제2 펌프의 제2 외부 기어의 펌핑 방향에서의 회전이 제2 펌프의 제2 입력 샤프트로 전달되는 것을 방지하도록 구성되며,
    상기 일방향 클러치 베어링은 펌프 시스템이, (a)변속기 또는 엔진이 제1 펌프를 제1 펌프의 입력 샤프트를 통해 그리고 제2 펌프를 제1 펌프의 회전 가능한 펌핑 요소와 제2 펌프의 제1 외부 기어 사이의 연결 샤프트를 통해 작동시키는 엔진 단독 모드, (b)모터가 제2 펌프만을 작동시키는 모터 단독 모드, 및 (c)변속기 또는 엔진이 제1 펌프를 입력 샤프트를 통해 작동시키고 모터가 제2 펌프를 연결 샤프트보다 큰 속도로 펌핑 방향으로 회전하는 제1 외부 기어에 의해 작동시키는 조합 모드를 포함하는 적어도 3개의 모드로 작동되게 할 수 있는 것인 이중 입력 유체 펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 펌프는 역회전 펌핑 방향으로 회전하여 유체를 입구로부터 하우징을 통해 출구로 펌핑하도록 하우징 내에 회전 가능하게 장착되는, 상호 맞물린 제1 및 제2 외부 기어를 포함하는 외부 기어 펌프이고, 상기 제1 펌프의 회전 가능한 펌핑 요소는 제1 외부 기어인 것인 이중 입력 유체 펌프 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결 샤프트 및 상기 제1 펌프의 입력 샤프트는 상기 제1 펌프의 회전 가능한 펌핑 요소 및 상기 제2 펌프의 제1 외부 기어를 통해 연장되는 공통 샤프트의 각각의 섹션인 것인 이중 입력 유체 펌프 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 일방향 클러치 베어링은 펌프 시스템이, (d)상기 제2 펌프의 출구로부터의 유체가 상기 제1 펌프의 입구로 지향되는 입구 부스트 모드로 작동되게 할 수 있는 것인 이중 입력 유체 펌프 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 펌프와 제2 펌프 사이의 연결 샤프트 상에 마련되는 전자 제어식 클러치 베어링을 더 포함하고, 상기 전자 제어식 클러치 베어링은 펌프 시스템이, (e)상기 연결 샤프트가 제2 펌프의 제1 외부 기어를 펌핑 방향으로 회전시키는 것을 방지하는 분리 모드로 작동되게 할 수 있는 것인 이중 입력 유체 펌프 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 펌프와 제2 펌프 사이의 연결 샤프트 상에 마련되는 전자 제어식 클러치 베어링을 더 포함하고, 상기 전자 제어식 클러치 베어링은 펌프 시스템이, (e)상기 연결 샤프트가 제2 펌프의 제1 외부 기어를 펌핑 방향으로 회전시키는 것을 방지하는 분리 모드로 작동되게 할 수 있는 것인 이중 입력 유체 펌프 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 펌프의 회전 가능한 펌핑 요소는 역회전 펌핑 방향으로 회전하여 유체를 입구로부터 하우징을 통해 출구로 펌핑하도록 하우징 내의 외부 로터 내에 회전 가능하게 장착되는 내부 로터를 갖는 지로터 유닛을 포함하고, 상기 제1 펌프의 회전 가능한 펌핑 요소는 내부 로터인 것인 이중 입력 유체 펌프 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 펌프의 회전 가능한 펌핑 요소는 펌핑 방향으로 회전하여 유체를 입구로부터 하우징을 통해 출구로 펌핑하도록 하우징 내의 외부 링 기어 내에 회전 가능하게 장착되는 적어도 내부 기어를 포함하는 것인 이중 입력 유체 펌프 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 펌프는 가변 베인 펌프이고, 상기 회전 가능한 펌핑 요소는 로터를 포함하며, 상기 가변 베인 펌프는, 출구를 통해 펌프의 변위를 조절하도록 하우징 내에서 제1 슬라이드 위치와 제2 슬라이드 위치 사이에서 변위 가능한 제어 슬라이드, 상기 제어 슬라이드를 제1 슬라이드 위치를 향해 편향시키는 탄성 구조체, 및 압축 윤활유를 수용하여 제어 슬라이드를 제2 슬라이드 위치를 향해 이동시키도록 하우징과 제어 슬라이드 사이에 있는 제어 챔버를 포함하고,
    상기 로터는 제어 슬라이드 내에서 제어 슬라이드에 대해 회전하도록 구성되고, 적어도 하나의 베인은 그 회전 중에 제어 슬라이드의 내표면과 맞물리도록 구성되는 것인 이중 입력 유체 펌프 시스템.
  10. 변속기 또는 내연 기관 동력원 및 전기 모터 동력원에 결합하기 위한 이중 입력 유체 펌프로서,
    하우징;
    상기 하우징 내에 회전 가능하게 장착되는 적어도 상호 맞물린 제1 및 제2 외부 기어;
    입구;
    출구;
    상기 변속기 또는 내연 기관 동력원을 제1 외부 기어에 결합시켜 상기 기어들을 역회전 펌핑 방향으로 회전시킴으로써 유체를 입구로부터 하우징을 통해 출구로 펌핑하는 제1 입력 샤프트; 및
    상기 전기 모터 동력원을 제2 외부 기어에 결합시켜 상기 기어들을 역회전 펌핑 방향으로 또한 회전시킴으로써 유체를 입구로부터 하우징을 통해 출구로 펌핑하는 제2 입력 샤프트
    를 포함하고, 상기 외부 기어들은 그 내부에 일방향 클러치 베어링을 각각 포함하며,
    상기 제1 외부 기어의 일방향 클러치 베어링은 제1 입력 샤프트를 수용하고, (a)제1 입력 샤프트의 회전을 펌핑 방향에서의 회전을 위해 제1 외부 기어에 전달하고, (b)제1 외부 기어의 펌핑 방향에서의 회전이 제1 입력 샤프트로 전달되는 것을 방지하도록 구성되며,
    상기 제2 외부 기어의 일방향 클러치 베어링은 제2 입력 샤프트를 수용하고, (a)제2 입력 샤프트의 회전을 펌핑 방향에서의 회전을 위해 제2 외부 기어에 전달하고, (b)제2 외부 기어의 펌핑 방향에서의 회전이 제2 입력 샤프트로 전달되는 것을 방지하도록 구성되며,
    상기 일방향 클러치 베어링은 펌프가, (a)변속기 또는 엔진이 펌프를 제1 입력 샤프트를 통해 작동시키는 엔진 단독 모드, (b)모터가 펌프를 제2 입력 샤프트를 통해 작동시키는 모터 단독 모드, 및 (c)모터가 펌프를 제1 입력 샤프트가 변속기 또는 엔진에 의해 회전되는 것보다 빠른 속도로 제2 입력 샤프트를 통해 작동시키는 오버드라이브 모드를 포함하는 적어도 3개의 모드로 작동되게 할 수 있는 것인 이중 입력 유체 펌프.
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