KR20210035726A - 테이퍼 롤러 베어링을 갖는 슬링거 링 - Google Patents

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KR20210035726A
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노르베르트 포이흐트너
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젯트에프 프리드리히스하펜 아게
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Abstract

본 발명은 샤프트(115), 샤프트(115)에 대해 회전 불가능한(drehfest) 구조체(117) 및 테이퍼 롤러 베어링(taper roller bearing)(129)을 구비하는 장치에 관한 것으로서, 샤프트(115)는, 회전 불가능한 구조체(117)와 샤프트(115) 사이에서 연장되는 간극(gap)을 밀봉하기 위한, 적어도 하나의 슬링거 링(slinger ring)(121)을 구비하고, 회전 불가능한 구조체(117)는, 슬링거 링(121)으로부터 튀아나가는 오일을 수집하기 위한 적어도 하나의 리세스(127)를 구비한다. 상기 장치는, 테이퍼 롤러 베어링(129)의 적어도 하나의 구름 요소의 제1 단부 표면과 리세스(127) 사이에, 적어도 하나의 오일 안내 연결부를 구비하고, 제1 단부 표면은 동일한 구름 요소의 제2 단부 표면보다 더 작다.

Description

테이퍼 롤러 베어링을 갖는 슬링거 링{SLINGER RING WITH TAPER ROLLER BEARING}
본 발명은 본원의 청구항 제1항의 전제부에 따른 장치에 관한 것이다.
전기 모터가 변속기에 결합된 경우, 변속기의 오일 공간은 전기 모터에 대해 밀봉되어야 한다. 종래 기술로부터 공지된 해결 방안에 따르면, 이를 위해 반경 방향 샤프트 시일 링들이 사용된다. 이들은, 접촉되는 시일 립들을 갖는다. 높은 회전 속도에서 발생되는 마찰 열을 소산시키기 위해, 샤프트의 복잡한 내부 냉각이 요구된다.
비접촉 방식으로 작동하는 라비린스 시일들(labyrinth seal)은, 위에서 설명된 열 문제를 갖지 않는다. 그러나, 이들은, 차량 적용 분야에서는 사용될 수 없다. 차량이 경사면 상에 정차하는 경우에, 누출의 위험이 존재한다.
본 발명의 과제는, 회전 불가능한 구조체에 대한 샤프트의 밀봉을 개선하는 것이다. 이러한 과제는, 본원의 청구항 제1항에 따른 장치에 의해 달성된다. 바람직한 다른 개선예들이, 종속항들에 포함되며, 그리고 뒤따르는 설명으로부터 명백해질 것이다.
장치는, 샤프트, 샤프트에 대해 회전 불가능한 구조체, 및 테이퍼 롤러 베어링(taper roller bearing)을 포함한다. 회전 불가능한 구조체와 샤프트 사이에 간극(gap)이 존재한다. 특히, 이는, 샤프트의 회전축에 대해 회전 대칭인 간극일 수 있다.
간극을 통한 오일의 누출을 방지하기 위해, 간극은 밀봉되어야 한다. 이를 위해, 샤프트는 적어도 하나의 슬링거 링(slinger ring)을 구비한다. 이는, 회전 도중에 작용하는 원심력에 의해 반경 방향 외향으로 오일을 튀어나가게 하도록 구성되는 링이다. 슬링거 링의 회전으로 인해, 원심력이 오일에 작용하고, 이러한 원심력은, 초기에 슬링거 링의 회전축에 대해 반경 방향 외향으로 오일을 유동시키도록 야기한다. 슬링거 링의 단절 에지(Tear-off edge)가, 오일이 원심력으로 인해 단절 에지의 방향으로 유동하도록 하는 방식으로 배열된다. 단절 에지에서, 오일은, 반경 방향으로 슬링거 링으로부터 튀어 나온다. 단절 에지는 바람직하게, 반경 방향 외향으로 지향되는 끝단부(tip)로서 구성된다.
슬링거 링은, 샤프트의 회전축에 대해 회전 대칭이다. 이러한 슬링거 링은, 샤프트 상에 회전 불가능하게 고정된다. 특히, 슬링거 링은, 강성일 수 있으며, 말하자면 상대 이동의 가능성 없이 샤프트 상에 고정될 수 있다. 이 경우, 샤프트는, 슬링거 링을 통해 연장된다. 이것은, 슬링거 링이 중앙 홈을 구비하며, 중앙 홈의 가장자리가 샤프트를 원주 방향으로 둘러싼다는 것을, 의미한다.
슬링거 링에 의해 튀어나간 오일을 수집하기 위해, 회전 불가능한 구조체는, 적어도 하나의 리세스를 구비한다. 리세스는, 튀어나간 오일이 리세스 내에 들어가도록 하는 방식으로 배치된다. 바람직하게, 리세스는, 슬링거 링으로부터 반경 방향으로 더 외측에 위치된다. 튀어나간 오일을 완전히 수집하기 위해, 리세스는 바람직하게, 샤프트의 회전축에 대해 회전 대칭이다. 특히, 리세스는, 바람직하게 샤프트의 회전축에 대해 회전 대칭인, 환형 홈일 수 있다.
리세스에 의해 수집된 오일은, 리세스 내에 축적되며 그리고 그곳으로부터 제거되어야만 한다. 이를 위해, 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 오일 라인 또는 오일 안내 연결부가, 제공된다. 오일 라인은, 리세스 내로 개방된다. 따라서, 오일 라인의 개구부가, 리세스 내에 존재한다. 이것은, 리세스의 벽이 개구부를 구비한다는 것을 의미한다. 오일 라인의 개구부는, 슬링거 링에 의해 튀어나간 그리고 리세스에 의해 수집된 오일이 그를 통해 흘러 나가는, 배출구를 형성한다.
오일 라인은, 예를 들어, 샤프트의 회전축에 대해 회전 대칭인 간극으로서 구성될 수 있다. 오일 라인은 또한, 구멍, 특히 보어, 또는 파이프 라인일 수도 있다. 바람직하게, 오일 라인은, 회전 불가능한 구조체에 의해 일체형으로 형성된다. 오일 안내 연결부는, 회전 불가능한 구조체와 샤프트 사이에서 연장되는 간극과는 상이하다.
테이퍼 롤러 베어링은, 절두 원추형의 형상 또는 기본 형상을 갖는, 구름 요소들에 의해 특징지어진다. 요소의 기본 형상은, 본래 요소의 형상을 나타내며, 이로부터, 최초 언급된 요소는, 개별적인 영역들을 제거함에 의해, 예를 들어 리세스들을 삽입함에 의해, 및/또는 개별적인 영역들을 부가함에 의해, 생성된다.
절두 원추의 표면은, 상측 표면, 베이스 표면, 및 상측 표면을 베이스 표면에 연결하는 외측 표면으로 구성된다. 상측 표면과 베이스 표면은, 절두 원추의 단부 표면들이다.
오일 라인은, 테이퍼 롤러 베어링의 구름 요소들 중의, 적어도 하나의, 바람직하게는 전부의, 제1 단부 표면에, 오일 안내 방식으로 리세스를 연결한다. 제1 단부 표면은, 동일한 구름 요소의 제2 단부 표면보다 더 작다. 이것은, 제1 단부 표면의 크기의 치수가, 제2 단부 표면의 크기의 대응하는 치수보다 더 작다는 것을 의미한다. 예를 들어 제1 단부 표면의 면적 또는 직경은, 제2 단부 표면의 면적 또는 직경보다 더 작다. 따라서, 제1 단부 표면은 절두 원추의 상측 표면이고, 제2 단부 표면은 그의 베이스 표면이다.
테이퍼 롤링 베어링에서, 구름 요소들의 절두 원추형 형상으로 인해, 펌프 효과가 발생한다. 회전하는 절두 원추들은, 더 작은 단부 표면으로부터 더 큰 단부 표면의 방향으로 오일을 이송한다. 본 발명은 이러한 사실을 사용한다. 펌프 효과에 의해, 오일이, 오일 라인을 통해 리세스 밖으로 흡입된다. 이는, 리세스 내에 너무 많은 오일이 축적되는 것을 방지한다. 부가적으로, 슬링거 링은, 접촉없이 작용한다. 따라서, 심지어 빠르게 회전하는 샤프트에서도 과열이 발생하지 않는다.
바람직한 개선예에서, 회전 불가능한 구조체는 하우징이다. 다른 개선예에 따르면, 테이퍼 롤러 베어링은, 하우징의 내부에 배치된다. 원통형 롤러 베어링의 이송 효과에 의해, 오일은, 하우징의 내부에서 순환된다. 따라서, 오일은, 하우징 내에 잔류한다.
장치는 바람직하게, 변속기로 개발된다. 그의 하우징은, 회전 불가능한 구조체를 형성한다. 이상에 언급된 샤프트는, 변속기의 입력 샤프트이다. 따라서 다른 개선예에 따르면, 변속기의 입력 샤프트는, 오일 누출에 대해 밀봉된다.
부가적으로, 장치는 바람직하게, 모터로, 예를 들어 전기 모터로, 개발된다. 시일 장치의 양호한 온도 거동으로 인해, 모터는, 고속으로 회전하는 모터일 수 있다. 모터의 출력 샤프트는, 변속기의 입력 샤프트에 회전 불가능한 방식으로 연결된다. 특히, 출력 샤프트와 입력 샤프트는, 서로 일체형으로로 연결될 수 있다.
바람직한 개선예에서, 라비린스 시일이, 간극을 밀봉하기 위해, 슬링거 링에 부가하여, 제공된다. 슬링거 링과 마찬가지로, 라비린스 시일은, 비접촉 샤프트 시일이다. 라비린스 시일은, 라비린스 형상으로, 즉 그의 경로의 방향에 관해 복수 회의 변경을 갖도록, 연장되는 회전 대칭 간극을 형성한다. 특히, 간극의 경로는, 반경 방향으로 여러 회 변경될 수 있고, 따라서 간극은, 반대의 반경 방향으로 연장된다. 간극의 방향에 관한 변경은, 누출의 경우에 오일이 이동해야만 하는 거리를 증가시킨다. 이것은, 간극이 누출에 대항하는, 저항을 증가시킨다. 따라서, 누출의 위험이, 감소된다.
이러한 경우에, 라비린스 시일은, 하우징의 내부로부터 시작하여 슬링거 링의 후방에 배치된다. 이것은 바람직하게, 샤프트의 회전축에 대해 축방향으로 적용된다. 라비린스 시일이 하우징의 내부로부터 시작하여 슬링거 링의 후방에 축방향으로 배치되면, 라비린스 시일과 슬링거 링은, 샤프트의 회전축에 대해, 반경 방향으로, 즉 수직으로, 배향되는 평면의, 상이한 측면들 상에 위치된다. 슬링거 링과 하우징의 내부는, 이러한 평면의 동일한 측면 상에 위치된다. 라비린스 시일은, 상기 평면의 다른 측면 상에 위치된다.
슬링거 링 및 라비린스 시일은 비접촉 시일들이기 때문에, 샤프트의 높은 회전 속도에서 온도 상승의 문제가, 완화된다. 또한, 슬링거 링과 라비린스 시일의 조합은 누출을 특히 효과적으로 방지하는 것으로 나타났다.
바람직한 개선예에서, 샤프트는, 슬링거 링과 라비린스 시일 사이에 배치되는, 쇼울더부(shoulder)를 구비한다. 특히, 쇼울더부는, 슬링거 링과 라비린스 시일 사이에서, 샤프트의 회전축에 대해, 축방향으로 배치될 수 있다. 이러한 장치에서, 누출 오일은, 우선 슬링거 링을 통과한 다음, 이어서 쇼울더부, 그리고 마지막으로 라비린스 시일을 통과해야 한다.
다른 개선예에 따르면, 샤프트의 직경이, 쇼울더부 상에서, 라비린스 시일을 향해 증가된다. 역으로, 이것은, 샤프트의 직경이 쇼울더부 상에서 슬링거 링을 향해 감소된다는 것을 의미한다. 따라서, 슬링거 링을 위한 샤프트의 직경은, 라비린스 시일을 위한 것보다 더 작다. 쇼울더부는, 누출된 오일에 대한 부가적인 장벽으로서 작용한다. 이는, 밀봉 효과를 개선한다.
다른 바람직한 개선예에서, 라비린스 시일은, 제1 링 및 제2 링에 의해 형성된다. 샤프트는 제1 링을 구비하고, 하우징은 제2 링을 구비한다. 바람직하게, 제1 링 및 제2 링은, 샤프트 상에 또는 하우징 내에 고정되는, 별도의 부품들이다. 제1 링이 샤프트 상에 고정되며 그리고 제2 링이 하우징 내에 고정되는 것은, 적어도 회전 불가능한 방식으로 이루어지며, 따라서 제1 링과 샤프트 사이 그리고 제2 링과 하우징 사이에 각각, 회전 불가능한 연결부가 존재한다. 이상에 설명된 라비린스 형상의 간극은, 제1 링과 제2 링 사이에서 연장된다. 이러한 개선예는, 특히 라비린스 시일의 간단한 제조 및 조립을 가능하게 한다.
바람직하게, 장치는, 제1 링이 이상에 설명된 쇼울더부를 형성하는 방식으로 개발된다. 이는, 부가적인 노력 없이도, 밀봉 효과의 개선을 야기한다.
본 발명의 바람직한 예시적인 실시예가, 도 1에 도시된다.
도 1은 구동 트레인의 종방향 단면도를 도시한다.
도 1에 도시된 구동 트레인(101)은, 변속기(103) 및 전기 모터(105)를 포함한다. 변속기(103)는, 제1 기어(109) 및 제2 기어(111)를 갖는 샤프트(107)를 포함한다. 제2 기어(111)는 출력 샤프트(115)의 피니언(113)과 맞물린다. 출력 샤프트(115)는 동시에 모터(105)의 입력 샤프트이다.
제1 기어(109) 및 제2 기어(111)를 갖는 샤프트(107), 및 피니언(113)을 갖는 샤프트(115)의 변속기 측 부분은 하우징(117)의 내부에 위치된다. 하우징(117)은 오일로 채워지고, 변속기(103)의 구성요소들을 외부에 대해 봉입한다.
샤프트(115)가 하우징(117)으로부터 모터(105) 내로 이어지므로, 하우징(117)은, 샤프트(115)에 대해 밀봉되어야만 한다. 그렇지 않으면, 오일이 하우징(117)으로부터 모터(105) 내로 진입할 것이다. 이를 위해, 시일 장치(119)가, 제공된다.
시일 장치(119)는, 슬링거 링(121) 및 라비린스 시일(123)을 포함한다. 이들 양자 모두는, 샤프트(115) 상에 회전 불가능한 방식으로 고정되며 그리고 샤프트와 함께 공통 축을 중심으로 회전한다. 슬링거 링(121)은, 변속기(103)로부터 모터(105)의 방향으로 라비린스 시일(123)의 전방에 배치된다. 따라서, 하우징(117)으로부터의 오일은, 우선 슬링거 링(121)을 통과한다. 슬링거 링(121)에 의해 포획되지 않은 오일의 잔여물은, 결국 라비린스 시일(123)을 통과한다.
샤프트(115)의 회전으로 인해, 원심력이, 슬링거 링(121) 상의 오일에 작용한다. 슬링거 링(121)은, 반경 방향 외향을 지향하는, 뾰족한 립(125)를 갖도록 제공된다. 오일은 립(125)의 끝단부에서 튀어나가며, 그리고 간극(127)에 도달된다.
간극(127)은, 슬링거 링(121)을 오일 안내 방식으로 베어링(129)에 연결한다. 간극은, 경사면 상에서 연장된다. 따라서, 오일은, 중력으로 인해 간극(127)의 내부에서 베어링(129)을 향해 유동한다.
도 1에 도시된 예시에서, 샤프트(107)는, 베어링(129)에 의해 하우징(117) 내에 회전 가능하게 장착된다. 그러나, 이는 또한, 하우징(117) 내에 배치되는 임의의 다른 베어링일 수도 있다.
베어링(129)은 테이퍼 롤러 베어링으로서 구성된다. 그의 구름 요소들은 각각, 절두 원추형의 형상을 갖는다. 베어링(129)의 회전축은, 샤프트(115)의 회전축에 대해 평행하게 연장된다. 이러한 축들의 방향으로, 베어링(129)이 회전할 때, 오일 이송 효과가 발생한다. 오일은, 개별적인 절두 원추의 상측 표면으로부터 베이스 표면으로 이송된다.
베어링(129)의 구름 요소들의 상측 표면들은, 간극(127)과 대면한다. 따라서, 오일은, 간극(127)으로부터 상측 표면에 충돌하며, 그리고 설명된 축방향으로의 이송 효과에 의해, 간극(127)으로부터 멀어지게 하우징(117)의 내부의 방향으로 이송된다. 이러한 방식으로, 베어링(129)은, 시일 장치(119)의 밀봉 기능을 지원한다.
101: 구동 트레인 103: 변속기
105: 전기 모터 107: 샤프트
109: 제1 기어 111: 제2 기어
113: 피니언 115: 출력 샤프트
117: 하우징 119: 시일 장치
121: 슬링거 링 123: 라비린스 시일
125: 립 127: 간극
129: 베어링

Claims (8)

  1. 샤프트(115), 상기 샤프트(115)에 대해 회전 불가능한 구조체(117), 및 테이퍼 롤러 베어링(129)을 구비하는 장치(101)로서,
    상기 샤프트(115)는, 상기 샤프트(115)와 상기 회전 불가능한 구조체(117) 사이에서 연장되는 간극(gap)을 밀봉하기 위한, 적어도 하나의 슬링거 링(slinger ring)(121)을 구비하고;
    상기 회전 불가능한 구조체(117)는, 상기 슬링거 링(121)에 의해 튀어나가는 오일을 수집하기 위한, 적어도 하나의 리세스(127)를 구비하는 것인, 장치(101)에 있어서,
    상기 테이퍼 롤러 베어링(129)의 적어도 하나의 구름 요소의 제1 단부 표면과 상기 리세스(127) 사이에, 적어도 하나의 오일 안내 연결부가 구비되고;
    상기 제1 단부 표면은, 동일한 구름 요소의 제2 단부 표면보다 더 작은 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전 불가능한 구조체(117)는 하우징이고;
    상기 테이퍼 롤러 베어링(129)은 상기 하우징의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    변속기(103)를 포함하고;
    상기 샤프트(115)는, 상기 변속기(103)의 입력 샤프트를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    모터(105)를 포함하고;
    상기 모터(105)의 출력 샤프트(115)가, 상기 샤프트(115)에 회전 불가능한 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 간극을 밀봉하기 위한 라비린스 시일(labyrinth seal)(123)을 구비하고;
    상기 라비린스 시일(123)은, 상기 하우징(117)의 내부로부터 상기 슬링거 링(121)의 후방에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 샤프트(115)는, 상기 슬링거 링(121)과 상기 라비린스 시일(123) 사이에 배치되는 쇼울더부(shoulder)를 구비하고;
    상기 샤프트(115)의 직경은 상기 쇼울더부 상에서 상기 라비린스 시일(123)을 향해 증가되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 샤프트(115)는 제1 링을 구비하고, 상기 하우징(117)은 제2 링을 구비하며;
    상기 제1 링 및 상기 제2 링은, 상기 라비린스 시일(123)을 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제6항 및 제7항에 있어서,
    상기 제1 링은 상기 쇼울더부를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
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