KR20220120693A - 이중 구동 베인 펌프 - Google Patents

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매튜 윌리엄슨
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한온 시스템즈 이에프피 캐나다 엘티디.
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Abstract

내연 기관을 갖는 차량용 유체 펌핑 시스템은 하우징, 전기 모터, 상기 내연 기관에 의해 구동되도록 구성된 회전 가능한 제1 입력, 상기 전기 모터에 의해 구동되는 회전 가능한 제2 입력, 및 펌프를 포함한다. 상기 펌프는 상기 제1 입력 및 상기 제2 입력 중 하나에 의해 드럼의 회전 축을 중심으로 선택적으로 회전되는 드럼, 및 상기 제1 입력 및 상기 제2 입력 중 다른 하나에 의해 선택적으로 회전되는 펌프 로터를 포함한다. 상기 드럼은 상기 펌프 로터를 수용하는 캐비티를 갖는 캠 링을 포함한다. 상기 드럼은 상기 드럼의 양 측면 상에 제1 유체 유입 포트 및 제2 유체 유입 포트를 포함하여 상기 제1 및 제2 유체 포트를 통해 상기 캐비티로 진입하는 유체가 상기 드럼의 회전 축에 평행한 방향으로 축방향으로 흐른다. 상기 드럼은 방사상으로 연장되는 출구 포트를 포함하여 펌핑된 유체는 상기 캐비티 밖으로 방사상으로 흐른다. 상기 하우징은 상기 전기 모터와 상기 펌프를 포함한다.

Description

이중 구동 베인 펌프
본 발명은 차량용 유체 펌핑 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 윤활 시스템은 제1 동력원으로서 내연 기관 및 제2 동력원으로서 전기 모터를 포함한다.
자동차 차량에는 일반적으로 유체를 차량 전체에 걸쳐 다양한 위치로 전달하기 위하여 하나 이상의 펌프가 장착되어 있다. 오늘날 생산 중인 많은 차량은 차량의 내연 기관에 의해 구동되는 적어도 하나의 펌프가 구비되어 있다. 이러한 펌프의 예로는 연료 펌프, 워터 펌프, 내연 기관 오일 펌프, 변속기 오일 펌프, 슈퍼차저, 터보차저, 파워 스티어링 펌프, 공조 시스템 압축기 뿐만 아니라 자동 변속기, 트랜스퍼 케이스(transfer case), 클러치 및 다수의 기타 차량 펌핑 요구와 같은 장치들을 위한 작동 시스템에 동력을 공급하는 유체 펌프를 포함한다. 이러한 펌프 중 다수가 과거에 만족스럽게 작동해 왔지만 몇 가지 우려가 존재한다.
예를 들어, 많은 펌프는 조립 비용을 최소화하기 위해 고정 용량 펌프(fixed displacement pump)로 구성된다. 고정 용량 펌프는 일반적으로 시스템의 피크 수요를 기반으로 최대 유속 또는 압력을 제공할 수 있도록 크기지어 진다. 그러나 차량 작동 중 대부분은 피크 펌프 출력을 필요로 하지 않는다. 이와 같이, 펌프는 비교적 낮은 출력이 요구될 때, 높은 엔진 작동 속도에서 같은, 비교적 높은 출력을 제공하도록 구동될 수 있다. 더 낮은 출력 대신 더 높은 펌프 출력을 제공하는 것과 관련된 에너지는 에너지 낭비로 볼 수 있다.
전기 모터 단독에 의해 구동되는 펌프는 모터 차량 응용분야 내에서 또한 사용될 수 있다. 그러나 전기 모터 단독에 의해 구동되는 펌프는 일반적으로 내연 기관에 의해 기계적으로 구동되는 펌프와 동일한 작동 효율을 제공하지 않는다. 따라서, 차량 효율을 개선하고, 단순화된 펌프 패키징을 제공하고, 내연 기관 회전 속도에 독립적인 가변 출력을 제공하기 위해, 2개의 독립적인 동력원을 갖는 펌프에 대한 당업계의 필요가 있을 수 있다. 이러한 동력 전달 장치는 제조하는데 비교적 비용이 높고 비교적 큰 패키징 공간을 필요로 하기 때문에 유성 기어세트(planetary gearset)를 포함하지 않는 이중 입력 펌프를 제공하는 것이 특히 바람직할 수 있다.
내연 기관을 갖는 차량용 유체 펌핑 시스템은 하우징, 전기 모터, 상기 내연 기관에 의해 구동되도록 구성된 회전 가능한 제1 입력, 상기 전기 모터에 의해 구동되는 회전 가능한 제2 입력, 및 펌프를 포함한다. 상기 펌프는 상기 제1 입력 및 상기 제2 입력 중 하나에 의해 드럼의 회전 축을 중심으로 선택적으로 회전되는 드럼, 및 상기 제1 입력 및 상기 제2 입력 중 다른 하나에 의해 선택적으로 회전되는 펌프 로터를 포함한다. 상기 드럼은 상기 펌프 로터를 수용하는 캐비티를 갖는 캠 링(cam ring)을 포함한다. 상기 드럼은 상기 드럼의 양 측면 상에 제1 유체 유입 포트 및 제2 유체 유입 포트를 포함하여 상기 제1 및 상기 제2 유체 포트를 통해 상기 캐비티로 진입하는 유체가 상기 드럼의 회전 축에 평행한 방향으로 축방향으로 흐른다. 상기 드럼은 방사상으로 연장되는 출구 포트를 포함하여 펌핑된(pumped) 유체는 상기 캐비티 밖으로 방사상으로 흐른다. 상기 하우징은 상기 전기 모터와 상기 펌프를 포함한다.
본 개시의 다른 양태에 따르면, 내연 기관을 갖는 차량용 유체 펌핑 시스템은 하우징, 전기 모터, 상기 내연 기관에 의해 구동되는 회전 가능한 제1 입력, 상기 전기 모터에 의해 구동되는 회전 가능한 제2 입력, 및 베인 펌프를 포함한다. 상기 베인 펌프는 원통형 캐비티를 갖는 회전 가능한 캠 링, 회전 가능한 펌프 로터, 및 원주방향으로 이격된 베인을 포함한다. 상기 베인과 상기 펌프 로터는 서로와의 회전을 위해 고정되고 상기 원통형 캐비티와 함께 위치한다. 상기 캠 링은 상기 전기 모터와 상기 내연 기관 중 하나에 구동적으로(drivingly) 결합된다. 상기 펌프 로터는 상기 전기 모터와 상기 내연 기관 중 다른 하나에 구동적으로 결합된다. 상기 캠 링은 상기 하우징 내에서 회전을 위해 지지된다.
첨부된 도면과 관련하여 고려 시 하기의 상세한 설명을 참고로 하여 보다 잘 이해되는 바와 같이, 본 발명의 다른 이점들은 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 본 개시의 교시에 따라 구성된 예시적인 펌프의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 펌프의 다른 사시도이다.
도 3은 펌프의 분해 사시도이다.
도 4는 펌프의 부분 사시도이다.
도 5는 펌프의 단면도이다. 그리고,
도 6은 펌핑 챔버들을 통해 취한 펌프의 단면도이다.
예시적 실시예들은, 본 개시가 철저하도록, 그리고 그 범위를 당업자에게 충분히 전달할 수 있도록 제공된다. 다수의 특정 세부사항은, 본 개시의 실시예의 철저한 이해를 제공하기 위하여, 특정 구성요소, 장치 및 방법의 예시로서 기술된다. 특정 세부사항이 사용될 필요가 없다는 것, 예시적 실시예가 많은 상이한 형태로 실시될 수 있다는 것, 및 둘 다 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다는 것이, 당업자에게 명백할 것이다. 일부 예시적 실시예에서, 주지의 공정, 주지의 장치 구조 및 주지의 기술은 상세하게 설명되지 않는다.
본 개시에서 사용된 용어는 특정 예시적 실시예를 설명할 목적일 뿐, 제한하려는 것으로 의도된 것이 아니다. 본 개시에서 사용된 바와 같이, 단수형의 "일", "하나의" 및 "상기"는 문맥상 명확하게 달리 지적하지 않는 한 복수형도 포함하는 것으로 의도될 수 있다. "포함한다", "포함하는" 및 "갖는" 이라는 용어는 포괄적이며 따라서 그에 따라 명시된 특징, 정수, 단계, 작동, 요소 및/또는 구성요소의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 작동, 요소, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 개시에서 설명된 방법 단계, 공정 및 작동은, 수행 순서로서 특별히 식별되지 않는 한, 논의되거나 도시된 특정 순서로의 수행을 반드시 필요로 하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 추가적 또는 대안적 단계가 사용될 수 있음이 또한 이해되어야 한다.
일 요소 또는 층이 다른 요소 또는 층 "위에" 있거나, "에 맞물려"있거나, "에 연결"되거나, 또는 "에 결합"되어 있다고 언급되는 경우, 그것은 그 다른 요소 또는 층에 직접적으로, 위에 있거나, 맞물려 있거나, 연결되거나 또는 결합되거나, 또는 개재되는 요소 또는 레이어가 존재할 수 있다. 반대로, 일 요소가 다른 요소 또는 층에 "직접 위에", "에 직접 맞물려"있거나, "에 직접 연결"되거나 또는 "에 직접 결합"되는 것으로 언급될 때, 개재되는 요소 또는 층은 존재하지 않을 수 있다. 요소 간의 관계를 설명하는 데 사용되는 다른 용어는 유사한 방식으로 해석되어야 한다(예: "사이에" 대 "직접적으로 사이에", "인접한" 대 "직접적으로 인접한" 등). 본 개시에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 하나 이상의 나열된 관련 품목의 임의의 그리고 모든 조합을 포함한다.
제1, 제2, 제3 등의 용어는 다양한 요소, 구성요소, 영역, 층 및/또는 섹션을 설명하기 위해 본 개시에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소, 구성요소, 영역, 층 및/또는 섹션은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어는 하나의 요소, 구성 요소, 영역, 레이어 또는 섹션을 다른 영역, 레이어 또는 섹션과 구별하기 위해서 단지 사용될 수 있다. "제1", "제2"와 같은 용어 및 본 개시에서 사용되는 기타 수치적 용어는 문맥에 의해 명확하게 표시되지 않는 한 순서 또는 순번을 의미하지 않는다. 따라서, 이하에 논의되는 제1 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션은 예시적 실시예의 교시로부터 벗어남 없이, 제2 요소, 구성요소, 영역, 층 또는 섹션으로 명명될 수 있다.
"내부", "외부", "밑", "아래", "하부", "위", "상부" 등과 같은, 공간적으로 상대적인 용어는, 본 개시에서 도면에 도시된 일 요소 또는 특징의 다른 요소(들) 또는 특징(들)과의 관계를 설명함에 있어 설명의 편의를 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 묘사된 방향에 더하여 사용 또는 작동 중인 장치의 다른 방향을 포함하도록 의도될 수 있다. 예를 들어, 도면의 장치가 뒤집힌 경우, 그 때는 다른 요소 또는 특징 "아래" 또는 "밑"으로 설명된 요소가 다른 요소 또는 특징 "위"에 배향되게 된다. 따라서, 예시적 용어인 "아래"는 위와 아래의 방향 모두를 포함할 수 있다. 장치는 다른 식으로 배향될 수 있고(90도 또는 다른 방향으로 회전) 본 개시에서 사용된 공간적으로 상대적인 표현은 그에 따라 해석된다.
도면에 도시된 바와 같이, 펌프(10)는 일 단부로부터 연장되는 외부적으로 접근 가능한 입력 샤프트(14) 및 타 단부에 전기 모터(16)를 갖는 멀티-피스(multi-piece) 하우징(12)을 포함한다. 펌프(10)는 내연 기관과 같은 도시되지 않은 외부 동력원에 의해 선택적으로 구동될 수 있는 이중 입력 베인 펌프로 구성된다. 내연 기관의 크랭크샤프트 또는 다른 피동 부재는, 도면에 도시되지 않은 스프로킷(sprockets), 벨트 또는 기어 장치(gear arrangement)에 의해 입력 샤프트(14)에 구동적으로 결합되는 것으로 고려된다. 펌프(10)는 또한 전기 모터(16)에 의해 선택적으로 구동될 수 있다. 더 상세히 설명되는 바와 같이, 동력원들 중 하나가 개별적으로, 또는 두 동력원이 동시에, 활성화되어(energized) 펌프(10)를 작동시킬 수 있다.
하우징(12)은 입구(18) 및 출구(19)를 포함한다. 하우징(12)은 제1 단부 플레이트(20), 제2 단부 플레이트(24) 및 중간 플레이트(intermediate plate, 26)를 추가로 포함한다. 나사형 패스너(32)는 제1 단부 플레이트(20), 제2 단부 플레이트(24) 및 중간 플레이트(26)를 상호 연결한다. 전기 모터(16)는 패스너(38)를 통해 제2 단부 플레이트(24)에 고정된 모터 하우징(36)을 포함한다.
전기 모터(16)는 하우징(36)에 고정식으로 장착되고 하우징(36)에 대해 회전이 제한된 고정자(40)를 포함한다. 전기 모터(16)는 또한 고정자(40) 및 하우징(12)에 대해 회전 가능하게 장착된 모터 로터(44)를 포함한다. 모터 로터(44)는 복수의 자석을 포함하고, 고정자(40)에 전기 공급시 중심축(46)을 중심으로 회전된다.
펌프(10)는 하우징(12) 내에서 회전 가능하게 지지되고 샤프트(14)에 의해 구동되는 제1 서브어셈블리(50)를 포함한다. 제1 서브어셈블리(50)는 중심 축(46)을 중심으로 회전 가능하다. 제2 서브어셈블리(54)는 또한 중심 축(46)을 중심으로 회전 가능하고 하우징(12) 내에 위치된다. 제2 서브어셈블리(54)는 전기 모터(16)에 의해 선택적으로 회전한다. 제1 서브어셈블리(50)와 제2 서브어셈블리(54) 사이의 상대적 회전은 펌프(10)를 통한 유체의 펌핑 작용을 야기한다.
펌프(10)는, 서로 평행하게 위치되고 제1 서브어셈블리(50)의 양 측면 상에 있는, 제1 유입 통로(60)와 제2 유입 통로(64)를 포함한다. 제1 단부 플레이트(20)는 제1 유입 통로(60)를 포함하고, 제2 단부 플레이트(24)는 제2 유입 통로(64)를 포함한다. 통로(passageway, 66)는 중간 플레이트(26)를 통해 연장되어 제1 유입 통로(60)가 제2 유입 통로(64)와 유체 연통하도록 한다. 이와 같이, 하우징 입구(18)는 제1 유입 통로(60) 및 제2 유입 통로(64) 모두와 유체 연통한다. 펌프 출구(19)는 제1 단부 플레이트(20) 상에 제공된다.
제1 서브어셈블리(50)는 외부 링(76), 캠 링(78), 제1 단부 캡(82) 및 제2 단부 캡(84)을 포함하는 드럼(72)을 포함하며, 각각은 서로 회전을 위해 고정되어 있다. 드럼(72)은 중심축(46)을 중심으로 회전한다. 외부 링(76)은 원통형 외부 표면(88) 및 오프셋된 원통형 내부 표면(90)을 포함한다. 보다 구체적으로, 외부 원통형 표면(88)의 중심선(91) 및 내부 원통형 표면(90)의 중심선(87)은 평행하게 연장되고 서로 오프셋되어 소정의 이심율(eccentricity)을 정의한다. 중심선(87)은 중심축(46)을 중심으로 회전할 수 있는 반면 외부 원통형 표면(88)의 중심선(91)은 중심축(46)과 동축 정렬(coaxial alignment)을 유지한다. 슬롯(94)은 외부 원통형 표면(88)과 내부 원통형 표면(90) 사이에서 소정의 원주방향으로 연장되는 원호 길이(arc length)로 방사상으로 연장된다. 외부 링(76)은 제1 단부면(96) 및 반대의 그리고 평행한 제2 단부면(98)을 포함한다.
캠 링(78)은 원통형 외부 표면(102)과 원통형 내부 표면(106)을 포함한다. 원통형 외부 표면(102)은 원통형 내부 표면(106)과 동축으로 정렬된다. 슬롯(108)은 캠 링(78)을 통해 원통형 외부 표면(102)에서 원통형 내부 표면(106)으로 연장된다. 슬롯(108)은 소정의 양만큼 원주방향으로 연장한다. 슬롯(108)의 원호 길이는 슬롯(94)의 원호 길이와 실질적으로 동일하여 이를 통한 출구 통로를 제공한다. 캠 링(78)은 제2 단부면(114)으로부터 이격되고 평행하게 연장되는 제1 단부면(110)을 포함한다. 원통형 외부 표면(102)은 외부 링(76)의 원통형 내부 표면(90)과 압입 결합(press fit engagement)으로 맞물리도록 크기지어 진다. 이와 같이 캠 링(78)과 외부 링(76)은 동일한 속도로 회전한다.
제1 단부 캡(82)은 플랜지부(124)로부터 연장되는 트러니언부(trunnion portion, 120)를 포함한다. 플랜지부(124)는 내부 면(126) 및 반대의 그리고 평행한 외부 면(130)을 포함한다. 트러니언부(120)는 외부 원통형 표면(134) 및 내부 원통형 보어(138)를 포함한다. 복수의 원주방향으로 이격된 톱니(teeth, 142)가 트러니언부(120)의 원위 단부 상에 형성된다. 슬롯(146)은 플랜지부(124)를 통해 내부 면(126)에서 외부 면(130)으로 연장된다. 슬롯(146)은 소정의 원호 길이만큼 원주방향으로 연장하고 특정 펌프 글랜드 눈물방울 모양(pump gland teardrop shape)을 갖는다. 제2 단부 캡(84)은 플랜지부(154)와 일체로 형성된 트러니언부(150)를 포함하여 유사하게 구성된다. 플랜지부(154)는 내부 면(158) 및 반대의 평행한 외부 면(162)을 포함한다. 트러니언부(150)는 외부 원통형 표면(166)을 포함한다. 원통형 보어(170)는 트러니언부(150)와 플랜지부(154)를 통해 연장된다. 원주방향으로 연장되는 슬롯(174)은 플랜지부(154)을 통해 내부 면(158)에서 외부 면(162)으로 연장된다. 슬롯(174)은 또한 펌프 글랜드로 기능하는 눈물방울 모양을 갖는다.
제2 단부 플레이트(24)는, 제1 원통형 표면(180), 제1 원통형 표면(180)보다 작은 직경을 갖는 제2 원통형 표면(182), 제3 원통형 표면(186), 및 제4 원통형 표면(188)을 포함하는 다단식(multi-stepped) 보어(176)를 포함한다. 환형 랜드(192)는 제2 원통형 표면(182)과 제3 원통형 표면(186) 사이에 위치된다.
제1 원통형 표면(180)은 제2 단부 플레이트(24)에 대한 회전을 위해 트러니언부(150)를 지지하도록 크기지어 진다. 회전 가능한 드럼(72)은 또한 제2 단부 플레이트(24)의 단부면(190) 뿐만 아니라 제1 단부 플레이트(20)의 대향하는 단부면(194)에 의해 안내된다.
펌프(10)가 비교적 고압의 자동 변속기 유체 펌핑 장치로 구성되는 경우, 제2 단부 플레이트(24)의 단부면(190)과 외부 링(76)의 제2 단부면(98) 사이의 매우 작은 간격을 정확하게 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 유사하게, 제1 단부 플레이트(20)의 단부면(194)과 외부 링(76)의 제1 단부면(96) 사이의 가동 클래스 핏(running class fit)은 적절한 펌프 기능을 확보하기 위해 정확하게 제어되어야 한다. 펌프(10)의 적어도 하나의 실시예에서, 최대 30 bar의 압력에서 유체를 펌핑하는 것이 바람직할 수 있다. 고정 펌프 하우징(12)과 회전 드럼(72) 사이의 최소 간극(minimal clearances)은 이러한 비교적 높은 압력에서 펌프(10)의 효율적인 작동을 허용한다. 바람직한 펌프 작동을 추가로 확보하기 위해, 중간 플레이트(26)는 외부 링(76)과 동일한 재료로 구성된다. 현재 논의된 실시예에서, 외부 링(76) 및 중간 플레이트(26)는 강철, 가능하게는 분말 금속 강철로 구성되는 것이 고려된다. 제1 단부 플레이트(20) 및 제2 단부 플레이트(24)는 다이-캐스트 알루미늄으로 구성된다. 중간 플레이트(26) 및 외부 링(76)은 동일한 재료로 구성되기 때문에, 이러한 구성요소들은 동일한 열팽창 계수를 나타낸다. 작동 온도에서의 변화로 인한 치수의 변화는 동일할 것이다. 이와 같이, 앞서 언급한 최소 가동 간극(minimal running clearances)은 펌프(10)의 작동 온도에 관계없이 유지될 것이다. 이중 디스크 연마 작업은 외부 링(76)의 폭과 제2 단부면(98)에 대한 제1 단부면(96)의 평행도(parallelism)를 정확하게 정의하기 위해 수행될 수 있다. 플러스 또는 마이너스 3미크론 이내의 치수 공차(dimensional tolerances)는 이중 디스크 연마 작업을 사용하여 얻어질 수 있다.
회전 가능한 드럼(72)은 입력 샤프트(14)에 구동식으로 서로 연결되어 있다. 보다 구체적으로, 입력 샤프트(14)는 원주방향으로 이격된 복수의 톱니(198)를 포함하는 확장된 단부부(196)를 포함한다. 입력 샤프트(14)의 톱니(198)는 제1 단부 캡(82)의 톱니(142)와 구동식으로 맞물린다. 입력 샤프트(14)는 부싱(199)에 의해 제1 단부 플레이트(20) 내에서 회전을 위해 지지된다. 립 씰(201)은 펌프(10) 내 공기의 유입을 제한하기 위해 제1 단부 플레이트(20)의 카운터보어(203) 내에 위치된다.
제2 서브어셈블리(54)는 하우징(12)에 대해 회전할 수 있을 뿐만 아니라 제1 서브어셈블리(50)에 대해서도 회전할 수 있다. 제2 서브어셈블리(54)는 모터 로터(44)와의 회전을 위해 고정된 모터 샤프트(200)를 포함한다. 모터 샤프트(200)는 보어(176) 내에 위치되고 제4 원통형 표면(188)과 맞물리는 니들 베어링 어셈블리(204)에 의해 회전을 위해 지지된다. 모터 샤프트(200)는 외부 스플라인(spline)을 갖는 확장된 헤드부(206)를 포함한다.
제2 서브어셈블리(54)는 스플라인 상호연결(splined interconnection)을 통한 펌프 로터(214)와의 회전을 위해 고정된 펌프 샤프트(208)를 더 포함한다. 외부 스플라인(210)은 펌프 로터(214)에 형성된 내부 스플라인과 맞물린다. 유지 링(retaining rings, 215)은 펌프 샤프트(208)와 펌프 로터(214) 사이의 원하는 상대 축 위치를 유지하기 위해 외부 스플라인(210)의 양 측면 상에 위치한다.
커플링(216)은, 펌프 샤프트(208)를 모터 샤프트(200)와 구동식으로 연결하기 위해, 헤드부(206) 상의 외부 스플라인과 구동적으로 맞물리는 내부 스플라인 및 펌프 샤프트(208)의 테일부(217) 상의 외부 스플라인을 포함한다. 부싱(219)은 드럼(72) 내에서 펌프 샤프트(208)를 회전 가능하게 지지한다.
복수의 방사상으로 연장된 베인(218)은 펌프 로터(214)에 슬라이딩 가능하게 결합되어 베인(218)이 펌프 로터(214)와 함께 회전한다. 베인(218)은 캠 링(78)의 중심선과 드럼의 회전 축(46) 사이의 오프셋을 설명하기 위해 펌프 로터(214)에 대해 방사상으로 이동할(translate) 수 있다. 펌프 로터(214)는 중심축(46)을 중심으로 회전한다. 베인 링(221)은 캠 링(78)의 원통형 내부 표면(106)과 베인(218)의 원위 단부 사이에서의 맞물림을 유지하기 위해 펌프 로터(214)의 양 측면 상에 그리고 펌프 로터(214)에 인접하여 위치된다. 베인 링(221)은 베인(218)이 안쪽으로 슬라이딩하는 것을 방지하도록 기능하여 베인(218)의 원위 단부가 캠 링(78)과 접촉한 상태를 유지한다. 펌프 출구 측에서, 고압이 베인(218)의 원위 단부에 작용하여 안쪽으로 밀어낸다. 펌프 로터(214)의 중심선 근처의 중앙 공간은 저압이다. 따라서, 베인 링(221)이 없으면, 베인(218)이 안쪽으로 슬라이딩하는 것을 제한할 수 없다.
당업자는 입력 샤프트(14), 펌프 샤프트(208) 및 모터 샤프트(200)와 같은 3개의 개별 구성요소를 사용하기로 한 결정이 드럼(72)과 하우징(12) 사이에서 원하는 매우 근접한 가동-클래스 핏에 의해 추진된다는 것을 이해해야 한다. 드럼의 구성요소와 관련 하우징 표면에 대한 공차가 너무 작아서 샤프트(14, 200, 208)와 관련된 공차가 조립 및 적절한 펌프 작동을 허용하도록 확대되어야 한다. 예를 들어, 커플링(216)을 통한 모터 샤프트(200)와 펌프 샤프트(208) 사이의 스플라인 상호연결은 모터 샤프트(200)의 회전 축과 펌프 샤프트(208)의 회전 축 사이의 상대적 오정렬(misalignment)을 허용한다. 유사하게, 입력 샤프트(14)의 회전 축도 기어 톱니 인터페이스를 기반으로 펌프 샤프트(208)의 회전 축과 약간 오정렬될 수 있다.
대안적인 실시예는 요소(200, 208)가 하나의 부품(one piece)으로서 다른 것과 일체로 형성되도록 단일 모터 및 베인 샤프트를 통합하여 구성될 수 있음이 고려된다. 유사하게, 입력 샤프트(14)는, 단순화되고 보다 치수 오차 허용적인 설계(dimensionally tolerant design)로, 제1 단부 캡(82)과 일체로 형성될 수 있다. 이러한 설계는 3~4bar 범위의 더 낮은 압력 출력이 필요한 응용분야에 유용할 수 있다.
작동 중, 베인(218)과 캠 링(78) 사이의 상대 회전은 유체가 하우징 입구(18), 제1 유입 통로(60) 및 제2 유입 통로(64)로 유입하게 한다. 저압 유체는 외부 면(130)과 슬롯(146) 및 외부 면(162)과 슬롯(174)이 동시 연통하도록 드럼(72)의 양 측면 상에 위치한다. 저압 유체는 슬롯(146, 174)을 통해 축방향으로 펌핑 캐비티(220)로 진입한다. 고압 유체는 방사상으로 펌핑 캐비티(220)를 빠져나간다. 특히, 캠 링(78)의 슬롯(108)은 압력이 높을 때 펌핑 캐비티(220)와 유체 연통한다. 외부 링(76)의 슬롯(94)은 캠 링(78)의 슬롯(108)과 정렬되고 유체 연통한다. 고압 캐비티(222)는 중간 플레이트(26)의 내부 원통형 표면(226), 단부면(190), 단부면(194) 및 외부 링(76)의 외부 원통형 표면(88)에 의해 정의된다. 슬롯(108)과 슬롯(94)은 고압 캐비티(222)와 유체 연통한다. 출구(19)는 고압 캐비티(222)와 유체 연통한다. 앞서 설명된 기하학적 구조를 고려하면, 드럼(72)에 작용하는 힘은 축방향 및 방사방향으로 균형잡혀 있다. 현 설계에는 특수 베어링 또는 축방향 하중 반응 장치가 필요하지 않다.
앞서 설명한 비교적 높은 30bar 출력을 제공하는 펌프 기능을 확보하기 위해, 캠 링(78)의 너비는 이중 디스크 연마 작업을 사용하여 가공된다. 제1 단부면(110)과 제2 단부면(114) 사이의 거리는, 고압 캐비티(222)와 펌프(10) 내의 나머지 저압 구역 사이의 임의의 누출 경로를 최소화하기 위해, 베인(218) 및 로터(214)의 폭보다 아주 약간 더 크도록 정의된다. 특히, 베인(218)과 로터(214), 그리고 제1 및 제2 단부 캡(82, 84) 사이의 간극은 고압 유체가 베인을 지나 누출될 기회를 제공하여 펌프 최대 압력 용량을 감소시키는 것으로 고려된다. 유사하게, 외부 링(76)과 제1 및 제2 단부 플레이트(20, 24) 사이의 간극은 추가적인 가능한 누출 경로를 제공한다. 앞서 언급한 바와 같이, 제조될 펌프의 특정 실시예가 상대적으로 낮은 압력의 유체만을 출력할 필요가 있는 경우, 이러한 구성요소들과 관련된 공차 및 상대적으로 이동하는 구성요소들 사이의 간극이 완화되어 비용과 복잡성을 줄일 수 있다.
펌프(10)는 모터 캐비티(225)를 제2 유입 통로(64)와 연결하는 저압 유체 경로(224)를 포함한다. 다른 저압 유체 경로(227)는 제3 원통형 표면(186)과 모터 샤프트(200) 사이의 갭 뿐만 아니라 베어링(204) 또는 일-방향 클러치(230)를 통한 경로를 포함한다. 이러한 유체 통로는 부싱 또는 베어링(219)에서의 저압 유체 존재를 보장한다.
제1 작동 모드에서, 입력 토크는 내연 기관을 통해 입력 샤프트(14)에 제공될 수 있다. 제1 작동 모드에서, 펌프 샤프트(208)는 회전이 제한된다. 따라서, 펌프 로터(214) 및 베인(218)은 하우징(12)에 대한 회전이 제한된다. 입력 샤프트(14)의 회전은 드럼(72)을 구동하여 캠 링(78) 및 외부 링(76)이 펌프 로터(214)에 대해 회전한다. 펌프 출력의 크기는 입력 샤프트(14)의 회전 속도에 비례한다.
제2 작동 모드에서, 입력 토크는 전기 모터(16)를 통해 모터 샤프트(200)에 제공된다. 입력 샤프트(14)는 제2 작동 모드에서 회전이 제한된다. 모터 샤프트(200)는 펌프 로터(214)와 베인(218)을 차례로 회전시키는 펌프 샤프트(208)를 구동한다. 입력 샤프트(14)는 회전이 제한되기 때문에, 드럼(72)도 회전이 제한된다. 따라서, 캠 링(78)과 베인(218) 사이에서 상대 회전이 발생한다. 펌프 출력의 크기는 모터 샤프트(200)의 회전 속도에 비례한다.
제3 작동 모드에서, 입력 토크가 입력 샤프트(14)에 제공되어 입력 샤프트(14)를 제1 방향으로 회전시킨다. 모터 샤프트(200)는 전기 모터(16)에 의해 반대 회전으로 구동된다. 펌프 출력의 크기는 캠 링(78)과 펌프 로터(214) 사이의 상대 회전 속도를 기반으로 한다. 반대 회전 또는 드럼(72)과 베인 펌프 로터(214) 사이의 적어도 상대적인 회전을 보장하기 위해, 하우징(12)에 대한 모터 샤프트(200)의 회전 방향을 제한하기 위해 일-방향 클러치(230)를 포함하는 것이 유리할 수 있다. 도면에서, 베어링(204)은 일-방향 클러치(230)로서 구성될 수 있다.
사용 가능한 다양한 작동 모드를 기반으로, 견고하고 저-비용의 펌프를 제공하기 위해 추가 고려 사항이 고려된다. 또한, 드럼(72)은 드럼(72)의 무게 중심을 그의 회전축에 가깝게 정렬하기 위한 특별한 구성을 포함할 수 있다. 외부 컷아웃(cutout) 또는 홈(240)은 회전하는 제1 서브어셈블리(50)의 회전 불균형을 최소화하기 위해 외부 링(76)의 일부로부터 질량을 제거한다.

Claims (17)

  1. 내연 기관을 갖는 차량용 유체 펌핑 시스템으로서, 상기 유체 펌핑 시스템은,
    하우징;
    전기 모터;
    상기 내연 기관에 의해 구동되도록 구성된 회전 가능한 제1 입력;
    상기 전기 모터에 의해 구동되는 회전 가능한 제2 입력; 및
    상기 제1 입력 및 상기 제2 입력 중 하나에 의해 드럼의 회전 축을 중심으로 선택적으로 회전되는 드럼, 및 상기 제1 입력 및 상기 제2 입력 중 다른 하나에 의해 선택적으로 회전되는 펌프 로터를 포함하는 펌프;를 포함하고,
    상기 드럼은 상기 펌프 로터를 수용하는 캐비티를 갖는 캠 링을 포함하고, 상기 드럼은 상기 드럼의 양 측면 상에 제1 유체 유입 포트 및 제2 유체 유입 포트를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 유체 포트를 통해 상기 캐비티로 진입하는 유체는 상기 드럼의 회전 축에 평행한 방향으로 축방향으로 흐르고, 상기 드럼은 방사상으로 연장되는 출구 포트를 포함하며,
    펌핑된 유체는 상기 캐비티 밖으로 방사상으로 흐르고, 상기 하우징은 상기 전기 모터와 상기 펌프를 포함하는, 유체 펌핑 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징 및 상기 드럼은 상기 드럼을 원주방향으로 둘러싸는 고압 캐비티를 정의하고, 상기 고압 캐비티는 상기 출구 포트와 유체 연통하는, 유체 펌핑 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 입력의 회전을 단일 회전 방향으로 제한하는 일-방향 클러치;를 더 포함하는, 유체 펌핑 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 제1 유입 통로 및 제2 유입 통로를 포함하고, 상기 제1 및 제2 유입 통로는 상기 드럼의 양 측면 상에 서로 평행하게 연장되는, 유체 펌핑 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 드럼은 외부 링, 상기 캠 링, 서로 회전하도록 고정된 제1 단부 캡 및 반대의 제2 단부 캡을 포함하고,
    상기 제1 단부 캡은 상기 제1 유체 유입 포트를 포함하고, 상기 제2 단부 캡은 상기 제2 유체 유입 포트를 포함하는, 유체 펌핑 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 펌프 로터와의 회전을 위해 고정된 펌프 로터 샤프트;를 더 포함하고,
    상기 펌프 로터 샤프트는 상기 제2 입력과 구동식으로 맞물리는, 유체 펌핑 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유체 펌핑 시스템은 상기 제1 입력이 회전하고 상기 제2 입력이 정지된 제1 모드에서, 상기 제1 입력이 정지하고 상기 제2 입력이 회전하는 제2 모드에서, 그리고 상기 제1 입력은 제1 방향으로 회전하고 상기 제2 입력은 동시에 반대 방향으로 회전하는 제3 모드에서 작동 가능한, 유체 펌핑 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 입력은 상기 하우징을 통해 연장되는 입력 샤프트를 포함하고, 상기 입력 샤프트는 상기 드럼과 구동 맞물림되는 일 단부를 갖는, 유체 펌핑 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전기 모터는 펌핑될 유체 내에 잠겨있는, 유체 펌핑 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 캠 링의 상기 캐비티는 상기 드럼의 상기 회전축을 중심으로 회전 가능한 중심선을 포함하는, 유체 펌핑 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전기 모터는 상기 드럼 및 상기 펌프 로터 중 하나를 제1 방향으로 회전시키도록 구성되고, 상기 내연 기관은 상기 드럼 및 상기 펌프 로터 중 다른 하나를 반대 방향으로 회전시키도록 구성되는, 유체 펌핑 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 캠 링은 상기 캐비티를 적어도 부분적으로 정의하는 내부 원통형 보어를 갖는 벽을 포함하고, 상기 캠 링은 상기 벽을 통해 방사상으로 연장되는 출구 통로를 포함하는, 유체 펌핑 시스템.
  13. 내연 기관을 갖는 차량용 유체 펌핑 시스템으로서, 상기 유체 펌핑 시스템은,
    하우징;
    전기 모터;
    상기 내연 기관에 의해 구동되는 회전 가능한 제1 입력;
    상기 전기 모터에 의해 구동되는 회전 가능한 제2 입력; 및
    원통형 캐비티를 갖는 회전 가능한 캠 링, 회전 가능한 펌프 로터, 및 원주방향으로 이격된 베인을 포함하는 베인 펌프;를 포함하며, 상기 베인과 상기 펌프 로터는 서로 회전을 위해 고정되고 상기 원통형 캐비티와 함께 위치되고,
    상기 캠 링은 상기 전기 모터와 상기 내연 기관 중 하나에 구동적으로 결합되고, 상기 펌프 로터는 상기 전기 모터와 상기 내연 기관 중 다른 하나에 구동적으로 결합되며,
    상기 캠 링은 상기 하우징 내에서 회전을 위해 지지되는, 유체 펌핑 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 캠 링의 원통형 캐비티의 축은 상기 제1 입력의 회전 축을 중심으로 회전하는, 유체 펌핑 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 유체 펌핑 시스템은 상기 제1 입력이 회전하고 상기 제2 입력이 정지된 제1 모드에서, 상기 제1 입력이 정지하고 상기 제2 입력이 회전하는 제2 모드에서, 그리고 상기 제1 입력은 제1 방향으로 회전하고 상기 제2 입력은 동시에 반대 방향으로 회전하는 제3 모드에서 작동 가능한, 유체 펌핑 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제2 입력의 회전을 단일 회전 방향으로 제한하는 일-방향 클러치;를 더 포함하는, 유체 펌핑 시스템.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 하우징은 제1 유입 통로 및 제2 유입 통로를 포함하고, 상기 제1 및 제2 유입 통로는 상기 캠 링의 양 측면 상에서 서로 평행하게 연장되는, 유체 펌핑 시스템.
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