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KR101803166B1 - 아이솔레이터 디커플러 - Google Patents

아이솔레이터 디커플러 Download PDF

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KR101803166B1
KR101803166B1 KR1020157032062A KR20157032062A KR101803166B1 KR 101803166 B1 KR101803166 B1 KR 101803166B1 KR 1020157032062 A KR1020157032062 A KR 1020157032062A KR 20157032062 A KR20157032062 A KR 20157032062A KR 101803166 B1 KR101803166 B1 KR 101803166B1
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KR
South Korea
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spring
shaft
way clutch
pulley
carrier
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KR1020157032062A
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알렉산더 세르크
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게이츠 코포레이션
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Publication date
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Abstract

본 발명에 따르면, 아이솔레이터 디커플러(isolator decoupler)로서, 샤프트와, 저마찰 부싱 상에서 샤프트에 저널링(journalling)되는 스프링 캐리어와, 저마찰 부싱 상에서 샤프트에 저널링되고, 저마찰 부싱 상에서 스프링 캐리어에 저널링되는 풀리와, 풀리와 스프링 캐리어 사이에 커플링되는 토션 스프링, 그리고 샤프트와 마찰식으로 맞물리고, 스프링 캐리어에 커플링되는 일방향 클러치를 포함하고, 상기 일방향 클러치 스프링은 토션 스프링의 반경방향 내측에 배치되고, 상기 풀리는 일방향 클러치 스프링의 단부와 일시적으로 맞물릴 수 있고, 이에 따라 일방향 클러치 스프링과 샤프트의 마찰식 맞물림이 일시적으로 저감되는 것인 아이솔레이터 디커플러가 제공된다.

Description

아이솔레이터 디커플러{ISOLATOR DECOUPLER}
본 발명은 저마찰 부싱 상에서 샤프트에 저널링(journalling)되고 저마찰 부싱 상에서 스프링 캐리어 - 저마찰 부싱 상에서 샤프트에 저널링됨 - 에 저널링되는 풀리를 구비하는 아이솔레이터 디커플러에 관한 것이다.
본 발명은 얼터네이터 조정 디바이스에 관한 것으로, 구체적으로는 아이솔레이션(isolation)를 위한 토션 스프링을 지닌 얼터네이터 아이솔레이팅 디커플러(Alternator Isolating Decoupler; AID)에 관한 것이다. 얼터네이터 조정 디바이스의 기능 및 활용은 일반적으로 알려져 있다. 현재 상업적으로 입수 가능한 AID 디바이스는 아이솔레이팅 스프링, 일방향 클러치, 베어링(들), 풀리 및 소정의 다른 부품을 포함한다. 이들 부품 각각에 대한 필요성은 전형적으로 디바이스의 전체 직경 크기가 업계가 요망하는 것보다 클 것을 요구한다. 오늘날 더 작은 자동차 엔진 크기와 더 증가하는 연비 요건과 함께, 요구되는 기능을 충족하면서 감소된 풀리 직경을 갖는 AID 디바이스가 필요하다.
대표적인 기술은 미국 특허 제7,153,227호이며, 이 미국 특허는 사행형(蛇行形) 구동 시스템에 있는 얼터네이터 풀리용 디커플러가, 스프링 유지 부재를 통해 얼터네이터 풀리를 허브 구조와 커플링하는 탄성의 나선형 스프링 부재를 구비하는 것을 개시한다. 스프링 유지 부재와 허브 구조 사이에는 이들 간의 슬라이딩 맞물림을 용이하게 하도록 부싱이 배치된다. 스프링 부재와 얼터네이터 풀리 사이에는, 이들 간의 슬라이딩 맞물림을 용이하게 하도록 환형 슬리브가 배치된다. 스프링 부재는 그 일단부에서 허브 구조에 연결되고, 그 반대측 단부에서 스프링 유지 부재에 연결된다. 탄성 스프링 부재는 사행형 벨트에 의한 얼터네이터 풀리의 피동 회전 운동을 허브 구조로 전달하여, 얼터네이터 샤프트가 얼터네이터 풀리와 동일한 방향으로 회전하며, 피동 회전 운동 중에 얼터네이터 풀리에 대하여 반대 방향으로 순간적인 상대 탄성 운동이 가능하다.
또한, 대표적인 기술은 2012년 7월 3일자로 출원된 본 출원인 명의의 공동 계류 중인 미국 정규 출원 제13/541,216호이다.
저마찰 부싱 상에서 샤프트에 저널링되고 저마찰 부싱 상에서 스프링 캐리어 - 저마찰 부싱 상에서 샤프트에 저널링됨 - 에 저널링되는 아이솔레이터 디커플러가 필요하다. 본 발명은 이러한 필요를 충족시킨다.
본 발명의 주 양태는 저마찰 부싱 상에서 샤프트에 저널링되고 저마찰 부싱 상에서 스프링 캐리어 - 저마찰 부싱 상에서 샤프트에 저널링됨 - 에 저널링되는 아이솔레이터 디커플러이다.
본 발명의 다른 양태는 본 발명의 후속하는 설명과 첨부도면에 의해 언급되거나 명백해질 것이다.
본 발명은, 샤프트, 저마찰 부싱 상에서 샤프트에 저널링되는 스프링 캐리어와, 저마찰 부싱 상에서 샤프트에 저널링되고, 저마찰 부싱 상에서 스프링 캐리에 저널링되는 풀리와, 풀리와 스프링 캐리어 사이에 커플링되는 토션 스프링, 그리고 샤프트와 마찰식으로 맞물리고 스프링 캐리어에 커플링되는 일방향 클러치를 포함하는 아이솔레이터 디커플러를 포함하고, 일방향 클러치 스프링은 토션 스프링의 반경방향 내측에 배치되고, 풀리는 일방향 클러치 스프링의 단부와 일시적으로 맞물리며, 이에 의해 일방향 클러치 스프링과 샤프트의 마찰식 맞물림이 일시적으로 저감된다.
본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 형성하는 첨부도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하며, 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 디바이스의 분해도이다.
도 2는 디바이스의 단면도이다.
도 3은 도 2의 상세도이다.
도 1은 본 발명의 디바이스의 분해도이다. 본 발명은 풀리(10), 아이솔레이팅 토션 스프링(20), 스프링 캐리어(30), 랩 스프링 일방향 클러치(40), 저마찰 부싱(50, 51, 52), 및 먼지 커버(60)를 지닌 샤프트(70)를 포함한다. 샤프트(71)가 샤프트(70) 상에 압입된다.
특히, 풀리(10)는 부싱(50) 상에서 샤프트(71)에 저널링된다. 스프링 캐리어(30)는 부싱(51) 상에서 샤프트(70)에 저널링된다. 풀리(10)는 부싱(52) 상에서 스프링 캐리어(30)에 저널링된다. 본 실시예에서, 풀리(10)는 차량 엔진 전방 단부 부속품 구동부(Front End Accessory Drive; FEAD) 상의 벨트와 맞물리도록 멀티 리브형 프로파일을 갖는다.
부싱(50, 51, 52)은 니들 베어링 또는 볼 베어링과 같은 다른 타입의 베어링 대신에 사용될 수 있는데, 그 이유는 부싱으로 인해 디바이스가 더 작은 전체 직경을 갖게 되기 때문이다. 변형예에서, 부싱(50)은 니들 베어링 또는 볼 베어링과 같은 베어링으로 대체될 수 있다.
랩 스프링 일방향 클러치(40)는 나선형 권취 스프링이고, 샤프트(71)의 외면(72) 주위를 둘러싼다. 랩 스프링 일방향 클러치(40)의 내경은 샤프트 표면(72)의 외경보다 약간 작다. 이것은, 랩 스프링 일방향 클러치(40)와 샤프트 표면(72) 간의 맞물림이 마찰식으로 이루어지는 것을 보장한다. 랩 스프링 일방향 클러치(40)의 단부(41)는 스프링 캐리어 수용부(32)에 커플링된다. 랩 스프링 일방향 클러치(40)는 토션 스프링(20)과 샤프트(70, 71) 사이에서 토션 스프링(20)의 반경방향 내측에 배치된다. 스프링(40)은 작동 중에 감김(winding) 방향으로 로딩(loading)된다.
토션 스프링(20)은 풀리(10)와 스프링 캐리어(30) 사이에 커플링된다. 작동 시, 토션 스프링(20)은 풀리(10)와 맞물린 벨트에 의해 풀림(unwinding) 방향으로 로딩된다. 변형예에서, 토션 스프링(20)의 감김 방향으로 로딩된다.
먼지 커버(60)는 부스러기가 디바이스 내에 들어와 부싱을 더럽히는 것을 방지한다. 유지 링(122)이 샤프트(71) 상으로 압입된다.
본 발명의 디바이스에서의 토크 전달은 풀리(10)에서부터, 토션 스프링(20), 스프링 캐리어(30), 랩 스프링 일방향 클러치(40) 및 샤프트(71) 순서로 이루어진다. 작동 시, 랩 스프링 일방향 클러치(40)는 감김 방향으로 로딩된다. 이것은, 랩 스프링 일방향 클러치(40)가 표면(72) 상에서 샤프트(71)를 클램핑하고 샤프트(71)와 마찰식으로 맞물리게 한다.
도 2는 디바이스의 단면도이다. 스프링 캐리어(30)는 부싱(51) 상에서 샤프트(70)에 대해 회전 이동 가능하다.
벨트 장력은 허브로드(hubload)(N)를 생성한다. 벨트 장력은 통상적으로 풀리(10)를 작동시킨다. 허브로드는 벨트의 팽팽하고 느슨한 스팬과 권취각, 즉 벨트와 접촉하는 풀리 부분의 각도 스팬에 대한 장력의 결과이다. 실용적인 관점에서, 얼터네이터 풀리에 인가되는 토크는 대략 15 Nm이다. 풀리 직경이 54 mm인 경우, 유효 장력은 대략 556 N이다. 느슨한 측의 장력은 통상적으로 250 N이다. 그리고, 팽팽한 측의 장력은 대략 806 N이고, 허브로드는 권취각에 따라 800 N 내지 1056 N이다.
도 2를 참고하면,
N - 벨트 허브로드
Rl - 부싱(50)에 대한 반작용
R2 - 부싱(52)에 대한 반작용
R3 - 부싱(51)에 대한 반작용
a - N과 Rl 사이의 거리
b - N과 R2/R3 사이의 거리
rl - 부싱(50)의 반경
r2 - 부싱(52)의 반경
r3 - 부싱(51)의 반경
ml - 부싱(50)의 마찰계수
m2 - 부싱(52)의 마찰계수
m3 - 부싱(51)의 마찰계수
T1 - 부싱(50)에 대한 마찰 토크
T2 - 부싱(52)에 대한 마찰 토크
T3 - 부싱(51)에 대한 마찰 토크
마찰 토크는 마찰면의 형상(a 및 b), 반경(r1, r2, r3) 및 마찰계수(ml, m2, m3)에 기초하여 계산될 수 있다 : T=R*r*m(각각의 부싱의 경우). 예컨대 위에서,
rl = 12 mm
r2 = 23 mm
r3 = 10 mm
ml = m2 = m3 = 0.15
a = 15 mm, b = 22mm
N=1000 N이라고 가정하면,
Rl = N*b/(a+b) = 595 N
R2 = R3 = N*a/(a+b)= 405 N
이어서 각각의 부싱에 대한 마찰 토크를 계산할 수 있다:
Tl = 1.07 Nm
T2 = 1.39 Nm
T3 = 0.6 Nm
본 발명의 디바이스는, 아이솔레이션 중에 그리고 오버러닝(over running) 중에는 부싱(50)을, 아이솔레이션만을 위해서는 부싱(52)을, 그리고 오버러닝만을 위해서는 부싱(51)을 사용한다. "아이솔레이션"은, 디바이스가 얼터네이너와 같은 연결된 부속품에 토크를 전달하고 있는 경우를 일컫는다. "오버러닝"은, 엔진이 감속하고, 그 결과로 얼터네이터와 같은 부속품의 회전 속도가 일시적으로 디바이스의 회전 속도를 초과하는 경우를 일컫는다. 아이솔레이션에 있어서는 더 높은 댐핑 또는 내부 마찰을 그리고 오버러닝에 대해서는 더 낮은 댐핑 또는 내부 마찰을 갖는 것이 유익하다. 아이솔레이션 중에 총 마찰 토크는:
Tis = T1 + T2 = 2.46 Nm
이고, 오버러닝 중에는
Tov = T1 + T3 = 1.67 Nm
이것은, 오버러닝 중의 토크가 아이솔레이션 중의 토크보다 약 32 % 더 작다는 것을 의미하며, 이것은 중요하다.
본 발명의 다른 양태는 부싱(52, 51)에 대한 PV(압력/속도) 로드(load)의 감소이다. 2개의 부싱(51, 52) 모두는 폭이 대략 5 mm 내지 8 mm로 작다. 오버러닝 중에 작동하는 부싱(52)은 과열과 조기 마모에 이를 수 있다. 오버러닝 중에 부싱(52)의 표면에 대한 속도는 10.9 m/s에 도달할 수 있다(오버러닝 속도는 4750 rpm에 도달할 수 있다). 부싱(51)이 오버러닝 중에 작동할 때, 이 수치는 절반보다 작은, 즉 4. 74 m/s이다. 이에 따라, 마모 및 내구성 감소에 있어서 속도가 더 중요하다.
얼터네이터의 정격 피크 토크가 엔진의 시동 시에 관찰되는 피크 토크보다 작다는 것도 또한 알려져 있다. 예컨대, 전형적인 자동차 얼터네이터는 엔진 시동 중에 12 Nm의 정격 피크 토크, 0.0030 kg·m2의 관성 및 8,400 rad/s2의 얼터네이터에서의 가속율을 가질 것이다. 엔진 시동 시에 수학식 1을 사용하여, 디바이스는 25.2 Nm의 토크를 취급할 수 있어야만 하지만, 모든 다른 작동 조건 중에 그러한 높은 토크는 보이지 않을 것이다.
수학식 1 : T = Iα
T = 토크
I = 얼터네이터 관성
α= 가속율
T = (0.0030) * 8400 = 25.2 Nm
토션 스프링(20)을 최적화하기 위해서는, 시동 중에 실현될 수 있고 풀리(10)에서 아이솔레이팅 토션 스프링(20)으로 전달될 수 있는 것과 같은 과량의 토크를 방지하는 오버로드 피쳐(overload feature)를 갖는 것이 유익하다. 토션 스프링(20)에 인가되는 과량의 토크는 토션 스프링(20)에 과응력을 주어, 조기 파손을 유발할 수 있다. 본 발명의 디바이스는, 풀리(10)가 예정된 레벨을 초과하는 토크를 전달하려고 할 때에 오버로드 피쳐가 작동되도록 하는 방식으로 구성된다.
랩 스프링 일방향 클러치는 알려져 있다. 랩 스프링 일방향 클러치는 랩 스프링에서의 장력에 의해 작동되어, 랩 스프링이 샤프트 주위에서 감김 방향으로 조여지도록 한다. 장력은 랩 스프링과 샤프트 사이에 수직력을 형성한다. 수직력은 랩 스프링과 샤프트 간의 마찰을 생성하고, 이것은 샤프트로의 토크 전달을 가능하게 한다. 랩 스프링에서의 장력을 해제하는 것은 수직력을 감소시키거나 제거하고, 이에 따라 클러치 기능으로서 랩 스프링을 약화시키거나 해제한다.
본 발명의 디바이스에 있는 풀리(10)는 랩 스프링 일방향 클러치(40)의 단부(42)와 맞물리는 맞물림면(11)을 포함한다. 풀리(10)는 단부(42)와 접촉함으로써 랩 스프링 일방향 클러치와 맞물리고, 그렇게 함으로써 랩 스프링 일방향 클러치(40)가 샤프트(10)로부터 풀린다. 이러한 풀림의 결과로, 랩 스프링 일방향 클러치(40)에서의 장력이 감소하며, 이것은 샤프트 표면(72)으로부터의 랩 스프링 일방향 클러치의 해제를 초래한다.
도 3은 도 2의 상세도이다. 전술한 오버로드 피쳐는 랩 스프링 일방향 클러치(40)를 해제하여, 랩 스프링 일방향 클러치가 샤프트 표면(72) 상에서 슬립하게 하며, 이는 수학식 1로부터의 얼터네이터 관성을 효과적으로 제거하고, 이에 따라 전달되는 토크를 감소시키고, 또한 과량의 토크에 대한 토션 스프링(20)의 노출을 제거한다. 맞물림면(72)으로부터 랩 스프링 일방향 클러치(40)의 분리는, 예정된 토크에서 아이솔레이팅 토션 스프링(20)의 편향에 의해, 맞물림면의 페이스(11)가 스프링 단부(42)에 맞물리기에 충분한 양으로 풀리(10)가 회전할 때에 발생한다. 풀리(10)는 이에 따라 랩 스프링 풀림 방향으로 랩 스프링 일방향 클러치 단부(42)와 일시적으로 맞물릴 수 있으며, 이것은 랩 스프링 일방향 클러치(40)의 내경을 일시적으로 확대시킨다. 풀리(10)와의 일시적인 접촉에 의해 유발되는 이러한 확대는 샤프트 표면(72)으로부터의 랩 스프링 일방향 클러치(40)의 마찰식 맞물림을 부분적으로 또는 완전히 해제하며, 이에 따라 샤프트가 슬립하도록 하고, 이에 의해 랩 스프링 일방향 클러치에 대해 회전하게 된다.
아이솔레이팅 토션 스프링(20)은, 풀림 방향으로 로딩되도록 설치된다. 스프링(20)의 단부(21)는 풀리(10)의 표면(13)과 맞물린다. 토션 스프링(20)은, 내경 상에서, 2개의 결합 부분, 즉 풀리(10)의 내면(12)과 스프링 캐리어(30)의 내면(31) 각각과 억지 끼워맞춤되도록 구성된다. 이러한 억지 끼워맞춤은, 샤프트(70, 71)가 차량 변속기 변속 등 동안에 풀리(10)를 오버러닝시키는 조건 중에 이들 구성요소의 회전 위치를 유지한다.
상시 로딩 중에 아이솔레이팅 토션 스프링(20)은 토션 힘을 풀리에서 스프링 캐리어로 전달한다. 토션 스프링(20)과 풀리(10) 및 스프링 캐리어(30) 간의 접촉을 유지하는 것은 이들 구성요소의 분리를 방지하고, 이에 따라 상시 구동 기능이, 오버런 조건이 발생한 후에 이들 구성요소를 다시 함께 접촉시키도록 작동할 때에 관련된 가능한 소음 발생을 제거한다. 이러한 억지 끼워맞춤은 오버런 조건 동안에 아이솔레이팅 토션 스프링(20)이 다소 랩 스프링 일방향 클러치와 같이 작동하도록 하며, 이것은 적절한 구성요소 접촉을 유지한다.
여기에서는 본 발명의 양태를 설명하였지만, 여기에서 설명한 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나는 일 없이 부품들의 구성 및 관계에 있어서 변형이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (7)

  1. 아이솔레이터 디커플러(isolator decoupler)로서,
    샤프트;
    저마찰 부싱 상에서 샤프트에 저널링(journalling)되는 스프링 캐리어;
    저마찰 부싱 상에서 샤프트에 저널링되고, 저마찰 부싱 상에서 스프링 캐리어에 저널링되는 풀리;
    풀리와 스프링 캐리어 사이에 커플링되는 토션 스프링; 및
    샤프트와 마찰식으로 맞물리고, 스프링 캐리어에 커플링되는 일방향 클러치 스프링
    을 포함하고, 상기 일방향 클러치 스프링은 토션 스프링의 반경방향 내측에 배치되고,
    상기 풀리는 일방향 클러치 스프링의 단부와 일시적으로 맞물릴 수 있고, 이에 따라 일방향 클러치 스프링의 내경이 일시적으로 확대되어, 일방향 클러치 스프링과 샤프트 표면의 마찰식 맞물림이 일시적으로 저감되는 것인 아이솔레이터 디커플러.
  2. 제1항에 있어서, 상기 토션 스프링은 풀림(unwinding) 방향으로 로딩(loading)되는 것인 아이솔레이터 디커플러.
  3. 아이솔레이터 디커플러로서,
    샤프트;
    스프링 캐리어;
    저마찰 부싱 상에서 스프링 캐리어와 샤프트에 저널링되는 풀리;
    풀리와 스프링 캐리어 사이에 커플링되는 토션 스프링; 및
    샤프트 둘레를 감싸고, 마찰식 맞물림부를 지니며, 스프링 캐리어에 커플링되는 랩 스프링 일방향 클러치
    를 포함하고, 랩 스프링 일방향 클러치는 토션 스프링의 반경방향 내측에 배치되며,
    풀리는 풀림 방향으로 랩 스프링 일방향 클러치의 단부와 일시적으로 맞물릴 수 있고, 이에 의해 랩 스프링 일방향 클러치의 내경이 일시적으로 확대되어, 랩 스프링 일방향 클러치 단부와 풀리의 일시적인 접촉이 샤프트 표면으로부터 랩 스프링 일방향 클러치의 마찰식 맞물림을 일시적으로 해제할 수 있는 것인 아이솔레이터 디커플러.
  4. 제3항에 있어서, 상기 토션 스프링은 풀림 방향으로 로딩되는 것인 아이솔레이터 디커플러.
  5. 아이솔레이터 디커플러로서,
    샤프트;
    저마찰 부싱 상에서 샤프트에 저널링되는 스프링 캐리어;
    샤프트에 저널링되고, 또한 저마찰 부싱 상에서 스프링 캐리어에 저널링되는 풀리;
    풀리와 스프링 캐리어 사이에 커플링되는 토션 스프링; 및
    스프링 캐리어에 커플링되고, 샤프트에 마찰식으로 맞물리는 일방향 클러치 스프링
    을 포함하고,
    상기 일방향 클러치 스프링은 토션 스프링의 반경방향 내측에 배치되며,
    상기 풀리는 풀림 방향으로 일방향 클러치 스프링의 단부와 일시적으로 맞물릴 수 있고, 이에 의해 일방향 클러치 스프링의 내경이 일시적으로 확대되어, 일방향 클러치 스프링의 단부와 풀리 간의 일시적인 접촉이 일방향 클러치 스프링과 샤프트 표면의 마찰식 맞물림을 일시적으로 저감시키는 것인 아이솔레이터 디커플러.
  6. 제5항에 있어서, 상기 토션 스프링은 풀림 방향으로 로딩되는 것인 아이솔레이터 디커플러.
  7. 제5항에 있어서, 상기 풀리는 베어링 상에서 샤프트에 저널링되는 것인 아이솔레이터 디커플러.
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