KR20190065579A - 스플라인 축이음 - Google Patents

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    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D1/00—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements
    • F16D1/10—Quick-acting couplings in which the parts are connected by simply bringing them together axially
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Abstract

스플라인 축이음이 개시된다. 개시된 스플라인 축이음은, 수형 스플라인 패턴이 형성된 외주면을 갖는 스플라인 돌기, 수형 스플라인 패턴에 치합되는 제1 암형 스플라인 패턴이 형성된 내주면을 갖는 스플라인 보스, 및 스플라인 보스의 내주면의 일 부분에 고정된 링 형상의 부재로서, 고무 소재로 형성되며 스플라인 돌기의 수형 스플라인 패턴에 치합되는 제2 암형 스플라인 패턴이 형성된 스플라인 고무를 구비한 댐퍼를 구비한다. 스플라인 보스에 스플라인 돌기가 끼워지면 스플라인 보스의 길이 방향을 따라 수형 스플라인 패턴의 일 부분은 제1 암형 스플라인 패턴에 치합되고, 수형 스프라인 패턴의 나머지 부분은 제2 암형 스플라인 패턴에 치합된다.

Description

스플라인 축이음{Splined shaft coupling}
본 발명은 동축(同軸) 선상에서 회전 속도의 변화 없이 회전력을 전달하는 스플라인 축이음에 관한 것이다.
회전 동력이 전달되도록 샤프트(shaft)와 샤프트를 연결하는 기계 요소를 축이음이라고 한다. 여러 종류의 축이음 중에서 동축(同軸) 선상에서 회전 속도의 변화 없이 회전력을 전달하는 축이음으로 스플라인 축이음이 있다. 스플라인 축이음은, 수형 스플라인 패턴(male spline pattern)이 형성된 외주면을 갖는 스플라인 돌기와, 상기 수형 스플라인 패턴에 치합되는 암형 스플라인 패턴(female spline pattern)이 형성된 내주면을 갖는 스플라인 보스(boss)를 구비한다. 상기 스플라인 보스에 상기 스프라인 돌기를 끼워 넣어 양 부재를 체결하는 것만으로 조립이 완료되므로, 조립이 용이하고, 큰 회전력(torque)과 회전 동력을 전달할 수 있는 장점이 있어 자동차 또는 공작기계에 사용되고 있다.
그런데, 통상적인 스플라인 축이음은 수형 스플라인 패턴의 스플라인 키(key)와 암형 스플라인 패턴의 스플라인 키가 부딪치면서 '치타음(rattle)'이라는 큰 소음을 발생시키는 문제가 있다. 또한, 스플라인 돌기 또는 스플라인 보스가 회전의 중심이 되는 축 방향으로 유동하는 것을 방지하기 위하여 스페이서(spacer)나 와셔(washer) 등의 유동 방지 부재를 상기 스플라인 돌기와 스플라인 보스 사이에 개재해야 할 수도 있어, 조립 작업이 지연되고 비용이 더 추가될 수도 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0073459호
본 발명은, 동축 선상에서 회전력을 전달하는데 사용되는 스플라인 축이음으로서, 수형 스플라인 패턴과 암형 스플라인 패턴의 스플라인 키(key) 간의 충돌로 인한 치타음이 억제되는 스플라인 축이음을 제공한다.
본 발명은, 수형 스플라인 패턴(male spline pattern)이 형성된 외주면을 갖는 스플라인 돌기, 상기 수형 스플라인 패턴에 치합되는 제1 암형 스플라인 패턴(female spline pattern)이 형성된 내주면을 갖는 스플라인 보스(boss), 및 상기 스플라인 보스의 내주면의 일 부분에 고정된 링(ring) 형상의 부재로서, 고무 소재로 형성되며 상기 스플라인 돌기의 수형 스플라인 패턴에 치합되는 제2 암형 스플라인 패턴이 형성된 스플라인 고무를 구비한 댐퍼(damper)를 구비하고, 상기 스플라인 보스에 상기 스플라인 돌기가 끼워지면 상기 스플라인 보스의 길이 방향을 따라 상기 수형 스플라인 패턴의 일 부분은 상기 제1 암형 스플라인 패턴에 치합되고, 상기 수형 스프라인 패턴의 나머지 부분은 상기 제2 암형 스플라인 패턴에 치합되는 스플라인 축이음을 제공한다.
상기 댐퍼는 링(ring) 형태의 강체 프레임(frame)을 더 구비하고, 상기 스플라인 고무가 상기 강체 프레임의 내주면에 일체로 결합되어 지지될 수 있다.
상기 스플라인 보스는 자신의 말단부에 상기 제1 암형 스플라인 패턴과 단차지고 단면이 원형인 원형 내주면을 구비하고, 상기 강체 프레임이 상기 원형 내주면에 압입됨으로써 상기 댐퍼가 상기 스플라인 보스에 고정될 수 있다.
상기 수형 스플라인 패턴은 상기 스플라인 돌기의 중심 축선에서 방사 방향으로 돌출된 다수의 수형 스플라인 키(key)를 구비하고, 상기 제2 암형 스플라인 패턴은 상기 스플라인 보스의 중심 축선을 향해 돌출된 다수의 암형 스플라인 키를 구비하고, 상기 스플라인 보스에 상기 스플라인 돌기가 끼워지면 상기 수형 스플라인 키의 측면에 상기 암형 스플라인 키의 측면이 탄성 밀착될 수 있다.
상기 스플라인 고무의 고무 소재는 불소 고무(FKM: fluoroelastomer)일 수 있다.
본 발명의 스플라인 축이음은, 스플라인 돌기가 스플라인 보스에 끼워지면 댐퍼의 암형 스플라인 키가 스플라인 돌기의 수형 스플라인 키에 탄성 밀착된다. 따라서, 강체(rigid body)인 상기 수형 스플라인 키와 강체인 스플라인 보스의 암형 스플라인 키의 충돌로 인한 충격이 완화되어서, 그로 인한 치타음(rattle)이 억제된다. 또한, 상기 강체 간의 강한 충돌의 피로가 누적되어 발생하는 축이음 파손이 억제되므로 내구성이 향상된다.
또한, 고무 소재인 댐퍼의 암형 스플라인 키가 스플라인 돌기의 수형 스플라인 키에 밀착되므로, 고무의 마찰에 의해 스플라인 돌기나 스플라인 보스의 축 방향 유동이 억제된다. 즉, 스플라인 돌기와 스플라인 보스의 축 방향 유동을 막기 위해 스페이서나 와셔 등의 유동 방지 부재를 추가 조립하지 않아도 되므로, 조립 작업 생산성이 향상되고, 비용이 절감된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스플라인 축이음의 사시도이다.
도 2는 도 1의 스플라인 축이음의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1을 III-III에 따라 절개하여 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1을 IV-IV에 따라 절개하여 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 스플라인 축이음을 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스플라인 축이음의 사시도이고, 도 2는 도 1의 스플라인 축이음의 분해 사시도이고, 도 3은 도 1을 III-III에 따라 절개하여 도시한 단면도이며, 도 4는 도 1을 IV-IV에 따라 절개하여 도시한 단면도이다. 도 1 내지 도 4를 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스플라인 축이음(10)은 스플라인 돌기(11)와, 스플라인 보스(boss)(20)와, 댐퍼(damper)(30)를 구비한다. 스플라인 돌기(11)는 수형 스플라인 패턴(male spline pattern)(13)이 형성된 외주면을 가지며, Z축과 평행한 가상의 중심 축선(RC)을 따라 연장된다. 스플라인 돌기(11)의 길이 방향 일 측 말단에는 상기 스플라인 돌기(11)의 외주면보다 직경이 확장된 플랜지(flange)(18)가 일체로 형성되어 있다. 스플라인 돌기(11)와 플랜지(18)는 강체(rigid body)로서, 예컨대, 금속과 같은 소재로 형성된다. 도면에 명확히 도시되진 않았으나, 상기 스플라인 돌기(11)와 플랜지(18)는 자동차나 공작기계에 구비된 샤프트(shaft)의 말단에 구비될 수 있다.
수형 스플라인 패턴(13)은 상기 중심 축선(RC)에서 방사 방향(radial direction)으로 돌출된 다수의 수형 스플라인 키(key)(14)를 구비한다. 상기 다수의 수형 스플라인 키(14)는 상기 중심 축선(RC)과 평행하게 연장되고, 상기 중심 축선(RC)에 대해 등각도 간격으로 이격되게 배열된다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 다수의 수형 스플라인 키(14)의 단면 형상은 사다리꼴 형상이고, 크기는 서로 같다. 인접한 수형 스플라인 키(14) 사이에는 상기 중심 축선(RC)과 평행한 방향으로 연장되게 파여진 수형 스플라인 그루브(groove)(15)가 형성된다.
스플라인 보스(20)는 중공(中孔)(21)이 형성되고, Z축과 평행한 중심 축선(RC)을 따라 연장된 파이프(pipe) 형상의 부재로서, 상기 수형 스플라인 패턴(13)에 치합되는 제1 암형 스플라인 패턴(female spline pattern)(22)이 형성된 내주면을 갖는다. 상기 스플라인 돌기(11)와 스플라인 보스(20)는 동축(同軸) 체결되므로, 스플라인 돌기(11)와 스플라인 보스(20)의 중심 축선(RC)은 서로 같다.
상기 제1 암형 스플라인 패턴(22)은 스플라인 보스(20)의 내주면 전체 영역에 형성되어 있는 것은 아니며, 스플라인 보스(20)의 말단부에는 상기 제1 암형 스플라인 패턴(22)과 단차지고 단면이 원형인 원형 내주면(28)이 구비된다. 상기 원형 내주면(28)에는 상기 댐퍼(30)가 탑재된다. 스플라인 보스(20)는 강체(rigid body)로서, 예컨대, 금속과 같은 소재로 형성된다. 도면에 명확히 도시되진 않았으나, 상기 스플라인 보스(20)는 상기 스플라인 돌기(11)가 구비된 샤프트에 연결되는 샤프트의 말단에 구비될 수 있다.
제1 암형 스플라인 패턴(22)은 상기 중심 축선(RC)을 향해 집중되는 방향으로 돌출된 다수의 제1 암형 스플라인 키(23)를 구비한다. 상기 다수의 제1 암형 스플라인 키(23)는 상기 중심 축선(RC)과 평행하게 연장되고, 상기 중심 축선(RC)에 대해 등각도 간격으로 이격되게 배열된다. 상기 제1 암형 스플라인 키(23)의 개수는 상기 수형 스플라인 키(14)의 개수와 같다. 도 4에 도시된 바와 같이 다수의 제1 암형 스플라인 키(23)의 단면 형상은 사다리꼴 형상이고, 크기는 서로 같다. 인접한 제1 암형 스플라인 키(23) 사이에는 상기 중심 축선(RC)과 평행한 방향으로 연장되게 파여진 제1 암형 스플라인 그루브(24)가 형성된다.
댐퍼(30)는 링(ring) 형태의 강체 프레임(frame)(31)과, 상기 강체 프레임(31)의 내주면에 일체로 결합되어 지지된 스플라인 고무(33)를 구비한다. 상기 강체 프레임(31)은 예컨대, 금속과 같은 소재로 형성된다. 강체 프레임(31)은 스플라인 고무(33)가 일그러지지 않고 형상이 유지되도록 지지해준다. 상기 댐퍼(30)는, 금형(미도시) 내에 강체 프레임(31)을 삽입 배치하고, 고무의 재료를 투입하고, 상기 금형 내에서 가류(加硫)하여 형성할 수 있다. 가류 과정에서 상기 스플라인 고무(33)와 강체 프레임(31) 간의 접합력을 향상하기 위하여 스플라인 고무(33)와 접합되는 강체 프레임(31)의 내주면에 접착제가 도포될 수 있다. 상기 강체 프레임(31)이 스플라인 보스(20)의 원형 내주면(28)에 압입됨으로써 댐퍼(30)가 스플라인 보스(20)에 고정된다. 이처럼, 강체 프레임(31)은 댐퍼(30)를 스플라인 보스(20)에 용이하게 설치할 수 있도록 해준다.
스플라인 고무(33)는 고무 소재로 형성되며, 상기 수형 스플라인 패턴(13)에 치합되는 제2 암형 스플라인 패턴(34)이 형성된 내주면을 갖는다. 제2 암형 스플라인 패턴(34)은 상기 중심 축선(RC)을 향해 집중되는 방향으로 돌출된 다수의 제2 암형 스플라인 키(35)를 구비한다. 상기 다수의 제2 암형 스플라인 키(35)는 상기 중심 축선(RC)과 평행하게 연장되고, 상기 중심 축선(RC)에 대해 등각도 간격으로 이격되게 배열된다. 상기 제2 암형 스플라인 키(35)의 개수는 상기 수형 스플라인 키(14)의 개수와 같다. 도 3에 도시된 바와 같이 다수의 제2 암형 스플라인 키(35)의 단면 형상은 사다리꼴 형상이고, 크기는 서로 같다. 인접한 제2 암형 스플라인 키(35) 사이에는 상기 중심 축선(RC)과 평행한 방향으로 연장되게 파여진 제2 암형 스플라인 그루브(36)가 형성된다. 제1 암형 스플라인 키(23)와 제2 암형 스플라인 키(35)가 어긋나지 않고 일직선을 따라 정렬되도록 댐퍼(30)가 스플라인 보스(20)에 고정 설치된다.
스플라인 돌기(11)는 도 1에 도시된 바와 같이 플랜지(18)에 스플라인 보스(20)의 말단이 걸려 더 이상 삽입될 수 없는 때까지 스플라인 보스(20)에 끼워질 수 있다. 이와 같이 스플라인 보스(20)에 스플라인 돌기(11)가 끼워지면 스플라인 보스(20)의 길이 방향을 따라 상기 수형 스플라인 패턴(13)의 일 부분은 상기 제1 암형 스플라인 패턴(22)에 치합되고(도 4 참조), 상기 수형 스플라인 패턴(13)의 나머지 부분은 상기 제2 암형 스플라인 패턴(34)에 치합된다(도 3 참조). 즉, 플랜지(18)와 상대적으로 가까운 수형 스플라인 패턴(13)의 부분은 제2 암형 스플라인 패턴(34)에 치합되고, 플랜지(18)와 상대적으로 먼 수형 스플라인 패턴(13)의 부분은 제1 암형 스플라인 패턴(22)에 치합된다.
도 4의 확대된 부분을 통해 보여지는 바와 같이, 스플라인 돌기(11)가 스플라인 보스(20)에 끼워진 상태에서 상기 수형 스플라인 키(14)의 측면(14s)과 상기 제1 암형 스플라인 키(23)의 측면(23s) 사이에는 유격(裕隔)이 존재할 수 있다. 그러나, 도 3의 확대된 부분을 통해 보여지는 바와 같이, 상기 수형 스플라인 키(14)의 측면(14s)과 상기 제2 암형 스플라인 키(35)의 측면(35s) 사이에는 유격이 존재하지 않는다. 왜냐하면, 제2 암형 스플라인 키(35)의 양 측면(35s) 사이의 폭이 수형 스플라인 그루브(15)의 폭, 즉 인접한 수형 스플라인 키(14)의 마주보는 측면(14s) 사이의 간격보다 약간 큰데, 수형 스플라인 패턴(13)과 제2 암형 스플라인 패턴(34)이 치합되면서 상기 제2 암형 스플라인 키(35)가 탄성 수축하여 상기 제2 암형 스플라인 키(35)의 측면(35s)이 상기 수형 스플라인 키(14)의 측면(14s)에 빈틈없이 탄성 밀착되기 때문이다. 도 3의 확대된 부분에서 이점 쇄선은 탄성 수축되지 않은 상태의 제2 암형 스플라인 키(35)의 아웃라인(outline)을 가리킨다.
이와 같은 구성으로, 스플라인 보스가 스플라인 돌기에 종동 회전하는 경우나 그 반대의 경우에, 댐퍼(30)의 스플라인 고무(33)가 강체(rigid body)인 스플라인 돌기(11)와 강체인 스플라인 보스(20) 사이를 완충시켜준다. 부연하면, 상기 수형 스플라인 키(14)와 제1 암형 스플라인 키(23)의 유격에 불구하고, 상기 수형 스플라인 키(14)와 제1 암형 스플라인 키(23)의 충돌로 인한 충격이 약화되고, 상기 충돌로 인한 치타음(rattle)이 억제된다. 또한, 상기 강체 간의 강한 충돌의 피로가 누적됨으로 인한 스플라인 축이음(10)의 파손이 억제되고 내구성이 향상된다.
또한, 고무 소재인 제2 암형 스플라인 키(35)의 측면(35s)이 수형 스플라인 키(14)의 측면(14s)에 밀착되므로, 고무의 마찰에 의해 스플라인 돌기(11)나 스플라인 보스(20)의 중심 축선(RC) 방향 유동이 억제된다. 즉, 스플라인 축이음(10)을 통한 회전력 전달 과정에서 중심 축선(RC)과 평행한 방향으로 큰 하중이 가해지지 않는 한, 스플라인 돌기(11)나 스플라인 보스(20)가 중심 축선(RC) 방향으로 움직이거나 진동하지 않는다. 따라서, 스플라인 돌기(11)와 스플라인 보스(20)의 축 방향 유동을 막기 위해 스페이서나 와셔 등의 유동 방지 부재를 추가 조립하지 않아도 되므로, 조립 작업 생산성이 향상되고, 비용이 절감된다.
상기 스플라인 고무(33)의 고무 소재는 성형성이 우수한 것이면 제한 없이 적용 가능하다. 성형성이 우수한 고무로서 아크릴 고무가 많은 분야에 적용되고 있으나, 불소 고무(FKM: fluoroelastomer)가 고온 환경에서 압축 영구 변형율이 아크릴 고무보다 우수하여 더욱 바람직하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 스플라인 축이음 11: 스플라인 돌기
13: 수형 스플라인 패턴 20: 스플라인 보스
22: 제1 암형 스플라인 패턴 28: 원형 내주면
30: 댐퍼 31: 강체 프레임
33: 스플라인 고무 34: 제2 암형 스플라인 패턴

Claims (5)

  1. 수형 스플라인 패턴(male spline pattern)이 형성된 외주면을 갖는 스플라인 돌기; 상기 수형 스플라인 패턴에 치합되는 제1 암형 스플라인 패턴(female spline pattern)이 형성된 내주면을 갖는 스플라인 보스(boss); 및, 상기 스플라인 보스의 내주면의 일 부분에 고정된 링(ring) 형상의 부재로서, 고무 소재로 형성되며 상기 스플라인 돌기의 수형 스플라인 패턴에 치합되는 제2 암형 스플라인 패턴이 형성된 스플라인 고무를 구비한 댐퍼(damper);를 구비하고,
    상기 스플라인 보스에 상기 스플라인 돌기가 끼워지면 상기 스플라인 보스의 길이 방향을 따라 상기 수형 스플라인 패턴의 일 부분은 상기 제1 암형 스플라인 패턴에 치합되고, 상기 수형 스프라인 패턴의 나머지 부분은 상기 제2 암형 스플라인 패턴에 치합되는 것을 특징으로 하는 스플라인 축이음.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 댐퍼는 링(ring) 형태의 강체 프레임(frame)을 더 구비하고,
    상기 스플라인 고무가 상기 강체 프레임의 내주면에 일체로 결합되어 지지되는 것을 특징으로 하는 스플라인 축이음.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 스플라인 보스는 자신의 말단부에 상기 제1 암형 스플라인 패턴과 단차지고 단면이 원형인 원형 내주면을 구비하고,
    상기 강체 프레임이 상기 원형 내주면에 압입됨으로써 상기 댐퍼가 상기 스플라인 보스에 고정되는 것을 특징으로 하는 스플라인 축이음.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 수형 스플라인 패턴은 상기 스플라인 돌기의 중심 축선에서 방사 방향으로 돌출된 다수의 수형 스플라인 키(key)를 구비하고,
    상기 제2 암형 스플라인 패턴은 상기 스플라인 보스의 중심 축선을 향해 돌출된 다수의 암형 스플라인 키를 구비하고,
    상기 스플라인 보스에 상기 스플라인 돌기가 끼워지면 상기 수형 스플라인 키의 측면에 상기 암형 스플라인 키의 측면이 탄성 밀착되는 것을 특징으로 하는 스플라인 축이음.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 스플라인 고무의 고무 소재는 불소 고무(FKM: fluoroelastomer)인 것을 특징으로 하는 스플라인 축이음.
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