KR100254254B1 - 레버회동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레버를 회동시키기 위한 레버 회동장치에 관한 것으로서, 본 발명의레버 회동장치는, 지면에 대해 수직인 면을 따라 회동가능하게 결합된 레버를 구동하는 경우에, 그 레버의 자중에 의한 불균형모멘트를 상쇄할 수 있는 수단을 구비하여, 레버의 각도에 관계없이 일정한 구동동력으로 레버를 균일한 속도로 회동시킬 수 있다.

Description

레버 회동장치

도 1은 종래 레버 회동장치의 일 예의 개략적 구조도.

도 2는 도 1에 도시된 레버에 작용하는 불균형모멘트를 설명하기 위한 설명도.

도 3은 본 발명에 따른 레버 회동장치의 일 예의 개략적 구조도.

도 4는 도 3에 도시된 레버에 작용하는 불균형모멘트 및 이를 상쇄하는 모멘트를 설명하기 위한 설명도.

도 5는 도 4에서 레버 회동중심 부위를 발췌한 확대도.

도 6는 도 3에 도시된 가스스프링의 내부구조를 나타내 보이는 개략적 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 레버 11 : 회동중심

30 : 액튜에이터 20 : 가스스프링

41 : 로드 42,43 : 공간부

44 : 피스톤 45 : 몸체

본 발명은 레버를 회동시키기 위한 레버 회동장치에 관한 것으로서, 특히 지면(地面)에 대해 수직인 면을 따라 회동하도록 된 레버의 자중으로 인한 불균형모멘트를 상쇄할 수 있도록 구조가 개선된 레버 회동장치에 관한 것이다.

회동 가능하게 설치된 레버를 구동함으로써 소정의 출력을 얻도록 된 레버 회동장치는 각종 메카니즘에 널리 사용된다. 이러한 레버 회동장치의 일 예로서, 지면에 대해 수직인 면을 따라 회동 가능하게 설치된 레버를 구동하기 위한 장치가 도 1에 구조적으로 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 고정체(2)가 지면(G)에 대해 수직하게 설치되어 있으며, 이 고정체(2)에는 레버(1)가 지면(G)에 대해 수직인 면을 따라 회동 가능하도록 힌지(1a)에 의해 결합되어 있다. 그리고, 이 레버(1)를 회동시키기 위한 액튜에이터로서 유압실린더(3)가 고정체(2)에 설치되어 있으며, 유압실린더(3)의 로드(3a)는 레버(1)의 일측에 힌지결합되어 있다. 이 유압실린더(3)의 작동에 의해 레버(1)가 실선으로 도시된 바와같이 지면에 나란한 위치와 가상선으로 도시된 바와 같이 지면에 대해 수직을 이루는 위치 사이에서 회동하게 된다.

한편, 도 1에서 레버(1)를 발췌하여 도시한 도 2를 참조하면서 레버(1)의 자중에 의해 작용하는 모멘트에 대해 살펴보면 다음과 같다.

여기에서, M은 레버(1)의 자중에 의해 작용하는 모멘트, mg는 레버(1)의 자중, Rg는 레버(1)의 회동중심(1a)으로부터 레버(1)의 무게중심(1b)까지의 거리, θ는 레버(1)가 지면과 이루는 각도이다.

식(1)에 나타난 바와 같이, 레버(1)의 자중에 의한 모멘트(M)는 도면에 있어서 시계방향으로 작용하며 레버(1)와 지면과의 각도(θ)에 의해 그 크기가 달라지는 불균형모멘트이다. 즉, 레버(1)의 자중에 의한 모멘트(M)는 레버(1)가 지면에 대해 나란하게 위치하는 경우에 가장 크고, 레버(1)의 자유단부가 지면에 대해 수직하방으로 위치하는 경우에 "0"이 되므로 가장 작다.

이에 따라 레버(1)를 도면에 있어서 반시계방향으로 구동하는 경우에는 상기 불균형모멘트(M)에 의해 구동저항이 발생하여 큰 구동동력이 요구되며, 반대로 레버(1)를 시계방향으로 구동하는 경우에는 상기 모멘트(M)의 영향에 의해 반시계방향으로 구동하는 경우에 비하여 상대적으로 작은 동력으로도 구동이 가능하다. 또한, 상술한 경우들에 있어서, 레버(1)의 회동에 필요한 구동력의 크기는 레버(1)가 지면과 이루는 각도 즉, 레버(10)의 회동각도에 따라 달라짐을 알 수 있다.

이처럼 레버(1)의 회동각도 및 회동방향에 따라 레버(1)의 회동에 필요한 구동동력의 크기가 변하게 되므로, 유압실린더(3)의 추력이 일정한 경우에는 레버(1)의 회동속도가 달라지게 된다. 즉, 레버(1)가 반시계방향으로 회동하는 경우에는 그 회동속도가 속도가 저하되며, 시계방향으로 회동하는 경우에는 그 속도가 증대되게 되어 레버(1)의 균일한 회동동작이 이루어지지 않는다는 문제점이 있었다. 한편, 상기 불균형 모멘트(M)의 영햐을 감안하여, 레버의 회동방향 및 각도에 따라 유압 실린더(3)의 작용력의 크기를 변화시키는 방법도 고려될 수 있으나, 이러한 경우 그 메카니즘이 상당히 복잡해지게 되어 그에 따르는 비용이 대폭 증대된다는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 레버의 자중에 의한 불균형모멘트가 상쇄되어 레버의 회동방향 및 각도에 관계없이 일정한 구동동력에 의해 레버가 균일하게 구동될 수 있도록 구조 개선된 레버 회동장치를 제공함에 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 다른 레버 회동장치는 지면에 대해 수직인 면을 따라 회동 가능하게 설치된 레버와, 이 레버의 구동을 위한 액튜에이터를 구비하여 된 것에 있어서, 상기 레버의 자중에 의해 작용하며 그 레버의 회동각도에 따라 크기가 달라지는 불균형모멘트를 상쇄하기 위한 불균형모멘트 상쇄수단을 구비하여 된 점에 특징이 있다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3에는 본 발명에 따른 레버 회동장치의 일 예가 개략적으로 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 고정체(20)가 지면(G)에 대해 수직하게 설치되어 있으며, 이 고정체(20)에는 레버(10)가 지면(G)에 대해 수직인 면을 따라 회동 가능하도록 힌지(11)에 의해 결합되어 있다. 또한, 레버(10)를 회동시키기 위한 액튜에이터로서의 유압실린더(30)가 상기 고정체(20)에 설치되어 있으며, 유압실린더(30)의 로드(31)는 레버(10)의 일측에 힌지결합되어 있다.

그리고, 레버(1)의 자중에 의한 불균형모멘트를 상쇄시키기 위한 수단으로서, 상기 고정체(20)에 힌지(49)에 의해 회동 가능하게 결합되고 그 내부에는 소정압력의 유체가 충전된 몸체(45)와, 그 단부가 상기 레버(10)의 회동중심(11)으로부터 이격된 위치에 연결된 로드(41)를 구비하며, 그 로드(31)는 상기 유체의 압력에 의해 한 방향으로 추력을 받도록 된 가스스프링(40)이 마련되어 있다. 기 가스스프링(40)의 로드(41)에 작용하는 추력에 의해 상기 레버(10)의 자중에 의한 불균형 모멘트의 작용방향과 다른 방향으로 작용하는 모멘트를 발생되게 되는데, 먼저, 도 6를 참조하면서 본 발명에 적용된 가스스프링(40)의 내부구조에 대해 살펴보면 다음과 같다.

밀폐된 몸체(45)의 내부 공간부에는 소정의 압력을 갖는 질소가스가 충전되어 있으며, 피스톤(44)이 왕복이동 가능하게 설치되어 있다. 이 피스톤(44)에 의해 몸체(45) 내부의 공간부는, 서로 격리된 제1공간부(42)와 제2공간부(43)로 나뉘게 된다. 일측단부가 몸체(45)의 외부로 돌출된 로드(41)의 타측단부는 상기 제1공간부(42)측에서 피스톤(44)에 연결되어 있다. 또한, 피스톤(44)에는 상기 제1공간부(42)와 제2공간부(43)를 연통시키도록 관통공(441)이 형성되어 있다. 한편, 상기 각 공간부(42, 43)에 충전된 질소가스에 의해 로드(41)는 화살표방향으로 소정의 추력(F)을 받게 된다. 여기에서, 몸체 내부의 질소가스의 압력에 의해, 로드(41)를 몸체(45)에 대해 압입하는 방향으로 작용하는 힘을 F1, 로드(41)를 몸체(45)에 대해 돌출시키는 방향으로 작용하는 힘을 F2라 할때, 로드(41)에 발생되는 상기 추력 F는

가 된다. 단, P₂는 제2공간부(43) 내부의 질소가스의 압력, P₁은 제1공간부(43) 내부의 질소가스의 압력, A₂는 피스톤(44)에 가해지는 제2공간부(43) 내부압력의 작용면적, A₁는 피스톤(44)에 가해지는 제1공간부(42) 내부압력의 작용면적이다.

식(2)에서, 제1공간부(42)와 제2공간부(43)는 관통공(441)에 의해 연통되어 있으므로, 각 공간부(42,43) 내부의 유체의 압력은 서로 동일하다. 즉,

그리고, 피스톤(44)의 단면적을 A_P, 로드(41)의 단면적을 A_R, 관통공(441)의 단면적을 A_H라 할 때,

이므로, 식(2), 식(3), 식(4), 식(5)에서

이 성립하며, 이 식(6)에서, 가스스프링(40)의 로드(41)에 발생되는 추력 F는 몸체(45) 내부에 충전된 가스의 압력과 로드(41)의 단면적과의 곱으로써, 일정한 값을 유지함을 알 수 있다.

이러한 가스스프링(40)을 채용한 본 발명에 따른 레버 회동장치에 있어서, 상기 가스스프링(40)이 레버(10)의 자중에 의한 불균형모멘트를 상쇄하는 과정에 대해 도 4 및 도 4의 요부를 확대 도시한 도 5를 참조하면서 살펴보면 다음과 같다.

도 4에 도시된 바와 같이 레버(10)가 지면에 대해 소정각도(θ) 회동된 상태에서 레버의 자중에 의한 불균형모멘트 M(θ)과, 가스스프링(40)의 추력(F)에 의해 레버(10)에 작용하는 모멘트 Ms(θ)는,

이 되며, 각 모멘트의 방향은 서로 반대이다. 식(8)에서, R_f는 레버(10)의 회동중심(11)으로부터 추력(F)의 작용선까지의 수직거리이며, R은 레버(10)의 회동중심(11)과 추력의 작용점(레버(10)와 로드(41)의 결합중심)까지의 거리이다. 그리고, z는 레버(10)가 소정각도(θ)회전된 상태에서 가스스프링(40)의 회동중심(49)과 레버(10)의 회동중심(11)을 연결하는 가상선과, 가스스프링(40)의 회동중심(49)과 추력(F)의 작용점을 연결하는 가상선과의 사이각이다.

따라서, 레버(10)가 지면과 소정각도(θ)를 이루는 상태에서 레버(10)의 자중에 의한 불균형 모멘트 M(θ)와, 그 시점에서의 가스스프링(40)의 추력에 의한 모멘트 Ms(θ)와, 그 시점에서의 가스스프링(40)의 추력에 의한 모멘트 Ms(θ)가 일치하게 되면, 레버(10)의 자중에 의한 불균형모멘트는 가스스프링(40)의 추력에 의한 모멘트에 의해 완전히 상쇄되게 되는데, 이러한 경우 가스스프링(40)의 추력의 크기는 식(7) 및 식(8)에서

이 된다.

여기에서, 레버(10)의 회동중심(11)과 추력의 작용점까지의 거리(R)를 작게하거나, 가스스프링(40)의 회동중심(49)이 레버(10)의 회동중심(11)으로부터 멀리 위치하도록 하는 등 z를 무시할 수 있을 정도의 작은 각도로 설정하게 되면, 식(10)에서

이 된다. 즉, 식(6)에서 가스스프링(40) 내부의 압력 또는 로드(41)의 단면적의 크기를 적절히 조정하여 가스스프링(40)의 추력을 식(10)에 의해 얻어진 값으로 하게 되면, 레버(10)의 자중에 의해 작용하는 불균형모멘트를 완전 상쇄할 수 있다. 한편, 가스스프링(40)에 부여되어야 할 추력을, 계산의 편의를 위하여, 예를 들면 식(11)에 의해 얻어진 값으로 하는 경우에도, 상기 불균형모멘트를 거의 상쇄할 수 있다.

이와 같이, 레버(10)의 자중에 의해 작용하는 불균형모멘트가 가스스프링(40)으로 인하여 상쇄되게 되면, 레버(10)를 회동 구동하기 위한 액튜에이터(30)의 소요 구동동력이 레버(10)의 회동각도나 회동방향에 관계없이 일정해지므로, 레버(10)를 회동시키기 위한 메카니즘의 복잡화를 초래하지 않고도, 레버(10)를 균일한 속도로 회동시킬 수 있게 된다.

이상에서 살표본 바와 같이 본 발명의 레버 회동장치는, 지면에 대해 수직인 면을 따라 회동가능하게 결합된 레버를 구동하는 경우에, 그 레버의 자중에 의한 불균형 모멘트를 상쇄할 수 있는 수단을 구비하고 있으므로, 레버의 각도에 관계없이 일정한 구동동력으로 레버를 균일한 속도로 회동시킬 수 있다.

Claims (1)

1. 고정체와, 상기 고정체에 지면에 대해 수직인 면을 따라 회동 가능하게 설치된 레버와, 상기 고정체에 지지되며 상기 레버를 회동시키기 위하여 그 레버에 연결되는 액튜에이터를 구비하여 된 레버 회동장치에 있어서, 상기 레버의 자중에 의해 작용하며 그 레버의 회동각도에 따라 크기가 달라지는 불균형모멘트를 상쇄하기 위한 불균형모멘트 상쇄수단을 구비하며, 상기 불균형모멘트 상쇄수단은, 상기 고정체에 회동 가능하게 설치되고 그 내부에는 소정압력의 유체가 충전된 몸체와, 그 단부가 상기 레버의 회동중심으로부터 이격된 위치에 연결된 로드를 구비하며 이 로드는 상기 유체의 압력에 의해 한 방향으로 추력을 받도록 된 가스스프링을 구비하는 것을 특징으로 하는 레버 회동장치.