KR100386151B1

KR100386151B1 - 가변 오프셋 슬라이더-로커 4절 링크장치 및 그 설계 방법

Info

Publication number: KR100386151B1
Application number: KR1020000018582A
Authority: KR
Inventors: 권성규
Original assignee: 주식회사 오성공업
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2003-06-02
Also published as: KR20000037153A

Abstract

본 발명은 그라운드에 회동가능하도록 설치되는 로커(rocker)와, 슬라이더(slider)와, 상기 로커와 슬라이더를 연결하는 연결봉(connecting rod)으로 구성되는 가변 오프셋(offset) 슬라이더-로커 4 절 링크장치 및 그 설계방법에 관한 것으로, 슬라이더의 전진 행정(advance stroke) 동안의 오프셋과 귀환(return) 행정 동안의 오프셋이 다른 경우에, 연결봉과 슬라이더 사이의 전달각(transmission angle)의 원하는 최대와 최소값을 이용하여 아래의 수학식 1내지 수학식 6에 의하여 상기 로커와 연결봉의 치수를 결정함으로써, 4절 링크장치의 작동의 정밀성과 성능을 보장하여 시스템의 작동불량을 방지할 수 있도록 하는 것이다.

Description

가변 오프셋 슬라이더-로커 4절 링크장치 및 그 설계 방법{A Dimensional Synthesis Method for Variable Offset slider-rocker 4-bar linkage}

본 발명은 그라운드에 설치되는 고정링크와, 이에 회동가능하도록 설치되는 로커(rocker)와, 슬라이더(slider)와, 상기 로커와 슬라이더를 연결하는 연결봉(connecting rod)으로 구성되는 가변 오프셋 슬라이더-로커 4절 링크장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상기 연결봉과 슬라이더 사이의 최대 전달각(transmission angle)과 최소 전달각에 의하여 로커와 연결봉의 치수가 결정되도록 함으로써, 4절 링크장치의 작동 성능을 보장할 수 있는 가변 오프셋 슬라이더-로커 4절 링크장치 및 그 설계 방법에 관한 것이다.

일반적인 오프셋 슬라이더-크랭크 4절 링크장치는 내연기관, 증기기관 압축기, 기계 프레스, 펀치 및 그 외의 많은 다른 기계들의 기초가 되는 링크장치로써,내연기관 엔진에서는 실린더 내의 혼합기의 폭발에 의해 슬라이더에 가해지는 압력이 연결봉을 거쳐 크랭크를 돌리는 모멘트로 전환되어 동력을 생성하는 역구동(back driven) 기구로 이용된다. 그리고, 공기 압축기, 기계 프레스 펀치, 펌프 등에서 사용되는 이 장치는 크랭크를 모터로 구동하고 슬라이더의 운동을 출력으로 이용하는 정구동(forward driven) 기구이며, 공작물 시편의 두께를 측정하는 기구나 볼트미터와 같은 정밀계측기에서도 측정량이 크랭크의 운동으로 전환되고 이 운동이 슬라이더로 전달되어 계측기를 구성하는 지시계의 변위로 나타내는 역할을 한다.

이와 같은 역할을 하는 4절 링크장치를 하기에서 도 1내지 도 4를 참조하여 살펴본다.

도 1내지 도 4는 가변 오프셋 슬라이더-로커 4절 링크장치의 동작을 순차적으로 나타내는 도면이다.

상기 가변 오프셋 슬라이더-로커 4절 링크장치는 그라운드에 고정되는 고정링크(1)와, 상기 고정링크(1)에 회전 조인트(2)로 그라운드와 대우를 이루도록 결합되어 정해진 각도 만큼 요동 운동하는 로커(3)와, 그라운드에 대하여 수직으로 기 설정된 소정길이만큼 승/하강 왕복운동하는 승/하강부재(4)와, 상기 승/하강부재(4)를 관통하여 그라운드와 X축 방향의 미끄럼 대우를 이루며 수평왕복운동하는 슬라이더(5)와, 양종단이 상기 로커(3)와 슬라이더(4)에 회전조인트(6)(7)로 각각 연결되어 로커(3)의 회전에 따라 슬라이더(4)를 수평왕복운동시키는 연결봉(8)으로 구성된다.

상기한 바와 같이 구성된 4절 링크장치의 동작을 살펴보면, 우선 도 1에 나타내는 상태에서 로커(3)가 고정상태를 유지하는동안 승/하강 부재(4)가, 본 발명과 상관없는 다른 기구의 작용에 의해, 기 설정된 소정거리만큼 상승운동하여 슬라이더(5)를 상승시킨다.

도 2는 상기 승/하강 부재(4)가 도 1의 위치로부터 상승운동을 완료한 상태를 나타내며, 상기한 바와 같이 승/하강 부재(4)가 기 설정된 거리만큼 상승한 후 일시 정지하게 되면 로커(3)가 시계방향으로 요동(oscillation) 회전하여 슬라이더(5)를 상승된 위치에서 수평으로 미끄럼 운동시켜 전진시킨다.

도 3은 상기 로커(3)가 회전을 마친상태 즉 슬라이더(5)가 전진을 마친 상태를 나타내는 도면으로써, 슬라이더(5)가 전진을 완료하면, 로커(3)가 고정된 상태에서 승/하강부재(4)가, 본 발명과 상관없는 다른 기구의 작용에 의해, 상기에서 상승한 길이만큼 역으로 하강운동하여, 슬라이더(5)를 상승한 거리만큼 하강시킨다.

도 4는 승/하강부재(4)가 도 3의 위치로부터 하강을 마친 상태 즉, 슬라이더(5)가 하강 운동을 마친 상태를 나타내는 도면으로써, 슬라이더(5)가 하강 운동을 완료하면, 승/하강부재(4)는 일시 정지된 상태를 유지하고 로커(3)가 반시계방향으로 회전하여 슬라이더(5)를 후진시켜 정해진 귀환 행정을 달성하고, 귀환행정이 종료되면 4절 링크장치는 다시 도 1의 형상으로 복귀한다. 이 네 단계의 운동이 상기 4절 링크장치 운동의 한 사이클이다.

그러나, 상기한 바와 같은 운동을 하는 4절 링크장치에 있어서, 종래에는 상기 4절 링크장치를 구성하는 로커(3)와 연결봉(8)의 치수를 원하는 운동을 생성하는데 관련되는 매개변수들(임의로 정하는 일부 링크의 길이 등)을 이용하여 결정함으로써, 장치를 합성하고나서 장치의 운동 품질을 표시하는 지표, 예를 들면 전달각(연결봉과 슬라이더 사이의 각도인 전달각이 일정 크기를 넘어서면 상기 슬라이더는 작동에 문제를 일으킬 수 있음)과 같은 지표들을 검토하여 상기 4절 링크장치가 성능을 보장하는 정도로 제대로 작동할 것인지의 여부를 판단함으로써, 많은 시행착오를 겪으면서 원하는 성향의 링크장치를 설계하였다.

이와 같이 1개의 고도의 성능을 보장하는 동작특성을 갖는 4절 링크장치를 설계하기 위하여 수차례의 시행착오를 거쳐야 하므로, 작업시간과 비용 등이 많이 드는 데도 불구하고 성능의 보장을 달성하지 못하는 문제점이 있었으며, 4절 링크장치의 작동 성능 불량여부를 설계를 끝낸 후에 판단할 수 있으므로 4절 링크장치를 다시 합성하여야 하는 문제점이 발생됨과 아울러, 불량한 치수로 제작되었을 경우 상기 4절 링크장치는 사용 수명이 짧고, 자주 정비 보수를 해야 하는 등의 전체 시스템의 동작불량이 발생되는 문제점이 있었다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 설계자가 원하는 연결봉과 슬라이더 사이의 최대전달각과 최소 전달각을 기준으로 로커와 연결봉의 치수가 결정되도록 함으로써, 4절 링크장치가 사용되는 시스템의 작동불량을 방지할 수 있는 가변 오프셋 슬라이더-로커 4절 링크장치 및 그 설계 방법을 제공하는 데 있다.

도 1내지 도 4는 4절 링크장치의 동작을 나타내는 도면.

도 5는 본 발명에 따른 가변 오프셋 슬라이더-로커 4절 링크장치의 일 실시 예에 따른 운동경로를 나타내는 도면

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예를 하기에서 첨부된 도면 도 5를 참조하여 보다 상세하게 살펴본다.

도 5는 본 발명에 따른 가변 오프셋 슬라이더-로커 4절 링크장치의 일 실시 예에 따른 운동경로를 나타내는 도면으로써, 로커의 회동각도 h₁=h₂=h/2인 경우의 도면이다. 한편, h₁≠h₂인 일반적인 경우에 대해서는 이 그림과 다르다.

상기 도 5에서 h₁과 h₂는 로커의 회동각도로써 로커는 h₁과 h₂를 합한 각도만큼 회동하며 이는 설계자가 정한 값이다. 그리고, 점 R₁에서 점 R₂까지의 거리는 이 장치를 통해서 설계자가 구현하려는 귀환 행정의 길이 l_st이지만 두 점의 X 축 상의 위치는 설계자가 모른다. 선 L_a와 선 L_r사이의 거리도 이 장치를 통해서 설계자가 구현하려는 상승-하강 행정의 길이 l_ud이지만, 두 선의 Y 축 상의 위치는 설계자가 모른다.

그리고, 상기 도 5에서, γ는 슬라이더가 한 구간의 운동을 마칠 때 마다 연결봉과 이루는 각도, 즉 전달각의 크기를 나타내며, 슬라이더가 하강을 마친 때 또는 귀환을 시작하려는 때의 전달각, 슬라이더가 귀환을 마친 때 또는 슬라이더가 상승을 시작하려는 때의 전달각, 및 슬라이더가 전진하는 중간에 로커가 Y 축과 일치하는 때(장치의 형상이 선분OC_m과 선분C_mA_m으로 이루어지는)의 전달각이 장치의 합성 매개변수인 최소 전달각 γ_min으로 모두 같다. 다음으로, 슬라이더가 귀환하는 중간에 로커가 Y 축과 일치하는 때(장치의 형상이 선분OC_m과 선분C_mR_m으로 이루어지는)의 전달각, 슬라이더가 상승을 마친 때 또는 전진을 시작하려는 때의 전달각 및 슬라이더가 전진을 마친때 또는 슬라이더가 하강을 시작하려는 때의 전달각이 장치의 합성 매개변수인 최대 전달각 γ_max로 모두 같다. 그래서 이 장치의 작동 범위 내에서의 전달각은 설계자가 원하여 정한 γ_min과 γ_max사이의 값이다.

본 발명에 따른 4절 링크장치는 일측종단(O)을 상기 4절 링크장치의 설치가 요구되는 장치의 소정개소(예를 들면 고정링크)에 회동가능하도록 설치되어, 회동가능하도록 설치된 일측종단(O)으로부터 수직으로 연장된 직선(Y축)을 중심으로 전/후진 방향으로 기 설정된 소정각도(h₁)(h₂)만큼 회동하며, 상기 장치의 4절 링크장치 설치조건에 따라 결정되는 상기 회동각도의 크기비에 따라, 즉 h₁=h₂일 경우에는 하기의 수학식1에 따라, h₁<h₂일 경우에는 하기의 수학식 3에 따라, h₁h₂일 경우에는 하기의 수학식 5에 따라 소정 크기로 형성되는 로커(선분OC₂, 선분OC_m, 선분OC₁)와, 일측 종단이 상기 로커(선분OC₂, 선분OC_m, 선분OC₁)에 회동가능하도록 연결되어 상기 로커의 회동각도의 크기비가 h₁=h₂일 경우에는 하기의 수학식2에 따라, h₁<h₂일 경우에는 하기의 수학식 4에 따라, h₁h₂일 경우에는 하기의 수학식6에 따라 소정 크기로 형성되는 연결봉(선분C₂A₁, 선분C₂R₂, 선분C_mA_m, 선분C_mR_m, 선분C₁A₂,선분C₁R₁,) 및 일측종단은 상기 연결봉(선분C₂A₁, 선분C₂R₂, 선분C_mA_m,선분C_mR_m, 선분C₁A₂,선분C₁R₁,)에 회동가능하도록 연결되고 타측종단은 승/하강부재(도시하지 않음)에 유동되지 않도록 고정되어 로커(선분OC₂, 선분OC_m, 선분OC₁)의 회전에 따라 수평으로 전/후진운동하고 승/하강부재에 의하여 수직으로 승/하강운동하는 슬라이더(도시하지 않음)로 구성된다.

한편, 하기의 수학식 1내지 6에서 l₂는 로커의 치수를 나타내고, l₃는 연결봉의 치수를 나타내며, h는 h₁과 h₂의 합을 나타낸다.

여기에서 상기 θ₂₁은 아래의 수학식에 Newton-Raphson 방법과 같은 수치적(numerical)방법을 적용하여 구한다.

여기서,

,

.

여기에서 여기에서 상기 θ₂₁은 아래의 수학식에 Newton-Raphson 방법과 같은 수치적(numerical) 방법을 적용하여 구한다.

그리고, 승/하강부재, 일측종단이 4절 링크장치의 설치가 요구되는 장치의 소정개소(예를 들면 고정링크)에 회동가능하도록 설치된 로커, 상기 로커의 타측종단에 일측종단이 회동가능하도록 설치되는 연결봉, 일측종단은 상기 연결봉의 타측종단에 회동가능하도록 설치되고 타측종단은 상기 승/하강부재에 고정되어 로커에 의하여 수평으로 전/후진운동하고 승/하강부재에 의하여 수직으로 승/하강 운동하는 슬라이더로 구성되는 본 발명에 따른 4절 링크장치의 치수를 설계하는 방법은 하기와 같다.

우선, 상기 4절 링크장치가 설치되는 장치에 따라 로커의 회동각도(h₁)(h₂)와, 상기 슬라이더의 귀환행정 거리(l_st), 슬라이더가 승/하강하는 거리(l_ud), 연결봉과 슬라이더 사이의 최대전달각(r_max)의 크기와, 연결봉과 슬라이더 사이의 최소전달각(r_min)의 크기를 설정한 후, 상기 로커의 회동각도 크기비에 따라 로커와 연결봉의 치수를 결정하되, 회동각도의 크기비가 h₁=h₂일 경우에는 상기의 수학식1에 따라, h₁<h₂일 경우에는 상기의 수학식 3에 따라, h₁h₂일 경우에는 상기의 수학식 5에 따라 로커의 치수를 결정하고, 상기 로커의 회동각도의 크기비가 h₁=h₂일 경우에는 상기의 수학식2에 따라, h₁<h₂일 경우에는 상기의 수학식 4에 따라, h₁h₂일 경우에는 상기의 수학식6에 따라 연결봉의 치수를 결정하여, 이에 따라 4절 링크장치를 합성하면 된다.

이와 같이 구성된 4절 링크장치의 운동 사이클을 살펴본다.

상기 4절 링크장치는 로커와 연결봉이 선분OC₂와 선분C₂R₂로 이루어지는 형상에서 선분OC₂와 선분C₂A₁으로 이루어지는 형상으로 변하는 동안 슬라이더가 상승한다. 그리고나서, 장치는 선분OC_m과 선분C_mA_m으로 이루어지는 형상을 지나, 슬라이더가 전진을 마치면 선분OC₁과 선분C₁A₂로 이루어지는 형상이 된다. 다음으로, 슬라이더가 하강을 시작하여, 장치의 형상은 선분OC₁과 선분C₁R₁으로 변화된다. 마지막으로, 슬라이더가 귀환 운동을 시작하여, 중간에 선분OC_m과 선분C_mR_m으로 이루어지는 형상을 지나, 슬라이더가 귀환을 마치면 장치의 형상은 선분OC₂와 선분C₂R₂로 이루어지고, 장치의 한 사이클이 완료된다.

따라서, 본 발명에 의하면, 4절 링크장치가 설치되는 장치의 크기에 맞는 정확한 치수로 상기 4절 링크장치가 형성되는 것이다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 의하면 상기 슬라이더-로커 4절 링크장치가 설치되는 장치의 규모가 제한적이고 또 특히 슬라이더 블록이나 연결봉의 설치 공간이 충분하지 않을 경우와 전달각이 임계값 범위에 근접하는 경우에도 안전한 전달각 범위 내에서 작동할 수 있게 되고, 전진 행정과 귀환 행정에 대한 오프셋의 차이가 큰데 비해서 연결봉의 길이나 슬라이더 블록의 길이를 크게 할 수 없는 경우에, 특히 정밀 운동이 필요하거나 베어링이나 슬라이더 가이드가 취약한 기구나 기계에서 전달각의 대소가 민감하게 작용하는 경우에도 정확한 작용을 할 수 있게 되며, 또한 로커의 요동 운동 범위는 큰데 비하여, 로커의 길이를 제한해야 하는 경우에도 전달각이 정해 둔 값 범위 내에서 작동함으로써 운전 수명이 길어질 수 있으며 정비 보수의 유지 비용을 최소로 할 수 있다.

Claims

4절 링크장치에 있어서,

일측종단을 상기 4절 링크장치의 설치가 요구되는 장치의 소정개소(예를 들면 고정링크)에 회동가능하도록 설치하고, 회동가능하도록 설치된 일측종단으로부터 수직으로 연장된 직선을 중심으로 전/후진 방향으로 기 설정된 소정각도(h₁: 수직선으로부터 전진방향각도)(h₂: 수직선으로부터 귀환방향각도)만큼 회동하며, 상기 4절 링크장치의 설치조건에 따라 결정되는 상기 회동각도의 크기비가 h₁=h₂일 경우에는 수학식에 따라, h₁<h₂일 경우에는 수학식에 따라, h₁h₂일 경우에는 수학식에 따라 소정 치수로 형성되는 로커와;

일측 종단이 상기 로커에 회동가능하도록 연결되어 상기 로커의 회동각도의 크기비가 h₁=h₂일 경우에는 상기의 수학식2에 따라, h₁<h₂일 경우에는 수학식에 따라, h₁h₂일 경우에는 수학식에 따라 소정의 치수로 형성되는 연결봉 및;

일측종단은 상기 연결봉에 회동가능하도록 연결되고 타측종단은 승/하강부재에 유동되지 않도록 고정되어 로커의 회전에 따라 수평으로 전/후진운동하고 승/하강부재에 의하여 수직으로 승/하강운동하는 슬라이더로 구성되는 것을 특징으로 하되, 상기에서 l₂는 로커의 치수를 나타내고, l₃는 연결봉의 치수를 나타내며, l_st는 슬라이더가 귀한하는 귀한행정의 거리이고, l_ud는 슬라이더가 승/하강하는 거리이며, h는 h₁과 h₂의 합을 나타내며, r_max는 연결봉과 슬라이더 사이의 최대전달각이고, r_min은 연결봉과 슬라이더 사이의 최소전달각이며, θ₂₁은 수학식(여기서,,,,,,.)에 Newton-Raphson 방법과 같은 수치적(numerical)방법을 적용하여 구하는 가변 오프셋 슬라이더-로커 4절 링크장치.
승/하강부재, 일측종단이 4절 링크장치의 설치가 요구되는 장치의 소정개소(예를 들면 고정링크)에 회동가능하도록 설치된 로커, 상기 로커의 타측종단에 일측종단이 회동가능하도록 설치되는 연결봉, 일측종단은 상기 연결봉의 타측종단에 회동가능하도록 설치되고 타측종단은 상기 승/하강부재에 고정되어 로커에 의하여 수평으로 전/후진운동하고 승/하강부재에 의하여 수직으로 승/하강운동하는 슬라이더로 구성되는 4절 링크장치의 설계 방법에 있어서,

상기 4절 링크장치가 설치되는 장치에 따라 설계자가 원하는 로커의 회동각도 즉, 장치에 회동가능하도록 설치된 일측종단으로부터 수직으로 연장된 직선을 중심으로 전/후진 방향 회동각도(h₁: 수직선으로부터 전진방향각도)(h₂: 수직선으로부터 귀환방향각도)와, 상기 슬라이더의 귀환행정 거리(l_st), 슬라이더가 승/하강하는 거리(l_ud), 연결봉과 슬라이더 사이의 최대전달각(r_max), 연결봉과 슬라이더 사이의 최소전달각(r_min)의 크기를 설정하는 과정과,

상기 로커의 회동각도 크기비에 따라 로커와 연결봉의 치수를 결정하되, 회동각도의 크기비가 h₁=h₂일 경우에는에 따라, h₁<h₂일 경우에는에 따라, h₁h₂일 경우에는에 따라 로커의 치수를 결정하고, 상기 로커의 회동각도의 크기비가 h₁=h₂일 경우에는에 따라, h₁<h₂일 경우에는에 따라, h₁h₂일 경우에는에 따라 연결봉의 치수를 결정하는 과정과;

상기와 같이 로커와 연결봉의 치수가 결정되면 이를 기준으로 상기 4절 링크장치를 합성하는 과정으로 구성되는 것을 특징으로 하되, 상기에서 l₂는 로커의 치수를 나타내고, l₃는 연결봉의 치수를 나타내며, l_st는 슬라이더가 귀한하는 귀한행정의 거리이고, l_ud는 슬라이더가 승/하강하는 거리이며, h는 h₁과 h₂의 합을 나타내며, r_max는 연결봉과 슬라이더 사이의 최대전달각이고, r_min은 연결봉과 슬라이더 사이의 최소전달각이며, θ₂₁은 수학식(여기서,,,,,,.)에 Newton-Raphson 방법과 같은 수치적(numerical)방법을 적용하여 구하는 4절 링크장치의 설계 방법.