KR100433392B1

KR100433392B1 - 사판식 액셜 피스톤 장치

Info

Publication number: KR100433392B1
Application number: KR10-2002-0008563A
Authority: KR
Inventors: 함영복; 윤소남; 최병오
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2002-02-18
Filing date: 2002-02-18
Publication date: 2004-05-31
Also published as: KR20030068890A

Abstract

본 발명은 유압 펌프 또는 유압 모터로 사용되는 사판식 액셜 피스톤 장치에 대한 것이다. 본 발명의 사판식 액셜 피스톤 장치는 회전 운동하는 구동축, 상기 구동축과 동축으로 설치되며, 상기 구동축의 둘레에 일정간격으로 형성되는 다수의 실린더를 포함하는 실린더 블록, 상기 다수의 실린더 내에서 상기 구동축의 길이 방향으로 왕복 운동하는 피스톤 보디와, 상기 피스톤 보디와 구면 접촉하는 피스톤 로드를 포함하는 피스톤 유닛, 상기 구동축의 일단을 회전가능하게 지지하는 제1 커버에 주어진 각도로 경사져서 설치되어 있는 경사판, 그리고 상기 구동축과 스플라인 결합하고 있으며, 일측면은 상기 경사판과 면접촉하고 타측면은 상기 피스톤 로드와 구면접촉하며, 상기 경사판 상을 회전하면서 상기 피스톤 유닛의 왕복 운동과 상기 구동축의 회전 운동 사이의 동력 전환을 중개하는 슈우 홀더 조립체를 포함한다. 본 발명에 따르면 피스톤 유닛과 실린더의 국부적인 마찰을 줄일 수 있으며 경사판의 경사각도를 증가시켜 펌핑 용량을 크게 할 수 있다. 또한 사축식에 비하여 구조가 컴팩트하고, 구동축의 고속 회전시에도 동력 전달이 원활히 이루어질 수 있도록 할 수 있다.

Description

사판식 액셜 피스톤 장치 {SWASH PLATE TYPE AXIAL PISTON APPARATUS}

본 발명은 유압 펌프 또는 유압 모터로 이용되는 액셜 피스톤 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구동축과 동축으로 피스톤 유닛이 형성되어 있는 사판식 액셜 피스톤 장치에 관한 것이다.

유압 펌프 또는 유압 모터로 이용되는 액셜 피스톤 장치에는 구동축에 대해서 피스톤 유닛의 중심축이 경사져 있는 사축식과, 동축상에 형성되어 있는 사판식이 있다. 사축식의 경우 피스톤 유닛의 경사각도를 크게 하여 펌핑 용량을 증대시킬 수 있는 장점이 있으나, 피스톤 유닛을 경사진 구동축의 실린더블록에 설치해야 하기 때문에 장치가 컴팩트하지 못한 단점이 있다.

이와 반대로 사판식의 경우 장치가 컴팩트한 장점이 있으나 피스톤과 실린더 사이의 국부적인 마찰로 인해 피스톤 및 실린더의 마모가 심하고 이로 인해 경사판의 경사각을 크게 하기 어려운 단점이 있다. 이는 종래의 사판식 액셜 피스톤 장치에서 피스톤이 실린더 벽측으로 가하는 측력에 의해 피스톤 유닛과 구동축 사이의 동력 전달이 이루어지는 구조에서 비롯된다. 이러한 구조에서는 경사판의 경사각이 14°이상이 되면 피스톤의 구면 축과 슈우와의 회절각도가 커지면서 피스톤이 직선운동에서 사선운동으로 변형되어 피스톤과 실린더가 접촉하는 표면에 더욱 심한 마모가 발생할 수 있기 때문에 경사판의 경사각도 제한될 수밖에 없다. 이와 같이 경사판의 경사각이 작으면 피스톤의 스트로크 거리도 짧아질 수밖에 없어 사축식에서와 같이 장치의 용량을 증대시키기가 어렵다.

피스톤과 실린더의 마모를 감소시키기 위하여 실린더 전체를 동(Cu) 소재로 만들거나 보어의 내면에 동부시를 삽입하는 방법도 있으나 이는 작업공정을 번거롭게 하고 제품단가를 상승시키는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 실린더 및 피스톤의 마모를 감소시키고 경사판의 경사각을 크게 할 수 있는 사판식 액셜 피스톤 장치를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액셜 피스톤 장치의 단면도이고,

도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 실시예에 따른 액셜 피스톤 장치의 슈우 홀더 조립체의 분해 사시도와 조립 사시도이고,

도 4는 도 1에서 슈우 홀더 조립체와 피스톤 유닛의 결합 부분을 확대하여 나타낸 단면도이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여 피스톤에서 실린더 측으로 가하는 측력의 발생을 최소화할 수 있는 구성을 제안한다. 본 발명에 따른 사판식 액셜 피스톤 장치는 회전 운동하는 구동축, 상기 구동축과 동축으로 설치되며, 상기 구동축의 둘레에 일정간격으로 형성되는 다수의 실린더를 포함하는 실린더 블록, 상기 다수의 실린더 내에서 상기 구동축의 길이 방향으로 왕복 운동하는 피스톤 보디와, 상기 피스톤 보디와 구면 접촉하는 피스톤 로드를 포함하는 피스톤 유닛, 상기 구동축의 일단을 회전가능하게 지지하는 제1 커버에 주어진 각도로 경사져서 설치되어 있는 경사판, 그리고 상기 구동축과 스플라인 결합하고 있으며, 일측면은 상기 경사판과 면접촉하고 타측면은 상기 피스톤 로드와 구면접촉하며, 상기 경사판 상을 회전하면서 상기 피스톤 유닛의 왕복 운동과 상기 구동축의 회전 운동 사이의 동력 전환을 중개하는 슈우 홀더 조립체를 포함한다.

이 슈우 홀더 조립체는 구동축과 스플라인 결합하고 있으며, 외주면에 다수의 제1 스파이어럴 홈이 형성되어 있는 내륜, 일면에는 피스톤 로드와 구면 접촉하는 다수의 슈우가 형성되어 있고, 그 반대면은 경사판과 면접촉하고 있으며, 내주면에 내륜의 스파이어럴 홈과 대응하는 다수의 제2 스파이어럴 홈이 형성되어 있는 외륜, 내륜과 외륜의 제1 및 제2 스파이어럴 홈 사이에 설치되어 있는 다수의 볼, 그리고 외륜과 내륜 사이에 설치되어 상기 다수의 볼이 외측으로 이탈하지 않도록 수용하는 볼 리테이너를 포함한다.

슈우 홀더 조립체, 피스톤 보디 및 피스톤 로드에는 각 접촉면에 윤활유를 공급하기 위한 오일 홀이 형성될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 사판식 액셜 피스톤 장치는 외부 장치와 실린더 블록 사이의 유압유 공급을 중개하는 제2 커버와 밸브 플레이트를 더 포함하며, 실린더 블록내에 실린더 블록을 밸브 플레이트 측으로 가압하는 코일 스프링을 설치할 수있다.

또한 피스톤 보디의 외측면에 윤활을 위한 하나 이상의 오일홈을 형성할 수도 있다.

이하, 본 발명에 따른 사판식 액셜 피스톤 장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 사판식 액셜 피스톤 장치의 단면도이다.

하우징(10) 내에는 제1 외부 장치와 연결되어 회전력을 주고 받는 구동축(20)이 길게 설치되어 있고, 이 구동축(20)의 상단은 상부 커버(30)가 베어링(32)을 개재하여 지지하고 있으며, 그 하단은 하부 커버(40)가 베어링(42)을 개재하여 지지하고 있다. 상부 커버(30)와 하부 커버(40)는 하우징(10)에 고정되어 있다.

구동축(20)은 그 외주면에 스플라인 가공면(22)이 형성되어 있고, 이 스플라인 가공면(22)에는 슈우 홀더 조립체(50)와 실린더 블록(60)이 결합되어 있다.

상부 커버(30)는 그 내면이 경사져 있으며 이 경사면에 경사판(34)이 설치되어 있다. 여기서 경사판(34)의 재질로는 크롬-몰리브덴강이 적당하다.

하부 커버(40) 내에는 제2 외부 장치와 연결되어 유압유를 유통시키는 흡입토출구(44)가 형성되어 있다.

슈우 홀더 조립체(50)는 그 중심측이 구동축(20)과 스플라인 결합되어 있으며, 일측면은 상부 커버(30)에 설치된 경사판(34)과 접촉하고, 그 타측면의 가장자리에는 클립(51)이 걸쳐져 있다. 이 때, 이 클립(51)의 일단은 상부 커버(30)에고정되어 슈우 홀더 조립체(50)가 상부 커버(30)로부터 이탈되지 않도록 하고 경사판(34)과 밀착될 수 있게 한다. 슈우 홀더 조립체(50)의 더욱 상세한 구성에 대해서는 후술한다.

실린더 블록(60)은 그 중심측이 구동축(20)과 스플라인 결합되어 있으며 그 내부에는 다수의 실린더(62)가 구동축(20) 둘레를 따라서 배치되어 있다. 각 실린더(62)의 중심축은 구동축(20)의 중심축과 평행하다. 각 실린더(62) 내에는 구동축(20)의 길이방향을 따라 왕복운동 하는 피스톤 유닛(70)이 설치되어 있다.

피스톤 유닛(70)은 실린더(62) 내면을 따라 슬라이딩하는 피스톤 보디(72)와, 이 피스톤 보디(72)에 일단이 삽입되어 있는 피스톤 로드(74)로 이루어진다. 피스톤 보디(72)는 원통형이며, 그 외측에는 다수의 피스톤 링이 장착될 수 있는 홈이 형성될 수 있고, 그 내측에는 피스톤 로드(74)를 수용하기 위한 내구면이 형성되어 있다. 피스톤 로드(74)의 양단은 구면형으로 되어 있으며, 그 일단은 슈우 홀더 조립체(50)에 삽입되어 있고 타단은 피스톤 보디(72)의 내구면에 삽입되어 있다.

제2 외부 장치로부터 실린더 블록(60)내로 유압유가 흐를 수 있도록 실린더 블록(60)은 구동축(20)을 중심으로 하여 그 양측에는 각 실린더(62) 내로 유체를 유입시키거나, 이와 반대로 각 실린더(62)로부터 유체를 배출시키기 위한 흡입 및 토출 통로(64, 66)가 형성되어 있다. 또한 실린더 블록(60)과 하부 커버(40) 사이에는 한 쌍의 반원형 슬롯(94, 96)을 갖는 밸브 플레이트(90)가 설치되어 실린더 블록(60)과 하부 커버(40) 사이의 유압유 흐름을 중개한다. 이 때 실린더블록(60)의 회전시 실린더 블록(60)과 밸브 플레이트(90) 사이에 미세한 간극이 생기도록 하면 유압유가 이 간극을 통해 누유되면서 실린더 블록(60)과 밸브 플레이트(90)의 접촉면에 대한 윤활 작용을 할 수 있다. 이를 위하여 실린더 블록(60)의 내측에 코일 스프링(68)을 설치하여 실린더 블록(60)이 밸브 플레이트(90) 측으로 가압하여 실린더블록 회전시 불균형 힘에 의해 흔들리는 것을 유지할 수 있도록 한다.

도 2 및 도 3은 각각 본 발명에 따른 액셜 피스톤 장치의 슈우 홀더 조립체(50)에 대한 분해 사시도 및 조립 사시도이다.

내륜(52)은 그 내주면에는 스플라인 가공면(522)이 형성되어 있어 구동축(20)의 스플라인 가공면(22)과 결합하며, 그 외주면에는 다수개의 스파이어럴 홈(524)이 일정간격으로 형성되어 있다. 외륜(54)은 피스톤 로드(74)의 일단을 수용할 수 있는 다수개의 피스톤 슈우(542)가 그 전면에 설치되어 있으며 그 반대면은 경사판(34)과 슬라이딩 운동 가능하게 접촉하고 있다. 이에 따라 외륜(54)은 슈우 홀더로 기능하게 된다. 또한 외륜(54)은 내륜(52)에 대향하여 그 내주면에 다수개의 스파이어럴 홈(544)이 일정간격으로 형성되어 있다. 이 내륜(52)과 외륜(54)의 스파이어럴 홈(524, 544) 사이에는 다수개의 볼(56)이 일정간격으로 삽입되어 있으며, 이 볼(56)들은 스파이어럴 홈(524, 544)을 따라서 슬라이딩 회전한다. 이 때 구름 운동하면서 회전 토크를 전달하는 볼(56)의 재질로는 스틸(steel)이 적당하다. 또한, 외륜(54)과 내륜(52)의 스파이어럴 홈(524, 544)의 형상 및 치수는 볼(56)의 직경이나 경사판(34)의 경사각 등에 따라서 달라질 수 있다. 볼리테이너(58)는 볼(56)을 수용할 수 있는 다수개의 관통 홀이 형성되어 있으며 내륜(52)과 외륜(54) 사이에 설치되어 볼(56)이 외측으로 이탈하지 않도록 한다.

도 4는 본 발명에 따른 액셜 피스톤 장치에서 슈우홀더 조립체(50)와 피스톤 유닛(70)의 결합 부분을 확대하여 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 구동축(20)의 스플라인 가공면에 내륜(52)이 결합되어 있고, 이 내륜(52)은 볼(56)을 매개로 외륜(54)과 접촉하고 있다. 외륜(54)에 설치되어 있는 슈우(542)는 그 내구면이 피스톤 로드(74)의 일단과 구면 접촉하고 있으며 그 반대면이 경사판(34)과 접촉하고 있다. 피스톤 로드(74)의 타단은 피스톤 보디(72)의 내구면에 삽입되어 있다. 여기서, 피스톤 로드(74)의 타단이 피스톤 보디(72)와 구면 접촉하고 있으므로 피스톤 로드(74)가 회절하더라도 피스톤 로드(74)는 피스톤 보디(74)와의 접촉면을 따라서 회전만 할 뿐이므로 피스톤 보디(72) 및 실린더(62) 측으로 측력을 작용하지는 않는다. 이는 피스톤 유닛(70)과 구동축 (20) 사이의 동력 전달이 주로 슈우 홀더 조립체(50)를 통하여 이루어지게 되는 것을 의미하며, 이에 따라 피스톤 유닛과 실린더 사이의 마찰로 인한 마모를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 경사각의 경사각도도 더욱 크게 할 수 있다. 본 발명의 액셜 피스톤 장치는 사판식임에도 불구하고 경사판의 경사각도(α)를 20도 내지 45도까지 증가시킬 수 있다. 또한 슈우 홀더 조립체(50)는 구동축(20) 둘레로 일정간격으로 배치된 다수의 볼(56)을 매개로 힘을 전달하므로 힘의 분배가 적절하고 중심부의 편심량을 줄일 수 있다. 이는 구동축(20)이 고속 회전하더라도 구동축(20)과 피스톤 유닛(70) 사이의 동력 전달이 원활하게 이루어질 수 있음을의미한다.

한편, 외륜의 슈우(542), 피스톤 로드(74) 및 피스톤 보디(72)의 중심부에 각각 오일 홀(543, 76, 78)이 형성되어 있어 슈우(542)와 경사판(34), 슈우(542)와 피스톤 로드(74)의 접촉구면 및 피스톤 보디(72)와 피스톤 로드(74)의 접촉구면에 슬라이딩 운동이 원활하게 이루어지게 하는 윤활유를 공급할 수 있다. 또한 피스톤 보디(72)의 외측면에도 하나 이상의 오일 홈(77)을 형성하여 실린더와의 접촉면에 윤활유를 공급할 수 있다.

본 발명에 따른 사판식 액셜 피스톤 장치의 작동을 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 유압 펌프로 사용되는 경우에 대하여 설명한다.

구동축(20)에 제1 외부 장치로부터 동력 즉, 회전력이 입력되면 이 회전력은 구동축(20)과 스플라인 결합하고 있는 슈우 홀더 조립체(50)의 내륜(52)을 회전시키게 된다. 이 때의 회전력은 내륜(52)으로부터 볼(56)을 통하여 외륜(54)에 전달되며 이에 따라 외륜(54)은 경사판(34)을 따라 경사지게 회전하게 된다. 이러한 외륜(54)의 경사 회전으로 인하여 피스톤 유닛(70)은 실린더(62) 내를 왕복운동하게 되며, 이에 따라 유압 탱크에 있는 유압유가 흡입토출구(44)를 통해 흡입되거나 흡입토출구(44)를 통해 배출되어 제2 외부장치에 유압유가 공급된다.

다음, 유압모터로 사용되는 경우는 유압펌프로 사용되는 경우와 비교해서 동력전달순서만 정반대로 하면 되므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 상기한 실시예에 대한 다양한 변경이 가능함은 물론이다. 예컨대, 상기에서는 경사판이 고정된 경우에 대해서만 설명하였지만 경사판이 회전하는 구조라 하더라도 적용 가능하다. 이 경우에는 슈우 홀더 조립체의 내륜, 외륜 및 볼이 경사판과 연결되도록 하고 슈우를 외륜과 별개로 설치하면 된다.

앞서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 구동축과 피스톤 유닛 사이의 동력 전달이 슈우 홀더 조립체를 통하여 주로 이루어지게 된다. 물론 구동축과 실린더 블록 사이에도 스플라인 결합이 있긴 하지만, 이 때의 스플라인 결합은 구동축과 실린더 블록의 동기화를 위한 것일 뿐이다. 따라서, 본 발명에 따른 사판식 액셜 피스톤 장치에서는 피스톤 유닛이 실린더 내를 왕복운동만 할 뿐 실린더 벽면측으로의 측력을 거의 발생시키지 않으므로 실린더 벽면측으로의 측력으로 인해 발생되는 문제점인 피스톤 유닛과 실린더의 슬립면의 마모를 줄일 수 있고 이에 따라 경사판의 경사각도도 크게 할 수 있다. 이러한 경사판의 경사각도의 증대는 피스톤의 스트로크 거리의 증가를 의미하므로 본 발명의 액셜 피스톤 장치는 종래의 사판식 유압 펌프 또는 유압 모터에 비해서 더욱 큰 용량의 펌프 또는 모터를 제공할 수 있다.

또한 실린더 및 피스톤 유닛이 구동축의 둘레에 설치되어 있으므로 종래의 사축식 유압 펌프 또는 유압 모터에 비하여 구조가 컴팩트한 장점이 있다.

또한, 슈우 홀더 조립체에서 동력을 전달하는 외륜과 내륜은 볼을 매개로 하여 접촉하고 있으므로 힘의 분배가 적절하고 반경방향으로의 요동이 없고 중심축의 편심이 적어 구동축의 고속 회전시에도 동력 전달을 원활하게 할 수 있다.

Claims

회전 운동하는 구동축,

상기 구동축과 동축으로 설치되며, 상기 구동축의 둘레에 일정간격으로 형성되는 다수의 실린더를 포함하는 실린더 블록,

상기 다수의 실린더 내에서 상기 구동축의 길이 방향으로 왕복 운동하는 피스톤 보디와, 상기 피스톤 보디와 구면 접촉하는 피스톤 로드를 포함하는 피스톤 유닛,

상기 구동축의 일단을 회전가능하게 지지하는 제1 커버에 주어진 각도로 경사져서 설치되어 있는 경사판, 그리고

상기 구동축과 스플라인 결합하고 있으며, 일측면은 상기 경사판과 면접촉하고 타측면은 상기 피스톤 로드와 구면접촉하며, 상기 경사판 상을 회전하면서 상기 피스톤 유닛의 왕복 운동과 상기 구동축의 회전 운동 사이의 동력 전환을 중개하는 슈우 홀더 조립체

를 포함하는 사판식 액셜 피스톤 장치.
제1항에서, 상기 슈우 홀더 조립체는

상기 구동축과 스플라인 결합하고 있으며, 외주면에 다수의 제1 스파이어럴 홈이 형성되어 있는 내륜,

일면에는 상기 피스톤 로드와 구면 접촉하는 다수의 슈우가 형성되어 있고,그 반대면은 상기 경사판과 면접촉하고 있으며, 내주면에 상기 내륜의 스파이어럴 홈과 대응하는 다수의 제2 스파이어럴 홈이 형성되어 있는 외륜,

상기 내륜과 상기 외륜의 제1 및 제2 스파이어럴 홈 사이에 설치되어 있는 다수의 볼, 그리고

상기 외륜과 상기 내륜 사이에 설치되어 상기 다수의 볼이 외측으로 이탈하지 않도록 수용하는 볼 리테이너

를 포함하는 사판식 액셜 피스톤 장치.
제1항에서, 일단이 상기 제1 커버에 고정되고, 타단이 상기 슈우홀더 조립체의 피스톤 로드측 면의 가장자리 위에 걸쳐 있는 클립을 더 포함하는 사판식 액셜 피스톤 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,

상기 슈우 홀더 조립체, 상기 피스톤 보디 및 상기 피스톤 로드에는 각 접촉면에 윤활유를 공급하기 위한 오일홀이 형성되어 있는 사판식 액셜 피스톤 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,

상기 구동축의 타단을 지지하고 외부 장치와 상기 실린더 블록 사이의 유압유 공급을 중개하는 제2 커버와 밸브 플레이트를 더 포함하고,

상기 실린더 블록내에는 상기 실린더블록 회전시 불균형 힘에 의해 흔들리는것을 유지하기 위한 코일 스프링이 설치되어 있는 사판식 액셜 피스톤 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서, 상기 피스톤 보디의 외측면에는 윤활을 위한 하나 이상의 오일 홈이 형성되어 있는 사판식 액셜 피스톤 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서, 상기 경사판의 경사각은 20도 내지 45도인 사판식 액셜 피스톤 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서, 상기 실린더 블록은 상기 구동축과 스플라인 결합하고 있는 사판식 액셜 피스톤 장치.