KR100872112B1 - 유압 피스톤 펌프에서 체적설계를 이용한 압력맥동저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유압 피스톤 펌프에서 체적설계를 이용한 압력맥동 저감장치에 관한 것으로, 상기 밸브 플레이트의 내부에 제1체적 및 제2체적이 각각 형성되고, 상기 제1체적은 흡입에서 토출로 전환되는 영역의 실린더에 연결되며, 상기 제2체적은 상기 밸브 플레이트의 토출구에 유로로 연결된다.

그러므로, 유압 피스톤 펌프의 흡입에서 토출로 전환되는 영역에 제1체적 및 제2체적을 형성하고 각각의 체적을 오리피스를 통해 연결함으로서 펌프 토출구의 압력맥동을 큰 폭으로 감소시킬 수 있는 바, 1차적으로 실린더와 연결되는 제1체적에 의해 실린더 내부 압력변화를 최적화하여 압력맥동을 감소시키고, 2차적으로 토출구와 연결되는 제2체적에 의한 주파수 감쇠효과를 이용하여 추가적인 압력맥동 감소효과를 얻음으로서 큰 폭의 압력맥동 저감효과를 얻을 수 있다.

유압 피스톤 펌프, 토출 압력맥동, 밸브 플레이트, 저맥동, 저소음

Description

유압 피스톤 펌프에서 체적설계를 이용한 압력맥동 저감장치{Pressure pulsation reduction device that use volume design in hydraulic piston pump}

본 발명은 유압 피스톤 펌프에 관한 것으로, 더 상세하게는 유압 펌프의 토출 압력맥동을 큰 폭으로 감소시켜서 저맥동·저소음 펌프를 구현하도록 하며, 펌프를 사용하는 전체 유압시스템의 압력맥동에 기인한 소음을 감소시키고 제어성능을 향상시킬 수 있는 유압 피스톤 펌프에서 체적설계를 이용한 압력맥동 저감장치에 관한 것이다.

일반적으로 유압 피스톤 펌프는 엔진이나 전기모터 등으로부터 구동되어지는 기계에너지를 유체에너지로 변환하는 장치이다. 이러한 유압 피스톤 모터는 유체에너지를 공급받아서 피스톤을 왕복 운동시키고 이 운동이 구동축을 회전시켜 기계 에너지로 변환시키는 구동장치로서, 그 출력밀도가 우수하고 출력이 좋아 건설기계 등에 널리 사용되고 있다.

도 1은 이러한 유압 피스톤 펌프의 일실시예를 보인 단면도로써, 그 주요 구성부품으로는 피스톤(5), 실린더 블록(6), 밸브 플레이트(7), 슈(4), 사판(3), 구동축(2）등이 있다．

피스톤(5)은 한쪽이 진원통형이고 다른 쪽은 구면형으로 이루어져 있다． 실린더 블록(6)은 피스톤(5)이 삽입되는 곳으로 7∼11 개의 실린더 구멍이 일정한 간격으로 동일 피치원상에 가공되어 있다. 밸브 플레이트(7)는 펌프 후면 케이싱에 고정되며 그 위를 실린더 블록(6)이 고속으로 회전하고, 흡입 및 토출 포트가 설계되어 있다. 슈(4)는 피스톤(5)의 구부와 구면베어링으로 연결되어 고정된 사판(3) 위를 고속으로 회전하게 된다. 사판(3)은 구동축(2)에 일정한 각도를 가지고 기울어져 있으며 이 사판(3) 각도에 의해 피스톤 펌프의 토출유량이 결정된다. 구동축(2)은 일반적으로 사판식에서 실린더 블록(6)의 중심과 스플라인으로 결합되어 있다.

이러한 유압 피스톤 펌프의 작동원리는 다음과 같다.

먼저, 구동축(2)이 회전하면 구동축(2)과 연결된 실린더 블록(6)이 회전하게 된다. 실린더 블록(6)의 회전에 의해 피스톤(5)은 구면베어링으로 연결된 슈(4)를 통해 기울어진 사판(3) 면에 접하면서 회전하고 동시에 실린더 내를 왕복운동하게 된다.

실린더 블록(6)이 1회전할 때 피스톤(5)은 흡입 및 토출 행정을 한번씩 행하게 된다. 즉, 피스톤(5)이 실린더 내부로부터 빠져 나오는 반회전 구간에서는 흡입행정이 이루어지고, 피스톤(5)이 실린더 안쪽으로 들어가는 쪽으로 움직이는 반회전 구간에서는 토출행정이 이루어진다. 이러한 흡입·토출은 밸브 플레이트(7)에 설계된 흡입·토출 포트를 통해 반복적으로 이루어진다. 펌프의 경우 토출행정 동안 피스톤(5)은 유압력에 의해 사판(3)으로 밀어 붙여지지만, 그 반대의 경우인 흡 입행정 동안에는 실린더 블록(6) 내의 스프링력이 구면 부쉬를 통해 슈(4)를 사판(3)쪽으로 밀어 붙이기 때문에 슈(4)는 항상 사판(3)면 위를 접하면서 운동하게 된다.

도 2a는 종래의 밸브 플레이트(7)를 보인 개략적 정면도이고, 도 2b는 그 사용상태 단면도로써, 이러한 밸브 플레이트(7)에는 유압 피스톤 펌프(1)에서 압력맥동을 최소화하기 위해 노치(9) 및 오리피스(8)가 형성되어 있다. 그러나 이러한 방법으로 맥동을 감소시키는 것은 한계가 있다.

즉, 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이 밸브 플레이트(7)에 노치(9) 및 오리피스(8)를 설계하는 방법은 특정 작동조건에서 최적화하는 것이 가능하나, 그 영역을 벗어나면 오히려 역효과가 나타나 맥동이 증가하게 되어 작동조건이 변화하는 시스템에서는 사용하는데 한계를 가지고 있다.

즉 피스톤(5)에 의해 실린더 내부에 존재하는 작동유를 압축하는 것에 의한 압력상승과 오리피스(8) 및 노치(9)를 통하여 토출구로부터 유입되는 유량에 의한 압력상승을 고려하여 특정 회전속도 및 압력조건에 대해서 최적화를 수행할 수 있다.

그러나, 그 특정조건을 이외의 조건에서 작동을 하면 피스톤(5)의 압축에 의한 압력상승과 오리피스(8) 및 노치(9)를 통하여 유입되는 유량이 변화하기 때문에 실린더 내부 압력이 과다하게 상승하는 역효과가 나타날 수 있고, 그로 인해 압력맥동이 증가할 수 있다.

또한, 압력상승시 오리피스(8) 및 노치(9)를 통해 토출구의 압력이 직접적으 로 실린더 쪽으로 역류됨으로써 필수적으로 토출구에 큰 압력맥동을 유발하는 단점도 가지고 있다. 이는, 도 5의 종래 펌프의 토출구 유량변화 그래프에서 알 수 있듯이 종래 펌프의 경우 오리피스(8)와 노치(9)를 통해 실린더로 유입되는 유량이 크게 나타나며, 이것이 토출구 압력맥동에 직접적으로 영향을 주어 큰 압력맥동을 유발한다.

따라서, 종래의 유압 피스톤 펌프(1)의 구조는 압력맥동을 최소화하여 펌프를 저맥동·저소음화 하기에 구조적인 한계를 가지고 있으며, 이를 극복하여 압력맥동을 획기적으로 감소시키기 위해서는 새로운 방식의 접근이 필요하다.

상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 유압 펌프의 토출 압력맥동을 큰 폭으로 감소시켜서 저맥동·저소음 펌프를 구현하도록 하며 펌프를 사용하는 전체 유압시스템의 압력맥동에 기인한 소음을 감소시키고 제어성능을 향상시킬 수 있도록 한 유압 피스톤 펌프에서 체적설계를 이용한 압력맥동 저감장치를 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 유압 피스톤 펌프에서 체적설계를 이용한 압력맥동 저감장치는, 구동축과, 상기 구동축에 결합되어 이와 함께 회전되며 둘레에 다수의 실린더가 형성된 실린더 블록과, 일단이 상기 실린더 블록의 실린더 내부에 삽입되고 타단이 상기 실린더 외측으로 돌출된 피스톤들과, 상기 피스톤들의 타단들에 결합되고 상기 실린더 블록의 대응면에 대해 경사지게 설치되며 상기 피스톤이 실린더 내부를 왕복하는 것을 안내하는 슈와, 경사지게 설치된 상기 슈의 일측면 접촉되어서 상기 슈의 회전을 안내하는 사판과, 상기 실린더 블록의 후방에 설치되고 흡입구 및 토출구가 형성되며 상기 피스톤의 작동시 상기 유체를 상기 실린더 내부로 공급하거나 상기 실린더 내부의 유체를 배출시키는 밸브 플레이트로 이루어진 유압 피스톤 펌프에 있어서, 상기 밸브 플레이트의 내부에 제1체적 및 제2체적이 각각 형성되고, 상기 제1체적은 흡입에서 토출로 전환되는 영역의 실린더에 연결되며, 상기 제2체적은 상기 밸브 플레이트의 토출구에 유로로 연결되 는 것을 특징으로 한다.

본 발명 유압 피스톤 펌프에서 체적설계를 이용한 압력맥동 저감장치의 다른 특징은, 상기 제1체적 및 제2체적은, 흡입에서 토출로 전환되는 영역의 상기 밸브 플레이트 내에 형성된다.

본 발명 유압 피스톤 펌프에서 체적설계를 이용한 압력맥동 저감장치의 또 다른 특징은, 상기 제1체적은, 상기 실린더에 오리피스로 연결된다.

본 발명 유압 피스톤 펌프에서 체적설계를 이용한 압력맥동 저감장치의 또 다른 특징은, 상기 유로의 폭은, 토출구의 압력맥동의 주파수와 같은 주파수가 생성되도록 형성된다.

본 발명 유압 피스톤 펌프에서 체적설계를 이용한 압력맥동 저감장치의 또 다른 특징은, 상기 제1체적 및 제2체적은, 보조오리피스에 의해 서로 연결된다.

따라서, 유압 피스톤 펌프의 흡입에서 토출로 전환되는 영역에 제1체적 및 제2체적을 형성하고 각각의 체적을 오리피스를 통해 연결함으로서 펌프 토출구의 압력맥동을 큰 폭으로 감소시킬 수 있는 바, 1차적으로 실린더와 연결되는 제1체적에 의해 실린더 내부 압력변화를 최적화하여 압력맥동을 감소시키고, 2차적으로 토출구와 연결되는 제2체적에 의한 주파수 감쇠효과를 이용하여 추가적인 압력맥동 감소효과를 얻음으로서 큰 폭의 압력맥동 저감효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 구체적인 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조한 이하의 설명으로 더욱 명확해 질 것이다.

유압 피스톤 펌프는, 전체효율이 높고 광범위한 운전조건에 대응이 수월하며 고속·고압화가 가능하기 때문에 건설기계， 공작기계， 사출 성형기 등 산업 전반에 걸쳐 다른 형식의 유압 펌프에 비해 점점 그 사용이 증가되고 있다. 이에 따라, 유압 피스톤 펌프 설계를 향상시키기 위한 많은 연구들이 행해지고 있고, 다수의 유용한 설계기술들이 개발되었다.

한편, 유압 피스톤 펌프 작동압력의 고압화에 따라 유압 시스템의 방출 소음은 크게 증가되고 있는 실정이다. 최근 들어 이러한 소음문제가 유압 시스템에서 해결해야 할 중요한 과제로 대두되고 있으며, 이 문제를 해결하기 위해서는 주요 소음방출 원인인 압력맥동을 감소시키는 것이 중요하다. 이러한 압력맥동의 발생은 실린더 내부의 급격한 압력변동 때문에 발생하며, 이 압력변동을 최적화하여 고차 주파수가 발생하지 않도록 제어하는 것이 중요하다.

이를 달성하기 위해 도 3에서와 같은 유압 피스톤 펌프에서 체적설계를 이용한 압력맥동 저감장치가 개발되었는 바, 이는, 피스톤(5), 실린더 블록(12), 밸브 플레이트(13)가 구비되며, 이러한 부품들은 도 1에 도시한 바와 같이 슈(4), 사판(3), 구동축(2)에 연결되어 있다.

피스톤(5)은 한쪽이 진원통형이고 다른 쪽은 구면형으로 이루어져 있다. 실린더 블록(12)은 피스톤(5)이 삽입되는 곳으로 7∼11 개의 실린더 구멍이 일정한 간격으로 동일 피치원상에 가공되어 있다. 밸브 플레이트(13)는 펌프 후면 케이싱 에 고정되며 그 위를 실린더 블록(12)이 고속으로 회전하고, 흡입 및 토출 포트가 설계되어 있다. 도 1에 도시한 슈(4)는 피스톤(5)의 구부와 구면베어링으로 연결되어 고정된 도 1에 도시한 사판(3) 위를 고속으로 회전하게 된다. 도 1에 도시한 사판(3)은 구동축(2)에 일정한 각도를 가지고 기울어져 있으며 이 사판(3) 각도에 의해 펌프의 토출유량이 결정된다. 구동축(2)은 일반적으로 사판식에서 실린더 블록(12)의 중심과 스플라인으로 결합되어 있다.

여기서, 밸브 플레이트(13)에는 흡입구(14) 및 토출구(15)가 형성되어 있다. 그리고 흡입구(14)와 토출구(15) 사이 중, 흡입에서 토출로 전환되는 영역의 밸브 플레이트(13) 내에 오리피스(17)가 형성되어 있다. 오리피스(17)의 일측에는 어큐뮬레이터 역할을 할 수 있는 제1체적(16)이 형성되어 있으며, 이 제1체적(16)은 오리피스(17)에 연결되어 있어서 도 7에 도시한 바와 같이 실린더 내부의 급격한 압력변동을 완화시키게 된다.

또한, 밸브 플레이트(13) 내에는 토출구(15)측의 압력을 유도하여서 토출구(15) 측의 주파수가 감소되도록 하며 이에 따라 그 토출 압력맥동을 줄일 수 있도록 제2체적(18)을 추가로 형성한다. 이러한 제2체적(18)과 토출구(15)에는 토출 압력맥동의 주요 주파수와 같은 주파수가 생성되도록 유로(19)를 형성한다.

상술한 바와 같이 밸브 플레이트(13)에, 제1체적(16), 제2체적(18), 오리피스(17), 유로(19)를 형성하면, 실린더가 흡입에서 토출로 전환되는 순간에 필요한 유량을 제1체적(16)이 공급하게 된다. 즉 제1체적(16) 내의 유체가 오리피스(17)를 통해 흡입에서 토출로 전환되는 실린더 내부로 공급하므로써, 토출구(15)의 유량변 동이 줄어 들어 압력맥동이 줄어든다. 또한, 제2체적(18)에 의해 발생하는 주파수 감쇠효과에 의해 토출구(15)의 압력맥동이 추가적으로 제어됨으로서 압력맥동을 큰 폭으로 저감시킬 수 있다.

따라서, 1차적으로 실린더가 흡입에서 토출로 전환될 때 제1체적(16)에서 오리피스(17)를 통해 유체를 공급하므로 토출구(15)에서 실린더로 역류되는 유량을 감소시켜 압력맥동 폭을 줄이고, 2차적으로 토출구(15) 측으로 토출되는 유체를 유로(19)를 통해 제2체적(18)으로 유도되도록 하므로 토출 압력맥동 주파수가 감쇠되도록 하여서 추가적으로 압력맥동 폭을 줄인다. 그러므로 펌프의 토출 압력맥동을 크게 감소시킬 수 있다.

또한 토출 압력맥동 파형을 사인파형에 가깝게 제어함으로써 압력맥동 고주파 성분을 제거하고, 본 발명의 펌프가 사용되는 유압 시스템의 압력맥동에 기인한 소음을 감소시키고, 제어성능을 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 보인 개략적 부분 단면도로써, 이는 흡입에서 토출로 전환되는 시점의 실린더와 오리피스(17)로 연결되는 제1체적(16)과, 토출구(15)와 유로(19)로 연결되는 제2체적(18)이 보조오리피스(20)에 의해 서로 연결되어 있다.

이러한 본 발명은, 상술한 바와 같이 제1체적(16)에 의한 실린더 내부 압력변화의 최적화로 인해 압력맥동 감소가 발생하고, 동시에 제2체적(18)에 의한 토출구(15)의 압력맥동 감쇠효과가 나타나 압력맥동이 큰 폭으로 저감된다．

그리고 제1체적(16) 및 제2체적(18)을 보조오리피스(20)로 연결함으로서, 토출구(15)와 연결된 제2체적(18)과 보조오리피스(20)를 통해 유입되는 유량으로 인하여 제1체적(16)의 압력변동의 평균값이 상승하고, 압력변동 폭이 줄어들어 제1체적(16)에서 실린더 내부로의 유량 방출이 원활해진다. 이에 따라 실린더 내부로부터의 유량손실이 줄어들며 더욱더 압력맥동이 줄어드는 효과를 얻을 수 있다．

이러한 본 발명은, 도 3과 같이 1차적으로 제1체적(16)에 의해 실린더가 흡입에서 토출로 전환될 때 토출구(15)에서 실린더로 역류되는 유량을 감소시켜 압력맥동 폭을 줄이고, 2차적으로 제2체적(18)에 의해 압력맥동 주파수의 감쇠효과로 추가적으로 압력맥동 폭을 줄임으로써 펌프의 토출 압력맥동을 크게 감소시킬 수 있다.

그리고 제1체적(16) 및 제2체적(18)을 보조오리피스(20)로 연결함으로써 토출구(15)와 연결된 제2체적(18)과 오리피스(17)를 통해 유입되어 보충되는 유량으로 인하여 실린더와 연결된 체적의 압력변동의 평균값이 상승하고, 체적내의 압력변동 폭이 줄어들어 실린더 내부로의 유량 방출이 원활해지고, 실린더 내부로부터의 유량손실이 줄어들어 더욱더 토출 압력맥동이 줄어드는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 유압 피스톤 펌프(10)에서 체적설계를 이용한 압력맥동 저감장치는, 유압 피스톤 펌프(10)의 흡입에서 토출로 전환되는 영역에 제1체적(16) 및 제2체적(18)을 설계하고 제1체적(16) 및 제2체적(18)을 보조오리피스(20)를 통해 연결함으로서 도 6에 도시한 바와 같이 펌프 토출구(15)에 압력맥동을 큰 폭으로 감소 시킬 수 있다.

이는, 1차적으로 실린더와 연결되는 제1체적(16)에 의해 실린더 내부 압력변화를 최적화하여 압력맥동이 감소되며, 2차적으로 토출구(15)와 연결되는 제2체적(18)에 의한 주파수 감쇠효과를 이용하여 추가적인 압력맥동 감소효과를 얻음으로서 큰 폭의 압력맥동 저감효과를 얻을 수 있다.

이러한 효과는 도 5에 도시한 바와 같이 실린더 하나에 대한 토출구(15)의 유량변화를 비교해 봄으로써, 확실히 알 수 있다. 종래의 펌프의 토출구 유량변화를 보면 토출 초기에 노치(9)와 오리피스(8)를 통하여 실린더 쪽으로 큰 유량손실이 발생하는 것을 볼 수 있다.

이에 반해 본 발명의 펌프의 경우는, 실린더에서 필요한 유량은 제1체적(16) 내부로부터 공급되고 토출구(15)의 손실유량이 크게 줄어듬에 따라 토출구(15)의 압력맥동이 크게 감소되어 나타난다.

또한, 도 8에서와 같이 압력맥동에 대한 주파수 분석을 통해 종래의 펌프와 본 발명 펌프의 토출 압력맥동 주파수를 비교해 보면, 종래 펌프의 경우 1차， 2차 주파수 성분이 크게 나타나고 있음을 알 수 있다.

이에 반해 본 발명 펌프의 경우는 2차 성분이 사라지고, 1차 성분의 주파수 크기도 크게 감소한 것을 알 수 있다. 이렇게 토출 압력맥동의 파형을 사인파형에 가깝게 제어함으로서 유압 시스템의 소음에 영향을 주는 고주파 성분을 제거하여 결국 유압 시스템의 저소음화를 이룰 수 있다. 그리고 시스템 사용 압력의 맥동 폭을 감소시켜 제어성능을 향상시킬 수 있는 매우 유용한 발명이다.

도 1은 일반적인 유압 피스톤 펌프를 보인 단면도

도 2a 및 도 2b는 종래 밸브 플레이트를 보인 개략적 정면도 및 그 사용상태 단면도

도 3은 본 발명의 유압 피스톤 펌프에서 체적설계를 이용한 압력맥동 저감장치의 일 실시예를 보인 개략적 부분 단면도

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 보인 개략적 부분 단면도

도 5는 종래의 펌프 및 본 발명 펌프의 토출구의 유량변화를 비교한 그래프

도 6은 본 발명의 펌프 및 본 발명 펌프의 압력맥동을 비교한 그래프

도 7은 종래의 펌프와 및 본 발명 펌프의 실린더 내부의 압력변화를 비교한 그래프

도 8은 종래의 펌프와 본 발명 펌프의 압력맥동 주파수 분석을 비교한 그래프

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

5 : 피스톤 10 : 유압 피스톤 펌프

12 : 실린더 블록 13 : 밸브 플레이트

14 : 흡입구 15 : 토출구

16 : 제1체적 17 : 오리피스

18 : 제2체적 19 : 유로

20 : 보조오리피스

Claims (5)

1. 구동축과, 상기 구동축에 결합되어 이와 함께 회전되며 둘레에 다수의 실린더가 형성된 실린더 블록과, 일단이 상기 실린더 블록의 실린더 내부에 삽입되고 타단이 상기 실린더 외측으로 돌출된 피스톤들과, 상기 피스톤들의 타단들에 결합되고 상기 실린더 블록의 대응면에 대해 경사지게 설치되며 상기 피스톤이 실린더 내부를 왕복하는 것을 안내하는 슈와, 경사지게 설치된 상기 슈의 일측면 접촉되어서 상기 슈의 회전을 안내하는 사판과, 상기 실린더 블록의 후방에 설치되고 흡입구 및 토출구가 형성되며 상기 피스톤의 작동시 상기 유체를 상기 실린더 내부로 공급하거나 상기 실린더 내부의 유체를 배출시키는 밸브 플레이트로 이루어진 유압 피스톤 펌프에 있어서,

   상기 밸브 플레이트(13)의 내부에 제1체적(16) 및 제2체적(18)이 각각 형성되고,

   상기 제1체적(16)은 흡입에서 토출로 전환되는 영역의 실린더에 연결되며,

   상기 제2체적(18)은 상기 밸브 플레이트(13)의 토출구(15)에 유로(19)로 연결되는 것을 특징으로 하는 유압 피스톤 펌프에서 체적설계를 이용한 압력맥동 저감장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1체적(16) 및 제2체적(18)은,

   흡입에서 토출로 전환되는 영역의 상기 밸브 플레이트(13) 내에 형성되는 것 을 특징으로 하는 유압 피스톤 펌프에서 체적설계를 이용한 압력맥동 저감장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1체적(16)은,

   상기 실린더에 오리피스(17)로 연결되는 것을 특징으로 하는 유압 피스톤 펌프에서 체적설계를 이용한 압력맥동 저감장치.
4. 삭제
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1체적(16) 및 제2체적(18)은,

   보조오리피스(20)에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 유압 피스톤 펌프에서 체적설계를 이용한 압력맥동 저감장치.

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