KR101584429B1 - 사판식 피스톤 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전축의 방향전환 및 변속에 의한 저속회전시에도 피스톤슈와 경사판 사이의 유막을 이루는 압유의 역류를 방지하여 마찰에 의한 손상 및 파손을 최소화시켜 내구성 및 신뢰성을 확보할 수 있는 사판식 피스톤 펌프에 관한 것으로, 하우징과, 회전축과, 경사판과, 실린더블럭과, 각각의 일단에 구형의 피스톤볼이 상기 경사판의 경사면을 바라보도록 상기 실린더블럭의 실린더 각각에 축방향으로 왕복동 가능하게 삽입 설치되고, 타단으로부터 상기 피스톤볼까지 축방향으로 압유이동홀이 각각 관통 형성된 복수의 피스톤과, 각각의 일측에 소켓면이 형성되어 상기 피스톤 각각의 피스톤볼과 볼조인트 결합되고, 각각의 타측에 습동면이 형성되어 상기 경사판의 경사면에 접촉하여 습동하며, 상기 피스톤 각각의 압유이동홀과 연통되도록 각각의 상기 소켓면으로부터 상기 습동면까지 윤활이동홀이 각각 관통 형성된 복수의 피스톤슈와, 상기 피스톤 각각의 압유이동홀에 각각 고정 설치되고, 상기 피스톤의 타단으로부터 일단 방향으로 압유의 흐름은 개방하되 그와 반대되는 역방향으로는 압유의 흐름을 폐쇄하는 복수의 체크밸브를 포함하여 이루어진다.

Description

사판식 피스톤 펌프{SWASH PLATE TYPE PISTON PUMP}

본 발명은 사판의 경사에 의해 실린더 내 피스톤이 왕복 운동을 하여 압유의 흡입과 토출을 수행하는 사판식 피스톤 펌프에 관한 것이다.

일반적으로 피스톤 펌프는 피스톤의 왕복 운동에 의한 용적변화를 이용하여 압유의 흡입과 토출을 행하는 방식으로서, 그 중 사판의 경사에 의해 피스톤이 왕복 운동을 하게 되어 흡입과 토출을 행하는 것이 사판식 피스톤 펌프이다.

일반적으로 사판식 피스톤 펌프는 도 1에 도시된 바와 같이 하우징(10)과, 상기 하우징(10)을 관통하여 회전 가능하게 설치된 회전축(20)과, 상기 하우징(10)의 내부에 설치된 경사판(30)과, 상기 회전축(20)과 결합되어 함께 회전 가능하도록 상기 하우징(10)의 내부에 설치되고, 방사상 복수의 실린더(41)가 축방향으로 관통 형성되며, 상기 실린더(41) 각각의 내부로 압유가 공급 또는 토출되는 실린더블럭(40)과, 각각의 일단에 구형의 피스톤볼(51)이 상기 경사판(30)의 경사면(31)을 바라보도록 상기 실린더블럭(40)의 실린더(41) 각각에 축방향으로 왕복동 가능하게 삽입 설치되고, 타단으로부터 상기 피스톤볼(51)까지 축방향으로 압유이동홀(52)이 각각 관통 형성된 복수의 피스톤(50)과, 각각의 일측에 소켓면(61)이 형성되어 상기 피스톤(50) 각각의 피스톤볼(51)과 볼조인트 결합되고, 각각의 타측에 습동면(62)이 형성되어 상기 경사판(30)의 경사면(31)에 접촉하여 습동하며, 상기 피스톤(50) 각각의 압유이동홀(52)과 연통되도록 각각의 상기 소켓면(61)으로부터 상기 습동면(62)까지 윤활이동홀(63)이 각각 관통 형성된 복수의 피스톤슈(60)를 포함하여 이루어진다.

이러한 사판식 피스톤 펌프의 경우 피스톤(50)과 실린더(41) 사이(왕복동면), 피스톤(50)과 피스톤슈(60) 사이(볼조인트면), 피스톤슈(60)와 경사판(30)의 경사면(31) 사이(접동면)와 같은 상대 운동부가 있다. 이러한 상대 운동부의 미소 간극은 10㎛ 이하이고, 유체윤활에서 혼합 윤활의 상태로 되기 쉬운데 그 경우 표면 거칠기, 압유의 윤활성, 습동부 재료 등이 마찰특성에 영향을 준다.

상술한 사판식 피스톤 펌프의 상대 운동부 중 도 2에 도시된 바와 같이 피스톤슈(60)와 경사판(30)의 경사면(31) 사이의 경우 경사면(31) 위를 피스톤슈(60)가 일종의 정압베어링(hydrostatic bearing) 원리에 의해 습동하고 있어, 이 부분에서의 접동면 사이로 공급되는 압유의 양과 압력, 틈새 간극으로부터의 누설 등 여러 가지 다양한 윤활 특성을 지니게 된다.

상기 피스톤슈(60)와 경사면(31) 사이의 정압베어링 원리를 도 2를 참조하여 살펴보면, 사판식 피스톤 펌프는 왕복동하는 피스톤(50)에 의해 전달되는 실린더(41)의 체적유동을 활용한 펌프로서, 피스톤(50)은 왕복 운동에 따라 압력을 받게 되고, 경사판(30)과 마찰하게 된다. 이때 경사판(30)과 피스톤(50) 사이에 피스톤슈(60)가 개재되어 피스톤(50)의 왕복운동을 쉽게 유지하고, 실린더(41) 내부에 수용된 압유 중 일정량을 피스톤(50)의 압유이동홀(52) 및 피스톤슈(60)의 윤활이동홀(63)을 통해 피스톤슈(60)의 습동면(62)과 경사판(30)의 경사면(31) 사이로 유동시켜 베어링으로서 기능을 수행한다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이 피스톤(50)의 압유이동홀(52)을 통해 피스톤슈(60)의 윤활이동홀(63)로 압유가 누설됨에 따라 생성되는 유막으로 피스톤(50)의 압력을 받는 피스톤슈(60)는 경사판(30)으로부터 떠있는 상태로 유지된다. 바꿔말해서, 피스톤슈(60)의 윤활이동홀(63)에 모여있는 작동유가 습동면(62)의 외주 끝단으로 흐르면서 생성하는 유막에 의해 동작하게 된다. 따라서, 실린더(41)에 대한 피스톤(50)의 왕복동에 따라 일정한 유막을 유지하는 것이 중요하다. 이때, 습동면(62)의 외주 끝단으로 흐르는 압유는 피스톤슈(60)와 경사판(30) 사이를 흐르는 오리피스 유동으로 가정할 수 있고, 이러한 오리피스 유동을 유지하기 위해서는 피스톤슈(60)의 윤활이동홀(63) 내의 압력을 일정하게 유지하는 것이 필요하다.

피스톤슈(60)의 윤활이동홀(63) 내의 압력이 작으면 누설되는 유량은 적어지고, 반대로 압력이 높으면 누설되는 유량은 많아지게 되는데, 이를 유막 두께와의 관계에서 살펴보면 누설되는 유량이 적으면 유막의 두께는 작아지고, 누설되는 유량이 많으면 유막의 두께는 커진다. 회전축(20)의 회전에 따라 실린더블럭(40)과 피스톤(50)은 회전하고, 고정된 경사판(30)에 대하여 피스톤(50)은 왕복동한다. 이때 피스톤(50)의 왕복동은 실린더블럭(40)의 실린더(41) 내부로 압유가 공급되거나 또는 토출되는데, 이는 피스톤(50)의 흡입행정 및 토출행정으로 나눌 수 있다. 피스톤(50)의 흡입행정 및 토출행정시 피스톤(50)의 압유이동홀(52)과 연통된 피스톤슈(60)의 윤활이동홀(63)은 대기압 이하의 저압에서 고압으로 다시 저압으로 변화하면서 반복된다.

회전축(20)이 일방향으로 고속회전을 유지하는 정상상태에서는, 피스톤슈(60)의 윤활이동홀(63)은 대기압 이하의 저압부터 고압까지 반복적으로 압력이 변화하게 되는데, 회전축(20)의 회전수가 높을수록 윤활이동홀(63)의 압력이 변화하는 주파수(Hz)가 커지고, 이때 윤활이동홀(63)의 압력은 중간값으로 수렴한다. 이는 마치 스프링을 눈에 보이지 않을 정도로 빨리 힘을 가했다 줄였다 하면 스프링이 늘어나는 동작이 채 마치기 전에 줄어들어야 하고, 줄어드는 동작이 채 마치기 전에 늘어나서 스프링의 변위량이 중간값에 수렴하는 것과 같다.

즉, 정상상태에서의 피스톤슈(60)와 경사판(30) 사이의 유막 크기는 피스톤(50)의 왕복동에 따른 피스톤슈(60)의 윤활이동홀(63)의 압력 변화에 따라 최대 두께와 최소 두께 사이의 중간값에 수렴하고, 정상상태가 유지되는 한 안정적인 유막의 두께를 유지하게 된다.

굴삭기와 같은 건설장비의 유압시스템으로 널리 사용되고 있는 밸브제어 시스템은 유압모터 및 상기 유압모터로부터 회전력을 전달받아 유압을 펌핌하는 유압펌프가 일방향의 일정한 속도로 펌핑하고, 펌핑된 유압을 각종 유압라인에 설치된 다수의 밸브를 통해 속도, 압력 및 방향 등을 제어한다. 따라서, 유압펌프를 상기 사판식 피스톤 펌프로 사용하더라도 정상상태에서의 작동이 보장된다.

그러나, 최근에는 유압시스템으로서 펌프제어 시스템이 도입되고 있는데, 이는 유압모터 및 유압펌프 중 상기 유압모터를 전기서보모터로 대체하여 전기서보모터의 회전각 및 속도를 제어하는 방식으로 유압의 분배 및 크기를 밸브로 하지 않고, 전기서보모터로 직접 제어함으로써 최종적으로 엑추에이터의 위치, 속도 및 압력과 힘을 제어하고자 한다. 이러한 전기-유압 일체형 시스템, 즉 EHA(ELECTRIC HYDRAULIC ACTUATOR CONTROLING SYSTEM)시스템에 사용되는 유압펌프는 전기서보모터의 회전력을 회전축(20)에 전달받아 유압을 펌핑하게 되는데, 회전축(20)이 종래와 같은 일방향 고속 회전이 아니라, 정방향 및 역방향으로 수시로 변경되는 양방향 회전이고, 속도가 일정하지 않은 변속 회전을 하게 된다. 그에 따라 전기서보모터를 통해 유압을 발생하는 유압펌프를 직접 제어할 수 있는 것이다.

그렇다면, 상술한 EHA 시스템에 사용될 유압펌프를 양방향 및 변속회전이 가능한 사판식 피스톤 펌프를 사용할 수 있는지가 문제이다. 즉, 상술한 설명에서와 같이 사판식 피스톤 펌프에서 회전축(20)의 회전이 일방향 고속회전인 정상상태에서의 피스톤슈(60)와 경사판(30) 사이의 접동면에 형성된 유막은 안정적으로 유지되었지만, 상기 회전축(20)이 정방향에서 역방향으로 회전방향이 바뀌거나 고속회전에서 저속회전으로 바뀌게 될 경우와 같은 비정상상태에서의 피스톤슈(60)와 경사판(30) 사이의 유막 상태가 문제된다.

예컨대, 피스톤(50)이 실린더(41) 내부의 압유를 토출하는 과정인 압축상태일 때에는 피스톤(50)의 압유이동홀(52)과 연통된 피스톤슈(60)의 윤활이동홀(63) 내부의 압력은 고압상태이고, 피스톤(50)이 실린더(41) 내부로 압유가 공급되는 과정인 흡입상태일 때에는 피스톤슈(60)의 윤활이동홀(63) 내부의 압력은 대기압 이하의 저압상태, 거의 0bar에 가까워지는 상태가 된다. 따라서, 회전축(20)이 정방향에서 역방향으로 회전방향이 바뀌거나 고속회전에서 저속회전으로 변속될 경우 도 3에 도시된 바와 같이 피스톤(50)이 압축상태에서 흡입상태로 변화될 때 피스톤슈(60)의 윤활이동홀(63) 내부의 압력이 대기압 이하의 저압상태가 되면서 피스톤슈(60)와 경사판(30) 사이에 형성된 유막이 오히려 윤활이동홀(63)으로 역류하게 된다. 결국, 피스톤슈(60)와 경사판(30) 사이에 유막이 형성되지 못해 정압베어링으로서 충분한 기능을 수행할 수 없고, 그에 따라 마찰에 의한 손상 및 파손 우려가 커지고, 내구성이 현저히 떨어질 수밖에 없다.

이러한 상황은 양방향 사판식 피스톤 펌프에 있어서, 상술한 EHA 시스템에서와 같이 회전축(20)의 회전방향이 정역방향으로 변경이 심하고, 회전속도의 변속 역시 심한 경우에 피스톤슈(60)와 경사판(30) 사이의 접동면에 일어날 수밖에 없는 치명적인 문제이다.

상기와 같은 관점에서 안출된 본 발명의 목적은, 회전축의 방향전환 및 변속에 의한 저속회전시에도 피스톤슈와 경사판 사이의 유막을 이루는 압유의 역류를 방지하고, 유막을 유지할 수 있어 피스톤슈와 경사판 사이의 마찰에 의한 손상 및 파손을 최소화시켜 내구성 및 신뢰성을 확보할 수 있는 사판식 피스톤 펌프을 제공하는 데 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 사판식 피스톤 펌프는, 하우징과, 상기 하우징을 관통하여 회전 가능하게 설치된 회전축과, 상기 하우징의 내부에 설치된 경사판과, 상기 회전축과 결합되어 함께 회전 가능하도록 상기 하우징의 내부에 설치되고, 방사상 복수의 실린더가 축방향으로 관통 형성되며, 상기 실린더 각각의 내부로 압유가 공급 또는 토출되는 실린더블럭과, 각각의 일단에 구형의 피스톤볼이 상기 경사판의 경사면을 바라보도록 상기 실린더블럭의 실린더 각각에 축방향으로 왕복동 가능하게 삽입 설치되고, 타단으로부터 상기 피스톤볼까지 축방향으로 압유이동홀이 각각 관통 형성된 복수의 피스톤과, 각각의 일측에 소켓면이 형성되어 상기 피스톤 각각의 피스톤볼과 볼조인트 결합되고, 각각의 타측에 습동면이 형성되어 상기 경사판의 경사면에 접촉하여 습동하며, 상기 피스톤 각각의 압유이동홀과 연통되도록 각각의 상기 소켓면으로부터 상기 습동면까지 윤활이동홀이 각각 관통 형성된 복수의 피스톤슈와, 상기 피스톤 각각의 압유이동홀에 각각 고정 설치되고, 상기 피스톤의 타단으로부터 일단 방향으로 압유의 흐름은 개방하되 그와 반대되는 역방향으로는 압유의 흐름을 폐쇄하는 복수의 체크밸브를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 피스톤의 압유이동홀은, 상기 피스톤의 타단으로부터 일단까지 직경이 큰 확경부 및 상기 확경부로부터 단차지게 좁아지는 축경부를 포함하고, 상기 체크밸브는, 일단이 상기 압유이동홀의 확경부와 축경부 사이의 단차면에 안착되도록 상기 확경부에 삽입되고, 타단이 상기 압유이동홀의 확경부 내주면에 결합된 스냅링에 걸림 고정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 경사판은, 상기 경사면의 각도가 가변가능한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 피스톤슈 각각은, 상기 습동면 중앙에 내부로 함몰된 유압평형홈이 형성되고, 상기 유압평형홈의 중앙에 상기 윤활이동홀이 관통 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 피스톤슈 각각은, 상기 유압평형홈의 외주로부터 상기 습동면의 외주까지 나선형으로 함몰된 스파이럴홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 사판식 피스톤 펌프는, 피스톤의 압유이동홀에 설치된 체크밸브를 통해 회전축의 방향전환 및 변속에 의한 저속회전시에도 피스톤슈와 경사판 사이의 유막을 이루는 압유의 역류를 방지하고, 유막을 유지할 수 있어 피스톤슈와 경사판 사이의 마찰에 의한 손상 및 파손을 최소화시켜 내구성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.

도 1은 일반적인 사판식 피스톤 펌프의 일 실시예를 도시한 측단면도이고,
도 2는 도 1의 실시예의 피스톤, 피스톤슈 및 경사판을 도시한 요부 측단면도이며,
도 3은 도 1의 실시예에서 피스톤의 토출행정 및 흡입행정시에 유막을 이루는 압유의 흐름상태를 도시한 측단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 사판식 피스톤 펌프의 일 실시예를 도시한 측단면도이며,
도 5는 도 4의 실시예의 피스톤, 피스톤슈, 경사판 및 체크밸브를 도시한 요부 측단면도이고,
도 6은 도 4의 실시예에서 피스톤의 토출행정시에 유막을 이루는 압유의 흐름상태를 도시한 측단면도이며,
도 7은 도 4의 실시예에서 피스톤의 흡입행정시에 유막을 이루는 압유의 흐름상태를 도시한 측단면도이고,
도 8은 본 발명에 따른 사판식 피스톤 펌프의 다른 실시예를 도시한 측단면도이며,
도 9는 도 8의 실시예에서 경사판의 경사면 각도가 가변되는 과정을 도시한 측면도이고,
도 10 내지 12는 본 발명에 따른 사판식 피스톤 펌프 중 피스톤슈의 다양한 실시예를 각각의 습동면에 형성되는 유막의 반경방향에 따른 압력분포를 도시한 저면도 및 측단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 사판식 피스톤 펌프의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 사판식 피스톤 펌프는, 도 4 내지 10에 도시된 바와 같이 하우징(100), 회전축(200), 경사판(300), 실린더블럭(400), 피스톤(500), 피스톤슈(600) 및 체크밸브(700)를 포함하여 이루어지고, 스냅링(800)을 더 포함할 수 있다. 상기 경사판(300)에는 경사면(310)이 형성되고, 상기 실린더블럭(400)에는 복수의 실린더(410)가 형성되며, 상기 피스톤(500)은 피스톤볼(510) 및 압유이동홀(520)이 구비되고, 상기 피스톤슈(600)는 소켓면(610), 습동면(620) 및 윤활이동홀(630)이 형성된다. 또한, 도 11 및 12에 도시된 바와 같이 상기 피스톤슈(600)는 유압평형홈(640) 및 스파이럴홈(650)이 형성될 수 있다.

먼저, 본 발명은 사판의 경사에 의해 실린더 내 피스톤이 왕복 운동을 하여 압유의 흡입과 토출을 수행하는 사판식 피스톤 펌프로서, 회전축(200)이 일방향 고속회전을 하는 정상상태의 작동이 보장되는 밸브제어시스템은 물론이고, 특히 회전축(200)이 정방향 및 역방향으로 수시로 변경되는 양방향 회전이고, 속도가 일정하지 않은 변속 회전을 하는 펌프제어시스템으로서의 EHA시스템과 같은 유압시스템에 적용될 때 더욱 효과가 극대화된다.

이러한 본 발명에 따른 사판식 피스톤 펌프의 하우징(100)은 도 4에 도시된 바와 같이 후술하는 각종 구성요소가 내부에 취부 및 결합되고, 압유가 외부로 새어나가지 않도록 밀폐된다. 이러한 하우징(100)에는 후술할 회전축(200)과의 관계에서 복수의 베어링이 설치되고, 기밀을 위한 패킹 등이 설치된다. 하우징(100)의 축방향 전후로 커버가 결합되며, 후술할 실린더블럭(400)의 실린더(410) 내부로 압유가 흡입되거나 토출되도록 연통된 밸브플레이트가 설치된다.

회전축(200)은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 하우징(100)을 관통하여 회전 가능하게 설치된다. 회전축(200)은 유압시스템에서 유압모터의 회전력을 전달받아 회전하는 것으로서, 유압모터의 회전력이 일방향이든 양방향이든 상관없고, 유압모터가 전기서보모터로서 방향전환 및 가감속이 자유로운 것이라도 좋다. 따라서, 회전축(200)은 일방향 또는 양방향 회전 가능하며, 유압모터의 제어에 따라 가감속이 자유로울 수 있다.

경사판(300)은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 하우징(100)의 내부에 설치된다. 경사판(300)은 하우징(100)의 내부에 고정 설치되고, 기울어진 경사면(310)을 가지는데 경사판(300)의 경사면(310)을 통해 후술할 실린더블럭(400의 실린더(410) 내 피스톤(500)이 왕복 운동을 하여 압유의 흡입과 토출을 수행하게 된다.

실린더블럭(400)은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 회전축(200)과 결합되어 함께 회전 가능하도록 상기 하우징(100)의 내부에 설치되고, 방사상 복수의 실린더(410)가 축방향으로 관통 형성되며, 상기 실린더(410) 각각의 내부로 압유가 공급 또는 토출된다. 실린더블럭(400)은 명칭 그대로 복수의 실린더(410)가 합쳐진 것으로서, 복수의 실린더(410)는 방사상으로 형성되어 있다. 실린더블럭(400)은 회전축(200)과 스플라인 또는 키 결합되어 함께 회전한다. 실린더블럭(400)의 실린더(410) 각각은 내부로 압유가 공급되거나 토출되는데, 상술한 하우징(100)에 흡입유로 및 토출유로가 형성된 밸브플레이트가 설치되어 상기 실린더블럭(400)의 실린더(410) 각각과 연통되어 있다.

피스톤(500)은 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 복수가 구비되고, 각각의 일단에 구형의 피스톤볼(510)이 상기 경사판(300)의 경사면(310)을 바라보도록 상기 실린더블럭(400)의 실린더(410) 각각에 축방향으로 왕복동 가능하게 삽입 설치되고, 타단으로부터 상기 피스톤볼(510)까지 축방향으로 압유이동홀(520)이 각각 관통 형성된다. 피스톤(500)의 일단에는 구형의 피스톤볼(510)이 형성되는데, 피스톤볼(510)은 후술할 피스톤슈(600)와 볼조인트 결합되기 위한 구성이다. 또한, 피스톤(500)의 피스톤볼(510)은 경사판(300)의 경사면(100)을 바라보는데, 피스톤볼(510)은 후술할 피스톤슈(600)를 매개로 상기 경사판(300)의 경사면(100)과 접동하기 위한 것이다. 이러한 피스톤(500)은 실린더블럭(400)의 실린더(410)에 축방향으로 삽입되어 왕복동함으로써 실린더(410) 내부에 압유를 흡입 및 토출시켜 유압시스템의 회로에 유압을 발생시켜주는 것이다. 상기 피스톤(500)은 타단으로부터 피스톤볼(510)까지 축방향으로 압유이동홀(520)이 관통 형성되는데, 이는 실린더(410) 내부로 흡입 및 토출되는 압유를 피스톤(500)의 압유이동홀(520)을 통해 일정량 피스톤볼(510)의 전방으로 이동시켜, 후술할 피스톤슈(600)와 피스톤볼(510) 사이의 볼조인트면 및 피스톤슈(600)와 경사판(300)의 경사면(310) 사이의 접동면에 이동된 압유를 윤활오일로 사용하기 위한 것이다.

피스톤슈(600)는 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 역시 복수가 구비되고, 각각의 일측에 소켓면(610)이 형성되어 상기 피스톤(500) 각각의 피스톤볼(510)과 볼조인트 결합되고, 각각의 타측에 습동면(620)이 형성되어 상기 경사판(300)의 경사면(310)에 접촉하여 습동하며, 상기 피스톤(500) 각각의 압유이동홀(520)과 연통되도록 각각의 상기 소켓면(610)으로부터 상기 습동면(620)까지 윤활이동홀(630)이 각각 관통 형성된다. 피스톤슈(600)의 일측에 형성된 소켓면(610)은 피스톤(500)의 피스톤볼(510)과 볼조인트 결합되기 위한 구조이고, 피스톤슈(600)의 타측에 형성된 습동면(620)은 경사판(300)의 경사면(310)에 접촉하여 습동하기 위한 구조이다. 피스톤슈(600)의 습동면(620)은 경사판(300)의 경사면(310)과 정압베어링과 같은 원리로 습동하게 되는데, 이를 위하여 피스톤슈(600)의 소켓면(610)으로부터 습동면(620)까지 윤활이동홀(630)이 관통 형성된 것이다. 이러한 윤활이동홀(630)은 소켓면(610)에 볼조인트 결합된 피스톤볼(510)에 관통 형성된 압유이동홀(520)과 연통된다. 따라서, 실린더(410) 내에 흡입 및 토출되는 압유가 피스톤(500)의 타단에 관통 형성된 압유이동홀(520)로 일정량 들어오고, 압유이동홀(520)을 통해 피스톤볼(510)의 전방으로 나온다. 이때, 피스톤볼(510)과 피스톤슈(600)의 소켓면(610) 사이로 흘러나온 압유는 다시 소켓면(610)으로부터 습동면(620)까지 관통된 윤활이동홀(630)을 통해 습동면(620)과 경사판(300)의 경사면(310) 사이로 흐르면서 유막을 형성하게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 하우징(100), 회전축(200), 경사판(300), 실린더블럭(400), 피스톤(500) 및 피스톤슈(600)의 구성에 따라 경사판(300)의 경사면(310)에 의해 실린더블럭(400)의 실린더(410) 내 피스톤(500)이 왕복 운동을 하여 압유의 흡입과 토출을 수행하게 된다.

이때, 도 5에 도시된 바와 같이 피스톤(500)의 압유이동홀(520) 및 피스톤슈(600)의 윤활이동홀(630)을 통해 피스톤슈(600)의 습동면(620)과 경사판(300)의 경사면(310) 사이에 압유가 흐르면서 유막을 형성하여 마찰저항없이 상호 습동이 용이하게 한다. 특히, 도 3을 참조하여 도 6에 도시된 바와 같이 피스톤(500)이 실린더(410) 내에 압유를 토출할 때에는 실린더(410) 내부 압력이 상승하고, 그와 연통된 피스톤(500)의 압유이동홀(520) 및 피스톤슈(600)의 윤활이동홀(630) 역시 압력이 상승된 상태이므로 윤활이동홀(630)로 배출되는 압유의 양은 많아지면서 유막의 두께는 두꺼워져 습동면(630)과 경사면(310) 사이의 습동에 문제가 없다. 그러나, 도 3을 참조하여 도 7에 도시된 바와 같이 피스톤(500)이 실린더(410) 내로 압유를 흡입할 때에는 실린더(410) 내부 압력이 하강하고, 그와 연통된 피스톤(500)의 압유이동홀(520) 및 피스톤슈(600)의 윤활이동홀(630) 역시 압력이 하강된 상태이고, 대기압 이하로 낮아지면서 윤활이동홀(630)로 배출되어 유막을 형성한 압유가 윤활이동홀(630) 방향으로 역류하게 되는 문제가 발생한다.

물론, 상술한 역류 문제는 종래 회전축(200)이 단방향 고속회전을 하는 정상상태 작동이 보장된 밸브제어시스템과 같은 유압시스템에서는 전혀 문제가 되지 않았다. 왜냐하면 회전축(200)이 고속회전에 따라 피스톤(500)의 왕복 사이클, 즉 주파수가 커짐으로써 윤활이동홀(630)의 압력이 커지고 작아지는 간격이 매우 짧아 압력이 중간값에 수렴해지면서 형성된 유막의 크기 역시 중간값으로 수렴하기 때문이다. 그러나, 최근에 복잡한 회로 및 다량의 밸브를 생략하고 유압발생부터 직접 제어하기 위한 전기-유압 일체형 엑추에이터인 EHA시스템의 도입과 함께 회전축(200)이 양방향으로, 즉 정방향 및 역방향 전환이 자유롭고 가감속에 따른 변속이 필요해지면서 상술한 윤활이동홀(630)로의 역류문제가 발생하게 된다.

이러한 문제점을 장치의 구조적으로나 기능적으로 큰 변화를 주지 않으면서 매우 간단한 방법으로 해결할 수 있도록 구성한 것이 본 발명의 경사판식 피스톤 펌프이다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이 피스톤(500)이 실린더(410) 내에 압유를 토출할 때에는 종래와 같이 압유이동홀(520) 및 윤활이동홀(630)로 압유의 흐름을 연결하고, 반대로 도 7에 도시된 바와 같이 피스톤(500)이 실린더(410) 내로 압유를 흡입할 때에는 종래와 달리 윤활이동홀(630)로부터 압유이동홀(520) 방향으로 흐르는 압유의 흐름을 차단하여 유막을 형성한 압유의 역류를 방지함으로써 유막을 유지할 수 있는 것이다. 이러한 기능을 구현하기 위해 체크밸브(700)가 설치된다.

즉, 체크밸브(700)는 도 4 내지 7에 도시된 바와 같이 복수가 구비되어 상기 피스톤(500) 각각의 압유이동홀(520)에 각각 고정 설치되고, 상기 피스톤(500)의 타단으로부터 일단 방향으로 압유의 흐름은 개방하되 그와 반대되는 역방향으로는 압유의 흐름을 폐쇄한다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이 피스톤(500)이 실린더(410) 내에 압유를 토출할 때에는 실린더(410) 내부 압력이 상승하기 때문에 압유이동홀(520)로부터 윤활이동홀(630) 방향, 즉 피스톤(500)의 타단으로부터 일단 방향으로 압유가 흘러가도록 체크밸브(700)가 개방되고, 반대로 도 7에 도시된 바와 같이 피스톤(500)이 실린더(410) 내로 압유를 흡입할 때에는 윤활이동홀(630)로부터 압유이동홀(520) 방향, 즉 피스톤(500)의 일단으로부터 타단방향으로 압유가 흘러가지 못하도록 폐쇄하는 것이다.

상기 체크밸브(700)가 피스톤슈(600)의 윤활이동홀(630)에 설치되지 않고 피스톤(500)의 압유이동홀(520)에 설치된 이유는, 첫째 피스톤슈(600)의 크기도 작을 뿐만 아니라 윤활이동홀(630) 역시 작은 크기로서 체크밸브(700)가 설치되기 어렵고, 둘째 피스톤슈(600)의 소켓면(610)과 피스톤(500)의 피스톤볼(510)과의 볼조인트면에도 윤활을 위한 압유가 필요하기 때문이며, 셋째 체크밸브(700)의 작동으로 압유의 역방향 흐름을 차단시 차단 전까지 역류 차단된 압유가 윤활시 외부로 새어나가도 유막 형성을 위한 여분의 압유가 충분히 남아있도록 하기 위한 것이다.

상술한 체크밸브(700)의 설치위치에 대한 이유를 보다 구체적으로 구현하기 위하여, 도 5 내지 7에 도시된 바와 같이 상기 피스톤(500)의 압유이동홀(520)은 상기 피스톤(500)의 타단으로부터 일단까지 직경이 큰 확경부(521) 및 상기 확경부(521)로부터 단차지게 좁아지는 축경부(522)를 포함한다. 이때, 체크밸브(700)는 일단이 상기 압유이동홀(520)의 확경부(521)와 축경부(522) 사이의 단차면(523)에 안착되도록 상기 확경부(521)에 삽입되고, 타단이 상기 압유이동홀(520)의 확경부(521) 내주면에 결합된 스냅링(800)에 걸림 고정된다. 이러한 체크밸브(700)의 설치 방식은 종래의 일반적인 구조를 가진 사판식 피스톤 펌프의 구조를 큰 변경없이 체크밸브(700) 및 스냅링(800)만을 결합 및 설치하면 족하므로 종래의 구조로부터 본 발명의 구조로 전환하기가 매우 편리한 이점이 있다. 더욱이, 상술한 체크밸브(700)의 설치 요건 중, 첫째 피스톤(500)의 압유이동홀(520) 중 확경부(520)와 같이 큰 직경에 설치함으로써 별도의 무리한 가공이 필요없이 설치의 편의성이 있으며, 둘째 압유이동홀(520)에 설치되기 때문에 역류 차단시 볼조인트면에도 윤활을 위한 압유가 남아있게 되고, 셋째 축경부(522)의 좁은 부분보다는 확경부(521)의 넓은 직경의 범위로 차단함으로써 확경부(521)의 일부 영역과 축경부(522)의 영역이 차단시 유막 형성을 위한 여분의 압유로서 충분히 남아 있게 된다.

한편, 도 8 및 9에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 사판식 피스톤 펌프는 경사판(300)의 경사면(310) 각도가 가변 가능하게 구성할 수 있다. 경사판(300)의 경사면(310) 각도를 가변시키기 위한 구성은 간단하게 도 9에 도시된 바와 같이 경사판(300)을 힌지 구성하고, 별도의 엑추에이터로 회전시켜 경사면(310)의 각도를 가변시킬 수 있을 것이다. 이러한 경사면(310)의 각도가 가변됨으로써 실린더(410) 내의 흡입 및 토출되는 압유의 용적이 변화되기 때문에 이를 용적가변형 사판식 피스톤 펌프라고 한다.

또한, 상기 피스톤슈(600) 각각은 습동면(620)에 윤활이동홀(630)만 형성될 경우, 피스톤(500)이 실린더(410) 내에 압유를 토출할 때 윤활이동홀(630)을 통해 흘러나온 압유가 경사판(300)의 경사면(310) 사이에서 유막을 형성하면서 습동면(620)의 반경방향으로 형성된 유막의 압력분포를 도 10에 도시하였다. 도시된 바와 같이 윤활이동홀(630)의 직경까지 압력이 높은 상태에서 반경방향 외주로 갈수록 압력이 낮아짐을 알 수 있다. 이러한 압력 변화를 볼때 습동면(620)의 형상에 따라 유막의 두께나 형성된 유막의 압력이 커질수록 습동이 용이할 것임을 알 수 있다.

이러한 유막의 압력을 상승시키고, 유막의 두께를 강화하기 위하여 도 11 및 12에 도시된 바와 같이 상기 피스톤슈(600) 각각의 습동면(620) 형상을 다양하게 할 수 있으며, 물론 이 경우 습동면(620)이 경사판(300)의 경사면(310)과 습동시 견딜수 있는 강성을 고려하여 설계하여야 한다. 즉, 상기 피스톤슈(600) 각각은 도 11에 도시된 바와 같이 상기 습동면(620) 중앙에 내부로 함몰된 유압평형홈(640)이 형성되고, 상기 유압평형홈(640)의 중앙에 상기 윤활이동홀(630)이 관통 형성될 수 있다. 이는 유압평형홈(640)의 직경범위까지 유막의 압력을 높이면서 평형을 이루도록 하기 위한 구성이다. 또한, 상기 피스톤슈(600) 각각은 도 12에 도시된 바와 같이 상기 유압평형홈(640)의 외주로부터 상기 습동면(620)의 외주까지 나선형으로 함몰된 스파이럴홈(650)이 형성될 수 있다. 이러한 스파이럴홈(650)은 유압평형홈(640)의 외주로부터 습동면(620)의 외주까지 유막의 압력 감소를 늦춰 전체적인 유막의 압력을 높이기 위한 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 사판식 피스톤 펌프는, 피스톤(500)의 압유이동홀(520)에 설치된 체크밸브(700)를 통해 회전축(200)의 방향전환 및 변속에 의한 저속회전시에도 피스톤슈(600)와 경사판(300) 사이의 유막을 이루는 압유의 역류를 방지하고, 유막을 유지할 수 있어 피스톤슈(600)와 경사판(300) 사이의 마찰에 의한 손상 및 파손을 최소화시켜 내구성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

100 : 하우징
200 : 회전축
300 : 경사판 310 : 경사면
400 : 실린더블럭 410 : 실린더
500 : 피스톤 510 : 피스톤볼
520 : 압유이동홀 521 : 확경부
522 : 축경부 523 : 단차면
600 : 피스톤슈 610 : 소켓면
620 : 습동면 630 : 윤활이동홀
640 : 유압평형홈 650 : 스파이럴홈
700 : 체크밸브
800 : 스냅링

Claims (5)

1. 하우징과, 상기 하우징을 관통하여 회전 가능하게 설치된 회전축과, 상기 하우징의 내부에 설치된 경사판과, 상기 회전축과 결합되어 함께 회전 가능하도록 상기 하우징의 내부에 설치되고, 방사상 복수의 실린더가 축방향으로 관통 형성되며, 상기 실린더 각각의 내부로 압유가 공급 또는 토출되는 실린더블럭과, 각각의 일단에 구형의 피스톤볼이 상기 경사판의 경사면을 바라보도록 상기 실린더블럭의 실린더 각각에 축방향으로 왕복동 가능하게 삽입 설치되고, 타단으로부터 상기 피스톤볼까지 축방향으로 압유이동홀이 각각 관통 형성된 복수의 피스톤과, 각각의 일측에 소켓면이 형성되어 상기 피스톤 각각의 피스톤볼과 볼조인트 결합되고, 각각의 타측에 습동면이 형성되어 상기 경사판의 경사면에 접촉하여 습동하며, 상기 피스톤 각각의 압유이동홀과 연통되도록 각각의 상기 소켓면으로부터 상기 습동면까지 윤활이동홀이 각각 관통 형성된 복수의 피스톤슈와, 상기 피스톤 각각의 압유이동홀에 각각 고정 설치되고, 상기 피스톤의 타단으로부터 일단 방향으로 압유의 흐름은 개방하되 그와 반대되는 역방향으로는 압유의 흐름을 폐쇄하는 복수의 체크밸브를 포함하고,
   상기 피스톤 각각의 압유이동홀은,
   상기 피스톤의 타단으로부터 일단까지 직경이 큰 확경부 및 상기 확경부로부터 단차지게 좁아지는 축경부를 포함하고,
   상기 체크밸브 각각은,
   일단이 상기 압유이동홀의 확경부와 축경부 사이의 단차면에 안착되도록 상기 확경부에 삽입되고, 타단이 상기 압유이동홀의 확경부 내주면에 결합된 스냅링에 걸림 고정되고,
   상기 피스톤슈 각각은,
   상기 습동면 중앙에 내부로 함몰된 유압평형홈이 형성되며, 상기 유압평형홈의 중앙에 상기 윤활이동홀이 관통 형성되고, 상기 유압평형홈의 외주로부터 상기 습동면의 외주까지 나선형으로 함몰된 스파이럴홈이 형성된 것을 특징으로 하는 사판식 피스톤 펌프.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 경사판은,
   상기 경사면의 각도가 가변가능한 것을 특징으로 하는 사판식 피스톤 펌프.
   
4. 삭제
5. 삭제

Images