KR101886476B1 - 미끄럼 접촉 부재 및 피스톤 펌프ㆍ모터 - Google Patents

미끄럼 접촉 부재 및 피스톤 펌프ㆍ모터 Download PDF

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Abstract

서로 미끄럼 접촉하는 미끄럼 접촉 부재이며, 한쪽의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉부는 아몰퍼스 탄소에 의해 형성되고, 다른 쪽의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉부는 구리 합금 또는 알루미늄 합금에 의해 형성된다.

Description

미끄럼 접촉 부재 및 피스톤 펌프ㆍ모터{SLIDING MEMBERS AND PISTON PUMP MOTOR}
본 발명은, 서로 미끄럼 접촉하는 미끄럼 접촉 부재, 및 그것들 미끄럼 접촉 부재를 사용한 피스톤 펌프ㆍ모터에 관한 것이다.
일본 특허 공개 제2005-257035호 공보에는, 철강 재료의 부재에 미끄럼 접촉하는 미끄럼 접촉 부재를, 철강 재료에 대한 내 시징성(seizure resistance)이 우수한 구리 합금에 의해 형성하는 것이 개시되어 있다. 구리 합금으로서는, 납 청동이 많이 사용된다.
그러나, 납 청동은 인체에 유해한 납을 갖고 있기 때문에, 납 프리의 재료에 의해 미끄럼 접촉 부재를 형성하는 것이 요구되고 있다.
그로 인해, 철강 재료의 부재에 미끄럼 접촉하는 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉면에, 고경도 및 저마찰성의 아몰퍼스 탄소막(소위 다이아몬드 라이크 카본 막)을 형성하고, 2개의 부재 간의 미끄럼 이동성을 높이는 것도 고려된다. 그러나, 철강 재료의 부재와, 아몰퍼스 탄소막을 갖는 부재의 미끄럼 접촉면 사이에 미소 이물(소위 콘터미네이션)이 침입한 경우에는, 미소 이물에 의해 아몰퍼스 탄소막이 손상하여, 아몰퍼스 탄소막이 미끄럼 접촉 부재로부터 박리해버릴 우려가 있다.
본 발명의 목적은, 2개의 부재 간의 미끄럼 이동성을 높이면서, 아몰퍼스 탄소막의 박리를 억제할 수 있는 2개의 미끄럼 접촉 부재, 및 그것들 미끄럼 접촉 부재를 사용한 피스톤 펌프ㆍ모터를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 형태에 의하면, 서로 미끄럼 접촉하는 미끄럼 접촉 부재가 제공된다. 한쪽의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉부는 아몰퍼스 탄소에 의해 형성되고, 다른 쪽의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉부는 구리 합금 또는 알루미늄 합금에 의해 형성된다.
본 발명의 실시 형태 및 이점에 대해서는, 첨부된 도면을 참조하면서 이하에 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 의한 피스톤 펌프ㆍ모터의 단면도이다.
도 2는, 한쪽의 미끄럼 접촉 부재를 다른 쪽의 미끄럼 접촉 부재에 대하여 미끄럼 이동시켰을 때의 시징 하중에 대해서 설명하는 도면이다.
도 3은, 인 청동과 각종 아몰퍼스 탄소의 시징성을 나타내는 도면이다.
도 4는, 각종 구리 합금과 크롬을 포함하는 수소화 아몰퍼스 탄소 등의 시징성을 나타내는 도면이다.
도 5는, 각종 알루미늄 합금과 크롬을 포함하는 수소화 아몰퍼스 탄소 등의 시징성을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 의한 경사판형의 피스톤 펌프ㆍ모터(100)의 구성에 대해서 설명한다.
피스톤 펌프ㆍ모터(100)는, 외부로부터의 동력에 의해 구동축(1)이 회전해서 피스톤(5)이 왕복 이동함으로써, 작동유(작동 유체)를 공급 가능한 펌프로서 기능하고, 또한 외부로부터 공급되는 작동유의 압력에 의해 피스톤(5)이 왕복 이동하여 구동축(1)이 회전함으로써, 회전 구동력이 출력 가능한 모터로서 기능한다.
도 1에 나타내는 피스톤 펌프ㆍ모터(100)는, 건설 기계 등의 차량에 탑재되고, 작동유를 공급하는 펌프로서 사용한 경우를 예시한 것이다. 따라서, 이하에서는 피스톤 펌프(100)로서 설명한다. 이 경우, 차량에 탑재된 엔진의 동력에 의해 구동축(1)이 회전 구동되고, 피스톤 펌프(100)는 액추에이터 등에 작동유를 공급한다.
피스톤 펌프(100)는, 케이스(21, 22)에 회전 가능하게 지지되는 구동축(1)과, 케이스(21, 22)에 의해 구획 형성되는 수용실(23) 내에 수용되는 실린더 블럭(2)을 구비한다.
구동축(1)은, 막대 형상 부재이며, 엔진의 동력에 의해 회전 구동된다. 구동축(1)에는, 구동축(1)의 회전에 따라 회전하는 실린더 블럭(2)이 설치된다.
실린더 블럭(2)은, 바닥이 있는 원통 형상 부재이다. 실린더 블럭(2)에는, 구동축(1)과 평행하게 복수의 실린더 보어(3)가 개구해서 형성된다. 실린더 보어(3)에는, 용적실(4)을 구획 형성하는 피스톤(5)이 왕복 이동 가능하게 삽입된다.
피스톤(5)의 선단에는, 슈(10)가 회동 가능하게 연결된다. 슈(10)는, 원형의 평판부(11)와, 이것들 평판부(11)에 일체 형성된 구면좌(12)로 구성된다. 각 구면좌(12)는 각각의 피스톤(5)의 선단부에 설치되어 있고, 슈(10)의 평판부(11)는 케이스(21)에 고정된 경사판(20)에 면 접촉하도록 배치되어 있다.
엔진의 동력에 의해 구동축(1)이 회전 구동되고, 실린더 블럭(2)이 회전하면, 각 슈(10)의 평판부(11)가 경사판(20)에 대하여 미끄럼 이동하고, 각 피스톤(5)이 경사판(20)의 경사 각도에 따른 스트로크량으로 실린더 보어(3)를 따라 왕복 이동한다. 각 피스톤(5)의 왕복 이동에 의해, 각 용적실(4)의 용적이 증감한다.
케이스(21)의 개구단부를 폐색하는 케이스(22)에는, 실린더 블럭(2)의 기단부면이 미끄럼 접촉하는 밸브 플레이트(6)가 고정된다. 밸브 플레이트(6)에는, 도시하지 않은 흡입 포트 및 토출 포트가 형성되어 있다. 실린더 블럭(2)의 회전에 의해 확대되는 용적실(4)에는 흡입 포트를 통해서 작동유가 유도되고, 실린더 블럭(2)의 회전에 의해 축소되는 용적실(4)로부터는 배출 포트를 통해서 작동유가 토출된다. 이렇게 피스톤 펌프(100)에서는, 실린더 블럭(2)의 회전에 수반하여, 작동유의 흡입과 토출이 연속적으로 행해진다.
또한, 본 실시 형태의 피스톤 펌프(100)에서는, 경사판(20)을, 케이스(21)에 고정했지만, 틸팅각도를 조정할 수 있도록 케이스(21) 내에 회동 가능하게 배치해도 좋다.
피스톤 펌프(100)의 운전 중은, 실린더 블럭(2)은, 밸브 플레이트(6)에 대하여 미끄럼 이동하고 있다. 따라서, 피스톤(5)의 왕복 이동이 원활하게 행해지고, 안정된 작동유의 흡입 및 토출이 행해지기 위해서는, 실린더 블럭(2)과 밸브 플레이트(6)의 미끄럼 이동성을 높일 필요가 있다. 그로 인해, 본 실시 형태에서는, 실린더 블럭(2)의 미끄럼 접촉면을 구리 합금에 의해 형성하고, 밸브 플레이트(6)의 미끄럼 접촉면을 아몰퍼스 탄소(소위 다이아몬드 라이크 카본)에 의해 형성한다.
실린더 블럭(2)은, 다이스강(SKD11) 등의 철강 재료에 의해 형성된 바닥이 있는 원통 형상 부재이다. 밸브 플레이트(6)에 대하여 미끄럼 접촉하는 실린더 블럭(2)의 단부면에는, 소결 등의 기지의 방법에 의해, 인 청동(CA502)에 의한 층(막)이 설치된다. 이렇게 실린더 블럭(2)의 미끄럼 접촉면(미끄럼 접촉부)은, 실린더 블럭(2)의 모재인 철강 재료나 후술하는 아몰퍼스 탄소보다도 저경도의 인 청동에 의해 형성되어 있다. 인 청동은, 납을 포함하지 않는 납 프리의 구리 합금이다.
밸브 플레이트(6)는, 다이스강(SKD11) 등의 철강 재료에 의해 형성된 원판 형상 부재이다. 실린더 블럭(2)에 대하여 미끄럼 접촉하는 밸브 플레이트(6)의 단부면에는, 물리 증착법(PVD)이나 화학 증착법(CVD) 등의 기지의 방법에 의해, 아몰퍼스 탄소에 의한 층(막)이 설치된다. 이렇게 밸브 플레이트(6)의 미끄럼 접촉면(미끄럼 접촉부)은, 밸브 플레이트(6)의 모재인 철강 재료나 인 청동 등의 구리 합금보다도 고경도 및 저마찰성의 아몰퍼스 탄소에 의해 형성되어 있다. 밸브 플레이트(6)의 미끄럼 접촉면을 형성하는 아몰퍼스 탄소는, 크롬(Cr) 등의 금속이 도프(dope)된 수소화 아몰퍼스 탄소[a-C:H(Cr)]이다.
도 2는, 미끄럼 접촉면에 구리 합금이나 수소화 아몰퍼스 탄소의 층을 갖는 2개의 미끄럼 접촉 부재의 시징성(seizure property)을 검증한 그래프이다. 이 그래프는, 한쪽의 미끄럼 접촉 부재를 회전시키고, 회전측의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉면의 일부분에 고정측의 미끄럼 접촉 부재를 눌렀을 경우에 있어서, 양쪽 미끄럼 접촉 부재가 시징시의 시징 하중을 나타내고 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 납 청동(CAC603)의 미끄럼 접촉면을 갖는 미끄럼 접촉 부재에 주철 재료(FCD700)로 형성된 미끄럼 접촉 부재를 눌렀을 때의 시징 하중은, 납 프리의 인 청동(CAC502)의 미끄럼 접촉면을 갖는 미끄럼 접촉 부재에 주철 재료로 형성된 미끄럼 접촉 부재를 눌렀을 때보다도 높아진다. 주철 재료에 대한 내 시징성에 관해서는, 인 청동보다도 납 청동 쪽이 우수하다.
이에 대해, 인 청동의 미끄럼 접촉면을 갖는 회전측의 미끄럼 접촉 부재(모재:SKD11)에, 크롬을 도프한 수소화 아몰퍼스 탄소[a-C:H(Cr)]의 미끄럼 접촉면을 갖는 미끄럼 접촉 부재(모재:SKD11)를 눌렀을 경우에는, 금회의 실험에서는 시징이 발생하지 않았다. 또한, 크롬을 도프한 수소화 아몰퍼스 탄소의 미끄럼 접촉면을 갖는 회전측의 미끄럼 접촉 부재에, 인 청동의 미끄럼 접촉면을 갖는 고정측의 미끄럼 접촉 부재를 눌렀을 경우에도, 시징이 발생하지 않았다.
이와 같이, 한쪽의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉면을 크롬을 도프한 수소화 아몰퍼스 탄소로 하고, 다른 쪽의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉면을 인 청동으로 함으로써, 양쪽 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 이동성이 대폭 향상하는 것이 확인되었다.
또한, 회전측을 인 청동의 미끄럼 접촉면을 갖는 미끄럼 접촉 부재로 했을 경우에는, 고경도의 수소화 아몰퍼스 탄소의 미끄럼 접촉면과 접하는 인 청동의 미끄럼 접촉면의 위치가 회전에 의해 변화하기 때문에, 시징이 어렵다. 이에 대해, 회전측을 수소화 아몰퍼스 탄소의 미끄럼 접촉면을 갖는 미끄럼 접촉 부재로 했을 경우에는, 인 청동의 미끄럼 접촉면 전체를 수소화 아몰퍼스 탄소의 미끄럼 접촉면이 부분적으로 계속해서 미끄럼 이동하므로, 전술한 경우보다는 시징이 쉽다고 생각된다.
상기와 같은 지식에 기초하여, 피스톤 펌프(100)에서는, 회전측의 실린더 블럭(2)의 미끄럼 접촉면을 인 청동에 의해 형성하고, 고정측의 밸브 플레이트(6)의 미끄럼 접촉면을 크롬을 도프한 수소화 아몰퍼스 탄소에 의해 형성하는 것이 바람직하다. 피스톤 펌프(100)에서는, 실린더 블럭(2) 및 밸브 플레이트(6)의 미끄럼 접촉면 간의 면압은 토출 압력의 영향에 의해 흡입 포트측보다도 토출 포트측이 높고, 실린더 블럭(2)이 밸브 플레이트(6)에 대하여 약간 한쪽으로 치우친 상태에서 회전하기 때문에, 밸브 플레이트(6)측에 고경도의 수소화 아몰퍼스 탄소의 미끄럼 접촉면을 형성함으로써, 실린더 블럭(2)과 밸브 플레이트(6)의 미끄럼 이동성을 향상시킬 수 있고, 또한 양쪽 미끄럼 접촉면의 마모도 억제할 수 있다. 단, 내 시징성의 관점에서는, 실린더 블럭(2)의 미끄럼 접촉면을 크롬을 도프한 수소화 아몰퍼스 탄소에 의해 형성하고, 밸브 플레이트(6)의 미끄럼 접촉면을 인 청동에 의해 형성해도 좋다.
또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 회전측 또는 고정측의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉면을, 금속을 도프하지 않고 있는 수소화 아몰퍼스 탄소(a-C:H)에 의해 형성한 경우에 있어서도, 수소화 아몰퍼스 탄소(a-C:H)와 인 청동의 시징은 발생하지 않았다.
따라서, 피스톤 펌프(100)에서는, 실린더 블럭(2) 및 밸브 플레이트(6) 중, 한쪽의 부재의 미끄럼 접촉면을 금속을 도프하고 있지 않은 수소화 아몰퍼스 탄소에 의해 형성하고, 다른 쪽 부재의 미끄럼 접촉면을 인 청동에 의해 형성해도 좋다. 또한, 수소화 아몰퍼스 탄소(a-C:H) 대신에 수소를 포함하지 않은 테트라헤드럴 아몰퍼스 탄소(ta-C)를 사용해도 좋다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 실린더 블럭(2) 및 밸브 플레이트(6) 중, 한쪽 부재의 미끄럼 접촉면을 테트라헤드럴 아몰퍼스 탄소(ta-C)로 형성하고, 다른 쪽 부재의 미끄럼 접촉면을 인 청동으로 형성한 경우라도, 크롬을 도프한 수소화 아몰퍼스 탄소[a-C:H(Cr)]와 인 청동의 조합 등과 거의 동일 정도의 시징성 개선 효과가 얻어진다.
상기한 본 실시 형태의 피스톤 펌프(100)에 의하면, 이하의 효과를 얻을 수 있다.
피스톤 펌프(100)에서는, 실린더 블럭(2)의 미끄럼 접촉면을 인 청동(CAC502)에 의해 형성하고, 밸브 플레이트(6)의 미끄럼 접촉면을 크롬을 도프한 수소화 아몰퍼스 탄소[a-C:H(Cr)]에 의해 형성하므로, 실린더 블럭(2) 및 밸브 플레이트(6)의 미끄럼 이동성을 높일 수 있다. 또한, 실린더 블럭(2)이 한쪽으로 치우친 상태에서 밸브 플레이트(6)에 미끄럼 접촉한 경우라도, 실린더 블럭(2) 및 밸브 플레이트(6)의 양쪽 미끄럼 접촉면의 마모를 억제할 수 있다. 또한, 인 청동은 납을 포함하지 않는 구리 합금이므로, 사람이나 환경 등에 악영향을 미치는 적이 없다.
실린더 블럭(2)의 미끄럼 접촉면은 철강 재료 등의 금속과 비교해서 무른 인 청동(구리 합금)에 의해 형성되어 있으므로, 밸브 플레이트(6)와 실린더 블럭(2)의 미끄럼 접촉면 사이에 미소 이물이 침입한 경우, 미소 이물이 실린더 블럭(2)의 인 청동의 미끄럼 접촉면에 매몰하도록 파고 들어가, 미소 이물에 의해 밸브 플레이트(6)의 수소화 아몰퍼스 탄소막이 손상되기 어려워진다. 이에 의해, 밸브 플레이트(6)의 수소화 아몰퍼스 탄소막의 박리가 억제된다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명했지만, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸데 지나지 않고, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정하는 취지가 아니다.
서로 미끄럼 접촉하는 실린더 블럭(2) 및 밸브 플레이트(6)와 같은 미끄럼 접촉 부재에 있어서, 이것들 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉면을 형성하는 구리 합금 및 아몰퍼스 탄소의 조합으로서는, 예를 들어 표 1과 같은 조합이 고려된다.
Figure 112014045617428-pct00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 한쪽의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉면을 크롬 등의 금속이 도프된 수소화 아몰퍼스 탄소[a-C:H(Cr)]로 형성한 경우에는, 다른 쪽의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉면은, 인 청동(CAC502)이나, 비스무트(Bi)를 포함하는 구리 합금, S재, 고력 황동(CAC303), 콜슨 구리 합금 등의 구리 합금으로 형성된다. 이것들 구리 합금은, 납을 포함하지 않는 납 프리의 합금이다. 또한, 구리 합금이란 구리(Cu)를 주성분으로 하는 합금을 말한다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 한쪽의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉면을 크롬이 도프된 수소화 아몰퍼스 탄소[a-C:H(Cr)]로 형성하고, 다른 쪽의 부재의 미끄럼 접촉면을 인 청동이나, 비스무트 함유 구리 합금, S재, 고력 황동, 콜슨 구리 합금의 어느 하나로 형성함으로써, 종래부터 알려져 있는 주철 재료(FCD)와 인 청동 또는 납 청동의 조합보다도, 양쪽 미끄럼 접촉 부재 간의 시징성을 개선하는 것이 가능하게 된다. 또한, 비스무트 함유 구리 합금이나, S재, 고력 황동, 콜슨 구리 합금을 사용한 경우라도, 미소 이물 침입시에 있어서의 미끄럼 접촉 부재의 수소화 아몰퍼스 탄소막의 박리를 억제할 수 있다.
한쪽의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉면을, 금속이 도프되어 있지 않은 수소화 아몰퍼스 탄소(a-C:H) 또는 수소를 포함하지 않는 테트라헤드럴 아몰퍼스 탄소(ta-C)로 형성한 경우에는, 다른 쪽의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉면은 인 청동(CAC502)으로 형성된다. 이 경우의 시징성 개선 효과는, 도 3에 나타낸 바와같다.
또한, 한쪽의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉면은, 구리 합금이 아니고, 구리 합금과 마찬가지로 비교적 연한 재료인 알루미늄 합금에 의해 형성해도 좋다. 서로 미끄럼 접촉하는 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉면을 형성하는 알루미늄 합금 및 아몰퍼스 탄소의 조합으로서는, 예를 들어 표 2와 같은 조합이 고려된다.
Figure 112014045617428-pct00002
한쪽의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉면을 크롬 등의 금속이 도프된 수소화 아몰퍼스 탄소[a-C:H(Cr)]로 형성한 경우에는, 다른 쪽의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉면은, 알루미늄 다이캐스트(ADC12)나, 알루미늄 주물(AC4C 또는 NH42), 알루미늄 전신재(A5052 또는 A6061) 등의 알루미늄 합금으로 형성된다. 이것들 알루미늄 합금은, 납을 포함하지 않는 납 프리의 합금이다. 또한, 알루미늄 합금이란 알루미늄(Al)을 주성분으로 하는 합금을 말한다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 한쪽의 미끄럼 접촉 부재의 미끄럼 접촉면을 크롬이 도프된 수소화 아몰퍼스 탄소[a-C:H(Cr)]로 형성하고, 다른 쪽 부재의 미끄럼 접촉면을 알루미늄 다이캐스트나, 알루미늄 주물, 알루미늄 전신재의 어느 하나로 형성함으로써, 종래부터 알려져 있는 주철 재료(FCD)와 알루미늄 주물(AC4C)의 조합이나, 주철 재료와 납 청동의 조합(도 4 참조)보다도, 양쪽 미끄럼 접촉 부재 간의 시징성을 개선하는 것이 가능하게 된다. 또한, 알루미늄 다이캐스트나, 알루미늄 주물, 알루미늄 전신재를 사용한 경우라도, 미소 이물 침입시에 있어서의 미끄럼 접촉 부재의 수소화 아몰퍼스 탄소막의 박리를 억제할 수 있다.
본원은 2012년 3월 30일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2012-81088호에 기초하는 우선권을 주장하고, 이 출원의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

Claims (7)

  1. 케이스 내에 고정되는 밸브 플레이트와 상기 밸브 플레이트에 대하여 미끄럼 접촉하도록 케이스 내에 배치되는 실린더 블럭을 구비하는 피스톤 펌프ㆍ모터이며,
    상기 밸브 플레이트 및 상기 실린더 블럭의 한 쪽의 미끄럼 접촉부는, 크롬을 도프한 수소화 아몰퍼스 탄소에 의해 형성되고,
    상기 밸브 플레이트 및 상기 실린더 블럭의 다른 쪽의 미끄럼 접촉부는, 구리 합금 또는 알루미늄 합금에 의해 형성되는, 피스톤 펌프ㆍ모터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 밸브 플레이트의 미끄럼 접촉부는, 상기 크롬을 도프한 수소화 아몰퍼스 탄소에 의해 형성되고,
    상기 실린더 블럭의 미끄럼 접촉부는, 구리 합금 또는 알루미늄 합금에 의해 형성되는, 피스톤 펌프ㆍ모터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구리 합금 및 상기 알루미늄 합금은, 납을 포함하지 않는 납 프리 합금인, 피스톤 펌프ㆍ모터.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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