KR102341873B1 - 기동 전투차량용 팬유압모터 구동축용 이중 오일씰 구조 - Google Patents

기동 전투차량용 팬유압모터 구동축용 이중 오일씰 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기동 전투차량용 팬유압모터 구동축용 이중 오일씰 구조에 관한 것으로, 하우징; 하우징 내부에 회전 가능하게 설치된 구동축; 하우징과 구동축 사이에 설치된 씰 커버; 구동축과 씰 커버 사이에 설치되는 제1오일 씰; 구동축과 씰 커버 사이에 제1오일 씰보다 내측으로 설치되고, 제1오일 씰과 다른 재질을 갖는 제2오일 씰을 포함하는 유압모터를 제공한다.

Description

기동 전투차량용 팬유압모터 구동축용 이중 오일씰 구조{Double oil seal structure for drive shaft of fan oil hydraulic motor of combat mobile vehicle}
본 발명은 유압모터의 축용 오일씰에 관한 것으로서, 상세하게는 축이 회전하면서 일을 할 때 하우징과 축 사이에 조립되어 외부로 누유가 되지 않도록 한 오일씰에 관한 것이며, 저온상태에서 오일씰이 경화되고 구동축의 떨림으로 인한 틈새가 발생 시 작동유가 외부로 흘러나오지 않도록 고안한 축용 이중 오일씰 구조에 관한 것이다.
전투 차량 등에 사용되는 팬 유압모터는 냉각팬 조립체 회전자와 직접 연결되어 엔진 냉각수 온도에 따라 회전속도가 조정되며, 냉각수 온도가 상승하면 유압펌프로부터 유압을 받아 냉각팬 회전자를 고속으로 회전시켜서 엔진 냉각수 온도를 하강시키고, 엔진 냉각수 온도가 하강하면 회전을 멈추는 기능을 한다.
팬 유압모터의 사양을 살펴보면, K200계열/K21의 경우, 토출량은 22.0 ㎠/rev, 축동력은 45 hp(4000 rpm)이다. 천마/비호복합의 경우, 토출량은 32.0 ㎠/rev, 축동력은 72 hp(4000 rpm)이다.
팬 유압모터를 장착 운용하는 장비별로 운용환경 및 위치에 따라서 누유 수준이 차이가 있으나, K200계열 차체 동력장치의 유압모터에서 주로 동절기에 누유가 지속적으로 발생하고 있으며, 이 제품은 2008년 국산화 개발이 완료됨에 따라 현재 국산품을 적용 중이다. 국산화품 생산업체와 체계업체의 A/S 현황을 통하여 누유 현상을 파악한 결과, 혹한기에 배치 장비의 약 60%가 누유가 발생하는 것으로 확인되었다. 표 1은 누유 발생 현황을 나타낸 것이다.
누유 발생 건수
조사년도 비호, 천마 K200 계열
2016 22 102
2017 15 71
2018 14 89
2019 22 63
계 73 325
팬 유압모터에서 지속적인 누유 발생에 따른 사용자 불만 발생이 빈번하고, 여러 체계장비에서 동일현상이 발생함에 따라, 근본적인 원인분석 및 개선방안 확립이 필요하나, 도입품 및 국내 생산품 모두 누유 발생이 제품 특성으로 판단될 경우, 개선품에 대한 제품 품질 수준을 결정하는데 어려움이 있을 것으로 판단되었을 뿐만 아니라, 유압 제품 특성상 다양한 야전 운용조건에서 전체적으로 만족할만한 제품 설계특성 확인이 어려운 관계로, 최종적인 개선방안을 적용한 제품의 운용 적합성 확인을 위해서도, 정확한 구조해석 및 운용 환경 분석을 통한 시험방법을 고안하여 개선방안을 마련하였다.
본 발명의 목적은 진동과 저온 조건에서 누유를 방지할 수 있는 유압모터 구동축용 이중 오일씰 구조를 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위해, 하우징; 하우징 내부에 회전 가능하게 설치된 구동축; 하우징과 구동축 사이에 설치된 씰 커버; 구동축과 씰 커버 사이에 설치되는 제1오일 씰; 구동축과 씰 커버 사이에 제1오일 씰보다 내측으로 설치되고, 제1오일 씰과 다른 재질을 갖는 제2오일 씰을 포함하는 유압모터를 제공한다.
본 발명에서 제1오일 씰은 플루오로엘라스토머를 포함할 수 있다.
본 발명에서 플루오로엘라스토머는 비닐리덴 플루오라이드 및 헥사플루오로프로필렌의 공중합체일 수 있다.
본 발명에서 플루오로엘라스토머는 비닐리덴 플루오라이드, 헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로에틸렌, 퍼플루오로메틸비닐에테르, 프로필렌, 에틸렌 중 3개 이상으로 구성된 공중합체일 수 있다.
본 발명에서 플루오로엘라스토머의 불소 함량은 60 중량% 이상일 수 있다.
본 발명에서 플루오로엘라스토머의 밀도는 1800 kg/㎥ 이상일 수 있다.
본 발명에서 제2오일 씰은 아크릴로니트릴-부타디엔 러버를 포함할 수 있다.
본 발명에서 제1오일 씰 및 제2오일 씰은 각각 구동축 쪽으로 배치되는 제1수평부재, 씰 커버 쪽으로 배치되는 제2수평부재, 제1수평부재와 제2수평부재를 연결하는 수직부재를 포함할 수 있다.
본 발명에서 제1오일 씰 및 제2오일 씰은 제2수평부재 및 수직부재의 내부에 삽입되는 심재를 포함할 수 있다.
본 발명에서 제1오일 씰 및 제2오일 씰은 제1수평부재의 외주면에 설치되는 탄성부재를 포함할 수 있다.
본 발명에서 제1수평부재의 내주면은 구동축의 외경보다 작은 내경을 갖는 돌출부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유압모터는 제1오일 씰 및 제2오일 씰 사이에 배치되는 수직부재 및 씰 커버 및 제2오일 씰 사이에 배치되는 수평부재를 구비하는 칼라를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서 칼라가 장착되는 씰 커버의 내주면은 제1오일 씰이 장착되는 씰 커버의 내주면보다 내경이 크도록, 씰 커버의 내주면에 단차가 형성될 수 있다.
본 발명에서 단차의 두께 및 칼라의 수평부재의 두께는 동일할 수 있고, 제1오일 씰의 외경 및 제2오일 씰의 외경은 동일할 수 있다.
본 발명에 따른 유압모터는 구동축의 일단에 팬이 장착되는 팬 유압모터일 수 있다.
본 발명에 따른 유압모터는 구동축의 타단에 장착되는 피스톤이 구동축과 경사를 이루는 사축식 유압모터일 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 유압모터를 포함하는 차량을 제공한다.
본 발명에 따른 차량은 기동 전투차량일 수 있다.
본 발명에 따른 이중 오일씰 구조는 유압모터에 의하여 차량의 팬이 구동할 때, 특히 겨울에 작동유 및 오일씰이 저온에 노출된 상태에서 구동할 때, 진동이 가해져서 구동축과 오일씰 사이로 작동유가 빠져 나왔던 부분을 방지할 수 있다. 또한, 구조적으로 진동을 줄이기에는 과다한 비용이 발생하는 부분을 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유압모터의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이중 오일 씰 구조의 단면도이다.
도 3은 사축식 유압모터의 단면도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 유압모터의 단면도, 도 2는 본 발명에 따른 이중 오일 씰 구조의 단면도, 도 3은 사축식 유압모터의 단면도로서, 본 발명에 따른 유압모터는 하우징(housing)(10), 구동축(drive shaft)(20), 씰 커버(seal cover)(30), 제1오일 씰(oil seal)(40), 제2오일 씰(50), 칼라(collar)(60), 스냅 링(snap ring)(70), 팬(fan)(80), 피스톤(piston)(90) 등으로 구성될 수 있다.
하우징(10)은 유압모터의 외관을 이루면서 내부에 각 부품을 수용하는 것으로, 금속이나 플라스틱 등으로 제작될 수 있다.
구동축(20)은 하우징(10) 내부에 회전 가능하게 설치되어 팬(80) 등을 구동시키는 것으로, 하우징(10)과 동축으로 배치될 수 있고, 금속이나 플라스틱 등으로 제작될 수 있다. 구동축(20)의 일단은 팬(80) 등을 장착하기 위해, 하우징(10) 외부로 노출될 수 있다. 구동축(20)은 하우징(10) 내부에 장착된 베어링에 의해 회전 가능하게 지지될 수 있다. 본 발명에서는 구동축(20)의 중심축(21)을 기준으로, 중심축(21)과 수직이면 수직방향 또는 반경방향이라 하고, 중심축(21)과 평행하면 수평방향 또는 길이방향이라 한다. 또한, 구동축(20)이 노출되는 쪽을 외측, 그 반대 쪽을 내측이라 한다.
씰 커버(30)는 오일 씰(40, 50)의 조립을 용이하게 하고 오일 씰(40, 50)을 보호하기 위한 것으로, 금속이나 플라스틱 등으로 제작될 수 있다. 씰 커버(30)는 하우징(10)과 구동축(20) 사이에 설치될 수 있고, 하우징(10)의 내주면에 장착되거나 밀착될 수 있으며, 구동축(20)에 거의 근접하게 연장될 수 있다. 씰 커버(30)는 구동축(20)을 둘러싸도록 설치되므로, 전체적으로 보면 링 형태로 이루어지고, 외주면과 내주면 및/또는 측면에 단차나 홈/돌기 등이 형성될 수 있다.
씰 커버(30)의 내주면에는 각각 제1오일 씰(40) 및 제2오일 씰(50)을 장착하기 위한 제1장착부 및 제2장착부가 형성될 수 있고, 두 장착부 사이에는 단차(31)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 제2오일 씰(50) 또는 칼라(60)가 장착되는 제2장착부의 내주면은 제1오일 씰(40)이 장착되는 제1장착부의 내주면보다 내경이 크도록(즉, 구동축(20)과 더 멀게 배치되도록), 씰 커버(30)의 내주면에 단차(31)가 형성될 수 있다. 단차(31)가 형성됨에 따라 제2오일 씰(50) 및/또는 칼라(60)가 용이하고 견고하게 장착될 수 있다.
제1오일 씰(40)은 구동축(20)과 씰 커버(30) 사이로 오일이 누출되는 것을 방지하기 위한 것으로, 구동축(20)과 씰 커버(30) 사이에 설치될 수 있고, 구동축(20의 외측으로 배치될 수 있다. 제1오일 씰(40)은 구동축(20)을 둘러싸도록 설치되므로, 전체적으로 보면 링 형태로 이루어지고, 그 단면은 도 2에 도시된 바와 같이, 대략 "ㄷ"자 형상으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 제1오일 씰(40)은 구동축(20) 쪽으로 배치되는 제1수평부재(41), 씰 커버(30) 쪽으로 배치되는 제2수평부재(42), 제1수평부재(41)와 제2수평부재(42)를 연결하는 수직부재(43)를 포함할 수 있다. 제1수평부재(41)는 구동축(20)의 외주면에 밀착될 수 있고, 제2수평부재(42)는 씰 커버(30)의 내주면에 밀착될 수 있으며, 수직부재(43)는 씰 커버(30)의 측면인 제1장착부의 수직부재에 밀착될 수 있다. 제1수평부재(41)와 제2수평부재(42) 및 수직부재(43)는 일체로 연결될 수 있다.
제1오일 씰(40)은 도 2에 도시된 바와 같이, 제2수평부재(42) 및 수직부재(43)의 내부에 삽입되는 심재(44)를 포함할 수 있다. 심재(44)는 제1오일 씰(40)의 형태를 유지하기 위한 것으로, 금속이나 플라스틱 등으로 제작될 수 있다. 심재(44)는 대략 "ㄱ"자 형상으로 이루어질 수 있고, 제1수평부재(41)의 내부에도 삽입 가능하다.
제1오일 씰(40)은 도 2에 도시된 바와 같이, 제1수평부재(41)의 외주면에 설치되는 탄성부재(45)를 포함할 수 있다. 탄성부재(45)는 제1수평부재(41)의 둘레를 감싸 구동축(20) 쪽으로 탄성력을 가함으로써, 제1수평부재(41)가 탄성부재(45)에 의해 구동축(20)에 밀착되도록 하는 역할을 할 수 있다. 탄성부재(45)는 금속이나 플라스틱 등으로 제작될 수 있다. 탄성부재(45)는 가터 스프링(garter spring)(환 스프링)으로 구성될 수 있으며, 내측방향으로 탄성력이 작용되도록 이루어져 제1수평부재(41)가 구동축(20)에 밀착되도록 할 수 있다. 이로 인해, 제1오일 씰(40)은 씰 커버(30)와 구동축(20) 사이에 삽입된 상태에서, 제1수평부재(41)에 장착된 탄성부재(45)의 탄성력이 작용함에 따라 씰 커버(30)와 구동축(20)에 밀착된 상태가 유지됨으로써 씰링 기능이 유지될 수 있다.
제1오일 씰(40)의 제1수평부재(41)의 내주면은 도 2에 도시된 바와 같이, 구동축(20)의 외경보다 작은 내경을 갖는 돌출부(46)를 포함할 수 있다. 돌출부(46)의 내경은 구동축(20)의 외경보다 작기 때문에, 구동축(20)에 장착될 때, 돌출부(46)는 탄성 변형을 통해 눌려지면서 장착되고, 구동축(20)에 강하게 밀착됨에 따라 씰링 기능을 극대화할 수 있다. 돌출부(46)는 제1수평부재(41)의 일부가 돌출된 부분으로서, 제1수평부재(41)와 일체로 형성될 수 있다. 돌출부(46)의 형상은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 단면으로 볼 때, 삼각형, 사각형, 반원형 등이 가능하다. 돌출부(46)의 개수도 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 1개 또는 2개 이상의 복수 개가 가능하다.
제1오일 씰(40)은 플루오로엘라스토머를 포함할 수 있다. 구체적으로, 심재(44)와 탄성부재(45)를 제외하고, 돌출부(46)를 포함한 제1수평부재(41)와 제2수평부재(42) 및 수직부재(43)는 플루오로엘라스토머로 구성될 수 있다. 제1오일 씰(40)은 외측에 배치되므로, 고온과 고속 회전에서 내성을 갖는 불소 고무인 플루오로엘라스토머(fluoroelastomer)로 이루어지는 것이 바람직하다. 플루오로엘라스토머는 내열성, 내유성 및 내약품성 등의 물성이 우수하다.
플루오로엘라스토머는 모노머로서 비닐리덴 플루오라이드(VDF)를 필수적으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 플루오로엘라스토머는 비닐리덴 플루오라이드(VDF) 및 헥사플루오로프로필렌(HFP)의 공중합체일 수 있다. 또한, 플루오로엘라스토머는 비닐리덴 플루오라이드(VDF), 헥사플루오로프로필렌(HFP), 테트라플루오로에틸렌(TFE), 퍼플루오로메틸비닐에테르(PMVE), 프로필렌, 에틸렌 중 3개 이상으로 구성된 공중합체(삼원 공중합체 등)일 수 있다. 구체적으로 예를 들어, VDF-HFP, VDF-HFP-TFE, VDF-TFE-PMVE, 프로필렌-TFE-VDF, VDF-HFP-TFE-PMVE-에틸렌 등의 공중합체가 가능하다. 예를 들어, 상표명 VITON으로 불리는 제품을 사용할 수 있다. 플루오로엘라스토머의 불소 함량은 60 중량% 이상, 예를 들어 60 내지 80 중량%, 62 내지 75 중량% 또는 66 내지 70 중량%일 수 있다. 플루오로엘라스토머의 밀도는 1800 kg/㎥ 이상, 예를 들어 1800 내지 4000 kg/㎥, 1800 내지 3000 kg/㎥ 또는 1800 내지 2500 kg/㎥일 수 있다.
제2오일 씰(50)은 구동축(20)과 씰 커버(30) 사이에 제1오일 씰(40)보다 내측으로 설치될 수 있고, 제1오일 씰과 다른 재질을 가질 수 있다. 제2오일 씰(50)은 제1오일 씰(40)과 마찬가지로, 오일 누출을 방지하기 위한 것으로, 전체적으로 링 형태로 이루어지고, 그 단면은 도 2에 도시된 바와 같이, 대략 "ㄷ"자 형상으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 제2오일 씰(50)은 제1오일 씰(40)과 마찬가지로, 제1수평부재(51), 제2수평부재(52), 수직부재(53), 심재(54), 탄성부재(55), 돌출부(56) 등으로 구성될 수 있다. 제2오일 씰(50)은 제1오일 씰(40)과 동일한 형상과 구조 및/또는 크기를 가질 수 있으므로, 각 부재에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
제2오일 씰(50)의 제1수평부재(51)는 구동축(20)의 외주면에 밀착될 수 있고, 제2수평부재(52)는 씰 커버(30)의 내주면 또는 칼라(60)의 수평부재(62)의 내주면에 밀착될 수 있으며, 수직부재(53)는 씰 커버(30)의 단차(31) 또는 칼라(60)의 수직부재(61)에 밀착될 수 있다.
제2오일 씰(50)은 아크릴로니트릴-부타디엔 러버(NBR)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 심재(54)와 탄성부재(55)를 제외하고, 돌출부(56)를 포함한 제1수평부재(51)와 제2수평부재(52) 및 수직부재(53)는 아크릴로니트릴-부타디엔 러버로 구성될 수 있다. 제2오일 씰(50)은 내측에 배치되므로, 저온에서 고무의 부드러운 성질을 유지하고 있어 진동에 대하여 보다 탄력적으로 틈새를 막아줄 수 있는 아크릴로니트릴-부타디엔 러버로 이루어지는 것이 바람직하다. 아크릴로니트릴-부타디엔 러버는 탄성이 커서 쿠션감과 충격 흡수 및 완충작용과 복원력이 뛰어나고, 강도, 내유성 및 내마모성 등의 물성도 우수하다.
칼라(60)는 제1오일 씰(40) 및 제2오일 씰(50) 사이에 배치되어 두 오일 씰(40, 50)간의 눌림으로 인한 비정상적인 간섭을 회피하고, 또한 제2오일 씰(50)의 장착을 용이하게 하기 위한 것으로, 금속이나 플라스틱 등으로 제작될 수 있다. 칼라(60)는 제1오일 씰(40)과 제2오일 씰(50) 사이 그리고 씰 커버(30)와 제2오일 씰(50) 사이에 배치될 수 있다. 칼라(60)는 씰 커버(30)의 제2장착부에 장착될 수 있고, 제2장착부의 내주면과 단차(31)에 밀착될 수 있다.
칼라(60)는 구동축(20)을 둘러싸도록 설치되므로, 전체적으로 보면 링 형태로 이루어지고, 그 단면은 도 2에 도시된 바와 같이, 대략 "ㄱ"자 형상으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 칼라(60)는 제1오일 씰(40) 및 제2오일 씰(50) 사이에 배치되는 수직부재(61) 및 씰 커버(30) 및 제2오일 씰(50) 사이에 배치되는 수평부재를 구비할 수 있다. 수직부재(61)는 씰 커버(30)의 단차(31)와 제1오일 씰(40)의 제2수평부재(42) 및 제2오일 씰(50)의 수직부재(53)에 밀착될 수 있고, 수평부재(62)는 씰 커버(30)의 제2장착부의 내주면 및 제2오일 씰(50)의 제2수평부재(52)에 밀착될 수 있으며, 수직부재(61)와 수평부재(62)는 일체로 형성될 수 있다.
칼라(60)의 수평부재(62)의 두께는 씰 커버(30)의 단차(31)의 두께와 동일할 수 있고, 이에 따라 제1오일 씰(40)의 외경 및 제2오일 씰(50)의 외경은 동일할 수 있다. 이와 같이, 제1오일 씰(40) 및 제2오일 씰(50)은 동일한 형상과 구조를 가짐으로써, 제작이 용이하고 제작비용을 절감할 수 있다.
스냅 링(70)은 씰 커버(30)를 고정하여 씰 커버(30)의 이탈을 방지하기 위한 것으로, 금속이나 플라스틱 등으로 제작될 수 있다. 스냅 링(70)은 하우징(10)의 내주면에 형성된 홈에 장착될 수 있고, 링 형태의 스프링으로 이루어질 수 있다.
팬(80)은 송풍과 냉각을 위한 것으로, 금속이나 플라스틱 등으로 제작될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 팬(80)은 구동축(20)의 노출된 일단에 고정되도록 장착되어 구동축(20)의 회전에 의해 함께 회전하여 엔진 등을 냉각할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 유압모터는 구동축(20)의 일단에 팬(80)이 장착되는 팬 유압모터일 수 있다.
피스톤(90)은 구동축(20)을 회전시키기 위한 것으로, 금속이나 플라스틱 등으로 제작될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 피스톤(90)은 구동축(20)의 내측 타단에 장착되는데, 피스톤(90)의 왕복운동이 구동축(20)의 회전운동으로 전환되도록, 피스톤(90)과 구동축(20)은 적절한 동력 전달 메커니즘을 통해 연결될 수 있다. 피스톤(90)은 실린더 또는 피스톤 홀더에 의해 왕복 가능하게 지지될 수 있다. 피스톤(90)의 개수는 1개 또는 2개 이상의 복수 개일 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 피스톤(90)과 구동축(20)은 동축으로 배치되지 않고, 일정한 각도를 이루도록 배치될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 유압모터는 구동축(20)의 타단에 장착되는 피스톤(90)이 구동축(20)과 경사를 이루는 사축식 유압모터일 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 유압모터를 포함하는 차량을 제공한다. 본 발명에 따른 차량은 예를 들어 군대에서 사용되는 기동 전투차량(CMV: combat mobile vehicle)일 수 있다.
본 발명을 고안한 배경을 설명하면, 도 3과 같이, 사축식 유압모터는 공급되는 유압원에 의하여 구동축이 회전하면서 일을 하는 엑츄에이터이다. P(입구)로 유압유를 공급하면, 유압유는 피스톤을 밀면서 구동축을 회전시키는데, 이 과정에서 유압유는 T(출구)로 복귀도 하지만, 일부는 하우징 내부를 채운 후 C/D(케이스 드레인)로 표시된 경로를 통해서 나오게 된다. C/D를 통해서 나오는 과정에서 하우징 내부에 유압유가 가득 차게 된다.
이때, 외부로의 누유를 차단하기 위해서, 두 부품이 조립되는 위치에 오링 또는 오일씰을 사용하는데, 구동축과 같이 회전하는 부품과 고정되어 있는 하우징 사이에는 오일씰을 적용하여 외부로의 누유를 방지한다.
일반적으로 오일씰은 조립편의상 씰커버에 조립된다. 오일씰은 고속으로 회전하는 구동축에 직접 접촉하면서 내부 유체를 밖으로 새지 않도록 한다. 오일씰의 재질은 일반적으로 NBR을 사용하지만, 사용환경 및 조건에 따라 테프론 또는 불소고무를 사용하기도 한다.
유압모터는 구동축의 회전력을 사용하여 일을 하며, 구동축 끝에 팬을 부착하여 사용하기도 한다. 팬은 고속으로 회전하는 구동축에 의하여 회전하면서 유체(공기)를 이동시키는 역할을 한다.
도 3과 같이 유압모터의 구동축에 팬이 조립되어 고속으로 회전하면서 일을 하는 장치가 차량용 냉각기에 많이 사용된다. 그런데 팬의 회전에 대한 무게 밸런스, 그리고 차량에서 발생하는 진동 등의 요인으로, 팬이 회전할 때 구동축에 진동을 유발시킨다. 여기에 겨울철 초기 구동할 때에는, 저온환경에서 다소 경화된 오일씰에 진동이 가해져서 구동축과의 틈새를 만들고, 이 틈새를 통해서 작동유체를 외부로 흘러나오게 만든다.
오일씰의 재질은 온도조건에 크게 의존하며, 저온에는 NBR, 고온에는 불소고무를 주로 사용한다. 저온에서의 누유를 방지하기 위하여 NBR을 사용하여도, 유압모터가 조립된 조건, 즉 구동축에 가해지는 진동의 크기와 공진 등의 요인으로 누유가 발생하는 사례가 있다.
구동축과 오일씰 조립부에서 발생하는 누유는 특히 동계에 많이 발생한다. 이를 해소하기 위해서는, 근본적인 진동 및 회전 밸런스 등 구조적인 문제를 근본적으로 해결해야 하기 때문에, 현실적으로 어려움이 있으며, 비용 또한 많이 들게 된다.
상술한 문제를 해결하기 위해서 근본적인 진동요인을 없애는 것이 원안이지만, 구조적으로 차량 프레임을 변경하는 것은 많은 비용이 필요하여 현실적으로 해결하는데 어려움이 많다. 그래서 진동 조건에서도 누유가 되지 않는 오일씰이 필요하며, 특히 저온 상태에서도 유밀기능을 유지할 수 있어야 한다.
본 발명에서는 오일씰을 이중으로 적용하여 진동과 저온 조건에서 누유를 방지할 수 있다. 도 2와 같이, 재질이 다른 오일씰을 이중으로 배치하되, 하우징 기준으로 안쪽에는 저온에서 고무의 부드러운 성질을 유지하고 있어 진동에 대하여 보다 탄력적으로 틈새를 막아줄 수 있는 NBR 오일씰을 배치하고, 바깥쪽에는 고온과 고속회전에서 내성을 가지고 있는 불소(VITON) 오일씰을 이중으로 배치한다. 그리고 오일씰 사이에는 칼라를 추가하여 두 오일씰간의 눌림으로 인한 비정상적인 간섭을 회피할 수 있도록 한다.
본 발명을 실시할 경우에는, 도 2와 같이, 2개의 오일씰을 재질 순서대로 조립한다. 또한 2개의 오일씰 사이에는 칼라를 추가하여 조립성을 개선하고 작동중의 간섭을 방지한다. 또한, 본 발명은 유압모터를 사용하여 팬 등의 회전체를 부착해서 회전시킬 경우, 특히 진동 및 떨림이 발생하여 유밀이 중요시 되는 구조에서 사용 가능하다.
이와 같이, 본 발명은 유압모터 구동축용 오일씰 적용에 있어서, NBR과 불소의 다른 재질을 각각 하나씩 이중으로 적용하고, 2개의 오일씰 사이에는 칼라를 설치하는 구조를 특징으로 한다.
[실시예]
1. 누유 발생원인 분석
실제 운용환경과 동일하게 온도, 진동, 내부압력 세 가지 조건을 동시에 부여한 결과, 오일씰 부위에서 다량의 누유가 발생하였다. 재현한 누유 현상의 원인을 살펴보니, 추측했던 바와 같이, 각각의 환경조건에서는 누유가 발생하지 않고, 저온, 진동, 내부압력 조건이 동시에 가해질 때 누유가 발생된다는 것을 알게 되었다. 이러한 복합적인 요소로 인하여, 모든 시험을 통과한 제품도 야전에서 혹한기에 운용하면, 지속적인 누유가 발생했던 것이다. 누유의 원인을 자세하게 살펴보면, 회전축에 공진이 발생할 경우, 약 20 kg의 팬을 장착한 회전축이 흔들리게 된다. 구조적으로 사축식 모터는 회전축에 횡방향 힘이 작용하고, 끝 부분에 무거운 물체가 매달려 있는 형태이기 때문에, 공진이 발생하면 흔들림이 증폭된다. 공진에 의한 흔들림이 저온상태에서 발생하면, 탄성을 잃은 오일씰의 복귀가 늦어지면서 틈이 발생하고, 케이스 내압에 의하여 오일이 밖으로 밀려나오게 된다. 이 세 가지 조건 중 한 가지만 발생하지 않아도, 유압모터 내부의 오일은 누유되지 않는다.
2. 개선방안 수립 및 시험평가
지금까지의 원인분석결과, 유압모터의 누유 현상은 세 가지(공진, 저온, 압력) 조건이 동시에 작용할 때 발생한다는 것을 발견했다. 반대로 말하면, 세 가지 조건 중 한 가지만 작용하지 않아도, 누유가 발생하지 않는다는 뜻으로 해석할 수 있다. 이렇게 제품 누유에 악영향을 주는 조건들의 영향을 최소화하면서 구조개선을 최소화하고 운용조건 등을 개선하기 위하여, 다음과 같이 오일씰의 특성을 검토한 개선안을 마련하고, 표 2와 같이 몇 가지 오일씰 및 베어링을 이용하여 복합환경시험을 이용한 누유 여부를 확인하여 보았다. 표 2는 이중씰 조합(FKM 재질 오일씰 + 베어링 및 NBR 재질 오일씰 + 베어링)의 누유시험결과를 나타낸 것이다.
차수 개선내용 개선 전 개선 후 비고
1차 오일씰
재질 변경		 FKM 재질 오일씰
(-25℃~160℃)		 테프론 재질 오일씰
(-100℃~200℃)		 *착안사항: 사용온도 범위 확대(저온) 및 Double lip
*시험결과: 누유특성은 양호하나, 고속회전 시 변형
2차 베어링
추가		 FKM 재질 오일씰
(-25℃~160℃)		 FKM 재질 오일씰
(-25℃~160℃)
+ 베어링		 *착안사항: 회전축 흔들림 방지
*시험결과: 진동 및 충격에 취약으로 중량 누유 발생
3차 베어링
추가 +
오일씰
재질 변경		 FKM 재질 오일씰
(-25℃~160℃)
+ 베어링		 NBR 재질 오일씰
(-40℃~100℃)
+ 베어링		 *착안사항: 회전축 흔들림 방지 및 오일씰 저온탄성 증대
*시험결과: 진동 및 충격에 취약으로 중량 누유 발생
1차 개선안으로 FKM(플루오로엘라스토머) 재질의 오일씰을 온도특성이 우수한 테프론 재질로 변경하여 복합환경시험을 실시한 결과, 누유 특성은 우수하였으나, 고속회전 시 소재가 과열되는 결과가 나왔다. 2차와 3차 개선안으로, FKM 재질 오일씰 및 NBR 재질 오일씰을 베어링과 이중으로 조합 구성하여 복합환경시험을 실시하였고, 표 3에서 보는 것과 같이, FKM 재질의 오일씰보다 NBR 재질의 오일씰이 누유 특성은 더 좋다. -5℃ ~ -15℃에서의 누유 특성은 NBR 재질이 더 우수했으며, -32℃ 이하에서는 두 제품 모두 중량 누유 발생으로 누유 방지에 한계가 있다는 결론을 얻을 수 있었다. 그러나 베어링 틈새로 누유가 발생되는 특성의 한계뿐만 아니라, 추후 제품 내구성에 따른 신뢰성 문제가 제기될 수 있으므로, 개선안에서 제외시키고 추가 개선안을 검토하였다. 표 3은 오일씰 재질에 따른 누유시험 결과를 나타낸 것이다.
시험조건 FKM + 베어링 NBR + 베어링 비고
온도 진동 1호기 2호기 1호기 2호기
상온 2g 누유 없음 누유 없음 - - 두 제품 유사함
5g 미세 누유 미세 누유 누유 없음 누유 없음
-32℃ 2g 중량 누유 중량 누유 중량 누유 중량 누유 두 제품 유사함
-15℃ 2g 대량 누유 대량 누유 미세 누유 소량 누유 NBR 오일씰의 누유량이 현저히 적음
-10℃ 2g - - 누유 없음 누유 없음
-5℃ 2g 대량 누유 대량 누유 누유 없음 누유 없음
앞에서 기술된 개선안에 대한 복합환경시험 결과를 토대로 추가 개선안을 검토하면서, 다음 세 가지 착안사항을 고려하여 개선안을 검토해 보았다.
1) 세 가지 조건 중, "공진" 조건을 제거하기 위해서는, 많은 구성품의 변경이 필요하다. 또는 진동이 전달되지 않도록 댐퍼를 장착하는 방안도 있지만, 이 또한 구조적인 변경이 필수적이므로, 야전에 운용하는 장비에 모두 적용하기에는 제한적인 측면이 있다.
2) "회전" 조건을 제거한다는 뜻은 냉각팬을 정지한다는 뜻이다. 저온 영역에서는 약 200 RPM으로 회전하며, 온도가 올라감에 따라 냉각팬은 최대 약 6,200 RPM까지 회전한다. 초기 일정 온도까지 냉각팬의 회전을 멈추면 유압 모터 누유 방지에 큰 효과가 있지만, 수정하기 위해서는 새로운 제어 시스템을 적용해야 한다. 이 또한 발생하는 비용을 감당하기 어려운 측면이 있다.
3) "저온" 조건을 제거하기 위해, 날씨 조건을 바꿀 수는 없다. 그러나 저온 조건에서 나타나는 현상은 제거할 수는 있다. 즉, 저온 특성이 좋은 오일 씰을 사용하게 되면, "저온" 조건을 제거하는 효과를 볼 수 있다. 표 4에서 보는 바와 같이, 현재 사용하는 오일씰의 재질은 불소 계열의 오일씰로 저온보다는 고온과 고속 회전에 특화되어 있다. 표 4는 불소(FKM)와 합성고무(NBR) 오일씰의 특성을 나타낸 것이다.
재질 사용 온도 RPM
FKM -25℃ ~ 160℃ 12,000
NBR -40℃ ~ 100℃ 3,500
이보다 저온에서 뛰어난 성능을 보이는 NBR 재질의 오일씰을 적용하면, 저온 특성은 좋으나, 고온특성이 나빠진다. 따라서 불소계열 FKM 오일씰과 NBR 오일씰의 장점을 살려 동시에 적용시키는 방안을 고안하였다. 표 5와 같이, FKM+FKM과 FKM+NBR의 두 가지 조합의 이중씰을 적용하여 복합환경시험을 통해 누유 여부를 확인하여 보았다. 표 5는 이중씰(FKM+FKM과 FKM+NBR) 제작 사양을 나타낸 것이다.
차수 개선 내용 개선 전 개선 후 비고
4차 FKM+FKM이중 오일씰 FKM 재질 오일씰
(-25℃~160℃)		 FKM(-25℃~160℃)
+FKM(-25℃~160℃)		 온도특성이 동일한 오일씰을 이중으로 적용
5차 FKM+NBR이중 오일씰 FKM 재질 오일씰
(-25℃~160℃)		 FKM(-25℃~160℃)
+NBR(-40℃~100℃)		 온도특성이 상이한 오일씰을 이중으로 적용
이중복합씰의 구조에 대해 충격에서의 영향성을 사전 확인하기 위한 충격시험에서, 씰 커버에 전달된 충격으로 외부 씰이 약간 튀어 올라오는 현상이 발생되어 스냅링을 사용하여 고정시킨 후 재시험을 하여 보았으며, 문제가 없음을 확인하여 스냅링도 추가하는 것으로 결정하였다. 표 6은 이중씰 조합에 따른 누유시험 결과를 나타낸 것이다.
시험조건 FKM + FKM FKM + NBR 비고
온도 진동 비호복합 K200 비호복합 K200
#4 #5 #1 #2 #4 #5 #1 #2
-32℃ 2g 소량 누유 소량 누유 소량 누유 중량 누유 중량 누유 중량 누유 중량 누유 *-32℃에서는 FKM 이중씰의 누유 특성이 조금 더 우수함
*-25℃에서는 누유특성이 유사함
*-15℃~-5℃에서는 혼합 이중씰의 특성이 매우 우수함
-25℃ 2g 소량 누유 소량 누유 대량 누유 소량 누유 소량 누유 소량 누유 소량 누유
-20℃ 2g 소량 누유 소량 누유 - 미세 누유 미세 누유 미세 누유 미세 누유
-5℃~-15℃ 2g 중량 누유 중량 누유 대량 누유 대량 누유 누유 없음 누유
없음 		누유 없음 누유 없음
비호복합용 팬유압모터에 이중씰을 적용하여 복합환경시험을 실시한 결과, 표 6과 같이, -32℃에서는 적용된 이중 오일씰 두 종류 모두 소량 누유되었으며, -25℃에서는 적용 이중 오일씰 두 종류 누유 특성이 유사했다. 그러나 -5℃ ~ -15℃에서는 FKM+NBR 이중 오일씰의 누유 특성이 월등히 뛰어난 것을 확인할 수 있었다.
우리나라 야전 혹한기 기동차량 운용환경 온도가 대부분 -5℃ ~ -15℃인 것을 감안할 때, FKM+NBR 이중 혼합 오일씰 적용이 매우 유리하며, K200A1 팬 유압 모터에 동일한 환경조건 및 오일씰을 적용한 결과, 비호복합과 동일한 누유 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
이중씰을 장착한 제품의 신뢰성 확인을 위해, 기존과 똑같은 조건의 복합환경시험을 추가로 하였을 시에도, 누유가 발생하지 않았으며, 진동 세기가 5 g을 넘어가도, 누유가 없거나 경우에 따라 약간의 비침이 발생하는 정도로, 도입품 대비 매우 우수한 개선효과를 보였다. 단품시험 이후 체계에 장착하여 야전 입증시험을 수행하였다.
개선제품에 대한 야전체계장비 적합성을 확인하기 위하여, 2018년 11월부터 2019년 05월까지 야전에서 비호복합과 K200 계열 장갑차에 30개의 시제품을 배치하여 혹한기 운용을 실시하였고, 부대방문을 통하여 누유 여부를 확인해본 결과, 현재까지 누유가 전량 발생하지 않고 있다.
최종적으로 개선품에 대한 400시간 내구성시험 후 복합환경시험을 실시한 결과, -20℃에서 누유가 현저히 개선되었음을 확인하였다.
이와 같이, 운용유지 장비 개선품 적용으로 고장발생 방지에 따른 운용유지 비용 절감 및 전력 향상을 기대할 수 있고, 유사장비 개발시 개선품 적용으로 신뢰성 확보를 기대할 수 있으며, 기동 전투차량 개조 개발 수출품에 적용할 수 있다.
10: 하우징, 20: 구동축, 21: 구동축의 중심축, 30: 씰 커버, 31: 씰 커버의 단차, 40: 제1오일 씰, 41: 제1오일 씰의 제1수평부재, 42: 제1오일 씰의 제2수평부재, 43: 제1오일 씰의 수직부재, 44: 제1오일 씰의 심재, 45: 제1오일 씰의 탄성부재, 46: 제1오일 씰의 돌출부, 50: 제2오일 씰, 51: 제2오일 씰의 제1수평부재, 52: 제2오일 씰의 제2수평부재, 53: 제2오일 씰의 수직부재, 54: 제2오일 씰의 심재, 55: 제2오일 씰의 탄성부재, 56: 제1오일 씰의 돌출부, 60: 칼라, 61: 칼라의 수직부재, 62: 칼라의 수평부재, 70: 스냅링, 80: 팬, 90: 피스톤

Claims (18)

  1. 하우징;
    하우징 내부에 회전 가능하게 설치된 구동축;
    하우징과 구동축 사이에 설치된 씰 커버;
    구동축과 씰 커버 사이에 설치되는 제1오일 씰;
    구동축과 씰 커버 사이에 제1오일 씰보다 내측으로 설치되고, 제1오일 씰과 다른 재질을 갖는 제2오일 씰; 및
    제1오일 씰 및 제2오일 씰 사이에 배치되는 수직부재, 그리고 씰 커버 및 제2오일 씰 사이에 배치되는 수평부재를 구비하는 칼라를 포함하고,
    칼라가 장착되는 씰 커버의 내주면은 제1오일 씰이 장착되는 씰 커버의 내주면보다 내경이 크도록, 씰 커버의 내주면에 단차가 형성되는 유압모터.
  2. 제1항에 있어서,
    제1오일 씰은 플루오로엘라스토머를 포함하는 유압모터.
  3. 제2항에 있어서,
    플루오로엘라스토머는 비닐리덴 플루오라이드 및 헥사플루오로프로필렌의 공중합체인 유압모터.
  4. 제2항에 있어서,
    플루오로엘라스토머는 비닐리덴 플루오라이드, 헥사플루오로프로필렌, 테트라플루오로에틸렌, 퍼플루오로메틸비닐에테르, 프로필렌, 에틸렌 중 3개 이상으로 구성된 공중합체인 유압모터.
  5. 제2항에 있어서,
    플루오로엘라스토머의 불소 함량은 60 중량% 이상인 유압모터.
  6. 제2항에 있어서,
    플루오로엘라스토머의 밀도는 1800 kg/㎥ 이상인 유압모터.
  7. 제1항에 있어서,
    제2오일 씰은 아크릴로니트릴-부타디엔 러버를 포함하는 유압모터.
  8. 제1항에 있어서,
    제1오일 씰 및 제2오일 씰은 각각 구동축 쪽으로 배치되는 제1수평부재, 씰 커버 쪽으로 배치되는 제2수평부재, 제1수평부재와 제2수평부재를 연결하는 수직부재를 포함하는 유압모터.
  9. 제8항에 있어서,
    제1오일 씰 및 제2오일 씰은 제2수평부재 및 수직부재의 내부에 삽입되는 심재를 포함하는 유압모터.
  10. 제8항에 있어서,
    제1오일 씰 및 제2오일 씰은 제1수평부재의 외주면에 설치되는 탄성부재를 포함하는 유압모터.
  11. 제8항에 있어서,
    제1수평부재의 내주면은 구동축의 외경보다 작은 내경을 갖는 돌출부를 포함하는 유압모터.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    단차의 두께 및 칼라의 수평부재의 두께는 동일하고, 제1오일 씰의 외경 및 제2오일 씰의 외경은 동일한 유압모터.
  15. 제1항에 있어서,
    유압모터는 구동축의 일단에 팬이 장착되는 팬 유압모터인 유압모터.
  16. 제1항에 있어서,
    유압모터는 구동축의 타단에 장착되는 피스톤이 구동축과 경사를 이루는 사축식 유압모터인 유압모터.
  17. 제1항에 따른 유압모터를 포함하는 차량.
  18. 제17항에 있어서,
    차량은 기동 전투차량인 차량.
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