KR19990067032A - 축방향 피스톤 펌프 또는 모터 - Google Patents

Abstract

향상된 축방향 피스톤 에너지 전환 장치는 기부 캠 플레이트 지지 구조체의 기부 지지면에 대기압에 의해 고정된 캠 표면으로서, 두께가 약 0.005 내지 0.040 inch인 얇은 세라믹 마모 플레이트 삽입체를 제공한다. 캠 플레이트 지지면으로의 마모 플레이트의 부착은 캠 플레이트의 지지면과 마모 플레이트의 결합면 모두를 매우 평활한 마무리면으로 연마하며, 마모 플레이트를 지지면에 배치하기 전에 연마된 표면중 하나에 오일과 같은 얇은 유체막을 칠함으로써 달성된다. 엷은 기름막과 함께 이 고도로 연마된 표면은 밀폐 상태의 이음부를 초래한다. 마모 플레이트의 캠 표면에 작용하는 대기압은 고도로 연마된 표면이 결합된 경우 한 쌍의 존슨 블록이 함께 유지되는 바와 동일한 방식으로 지지면의 적소에 마모 플레이트를 꽉 유지하도록 작용한다.

Description

축방향 피스톤 펌프 또는 모터

많은 에너지 전환 장치가 축방향 피스톤 펌프, 모터, 또는 압축기를 사용하여, 회전하는 축으로부터 받은 에너지를 유체 동력으로 전환하거나, 역으로 유체 동력을 회전축 동력으로 전환한다. 이러한 축방향 피스톤 장치들의 구조적인 세부 사항들은 다를지라도, 회전축 동력을 유체 동력으로 실제로 전환하는 것은 일반적으로 구동 또는 피동축의 회전 축선에 평행한 방위로 배치된 실린더 보어 내에서 왕복 운동하도록 구속되어 있는 하나 이상의 피스톤에 의해 달성된다. 피스톤의 왕복 운동은 피스톤을 캠 플레이트(cam plate)에 연결함으로써 제공되는데, 요동체(wobbler)로도 공지된 상기 캠 플레이트는 축선에 경사각으로 장착된 캠 표면을 구비하여 축이 회전함에 따라 각각의 피스톤의 일단부가 캠 표면을 따라 활주하게 한다. 캠 표면은 축선에 대해 기울어져 있기 때문에, 피스톤은 캠 표면을 따라 활주함에 따라 실린더 보어 내에서 왕복 운동하게 된다.

이러한 축방향 피스톤 기계에 있어서 만족스러운 성능 및 수명을 달성하기 위하여, 피스톤의 단부와 캠 표면 사이의 활주 접촉으로 인한 마찰이 최소가 되도록 피스톤과 캠 플레이트 표면 간의 연결 구조에 특별한 관심이 기울여져야 한다. 마찰을 최소화하며 에너지 전환 장치의 허용 가능한 작동 수명을 제공하기 위하여, 피스톤의 표면과 캠 플레이트의 표면이 작동 마찰이 적으며 마모 저항이 높은 재료로 제조되어야 함은 상당히 중요하다. 종종 이와 같은 캠 플레이트는 형상이 복잡하여 제조 비용이 비싸기 때문에, 캠 플레이트를 폐기하지 않고서도 축방향 피스톤 장치가 수리될 수 있도록 캠 플레이트는 손상 내성 방식으로 형성되어야하며, 캠 표면과 피스톤들 사이의 윤활 손실과 같은 이유들로 인해 에너지 전환 장치의 고장이 뒤따르게 된다.

이러한 문제들을 해결하기 위한 종래의 일 접근 방법에 따르면, 피스톤 슬리퍼 또는 슈(shoe)로 공지된, 청동과 같은 비교적 연한 재료로 제조된 회전 끼워맞춤부가 캠 표면과 접촉하는 피스톤의 단부에 부착되며, 캠 플레이트 전체가 예를 들면 58 로크웰 C(58 Rockwell C)로 경화된, AMS 6444로도 공지된 52100 강철과 같은 경화 재료로 제조된다. 또한, 피스톤 슬리퍼는 윤활도가 높은 은과 같은 보다 연한 재료로 플레이트 가공(plated)된다. 캠 표면이 적절하게 윤활된다면, 이 접근 방법은 무리없이 낮은 마찰과 작동 수명을 제공한다.

그러나, 이 접근 방법에는 여러 가지 문제점들이 있다. 우선, 캠 표면이 점차적으로 마모되는 경우, 캠 표면을 원상태로 복구하기 위해서는 캠 플레이트 전체를 교체하거나 재 기계 가공하여야 한다. 또한, 캠 표면에 피스톤 슬리퍼가 꽉 죄여져 예를 들면, 윤활 손실 등과 같은 에너지 전환 장치의 고장에 의해 캠 표면이 손상된 경우에는, 캠 플레이트가 수리할 수 없는 상태로 손상될 수도 있다. 상기와 같은 교체 또는 재 기계 가공은, 특히 캠 플레이트의 형상이 복잡한 경우, 용인할 수 없는 높은 쇄신 비용을 부과할 수 있다.

둘째로, 캠 플레이트를 구조적인 성능과 마모 저항을 제공하는 재료로 제조하여야 하기 때문에 허용 가능한 재료의 선정에 한계가 있다. 이것을 절충하기 위해, 때로 캠 플레이트의 재료가 마모 저항을 갖추고 있지 않은 경우에는 캠 플레이트 구조체를 보다 두껍고 보다 무겁게 하여야 할 필요가 있으며, 캠 플레이트는 예를 들면, 300M 강철과 같은 우수한 구조적인 특징들을 갖춘 재료로 제조되었을 수가 있다.

상기 종래의 접근 방법의 변형예에 따르면, 캠 플레이트는 구조적인 특성들이 우수한 재료로 제조되며, 마모 저항 코팅재가 캠 표면에 부착된다. 이러한 코팅재는 통상 캠 표면을 텅스텐 카바이드와 같은 재료로 화염 분무함으로써 부착되며, 또는 캠 표면을 물리적 증착(PVD)과 같은 방법에 의해 부착되는 티타늄 질화물과 같은 재료로 코팅한다. 상기 코팅재는 때로는 경화 강철과 비교하여 향상된 마모 저항 성능을 제공하며 캠 플레이트가 구조적인 그리고 마모 저항 성능을 갖추어야만 하는 상기 절충안을 완화시킨다. 그러나, 이 코팅재는 비용이 비싸며, 작동 동안 벗겨져 에너지 전환 장치의 조기 마모 또는 고장을 유발하지 않도록 적절하게 부착하기가 어려울 수 있다.

다른 접근 방법에 따르면, 캠 플레이트는 캠 표면을 제공하는 교체 가능한 마모 플레이트 또는 와셔(washer) 삽입체를 포함한다. 표면이 마모되거나 손상되는 경우, 캠 플레이트를 원상태로 복구하도록 새로운 마모 플레이트가 설치된다. 마모 플레이트만이 교체되기 때문에, 이 접근 방법은 캠 플레이트가 교체되거나 재 기계 가공되어야 하는 접근 방법과 비교하여 비용을 상당히 절감할 수 있게 한다. 이러한 마모 플레이트 삽입체는 통상 플레이트 가공되거나 가공되지 않은 경화 강철로 제조되며, 두께가 약 0.040 내지 0.100 inch로 비교적 두껍다. 이 접근 방법은 고스톰스키(Gostomski)에게 허여된 미국 특허 제3,996,841호에 개시되어 있다. 고스톰스키에 따르면, 제조 비용을 감소시킬 목적으로 지지면을 엄격한 허용 오차로 기계 가공하여야 하는 필요성을 배제하기 위하여, 기울어진 캠 플레이트의 거칠게 기계 가공되거나 주조된 지지면에 헐겁게 장착되는, 다소 변형 가능하며 두께가 바람직하게 0.050 inch인 강철 스러스트 링(thrust ring)을 사용하고 있다.

실리콘 카바이드와 실리콘 질화물과 같은 세라믹 재료가 경화 강철의 마모 저항 특성보다 상당히 우수한 마모 저항 특성을 갖추고 있음은 오래전부터 공지되어져 왔다. 또한, 상기 세라믹 재료는 강철보다 밀도가 낮으면서도 보다 딱딱한 것으로, 강철의 통상적인 영 계수(Young' modulus) 30 MSI와 비교하여 세라믹 재료의 통상적인 영 계수는 45 내지 55 MSI이다. 따라서, 오랫동안 축방향 피스톤 장치의 설계자들의 목표는 에너지 전환 장치의 성능 및 수명 성능을 향상시키는 방식으로 상기 세라믹 재료를 사용하여 캠 플레이트를 형성하는 방법을 찾는 것이었다. 세라믹 재료의 특성들의 독특한 조합과 함께 이들 재료로 설비를 제조함에 수반되는 어려움들로 인해, 지금까지도 상기 목표가 달성되지 못하고 있어, 상기 방법은 신뢰성이 떨어진다.

종래의 캠 플레이트 또는 마모 플레이트에 사용된 강철 재료를 단순히 세라믹 재료로 교체하면 될 것 같지만, 이것은 간단하지가 않다. 순수한 세라믹 재료를 사용하여 대다수의 캠 플레이트에 요구되는 바와 같은 복잡한 형상으로 캠 플레이트를 생산하는 것이 불가능하지 않더라도, 세라믹의 딱딱하면서 깨지기 쉬운 성질로 인해 비용이 엄청나게 비싸진다. 또한, 세라믹 표면의 결점이나 작은 구멍들은 점차적으로 캠 플레이트의 고장을 유도하는 균열 시작점들로서 작용할 수 있다. 이것은 일반적으로 강철, 철, 또는 알루미늄과 같은 금속 재료의 캠 플레이트의 거칠게 기계 가공되거나 주조된 상태로 남아 있는 많은 표면들을 포함하는, 캠 플레이트의 모든 표면들을 엄격한 허용 오차로 기계 가공하거나 연마하여야 한다. 모든 표면들을 기계 가공하여야 함에 따라, 대부분의 경우 캠 플레이트 전체를 세라믹 재료로 제조할 것을 고려할 때, 모든 세라믹 부분의 비용을 비실용적으로 상당히 증가시킨다.

또한, 세라믹 재료의 높은 강도와 깨지기 쉬운 성질로 인해 다른 금속 재료 또는 강철의 캠 플레이트에 삽입되는 마모 플레이트에 세라믹 재료를 사용할 수 없다. 강철 캠 플레이트와 세라믹 마모 플레이트의 조립체를 실제로 응력 분석 및 시험한 결과 이 사실이 증명되었다. 통상 두께가 0.080 내지 0.100 inch인 강철 마모 플레이트 삽입체가 동일 두께의 세라믹 마모 플레이트로 단순히 교체된 경우, 대체로 세라믹 삽입채는 갈라져 파손된다. 이러한 파손은 여러 가지 이유로 인해 발생하는 것 같다.

세라믹 삽입체는 동일한 두께의 강철 삽입체보다 굽힘에 상당히 뻣뻣하기 때문에, 세라믹 재료는 보다 연성의 강철이 강철 캠 플레이트 구조체에 맞춰지는 것처럼 하중 하에 쉽게 편향되지 않는다. 다른 방식으로 증명해보면, 세라믹 플레이트가 강철 플레이트와 동일한 거리로 편향된다면, 세라믹 플레이트가 보다 높은 내부 응력을 받게 된다. 이에 따라, 강철 플레이트가 기부 캠 플레이트 구조체와 함께 지지하도록 되어 있던 것에 비해 세라믹 플레이트는 단독으로 큰 하중부를 지탱하여야 한다. 또한, 고스톰스키의 특허의 가요성 강철 삽입체의 경우에는 허용 가능한 것으로 기술된 바와 같은 마모 플레이트의 표면 거칠기는 세라믹 마모 플레이트의 경우에는 높은 접점 하중 및 비지지 영역을 생성하여 세라믹 마모 플레이트의 균열 및 파손 시작부가 될 수 있다.

전술한 문제점들을 해결하기 위하여, 당해 업계의 숙련자는 기부 캠 플레이트 구조체가 하중을 받아 최대로 편향되도록 재설계되거나, 하중 하의 편향에 맞춰지도록 세라믹 삽입체의 두께를 감소시켜 세라믹 삽입체의 응력을 낮춤으로써 세라믹 마모 플레이트의 응력을 허용 가능한 응력 수준으로 달성하여야 한다. 그러나, 양 접근 방법은 사실상 아직까지 당해 업계의 숙련자의 논리에 반하고 있다.

편향을 제한하기 위하여 기부 구조체를 재설계하는 것은 캠 플레이트에 상당한 두께, 부피, 중량 및 비용을 추가하므로, 이러한 재설계는 실제로 불가능하다. 또한, 이 접근 방법은 단순히 강철 플레이트를 세라믹 마모 플레이트로 대체함으로써 원래 강철 마모 플레이트와 사용하도록 설계된 현존하는 축방향 피스톤 장치에 세라믹 마모 플레이트를 개장할 가능성을 방해하는 것 같다.

하중 하에 내부 응력이 허용 가능한 하중으로 감소되는 지점까지 세라믹 마모 플레이트의 두께를 감소시키는 것도 두가지 이유로 인해 논리에 상당히 어긋난다. 첫째로, 최근까지도 허용 가능한 수준으로 내부 응력을 떨어뜨리기 위해 보다 얇은 두께는 말할것도 없고 강철 삽입체에 맞춰 0.050 내지 0.100 inch의 두께로 구조적인 세라믹 재료를 제조하는 것은 불가능하였다. 오늘날에도, 세계에서 가장 큰 세라믹 재료 공급사인 키오세라(Kyocera)와 같은 회사와, 미국에서 가장 큰 세라믹 재료 공급사인 노톤 어드밴스드 세라믹스(Norton Advanced Ceramics)만이 본 발명에 따른 마모 플레이트로서 사용할 만큼 충분히 정밀한 마무리면과, 허용 오차를 구비하며 단면이 충분히 얇은 구조적인 세라믹을 생산하는 기술을 소유하고 있다.

또한, 소정의 두께로 이용 가능한 세라믹 재료라해도, 0.005 내지 0.0030 inch--0.005 inch는 본 특허 출원 명세서의 한 페이지보다 약간만 두껍다-- 두께의 유리와 같이 깨지기 쉬운 재료로 형성된 마모 플레이트가 축방향 피스톤 장치의 하중 하의 마모 플레이트가 직면하는 굽힘 하중 및 다른 환경 조건에서도 깨지지 않고 남아 있을 수 있다는 것은 절대적으로 논리에 어긋나는 것 같다.

고스톰스키에 의해 개시된 바와 같은, 캠 플레이트의 지지면에 헐겁게 장착된 강철 삽입체를 단순히 세라믹 재료의 삽입체와 교체하려는 시도는 세라믹의 딱딱한, 마모 저항 성질로 인해 또다른 문제들에 직면하게 된다. 고스톰스키의 삽입체가 하중 하에 지지면에 대한 회전이 어느 정도까지만 허용되긴 하지만, 세라믹 삽입체의 회전을 억제하기 위하여 상당한 주의를 기울여야만 하는데, 그 이유는 세라믹이 너무 얇아 강철보다 마모 저항이 커, 이와 같은 회전에 의해 세라믹 삽입체가 칼날처럼 작용하여 지지 구조체가 마모되거나 심각하게 손상되는 지점까지 지지 구조체를 절삭할 수 있기 때문이다.

따라서, 이러한 마모 및 손상을 방지하기 위하여 캠 플레이트의 기부 지지 구조체에 대한 세라믹 삽입체의 회전을 억제하기 위한 몇몇 수단을 합체하는 것이 바람직하다. 이러한 억제 수단은 마모 플레이트와 지지면 간의 움직임 없이 피스톤 슬리퍼와 마모 플레이트의 캠 표면 간의 상대 운동만이 발생하는 것을 보장함으로써 마모 저항 표면의 유효성을 최대화하며, 지지면은 마모에 저항하도록 설계될 필요가 없다.

고스톰스키와 유사한, 강철 마모 플레이트를 사용하는 몇몇 종래의 축방향 피스톤 장치들은 실제로 마모 플레이트의 가장자리에 위치 설정 핀, 스플라인, 또는 플랫(flat)과 같은 회전 저지 설비들을 합체하고 있으며, 상기 마모 플레이트는 기부 캠 플레이트 지지 구조체에 대한 마모 플레이트의 회전을 방지하도록 캠 플레이트 지지 구조체의 비교 가능한 특징부와 상호 체결된다. 그러나, 일반적으로 이들 특징부들에는 두가지 이유로 인해 세라믹이 사용되지 않는다. 우선, 강철과 같은 연성 재료에서는 허용 가능한 집중 점 하중을 생성하는 핀, 플랫, 또는 스플라인 치형부와 같은 특징부들은 세라믹과 같은 깨지기 쉬운 재료에서는 균열 시작부가 되기 쉽다. 세라믹 재료가 두께가 보다 두꺼운 종래의 강철 마모 플레이트에 사용된 정렬 핀들에 의해 부과되는 유형의 집중 하중을 견딜 수 있을지라도, 본 발명의 세라믹 삽입체의 극도로 얇은 단면은 실제로 본 발명의 회전 저지 장치로서 사용하기에 충분한 두께를 허용하지 않는다. 둘째로, 치형부와 같은 복잡한 형상을 구비한 세라믹 마모 플레이트의 제조 비용은 엄청나게 비싸진다.

따라서, 본 발명의 목적은 마모 저항 성능이 우수한 세라믹 재료의 캠 표면을 제공함으로써 적은 비용으로 생산될 수도 있는, 성능이 향상되며 수명이 길어진 향상된 축방향 피스톤 에너지 전환 장치를 제공하는 것이다. 다른 목적은 다음을 제공하는 것을 포함한다:

a) 현존하는 축방향 피스톤 장치에 쉽게 개장될 수도 있는 캠 표면과;

b) 기부 캠 플레이트 지지 구조체에 대한 세라믹 마모 플레이트 삽입체의 회전을 억제하기 위한 수단.

본 발명은 펌프, 모터, 정역학적 변속기, 또는 압축기와 같은 에너지 전환 장치에 관한 것으로, 특히 장치의 구동축의 회전 축선에 평행한 방위로 배치된 실린더 내에서 피스톤을 왕복 운동시키기 위해 기울어진 캠(cam) 표면을 사용하는 축방향 피스톤 에너지 전환 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 축방향 피스톤 에너지 전환 장치의 단면도,

도 2 내지 도 4는 도 1의 축방향 피스톤 에너지 전환 장치의 가변 요동체 및 세라믹 삽입체의 세부 특징부들을 도시한 도면,

도 5는 도 1의 축방향 피스톤 에너지 전환 장치의 고정 요동체 및 세락믹 삽입체의 확대 단면도,

도 6은 도 5의 선6-6을 따라 절취한 단면도.

본 발명은 캠 플레이트 지지 구조체의 기부 지지면에 대기압에 의해 고정된 캠 표면으로서, 통상 두께가 약 0.005 내지 0.040 inch인, 얇은 세라믹 마모 플레이트 삽입체를 사용함으로써 전술한 목적들에 부합하는 축방향 피스톤 에너지 전환 장치를 제공하는 것이다.

특히, 캠 플레이트로의 마모 플레이트의 부착은 캠 플레이트의 지지면과 마모 플레이트의 결합면 모두를 매우 평활한 마무리면으로 연마하며, 지지면에 마모 플레이트를 배치하기 전에 오일과 같은 얇은 유체막을 상기 연마된 표면중 하나에 칠함으로써 달성된다. 상기 표면들이 고도로 연마되기 때문에, 엷은 오일막과 함께 이렇게 형성된 이음부는 밀폐 상태이다. 마모 플레이트의 캠 표면에 작용하는 대기압은, 고도로 연마된 표면이 결합된다면 한 쌍의 존슨(Johansson) 블록이 함께 유지되는 바와 동일한 방식으로 지지면의 적소에 마모 플레이트를 꽉 유지하도록 작용한다.

마모 플레이트의 결합면과 기부 캠 플레이트 구조체가 약 1 내지 10 마이크로인치(0.000001 내지 0.000010 inch)의 마무리면으로 연마되는 경우, 두께가 0.020 inch보다 얇은 마모 플레이트가 기부 지지 캠 플레이트 구조체를 구비한 축방향 피스톤 장치에 우수한 마모 저항과 향상된 성능을 제공하도록 성공적으로 사용될 수 있다. 이러한 얇은 세라믹 삽입체를 지지면에 성공적으로 장착할 수 있으므로 세라믹 삽입체는 작동 하중 하에 충분히 편향될 수 있으며, 허용 불가능한 높은 내부 하중을 초래함이 없이, 기부 캠 플레이트 지지 구조체와 접촉하여 이것에 의해 완전히 지지되므로, 본 발명에 의해 지시된 바와 다른 방법에 의해 장착된 두께가 보다 두껍거나 얇은 세라믹 마모 플레이트 삽입체를 사용하는 이전의 시도에서 직면했던 부적절한 지지로 인한 세라믹 삽입체의 균열 문제가 해결된다.

또한, 전술한 부착 방법에 의해, 마모 플레이트의 캠 플레이트 지지면에 대한 모든 회전이 사실상 구속되어, 지지 구조체에 대한 마모 플레이트의 바람직하지 못한 회전에 의해 유발되는 기부 구조체의 마모가 방지된다.

본 발명의 마모 플레이트는 세라믹 재료로 제조되는 것이 바람직하지만, 본 발명에 따른 캠 플레이트로의 마모 플레이트의 부착 방법은 기부 지지면에 얇은 금속제 마모 플레이트를 부착하는데에도 바람직하게 사용될 수 있다. 세라믹 또는 비세라믹 삽입체 모두에 의해, 본 발명은 고정 또는 가변 캠 표면을 사용하는 에너지 전환 장치에 응용 가능하다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 동심의 내부 및 외부 윤곽선을 구비한 원형 마모 플레이트 삽입체는, 피스톤이 캠 표면을 통과하는 회전 축선을 중심으로 회전할 때에 캠 표면 상에 대체로 타원형의 궤도 영역을 형성하는 피스톤 슬리퍼용 마모 저항 표면을 제공하도록 사용된다. 마모 플레이트의 단순한 원형 윤곽선은 보다 복잡한 타원형보다 세라믹 구조체에 신속하게 형성될 수 있으므로, 마모 플레이트의 초기 제조 비용과, 마모 플레이트가 교체될 때의 에너지 전환 장치의 쇄신 비용 모두를 감소시킨다.

단순한 원형의 세라믹 마모 플레이트를 사용할 수 있으므로, 캠 플레이트 표면에 마모 저항 코팅재를 플레이트 가공하거나 화염 분무하는 등의 이전에 사용된 방법과 비교하여 우수한 마모 저항과 신뢰성을 제공하며, 이에 따른 비용은 상기와 같은 코팅재 부착 비용과 같거나 보다 낮다.

당해 업계의 숙련자라면, 본 발명이 매우 얇은 세라믹 마모 플레이트 삽입체의 사용을 허용하기 때문에, 금속제 마모 플레이트와 사용하도록 설계된 현존하는 에너지 전환 장치의 기부 캠 플레이트 지지 구조체의 내부 응력에 맞춰 편향시 허용 가능한 내부 응력을 제공하도록 삽입체의 두께가 쉽게 조절될 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 의해 이전에 사용된 강철 삽입체를 본 발명에 따라 장착되는 보다 얇은 세라믹 삽입체로 교체함으로써 향상된 마모 저항을 제공하는 얇은 세라믹 마모 플레이트가 현존하는 장치에 개장될 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 장점 및 신규한 특징이 아래의 도면과 바람직한 실시예의 상세한 설명을 고려하여 분명해질 것이다.

도 1에는 항공기 전력 시스템용의 속도가 일정한 구동체에 사용되는 유형의 유압 측정기(10) 형태의 통상적인 에너지 전환 장치에 적용되는 바와 같은 본 발명의 실시예가 도시되어 있다. 또한, 유사한 에너지 전환 장치들이 경작기나 정원용 트랙터의 동력 전달계의 유체정역학적 변속기로서 통상 사용되어, 이러한 유체 정역학적 변속기의 입력축과 출력축의 회전 속도간의 무한 가변비를 제공한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 유압 측정기(10)는 일반적으로 입력축(14)에 의해 구동되는 가변 용적형 축방향 피스톤 펌프(12)와, 출력축(18)을 구동시키도록 펌프(12)에 의해 제공된 유체를 사용하는 정용적형 축방향 피스톤 모터(16)로 구성된다. 펌프(12)와 모터(16)를 상호 연결하는 호 형상 유입 및 유출 포트(도시하지 않음)를 구비한 포트 플레이트(19)가 펌프(12)와 모터(16)를 분리시키고 있다. 충전 펌프(도시하지 않음)는 당업계에 공지된 방식으로 펌프(12)와 모터(16) 사이 유압 회로에 작동 유체 공급원을 제공한다.

펌프(12)는 패스너(26)에 의해 포트 플레이트(20)에 부착되는 개방단(24)과, 입력축(14)의 좌측 단부(도 1에 도시된 바와 같은)를 지지하기 위한 베어링(30)을 수용하는 폐쇄단(28)을 구비한 대체로 종 형상의 펌프 하우징(22)을 포함한다. 입력축(14)의 우측 단부는 포트 플레이트(19)에 장착된 베어링(32)에 지지되어, 입력축(14)은 회전 축선(34)을 중심으로 회전 가능하다.

축(14)을 중심으로 배치된 펌프 실린더 블록(36)은 포트 플레이트(20)의 좌측면에 활주 가능하게 맞물리며, 스플라인 조인트(spline joint)(38)를 통하여 입력축(14)에 연결되어 입력축(14)에 의해 축선(34)을 중심으로 구동된다. 스프링 수단(39)이 펌프 실린더 블록을 포트 플레이트(20)의 좌측면과 밀봉 맞물림 상태로 유지한다.

펌프 실린더 블록(36)은 입력축(14)의 회전 축선(34)에 평행한 방위로 배치된 다수의 실린더(40)를 포함하며, 각각의 실린더(40)는 피스톤(42)을 수납하고 있다. 실린더(40)는 환형 배열로 배치되어 그 내부가 실린더 포트(54)와 연통하여 포트 플레이트(20)의 아치형 포트(도시하지 않음)와 일치된다. 각각의 피스톤(40)의 좌측 단부는 청동과 같은 비교적 연한 재료로 제조된 회전하는 피스톤 슬리퍼 조립체(46)를 포함한다. 각각의 슬리퍼(46)는 은과 같이 윤활성이 높은 재료로 플레이트 가공되며, 가변 요동체(52)(때로는 회전 경사판으로도 공지된) 형태의 캠 플레이트의 캠 표면(50)을 지탱하도록 형성된 지탱면(47)을 포함한다. 슬리퍼(46)는 슬리퍼의 지탱면(47)이 가변 요동체(52)의 캠 표면(50)과 활주 접촉 상태를 유지하도록 리테이너 수단(48)에 의해 구속되어 있다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 가변 요동체(52)의 형상은 비교적 복잡하며, 펌프 실린더(40)가 입력축(14)에 의해 축선(34)을 중심으로 회전할 때에 실린더(40) 내에서 피스톤(44)이 왕복 운동하도록, 캠 표면(50)이 축선(34)에 대해 선택적으로 기울어질 수 있는 방식으로 하우징(22) 내에 요동체(52)를 장착하기 위한 트러니온 마운트(trunnion mount)(56,58)를 포함한다. 가변 요동체(52)는 비교적 평활한 지지면(62)을 구비한 기부 지지 구조체(60)를 포함하는데, 상기 지지면은 얇은 세라믹 마모 플레이트 삽입체(66)의 접합면(64)과 일치되도록 형성되며 이 반대면은 캠 표면(50)을 제공한다. 따라서, 요동체(52)가 조립된 유압 측정기(10)에 설치될 때, 세라믹 마모 플레이트(66)는 요동체(52)의 지지 구조체(62)와 피스톤 슬리퍼(46)의 지탱면(47) 사이에 끼워진다.

유압 측정기(10)의 바람직한 실시예에 있어서, 요동체 지지 구조체(62)는 AMS 6419로도 공지된, 상품명 300M으로 시판되고 있는 강철과 같은, 구조적인 특성이 우수한 강철로 제조된다. 세라믹 삽입체(66)는 실리콘 질화물, 실리콘 카바이드와 같은 공지된 재료로 구성된 그룹의 조성분을 갖춘 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 세라믹 삽입체(66)는 펌프(12)의 실린더(40) 내에 유압이 정상 압력 상태일 때 삽입체(66)에 지나친 응력을 초래하지 않고서도 지지면(62)에 대해 탄성적으로 변형되도록 충분히 얇다. 0.005 내지 0.040 inch 두께의 삽입체(66)가 사용될 수 있으며, 일반적으로 0.005 내지 0.020 inch의 보다 얇은 수치가 바람직하다.

본 발명의 상당히 바람직한 실시예에 있어서, 지지면(62)과 접합면(64) 모두 1 내지 10 마이크로인치와 거의 비슷한 마무리면으로 연마되며, 지지면(62)에 세라믹 삽입체(66)를 설치하기 전에 유압 측정기(10)에 사용되는 동일 작동 유체 또는 오일과 같은 유체의 얇은 코팅재가 접합 또는 지지면(62,64) 모두에 칠해진다. 상기 결합 표면들이 상기 정도로 연마되며 삽입체(66)가 전술한 바와 같은 얇은 유체막 상에 설치될 때, 0.020 inch 또는 이보다 작은 두께의 삽입체(66)는 지지면(62)의 적소에 견고하게 유지되며, 삽입체(66)는 지지 구조체(60)에 대해 최소한도로만 회전함을 경험으로부터 알 수 있다. 또한, 마무리면이 약 32 마이크로인치 만큼 거칠지만, 표면 거칠기가 증가될 때에도 삽입체(66)와 지지면(62) 간의 추가 회전이 허용되는 성공을 거두었다.

모터(16)는 펌프(12)와 대체로 구성이 유사하지만, 가변 용적형이 아닌 정용적형이다. 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 모터(16)는 비교적 평활한 지지면(84)을 갖춘 기부 지지 구조체(82)를 구비한 정요동체(80) 형태의 캠 플레이트 조립체를 포함하며, 상기 지지면은 얇은 세라믹 마모 플레이트 삽입체(88)의 다른쪽 접합면(86)과 일치되도록 형성되며 이 반대면은 캠 표면(90)을 제공한다. 따라서, 정요동체(80)가 조립된 유압 측정기(10)에 설치될 때, 세라믹 마모 플레이트(90)는 모터 피스톤(16)이 부착된 피스톤 슬리퍼(94)의 지탱면(92)과 요동체(80)의 지지 구조체(82) 사이에 끼워지며, 상기 슬리퍼의 지탱면은 펌프(12)에 대해 전술한 바와 동일한 방식으로 모터(16)의 세라믹 삽입체(88)의 캠 표면(90)과 활주 가능하게 맞물리도록 구속된다.

유압 측정기(10)의 바람직한 실시예에 있어서, 마무리면, 재료 및 정요동체(80)의 지지면(92) 상의 삽입체(88) 장착 방법은 펌프(12)의 대응하는 특징부, 부분 및 방법들에 관한 전술한 바와 동일하다.

그러나, 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 정요동체(80)의 지지 및 캠 표면(84,90)은 회전 축선(34)에 대해 불변각(θ)으로 기울어지기 때문에, 피스톤 슬리퍼(94)의 지탱면(92)은 삽입체(88)의 캠 표면(90) 상에 대체로 타원형의 궤도(98)를 형성하며, 이 타원형 궤도(98)는 타원형의 이것의 반경방향 내부 가장자리(100) 및 반경방향 외부 가장자리(102)를 형성하고 있다. 세라믹 삽입체(88)를 피스톤 슬리퍼(94)에 의해 형성되는 타원형 궤도(98)에 일치하는 타원형으로 기계 가공하는 것은 삽입체(88)의 비용 및 복잡함을 상당히 증가시킨다. 이러한 추가의 복잡함 및 비용 초래를 방지하기 위하여, 유압 측정기의 바람직한 실시예의 세라믹 삽입체(88)는 동심의 내경 및 외경(104,106)을 갖춘 단순한 원형 와셔로 형성되며, 상기 각각의 내경 및 외경은 타원형 궤도(98)의 반경방향 내부 가장자리(100)의 작은 직경(108)과 반경방향 외부 가장자리(102)의 큰 직경(110)에 근접한다. 이러한 배열에 의해, 원형 삽입체(88)는 타원형 궤도(98)를 완전히 포용하며, 피스톤 슬리퍼(94)의 지탱면(92)이 세라믹 삽입체(88)의 내경 및 외경과 위나 아래에서 겹치지 않고 이동할 수 있는 마모 저항 표면을 제공한다.

전술로부터, 당해 업계의 숙련자라면 본 발명이 마모 저항 성능이 우수한 세라믹 재료의 캠 표면을 제공함으로써 적은 비용으로 생산될 수도 있는, 성능이 향상되었으며 수명이 길어진 향상된 축방향 피스톤 에너지 전환 장치를 제공함을 알 수 있을 것이다. 또한, 본 발명은 현존하는 축방향 피스톤 장치에 즉각적으로 개장(改裝)될 수 있는 캠 표면과, 기부 캠 플레이트 지지 구조체에 대한 세라믹 마모 플레이트 삽입체의 회전을 적당히 억제하는 방식으로 캠 플레이트 지지 구조체에 세라믹 마모 플레이트를 장착하기 위한 향상된 수단을 제공함을 알 수 있다.

당해 업계의 숙련자라면, 본 명세서에 본 발명의 특정 실시예와 응용만이 기술되어 있지만, 본 발명의 많은 다른 실시예 및 응용이 첨부된 청구 범위에 기술된 바와 같은 본 발명의 영역 내에서 가능함을 또한 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 본 발명은 캠 플레이트가 실린더 및 피스톤과 함께 축선을 중심으로 회전하는 에너지 전환 장치, 또는 회전 캠 플레이트와 비회전 실린더 및 피스톤을 구비한 장치에 이용될 수도 있다. 또한, 본 발명은 얇은 세라믹 마모 플레이트만 사용되도록 제한되는 것이 아니라 경화 강철과 같은 비세라믹 재료로 제조된 삽입체의 향상된 장착을 제공하도록 사용될 수도 있다.

따라서, 첨부된 청구 범위의 정신 및 영역은 본 명세서에 개시 및 묘사된 특정 실시예로만 한정되는 것은 아님을 알 수 있다.

Claims (12)

1. 에너지 전환 장치로서,

   a) 유입 및 유출 포트를 형성하는 포트 플레이트 수단과;

   b) 상기 포트 플레이트 수단을 통과하는 축선을 중심으로 상기 포트 플레이트 수단에 대해 회전 가능한 실린더 블록과;

   c) 상기 실린더 블록 내에 축방향 방위로 배치된, 상기 포트 플레이트 수단의 유입 및 유출 포트와 연속적으로 연통 가능한 실린더와;

   d) 상기 실린더 내에서 활주 가능하며, 단부에 선회 가능하게 장착된 베어링 슬리퍼를 구비한 피스톤과; 그리고

   e) 상기 피스톤이 상기 실린더 내에서 왕복 운동할 수 있도록 상기 실린더 블록의 일단부에 설치된 캠 플레이트 수단을 포함하며,

   상기 캠 플레이트 수단은, 장치의 실린더 내의 유압이 정상 압력 상태일 때 변형 가능하며, 비교적 매끄럽고 평탄한 지지면도 구비하고 있는 지지 구조체와; 그리고

   상기 지지 구조체와 상기 베어링 슬리퍼와의 사이에서 상기 지지면상에 장착되는 세라믹 재료의 얇은 삽입체를 포함하며,

   상기 세라믹 삽입체는 장치의 실린더 내의 유압이 정상 압력 상태일 때 삽입체내에 과도한 응력이 야기되지 않고 상기 지지면에 대해 탄성적으로 변형될 만큼 충분히 얇은 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 재료는 실리콘 질화물 및 실리콘 카바이드로 구성된 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 삽입체의 두께는 약 0.005 내지 0.020 inch인 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 지지 구조체의 상기 지지면과, 상기 지지 구조체를 지탱하는 상기 삽입체의 접합면 모두 약 1 마이크로인치 내지 32 마이크로인치의 마무리면을 구비하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 삽입체가 상기 축선을 중심으로 상기 지지 구조체에 대해 자유롭게 회전하는 것을 억제하기 위해 상기 지지면과 접합면 사이에 배치된 얇은 유체 코팅재 형태의 회전 저지 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 지지면과 접합면 모두 약 1 마이크로인치 내지 10 마이크로인치의 마무리면을 구비하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 삽입체는 상기 삽입체의 내경과 외경을 형성하는 각각의 원형의, 동심적인 내부 및 외부 윤곽선을 구비하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 지지면은 상기 슬리퍼가 상기 축선을 중심으로 상기 삽입체의 표면 상에 대체로 타원형의 궤도를 형성하는 방식으로 상기 축선에 대해 기울어지며, 상기 타원형 궤도는 반경방향 내부 및 외부 가장자리를 형성하며;

   상기 삽입체의 상기 내경은 상기 타원형 궤도의 상기 내부 가장자리의 작은 직경과 같거나 약간만 작으며;

   상기 삽입체의 상기 외경은 상기 타원형 궤도의 상기 외부 가장자리의 큰 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 지지면은 상기 축선으로부터 불변각으로 기울어지는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 지지면은 상기 축선에서부터 각을 변화시켜 기울어질 수 있으며, 상기 에너지 전환 장치는 상기 축선에 대해 상기 지지면의 각을 변화시키기 위한 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
11. 에너지 전환 장치로서,

    a) 유입 및 유출 포트를 형성하는 포트 플레이트 수단과;

    b) 상기 포트 플레이트 수단을 통과하는 축선을 중심으로 상기 포트 플레이트 수단에 대해 회전 가능한 실린더 블록과;

    c) 상기 실린더 블록 내에 축방향 방위로 배치된, 상기 포트 플레이트 수단의 유입 및 유출 포트와 연속적으로 연통 가능한 실린더와;

    d) 상기 실린더 내에서 활주 가능하며, 단부에 선회 가능하게 장착된 베어링 슬리퍼를 구비한 피스톤과; 그리고

    e) 상기 피스톤이 상기 실린더 내에서 왕복 운동할 수 있도록 상기 실린더 블록의 일단부에 설치된 캠 플레이트 수단을 포함하며,

    상기 캠 플레이트 수단은, 장치의 실린더 내의 유압이 정상 압력 상태일 때 변형 가능하며, 비교적 매끄럽고 평탄한 지지면도 구비하고 있는 지지 구조체와; 그리고

    상기 지지 구조체와 상기 베어링 슬리퍼와의 사이에서 상기 지지면상에 장착되는 얇은 삽입체를 포함하며,

    상기 삽입체는 장치의 실린더 내의 유압이 정상 압력 상태일 때 삽입체내에 과도한 응력이 야기되지 않고 상기 지지면에 대해 탄성적으로 변형될 만큼 충분히 얇으며;

    상기 지지 구조체의 상기 지지면과, 상기 지지 구조체를 지탱하는 상기 삽입체의 접합면 모두 약 1 마이크로인치 내지 32 마이크로인치의 마무리면을 구비하며; 그리고 상기 삽입체가 상기 축선을 중심으로 상기 지지 구조체에 대해 자유롭게 회전하는 것을 억제하기 위해 상기 지지면과 접합면 사이에 배치된 얇은 유체 코팅재를 구비하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
12. a) 유입 및 유출 포트를 형성하는 포트 플레이트 수단과;

    b) 상기 포트 플레이트 수단을 통과하는 축선을 중심으로 상기 포트 플레이트 수단에 대해 회전 가능한 실린더 블록과;

    c) 상기 실린더 블록 내에 축방향 방위로 배치된, 상기 포트 플레이트 수단의 유입 및 유출 포트와 연속적으로 연통 가능한 실린더와;

    d) 상기 실린더 내에서 활주 가능하며, 단부에 선회 가능하게 장착된 베어링 슬리퍼를 구비한 피스톤과; 그리고

    e) 상기 피스톤이 상기 실린더 내에서 왕복 운동할 수 있도록 상기 실린더 블록의 일단부에 설치된 캠 플레이트 수단을 포함하며,

    상기 캠 플레이트 수단은, 장치의 실린더 내의 유압이 정상 압력 상태일 때 변형 가능하며, 비교적 매끄럽고 평탄한 지지면도 구비하고 있는 지지 구조체와; 그리고

    상기 지지 구조체와 상기 베어링 슬리퍼와의 사이에서 상기 지지면상에 장착되는 얇은 삽입체를 포함하며,

    상기 삽입체는 장치의 실린더 내의 압력이 정상 압력 상태일 때 삽입체내에 과도한 응력이 야기되지 않고 상기 지지면에 대해 탄성적으로 변형될 만큼 충분히 얇은 그러한 에너지 전환 장치에서, 상기 삽입체를 상기 지지면 상에 장착하기 위한 방법으로서,

    (1) 상기 지지 구조체의 상기 지지면과 상기 지지 구조체를 지탱하는 상기 삽입체의 접합면 모두 약 1 마이크로인치 내지 32 마이크로인치의 마무리면으로 연마하는 단계와;

    (2) 상기 표면들을 서로 접촉하게 배치하기 전에 상기 지지면 또는 접합면중 하나에 얇은 유체 코팅재를 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.