KR20020035831A

KR20020035831A - 왕복기 제조 방법

Info

Publication number: KR20020035831A
Application number: KR1020027000202A
Authority: KR
Inventors: 존 에이. 코리
Original assignee: 클레버 펠로우즈 이노베이션 컨소시움, 인코포레이티드
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2001-05-08
Publication date: 2002-05-15
Also published as: CA2381735A1; WO2001096059A1; EP1226001A1; KR100859231B1; CA2381735C; JP4021759B2; EP1226001A4; JP2004503703A; DE60132296D1; US6353987B1; CN1229201C; CN1380843A; WO2001096059A9; BR0106320B1; TW592878B; BR0106320A; DE60132296T2; EP1226001B1; AU2001259614A1

Abstract

왕복기 및 왕복기용 이동요소의 제조방법. 또한 왕복 요소들의 상대적인 비-접촉 정렬의 생성 방법.

Description

왕복기 제조 방법 {METHODS RELATING TO CONSTRUCTING RECIPROCATOR ASSEMBLY}

리니어 모터를 사용하는 많은 왕복 장치들은 매우 정밀한 공차 및 자유 활주 관계로 동작되는 비윤활(unlubricated) 요소들을 필요로 한다. 이러한 종류의 장치의 예로서: 자유 피스톤(free-piston) 스털링 엔진, 써모어쿠스틱 엔진-제너레이터, 여러 종류의 자유 피스톤 극저온 냉각기, 가스-사이클 냉동 장치, 및 리니어 모터로 구동되는 가스 압축기 등이 포함된다. 이같은 리니어 모터 또는 왕복기에 의해 구동되는 장치에서 피스톤 등의 이동요소는, 베어링이나 가요성 서스펜션 장치에 의해 안내되어 왕복 운동하게 될 실린더 보어와 일치되어야 한다. 베케트 등의 미국특허 제 5,552,214호는 예시적인 나선형 서스펜션을 개시하고 있다. 왕복기의 이동요소가 각 실린더 보어 내에서 자유롭게 활주하는 동시에 유효 압력 장벽을 유지하기 위하여, 매우 정밀한 공차가 요구된다. 특히, 피스톤을 실린더 및 리니어 모터 결합 표면에 동축으로 배열하는 것이 필수적이다. 통상적으로, 이와 같은 정밀한 끼움을 달성하기 위해 요구되는 가공은 매우 세밀해야 하는데, 그 이유는 모터 고정자, 서스펜션, 피스톤 및 실린더 등의 부품들이 개별적으로 세공된 후에 서로 조립되거나 끼워지기 때문이다. 수많은 정밀 공차 자유-활주 부품들이 필요한 경우, 이러한 부품들을 생성하는데 필요한 정밀도로 인하여 매우 많은 시간과 고비용이 초래된다.

전술한 바에 의하여, 왕복 장치에 의해 운전되는 기구에서 사용되는, 예컨대 휨-지지된 이동요소 및 실린더 어셈블리와 같은 요소들 간의 정밀-끼워맞춤, 그러나 비-접촉 끼워맞춤을 제공하는 저렴하고 신뢰성 있는 방법이 해당 기술분야에서 요구되어진다.

본 발명은 일반적으로 왕복기의 제조에 있어 유용한 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 왕복기 및 이동요소의 제조 방법, 및 요소들의 비-접촉 정렬을 생성하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예는, 동일 요소에 관해 동일 부호가 사용된 하기의 도면을 참고하여 이하에서 보다 상세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 왕복기 어셈블리를 나타낸 것이고;

도 2는 본 발명에 따른 리니어 서스펜션 요소를 나타낸 것이고;

도 3은 도 2의 3-3선에 따른 단면도를 구성요소별로 분해하여 나타낸 것이고;

도 4a-4c는 도 2의 리니어 서스펜션 요소의 레그중 하나의 휨 움직임을 세부적으로 나타낸 것이고;

도 5는 도 2의 리니어 서스펜션 요소가 설치된 상태의 세부 단면도이고;

도 6은 도 2의 리니어 서스펜션 요소의 설치부의 세부도이고;

도 7은 본 발명에 따른 방법을 나타낸 것이고;

도 8은 도 7의 방법의 대안적인 단계를 나타낸 것이고;

도 9는 도 7의 방법에 대한 부가적 단계를 나타낸 것이며; 그리고

도 10은 도 7의 방법의 결과를 세부적으로 나타낸 것이다.

본 발명은 이동요소와 왕복기의 동축성, 및 상기 이동요소 및 그 운동축에 대한 상기 왕복기의 파일럿 페이스의 수직성을 보장하는 왕복 장치를 위한 이동요소의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 제 1 양태에 의하면, 왕복기 및 상기 왕복기의 이동요소를 제조하는 방법으로서, 상기 왕복기가 상기 이동요소가 움직이게 되는 왕복 축선을 가지고, 상기 이동요소를, 왕복운동을 허용하고 실질적으로 상기 이동요소의 상기 왕복기에 관한 비-축선 운동을 제한하는 서스펜션을 통해 상기 왕복기에 연결하는 단계; 상기 이동요소 및 상기 왕복기를 상기 왕복 축선에 대해 동시에 회전시키는 단계; 및 상기 이동요소의 직경과 상기 왕복장치의 직경을 가공하는 단계를 포함하여 이루어지는 방법이 제공된다.

본 발명의 제 2 양태에 의하면, 왕복 축선을 따라 왕복 운동하는 왕복기에 연결된 제 1 요소와, 제 2 요소 간의 비-접촉 정렬을 생성하는 방법으로서, 상기 제 1 요소를, 왕복운동을 허용하고 상기 왕복기에 관한 상기 제 1 요소의 비-축선 운동을 실질적으로 제한하는 서스펜션을 통해 상기 왕복기에 연결하는 단계; 상기 제 1 요소와 왕복기를 상기 왕복축선에 대해 동시에 회전시키는 단계; 상기 제 1 요소를 제 1 외경으로, 상기 제 2 요소를 제 2 외경으로 가공하는 단계; 및 상기 제 2 요소를 상기 제 1 외경에 들어맞는 제 1 내경, 상기 제 2 외경에 들어맞는 제 2 내경 및 페이스를 갖도록 가공하는 단계를 포함하여 이루어지는 방법이 제공된다.

본 발명의 전술한 특징 및 그 이외의 특징들은 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 하기의 보다 상세한 설명을 통하여 분명해질 것이다.

비록 본 발명의 바람직한 특정 실시예에 관하여 상세히 도시되고 설명될 것이나, 첨부된 특허청구범위의 범주를 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 수정이 이루어질 수 있음을 인식하여야 할 것이다. 본 발명의 범주는 구성 요소의 갯수, 그 재료, 형상, 또는 상대적 배열 등에 의해 결코 제한되어서는 안될 것이며 단지 바람직한 실시예의 보기로서 개시된 것이다.

도 1을 참조하면, 왕복기(10) 및 이에 부합되는 실린더 어셈블리(12)를 포함하는 왕복기 어셈블리(8)가 도시되어 있다. 작동시, 왕복기(10) 및 실린더 어셈블리(12)는, 왕복기(10)의 이동요소(14)가 왕복기(10)의 축선(A)을 따라 직선방향으로 움직이고 실린더 어셈블리(12)의 실린더 보어(16) 내에서 정밀한 공차로 위치되도록 조립된다. 왕복기(10)는 본 발명의 참고자료인 미국특허 제 5,389,844호 및 5,139,242호에 개시된 바와 유사하게, 이동요소(14) 및 리니어 구동 기구 또는 모터(18)를 포함한다. 왕복기(10)는 또한 종종 크라운 링이라고 불리는 왕복기 케이싱(20)을 포함할 수 있다. 리니어 구동 기구(18)는 적어도 하나, 바람직하게는 두개의 리니어 서스펜션 요소(22)를 포함하는데, 이 요소(22)는 리니어 서스펜션(23) 및, 본 기술분야의 숙련자가 알 수 있듯이, 플런저 및 고정자(미도시)를 형성한다. 리니어 서스펜션(23)은 왕복운동을 허용하고 왕복기(10)에 관한 이동요소(14)의 비-축선 운동, 예컨대, 비틀림, 회전 및/또는 반경방향 움직임을 실질적으로 저지한다. 즉, 왕복축선(A)을 따른 운동을 제외한 어떠한 움직임도 제한된다. 이동요소(14)는 왕복기(10)의 전동요소(power transmitting element)이므로 종종 피스톤으로 지칭된다.

실린더 어셈블리(12)는 왕복기(10)와 당업자에게 인식가능한 광범위한 장치 간의 인터페이스이다. 이러한 장치들의 몇몇 예로는: 자유 피스톤 스털링 엔진, 써모어쿠스틱 엔진-제너레이터, 자유 피스톤 극저온 냉각기, 가스-사이클 냉동장치, 펄스 튜브 구동기, 및 가스 압축기가 있다. 상기 예시 중에서, 상기 실린더 어셈블리(12)는, 왕복기(10)가 실린더 어셈블리(12)의 각 단부에 결합되는 트윈 모터 펄스 튜브 구동기를 위한 것이다 (편의상 하나만 도시하였다).

어떤 설정에서도, 실린더 어셈블리(12)는 실린더 보어(16), 파일럿 보어(24) 및 실린더 페이스(26)를 포함하는 왕복기(10)와 결합되는 다수의 구조물을 포함하는 것이 바람직하다. 왕복기(10), 또는 왕복기 케이싱(20)은 파일럿 보어(24)와 부합되는 파일럿(28), 및 실린더 페이스(26)와 페이스-대-페이스로 부합되는 단부 또는 파일럿 페이스(30)를 포함한다. 어셈블리의 세부는 도 7-10에서 보다 상세히 설명될 것이다.

리니어 서스펜션 요소(22)는 왕복기(10)의 작동중에 왕복축선(A)을 따라 이동요소(14)의 움직임을 제한한다. 도 2-5를 참조하면, 리니어 서스펜션 요소(22)는, 바람직하게는 도 6에 가장 잘 도시되어 있는 측면(34)을 갖는 링의 형태인, 서스펜션 설치부(32)를 포함한다. 리니어 서스펜션 요소(22)는 또한, 하기에서 상세히 설명될 서스펜션 스트랩 어셈블리(36)를 포함한다. 설치부(32)는 또한 설치 구멍(33)을 포함한다. 설치부(32)는 측면을 갖는 링의 구성이 아닌 다양한 형태를 취할 수 있으며, 이는 본 발명의 개시를 벗어나지 않는다.

서스펜션 스트랩 어셈블리(36)는 허브(40)로부터 실질적으로 반경방향으로 뻗어 있는 다수의 레그, 또는 휨 요소,(38)를 포함한다. 레그(38)는 바람직하게는 피로-저항, 고강도 템퍼링된 강, 예컨대 AISI 1095, SS316 또는, 바람직하게는 Uddeholm 사에서 제조한 UHB 716으로 제작된다. 각 레그(38)는 실질적으로 반경방향인 제 1 부분(42) 및 실질적으로 축방향인 제 2 부분(44)을 갖는다. 축방향 부분(44)은 하기에 설명될 이유로 인해 통상적으로 반경방향 부분(42)보다 짧다. 각각의 축방향 부분(44)은 적어도 하나, 바람직하게는 두 개의 리벳(46)에 의해 설치부(32)에 결합된다. 만일 리벳(46)이 하나만 사용되면, 그 하나의 리벳을 중심으로 레그가 회전하는 것을 방지하기 위해 다른 체결 기구가 필요할 수 있다.

각각의 축방향 부분(44)은 이동요소(14)의 왕복운동 도중에 각 반경방향 부분(42)에 가해지는 인장력을 소산시키기 위해 제공된다. 특히, 축방향 부분(44)은 각 반경방향 부분(42)의 인장응력을 그 축방향 부분(44)의 굽힘응력으로 전환시키도록 작용한다. 상기 부분들(42, 44)의 최적의 길이는 다양한 인자들, 예컨대 요구되는 스트로크에 대해 허용되는 서스펜션 요소(22)의 응력의 크기, 레그(38)의폭과 두께 등에 의해 결정된다. 이러한 세부적인 치수들은 제안된 설계의 유한 요소 응력 분석에 의해 가장 양호하게 결정된다.

왕복기(10)를 형성하기 위해, 공지된 방식으로 이동요소(14)에 결합된 허브 설치부(60)(도 7참조)에 허브(40)가 결합된다. 설치부(32)는 예를들어 설치 구멍(33)을 통과하는 볼트에 의해, 공지된 방식으로 리니어 구동기구(18), 또는 왕복기(10)의 다른 고정 구조물에 결합된다. 도 1에 도시된 왕복기에서, 리니어 구동기구(18)의 각 측면에 하나씩 두 개의 리니어 서스펜션 요소(22)가, 리니어 서스펜션(23)을 형성하고 왕복축선(A)을 따라 이동요소(14)를 안내하는데 있어 필요하다. 왕복기 케이싱(20)은 하나의 서스펜션 요소(22)를 내부에 수용하도록 가공될 수 있다.

도 3 및 4a-4c를 참조하면, 리니어 서스펜션 요소(22)가 분해되어 도시된다. 도 4a에서, 스트랩 어셈블리(36)가 휴지 위치, 즉, 왕복기(10)가 작동하지 않고, 어셈블리(36)가 도 4b 및 4c에 도시된 자체적으로 허용가능한 극한 위치의 거의 중간에 있는 경우를 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 각 레그(38)의 반경방향 부분(42)은 바람직하게는 같은 레그(38)의 축방향 부분(44)에 대해 대략 90°의 각도(α)로 형성된다. 바람직한 실시예에서, 리니어 서스펜션 요소(22)는 축방향 부분(44) 및 설치부(32)가 설치부(32)의 받침점 엣지(fulcrum edge)(48)에서 분리되는 것을 방지하도록 제 1 예압(preload)을 포함할 수 있다. 그렇지 않으면 왕복기(10)의 작동도중 레그(38)가 비틀릴 때 분리가 일어날 수 있다. 이러한 제 1 예압은, 도 3에 도시된 바와 같이, 축방향 부분(44)이 결합되는 설치부(32)의 임의의 두 개의 대향하는 측면(34)간의 외측 거리(D2)보다 짧은, 임의의 두 개의 대향하는 축방향 부분(44)간의 내측 거리(D1)을 가짐으로써 제공된다. 이러한 설정은 임의의 두 개의 대향 축방향 부분(44)간의 서스펜션 스트랩 어셈블리(36)상의 내측 거리(D1)를 설치부(32)의 임의의 두 개의 대향 측면(34)간의 외측 거리(D2)보다 짧게 형성함으로써 제공될 수 있다. 바람직한 일실시예에서, 내측 거리(D1)는 외측 직경(D2)보다 약 1% 작게 설정된다. 대안적으로는, 설치부(32)의 대향 측면(34)이 내측 거리(D1)보다 넓게 형성될 수 있다. 따라서, 서스펜션 스트랩 어셈블리(36)가 조립되면, 각 축방향 부분(44)이 설치부(32)의 받침점 엣지(48)위로 예압 벤드를 포함한다. 서스펜션 스트랩 어셈블리(36)가 짝수개의 레그(38)를, 설치부(32)가 짝수개의 측면(34)을 가진 것으로 도시되었으나, 홀수개의 레그(38) 및 측면(34)이 제공될 수도 있다. 이런 경우, 스트랩 어셈블리(36)의 평균 내경은 요구되는 예압을 형성하도록 설치부(32)의 평균 외경보다 작게 구성될 수 있다.

제 1 예압은 다수의 장점을 제공한다. 첫째, 서스펜션 요소(22)의 운동 방향에 상관없이, 받침점 엣지(48)에 의한 축방향 부분(44)상의 마모량이 감소된다. 더 설명하면, 이동요소(14) 및 서스펜션 요소(22)가 도 4b 및 4c에서 서스펜션 요소(22)에 관하여 나타낸 두가지 극한 위치 사이에서 움직인다. 도 4b는 이동요소(14)가 설치부(32)를 통해 화살표(FD)로 표시된 제 1 방향으로 이동된 제 1 극한 위치에 있는 서스펜션 요소(22)의 레그(38)를 나타낸 것이다. 제 1 예압으로 인하여, 레그(38) 및, 특히, 축방향 부분(44)이 언제나 설치부(32)의 받침점 엣지(48)로부터 떨어지지 않는 방식으로 변형된다. 그 결과, 제 2 부분(44)상의 마모가 감소된다. 마찬가지로, 도 4c는 이동요소(14)가 제 1 방향(FD)와 반대인 화살표(SD)로 지시된 제 2 방향으로 설치부(32)로부터 멀리 움직여진 제 2 극한 위치에 있는 서스펜션 요소(22)의 레그(38)를 나타낸 것이다. 이 위치에서, 레그(38) 및, 특히, 축방향 부분(44)이 본질적으로 설치부(32)의 받침점 엣지(48)로부터 떨어지지 않는 방식으로 변형된다. 작동 도중에 항상 받침점 엣지(48)에서 또는 그 근처에서 축방향 부분(44) 및 설치부(32)의 접촉을 유지하는 것은, 서로간의 상대 운동으로 인해 축방향 부분(44) 또는 설치부(32)가 마모나 침식되는 것을 방지한다. 따라서, 서스펜션 요소(22)의 수명이 길어진다.

제 1 예압의 두번째 장점은 미국특허 제 5,389,844호에 개시된 바와 같은, 축방향 부분(44)에 대한 복잡한 클램핑 기구의 필요성이 없어진다는 점이다. 예를들어, 보통 도 4b에 도시된 극한 위치에서, 축방향 부분(44)은 받침점 엣지(48)로부터 바깥쪽으로 힘이 가해질 것이므로 미국특허 제 5,389,844호에 도시된 클램핑 블록과 같이 이러한 현상을 방지하기 위한 임의의 기구가 요구될 것이다. 그러나, 제 1 예압의 존재로 인해 어떠한 클램핑 기구도 필요치 않다.

다시 도 4b-4c를 보면, 제 2 방향(SD)(도 4c)으로의 움직임으로 인한 레그(38)의 늘어남은 제 1 방향(FD)(도 4b)으로의 움직임으로 인한 압축보다 더 급격한 응력을 초래한다. 서스펜션이 휴지 위치에 대해 제 1 방향(FD) 및 제 2 방향(SD)으로 상대적으로 동일한 크기로 왕복 운동하는 경우, 제 2 방향(SD)으로 추가 운동이 동반되지 않는다면 비록 제 1 방향(FD)으로 과도응력없이 추가 운동이 가능하더라도, 총 스트로크 범위는 제 2 방향(SD)으로의 운동중에 발생되는 응력수준에 의해 제한될 것이다. 만일 제 1 방향(FD) 및 제 2 방향(SD) 각각에 대해 이같은 비동등 운동 범위가 채용될 수 있다면 총 허용가능 스트로크 범위는 증가될 수 있을 것이다. 이런 상황을 감안하여, 도 5에 나타낸 바와 같이 리니어 서스펜션 요소(22)가 제 2 예압을 포함할 수도 있다. 제 2 예압은 바람직하게는 서스펜션 스트랩 어셈블리(36)를 설치부(32) 쪽으로 약간의 탄성 굽힘을 갖도록, 즉, 축방향 부분(44)과 반경방향 부분(42)이 형성각(α)보다 작은 각(β)으로 설정되도록 이동요소(14)에 결합시킴으로써 생성된다. 각(β)은 90°보다 작은 것이 바람직하다. 이러한 제 2 예압은 왕복운동 중에 레그(38)에 보다 균형있는 응력 범위를 제공한다. 따라서, 이동요소(14)가 제 2 방향(SD)으로 움직일 때, 서스펜션 재료의 피로응력 한도를 초과하기 전에는 설정된 예압 위치에 대하여 보다 큰 늘어남이 허용될 수 있다. 그 결과, 제 2 방향(SD)으로의 움직임이 비-예압 위치에 관하여 중심을 두는 경우에 비해 서스펜션 요소(22)가 더 큰 총 스트로크 범위로 동작될 수 있다. 두 개의 리니어 서스펜션(22)이 사용되는 경우 둘 다 제 2 형태의 예압을 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 이 경우, 이동요소(14)가 스트랩 어셈블리(36)의 대향하는 허브(40)를 동시에 서로 끌어당기도록 위치되거나 결합 구조물을 포함하도록 사용되어 이동요소(14)의 휴지 위치를 리니어 구동 기구(18)에 관해 어긋남없이 양쪽 서스펜션(22)에 제 2 형태 예압을 제공할 수 있다.

제 1 및 제 2 예압은 함께 또는 각각 제공될 수 있다. 또한, 예압을 설정하는 다른 메카니즘이 제공될 수도 있으며 이것은 본 발명을 벗어나는 것이 아니다.

전술한 바와 같은 리니어 서스펜션 (또는 하나를 포함하는 서스펜션) 요소의장점은 그것이 제공하는 비-축방향(non-axial) 운동의 실질적인 방지에 있다. 이와같은 비-축방향 운동에 대한 저항은 왕복기(10)와 이동요소(14)의 개선된 제조방법, 그리고 본 발명의 두번째 바람직한 실시예에 따른 상대 운동 요소의 비-접촉 정렬을 생성하는 개선된 방법과 관련하여 특히 잇점이 있다. 부분적으로, 미국특허 제 5,389,844호에 기술된, 비틀림방향 및 반경방향으로 강성인 리니어 서스펜션 및/또는 전술된 개량 리니어 서스펜션 요소(22)에 의해 개선된 방법이 가능하게 된다.

도 1을 다시 참조하면, 대부분의 리니어 모터 구동 시스템에서 이동요소(14)가 실린더 보어(16)와 실질적으로 동축으로 위치하여 시스템이 이동요소(14)와 함께 실린더 보어(16)와 정밀한 공차관계로 윤활없이 작동될 수 있을 것이 요구된다. 이동요소(14)와 실린더 보어(16)의 동축 정렬 수준을 조절하는 다수의 인자가 존재한다. 이들 중에는 왕복기(10)와 실린더 어셈블리(12)의 정렬, 및 이동요소(14)와 파일럿(28)의 동심성이 포함된다. 부가적으로, 파일럿 페이스(30)와 이동요소(14)의 수직성이 이동요소(14)와 실린더 보어(16)의 동축성에 영향을 준다.

통상적으로, 정밀-공차(close-clearance) 작동에 충분한 구성요소들의 동축성을 보장하기 위해, 각 부품의 매우 정교한 가공이 요구된다. "가공"이란 부품들을 원하는 치수로 "다듬질(finishing)", "절삭(cutting)", 또는 "세공(tooling)"함을 의미한다. 개별 요소들이 정밀-공차 어셈블리로 맞춰지도록 가공될 때 요구되는 고정밀도는 비용이 많이 들고 종종 신뢰성이 없다.

도 7-10을 참조하면, 왕복기(10)와 왕복기(10)의 이동요소(14)를 제조하는방법이 나타나 있다. 본 방법을 기술하기에 앞서, 별개의 왕복기 케이싱(20)이 왕복기(10)에 제공될 수도 제공되지 않을 수도 있음을 이해하여야 한다. 왕복기 케이싱(20)이 제공되지 않는 경우, 왕복기(10)는 도 8에 도시된 바와 같이 일체 가공가능한 표면을 포함할 수 있다. 따라서, 왕복기(10)상에서 수행되는 것으로 기술되고 있는 프로세스들은 일체형의 왕복기에 적용가능한 것으로, 혹은 왕복기 케이싱(20)과 같은 임의의 별도의 가공가능한 표면을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명에 따른 방법은, 왕복운동을 허용하고 왕복기(10)에 대한 이동요소(14)의 비-축방향 움직임을 실질적으로 방지하는 서스펜션을 통해 이동요소(14)를 왕복기(10)에 연결하는 단계를 포함한다. 특정한 서스펜션 요소(22) 및 서스펜션(23)이 개시되었으나, 회전 및/또는 반경방향 움직임과 같은 이동요소(14)의 비-축방향 움직임을 제한하는 다른 서스펜션이 적당할 수도 있다.

도 7에 도시된 조립된 형태에서, 왕복기(10)가 선반(54) 또는 유사 마감장치(finishing machine)에 장착된다. 선반(54)은 바람직하게는 이동요소(14) 및 왕복기(10)의 허브 설치부(60)로 각각 안내되는 출력 샤프트(56) 또는 스풀(58)을 가질 수 있다. 선반(54)을 작동하면, 이동요소(14)와 왕복기(10)를 실질적으로 왕복축선(A)에 대해 동시에 회전하도록 한다.

왕복기(10)가 회전할 때, 공구(62)가 이동요소(14)와 파일럿(28)의 직경을 가공한다. 부가적으로, 만일 파일럿 페이스(30)가 이미 존재하지 않는 경우, 파일럿 페이스(30)를 이동요소(14) 및 파일럿(28)의 가공과 동시에 가공하기 위해공구(62)가 추가의 절삭날(63)을 포함할 수 있다. 그렇지 않다면, 절삭날(63)은 생략될 수 있다.

파일럿 페이스(30)는 이동요소(14) 및 파일럿(28)과 수직인 것이 바람직하다. 서스펜션(23)에 의해 제공되는, 회전 및 반경방향 운동 등의 비-축방향 움직임의 실질적인 방지는, 절삭력 및 이동요소(14)와 왕복기(10)간의 토크의 전달을 가능하게 한다. 따라서, 이동요소(14) 및 왕복기(10) 모두를 한 세트의 가공 공구(60) 내에서 원하는 치수로 가공할 수 있다. 따라서 하나의 가공 설비는 이동요소(14)를 제 1 외경으로 절삭하는 단계와, 파일럿(28)을 제 2 외경으로 절삭하는 단계와, 왕복기(10)의 파일럿 페이스(30)를 절삭하는 단계를 포함할 수 있다. 그 결과, 파일럿(28)과 이동요소(14)의 동축성, 및 파일럿 페이스(30)와 이동요소(14)의 수직성이 보장된다.

종래의 나선형 서스펜션 또는 임의의 형태의 전통적인 리니어 베어링은 작업도중의 나선형 서스펜션 및 베어링 뒤틀림력과 같은 높은 비틀림력을 견딜 수 없고 가공중에 가해지는 더욱 높은 비틀림력을 견딜 수 없는 이유로 단일 가공 공정의 적용이 불가능하다.

대안적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 본 방법은 재료층(50)을 이동요소(14)의 내측 부재(52)에 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 이같은 부착은 Ciba에서 제조한 EP3203과 같은 에폭시에 의해 제공되는 것이 바람직하다. 재료층(50)은 왕복기(10) 또는 케이싱(20) 및 내측 부재(52)보다 덜 단단하며,Dixon에서 제조한 RULON^®과 같은 재료에 기반한 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)인 것이 바람직하다. 재료층(50)의 부착은 추가로 제조 도중에 절삭력 및 이동요소(14)와 왕복기(10)사이에 인가되는 토크를 저하시킨다. 재료층(50)은 재료층(50)을 완전히 제거하지 않은 채 이동요소를 원하는 외경으로 가공하는 것이 이루어질 수 있도록 하는 두께를 갖는다. 따라서, 재료층(50)은 이동요소(14)의 외경을 만들고 왕복기(10)의 비윤활 작동을 돕는다.

왕복기(10), 왕복기 케이싱(20), 실린더 어셈블리(12) 및 이동요소(14)/내측 부재(52)는 왕복기(10)의 반복적 응력을 견딜 수 있는 비철금속으로 제조되는 것이 바람직하다. 예를들어, 알루미늄 또는 마그네슘이 적당하다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 추가 단계로서, 비록 불필요할 수도 있으나, 실린더 어셈블리(12)가 또한, 실린더 보어(16)와 파일럿 보어(24)의 동축성 및, 실린더 보어(16) 및 파일럿 보어(24)와 실린더 페이스(26)의 수직성을 보장하기 위해 단일 단계로 가공된다. 실린더 어셈블리(12)의 가공은 바람직하게는 공지된 방식으로 이중 보어 바아(64)에 의해 수행된다. 상기 추가 단계에 의하여, 전술한 방법은 정밀-끼워맞춤, 및 왕복축선(A)에 따른 왕복운동을 위해 왕복기에 접속된 제 1 요소, 예컨대 이동요소(14)와, 상기 어셈블리의 구성 부품들의 정밀-공차 제조를 요하지 않는 제 2 요소, 예컨대 실린더 보어(16) 사이의 비접촉 정렬을 생성하는 것이 가능하다.

도 10에 도시된 바와 같이, 이동요소(14)는 외경(D3)을 갖게 되는데, 정렬된상태로, 실린더 보어(16)의 내경(D4)에 부합(mating)된다. 마찬가지로, 파일럿(28)은 파일럿 보어(24)의 내경(D6)내에 매우 정밀한 또는 약간의 간섭(interference) 끼워맞춤으로 부합되는 외경(D5)을 갖는다. 왕복기(10)는 실린더 어셈블리(12)에 클램핑되고, 상기 실린더 어셈블리(12)는 실린더 페이스(26) 및 파일럿 페이스(30)와 맞춰진다. 파일럿(28) 및 이동요소(14), 그리고 실린더 보어(16) 및 파일럿 보어(24)는 동축이고, 이와 맞춰지는 실린더 페이스(26) 및 파일럿 페이스(30)는 이동요소(14)와 실린더 보어(16)의 각 정렬(angular alignment)을 보장하므로, 실린더 보어(16) 내에서 이동요소(14)의 방해받지 않는 운동이 보장될 수 있다.

따라서 리니어 서스펜션(23)/리니어 서스펜션 요소(22)는 작동중 왕복기 어셈블리(8)내에서 이동요소(14)의 서스펜딩된 왕복운동을 가능하게 할 뿐아니라, 제조중에 가해지는 회전/비틀림 및 반경방향 힘 등과 같은 비-축방향 힘에 반작용하기 위한 메카니즘을 제공한다. 전술된 방법의 결과로, 최종 조립된 정밀-공차 활주 끼워맞춤을 위해 요구되는 것보다 큰 정밀도로 개별적인 부품들을 고정밀 가공하는 비용없이, 자유롭게 활주하는 왕복기 어셈블리(8)가 제공된다. 전술한 방법은 또한 왕복기 어셈블리(8)의 가공을 보다 신속하게 하고 대량 생산이 가능하도록 한다.

본 발명은 상기에 제시된 특정 실시예와 관련하여 기술되었으나, 다양한 대안, 수정 및 변경이 가능할 것임이 당업자에게 명백하다. 따라서, 앞서 개시된 바람직한 실시예들은 예시적인 것이지 제한적인 것이 아니다. 하기의 특허청구범위에서 정의된 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 많은 변화가 가능할 것이다.

Claims

왕복기와 상기 왕복기의 이동요소를 제조하는 방법으로서, 상기 왕복기는 상기 이동요소가 이동하는 왕복축선을 가지며,

왕복운동을 허용하고 상기 왕복기에 대한 상기 이동요소의 비-축방향 움직임을 실질적으로 저지하는 서스펜션을 통해 상기 왕복기에 상기 이동요소를 연결하는 단계;

실질적으로 상기 왕복축선에 대하여 상기 이동요소 및 상기 왕복기를 동시에 회전시키는 단계; 및

상기 이동요소의 직경과 상기 왕복기의 직경을 가공하는 단계를 포함하여 이루어지는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 가공 단계가 상기 왕복기의 파일럿 페이스의 가공을 더 포함하는 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 이동요소의 직경, 상기 왕복기의 직경 및 상기 왕복기의 파일럿 페이스를 가공하는 단계가 실질적으로 동시에 이루어지는 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 가공 단계가 상기 이동요소를 제 1 외경으로 절삭하는 단계, 상기 왕복기를 제 2 외경을 갖는 파일럿을 갖도록 절삭하는 단계, 및 상기 왕복기의 파일럿 페이스를 상기 왕복축선에 수직이 되도록 절삭하는 단계를 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 이동요소가 왕복 피스톤인 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 회전 단계가 선반에 의해 제공되는 방법.
제 1 항에 있어서, 가공에 앞서 상기 이동요소에 케이싱보다 낮은 경도를 갖는 재료층을 부착하는 단계를 더 포함하는 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 가공 단계가 상기 왕복기의 파일럿 페이스를 가공하는 단계를 더 포함하는 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 이동요소의 직경, 상기 왕복기의 직경 및 상기 왕복기의 파일럿 페이스를 가공하는 단계가 실질적으로 동시에 이루어지는 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 가공 단계가 상기 이동요소를 제 1 외경으로 절삭하는 단계, 상기 왕복기를 제 2 외경을 갖는 파일럿을 갖도록 절삭하는 단계, 및 상기 왕복기의 파일럿 페이스를 상기 왕복축선에 수직이 되도록 절삭하는 단계를 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 가공 단계가 단일 절삭 공구에 의해 제공되는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 왕복기를 가공하는 단계가 상기 왕복기에 연결된 케이싱을 가공하는 단계를 포함하는 방법.
왕복축선을 따라 왕복운동하는 왕복기에 결합된 제 1 요소와, 제 2 요소 사이의 비-접촉 정렬을 생성하는 방법으로서,

왕복운동을 허용하고 상기 왕복기에 대한 상기 제 1 요소의 비-축방향 움직임을 실질적으로 저지하는 서스펜션을 통해 상기 왕복기에 상기 제 1 요소를 연결시키는 단계;

상기 제 1 요소 및 상기 왕복기를 상기 왕복축선에 대해 동시에 회전시키는 단계;

상기 제 1 요소를 제 1 외경으로, 상기 왕복기를 제 2 외경으로 가공하는 단계; 및

상기 제 2 요소를 상기 제 1 외경과 부합되는 제 1 내경, 상기 제 2 외경과 부합되는 제 2 내경 및 페이스를 갖도록 가공하는 단계를 포함하여 이루어지는 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 왕복기를 가공하는 단계가 상기 페이스와 맞춰지고상기 왕복축선에 수직하도록 상기 왕복기상에 단부 페이스를 가공하는 단계를 더 포함하는 방법.
제 14 항에 있어서, 상기 제 1 요소를 제 1 외경으로 가공하는 단계, 상기 왕복기를 제 2 외경으로 가공하는 단계, 그리고 상기 왕복기상에 단부 페이스를 가공하는 단계가 실질적으로 동시에 이루어지는 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 회전 단계 및 상기 제 1 요소와 왕복기의 가공 단계가 선반에 의해 제공되는 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 제 1 요소의 가공에 앞서 상기 왕복기보다 낮은 경도를 갖는 재료층을 상기 제 1 요소에 부착하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 방법.
제 18 항에 있어서, 상기 왕복기를 가공하는 단계가 상기 왕복기상에 상기 왕복축선에 수직인 단부 페이스를 가공하는 단계를 더 포함하는 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 제 1 요소 및 상기 왕복기를 가공하는 단계가 단일 절삭 공구에 의해 제공되는 방법.
제 13 항에 있어서, 상기 제 2 요소의 가공 전체가 실질적으로 동시에 제공되는 방법.