KR20030022999A - 에어 스프링을 이용한 동력발생장치 - Google Patents

에어 스프링을 이용한 동력발생장치 Download PDF

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박승일
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성재인
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Abstract

본 발명은 작은 힘을 가하여 큰 힘을 얻을 수 있도록 하는 동력발생장치에 관한 것으로서,
에어 스프링에 의해 이동되어 유압을 발생시키는 제1피스톤과, 상기 제1 피스톤에 비해 큰 직경을 가지며 상기 제1 피스톤과의 사이에서 배력 작용을 하는 제2 피스톤과, 상기 제2 피스톤에 연결되어 제2 피스톤에서 발생된 힘의 일부를 축력하는 어큐물레이터로 구성되고; 상기 제2 피스톤에서 발생된 힘 중 상기 어큐물레이터에 축력된 힘을 제외한 나머지 힘을 집중하여 크랭크샤프트를 회전시키도록 하며,
동시에 상기 크랭크샤프트의 회전력에 의해 이동되어 유압을 발생시키는 제3 피스톤과, 상기 제3 피스톤에 의해 발생된 유압을 이용하여 상기 제2피스톤을 이동시키는 제4 피스톤과, 상기 제4 피스톤에 가해지는 유압을 추가하여 주는 유압제공수단으로 이루어진 반동수단을 구비하고, 상기 반동수단과 상기 어큐물레이터의 반력을 통해 상기 제2 피스톤을 밀어 상기 제2 피스톤을 초기 위치로 다음 동작을 준비하도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

에어 스프링을 이용한 동력발생장치{Power producing apparatus by air spring }
본 발명은 작은 힘을 가하여 큰 힘을 얻을 수 있도록 하는 동력발생장치에 관한 것으로서, 특히 에어 스프링을 이용하여 유압을 발생시키고 유압 펌프를 통해 유압을 추가시켜 줌으로써 계속적으로 동력이 발생되도록 한 에어 스프링을 이용한 동력발생장치에 관한 것이다.
일반적으로 유압에 의한 힘의 전달은 파스칼의 원리에 기초를 둔 것으로서, 모든 유압장치는 이 원리를 이용한 것이다. 1653년 파스칼에 의해 제창된 파스칼의 원리는 "밀폐된 용기 내에서 정지하고 있는 유체의 일부에 가해진 압력은 유체의 모든 부분에 그대로 전달된다" 라는 말로 표현할 수 있다. 다시 말해서, 밀폐된 계의 내부 압력은 모두 동일하다.
이것은 다음의 수학식 1로 나타낼 수 있으며, 도 1은 이의 설명을 위한 참고 도면이다.
여기서, F1, F2는 유체의 어느 한 지점에 가해지는 힘, P1, P2는 유체의 압력, A1, A2는 그 지점의 단면적이다.
상기한 수학식 1을 도 1과 비교하여 보면, F1은 100㎏, F2는 1000㎏이고, P1, P2는 10㎏/㎠으로 동일하며, A1, A2는 10㎠과 100㎠이 됨을 알 수 있다. 결과적으로 힘은 단면적에 비례하며, 유압계가 실린더형일 경우 직경의 제곱에 비례함을 알 수 있다.
또, 힘과 스트로크의 관계를 살펴보기 위하여 도 2를 참조하면, 힘과 스크로크는 반비례함을 알 수 있다. 한 밀폐계에서 동일한 유압이 작용하면 단면적에 관계없이 유동되는 유량이 일정하다. 도 2에 도시된 바와 같이 직경비가 4:2:1인 A,B,C 실린더를 직접 연결하고 각각의 실린더에 동일한 압력을 가할 경우, 유량은 일정하므로 각각의 실린더에 있는 피스톤의 스크로크는 1:4:16의 비율을 가지며, 각각의 피스톤에 걸리는 힘은 16:4:1의 비율을 가진다.
이러한 유압의 성질을 이용하면 직경이 작은 실린더의 피스톤 스트로크를 충분히 길게 하고 이와 연결된 다른 실린더의 직경을 매우 크게 할 경우 직경이 작은 실린더에 아주 작은 힘을 가하는 것만으로도 직경이 큰 실린더에서는 매우 큰 힘을 낼 수 있다.
또, 에어 스프링은 외부에서 가해지는 힘에 의해 압축되었다가 그와 거의 동일한 탄발력을 발휘하고 있으며, 어큐물레이터 또한 마찬가지이다.
본 발명은 상기한 유압의 성질과 에어 스프링 및 어큐물레이터의 특징을 이용한 것으로서, 에어 스프링의 스트로크와 유압 배력을 통해 동력을 얻을 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 직경이 서로 다른 실린더의 피스톤을 이용한 유압 배력작용과 에어 스프링 및 어큐물레이터의 축력 기능을 이용하여 작은 힘을 추가하여 주는 것만으로도 큰 힘을 발휘할 수 있도록 유압 시스템을 구성하고 이 유압 시스템으로 크랭크샤프트를 회전시켜 동력을 인출할 수 있도록 한 에어 스프링을 이용한 동력발생장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 유압의 기본 원리에 대한 설명을 위한 참고도면,
도 2는 직경과 스트로크 및 힘의 관계 설명을 위한 참고도면,
도 3은 본 발명에 의한 동력발생장치에서 유압 시스템 부분이 도시된 구성도,
도 4는 본 발명에 의한 동력발생장치를 통해 발생된 동력의 전달 구조를 개략적으로 도시한 이용한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
10 : 마스터 실린더 15 : 에어 스프링
20 : 파워 실린더 21 : 파워 피스톤
22 : 역동 피스톤 23 : 동력 실린더
30 : 구동 실린더 31 : 구동 피스톤
33 : 제2 스위치 34 : 제2 솔레노이드 밸브
40 : 반동 실린더 41 : 반동 피스톤
51,52 :어큐물레이터 51',52' : 피스톤 로드
60 : 유압 실린더 61 : 오일 펌프
62 : 제1 솔레노이드 밸브 63 : 제1 스위치
70 : 보조실린더 71 : 피스톤
80 : 크랭크샤프트 81 : 기어 트레인
82 : 출력축 83 : 풀리
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 에어 스프링에 의해 이동되어 유압을 발생시키는 제1피스톤과, 상기 제1 피스톤에 비해 큰 직경을 가지며 상기 제1 피스톤과의 사이에서 배력 작용을 하는 제2 피스톤과, 상기 제2 피스톤에연결되어 제2 피스톤에서 발생된 힘의 일부를 축력하는 어큐물레이터로 구성되고; 상기 제2 피스톤에서 발생된 힘 중 상기 어큐물레이터에 축력된 힘을 제외한 나머지 힘을 집중하여 크랭크샤프트를 회전시키도록 한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 크랭크샤프트의 회전력에 의해 이동되어 유압을 발생시키는 제3 피스톤과, 상기 제3 피스톤에 의해 발생된 유압을 이용하여 상기 제2피스톤을 이동시키는 제4 피스톤과, 상기 제4 피스톤에 가해지는 유압을 추가하여 주는 유압제공수단으로 이루어진 반동수단을 구비하고, 상기 반동수단과 상기 어큐물레이터의 반력을 통해 상기 제2 피스톤을 밀어 상기 제2 피스톤을 초기 위치로 다음 동작을 준비하도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 크랭크샤프트의 상호 대향된 위치에 각각 연결된 한 쌍의 유압 시스템으로 구성되고; 상기 유압 시스템은 소정의 직경을 가진 마스터 실린더와, 상기 마스터 실린더의 피스톤을 직선 이동시켜 유압을 발생시키는 에어 스프링과, 상기 마스터 실린더에 연통되고 상기 마스터 실린더에 비해 큰 직경을 가진 파워 실린더와, 상기 파워 실린더 내부에서 왕복 이동되고 선단 부분이 파워 실린더 내의 동력 실린더에 삽입된 파워 피스톤과, 상기 파워 실린더와 동력 실린더 사이의 공간에 설치되어 상기 파워 피스톤을 초기 위치로 이동시키는 역동 피스톤과, 상기 동력 실린더와 연통되고 동력 실린더와 동일한 직경을 가지며 내부의 피스톤에 연결된 피스톤 로드가 상기 크랭크샤프트에 연결되어 동력을 발생시키는 구동 실린더와, 상기 파워 실린더의 하부에 연통되며 상기 구동 실린더와 병렬로 설치되어 크랭크샤프트 회전에 따라 상기 역동 피스톤을 이동시키는 반동 실린더와, 상기 마스터실린더의 내부에 설치되고 상기 파워 실린더의 하부와 연통되어 있으며 상기 마스터 실린더와는 반대 방향으로 유체를 유동시키는 보조 실린더와, 상기 파워 실린더의 하부에 연통되고 오일 펌프에 의해 작동되어 파워 실린더의 하부로 유체를 공급하는 유압 실린더와, 상기 파워 실린더의 하부와 연결되고 피스톤 로드가 상기 파워 피스톤에 직결된 어큐물레이터로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 에어 스프링을 이용한 동력발생장치는 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이 크랭크샤프트(80)의 상호 대향된 위치에 각각 연결된 한 쌍의 유압 시스템으로 구성되고; 상기 유압 시스템은 소정의 직경을 가진 마스터 실린더(10)와, 상기 마스터 실린더(10)의 피스톤(11)을 직선 이동시켜 유압을 발생시키는 에어 스프링(15)과, 상기 마스터 실린더(10)에 연통되고 상기 마스터 실린더(10)에 비해 큰 직경을 가진 파워 실린더(20)와, 상기 파워 실린더(20) 내부에서 왕복 이동되고 선단(21') 부분이 파워 실린더(20) 내의 동력 실린더(23)에 삽입된 파워 피스톤(21)과, 상기 파워 실린더(20)와 동력 실린더(23) 사이의 공간에 설치되어 상기 파워 피스톤(21)을 초기 위치로 이동시키는 역동 피스톤(22)과, 상기 동력 실린더(23)와 연통되고 동력 실린더(20)와 동일한 직경을 가지며 내부의 피스톤(31)에 연결된 피스톤 로드(32)가 상기 크랭크샤프트(80)에 연결되어 동력을 발생시키는 구동 실린더(30)와, 상기 파워 실린더(20)의 하부에 연통되며 상기 구동 실린더(30)와 병렬로 설치되어 크랭크샤프트(80) 회전에 따라 상기 역동피스톤(22)을 이동시키는 반동 실린더(40)와, 상기 마스터 실린더(10)의 내부에 설치되고 상기 파워 실린더(20)의 하부와 연통되어 있으며 상기 마스터 실린더(10)와는 반대 방향으로 유체를 유동시키는 보조 실린더(70)와, 상기 파워 실린더(20)의 하부에 연통되고 오일 펌프(61)에 의해 작동되어 파워 실린더(20)의 하부로 유체를 공급하는 유압 실린더(60)와, 상기 파워 실린더(20)의 하부와 연결되고 피스톤 로드(51',52')가 상기 파워 피스톤(21)에 직결된 어큐물레이터(51,52)로 이루어진다.
여기서, 상기 유압 시스템은 상기 유압 실린더(60)와 오일 리저버 사이에 설치되어 오일 펌프(61)로부터 공급된 오일을 오일 리저버로 드레인시키는 제1 솔레노이드 밸브(62)와, 상기 마스터 실린더(10)와 파워 실린더(20)의 연결부에 설치되어 유체의 유동을 제한하는 제2 솔레노이드 밸브(34)와, 상기 파워 실린더(20)에 설치되고 상기 파워 피스톤(21)의 이동에 따라 상기 제1 솔레노이드 밸브(62)의 개폐를 제어하는 제1 스위치(63)와, 상기 구동 실린더(30)에 설치되어 상기 제2 솔레노이드 밸브(34)의 개폐를 제어하는 제2 스위치(33)를 포함한다.
또, 상기 보조 실린더(70)의 피스톤(71)은 상기 마스터 실린더(10)의 피스톤(11)에 의해 피스톤 로드(72)가 밀려 상측으로 이동되는 구조로 되어 있으며, 상기 역동 피스톤(22)이 상측으로 이동되면서 상기 파워 피스톤(21)을 상측으로 밀 수 있도록 상기 역동 피스톤(22)은 상기 파워 피스톤(21)의 바로 하측에 위치된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 동력발생장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
제2 솔레노이드 밸브(34)가 열리게 되면 마스터 실린더(10)와 파워 실린더(20)가 연통되므로, 에어 스프링(15)이 마스터 실린더(10)의 피스톤(11)을 밀어 마스터 실린더(10) 내부에서 유압이 발생되게 한다. 이 유압이 열려진 제2 솔레노이드 밸브(34)를 통해 파워 실린더(20)의 상측으로 인가되고, 그에 따라 파워 실린더(20)의 파워 피스톤(21)이 이동되면서 동력 실린더(23)에 유압을 발생시킴과 동시에, 상기 파워 피스톤(21)에 연결된 어큐물레이터(51,52)의 피스톤 로드(51',52')를 밀게 되므로 어큐물레이터(51,52)에는 소정의 힘이 축력된다. 동력 실린더(23)에 발생된 유압이 구동 실린더(30)에 전달되면서 구동 피스톤(31)이 직선 이동하게 되고, 구동 피스톤(31)이 이동됨에 따라 피스톤 로드(32)로 연결된 크랭크샤프트(80)가 회전하게 된다.
따라서, 구동 실린더(30)의 구동 피스톤(31)이 크랭크샤프트(80)를 회전시키는 힘은 파워 피스톤(21)에 발생된 힘 중에서 어큐물레이터(51,52)의 피스톤 로드(51',52')를 밀어 어큐물레이터(51,52)에 축력시킨 힘을 제외한 나머지 힘이 된다.
여기서 마스터 실린더(10)에 가해진 힘과 파워 실린더(20)에서 발생된 힘을 비교하여 보면, 파워 실린더(20) 측의 직경이 마스터 실린더(10)에 비해 크기 때문에 파워 피스톤(21)에 인가되는 힘은 에어 스프링(15)에 의해 가해진 힘에 비해 훨씬 커지게 된다. 이를 유압장치의 배력작용이라 한다. 따라서, 파워 피스톤(21)에 가해진 힘의 일부를 어큐물레이터(51,52)에 축력하더라도 구동 피스톤(31)을 움직이기에 충분한 힘이 남게 되는 것이다.
상기 파워 피스톤(21)이 하강되면서 어큐물레이터(51,52)에 힘을 축력함과 동시에 상기 크랭크샤프트(80)가 회전됨에 따라 반동 실린더(40)의 반동 피스톤(41)도 이동하게 직선 이동하게 된다. 그 결과 파워 실린더(20) 하측의 유압이 감소하게 되며, 파워 실린더(20)의 유체가 빈 공간을 찾아 흐르게 된다. 따라서, 상기 파워 피스톤(20)의 하측에 위치된 역동 피스톤(22)은 자연스럽게 하측으로 이동된다.
또, 상기 파워 피스톤(21)이 하강되면서 제1 스위치(63)를 작동시키게 되는데, 제1 스위치(63)는 유압 실린더(60) 측의 제1 솔레노이드 밸브(62)를 개방시켜 파워 실린더(20) 하측의 유체 중 일부가 유압 실린더(60) 측으로 흐를 때 오일 펌프(61) 측에서 걸리는 유압이 제거되게 한다. 또, 파워 실린더(20) 하측의 유체 중 일부는 상기 마스터 실린더(10)의 피스톤(11)의 하강에 따라 압력이 없어진 보조 실린더(70) 측으로 흐르게 된다.
이때, 상기 크랭크샤프트(80)에 대하여 대향된 위치에 설치된 다른 유압 시스템에서는 반동 실린더(40')의 피스톤 및 구동 실린더(30')의 피스톤이 상측으로 이동되면서 파워 실린더의 하측에 유압을 발생시킴으로써, 파워 피스톤 및 마스터 실린더의 피스톤을 상측으로 이동시켜 에어 스프링을 압축시키게 된다. 이는 구동 피스톤이 하사점에 도달한 이후의 유압 흐름과 동일하므로, 이를 기준으로 설명한다.
구동 피스톤(31)이 하사점에 도달하게 되면, 크랭크샤프트(80)는 구동 피스톤(31) 및 반동 실린더(40)의 피스톤(41)을 상승시키는 방향으로 움직인다. 따라서, 반동 실린더(40)의 내부에서는 유압이 발생하게 되며, 이 유압으로 인해 파워 실린더(20)의 하측으로 유체가 공급된다. 즉, 크랭크샤프트(80)가 회전됨에 따라 피스톤 로드(42)에 의해 반동 실린더(40)의 피스톤(41)이 상승하면서 유압을 발생시키게 되고, 이 유압이 파워 실린더(20) 하측의 역동 피스톤(22)을 밀어 올려 상기 파워 피스톤(21)이 상측으로 이동될 수 있게 한다. 이때, 어큐물레이터(51,52) 또한 축력된 힘, 즉 반력으로 상기 파워 피스톤(21)을 밀어 올리게 되며, 오일 펌프(61)에 의해 유압 실린더(60)가 작동되어 파워 실린더(21)의 하측으로 유체를 공급한다.
따라서, 역동 피스톤(22)이 파워 피스톤(21)을 상측으로 밀어 올리게 되고, 그에 따라 파워 실린더(20)의 상측에 유압이 발생되어 마스터 실린더(10)로 유체를 공급하게 된다. 또한, 상기 파워 피스톤(21)의 상승에 따라 동력 실린더(23)의 유압이 떨어지게 되므로, 구동 실린더(30)의 구동 피스톤(31)의 상승에 따라 발생되는 유압이 동력 실린더(23) 측으로 전달된다.
상기 마스터 실린더(10)로 유체가 공급됨에 따라 피스톤(11)이 상측으로 이동되면서 에어 스프링(15)의 로드(12)를 밀어 올리게 되고, 동시에 보조 실린더(70)의 피스톤 로드(72)를 밀어 올려 보조 실린더(70)에 있는 유체가 파워 실린더(20)의 하측으로 공급되게 한다. 상기 피스톤(10)이 최상단까지 상승된 순간은 다른 유압 시스템의 구동 피스톤(31')이 하사점까지 내려간 상태이며, 이 순간 구동 피스톤(31')이 제2 스위치(33')에 접촉되어 순간적으로 제2 솔레노이드(34)를 닫아 유압 흐름을 순간적으로 정지시키게 된다. 크랭크샤프트(80)의 회전으로 상기구동 피스톤(31')이 하사점을 벗어나면 제2 스위치(33')에 의해 제2 솔레노이드 밸브(34)가 개방되고, 상기한 과정을 반복하게 된다.
상기 유압 실린더(60)를 통해 약간의 유체를 공급하기만 하면, 파워 피스톤(21)의 배력작용을 통해 구동 실린더(30)의 구동 피스톤(31)이 큰 힘으로 크랭크샤프트(80)를 회전시킴으로써 동력을 발생시키게 된다. 이때, 상기 크랭크샤프트(80)에 기어 트레인(81)을 추가하면 출력축(82)의 회전수를 조절할 수 있게 되며, 출력축(82)에 풀리(83)를 취부시켜 다른 곳으로 동력을 전달할 수도 있게 된다.
여기까지 에어 스프링이 마스터 실린더의 피스톤을 움직임으로 인해 발생된유압의 흐름 및 그로 인한 힘의 전달 관계를 살펴보았으며, 그 힘의 전달에 따라 발생된 동력을 이용하여 크랭크샤프트가 회전되는 것을 알게 되었다. 이때, 상기한 각 실린더 및 피스톤에 걸리는 각 힘의 상관 관계 등에 대해서는 언급하지 않기로 하며, 각 힘의 상관 관계에 따른 수식 및 그 힘과 유량 및 유압의 구체적인 수치 등은 필요한 경우에 첨부하기로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 에어 스프링을 이용한 동력발생장치는 에어 스프링을 이용하여 유압을 발생시키고 유압 배력을 통해 큰 힘을 발생시키게 되므로 작은 힘을 추가하여 주는 것만으로 큰 힘을 연속적으로 얻을 수 있어 동력 발생에 필요한 에너지를 절약시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (4)

  1. 에어 스프링에 의해 이동되어 유압을 발생시키는 제1피스톤과, 상기 제1 피스톤에 비해 큰 직경을 가지며 상기 제1 피스톤과의 사이에서 배력 작용을 하는 제2 피스톤과, 상기 제2 피스톤에 연결되어 제2 피스톤에서 발생된 힘의 일부를 축력하는 어큐물레이터로 구성되고;
    상기 제2 피스톤에서 발생된 힘 중 상기 어큐물레이터에 축력된 힘을 제외한 나머지 힘을 집중하여 크랭크샤프트를 회전시키도록 한 것을 특징으로 하는 에어 스프링을 이용한 동력발생장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 크랭크샤프트의 회전력에 의해 이동되어 유압을 발생시키는 제3 피스톤과, 상기 제3 피스톤에 의해 발생된 유압을 이용하여 상기 제2피스톤을 이동시키는 제4 피스톤과, 상기 제4 피스톤에 가해지는 유압을 추가하여 주는 유압제공수단으로 이루어진 반동수단을 구비하고, 상기 반동수단과 상기 어큐물레이터의 반력을 통해 상기 제2 피스톤을 밀어 상기 제2 피스톤을 초기 위치로 다음 동작을 준비하도록 한 것을 특징으로 하는 에어 스프링을 이용한 동력발생장치.
  3. 크랭크샤프트의 상호 대향된 위치에 각각 연결된 한 쌍의 유압 시스템으로 구성되고; 상기 유압 시스템은 소정의 직경을 가진 마스터 실린더와, 상기 마스터 실린더의 피스톤을 직선 이동시켜 유압을 발생시키는 에어 스프링과, 상기 마스터 실린더에 연통되고 상기 마스터 실린더에 비해 큰 직경을 가진 파워 실린더와, 상기 파워 실린더 내부에서 왕복 이동되고 선단 부분이 파워 실린더 내의 동력 실린더에 삽입된 파워 피스톤과, 상기 파워 실린더와 동력 실린더 사이의 공간에 설치되어 상기 파워 피스톤을 초기 위치로 이동시키는 역동 피스톤과, 상기 동력 실린더와 연통되고 동력 실린더와 동일한 직경을 가지며 내부의 피스톤에 연결된 피스톤 로드가 상기 크랭크샤프트에 연결되어 동력을 발생시키는 구동 실린더와, 상기 파워 실린더의 하부에 연통되며 상기 구동 실린더와 병렬로 설치되어 크랭크샤프트 회전에 따라 상기 역동 피스톤을 이동시키는 반동 실린더와, 상기 마스터 실린더의 내부에 설치되고 상기 파워 실린더의 하부와 연통되어 있으며 상기 마스터 실린더와는 반대 방향으로 유체를 유동시키는 보조 실린더와, 상기 파워 실린더의 하부에 연통되고 오일 펌프에 의해 작동되어 파워 실린더의 하부로 유체를 공급하는 유압 실린더와, 상기 파워 실린더의 하부와 연결되고 피스톤 로드가 상기 파워 피스톤에 직결된 어큐물레이터로 이루어진 것을 특징으로 하는 에어 스프링을 이용한 동력발생장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 유압 시스템은 상기 유압 실린더와 오일 리저버 사이에 설치되어 오일 펌프로부터 공급된 오일을 오일 리저버로 드레인시키는 제1 솔레노이드 밸브와, 상기 마스터 실린더와 파워 실린더의 연결부에 설치되어 유체의 유동을 제한하는 제2 솔레노이드 밸브와, 상기 파워 실린더에 설치되고 상기 파워 피스톤의 이동에 따라 상기 제1 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하는 제1 스위치와, 상기 구동 실린더에 설치되어 상기 제2 솔레노이드 밸브의 개폐를 제어하는 제2 스위치가 부가된 것을 특징으로 하는 에어 스프링을 이용한 동력발생장치.
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