KR20030074936A

KR20030074936A - 유압모터 및 펌프의 피스톤슈

Info

Publication number: KR20030074936A
Application number: KR1020020013935A
Authority: KR
Inventors: 이용범; 김형의
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2003-09-22
Also published as: KR100468088B1

Abstract

본 발명은 유압모터 및 펌프의 피스톤슈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피스톤슈의 내구면을 절삭가공하여 피스톤볼과 피스톤슈 사이에 압력보상쳄버를 형성하고, 이 압력보상쳄버내에 충전되는 유압을 이용하여 피스톤슈의 내구면에 작용하는 F_b의 힘을 분산시킴으로써 피스톤슈의 파손을 방지하게 되고, 스웨징부를 보강함으로써 스웨징부의 변형 및 파손에 따른 피스톤볼의 이탈을 차단하도록 구성되는 변형 및 파손방지를 위한 유압모터 및 펌프의 피스톤슈를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 피스톤볼(15)과 결합되어 피스톤(8)의 전진시 경사판(4)의 낮은 쪽으로 회전되면서 구동축(3)을 구동하게 되는 유압모터 및 펌프의 피스톤슈에 있어서, 상기 피스톤볼(15)의 외구면과 접촉되는 그 내구면을 절삭가공하여 압력보상쳄버(20)를 형성하고, 목부의 직경보다 10~15%의 더 큰 직경으로 스웨징부(17-1)가 형성되는 것을 특징으로 하는 유압모터 및 펌프의 피스톤슈를 제공하게 된다.

Description

유압모터 및 펌프의 피스톤슈{PISTON SHOE OF HYDRAULIC MOTOR AND PUMP}

본 발명은 유압모터 및 펌프의 피스톤슈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피스톤슈의 내구면을 절삭가공하여 피스톤볼과 피스톤슈 사이에 압력보상쳄버를 형성하고, 이 압력보상쳄버내에 충전되는 유압을 이용하여 피스톤슈의 내구면에 작용하는 F_b의 힘을 분산시킴으로써 피스톤슈의 파손을 방지하게 되고, 스웨징부를 보강함으로써 피스톤볼의 이탈을 차단하게 되는 유압모터 및 펌프의 피스톤슈에 관한 것이다.

일반적으로, 유압모터 및 펌프는 유압이라는 유체에너지를 이용하여 피스톤을 왕복운동시킴으로써 구동축의 회전이라는 기계적 에너지로 변환시키는 구동장치로서, 그 출력밀도가 우수하여 중장비 등에 널리 사용되고 있다.

여기서, 유압모터 및 펌프는 도1에 도시한 바와 같이 공급포트(13)를 통해 공급되는 유압이 밸브플레이트(10)를 거쳐 실린더배럴(9)내의 피스톤(8)에 공급되면 피스톤이 유압에 의해 전진하게 되고, 이에 따라 피스톤볼(15)이 피스톤슈(7)를 밀게 된다.

이때, 피스톤슈(7)는 피스톤볼(15)에 의해 밀리면서 경사판(4)의 낮은 쪽으로 회전하게 되고, 이에 따라 실린더배럴(9)은 피스톤슈의 회전력에 의해 회전하게 되면서 결국 구동축을 회전시켜 외부에 구동력을 전달하게 된다.

다시 말하면, 실린더배럴(9)내에 설치되는 보통 9개의 피스톤(8)중 경사판(4)의 가장 높은 쪽에 위치하는 피스톤들이 공급포트(13)로부터 유압을 공급받아 전진되면서 실린더배럴을 회전시키게 되며 경사판의 가장 낮은 쪽에 위치하는 피스톤들이 경사판의 높은 곳으로 회전하면서 후진하여 전진할 때 공급되었던 유량을 귀환포트(12)를 통해 유압을 드레인시키게 되고, 이러한 작업을 순차적으로 반복 진행함으로써 구동축(3)에 구동력을 발생시키게 된다.

한편, 유압모터 및 펌프의 회전수는 유압모터의 체적(V_th)과 공급유량(Q_in)에 비례하고, 유압모터 및 펌프의 회전력은 유압모터 및 펌프의 체적(V_th)과 공급유압(P_in)에 비례하게 된다.

여기서, 유압모터 및 펌프의 체적은 V_th=A ×Z ×S_t(V_th는 체적, A는 피스톤의 단면적, Z는 피스톤의 수, S_t는 피스톤의 행정거리)에 의해 산출할 수 있게 되고, 피스톤(8)의 행정거리는 S_t=PCD ×tanα(PCD는 실린더배럴(9)의 중심거리, α는 유압모터 및 펌프의 경사각)에서 얻을 수 있다.

따라서, 유압모터 및 펌프의 출력을 높이기 위해서 유압모터 및 펌프의 경사각(α)을 크게 하거나(12~20°정도), 높은 유압(21~42MPa정도)을 공급하게 된다.

여기서, 도2에 도시한 바와 같이 피스톤(8)에서 작용하는 F_p의 힘이 피스톤슈(7)에 F_b의 힘으로 작용되고, 틸팅플레이트(5)에 F_r의 힘으로 작용하게 된다.

결국, 유압모터 및 펌프의 출력을 높이기 위해 높은 유압을 사용하게 되면 피스톤(8)의 넓은 단면적에 작용하는 F_p의 힘이 피스톤볼(15)을 통해 피스톤슈(7)의작은 내구면적에 F_b의 힘으로 집중적으로 작용된다.

이때, F_b의 힘이 피스톤슈(7)의 내구면과 피스톤볼(15)의 외구면 사이에 발생되는 좁은 접촉면적에서 반복적이면서 집중적으로 작용하게 되면 피스톤슈의 내구면에 국부적인 마모와 변형이 이루어지게 되고, 결국 피스톤슈의 수명을 단축시키게 되는 문제가 있다.

또한, 도3에 도시한 바와 같이 유압모터 및 펌프의 출력을 높이기 위해 경사각(α)을 크게 하게 되면 상기한 바와 같이 F_b의 힘이 피스톤슈의 내구면에 국부적인 마모와 변형을 초래하게 되어 피스톤슈의 수명단축을 초래하게 된다.

그리고, 공급된 유압이 귀환포트(12)를 통해 드레인되면서 피스톤(8)에 F_pr의 관성력이 발생되고, 이에 따라 피스톤슈(7)에는 피스톤볼(15)의 분리를 막기 위한 F_s의 지지력이 작용하게 된다.

여기서, F_s의 지지력은 피스톤슈(7)의 스웨징(Swaging)부(17)에 의해 발생되며, F_pr의 관성력이 반복적으로 발생되면서 스웨징(Swaging)부(17)에 피로가 누적되거나 급격한 충격압력이 발생되면 스웨징부가 변형되고 이로 인해 피스톤볼(15)이 피스톤슈로부터 분리되는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 종래의 문제를 개선하기 위하여 안출된 것으로, 피스톤슈의 내구면을 절삭가공하여 피스톤볼과 피스톤슈 사이에 압력보상쳄버를 형성하고,이 압력보상쳄버내에 충전되는 유압을 이용하여 피스톤슈의 내구면에 작용하는 F_b의 힘을 분산시킴으로써 피스톤슈의 파손을 방지하게 되고, 스웨징부를 보강함으로써 스웨징부의 변형 및 파손에 따른 피스톤볼의 이탈을 차단하도록 구성되는 유압모터및 펌프의 피스톤슈를 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 일반적인 유압모터 및 펌프의 구조를 나타내는 단면도,

도2 및 도3은 유압모터 및 펌프의 피스톤슈에 작용되는 힘의 집중을 나타내는 모식도,

도4는 본 발명에 따른 유압모터 및 펌프의 피스톤슈중 압력보상쳄버의 구조를 설명하는 작도설명도,

도5 및 도6은 본 발명에 따른 유압모터 및 펌프의 피스톤슈에 작용되는 힘의 분산을 나타내는 모식도,

도7은 본 발명에 따른 유압모터 및 펌프의 피스톤슈중 스웨징부의 구조를 설명하는 작도설명도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 프런트커버 2: 하우징 3: 구동축 4: 경사판 5: 틸팅플레이트 6: 슈플레이트 7,7-1: 피스톤슈 8: 피스톤 9: 실린더배럴 10: 밸브플레이트 11: 리어커버 12: 귀환포트 13: 공급포트 14: 유로 15: 피스톤볼 17,17-1: 스웨징부 20: 압력보상쳄버 α: 경사각

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 피스톤볼과 결합되어 피스톤의 전진시 경사판의 낮은 쪽으로 회전되면서 구동축을 구동하게 되는 유압모터 및 펌프의 피스톤슈에 있어서, 상기 피스톤볼의 외구면과 접촉되는 그 내구면을 절삭가공하여 압력보상쳄버를 형성하고, 목부의 직경보다 10~15%의 더 큰 직경으로 스웨징부가 형성되는 것을 특징으로 하는 유압모터 및 펌프의 피스톤슈를 제공하게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도4는 본 발명에 따른 유압모터 및 펌프의 피스톤슈중 압력보상쳄버의 구조를 설명하는 작도설명도이고, 도5 및 도6은 본 발명에 따른 유압모터 및 펌프의 피스톤슈에 작용되는 힘의 분산을 나타내는 모식도이며, 도7은 본 발명에 따른 유압모터 및 펌프의 피스톤슈중 스웨징부의 구조를 설명하는 작도설명도이다.

본 발명에서는 도4에 도시한 바와 같이 피스톤볼(15)의 중심인 O₁지점에서 일정거리 e만큼 이격된 O₂를 중심으로 피스톤볼(15)의 반지름인 r₁보다 작은 반지름인 r₂를 갖는 구면의 R₂를 그리게 된다.

이때, 피스톤볼(15)의 구면인 R₁과 구면 R₂가 공간 Sv를 형성하게 되고, 이 공간 Sv만큼 피스톤슈(7-1)의 내구면을 가공하여 압력보상쳄버(20)를 형성하게 된다.

이처럼, 본 발명에서는 도5에 도시한 바와 같이 F_b의 힘이 집중적으로 작용되는 피스톤볼(15)과 피스톤슈(7-1)의 접촉지점에 상기와 같은 방법으로 압력보상쳄버(20)를 형성하게 되고, 이 압력보상쳄버(20)내에 유압을 충전함으로써 F_b의 힘을 분포하중으로 분리시킬 수 있도록 구성되어 있다.

다시 말하면, 피스톤(8)의 넓은 단면적에 작용하는 F_p의 힘에 의해 반복적이고 집중적으로 F_b의 하중을 받는 피스톤볼(15)과 피스톤슈(7-1)의 접촉구면에 보상공간인 압력보상쳄버(20)를 형성하게 된다.

그리고, 공급포트(13)를 통해 공급되는 유압이 유로(14)를 거쳐 압력보상쳄버(20)내에 충전되고, 압력보상쳄버내의 유압은 F_p의 힘에 의해 발생되는 F_b의 힘을 파스칼의 원리에 따라 분산 상쇄시킴으로써 하중의 집중을 방지하게 된다.

이에 따라, 피스톤슈(7-1)의 내구면에는 압력보상쳄버(20)내의 유압에 의해 피스톤볼(15)의 외구면과 기계적인 접촉에 의한 변형 및 파손이 발생치 않게 된다.

더욱이, 도6에 도시한 바와 같이 유압모터 및 펌프의 경사각(α)을 크게 한 경우에도 피스톤(8)의 넓은 단면적에 작용하는 F_p의 힘에 의한 F_b의 힘이 압력보상공간(20)의 전체에 걸쳐 분산되어 작용함으로써 피스톤슈(7-1)의 안정성을 확보할수 있게 된다.

한편, 본 발명에서는 도7에 도시한 바와 같이 피스톤슈(7-1)에 보강된 스웨징부(17-1)를 형성하여 관성력 F_pr에 의해 후진되는 피스톤볼(15)의 분리를 방지하게 된다.

상세히 설명하면, 슈플레이트(6)에 의해 지지되는 9개의 피스톤슈(7-1)는 경사판(4)의 경사각(α)을 따라서 피스톤(8)이 경사판의 상사점과 하사점에 위치할 때 그 L값이 최대(L_max= PCD/cosα,PCD는 실린더배럴(9)의 중심거리)가 된다.

그러나, 피스톤슈(7-1)는 피스톤(8)이 경사판(4)의 좌우측 중심에 위치할 경우 피스톤과 동일축상에 놓이면서 경사각(α)이 생기지 않게 되어 L값이 최소(L_min= PCD/cos0 = PCD)가 되면서 결국 타원의 궤적을 그리면서 회전운동을 하게 된다.

그리고, 피스톤슈(7-1)를 지지하기 위한 슈플레이트(6)의 9개 지지홀은 그 직경의 크기가 경사판(4)의 경사각(α)과 실린더배럴(9)의 중심거리인 PCD의 크기에 의해 결정된다.

다시 말하면, 슈플레이트(6)에 있어 9개 지지홀의 직경은 L_max- L_min+ d(d는 피스톤슈의 목부직경)으로부터 구할 수 있게 된다.

이때, 피스톤슈(7-1)의 목부직경인 d값을 크게 하면 슈플레이트(6)의 지지홀직경이 커지게 되고, 이에 따라 피스톤슈를 틸팅플레이트(5)에 밀어주는 지지력을 저하시키는 문제를 야기시키게 된다.

결국, 종래의 스웨징부(17)의 변형을 방지하기 위한 피스톤슈(7-1)의 목부직경인 d값을 증대시키데에는 한계가 있기 때문에 본 발명에서는 피스톤슈에 있어서 슈플레이트(6)로부터 L값만큼 이격된 지점부터 D값의 직경을 갖는 스웨징부(17-1)를 가공하게 된다.

여기서, 스웨징부(17-1)의 직경 D는 피스톤슈(7-1)의 목부직경인 d값보다 10~15%정도 큰 값을 갖게 되지만, 10%미만인 경우 그 효과가 미미하고 15%를 초과하게 되면 슈플레이트(6)의 지지홀직경을 커지게 하여 피스톤슈를 틸팅플레이트(5)에 밀어주는 지지력을 저하시키는 문제를 유발하게 된다.

따라서, 피스톤슈(7-1)의 목부직경인 d값보다 10~15%정도 큰 직경 D로 가공되는 피스톤슈(7-1)의 스웨징부(17-1)는 종래의 스웨징부(17)보다 그 두께가 두터워지면서 반복적인 피로나 급격한 충격압력에도 변형이 발생되지 않게 되고, 피스톤볼(15)의 보지력향상을 도모할 수 있게 된다.

본 발명은 압력보상쳄버내에 충전되는 유압을 이용하여 피스톤슈의 내구면에 작용하는 F_b의 힘을 분산시킴으로써 피스톤슈의 파손을 방지하게 되고, 스웨징부를 보강함으로써 스웨징부의 변형 및 파손에 따른 피스톤볼의 이탈을 차단하게 되는 효과를 제공하게 된다.

Claims

피스톤볼(15)과 결합되어 피스톤(8)의 전진시 경사판(4)의 낮은 쪽으로 회전되면서 구동축(3)을 구동하게 되는 유압모터 및 펌프의 피스톤슈에 있어서,

상기 피스톤볼(15)의 외구면과 접촉되는 그 내구면을 절삭가공하여 압력보상쳄버(20)를 형성하고, 목부의 직경보다 10~15%의 더 큰 직경으로 스웨징부(17-1)가 형성되는 것을 특징으로 하는 유압모터 및 펌프의 피스톤슈.