KR20070067187A - 정유압 액셜 피스톤 기계 및 그 용도 - Google Patents

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마르쿠스 리이브헤르
요세프 해글스페르거
피터 드지우바
요세프 바우어
요한 페데르홀츠너
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마르쿠스 리이브헤르 인터나치오날 아게
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Abstract

본 발명은 정유압 액셜 피스톤 기계(hydrostatic axial piston machine)(10)에 관한 것으로, 제1 축(39)과 동심인 기준 원 상에 배치되어 축방향으로 연장되는 복수의 실린더 보어(28)를 가지며 상기 제1 축(39) 둘레에서 회전 가능한 실린더 블록, 제2 축(38) 둘레에서 회전 가능한 평면(12), 및 상기 제1 축(39)을 중심으로 하는 실린더 블록(39)의 회전과 상기 제2 축을 중심으로 하는 종동 샤프트(11)의 회전을 동기화시키는 수단(19, ..., 25)을 포함하고, 상기 평면(12) 상에서, 연관되는 실린더 보어(28) 내부로 변위 가능하게 관통하는 상기 실린더 보어(28)의 수에 해당하는 수의 피스톤(27, 27')이 상기 제2 축(38)과 동심인 제2 기준 원 상에서 피벗 가능하게 연결되고, 벨트를 형성하며, 상기 실린더 블록(39) 및 상기 종동 샤프트(11)는, 2개의 축(38, 39)과 평행한 제1 포지션과 2개의 축(38, 39)이 서로 제로가 아닌 최대 피벗 각도(αmax)를 형성하는 제2 포지션 사이에서 상기 2개의 축(38, 39)에 의해 연속적으로 조절 가능하고, 상기 최대 피벗 각도(αmax)는 45°보다 크며, 특히 50°인 것을 특징으로 한다.
정유압, 액셜 피스톤, 실린더, 보어, 피벗 각도, 샤프트, 트랜스미션

Description

정유압 액셜 피스톤 기계 및 그 용도 {HYDROSTATIC AXIAL PISTON MACHINE AND USE OF SAID MACHINE}
본 발명은 액셜 피스톤 기계의 분야에 관한 것으로, 특허청구범위 제1항의 전제부에 따른 정유압 액셜 피스톤 기계 및 상기 기계의 용도에 관한 것이다.
건설용 또는 농업용으로 사용되는, 특히 차량의 연속 가변식 정유압 동력-분기(power-branched) 트랜스미션이 종래 기술로서 오랫동안 공지되어 있다(예를 들어, DE-AS-1 113 621, DE-C2-29 04 572, DE-A1-37 07 382, DE-A1-43 43 401, EP-A1-1 195 542 참조). 이들 트랜스미션에서, 전달된 동력은 구동 속도의 함수로서 트랜스미션의 기계적 분기 및 정유압 분기로 할당되며, 전달된 후 다시 조합된다.
트랜스미션의 정유압 동력 전달 분기는 일반적으로, 서로 유압식으로 연결되며 그 중 하나가 각각의 경우에 펌프로서 작동하고 다른 하나는 모터로서 작동하는 2개의 정유압 액셜 피스톤 기계를 포함한다. 이들 2개의 기계는 이 경우 구동 단계에 따라 그 역할을 상호 교환한다.
정유압 액셜 피스톤 기계는, 정유압 동력-분기 트랜스미션의 필수 구성요소를 구성하며, 예를 들어 효율, 전체 크기, 복잡성, 커버하는 속도 범위, 구동 단계의 유형 및 수 등과 같은 트랜스미션의 특성에 결정적으로 영향을 미친다. 이러한 유형의 정유압 액셜 피스톤 기계의 예시는 DE-A1-198 33-711 또는 DE-A1-100 44 784에 개시되어 있다. 정유압 액셜 피스톤 기계 및 여기에 장비되는 동력-분기 트랙터 트랜스미션은 2000년 뮌헨에서 H. Bork 등이 발표한 "Modeling, simulation and analysis of a continuously variable power-branched tractor transmission"에 개시되어 있다.
정유압 액셜 피스톤 기계에서, 액셜 피스톤이 통과하는 실린더 블록은 상기 액셜 피스톤이 피벗 가능하게 장착되는 구동 플랜지에 대하여 축방향으로 평행한 기본 구성으로부터 전체 피벗 각도에 걸쳐 피벗될 수 있다. 피벗 각도에 따라, 일정한 회전 속도의 경우, 펌프로서 작동하는 액셜 피스톤 기계는 단위 시간당 보다 많거나 적게 이송한다. 모터로서 작동하는 액셜 피스톤 기계에서, 피벗 각도는 토크 출력 및 회전 속도에 영향을 준다. 동력-분기 트랜스미션에서 펌프 및 모터로서 작동하는 2개의 액셜 피스톤 기계의 상호 작용으로 인해, 구동 속도는 내연기관의 엔진 회전 속도와 무관하게 설정될 수 있어서, 펌프 및 모터의 피벗 각도가 적절하게 가변된다. 따라서, 트랙터에서는, 예를 들어 구동 속도의 변화에도 불구하고, 디젤 엔진의 회전 속도를 일정하게 유지하고 엔진을 최적의 작동 포인트로 작동시키거나 테이크-오프(take-off) 샤프트의 회전 속도를 최적화시켜서 상기 테이크-오프 샤프트에 의해 구동되는 액세서리의 작업 수행을 최적화시킬 수 있다.
액셜 피스톤 기계의 최대 가능한 피벗 각도는 상기 액셜 피스톤 기계의 작동 범위 및 그에 따른 동력전달 특성을 결정한다. 공지된 액셜 피스톤 기계에서, 최대 피벗 각도는 45°이하의 값으로 제한된다. 이로 인해 동력 및 가변 범위가 제 한된다. 이로 인해, 액셜 피스톤 기계가 사용되는 동력-분기 트랜스미션은 효율이 한정되어, 구동 단계 당 속도 범위가 제한되며 구성 및 점유 공간의 측면에서 비교적 높은 비용이 수반된다.
본 발명의 목적은, 공지된 액셜 피스톤 기계에 비해 상당히 개선된 특성에 의해 구별되며 동력-분기 트랜스미션에 사용되는 경우에 동력전달 특성이 개선되도록 하는 정유압 액셜 피스톤 기계를 제공하는 것이다.
상기 목적은 특허청구범위 제1항의 전체 특징에 의해 달성된다. 본 발명의 본질은, 액셜 피스톤 기계에서 45°, 특히 50°이상의 최대 피벗 각도를 제공하는 것이다. 최대 피벗 각도가 증대됨으로써 기계의 효율이 향상된다. 동시에, 범위가 증대된다. 즉, 회전 속도가 일정한 경우에 넓어진 작동 범위가 얻어진다. 또한, 전체적인 크기가 동일하여 동력이 증대되거나, 동력이 동일하여 전체적인 크기가 작아질 수 있다. 각각의 액셜 피스톤 기계의 이들 개선에 의해, 이러한 기계에 장비되는 동력-분기 트랜스미션이 따라서 개선된다.
본 발명에 따른 정유압 액셜 피스톤 기계의 바람직한 구성은, 회전 가능한 평면이 제2 축 둘레에서 회전하는 종동 샤프트의 일 단부에 배치되고, 동기화 수단이, 피스톤의 벨트 내부에 배치되고 일 단부는 제1 조인트를 통해 상기 종동 샤프트와 회전 가능하게 결합되며 타 단부는 제2 조인트에 의해 실린더 블록과 회전 가능하게 결합되는 중앙 동기화 샤프트를 포함하고, 제로가 아닌 피벗 각도를 얻기 위해, 상기 동기화 샤프트는 상기 종동 샤프트의 중앙 깔때기형 오리피스의 모든 측부 상에서 피벗 가능하고, 상기 오리피스는 피스톤의 벨트 내에 배치되어 상기 기계의 최대 피벗 각도가 상기 깔때기형 오리피스 및 상기 동기화 샤프트의 단면의 크기 및 형상에 의해 절대적으로 결정되며, 상기 제1 및 제2 조인트는 각각 삼각 조인트(tripod joint)로서 구성되며, 상기 동기화 샤프트는 피벗 각도가 변화되는 경우에 거리 변화를 보정하기 위해 구동 샤프트에 축방향으로 변위 가능하게 장착되며, 상기 동기화 샤프트에 상기 실린더 블록의 방향으로 탄성적으로 사전 응력을 가하는 수단이 상기 구동 샤프트에 제공되며, 상기 사전 응력을 가하는 수단은 압박 피스톤을 통해 압력을 가하는 축방향 압축 스프링 및 상기 동기화 샤프트의 일 단부에 피벗 가능하게 연결되는 제1 압박 핀을 포함하며, 상기 동기화 샤프트는 타 단부가 그에 피벗 가능하게 연결되는 제2 압박 핀을 통해 상기 실린더 블록에 지지되는 것을 특징으로 한다.
이러한 방식으로 구성되는 정유압 액셜 피스톤 기계에서, 최대 피벗 각도를 증대시키기 위해, 깔때기형 오리피스는 각각의 경우에 벌지(bulge)에 의해 인접 피스톤 사이에서 국부적으로 확장되는 것이 바람직하며, 동기화 샤프트의 단면 형상은 상기 벌지를 따른다. 상기 벌지는, 동기화 샤프트의 단면 형상을 따른다면 기본적으로 여러 형태를 가지며, 상기 동기화 샤프트가 커다란 범위로 외측으로 피벗되도록 한다. 깔때기형 오리피스의 에지 형상이 피스톤의 수에 대응하는 모서리의 수를 가지는 다각형이고, 상기 다각형의 모서리가 각각 인접하는 피스톤 사이에 배치되어 벌지를 형성하는 경우, 특히 바람직하다.
특히, 3의 배수의 피스톤이 제공될 수 있고, 동기화 샤프트의 단면 형상이 120°간격으로 회전 대칭을 가질 수 있으며, 상기 동기화 샤프트의 단면 형상의 120°회전 대칭은, 축방향으로 연장되며 각각 120°간격으로 배치되는 상기 동기화 샤프트의 3개의 그루브형 벌지에 의해 이루어진다.
본 발명에 따른 정유압 액셜 피스톤 기계의 또 다른 구성은, 피스톤이 각각의 경우에 피스톤 섕크의 일 단부에 배치되고, 상기 피스톤 섕크는 타 단부 쪽으로 테이퍼를 이루며 상기 타 단부는 구형(spherical) 베어링의 구형 헤드에 피벗 가능하게 장착되고, 상기 구형 베어링은 종동 샤프트 상에 형성되는 플랜지의 제2 기준 원에 고정되어 제2 축 둘레에서 회전 가능한 평면을 형성하고, 상기 피스톤, 상기 피스톤 섕크, 및 상기 구형 헤드는 각각 단일 부재의 일부분인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 정유압 액셜 피스톤 기계는 차량, 특히 내연기관에 의해 구동되는 트랙터의 동력-분기 트랜스미션에 사용되며, 동력-분기 트랜스미션에 의해 전달되는 구동 동력의 일부분은 유압식으로 전달되고, 상기 유압식 동력 전달을 위해, 서로 유압식으로 연결되며 펌프 및 모터로서 교대로 작동하는 적어도 2개의 정유압 액셜 피스톤 기계가 사용된다.
다른 실시예는 종속청구항에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정유압 액셜 피스톤 기계의, 실린더 블록이 피벗되지 않은 종단면도이다.
도 2는 도 1의 정유압 액셜 피스톤 기계에서 실린더 블록이 +50°피벗된 상세도이다.
도 3은 도 1의 정유압 액셜 피스톤 기계에서 실린더 블록이 -50°피벗된 상세도이다.
도 4는 도 1의 기계의 종동 샤프트의 헤드 부분에서 하나의 삼각 조인트를 위한 간극 및 동기화 샤프트와 함께 나타내는 확대 종단면도이다.
도 5는 도 4의 종동 샤프트의 헤드 부분을 축 방향에서 본 평면도이다.
도 6은 도 1의 동기화 샤프트의 여러 도면으로, 삼각 조인트를 위한 섕크(shank) 상의 리세스 및 양 단부에 형성된 테논(tenon)을 구비하며, (a) 및 (b)는 측면도, (c)는 (b)의 평면 B-B에서의 종단면도, (d)는 (a)의 평면 A-A에서의 단면도, (e)는 측면 사시도이다.
도 7은 회전 순간의 깔때기형 오리피스의 동기화 샤프트의 포지션에 대한 평면도로, 동기화 샤프트의 그루브형 리세스 중 하나가 그 폭이 9각형 깔때기의 일 변과 평행하도록 놓인 것을 나타낸다.
도 8은 선택적으로 펌프 및 모터로서 작동하는, 도 1 내지 도 6에 따른 2개의 정유압 액셜 피스톤 기계를 구비하는, 트랙터용 동력-분기 트랜스미션을 나타내는 다이어그램이다.
도 9는 도 8의 다이어그램에 따른 트랜스미션에서 연속 테이크-오프 샤프트가 생략된 단순 도면이다.
도 10은 도 9에 따른 트랜스미션의 여러 쉬프트 포지션을 나타내는 도면으로, (a1) 내지 (a3)은 제1 전진 구동 단계, (b1) 내지 (b3)은 제2 전진 구동 단계, (c)는 후진 구동을 나타낸다.
도 11은 트랜스미션 입력이 1800rpm에서 195kw이고 최종 속도가 2100rpm에서 62km/h인 경우에 도 8 내지 도 10에 따른 동력-분기 트랜스미션을 구비하는 트랙터의 구동 속도의 함수인, 효율(곡선 A)과 동력 전달의 정유압 부분 백분율(곡선 B)을 나타내는 선도이다.
이하, 첨부도면을 참조한 예시적 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정유압 액셜 피스톤 기계에서 실린더 블록이 피벗되지 않은(피벗 각도 α=0) 것을 나타내는 종단면도이다. 정유압 액셜 피스톤 기계(10)는, 기다란 종동 샤프트(11), 실린더 블록(30), 복수의 피스톤(27), 및 종동 샤프트(11)와 실린더 블록(30)의 회전을 동기화시키는 동기화 샤프트(23)를 포함한다. 종동 샤프트(11)는, 도 7에 도시한 바와 같이 정유압 액셜 피스톤 기계(10)가 동력-분기 트랜스미션의 일부분인 경우, 샤프트 장착, 트랜스미션 기어 휠 수용, 및 클러치 수용 및 동작을 위한 역할을 하도록 그 길이에 걸쳐 상이하게 가공된 부분으로 나뉜다.
실린더 블록(30)과 대면하는 일 단부에서, 종동 샤프트(11)는 두꺼우며 플랜지(12)의 단부는 종동 샤프트(11)의 축(38)과 동심이다. 9개의 원형-원통형 베어링 리셉터클(32)은 기준 원 상의 축(38) 둘레에 균일하게 분포되어 플랜지의 단부면(도 4 및 5 참조)으로 밀링되고, 피스톤(27)의 피벗 가능한 장착을 위한 구형 베어링(18)은 상기 베어링 리셉터클(32)에 삽입된다. 베어링 리셉터클(32)의 축은 종동 샤프 트(11)의 축(38)에 대하여 반경방향 외측으로 약간(예를 들어 5°) 기울어진다. 플랜지(12)의 단부면은 외측으로 하강되도록 대응되게 가공되어, 베어링 리셉터클(32)의 영역에서 이들 축에 대하여 직각으로 연장된다.
플랜지(12)의 중앙에는 종동 샤프트(11)의 내부에서 계단형 직경의 중앙 보어(15)로 병합되는 깔때기형 오리피스(13)(도 4 및 5)가 제공된다. 제1 삼각 조인트(22)의 일부분인 이들 축방향으로 평행한 보어(14)는 보어(15) 둘레에서 종동 샤프트에 보어(15)와 부분적으로 중첩되도록 제공되며, 각각 120°간격으로 배치된다. 이들 반대쪽 실린더 블록(30)에 제2 삼각 조인트(24)의 일부분인 상대 보어가 존재한다. 2개의 삼각 조인트(22, 24)는 동기화 샤프트(23)가 종동 샤프트(11) 및 실린더 블록(30)에 대하여 회전 가능하게 커플링되도록 하고, 동시에 실린더 블록(30)의 플랜지(12) 또는 종동 샤프트(11)에 대한 피벗 가능성을 보장한다. 이를 위해, 도 6에 따르면, 동기화 샤프트(23)는 양 단부에 반경방향으로 배향되는 3개의 원통형 테논(34)이 구비되며, 이들 테논(34)은 120°간격으로 배열되고 제1 삼각 조인트(22)의 경우 중앙 보어(15)로부터 횡방향으로 개방되는 중첩 영역을 통해 인접 보어(14)로 연장된다. 테논(34)의 유사한 결합은 제2 삼각 조인트(24)에서도 일어난다. 유격을 감소시키기 위해, 각각 외측이 크라운 가공된 링(17)(도 1)이 테논(34)에 근접된다.
실린더 블록(30)이 플랜지(12)에 대하여 피벗되는 경우, 동기화 샤프트(23)에 의해 실린더 블록(30)과 플랜지(12) 사이에 설정되는 거리는 변화한다. 이 거리 변화가 보정될 수 있도록 하기 위해, 동기화 샤프트(23)는 제1 삼각 조인트(22)의 영역에 서 축방향으로 변위 가능하게 장착된다. 동기화 샤프트(23)는, 실린더 블록(30)과 대면하는 단부가, 실린더 블록(30)에 삽입되며 그 길이의 일부분이 실린더 블록(30)으로부터 돌출되는 제1 압박 핀(25) 상에 피벗 가능하도록 안착된다. 동기화 샤프트(23)는, 제2 삼각 조인트(24)의 실린더 블록과 결합하지 않도록 하기 위해, 제2 압박 핀(25)에 대하여 축방향으로 사전 응력이 부여되어 압박된다. 보어(15) 내에 수용되는 압축 스프링(19)은 사전 응력을 발생하여 축방향으로 변위 가능한 압박 피스톤 및 제2 압박 핀(21)을 통해 동기화 샤프트(23)를 압박하는 역할을 한다. 압박 피스톤(20), 압박 핀(21, 25), 및 동기화 샤프트(23)는 각각 중앙 오일 통로를 갖는다.
(원통형) 실린더 블록(30)은 축방향으로 평행한 9개의 실린더 보어(28)를 가지며, 이들 실린더 보어(28)는 기준 원 상에서 자신의 축(39) 둘레에 균일하게 분포되고 도 5의 베어링 리셉터클(32)과 마찬가지로 각각 서로 40°의 각도로 이격된다. 실린더 보어(28)(본 실시예에서는 직경이 약 26㎜)는 측부가 블라인드 보어로서 플랜지(12)와 대면하도록 구성된다. 플랜지(12)에 피벗 가능하게 장착되는 피스톤(27)은 이 측부로부터 실린더 보어(28)로 관통한다. 이를 위해, 각각의 피스톤(27)은 하방으로 테이퍼진 기다란 피스톤 섕크(27')를 가지며, 피스톤 섕크(27')는 하단부가 구형 헤드(26)로 병합되고, 이를 통해 연관되는 구형 베어링(18)에 피벗 가능하게 장착된다. 실린더 블록(30)이 도 2에 도시한 바와 같이 도 1에 나타낸 포지션(피벗 각도 α=0)으로부터 상방으로 피벗되는 경우, 도면과 직각인 중간 평면 위에 놓인 피스톤(27)은 실린더 보어(28) 쪽으로 이동하여 여기에 위치된 매체를 압박하 거나 매체를 통해 변위되며, 중간 평면 아래에 놓인 피스톤(27)은 실린더 보어(28)로부터 이동하여 여기에 위치된 매체를 팽창시키거나 오리피스를 통해 흡입한다. 실린더 블록(30)이 도 3에 따라 하방으로 피벗되는 경우, 중간 평면 상하에 놓이는 피스톤(27)은 그 역할을 맞바꾼다. 피스톤(27)의 최대 스트로크는 본 실시예에서는 약 93㎜이다.
각도 α=0인 경우, 종동 샤프트 및 그에 따라 동기화 샤프트(23)를 통한 실린더 블록(30)은 각각의 축(38, 39) 둘레에서 회전되며, 9개의 피스톤(27) 각각은 1회전 당 완전한 스트로크 사이클을 수행하고, 각각의 상사점 및 하사점은 피스톤 및 실린더 보어가 각각 회전 운동의 상부 및 하부 정점(α>0, 도 2 참조)에 있거나 하부 및 상부 정점(α<0, 도 3 참조)에 있을 때이다. 이 경우, 동유압 액셜 피스톤 기계(10)는, 구동이 종동 샤프트(11)를 통해 일어나고 유압 매체는 실린더 보어(28)로부터 나오는 피스톤(27)에서 흡입되며 실린더 보어(28)로 들어가는 피스톤(27)에 의해 압출된다. 이 경우 1회전 당 용적식 펌핑 능력은 피벗 각도 α가 클수록 크다. 그러나, 실린더가 각각의 경우에 상사점과 하사점 사이에서 유압 매체가 압력을 받은 상태로 작용하고 발생되는 회전 운동이 종동 샤프트(11)에서 픽업되는 경우에는 유압 모터로서 작동할 수도 있다. 이 경우에 토크는 피벗 각도 α가 클수록 크다. 이와는 대조적으로, 종동 샤프트(11)에서 높은 회전 속도가 얻어지려면 피벗 각도 α는 작아야 한다. 동력-분기 트랜스미션(40)에서는, 도 7에 도시한 바와 같이, 유압식 동력 분기는, 서로 유압식으로 연결되고 속도 범위에 따라 선택적으로 펌프 및 모터로서 작동하는 도 1에 나타낸 유형의 2개의 정유압 액셜 피스톤 기계(H1, H2)에 의해 형성된다.
피스톤(27)에 의해 한정되는 실린더 보어(28) 내의 가동 공간은 연결 오리피스(29)를 통해 실린더 블록(30)의 외측 단부면으로부터 접근 가능하다. 개별 실린더를 동작시키기 위해, 도 1 내지 3에는 도시하지 않은, 회전식으로 고정되는 제어 디스크가 대응 오리피스를 구비하여 작동하며, 이 제어 디스크에 실린더 블록(30)이 평면 베어링(실린더 블록(30)에 반경방향으로 장착되기 위해 베어링 보어(31)가 제공됨)을 통해 축방향으로 지지된다. 이러한 제어의 상세한 내용은 공지된 것으로 서두에 언급한 공개 문서로부터 참조할 수 있다. 플랜지(12)에 대하여 원하는 피벗 각도 α로 실린더 블록(30)을 피벗시키기 위해 필요한 피벗 기구에 대하여도 동일하게 적용된다.
서두에 언급한 공개 문서에 기재된 것과 같은 공지의 정유압 액셜 피스톤 기계는 최대 피벗 각도 αmax가 45°로 제한되는 피벗 범위를 갖는다. 그 결과, 실린더 당 피스톤 스트로크는 제한되고, 따라서, 전체 크기가 동일하다면, 동력에 대한 조절 범위도 제한된다. 이로 인해, 정유압 액셜 피스톤 기계가 동력-분기 트랜스미션으로 사용되는 경우에는 특히 제한을 받게 된다. 본 발명에 따른 정유압 액셜 피스톤 기계에서, 이러한 제한은 최대 피벗 각도 αmax가 45°이상, 바람직하게는 최대 50°로 되면 제거된다.
도 1 내지 3에 따른 정유압 액셜 피스톤 기계의 최대 피벗 각도 αmax에 대한 실질적인 제한은 종동 샤프트(11)와 실린더 블록(30) 사이의 동기화 기구에 의해 이루 어진다. 실린더 블록(30)이 피벗 각도 α로 피벗되는 경우, 동기화 샤프트(23)는 종동 샤프트의 축(38)으로부터 피벗 각도의 절반 정도 피벗된다. 이러한 피벗에 여유를 제공하기 위해, 도 4 및 5에 따르면, 기준 원 상에 배치되는 베어링 리셉터클(32)의 중앙에는 깔때기형 오리피스(13)가 제공되고 그 개방 각도는 동기화 샤프트(23)의 피벗 범위를 결정한다. 공지된 정유압 액셜 피스톤 기계에서, 오리피스(13)는 원뿔형 디자인을 갖는다. 오리피스의 폭은 베어링 리셉터클(32)에 내접되는 원에 의해 결정된다. 이와는 대조적으로 본 실시예에서는, 인접하는 베어링 리셉터클(32) 사이에 존재하는 공간이, 동기화 샤프트(23)의 가능한 피벗 범위를 증대시키도록 이용된다. 이를 위해, 도 5에 따르면, 인접하는 베어링 리셉터클(32) 사이의 각도 범위에는 내접원을 벗어나 확장되는 벌지(33)가 오리피스에 제공된다. 동시에, 도 6(d)에 따르면, 동기화 샤프트(23)의 단면 형상이 변화되어 원에서 벗어나서, 오리피스(13)의 벌지(33)와 상호 작용하여, 동기화 샤프트(23)에 대한 증대된 피벗 범위가 얻어진다. 이 경우, 액셜 피스톤 기계가 회전하면, 동기화 샤프트(23)는 오리피스(13)의 벌지(33)가 제공된 에지 윤곽 상의 링 휠 내에서 기어 휠 방식으로 구른다.
오리피스(13)의 에지 윤곽은 기본적으로 파형 구성일 수 있으며, 파형의 정점은 베어링 리셉터클(32) 사이에 놓이고 파형의 저점은 베어링 리셉터클(32)에 직접 배치된다. 바람직하게, 도 5에 따르면, 깔때기형 오리피스(13)의 에지 윤곽은 피스톤(27)의 수에 해당하는 수의 모서리를 가지는 다각형, 즉 9각형이고, 이 다각형의 모서리는 각각 인접하는 피스톤(27) 또는 베어링 리셉터클(32) 사이에 배치되며 벌 지(33)를 형성한다. 이와는 대조적으로, 동기화 샤프트(23)의 단면 형상은 120°간격으로 회전 대칭을 갖는다. 이 120°간격의 회전 대칭은 동기화 샤프트(23)의 3개의 그루브형 리세스(35)에 의해 발생되며, 리세스(35)는 축방향으로 연장되며 각각 120°간격으로 배치된다. 상기 그루브형 리세스 사이에 남는, 동기화 샤프트(23)의 리브는, 동기화 샤프트가 최대 피벗 각도 αmax로 오리피스(13)의 벽 상에서 구르는 경우, 삼각 조인트(22)가 대응되는 각도로 배향되는 경우에 오리피스(13)의 벌지(33)를 동시에 관통한다. 동기화 샤프트(23)의 120°대칭 및 오리피스(13)의 40°대칭을 고려하면, 관통은 3번째 벌지(33)에서만 일어난다. 동기화 샤프트(23)의 그루브형 리세스(35) 중 하나가 그 폭이 9각형 깔때기(13)의 일 변과 평행하게 놓이는 롤링 작동의 순간 모습(snapshot)이 도 7에 도시되어 있다.
피벗 범위가 넓어짐에 따라, 도 1 내지 3에 따른 정유압 액셜 피스톤 기계는 차량, 특히 한편으로는 저속 구동 범위에서 높은 토크가 제공되어야 하고 다른 한편으로는 양호한 효율의 고속 구동이 가능해야 하는, 내연기관(디젤 엔진)에 의해 구동되는 트랙터의 동력-분기 트랜스미션에 사용되기 적합하다. 도 8에는 이러한 동력-분기 트랜스미션의 다이어그램이 도시되어 있으며 도 9에는 도 8의 다이어그램에 따른 매우 간소화된 트랜스미션이 도시되어 있다(그러나 이 경우, 도 8의 연속 테이크-오프 샤프트(42)는 계단형 유성 기어(45)가 구비된 구동 샤프트(56)로 대체되었으며, 마찬가지로 토션 댐퍼(torsion damper)(49)도 존재하지 않음). 예시한 동력-분기 트랜스미션(40)은 카던 샤프트(cardan shaft)(41) 및 토션 댐퍼(49)를 통 해 피스톤/실린더 장치로 대표되는 내연기관(50)에 연결되어 있다. 테이크-오프 샤프트(42)는 동력-분기 트랜스미션(40)을 관통하여 일 단부가 카던 샤프트(41)에 직접 연결되며 타 단부는 클러치(46)를 통해 종동 샤프트(47)에 연결될 수 있다. 트랙터의 경우, 경작용 액세서리는 종동 샤프트(47)에 의해 구동될 수 있다.
테이크-오프 샤프트(42) 상에는 계단형 유성 기어(45)의 커다란 태양 휠(z1)이 안착되어 있으며, 상기 계단형 유성 기어(45)는 추가적으로 더블 위성 휠(z2, z2'), 작은 태양 휠(z1') 및 링 휠(z3)을 포함한다. 작은 태양 휠(z1')은 중공 샤프트를 통해 기어 휠(z7)과 맞물리는 추가의 기어 휠(z6)에 회전되도록 연결된다. 링 휠(z3)은 기어 휠(z5)과 맞물리는 기어 휠(z4)에 회전되도록 연결된다. 기어 휠(z5)은 클러치(K3)를 통해 제1 정유압 액셜 피스톤 기계(H1)의 종동 샤프트(43)에 연결될 수 있다. 기어 휠(z7)은 클러치(K2)를 통해 제2 정유압 액셜 피스톤 기계(H2)의 종동 샤프트(44)에 연결될 수 있다. 더블 위성 휠(z2, z2')의 위성 캐리어(도 8의 참조부호 55)는, 한편으로는 기어 휠(z9)과 맞물리고 다른 한편으로는 기어 휠(z17)과 맞물리는 기어 휠(z8)에 회전되도록 연결된다. 기어 휠(z9)은 중공 샤프트 및 클러치(K1)에 의해 제2 정유압 액셜 피스톤 기계(H2)의 종동 샤프트(44)에 연결될 수 있다. 기어 휠(z17)은 차량의 종동 액슬에 연결되는 구동 트레인의 일부분이다. 도 9의 트랜스미션에서, 차량 추진을 위한 동력은 대응되는 종동 휠(54)에서 픽업된다. 트랜스미션의 기계식 및 유압식 분기를 통해 전달된 동력은 위성 캐리어(55)에서 취합된다. 또한, 테이크-오프 샤프트(42)는, 클러치(K4)에 의해 중간 기어 휠(z12) 및 추가의 기어 휠(z11)을 통해, 제1 정유압 액 셜 피스톤 기계(H1)의 종동 샤프트(43)에 연결될 수 있는 기어 휠(z10)에 회전되도록 안착된다.
2개의 정유압 액셜 피스톤 기계(H1, H2)는 각각 배출 및 복귀 라인으로 이용되는 2개의 유압 라인(51, 52)을 통해 서로 유압식으로 연결된다. 유압 라인(51, 52)에 삽입되는 멀티웨이(multiway) 밸브(53)는, 2개의 정유압 액셜 피스톤 기계(H1, H2)가 그 역할을 맞바꾸는 경우, 즉 펌프로 작동하고 있는 액셜 피스톤 기계가 모터로 작동하거나 그 반대의 경우, 유압 라인을 맞바꾸도록 할 수 있다.
도 8 또는 9의 동력-분기 트랜스미션의 동작 모드는 도 10을 참조하여 설명될 수 있다. (a1) 내지 (a3)은 제1 전진 구동 단계, (b1) 내지 (b3)은 제2 전진 구동 단계, (c)는 후진 구동에 관한 것이다. 도면상 공간의 이유로, 도 9의 지정과 동일한 개별 트랜스미션 부품의 지정은 생략하였다.
제1 전진 구동 단계(저속 전진 구동; 도 10(a1))의 개시에서, 클러치(K1, K2)가 결합된다. 제1 전진 구동 단계에서 제1 정유압 액셜 피스톤 기계(H1)는 펌프로서 작동하고 제2 정유압 액셜 피스톤 기계(H2)는 모터로서 작동한다. 액셜 피스톤 기계(H1)(펌프)는 피벗되지 않은 상태(피벗 각도 α=0)로부터 도 10(a2)의 상태에 도달된 완전 피벗된 상태(피벗 각도 α=αmax)로 서서히 1차 피벗된다. 따라서 모터로서 작동하는 액셜 피스톤 기계(H2)로 보다 많은 유압 유체가 펌핑된다. 액셜 피스톤 기계(H2)는 최대로 피벗되어 서서히 상승하는 회전 속도에서 높은 토크를 출력한다. 액셜 피스톤 기계(H1)가 최대로 피벗되는 경우(도 10(a2)), 액셜 피스톤 기계(H2)는 제로 쪽으로 서서히 피벗된다(도 10(a3)). 이 경우, 그 회전 속도는 상승하고, 액셜 피스톤 기계(H1)의 회전 속도 및 전달되는 유압 동력은 구동 단계의 말미에서 제로로 떨어진다. 도 11에서, 제1 전진 구동 단계는 0 내지 약 18km/h의 속도 범위에 해당하며, 전달되는 유압 동력의 부분 HP는 100%에서 0%로 선형 감소한다.
제1 구동 단계(도 10(a3))의 말미에서 제2 구동 단계(도 10(b1))의 개시의 중간에서, 클러치(K1)는 분리되고 대신에 클러치(K2)가 결합된다. 액셜 피스톤 기계(H2)는 피벗 각도가 제로인 경우에 토크를 받지 않기 때문에, 쉬프트 토크는 실질적으로 제로이다. 클러치(K1, K2)의 동작과 동시에, 멀티웨이 밸브(53)의 전환에 의해, 액셜 피스톤 기계(H1)는 모터 작동으로 전환되고 액셜 피스톤 기계(H2)는 펌프 작동으로 전환된다. 그리고 제1 구동 단계에서와 동일한 동작이 상이한 비율로 일어난다. 우선, 모터(H1)가 완전히 피벗되고, 펌프(H2)는 피벗되지 않은 상태(도 10(b1))로부터 완전히 피벗된 상태(도 10(b2))가 될 때까지 서서히 피벗된다. 그리고, 모터(H1)는 다시 제로로 피벗되고(도 10(b3)) 회전 속도가 증가하며, 전달된 유압 동력은 제로로 떨어진다. 제2 전진 구동 단계의 속도 범위는 도 11의 18km/h 내지 62km/h 사이에 해당된다. 이 경우 전달된 유압 동력의 일부분은 처음에 0%로부터 30km/h에서 최대 약 30%로 상승한 후 약 53km/h에서 0%로 떨어지며 그 이상의 속도에서는 0%를 유지한다. 이러한 유형의 트랜스미션 구성 및 트랜스미션 제어는, 도 11에 따라, 트랜스미션의 효율이 처음에 85% 이상으로 매우 신속하게 상승하고 최고 구동 속도에서도 약 90%의 최대치에 도달되도록 한다.
후진 구동(도 10(c))에 있어서, 클러치(K2, K3)는 개방되고 클러치(K1, K4)는 폐쇄된다. 액셜 피스톤 기계(H1)는 펌프로서 작동하고 액셜 피스톤 기계(H2)는 모터로서 작동한다. 모터(H2)는 완전히 피벗되고, 펌프(H1)는 피벗된 상태로부터 제로로 피벗된다.
참조부호의 설명
10 정유압 액셜 피스톤 기계(모터, 펌프)
11 종동 샤프트 12 플랜지
13 오리피스(깔때기형) 14 보어(삼각 조인트)
15 보어(가압 장치) 16 축방향 덕트
17 링 18 구형 베어링
19 압축 스프링 20 가압 피스톤
21, 25 가압 핀 22, 24 삼각 조인트
23 동기화 샤프트 26 구형 헤드
27 피스톤 27' 피스톤 섕크
28 실린더 보어 29 연결 오리피스(실린더 보어)
30 실린더 블록 31 베어링 보어
32 베어링 리셉터클 33 벌지
34 테논(삼각 조인트) 35 리세스(그루브형)
36, 37 베어링 보울 38 축(종동 샤프트)
39 축(실린더 블록) 40 동력-분기 트랜스미션
41 카던 샤프트 42 테이크-오프 샤프트
43, 44 종동 샤프트(액셜 피스톤 기계)
45 계단형 유성 기어 46 클러치
47 종동 샤프트 48 구동 트레인
49 토션 댐퍼 50 내연기관
51, 52 유압 라인 53 멀티웨이 밸브
54 종동 휠 55 위성 캐리어
56 구동 샤프트 H1, H2 정유압 액셜 피스톤 기계
K1, ..., K4 클러치 z1, ..., z17 기어 휠
α 피벗 각도 αmax 최대 피벗 각도

Claims (14)

  1. 제1 축(39)과 동심인 기준 원 상에 배치되어 축방향으로 연장되는 복수의 실린더 보어(28)를 가지며, 상기 제1 축(39) 둘레에서 회전 가능한 실린더 블록,
    제2 축(38) 둘레에서 회전 가능한 평면(12), 및
    상기 제1 축(39)을 중심으로 하는 실린더 블록(39)의 회전과 상기 제2 축을 중심으로 하는 종동 샤프트(11)의 회전을 동기화시키는 수단(19, ..., 25)
    을 포함하고,
    상기 평면(12) 상에서, 연관되는 실린더 보어(28) 내부로 변위 가능하게 관통하는 상기 실린더 보어(28)의 수에 해당하는 수의 피스톤(27, 27')이 상기 제2 축(38)과 동심인 제2 기준 원 상에서 피벗 가능하게 연결되고, 벨트를 형성하며,
    상기 실린더 블록(39) 및 상기 종동 샤프트(11)는, 2개의 축(38, 39)과 평행한 제1 포지션과 2개의 축(38, 39)이 서로 제로가 아닌 최대 피벗 각도(αmax)를 형성하는 제2 포지션 사이에서 상기 2개의 축(38, 39)에 의해 연속적으로 조절 가능한
    정유압 액셜 피스톤 기계(hydrostatic axial piston machine)(10)에 있어서,
    상기 최대 피벗 각도(αmax)는 45°보다 큰
    것을 특징으로 하는 정유압 액셜 피스톤 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 최대 피벗 각도(αmax)는 50°이상인 것을 특징으로 하는 정유압 액셜 피스톤 기계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 회전 가능한 평면(12)은 상기 제2 축(38) 둘레에서 회전하는 종동 샤프트(11)의 일 단부에 배치되고,
    상기 동기화 수단(19, ..., 25)은, 피스톤(27, 27')의 벨트 내에 배치되며 일 단부가 제1 조인트(22)에 의해 상기 종동 샤프트(11)와 회전 가능하게 결합되고 타 단부는 제2 조인트(24)에 의해 상기 실린더 블록(30)과 회전 가능하게 연결되는 중앙 동기화 샤프트(23)를 포함하고,
    피벗 각도(α)를 제로와 상이하게 하기 위해, 상기 동기화 샤프트(23)는 상기 종동 샤프트(11)의 중앙 깔때기형 오리피스(13)의 모든 측변 상에서 피벗 가능하며,
    상기 오리피스는, 상기 기계의 최대 피벗 각도(αmax)가 상기 깔때기형 오리피스(13)의 크기와 형상, 및 상기 동기화 샤프트(23)의 단면의 크기와 형상에 의해 결정되도록, 상기 피스톤(27, 27')의 벨트 내에 배치되는
    것을 특징으로 하는 정유압 액셜 피스톤 기계.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 조인트는 각각 삼각 조인트(tripod joint)(22, 24)로 구성되고,
    상기 동기화 샤프트(23)는 상기 피벗 각도(α)가 변화되는 경우에 거리 변화를 보정하기 위해 상기 종동 샤프트(11)에 축방향으로 변위 가능하게 장착되고,
    상기 동기화 샤프트(23)에 상기 실린더 블록(30)의 방향으로 탄성적으로 사전 응력을 가하는 수단(19, 20, 21)이 상기 종동 샤프트(11)에 제공되는
    것을 특징으로 하는 정유압 액셜 피스톤 기계.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 사전 응력을 가하는 수단은, 가압 피스톤(20)을 통해 압력을 가하는 축방향 압축 스프링(19), 및 상기 동기화 샤프트(23)의 일 단부에 피벗 가능하게 연결되는 제1 가압 핀(21)을 포함하고,
    상기 동기화 샤프트(23)는 타 단부가, 상기 타 단부에 피벗 가능하게 연결되는 제2 가압 핀(25)을 통해, 상기 실린더 블록(30)에 지지되는
    것을 특징으로 하는 정유압 액셜 피스톤 기계.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    최대 피벗 각도(αmax)를 증대시키기 위해, 상기 깔때기형 오리피스(13)는 인 접하는 피스톤(27, 27') 사이에서 벌지(bulge)(33)에 의해 국부적으로 확장되고,
    상기 동기화 샤프트(23)의 단면 형상은 상기 벌지(33)를 따르는
    것을 특징으로 하는 정유압 액셜 피스톤 기계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 깔때기형 오리피스(13)의 에지 윤곽은 상기 피스톤(27, 27')의 수에 해당하는 수의 모서리를 가지는 다각형이고,
    상기 다각형의 모서리는 각각 인접하는 피스톤(27, 27') 사이에 배치되어 벌지(33)를 형성하는
    것을 특징으로 하는 정유압 액셜 피스톤 기계.
  8. 제7항에 있어서,
    3의 배수의 피스톤(27, 27')이 제공되고,
    상기 동기화 샤프트(23)의 단면 형상은 120°간격으로 회전 대칭인
    것을 특징으로 하는 정유압 액셜 피스톤 기계.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 동기화 샤프트(23)의 단면 형상의 120°회전 대칭은, 축방향으로 연장되며 각각 120°간격으로 배치되는, 상기 동기화 샤프트(23)의 3개의 그루브형 벌지(35)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 정유압 액셜 피스톤 기계.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    9개의 피스톤(27, 27')이 제공되는 것을 특징으로 하는 정유압 액셜 피스톤 기계.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피스톤(27)은 각각 피스톤 섕크(27')의 일 단부에 배치되고,
    상기 피스톤 섕크(27')는 타 단부 쪽으로 테이퍼를 이루며 상기 타 단부에는 구형(spherical) 베어링(18)의 구형 헤드(26)가 피벗 가능하게 장착되고,
    상기 구형 베어링(18)은, 상기 종동 샤프트(11) 상에 형성되며 상기 제2 축(38) 둘레에서 회전 가능한 평면을 형성하는, 플랜지(12)의 제2 기준 원 상에 고정되는
    것을 특징으로 하는 정유압 액셜 피스톤 기계.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 피스톤(27), 상기 피스톤 섕크(27'), 및 상기 구형 헤드(26)는 각각 일체형 부재의 일부분인 것을 특징으로 하는 정유압 액셜 피스톤 기계.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 삼각 조인트(22, 24)를 형성하기 위해, 상기 동기화 샤프트(23)는 양 단부에 120°간격으로 배치되며 반경방향으로 확장되는 3개의 원통형 테논(tenon)(34)을 가지는 것을 특징으로 하는 정유압 액셜 피스톤 기계.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 정유압 액셜 피스톤 기계(10)의 용도에 있어서,
    차량, 특히 내연기관(50)에 의해 구동되는 트랙터의 동력-분기 트랜스미션(power-branched transmission)(40)에서, 상기 동력-분기 트랜스미션(40)에 의해 전달되는 구동 동력의 일부분은 유압식으로 전달되고, 유압 동력 전달을 위해, 서로 유압식으로 연결되고 교대로 펌프 및 모터로 작동하는 2개 이상의 정유압 액셜 피스톤 기계(H1, H2)가 사용되는
    것을 특징으로 하는 정유압 액셜 피스톤 기계의 용도.
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