KR20080030530A - 유압 장치 - Google Patents

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KR20080030530A
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티알더블유 오토모티브 게엠베하
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Abstract

본 발명에 따른 유압 장치는 2개의 서로 맞물리는 톱니바퀴(16, 18)를 포함하며, 각각의 톱니바퀴(16, 18)는 경사진 외치를 갖고 있는 한편 유입측과 유출측 사이에 배치된다. 적어도 하나의 제어 홈(46)이 톱니바퀴(16, 18)의 단부측에 마련된다. 제어 홈(46)은 톱니바퀴(16, 18)의 회전 중에 주기적으로 압력 평형 연결을 생성한다.
Figure P1020070098333
유압 펌프, 톱니바퀴, 압력 평형

Description

유압 장치{HYDRAULIC DEVICE}
본 발명은, 2개의 서로 맞물리는 톱니바퀴를 포함하며, 각각의 톱니바퀴는 경사진 외치(外齒)를 갖고 있는 한편 유입측과 유출측 사이에 배치되며, 톱니바퀴의 단부측에 적어도 하나의 제어 홈(control groove)이 마련되어 있는 유압 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 기어 형태의 톱니바퀴들은 그 톱니바퀴의 품질 및 양호한 장착 상태(축간 거리, 베어링의 유극 등)와는 별도로 가능한 큰 겹침 물림률(overlap ratio)이 달성된다면 확실히 매우 조용하게 작동할 것이다. 따라서, 톱니바퀴들이 맞물려 회전하는 동안에 하나의 톱니바퀴의 적어도 2개의 치가 다른 톱니바퀴의 2개의 치와 항상 동시에 맞물리게 되는 장치를 사용하려는 시도가 있어 왔다.
소음을 최적화하는 것 외에도, 외치 톱니바퀴형 유압 펌프에서는 효율이 매우 중요하다. 양호한 기계적 및 용량적 효율을 달성하기 위해, 톱니바퀴의 외경 및 톱니바퀴의 축간 거리는 톱니바퀴의 직경 대 (반경 방향으로의) 치의 길이의 최적의 비가 보장되도록 선택되어야 한다. 이는 톱니바퀴의 외경을 작게 설계하게 만든다. 그러나, 톱니바퀴의 작은 외경은 치의 최대 개수를 제한한다. 직선 치(straight teeth)를 갖는 톱니바퀴에서, 적은 수의 치는 대부분의 경우 2쌍의 치 사이에서의 영구적인 접촉이 이루어지지 않는다. 그럼에도불구하고 이중 접촉을 가능하게 하기 위해서는, 충분한 치의 기울기를 갖는 경사진 치를 제공할 필요가 있다. 직선 치에 비한 경사 치의 추가적인 이점으로는 각 쌍의 치가 맞물림 상태와 분리 상태로 연속적으로 변화하면서 이동하고 이에 따라 토크의 전달이 보다 원활하게 이루어지기 때문에 보다 원활하게 작동하고 소음 발생이 작다는 점이다. 게다가, 치의 작용면이 보다 크기 때문에 직선 치를 갖는 동일 크기의 톱니바퀴에 비해 큰 힘을 전달할 수 있다. 그러나, 기울기 각도가 클수록, 톱니바퀴에 가해지는 축방향 힘이 커지게 되고, 이는 베어링의 수명에 불리한 영향을 미칠 수 있다는 점을 유의해야 할 것이다.
서로 맞물리는 톱니바퀴가 최적의 구조를 갖더라도, 유압 장치에서는 소음 발생 및 효율에 부정적인 결과를 가져오는 또 다른 영향이 작동 매체를 통해 수반된다. 톱니바퀴형 유압 펌프에서 주로 치의 개수, 유입측과 유출측 간의 압력차, 및 국지적 동압력차에 좌우되는 전형적인 압력 맥동은 치의 반동(反動) 또는 진동을 초래할 수 있고, 나아가서는 원하지 않는 소음 발생과 펌프의 유출측에서 유입측으로의 불필요한 유체 역류를 모두 초래할 수 있다.
유럽 특허 제0 769 104 B1호로부터 공지되어 있는 앞서 언급한 바와 같은 전형적인 유압 장치에서는 과잉 압력용 절결부(제어 홈) 및 유체 공급용 절결부가 톱니바퀴의 양단부측에서 마련되며, 이들 절결부는 각각 경사 치의 간극을 따라 서로 오프셋되어 있다. 과잉 압력용 절결부는 2개의 톱니바퀴의 치 사이의 중간 공간과 영구적으로 연결된다. 이를 통해, 톱니바퀴의 회전 중에 작아지게 되는 중간 공간으로부터 유출측으로 유체가 빠져나갈 수 있게 되어 유입측으로 유체의 역류를 방지할 수 있다.
본 발명의 목적은 서로 맞물리는 톱니바퀴를 갖는 유압 장치를 원활한 작동 및 소음 발생과 관련하여 최적화하는 데에 있다.
상기한 문제점은 본 발명에 따라 제어 홈이 톱니바퀴의 회전 중에 주기적으로 압력 평형 연결을 생성하게 되는 앞서 언급한 형태의 유압 장치에 의해 해결된다. 제어 홈에 의해 생성되는 압력 평형 연결은 압력차 및 압력 맥동을 평형화할 수 있다. 그러나, 유압 장치의 기능을 더욱 보장하기 위해, 추가적인 유로는 원래부터 마련된 유압 장치의 유압 흐름에 너무 강하게 영향을 미쳐서는 안 되는데, 다시 말해 체적 유량의 손실이 적절히 억제되어야 한다. 따라서, 본 발명은 영구적인 압력 평형 연결을 제공하는 것이 아니라, 지속적인 바이패스 흐름을 피하도록 주기적으로 발생하는 압력 평형 연결을 제공한다. 제어 홈의 적절한 위치 및 구조로 인해, 충분히 양호한 체적 효율을 여전히 달성할 수 있게 된다.
압력 평형 연결의 주기적 생성을 위해 특히 유리한 가능성은 제어 홈이 경사 치들 중 하나의 치에 의해 완전히 덮힐 수 있는 구조에 의해 제공된다. 이러한 방식으로, 압력 평형 연결의 개방 및 폐쇄가 회전 속도에 따라 달성된다.
본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 제어 홈은 유출측과 연결되어, 유체 압력이 제어 홈과 연결된 특정 영역에서 상승될 수 있다.
이중 접촉이 이루어지는 외치 톱니바퀴형 유압 펌프의 경우, 톱니바퀴가 회 전하는 동안에 톱니바퀴들의 적어도 2개의 접촉점이 항시 존재하게 되면, 압력 평형 연결이 그것의 존재 동안에 초기에는 2개의 접촉점 사이에 위치하는 톱니바퀴 사이의 중간 공간에 이르게 되는 한편, 톱니바퀴가 계속 회전함에 따라 유입측에 연결되는 구성을 통해 특히 원활한 작동 거동이 이루어진다. 이러한 방식으로, 실질적으로 일정한 압력이 정해진 시간에 걸쳐 치 사이에 이루어질 수 있는 한편, 이중 접촉이 유지될 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 참조로서의 첨부 도면 및 후술되는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명에 따르면, 서로 맞물리는 톱니바퀴를 갖는 유압 장치가 원활히 작동함은 물론 소음 발생이 최적화된다.
도 1 및 도 2에는 하우징이 없는 상태의 톱니바퀴형 유압 펌프(10)를 도시하고 있다. 이 펌프(10)는 톱니바퀴(16, 18)가 회전할 수 없게 장착된 2개의 회전 가능한 샤프트(12, 14)를 포함한다. 톱니바퀴(16, 19)는 또한 각 샤프트(16, 19)와 일체형으로 구성될 수도 있다. 톱니바퀴(16, 18)는 회전축선(R)에 대해 서로 반대로 경사진 외치를 갖고 있다. 도시한 예시적인 실시 형태에 있어서, 이하에서 제1 톱니바퀴(16)로 칭하는 도 1의 좌측 톱니바퀴(16)의 경사 치는 좌선(左旋) 형태이며, 우측의 톱니바퀴(제2 톱니바퀴)의 경사 치는 우선(右旋) 형태이다. 치의 세트들에 있어서의 치(20)의 측면은 인볼류트 곡선을 형성한다.
2개의 샤프트(12, 14)는 베어링 지지부(22, 24)에 회전 가능하게 장착되며, 이들 베어링 지지부를 도 1에 도시한 펌프(10)의 설치 상태에 따라 각각 상부 베어링 지지부(22) 및 하부 베어링 지지부(24)로 칭한다. 제1 샤프트(12)는 아래쪽으로 연장하여 구동 장치(도시 생략)에 연결된다. 이 구동 장치는 제1 샤프트(12) 상에 장착된 제1 톱니바퀴(16)를 화살표 A 방향으로 구동한다. 제1 톱니바퀴(16)와 맞물리는 제2 톱니바퀴(18)는 반대 방향(화살표 B)으로 회전한다. 톱니바퀴(16, 18)의 그러한 회전은 공지의 방식으로 펌프(10)에서 유입측의 흡입 영역(26)에서부터 유출측의 압력 영역(28)으로 유체를 급송시킨다. 2개의 톱니바퀴(16, 18)의 치(20)의 기울기는 톱니바퀴(16, 18)가 각각 화살표 A 및 B 방향으로 회전할 때에 하부 베어링 지지부(24)를 향하는 치(20)의 단부(구동 장치측)가 치(20)의 상단부보다 앞서게 한다.
톱니바퀴(16, 18)가 회전하는 동안, 적어도 제1 톱니바퀴(16)의 적어도 2개의 치가 제2 톱니바퀴(18)의 2개의 치(20)와 항시 맞물리게 된다. 톱니바퀴(16, 18)의 맞물림 영역을 확대도로 도시하고 있는 도 3에는 대응하는 접촉점(30, 32)들이 표시되어 있다. 따라서, 회전 방향에 대해 선행하는 접촉점(30)과 그 뒤를 따르는 접촉점(32)이 항상 존재한다. 선행 접촉점(30)이 더 이상 존재하기 않게 되자마자, 그때까지 뒤를 따르던 접촉점(32)이 다음의 선행 접촉점 등으로 된다. 맞물리는 치(20)의 볼록한 부분은 2개의 접촉점(30, 32) 사이에 규칙적으로 협소 지점(34)을 형성한다. 이 협소 지점(34)은 톱니바퀴(16, 18) 사이에 2개의 접촉점(30, 32)에 의해 획정되는 일시적 중간 공간(36)을 2개의 부분 공간(38, 40)으로 분할한다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 2개의 절결부(42, 44)가 상부 베어링 지지부(22)는 물론 하부 베어링 지지부(24)에서 톱니바퀴(16, 18)를 향한 내측에 형성되어 있으며, 아래에서 이들 절결부를 각각 흡입측 절결부(42)와 압력측 절결부(44)로 칭한다. 흡입측 절결부(42)는 펌프(10)의 흡입 영역(26)과 연결되며, 압력측 절결부(44)는 펌프(10)의 압력 영역(28)과 연결된다. 치의 간극이 절결부(42, 44)[상부 베어링 지지부(22) 또는 하부 베어링 지지부(44)의 절결부] 중 하나에 의해 덮이는 지의 여부에 따라 유체가 간극의 내외로 흐를 수 있다.
본 발명에 따라 상부 베어링 지지부(22)에서 압력측 절결부(44)로부터 연장하게 마련된 제어 홈(46)은 이례적인 구성을 형성한다. 제어 홈(46)의 위치 및 치수는 도 3에 참조하여 후술하는 제어 홈(46)의 기능에 대한 설명에서 확인할 수 있는 바와 같이 서로 맞물리는 톱니바퀴(16, 18)의 기하학적 조건과 정확하게 부합한다.
도 3에서는 선행 접촉점(30)이 흡입측 절결부(42)의 경계에 위치하고 후행 접촉점(32)이 2개의 절결부(42, 44) 사이의 영역에 위치하고 있는, 톱니바퀴(16, 18)의 회전 순간을 도시하고 있다. 이 순간에, 제어 홈(46)은 후행 접촉점(32)에 인접하는 중간 공간(36)의 부분 공간(40)과 압력측 절결부(44) 사이의 흐름 연결을 제공한다. 이 제어 홈(46)은 압력 평형 연결을 제공하는 한편, 대체로 상부 베어링 지지부(22)에서부터 치(20)를 따라 하부 베어링 지지부(24)에 이르는 유체의 제어된 흐름을 가능하게 한다. 하부 베어링 지지부(24)에는 제어 홈 또는 이와 유사 한 것이 마련되지 않기 때문에, 그곳에서 어떠한 누설 흐름도 발생하지 않는다. 이러한 방식에 있어서, 일정한 압력이 중간 공간(36)에서 유지된다.
톱니바퀴(16, 18)가 더 회전하는 경우, 그때까지 선행하던 접촉점(30)은 사라져, 소정량의 유체가 중간 공간(36)에서부터 펌프(10)의 흡입 영역(42)에 바로 도달하게 된다. 게다가, 그 순간에, 펌프(10)의 압력 영역(28)과 흡입 영역(26) 사이에 흐름 연결이 존재한다[제어 홈(46), 제1 부분 공간(40), 협소 지점(34) 및 이제는 더 이상 폐쇄되어 있지 않은 제2 부분 공간(38)을 통해]. 실제로, 본 실시 형태에서 협소 지점(34)은 유체에 대해 트로틀과 같은 작용을 하며, 이러한 트로틀 작용은 톱니바퀴(20)의 유극에 좌우, 즉 톱니바퀴(16, 18)의 유극이 작을수록 트로틀 작용은 커지게 되는 데, 하지만 그 순간에 소정 형태의 "누설 회로(short circuit)"가 펌프(10)의 유입측과 유출측 사이에 존재하게 된다.
그러나, 첫째로, 그 후에 즉시 제어 홈(46)이 구동용 제1 톱니바퀴(16)의 치(20a)에 의해 완전히 덮이기 때문에 누설 회로는 지속적으로 존재하는 것이 아니라 단지 매우 짧은 시간 동안만 존재하며, 둘째로, 비교적 작은 구조를 갖는 제어 홈(46)에서는 단지 적은 양의 체적만을 처리할 수 있다. 따라서, 압력 평형 연결이 존재하게 되는 짧은 기간에, 한편으로는 협소 지점(34)의 양측에서 압력 평형을 발생시켜 제2 톱니바퀴(18)의 반동 또는 진동을 방지하지만, 다른 한편으로는 유입측으로의 유체 역류에 의해 펌프(10)의 효율을 위험할 정도로 손상시키지는 않을 정도의 양의 유체만을 제어 홈(46)을 통해 흐르게 한다.
전술한 공정은 톱니바퀴(16, 18)가 회전하는 동안에 주기적으로 반복되는 데, 다시 말해, 치의 세트에 있어서의 치의 개수 및 회전 속도에 의해 결정되는 주파수(frequency)로 주기적으로 제어 홈(46)에 의해 바이패스가 생성된다. 각각의 주기의 기간은 원주 방향에 있어서의 치의 간격 및 치의 폭에 좌우된다.
제어 홈(46)이 반드시 베어링 지지부(22, 24) 중 하나에 형성될 필요는 없다. 또한, 제1 톱니바퀴(16)의 각각의 치(20)의 단부측에 전술한 제어 홈(46)에 상응하는 크기 및 반경 방향 위치를 갖는 제어 홈을 마련할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태는 특히 다음의 변형 구성 중 하나 이상을 가질 수 있다.
구동용 제1 톱니바퀴(16)의 경사 치가 좌선 형태인 한편, 피동용 제2 톱니바퀴(18)의 경사 치가 우선 형태이다.
제어 홈(46)은 구동용 제1 톱니바퀴(16)측에 형성되는 것이 아니라, 피동용 제2 톱니바퀴(18)측에 형성되어 제2 톱니바퀴(18)의 하나의 치(20)에 의해 완전히 덮힐 수 있다.
제어 홈(46)은 상부 베어링 지지부(22)에 형성되는 것이 아니라, 하부 베어링 지지부(24)에 형성된다.
적어도 2개의 제어 홈(46)이 베어링 지지부(22, 24) 중 하나에 마련된다.
상부 베어링 지지부(22)에 적어도 하나의 제어 홈(46)이 마련되고, 하부 베어링 지지부(24)에 적어도 하나의 제어 홈(46)이 마련된다.
모든 경우에, 제어 홈(46)은 각각 압력측 절결부(44)로부터 각각 연장한다.
이하의 표는 본 발명의 가능한 실시 형태의 개략적 구성에 대해 제시한다. 도 1 내지 도 3에 도시한 실시 형태는 조합 2에 상응하는 것이다.
조합 구동용 톱니바퀴의 경사 치의 감김 방향 제어 홈의 개수 제어 홈을 덮는 치를 갖는 톱니바퀴 제어 홈의 위치 (베어링 지지부)
1 좌선 1 구동 하부
2 좌선 1 구동 상부
3 좌선 2 구동 하부
4 좌선 2 구동 상부
5 좌선 1 피동 하부
6 좌선 1 피동 상부
7 좌선 2 피동 하부
8 좌선 2 피동 상부
9 좌선 2 구동, 피동 하부, 상부
10 좌선 2 구동, 피동 하부, 상부
11 우선 1 구동 하부
12 우선 1 구동 상부
13 우선 2 구동 하부
14 우선 2 구동 상부
15 우선 1 피동 하부
16 우선 1 피동 상부
17 우선 2 피동 하부
18 우선 2 피동 상부
19 우선 2 구동, 피동 하부, 상부
20 우선 2 구동, 피동 하부, 상부
불필요한 누설을 피하기 위해, 제어 홈(46)의 위치 및 치수 모두가 매우 정확할 필요가 있기 때문에, 제어 홈(46)은 바람직하게는 레이저 비임 커팅에 의해 형성된다. 이러한 형태의 제조 방법은 신속하여 대량 생산에 적합하다. 또 다른 이점은 공구의 마모가 발생하지 않는다는 점이다. 마찬가지로 매우 정밀하게 구성된 베어링 지지부(22, 24)는 차후의 레이저 처리에 영향을 받지 않아, 그러한 작업 단계를 유압 장치의 제조 공정 중 최종 단계로서 "오프-라인(off-line)"으로 수행할 수 있다.
도 1은 하우징 없이 상부 베어링 지지부를 투시 상태로 도시한 톱니바퀴형 펌프의 사시도이며,
도 2는 도 1의 펌프의 평면도이고,
도 3은 펌프의 톱니바퀴의 맞물림 영역의 확대도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 펌프
16, 18 : 톱니바퀴
20 : 치
30, 32 : 접촉점
36 : 중간 공간
42, 44 : 절결부
46 : 제어 홈

Claims (11)

  1. 2개의 서로 맞물리는 톱니바퀴(16, 18)를 포함하며, 각각의 톱니바퀴(16, 18)는 경사진 외치(外齒)를 갖는 한편 유입측과 유출측 사이에 배치되고, 적어도 하나의 제어 홈(46)이 톱니바퀴(16, 18)의 단부측에 마련되는 유압 장치에 있어서,
    상기 제어 홈(46)은 톱니바퀴(16, 18)의 회전 중에 주기적으로 압력 평형 연결을 생성하는 것을 특징으로 하는 유압 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 홈(46)은 경사 치들 중 하나의 치(20)에 의해 완전히 덮힐 수 있는 것을 특징으로 하는 유압 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어 홈(46)은 유출측에 연결되는 것을 특징으로 하는 유압 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 톱니바퀴(16, 18)의 회전 중에, 톱니바퀴(16, 18)의 적어도 2개의 상호 접촉점(30, 32)이 항상 존재하며, 상기 압력 평형 연결은 그것의 존재 동안에 초기에는 2개의 접촉점(30, 32) 사이에 위치하는 톱니바퀴(16, 18) 사이의 중간 공간(36)에 이르게 되는 한편, 톱니바퀴(16, 18)가 계속 회전함에 따라 유입측에 연결되는 것을 특징으로 하는 유압 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 톱니바퀴 중 하나의 톱니바퀴(16)를 위한 구동 장치가 톱니바퀴(16, 18)의 단부측에 배치되며, 상기 제어 홈(46)이 구동 장치를 향한 쪽의 단부측에 마련되는 것을 특징으로 하는 유압 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 톱니바퀴 중 하나의 톱니바퀴(16)를 위한 구동 장치가 톱니바퀴(16, 18)의 단부측에 배치되며, 상기 제어 홈(46)은 구동 장치와는 반대쪽의 단부측에 마련되는 것을 특징으로 하는 유압 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제어 홈(46)은 베어링 부재(22, 24)에 형성되는 것을 특징으로 하는 유압 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어 홈(46)은 베어링 부재(22, 24)의 압력측 절결부(44)로부터 연장하는 것을 특징으로 하는 유압 장치.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 톱니바퀴(16)의 각 치(20)는 일단부측에 제어 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 유압 장치.
  10. 제1항에 있어서, 톱니바퀴(16, 18)의 양단부측에 제어 홈(46)이 마련되는 것을 특징으로 하는 유압 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제어 홈(46)은 레이저 비임 커팅에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 유압 장치.
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