KR20090111698A - 구배 영역을 구비한 다이나믹 가스 스프링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 스프링에 관한 것으로, 일단이 고정부에 피봇 고정되고, 타단이 도어에 피봇 고정되어 상기 도어의 개폐를 보조하는 가스 스프링으로서, 상기 고정부와 상기 도어 중 어느 하나에 피봇 고정되는 제1피봇 고정부가 일단에 형성되고, 외부로부터 밀봉된 내부에 대기압보다 높은 압력의 가스로 채워지며, 길이 방향을 따라 내경이 작아지는 구배 영역(Ⅱ)이 형성된 실린더와; 상기 구배 영역을 통과하도록 상기 실린더 내부에서 상기 실린더의 길이 방향을 따라 이동하는 피스톤과; 상기 피스톤으로부터 상기 실린더 외부로 뻗어있고, 상기 고정부와 상기 도어 중 또 다른 어느 하나에 피봇 고정되는 제2피봇 고정부가 그 끝단에 형성된 피스톤 로드를; 포함하여, 가스 스프링이 신장(伸張)되거나 압축(壓縮)되는 과정에서 점점 직경이 작아지는 구배 영역(Ⅱ)을 피스톤이 통과함으로써, 피스톤의 이동 속도가 완만히 감속됨에 따라 피스톤이 최종적으로 신장된 위치 또는 최종적으로 압축된 위치에 도달할 때 충격이나 진동을 완전히 배제시킬 수 있는 가스 스프링을 제공한다.

실린더, 구배 영역, 피스톤, 피스톤 로드

Description

구배 영역을 구비한 다이나믹 가스 스프링 {DYNAMIC GAS SPRING HAVING GRADIENT SECTION}

본 발명은 가스 스프링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 밀봉된 내부의 가스 에 의하여 피스톤의 전,후면에 작용하는 힘의 차이로 자동차나 각종 산업 기계의 도어 등을 개폐하는 것을 보조하는 가스 스프링에 관한 것으로, 특히 가스 스프링의 피스톤 로드가 외부로 인출되는 동안에 미리 정해진 속도로 신뢰성있게 인출되도록 함으로써 도어가 미리 정해진 원하는 속도로 안정적으로 개방되도록 하며, 피스톤 로드의 신장이 완료되는 시점에서 피스톤과 실린더 사이의 충격이나 진동을 효과적으로 억제할 수 있는 가스 스프링에 관한 것이다.

일반적으로, 가스 스프링은 밀폐된 실린더 내부에 봉입된 고압 가스의 압력에 의하여 피스톤이 어느 한쪽으로 이동하는 힘이 항상 작용하여, 피스톤이 피스톤 로드가 부착된 쪽으로 스스로 이동하여 신장되려고 하는 특징을 갖는 가스 스프링을 말한다.

보다 상세하게는, 실린더 내부의 피스톤은 고압 가스에 대하여 그 전,후면이 모두 동일한 압력이 가해지지만, 피스톤의 전면(피스톤 로드가 연결된 면)에는 피스톤의 후면(피스톤 로드가 연결되지 않은 면)에 비하여 피스톤 로드의 단면적만큼 작은 단면적에만 고압 가스의 압력이 작용하므로, 피스톤이 후방에서 전방으로 이동하려는 불균형력이 작용하게 된다. 즉, 이 불균형력이 피스톤과 실린더 사이 의 마찰력 및 피스톤에 관통 형성된 오리피스를 통과하는 유동 저항 등의 힘을 초과하면, 피스톤은 스스로 후방으로부터 전방으로 이동하게 되고, 이에 따라 가스 스프링은 스스로 그 전체 길이가 늘어나게 된다.

이와 같이, 가스 스프링은 실린더 내부의 압축 가스에 의한 압력차에 의하여 피스톤이 이동하는 구동 원리로 작동된다. 이 때, 가스 스프링의 길이가 작아지는 '압축 공정'은 피스톤의 전,후면의 압력차에 의한 불균형력 뿐만 아니라 피스톤과 실린더 사이의 마찰력도 극복해야 하므로, 가스 스프링의 길이가 길어지는 '신장 공정'에 비하여 보다 큰 힘이 요구된다. 도4는 가스 스프링의 스트로크에 따라 필요한 힘의 그래프이다. 도4에 도시된 바와 같이, 마찰력이 없는 이상적인 경우에는 가스 스프링의 스트로크를 압축하거나 신장하는 경우에 Ft-Fc로 표시된 힘을 필요로 하는 데 반하여, 실제 역학계에는 F3와 F1의 차이 또는 F4와 F2와의 차이에 해당하는 마찰력이 작용하므로, 피스톤(20)의 이동에 따른 실린더(11) 내부의 가스의 압축 상태의 변동을 무시한다면, 가스 스프링이 장착된 도어를 열기 위해서는 사용자가 도어를 개방하려고 하는 것에 의하여 가스 스프링에 F2로 표시된 힘이 작용해야 하며, 마찬가지로 가스 스프링이 장착된 도어를 닫기 위해서는 사용자가 도어를 닫으려고 하는 것에 의하여 가스 스프링에 F3으로 표시된 힘이 작용해야 한다.

이와 같은 원리에 의하여, 가스 스프링은 도어 등에 설치되어 도어를 열기 시작하는 작은 힘(F2)만으로도 도어가 열리게 할 수 있으며(스트로크가 증가할수록피스톤을 이동시키는데 필요한 힘은 점점 작아진다), 이에 따라 피스톤 전후면의 힘의 불균형력에 의하여 피스톤이 스스로 이동하는 메커니즘을 구현한다. 따라서, 가스 스프링은 행정 거리(stroke)를 크게 할 수 있고, 소형으로도 큰 하중을 얻을 수 있는 장점을 갖는다. 또한, 가스 스프링은 스스로 그 전체 길이가 늘어나려는 특성을 가지므로, 외부의 작은 충격 등에 의하여 가스 스프링이 압축되는 것에 의하여 가스 스프링이 설치된 도어가 의도하지 않게 닫히는 것을 방지할 수 있다. 무엇보다도 가스 스프링은 피스톤에 형성되는 오리피스의 크기나 형상 또는 실린더 내부에 주입되는 압축 가스의 압력을 조정하는 것에 의하여 가스 스프링이 신장되거나 압축되는 속도를 자유자재로 제어할 수 있는 잇점이 있다.

여기서, 오리피스는 피스톤을 관통하는 구멍으로 형성될 수도 있고, 피스톤의 외주면과 실린더의 내주면 사이의 틈새나 피스톤이나 실린더 내벽에 반경 방향으로 요입 형성된 홈으로 형성될 수도 있다.

이상에서 간단히 살펴본 바와 같이, 가스 스프링은 차량, 농기계(콤바인 탈곡실 커버, 트랙터 캐빈 커버), 중장비, 복사기, 항공기, 각종 기계, 가구, 건설 분야(배연창, 도어 닫이)에 적용되는 것으로서, 가스 스프링의 일단이 적용 대상의 고정부에 피봇 고정되고, 타단이 이 고정부를 개폐하는 도어에 피봇 고정되어 가스 스프링이 신축되는 것에 의하여 상기 도어의 개폐를 보조하는 역할을 한다.

예를 들어, 도1a 및 도1b에 도시된 자동차(1)의 후방(2)에 위치한 도어(3,4) 를 개폐하는 구성을 살펴보면, 가스 스프링(5,5')의 실린더(10)의 일단(10a)은 자동차의 본체(1)에 회동 가능하게 피봇 고정되고, 실린더(10)의 타단(30a)은 자동차의 후방 도어(3)에 회동 가능하게 피봇 고정된다. 도1b의 미설명 부호인 3a는 자동차 본체(1)에 대한 후방 도어(3)의 힌지(hinge)이다.

도2 내지 도10을 참조하여 종래의 가스 스프링(5,5')이 설치된 도어(3)를 사용자가 여는 과정은 다음과 같다. 즉, 사용자가 도어(3)를 잡아당겨 가스 스프링(5)에 작용하는 힘이 미리 정해진 힘(F2)보다 커지면, 가스 스프링(5,5')의 실린더(10) 내부의 압축 가스에 의한 불균형력에 의하여 피스톤(20)은 피스톤로드(30)가 연결된 방향으로 이동하고, 이에 따라 가스 스프링(5,5')의 길이가 신장된다. 이 때, 실린더 내부의 고압 가스는 피스톤(20)에 관통 형성된 오리피스(미도시)와 피스톤(20)과 실린더(11) 내벽 사이의 틈새(23b')를 통하여 피스톤의 타측에 위치한 챔버(B)로부터 피스톤의 일측에 위치한 챔버(C)로 유동하면서 피스톤(20)의 이동을 가능하게 하며, 이를 통해 가스 스프링(5,5')의 전체 길이가 신장되므로 도어(3)의 개방을 보조할 수 있게 된다.

그리고, 피스톤 로드(30)가 피스톤(20)에 연결된 상태가 변동되는 것이 아니므로, 피스톤이 실린더 내부에서 이동하는 전체 행정 거리에 걸쳐 일정한 불균형력이 피스톤(20)에 작용하게 된다. 따라서, 피스톤(20)의 이동 중에 감쇠력이 피스톤(20)에 작용하지 않는다면, 가스 스프링의 신장이 완료되는 위치에서 피스톤이 감속되지 않으므로, 도어(3)가 완전히 개방되는 순간에 실린더(10) 내부의 (가스 스프링이 완전히 신장되는 위치인) 타측 단부와 충돌하는 충격에 의하여 사용자에 게 불쾌감을 유발하는 충격이나 진동이 발생된다.

따라서, 이와 같은 충돌에 따른 불쾌감을 해소하기 위하여, 종래에는 도5에 도시된 실린더의 내벽에 행정 거리를 따라 홈(13)이 그 깊이를 달리하여 형성함에 따라 가스 감쇠력이 발생되도록 유도하는 가스 스프링이 제안되었다. 이에 대하여 도5 내지 도10을 참조하여 구체적으로 살펴보면, 종래의 가스 스프링(5)은 내부에 중공부를 구비한 실린더(10)와, 실린더(10) 내부를 왕복 이동하는 피스톤(20)과, 피스톤(20)으로부터 실린더(10)의 외부까지 연장 형성되어 피스톤(20)의 이동에 따라 가스 스프링의 길이가 신축(伸縮)되도록 하는 피스톤 로드(30)와, 피스톤 로드(30)의 이동에도 불구하고 실린더(10) 내부의 압축 가스가 외부로 누설되지 않도록 하면서 피스톤 로드(30)를 안내하도록 실린더(10)의 일단에 고정된 밀봉부(40)로 구성된다.

상기 실린더(10)는 외부와 밀봉된 내부에 질소 압축 가스와 약간의 윤활유가 채워지는 실린더 몸체(11)와, 실린더 몸체(11)가 회동 가능하게 고정되도록 실린더 몸체(11)의 일단에 고정되는 피봇 고정부(12)와, 실린더(11)의 내벽에 피스톤(20)의 행정 길이를 따라 홈(13)이 요입 형성된다. 피봇 고정부(12)는 도어나 개폐하고자 하는 자동차 등의 고정부 중 어느 하나에 회동 가능하게 피봇 고정된다.

상기 피스톤 로드(30)는 피스톤(20)으로부터 연장 형성된 로드 몸체(31)와, 피스톤 로드(30)가 회동 가능하게 고정되도록 로드 몸체(31)의 끝단 나사부(31b)에 고정되는 피봇 고정부(32)를 포함한다. 이 피봇 고정부(32)는 도어나 개폐하고자 하는 자동차 등의 고정부 중 어느 다른 하나에 회동 가능하게 피봇 고정된다.

상기 피스톤(20)은 피스톤 로드(30)의 끝단에 위치한 돌출부(31a)에 접촉하도록 피스톤 로드(30)를 관통하여 설치되는 피스톤 스토퍼(21)와, 피스톤 스토퍼(21)에 선단부(23a)가 접촉하도록 피스톤 로드(30)를 관통하여 설치되는 피스톤 본체(23)와, 피스톤 본체(23)의 선단부(23a) 외주부에 끼워져 피스톤(20)의 최외주면을 형성하는 피스톤링(22)과, 피스톤 본체(23)가 제위치에 고정되도록 피스톤 로드 본체(31)의 외주면에 내주면이 끼워지도록 조립되는 스토퍼(24)로 구성된다.

여기서, 피스톤링(22)은 그 내경이 피스톤 본체(23)의 기저부(23b)의 외경보다 작으면서 선단부(23a)의 외경보다 크게 형성되어 피스톤 본체(23)의 선단부(23a)의 외주면에 끼워진다. 이에 따라, 피스톤링(22)의 외주면은 피스톤(20)의 최외주면을 형성하여 실린더(10)의 내벽과 접촉하면서 이동한다. 이 때, 피스톤링(22)의 외주면과 실린더(10)의 내주면 사이에는 오일 등의 윤활제가 도포되어 개재(介在)된다.

그리고, 피스톤(20)은 그 전후면에 가스 압력이 작용하는 면적의 차이로 인한 불균형력에 의하여 피스톤로드(30)가 부착된 쪽으로 이동하게 되고, 이에 따라 실린더(10) 내부의 압축 가스는 피스톤링(22)의 외주면과 실린더(10)의 내벽 사이의 틈새와 피스톤 본체(23)의 기저부(23b)의 외주면에 형성된 홈(23b')들을 통해 타측 챔버(B)로부터 일측 챔버(C)로 유동하게 된다.

상기 밀봉부(40)는 실린더 몸체(11)의 타단에 고정되어 중앙부에 형성된 관통공을 통해 피스톤 로드(30)가 실린더(10)의 길이 방향으로 곧게 이동하는 것을 안내하는 로드 가이드(41)와, 실린더(10) 내부의 압축 가스가 외부로 누설되지 않 도록 이중으로 설치된 씰링 부재(42,43)와, 씰링 부재(42,43)가 제 위치에 위치하도록 실린더 몸체(11)에 내측으로 돌출된 돌기(11d)와 맞물리고 씰링 부재(43)와 접촉하여 설치되는 씰링 부재 스토퍼(44)를 구비한다.

이와 같이 구성된 종래의 가스 스프링(5)은 도9 및 도10에 도시된 바와 같이, 실린더 몸체(11)의 내벽에는 길이 방향을 따라 홈(13)이 요입 형성되고, 이에 의하여 피스톤(20)의 이동 속도가 제어된다. 즉, 가스 스프링(5)이 신장되기 시작하는 압축 위치(도7)로부터 일정 구간까지는 도9에 도시된 바와 같이 실린더 몸체(11)의 내벽에는 깊은 깊이(h1)의 홈(13)이 형성되지만, 가스 스프링(5)이 완전히 신장되기 이전(예를 들어 50mm 내지 80mm, 도8)부터는 홈의 깊이를 낮게(h2) 형성하여 피스톤(20)의 전후면에 대하여 불균형력이 일정함에도 불구하고 가스 댐핑력에 의하여 피스톤(20)의 이동 속도가 감속되도록 한다.

그러나, 이와 같이 실린더 몸체(11)의 내벽에 홈(13)을 형성하는 것은 파이프 재료 내부에 바이트를 삽입하여 일정한 힘을 가하면서 실린더 몸체(11)를 이동시키는 것에 의하여 이루어지는 데, 바이트의 마모 정도나 파이프 재료의 특성 등에 따라 실린더 몸체(11)의 내벽에 형성되는 홈(13)의 깊이가 서로 달라지며, 이에 의하여 대량을 제작된 실린더(10)마다 피스톤의 감속도가 각기 다르게 되는 문제점이 발생되었다. 무엇보다도, 매우 작은 홈(13)이 형성됨에 따른 단면적의 증가에 기초하여 피스톤(20)의 이동 속도를 감속시키는 방법은 실린더 내벽의 홈(13)의 깊이를 정교하게 조절하면서 형성하는 것이 매우 까다롭기 때문에 감속도를 일정 범위 내로 제어하기에는 한계가 있었다. 이에 따라, 위에서 설명한 종래의 가스 스프 링은 도어의 개폐 속도를 정교하게 조절하고자 하는 적용 분야에는 적용하기 곤란한 문제점이 있었다.

또한, 실린더 몸체(11)의 내벽에 홈(13)은 바이트를 가압한 상태로 실린더 몸체(11)를 이동시키는 것에 의하여 형성되므로, 홈(13)의 양측에는 두렁(ridge)이 돌출 형성되므로 내벽 표면이 전체적으로 매끄럽지 않은 상태가 된다. 이에 따라, 실린더 내벽과 접촉하면서 이동하는 피스톤링(22) 등에 물리적 손상이 발생됨에 따라 가스 스프링의 내구 신뢰성을 확보할 수 없는 근본적인 문제점도 아울러 갖고 있었다.

아울러, 실린더 몸체(11)의 내벽에 홈(13)을 형성하는 과정에서 실린더의 직경이 변경되면 이에 따라 지그의 제작을 새롭게 해야할 뿐만 아니라, 실린더의 길이가 매우 긴 형태에는 홈(13)을 형성하지 못하게 되는 문제점도 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 자동차나 각종 기계의 도어를 개폐하는 데 사용되는 가스 스프링으로서, 가스 스프링의 실린더 내부에 밀봉된 가스의 유동에 의한 반력에 의하여 피스톤이 완전히 신장된 상태로 이동하는 중에 발생되는 진동이나 충격을 효과적으로 제거하는 가스 스프링을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 가스 스프링이 신장되는 방향으로 피스톤이 이 동하는 중에 속도를 부드럽게 줄일 수 있으면서 피스톤이나 피스톤링의 손상을 방지하여 신뢰성있는 내구 수명을 보장할 수 있는 가스 스프링을 제공하는 것이다.

그리고, 본 발명은 가스 스프링이 신장되는 방향으로 피스톤이 이동하는 중에 속도를 부드럽게 줄이는 실린더를 대량 생산하더라도 불균일한 산포를 갖지 않고 일률적으로 동일한 형상으로 제작하며, 보다 저렴하고 간단하게 제작할 수 있도록 하는 것을 다른 목적으로 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 가스 스프링에 관한 것으로, 일단이 고정부에 피봇 고정되고, 타단이 도어에 피봇 고정되어 상기 도어의 개폐를 보조하는 가스 스프링으로서, 상기 고정부와 상기 도어 중 어느 하나에 피봇 고정되는 제1피봇 고정부가 일단에 형성되고, 외부로부터 밀봉된 내부에 대기압보다 높은 압력의 가스로 채워지며, 길이 방향을 따라 내경이 작아지는 구배 영역(Ⅱ)이 형성된 실린더와; 상기 구배 영역을 통과하도록 상기 실린더 내부에서 상기 실린더의 길이 방향을 따라 이동하는 피스톤과; 상기 피스톤으로부터 상기 실린더 외부로 뻗어있고, 상기 고정부와 상기 도어 중 또 다른 어느 하나에 피봇 고정되는 제2피봇 고정부가 그 끝단에 형성된 피스톤 로드를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가스 스프링을 제공한다.

이를 통해, 가스 스프링의 실린더 내부의 피스톤의 전면과 후면에 작용하는 힘의 차이에 의한 불균형력에 의하여 가스 스프링이 신장되거나 그 반대로 압축되 는 과정에서, 내부 단면적이 점점 작아지는 구배 영역(Ⅱ)을 피스톤이 통과하는 동안에, 가스의 이동 통로가 점점 작아짐에 따라 피스톤의 이동 속도를 서서히 감속하는 것에 의하여, 피스톤이 최종적으로 신장된 위치에 도달할 때에 피스톤과 실린더의 타측단이 접촉하는 순간에 발생하던 충격이나 진동을 완전히 제거할 수 있게 된다.

특히, 실린더의 내벽에 깊이가 조절되는 홈을 형성하는 종래의 방법은 실린더의 내벽에 바이트를 삽입시킨 상태에서 일정한 압력을 가하면서 홈을 형성하므로, 바이트의 마모 정도나 기계의 노후화되는 정도에 따라 홈의 깊이와 홈의 깊이가 변화하는 위치가 일정하지 않게 되고, 이에 따라, 대량으로 제작되는 실린더마다 각기 다른 감속 특성을 구현하게 되는 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명에 따른 가스 스프링은 내경이 작아지는 구배 영역(Ⅱ)에 의하여 피스톤의 이동 속도를 점진적으로 감속시키도록 구성되므로, 직경이 작아지는 구배 영역(Ⅱ)의 형상에 부합하는 지그를 제작하고 이 지그에 재료인 파이프(예컨대, 두께가 일정한 원형 파이프)를 가압하는 것에 의하여 제작될 수 있으므로, 대량으로 제작되더라도 구배 영역(Ⅱ) 및 그 이외의 영역(Ⅰ, Ⅲ)의 직경과 그 변곡점들의 위치가 모두 획일적인 형상으로 제작되므로, 대량으로 제작되는 실린더에 대하여 모두 신뢰성있게 동일한 감속 특성을 구현할 수 있게 되는 유리한 효과를 얻는다.

또한, 종래의 홈의 깊이에 따라 피스톤의 속도를 조절하는 방법에 비하여 보다 정교하게 내부 단면이 변화하는 형상을 구현할 수 있으므로, 가스 스프링의 적용 분야에 따라 적합한 가감속도를 갖도록 제어되는 가스 스프링을 제작하는 것이 가능해진다.

이 뿐만 아니라, 실린더의 내벽에 형성되는 홈은 그 폭과 깊이가 제한적일 수 밖에 없으므로 홈의 깊이가 변화하더라도 구현할 수 있는 감속의 정도가 크게 제한적일 수 밖에 없었으나, 본 발명에 따른 실린더는 내부 단면적의 변화가 내경이 감소하는 것에 의하여 이루어지므로 보다 넓은 범위에 대하여 감속의 정도(감속되기 이전의 속도와 최종 감속된 속도와의 차이)를 크게 조절할 수도 있고, 가감속도(감속되는 속도의 변화율)도 보다 넓은 범위에 대하여 정교하게 제어할 수 있는 장점을 갖게 된다.

이와 같은 구배 영역(Ⅱ)은 신장이 완료되는 위치로 상기 피스톤이 접근할 수록 내부 단면적이 작아지게 형성된다. 이를 통해, 가스 스프링이 신장이 완료되는 시점에서 피스톤이 실린더의 끝단과 빠른 속도로 충돌하는 것에 의하여 발생되는 충격이나 소음을 방지할 수 있다. 이 때, 상기 구배 영역(Ⅱ)은 연속하거나 서로 이격되게 배열된 복수개로 형성되어, 피스톤의 이동 속도를 단계적으로 서서히 감속시키는 것도 가능해진다.

그리고, 가스 스프링의 신장이 시작되는 지점으로부터 상기 구배 영역에 이르는 영역(I)의 상기 실린더의 내부 단면적은 일정하게 형성된다. 이를 통해, 실린더 내부의 압축 가스에 의하여 피스톤은 구배 영역에 이르기 이전까지 빠른 속도로 이동하여 도어를 개폐하는 시간을 최대한으로 단축시킬 수 있게 된다. 그리고, 상기 가스 스프링의 신장이 완료되는 지점으로부터 상기 구배 영역에 이르는 영역 (Ⅲ)도 역시 상기 실린더의 내부 단면적은 일정하게 형성될 수도 있다. 이에 의하여, 구배 영역(Ⅱ)을 통과하여 신장이 완료되는 시점에서 진동이나 충격이 발생하지 않을 정도로 충분히 감속된 피스톤의 이동 속도를 그대로 유지시키고, 동시에, 범용적으로 사용되는 씰링 부재와 피스톤 로드 등을 내부 단면적이 일정한 영역(Ⅲ)에 설치하는 것이 용이해진다.

한편, 상기 가스 스프링의 신장이 완료되는 지점으로부터 상기 구배 영역이 시작되는 위치까지의 거리(영역 Ⅲ의 길이)는 가급적 짧은 것이 바람직하다. 이는, 상기 가스 스프링의 신장이 완료되는 지점으로부터 상기 구배 영역이 시작되는 위치까지의 거리가 길게되면, 구배 영역(Ⅱ)을 통과하여 이미 충분히 낮은 속도로 감속된 피스톤이 신장이 완료될때까지 이동해야 하는 길이가 너무 길어 도어의 개방 시간이 오래 소요되기 때문이다. 따라서, 상기 가스 스프링의 신장이 완료되는 지점으로부터 상기 구배 영역이 시작되는 위치까지의 거리는 피스톤 로드 가이드, 씰링 부재 등이 설치되는 데 필요한 길이로 형성되면 충분하다. 다만, 구배 영역(Ⅱ)에 설치할 수 있는 적합한 씰링 부재 등이 확보된다면, 가스 스프링의 신장이 완료되는 지점으로부터 상기 구배 영역이 시작되는 위치까지의 거리는 확보하지 않더라도 무방하다.

상기 구배 영역(Ⅱ)은 압축이 완료되는 위치로 상기 피스톤이 접근할 수록 내부 단면적이 작아지는 구배 영역을 포함할 수도 있다. 이에 의하여, 신장이 완료되는 위치에 피스톤이 도달했을 때 뿐만 아니라, 압축이 완료되는 위치에 피스톤이 도달했을 때에도 피스톤이 실린더의 끝단에 빠른 속도로 충돌하는 것에 의하여 발 생되는 충격이나 소음을 제거할 수 있다.

마찬가지로, 이와 같은 구배 영역(Ⅱ)은 압축이 완료되는 위치로 상기 피스톤이 접근할 수록 내부 단면적이 작아지게 형성될 수도 있다. 이를 통해, 가스 스프링이 압축이 완료되는 시점에서 피스톤이 실린더의 끝단과 빠른 속도로 충돌하는 것에 의하여 발생되는 충격이나 소음을 방지할 수 있다. 이 때, 상기 구배 영역(Ⅱ)은 연속하거나 서로 이격되게 배열된 복수개로 형성되어, 피스톤의 이동 속도를 단계적으로 서서히 감속시키는 것도 가능해진다. 이와 같이, 압축이 완료되는 위치로 피스톤이 접근할 수록 내부 단면적이 작아지는 구배 영역은 가스 스프링이 장착된 도어를 하방으로 잡아당겨 여는 경우에 특히 유용하게 활용될 수 있다.

본 발명은 실린더의 내부 단면적이 변화하는 구배 영역(Ⅱ)을 구비하고 있음에도 불구하고 실린더 내부의 압축 가스에 의하여 피스톤이 원활하게 이동하도록 하기 위하여 피스톤과 실린더의 내벽이 항상 접촉한 상태로 유지될 필요가 있다. 이를 위하여, 원주 방향의 어느 한 위치에서 절개되어 오무려지거나 벌려지는 것에 의하여 그 직경이 변화하는 피스톤링이 피스톤에 설치된다. 이를 통해, 내경이 변화하는 구배 영역(Ⅱ)을 피스톤이 통과하는 중이더라도 실린더의 내벽과 피스톤링의 외주면의 접촉 상태를 유지하여, 이에 따라 제어된 통로를 통해서만 압축 가스의 유동이 이루어지므로 피스톤이 원하는 속도로 제어되어 원활히 이동하는 것이 가능해진다. 다만, 오무려지거나 벌려지는 피스톤링이 사용되지 않는 경우에는 제 어된 통로 이외에도 압축 가스가 일측 챔버로부터 타측 챔버로 한꺼번에 이동하게 되는 문제를 감수하더라도, 구배 영역의 최소 직경에 해당하는 크기의 피스톤링으로 대체되어 사용될 수도 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 가스 스프링에 관한 것으로, 일단이 고정부에 피봇 고정되고, 타단이 도어에 피봇 고정되어 상기 도어의 개폐를 보조하는 가스 스프링으로서, 상기 고정부와 상기 도어 중 어느 하나에 피봇 고정되는 제1피봇 고정부가 일단에 형성되고, 외부로부터 밀봉된 내부에 대기압보다 높은 압력의 가스로 채워지며, 길이 방향을 따라 내경이 작아지는 구배 영역(Ⅱ)이 형성된 실린더와; 상기 구배 영역을 통과하도록 상기 실린더 내부에서 상기 실린더의 길이 방향을 따라 이동하는 피스톤과; 상기 피스톤으로부터 상기 실린더 외부로 뻗어있고, 상기 고정부와 상기 도어 중 또 다른 어느 하나에 피봇 고정되는 제2피봇 고정부가 그 끝단에 형성된 피스톤 로드를; 포함하여, 가스 스프링이 신장(伸張)되거나 압축(壓縮)되는 과정에서 점점 직경이 작아지는 구배 영역(Ⅱ)을 피스톤이 통과함으로써, 피스톤의 이동 속도가 완만히 감속됨에 따라 피스톤이 최종적으로 신장된 위치 또는 최종적으로 압축된 위치에 도달할 때 충격이나 진동을 완전히 배제시킬 수 있는 가스 스프링을 제공한다.

또한, 본 발명은 쉽게 구할 수 있는 파이프 재료를 이용하여 대량으로 제작하더라도 구배 영역(Ⅱ) 및 그 이외의 영역(Ⅰ, Ⅲ)의 직경과 그 변곡점들의 위치 가 모두 획일적인 형상으로 제어된 상태로 제작되는 것이 가능해지므로, 대량으로 제작되는 다수의 가스 스프링이 모두 동일한 동특성(動特性)을 구현할 수 있는 가스 스프링을 제공한다.

그리고, 본 발명은 내부 직경이 정교하게 작아지는 형상으로도 제작하는 것이 용이하므로, 다양한 적용 분야에 부합하는 가감속도 특성을 갖는 가스 스프링을 자유 자재로 제작할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 원주 방향의 어느 한 위치에서 절개되어 오무려지거나 벌려지는 것에 의하여 그 직경이 가변되는 피스톤링이 피스톤에 구비됨에 따라, 내부 직경이 작아지는 구배 영역(Ⅱ)을 피스톤이 통과하는 중에도 실린더의 내벽과 피스톤링의 외주면의 접촉 상태가 지속적으로 유지되어, 압축 가스에 의하여 피스톤을 이동시키는 작용이 원활히 이루어질 수 있도록 하는 가스 스프링을 제공한다.

그리고, 본 발명은 실린더의 내벽에 홈이 형성되지 않고 매끄러운 내벽면이 형성되므로 슬라이딩되는 피스톤 및 피스톤링에 영향을 주지 않아 내구 신뢰성이 저하되는 문제점이 근본적으로 해결되는 가스 스프링을 제공한다.

또한, 본 발명은 실린더 몸체의 내벽에 홈을 형성할 필요가 없으므로 실린더의 길이가 매우 긴 형태에 대해서도 제작에 어려움이 없으며, 실린더의 직경이 변경되는 것에 대하여 대처하는 것이 용이한 장점을 갖는다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 가스스프링이 신장되는 경우에 내경이 점차적으 로 작아지는 구배영역을 하나만 구비한 본 발명의 최선의 실시예에 따른 가스 스프링을 상술한다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해서는 동일하거나 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도11은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 스프링의 외관을 도시한 도면, 도12는 도11의 가스 스프링의 실린더를 도시한 사시도, 도13은 도11의 가스 스프링의 구배 부분을 확대한 절개 사시도, 도14는 도13의 피스톤을 형성하는 피스톤링을 도시한 사시도, 도15는 도14의 피스톤링의 오무린 상태를 도시한 정면도, 도16은 도14의 피스톤링의 벌려진 상태를 도시한 정면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 스프링(100)은 내부에 중공부(111c)를 구비한 실린더(110)와, 실린더(110) 내부를 왕복 이동하는 피스톤(120)과, 피스톤(120)으로부터 실린더(110)의 외부까지 연장 형성되어 피스톤(120)의 이동에 따라 가스 스프링의 길이가 신축(伸縮)되도록 하는 피스톤 로드(130)와, 피스톤 로드(130)의 이동에도 불구하고 실린더(110) 내부의 압축된 질소 가스가 외부로 누설되지 않도록 하면서 피스톤 로드(130)를 안내하도록 실린더(110)의 일단에 고정된 밀봉부(140)로 구성된다.

상기 실린더(110)는 원형 파이프를 재료로 하여 그 내부에 최종적인 내주면 형상에 부합하는 지그를 삽입하여 외부로부터 가압하여 그 형상이 제작되는 실린더 몸체(111)와, 실린더 몸체(111)의 일단에 고정되는 제1피봇 고정부(112)를 구비한 다.

도면 중 미설명 부호인 111b는 실린더 몸체(111)의 끝단에 위치하는 로드 가이드(141)과 맞물려 밀봉되도록 형성된 절곡부이다.

여기서, 제1피봇 고정부(112)는 실린더 몸체(111)의 일단에 끼워진 상태에서 용접되는 것에 의하여 이들(111,112) 접합부에서의 밀봉성이 보장된다. 그리고, 제1피봇고정부(112)는 도어나 개폐하고자 하는 자동차 등의 본체 고정부 중 어느 하나에 회동 가능하게 피봇 고정된다.

그리고, 도12 및 도13에 도시된 바와 같이 실린더 몸체(111)는 가스 스프링(100)의 신장 시작점으로부터 일정 거리에 걸쳐 그 내부 단면적이 일정하게 형성된 제1영역(Ⅰ)과, 가스 스프링(100)이 신장되도록 피스톤(120)이 이동하는 방향을 따라 내경이 도면부호 D1으로부터 D2로 서서히 작아지는 구배가 형성된 구배 영역(Ⅱ)과, 밀봉부(140)가 설치되도록 내부 단면적이 일정하게 형성된 제2영역(Ⅲ)으로 나뉘어진다. 도12 및 도13에는 구배 영역(Ⅱ)이 매우 짧아 내경이 급하게 작아지도록 변화하는 것처럼 도시되어 있지만, 이는 지면의 제약으로 이와 같이 도시된 것이며, 적용 대상에 따라 구배 영역(Ⅱ)은 도시된 것보다 훨씬 길고 완만한 경사도로 변화하도록 형성될 수 있다.

상기 피스톤 로드(130)는 피스톤(120)으로부터 연장 형성된 로드 몸체(131)와, 피스톤 로드(130)가 회동 가능하게 고정되도록 로드 몸체(131)의 끝단에 고정되는 제2피봇 고정부(132)를 포함한다. 제2피봇 고정부(132)는 도어나 개폐하고자 하는 자동차 등의 본체 고정부 중 어느 다른 하나에 회동 가능하게 피봇 고정된다.

상기 피스톤(120)은 피스톤 로드(130)의 끝단에 위치한 돌출부(미도시)에 접촉하도록 피스톤 로드(130)를 관통하여 설치되는 피스톤 스토퍼(121)와, 피스톤 스토퍼(121)에 선단면이 접촉하도록 피스톤 로드(130)를 관통하여 설치되는 피스톤 본체(123)와, 피스톤 본체(123)의 선단부을 둘러싸도록 끼워져 피스톤(120)의 최외주면을 형성하는 피스톤링(122)과, 피스톤 본체(123)가 제위치에 고정되도록 피스톤 로드 몸체(131)에 끼워지는 스토퍼(24)로 구성된다.

여기서, 피스톤 본체(123)는 도3에 도시된 종래의 피스톤 본체(23)와 그 형상이 동일하게 형성된다. 다만, 본 발명의 변형된 다른 실시예에서는 도3의 피스톤 본체(23)와 다른 형태로 형성될 수 있다는 것도 자명하다.

도14에 도시된 바와 같이 피스톤링(122)은 원주 방향의 어느 한 위치에서 절개되어 서로 맞물리는 절개부(122a)를 구비하고 탄성을 갖는 재질로 형성된다. 이에 따라, 도16에 도시된 바와 같이 절개부(122a)가 α만큼 벌려져 직경이 커지는 방향으로 복원되는 탄성을 갖는다. 그리고, 도15에 도시된 바와 같이 피스톤링(122)은 오므라져 직경이 작아지도록 변화하는 것도 가능하다. 따라서, 피스톤(120)이 실린더(110)의 내부 단면적이 변화하는 구배 영역(Ⅱ)을 통과하는 동안에도, 피스톤링(122)의 외주면은 상기 실린더의 내벽과 외주면이 지속적으로 접촉하게 되고, 이를 통해, 압축 가스가 제어된 통로를 통해서만 실린더(111)의 일측으로부터 타측으로 이동하는 유동이 이루어지므로, 피스톤이 원활히 이동하는 것이 가능해진다.

여기서, 피스톤링(122)의 외주면과 실린더(10)의 내주면 사이에는 접촉면의 마찰을 최소화하고 피스톤링(122)의 손상을 방지하기 위하여 오일 등의 윤활제가 도포되며, 피스톤링(122)은 윤활성이 좋은 테프론 재질로 형성되거나, 그 표면이 테프론 재질로 코팅된다.

이 때, 피스톤(120)의 후면에 작용하는 힘(이는, 압축가스의 압력과 피스톤의 후면의 면적을 곱한 값에 해당한다)이 피스톤의 전면에 작용하는 힘(이는, 압축 가스의 압력과 피스톤의 전면의 면적을 곱한 값에 해당한다)보다 크게 되는 불균형력이 압축 가스에 의하여 피스톤에 작용하고, 이 불균형력에 의하여 피스톤(120)은 피스톤 로드(130)가 부착된 방향으로 이동하게 된다. 이와 동시에, 실린더(110) 내부의 압축 가스는 피스톤을 중심으로 일측 챔버로부터 타측 챔버로 도면부호 88로 표시된 경로를 따라 유동한다.

이와 같은 원리로 이동하는 피스톤(120)은 내부 단면적이 줄어드는 구배 영역(Ⅱ)을 통과하면서, 압축 가스의 감쇠력이 점점 커지므로 피스톤(120)의 이동 속도는 서서히 부드럽고 완만하게 감속된다. 따라서, 본 실시예에서는 구배가 일정한 것을 예시로 설명하였으나, 가스 스프링이 적용되는 용도에 따라 일정한 기울기로 형성되지 않고 기울기의 정도가 가변되는 구배로 형성될 수도 있다.

상기 밀봉부(140)는 실린더 몸체(111)의 타단에 고정되어 중앙부에 형성된 관통공을 통해 피스톤 로드(130)가 실린더(110)의 길이 방향으로 곧게 이동하는 것을 안내하는 로드 가이드(141)와, 실린더(110) 내부의 압축 가스가 외부로 누설되지 않도록 이중으로 설치된 씰링 부재(142,143)와, 씰링 부재(142,143)가 제 위치에 위치하도록 실린더 몸체(111)에 내측으로 돌출된 돌기(111d)와 맞물리고 씰링 부재(143)와 접촉하며 설치되는 씰링 부재 스토퍼(144)를 구비한다. 이 때, 씰링 부재(142,143)는 반드시 이중으로 형성될 필요는 없으며 필요에 따라 하나로 형성될 수도 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 스프링의 작용 원리를 상술한다.

가스 스프링(100)이 압축된 상태로부터 신장되는 과정을 살펴보면, 피스톤(120)의 전후면에 작용하는 힘의 차이에 의한 불균형력이 피스톤(120)의 주변의 마찰력을 극복하면, 피스톤(120)은 제1영역의 끝단(압축이 완료되는 위치)부터 이동하게 된다. 이와 동시에, 실린더(110)의 내부에 압축된 질소 가스는 피스톤 몸체(123)의 외주면에 형성된 홈 및 피스톤링(122)의 외주면과 실린더(110)의 내벽 사이의 틈새를 통해 (도13의 좌측에 위치한) 일측 챔버로부터 (도13의 우측에 위치한) 타측 챔버로 도면 부호 88로 표시된 유동 경로로 이동한다. 여기서, '챔버'라는 용어는 피스톤(120)을 경계로 하여 구획된 공간을 지칭하는 것으로, 피스톤(120)의 이동에 의하여 챔버의 경계는 가변된다.

실린더(110)의 내부 일측에는 대기 보다 압력이 높은 압축 가스가 채워져 있으므로, 피스톤(120)의 전,후면에 작용하는 힘의 차이인 불균형력에 의하여 이동하는 피스톤(120)은 (도13을 기준으로 좌측으로) 지속적으로 이동하려는 힘이 작용하게 된다. 이 때, 피스톤(10)이 내부 단면적이 서서히 작아지는 구배 영역(Ⅱ)을 통과하는 과정에서, 피스톤(120)은 (도13의 좌측으로) 진행하는 단면적이 서서히 줄어듦에 따라 보다 큰 압력의 저항을 받게 되고 이에 따라 피스톤(120)에는 점차적 인 감쇠력이 작용하게 되어, 피스톤(120)의 이동 속도는 서서히 부드럽게 감속된다. 피스톤(120)이 구배 영역(Ⅱ)을 통과한 상태에서의 최종 속도는 제2영역(Ⅲ)의 최종 신장 지점에 도달하는 속도에 부합하는 낮은 속도가 되도록 구배 영역(Ⅱ)의 형상과 길이가 정해진다.

이 때, 피스톤링(122)은 절개부(122a)를 구비함에 따라 구배 영역(Ⅱ)과 제2영역(Ⅲ)을 통과하더라도 스스로 오무라들기 때문에, 실린더(110) 내부의 압축 가스는 미리 정해진 통로로만 일측으로부터 타측으로 이동하므로, 갑작스레 압축 가스가 이동하는 것에 의하여 피스톤(120)의 이동 속도가 급격히 감속하는 등의 문제점을 야기하지 않는다.

제2영역(Ⅲ)은 범용적으로 사용되는 씰링 부재(142,143) 등과 씰링 부재 스토퍼(144)등을 사용하여 설치할 수 있도록 내부 단면적이 일정하게 형성된 것이다. 따라서, 제2영역(Ⅲ)은 가급적 짧은 길이로 형성되며, 제2영역(Ⅲ)을 통과하는 과정에서는 마찰력에 의해 다소 감속이 될 뿐이며 피스톤(120)의 의도적인 감속은 발생되지 않는다. 그러나, 구배 영역(Ⅱ)을 통과하는 과정에서 피스톤(120)이 이미 최종적인 낮은 속도로 감속되었으므로, 제2영역(Ⅲ)을 통과한 피스톤(120)이 씰링 부재 스토퍼(144)와 접촉하는 순간에 발생되는 충격이나 진동을 완전히 제거할 수 있게 된다.

한편, 실린더(110)의 내주면은 직경이 작아지는 구배 영역(Ⅱ)만 구비할 뿐 홈의 형성에 의해 발생되는 두렁과 같은 요철면이 근본적으로 배제된 매끄러운 표면으로만 형성되므로, 피스톤(120)을 형성하는 피스톤링(122) 등의 부품이 손상되 는 등의 문제점이 발생되지 않으며, 실린더(110)의 구배 영역(Ⅱ)이 시작되는 지점이나 그 경사 구배 등의 세부 형상을 원하는대로 제작하는 것이 종래보다 용이해지고, 나아가, 대량으로 실린더(110)를 제작하더라도 이들 각각의 형상이 모두 획일적인 형상이어서 다량의 실린더가 모두 일정한 동특성을 구현할 수 있도록 하는 잇점도 얻게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구 범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

도1a는 차량의 백도어의 개방 상태를 도시한 사시도

도1b는 도1a의 백도어에 장착된 가스 스프링의 작용을 도시한 측면도

도2는 도1b의 백도어에 장착되는 종래의 가스 스프링의 외관을 도시한 도면

도3은 도2의 가스 스프링의 피스톤과 밀봉부의 분해 사시도

도4는 가스 스프링의 스트로크에 따라 필요한 힘의 그래프

도5는 도3의 가스 스프링의 실린더를 도시한 사시도

도6은 도3의 가스 스프링의 신장(伸張) 상태의 측단면도

도7은 도3의 가스 스프링의 압축된 상태의 측단면도

도8은 도3의 가스 스프링의 신장/압축되고 있는 상태의 측단면도

도9는 도5의 절단선 Ⅸ-Ⅸ에 따른 단면도

도10은 도5의 절단선 Ⅹ-Ⅹ에 따른 단면도

도11은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 스프링의 외관을 도시한 도면

도12는 도11의 가스 스프링의 실린더를 도시한 사시도

도13은 도11의 가스 스프링의 구배 부분을 확대한 절개 사시도

도14는 도13의 피스톤을 형성하는 피스톤링을 도시한 사시도

도15는 도14의 피스톤링의 오무린 상태를 도시한 정면도

도16은 도14의 피스톤링의 벌려진 상태를 도시한 정면도

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

100: 가스 스프링 110: 실린더

120: 피스톤 122: 피스톤링

130: 피스톤 로드 140: 밀봉부

I: 제1영역 II: 구배 영역

III: 제2영역

Claims (8)

1. 일단이 고정부에 피봇 고정되고, 타단이 도어에 피봇 고정되어 상기 도어의 개폐를 보조하는 가스 스프링으로서,

   상기 고정부와 상기 도어 중 어느 하나에 피봇 고정되는 제1피봇 고정부가 일단에 형성되고, 외부로부터 밀봉된 내부에 대기압보다 높은 압력의 가스로 채워지며, 길이 방향을 따라 내경이 작아지는 구배 영역(Ⅱ)이 형성된 실린더와;

   상기 구배 영역을 통과하도록 상기 실린더 내부에서 상기 실린더의 길이 방향을 따라 이동하는 피스톤과;

   상기 피스톤으로부터 상기 실린더 외부로 뻗어있고, 상기 고정부와 상기 도어 중 또 다른 어느 하나에 피봇 고정되는 제2피봇 고정부가 그 끝단에 형성된 피스톤 로드를;

   포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 구배 영역(Ⅱ)은 신장이 완료되는 위치로 상기 피스톤이 접근할 수록 내부 단면적이 작아지는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 구배 영역(Ⅱ)은 복수개가 형성된 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 구배 영역(Ⅱ)은 압축이 완료되는 위치로 상기 피스톤이 접근할 수록 내부 단면적이 작아지는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 구배 영역(Ⅱ)은 복수개로 형성된 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
6. 제 2항에 있어서,

   상기 구배 영역(Ⅱ)은 압축이 완료되는 위치로 상기 피스톤이 접근할 수록 내부 단면적이 작아지는 구배 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
7. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 피스톤은 상기 실린더의 내주면과 외주면이 접촉하고, 원주 방향의 어느 한 위치에서 절개되어 오무려지고 벌려지는 것이 가능한 피스톤링을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
8. 제 1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 실린더는 원형 파이프를 가공하여 제작되는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.

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