KR20120106726A - 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계 - Google Patents

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마코토 헴미
히데키 아키타
모토시 스즈키
겐타 스즈키
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히다치 겡키 가부시키 가이샤
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Abstract

피스톤 슈의 안정성이 높은 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계를 제공한다. 피스톤 슈(9)의 경사판(10)과의 슬라이딩면에, 급유구(9A)와 연통하는 원형의 내측 정압 포켓(23)과, 내측 정압 포켓(23)의 외주측에 형성된 내주 랜드부(22)와, 내주 랜드부(22)의 외주측에 형성된 외측 정압 포켓(24)과, 외측 정압 포켓(24)의 외주측에 형성된 외주 랜드부(25)를 형성한다. 내주 랜드부(22)는, 급유구(9A)의 주위에 환상으로 형성하고, 그 일부에는, 내측 정압 포켓(23)과 외측 정압 포켓(24)을 연통하는 오일 통과 홈(27)을, 급유구(9A)의 중심을 지나는 직선 상에 형성한다. 오일 통과 홈(27)은, 급유구(9A)의 중심을 지나는 직선 A-B에 대하여 경사져 있고, 급유구(9A)의 중심과 오일 통과 홈(27)의 중심을 연결하는 직선 상에는, 내주 랜드부(22)의 내벽면 및 외벽면을 배치한다.

Description

액시얼 피스톤형 액압 회전 기계{AXIAL PISTON HYDRAULIC ROTATING MACHINE}
본 발명은, 건설기계 등에 있어서 유압 펌프나 유압 모터로서 사용되는 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계에 관한 것으로, 특히, 피스톤 단부(端部)에 장착되어, 경사판에 가압되는 피스톤 슈의 구성에 관한 것이다.
액시얼 피스톤형 액압 회전 기계의 피스톤 단부에 장착되는 피스톤 슈와 경사판의 슬라이딩면은, 그 중앙부에 정압(靜壓) 포켓 및 이것에 연통하는 급유구가 설치된 정압 베어링으로 되어 있다. 이 구성에 의해, 급유구로부터 피스톤 슈에 공급된 윤활유의 액압은, 피스톤으로부터의 가압력과 균형을 이루어, 적정한 두께의 오일막이 피스톤 슈와 경사판 사이에 형성되고, 피스톤 슈는 경사판과 접촉하지 않고 원활하게 슬라이딩할 수 있다. 그러나, 특히 가변용량형 사판식의 액압 회전 기계에서는, 경사판의 경전각(傾轉角)이 변화되면, 피스톤으로부터의 가압력의 수평 및 수직 성분이 변화되어, 피스톤 슈가 경사판과 접촉하는 경우가 있어, 피스톤 슈에 마모를 발생시키기 쉽다는 과제가 있었다.
이 과제를 해결하기 위하여, 종래부터, 도 5에 나타내는 바와 같이, 피스톤 슈(9)의 정압 포켓 형성 영역 내에 환상(環狀)의 내주(內周) 랜드부(22)를 설치하고, 원형의 정압 포켓 형성 영역을, 내주 랜드부(22)보다 내측의 내측 정압 포켓(23)과, 내주 랜드부(22)보다 외측의 외측 정압 포켓(24)으로 나누어, 외측 정압 포켓(24)보다 외주(外周) 부분을 외주 랜드부(25)라고 한 것이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조.). 이러한 구성에 의하면, 내주 랜드부(22)를 가지지 않는 것에 비해, 피스톤 슈(9)의 수압 면적을 크게 할 수 있기 때문에, 피스톤 슈(9)의 내마모성을 개선할 수 있다. 또한, 내주 랜드부(22)는, 급유구(9A)의 주위에 환상으로 형성되어 있고, 그 일부에는, 내측 정압 포켓(23)과 외측 정압 포켓(24)을 연통하는 오일 통과 홈(27)이, 급유구(9A)의 중심을 지나는 직선 상에 내측 정압 포켓(23) 측의 단부 및 외측 정압 포켓(24) 측의 단부가 배치되도록 형성되어 있다.
일본 특허공개 평11-50950호 공보
그러나, 특허문헌 1에 개시된 피스톤 슈(9)는, 오일 통과 홈(27)이, 급유구(9A)의 중심을 통과하는 직선 A-B 상에 내측 정압 포켓(23) 측의 단부 및 외측 정압 포켓(24) 측의 단부가 배치되도록 형성되어 있기 때문에, 이 오일 통과 홈(27)의 방향과 경사판에 대한 피스톤 슈(9)의 슬라이딩 방향이 합치된 상태로, 경사판(10)에 대하여 피스톤 슈(9)가 슬라이딩하면, 화살표의 방향으로 윤활유가 흐르고, 도 6에 나타내는 바와 같이, 경사판(10)에 부착된 윤활유의 유입측 A에서는, 윤활유가, 경사판(10)과 피스톤 슈(9) 사이의 미소한 클리어런스를 통과한 후에 넓은 정압 포켓(23, 24) 내에 유입되기 때문에, 외주 랜드부(25)의 내주 부분 X에 있어서의 압력이 그렇게 높아지지 않음에 비해, 피스톤 슈(9)와 경사판(10)에 끼워진 오일막을 형성하는 윤활유의 유출측 B에서는, 윤활유가, 넓은 정압 포켓(23, 24) 안으로부터 경사판(10)과 피스톤 슈(9) 사이의 미소한 클리어런스를 통과하여 외부로 유출되기 때문에, 외주 랜드부(25)의 내주 부분 Y에 있어서의 압력이 매우 높아진다.
이 때문에, 특허문헌 1에 기재된 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계는, 정압 포켓(23, 24) 내의 압력 분포가 언밸런스하게 되고, 피스톤 슈(9)의 편측에 있어서 피스톤 슈(9)와 경사판(10) 사이의 오일막이 현저하게 얇아져서, 피스톤 슈(9)가 경사판(10)에 접촉하는 경우도 있기 때문에, 편마모(偏磨耗)가 생길 우려가 있다.
본 발명은, 이러한 종래 기술의 실정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 정압 포켓 내의 압력 분포를 균일하게 유지할 수 있어, 피스톤 슈의 편마모를 방지할 수 있는 신뢰성이 높은 액압 회전 기계를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 회전축과, 상기 회전축에 장착된 로터와, 상기 로터에 형성된 실린더 구멍 내에 슬라이딩 가능하게 장착된 피스톤과, 상기 피스톤에 자유롭게 요동할 수 있도록 장착된 피스톤 슈와, 상기 피스톤 슈가 슬라이딩 접촉하는 경사판을 구비한 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계에 있어서, 상기 피스톤 슈의 상기 경사판과의 슬라이딩면에는, 상기 피스톤에 형성된 오일 통과 구멍을 거쳐서 상기 실린더 구멍에 연통하는 급유구 및 이 급유구에 연통하는 내측 정압 포켓을 중심으로 하여, 그 외주에, 내주 랜드부, 외측 정압 포켓 및 외주 랜드부가 이 순으로 동심상으로 설치되고, 상기 내주 랜드부의 일부에는, 상기 급유구의 중심을 지나는 직선 상에, 상기 내측 정압 포켓과 상기 외측 정압 포켓을 연통하는 오일 통과 홈이 설치되어 있으며, 상기 급유구의 중심과 상기 오일 통과 홈의 중심을 연결하는 직선 상에는, 상기 외주 랜드부의 내벽면 및 외벽면과, 상기 외주 랜드부를 제외하는 다른 랜드부의 내벽면 및 외벽면이 배치되어 있다는 구성으로 하였다.
이러한 구성에 의하면, 급유구의 중심과 오일 통과 홈의 중심을 연결하는 직선 상에, 외주 랜드부의 내벽면 및 외벽면과, 외주 랜드부를 제외하는 다른 랜드부의 내벽면 및 외벽면을 배치하기 때문에, 급유구의 중심과 오일 통과 홈의 중심을 연결하는 직선의 방향과 경사판에 대한 피스톤 슈의 슬라이딩 방향이 합치된 상태로, 경사판에 대하여 피스톤 슈가 슬라이딩되었을 때에도, 피스톤 슈와 경사판에 끼워진 오일막을 형성하는 윤활유의 유입측 및 유출측에 있어서의 압력 분포가 균일해진다. 따라서, 피스톤 슈에 편마모가 생기기 어려워, 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계의 내구성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 구성에 있어서, 상기 오일 통과 홈의 형성 방향을, 상기 급유구의 중심과 상기 오일 통과 홈의 중심을 연결하는 직선에 대하여 경사지게 하고, 상기 급유구의 중심과 상기 오일 통과 홈의 중심을 연결하는 직선 상에, 상기 내주 랜드부의 내벽면 및 외벽면을 배치한다는 구성으로 하였다.
이러한 구성에 의하면, 급유구의 중심과 오일 통과 홈의 중심을 연결하는 직선 상에, 내주 랜드부의 내벽면 및 외벽면이 배치되기 때문에, 경사판에 대한 피스톤 슈의 슬라이딩 시에, 피스톤 슈와 경사판에 끼워진 오일막을 형성하는 윤활유의 유입측 및 유출측에 있어서의 압력 분포가 균일해진다.
또한, 본 발명은, 상기 구성에 있어서, 상기 내측 정압 포켓 및 상기 외측 정압 포켓의 적어도 어느 일방에, 상기 오일 통과 홈의 단폭(端幅)보다 대형의 차폐 랜드부를, 상기 오일 통과 홈의 개구단과 대향시켜서 형성한다는 구성으로 하였다.
이러한 구성에 의하면, 내측 정압 포켓 및 외측 정압 포켓의 적어도 어느 일방에, 오일 통과 홈의 단폭보다 대형의 차폐 랜드부를, 오일 통과 홈의 개구단과 대향시켜서 형성하기 때문에, 경사판에 대한 피스톤 슈의 슬라이딩 시에, 피스톤 슈와 경사판에 끼워진 오일막을 형성하는 윤활유의 유입측 및 유출측에 있어서의 압력 분포가 균일해진다.
본 발명에 의하면, 급유구의 중심과 오일 통과 홈의 중심을 연결하는 직선 상에, 외주 랜드부의 내벽면 및 외벽면과, 외주 랜드부를 제외하는 다른 랜드부의 내벽면 및 외벽면을 배치하기 때문에, 급유구의 중심과 오일 통과 홈의 중심을 연결하는 직선의 방향과, 경사판에 대한 피스톤 슈의 슬라이딩 방향이 합치된 상태로, 경사판에 대하여 피스톤 슈가 슬라이딩되었을 때에도, 피스톤 슈와 경사판에 끼워진 오일막을 형성하는 윤활유의 유입측 및 유출측에 있어서의 압력 분포를 균일하게 할 수 있고, 피스톤 슈의 편마모를 방지할 수 있어, 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계의 내구성을 높일 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태와 관련되는 피스톤 슈의 슬라이딩면의 구성도이다.
도 2는 제1 실시 형태와 관련되는 피스톤 슈의 도 1 A-B 단면에 있어서의 피스톤 슈와 경사판의 배치 및 피스톤 슈와 경사판 사이의 압력 변화를 나타내는 그래프도이다.
도 3은 실시 형태와 관련되는 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계의 단면도이다.
도 4는 제2 실시 형태와 관련되는 피스톤 슈의 슬라이딩면의 구성도이다.
도 5는 종래예와 관련되는 피스톤 슈의 슬라이딩면의 구성도이다.
도 6은 종래예와 관련되는 피스톤 슈의 도 5 A-B 단면에 있어서의 피스톤 슈와 경사판의 배치 및 피스톤 슈와 경사판 사이의 압력 변화를 나타내는 그래프도이다.
도 7은 실시 형태와 관련되는 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계의 기동으로부터 시간에 대한 회전 속도의 변화를 종래품과 비교하여 나타내는 그래프도이다.
먼저, 실시 형태와 관련되는 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계의 구성을, 도 3에 의거하여 설명한다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 본 예의 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계(1)는, 프론트 케이싱(2)과 리어 케이싱(3)으로 구성되는 케이싱 내에, 회전축(4)이 자유롭게 회전할 수 있도록 수납되고, 이 회전축(4)에는, 로터(5)가 일체로 연결되어 있다. 로터(5)의 둘레 방향에는, 복수의 실린더 구멍(6)이 형성되어 있고, 각 실린더 구멍(6) 내에는, 피스톤(8)이 배치되어 있다. 이들 각 피스톤(8)의 단부에는, 구면(球面) 베어링을 거쳐서 피스톤 슈(9)가 요동 가능하게 연결 설치되어 있고, 이 피스톤 슈(9)의 편면은, 프론트 케이싱(2)에 경전 가능하게 유지된 경사판(10)의 표면에 슬라이딩 접촉되어 있다. 경사판(10)은, 도시 생략한 서보 피스톤에 의해 경전각을 변경할 수 있게 구성되어 있고, 경사판(10)의 경전각을 변경함으로써, 피스톤(8)의 스트로크를 변경한다. 리어 케이싱(3)에는, 로터(5)가 슬라이딩 접촉하는 밸브판(7)을 고정하고 있고, 이 밸브판(7)에는 도시 생략한 흡입 포트와 토출 포트가 형성되어 있다. 또, 피스톤(8)에는, 실린더 구멍(6)을 거쳐 밸브판(7)에 형성된 흡입 포트 또는 토출 포트와 연통하는 오일 통과 구멍(8A)이 개설되어 있고, 피스톤 슈(9)의 중심부에는, 피스톤(8)에 개설된 오일 통과 구멍(8A)과 연통하는 급유구(9A)가 개설되어 있다.
따라서, 본 예의 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계는, 회전축(4)을 도시 생략한 원동기로 회전 구동한 경우에는, 흡입 포트로부터 공급된 작동유가 피스톤(8)으로 압축되고, 토출 포트로부터 토출되어, 유압 펌프로서 기능한다. 또, 흡입 포트로부터 실린더 구멍(6) 내에 압유를 공급한 경우에는, 압유의 압력에 의해 피스톤(8)이 구동되고, 그에 수반하여 회전축(4) 및 로터(5)가 회전 구동되기 때문에, 유압 모터로서 기능한다.
피스톤 슈(9)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 경사판(10)과의 슬라이딩면에, 급유구(9A)와 연통하는 원형의 내측 정압 포켓(23)과, 내측 정압 포켓(23)의 외주측에 형성된 내주 랜드부(22)와, 내주 랜드부(22)의 외주측에 형성된 외측 정압 포켓(24)과, 외측 정압 포켓(24)의 외주측에 형성된 외주 랜드부(25)가 형성되어 있다.
내주 랜드부(22)는, 급유구(9A)의 주위에 환상으로 형성되어 있고, 그 일부에는, 내측 정압 포켓(23)과 외측 정압 포켓(24)을 연통하는 2개의 오일 통과 홈(27)이, 급유구(9A)의 중심을 지나는 직선 상에 형성되어 있다. 오일 통과 홈(27)은, 급유구(9A)의 중심을 지나는 직선 A-B에 대하여 경사져 있고, 급유구(9A)의 중심과 오일 통과 홈(27)의 중심을 연결하는 직선 상에는, 내주 랜드부(22)의 내벽면 및 외벽면이 배치된다.
본 예의 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계는, 오일 통과 홈(27)을, 급유구(9A)의 중심을 지나는 직선 A-B에 대하여 경사지는 방향으로 형성하고, 급유구(9A)의 중심과 오일 통과 홈(27)의 중심을 연결하는 직선 상에 내주 랜드부(22)의 내벽면 및 외벽면을 배치하기 때문에, 급유구(9A)의 중심을 지나는 직선 A-B가 경사판(10)에 대한 피스톤 슈(9)의 슬라이딩 방향과 일치하였을 때에도, 피스톤 슈(9)와 경사판(10)에 끼워진 오일막을 형성하는 윤활유의 유입측 A 및 유출측 B에 있어서의 압력 분포를 균일한 것으로 할 수 있다.
즉, 도 2에 나타내는 바와 같이, 피스톤 슈(9)의 슬라이딩면 중앙에는, 실린더 구멍(6)과 연통하는 급유구(9A)가 개설되어 있기 때문에, 급유구(9A) 및 그것에 연통하는 내측 정압 포켓(23), 외측 정압 포켓(24) 및 연통 홈(27)의 압력은 실린더 구멍(6) 내의 압력과 대략 동일해진다. 외주 랜드부(25)의 내주측은, 실린더 구멍(6) 안과 대략 동일한 압력이 되지만, 외주측으로 향함에 따라서 압력은 작아져서, 외주부에서는 케이싱(1) 내부에 고이는 작동유와 동일한 압력이 된다. 피스톤 슈(9)와 경사판(10)이 상대 운동을 하고 있지 않은 경우의 도 1의 A-B 상에서의 압력 분포를 도 2에 점선으로 나타낸다. 피스톤 슈(9)에 대하여, 도 1에 화살표로 나타내는 방향으로 경사판(10)이 상대운동하는 것과 같은 경우의 동일 위치에서의 압력 분포는, 도 2에 실선으로 나타내게 된다. 상대운동에 의해 작동유 흐름의 패드 중앙보다 상류측의 외측 정압 포켓(24)의 입구 (X) 및 내측 정압 포켓(23)의 입구 (X'')에서는 압력이 저하되고, 하류측의 외측 정압 포켓(24)의 출구 (Y) 및 내측 정압 포켓(23)의 출구 (Y'')에서는 압력이 상승한다. 전자는 유로의 급확대, 후자는 유로의 급수축에 의한 것이다. 본 실시 형태와 같이, 내주 랜드부(22)의 내벽면 및 외벽면을, 급유구(9A)의 중심을 지나는 어느 방향에도 설치되어 있도록 구성한 경우, 외측 정압 포켓(24)으로 흘러드는 시점 (X)에서 유로는 급확대되지만, 내주 랜드부(22)에 의한 유로의 수축 (X')가 바로 있기 때문에, 그 압력 저하는 작게 억제할 수 있다. 마찬가지로, 하류측에 대해서도, 외측 정압 포켓(24)의 출구 (Y)에 있어서는 유로가 수축하여 압력이 상승하지만, 그 바로 앞에 외측 정압 포켓(24)의 입구 (Y')에 있어서의 유로의 확대가 있기 때문에, 그 압력 상승을 억제할 수 있다. 도 2의 압력 분포는, 경사판(10)의 상대운동이 화살표의 방향인 경우를 나타냈지만, 본 실시예에서는 내주 랜드부(22)를 급유구(9A)의 중심을 지나는 어느 방향에도 설치하고 있기 때문에, 상대운동의 방향이 어느 방향에서도 동일한 효과가 얻어진다. 이와 같이, 슬라이딩면의 압력 분포가 슬라이딩면 전면(全面)에 걸쳐 대략 균일해지기 때문에, 피스톤 슈(9)의 자세가 안정되고, 편마모가 방지되어서, 손상의 위험성을 낮게 하는 것이 가능해진다. 따라서, 효율이 높고, 신뢰성이 높은 액압 회전 기계를 실현할 수 있다.
도 4(a), 4(b), 4(c)에, 본 발명의 다른 실시 형태를 나타낸다. 도 4(a)는, 외측 정압 포켓(24)의 오일 통과 홈(27)과 대향하는 부분에, 오일 통과 홈(27)의 홈 폭보다 대형의 차폐 랜드부(28)를 형성한 것을 특징으로 한다. 도 4(b)는, 내측 정압 포켓(23)의 오일 통과 홈(27)과 대향하는 부분에, 오일 통과 홈(27)의 홈 폭보다 대형의 차폐 랜드부(28)를 형성한 것을 특징으로 한다. 도 4(c)는, 외측 정압 포켓(24)의 오일 통과 홈(27)과 대향하는 부분 및 내측 정압 포켓(23)의 오일 통과 홈(27)과 대향하는 부분의 쌍방에, 오일 통과 홈(27)의 홈 폭보다 대형의 차폐 랜드부(28)를 형성한 것을 특징으로 한다. 이들 각 실시 형태에 의해도, 도 1에 나타낸 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 차폐 랜드부(28)는, 내측 정압 포켓(23)에만 형성할 수도 있고, 내측 정압 포켓(23)과 외측 정압 포켓(24)의 쌍방에 형성할 수도 있다.
본 발명의 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계를 건설기계의 모터나 펌프에 적용하면, 액압 회전 기계의 내부에서의 마찰이 작기 때문에, 리스폰스가 빠른 동작이 가능한 건설기계를 제공하는 것이 가능하게 된다. 예를 들면, 주행용 모터에 적용한 경우, 기동으로부터의 시간에 대한 회전 속도의 변화가, 도 7에 나타내는 바와 같이, 종래품에서는 곡선 31로 나타내지는 것이 되는 데 반해, 본 발명품에서는 곡선 32로 나타내지는 것이 된다. 이 도면으로부터 분명하게 나타나는 바와 같이, 기동으로부터 동일 시간 T가 경과한 시점에서의 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계의 회전 속도는, 종래품이 N1, 본 발명품이 N2가 되어, 본 발명품 쪽이 높은 리스폰스를 발휘할 수 있다.
1 : 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계 2 : 프론트 케이싱
3 : 리어 케이싱 4 : 회전축
5 : 로터 6 : 실린더 구멍
8 : 피스톤 8A : 오일 통과 구멍
9 : 피스톤 슈 9A : 급유구
10 : 경사판 22 : 내주 랜드부
23 : 내측 정압 포켓 24 : 외측 정압 포켓
25 : 외주 랜드부 27 : 오일 통과 홈
28 : 차폐 랜드부

Claims (3)

  1. 회전축과, 상기 회전축에 장착된 로터와, 상기 로터에 형성된 실린더 구멍 내에 슬라이딩 가능하게 장착된 피스톤과, 상기 피스톤에 자유롭게 요동할 수 있도록 장착된 피스톤 슈와, 상기 피스톤 슈가 슬라이딩 접촉하는 경사판을 구비한 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계에 있어서,
    상기 피스톤 슈의 상기 경사판과의 슬라이딩면에는, 상기 피스톤에 형성된 오일 통과 구멍을 거쳐서 상기 실린더 구멍에 연통하는 급유구 및 이 급유구에 연통하는 내측 정압 포켓을 중심으로 하여, 그 외주에, 내주 랜드부, 외측 정압 포켓 및 외주 랜드부가 이 순으로 동심상으로 설치되고, 상기 내주 랜드부의 일부에는, 상기 급유구의 중심을 통과하는 직선 상에, 상기 내측 정압 포켓과 상기 외측 정압 포켓을 연통하는 오일 통과 홈이 설치되어 있으며,
    상기 급유구의 중심과 상기 오일 통과 홈의 중심을 연결하는 직선 상에는, 상기 외주 랜드부의 내벽면 및 외벽면과, 상기 외주 랜드부를 제외하는 다른 랜드부의 내벽면 및 외벽면이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오일 통과 홈의 형성 방향을, 상기 급유구의 중심과 상기 오일 통과 홈의 중심을 연결하는 직선에 대하여 경사지게 하고, 상기 급유구의 중심과 상기 오일 통과 홈의 중심을 연결하는 직선 상에, 상기 내주 랜드부의 내벽면 및 외벽면을 배치한 것을 특징으로 하는 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내측 정압 포켓 및 상기 외측 정압 포켓의 적어도 어느 일방에, 상기 오일 통과 홈의 단폭(端幅)보다 대형의 차폐 랜드부를, 상기 오일 통과 홈의 개구단과 대향시켜서 형성한 것을 특징으로 하는 액시얼 피스톤형 액압 회전 기계.
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