KR20130086185A - 가스 스프링 - Google Patents

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KR20130086185A
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제이슨 엘 반다인
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다드코 인코퍼레이티드
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Abstract

성형 장비용 가스 스프링은 신장 위치와 수축 위치 사이에서 왕복운동하도록 실린더 내에 적어도 부분적으로 수용되는 피스톤을 포함하고 있고, 상기 피스톤의 왕복운동의 적어도 일부분 동안에 제1 압력 챔버와 제2 압력 챔버 사이에서 유체연통되어 상기 피스톤과 상기 실린더 사이에 배치된 쓰로틀링 통로를 포함하고 있다. 상기 쓰로틀링 통로는 신장 위치를 향한 상기 피스톤의 복귀와 함께 변동하도록 상기 쓰로틀링 통로를 통한 가스 유동을 적어도 부분적으로 제한하여 상기 피스톤을 소정의 비율로 감속시키기 위해 상기 쓰로틀링 통로의 길이의 함수로서 변동하는 변동가능한 횡단면적으로 되어 있다.

Description

가스 스프링{GAS SPRING}
본 발명은 일반적으로 스프링에 관한 것이며, 보다 상세하게는 프레스를 포함한 성형 장비에 사용되는 가스 스프링에 관한 것이다.
가스 스프링은 널리 알려져 있고, 금속 박판 스탬핑 작업을 위한 프레스의 다이에 사용되어 왔다. 가스 스프링은 일반적으로 성형 다이의 가동 구성요소나 지지부 또는 워크피스에 항복력 즉 복귀력을 제공하기 위해 성형 장비에 다양하게 사용된다. 항복력(yielding force)이란 예컨대 성형 다이의 가동 구성요소나 지지부 또는 워크피스에 의해 피스톤 로드의 한쪽 단부에 가해지는 하중에 의해 가스 스프링의 피스톤이 가스 챔버 내에서 수축 위치로 이동해 가고, 그에 따라 가스 챔버 내의 체적이 감소되면서 가스 챔버 내의 압력이 증가되어 가고, 마침내 가해지는 하중이 가스 챔버 내의 압력에 굴복하게 되어 피스톤을 또한 그에 따라 성형 다이의 가동 구성 요소나 지지부 또는 워크피스를 다시 그것의 복귀 위치로 가압하게 되는 힘이다. 예컨대, 바인더 링에 있어서, 가스 스프링은 성형 다이의 다른 부분이 워크피스를 성형, 절단, 연신 또는 굽힘가공하는 동안에 금속 워크피스를 고정하기 위해 성형 다이의 바인더 링에 대해 항복력을 제공한다. 리프터(리프터)에 있어서, 가스 스프링은 성형 다이의 표면에서 벗어나도록 워크피스를 들어올리기 위해 또는 다르게는 워크피스의 제어를 유지하기 위해 항복력 및 복귀력을 제공한다. 캠 툴에 있어서, 가스 스프링은 캠-작동 툴을 그것의 원위치로 복귀시키기 위한 항복력을 제공한다. 가스 스프링을 포함한 다양한 스프링들이 광범위하게 사용될 수 있음은 물론이다.
종래의 가스 스프링은 일반적으로 실린더, 실린더 내에 배치되는 피스톤, 피스톤과 실린더 사이의 압력 챔버, 및 피스톤을 유지시키고 압력 챔버로부터의 가압 가스의 누출을 방지하기 위해 실린더 내에 배치되는 다양한 리테이너 및 시일을 구비한다. 일반적으로, 가압 가스는 신장 위치를 향해 피스톤을 바이어스하고 신장 위치로부터 수축 위치를 향해 수축하는 것에 저항하는 힘을 피스톤 상에 제공한다.
하나의 예시적인 실시형태에 따른 성형 장비용 가스 스프링은 실린더, 및 수축 스트로크와 복귀 스트로크를 포함한 사이클에 걸쳐 신장 위치와 수축 위치 사이에서 왕복운동하도록 상기 실린더 내에 적어도 부분적으로 수용되는 피스톤을 포함하고 있다. 가스 스프링은 상기 실린더와 상기 피스톤 사이에 배치된 완충 시일로서, 사이클 중의 일부분 동안에, 상기 완충 시일의 한쪽에서 상기 실린더와 상기 피스톤에 의해 형성되는 상기 제1 압력 챔버를 상기 완충 시일의 다른쪽에서 상기 실린더와 상기 피스톤에 의해 형성되는 상기 제2 압력 챔버로부터 분리시키도록 되어 있는 완충 시일을 더 포함하고 있다. 가스 스프링은 또한 한쪽 단부에서 상기 제2 압력 챔버와 연통하고 다른쪽 단부에서 상기 제1 압력 챔버와 연통하는 적어도 하나의 체크 통로, 상기 체크 통로 내의 적어도 하나의 체크 밸브, 및 상기 피스톤과 상기 실린더 사이에 배치되어 한쪽 단부에서 상기 제2 압력 챔버와 연통하고 다른쪽 단부에서 상기 제1 압력 챔버와 연통하는 적어도 하나의 쓰로틀링 통로(throttling passage)를 포함하고 있다. 적어도 하나의 쓰로틀링 통로는 상기 피스톤의 복귀와 함께 변동하도록 상기 쓰로틀링 통로를 통한 가스 유동을 적어도 부분적으로 제한하여 상기 복귀하는 피스톤의 속도를 소정의 비율로 감소시키도록 형성되어 있다.
또 다른 예시적인 실시형태에 따른 성형 장비용 가스 스프링은 실린, 및 신장 위치와 수축 위치 사이에서 왕복운동하도록 상기 실린더 내에 적어도 부분적으로 수용되는 피스톤으로서, 상기 피스톤의 한쪽 부분과 상기 실린더 사이에 제1 압력 챔버를 적어도 부분적으로 한정하고, 상기 피스톤의 다른쪽 부분과 상기 실린더 사이에 제2 압력 챔버를 적어도 부분적으로 한정하는 피스톤을 포함하고 있다. 상기 가스 스프링은 또한 상기 피스톤의 왕복운동의 적어도 일부분 동안에 상기 제1 압력 챔버와 상기 제2 압력 챔버 사이에서 유체연통되어 상기 피스톤과 상기 실린더 사이에 배치된 쓰로틀링 통로로서, 신장 위치를 향한 상기 피스톤의 복귀와 함께 변동하도록 상기 쓰로틀링 통로를 통한 가스 유동을 적어도 부분적으로 제한하여 상기 피스톤을 소정의 비율로 감속시키기 위해 상기 쓰로틀링 통로의 횡단면적이 상기 쓰로틀링 통로의 길이의 함수로서 변동하게 되어 있는 쓰로틀링 통로를 포함하고 있다.
또 다른 예시적인 실시형태에 따른 성형 장비용 가스 스프링은 내면을 가진 하우징, 및 상기 하우징 내에 적어도 부분적으로 수용되고 관통 보어를 가진 가이드 보디, 상기 하우징의 내면에 대략 인접하여 배치되는 부분을 구비한 외면 및 스커트를 포함하는 피스톤 가이드를 구비하고 있는 실린더를 포함하고 있다. 상기 가스 스프링은 또한 신장 위치와 수축 위치 사이에서 왕복운동하도록 상기 실린더에 의해 지지되는 피스톤을 포함하고 있다. 상기 피스톤은 상기 피스톤 가이드의 가이드 보디의 관통 보어 내에 적어도 부분적으로 수용되는 피스톤 로드, 및 상기 피스톤 로드에 의해 지지되고 상기 피스톤의 왕복운동의 적어도 일부 동안에 상기 피스톤 가이드의 상기 가이드 보디 내에 적어도 부분적으로 수용되는 완충 칼라를 포함하고 있다. 상기 가스 스프링은 상기 피스톤 로드와 상기 피스톤 가이드 사이에 배치된 피스톤 로드 시일, 및 상기 피스톤 가이드에 의해 지지되고 상기 피스톤의 왕복운동의 적어도 일부분 동안에 상기 완충 칼라와 접촉하도록 구성되어 배열된 완충 시일을 더 포함하고 있다. 제1 압력 챔버는 상기 완충 시일이 상기 완충 칼라와 접촉하고 있을 때 상기 하우징과 상기 완충 시일의 한쪽의 상기 피스톤의 부분에 의해 한정되고, 제2 압력 챔버는 상기 완충 시일이 상기 완충 칼라와 접촉하고 있을 때 상기 피스톤 로드 시일과 상기 완충 시일 사이에서 상기 피스톤의 다른쪽 부분과 상기 피스톤 가이드에 의해 한정된다. 상기 가스 스프링은 또한 상기 피스톤과 상기 실린더 사이에 배치된 적어도 하나의 쓰로틀링 통로로서, 상기 피스톤의 복귀와 함께 변동하도록 상기 쓰로틀링 통로를 통한 가스 유동을 적어도 부분적으로 제한하여 상기 복귀하는 피스톤의 속도를 소정의 비율로 감소시키도록 형성되어 있는 적어도 하나의 쓰로틀링 통로를 포함하고 있다.
여기에 설명하는 가스 스프링의 어떤 잠재성 있는 목적, 특징 및 장점은 광범위한 성형 장비와 함께 손쉽게 사용될 수 있고, 상이한 구성 및 구조의 가스 스프링들 간의 공통된 구성요소의 사용을 쉽게 허용하고, 손쉽게 보수될 수 있고, 필요에 따라 구성요소들이 교체될 수 있고, 상이한 치수 및 힘 요건을 가진 광범위한 적용처에 사용될 수 있고, 광범위한 프레스 구성에 쉽게 맞추어질 수 있고, 가스 스프링의 완전 신장으로의 복귀시의 급격한 충격을 감소시켜 부분 바운딩을 감소시키고 생산 효율을 증대시키고, 비교적 간단한 설계, 경제적인 제조 및 조립으로 이루어지고, 견고하고, 내구성 있고, 신뢰성 있으며 사용에 있어 길고 유용한 수명을 가지는 장치를 제공하는 것을 포함한다. 물론, 본 발명을 실시하는 장치는 여기에 개시되는 예시의 실시형태들과 관련하여 설명되는 목적, 특징 또는 장점의 어느 것도 성취하지 못할 수도, 일부를 성취할 수도, 전부를 성취할 수도 또는 다른 것을 성취할 수도 있을 것이다.
여기에 간략히 설명하는 첨부도면을 참조하여 예시의 실시형태 및 최선의 형태가 아래에 기술된다.
도 1은 피스톤이 완전 신장 위치 즉 완전 복귀 위치에 있는 상태로 도시된 가스 스프링의 예시의 실시형태의 단면도이다.
도 2는 도 1의 가스 스프링의 부분 확대도이다.
도 3은 피스톤이 그것의 신장 위치로부터 수축 위치로 이동된 것을 도시한 도 1과 유사한 부분 확대도이다.
도 4는 피스톤이 그것의 수축 위치로 더 이동된 것을 도시한 도 1과 유사한 부분 확대도이다.
도 5는 피스톤이 그것의 완전 복귀 위치를 향해 이동하고 있는 것을 도시한 도 1과 유사한 부분 확대도이다.
도 6은 피스톤이 그것의 완전 복귀 위치를 향해 복귀하여 완전 복귀 위치 근방에 있는 것을 도시한 도 1과 유사한 부분 확대도이다.
도 7은 도 1의 완충 칼라의 확대 사시도이다.
도 8은 도 7의 완충 칼라의 끝면도이다.
도 9는 도 8의 9-9 라인을 따라 취해진 도 7의 완충 칼라의 단면도이다.
도 10은 도 9의 10-10 라인을 따라 취해진 도 7의 완충 칼라의 횡단면도이다.
도 11은 하나의 예시의 실시형태의 가스 스프링의 피스톤의 이동거리의 함수로서의 속도의 그래프이다.
도 12는 도 1 내지 도 9의 가스 스프링의 설계에 사용되는 데이터를 확립하거나 확정하기 위해 사용될 수 있는 일정한 깊이의 쓰로틀링 통로를 구비한 완충 칼라를 가진 실험 가스 스프링의 피스톤 이동에 대한 시간 대 거리 및 압력의 그래프이다.
도면을 자세히 참조하면, 도 1 내지 도 6은 프레스를 포함한 성형 장비용 가스 스프링(10)의 하나의 실시형태를 도시하고 있으며, 이 가스 스프링(10)은 수축 스트로크 및 복귀 스트로크를 포함하는 하나의 사이클 동안에 신장 위치(도 1)와 수축 위치(도 4) 사이를 왕복운동하도록 가스 스프링(10)의 실린더(14) 내에 적어도 부분적으로 수용된 피스톤(12)을 구비하고 있다. 가스 스프링(10)은 다수의 압력 챔버를 구비할 수 있으며, 이중-챔버 가스 스프링이 될 수 있다.
예컨대, 제1 압력 챔버 즉 스프링 챔버(16)가 가스 스프링(10)의 신장력 즉 복귀력을 제공하기 위해 내부에 가압 가스를 수용하도록 실린더(14)와 피스톤(12)의 한쪽의 대응 부분들 사이에 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 또한, 피스톤(12)의 복귀 즉 신장 스트로크의 적어도 일부분 동안에, 제2 압력 챔버 즉 완충 챔버(18)(도 3, 도 5, 도 6)가 피스톤(12)과 실린더(14)의 다른쪽 대응 부분들 사이에 적어도 부분적으로 형성될 수 즉 한정될 수 있다. 따라서, 가스 스프링(10)은 이중 가스 챔버 제품이 될 수 있다. 완충 챔버(18)는, 아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 신장력을 감소시키도록 즉 신장력에 대항하도록 스프링 챔버(16)로부터 가압 가스의 일부를 수용할 수 있다.
일반적으로, 스프링 챔버(16)는 스프링(10)의 복귀력 즉 신장력을 결정하기 위해 질소 가스 또는 임의의 다른 적합한 가스로 가압될 수 있다. 도 1의 신장 위치에서, 챔버(16, 18) 내의 압력은 같고, 피스톤(12)이 신장 위치로부터 스프링 챔버(16) 내의 가스를 압축시키는 수축 위치로 스트로크할 때, 챔버(16, 18) 내의 압력이 같아지도록, 가스는 스프링 챔버(16)로부터 완충 챔버(18)로 자유롭게 유동한다. 하지만, 피스톤(12)이 신장 위치로 복귀 즉 귀환할 때, 가스는 피스톤(12)의 양쪽에 소정의 압력차를 제공하기 위해 가변적으로 제한되는 방식으로 스프링 챔버(16)와 완충 챔버(18) 사이를 유동한다. 압력차는 가변적일 수 있고, 비교적 높은 값에서 시작하여, 수축 스트로크 동안에 점차로 증가하고, 그 후에, 복귀 스트로크의 최종 부분 동안에 급속하게(하지만 제어가능하게) 감소되기 전에, 신장 즉 복귀 스트로크의 적어도 일부분 동안에 점차로 감소한다. 가스 스프링(10)에 의해 제공되는 급속하게 감소되는 순힘은 적어도 부분적으로 완충 챔버(18) 내의 가스의 압축에 의해 발생하고, 이에 의해 스프링 챔버(16) 내의 압축 가스의 힘에 대해 대항하는 힘을 발생시킨다. 다시 말해, 완충 챔버(18) 내의 가스의 압력이 활성화되었을 때, 완충 챔버(18) 내의 가스의 압력은 스프링 챔버(16) 내의 가스의 압력에 의해 발생되는 힘에 대항하여, 피스톤(12)의 속도가 느려지게 만든다.
하지만, 아래에 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 가압 가스는 복귀 스트로크의 최종 부분 동안에 통로의 길이의 함수로 변동하는 횡단면적을 가진 통로를 통한 가스의 쓰로틀링 유동에 의한 소정의 유동률로 완충 챔버(18)로부터 스프링 챔버(16)로 흘러가는 것이 허용될 수 있다. 이와 같은 구조는 작업 사이클 중의 완전 수축 부분 동안과 사이클의 신장 부분의 초기 부분 동안에 최대의 힘과 속도를 제공한다. 또한, 이와 같은 구조는 피스톤의 복귀를 완화 즉 감쇠시키도록 사이클의 신장 부분의 끝을 향해 소정의 비율의 속도의 감소를 가능하게 해준다. 이는 급격한 정지를 완화시키거나 회피시켜, 진동 및 부품 바운딩을 감소시키거나 회피시키고, 스프링(10) 사용 환경의 생산 효율을 증가시킨다.
따라서, 가스 스프링(10)은 예컨대 부품 리프터의 소정의 작업을 제공하도록 프레스(도시 안됨) 내에 사용될 수 있다. 부품 리프터에 있어서, 부품을 효과적으로 성형하기 위해 가스 스프링 수축 스트로크 동안에 가스 스프링의 최대의 힘이 바람직할 가스 스프링의 최대의 힘이 바람직하지만, 복귀 스트로크의 끝에서의 가스 스프링의 최대의 힘에서의 급격한 정지는 과도한 진동 및 부분 바운딩을 야기할 수 있다. 따라서, 가스 스프링(10)은 수축 스트로크 동안에 그리고 적어도 복귀 스트로크의 초기 부분 동안에 그것의 최대의 순힘을 제공할 수 있지만, 적어도 복귀 스트로크의 최종 부분 동안에 감소된 순힘 및 소정의 감속도를 제공한다. 이와 같이 하여, 가스 스프링 힘은 부품을 완전히 리프트하기 전에 소정의 비율로 감소되어 가스 스프링의 완전 신장 위치에서의 진동 및 부분 바운딩을 회피할 수 있고, 이는 가스 스프링(10)의 수명을 연장시키고 생산 효율을 증가시킬 수 있다.
가스 스프링(10)의 실린더(14)는 케이싱 즉 하우징(22) 내에 지지되는 피스톤 가이드(20)를 구비할 수 있다. 여기에 사용되는 것으로서의 실린더(14)는 일반적으로 피스톤(12)과 함께 작동하고 임의의 형상과 치수 및 임의의 수량의 구성요소를 구비할 수 있고 형상이 반드시 원통형일 필요는 없는 가스 스프링(10)의 부분을 말한다. 하우징(22)은 예컨대 여기에 설명되는 신규의 형태로 수정되도록 기존의 가스 스프링의 개장(retrofit)을 허용하는 일반적인 즉 표준적인 가스 스프링 캐니스터일 수 있다.
특정적으로는, 하우징(22)은 도시된 바와 같이 대략 원통형 구성요소일 수 있고, 한쪽 단부가 캡 즉 폐쇄 단부(26)에 의해 폐쇄되고 다른쪽 단부(28)가 피스톤(12)을 수용하도록 실질적으로 개방된 대략 원통형 벽(24)을 가질 수 있다. 일반적으로, 폐쇄 단부(26)는 예컨대 용접 이음에 의하거나 원피스로서 주조 또는 성형되는 것에 의해 원통형 벽(24)에 부착되어 밀봉될 수 있다. 하우징(22)의 벽(24)은 스프링 챔버(16)를 적어도 부분적으로 한정할 수 있는 내면(30), 및 외면(32)을 가진다. 하우징(22)의 개방 단부(28) 근방에서, 벽(24)의 내면(30)은 가스 스프링(10)을 그것의 조립 상태로 유지시키기 위해 C형 링과 같은 리테이닝 링(36)을 수용하도록 구성된 대략 원주방향의 리테이너 홈(34)을 구비할 수 있다. 프레스 내에서의 가스 스프링(10)의 장착과 배치를 용이하게 하기 위해, 하우징(22)의 단부(26, 28)에 인접한 하우징(22)의 외면(32)에 원주방향 홈(38)이 형성될 수 있다. 예컨대, 리테이닝 링(40)은 그것을 수용하는 대응하는 홈의 플랜지 마운트(42)와의 협력작동을 위해 홈(38) 중의 하나에 배치될 수 있다.
가스 스프링(10)은 가스로 예비가압되어 있는 자립형 즉 독립형 제품일 수 있고, 또는 가압 가스의 공급부 즉 공급원에 유체연통되어 연결될 수도 있다. 어떠한 경우에도, 가스 스프링(10) 내로 가스를 도입하기 위해, 하우징(22)은 벽(24)의 내면(30)과 외면(32) 사이에 뻗어 있는 충전 통로 즉 포트(44)를 구비할 수 있고, 도면에서는 대략적으로 하우징(22)의 폐쇄 단부(26)를 통해 뻗어 있는 것으로 도시되어 있다. 독립형 가스 스프링 실시형태에 있어서는, 가스 스프링(10) 내로 가압 가스가 도입되게 해주기 위해 충전 포트(44) 내에 피팅(46)이 수용될 수 있다. 도시되진 않았지만, 피팅(46)은 가스가 충전 포트(44)를 통해 유출되는 것을 방지하기 위해 일방향 밸브로서 작동하는 체크 밸브를 구비할 수도 있다.
피스톤 가이드(20)는 하우징(22)에 의해 적어도 부분적으로 지지될 수 있고, 하우징(22) 내에 적어도 부분적으로 배치되는 가이드 보디(48)를 구비할 수 있다. 가이드 보디(48)는 적어도 일부분이 하우징(22)의 내면(30)에 밀착하여 슬라이딩가능하게 수용되는 치수로 되어 있는 대략 원통형 외면(50), 및 피스톤(12)의 피스톤 로드(66)가 슬라이딩 왕복운동할 수 있게 해주는 관통 보어를 한정하는 대략 원통형 내면(52)을 가질 수 있다.
또한, 피스톤 가이드(20)는 가이드 보디(48)로부터 축선방향으로 뻗어 있는 스커트(54)를 구비할 수 있다. 스커트(54)는 가이드 보디(48)의 외면(50)과 동심적으로 배열되고 가이드 보디(48)와 스커트(54) 사이에 쇼울더(58)를 한정하는 내면(56)을 가질 수 있다. 스커트(54)는 피스톤(12)이 완전 신장 위치 및 그 인접 위치에 있을 때 피스톤(12)의 적어도 일부분이 수용될 수 있는 환형 포켓을 부분적으로 한정할 수 있다.
피스톤 가이드(20)는 양쪽 축선방향 단부(60, 62)를 가질 수 있다. 한쪽 단부(62)는 하우징(22) 내에 피스톤 가이드(20)를 조립할 때 하우징(22)의 개방 단부(28) 내로 수용될 수 있다. 다른쪽 단부(60)는 하우징(22)의 개방 단부(28)와 대략 동일 평면 상에 있을 수 있다. 하우징(22) 내에서의 피스톤 가이드(20)의 부착을 용이하게 하기 위해, 피스톤 가이드(20)는 리테이너 링(36)을 수용하도록 배열된 대략 원주방향의 쇼울더 및/또는 홈(64)을 구비할 수 있고, 리테이너 링(36)은 하우징(22)의 대응하는 홈 내에도 수용될 수 있다.
가스 스프링(10)의 피스톤(12)은 한쪽 단부(68)가 하우징(22) 바깥으로 뻗어나와 프레스의 램, 캠, 리프터, 바인더 링 등과 맞물림하거나 부착되도록 되어 있고, 다른쪽 단부(70)가 하우징(22) 내에 수용되는 기다란 피스톤 로드(66)를 구비할 수 있다. 피스톤 로드(66)의 이동을 조절가능하게 제한하기 위해, 피스톤 로드 스톱 즉 스페이서(72)가 폐쇄 단부(26)와 협력작동하도록 피스톤 로드(66)의 단부(70)에 조절가능하게 결합될수 있다. 피스톤 로드(66)는 예컨대 여기에 설명되는 신규의 형태로 수정되도록 기존의 가스 스프링의 개장을 허용하는 일반적인 또는 표준적인 가스 스프링 피스톤 로드일 수 있다. 피스톤 로드(66)는 단부(70)에 인접하여 피스톤(12)의 하나 이상의 다른 구성요소를 수용하도록 구성될 수 있는 반경방향 외측에 원주방향으로 뻗어 있는 홈(74)을 구비할 수 있다.
예컨대, 피스톤(12)의 또 다른 구성요소로, 피스톤 로드(66)의 단부(70) 위에 조립될 수 있고 피스톤 로드(66)의 홈(74)과 맞물림될 수 있는 피스톤 칼라(76)를 구비할 수 있다. 피스톤 칼라(76)는 피스톤 로드(66) 둘레에 결합되는 멀티-피스 장치, 피스톤 로드(66)에 가압 끼워맞춤되는 단일체 구성요소 등을 포함할 수 있다. 피스톤 칼라(76)는 또한 작업 중에 열량 감소를 위해 내부를 통과하는 하나 이상의 통로(도시 안됨)를 구비할 수 있다. 또 다른 예에 있어서, 피스톤(12)은 피스톤 로드(66)의 단부(70) 위에 조립되어 피스톤 칼라(76)가 조립되기 전에 슬라이딩하여 리테이닝 링(80)과 맞닿음할 수 있는 완충 칼라(78)를 구비할 수 있다. 대안적으로, 완충 칼라(78)는 피스톤 로드(66)의 단부(68) 위에서 조립되어 피스톤 로드(66)를 따라 하향 슬라이딩하여 피스톤 칼라(76)와 맞닿음한 다음, 피스톤 로드(66)와 완충 칼라(78)의 대응하는 홈들 내에 맞물림될 수 있는 리테이닝 링(80)에 의해 피스톤 로드(66) 상에 유지될 수도 있다. 완충 칼라(78)의 반경방향 내면(84)의 대응하는 홈 내에 시일(82)이 배치될 수 있다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 완충 칼라(78)는 반경방향 외면(86), 길이방향 축선(A)을 구비한 대략 원주방향으로 연속적 즉 환형일 수 있고, 축선방향 양쪽 단부(85, 87)를 구비할 수 있다. 양쪽 단부(85, 87) 사이에 시일(82)을 위한 환형 시일 홈(81)이 제공될 수 있다. 마찬가지로, 한쪽 단부(87)에, 리테이닝 링(80)을 위한 리테이닝 링 홈(79)이 제공될 수 있다.
완충 칼라(78)는 또한 한쪽 단부에서 완충 챔버(18)와 연통하고 다른쪽 단부에서 스프링 챔버(16)와 연통하는 하나 이상의 이동 통로(88, 94)를 구비할 수 있다. 이동 통로(88, 94)는 피스톤(12)의 이동 즉 피스톤(12)의 신장 위치와 수축 위치 사이의 왕복운동의 일부분 동안에 스프링 챔버(16)와 완충 챔버(18) 사이의 가스 유동을 적어도 부분적으로 제공할 수 있다.
첫번째로, 이동 통로(88, 94)는 양쪽 단부(85, 87) 사이의 완충 칼라(78) 내에 대략 축선방향으로 배치되는 하나 이상의 체크 통로(check passage)(88)를 포함할 수 있다. 체크 통로(88)는 양쪽 단부(85, 87)에서 원주방향으로 폐쇄되고 축선방향으로 개방될 수 있다. 체크 통로(88)는 하나 이상의 체크 밸브(90)(도 1)를 동반할 수 있다. 예컨대, 각각의 체크 통로(88)는 하나의 체크 밸브(90)를 동반할 수 있다. 완충 칼라(78)의 한쪽 단부(85)에서, 이동 통로는 또한 체크 통로(88)와 유체연통하는 하나 이상의 벤트(vent)(92)를 구비할 수 있다. 벤트(92)는 단부(85)에 오목하게 형성되어 횡방향으로 배치되어 완충 칼라(78)의 외면(86)과 개방 연통될 수 있다. 여기에 사용되는 것으로서, '횡방향'이라는 용어는 피스톤(12)의 길이방향 축선(L)(도 2)에 대해 0이 아닌 임의의 각도에 있는 임의의 방위를 포함한다.
두번째로, 이동 통로(88, 94)는 또한 피스톤(12)과 실린더(14) 사이에 배치되는 적어도 하나의 쓰로틀링 통로(throttling passage)(94)를 포함할 수 있다. 예컨대, 쓰로틀링 통로(94)는 완충 칼라(78)의 외면에 축선방향으로 배치될 수 있고, 양쪽 단부(85, 87) 사이의 전체에 뻗어 있을 수 있다. 여기에 또한 사용되는 것으로서, '축선방향'이라는 용어는 피스톤(12)의 길이방향 축선(L)에 실질적으로 평행한 방향을 포함한다. 예시의 실시형태에 있어서, 통로(94)는 완충 칼라(78)의 외면과 개방 유체연통되어 있는 홈 또는 개방 채널일 수 있고, 양쪽 단부(85, 87)와 개방 유체연통되어 있을 수 있다. 또 다른 실시형태에 있어서, 통로(94)는 스커트(54)의 내면(56)과 개방 유체연통되어 있는 홈 또는 개방 채널일 수 있다. 아래에 설명되는 바와 같이, 쓰로틀링 통로(94)는 통로(94)의 길이방향 높이 즉 길이의 함수로서의 가변 횡단면적으로 이루어진다. 따라서, 피스톤(12)이 복귀함에 따라, 쓰로틀링 통로(94)를 통한 유량은 피스톤(12)의 제어된 감속도를 제공하도록 변경된다. 제어된 감속도는 가변 감속도일 수 있다.
상술한 피스톤(12)을 예로 하여 피스톤을 설명하였지만, 피스톤은 더 많거나 더 적은 부품으로 구성 및 구조될 수 있을 것이다. 하나의 예로, 여러 가지 시일, 베어링 및 상술한 통로를 동반할 수 있는 일체화된 즉 원피스 피스톤 로드 및 칼라를 들 수 있다.
가스 스프링(10)은 또한 하나 이상의 베어링 또는 부싱을 구비할 수 있다. 예컨대, 피스톤 가이드(20)는 당해 피스톤 가이드(20)의 내면(52)의 하나 이상의 대응하는 홈 내에 피스톤 로드(66)와 협력작동하기 위한 가이드 베어링(96)을 동반할 수 있다. 또 다른 예에 있어서, 피스톤 칼라(76)는 그것의 외면의 대응하는 홈 내에 하나 이상의 피스톤 베어링(98)을 동반할 수 있다. 가이드 베어링(96) 및 피스톤 베어링(98)은 실린더(14) 내에서 축선방향 왕복운동하는 피스톤(12)의 안내를 도와줄 수 있다. 따라서, 가스 스프링(10)은 가이드 베어링(96)의 특별히 긴 길이 및 베어링(96, 98) 사이의 범위 즉 거리로 인해 피스톤(12)의 향상된 안내성을 제공한다. 가스는 피스톤 베어링(98) 내의 슬롯 및/또는 피스톤 칼라(76)의 반부들 사이의 공간을 통해 피스톤 베어링 및 피스톤 칼라(76)를 통과하여 자유롭게 유동할 수 있다.
가스 스프링(10)은 하나 이상의 시일을 구비할 수 있다. 첫번째로, 피스톤 가이드(20)와 하우징(22) 사이의 기밀 시일을 용이하게 하기 위해, 가이드 보디(48)의 외면(50)에 스프링 챔버 시일(102)과 백업 링(104)을 수용하기 위한 대략 원주방향의 시일 홈(100)이 제공될 수 있다. 시일(102)은 시일 홈(100)과 하우징(22)의 내면(30) 사이에서 압축된 O링일 수 있다. 두번째로, 하우징(22)의 개방 단부(28)에 근접하여 피스톤 가이드(20)의 외부 환형 홈(64) 내에 더스트 커버(dust cover)(106)가 배치될 수 있다. 세번째로, 피스톤 가이드(20)의 단부(60) 위치의 가이드 보디(48) 내의 대응하는 홈 내에 로드 와이퍼(rod wiper)(108)가 배치될 수 있다. 로드 와이퍼(108)는 피스톤 로드(66)와 맞물림하여 오염물 또는 부스러기가 가스 스프링(10)의 가이드 보디(48)와 피스톤 로드(66) 사이에 진입하는 것을 방지하는 립(lip)을 구비할 수 있다. 네번째로, 가이드 보디(48)의 내면(52)은 로드 와이퍼(108)로부터 축선방향으로 이격되어, 가스 스프링(10) 내의 가스가 가스 스프링(10)을 벗어나 피스톤 로드(66)와 피스톤 가이드(20) 사이로 누출되는 것을 방지하기 위해 피스톤 로드(66)와 밀봉 맞물림하는 로드 시일(112)을 수용하도록 되어 있는 대략 원주방향의 시일 쇼울더 및/또는 홈(110)을 구비할 수 있다. 다섯번째로, 피스톤 가이드(20)의 스커트(54)에 완충 시일(116)과 에너자이저(118)를 수용하기 위한 홈(114)이 제공될 수 있다. 쓰로틀링 통로(94)가 완충 칼라(78) 대신 스커트(54)에 구비되는 또 다른 실시형태에 있어서는, 완충 시일(116)과 에너자이저(118)는 완충 칼라(78) 내에 제공될 수 있다.
가스 스프링 사이클의 일부분 동안에, 완충 시일(116)은 완충 시일(116)의 한쪽의 스프링 챔버(16)를 완충 시일(116)의 다른쪽의 완충 챔버(18)로부터 분리시킨다. 쓰로틀링 통로(94)는 대응하는 완충 시일(116)에서 피스톤(12)의 변위 즉 복귀량에 의해 횡단면적이 변동한다. 여기에 사용되는 것으로서, "횡단면"이라는 용어는 길이방향 축선(L)을 횡단하는 일정 각도로 취해진 횡단면을 포함한다.
하나의 예시의 실시형태에 있어서, 스프링 챔버(16)는 하우징(22) 및 피스톤(12)에 의해 적어도 부분적으로 한정될 수 있다. 보다 구체적으로는, 챔버(16)는 벽(24, 26)에 의해 그리고 피스톤 로드(66)의 직경방향 영역 내에서의 피스톤(12)의 축선방향 대면 표면 영역에 의해 한정될 수 있다. 또한, 완충 시일(116)이 완충 칼라(78)의 외면(86)과 접촉하고 통로(94)의 경계를 이루고 있을 때, 완충 챔버(18)는 적어도 부분적으로 반경방향으로 피스톤 로드(66)의 외경부와 스커트(54)의 내경부 사이에서 적어도 부분적으로 한정될 수 있고, 축선방향으로 완충 시일(116)의 직경방향 영역 내에서 완충 시일(116)의 쇼울더(58)와 완충 칼라(78)의 단부(87) 사이에서 한정될 수 있다.
도 1 내지 도 6을 참조하여 가스 스프링(10)의 작동을 설명한다. 피스톤(12)이 실린더(14) 내에 수용되어 있고, 피스톤 가이드(20)가 리테이닝 링(36)에 의해 하우징(22) 내에 유지되어 있는 상태에서, 가스 스프링(10)은 충전 포트(44)를 통해 가스가 충전될 수 있다. 그에 따라, 가스 스프링(10)은 일정 충전량의 가압 가스를 유지하고 있고, 이 일정 충전량의 가압 가스는 조립체로서의 피스톤(12) 및 피스톤 로드(66)를 도 1에 도시된 바와 같은 신장 위치로 바이어스하고 있게 된다(외부 하중이 작용했을 때 되밀릴 수 있게).
일반적으로, 신장된 피스톤 로드(66)의 단부(68)에 맞닿음하는 프레스 램, 캠, 부품 리프터, 바인더 링 등(도시 안됨)을 구비한 다이 조립체 내에 복수의 충전된 가스 스프링(10)이 수용될 수 있다. 프레스 램이 전진될 때, 다이 구성요소가 하나 이상의 가스 스프링(10)의 바이어스력에 대항하여 가압되어 성형, 펀칭 등으로 가공될 금속 블랭크와 맞물림하게 된다. 가스 스프링(10)의 피스톤 로드(66)는 프레스 다이가 금속 블랭크를 성형 부품으로 성형하기 위해 폐쇄 위치를 향해 이동될 때 프레스력 하에 압축될 수 있다. 하지만, 프레스 램은 피스톤(12)의 바닥이 하우징(22)의 폐쇄 단부(26)에 닿기 전에 그것의 완전 신장 위치에 도달하여, 가스 스프링(10)에 대한 손상을 방지한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 피스톤(12)이 완전 신장 위치 즉 복귀 위치에 있도록 가스 스프링(10)이 정상 상태에 있을 때, 스프링 챔버(16)는 실질적으로 그것의 최대 체적 상태에 있고, 완충 챔버(18)는 실질적으로 그것의 최소 체적 즉 0 체적 상태에 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 피스톤(12)은 가스 스프링(10)의 수축 스트로크에 따라 하향 이동하고 있다. 피스톤(12)이 변위 즉 수축됨에 따라, 가스는 피스톤 칼라(76) 및 베어링(80)과 피스톤 가이드(20)의 단부(62) 사이의 증대되는 공간으로부터 벤트(92), 체크 밸브(90), 및 체크 통로(88)를 통해 완충 칼라(78)의 단부(87)와 피스톤 가이드(20)의 쇼울더(58) 사이의 증대되는 공간 내로 유동한다. 가스는 또한 피스톤 칼라(76) 및 베어링(98)과 피스톤 가이드(20)의 단부 사이의 증대되는 공간으로부터 쓰로틀링 통로(94)를 통해 증대되는 완충 챔버(18) 내로 유동할 수 있다.
가압 가스는 피스톤(12)의 스프링 챔버(16) 내로의 추가적인 이동으로 인해 챔버(16) 내의 압력이 증가함에 따라 스프링 챔버(16)로부터 완충 챔버(18)로 유동할 수 있다. 이는 각각의 압력 챔버(16, 18) 내의 가스 압력을 실질적으로 동일하게 유지시키려는 경향이 있다. 따라서, 이동 통로(88, 94)는 압력 챔버(16, 18) 사이에 일정량의 유체 유동을 자유롭게 허용하도록 치수결정될 수 있다. 완충 시일(116)은 사이클 중의 수축 스트로크의 적어도 일부분 동안에 챔버(16, 18) 사이의 분리를 유지시킨다.
하지만, 도 4에 도시된 바와 같이 스프링 챔버(16) 만이 한정되어 남겨지도록 피스톤(12)은 수축 스트로크 동안 하향 이동을 계속한다. 피스톤(12)의 이동이 완충 칼라(78)를 완충 시일(116) 및 스커트(54)로부터 분리시키기 때문에, 완충 챔버(18)는 더 이상 한정되지 않는다.
수축 스트로크 후에, 도 5를 참조하면, 프레스 램이 수축됨에 따라, 피스톤(12)은 피스톤 로드(66)의 단부(70) 상에 작용하는 가압 가스의 복귀력으로 인해 그것의 신장 위치를 향해 이동한다. 완충 시일(116)은 초기에 완충 칼라(78)의 외면(86)과 접촉 즉 재맞물림될 수 있다. 그 결과, 체크 밸브(90)는 폐쇄되고, 압력 챔버(16, 18)는 서로 구별되고, 이때 완충 챔버(18)는 쓰로틀링 통로(94)를 통한 일부 허용가능한 유체연통을 제외하고는 스프링 챔버(16)로부터 분리된다. 피스톤(12)이 그것의 신장 위치로 복귀함에 따라, 이제 재한정된 완충 챔버(18) 내의 가스는 시일(112, 116) 사이의 완충 칼라(78)의 표면적에 의해 압축된다. 쓰로틀링 통로(94)는 완충 칼라(78)의 단부(87)와 유체연통되어 있기 때문에, 챔버(18) 내의 압축 가스는 챔버(18) 내의 가스 압력이 스프링 챔버(16) 내의 가스 압력과 균등화를 시작할 수 있도록 쓰로틀링 통로(94)를 통해 일정 제어 비율로 유동할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 피스톤(12)은 그것의 신장 위치로 추가 이동되었다. 이 시점에서, 완충 시일(116)은 여전히 완충 칼라(78)와 접촉상태에 있다. 완충 챔버(18) 내의 가스는 피스톤(12)의 신장 위치로의 이동에 응답한 챔버(16, 18) 사이의 압력차에 의해 압축되어 있다. 이 챔버(16, 18) 사이의 압력차는 지속적일 수 있고, 스프링 챔버(16) 쪽에서 피스톤(12)에 작용하는 힘에 대항하는 완충 챔버(18) 쪽에서 피스톤(12)에 작용하는 힘을 발생시킨다. 하지만, 얼마간의 제한된 양의 가스가 쓰로틀링 통로(94)를 통해 유동하고, 이때 가스의 쓰로틀링 유동은 피스톤(12)이 도 1 및 도 2에 도시된 위치로 복귀할 때까지 피스톤(12)의 양쪽에 작용하는 힘들이 소정의 제어된 비율로 균등 상태에 접근하는 것을 가능하게 해준다. 또한 도 9를 참조하면, 통로(94)의 구역(II)과 구역(III) 사이의 전이점으로부터 시일(116)까지의 거리는 예컨대 약 0.2 내지 0.3 mm일 수 있다.
그러므로, 복귀하는 피스톤(12)의 속도가 쓰로틀링 통로(94)를 통한 가스 유동에 의해 확립되는 소정의 제어된 비율로 감소되도록, 피스톤(12)의 복귀는 지연된다. 속도를 감소시키는 제어된 비율은 가변적일 수 있다. 다시 말해, 피스톤(12)의 복귀 속도는 완충 챔버(18)로부터 쓰로틀링 통로(94)를 통해 스프링 챔버(16)로 유동하는 가스의 유동률에 따라 감소한다. 이 가스 유동률은 피스톤(12)의 완전 복귀 위치를 향한 완충 시일(116)에 상대적인 완충 칼라(78)의 변위 즉 복귀량과 함께 변동하는 통로(94)의 횡단면적에 응답하여 변동된다. 사이클 중의 이 특정 부분 동안에, 복귀하는 피스톤(12)의 속도는 가스 스프링(10)을 구동하고 있었던 프레스 램의 속도보다 작게 된다. 복귀하는 프레스 램의 속도가 복귀하는 피스톤(12)의 속도보다 큰 한, 프레스 램 상에 작용하는 피스톤(12)의 순힘은 0이 될 것이다. 피스톤(12)의 복귀 속도는 더 이상 스프링 챔버(16) 내의 가스 압력만의 함수가 되지 않게 되고, 속도는 쓰로틀링 통로(94)를 통한 변동하는 유동률의 함수가 된다.
궁극적으로, 챔버(16, 18) 사이의 가스 압력차가 지속될 수 있지만, 가스가 쓰로틀링 통로(94)를 통해 챔버(18)로부터 챔버(16)로 유동할 수 있고, 가스가 완충 챔버(18) 내에서 피스톤(12)에 작용하는 표면적보다 가스가 스프링 챔버(16) 내에서 피스톤(12)에 작용하는 표면적이 더 크기 때문에, 피스톤(12)은 그것의 완전 신장 위치로 바이어스될 것이다.
피스톤(12)이 그것의 복귀 스트로크 중의 최종 부분 동안 이동할 때, 피스톤(12) 상에 작용하는 변동하는 힘 차이의 결과로서, 프레스 램 운동은 가스 스프링(10)으로부터의 힘에 무관하게 되거나 가스 스프링(10)으로부터 작은 힘만을 영향받게 될 수 있다. 프레스 램의 복귀 시의 감소된 즉 낮은 충격력 및 속도는 프레스 진동 및 부분 바운딩을 감소시킬 수 있다. 통로(94)의 변동하는 횡단면적은 피스톤(12)의 복귀 속도가 소정의 제어된 비율로 감소하는 것을 가능하게 해준다(급격한 정지 및 부분 바운딩을 감소시키거나 회피시키기에 충분히 느리지만 양호한 생산율을 위해 충분히 빠른).
도 11은 대응하는 높이값에 대해 작성된 예시의 속도값의 그래프 형태의 감속도 도면이다. 도 11은 또한 예시의 실시형태에 의한 감속도의 상한 및 하한 즉 감속도의 범위를 보여주고 있다.
하나의 예시의 실시형태에 있어서, 약 3 in 내지 6 in 수축 스트로크를 가지는 가스 스프링에 대해, 복귀 스트로크 중의 마지막 약 1 in 내지 5 in는 완충될 수 있다. 보다 특정적으로는, 복귀 스트로크 중의 마지막 약 2 in 내지 3 in가 완충될 수 있다. 다시 말해, 하나의 예로, 복귀 스트로크 중의 마지막 약 1/6 내지 5/6가 완충될 수 있고, 보다 특정적으로는, 복귀 스트로크 중의 약 1/2 내지 2/3가 완충될 수 있다는 것이다. 이러한 완충 길이는 특히 복귀 스트로크 중에 발생되는 열의 양호한 조절을 제공할 수 있고, 특히 분당 사이클 관점에서 양호한 가동율을 가능하게 해줄 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 완충 길이는 복귀 스트로크 중의 더 많은 부분에 완충을 제공할 수 있고, 필요하다면, 심지어 복귀 스트로크의 전체 시간 길이에 완충을 제공할 수도 있다.
스커트(54)의 적당한 길이, 통로(94)의 깊이 등을 결정하는 데 용될 수 있는 예시적인 연산을 설명하기 위해, 특정의 비제한적인 예를 도 10 및 도 12 그리고 표 1 내지 표 3을 참조하여 아래에 설명한다.
아래의 표 1을 참조하면, 여러 가지 파라미터가 스프레드시트 소프트웨어과 방정식의 사용 및/또는 임의의 다른 적합한 방식의 사용에 의해 산출될 수 있다. 표 1에서, 초기 체적 파라미터는 완충 칼라(78)가 완충 시일(116)과 밀봉 맞물림되어 있을 때의 완충 챔버(18)의 최대 체적이다. 또한 표 1에서, 최대 완충 이동거리 파라미터는 피스톤(12)의 복귀 즉 신장 동안에 완충 시일(116)과 맞물림된 후의 완충 칼라(78)의 최대 이동거리이다. 초기 체적 파라미터는 일단 가스 스프링(10)의 다른 설계 파라미터들이 특정 가스 스프링 적용처에 의해 결정되거나 지시되면 연산될 수 있다. 균등화 이동거리 파라미터는 피스톤 복귀 즉 신장 중에 완충 챔버(18) 내의 가스를 압축하여 균등화 압력을 발생시켜 완충 특성이 발휘되게 해주는 거리이다.
초기 체적과 최대 완충 이동거리 파라미터는 소정의 값으로 조절될 수 있고, 챔버(16, 18) 사이의 균등화 후 피스톤의 변위 즉 이동거리를 연산하기 위해 표 1에서의 다른 파라미터들 및 연산값들과 함께 사용될 수 있다. 그러한 균등화 후 이동거리 파라미터는 다음으로 표 2 및 표 3을 참조하여 이하에 설명될 쓰로틀링 통로(94)의 증분형 횡단면 치수 및 대응하는 쓰로틀링 통로(94)의 절삭 깊이를 결정하기 위한 입력값으로서 사용될 수 있다.
표 1의 방정식들, 특히 균등화시 체적의 방정식은 등온 조건에서의 이상기체 법칙을 사용할 수 있다. 하지만, 결과값은 보다 엄밀한 단열 조건에 의해서나 쓰로틀링 통로(94)를 통한 다소간의 가스 누출에 의해서 +/- 20% 변동할 수 있다. 또한, 표 1의 데이터는 실험적으로 결정하거나 확정하는 것이 바람직할 수 있다.
예컨대, 하나의 실험 가스 스프링이 등속 쓰로틀링 통로를 가진 완충 칼라를 구비하여 생산될 수 있을 것이다. 예컨대, 실험 쓰로틀링 통로는 0.3 m/s의 일정 속도를 제공하기 위해 약 0.057"의 일정한 절삭 깊이로 형성될 수 있다. 도 12의 그래프를 참조하면, 실험 가스 스프링은 적합한 변위 변환기, 압력 센서, 데이터 취득 장비 등을 사용하여 작동 및 시험될 수 있다. 제1 그래프 선(P)은 실험 가스 스프링에 의해 발생된 압력 대 시간을 나타내고, 제2 그래프 선(D)은 피스톤 이동거리 대 시간을 나타낸다.
제1 그래프 선(P)에 있어서, 압력은 피스톤이 스트로크의 바닥 지점에 도달했을 때 제1 피크(p1)까지 상승하고, 그런 다음 완충이 시작되는 도 5에 도시된 바와 같은 피스톤의 위치에 상응하는 변곡점(p2)까지 떨어진다. 그 후에, 압력은 완충이 최대로 형성되는 제2 피크(p3)까지 급속하게 상승하고, 그런 다음 쓰로틀링 통로의 구역(II, III)을 통한 유동에 의해 감소한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 완충 칼라의 구역(III)은 제2 피크(p3) 후의 비교적 느린 압력 감소의 끝 부분과 챔버(18, 16)의 압력이 같아질 때까지의 급속한 압력 감소 부분의 양자를 포함하며, 피스톤은 도 1에 도시된 바와 같이 완전히 신장된다.
제2 그래프 선(D)에 있어서, 제1 거리(d1)는 피스톤의 수축을 나타내고, 제2 거리(d2)는 피스톤의 신장의 시작 부분을 나타낸다. 제3 거리(d3)는 최대 완충 이동거리 즉 완충이 시작될 때 시작되고 피스톤이 완전히 신장되었을 때 끝나는 피스톤의 신장의 끝 부분을 나타낸다. 제4 거리(d4)는 챔버들 사이에 균등화가 발생하도록 완충이 최대로 형성된 후의 신장 동안의 피스톤의 이동거리를 나타낸다.
Figure pat00001
쓰로틀링 통로(94)의 치수, 형상, 및 수량은 임의의 적합한 방식으로 결정될 수 있다. 예시의 실시형태에 있어서는, 쓰로틀링 통로(94)를 절삭하기 위해 볼 노우즈 엔드 밀(ball nose end mill)이 사용될 수 있고, 쓰로틀링 통로(94)는 횡단면 형상은 적어도 부분적으로 반원형이고, 종단면 형상은 적어도 부분적으로 포물선일 수 있다. 하지만, 다른 실시형태에 있어서, 쓰로틀링 통로(94)를 임의의 적합한 횡단면 형상 및/또는 종단면 형상으로 생산하기 위해 임의의 적합한 밀링 툴, 성형 툴, 주조 툴, 또는 임의의 다른 적합한 장치가 사용될 수 있다. 따라서, 일단 예컨대 표 1에서와 같은 가스 스프링(10)의 기본적인 설계 파라미터들과 함께 볼 노우즈 엔드 밀의 소정의 치수, 및 피스톤의 소정의 감속도를 알고 있다면, 소정의 감속도에 대응하는 피스톤의 변위 높이와 대응하는 변위 높이에서의 통로(94)의 깊이의 양자 모두를 결정할 수 있다.
표 2는 피스톤의 복수의 이산적 속도의 형태의 피스톤의 소정의 감속도를 포함하고 있다. 예컨대, 감속도 범위는 가스 스프링이 사용되는 프레스 또는 프레스 장비에 의해 지시될 수 있다. 이 예에서는, 9개의 이산적 속도가 사용되어, 0.675 m/s에서 0.025 m/s까지의 소정의 감속도 범위를 나타내고 있다. 하지만, 임의의 적합한 감속도 범위 및 속도 감소분이 사용될 수 있다.
표 2에 보여지는 바와 같이, 변위 높이는 최소 속도 증분값(0.025 m/s)에 대해 0이 될 수 있다. 그러한 증분값에서의 0.03 mm의 변위 높이는 0.025 m/s 속도 증분값에서 이론적인 0.0 m/s 속도까지의 이동거리를 나타낸다. 완충 시일(16)과 쓰로틀링 통로(94)의 단부 사이의 관계는 피스톤(12)이 이론적인 0.0 m/s에서 정지되거나 0.025 m/s 점에서 2 내지 3 mm의 이동거리를 허용하도록 설계될 수 있다.
Figure pat00002
첫번째로, 특정적인 소정의 속도 감소분에 대응하는 피스톤(12)의 이동거리 즉 변위 높이는 감속도를 표준 중력가속도(g)로 가정하여 소정의 속도 감소분으로부터 연산될 수 있다. 일반적으로, 높이는 다음과 같이 연산될 수 있다.
Figure pat00003
보다 구체적으로는, 초기 속도 감소분에 대응하는 높이는 다음과 같이 연산될 수 있다. 높이 = 1/2*(0.675 m/s)2/9.8 m/s2 = 0.0232 m 즉 23.2 mm. 높이는 표 1에서의 0.994 in (25.25 mm)의 균등화 후 이동거리보다 작다는 것에 주목하여야 한다. 높이 연산은 각각의 속도 감소분에 대해 반복될 수 있다.
두번째로, 알려진 치수의 밀을 위한 대응하는 변위 높이에서의 통로(94)의 깊이는 아래의 표 3에 나타낸 바와 같은 스프레드시트 소프트웨어 및 그 기초 방정식들의 사용 및/또는 임의의 다른 적합한 방식으로 연산될 수 있다. 표 3은 아래에 설명하는 바와 같이 질량 유량과 관련된 기초 방정식들로부터 연산되는 다양한 파라미터 및 파라미터값들을 나타내고 있다.
Figure pat00004
표 3의 좌측의 파라미터들과 예시의 값들은 다음과 같이 설명될 수 있다. 파라미터 k는 무단위 상수 - 비열비이다. R은 가스 상수이다. T는 전온도(total temperature)이다. 파라미터 pt는 예컨대 표 1에서 단위 환산 후의 균등화 압력(절대압)이다. 파라미터 pb는 예컨대 표 1에서 단위 환산 후의 초기 가스 스프링 압력이다. 파라미터 Ae는 이하에 더 자세히 설명하는 바와 같은 주어진 초기 속도 증분값에 대응하는 주어진 높이에서의 오리피스 또는 통로(94)의 횡단면적이다. 파라미터 p*는 마하수(Mach number)가 1과 같을 때의 압력이며, 아래 방적식 2에 의해 특징지워질 수 있다.
Figure pat00005
파라미터 Me는 마하수이며, 아래의 방정식 3에 의해 특징지워질 수 있다.
Figure pat00006
파라미터 Te는 정온도(static temperature)이며, 아래의 방정식 4에 의해 특징지워질 수 있다.
Figure pat00007
파라미터 ρe는 주어진 높이에서 유출되는 오리피스 또는 통로(94)에서의 가스 밀도이며, 아래의 방정식 5에 의해 특징지워질 수 있다.
Figure pat00008
파라미터 ce는 주어진 높이에서 유출되는 오리피스 또는 통로(94)에서의 음속이며, 아래의 방정식 6에 의해 특징지워질 수 있다.
Figure pat00009
파라미터은
Figure pat00010
은 질량 유량이며, 아래의 방정식 7에 의해 특징지워질 수 있다.
Figure pat00011
파라미터 ρt는 완충 챔버(18) 내의 전체 가스 밀도이며, 아래의 방정식 8에 의해 특징지워질 수 있다.
Figure pat00012
파라미터 mt는 완충 챔버(18) 내의 가스의 총 질량이고, 아래의 방정식 9에 의해 특징지워질 수 있으며, 여기서 균등화시 체적은 표 1에서 얻어질 수 있고, 단위 환산 인자가 곱해진다.
Figure pat00013
완충 지속시간은 아래의 방정식 10에 의해 특징지워질 수 있다.
Figure pat00014
파라미터 Vrod는 피스톤(12)의 속도이고, 아래의 방정식 11에 의해 특징지워질 수 있으며, 여기서 균등화 후 이동거리는 표 1에서 얻어질 수 있고, 단위 환산 인자가 곱해지고 완충 지속시간으로 나누어진다.
Figure pat00015
따라서, 일단 기본적인 가스 스프링 설계 파라미터들이 확립되면, 알려진 소정의 속도(Vrod) 및 대응하는 높이를 발생시키는 데 필요한 횡단면적(Ae)을 구할 수 있다. 일단 횡단면적(Ae)이 구해지고, 통로(94)를 절삭하는 데 사용될 볼 노우즈 엔드 밀의 치수를 알면, 대응하는 높이에서의 절삭 깊이를 결정할 수 있다. 이를 위해, 표 3의 우측에 위치한 오리피스/통로 파라미터들 및 기초 방정식 부분이 사용될 수 있다.
표 3의 우측의 다양한 파라미터들 및 예시의 값들은 원호에 대한 횡단면적 연산과 관련되어 있다. 도 10을 참조하여, 파라미터들이 다음과 같이 설명될 수 있다. r1은 완충 칼라(78)의 외반경이고; h1은 통로(94)의 횡단면 원호의 높이이고; d1은 완충 칼라(78)의 중심에서 원호(K1)를 한정하는 현(c)의 중간점까지의 거리이고; theta1은 원호(K1)의 중심각으로 원호(K1)의 호 길이를 r1으로 나눈 값과 같고; r2는 통로(94)를 생성하는 데 사용되는 볼 노우즈 엔드 밀의 반경이고; theta2는 원호(K2)의 중심각으로 원호(K2)의 호 길이를 r2로 나눈 값과 같고; d2는 원호(K2)를 한정하는 현의 중간점에서 원의 중심까지의 거리이다.
파라미터 d의 또 다른 표현법은 방정식 12로 제공된다.
Figure pat00016
파라미터 K의 또 다른 표현법은 원호의 면적이며, 아래의 방정식 13에 의해 특징지워질 수 있다.
Figure pat00017
쓰로틀링 통로(94)는 볼 노우즈 엔드 밀로 기계가공될 수 있기 때문에, 통로(94)의 횡단면적(Ae)은 절삭 깊이를 구하기 위한 반원과 관련된 공식 즉 방정식에 적용될 수 있다. 하지만, 통로(94)의 깊이가 볼 노우즈 엔드 밀의 반경보다 더 깊은 경우, 추가적인 깊이(h3) 및 대응하는 직사각형 면적(Arectangular)이 연산될 수 있다. 마찬가지로, 볼 노우즈 엔드 밀의 또 다른 추가적인 깊이(h2)가 연산될 수 있다. 최대 추가 깊이(h2)는 볼 노우즈 엔드 밀의 직경이다.
마지막으로, htotal은 깊이(h1), 엔드 밀 반경과 관련한 깊이(h2)의 일부 또는 전부, 및 소정의 감속도 스케줄에 따른 대응하는 높이에서의 소정의 피스톤 속도를 제공하기 위해 요구되는 임의의 추가적인 깊이(h3)를 포함하는 통로(94)의 전체 깊이이다. 도 10은 볼 노우즈 엔드 밀이 그것의 반경보다 큰 절삭 깊이로 진입된 예를 도시하고 있다.
당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자는 표 1 내지 표 3의 방정식들 및 스프레드시트는 복수의 이산적인 소정의 속도 감소분의 각각에서의 절삭 깊이 및 대응하는 높이를 수동으로 반복적으로 결정하기 위해 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자는 또한 방정식들 및 파라미터값들은 이산적 또는 연속적 자료에 기초하여 절삭 깊이를 구하기 위해 컴퓨터 프로그램에 편입될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위 내에 속하는 수정, 변경 및 다른 실시형태를 조언할 수 있다는 것을 이해해야 한다. 상술한 실시형태들은 예시를 목적으로 하고 있으며, 제한을 목적으로 하지 않는다. 본 발명의 범위는 이어지는 청구범위에 의해 한정된다.

Claims (14)

  1. 성형 장비용 가스 스프링에 있어서,
    실린더;
    신장 위치와 수축 위치 사이에서 왕복운동하도록 상기 실린더 내에 적어도 부분적으로 수용되는 피스톤으로서, 상기 피스톤의 한쪽 부분과 상기 실린더 사이에 제1 압력 챔버를 적어도 부분적으로 한정하고, 상기 피스톤의 다른쪽 부분과 상기 실린더 사이에 제2 압력 챔버를 적어도 부분적으로 한정하는 피스톤; 및
    상기 피스톤의 왕복운동의 적어도 일부분 동안에 상기 제1 압력 챔버와 상기 제2 압력 챔버 사이에서 유체연통되어 상기 피스톤과 상기 실린더 사이에 배치된 쓰로틀링 통로로서, 신장 위치를 향한 상기 피스톤의 복귀와 함께 변동하도록 상기 쓰로틀링 통로를 통한 가스 유동을 적어도 부분적으로 제한하여 상기 피스톤을 소정의 비율로 감속시키기 위해 상기 쓰로틀링 통로의 횡단면적이 상기 쓰로틀링 통로의 길이의 함수로서 변동하게 되어 있는 쓰로틀링 통로;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
  2. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 쓰로틀링 통로는 상기 피스톤의 외면에 개방된 홈인 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 실린더는 상기 제1 압력 챔버의 적어도 일부를 한정하는 내면을 가진 하우징, 및 상기 하우징 내에 적어도 부분적으로 수용되고 관통 보어를 가지고 있고 또한 상기 하우징의 내면에 대략 인접하여 배치되는 부분을 구비한 외면을 가지고 있는 피스톤 가이드를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 피스톤은 피스톤 로드 및 상기 피스톤 로드에 의해 지지된 피스톤 칼라를 포함하고 있고, 상기 피스톤 로드는 신장 위치와 수축 위치 사이에서 왕복운동하도록 상기 피스톤 가이드의 상기 관통 보어 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 상기 피스톤의 왕복운동의 적어도 일부분 동안에 상기 제2 압력 챔버의 적어도 일부가 상기 피스톤과 상기 피스톤 가이드 사이에 한정되는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 피스톤은:
    상기 피스톤 로드의 외면과 협력작동하도록 상기 피스톤 가이드의 내면의 적어도 하나의 대응하는 홈 내에 지지되는 적어도 하나의 가이드 베어링; 및
    상기 피스톤 칼라의 외면의 대응하는 홈 내에 지지되는 적어도 하나의 피스톤 베어링;을 더 포함하고 있어,
    상기 피스톤의 왕복운동의 적어도 일부분 동안에 상기 실린더 내에서의 상기 피스톤의 안내를 도와주는 것을 특징으로 하는 가스 실린더.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 실린더와 상기 피스톤 사이에 배치된 완충 시일로서, 사이클 중의 일부분 동안에, 상기 완충 시일의 한쪽에서 상기 실린더와 상기 피스톤에 의해 형성되는 상기 제1 압력 챔버를 상기 완충 시일의 다른쪽에서 상기 실린더와 상기 피스톤에 의해 형성되는 상기 제2 압력 챔버로부터 분리시키도록 되어 있는 완충 시일; 및
    상기 피스톤 로드와 상기 피스톤 가이드 사이에 배치된 피스톤 로드 시일;을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 피스톤 가이드는 가이드 보디, 및 상기 가이드 보디로부터 축선방향 아래로 연결되어 있는 스커트로서, 상기 피스톤의 신장 위치에서 상기 피스톤이 적어도 부분적으로 그 내부에 배치되는 스커트를 포함하고 있고, 상기 피스톤은 상기 피스톤 칼라와 상기 가이드 보디 사이에서 상기 피스톤 로드에 의해 지지되는 완충 칼라를 더 포함하고 있고, 상기 제1 압력 챔버는 상기 완충 시일이 상기 완충 칼라와 접촉하고 있을 때 상기 하우징과 상기 완충 시일의 한쪽의 상기 피스톤의 부분에 의해 한정되고, 상기 제2 압력 챔버는 상기 완충 시일이 상기 완충 칼라와 접촉하고 있을 때 상기 피스톤 로드 시일과 상기 완충 시일 사이에서 상기 피스톤의 다른쪽 부분과 상기 피스톤 가이드에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 피스톤은 수축 스트로크 중에 상기 완충 시일로부터 분리되고, 상기 피스톤은 복귀 스트로크 중에 상기 완충 시일과 재맞물림되고, 상기 피스톤이 상기 완충 시일과 재맞물림되는 시점에 상기 제1 압력 챔버와 상기 제2 압력 챔버는 상기 쓰로틀링 통로를 통해서만 유체연통되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 피스톤은:
    한쪽 단부에서 상기 제2 압력 챔버와 연통하고 다른쪽 단부에서 상기 제1 압력 챔버와 연통하는 적어도 하나의 체크 통로; 및
    상기 체크 통로 내의 적어도 하나의 체크 밸브;를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 실린더와 상기 피스톤 사이에 배치된 완충 시일로서, 사이클 중의 일부분 동안에, 상기 완충 시일의 한쪽에서 상기 실린더와 상기 피스톤에 의해 형성되는 상기 제1 압력 챔버를 상기 완충 시일의 다른쪽에서 상기 실린더와 상기 피스톤에 의해 형성되는 상기 제2 압력 챔버로부터 분리시키도록 되어 있는 완충 시일을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 피스톤은 피스톤 로드 및 상기 피스톤 로드에 의해 지지된 피스톤 칼라를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 실린더는 상기 제1 압력 챔버의 적어도 일부를 한정하는 내면을 가진 하우징, 및 상기 하우징 내에 적어도 부분적으로 수용되고 관통 보어를 가지고 있는 피스톤 가이드를 포함하고 있고, 상기 피스톤 로드는 신장 위치와 수축 위치 사이에서 왕복운동하도록 상기 피스톤 가이드의 상기 관통 보어 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 상기 가스 스프링은 상기 피스톤 로드와 상기 피스톤 가이드 사이에 배치된 피스톤 로드 시일을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 스프링.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 피스톤은:
    상기 피스톤 칼라의 외면의 대응하는 홈 내에 지지되는 적어도 하나의 피스톤 베어링을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 실린더.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 피스톤은:
    상기 피스톤 로드의 외면과 협력작동하도록 상기 피스톤 가이드의 내면의 적어도 하나의 대응하는 홈 내에 지지되는 적어도 하나의 가이드 베어링을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 가스 실린더.
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