KR20140009791A - 3위치 제어식 유공압 실린더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3위치 제어식 유공압 실린더에 관한 것으로, 내주면에 스토퍼(13)가 형성된 실린더 몸체(3); 상기 실린더 몸체(3)에 축방향으로 이동 가능하도록 일단이 삽입된 작동로드(5); 상기 작동로드(5)의 일단에 결합되도록 상기 실린더 몸체(3) 내에 장착되는 제1 피스톤(7); 상기 제1 피스톤(7)을 절첩식으로 상대 이동시킬 수 있도록 둘러싸면서, 상기 스토퍼(13)에 걸린 때 중립위치에 위치하도록 상기 실린더 몸체(3) 내주면을 따라 이동 가능하게 장착되는 제2 피스톤(9); 및 상기 제1 피스톤(7)보다 크고, 상기 제2 피스톤(9)보다 작은 직경을 가지며, 상기 제1 및 제2 피스톤(7,9)과 대향하도록, 상기 실린더 몸체(3) 내주면을 따라 이동 가능하게 장착되는 제3 피스톤(11);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 따라서 작동로드의 작동위치를 전진, 후퇴, 중립의 3위치로 제어할 수 있으므로, 복동식 실린더가 갖는 작동위치 다양성의 한계를 극복할 수 있고, 복동식 다단 실린더에 비해 단순하고 소형이므로 제조단가 절감과 공정 단순화를 도모할 수 있게 된다.

Description

3위치 제어식 유공압 실린더{3-position controlling type hydraulic or pneumatic cylinder}

본 발명은 유공압 실린더에 관한 것으로, 보다 상세하게는 작동위치가 하나인 단동식 실린더 또는 작동위치가 둘인 복동식 실린더가 가지는 제어 위치의 한계를 극복하도록 작동위치를 전진, 후퇴, 및 중립의 3가지로 증대시킨 3위치 제어식 유공압 실린더에 관한 것이다.

일반적으로, 유압식 또는 공압식 실린더는 공기는 기름 같은 작동유체의 유압 또는 공압을 이용하는 액츄에이터로서, 압축 공기나 작동유의 압력에너지를 기계적인 에너지로 변환하여 작동로드를 직선 운동시켜 대상 기계를 동작시킨다.

이들 실린더는 작동 형식에 따라 크게 단동식과 복동식으로 대별되는 바, 단동식 실린더는 한 방향으로만 작동유체의 압력을 작용시켜 작동로드를 이동시키고, 반대방향으로는 탄성부재 등에 의해 작동로드를 원래의 위치로 복귀시키는 구조를 가진다. 반면, 복동식 실린더는 작동유체를 양 방향으로 번갈아 투입하여 작동로드를 전진 또는 후퇴시키는 구조를 가진다.

그런데, 이와 같은 단동식 실린더는 물론, 복동식 실린더는 최대 작동위치가 전진 또는 후퇴 두 가지 뿐이어서, 다양한 작동위치가 요구되는 경우 복수의 복동식 실린더를 일렬로 연결한 다단 실린더를 사용할 수밖에 없었다.

예컨대, 전진, 중간, 후퇴의 3가지 작동위치가 요구되는 경우, 도 1에 도면부호 101로 도시된 것처럼, 다단 실린더는 2개의 동일한 복동식 실린더(110,110)를 일렬로 연결하여 작동위치를 구현하였다.

즉, 복동식 실린더(110) 각각의 작동로드(103) 전진 거리를 a로 하고, 후퇴된 위치를 0점으로 하면, 각각의 복동식 실린더(110)가 전진한 때 전체 다단 실린더(101)의 전진거리는 2a로 최대한 연장되며, 어느 하나의 복동식 실린더(110)만 전진하고, 나머지 하나는 0점에 후퇴 상태로 남아 있다면 다단 실린더(101)의 전진거리는 a로 최대 연장거리의 절반만 연장되며, 각각의 복동식 실린더(110)가 모두 0점에 남아 있다면, 다단 실린더(101)의 전진거리는 0이 되는 바, 전체적으로 최대 전진, 중간 전진, 후퇴의 3가지 작동위치를 갖게 된다.

그런데, 위와 같이 복동 실린더를 직결로 연결한 종래의 다단 실린더(101)는 복동 실린더(110) 각각을 연결하는 구조가 복잡해 지고, 연결하는 복동 실린더(110)의 수만큼 전체 길이가 배증되므로, 현장에의 적용이 까다로워지고, 불편해 지는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 다단 실린더(101)는 소요 부품의 수나 제작공정도 일렬로 연결한 복동 실린더(110)의 수만큼 배증되어 제작단가가 상승하고, 생산성이 떨어지는 문제점도 있었다.

본 발명은 위와 같은 종래의 복동식 다단 실린더가 가진 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 하나의 실린더 몸체 내에 3개의 피스톤 조합하여 배치함으로써, 전진, 후퇴, 중립 3점의 작동위치로 위치제어가 가능한 유압 또는 공압 실린더를 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 내주면에 스토퍼가 형성된 실린더 몸체; 상기 실린더 몸체에 축방향으로 이동 가능하도록 일단이 삽입된 작동로드; 상기 작동로드의 일단에 결합되도록 상기 실린더 몸체 내에 장착되는 제1 피스톤; 상기 제1 피스톤을 절첩식으로 상대 이동시킬 수 있도록 둘러싸면서, 상기 스토퍼에 걸린 때 중립위치에 위치하도록 상기 실린더 몸체 내주면을 따라 이동 가능하게 장착되는 제2 피스톤; 및 상기 제1 피스톤보다 크고, 상기 제2 피스톤보다 작은 직경을 가지며, 상기 제1 및 제2 피스톤(7,9)과 대향하도록, 상기 실린더 몸체 내주면을 따라 이동 가능하게 장착되는 제3 피스톤;을 포함하여 이루어지는 3위치 제어식 유공압 실린더를 제공한다.

또한, 상기 실린더 몸체는 상기 스토퍼로부터 전단까지의 내주면이 축소되어 축경부를 이루고, 상기 스토퍼로부터 후단까지의 내주면이 확대되어 확경부를 이루어, 상기 스토퍼가 걸림턱을 형성하도록 되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 피스톤은 상기 제2 피스톤의 후방으로는 노출되되 돌출되지 못하고 전방으로는 돌출될 수 있도록 상기 제2 피스톤 내에 축방향으로 구속되며, 상기 확경부를 따라 미끄럼 이동하도록 되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제3 피스톤은 상기 작동로드의 상기 제1 및 제2 피스톤(7,9) 전방에 외주면을 따라 이동 가능하게 삽입되며, 상기 축경부를 따라 미끄럼 이동하도록 되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 실린더 몸체는 벽면 일측에 관통되어 상기 제1 및 제2 피스톤(7,9)과 상기 제3 피스톤 사이에 대기압이 걸리도록 하는 통기공을 더 포함하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 3위치 제어식 유공압 실린더에 의하면, 작동로드의 작동위치를 전진, 후퇴, 중립의 3위치로 제어할 수 있으므로, 단동식은 물론 복동식 실린더가 갖는 작동위치 다양성의 한계를 극복할 수 있게 된다.

또한, 작동위치 다양성의 한계를 극복하기 위해 복수의 복동식 실린더를 다단으로 직렬 연결하지 않아도 되므로, 전체적인 구조를 상대적으로 단순화시킬 수 있고, 길이도 절반 이상 줄일 수 있으며, 따라서 현장에의 적용이나 취급이 용이해 진다.

또한, 위와 같이 전체적인 구조가 소형화, 단순화되므로, 소요 부품의 수나 제작공정도 감소하여 제작단가를 낮추고, 생산성은 크게 향상시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래의 3위치 제어가 가능한 복동식 다단 실린더를 개략 도시한 정면도.
도 2는 본 발명에 따른 3위치 제어식 유공압 실린더를 중립위치에서 도시한 종단면도.
도 3은 도 2의 실린더를 전진위치에서 도시한 종단면도.
도 4는 도 2 의 실린더를 후퇴위치에서 도시한 종단면도.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 3위치 제어식 유공압 실린더를 첨부도면을 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 3위치 제어식 유공압 실린더는 도 2에 도면부호 1로 도시된 바와 같이, 실린더 몸체(3), 작동로드(5), 제1 피스톤(7), 제2 피스톤(9), 및 제3 피스톤(11)으로 이루어진다.

여기에서, 먼저 상기 실린더 몸체(3)는 일반적인 유공압 실린더의 몸체와 마찬가지로 길이방향으로 연장된 원통형 통체로서, 전방 측벽(25)의 중심 부분에 작동로드(5)가 끼워지는 삽입공(29)이 관통되어 있다. 또한, 실린더 몸체(3)는 내주면의 길이방향으로 중간 지점에 실린더(1)의 중립위치를 구현하기 위한 스토퍼(13)가 원주방향으로 배열되어 형성되는 바, 특히 도시된 것처럼 제2 피스톤(9)의 외주연이 걸려 정지됨으로써 중립위치에 놓이도록 한다.

이때, 스토퍼(13)는 도시되어 있지 않지만 제2 피스톤(9) 또는 제3 피스톤(11)을 중립위치 즉, 실린더 몸체(3)의 중간위치에 정지되도록 할 수 있는 것이면 어떤 형태나 배열도 취할 수 있는 바, 본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 실린더 몸체(3)의 내주면에 축경부(15)와 확경부(17)를 형성하여 그 경계에 생기는 걸림턱으로 스토퍼(13)를 형성하도록 되어 있다. 따라서, 축경부(15)는 스토퍼(13)로부터 실린더 몸체(3)의 전단까지 내주면의 직경을 상대적으로 짧게 축소하여 형성되며, 확경부(17)는 스토퍼(13)로부터 실린더 몸체(3)의 후단까지 내주면의 직경을 상대적으로 길게 연장하여 형성된다.

또한, 실린더 몸체(3)는 도 2에 도시된 것처럼, 내부공간이 3개의 피스톤(7,9,11)에 의해 3분할되는 바, 제3 피스톤(11)과 전방 측벽(25) 사이에는 전방 챔버(31)가, 제1 피스톤(7) 및 제2 피스톤(9)과 후방 측벽(27) 사이에는 후방 챔버(33)가, 제1 피스톤(7) 및 제2 피스톤(9)와 제3 피스톤(11) 사이에는 중간 챔버(35)가 각각 형성된다. 또한, 실린더 몸체(3)는 벽면의 전방단 일측에 전방 유통공(21)이 관통되고, 후방단 일측에 후방 유통공(23)이 관통되어, 유압 또는 공압의 작동유체를 전방 챔버(31) 또는 후방 챔버(33)로 각각 출입시킴으로써, 작동로드(5)를 원하는 작동위치로 변위시킬 수 있도록 되어 있다. 이때, 각각의 유통공(21,23)에는 개폐밸브가 장착되어 각각의 전방 또는 후방 챔버(31,33)로의 작동유체 유출입을 제어하도록 되어 있다.

끝으로, 실린더 몸체(3)는 도 2에 도시된 바와 같이, 벽면의 중간 부분에 통기공(19)이 관통되어 대기 중으로 연결되는 바, 이 통기공(19)은 제1 및 제2 피스톤(7,9)과 제3 피스톤(11) 사이에 형성되는 중간 챔버(35)에 대기압이 걸리도록 한다. 이에 따라, 전방 챔버(31) 또는 후방 챔버(33)에 충진된 작동유체를 각각의 전방 및 후방 유통공(21,23)을 통해 배출하여 피스톤(7,9,11) 위치를 제어할 때 중간 챔버(35) 체적 변화로 발생하는 저항(압축 및 팽창)을 방지하여 피스톤의 원활한 작동 및 위치제어를 가능하게 한다.

상기 작동로드(5)는 실린더(1)의 작동단을 형성하는 봉체로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 일단이 삽입공(29)을 통해 실린더 몸체(3)에 삽입되어 축방향으로 이동 가능하도록 되어 있으며, 타단에 결합되는 또는 타단에 의해 가압되는 차량 변속기와 같은 각종 피구동 부재를 동작시키도록 되어 있다.

상기 제1 피스톤(7)은 작동로드(5)와 직접적으로 결합되는 피스톤으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 작동로드(5)의 후단에 고정핀(37)에 의해 일체로 결합되는 바, 3개의 피스톤(7,9,11) 중 최소의 직경을 가지며, 유일하게 작동로드(5)와 함께 움직이도록 실린더 몸체(3) 내에 장착된다.

상기 제2 피스톤(9)은 실린더(1)가 중립위치를 구현할 수 있도록 스토퍼(13)에 직접적으로 걸리도록 되어 있는 중공 원통형의 피스톤으로서, 도 2에 도시된 것처럼, 내부가 비어 있으며, 전후방단이 개방되어 있다. 따라서, 내부 공간에 삽입되는 제1 피스톤(7)을 둘러싸도록 되어 있는 바, 제1 피스톤(7)은 제2 피스톤(9)에 대해 상대 이동 가능하도록 절첩식으로 결합된다. 즉, 제2 피스톤(9)은 제1 피스톤(7)이 전방의 개방단을 통해 제2 피스톤(9) 밖으로 돌출될 수 있도록 하되, 내주면 전방단에 전방 멈춤턱(41)이 반경방향 내측으로 돌출되어 제1 피스톤(7) 외주면에 반경방향 외측으로 돌출된 걸림돌기(39)가 걸리도록 함으로써, 제1 피스톤(7)이 제2 피스톤(9)으로부터 이탈되는 것을 방지한다. 또한 제2 피스톤(9)은 내주면 후방단에 후방 멈춤턱(43)이 반경방향 내측으로 돌출되어 제1 피스톤(7)의 후단면 외주연이 걸리도록 함으로써, 제1 피스톤(7)이 제2 피스톤(9)의 후방에 형성된 개방단을 통해 외부로 노출은 되지만, 개방단을 통해 제2 피스톤(9) 밖으로 돌출되거나 이탈되지는 못하도록 한다. 따라서, 제1 피스톤(7)은 도 2의 중립위치에서 걸림돌기(39)와 전방 멈춤턱(41) 사이의 거리만큼만 이동하도록 제2 피스톤(9) 내에 축방향으로 구속됨으로써, 제2 피스톤(9)에 대해 상대 이동 가능하게 즉, 제2 피스톤(9)에 절첩식으로 신축 가능하게 결합된다. 이때, 제1 피스톤(7) 외주면 일측에 밀봉링(51)이 감겨 제2 피스톤(9)과의 사이를 밀봉하도록 되어 있다.

한편, 제2 피스톤(9)은 3개의 피스톤(7,9,11) 중 최대의 직경을 가지는 바, 실린더 몸체(3)의 내주면 확경부(17)에 밀착되어 확경부(17)를 따라 미끄럼 이동하도록 되어 있다. 이때, 제2 피스톤(9)은 확경부(17)와의 사이를 밀봉하도록 전후방단에 각각 밀봉링(53,55)이 끼워진다.

상기 제3 피스톤(11)은 제1 및 제2 피스톤(7,9)과 대응하여 동작하는 중간 크기의 피스톤으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 피스톤(7,9)과 대향하도록 작동로드(5)의 제1 및 제2 피스톤(7,9) 앞쪽에 삽입되어 실린더 몸체(3) 내에 장착된다. 따라서, 제3 피스톤(11)은 실린더 몸체(3)의 전방에 위치하는 내주면 축경부(15)을 따라 이동 가능하도록 되어 있는 바, 제1 피스톤(7)보다는 직경이 크고, 제2 피스톤(9)보다는 직경이 작게 되어, 배압이 동일할 때 제1 피스톤(7)을 가압 이동시킬 수 있지만, 제2 피스톤(9)에 의해서는 오히려 밀리게 된다. 이때, 제3 피스톤(11)도 마찬가지로 실린더 몸체(3)의 내주면 축경부(15)와의 사이를 밀봉하도록 외주면 일측에 밀봉링(57)이 끼워지며, 작동로드(5)와의 사이에도 밀봉링(59)이 끼워진다.

이제, 위와 같이 구성되는 본 발명에 따른 3위치 제어식 유공압 실린더(1)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실린더(1)는 작동 시 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 중립위치, 전진위치, 및 후퇴위치의 3가지 위치를 취하도록 되어 있다.

여기에서, 먼저 도 3의 전진위치에서 도 2에 도시된 중립위치가 되려면, 도 3의 상태에서 전방 유통공(21)으로 이어진 관로의 개폐밸브가 개방되어 작동유체가 전방 유통공(21)을 통해 전방 챔버(31)로 유입된다. 이때, 후방 챔버(33)에는 실린더(1) 전진 시 후방챔버(33)로 유입된 작동유체가 그대로 충진 상태를 유지한다. 이에 따라, 제1 피스톤(7)과 제2 피스톤(9)의 배면에 동일한 압력이 걸리지만, 수압면의 면적이 더 큰 제3 피스톤(11)이 수압면적이 더 작은 제1 피스톤(7)을 도 3의 좌측으로 밀게 되며, 작동로드(5)는 제1 피스톤(7)을 따라 후퇴한다. 그 후, 제3 피스톤(11)의 후단이 도 2에 도시된 것처럼 제2 피스톤(9)의 전단에 접촉한 때 제1 및 제2 피스톤(7,9)에 의한 수압면의 면적이 제3 피스톤(11)의 수압면적보다 커지면서 제3 피스톤(11)은 제1 및 제2 피스톤(7,9)에 막혀 후퇴를 멈추게 되며, 이때 작동로드(5)는 중립위치로 설정된다.

반대로, 도 4의 후퇴위치에서 도 2의 중립위치가 되기 위해서는, 도 4의 상태에서 후방 유통공(23)으로 이어진 관로의 개폐밸브가 개방되어 작동유체가 후방 유통공(23)을 통해 후방 챔버(33)로 유입되며, 전방 챔버(31)에는 실린더(1) 후퇴 시 전방 챔버(31)로 유입된 작동유체가 그대로 충진 상태를 유지한다. 이에 따라, 제1 및 제2 피스톤(7,9)과 제3 피스톤(11)의 배면에 동일한 압력이 걸리지만, 수압면의 면적이 더 큰 제1 및 제2 피스톤(7,9)이 수압면적이 더 작은 제3 피스톤(11)을 도 4의 우측으로 밀게 되며, 작동로드(5)는 제1 피스톤(7)을 따라 전진한다. 그 후, 도 2에 도시된 것처럼 제2 피스톤(9)의 전단이 스토퍼(13)에 걸리면, 제2 피스톤(9)은 더 이상 전진할 수 없어 제3 피스톤(11)을 더 밀 수 없게 되고, 수압면이 작은 제1 피스톤(7)은 수압면이 더 큰 제3 피스톤(11)을 단독으로 밀 수 없게 된다. 이에 따라, 제1 피스톤(7)과 작동로드(5)는 중립위치로 설정된다.

한편, 작동로드(5)가 도 2의 중립위치에서 도 3의 전진위치로 이동하기 위해서는, 후방 유통공(23)을 통해 후방 챔버(33)로 작동유체를 공급하는 동시에, 전방 유통공(21)으로 이어진 관로의 개폐밸브를 개방하여 전방 챔버(31)에 충진되어 있던 작동유체를 외부로 배출한다. 이에 따라, 배압이 사라진 제3 피스톤(11)은 배압이 유지된 제1 피스톤(7)에 의해 도 3과 같이 실린더 몸체(3)의 전방단까지 우측으로 밀리며, 제3 피스톤(11)이 실린더 몸체(3)의 전방단에 접촉한 때 작동로드(5)는 최대로 전진하게 된다.

반대로, 작동로드(5)가 도 2의 중립위치에서 도 4의 후퇴위치로 이동하기 위해서는, 전방 유통공(21)을 통해 전방 챔버(31)는 작동유체가 공급되고, 후방 유통공(23)으로 이어진 관로의 개폐밸브는 개방되어 후방 챔버(33)에 충진되어 있던 작동유체를 외부로 배출한다. 이에 따라, 배압이 사라진 제1 및 제2 피스톤(7,9)은 배압이 유지된 제3 피스톤(11)에 의해 도 4에 도시된 것처럼 실린더 몸체(3)의 후방단까지 좌측으로 밀리며, 제1 및 제2 피스톤(7,9)이 실린더 몸체(3)의 후방단에 접촉한 때 작동로드(5)는 제1 피스톤(7)과 함께 최대로 후퇴하게 된다.

1 : 3위치 제어식 유공압 실린더 3 : 실린더 몸체
5 : 작동로드 7 : 제1 피스톤
9 : 제2 피스톤 11 : 제3 피스톤
13 : 스토퍼 15 : 축경부
17 : 확경부 19 : 통기공
21 : 전방 유통공 23 : 후방 유통공
31 : 전방 챔버 33 : 후방 챔버
33 : 중간 챔버 35 : 중간 챔버
39 : 걸림돌기 41 : 전방 멈춤턱
43 : 후방 멈춤턱 51, 53, 55, 57, 59 : 밀봉링

Claims (5)

1. 내주면에 스토퍼가 형성된 실린더 몸체;
   상기 실린더 몸체에 축방향으로 이동 가능하도록 일단이 삽입된 작동로드;
   상기 작동로드의 일단에 결합되도록 상기 실린더 몸체 내에 장착되는 제1 피스톤;
   상기 제1 피스톤을 절첩식으로 상대 이동시킬 수 있도록 둘러싸면서, 상기 스토퍼에 걸린 때 중립위치에 위치하도록 상기 실린더 몸체 내주면을 따라 이동 가능하게 장착되는 제2 피스톤; 및
   상기 제1 피스톤보다 크고, 상기 제2 피스톤보다 작은 직경을 가지며, 상기 제1 및 제2 피스톤(7,9)과 대향하도록, 상기 실린더 몸체 내주면을 따라 이동 가능하게 장착되는 제3 피스톤;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 3위치 제어식 유공압 실린더.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 실린더 몸체는 상기 스토퍼로부터 전단까지의 내주면이 축소되어 축경부를 이루고, 상기 스토퍼로부터 후단까지의 내주면이 확대되어 확경부를 이루어, 상기 스토퍼가 걸림턱을 형성하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 3위치 제어식 유공압 실린더.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 피스톤은 상기 제2 피스톤의 후방으로는 노출되되 돌출되지 못하고 전방으로는 돌출될 수 있도록 상기 제2 피스톤 내에 축방향으로 구속되며, 상기 확경부를 따라 미끄럼 이동하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 3위치 제어식 유공압 실린더.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제3 피스톤은 상기 작동로드의 상기 제1 및 제2 피스톤(7,9) 전방에 외주면을 따라 이동 가능하게 삽입되며, 상기 축경부를 따라 미끄럼 이동하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 3위치 제어식 유공압 실린더.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 실린더 몸체는 벽면 일측에 관통되어 상기 제1 및 제2 피스톤(7,9)과 상기 제3 피스톤 사이에 대기압이 걸리도록 하는 통기공을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3위치 제어식 유공압 실린더.
   
   

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