KR20160087630A - 유압 장치용 피스톤 슈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유압 장치용 피스톤 슈에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈는, 동합금 재질로 제공되는 패드(120); 및 사판(300)과 접하는 쪽에 포켓(112)이 형성되어 상기 포켓(112)에 상기 패드(120)가 수용되고, 상기 패드(120)보다 내마모성이 우수한 재질로 제공되는 바디(110);를 포함하고, 상기 패드(120)는 상기 바디(110)에서 돌출되게 돌출 높이(A)를 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

유압 장치용 피스톤 슈{Piston Shoe for Hydraulic system}
본 발명은 유압 장치용 피스톤 슈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유압펌프 또는 유압모터에서 피스톤에 설치되고 사판의 표면에 부양하며 이동함으로써 피스톤을 왕복 운동시키도록 하는 유압 장치용 피스톤 슈에 관한 것이다.
유압장치는 유압펌프와 유압모터를 포함한다. 유압펌프는 기계적인 회전에너지를 유압에너지로 변환시키는 장치이다. 유압모터는 유압에너지를 기계적인 회전 에너지로 변환하는 장치이다.
첨부도면 도 1을 참조하여 유압장치에 대하여 설명한다. 도 1은 피스톤 슈가 유압장치에 구비된 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 유압 장치는 피스톤 슈(10)와 피스톤(20)과 사판(30)과 실린더 블록(40)과 샤프트(50)를 포함하여 구성된다.
피스톤 슈(10)와 피스톤(20)은 볼 조인트로 조립된다. 또한, 피스톤 슈(10)와 피스톤(20)의 내부에는 유로가 형성된다.
사판(30)은 경사지게 배치되고, 사판(30)의 표면에는 피스톤 슈(10)가 배치된다. 피스톤 슈(10)가 이동되면 피스톤 슈(10)는 사판(30)의 표면에서 미끄러진다.
실린더 블록(40)은 내부에 홀수 개의 실린더가 복수로 형성된다. 또한, 실린더 블록(40)의 한쪽에는 밸브 플레이트(41)가 구비된다. 복수의 실린더에는 상술한 피스톤(20)이 조립된다.
샤프트(50)는 실린더 블록(40)과 사판(30)을 관통하여 배치되고, 샤프트(50)와 실린더 블록(40)은 스플라인으로 조립된다. 즉, 실린더 블록(40)과 샤프트(50)는 항상 함께 회전되는 것이다.
유압 장치가 펌프 기능을 수행할 때에는 샤프트(50)가 외부로부터 전달되는 동력에 의해 회전된다. 이로써 샤프트(50)가 회전되고, 아울러 실린더 블록(40)이 회전된다. 이로써 실린더 블록(40)에 구비된 복수의 피스톤(20)은 왕복 운동을 수행하면서 오일을 흡입하거나 토출 한다.
피스톤(20)의 왕복 운동에 대하여 좀더 상세하게 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 피스톤 슈(10)는 사판(30)에 밀착되어 있으므로, 실린더 블록(40)에서 피스톤(20)의 위치는 사판(30)의 경사각도와 대응된다. 즉, 도 1을 참조하면, 도 1에서 중심선보다 하측에 배치된 피스톤(20)은 실린더 블록(40)에서 외측으로 뽑혀진 상태이고, 도 1에서 중심선보다 상측에 배치된 피스톤(20)은 실린더 블록(40)의 내측으로 박힌 상태이다. 한편, 실린더 블록(40)이 중심선을 중심으로 회전하면 하측에 배치된 피스톤(20)은 실린더 블록(40)의 내측으로 점점 이동된다. 반대로, 상측에 배치된 피스톤(20)은 실린더 블록(40)에서 외측으로 점점 이동된다. 즉, 실린더 블록(40)이 회전됨으로써 피스톤(20)은 왕복 운동한다. 특히, 피스톤(20)이 실런더 블록(40)의 외측으로 이동되는 동안에는 오일 흡입이 이루어지고, 피스톤(20)이 실런더 블록(40)의 내측으로 이동되는 동안에는 오일 토출이 이루어진다.
한편, 피스톤(20)과 피스톤 슈(10)의 내부에 형성된 유로를 통하여 오일의 일부가 이동되고, 이렇게 이동된 오일은 피스톤 슈(10)와 사판(30)의 사이에 압력을 형성하며, 오일의 압력에 의해 피스톤 슈(10)는 사판(30)의 표면에서 부양될 수 있다.
실린더 블록(40)이 고속으로 회전하는 고속 조건에서는 피스톤 슈(10)가 사판(30)에서 부양됨으로써 물리적으로 분리된 상태가 구현되고, 피스톤 슈(10)와 사판(30)간에 마찰이 발생되지 않는다.
그러나 경계 윤활 조건 또는 저속 조건에서는 피스톤 슈(10)와 사판(30)의 사이에서 압력이 형성되지 않거나, 압력이 약하여 피스톤 슈(10)가 부양되지 않을 수 있다. 이러한 경우에 피스톤 슈(10)와 사판(30)간에 마찰로 인하여 마모가 진행되고, 마모의 진행수준에 따라 오일의 누설량이 증가되어 유압 장치의 수명이 단축되거나 효율이 저하될 수 있다.
이에 부연 설명한다. 피스톤(20)의 상사점 즉, 피스톤 내부의 오일이 토출되어 피스톤 슈(10)에 압력이 형성되지 않는 영역이 있다. 이러한 영역에서는 피스톤 슈(10)의 부양력이 부족하게 되어 자중과 원심력에 의해 도 2에 나타낸 바와 같이 피스톤 슈(10)의 틸팅(T: Tilting)이 발생한다.
피스톤 슈(10)의 틸팅(T)은 피스톤 슈(10)의 모서리와 사판(30)이 고체 접촉하게 하여 모서리 부분에서 마모를 발생시키는 원인이 된다.
그리고 피스톤 슈(10)의 마모는 랜드부의 면적을 감소시키고 불균일하게 함으로써 정압 베어링의 부양력과 복원모멘트를 감소시키는 문제가 있다.
일본 실용신안등록공보 제2518462호(1996.09.03.) 일본 공개특허공보 특개평11-351132(1999.12.21.)
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 피스톤 슈의 부양력이 부족하여 자중과 원심력에 의해 피스톤 슈의 틸팅 현상이 발생하더라도 피스톤 슈의 마모를 최소화할 수 있도록 하여 피스톤 슈의 내구성을 향상시킬 수 있도록 하는 하는 유압 장치용 피스톤 슈를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈는, 금속 재질로 제공되는 패드(120); 및 사판(300)과 접하는 쪽에 포켓(112)이 형성되어 상기 포켓(112)에 상기 패드(120)가 수용되고, 상기 패드(120)보다 내마모성이 우수한 재질로 제공되는 바디(110);를 포함하고,
상기 패드(120)는 상기 바디(110)에서 돌출되게 돌출 높이(A)를 가지는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈는, 상기 패드(120)의 돌출 높이(A)가 0.1mm 내지 3mm일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈는, 상기 패드(120)가 동합금 재질이고, 상기 바디(110)가 합금강일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈는, 상기 바디(110)의 축선(cl)을 지나는 바디(110)의 단면에서, 상기 축선(cl)의 직교면(po)에 대하여 상기 바디(110)의 모서리와 상기 패드(120)의 모서리를 연결하는 경사선(L)이 이루는 각도(C)를 가지고, 상기 각도(C)는 4도 내지 10도 인 것일 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈는 피스톤 슈의 틸팅(Tilting)이 발생되더라도 틸팅(Tilting)에 의한 패드 마모를 방지하거나 바디에 의해 패드의 마모를 지연시킬 수 있는 것으로써 높은 내마모성을 구현할 수 있다.
도 1은 피스톤 슈가 유압장치에 구비된 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 피스톤 슈가 틸팅되는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈를 설명하기 위한 단면도 및 상세도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈의 마모 수준을 보인 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈의 표면 마모 수준을 보인 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈의 오일 누설량의 수준을 보인 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예와 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 크기가 과장되게 도시될 수 있다.
한편, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 도 3 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈에 대해서 설명한다. 첨부도면 도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈를 설명하기 위한 단면도 및 상세도이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 유압장치용 피스톤 슈(100)는 바디(110)에 포켓(112)이 형성되고, 그 포켓(112)에 패드(120)가 구비된다. 한편, 바디(110)와 패드(120)는 용융 또는 접합 등의 방법으로 결합될 수 있다.
바디(110)는 패드(120)보다 내마모성이 우수한 금속 재질 또는 합금강으로 제공된다. 그리고 패드(120)는 금속 재질로 제공되고, 바람직하기로는 패드(120)의 재질은 동합금일 수 있다.
특히, 패드(120)의 표면은 바디(110)의 표면에서 돌출되게 돌출 높이(A)를 가진다. 또한, 바디(110)는 패드(120)의 외주에서 두께(B)를 가진다.
한편, 바디(110)의 축선(cl)을 지나는 바디(110)의 단면에서, 축선(cl)의 직교면(po)에 대하여 바디(110)의 모서리와 패드(120)의 모서리를 연결하는 경사선(L)이 이루는 각도(C)를 가진다. 그 각도(C)는 4도 내지 10도가 가장 바람직하다.
이로써 본 발명의 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈(100)가 유압 장치에 조립되었을 때에 사판과 패드(120)가 접촉될 수 있다.
한편, 유압 장치가 고속 조건으로 작동되는 경우에, 피스톤 슈(100)는 사판에서 부양되므로 피스톤 슈(100)와 사판 간에 마찰이 발생되지 않는다. 그러나 유압 장치가 저속 조건이거나 피스톤의 상사점에서는 피스톤 슈(100)를 부양시키도록 하는 압력이 형성되지 않을 수 있다.
특히, 유압 장치의 저속 조건이나 피스톤의 상사점에서는 피스톤 슈(100)에 틸팅이 발생할 수 있다.
상술한 바와 같이 피스톤 슈(100)에 틸팅(Tilting)이 발생하는 조건에서 틸팅(Tilting)의 각도가 피스톤 슈(100)의 각도(C)보다 클 경우에 패드(120)보다 바디(110)가 우선하여 사판(300)과 접촉하게 될 수 있다.
이때, 바디(110)는 패드(120)보다 내마모성이 우수한 재질로 제공됨으로써 마모에 대한 저항이 강하다.
특히, 틸팅(Tilting)의 각도가 피스톤 슈(100)의 각도(C)보다 클 경우에 도 4에 나타낸 바와 같이, 패드(120)가 사판(300)과 고체 접촉하는 것을 방지해 준다.
한편으로, 틸팅(Tilting)의 각도(T)가 피스톤 슈(100)의 각도(C)보다 작을 경우에 패드(120)는 바디(110)보다 사판(300)과 우선하여 접촉하여 마모될 수 있지만, 각도(C)에 의해 일정 수준 마모 이후에는 바디(110)가 사판(300)과 접촉함으로써 패드(120)의 마모를 지연시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 유압 장치의 피스톤 슈(100)는 피스톤 슈(100)의 작동 중에 틸팅(Tilting)에 의한 패드(120) 마모를 방지하거나 바디(110)에 의해 패드(120)의 마모를 지연시킬 수 있는 것으로써 높은 내마모성을 구현할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 실시예에 따른 유압 장치의 피스톤 슈는 높아진 내마모성에 의해 유압 장치의 수명과 효율을 증가시킬 수 있다. 구체적으로, 피스톤 슈(100)의 모서리 마모를 방지하여 랜드부의 면적 감소에 의한 정압 베어링의 부양력과 복원모멘트가 감소되는 문제를 해결할 수 있다. 또한, 피스톤 슈(100)와 사판(300) 사이의 틈새에서 발생하는 유압유의 누설이 증가하는 것을 방지하여 유압 장치의 수명과 효율을 증가 시킬 수 있다.
이하, 표 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 피스톤 슈의 실시예들과 비교예를 대비하여 설명한다.
No. 구조 돌출 높이(A) 두께(B) 각도(C) 마모량 표면 이상
비교예1 동합금 0mm 0mm 0도 51㎛ 이상 없음
실시예1 패드(동합금)
/
바디(합금강)		 0mm 0mm 0도 7.0㎛ 일부 소착
실시예2 0.1mm 2.8mm 2도 8.5㎛ 일부 소착
실시예3 0.1mm 1.43mm 4도 12.0㎛ 이상 없음
실시예4 0.1mm 0.95mm 6도 13.6㎛ 이상 없음
실시예5 0.1mm 0.71mm 8도 15.5㎛ 이상 없음
실시예6 0.1mm 0.57mm 10도 20.3㎛ 이상 없음
비교예2 0.1mm 0.47mm 12도 36.2㎛ 이상 없음
비교예3 0.1mm 0.4mm 14도 49.8㎛ 이상 없음
한편, 피스톤 슈(100)의 기능을 고려하여 돌출 높이(A)와 바디의 두께(B)가 3mm보다 작게 제공되는 것이 바람직하다. 돌출 높이(A)와 바디의 두께(B)가 3mm를 초과하는 경우에 피스톤 슈(100)의 랜드부 면적이 감소할 수 있고, 나아가 유압 장치의 성능 및 효율이 저하될 수 있기 때문이다. 본 발명의 실시예에서는 2.8mm이하로 실험하였다.
표 1은 실험의 결과값을 나타낸다. 실험은 피스톤 슈(100)의 동작을 모사할 수 있는 RIG시험기를 사용하여 시험하였다. 시험은 피스톤 슈(100)의 틸팅(Tilting)이 발생할 수 있는 저속 회전 조건인 회전 속도 100RPM, 사판 각도 15도로 수행되었다. 시험 결과는 표면에서의 이상마모를 관찰하고 피스톤 슈(100)의 모서리부 마모를 측정하여 평가하였다.
이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈의 작용효과에 대하여 설명한다.
첨부도면 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈의 마모 수준을 보인 그래프이다.
표 1과 도 4에 나타난 바와 같이, 비교예의 경우 피스톤 슈(100)의 마모가 50㎛ 수준으로 매우 높은 것에 반해, 실시예1 내지 실시예6에서 각도(C)가 0도 내지 10도 사이일 때에 마모 수준이 낮은 것으로 확인할 수 있다.
실시예1 내지 실시예2는 각도(C)가 0도 내지 2도로 설정된 경우이다. 실시예 1 내지 실시예2는 바디(110)의 가장자리 표면에서 사판(100)과의 고체 접촉에 의한 소착이 관찰되었다.
실시예3 내지 실시예6은 각도(C)가 4도 내지 10도로 설정된 경우이고, 실시예3 내지 실시예6은 소착이 발생되지 않았다.
비교예 2 내지 비교예 3은 각도(C)가 12도 내지 14도로 설정된 경우이고, 비교예2 내지 비교예3은 소착이 발생되지 않았지만 마모량이 급격하게 증가되었다.
첨부도면 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈의 표면 마모 수준을 보인 그래프이다.
또한, 도 6에 나타낸 바와 같이, 표면 마모 상태를 관찰한 결과에 따르면, 종래의 피스톤 슈(10)는 표면 마모 상태가 매우 불량하게 나타났다. 그러나 본 발명의 실시예에 따른 실시예 4는 비교예와 비교하여 모서리부 마모가 매우 더디게 나타나는 것을 알 수 있다.
첨부도면 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈의 오일 누설량의 수준을 보인 그래프이다.
또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 오일 누설량의 수준을 비교하여 관찰한 결과에 따르면, 본 발명의 실시예는 비교예에 보다 오일의 누설량이 감소된 것을 알 수 있다. 좀 더 구체적으로는 실시예4는 비교예와 비교하여 누설량이 30% 감소한 것을 확인 할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈(100)는 바디(110)의 축선(cl)을 지나는 바디(110)의 단면에서, 축선(cl)의 직교면(po)에 대하여 바디(110)의 모서리와 패드(120)의 모서리를 연결하는 경사선(L)이 이루는 각도(C)를 가지고, 그 각도(C)는 4도 내지 10도가 가장 바람직하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따른 유압 장치용 피스톤 슈는 유압 펌프의 피스톤에 구비되어 오일을 펌핑하는 데에 이용될 수 있고, 유압 모터의 피스톤에 구비되어 유압에 의해 기계적인 동력을 얻는 데에 이용될 수 있다.
10, 100: 피스톤 슈 110: 바디
112: 포켓 120: 패드
20: 피스톤 30, 300: 사판
40: 실린더 블록 41: 밸브 플레이트
50: 샤프트
A: 패드의 돌출 높이
B: 바디의 두께
C: 바디(110)의 축선(cl)을 지나는 단면에서, 축선(cl)의 직교면(po)에 대하여 바디의 모서리와 패드의 모서리를 연결하는 경사선(L)이 이루는 각도

Claims (4)

  1. 금속 재질로 제공되는 패드(120); 및
    사판(300)과 접하는 쪽에 포켓(112)이 형성되어 상기 포켓(112)에 상기 패드(120)가 수용되고, 상기 패드(120)보다 내마모성이 우수한 금속 재질로 제공되는 바디(110);를 포함하고,
    상기 패드(120)는 상기 바디(110)에서 돌출되게 돌출 높이(A)를 가지는 것을 특징으로 하는 유압 장치용 피스톤 슈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 패드(120)의 돌출 높이(A)가 0.1mm 내지 3mm 인 것
    을 특징으로 하는 유압 장치용 피스톤 슈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 패드(120)가 동합금 재질이고, 상기 바디(110)가 합금강인 것
    을 특징으로 하는 유압 장치용 피스톤 슈.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 바디(110)의 축선(cl)을 지나는 바디(110)의 단면에서,
    상기 축선(cl)의 직교면(po)에 대하여 상기 바디(110)의 모서리와 상기 패드(120)의 모서리를 연결하는 경사선(L)이 이루는 각도(C)를 가지고,
    상기 각도(C)는 4도 내지 10도 인 것
    을 특징으로 하는 유압 장치용 피스톤 슈.
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