KR20180023798A - 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더에 관한 것으로서, 중공형상으로 형성되어 일단에 결합되는 제1 캡과 타단에 결합되는 제2 캡을 구비하고, 외주면을 따라 탄소섬유로 와인딩되는 실린더; 및 실린더의 축방향을 따라 이동하는 피스톤을 구비하는 로드;를 구비하고, 실린더는 제2 캡과 맞닿는 종단에서 반경방향을 향하여 확장되는 확장판; 및 확장판과 제2 캡이 결합되도록 확장판에 밀착되는 제1 밀착부와 제1 밀착부에서 제2 캡의 둘레면을 감싸도록 연장 돌출되는 제2 밀착부를 구비하는 결합재;를 포함한다.
본 발명에 의하면, 탄소섬유를 실린더에 와인딩하여 실린더의 두께를 감소시켜 경량화를 이루어 유압 실린더의 효율을 증대시킬 수 있으며, 탄소섬유를 통해 별도의 방식처리 없이 방식성능을 증대시켜 유압 실린더의 내구년한을 증대시키고 유지관리 비용을 절감할 수 있다.

Description

탄소재를 이용한 경량 유압 실린더{Light hydraulic cylinder using carbon-fiber}

본 발명은 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 탄소재를 이용하여 유압 실린더를 경량화할 수 있는 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더에 관한 것이다.

유압실린더는 실린더하우징과, 실린더 하우징의 내경에 운동가능하게 배치되는 피스톤과, 피스톤으로부터 연장되어 실린더 하우징의 외측으로 연장되는 실린더로드로 구성되는 것으로서, 실린더 하우징에 유출입되는 작동유에 의해 실린더 로드가 신장 및 수축하면서 기계적인 일을 수행하는 부품으로서 건설기계 또는 기계설비용 등에 많이 사용되고 있다.

이러한 유압실린더는 유압펌프에서 만들어지는 압력을 이용하여 통상 200 ~ 250 bar의 고압의 유체압력을 이겨내야 하고, 10톤 이상의 힘을 지지해야 한다. 따라서 실린더와 로드는 기계구조용 강관이 적용되어 두껍게 설계되고 있으며, 두꺼운 설계두께로 인하여, 유압실린더의 자체 무게가 증가되는 문제점이 있다.

이와 같이 유압실린더의 무게가 증가하게 되면, 건설기계 또는 기계설비의 전체적인 중량이 증가하게 되어 건설기계 또는 기계설비의 효율이 감소하는 문제점이 발생하게 된다. 또한, 자체 중량이 증가하는 것은 최근 정부의 연비 및 배기가스규제에 대응을 위해 각 완성차 업체에서 경량화의 총력을 기울이고 있는 상황에서 경량화를 이루는데 장애요소로 작용하게 된다.

한편, 이러한 유압실린더는 가혹한 외부환경에 노출되기 때문에 별도의 방식 처리와 지속적인 유지관리를 통해 유압실린더의 품질을 일정하게 유지시켜줄 필요가 있다. 하지만 건설기계 또는 기계설비에 적용되는 유압실린더에 대한 적절한 유지관리 지침이 마련되어 있지 않고, 이러한 지침이 제도화되어 있지 않기 때문에 지속적인 유지관리가 이루어지지 않아 유압실린더의 사용수명이 단축되고 있어 유압실린더의 방식성능을 증대시킬 수 있는 방법이 요구되고 있다.

(한국등록특허 제10-15317063호, 2015년 06월 19일)

본 발명의 목적은 탄소재를 이용하여 유압 실린더를 경량화함과 동시에 유압실린더의 방식성을 증대시키면서 피로 수명을 증대시킬 수 있는 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더를 제공하는데 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더는 중공형상으로 형성되어 일단에 결합되는 제1 캡과 타단에 결합되는 제2 캡을 구비하고, 외주면을 따라 탄소섬유로 와인딩되는 실린더; 및 실린더의 축방향을 따라 이동하는 피스톤을 구비하는 로드;를 구비하고, 실린더는 제2 캡과 맞닿는 종단에서 반경방향을 향하여 확장되는 확장판; 및 확장판과 제2 캡이 결합되도록 확장판에 밀착되는 제1 밀착부와 제1 밀착부에서 제2 캡의 둘레면을 감싸도록 연장 돌출되는 제2 밀착부를 구비하는 결합재;를 포함한다.

여기서, 결합재는 확장판과 제2 캡의 종단이 밀봉되도록 제2 밀착부의 종단에서 실린더의 중심을 향하여 연장되는 제3 밀착부를 구비할 수 있다.

여기서, 제1 밀착부의 종단에서 제1 캡 방향을 향하여 연장되어 실린더의 외경을 감싸도록 형성되는 보강부를 더 구비할 수 있다.

여기서, 제2 밀착부는 제2 캡과 맞닿는 영역과 나사 결합되도록 나사홈이 형성될 수 있다.

여기서, 로드는 축방향을 따라 수납공간을 형성하고, 탄소섬유가 와인딩되어 탄소환봉을 형성하여 탄소환봉이 수납공간에 삽입될 수 있다.

본 발명에 의한 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더는 탄소섬유를 실린더에 와인딩하여 실린더의 두께를 감소시켜 경량화를 이루어 유압 실린더의 효율을 증대시킬 수 있다.

또한, 탄소섬유를 통해 별도의 방식처리 없이 방식성능을 증대시켜 유압 실린더의 내구년한을 증대시키고 유지관리 비용을 절감할 수 있다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더의 사시도이다.
도 2는 도 1의 "A"의 부분확대 사시도이다.
도 3은 도 2의 변형 실시예에 대한 부분확대 사시도이다.
도 4는 도 1의 "B"의 부분확대 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실린더의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 로드의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 변형 실시예에 따른 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제2 변형 실시예에 따른 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더의 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, “~상에”라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더의 사시도이며, 도 2는 도 1의 "A"의 부분확대 사시도이고, 도 3은 도 2의 변형 실시예에 대한 부분확대 사시도이고, 도 4는 도 1의 "B"의 부분확대 사시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실린더의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 로드의 단면도이다.

도 1 내지 도 6을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더는 실린더(100) 및 로드(200)를 포함하여 구성된다.

실린더(100)는 중공형상으로 형성되어 외주면을 따라 와인딩되는 탄소섬유(110), 실린더(100)의 일단에 결합되는 제1 캡(120)과 타단에 결합되는 제2 캡(130)을 구비한다.

실린더(100)는 기계구조용 탄소강 재질로 형성되며, 축방향을 따라 로드(200)가 이동할 수 있도록 중공으로 형성된다. 이때, 실린더(100)의 타단은 제2 캡(130)과 맞닿는 종단에서 반경방향을 향하여 확장되는 확장판(140)이 형성된다. 따라서 확장판(140)의 외주면직경은 실린더(100)의 관경직경보다 크게 형성된다.

한편, 실린더(100)의 외주면은 탄소섬유(110)로 와인딩 된다. 실린더(100)에 탄소섬유(110)의 부착강도를 증가시키기 위하여 탄소섬유(110)에 수지중합체를 도포하면서 실린더(100)를 와인딩할 수 있다. 실린더(100)는 탄소섬유(110)로 와인딩되어 설계두께의 감소를 이룰 수 있다. 만약, 실린더(100)가 기계구조용 탄소강으로만 적용될 경우에는, 실린더의 최소 두께를 6mm 이상으로 확보해야 내압 및 충격 등에 저항할 수 있다. 하지만, 강판의 두께를 증가시키게 되면 실린더의 중량이 증가하게 되어 유압 실린더의 전체적인 효율이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.

이러한 이유로, 본 발명의 실시예에 따른 유압 실린더는 실린더(100)의 외주면을 0.4mm ~ 0.5mm의 직경을 갖는 탄소섬유로 와인딩할 수 있다. 따라서 실린더(100)의 외경은 탄소섬유의 한번 와인딩에 의해 0.4mm ~ 0.5mm의 두께를 증가시킬 수 있다. 이때, 실린더(100)의 외경은 실린더(100)의 사용용도에 따라 와인딩되는 탄소섬유의 횟수를 조정하여 탄소섬유를 0.4 ~ 100mm의 두께로 와인딩될 수 있다. 이와 같은 탄소섬유(110)의 와인딩을 통하여 실린더(100)의 중량을 35 ~ 60% 정도를 감소시킬 수 있으며, 인장강도, 압축강도 및 좌굴강도를 확보하여 유압 실린더의 효율을 증대시킬 수 있다.

또한, 실린더(100)의 표면을 탄소섬유(110)로 와인딩함으로써 실린더(100)를 부식으로 방지할 수 있다. 따라서 별도의 방식처리 없이 실린더(100)의 표면을 보호함으로써 가혹한 환경에서 사용되는 실린더(100)의 내구성을 증대시킴으로써 유지관리 비용의 절감 및 내구년한을 증대시킬 수 있다.

한편, 실린더(100)의 표면은 미세한 요철이 형성될 수 있다. 이때, 요철은 실린더(100)의 둘레방향을 따라 홈이 형성될 수 있다. 이와 같이 실린더(100)의 표면에 형성된 요철은 수지중합된 탄소섬유를 실린더(100)의 둘레방향을 따라 와인딩시켜 탄소섬유와 실린더(100)의 부착강도를 증대시켜 실린더(100)의 강도를 증대시킬 수 있다.

실린더(100)를 관통하여 형성되는 오일 공급부(미도시)가 형성되는 것은 자명한 사실이다.

제1 캡(120)은 실린더(100)의 일단에 결합되어 실린더(100)의 입구측을 밀봉하며, 로드(200)의 이동을 안내하는 역할을 한다. 제1 캡(120)은 실린더(100)의 일단에 나사결합 방식으로 결합되기 위해서 실린더(100)와 맞닿는 면에 나사산(121)이 형성될 수 있다.

제1 캡(120)의 내주면에는 축방향을 따라 적어도 하나 이상의 요홈(122)을 형성한다. 요홈(122)은 축방향을 따라 이동하는 로드(200)의 외주면과 제1 캡(120)의 내주면과 맞닿는 면적을 줄임으로써 로드(200)의 축방향 이동에 따른 마찰손실을 감소시켜 로드(200)의 원활한 스트로크를 유도할 수 있다.

또한, 제1 캡(120)의 외주면에는 단차(123)를 형성할 수 있다. 단차(123)는 제1 캡(120)이 실린더(100)에 볼트 결합된 상태에서 실린더(100)를 지지함으로써 실린더(100)와 제1 캡(120)의 견고한 결합상태를 유지하도록 할 수 있다.

제2 캡(130)은 실린더(100)의 타단에 결합된다. 제2 캡(130)은 밀착판(131)을 중심으로 실린더(100)에 삽입되는 돌출부(132)를 형성하고, 돌출부(132)의 타단에는 외부기기와 연결되도록 돌출 형성되는 연결구(133)를 구비한다.

돌출부(132)는 실린더(100)에 삽입될 때, 밀착판(131)의 외주면이 확장판(140)과 맞닿아 밀착되면서 실린더(100) 내부를 밀봉하게 된다. 이때, 돌출부(132)의 둘레면은 씰링재(미도시)가 삽입되어 확장판(140)이 실린더(100)에 맞닿을 때 견고하게 밀착되도록 유도할 수 있다.

결합재(150)는 확장판(140)과 밀착판(131)이 밀착 결합되도록 확장판(140)에 밀착되는 제1 밀착부(151)와 제1 밀착부(151)에서 밀착판(131)을 둘레면을 감싸도록 돌출되는 제2 밀착부(152)를 구비한다. 결합재(150)는 용접에 의해서 확장판(140)과 제2 캡(130)을 결합시켜 실린더(100)의 타단을 밀봉시킬 수 있다.

한편, 결합재(150)는 제1 밀착부(151)의 종단에서 제1 캡(120) 방향을 향하여 연장되어 실린더(100)의 외경을 감싸도록 형성되는 보강부(153a)를 더 구비할 수 있다. 실린더(100)는 탄소섬유로 와인딩될 때에, 양측종단이 중앙부에 비해서 상대적으로 와인딩이 어려워 중앙영역보다 강도가 저하될 수 있다. 이때, 보강부(153a)는 제1 밀착부(151)의 종단에서 제1 캡(120) 방향을 향하여 연장되어 실린더(100)의 외경을 감싸도록 형성됨으로써 실린더(100)의 양측종단에서 발생할 수 있는 강도저하를 방지함으로써 실린더(100)의 축방향을 따라 전체적으로 균일한 강도를 발휘하도록 유도할 수 있다.

이때, 보강부(153b)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 캡(120) 방향을 향하여 단면의 두께를 작아지도록 테이퍼 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같이, 테이퍼 형상으로 형성된 보강부(153b)는 실린더(100)의 관경이 큰 경우에, 실린더(100)의 종단을 보강하면서 제1 캡을 향하여 단면의 두께를 감소시켜 보강부(153b)를 성형하기 위한 재료의 증가를 방지할 수 있다.

로드(200)는 일방향을 따라 연장되어 실린더(100)의 내부에 삽입되어 축방향을 따라 이동하면서 로드(200)의 요크부(210)에 연결된 기계구조의 직선 또는 회전 운동 등을 제공하는 역할을 한다. 로드(200)의 일단은 외부와 연결되는 요크부(210)를 형성하고 타단에는 피스톤(220)이 형성된다.

이때, 로드(200)의 내부에 수납공간(230)이 형성된다. 수납공간(230)은 탄소환봉(231)이 삽입되어 로드(200)의 좌굴강도 및 비틀림 강성을 증대시키면서 로드(200)의 중량을 감소시킬 수 있다. 따라서 전체적인 유압 실린더의 중량 감소를 통해서 유압 실린더의 효율과 유압 실린더가 장착되는 장비의 효율을 증대시킬 수 있게 된다.

한편, 로드(200)의 수납공간(230)에 탄소환봉(231)을 삽입하는 방법으로는, 수납공간(230)에 탄소환봉(231)을 밀어넣고, 로드(200)와 요크부(210)가 맞닿는 면을 맞대기 용접 등을 통하여 일체로 형성할 수 있다. 피스톤(220)과 로드(200)가 맞닿는 면도 맞대기 용접 등을 통하여 일체로 형성할 수 있다. 이때, 탄소환봉(231)은 수지중합체와 같은 고분자 수지를 이용하여 탄소환봉을 형성함으로써 탄소환봉의 형상이 변하지 않도록 환봉형상을 유지하여 수납공간(230)에 원활하게 삽입할 수 있다.

만약, 로드(200)에 중공을 형성하지 않고, 로드(200)의 직경을 작게 한 상태에서 로드의 외주면을 탄소섬유로 와인딩하면, 실린더(100) 내부에서 상하방향을 따라 로드(200)가 이동할 때에 실린더(100) 내부에 수용되어 있는 윤활유와 탄소섬유의 마찰이 증가하게 되어 유압 실린더의 효율이 감소하게 된다. 또한, 로드의 직경이 작아지기 때문에 로드(200)의 압축강도 및 좌굴강도가 감소하여 축방향을 따라 이동하는 로드(200)에 좌굴파괴(buckling failure) 또는 인장파괴(tensile failure) 등의 파단이 일어날 가능성이 높아지게 된다.

따라서 로드(200)는 중공을 형성하면서, 중공 내부에 탄소환봉(231)을 삽입시켜 로드(200)의 중량을 감소시키면서 단면적이 줄어들지 않도록 하는 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명의 제1 변형 실시예에 따른 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더의 사시도이다.

도 7을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제1 변형 실시예에 따른 유압 실린더결합재(150)는 제2 밀착부(152)의 종단에서 실린더(100)의 중심을 향하여 연장되는 제3 밀착부(154)를 형성한다.

이때, 제3 밀착부(154)는 제2 밀착부(152)와 밀착판(131)을 서로 밀착시킨 상태에서 스피닝(spinning) 공법에 의해서 형성될 수 있다. 즉, 제3 밀착부(154)는 제2 밀착부(152)의 종단이 밀착판(131)의 내주반경을 향하여 소성가공에 의해서 연장되어 결합재(150) 사이에 밀착판(131)과 확장판(140)이 배치되도록 할 수 있다.

따라서 결합재(150) 사이에 배치된 확장판(140) 및 밀착판(131)은 밀실하게 압착되면서 결합되어 진동 및 반복 하중과 같은 피로하중에서도 분리되지 않도록 견고한 체결력을 유지할 수 있다.

또한, 결합재(150)는 스피닝(spinning) 공법에 의한 소성가공을 통해 확장판(140)와 밀착판(131)을 용접과 같은 방법 없이 결합시킴으로써 모재의 손상없이 견고한 체결강도를 유지시킬 수 있으며, 용접부위에서 발생할 수 있는 피로균열 및 인한 피로파괴 등을 원천적으로 차단할 수 있다.

또한, 결합재(150)는 제1 밀착부(151)의 종단에서 제1 캡(120) 방향을 향하여 연장되어 실린더(100)의 외경을 감싸도록 형성되는 보강부를 더 구비할 수 있다(미표시, 도 3참조).

도 8은 본 발명의 제2 변형 실시예에 따른 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더의 사시도이다.

도 8을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제2 변형 실시예에 따른 유압 실린더는 밀착판(131)의 외주면과 제2 밀착부(152)와 맞닿는 외주면에 나사 결합되도록 나사홈(155)이 형성되어 밀착판(131)의 외주면과 제2 캡(130)과 맞닿는 영역에 나사 결합을 형성할 수 있다. 이와 같은 방법을 통해서 제2 캡(130)과 밀착판(131)을 견고한 체결강도를 유지시킬 수 있다.

이때, 제1 밀착부(151)와 실린더(100)의 외주면이 맞닿는 영역은 용접에 의해서 결합될 수 있으며, 제2 캡(130)은 전체적으로 실린더(100)의 종단과 결합된다.

또한, 결합재(150)는 제1 밀착부(151)의 종단에서 제1 캡(120) 방향을 향하여 연장되어 실린더(100)의 외경을 감싸도록 형성되는 보강부를 더 구비할 수 있다(미표시, 도 3참조).

이와 같은 방법은 연결부재와 결합할 때, 용접되는 영역을 최소화함으로써 모재의 손상을 최대한 방지할 수 있게 된다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100 : 실린더 110 : 탄소섬유
120 : 제1 캡 130 : 제2 캡
140 : 확장판 150 : 결합재
200 : 로드 210 : 요크부
220 : 피스톤 230 : 수납공간
231 : 탄소환봉

Claims (5)

1. 중공형상으로 형성되어 일단에 결합되는 제1 캡과 타단에 결합되는 제2 캡을 구비하고, 외주면을 따라 탄소섬유로 와인딩되는 실린더; 및
   상기 실린더의 축방향을 따라 이동하는 피스톤을 구비하는 로드;를 구비하며,
   상기 실린더는,
   상기 제2 캡과 맞닿는 종단에서 반경방향을 향하여 확장되는 확장판; 및
   상기 확장판과 상기 제2 캡이 결합되도록 상기 확장판에 밀착되는 제1 밀착부와 상기 제1 밀착부에서 상기 제2 캡의 둘레면을 감싸도록 돌출되는 제2 밀착부를 구비하는 결합재;를 포함하는 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더.
2. 제1항에 있어서,
   상기 결합재는,
   상기 확장판과 상기 제2 캡의 종단이 밀봉되도록 상기 제2 밀착부의 종단에서 상기 실린더의 중심을 향하여 연장되는 제3 밀착부를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 밀착부의 종단에서 상기 제1 캡 방향을 향하여 연장되어 상기 실린더의 외경을 감싸도록 형성되는 보강부를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2 밀착부는,
   상기 제2 캡과 맞닿는 영역과 나사 결합되도록 나사홈이 형성된 것을 특징으로 하는 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더.
5. 제1항에 있어서,
   상기 로드는,
   축방향을 따라 수납공간을 형성하고, 탄소섬유가 와인딩되어 탄소환봉을 형성하며, 상기 탄소환봉이 상기 수납공간에 삽입된 것을 특징으로 하는 탄소재를 이용한 경량 유압 실린더.
   

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