KR20180036251A - 기어펌프 - Google Patents

Abstract

게시된 발명은 연속접촉 헬리컬 기어의 구동축에 연결설치되는 내부로터와, 상기 내부로터에 결합되는 외부로터를 구비하되, 상기 내부로터와 외부로터가 상호 편심된 형태로 치합되는 지로터; 및
탱크 유로에 연통하는 흡입구와 유압장치에 연통하는 유압공급라인에 연결되는 토출구를 포함하되, 상기 흡입구는 상기 탱크 유로를 통하여 유체가 상기 헬리컬 기어에 유입되도록 바디 일측에 형성되고, 상기 토출구는 상기 헬리컬 기어의 토출유로와 상기 지로터의 토출유로와 연통되도록 형성되는 하우징;을 포함하며,
펌핑 작동시에 상기 지로터의 맥동이 상기 헬리컬 기어의 토출유로에 연통되어 헬리컬 기어의 맥동이 상쇄된다.

Description

기어펌프{Gear Pump}

본 발명은 기어펌프에 관한 것이며, 보다 상세하게는 헬리컬 기어와 지로터가 결합되어 유압원에 저장된 유체를 펌핑할 수 있으며, 저소음 및 호환성이 양호한 기어펌프에 관한 것이다.

일반적으로, 기어펌프는 엔진이나 전동모터 등에 의해 구동되어 유압원으로서 오일이나 작동유를 포함하는 유체가 펌프 하우징 내부에 흡입되고, 정압을 이용하여 유체가 펌프 하우징 외부에 토출됨으로써 여러 가지 유압장치에 소정의 구동력 혹은 유압을 공급하는 장치로 사용되고 있다.

종래에 잘 알려진 기어펌프는 도1에 도시된 바와 같이, 펌프 하우징 내부에 한쌍의 기어(1,2), 예컨대 인벌류트 기어들이 맞물려 회전함에 의해서 오일이 토출된다. 통상적으로 기어펌프는 구동기어를 회전시키면, 구동기어에 맞물려 결합된 아이들 기어가 회전하는 방식이다.

하지만, 종래의 기어펌프는 작동과정에서 기계적인 소음 및 유압소음이 심각하게 발생하는 단점이 있다. 예컨대, 기어펌프의 기계적인 소음은 기어들의 제조시에 가공 정밀도와 기어표면의 거칠기 및 기어치의 미세한 어긋남 현상에 의해 발생하며, 유압소음은 펌핑 작동시 부하의 변동에 따라서 펌프 하우징 내부에서 발생하는 캐비테이션 현상이나 폐입공간에 의한 압력 상승 및 기어의 맞물림 작용에 의한 토출 유량의 변화에 의해서 발생하고 있다.

전술한 단점을 해결하고자 연구개발이 다양하게 시도되고 있다. 그러한 시도의 하나로서, 소위 연속접촉 헬리컬 기어가 한쌍으로 맞물려 회전하도록 함으로써 소음을 저감하고자 하였다. 예컨대, 미국특허등록 제8,556,609호에 Geared Hydraulic Apparatus으로 등록된 유압장치가 연속접촉 헬리컬 기어를 이용한 펌프장치로 잘 알려져 있다.

상기 미국특허는 한쌍의 맞물리는 기어휠과, 소정의 유체 통로를 갖는 케이싱을 구비하되, 상기 기어휠들이 상호 회전하는 동안에 상이한 맞물림 구조로 형성되고, 상기 기어휠들의 두 맞물림 기어 사이에서 형성되는 소정의 닫혀진 감금영역이 선행하는 하나의 맞물림 구성부에서 완전히 소실이 되고, 후행되어 이어지는 다른 맞물림 구성내에서 기어휠의 이끝부분과 다른 기어휠의 이뿌리 부분 사이에서 어떠한 감금 유체도 발생하지 않도록 구성되며, 그에 의해서 기어펌프의 펌핑 작동시에 소음이 저감될 수 있는 것으로 제시되었다.

하지만 상기 기어펌프는 헬리컬 기어에 구성되는 Helix Angle은 하나의 Circular Pitch가 이루어지도록 각각의 용량마다 다르게 제조해야 하며, 이는 통상적으로 기어의 단면형상은 일정하게 하고 용량은 기어의 폭을 바꾸어 맞추기 때문이다. 따라서 기어폭 변화에 따라 Helix Angle도 다양하게 변화시켜서 제조해야 하고 이에 따라 제조 비용의 상승을 초래한다.

이는 특히 연속접촉 헬리컬 기어의 경우 일반 인볼류트 기어와 달리 높은 가공 정밀도를 요구하기 때문이다. 만일 요구되는 높은 정밀도와 하나의 Circular Pitch를 구성하지 못할 경우에는 가공비용만 증가하고 일반 인볼류트 기어보다 소음이 증가하는 할 수도 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 구조적으로 연속접촉식 기어펌프의 펌핑 작동시에 맥동 및 소음을 감축하는 기어펌프를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 헬리컬 기어에 지로터를 결합하여 맥동 및 소음을 감축할 수 있는 기어펌프를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명에 의한 기어펌프는 ,

모터에 축결합되며, 상기 모터의 구동에 의해 회전하는 연속접촉식 헬리컬 기어;

상기 헬리컬 기어의 구동축에 연결설치되는 내부로터와, 상기 내부로터에 결합되는 외부로터를 구비하되, 상기 내부로터는 기어의 잇수와 동일한 잇수를 가지며, 상기 내부로터와 외부로터가 상호 편심된 형태로 치합되는 지로터; 및

탱크 유로에 연통하는 흡입구와 유압장치에 연통하는 유압공급라인에 연결되는 토출구를 포함하되, 상기 흡입구는 상기 탱크 유로를 통하여 유체가 상기 헬리컬 기어에 유입되도록 바디 일측에 형성되고, 상기 토출구는 상기 헬리컬 기어의 토출유로와 상기 지로터의 토출유로와 연통되도록 형성되는 하우징;을 포함하며,

펌핑 작동시에 상기 지로터의 맥동이 상기 헬리컬 기어의 토출유로에 연통되어 헬리컬 기어의 맥동이 상쇄되는 것을 특징을 갖는다.

한편, 게시된 발명은, 흡입유로 상에 고정 또는 가변 오리피스가 더 구성되며, 상기 오리피스에 의해서 헬리컬 기어로부터 토출되는 고압의 유압이 제한되어 지로터의 흡입챔버에 제공되는 특징을 갖는다.

본 발명에 의한 기어펌프는, 가공 비용이 크게 절감된 연속접촉식 헬컬기어펌프와 저렴한 비용으로 제조가 가능한 지로터펌프가 하우징 내부에 내장됨으로써 제조원가가 감축된다.

특히, 본 발명에 의한 기어펌프는 지로터로부터 토출유로을 통하여 형성되는 유체압력이 헬리컬기어펌프부 혹은 헬리컬기어의 토출유로 상에서 형성되는 유체압력의 맥동에 감쇄 영향을 제공하도록 구성함으로서, 펌핑 작동시에 맥동 및 소음을 크게 감축시킨다.

도1은 종래의 기어펌프의 요부를 도시한 개략적인 단면도이며,
도2는 본 발명의 일실시예에 따라서 기어펌프를 적용한 유압회로,
도3은 본 발명의 일실시예에 따라 기어펌프 내부의 헬리컬 기어 및 지로터의 결합상태를 도시한 개략도,
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 기어펌프의 분해사시도,
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 지로터의 단면도이다.

이하, 기재된 내용의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

설명에 앞서서, 기재된 내용은 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 기재된 내용을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이며, 이로 인해 기재된 내용의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

또한, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있으며, 기재된 내용의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있고, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

도2는 본 발명의 일실시예에 따라서 기어펌프를 적용한 개략적인 유압회로이며, 도3은 본 발명의 일실시예에 따라 기어펌프 내부의 헬리컬 기어 및 지로터의 결합상태를 도시한 개략도이며, 도4는 본 발명의 일실시예에 따른 기어펌프의 분해사시도이다.

도2에 도시된 유압회로에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의한 기어펌프(10)는 유압원으로서 작동유나 오일을 포함하는 유체를 저장하는 유압탱크(T)와 고소차량을 포함하는 건설기계의 유압장치용 액츄에이터 혹은 유압실린더(21)에 연결되는 유압공급라인(20) 상에 설치되될 수 있으며, 펌핑 작동시에 헬리컬기어 펌프부(10a)에 의해 펌핑되는 유체의 맥동이 지로터 펌프부(10b)의 토출유압에 의해서 상쇄될 수 있다.

보다 구체적으로, 도 2 내지 도4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기어펌프(10)는, 모터(14)에 축결합되며, 상기 모터(14)의 구동에 의해 회전하는 헬리컬 기어(31)와, 상기 헬리컬 기어(31)의 구동축(33)에 연결설치되는 내부로터(35a)와, 상기 내부로터(35a)에 결합되는 외부로터(35b)를 구비하되, 상기 내부로터(35a)와 외부로터(35b)가 상호 편심된 형태로 치합되는 지로터(35)를 포함한다.

상기 헬리컬 기어(31)는 구동축(33)에 연결 고정되는 구동헬리컬기어(32a)와 아이들축(34)에 연결 고정되는 종동헬리컬기어(32b)를 포함하며, 회전구동시에 구동 및 종동의 헬리컬 기어들이 연속 접촉방식으로 접촉하여 유체의 펌핑작동을 수행하는 헬리컬 기어부(10a)로 구성된다. 전술한 연속 접촉방식으로 구동하는 헬리컬 기어부(10a)의 펌핑 작동은 종래와 마찬가지이므로 자세한 설명은 생략한다.

본 발명에 의한 기어펌프(10)는, 탱크 유로(13)에 연통하는 흡입구(41)와 유압장치에 연통하는 유압공급라인(20)에 연결되는 토출구(42)를 포함하되, 상기 흡입구(41)는 상기 탱크 유로(13)를 통하여 유체가 상기 헬리컬 기어(31)에 유입되도록 바디 일측에 형성되고, 상기 토출구(42)는 상기 헬리컬 기어(31)의 토출유로(15)와 상기 지로터(35)의 토출유로(16)와 연통되도록 형성되는 하우징(40)을 포함하며, 그에 따라서 펌핑 작동시에, 상기 지로터(35)의 맥동이 상기 헬리컬 기어(31)의 토출유로(15)에 연통되어 헬리컬 기어(31)의 맥동이 상쇄된다.

지로터 펌프는 다수의 챔버, 예를들면 흡입챔버(36)과 토출챔버(37)이 각각 흡입 및 토출 측에 연결되어 있다. 통상적으로, 지로터 펌프는 대량생산에 따른 제조원가는 아주 낮은 편이며, 사용범위 또한 통상 250bar 까지 사용되는 기어펌프에 비해 일반적으로 10bar까지 정도이다. 반면에 다른 펌프에 비해 구조적으로 높은 맥동비율을 가지고 있다.

상기 지로터(35)는 내부로터(35a)와 외부로터(35b)가 하나의 쌍을 이루며, 상기 하우징(40)내에 안착된다. 본 발명에 따르면, 상기 내부로터 중앙에 형성된 편심공을 통하여 헬리컬기어(31)의 구동축(33)에 커플링되어 회전 및 펌핑 구동이 이뤄진다.

예컨대, 내부로터(35a)는 N개의 로브를 구비하며, 외부로터(35b)는 N+1개의 로브를 갖고 있는 상태에서 결합시에, (N+1)/N 의 회전비를 가지고 회전한다. 또한, 상기 내부로터 및 외부로터(35a, 35b)는 상기 편심공을 중심으로 하여 일정한 편심을 가지며, 그러한 편심으로 인해 내부로터(35a)와 외부로터(35b) 사이에 유체연료를 운반할 수 있는 체적부(S)가 형성된다.

상기 체적부(S)는 회전하는 동안 증가와 감소를 반복하고 체적 변화율은 회전하는 로터의 치형 함수(Profile)에 의해 결정될 수 있다. 상기 로터(35a, 35b)들의 회전운동시 체적이 증가하는 부분은 압력 강하로 주위의 유체를 흡입하고, 체적이 감소하는 부분은 압력의 증가로 인해 유체를 토출하게 되는 작동원리는 종래와 마찬가지이다.

상기 지로터(35) 및 지로터 펌프부(10b)는 내부로터(35a)에 동력원이 연결되기 때문에 헬리컬 기어(32)의 1회전과 내부로터의 1회전이 같게 된다. 따라서 맥동을 감쇄시키기 위해서는 상기 내부로터(35a)와 헬리컬기어(32)의 이수와 동일한 이수(치의 개수)를 갖게 된다.

본 발명에 따르면, 상기 지로터(35)의 흡입유로(17) 상에 오리피스(18)가 더 구성되며, 상기 오리피스(18)에 의해서 헬리컬 기어(31)의 펌핑작용에 의해 토출되는 고압의 유압이 제한되어 지로터(35)의 흡입챔버(36)에 제공된다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(40)은 양측단에 형성되는 좌측 및 우측 사이트 커버(43, 44)를 포함하며, 회전에 의한 마모방지를 위한 부싱(45, 46) 및 밀폐를 위한 실링(47)을 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 의한 기어펌프(10)는 펌핑작동을 통하여 유압원인 작동유나 오일이 유압탱크(T)로부터 헬리컬기어(31) 및 헬리컬기어 펌프부(10a)에 의해 하우징 (40) 내부로 흡입 및 유압공급라인(20)을 통하여 외부로 토출된다.

통상적으로, 기어펌프부(10a)의 압력맥동은 인벌류트 기어를 사용했을 때 사용압력에 비해 15-20% 정도로 형성될 수 있으며, 지로터펌프부(10b)의 압력맥동은 40-50%으로 형성될 수 있다. 예컨대, 절대값으로 비교하면, 기어펌프부의 사용압력 200bar에서 30bar의 맥동이 형성될 수 있고, 지로터 펌프는 10bar일 때 5bar의 맥동이 있다.

연속접촉 헬리컬 기어펌프의 Helix Angle을 일정하게 고정시키면 하나의 Circular Pitch를 맞추지 못하게 된다. 하지만 일반적인 Spur 기어펌프에 비해 맥동은 감소하는 효과는 어느 정도 있다. Circular Pitch의 절반정도에서는 10%, 3/4정도에서는 5%정도의 맥동이 남아 있다. 200bar의 5%이면 10bar이며, 지로터펌프부의 맥동 5bar 정도로 충분히 상쇄될 수 있다.

본 발명에 따른 일실시예에 따르면, 상기 지로터(35) 혹은 지로터펌프부(10b)에 의한 펌핑은 흡입과 토출의 압력차가 낮은 경우에만 사용할 수 있고, 흡입토출의 압력차를 조절해야 할 필요가 있다. 이를 위해 흡입쪽은 헬리컬기어펌프의 토출쪽을 하고 여기에 Orifice를 연결하여 압력을 조절한다.

지로터 펌프의 용량은 내외치의 형상과 두께에 따라 결정되는데 어느 정도 적절한 내구성과 성능을 위해서는 5mm이상의 두께가 필요하다. 그렇게 되면 회전에 따른 유량이 정해지고 이유량이 Orifice 내에 흐르게 된다. 보통의 기어펌프는 최대 2000RPM 이며 지로터는 용량이 5cc/rev 이하로 맞출 수 있으므로 최대 10lpm으로 흐르고 압력손실은 10bar 이므로 큰 동력 손실은 없다.

물론 이때 기어펌프부(10a)에 발생되는 압력과 지로터 펌프부(10b)에 발생되는 압력이 서로 달라서 상쇄효과가 감소할 수 있으나 압력에 따라 작동되는 가변 오리피스(18)에 의해 해결할 수 있다.

본 발명에 따르면, 가장 많이 활용될 수 있는 요구되는 용량의 두께에 맞게 Helix Angle을 1-2개를 정하며, 그 외의 용량에는 하나의 Circular Pitch에는 미치지 못하여서 상쇄되지 못한 압력 맥동은 지로터 펌프와 연결함으로서, 하우징(40)의 토출구를 통하여 토출될 수 있는 맥동의 유압이 상쇄되며, 이는 종래의 기어펌프에 비하여 소음이 크게 저감되는 효과가 있다.

한편, 본 발명에 따른 헬리컬기어 및 지로터는 구동축에 연결 구성이 가능하며, 하우징 내부에 일체로 내장됨으로서 제조 원가가 크게 저감되는 부수적인 잇점도 있다.

상기에서 본 발명의 특정한 실시 예가 설명 및 도시되었지만 본 발명의 연성펌프부 장착 구조가 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 그러나, 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.

10 : 기어펌프
10a : 헬리컬 기어펌프부
10b : 지로터펌프부
15 : 헬리컬기어의 토출유로
16 : 지로터의 토출유로
17 : 지로터의 흡입유로
20: 유압공급라인
31 : 헬리컬기어
35 : 지로터
35a : 내부로터
35b : 외부로터
40 : 하우징

Claims (4)

1. 연속접촉헬리컬 기어의 구동축에 연결설치되는 내부로터와, 상기 내부로터에 결합되는 외부로터를 구비하되, 상기 내부로터와 외부로터가 상호 편심된 형태로 치합되는 지로터; 및
   탱크 유로에 연통하는 흡입구와 유압장치에 연통하는 유압공급라인에 연결되는 토출구를 포함하되, 상기 흡입구는 상기 탱크 유로를 통하여 유체가 상기 헬리컬 기어에 유입되도록 바디 일측에 형성되고, 상기 토출구는 상기 헬리컬 기어의 토출유로와 상기 지로터의 토출유로와 연통되도록 형성되는 하우징;을 포함하며,
   펌핑 작동시에 상기 지로터의 맥동이 상기 헬리컬 기어의 토출유로에 연통되어 헬리컬 기어의 맥동이 상쇄되는 것을 특징으로 하는 기어펌프.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 지로터의 내치는 연속접촉 헬리컬기어의 수와 동일한 잇수를 구비하며, 상기 흡입챔버는 상기 헬리컬 기어의 토출유로의 하류에 연결되는 흡입유로에 연결 구성되는 것을 특징으로 하는 기어펌프.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 하우징은 양측단에 형성되는 좌측 및 우측 사이트 커버를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 기어펌프.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 흡입유로 상에 고정 또는 가변 오리피스가 더 구성되는 것을 특징으로 하는 건설기계용 기어펌프.

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