KR20220090281A - 스크루 샤프트의 추력 하중 지지 구조가 개선된 전동 실린더 장치 - Google Patents

스크루 샤프트의 추력 하중 지지 구조가 개선된 전동 실린더 장치 Download PDF

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이재균
김양환
박지훈
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디와이파워 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 스크루 샤프트의 추력 하중 지지 구조가 개선된 전동 실린더 장치는, 전기 에너지를 회전운동 에너지로 변환하는 모터부; 상기 모터부에 동력적으로 연결되어 상기 모터부의 토크를 증가시키는 감속 기어부; 및 상기 감속 기어부와 동력적으로 연결되어 회전운동 에너지를 직선운동 에너지로 변환하는 스크루부;를 포함하는 전동 실린더 장치에 있어서, 상기 감속 기어부는, 감속기어 하우징과 상기 감속기어 하우징의 내부에 설치되는 기어 모듈을 포함하며, 상기 스크루부는, 일단부가 상기 감속기어 하우징에 고정된 중공의 실린더; 상기 실린더의 내부에 회전 가능하게 배치되며 상기 기어 모듈에 의해 회전되는 스크루 샤프트; 상기 스크루 샤프트의 외주면에 회전 가능하게 결합되며 상기 실린더의 내부에서 상기 스크루 샤프트의 길이 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된 피스톤; 및 상기 스크루 샤프트의 외주면에 대해 이동 가능하게 설치되어 상기 피스톤과 일체로 이동하는 로드; 를 포함하며, 상기 감속기어 하우징에 용접에 의해 고정되며 링 형상 구조물로 이루어진 베어링 가이드; 및 고정륜이 상기 베어링 가이드에 강제 압입되고, 회전륜이 상기 베어링 가이드와 이격되도록 설치된 스러스트 베어링;을 구비하며, 상기 스크루 샤프트의 단부는 상기 회전륜에 결합되며 상기 베어링 가이드가 용접된 상기 감속기어 하우징과 간격을 가지도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

스크루 샤프트의 추력 하중 지지 구조가 개선된 전동 실린더 장치{Electric cylinder apparatus provided with improved thrust load support structure of screw shaft}
본 발명은 전동 실린더 장치에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 모터에 의해 회전 구동되는 스크루 샤프트의 단부의 축 하중 지지 구조에 관한 것이다.
전동 실린더 장치는 전기 모터에 의한 회전력을 직선 운동으로 변환하여 사용하는 장치이다. 전동 실린더 장치는 전형적인 전동 액추에이터의 일 예로서, 종래의 유압 실린더 장치가 적용될 수 있는 설비에 대체 설비로서 사용될 수 있다. 전동 실린더 장치가 적용될 수 있는 구조는 선박의 해치(hatch) 개폐 장치, 보트(boat)의 선외기 엔진 틸팅 장치, 지게차의 조향(steering) 장치, 건설기계의 아웃리거(outrigger) 등을 예로 들 수 있다.
전동 실린더 장치의 일 예가 대한민국 등록특허 제10-1848115호에 개시되어 있다. 전동 실린더 장치의 주요 구성 요소는 회전 구동력을 발생시키는 모터부, 상기 모터의 회전 토크를 배가시키는 감속 기어부, 상기 감속 기어부에 의해 실린더 내에 회전 가능하게 설치되는 스크루부로 구성된다. 상기 스크루부는 스크루 샤프트의 회전 운동에 의해 실린더 내에서 직선운동을 하는 피스톤, 상기 피스톤과 일체로 직선운동을 함으로써 실린더 외부로 신장되거나 실린더의 내부로 몰입되는 로드를 포함한다. 상기 피스톤은 볼 스크루에 의해 상기 스크루 샤프트와 회전 가능하게 결합된다. 상기 스크루 샤프트는 실린더 내에서 회전 운동만을 수행하며 직선 운동은 실린더와 로드가 수행한다.
이와 같은 전동 실린더 장치에서 스크루 샤프트는 실린더 내에서 회전 운동만을 수행하지만 볼 스크루 구조에 의해 피스톤과 연결되어 있으므로 로드의 신장 운동시 그 로드의 운동 방향, 즉, 상기 스크루 샤프트 방향으로 추력을 받게 된다. 이에 따라 상기 스크루 샤프트의 단부에는 스러스트(thrust) 베어링이 설치되어야 한다. 그런데, 종래의 전동 실린더 장치는 상기 스크루 샤프트의 단부에 설치되는 스러스트 베어링의 지지 구조가 불안정하여, 상기 스크루 샤프트에 큰 하중이 가해질 경우 스크루 샤프트가 감속 기어부의 프레임에 접촉함으로써 감속 기어부나 스크루 샤프트가 손상될 수 있는 문제점이 있었다.
001 KR 10-1848115 B1 (2018.04.05) 002 KR 10-2016-0006135 A (2016.01.18)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 전동 실린더 장치를 구성하는 스크루 샤프트의 말단을 지지하는 스러스트 베어링의 지지 구조를 개선함으로써 스크루 샤프트가 감속기어 하우징과 접촉되는 것을 방지하고 스크루 샤프트나 감속기어 하우징이 손상되는 것을 방지하도록 하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 스크루 샤프트의 추력 하중 지지 구조가 개선된 전동 실린더 장치는, 전기 에너지를 회전운동 에너지로 변환하는 모터부;
상기 모터부에 동력적으로 연결되어 상기 모터부의 토크를 증가시키는 감속 기어부; 및
상기 감속 기어부와 동력적으로 연결되어 회전운동 에너지를 직선운동 에너지로 변환하는 스크루부;를 포함하는 전동 실린더 장치에 있어서,
상기 감속 기어부는, 감속기어 하우징과 상기 감속기어 하우징의 내부에 설치되는 기어 모듈을 포함하며,
상기 스크루부는,
일단부가 상기 감속기어 하우징에 고정된 중공의 실린더;
상기 실린더의 내부에 회전 가능하게 배치되며 상기 기어 모듈에 의해 회전되는 스크루 샤프트;
상기 스크루 샤프트의 외주면에 회전 가능하게 결합되며 상기 실린더의 내부에서 상기 스크루 샤프트의 길이 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된 피스톤; 및
상기 스크루 샤프트의 외주면에 대해 이동 가능하게 설치되어 상기 피스톤과 일체로 이동하는 로드; 를 포함하며,
상기 감속기어 하우징에 용접에 의해 고정되며 링 형상 구조물로 이루어진 베어링 가이드; 및
고정륜이 상기 베어링 가이드에 강제 압입되고, 회전륜이 상기 베어링 가이드와 이격되도록 설치된 스러스트 베어링;을 구비하며,
상기 스크루 샤프트의 단부는 상기 회전륜에 결합되며 상기 베어링 가이드가 용접된 상기 감속기어 하우징과 간격을 가지도록 구성된 점에 특징이 있다.
상기 베어링 가이드의 내주면은, 상기 고정륜이 결합되는 제1가이드부와, 상기 회전륜이 결합되는 제2가이드부로 구성되며, 상기 제1가이드부의 내경은 상기 제2가이드부의 내경보다 작게 형성됨으로써 상기 제1가이드부와 상기 제2가이드부의 경계는 단차를 형성하도록 구성된 것이 바람직하다.
상기 스크루 샤프트의 말단부는, 상기 회전륜의 내주면에 결합되는 관통부; 및
상기 회전륜의 측면을 상기 스크루 샤프트의 길이 방향으로 가압하도록 상기 관통부보다 큰 외경을 가진 가압 지지부;를 구비한 것이 바람직하다.
상기 회전륜은 상기 베어링 가이드의 외측으로 돌출되도록 설치된 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 스크루 샤프트의 추력 하중 지지 구조가 개선된 전동 실린더 장치는, 스크루 샤프트의 말단부에 설치되는 스러스트 베어링을 감속기어 하우징에 용접 결합되는 링 형상의 베어링 가이드에 의해 지지하도록 구성됨으로써, 스러스트 축이 예기치 않게 감속기어 하우징과 충돌하는 것을 방지하고, 스러스트 베어링에 효과적으로 지지되어, 전동 실린더 장치의 내구성을 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 전동 실린더 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 Ⅱ - Ⅱ 선 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 "A" 부위의 확대도이다.
도 4는 도 3에 도시된 베어링 가이드의 입체적인 구조를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 베어링 가이드에 스러스트 베어링과 스크루 샤프트가 순차적으로 결합되는 구조를 보여주는 분리 사시도이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전동 실린더 장치의 사시도이다. 도 2는 도 1에 도시된 Ⅱ - Ⅱ 선 단면도이다. 도 3은 도 2에 도시된 "A" 부위의 확대도이다. 도 4는 도 3에 도시된 베어링 가이드의 입체적인 구조를 보여주는 도면이다. 도 5는 도 3에 도시된 베어링 가이드에 스러스트 베어링과 스크루 샤프트가 순차적으로 결합되는 구조를 보여주는 분리 사시도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 스크루 샤프트의 추력 하중 지지 구조가 개선된 전동 실린더 장치(10, 이하 "전동 실린더 장치"라 함)는 모터부(20)와, 감속 기어부(30)와, 스크루부(40)를 포함한다.
상기 모터부(20)는 전기 에너지를 회전운동 에너지로 변환하는 모듈이다. 상기 모터부(20)는 고정자와 회전자를 포함하는 물리적인 모터부를 포함하며 이에 부가하여 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 모터부(20)는 출력축을 통해 회전운동을 발생시킨다.
상기 감속 기어부(30)는 상기 모터부(20)에 동력적으로 연결되어 있다. 상기 감속 기어부(30)는 상기 모터부(20)의 토크를 증가시키는 역할을 수행한다. 상기 감속 기어부(30)는, 감속기어 하우징(32)과, 기어 모듈(35)을 포함한다.
상기 감속기어 하우징(32)은 기어 모듈(35)을 내부에 수용하는 하우징이다. 상기 감속기어 하우징(32)은 다수의 금속 판재를 리벳팅, 용접, 볼팅 등의 방식으로 결합하여 제조될 수 있다. 상기 기어 모듈(35)은 직경과 기어수가 서로 다른 복수의 기어 세트로 구성된다. 상기 기어 모듈(35)은 상기 모터부(20)와 동력적으로 연결됨으로써 회전수가 감소되면서 토크가 증가되는 기능을 수행한다.
상기 스크루부(40)는 상기 감속 기어부(30)와 동력적으로 연결되어 회전운동 에너지를 직선운동 에너지로 변환하는 기능을 수행하는 부분이다.
더 구체적으로 상기 스크루부(40)는 실린더(50)와, 스크루 샤프트(60)와, 피스톤(70)과, 로드(80)를 포함한다.
상기 실린더(50)는 중공의 구조물이다. 상기 실린더(50)의 일단부는 상기 감속기어 하우징(32)에 고정된다. 상기 실린더(50)는 예컨대 상기 감속기어 하우징(32)에 용접에 의해 고정될 수 있다.
상기 스크루 샤프트(60)는 상기 실린더(50)의 내부에 회전 가능하게 배치된다. 상기 스크루 샤프트(60)는 복수의 베어링 세트에 의해 상기 실린더(50) 내주면에 대해 회전 가능하게 설치될 수 있다. 상기 스크루 샤프트(60)는 상기 기어 모듈(35)에 의해 회전된다. 상기 스크루 샤프트(60)의 외주면에는 수나사부 형태의 스크루가 형성된다. 상기 스크루는 후술하는 피스톤(70)을 직선운동하도록 유도한다.
상기 피스톤(70)은 상기 스크루 샤프트(60)에 회전 가능하게 결합된다. 상기 피스톤(70)은 상기 스크루 샤프트(60)의 외주면에 볼을 매개로 나사 결합될 수 있다. 상기 피스톤(70)은 상기 실린더(50)의 내부에서 상기 스크루 샤프트(60)의 길이 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된다. 상기 스크루 샤프트(60)가 회전하면 상기 피스톤(70)은 상기 스크루 샤프트(60)를 따라 직선운동을 한다. 상기 피스톤(70)은 상기 스크루 샤프트(60)의 회전 방향에 따라 전진 또는 후진할 수 있다.
상기 로드(80)는 상기 스크루 샤프트(60)의 외주면에 대해 이동 가능하게 설치된다. 상기 로드(80)는 내부에 중공부가 구비되어 상기 스크루 샤프트(60)의 외주면에 이동 가능하게 결합된다. 상기 로드(80)의 일단부는 상기 피스톤(70)에 고정된다. 상기 로드(80)의 타단부는 상기 실린더(50) 외부로 돌출된다. 상기 로드(80)의 타단부와 상기 실린더(50) 사이에는 밀봉 구조물이 구비된다.
상기 스크루 샤프트(60)의 말단부에는 베어링 가이드(90)와, 스러스트 베어링(85)이 설치된다.
상기 베어링 가이드(90)는 링 형상의 구조물이다. 상기 베어링 가이드(90)는 상기 감속기어 하우징에 용접에 의해 고정된다. 상기 베어링 가이드(90)의 내주면은 제1가이드부(91)와 제2가이드부(92)로 구성된다.
상기 제1가이드부(91)의 내경의 크기는 상기 제2가이드부(92)의 내경의 크기보다 작게 형성된다. 따라서, 상기 제1가이드부(91)와 제2가이드부(92)의 경계에는 단차가 형성되도록 구성된다.
상기 스러스트 베어링(85)은 일종의 볼 베어링이 채용될 수 있다. 상기 스러스트 베어링(85)은 고정륜(87)과 회전륜(88)을 구비한다. 상기 고정륜(87)과 상기 회전륜(88)은 볼(89)을 매개로 결합될 수 있다.
상기 고정륜(87)은 상기 베어링 가이드(90)에 강제 압입된다. 더 구체적으로 상기 고정륜(87)은 상기 제1가이드부(91)에 강제 압입된다. 한편, 상기 회전륜(88)은 상기 베어링 가이드(90)와 이격되도록 설치된다. 더 구체적으로 상기 회전륜(88)은 상기 제2가이드부(92)와 이격된 상태로 설치된다. 이에 따라 상기 고정륜(87)은 상기 베어링 가이드(90)에 고정되고, 상기 회전륜(88)은 상기 베어링 가이드(90)에 회전 가능하다.
상기 스크루 샤프트(60)의 단부는 상기 회전륜(88)에 결합된다. 또한, 상기 스크루 샤프트(60)의 단부는 상기 베어링 가이드(90)가 용접된 상기 감속기어 하우징(32)과 간격을 가지도록 구성된다.
상기 스크루 샤프트(60)의 말단부는 관통부(42)와 가압 지지부(45)를 구비한다.
상기 관통부(42)는 상기 회전륜(88)의 내주면에 결합되는 부위다. 상기 관통부(42)의 말단부는 상기 베어링 가이드(90)의 내부 공간으로 진입한 상태에서 상기 감속기어 하우징(32)과 이격되도록 설치된다.
상기 가압 지지부(45)는 상기 관통부(42)에 인접하게 구비된다. 상기 가압 지지부(45)는 상기 관통부(42)에 비하여 외경의 크기가 크게 형성됨으로써 단차에 의한 가압면을 구비한다. 상기 가압 지지부(45)는 상기 회전륜(88)의 측면을 상기 스크루 샤프트(60)의 길이 방향으로 가압하도록 배치된다.
상기 스크루 샤프트(60)는 상기 가압 지지부(45)를 통해 상기 회전륜(88)과 밀착됨으로써 상기 회전륜(88)과 함께 회전될 수 있다. 또한, 상기 스크루 샤프트(60)는 상기 가압 지지부(45)에 의해 상기 회전륜(88)에 걸림으로써 상기 스크루 샤프트(60)의 단부가 감속기어 하우징(32)과 충돌하는 것이 방지된다.
상기 회전륜(88)은 상기 베어링 가이드(90) 외측으로 돌출되도록 설치된 것이 바람직하다. 상기 회전륜(88)이 상기 베어링 가이드(90) 외측으로 돌출되도록 설치될 경우 상기 스크루 샤프트(60)의 예기치 않은 움직임에 의해 상기 베어링 가이드(90)와 상기 스크루 샤프트(60)가 물리적으로 접촉되는 것이 더욱 효과적으로 방지될 수 있다.
이하에서는 상술한 바와 같은 구성요소를 포함한 전동 실린더 장치(10)의 작용 효과를 베어링 가이드(90)와 스러스트 베어링(85) 및 스크루 샤프트(60) 상호 결합구조를 중심으로 상세하게 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 전동 실린더 장치(10)가 구동되는 경우, 먼저 상기 모터부(20)에 전원이 인가되어 상기 모터부(20)의 출력축이 회전한다. 상기 모터부(20)의 회전 운동에너지는 상기 감속 기어부(30)의 기어 모듈(35)을 회전시킨다. 상기 기어 모듈(35)은 상기 모터부(20)의 출력축에 비하여 회전수가 줄어들고 토크를 증가시키는 역할을 수행한다. 상기 감속 기어부(30)가 동력적으로 연결된 스크루 샤프트(60)가 회전한다. 스크루 샤프트(60)가 회전함에 따라 피스톤(70)은 실린더의 내주면을 따라 직선 운동한다. 피스톤(70)이 직선 운동을 하면, 로드(80)는 피스톤(70)과 일체로 움직이므로 신장 또는 수축하게 된다. 로드(80)의 외측단부에 연결된 장비가 로드(80)의 직선 운동에 의해 물리적인 작용을 수행한다. 이 과정에서 스크루 샤프트(60)가 회전운동을 하는 경우 스크루 샤프트(60)의 외주면에 형성된 스크루와 피스톤(70)의 내주면에 형성된 암나사부간에 힘이 작용하고 이에 따라 스크루 샤프트(60)의 축 방향으로 추력이 발생한다. 이 추력은 상기 스러스트 베어링(85)의 회전륜(88)에 전달된다. 그런데, 상기 스러스트 베어링(85)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 링 형상 구조물인 베어링 가이드(90)에 결합되며, 고정륜(87)이 상기 베어링 가이드(90)의 제1가이드부(91)에 강제 압입 고정되며 감속기어 하우징(32)에 말단부가 접촉지지되므로 고정륜(87)이 움직이지 않는다. 따라서, 스크루 샤프트(60)의 추력은 가압 지지부(45)을 통해 회전륜(88)을 가압하지만 그 회전륜(88)에 의해 더 이상 축 방향으로 물리적인 이동을 할 수 없다. 그 결과, 상기 스크루 샤프트(60)의 말단부는 스러스트 베어링(85)에 의해 견고하게 지지되며 원활한 회전운동이 이루어진다.
이와 같이 본 발명에 따른 전동 실린더 장치는, 스크루 샤프트의 말단부에 설치되는 스러스트 베어링을 감속기어 하우징에 용접 결합되는 링 형상의 베어링 가이드에 의해 지지하도록 구성됨으로써, 스러스트 축이 예기치 않게 감속기어 하우징과 충돌하는 것을 방지하고, 스러스트 베어링에 효과적으로 지지되어, 전동 실린더 장치의 내구성을 향상시키는 효과를 제공한다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
10 : 전동 실린더 장치
20 : 모터부
30 : 감속 기어부
32 : 감속기어 하우징
35 : 기어 모듈
40 : 스크루부
42 : 관통부
45 : 가압 지지부
50 : 실린더
60 : 스크루 샤프트
70 : 피스톤
80 : 로드
85 : 스러스트 베어링
87 : 고정륜
88 : 회전륜
89 : 볼
90 : 베어링 가이드
91 : 제1가이드부
92 : 제2가이드부

Claims (4)

  1. 전기 에너지를 회전운동 에너지로 변환하는 모터부;
    상기 모터부에 동력적으로 연결되어 상기 모터부의 토크를 증가시키는 감속 기어부; 및
    상기 감속 기어부와 동력적으로 연결되어 회전운동 에너지를 직선운동 에너지로 변환하는 스크루부;를 포함하는 전동 실린더 장치에 있어서,
    상기 감속 기어부는, 감속기어 하우징과 상기 감속기어 하우징의 내부에 설치되는 기어 모듈을 포함하며,
    상기 스크루부는,
    일단부가 상기 감속기어 하우징에 고정된 중공의 실린더;
    상기 실린더의 내부에 회전 가능하게 배치되며 상기 기어 모듈에 의해 회전되는 스크루 샤프트;
    상기 스크루 샤프트의 외주면에 회전 가능하게 결합되며 상기 실린더의 내부에서 상기 스크루 샤프트의 길이 방향으로 왕복 이동 가능하게 설치된 피스톤; 및
    상기 스크루 샤프트의 외주면에 대해 이동 가능하게 설치되어 상기 피스톤과 일체로 이동하는 로드; 를 포함하며,
    상기 감속기어 하우징에 용접에 의해 고정되며 링 형상 구조물로 이루어진 베어링 가이드; 및
    고정륜이 상기 베어링 가이드에 강제 압입되고, 회전륜이 상기 베어링 가이드와 이격되도록 설치된 스러스트 베어링;을 구비하며,
    상기 스크루 샤프트의 단부는 상기 회전륜에 결합되며 상기 베어링 가이드가 용접된 상기 감속기어 하우징과 간격을 가지도록 구성된 것을 특징으로 하는 스크루 샤프트의 추력 하중 지지 구조가 개선된 전동 실린더 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베어링 가이드의 내주면은, 상기 고정륜이 결합되는 제1가이드부와, 상기 회전륜이 결합되는 제2가이드부로 구성되며, 상기 제1가이드부의 내경은 상기 제2가이드부의 내경보다 작게 형성됨으로써 상기 제1가이드부와 상기 제2가이드부의 경계는 단차를 형성하도록 구성된 것을 특징으로 하는 스크루 샤프트의 추력 하중 지지 구조가 개선된 전동 실린더 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스크루 샤프트의 말단부는, 상기 회전륜의 내주면에 결합되는 관통부; 및
    상기 회전륜의 측면을 상기 스크루 샤프트의 길이 방향으로 가압하도록 상기 관통부보다 큰 외경을 가진 가압 지지부;를 구비한 것을 특징으로 하는 스크루 샤프트의 추력 하중 지지 구조가 개선된 전동 실린더 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회전륜은 상기 베어링 가이드의 외측으로 돌출되도록 설치된 것을 특징으로 하는 스크루 샤프트의 추력 하중 지지 구조가 개선된 전동 실린더 장치.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101848115B1 (ko) 2011-01-13 2018-04-11 신토고교 가부시키가이샤 전동 실린더 시스템

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