KR850000917Y1

KR850000917Y1 - 유압 완충기

Info

Publication number: KR850000917Y1
Application number: KR2019820010452U
Authority: KR
Inventors: 데쓰오 가또오
Original assignee: 토키코 가부시기 가이샤; 가와아이스 바루
Priority date: 1977-08-18
Filing date: 1982-12-27
Publication date: 1985-05-17
Also published as: KR830000031U

Abstract

내용 없음.

Description

유압 완충기

제1도는 본 고안에 따른 유압완충기의 종단면도.

제2도 및 제3도는 가스압과 피스턴속도의 관계를 나타내는 도표.

본 고안은 유압완충기에 관한 것으로, 특히 진동을 감쇄시키거나, 흡수하기 위하여 자동차등에 사용되는 유압완충기에 관한 것이다.

가스봉입형의 유압완충기는 피스턴 부분의 반대방향으로 완충력을 발생하는 완충력 발생기구(보통 밸브기구)를 제공하는데 유리하며, 이러한 유압완충기는 오일을 함유한 실린더내에 미끄럼 운동가능하게 설치된 피스턴 및 피스턴로드 조립체, 실린더내의 피스턴 및 피스턴로드 조립체의 왕복운동의 반대방향으로 완충력을 발생시키기 위해 피스턴에 장착되어 있는 밸브기구, 상기 실린더를 에워싸며 그 내부의 하부에 오일을 수용하는 외부실린더, 병목효과(throttling effcct)를 유발하지 않고 외부 실린더의 하

그러나, 그 연통구멍은 어떠한 병목효과도 지니지 않으므로 피스턴에 대한 실린더내의 하부측 체임버내의 압력변화를 가스체임버로 직접 전달될것이며, 따라서 가스체임버내의 가스압이 피스턴 속도에 대응하는 밸브 하중을 극복하여 밸브 기구를 개방하는데 충분한 하부측 체임버내의 압력을 발생하기에 충분히 높지않으면 대기압 보다 낮은 압력(이하 진공압력이라함)이 피스턴에 대한 실린더의 상부측 체임버내에 발생될 것이며 이로인해 기대한 완충력을 발생하기는 매우 어렵게 된다.

상부측 체임버내의 진공압력의 발생을 방지하고 소망의 완충력을 얻기 위하여 초고압가스(보통20 ㎏/㎠ 또는 그 이상)가 시일(seal)부재에 계속 작용하는 가스 체임버내에 봉입되어 있으며, 따라서 시일부재의 마모를 증가시키고, 완충기의 가스 또는 액체의 밀폐도를 저하시키며, 완충기의 내구도를 저하시킨다. 또한, 시일 부재가 파괴되면 위험하고, 또한, 시일부재가 고압에 견디어야하므로 제조가격이 증가한다.

본 고안은 완충기의 신장 및 수측행정에서 작용하고 완충기내에 봉입된 비교적 저압의 가스에 의해 신장 및 수축 행정에서 소망의 힘을 발생하기 위하여 피스턴 부분에 장착어 있는 완충력 발생기구를 갖는 유압완충기를 제공한다.

즉, 본 고안에 따라 작동유로 채워져 있는 내부관, 내부관의 외부에 배치되어 있으며, 내부관 주위에 환상 공간을 형성하며 하부는 작동유로 채워져 있는 오일보상 체임버를 형성하고 상부는 압력가스로 채워져 있는 외부관, 내부관내에서 이동가능하게 배치되어 있으며, 내부관의 내부를 상부 및 하부의 오일함유작동식로 분할하는 피스턴, 피스턴이 이동할때 감쇄력을 발생시키는 피스턴 밸브, 일부가 피스턴에 고정되어 있고, 타단부는 내부관의 상단을 관통해 접동 가능하게 그리고 밀봉적으로 외측으로 돌출되어 있는 피스턴로드, 및 내부관의 하부 작동실을 환상공간의 오일 보상 체임버와 연통시키기 위한 구멍으로 이루오진 유압완충기에 있어서, 상기구멍이, 그를 통해 흐르는 가스에 병목효과를 발휘하여 최대 피스턴 속도에 대하여 하기식(Ⅰ)가 정공작동조건에서 적용될때 가스체임버내 가스압이 하기식(Ⅱ)와 같거나 또는 그 보다 약간 크게 되도록하는 최대치와 하기식(Ⅲ)로 정해지는 최소치 범위의 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는 유압완충기가 제공된다.

여기서 ,

P[㎏/㎠]=환상공간(A)의 가스 체임버(A₂)내 가스압.

a₂[㎠]=구멍(12)의 유효 단면적.

F_O[Kp]=완충기의 수축행정 운동에서 밸브 개방시에 발생하는 피스턴 밸브(18)의 저항.

V[㎝/s]=피스턴 속도.

A_p[㎠]=피스턴(3)의 단면적.

A_r[㎠]=피스턴 로드(4)의 단면적.

β[kps/cm²]=오일의 점도 및 밀도에 의해 정의되는 상수.

K[kps/cm]=피스턴 밸브(18)에 의해 정의된 상수.

본 고안을 첨부 도면에 의해 이하 상세히 설명한다.

제1도에 도시된 유압완충기는 내부에 작용유를 수용한 내부관(1) 및, 내부관과 외부관 사이에 환상 체임버(A)를 형성하도록 동축으로 내부관(1)을 애워싸는 외부관(2)등으로 구성되어 있다. 하부 캡(10)은 내부관 및 외부관(1) 및 (2)의 하단을 밀폐하도록 외부관(2)의 하단에 고정되어 있다. 장착 링(11)은 용접등에 의해 하부캡(10)에 부착되어 있다. 환상 체임버(A)는 그의 상부에 저압가스를 수용하가스 체임버(A₂) 및 하부에 작동유를 수용하는 오일 체임버(A₁)를 형성하고 체적보상 체임버로 작용한다. 피스턴(3)은 내부관(1)내에 미끄럼운동 가능하게 설치되어 있으며 내부관(1)의 내부를 오일 체임버(B) 및 (C)로 분할한다. 피스턴로드(4)의 일단부는 피스턴(3)에 고정되어 있으며, 용접등에 의해 외부 단부에 고정되어 있는 장착 링(6)을 가지고 있다. 캡(20)은 일반적으로 피스톤 로드(4)를 수용하는 중앙개구부(20a)를 갖는 컵 형태로 형성되어 있으며 외부 관(2)의 상단을 밀폐하기 위해 고정되어 있다. 로드 가이드(5)는 캡(20)의 하단에 설치된 큰 직경부분(5a), 내부관(1)을 밀폐하기 위하여 내부관(1)의 상단에 설치된 작은 직

저항력 발생기구인 밸브기구(18) 및 (19)가 피스턴(3)에 장착되어 있다. 그 밸브기구(18)은 완충기의 수축행정(도면에서 피스턴의 하향운동)에서 저항력을 발생하기 위해 작용하며, 그 밸브기구(18)은 구멍(18a, 18b), 그 구멍들(18a, 18b) 사이에 배치되어 그 구멍들(18a, 18b)을 연결하는 체임버(18c), 구멍(18b)를 개폐하기 위해 체임버(18c)에 배치되어 있는 밸브동체(18d) 및, 밸브동체(18d)가 구멍(18b)를 밀폐하게 하는 스프링(18e)로 구성되어 있다.

상기 밸브기구(19)는 완충기의 신장 행정에서 저항력을 발생하기 위해 작용하며, 피스턴에 형성되어 있는 구멍(19a, 19b), 그들 구멍(19a, 19b)사이에 배치되어 그 구멍들(19a, 19b)를 연결하는 체임버(19a), 구멍(19b)를 개폐하기 위해 체임버(19c)에 배치되어 있는 밸브동체(19d) 및, 밸브동체(19d)가 구멍(19b)를 밀폐하게 하는 스프링(19e)로 구성되어 있다.

오일체임버(B)와 환상 체임버(A)의 오일 체임버(A₁)이 통하도록 내부관(1)의 하부에 작은 구멍(12)가 형성되어 있으며, 구멍(12)를 통해 흐르는 오일의 흐름에 병목효과가 가해질 수 있는 횡단면적을 갖는다.

실시예에서, 구멍(12)는 내부관(1)의 외주벽에 형성되어 있으나, 구멍(12a)는 내부관(1)의 하단 또는 캡(10)에 형성되는 절제부에 의해 대체될 수 있다.

수축 행정의 밸브기구(18)의 스프링(18c)의 스프링력은 피스턴(3)이 수축행정에서 이동할 때 가스 체임버(A₂)내의 가스압 및 구멍(12)의 병복효과와 협력하는 스프링(18c)의 스프링력이 체임버(C)내의 진공압력의 발생을 방지할 수 있도록 구멍(12)의 병목효과의 관련하여 결정된다.

상기한 구조를 갖는 본 고안에 따른 유압 완충기의 작동은 다음과 같다.

우선, 완충기의 신장행정에 관해 기술한다. 피스턴 및 피스털로드 조립체(3,4)가 내부관(1)의 상방으로 이동하면 오일체임버(C)내의 압력이 증가한다. 오일 체임버(C)내의 압력오일은, 오일통로를 형성하기 위하여 스프링(19e)의 스프링력을 극복하여 밸브기구(19)의 밸브동체(1d)를 하방(도면에서)으로 이동시키며 오일 통로를 통해 오일 체임버(B)로 흐르게 되어 유압 저항력이 발생된다. 내부관(1)에서 피스턴로드(4)의 후퇴에 대응하는 오일의 양은 작은 구멍(12)를 통해 오일 체임버(B)로 유입되는 오일 체임버(A₁)내의 오일에 의해 보상된다.

한편, 수축행정에 있는 유압완충기의 동작에 있어서는, 피스턴 및 피스턴로드 조립체(3,4)가 오일 체임버(B)의 오일을 압축하면서 내부관(1)을 하강하면, 오일 체임버(B) 내의 오일은 작은구멍(12)를 통해 환상 체임버(A)의 오일 체임버(A)로 유입되며 또한 스프링(18)의 스프링력을 극복하여 밸브기구(18)을 개방함에 의해 오일 체임버(C)로 유입한다.

가스봉입형의 종래의 유압완충기에서, 오일 체임버(B)와 (A₁)를 연결하는 통로의 유효면적은, 피스턴의 하향운동에 의해 유발되는 피스턴 하부측 체임버(체임버(B))내의 압력변화가 어떠한 병목효과도 수반하지 않고 피스턴 속도의 모든 범위내에서 가스 체임버(체임버(A₂))로 직접 전달될 수 있도록 크게되어 있다.

따라서, 가스체임버내의 가스압이 피스턴 속도에 대응하여 밸브기구의 스프링력을 극복하여 밸브 기구를 개방할 수 있는 피스턴 하부측 체임버내의 압력을 발생하기에 충분히 크지 않으면, 밸브기구의 스프링력을 극복하여 밸브기구를 개방함에 의해 피스턴 상부측 체임버로 유입되어야 할 [피스턴의 횡단면적)-(피스턴로드의 횡단면적)]×(피스턴의 이동)에 대응하는 오일의 양은 체적보상 체임버(체임버(A₁,A₂)) 또로 유입될 것이며, 따라서 진공 압력이 피스턴의 상부측 체임버에 발생되고,

피스턴 상부측 체임버내의 진공압력의 발생을 방지하고 소망의 저항력을 얻기 위하여, 피스턴 하부측 체임버내의 압력이 피스턴 속도에 대응하는 밸브기구의 스프링력을 극복하여 밸브기구를 개방하기 위하여 증가되도록 가스 체임버내의 가스압이 증가되어야 한다.

즉, 피스턴 속도가 증가하면 필요한 가스압(P)가 증가한다. 완충기의 저항력을 대개 다음식에 의해 표시된다.

F=F_o+KV (1)

따라서, 필요한 가스압은 :

P=F/(A_p-A_r)=(F_O+KV)/(A_p-A_r) (2)

여기에서 :

P : 가스압,

F_O: 수축행정에서 밸브 개방시의 저항력

K : 밸브기구에 의해 정해지는 상수

A_p: 피스턴의 횡단면적

A_r: 피스턴 로드의 횡단면적

V : 피스턴 속도

가스봉입형의 공지된 유압완충기에 봉입되는 가스압 P는 20㎏/㎠ 또는 그 이상이다.

수축행정에 있는 본 고안에 따른 유압 완충기의 동작을 다음에 계속 기술한다. 본 고안의 유압압충기의 작은 구멍(12)의 유효횡단면적은 실질적인 압력 강하가 오일체임버(B)와 환상체임버(A)(체적보상체임버) 사이에서 발생되도록 하는 병목효과를 갖도록 정해진다.

피스턴의 고속 운동범위에서는, 작은 구멍(12)의 병목효과가 크기 때문에 오일 체임버(B)내의 유압은 환상 체임버(A)로 직접 전달되지 않으며, 오일체임버(B)내의 압력은 작은 구멍(12)의 병목효과에 의해 증가하고, [(피스턴(3)의 횡단면적)피스턴 로드(4)의 횡단면적)]×(피스턴(3)의 변위)에 대응하는 오일의 양이 밸브기구(18)의 밸브스프링(18e)의 스프링력을 극복하여 밸브동체(18d)를 개방함에 의해 오일체임버(C)로 유입되며, 피스턴 로드(4)의 진입에 대응하는 오일의 양은 작은 구멍(12)를 통해 환상 체

그러나, 피스턴 및 피스턴로드 조립체(3,4)의 하강속도가 낮으면, 구멍(12)의 병목효과가 감소하며, 따라서, 오일 체임버(B)내의 압력을 실질적으로 가스체임버로 전달된다.

따라서, 만일 환상 체임버(A)의 체임버(A₂)내의 가스압이 밸브기구(18)의 스프링력을 극복하기 위하여 오일 체임버(B)내의 압력을 높이기에 충분히 높지않으면, 체임버(B)에서 체임버(C)로의 오일 유입이 방지되어, 오일 체임버(C)에 진공압력을 발생하고, 체임버(B)에서 환상 체임버(A)로의 과도한 오일 유출을 유발하며, 소망의 저항력을 얻을 수 없게된다. 따라서, 가스 체임버(A₂)내의 가스의 압력을 피스턴속도가 낮을때 밸브기구(18)을 개방하기 위해 오일체임버(B)내의 오일을 가압할 수 있는 압력을 갖도록 접해진다.

이러한 작용은 피스턴 속도가 낮을때만 필요하므로, 본 고안에 따른 가스압은 공지의 유압 완충기에 비해 매우 낮으며, 만족할만한 결과가 예를들면 약 5㎏/㎠ 정도의 가스입에 의해 얻어진다.

요약하면, 본 고안에 따라, 오일체임버(C)내의 진공압의 발생은, 피스턴의 저속범위에서는 밸브동체(18d)를 개방하기 위해 밸브기구(18)의 스프링력을 극복하도록 작용하는 가스 체임버(A₂)내의 가스압에 의해 방지되고, 피스턴의 고속범위에서는, 환상 체임버(A)의 오일 체임버(A₁)을 피스턴 하부측의 오일체임버(B)과 연통하게하는 작은 구멍(12)의 병목효과에 의해 방지된다.

가스체임버(A₂)에 봉입된 가스압(이하 봉입된 가스압이라함)을 P₁, 오일체임버(C)내의 압력을 P₂, 오일체임버(B)내의 압력을 P₁, 개방시의 밸브기구(18)의 유효통로 면적을 a₁, 작은구멍(12)의 유효횡단면적을 a₂, 피스턴 속도를 V, 저항력을 F, 밸브가 개방하기 시작할때 밸브기구(18)의 초기 저항력을 F_o, 피스턴의 횡단면적을 A_p, 피스턴 로드의 횡단면적을 A_p, 피스턴 로드의 횡단면적을 A_r, 밸브기구(18)에 의해 정해지는 상수를 K, 오일의 밀도를 S, 유량계수를 Cd, 체임버(B)에서 체임버(C)로의 오일의 유출량을 Q₁, 체임버(B)에서 체임버(A₁)으로의 오일의 유출략을 Q₂, 대기압을 P_a, 그리고 B=S/2Cd²라 하면 : 다음 근사식을 얻을 수 있다.

F=(β/a² ₁)(A_p-A_r)³V²+(β/a₂ ²)(Ar³×V²) (5)

또한, 피스턴 속도(V)의 작용인 밸브기구를 통과하는 유체흐름의 작용으로(a₁)이 결정될 수 있으므로, (4)식 및 (1)식을 동시에 만족시킬 수 있다.

(3) 식, (4)식 및 (5) 식에서,

P₂=[β/a₂ ²(A_p-A_r)]A² _rA_pV²-F/(A_p-A_r)+P (6)

오일 체임버(C)내의 진공압력의 발생을 방지하기 위하여 :

P₂ O (7)

PF/(A_p-A_r)-[β/a₂ ²(A_p-A_r)]A_r ²A_pV²(8)

(1)식 및 (8)식에서,

P(a₂ ²K²+4βA_r ²A_pF_o)/4βA_r ²A_p(A_p-A_r)-[βA_r ²A_p/a₂ ²(A_p-A_r)](V-a₂K/2βA_r ²A_p)²(9)

제2도는 가스압(P)와 피스턴 속도(V) 사이의 관계를 그린 그래프로, 곡선(Y)는 종래 완충기에서의 가스압 P=(F_o+KV)/(A_p-A_r)을 도시하며 곡선(X)는 (9)식의 우변을 나타낸다.

곡선(X)는 포물선이며, (V_o)로 표시되는 특정 피스턴 속도에서 최대치를 취한다.

V_o=a₂K/2βA_r ²A_p(10)

따라서, 완충기의 최대 피스턴 속도 V_max가 (10)식의 V_o보다 크면, 가스체임버내의 가스압을 다음식으로 정의되는 값과 같거나 약간 크게정함으로서 완충기의 수축 행정에서 오일체임버(C)내의 진공의 발생을 방지할 수 있다.

P=(a₂ ²K²4βA_r ²A_pF_o)/4βA_r ²A_p(A_p-A_r) (11)

최대 피스턴속도 V_max가 (10)식의 V_o보다 작으며, 가스 체임버내의 가스압을 V_max를 (9)식의 우변에 대체시켜 얻어지는 값과 같거나 약간 크게 정함으로서 완충기의 수축행정에서 오일 체임버(C)내로 진공의 발생을 방지할 수 있다.

이제 제3도를 참조하면 구재적으로 기술하고저 한다. 수축행정에서 밸브 개방시의 밸브기구(18)의 저항력 F_o=13㎏ 밸브기구에 의해 정의되는 상수 K=0.4㎏sec/m, 피스턴의 횡단면적 A_p=490㎟, 피스턴로드의 횡단면적 A_r= 122㎟, 오일의 점성과 밀도에 의해 정의되는 상수 β=1.09 10^-6㎏s²/㎠, 및 구멍(12)의 유효단면적이 a₂=2.5,3.5,5,7 및 10㎟으로 각각 변화한다고 하면, 제3도의 곡선(X₁,X₂,X₃,X₄및 X₅)가 얻어진다.

제3도에 도시된 바와 같이, 완충기의 정상 동작 조건에서의 피스턴 의최대속도 V_max=1m/s, 및 a₂=2.5㎟일때, 포문선(X₁)의 최대치에 의해 정해지는 바와 같이 필요한 최소 가스압(P)는 4kg/㎠이며 : 같은 방법으로 a₂=3.5 일때, P=4.5kg/㎠, a₂=5㎟일때, P=5.5kg/㎠, a₂=7㎟일때, P=7.3kg/㎠, 그리고, a₂=10㎟일때, 포물선(X⁵)에 의해 정의되는 최대치는 V=1.8m/s에서 P=11.2kg/㎠이지만, 곡선(X₅)에서 V_max= 1.0m/s에 의해 정의되는 (P)의 값은 9.5kg/㎠이지만, 곡선(X₅)에서 V_max= 1.0m/s에 의해 정의되는 (P)의 값은 9.5kg/㎠이다.

이들 값을 제3도에서 선(Y)로 도시된 바와 같이 V_max=1.0ms에서 P=11.8kg/㎠인 종래의 완충기의 입력과 비교하면, 구멍(12)의 유효 횡단면적 a₂=2.5㎟ 일때 따른 완충기의 가스압은 약 1/3로 감소될 수 있다는 것이 명백해진다.

최대 피스턴 속도(V_max)가 2m/s일때, 종래 완충기에서의 가스압은 적어도 20kg/㎠인 반면, 봉 고안에 따르면, a₂=10㎟에서 P=11.2kg/km²이고, a₂=2.5㎟에서는 P=4kg/㎠이므로, 가스체임버내의 가스압을 약 1/2-1/5로 감소시킬 수 있다.

상술한 바와 같이,구멍(12)의 유효 횡단면적(a₂)를 감소시킴에 의해 가스압(P)를 감소시킬 수 있다. 그러나, 유후 횡단면적(a₂)가 감소되면, 구멍(12)은 완충기의 신장 및 수축 행정에서 상당한 저항력을 발생하게 되므로 작은 구멍(12)의 크기를 감소시키는 데에는 한계가 있다. 즉, 구멍(12)의 유효 횡단면적의 최소치는 하기식으로 정해진다.

실시예에서, 완충력 발생기구는 밸브(18) 및 (19)에 의해 구성되나, 오리피스등과 같은 임의의적당한 완충력 발생기구가 또한 대신 사용되거나 또는 적당한 형태의 밸브 기구에 부가하여 사용될 수 있다.

지금까지 상세히 기술된 바와 같이 본 고안에 따른 유압 완충기는(9)식에 따라 작은 구멍(12)의 유효 횡단면적과 봉입된 가스압을 정함에 의해 오일 체임버(C)내에 진공압력을 형성하지 않고 예정된 저항력을 확실히 발생할 수 있다.

더우기, 본 유압 완충기는 신장 및 수축 행정에서 작용하는 피스턴내의 완충력 발생기구와, 상기식들을 만족하는 유효 횡단면적을 갖는 작은 구멍 또는 오리피스등을 포함하므로, 종전의 유압 완충기에 비해 실질적으로 가스체임버(A2)내의 가스압을 감소시킬 수 있다. 고로 완충기의 내압을 감소시키며, 시일부체의 마명을 줄이고, 시일 부체의 유효수명을 길게하며, 장시간 사용중 완충기에 공기 및 유재가 침투하지 않도록 유지하는 것이 가능하다.

Claims

작동유로 채워져 있는 내부관(1), 내부관의 외부에 배치되고 상부가 압력가스로 채워지는 외부관(2), 내부관의 내부를 상부 및 하부의 오일체임버로 분할하는 피스턴(3), 피스턴 밸브기구(18,19) 피스턴로드(4), 및 내부관의 하부오일체임버를 외부관(2) 사이의 오일 체임버(A₁)와 연통시키기 위한 구멍(12)으로 이루어진 유압완충기에 있어서, 구멍(12)를 통해 흐르는 오일의 흐름에 병목 효과를 발휘하도록 하기 위하여, 최대 피스턴 속도에 대하여 하기식(Ⅰ)이 정상작동 상태에서 적용될 때, 구멍(12)의 단면적은 가스 체임버내 가스압(P)이 하기식(Ⅱ)로 정해지는 최대치와 하기식(Ⅲ)으로 정해지는 최소치 범위이내인 것을 특징으로하는 유압완충기.

여기서, P ; 환상공간(A)의 가스체임버(A₂) 내가스압, a₂: 구멍(12)의 유효단면적, F_o; 완충기의 수축 행정 운동에서 밸브 개방시에 발생하는 피스턴 밸브(18)의 저항, V; 피스턴 속도, A_p; 피스턴(3)의 단면적, A_r; 피스턴 로드(4)의 단면적, β; 오일의 점도 및밀도에 의해 정의되는 상수 K ; 피스턴 밸브기구(18)에 의해 정의된 상수.