KR920006627B1 - 공압스프링의 시일구조 - Google Patents

공압스프링의 시일구조 Download PDF

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KR920006627B1
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오. 스미스 로데르
엘. 하우어드 티모씨
에이. 카우츠 프란츠
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가스 스프링 캄퍼니 디비젼 어브 피히텔 운트 작스 인더 스트리스 아이엔씨
오. 스미스 로데르
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Abstract

내용 없음.

Description

공압스프링의 시일구조
제1도는 본 발명에 의한 공압 스프링에 있어서의 시일구조를 보여주는 단면도.
제2도는 본 발명의 다른 실시예의 단면도.
제3도는 본 발명의 또 다른 실시예의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 실린더 12 : 피스톤 로드
13 : 피스톤(본체) 14 : 피스톤 링
14 : 금속디스크 17 : 피스톤 챔버
20, 30 : 피스톤 단부벽 21 : 안내부싱
22 : 고정시일부재 24, 35 : 정지턱
26, 27, 38, 39 : 립(lip) 37 : 유동시일부재
[발명의 배경]
본원은 시일(seal) 구조 특히, 가동 피스톤 로드와 정주 하우징 사이에서 피스톤 로드를 따라 가압 유체가 누출하는 것을 방지하기 위해 사용되는 시일 구조에 관한 것이다.
실린더 공동(空洞)내에 고압의 공기 또는 질소와 같은 개스를 수용하는 공압 스프링이 공지되어있다. 개스가 실린더 공동으로부터 피스톤 로드를 따라 누출하는 것을 방지하기 위한 시도로서, 오일과 같은 액체를 수용하는 챔버를 피스톤 로드가 왕복 통과하는 구멍이 형성된 단부벽에 인접하여 설치했다.
그러나 공압 스프링은 미국 특허 제3,856,287호 및 그에 인용된 종래 기술자료에 기재된 바와같은 탄성지주(支枉)에 사용될 수 있다. 그 스프링은 또한 미국특허 제4,263,488호에 기재된 바와같이 스테이션 왜건(station wagon)의 뒷문을 개방위치로 바이어스(bias) 시키기 위하여 사용될 수도 있다. 추가로, 이들 스프링은 미국 특허 제4,030,716호에 기재된 바와같은 공압 현가 장치에 사용될 수도 있다.
구멍이 형성된 단부벽에 인접한 액체 챔버를 가지는 이들 스프링은 가압된 개스에 대해서는 훌륭한 시일특성을 제공한다. 그렇지만, 개스는 결국 액체 챔버와 개스 챔버사이에 고정된 시일 부재를 지나 이동한다. 결과적으로, 그 "액체 챔버"내에 축적된 개스는 액체보다 횔씬 더 빠른 속도로 구멍이 형성된 단부벽의 시일 부재를 지나 이동한다. 또한, "액체" 챔버내의 개스의 농도가 높을수록 액체에 의한 단부벽 시일 부재의윤활성이 저하되며, 또한 특성 설비에 있어서는 가스 스프링의 방향 변화에 대한 다소의 감수성을 초래하게 된다. 추가로, 압력차때문에 액체 챔버와 개스 챔버사이의 시일 부재상에 걸리는 부하는 이 시일부재상에 마찰 및 마모를 초래하게 된다.
[발명의 요약]
본 발명에 따른 시일구조는, 구멍이 형성된 단부벽에 인접하게 설치된 고정시일 부재를 포함하지만, 액체 챔버와 개스 챔버 사이에 설치된 유동 시일 부재는 타 시일 부재에 대해 원근 방향으로 자유로이 활주(slide)할 수 있다. 고정 시일 부재가 누손 또는 마모되는 경우, 대개는 오일인 액체가 고정 시일 부재를 지나 천천히 이동함에 따라 액체 챔버와 개스 챔버를 분리시키는 유동 시일 부재가 고정 시일 부재를 향하여 이동한다.
하지만, 유동 시일 부재가 이렇게 천천히 이동하는 중에는 그 부재 양측의 압력차가 극히 작으므로 그 유동 시일 부재상에 마찰 또는 마모가 거의 초래되지 아니한다. 또한, 유동 시일 부재 양측의 극미한 압력차때문에 극미량의 개스만이 유동 시일 부재를 지나 액체 챔버내로 통과하게 된다. 이는, 대개 액체가 고정 시일 부재의 동작 주기중에 그 유동 시일 부재와 접촉상태에 있도록 보장한다.
따라서, 액체 챔버내에 극미량의 가스가 존재하므로 개스 스프링이 어떤 방향으로 위치하든, 그리고, 어떤 온도상태에 있던지간에 고정 시일 부재와 피스톤 로드간의 충분한 윤활이 보장된다. 또한 액체, 특히 오일이 개스보다는 더 늦은 속도로 고정 시일 부재를 통과하기 때문에 고정 시일 부재를 통한 누출이 거의없다.
결국, 유동 시일 부재는 고정 시일 부재에 인접하여 정지되고, 그후에 그 유동 시일 부재는 공압 스프링내에 나머지 개스 및 액체 압력을 유지한채 2차척인 시일 부재 즉, 안전 시일 부재로서 작용한다.
다른 한 실시예에서, 기계적인 압축 스프링이 유동 시일 부재와 고정 시일 부재 사이에 배치될 수 있다. 이 기계적인 스프링은, 유동 시일 부재를 개스 스프링내의 초기 위치(가장 내측 위치)로 바이어스(편향) 시키고, 고정 시일 부재를 통한 유체 누출이 발생하는 경우 유동 시일 부재를 향하여 이동하는 것을 탄성적으로 억제하는 작용을 한다. 유동 시일 부재가 이동하는 것을 이러한 방식으로 기계적으로 억제하면 유동 시일 부재의 압력차가 증대되어 공압 스프링의 개스 챔버와 대기압사이의 압력차가 유동 시일 부재와 고정 시일 부재 모두에 대해 보다 균일하게 분배된다.
본 발명에 따른 시일 구조는 보다 작동수명과 보존기간, 보다 넓은 작동 온도 범위를 제공하고, 공압 스프링을 설치함에 있어 공압 스프링의 방향에 대한 민감도를 줄여준다.
아울러, 종래 재료의 부적합성 때문이 가능치않았던 여리가지의 시일 부재/개스/오일을 함께 사용할 수있다. 이는, 피스톤 후방의 개스가 고정 시일 부재와 유동 시일 부재사이의 챔버내의 액체로부터 격리되어있기 때문이다.
[바람직한 실시예의 설명]
제1도에서, 본 발명에 따른 시일 부재가, 대체로 원형 단면의 축방향으로 긴 실린더(11)를 포함하는 공압 스프링(10)에 장작된 상태로 도시되어있다. 피스톤 조립체는 원통형의 피스톤 로도(12) 및 그 피스톤 로드의 얇은 단부상에 축방향으로 고정되어 실린더(11)의 공동내에 위치되는 피스톤 본체(13)를 포함한다. 피스톤 링(14)의 외측 원형 표면은 실린더 내벽에 활주가능하게 결합된다. 링(14)은 피스톤 본체(13)와 피스톤 로드(2)상에 안정된 장방형 단면의 구멍 뚫린 금속 디스크(15) 사이에 약간의 틈새를 가지고 삽입되어 축방향 이동이 제한된다.
피스톤 본체(13)와 실린더 벽 사이의 반경 방향 틈새는 명확을 기하기 위하여 도면에 다소 과장되게 도시했다. 피스톤 본체(13)의 직경이 디스크(15)의 그것보다 훨씬 더 길기때문에 피스톤 로드(12)의 내측 단부에 대한 반경 방향 안내부 역활을 한다.
피스톤 본체(13)의 후방에 있는 챔버(17)에는 대기압 보다 될씬 높은 압력의 개스, 바람직하기로는 공기또는 질소가 담겨있다. 이 가압된 개스의 바이어스 력(biasing force)의 작용으로 피스톤 로드(12)가 실린더(11)의 외측으로 이동하는 동안, 개스는 피스톤 본체내의 단지 조절공(throttling bore; 도시안됨)만을 통해서 챔버(17)로부터 피스톤 본체(13)를 지나 흐를수 있으나, 피스톤 로드가 내측방향으로 이동하는 중에는, 미국 특허 제4,263,488호 및 그에 인용된 종래 기술에서 보다 충분히 설명된 바와같이, 피스톤 링(14)이 디스크(15)의 구멍 및 피스톤 본체(13)와 실린더(11) 사이의 틈새를 통한 추가의 흐름통로를 개방시킨다.
피스톤 로드(l2)는 또한 단부벽(20)에 인접한 안내 부싱(21)에 의해 실린더(11)의 단부벽(20)내의 구멍을 통해서 축방향으로 안내된다. 환형의 고정 시일 부재(22)는 지지링(23)과 실린더(1l)의 측벽에 형성된 내향정지턱(stop:24)에 의해 부싱(21)에 대항하여 지지된다. 고정 시일 부재(22)는 탄성재료(elaotomericmaterial)로 형성되며 실린더 벽과 계합하는 외측의 환형 립(26)과 피스톤 로드(12)와 활주가능하게 계합하는 내측의 환형 립(27)을 포함한다. 그 시일 부재(22)는 삽입 성형된 편평한 금속 링(28)에 의해 보강되어 실린더 공동내의 가압유체를 밀폐한다.
실린더(11)의 반대측 단부는 단부벽(30)에 의해 폐쇄되어있고, 그 단부 벽에는 고정용 고리(31)가 장착되어있다. 피스톤 로드(12)의 외측 단부에는 고정용 고리(33)가 장착된다. 공압 스프링(10)은 스테이션 왜건의 윗문을 개방위치로 바이어스시키기 위하여 사용되는바, 상기 고리(31)는 차체에 피봇트가능하게 창착되고 고리(33)는 뒷문에 피봇트가능하게 장착된다.
다른 하나의 내향 정지턱(35)이 전술한 내향 정지턱(24)으로부터 이격된 지점에서 실린더(11)의 측벽에 형성된다. 피스톤 로드(12)가 가압 개스에 의해 실린더 공동 밖으로 밀린 경우에 피스톤 로드의 연장 범위는 디스크(15)가 내향 정지턱(35)와 계합할때까지로 제한된다.
환형의 유동 시일 부재(37)는 내향 정지턱(24,35) 사이에서 자유롭게 활주하는 한편 피스톤 로드(12) 및 실린더 벽과 활주 가능하게 계합한다, 그 시일 부재(37)는, 탄성 재료로 형성되며 실린더 벽과 활주 가능하게 계합하는 외측의 환형 립(38)과 피스톤 로드와 활주가능하게 계합하는 내측의 환형 립(39)을 포함한다. 시일 부재(37)는 내향 정지턱(24)을 향한 측부상에서 그 시일 부재에 고착된 금속 링(40)에 의해 보강된다. 링(40)은 내향 정지턱(24)과 계합하도록 되어있고, 챔버(17)로부터의 개스압에 대해 변형되거나 정지턱(26)을 통과하지 않고서도 견딜 정도로 견고하다.
공압 스프링(10)이 제조되는 경우, 원통형 공동에 본 기술 분야에서 잘 알려진 기술에 의해 개스, 바람직하게는 공기 또는 질소가 우선적으로 충전된다. 그후에, 액체, 바람직하기로는 상당한 점성의 오일이 잘 알려진 기술에 의해 시일 부재(22,37)사이의, 챔버(42)로 주입 충전된다. 유동 시일(37)이 내향 정지턱(35)에 대향할때까지 상방으로 유동시키도록 충분한 액체가 이 챔버(42)로 펌핑되어 이 챔버내의 모든 개스를 챔버(17)내로 이동시킨다.
제3도의 실시예와 관련하여 알 수 있겠지만, 액체의 유동 작용을 보충하고 시일 부재(37)를 정지턱(35)에 대항하여 강제하기 위하여 필요하다면 기계적인 압축 스프링을 설치할 수도 있다.
챔버(42)내의 오일을 고정 시일 부재(22)가 누손 또는 마모됨에 따라 그 시일 부재를 지나 천천히 이동하며, 그 시간중에 유동 시일 부재(37)가 시일 부재(22)를 향하여 이동한다. 그러나, 유동 시일 부재(37)가 이렇게 이동하는 동안, 이 시일 부재의 양측에 극소의 압력차가 존재하여 이 시일 부재상에 마찰 또는 마모가 거의 초래되지 않아 극소량의 개스만이 그 부재를 지나 이동하게 하고, 따라서 피스톤 작동중에 오일이 시일 부재(22)와 접촉상태에 있도록 하며 전술된 바와같이 어떤 온도 조건이든, 그리고 공압 스프링(10)이 어떤 방향으로 설치되든 시일 부재(22)에 훌륭한 윤활성을 제공한다.
결국, 유동 시일 부재(37)는 가상선(37A)으로 도시된 바와같이, 내향 정지턱(24)에 대항하여 정지하고, 나머지 개스 및 오일 압력을 유지한 채 2차 또는 안전 시일 부재로서 작용한다.
제2도에 도시된 변형된 시일 부재는 이제 설명될 것을 제외하고는 제1도의 그것과 동일하다. 여기에서, 내향 정지턱(35)은 추가의 안내 부싱(47)을 고정하는 근접 이격된 한쌍의 내향 정지턱(44, 45)으로 대체되어있다.
안내 부싱(47)은 피스톤 로드(12)에 대한 추가의 지지력을 제공한다. 또한 부싱(27)에는 챔버를 향한, 즉, 피스톤 조립체의 디스크(15)와 계합하도록 된 환형의 견부(48)가 형성되므로 피스톤 로드(12)가 뻗쳐진 위치에 있는 경우 디스크(15)를 내향 정지턱과 이격되게 유지함으로써 분리 마찰을 감소시킨다.
부싱(47)에는 또한 챔버(42)를 향한, 즉, 유동 시일 부재(37)와 계합하도록된 환형 견부(49)가 형성된다. 이는 개스 및 오일 충전중에 유동 시일 부재가 가압 고착되는 것을 방지한다.
유동 시일 부재(37)의 효과는 그 부재를 정지턱(35), 즉, 최내측의 완전 안장 위치를 향하여 바이어스시키는 기계적 스프링을 추가함으로써 더욱 향상되는 것으로 판명됐다. 본 발명의 그러한 실시예가 제3도에 예시되어있다. 제3도의 실시예는 달리 설명되는 것을 제외하고는 제2도 및 제2도의 그것과 동일할 수 있다.
제3도에서, 고정 시일 부재(22)와 정지턱(24)사이에 설치되는 스프링안에 부싱(50)을 위한 여지를 제공키위하여 내향 정지턱(24)이 실린더(11)를 따라 훨씬 더 내측으로 이격되어있다. 부싱(50)은 내측에 홈(52)이 형성되어 기계적 압측 스프링(54)을 수용하는바, 그 스프링은 부싱(50)상의 견부(56)와 유동 시일 부재(37) 사이에서 작용한다. 바람직하다면, 하나이상의 추가적인 안내 부싱(58)이 제공되어 스프링(54)이 실린더(11)의 내표면과 접촉하여 그 표면을 파괴시키지 않도록 보장할 수 있다. 바람직한 경우에는 제2도의 부싱(47)의 형태를 취할 수 있는 지지링(60)이 유동 시일 부재(37)에 대한 정지부로서 작용하여 유동 시일 부재(37)가 정지턱(35)과 접촉하여 손상될 가능성을 배제시킨다.
기계적 스프링(54)은 두가지 기능을 수행한다. 첫째로, 유동 시일 부재(37)는, 공압 스프링의 초기 충전시에 유동 시일 부재(37)가 제3도(및 제2도에 실선으로) 도시된 바람직한 최내측의 완전히 안장된 위치를 취하도록 보장한다. 두번째로, 챔버(42)로부터 누설이 발생함에 따라(마모시에) 유동 시일 부재(37)가 이동하는 것을 탄성적으로 저지함으로써, 유동 시일 부재(37) 양측, 즉, 개스 챔버(17)와 액체 챔버(42) 사이의 압력차를 증가시키는 역할을 한다. 이해되겠지만, 고정 시일 부재(22)를 통한 액체 누설이 계속되어 기계적 스프링(54)이 압축됨에 따라 유동 시일 부재(37)에 걸친 압력차가 점진적으로 상승한다. 이 기계적 스프링(54)의 기능은 고압의 개스 챔버(17)와 대기압 사이의 압력차를 유동 시일 부재(37)과 고정 시일 부재(22)양자 모두에 균등하게 분포시킴으로써 유동 시일 부재와 고정 시일 부재 결함체의 전체 밀폐 효과를 개선시킨다.
이상에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 도시하고 설명했다. 본 명세서에 기재된 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고서도 발명의 변형예 및 수정예를 실시할 수 있다. 예컨대, 유동 시일 부재는 피스톤 로드와 활주가능하게 계합하는 내측의 링 및 실린더 벽과 슬라이드 가능하게 계합하는 외측의 0링을 포함할수 있는바, 그러한 변형예 및 수정예는 첨부된 특허청구의 범위에 규정된바의 본 발명의 범위에 속하도록 의도된다.

Claims (7)

  1. 측벽, 제1단부에 근접한 폐쇄된 단부벽(30) 및 제2단부에 근접한 천공된 단부벽(20)을 지니는 실린더(11), 상기 폐쇄된 단부벽(30)과 상기 천공된 단부벽(20) 사이에서 축방향으로 상기 실린더내에 형성되어 있는 공동, 상기 공동의 내측 및 외측으로 연장되어 있으며, 상기 천공된 단부벽(20)를 통해 축방향으로 안내되어 운동할 수 있고, 상기 공동내에서 피스톤 장치(13,14,15)와 연결되는 피스톤 로드(12), 상기 피스톤 로드(12)와 시일 가능하게 연계되고, 상기 천공된 단부벽(20)에 근접하게 위치하며, 상기 실린더(11)에 대해 축상으로 고정되는 제1의 시일 부재(22), 및 상기 제1의 시일링 부재(22)와 상기 피스톤 장치(13,14,15)사이에 축상으로 위치된 제2의 시일 부재(37)를 지니고, 상기 피스톤 장치(13,14,15)에는 이 피스톤 창치(13,14,15)에 걸쳐 연장된 흐름 통로가 제공되고, 상기 공동은 가압된 개스 및 액체의 체적을 포함하며, 상기 액체의 체적은 상기 제1의 시일 부재(22)와 상기 제2의 시일 부재(37)사이에 제공되며, 가압된 개스의 체적은 상기 제2의 시일 부재(37)와 상기 폐쇄 단부벽(30)사이에 제공되고, 상기 액체의 체적 및 가압된 개스의 체적은, 상기 측벽의 내측 표면과 상기 피스톤 로드의 외측 표면에 반경상으로 시일 연계된 상기 제2의 시일 부재(37)에 의해 서로에 대하여 밀폐 시일되며, 상기 제2의 시일 부재(37)는 상기 제1의 시일 부재(22)와 상기 피스톤 장치(13,14,15)사이에서 축방향으로 유동하며, 상기 가압 개스의 압력은 상기 제2의 시일 부재(37)에 의해, 상기 가압 개스와 상기 액체가 혼합되지 않으면서 상기 제1의 시일 부재(22)와 상기 제2의 시일 부재(37) 사이에 제공된 상기 액체의 체적에 전달되고, 상기 제2의 시일 부재(37)는, 상기 천공된 단부벽(20)을 통한 상기 액체의 누설의 경우, 상기 제1의 시일 부재(22)를 향해 축방향으로 운동할 수 있는 것을 특징으로 하는 공압 스프링.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2의 시일 부재(37)는, 상기 피스톤 장치(13,14,15)와 상기 제2의 시일링장치(37)사이에 축상으로 포함되어 있는 상기 가압 개스의 높은 압력과, 상기 제2의 시일 부재(37)와 상기 제1의 시일 부재(22)사이에 축상으로 존재하는 낮은 압력 사이의 압력 편차를 유지할 수 있는 공압 스프링.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 축방향으로 고정되어 축방향으로 작용하는 제1의 내향 정지터(35)은, 상기 축방향으로 유동하는 제2의 시일 부재(37)의 최내측 위치(즉 상기의 천공된 단부벽(20)으로부터 가장 이격된 위치)를 형성하도록 상기 제2의 시일 부재(37)에 대하여 제공되며, 상기 제2의 시일 부재(37)는, 액체가 상기 제1의 시일 부재(22)와 상기 제2의 시일 부재(37) 사이에 축방향으로 연장된 챔버로부터 누설될 수 있기 전인 정상 작동상태에서, 상기 내향 정지턱(35)과 축상으로 연계되는 공압 스프링.
  4. 제1항에 있어서, 축방향으로 고정되어 축방향으로 작용하는 제2의 내향 정지턱(24)은 상기 제2의 시일 부재(37)에 대하여 제공되며, 상기 제2의 내향 정지턱(24)은 상기 제2의 시일 부재(37)의 축방향으로 최외측 위치를 형성하고, 상기 제2의 시일 부재는, 상기 제1의 시일 부재(22)와 상기 제2의 시일 부재(37) 사이의 축방향으로 포함된 액체가 누설된 이후에 상기 제2의 내향 정지턱(24)과 축방향으로 연계되는 공압 스프링.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2의 시일 부재(37)는, 상기 피스톤 로드(12)를 둘러싸는 탄성 재료의 시일 본체, 및 상기 제1의 시일 부재(22)에 면하는 측면에 근접하여 상기 시일 본체에 조합되어 있는 고상의 경직된 링(40)을 포함하는 공압 스프링.
  6. 제5항에 있어서, 상기 시일용 본체는 탄성 재료로 만들어지며 상기 경직된 링(40)은 서로에 대하여 고정되는 공압 스프링.
  7. 제1항에 있어서, 기계적인 스프링 및, 바람직스럽게는 헬리컬 압축 스프링(54)이 상기 제1의 시일 부재(22)와 상기의 제2시일 부재(37) 사이에 축상으로 제공되며, 상기 스프링(54)은 상기 제2의 시일 부재(37)를 상기 폐쇄된 단부 벽(30)을 향해 강제하고, 상기 스프링(54)은, 상기 제1의 시일 부재(22)와 상기 제2의 시일 부재(37) 사이에서 축상으로 포함된 챔버로부터 액체가 누설될 경우에 상기 제2의 시일 부재(37)상에 작용하는 가압 개스에 의해 압축될 수 있는 공압 스프링.
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