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KR101276965B1 - 축방향 슬라이딩 베어링 및 그 파워 손실을 감소시키는 방법 - Google Patents

축방향 슬라이딩 베어링 및 그 파워 손실을 감소시키는 방법 Download PDF

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KR101276965B1
KR101276965B1 KR1020107024424A KR20107024424A KR101276965B1 KR 101276965 B1 KR101276965 B1 KR 101276965B1 KR 1020107024424 A KR1020107024424 A KR 1020107024424A KR 20107024424 A KR20107024424 A KR 20107024424A KR 101276965 B1 KR101276965 B1 KR 101276965B1
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모니카 마리안느 아이반티사이노바
조나단 베이커
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퍼듀 리서치 파운데이션
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Abstract

본 발명에 따르면, 지지 및 밀봉 기능을 갖고 감소된 파워 손실을 나타낼 수 있는 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링용의 기계 및 방법이 제공된다. 기계의 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링은 유체 막에 의해 분리되고 기계의 운전 중에 서로에 대해 이동하도록 되어 있는 축방향 슬라이딩 지지 표면에 의해 규정된다. 기계는 제 1 및 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면을 형성하는 제 1 및 제 2 요소를 갖고 있다. 조합하여, 제 1 및 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면은 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링의 지지 및 밀봉 표면으로서 기능을 한다. 상기 기계는 제 1 및 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면이 서로에 대해 제 1 이동 방향으로 이동하고, 적어도 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면이 제 1 이동 방향으로 진동 파형을 갖는 표면 프로파일을 구비하도록 되어 있다.

Description

축방향 슬라이딩 베어링 및 그 파워 손실을 감소시키는 방법{AXIAL SLIDING BEARING AND METHOD OF REDUCING POWER LOSSES THEREOF}
본 발명은 정변위(positive dispacement) 기계에 사용하기에 적합한 유체 정압 슬라이딩 베어링(hydrostatic sliding bearing)을 비롯한 유체 정압 슬라이딩 베어링에 관한 것이다.
축방향 및 반경방향 피스톤 기계와 같은 정변위 펌프 및 모터는 일반적으로 실린더 블록 내에서 왕복운동하는 일련의 피스톤을 포함하고 있다. 축방향 피스톤 기계에 있어서, 피스톤-실린더 조합체는 평행하고, 실린더 블록 내의 원형 어레이로 배치되어 있다. 각각의 피스톤-실린더 조합체에 있어서 실린더 블록의 일단부에 입구/출구 포트가 구획되어, 실린더 내의 피스톤이 왕복운동함에 따라, 유체가 포트를 통해 각 실린더 내로 흡인되고 실린더로부터 방출될 수 있다. 입구/출구 포트를 구비하는 실린더 블록의 단부는 밸프판의 표면과 인접하는 축방향 슬라이딩 지지 표면을 형성하는 한편, 실린더 블록의 대향 단부는 실린더 블록의 회전을 위한 구동 샤프트에 연결된다. 밸프판에는 각 실린더의 입구/출구와 순차적으로 정렬되어 있는 입구 개구 및 출구 개구가 형성되어, 유체는, 밸프판 입구 개구와 정렬될 때 실린더 입구/출구 포트를 통해 각 실린더로 흡인되고, 밸프판 출구 개구와 정렬될 때 실린더의 입구/출구 포트를 통해 각 실린더로부터 방출된다. 실린더 블록과 밸프판의 정합면은 기계에 의해 작동되는 유체막에 의해 분리되는 축방향 슬라이딩 지지 표면이고, 실린더 블록에 의해 밸프판에 가해지는 축방향 부하에 영향을 받을 수 있는 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링을 형성한다. 이 축방향 부하를 지지하는 것에 추가하여, 축방향 슬라이딩 베어링은 블록과 밸프판 사이의 유체 누설도 최소화하여야 한다. 그 결과, 축방향 슬라이딩 베어링은 베어링 기능과 밀봉 기능을 모두 가져야 하고, 이에 의해 오직 부하 지지 기능만을 갖는 일반적인 베어링 용례와 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링이 구별된다.
정변위 축방향 슬라이딩 베어링은 종종 유체 정압 베어링으로 불리우는 한편, 실린더 블록이 밸브판에 대해 회전할 때, 베어링의 부하 지지 및 밀봉 기능에 영향을 주는 유체동역학적 효과가 존재한다는 것이 널리 알려져 있다. 그럼에도 불구하고, 편의를 위해 정변위 기계 및 유사한 용예의 슬라이딩 베어링은 본 명세서에서 단순하게 유체 정압 베어링으로 부른다.
각 피스톤의 일단부가 실린더 블록으로부터 돌출되고, 실린더 블록의 축선에 대해 경사진 고정 경사판(stationary swash plate)과 결합되어, 블록이 경사판에 대해 회전함에 따라 실린더 블록 내에서 피스톤이 왕복운동하게 한다. 각 피스톤의 행정 길이와, 그에 따른 피스톤-실린더 조합체의 변위는 경사판의 경사(캠 각도)를 변화시킴에 따라 변화가능하게 될 수 있다. 이러한 능력을 제공하기 위해, 각 피스톤의 돌출 단부는 볼-앤-소켓(ball-and-소켓) 구성을 갖도록 구성될 수 있다. 슬리퍼 또는 이러한 구성의 소켓부는 경사판과 맞닿아 지지되는 평면일 수 있다. 각 피스톤-슬리퍼 조합체의 구형 정합면과, 경사판과 각 슬리퍼의 평면형 정합면은 예를 들어, 작동 상태에 있는 유체로 형성되는 유체막에 의해 분리되는 축방향 슬라이딩 지지 표면을 형성한다. 결과적인 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링은 슬리퍼와 경사판 사이에서 상대 운동 동안에 피스톤 힘을 경사판에 전달한다.
만곡축 피스톤 기계, 반경방향 피스톤 기계, 베인류 기계, 기어 기계, 나사류 기계 등과 같은 기타 정변위 기계를 포함하는 다른 기계에서 전술한 것과 유사한 축방향 슬라이딩 지지 표면을 찾아볼 수 있다.
슬라이딩 지지 표면을 가진 기계의 효율은 각 슬라이딩 지지 표면에 기인하는 토크 손실에 의존한다. 정변위 기계에 있어서, 효율은 또한 실린더 블록과 밸프판에 의해 규정되는 축방향 슬라이딩 지지 표면에서의 유체 누설에 기인한 파워 손실에 의존한다. 축방향 슬라이딩 베어링에 대한 구성은 널리 알려져 있고, 문헌에 기재되어 있다. 예를 들어, 다양한 정변위 기계용의 축방향 슬라이딩 베어링에 대한 기재를 뉴델리에 소재하는 아카데미아 북스 인터내셔날에서 2001년 출판한 이반티신 제이(Ivantysyn J.)와 이반티시노바 엠(Ivantysynova M.) 의 "유체 정압 펌프 및 모터"(국제 표준 도서 번호-81085522-16-2)에서 찾아볼 수 있다. 설계 원리 및 계산 방법은 일반적으로 슬라이딩 지지 표면들 사이의 갭 높이는 균일하다고 가정한다. 예로서 전술한 축방향 피스톤 기계를 사용하면, 실린더 블록과 밸프판의 평면 정합면과, 슬리퍼와 경사면의 평면 정합면의 슬라이딩 지지 표면은 평행한 것으로 생각되고, 피스톤과 슬리퍼의 구형 볼-앤-소켓 정합면의 슬라이딩 지지 표면은 완벽하게 구형이고 동심적인 것으로 생각된다. 제조 목적으로, 평탄도의 절대 편차값이 마이크로미터 범위로 규정된다. 사이징 공정 내에서 이상적으로 매끄러운 표면을 가정하고, 일반적으로 1 마이크로미터보다 작고, 더 일반적으로는 래핑과 같은 연마 마무리 작업을 필요로 하는 1 마이크로미터의 수천만분의 1 내지 수십분의 1 범위에 있는 제조 공정에 있어서의 최소 표면 조도(Ra)를 허용하는 것이 일반적인 관행이다. 일반적인 설계 원리 및 계산법은 추가로 슬라이딩 지지 표면 사이의 유체막은 두께가 일정하다고 가정한다.
상기의 일반적으로 사용되는 구성의 불리한 점은, 슬라이딩 표면 사이의 상대 운동 중에 비대칭 베어링 부하의 경우에, 표면이 서로에 대해 기울어져, 유체동역학적 효과를 일으키는 가변 높이의 갭을 형성하게 된다. 정변위 기계에 사용되는 축방향 슬라이딩 베어링의 경우에, 표면의 경사는 일측에서는 갭 높이가 매우 낮고 반대측에서는 갭 높이가 매우 높은 상태로 되게 할 수 있다. 이러한 상태는 상대적으로 갭 높이가 작은 영역에서 마찰을 증가시키고, 상대적으로 갭 높이가 큰 위치에서는 누설을 증가시켜, 기계의 파워 손실이 증가하고 기계 효율이 감소하게 된다. 이러한 문제점은 슬라이딩 지지 기능 및 밀봉 기능을 갖는 모든 비대칭 부하 축방향 슬라이딩 베어링에 있어서 공통적이다.
전술한 견지에서, 유체 정압 축방향 슬라이딩 지지 표면을 가진 기계에서 마찰/및/또는 유체 누설에 기인한 파워 손실을 최소화할 필요가 있다.
본 발명은 감소된 파워 손실을 보여주는 하나 이상의 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링을 갖는 기계와, 기계가 감소된 파워 손실을 나타내도록 기계가 하나 이상의 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링을 갖도록 구성하는 방법을 제공한다.
본 발명의 제 1 측면에 따르면, 기계는 기계의 운전 동안에 서로에 대해 이동하도록 되어 있고, 지지 및 밀봉 기능을 갖는 적어도 하나의 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링을 형성하도록 유체막에 의해 분리되는 적어도 2개의 축방향 슬라이딩 지지 표면을 구비한다. 상기 기계는 또한 축방향 슬라이딩 지지 표면 중 제 1 축방향 슬라이딩 지지 표면을 형성하는 제 1 요소와, 축방향 슬라이딩 지지 표면 중 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면을 형성하는 제 2 요소를 포함한다. 조합하여, 제 1 및 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면은 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링의 지지 및 밀봉 표면으로서 기능을 한다. 상기 기계는 상기 제 1 및 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면은 서로에 대해 제 1 이동 방향으로 이동하고, 적어도 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면이 제 1 이동 방향의 진동 파형을 포함하는 표면 프로파일(44)을 갖도록 되어 있다.
본 발명의 제 2 측면에 따르면, 본 발명의 방법은 적어도 하나의 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링을 형성하도록 유체막에 의해 분리되는 적어도 2개의 축방향 슬라이딩 지지 표면을 갖는 기계의 파워 손실을 감소시키기 위한 방법을 포함한다. 상기 기계는 제 1 이동 방향으로 서로에 대해 이동하고, 제 1 및 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면을 각각 형성하는 제 1 및 제 2 요소를 포함한다. 상기 방법은 제 1 이동 방향으로 진동 파형을 포함하는 표면 프로파일을 갖는 적어도 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면을 형성하는 단계를 더 포함한다.
본 발명은 축방향 및 반경방향 피스톤 펌프 및 모터를 포함하는 특정 실시예의 정변위 기계를 비롯한 다양한 기계에 적용가능하다. 축방향 피스톤 기계의 예에 있어서, 축방향 슬라이딩 베어링은 회전 실린더 블록 및 밸브 몸체의 정합면에 의해 형성될 수 있고, 상기 정합면 중 하나는 진동 파형을 포함하는 구조화된 슬라이딩 표면으로 변경될 수 있다. 진동 파형은 정합면 사이에 상대 이동이 있을 때 파워 손실을 감소시킬 수 있는 추가의 유체 동역학적 효과를 발생시킬 수 있는 대칭형 및 비대칭형 진동 파형을 비롯한 다양한 치수와 다양한 마이크로 프로파일을 가질 수 있다. 진동 파형의 프로파일과 치수는 감소된 파워 손실을 허용하고 및/또는 축방향 슬라이딩 지지 표면의 지지 영역의 감소를 허용하는 증가된 부하 수용 능력 달성하도록 주문 가공될 수 있다. 진동 파형의 프로파일 및 치수는 감소된 체적 손실을 달성하도록 주문 가공될 수 있다. 축방향 슬라이딩 베어링이 비대칭적으로 부하가 걸린다면, 이러한 이점은 특히 중요하다.
본 발명의 다른 이점 및 양태는 이하의 발명의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 축방향 피스톤 기계의 구성부품을 나타내는 실린더 블록 및 밸프판의 사시도,
도 2는 축방향 피스톤 기계의 대표적인 구성부품으로서 실린더 블록, 피스톤, 슬리퍼, 및 경사판을 포함하는 조립체의 절반부에 대한 단면도,
도 3은 밸프판의 축방향 슬라이딩 지지 표면 상에 형성될 수 있는 3개의 비제한적인 예의 구조화 표면과 도 1의 밸프판에 대한 평면도,
도 4는 밸프판의 구조화 표면에 대한 사인 파형의 프로파일을 도시하는 그래프,
도 5는 실린더 블록이 밸프판에 대해 회전함에 따라 컴퓨터 모델에 의해 예측되는 종래기술의 실린더 블록과 밸프판 사이의 계산된 갭 높이를 도시하는 그래프,
도 6은 실린더 블록이 밸프판에 대해 회전함에 따라 컴퓨터 모델에 의해 예측되는 실린더 블록과 밸프판 사이의 계산된 갭 높이를 도시하는 것으로서, 상기 밸프판의 지지 표면은 본 발명에 따른 사인 파형을 가진 프로파일을 갖는 구조화된 표면인 그래프,
도 7은 컴퓨터 모델에 의해 예측되는 것과 같은 도 5의 모델링된 종래 기술의 실린더 블록과 밸프판 사이의 계산된 압력장 분포를 도시하는 그래프,
도 8은 컴퓨터 모델에 의해 예측되는 것과 같은 도 6의 모델링된 실린더 블록과 밸프판 사이의 계산된 압력장 분포를 도시하는 그래프,
도 9는 그 각각의 실린더 블록의 완전한 1회 회전에 있어서 컴퓨터 모델에 의해 예측되는 바와 같은, 도 5의 밸프판와 모델링된 종래 기술의 실린더 블록 사이에서, 그리고 도 6의 밸프판와 모델링된 실린더 블록 사이에서의, 계산된 누설을 도시하는 그래프,
도 10은 그 각각의 실린더 블록의 완전한 1회 회전에 있어서 컴퓨터 모델에 의해 예측되는 바와 같은, 도 6의 밸프판와 모델링된 실린더 블록과, 도 5의 밸프판과 모델링된 종래 기술의 실린더 블록에 대한 토크 손실을 도시하는 그래프,
도 11은 도 5의 종래 기술의 실린더 블록 및 밸브판과, 도 6의 실린더 블록과 밸브판과, 본 발명의 추가 실시예에 따른 2개의 추가 실린더 블록과 밸브판 쌍에 있어서 선택된 작동 조건 하에서 컴퓨터 모델에 의해 예측되는 최대 및 최소 갭 높이를 비교하는 그래프,
도 12는 도 11의 실린더 블록과 밸브판 쌍 각각에 대해, 그리고 도 11의 동일한 선택된 작동 조건 하에서 컴퓨터 모델에 의해 예측되는 파워 손실을 비교하는 막대 그래프,
도 13 내지 도 18은 도 12의 각 선택된 작동 조건과 실린더 블록 및 밸브판 상 각각에 대해 도 12의 파워 손실이 토크 손실로 인한 파워 손실과 유체 손실(누설)로 인한 파워 손실로 분리되는 막대 그래프.
본 발명은 지지 기능 및 밀봉 기능을 모두 갖고, 대칭 또는 비대칭 부하가 인가될 때 감소된 마찰에 상응하는 감소된 파워 손실을 특징으로 하는 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링을 제공한다. 도 1은 축방향 피스톤 기계에 사용하기에 적합한 밸브판(12)과 실린더 블록(10)을 나타낸다. 도 2는 실린더 블록(10)의 절반부에 대한 개략적인 단면도로서, 실린더 블록(10)의 실린더 보어(16) 내에 수용되는 피스톤(14)과, 이 피스톤(14)의 일단부에 결합되는 슬리퍼(18)와, 이 슬리퍼(18)에 접하는 경사판(20)을 도시하고 있다. 통상적인 축방향 피스톤 기계와 일관되게, 피스톤(14)과 보어(16)는 실린더 블록(10)의 축선(24)과 평행한 축선(22)을 규정한다. 본 발명을 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 구성부품과 축방향 피스톤 기계를 참고하여 설명하지만, 본 발명은 만곡축 피스톤 기계, 반경방향 피스톤 기계, 베인류 기계, 기어 기계, 나사류 기계 등과 같은 다른 정변위 펌프 및 모터를 포함하는 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링을 이용할 수 있는 다양한 다른 기계에도 적용가능하다는 것을 이해하여야 한다.
도 1에 도시되어 있는 실린더 블록(10)은 원형 배열의 평행한 실린더 보어(16)를 포함하고, 상기 각 실린더 보어는 도 2에 도시되어 있는 것과 유사한 방식으로 피스톤(14)을 수용한다. 실린더 블록(10)은 각 실린더 보어(16)의 입구/출구 포트(26)를 갖도록 형성되어, 보어(16)내의 피스톤(14)이 왕복운동함에 따라 유체가 포트(26)를 통해 각 실린더 보어(16) 내로 흡인되고 실린더 보어(16)로부터 방출될 수 있다. 입구/출구 포트를 구비하는 실린더 블록(10)의 단부는 실린더 블록(10)의 축선(24)과 일치하는 축선을 가지는 도 2에 도시되어 있는 밸브판(12)의 축방향 슬라이딩 지지 표면(30)과 인접하는 축방향 슬라이딩 표면(28)을 규정한다. 비록 도시되어 있지는 않지만, 고정 밸브판(12)에 대한 블록(10)의 회전을 위해 구동 샤프트에 연결하기 위한 실린더 블록(10)의 반대 단부를 구성하는 것은 당업계에 널리 알려져 있다. 밸브판(12)은 한 쌍의 아치형 입구 및 출구 슬롯(32)을 구비하고, 이 입구 및 출구 슬롯은 실린더 블록(10)이 밸브판(12)에 대해 회전함에 따라 실린더 보어(16)의 입구/출구 포트(26)와 축방향으로 정렬되도록 축선(24)과 동일한 곡률 반경을 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 슬롯(32)이 다른 곡률 반경을 가질 수 있고, 슬롯(32)의 배치 및 형상이 도 1에 도시한 것과 다를 수 있다는 것은 예측 가능하다. 슬롯 중 어느 것이 입구로서 기능하고, 어느 것이 출구로서 기능하는 가는 밸브판(12)에 대한 실린더 블록(10)의 지향성 회전에 따라 달라지게 된다. 회전 방향에 관계없이, 슬롯(32)은 각 실린더 보어(16)의 입구/출구 포트(26)와 순차적으로 정렬되어, 도 2로부터 명백한 바와 같이, 밸브판(12)의 입구 슬롯(32)과 정렬될 때, 유체가 입구/출구 포트(26)를 통해 각 보어(16)로 흡인되고, 밸브판(12)의 출구 슬롯(32)과 정렬될 때, 입구/출구 포트(26)를 통해 방출된다.
정합될 때에, 실린더 블록(10)과 밸브판(12)의 축방향 슬라이딩 지지 표면(28, 30)이 작동하는 유체의 막(도시되지 않음)에 의해 분리되고, 블록(10)이 밸브판(12)에 대해 회전함에 따라 유체 동역학적 효과를 나타내는 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링을 규정한다. 유체 누설을 최소화하기 위해, 블록(10)과 밸브판(12)은 함께 유지되거나, 그렇지 않다면 블록(10)과 밸브판(12) 사이의 갭 거리(높이)를 제한하는 축방향 부하가 가해진다. 도 1에 도시되어 있는 구성에 있어서, 실린더 블록(10)의 지지 표면(28)은 실린더 블록(10)의 축선(24)과 동축 상태이고, 지지 표면(28)의 외주부에 슬롯(28D)과 유체적으로 연결(통기)되는 링 홈(28A)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 홈(28A)은 지지 표면(28) 상에 2개의 별개의 랜드부(28B, 28C)를 구획한다. 홈에 의해 경계가 정해진 랜드부(28B)는 실린더 블록(10)의 입구/출구 포트(26)가 밀봉 랜드부(28) 내에 위치한다는 것에 비추어 밀봉 랜드부(28B)라 불리우고, 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링에 요구되는 밀봉 기능은 밀봉부(28B)에 의해 주로 수행될 것이다. 홈(28A)을 구획하는 잔여 랜드부(28C)는, 그 주요 기능이 홈(28A)이 실린더 블록(10)을 둘러싸는 어떠한 압력(주로 대기압)에서도 통기되는 결과, 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링에 요구되는 부하 지지 기능이기 때문에, 베어링 랜드부(28C)로 불리울 것이다. 그러나, 양 랜드부(28B, 28C)는 모두 부하 지지 기능을 분담하는 것을 주목하라. 또한, 실린더 블록(10)의 지지 표면(28)은 베어링 랜드부(28C)가 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링의 밀봉 기능에 기여하도록 하게 변형될 수 있다는 것을 예측할 수 있다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 각 피스톤(14)의 일단부는 실린더 블록(10) 내의 보어(16)로부터 돌출되어, 슬리퍼(18)와 맞물린다. 슬리퍼(18)는 경사판(20)과 맞물리고, 실린더 블록(10)이 경사판(20)에 대해 회전함에 따라, 실린더 블록(10) 내에서 피스톤(14)이 왕복운동하도록 상기 경사판은 고정식이고 실린더 블록(10)의 축선에 경사져 있다. 가변 스트로크/변위 능력을 제공하기 위해, 도 2에 도시되어 있는 조립체는 경사판(20)의 경사(캠 각도)가 실린더 블록 축선(24)에 대해 변화될 수 있도록 구성된다. 특히, 피스톤(14)의 돌출 단부(34)는 구형 표면(36)을 구비하는데, 이 구형 표면은 슬리퍼(18)에 형성되어 있는 상보적인 구형상 소켓(38)과 맞물려서, 실린더 블록(10)이 회전하고 슬리퍼(18)가 경사판(20)의 지향 표면(40) 상의 원형 경로를 추종함에 따라, 피스톤(14)의 단부(34)가 소켓(38) 내에서 회전하고 선회하는 것을 허용하는 볼-앤-소켓 결합을 제공한다. 슬리퍼(18)는 경사판(20)의 표면에 맞닿아 지지되는 평면(42)을 구비한다. 각 슬리퍼(18)와 경사판(20)의 평탄한 정합면(40, 42)이 축방향 슬라이딩 지지 표면을 규정한다. 각 쌍의 지지 표면(40, 42)은 윤활유 막에 의해 분리된다. 예를 들어, 막은 흡인된 유체에 의해 실린더 보어(16)로부터 피스톤(14)을 통해, 그리고 슬리퍼(18)의 통로(46)를 통해 공급될 수 있다. 결과적인 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링은 슬리퍼(18)가 경사판(20)의 표면(40)에서 궤도를 따라 이동함에 따라, 경사판(20)에 피스톤 힘을 전달하는 부하 지지 기능을 제공한다. 지지 표면(40, 42)은 또한 슬리퍼(18)와 경사판(20) 사이에서 계면으로부터의 유체 누설을 제한하는 밀봉 기능을 제공한다. 실린더 블록(10)의 지지 표면(28) 때문에, 분리된 밀봉 및 부하 지지 영역이 예를 들어, 주변 분위기로 통기되거나 그렇지 않을 수 있는 홈에 의해 슬리퍼(18)의 지지 표면(42) 상에 구획될 수 있다.
본 발명을 설명하기 위한 목적으로, 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 축방향 피스톤 기계 및 그 축방향 슬라이딩 베어링의 다른 관련 구조 및 기능적 측면은 당업자에 의해 잘 이해될 것이고, 따라서 본 명세서에서 더 자세히 설명하지는 않겠다.
도 3은 밸브판(12)의 축방향 슬라이딩 지지 표면(30)의 축방향 도면을 포함하고 있고, 본 발명에 의해 구현되는 다양한 표면 프로파일(44) 중 3개를 도시하는 3개의 노출된 단면도에 대한 기초인 단면 라인(A)을 도시하고 있다. 도 3으로부터 명백한 바와 같이, 단면 라인(A)은 밸브판(12)의 지지 표면(30) 상에서 원형 경로를 규정하고, 실린더 블록(10)을 밸브판(12)에 정합시킨 후에 실린더 블록(10)의 축선(24)과 일치하게 되는 축선을 구비하여, 원형 경로 상에 놓인 프로파일(44) 상의 지점의 순간적인 이동 방향이 원형 경로와 접하게 된다. 도 4로부터 명백한 바와 같이, 진동 파형의 프로파일(44)이 원형 경로 상에 놓이고, 상기 파형의 피크와 밸리가 경로 축선의 방사부에 위치한다.
표면 프로파일(44)은 바람직하게는 밸브판 입구/출구 슬롯(32)을 포위하여 블록(10)과 밸브판(12)이 정합할 때 실린더 블록(10)의 밀봉 랜드부(28B)를 향하게 되는 밸브판 지지 표면(30)의 적어도 일부에 존재한다. 프로파일(44)은 밸브판 지지 표면(30)의 주변부를 향하여 연장되어, 블록(10)과 밸브판(12)이 정합될 때 실린더 블록(10)의 베어링 랜드부(28C)를 향하게 될 수 있다. 밸브판 지지 표면(30) 상의 프로파일(44)을 대신하여 또는 추가하여 지지 표면(28)에 프로파일(44)이 제공될 수 있다는 것을 이해할지라도, 실린더 블록(10)의 지지 표면(28)은 매끄럽고 프로파일(44)이 부족한 것으로 도 3에 도시되어 있다. 밀봉 랜드부(28B)의 전술한 밀봉 기능과 일관되게, 지지 표면(28) 상에 마련된 프로파일(44)이, 지지 표면(28)의 주변부에서 베어링 랜드부(28C) 내로 연장될지라도, 바람직하게는 실린더 블록(10)의 적어도 밀봉 랜드부(28B) 상에 존재할 것이다.
도 3의 실시예 1, 2 및 3에 도시되어 있는 프로파일은 진동 파형과 관련된 이 용어의 의미 및 일반적인 사용과 일관되게, 삼각형, 사인형 및 톱니형으로 불리울 수 있다. 삼각형 및 사인형 프로파일(44)은 대칭형으로 이해되는 반면, 톱니형 프로파일(44)은 비대칭으로 보일 수 있다. 대칭형 및 비대칭형 진동 파형의 다른 변형예가 예측가능하고, 따라서 본 발명의 보호 범위 내에 있다. 진동 파형은 넓은 범위의 피크-대-피크 진폭을 가질 수 있고, 적절한 최대 진폭은 100 마이크로미터라 생각된다. 최소 피크-대-피크 진폭이 적어도 0.1 마이크로미터라 생각된다. 프로파일(44)이 없다면{예를 들어, 도 3에서의 지지 표면(28)}, 지지 표면(28/30)은 진동 파형의 피크-대-피크 진폭보다 대략 작은 크기의 표면 조도를 가질 수 있다.
도 3에 도시되어 있는 프로파일(44)의 진동 파형은 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 조립체의 축방향 슬라이딩 지지 표면에 있어서 추가의 유체 동역학적 효과를 발생시키려는 것이고, 상기 축방향 슬라이딩 지지 표면에는 특히 홀수 개의 피스톤(14)을 사용하는 일반적인 실시예를 고려해 보면, 종종 비대칭으로 하중이 가해진다. 지지 표면의 비대칭 하중은 본 발명에 의해 제공되는 유체 동역학적 효과에 의해 감소될 수 있는 통상적인 축방향 슬라이딩 베어링의 파워 손실을 유발시킨다. 표면 프로파일(44)의 진동 파형과 그 치수가 소정 범위의 작동 조건에 걸쳐 파워 손실을 최소화하도록 규정될 수 있다고 생각된다. 또한, 표면 프로파일(44)이 축방향 슬라이딩 베어링의 부하 수용 능력을 증가시키고 및/또는 축방향 슬라이딩 지지 표면의 표면적의 감소를 허용하는 능력을 갖는다.
본 발명에 도달하는 연구에 있어서, 사인 파형(도 3의 실시예 2)이 독점적인 컴퓨터 모델을 이용하여 모델링 및 분석되도록 선택되었다. 이 파형은 9개의 피스톤을 가진 다른 통상적인 축방향 피스톤 펌프 구성 상에 존재하는 것으로 분석되었다. 비교를 위해, 동일한 축방향 피스톤 펌프(마이너스 표면 프로파일)이 기준선(표준) 모델로서 연구에서 모델링 및 분석되었다. 3개의 시뮬레이션 모델이 평가되고, DM.7, DM.8 및 DM.9로서 식별된다. 시뮬레이션 및 표준 모델에 있어서, 회잔당 펌프의 변위 체적(Vi)은 75cc로 설정된다. DM.7으로 식별되는 시뮬레이션 모델에 있어서, 표면 프로파일은 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 실린더 블록/밸브판 표면의 원주방향을 따라 10개의 풀 사인 파형으로 구성되었다. DM.7 파형의 진폭은 +/- 2 마이크로미터이다. DM.8로 식별되는 시뮬레이션 모델은 또한 10개의 풀 사인 파형(도 4)으로 구성된 표면 파형을 갖지만, 진폭은 +/- 1 마이크로미터이다. DM.9로 식별되는 시뮬레이션 모델은 +/- 1 마이크로미터의 진폭을 가진 15개의 풀 사인 파형으로 구성된 표면 프로파일을 갖는다. 마지막으로, 표준 모델은 매끄러운 평면형 지지 표면을 갖도록 시뮬레이션되었다. 모델이 동일하기 때문에, 모델의 다른 구조 및 측면은 연구의 이해 및 그 결과의 이해를 위해 필요하지는 않고, 따라서 여기서 보고하지는 않는다.
각 모델에 있어서, 6개의 작동 조건의 편차를 시뮬레이션하였다. 적절한 작동 조건이 아래에서 표 1에 요약되어 있다.
시뮬레이션 파라미터
작동조건 Δp
[bar]		 n
[rpm]		 pHP
[bar]		 pLP
[bar]		 THP
[℃]		 TLP
[℃]		 TCASE
[℃]		 β
#1 100 1000 120 20 48 47 64 100
#2 300 1000 320 20 56 54 67 100
#3 300 3000 320 20 54 48 94 100
#4 100 1000 120 20 54 51 62 17
#5 300 1000 320 20 70 55 73 17
#6 300 3000 320 20 61 52 91 17
도 1 내지 도 3에서 식별되는 구성요소를 참조하면, Δp는 밸프판(12)의 입구 및 출구 슬롯(32) 사이에서의 시스템 압력 차이이고, n은 실린더 블록(10)의 회전 속도이며, pHP는 고압(출구) 포트에서의 압력이며, pLP는 저압(입구) 포트에서의 압력이고, THP는 고압 포트에서의 유체 온도이며, TLP는 저압 포트에서의 유체 온도이고, TCASE는 실린더 블록(10)의 온도이며, β는 실린더 블록(10)의 축선(24)에 대한 경사판(20)의 경사이다. 100%의 경사판 각도는 기계의 최대 변위에 대응하는 최대 경사 각도를 의미한다.
표준 모델에 대한 3개의 치수 갭 높이, 3차원 압력장, 누설 손실 및 토크 손실과 시뮬레이션 모델 DM.7, DM.8, DM.9을 측정하기 위해 컴퓨터로 시뮬레이션을 수행하였다.
시뮬레이션에서, 실린더 블록이 회전함에 따라, 밸브판(12)에 대해 실린더 블록(10)을 누르는 결과적인 외력이 변화하여 1 회전 동안에 실린더 블록(10) 사이의 갭 높이 변화를 유발시킨다. 도 5 및 도 6은, 실린더 블록이 시뮬레이션에 있어서 0도로 지정된 특정 회전 위치(φ)에 있을 때, 작동 조건 #1(표 1)에서 각각 DM.9 시뮬레이션 모델과 표준 모델에서의 3개의 치수 갭 높이를 비교하는 그래프이다. 도 5 및 도 6으로부터 명백한 바와 같이, 표준 모델의 원주부 둘레의 갭 높이는 매우 비대칭인 한편, 시뮬레이션 모델의 원주부 둘레의 갭 높이는 사인형이지만 매우 대칭적이다. 도 5 및 도 6에 나타난 결과는 45도, 90도, 135도, 180도, 225도, 270도, 315도의 각도에 대응하는 회전 위치(φ)에서 얻은 추가 결과를 나타낸다.
도 7 및 도 8은, 실린더 블록이 0도의 회전 위치(φ)에 있었을 때, 작동 조건 #1에서 각각 DM.9 시뮬레이션 모델과 표준 모델에 대한 3차원 압력장을 비교하는 그래프이다. 밸브판(12)의 입구 및 출구 슬롯(32)에서의 상이한 유체 압력으로부터 예상되는 바와 같이, 도 7 및 도 8은 압력장이 양 표준 및 DM.9 시뮬레이션 모델에서 비대칭이라는 것을 증명한다. 도 7 및 도 8에 도시된 결과는 45도, 90도, 135도, 180도, 225도, 270도 315도의 각도에 대응하는 회전 위치(φ)에서 얻은 추가 결과를 나타낸다.
도 9 및 도 10은 작동 조건 #1에서의 전체 회전에 대한 표준 모델 및 DM.9 시뮬레이션 모델에 있어서 계산된 누설 및 토크 손실을 비교하는 그래프이다. 예상되는 바와 같이, 누설은 DM.9 시뮬레이션 모델에 있어서 주기적인 반면, 표준 모델에서 계산된 누설은 비교적 낮고, 주기적인 효과가 훨씬 덜 강조된다. 그러나, 도 10은 DM.9 시뮬레이션 모델과 관련된 토크 손실은 표준 모델과 관련된 토크 손실의 절반 이하라는 것을 증명한다. 따라서, 적어도 작동 조건 #1의 조건 하에서는, DM.9 시뮬레이션 모델은 유체 누설에 있어서 상대적인 증가와, 토크 손실에 있어서 상당한 감소를 일으킨다.
도 11 내지 도 18은 실린더 블록(10)의 완전한 1회 회전에 걸쳐 표준 모델과 모든 3개의 시뮬레이션 모델(DM.7, DM.8, DM.9)에 있어서 평균 최대 및 최소 갭 높이와 평균 파워 손실을 비교하는 막대 그래프이다. 각 각도 위치(φ)에 있어서, 컴퓨터 모델이 최대 및 최소 갭 높이와, 실린더 블록(10)과 밸브판(12)의 계면에서의 마찰과 누설(Pq)로 인한 파워 손실을 계산하였다. 도 11 내지 도 18로부터 명백한 바와 같이, 표준 및 시뮬레이션 모델에 대해 최대/최소 갭 높이 및 평균 파워 손실을 계산하기 위해 사용된 작동 파라미터는 표 1에서 작동 조건 #1 내지 #6으로 식별되는 것으로, 이것은 100 bar 또는 300 bar의 시스템 압력 차이(Δp), 1000 또는 3000 rpm의 회전 속도(n), 그리고 경사판(20)의 저변위(17%) 또는 고변위(100%)를 포함하고 있다.
도 11 내지 도 18에 나타난 결과는 표준 모델에 대한 시뮬레이션 모델의 성능은 더 낮은 토크 손실이라는 관점에서 대부분의 조건 하에서 더 양호하다. 데이터는 성능이 시스템 압력 차이(Δp)에 의존한다는 것을 제시하는 한편, 이 효과는 모델링된 펌프의 용량에 가까운 300 bar 압력으로 인한 것이라고 결론지었다. 후속 시뮬레이션은 성능 개선이 300 bar보다 높은 압력에서 달성될 수 있다는 것을 보여주었다. 실험 결과는 본 발명에 따라 수정된 유체 정압 축방향 지지 표면의 개선된 성능을 입증하였고, 약 10%의 파워 손실에 있어서의 실제적인 감소가 축방향 피스톤 기계에서 달성되었다.
본 발명을 특정 실시형태에 의해 설명하였지만, 당업자에 의해 다른 형태가 채용될 수 있음은 명백하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 오직 이하의 특허청구범위에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (22)

  1. 기계의 운전 동안에 서로에 대해 이동하도록 되어 있고, 지지 및 밀봉 기능을 갖는 적어도 하나의 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링을 형성하도록 유체막에 의해 분리되는 적어도 2개의 축방향 슬라이딩 지지 표면(28, 30, 40, 42)을 구비하는 기계에 있어서,
    축방향 슬라이딩 지지 표면 중 제 1 축방향 슬라이딩 지지 표면(28)을 형성하는 제 1 요소(10)와,
    상기 제 1 축방향 슬라이딩 지지 표면과 조합하여 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링의 지지 및 밀봉 표면으로서 작용하는, 축방향 슬라이딩 지지 표면 중 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면(30)을 형성하는 제 2 요소(12)를 포함하고,
    상기 제 1 축방향 슬라이딩 지지 표면(28) 및 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면(30)은 서로에 대해 제 1 이동 방향으로 이동하고, 적어도 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면(30)은 제 1 이동 방향으로 진동 파형을 포함하는 표면 프로파일(44)을 갖도록 되어 있는
    기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 파형은 사인 파형인
    기계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 파형은 삼각 파형인
    기계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 파형은 톱니 파형인
    기계.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 파형은 대칭형인
    기계.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 파형은 비대칭형인
    기계.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 파형은 100 마이크로미터보다 작은 피크-대-피크(peak-to-peak) 진폭을 갖는
    기계.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동 파형은 적어도 0.1 마이크로미터의 피크-대-피크 진폭을 갖는
    기계.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 축방향 슬라이딩 지지 표면(28)은 어떠한 진동 파형도 포함하지 않는 평면 프로파일을 갖는
    기계.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 축방향 슬라이딩 지지 표면(28)은 진동 파형의 피크-대-피크 진폭보다 작은 크기의 표면 조도를 갖는
    기계.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 요소(10) 및 제 2 요소(12)는 그 공동 축선(24)을 중심으로 서로에 대해 회전하고, 상기 제 2 요소(12)의 진동 파형은 공동 축선(24)과 일치하는 축선을 갖는 원형 경로(A) 상에 위치하여, 제 1 이동 방향이 상기 원형 경로(A)를 따르는 임의의 지점에서 원형 경로(A)에 접하는
    기계.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 기계는 정변위 기계인
    기계.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 기계는 축방향 피스톤 기계인
    기계.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 축방향 피스톤 기계는 그 축선(24)을 중심으로 회전하도록 되어 있는 실린더 블록(10)과, 상기 실린더 블록(10) 내에 형성되고 상기 축선(24)을 포위하는 복수 개의 원통형 보어(16)와, 상기 원통형 보어(16) 내에 왕복운동 가능하게 배치된 복수 개의 피스톤(14)과, 상기 피스톤(14)이 원통형 보어(16) 내에서 왕복운동할 때, 유체가 원통형 보어(16)로 유입되는 유체 입구(32)와 유체가 원통형 보어(16)를 빠져나가는 유체 출구(32)를 구비하는 밸브 몸체(12)를 포함하고,
    상기 실린더 블록(10)과 밸브 몸체(12)가 기계의 제 1 축방향 슬라이딩 지지 표면(28) 및 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면(30)을 형성하는 정합 평면(28, 30)을 갖고, 유체가 기계의 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링을 형성하도록 실린더 블록(10)과 밸브 몸체의 정합 평면(28, 30)을 분리시키는 유체막을 제공하는
    기계.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 축방향 피스톤 기계는 실린더 블록(10)과, 상기 실린더 블록 내에 형성된 복수 개의 원통형 보어(16)와, 상기 원통형 보어(16) 내에 왕복운동 가능하게 배치되고 원통형 보어(16)로부터 돌출된 단부(34)를 갖는 복수 개의 피스톤(14)과, 상기 피스톤(14)의 축선(22)에 대해 경사져 있는 경사판(20)과, 기계의 제 1 축방향 슬라이딩 지지 표면(40) 및 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면(42)을 형성하는 피스톤(14)과 경사판(20) 사이의 정합면(40, 42)을 포함하고,
    상기 유체막은 기계의 하나 이상의 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링을 형성하도록 정합면(40, 42)을 분리시키는
    기계.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 정합면(40, 42)은 평면형인
    기계.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 피스톤(14)의 각각의 단부는 구형 표면(36)을 구비하는데, 상기 구형 표면은 상기 경사판(20)에 인접하는 슬리퍼(18) 내에 형성되어 있는 상보적인 구형상 소켓(38)과 맞물려서, 상기 피스톤(14)의 단부(34)가 소켓(38) 내에서 회전 및 선회하는 것을 허용하는
    기계.
  18. 기계의 운전 중에 서로에 대해 이동하고, 적어도 하나의 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링을 형성하도록 유체막에 의해 분리되는 적어도 2개의 축방향 슬라이딩 지지 표면(28, 30, 40, 42)을 갖는 기계의 파워 손실을 감소시키는 방법으로서, 상기 기계는, 제 1 이동 방향으로 서로에 대해 이동하고, 유체 정압 축방향 슬라이딩 베어링의 지지 및 밀봉 표면으로서 기능하는 제 1 축방향 슬라이딩 지지 표면(28) 및 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면(30)을 각각 형성하는 제 1 요소(10) 및 제 2 요소(12)를 포함하는, 파워 손실을 감소시키는 방법에 있어서,
    상기 제 1 이동 방향의 진동 파형을 포함하는 표면 프로파일(44)을 갖는 적어도 제 2 축방향 슬라이딩 지지 표면(30)을 형성하는 단계를 포함하는
    파워 손실을 감소시키는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 표면 프로파일(44)의 진동 파형은 사인 파형, 삼각 파형, 또는 톱니 파형을 갖도록 형성되는
    파워 손실을 감소시키는 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 진동 파형은 100 마이크로미터보다 작은 피크-대-피크 진폭을 갖도록 형성되는
    파워 손실을 감소시키는 방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 진동 파형은 적어도 0.1 마이크로미터의 피크-대-피크 진폭을 갖도록 형성되는
    파워 손실을 감소시키는 방법.
  22. 제 18 항에 있어서,
    진동 파형이 없는 평면형 프로파일(44)을 갖는 제 1 축방향 슬라이딩 지지 표면(28)을 형성하는 단계를 더 포함하는
    파워 손실을 감소시키는 방법.
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