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KR101646052B1 - 베인 펌프 및 이를 구성하는 캠링 내부의 프로파일 결정방법 - Google Patents

베인 펌프 및 이를 구성하는 캠링 내부의 프로파일 결정방법 Download PDF

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KR101646052B1
KR101646052B1 KR1020160010572A KR20160010572A KR101646052B1 KR 101646052 B1 KR101646052 B1 KR 101646052B1 KR 1020160010572 A KR1020160010572 A KR 1020160010572A KR 20160010572 A KR20160010572 A KR 20160010572A KR 101646052 B1 KR101646052 B1 KR 101646052B1
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KR
South Korea
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cam ring
radius
rmax
vane pump
determining
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KR1020160010572A
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English (en)
Inventor
김상우
Original Assignee
명화공업주식회사
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Publication date
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Priority to EP17708150.2A priority patent/EP3409945A4/en
Priority to CN201780000203.2A priority patent/CN107241909B/zh
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Abstract

본 발명은 베인 펌프의 마모를 적게하면서 베인 펌프 챔버의 체적을 증가시켜 이론토출량을 높일 수 있는 베인 펌프 및 이를 구성하는 캠링 내부의 프로파일 결정방법에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 캠링 내부의 프로파일 결정방법은, 펌프하우징 내에 수용된 캠링, 상기 캠링 내에 회전축을 중심으로 회전가능하게 수용된 로터 및 상기 로터에 결합되어 유체를 토출시키는 복수의 베인을 포함하는 베인 펌프의 캠링 내부의 프로파일 결정방법으로서, 상기 캠링은 상기 회전축을 중심으로 원주 방향으로 최대 반경(Rmax)과 최소 반경(Rmin)의 사이에서 가변하는 환형의 내부 프로파일로 형성하되, 상기 최대 반경(Rmax) 지점을 결정하는 단계; 상기 최대 반경(Rmax) 지점을 지나는 싸이클로이드 곡선을 결정하는 단계; 상기 싸이클로이드 곡선에 탄젠트 곡률로 연결되어 경사진 탄젠트라인을 결정하는 단계; 및 상기 탄젠트라인의 단부에 탄젠트 곡률로 연결되고, 상기 최소 반경(Rmin) 지점을 지나는 원호를 결정하는 단계;를 포함한다.

Description

베인 펌프 및 이를 구성하는 캠링 내부의 프로파일 결정방법{VANE PUMP AND DETERMINING METHOD FOR INNER PROFILE OF CAM RING COMPOSING THEREOF}
본 발명은 베인 펌프 및 이를 구성하는 캠링의 프로파일 결정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 베인 펌프의 마모를 적게하면서 베인 펌프 챔버의 체적을 증가시켜 이론토출량을 높일 수 있는 베인 펌프 및 이를 구성하는 캠링 내부의 프로파일 결정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 베인 펌프(vane pump)는 유압 펌프로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 베인 펌프의 케이스를 형성하는 펌프 하우징(미도시) 내에 수용되는 캠링(cam ring, 8)과, 상기 캠링(8)의 내측에 회전가능하게 장착되어 있는 로터(rotor, 2)와, 상기 로터(2)의 외측으로 출몰 가능하게 장착되어 있는 베인(vane, 4)으로 구성된다.
한편, 상기 캠링(8)에는 오일이 유입되는 흡입구(6a)와 이와 반대 방향에 오일이 토출되는 토출구(6b)가 형성되어 있으며, 예를 들어, 상용차용 파워 스티어링 베인 펌프는 베인 및 로터의 크기 및 형상 등의 특징에 따라 펌프의 효율에 큰 영향을 미친다.
상기 베인 펌프의 작동원리를 살펴보면, 초기에는 로터(2)의 베인슬롯에 베인(4)이 삽입되어 있다가 시동시 로터(2)의 회전에 의한 원심력으로 베인(4)이 베인슬롯에서 배출되면 로터(2)와 캠링(8) 간의 형상차에 의한 공간을 베인(4)이 지나가면서 오일이 흡입구(6a)를 통해 유입되어 토출구(6b)로 배출된다.
상술한 바와 같이, 상기 로터(2)가 원형으로 형성되고, 상기 캠링(8)의 내부가 대략 타원형으로 형성됨에 따라 로터(2)와 캠링(8) 간의 형상차에 의한 공간이 형성될 수 있고, 특히, 상기 캠링(8) 내부의 프로파일 형상에 따라 이론토출량이 결정된다.
구체적으로, 상기 캠링(8) 내부의 프로파일 형상의 설계가 잘못될 경우에는 베인 펌프의 마모가 발생할 수 있고, 이러한 마모의 발생을 방지하기 위해서는 더 큰 체적이 되도록 설계되어야 한다.
따라서, 베인 펌프의 마모를 적게하면서 베인 펌프 챔버의 체적을 증가시켜 이론토출량을 높일 수 있는 구조가 요구되고 있다.
독일공개특허 DE 10 2004 002 076 A1 (2005.08.11)
상기 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 베인 펌프의 마모를 적게하면서 베인 펌프 챔버의 체적을 증가시켜 이론토출량을 높일 수 있는 베인 펌프 및 이를 구성하는 캠링 내부의 프로파일 결정방법을 제공함에 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 베인 펌프는, 펌프하우징 내에 수용된 캠링, 상기 캠링 내에 회전축을 중심으로 회전가능하게 수용된 로터 및 상기 로터에 결합되어 유체를 토출시키는 복수의 베인을 포함하는 베인 펌프로서, 상기 캠링은, 상기 회전축을 중심으로 원주 방향으로 최대 반경(Rmax)과 최소 반경(Rmin)의 사이에서 가변하는 환형의 내부 프로파일을 구비하되, 상기 환형의 내부 프로파일은, 상기 최대 반경(Rmax) 지점을 지나는 싸이클로이드 곡선; 상기 최소 반경(Rmin) 지점을 지나는 원호; 및 상기 사이클로이드 곡선과 상기 원호를 탄젠트 곡률로 연결하는 탄젠트라인;으로 구성된다.
바람직하게, 상기 싸이클로이드 곡선은, 하기 [수학식 1]에 의한 (x, y) 좌표로 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016009397638-pat00001
(단, R은 싸이클로이드 곡선을 그리는 창성원의 반지름, Θ는 매개변수 각도, K는 1.5 내지 3의 상수)
바람직하게, 상기 탄젠트라인은, 회전축의 중심과 상기 최대 반경(Rmax) 지점을 연결하는 반지름에 대해 4°내지 15°의 각도로 기울어지도록 구성될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 캠링 내부의 프로파일 결정방법은, 펌프하우징 내에 수용된 캠링, 상기 캠링 내에 회전축을 중심으로 회전가능하게 수용된 로터 및 상기 로터에 결합되어 유체를 토출시키는 복수의 베인을 포함하는 베인 펌프의 캠링 내부의 프로파일 결정방법으로서, 상기 캠링은 상기 회전축을 중심으로 원주 방향으로 최대 반경(Rmax)과 최소 반경(Rmin)의 사이에서 가변하는 환형의 내부 프로파일로 형성하되, 상기 최대 반경(Rmax) 지점을 결정하는 단계; 상기 최대 반경(Rmax) 지점을 지나는 싸이클로이드 곡선을 결정하는 단계; 일측이 상기 싸이클로이드 곡선에 탄젠트 곡률로 연결되어 경사진 탄젠트라인을 결정하는 단계; 및 상기 탄젠트라인의 타측에 탄젠트 곡률로 연결되도록 상기 최소 반경(Rmin) 지점을 지나는 원호를 결정하는 단계;를 포함한다.
바람직하게, 상기 최대 반경(Rmax) 지점은 하기 [수학식 1]의 R 값과 K 값에 의해 결정되고, 상기 최대 반경(Rmax) 지점을 지나는 싸이클로이드 곡선은 하기 [수학식 1]에 의한 (x, y) 좌표로 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016009397638-pat00002
(단, R은 싸이클로이드 곡선을 그리는 창성원의 반지름, Θ는 매개변수 각도, K는 1.5 내지 3의 상수)
바람직하게, 상기 탄젠트라인은, 회전축의 중심과 상기 최대 반경(Rmax) 지점을 연결하는 반지름에 대해 4°내지 15°의 각도로 기울어지도록 구성될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명은, 베인 펌프의 마모를 적게하면서 베인 펌프 챔버의 체적을 증가시켜 이론토출량을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 베인 펌프를 도시한 내부 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 베인 펌프를 도시한 제1사시도이다.
도 3은 도 2의 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 베인 펌프를 도시한 제2사시도이다.
도 5는 도 4의 분해사시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 베인 펌프를 도시한 내부 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 베인 펌프를 구성하는 캠링을 도시한 도면이다.
도 8은 기존 베인 펌프와 본 실시예의 베인 펌프의 이론 토출량을 비교한 표이다.
본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.
제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소도 제1구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일실시예에 따른 베인 펌프(100)는, 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 펌프하우징(미도시) 내에 수용되는 캠링(110), 상기 캠링(110) 내에 회전축(미도시)과 축결합되어 상기 회전축을 중심으로 회전가능하게 수용된 로터(140), 상기 로터(140)에 결합되어 유체를 토출시키는 복수의 베인(V) 및 상기 캠링(110)의 양측에 각각 맞춤핀(P)에 의해 조립되는 상부 플레이트(120)와 하부 플레이트(130)를 포함하여 구성된다.
상기 베인 펌프(100)는 축홀(SH)을 통해 상기 로터(140)에 축결합된 회전축이 회전함에 따라 상기 로터(140)가 상기 캠링(110)의 내부에서 회전을 하게 되도록 구성된다.
상기 로터(140)의 회전에 의해 복수의 베인(V)의 단부가 상기 캠링(110)의 내부면에 밀착된 상태에서 회전함에 따라 입력포트(IP)를 통해 유체가 유입된 후 배출포트(OP)로 배출될 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 일실시예의 베인 펌프(100)를 구성하는 캠링(110)은 베인(V)의 접촉에 따란 마모를 적게하면서 유체가 체류할 수 있는 체적을 증가시켜 이론토출량을 늘리기 위하여 상기 회전축을 중심으로 원주 방향으로 최대 반경(Rmax)과 최소 반경(Rmin)의 사이에서 가변하는 환형의 내부 프로파일을 구비한다.
구체적으로, 상기 환형의 내부 프로파일은, 상기 최대 반경(Rmax) 지점(R)을 지나는 싸이클로이드 곡선(도 7의 A 구간), 상기 최소 반경(Rmin) 지점(R')을 지나는 원호(도 7의 D 구간) 및 상기 사이클로이드 곡선과 상기 원호를 탄젠트 곡률로 연결하는 탄젠트라인(도 7의 C 구간)으로 구성된다.
이때, 상기 싸이클로이드 곡선은, 하기 [수학식 1]에 의한 (x, y) 좌표로 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016009397638-pat00003
(단, R은 싸이클로이드 곡선을 그리는 창성원의 반지름, Θ는 매개변수 각도, K는 1.5 내지 3의 상수)
또한, 상기 탄젠트라인(C)은, 로터(130)의 중심과 상기 최대 반경(Rmax) 지점(R)을 연결하는 선(y축)에 대해 4°내지 15°의 각도로 기울어지도록 결정될 수 있다.
예를 들어, 상기 탄젠트라인(C)의 경사 각도(α)가 4°보다 작으면 탄젠트라인(C) 자체의 결정이 불가능할 수 있는 문제점이 있을 수 있고, 경사 각도(α)가 15°보다 크면 캠링(110)의 최소 반경(Rmin)보가 최대 반경(Rmax)이 길어질 수 있어 프로파일 형성 자체가 불가능할 수 있는 문제점이 있을 수 있다.
상술한 바와 같은 환형의 내부 프로파일을 구비한 캠링(110) 내부의 프로파일 결정방법에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 베인 펌프(100)를 구성하는 캠링(110) 내부의 프로파일 결정방법은, 상기 최대 반경(Rmax) 지점(R)을 결정하는 단계, 상기 최대 반경(Rmax) 지점(R)을 지나는 싸이클로이드 곡선(A)을 결정하는 단계, 일측이 상기 싸이클로이드 곡선(A)에 탄젠트 곡률로 연결(도 7의 B 구간)되어 경사진 탄젠트라인(C)을 결정하는 단계 및 상기 탄젠트라인(C)의 타측에 탄젠트 곡률로 연결되도록 상기 최소 반경(Rmin) 지점(R')을 지나는 원호(D)를 결정하는 단계를 포함한다.
먼저, 상기 최대 반경(Rmax) 지점(R)을 결정하는 단계에 대하여 설명하도록 한다.
상기 최대 반경(Rmax) 지점(R)은 하기 [수학식 1]의 R 값과 K 값에 의해 결정될 수 있으며, 상기 K 값이 1.5 보다 작으면 캠링(110)의 용적 효율이 떨어지는 문제점이 있을 수 있고, 상기 K 값이 3 보다 크면 최대 반경(Rmax) 지점(R) 부근에서 베인(V)이 로터(140)에서 너무 많이 배출되어 내구성이 떨어질 수 있는 문제점이 있을 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016009397638-pat00004
(단, R은 싸이클로이드 곡선을 그리는 창성원의 반지름, Θ는 매개변수 각도, K는 1.5 내지 3의 상수)
다음으로, 상기 최대 반경(Rmax) 지점(R)을 지나는 싸이클로이드 곡선(A)을 결정하는 단계에 대하여 설명하도록 한다.
상기 싸이클로이드 곡선(A)은 상기 [수학식 1]에 의한 (x, y) 좌표로 결정될 수 있다.
다음으로, 일측이 상기 싸이클로이드 곡선(A)에 탄젠트 곡률로 연결(B)되어 경사진 탄젠트라인(C)을 결정하는 단계에 대하여 설명하도록 한다.
상기 탄젠트라인(C)의 일측은 상기 싸이클로이드 곡선(A)에 탄젠트 곡률로 연결(B)되도록 결정되되, 상기 탄젠트라인(C)의 경사도(α)는 로터의 중심과 상기 최대 반경(Rmax) 지점(R)을 연결하는 선(y축)에 대해 4°내지 15°의 각도로 기울어지도록 경사지게 결정된다.
다음으로, 상기 탄젠트라인(C)의 타측에 탄젠트 곡률로 연결되도록 상기 최소 반경(Rmin) 지점(R')을 지나는 원호(D)를 결정하는 단계에 대하여 설명하도록 한다.
상기 최소 반경(Rmin) 지점(R')을 지나는 원호(D)는 상기 로터(130)를 중심으로 하는 원호로서, 상기 탄젠트라인(C)의 타측에 탄젠트 곡률로 연결된다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 베인 펌프(100)를 구성하는 캠링(110) 내부의 프로파일 결정방법은, 1) 싸이클로이드 곡선 결정(수학식 1 참조), 2) 상기 싸이클로이드 곡선에 α°로 탄젠트 곡률로 연결되는 탄젠트라인 결정, 3) 회전축(원점)을 기준으로 하여 상기 탄젠트라인에 탄젠트 곡률로 연결되는 탄젠트한 원호 결정, 4) 상기 과정에 의해 결정된 1/4 프로파일을 x, y 축에 대해 대칭으로 형성하여 환형의 프로파일을 완성하는 바와 같은 순서로 이뤄질 수 있다.
상술한 바와 같은 본 실시예의 베인 펌프는, 도 8에 도시된 바와 같이, 기존의 베인 펌프와 비교할 때, 이론토출량이 증가한 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양하고 자명한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명의 범주는 이러한 많은 변형예들을 포함하도록 기술된 특허청구범위에 의해서 해석돼야 한다.
100:베인 펌프 110:캠링
120:상부 플레이트 130:하부 플레이트
140:로터 O:오링
P:맞춤핀 V:베인
IP:입력포트 OP:배출포트
SH:축홀

Claims (6)

  1. 펌프하우징 내에 수용된 캠링, 상기 캠링 내에 회전축을 중심으로 회전가능하게 수용된 로터 및 상기 로터에 결합되어 유체를 토출시키는 복수의 베인을 포함하는 베인 펌프로서,
    상기 캠링은,
    상기 회전축을 중심으로 원주 방향으로 최대 반경(Rmax)과 최소 반경(Rmin)의 사이에서 가변하는 환형의 내부 프로파일을 구비하되,
    상기 환형의 내부 프로파일은,
    상기 최대 반경(Rmax) 지점을 지나는 싸이클로이드 곡선;
    상기 최소 반경(Rmin) 지점을 지나는 원호; 및
    상기 싸이클로이드 곡선과 상기 원호를 탄젠트 곡률로 연결하는 탄젠트라인;으로 구성되며,
    상기 싸이클로이드 곡선은,
    하기 [수학식 1]에 의한 (x, y) 좌표로 결정되는 것을 특징으로 하는 베인 펌프.
    [수학식 1]
    Figure 112016038354543-pat00005

    (단, R은 싸이클로이드 곡선을 그리는 창성원의 반지름, Θ는 매개변수 각도, K는 1.5 내지 3의 상수)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄젠트라인은,
    회전축의 중심과 상기 최대 반경(Rmax) 지점을 연결하는 반지름에 대해 4°내지 15°의 각도로 기울어진 것을 특징으로 하는 베인 펌프.
  4. 펌프하우징 내에 수용된 캠링, 상기 캠링 내에 회전축을 중심으로 회전가능하게 수용된 로터 및 상기 로터에 결합되어 유체를 토출시키는 복수의 베인을 포함하는 베인 펌프의 캠링 내부의 프로파일 결정방법으로서,
    상기 캠링은 상기 회전축을 중심으로 원주 방향으로 최대 반경(Rmax)과 최소 반경(Rmin)의 사이에서 가변하는 환형의 내부 프로파일로 형성하되,
    상기 최대 반경(Rmax) 지점을 결정하는 단계;
    상기 최대 반경(Rmax) 지점을 지나는 싸이클로이드 곡선을 결정하는 단계;
    일측이 상기 싸이클로이드 곡선에 탄젠트 곡률로 연결되어 경사진 탄젠트라인을 결정하는 단계; 및
    상기 탄젠트라인의 타측에 탄젠트 곡률로 연결되도록 상기 최소 반경(Rmin) 지점을 지나는 원호를 결정하는 단계;를 포함하며,
    상기 최대 반경(Rmax) 지점은 하기 [수학식 1]의 R 값과 K 값에 의해 결정되고, 상기 최대 반경(Rmax) 지점을 지나는 싸이클로이드 곡선은 하기 [수학식 1]에 의한 (x, y) 좌표로 결정되는 것을 특징으로 하는 캠링 내부의 프로파일 결정방법.
    [수학식 1]
    Figure 112016038354543-pat00006

    (단, R은 싸이클로이드 곡선을 그리는 창성원의 반지름, Θ는 매개변수 각도, K는 1.5 내지 3의 상수)
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 탄젠트라인은,
    회전축의 중심과 상기 최대 반경(Rmax) 지점을 연결하는 반지름에 대해 4°내지 15°의 각도로 기울어진 것을 특징으로 하는 캠링 내부의 프로파일 결정방법.
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