KR101190820B1 - 저마찰 발열 저감 특성을 갖는 시일 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저마찰 발열 저감 특성을 갖는 시일에 관한 것으로서,
운동축, 상기 운동축을 감싸는 바디, 상기 운동축과 바디 사이에 배치되어 상기 운동축을 가압하는 시일에 있어서,
상기 시일은 시일몸체와 상기 시일몸체의 일단으로부터 소정의 각도로 서로 벌어지게 형성된 탄성부재로 이루어지되,
상기 시일에는 상기 운동축에 접하는 면에 다수의 돌기가 형성됨으로써 상기 돌기 사이에 수용공간이 형성되어 상기 수용공간에 오일이 수용되는 것임을 특징으로 하여,
시일이 마찰되는 면에 오일을 함유시킬 수 있음에 따라 원활하게 미끄러지도록 하여 마찰열을 저감시킬 수 있음과 아울러, 발생된 마찰열을 신속히 방열할 있고, 따라서 마찰되는 면에서 발생하는 마찰력을 감소시켜 시일의 마모와 손상을 방지하여 줄 수 있으며, 인해 시일 고유의 밀폐 성능은 유지하면서도 내구성과 수명을 향상시켜 줄 수 있게 되는 저마찰 발열 저감 특성을 갖는 시일에 관한 것이다.

Description

저마찰 발열 저감 특성을 갖는 시일{Structure for reducing friction of a reciprocating shaft seal}

본 발명은 시일에 관한 것으로 굴삭기, 스키드 스티어로더 등과 같은 건설용 장비의 운동축에 설치되는 시일에 관한 것이다.

산업계 전반에 걸쳐 생산성 향상을 위해 산업설비나 장비들이 사용되고 있는데 특히 건설현장에서는 건설용 장비가 차지하는 역활은 절대적이다. 건설용 장비의 종류와 숫자도 건축기술과 규모에 따라 계속적으로 늘어나고 있으며, 그 활용범위도 확대되고 있다. 굴삭기, 스키드 스티어로더 등과 같은 건설용 장비들의 대부분이 다수의 관절운동부와 운동축부와 같은 유압엑추에이터를 구비한 장비들이 널리 이용되고 있으며 각 장비들의 특성에 맞게 다양하게 활용되고 있다.

관절운동부는 붐과 아암의 연결부, 아암과 버킷의 연결부 등과 같은 것들이 있으며, 운동축부는 드릴, 동력축 등과 같은 것들이 해당된다.

일반적으로 운동축부는 왕복운동이나 회전운동을 하는 운동축과 이것을 감싸는 바디로 이루어지고, 이 둘 사이에서 배치되어 운동축과 바디 및 다른 연결구성들이 서로 닿지않으며 간극이 생성되도록 탄성을 가진 시일이 배치된다. 특히 이 시일은 바디에 지지되면서 운동축을 가압하여 운동축이 회전하거나 왕복운동시 안정된 위치에서 운동이 일어나도록 지지해주고 외부 이물질의 유입을 막으며 유압액추에이터의 내부에 밀동된 유체의 유출을 막는 밀봉역활을 한다.

따라서 시일은 시일과 접하는 다른 구성들과 마찰이 불가피하기 때문에 오일을 주입하고 이 오일의 유출을 막기 위해 마찰내구성이 높은 재질로 이루어지는 것이 일반적이다.

상기와 같은 종래 시일은 회전축이나 왕복운동축과 접하게 설치되기 때문에 상기 축의 왕복, 회전운동으로 극도의 마찰열이 발생하게 되고, 이 마찰열로 윤활층이 조기에 소모되거나 타버려 윤활작용이 원활하게 일어나지 않게 되며, 이 과정에서 시일의 마모가 진행되며 유압 액추에이터에 손상을 가져온다. 따라서 시일과 운동축과의 접촉면은 마찰 및 마모특성에서 중요한 부분이고, 이를 고려하지 않으면 상술한 바와 같이 윤활성이 떨어져 시일의 마모가 일어나게 되면서 시일을 연화시켜 마모가 더 빨리 진행되게 된다.

시일의 마모가 진행되면 운동축에 대한 가압력 또한 감소하면서 회전축의 회전운동이 점점 불안정하게 일어나게 되고 내부의 오일의 누출이 일어나게 되며 증가된 마찰력으로 작동유의 소비가 증가하고 물리적 충격이 누적되어 장비의 손상이 일어나게 된다.

그 결과로 작업의 효율이 떨어지고, 운동축의 불안정한 운동으로 구성품 간의 마찰과 충격이 심해지며 건설장비의 유압액추에이터의 핵심부품들의 성능과 신뢰성에 큰 영향을 미치게 되어 건설중장비나 중량물을 다루는 산업기계 등의 주요성능의 고장 원인으로 꼽히며 이를 해결하기 위해 윤활기능을 상승시켜 마찰력과 마찰열을 감소시키고자 시일의 내구성 향상을 위한 많은 연구와 개발이 이뤄지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고유의 밀폐 성능을 유지하면서도 윤활기능이 향상되어 마찰열을 저감시키는 기능과 내구성과 수명이 향상을 꾀할 수 있는 시일을 제공하는 것이다.

본 발명에서는 시일이 다른 부재와 마찰 되는 면에 오일을 함유할 수 있는 미세한 공간을 형성함으로써 원활하게 미끄러질 수 있도록 하여 마찰열을 저감시키고, 이를 통해 마찰면의 마찰력을 감소시켜 상기의 목적을 달성한다.

본 발명에 따르면, 시일이 마찰되는 면에 오일을 함유시킬 수 있음에 따라 원활하게 미끄러지도록 하여 마찰열을 저감시킬 수 있음과 아울러 발생된 마찰열을 신속히 방열할 있고, 따라서 마찰되는 면에서 발생하는 마찰력을 감소시켜 시일의 마모와 손상을 방지하여 줄 수 있다. 이로 인해 시일 고유의 밀폐 성능은 유지하면서도 내구성과 수명을 향상시켜 줄 수 있게 된다.

도 1은 본 발명 의한 시일이 장착된 상태를 도시한 단면도,
도 2은 원기둥 형태의 돌기가 다양한 밀도로 형성되어 수용공간이 다양하게 형성되는 예를 보여주는 평면도,
도 3은 본 발명에 의한 돌기의 다양한 형상을 보여주는 예시도,
도 4a, 4b는 사각뿔 형태로 형성되는 돌기가 서로 일정 간격을 두고 형성되어 수용공간이 형성되는 다양한 실시예를 보여주는 평면 예시도,
도 5는 본 사각뿔 형태로 형성되는 돌기의 하단이 서로 맞닿아 수용공간이 형성되는 다양한 실시 예를 보여주는 평면 예시도,
도 6은 돌기의 간격에 따라 오일의 함유 상태를 보여주는 설명도,
도 7은 본 발명에 의한 시일이 장착된 상태에서 마찰력의 크기를 보여주는 예시도,
도 8은 도 7의 마찰력 크기에 따라 돌기의 밀도가 다르게 형성되어 수용공간의 면적이 다르게 형성되는 예를 보여주는 예시도.

본 발명에서는 윤활성과 수명이 향상되는 시일을 제공하기 위해 운동축, 상기 운동축을 감싸는 바디, 상기 운동축과 바디 사이에 배치되어 상기 운동축을 가압하는 시일에 있어서,

상기 시일은 시일몸체와 상기 시일몸체의 일단으로부터 소정의 각도로 서로 벌어지게 형성된 탄성부재로 이루어지되,

상기 시일에는 상기 운동축에 접하는 면에 다수의 돌기가 형성됨으로써 상기 돌기 사이에 수용공간이 형성되어 상기 수용공간에 오일이 수용되는 것임을 특징으로 하는 저마찰 발열 저감 특성을 갖는 시일을 제안한다.

이하 본 발명을 첨부된 도면 도 1 내지 도 8을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명 의한 시일이 장착된 상태를 도시한 단면도, 도 2은 원기둥 형태의 돌기가 다양한 밀도로 형성되어 수용공간이 다양하게 형성되는 예를 보여주는 평면도, 도 3은 본 발명에 의한 돌기의 다양한 형상을 보여주는 예시도, 도 4a, 4b는 사각뿔 형태로 형성되는 돌기가 서로 일정 간격을 두고 형성되어 수용공간이 형성되는 다양한 실시예를 보여주는 평면 예시도, 도 5는 본 사각뿔 형태로 형성되는 돌기의 하단이 서로 맞닿아 수용공간이 형성되는 다양한 실시 예를 보여주는 평면 예시도, 도 6은 돌기의 간격에 따라 오일의 함유 상태를 보여주는 설명도 이다.

도 1 내지 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 시일(10)은 회전과 왕복운동을 하는 운동축(30)과 상기 운동축(30)을 감싸는 바디(20) 및 상기 운동축(30)과 바디(20)의 사이에 배치되어 상기 운동축(30)을 접촉하는 시일(10)을 포함하여 구성된다.

상기 시일(10)은 시일몸체(11)와 상기 시일몸체(11)의 일단에 연결되며 서로 벌어지게 형성된 적어도 두 개 이상의 탄성부재로 이루어질 수 있다. 다양한 실시예가 있을 수 있으나, 본 발명에서는 제1 탄성부재(12)와 제2 탄성부재(13)로 이루어진 실시예를 통해 설명한다.

이와 같이 본 발명에 의한 시일(10)은 시일몸체(11)와 제1 탄성부재(12) 및 제2 탄성부재(13)로 이루어짐으로써 그 단면이 대략적으로 "Y"자 형상으로 이루어지게 된다.

상기 시일(10)은 상기 바디(20)에 지지되어 상기 운동축(30)에 접촉하며 왕복운동과 회전운동을 하는 상기 운동축(30)이 안정적으로 작동할 수 있도록 지지한다. 더불어 상기 바디(20)와 운동축(30)이 서로 닿지 않도록 간극을 형성하는 역할을 한다.

상기 시일(10)은 합성수지 등 다양한 재질로 형성될 수 있으나, 바람직하게는 탄성을 가지며 고온, 고압과 마찰에 강한 폴리우레탄과 내열형 폴리이소시아네이트로 이루어질 수 있으며, 특히 TPU(Thermoplastic polyurethane), 엘라스토머(Elastomer) 재질을 채택하여 형성하는 것이다.

상기 시일(10)은 시일몸체(11)의 일단에서 상기 제1 탄성부재(12)와 제2 탄성부재(13)가 연결되어 형성된다. 상기 제1 탄성부재(12)와 제2 탄성부재(13)는 서로 소정의 각도로 벌어지며 형성되는 것으로서, 시일(10)의 단면이 부채꼴을 이루거나 도시된 바와 같이 'Y'자 형상으로 형성된다. 따라서, 제1 탄성부재(12)와 제2 탄성부재(13)가 서로 벌어지려는 힘에 의해 시일(10)의 상하에 접하는 면을 탄성적으로 압박하여 밀폐하게 된다.

상기와 시일(10)이 형성됨에 따라 상기 바디(20)와 상기 운동축(30) 사이에 배치되었을 때 시일(10)의 재질 자체로부터 얻을 수 있는 탄성력뿐 아니라 상기 제1 탄성부재(12)와 제2 탄성부재(13)가 소정의 각도로 벌어져 형성된 형상으로부터 탄성력을 추가로 제공을 받게 된다.

이러한 구성에 따라 상기 시일(10)은 종래보다 강하고 견고하게 운동축(30)과 접촉하하게 된다. 따라서, 접하는 면을 더욱 강하게 압박하여 줄 수 있어서 밀폐성능이 향상된다. 더불어 상기 운동축(30)의 왕복과 회전운동에 따라 시일(10)에 일정 정도 마모가 일어나는 경우에도 상기 제1 탄성부재(12)와 제2 탄성부재(13)가 서로 벌어지려는 힘에 의해 상기 운동축(30)을 강하게 압박하여 밀폐 성능이 저하를 막아 줄 수 있게 된다. 즉, 시일(10)이 운동축(30)을 가압하는 힘이 손실되는 것을 최소화할 수 있게 되는 것이며, 이로 인해 시일(10)을 오랜 시간 사용하더라도 그 기능의 저하기 적어 수명의 향상을 꾀할 수 있다.

이상과 같이 형성되는 본 발명에 의한 시일(10)은 상기 바디(20)와 운동축(30) 사이에 배치될 때 상기 운동축(30)과 접하는 면에 오일을 수용할 수 있도록 수용공간(15)이 형성된다. 상기 수용공간(15)은 일정한 깊이를 가진 홈으로서 일정한 양의 오일을 수용하게 되는 것이다.

상기 수용공간(15)에 수용된 오일은 왕복운동과 회전운동을 하는 상기 운동축(30)이 상기 시일(10)과 닿아 마찰 될 때 마찰력이 발생을 억제하여 원활하게 움직일 수 있도록 한다. 따라서 마찰열의 발생을 저감시켜 줄 수 있다. 또한 마찰에 의해 발생 되는 열을 외부로 방열시켜 냉각하여 주는 작용을 동시에 하게 된다.

상기와 같이 수용공간(15)에 오일이 수용됨에 따라 운동축(30)과 시일(10)이 마찰되는 부분의 마모와 손상 및 노화를 지연시킬 수 있게 되는바, 부수적으로 시일(10)의 수명이 늘어나는 효과를 기대할 수 있다. 특히나 최초 작동을 하고 난 후 작동을 멈추었을 때 오일이 상기 수용공간(15)에 일정량 수용되어 있기 때문에 작동을 멈추었다가 재작동하는 경우에도 일정량의 오일이 마찰면에 도포되어 있는 것과 같은 효과를 구현하는바, 원활한 작동을 기대할 수 있는 것이다.

여기서, 상기 수용공간(15)은 시일(10)이 운동축(30)과 접하는 면에 미세한 돌기(14)가 형성됨으로써 형성되게 된다. 즉, 돌기(14)가 형성되지 않은 나머지 공간이 수용공간(15)으로 형성되는 것이다. 이때 형성되는 상기 돌기(14)는 원기둥 형태의 몸체를 가지고 일정한 간격으로 형성되는 것일 수 있고, 달리 사각뿔, 사각 기둥, 말단이 평면으로 되어 접촉면이 형성된 사각뿔 형태로 되어 서로 하단이 접하거나 일정한 간격을 이루게 형성될 수 있다.

보다 상세하게 설명하면,

원기둥 형태로 돌기(14)를 형성하는 경우 도 1, 2에 도시된 바와 같이 돌기(14)의 몸체가 원기둥 형태로 된다. 이때, 상기 돌기(14)의 말단은 마찰력을 감소시켜 원활하게 미끄러질 수 있도록 라운드 형태로 형성되게 하는 것이 바람직하다.

이와 같은 원기둥 형태의 돌기(14)는 돌기(14)를 배치하는 방법에 따라 다양한 밀도로 형성되게 할 수 있다. 돌기(14)를 도 2의 'b'와 같이 지그재그로 배치하거나 'a', 'c'와 같이 일렬로 배치할 수 있는바, 이를 통해 돌기(14)의 밀도를 다양하게 조절할 수 있는 것이며, 자연스럽게 돌기(14) 사이에 오일을 수용할 수 있는 수용공간(15)이 형성되게 된다.

여기서, 상기 수용공간(15)의 적절한 형성을 위해 상기 원기둥 형태로 형성된 돌기(14)는 지름이 0.01~1mm, 높이는 0.01~0.5mm로 형성하는 것이 바람직하며, 그 간격은 0.1~1mm의 범위 내에서 형성하여 줄 수 있다.

상기와는 달리 돌기(14)는 도 3의 'a'에 도시된 바와 같이 사각기둥, 'b'에 도시된 바와 같이 사각뿔, 'c'에 도시된 바와 같이 말단이 평면으로 되어 접촉면이 형성된 사각뿔 형태로 형성하는 것이 가능하다.

특히 말단이 평면으로 되어 접촉면이 형성된 사각뿔 형태로 형성하는 경우에는 도 4와 5에 도시된 바와 같이 돌기(14)의 하단이 서로 접하지 않거나 일정한 간격을 이루게 형성할 수 있다. 이때, 하단이 서로 접하게 할 수 있는 구성은 돌기(14)가 피라미드 형태로 형성됨에 따라 말단으로 갈수록 몸체가 가늘어지기 때문에 하단을 서로 접하게 하더라도 돌기(14) 사이에 오일을 수용할 수 있는 공간이 형성됨에 따른 것이다.

여기서, 피라미드 형태로 형성된 돌기(14)의 하단이 서로 접하지 않고 일정 간격을 이루는 경우 4a와 4b의 'a' 내지 'h'에 되시 된 바와 같이 돌기(14)를 일정간격으로 형성하게 되며, 하단이 서로 접하는 경우 도 5에 도시된 바와 같이 돌기(14)의 하단이 서로 접하여 형성되게 할 수 있는 것이다. 이때, 돌기(14)의 규격과 돌기(14) 사이의 간격은 다양하게 조절할 수 있음은 물론이다.

상기와 같이 피라미드 형태로 형성된 돌기는 하단부의 가로와 세로 길이가 0.1~0.8mm를 이루게 하고, 말단의 가로와 세로 길이는 0.01mm~0.3mm를 이루며 높이가 0.01~0.5mm의 범위 내에서 형성하여 줄 수 있다. 그리고 피라미드 형태의 돌기(14)가 일정간격으로 형성되는 경우 그 간격은 0.1~1mm를 이루게 할 수 있다.

상기 돌기(14)이 규격과 형성되는 간격은 해당 부분에서 발생하는 마찰력을 감안하고 해당 부분을 밀폐하여주는 정도를 감안하여 수용하여야 할 오일의 양에 따라 다양한 방법으로 형성하는 것이다.

한편, 상기와 같이 형성되는 돌기(14)는 그 간격을 상기 범위 내에서 좁혀 형성되는 밀도를 높일 경우 동일한 면적 기준으로 수용공간(15)에 수용되는 오일의 양이 증가하게 된다. 이는 돌기(14)의 간격이 좁을 경우 오일을 더욱 많이 수용할수 있음에 따른 것이다.

상세히 설명하면,

도 6의 'a'에 도시된 바와 같이 돌기(14) 사이의 간격이 넓으면 오일의 점도와 표면장력에 따라 수용공간(15)에 오일이 가득 차지 못하게 되고, 'b' 에 도시된 바와 같이 돌기(14) 사이의 간격이 좁을수록 오일이 수용공간(15)에 가득 차게 된다. 따라서, 동일한 면적에서 동일한 규격의 돌기(14)가 형성되는 경우 돌기(14) 사이의 간격이 좁을수록 수용되는 오일의 양은 증가하게 되는 것이다.

이하, 상기와 같은 본 발명에 이한 돌기(14)가 시일(10)에 적용된 예를 설명한다.

도 7은 본 발명에 의한 시일이 장착된 상태에서 마찰력의 크기를 보여주는 예시도, 도 8은 도 7의 마찰력 크기에 따라 돌기의 밀도가 다르게 형성되어 수용공간의 면적이 다르게 형성되는 예를 보여주는 예시도 이다.

도 7에 도시된 바와 같이 상기 본 발명에 의한 시일(10)이 운동축(30)과 마찰하는 면에 발생하는 마찰력의 크기와 분포는 제1 탄성부재(12)와 제2 탄성부재(13)가 형성된 부분에서 가장 크다. 이는 제1 탄성부재(12)와 제2 탄성부재(13)가 "Y"형 단면 구조로 형성되었기에 탄성이 가장 강하게 발휘되기 때문이다.

상기에 따라 상기 제2 탄성부재(13)가 상기 운동축(30)을 가장 강하게 압박할 것이고, 당연하게도 상기 운동축(30)과 상기 제2 탄성부재(13)의 저면에서 가장 큰 마찰력이 발생하게 된다.

상기와 같이 각 지점별로 마찰력의 크기에 차이가 있음에 따라 마찰력이 큰 지점에서 마찰력을 감소시키기 위해서는 많은 양의 오일이 필요하게 된다. 따라서, 마찰력의 크기에 따라 돌기(14)를 형성하는 밀도를 다르게 하여 각 지점에서 함유되는 오일의 양을 조절할 수 있는 것이다.

즉, 도 8에 도시된 바와 같이 마찰력이 크게 발생하는 지점에서는 돌기(14)의 밀도를 높게 하고, 마찰력이 작게 발생하는 지점에서는 돌기(14)의 밀도를 낮게 한다. 상기와 같이 돌기(14)가 형성되는 밀도 차에 따라 돌기(14) 사이의 간격(d1, d2, d3)이 다르게 형성되는바, 동일 면적 대비 간격 가장 간격이 좁은 부분(d1), 그 다음 간격이 좁은 부분(d3), 간격이 가장 넓은 부분(d2)의 순으로 수용공간(15)에 수용되는 오일의 양이 감소하게 된다. 따라서 마찰력이 가장 크게 발생하는 부분에 가장 많은 오일을 수용할 수 있어서 보다 원활한 윤활작용이 일어나게 하여 줄 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명에 의한 돌기(14)는 원기둥 형태 또는 피라미드 형태로 된 것을 예로 하였으나, 그에 한정되지는 않으며 필요에 따라 다양한 형태로 형성할 수 있음은 당 업자에게 자명할 것인바, 상기 설명한 형태에만 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

10 : 시일 11 : 시일몸체
12 : 제1 탄성부재 13 : 제2 탄성부재
14 : 돌기 15 : 수용공간
20 : 바디 30 : 운동축

Claims (7)

1. 운동축, 상기 운동축을 감싸는 바디, 상기 운동축과 바디 사이에 배치되어 상기 운동축을 가압하는 시일에 있어서,
   상기 시일은 시일몸체와 상기 시일몸체의 일단으로부터 소정의 각도로 서로 벌어지게 형성된 탄성부재로 이루어지되,
   상기 시일에는 상기 운동축에 접하는 면에 다수의 돌기가 사각뿔 형태로 형성됨으로써 상기 돌기 사이에 오일이 수용되는 수용공간이 형성되며,
   상기 돌기의 말단은 평면으로 되어 접촉면이 형성됨으로써 마찰면적을 확보할 수 있는 것임을 특징으로 하는 저마찰 발열 저감 특성을 갖는 시일.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,
   상기 사각뿔 형태로 형성된 돌기는 하단이 서로 맞닿게 형성되는 것임을 특징으로 하는 저마찰 발열 저감 특성을 갖는 시일.
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,
   상기 수용공간은 상기 운동축과 접하는 면의 면적대비 10% 내지 30% 로 형성되는 것을 특징으로 하는 저마찰 발열 저감 특성을 갖는 시일.
7. 제1항에 있어서,
   상기 시일은 합성수지재 또는 TPU, 엘라스토머(elsatomer) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저마찰 발열 저감 특성을 갖는 시일.
   

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