KR0149257B1 - 베어링내 축중심궤적을 측정하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베어링내의 축중심궤적(journal locus)를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른, 베어링내의 축중심궤적을 측정하기 위한 방법은, C_U를 상부 베어링에서 측정된 캐패시턴스, C_L을 하부 베어링에서 측정된 캐패시턴스라 할 때, 식을 사용하여 최소유막 형성위치를 계산하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 구성에 따라, 베어링 중심으로부터 축중심까지의 거리뿐만 아니라 기준선으로부터의 축중심의 위치를 알 수 있게 되어 축중심궤적의 정확한 분석이 가능하게 되고 종국적으로는 엔진 설계에 기여할 수 있게 된다.

Description

베어링내 축중심궤적을 측정하기 위한 방법

제1도는 베어링과 크랭크축의 상호 작동관계를 나타내는 도면.

제2도는 선행기술에 따른 축중심궤적 측정방법을 나타내는 도면.

제3도는 본 발명에 따른 축중심궤적 측정방법을 나타내는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 베어링 12 : 크랭크축

14 : 오일 필름 16, 16' : 인슐레이팅 심

18 : AC 전원 20 : 데이타 취득 시스템

22 : 상부 베어링 24 : 하부 베어링

본 발명은 베어링내의 축중심궤적을 측정하기 위한 방법에 관한 것이고, 특히 베어링 중심으로부터 축중심까지의 거리뿐만 아니라 축중심의 위치를 알아낼 수 있도록 하여 축중심궤적의 정확한 분석이 가능하게 되도록 하는 베어링내의 축중심궤적을 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.

윤활유 조성물(lubricant composition)의 유체동역학적인 그리고 유동학적인 특성 및 상이한 환경에서 적당한 유막(오일필름)두께를 유지하는 능력은 윤활유 기술의 이론과 실제에 종사하는 많은 사람들에 의해서 고찰되어 왔다.

윤활유 조성물의 유막두께를 측정하기 위한 다양한 연구 및 시험이 수행되었기는 하였지만, 이러한 연구 및 시험의 대부분은 실제로 연소되는 자동차의 엔진과 같은 실제 사용상황에 포함되는 많은 조건들을 수용하지는 못하였다. 대부분의 시험기술들이 연소 엔진에서 얻어지는 압축-유막조건(squeeze-film condition)을 포함하지 않기 때문에, 상기와 같은 사실은 정상적으로 인정될 수 있다. 윤활유 특성에 대한 이전의 많은 연구들은, 실험실의 탁상실험에서 얻어지는 직접적인 유막두께에 의존하였고 마모와 온도상승과 오일유동과 같은 현상을 모니터링함으로써 얻어지는 연소엔진의 간접측정에 의존하였으며, 이러한 과정에서 얻어지는 데이타는 전기한 바와 같이, 압축-유막 조건을 만족할 만한 정도로 수용하지는 못하였다.

유막두께를 측정하기 위한 수개의 다른 기술들도 알려져 있다. 이러한 기술들 중의 일부는 예컨대 베어링내에 위치되는 자기 센서들(magnetic sensors) 또는 캐패시턴스 프로우브들(capacitance probes)를 사용하였고, 유막을 횡단하여 근접한 다른 표면을 검출하였다. 상기 기술들 중의 하나는 SAE 790730호에 기재된 캐터필라 1-G디젤 엔진에 있어서 링으로부터 선형 오일필름까지의 두께 측정이라는 제하의 S. L. Moore의 논문에 기재되어 있다. 상기와 같은 기술은 일반적으로 (1)프로우브를 수용하기 위한 장치의 설계가 더욱 복잡하게 되며 (2)장치 내에서의 정상적인 오일 유동을 방해하게 되고 (3)최소두께 형성지점이 아닌 하나의 지점에서만 유막두께 측정이 이루어지게 된다는 결점을 갖는다.

전기적인 수단을 포함하는 다른 기술은 1978년 SAE 780930호에 기재된 OH V 엔진의 캠과 리프터 사이의 유막에 대한 전기적인 관찰이라는 제하의 K. Ninomiya 등의 논문에 기재되어 있다. 상기 논문에서는 중하중이 걸린 표면들(heavily loaded surfaces)사이의 금속접촉 크기가 측정된다.

다른 기술은 Fiat의 논문에 기재되어 있으며, 이 기술은 전기적인 수단에 의해 베어링내의 유막두께를 측정하게 되는 Crankshaft Lubmeter라 불리는 기구를 갖는 엔진 진단 시스템(engine diagnosis system)을 포함한다. 상기 기술에서는, 유막의 전기적인 저항이 다소 복잡한 전기회로를 사용하여 측정된다. 이러한 장치들에 있어서는, 표면들이 편극화(polarization)되어 유막의 겉보기 저항(apparent resistance)를 증가시키고 에러를 내게 되므로, 유막의 순간적인 전기저항을 측정하는 것은 어렵게 된다. 이와 같은 현상은 AC회로를 사용함으로써 극복될 수는 있지만, 이것은 회로를 더욱 복잡하게 한다.

상기한 바와 같은 종래기술의 결점들을 해결하기 위해, 미합중국 특허 제4,443,754호에는 전기적인 캐패시턴스를 사용하여 작동중인 엔진조건하에서 최소 윤활유막두께를 결정하기 위한 방법이 기재되어 있다. 이하, 상기 미합중국 특허의 최소 유막두께 측정방법을 상술한다.

상기 방법에서는, 제2도에 도시한 바와 같이, 인슐레이팅 심(insulating shim) (16)에 의해 엔진으로부터 전기적으로 격리되는 베어링(10)과 크랭크축(12)의 사이에 오일필름(14)가 제공되고, 베어링(10)과 크랭크축(12)에는 AC전원(18)에 의해 작은 정도의 교류 전류가 인가되게 된다. 베어링(10)과 크랭크축(12)사이에서 형성되는 전위는 측정되어 데이타 취득시스팀(20)으로 전송된다.

전류 및 주파수가 동일 또는 일정하게 유지된다면, 결과적인 전위(볼트)는 이하의 식에 따라 캐패시턴스에 역비례하게 된다:

상기 식에서, X_C는 용량성 임피던스(capacitive impedence)(오옴), F는 주파수(헤르쯔), C는 캐패시턴스(패럿), E는 전위(볼트), I는 전류(암페어)이다.

상기 관계식에서 알 수 있는 바와 같이, 낮은 전압은 높은 캐패시턴스를 나타내며, 반대로 높은 전압은 낮은 캐패시턴스를 나타낸다. 데이타 취득시스템은 그리고 나서, 일련의 알고 있는 캐패시턴스 값에 대해 비교하고 대응되는 전압값들을 측정함으로써, 검정(calibration)될 수 있게 된다. 사이클중의 특정의 주어진 지점에서, 출력 전압은 측정되어 캐패시턴스로 변환될 수 있게 된다.

베어링 면적, 반경방향 클리어런스 및 윤활오일의 유전상수를 안다고 가정할 때, 편심비 및 최소 유막두께는 이하의 식으로부터 계산될 수 있다: 두 개의 평행한 플레이트들 사이의 캐패시턴스는 이하의 식으로 정의된다:

상기 식에서 A는 플레이트의 면적(㎡), ε은 플레이트들 사이의 재료의 유전상수, h는 플레이트들의 격리거리(m), K는 상수(8.85×10^-12F/m)이다.

편심 베어링에 대해, 두 개의 표면들 사이의 격리거리는 일정하지 않게 되며, 이하의 관계식에 따라 변화된다:

상기 식에서 s는 반경방향 클리어런스, e는 편심비(중심일 때 0, 접촉되었을 때 1), θ는 베어링 둘레각이다.

1/h값을 적분하면, 이하의 식을 얻게 된다:

상기 식을 다시 배열하면,

식을 얻게 된다.

그러므로, 특정의 순간에서 최소 유막두께(MOFT)는,

식으로 나타내어진다.

상기 방법에서는, 오일 전도성의 모호화를 피하기 위한 충분히 높은 주파수 및 표면들 사이의 전기적인 방전을 피하기 위한 충분히 낮은 전위를 사용하게 된다.

상기 미합중국 특허 제4,443,754호가 최소 유막두께의 비교적 간단한 측정방법을 제공하기는 하지만, 상기 방법에 따르면, 베어링 중심으로부터 축중심까지의 거리만을 알 수 있게 되고, 축중심의 위치는 알 수 없게 되어, 거리 및 위치 모두를 포괄하는 축중심궤적의 정확한 분석이 불가능하게 되는 문제가 있었다.

축중심궤적(journal locus)라 함은 베어링내에서 베어링 중심에 대한 축중심의 상대위치를 말하며, 제1도에 있어서 축중심 O_J의 이동모양을 의미한다. 축중심궤적은 베어링 중심 O_B로부터 축중심 O_J까지의 편심량 e와 기준선으로부터의 위치각 ø로 부터 분석될 수 있다. 자동차용 엔진 베어링과 같이 작용하중이 복잡하게 변화되는 경우, 축중심의 거리뿐만 아니라 위치도 변화하게 되며 그 값은 엔진 설계에 중요한 자료를 제공하게 된다.

그러므로, 본 발명은 상기한 바와 같은 선행기술에 따른 축중심궤적 측정법에 내재되었던 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 베어링 중심으로부터 축중심까지의 거리뿐만 아니라 기준선으로부터의 축중심의 위치를 알 수 있도록 하여 축중심궤적의 정확한 분석이 가능하게 되도록 하고 종국적으로는 엔진 설계에 기여하게 되는 베어링내의 축중심궤적을 측정하기 위한 방법을 제공함에 있다.

상기 목적은 본 발명에 따른 베어링내의 축중심궤적을 측정하기 위한 방법에 의해 달성되고: 상기 방법은, 상부 베어링과 하부 베어링이 서로에 대해 그리고 엔진으로부터 각각 전기적으로 절연되는 상태에서 베어링과 크랭크축사이에 제공되는 윤활유가 엔진 작동조건에 처하여지도록 하는 간계; 각각의 베어링들과 축사이에서 캐패시턴스에 관한 순간적인 신호들을 얻고 캐패시턴스 측정수단을 사용하여 캐패시턴스를 측정하는 단계; s를 반경방향 클리어런스, K를 상수, A를 플레이트의 면적, ε을 플레이트들 사이에서의 재료의 유전상수, C를 캐패시턴스라 할 때, 식

을 사용하여 상기 베어링들과 크랭크축사이에서 형성된 상기 캐패시턴스 신호를 상기 캐패시턴스 신호가 얻어진 특정 시점에서 상기 각각의 베어링들과 크랭크축 사이의 최소 유막 두께를 나타내는 값으로 변환하는 단계; 및 C_U를 상부 베어링에서 측정된 캐패시턴스, C_L을 하부 베어링에서 측정된 캐패시턴스라 할 때, 식

을 사용하여 최소유막 형성위치를 계산하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 특성에 따라, 베어링 중심으로부터 축중심까지의 거리뿐만 아니라 기준선으로부터의 축중심의 위치를 알 수 있게 되어 축중심궤적의 정확한 분석이 가능하게 되고 종국적으로는 엔진 설계에 기여할 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상술하며, 도전 전체를 통하여 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.

제3도에는 본 발명에 따른 축중심궤적 측정방법을 나타낸다. 본 발명에 따라, 베어링(10)은 상부 베어링(22)와 하부 베어링(24)로 나누어진다. 각각의 베어링(22,24)는 인슐레이팅 심(16)에 의해 엔진으로부터 전기적으로 격리되며, 다른 인슐레이팅 심(16')에 의해 서로에 대해서도 전기적으로 격리된다. 각각의 베어링(22,24)와 크랭크축(12)에는 AC전원(alternate current source)(18)에 의해 작은 정도의 교류 전류가 인가되게 된다. 각각의 베어링(22,24)와 크랭크축(12)의 사이에서 형성되는 전위는 측정되어 데이타 취득시스템(data acquisition system)(20)으로 전송된다.

상부 베어링(22)와 하부 베어링(24)가 인슐레이팅 심(16')에 의해 전기적으로 격리됨으로써, 선행기술과는 달리 캐패시턴스가 상부 베어링(22) 및 하부 베어링(24)에 대해 따로 측정되게 된다. C_U를 상부 베어링(22)에서 측정된 캐패시턴스라 하고, C_L을 하부 베어링(24)에서 측정된 캐패시턴스라 할 때, 크랭크축(12)가 상부로 이동되면, C_U는 감소되고, C_L은 증가된다. 또한, 크랭크축(12)가 좌우로 이동되는 경우에는, C_U및 C_L이 동시에 증가하게 된다.

본 명세서의 서두부분에 설명된 미합중국 특허 제 4,443,754호에 기재된 최소유막두께 형성과정을 참조함으로써, 이하의 식을 얻을 수 있게 된다:

상기 두 개의 식들을 연립하여 풀음으로써, 최소유막두께 및 그 위치를 알 수 있게 된다.

베어링 중심으로부터 축 중심까지의 거리, 즉 최소 유막두께는 상기 미합중국 특허 제4,443,754호에 기재된 바와 동일하게 표현되며, 즉 식

에 의해 구할 수 있게 되고; 상기 식에서 s는 반경방향 클리어런스, K는 상수, A는 플레이트의 면적, ε은 플레이트들 사이에서의 재료의 유전상수, C를 캐패시턴스이다.

상기 두 개의 식을 연립하여 풀면, 기준선으로부터 축중심의 위치 ø는 이하의 식으로써 나타나게 된다:

그러므로, 본 발명의 상기한 바와 같이 구성에 따라, 베어링 중심으로부터 축중심까지의 거리뿐만 아니라 기준선으로부터의 축중심의 위치를 알 수 있게 되어 축중심궤적의 정확한 분석이 가능하게 되고 종국적으로는 엔진 설계에 기여할 수 있게 되는 효과가 도출된다.

본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.

Claims (1)

1. 베어링내의 축중심궤적을 측정하기 위한 방법에 있어서, 상부 베어링과 하부 베어링이 서로에 대해 그리고 엔진으로부터 각각 전기적으로 절연되는 상태에서 베어링과 크랭크축 사이에 제공되는 윤활유가 엔진 작동조건에 처하여지도록 하는 단계; 각각의 베어링들과 축 사이에서 캐패시턴스에 관한 순간적인 신호들을 얻고 캐패시턴스 측정수단을 사용하여 캐패시턴스를 측정하는 단계; s를 반경방향 클리어런스, K를 상수, A를 플레이트의 면적, ε를 플레이트들 사이에서의 재료의 유전상수, C를 캐패시턴스라 할 때, 식

   을 사용하여 상기 각각의 베어링들과 크랭크축 사이에서 형성된 상기 캐패시턴스 신호를 상기 캐패시턴스 신호가 얻어진 특정 시점에서 각기 각각의 베어링들과 크랭크축 사이의 최소유막 두께를 나타내는 것으로 변환하는 단계; 및 C_U를 상부 베어링에서 측정된 캐패시턴스, C_L을 하부 베어링에서 측정된 캐패시턴스라 할 때, 식

   을 사용하여 최소유막 형성위치를 계산하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 베어링내의 축중심궤적을 특정하기 위한 방법.