KR100219867B1 - 내연기관용크랭크샤프트 - Google Patents

내연기관용크랭크샤프트 Download PDF

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Abstract

내연 기관용 크랭크 샤프트는 수축에 의해 결합된 핀 부재(5) 및 크랭크 아암(2)의 완전 구성 또는 반 구성된 것이다. 대용 수축면의 최소한 한 부분에는 마찰 증진 재료가 제공되며, 이것은 니켈 피복 또는, 아암이나 핀 부재의 기초 재료보다 충분히 경질인 입자들이거나, 또는 니켈 매트릭스(11,12) 내로 엠베드(embedded) 된 경질 입자(10)를 포함하는 조합 피복(combined coating)으로 이루어질 수 있다.
마찰 증진 피복은 수축면으로 토크 전달 성능을 증진시킴으로써 수축응력이 감소될 수 있으며 따라서 크랭크 샤프트를 경량으로 제조하는 것이 가능하다.

Description

내연 기관용 크랭크 샤프트
제1도 및 제2도는 반(半)조립 크랭크 샤프트용의 쓰로우(throw)의 부분단면 측면도 및 단면도이다.
제3도는 메인 베어링 저널 핀(main bearing journal pin)의 측면도이다.
제4도는 본 발명에 따른 조립 크랭크 샤프트용의 쓰로우의 측면도이다.
제5도 내지 제7도는 본 발명에 따른 크랭크 샤프트의 수축면의 3가지 확대도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 쓰로우(throw) 2 : 아암(arm)
3 : 크랭크 핀(crank pin) 4 : 보어(bore)
5 : 핀 6 : 저널 면
본 발명은, 핀 부재와 크랭크 아암이 가열끼워맞춤(shrinking)에 의해 결합되는 형태의 내연 기관용 크랭크 샤프트에 관한 것이다.
내연 기관용 크랭크 샤프트를 가열끼워맞춤에 의해 결합하는 경우, 크랭크 샤프트는 일반적으로 완전 조립식 크랭크 샤프트 또는 반(半)조립 크랭크 샤프트중 한가지로 구성되는 것을 의미한다. 여기서 전자인 완전 조립식 크랭크 샤프트는, 2개의 크랭크 아암의 보어(bore)에 크랭크 핀을 견고하게 가열끼워맞춤으로써 각각의 쓰로우(throw)를 형성하고, 그후 크랭크 아암의 보어에 가열끼워맞춤으로써 마찬가지로 고정되는 메인 베어링 저널 핀에 의해 각각의 쓰로우가 결합된 것이다. 또한 후자인 상기의 반 조립 크랭크 샤프트는, 미리 단조되거나 또는 주조된 쓰로우를 크랭크 아암의 보어에 가열끼워맞춰진 핀에 의해 결합하는 것이다. 영국 특허 제 1,345,769호에 개시된 바와같이, 각각의 쓰로우를 링(ring) 형상의 핀 부재에 의해 결합할 수 있다. 상기 핀 부재는 각각의 쓰로우에 관련된 2개의 축방향 반대측으로 연장하는 핀위에 외측으로부터 견고하게 가열끼워맞춰진다.
엔진의 작동중 쓰로우의 상호 각도를 유지할 필요성에 비추어, 샤프트의 토크 전달 성능은 특히 맞물리는 수축면의 면적 및 상기 면에 직각으로 작용하는 수축력에 의해 한정된다. 수축면 주위의 부분에서 재료가 부유하는 것은 바람직하지 않으므로, 바람직한 수축력과 수축홀(hole)을 둘러싸는 재료의 필요한 두께 사이에는 직접적인 관계가 있다. 크랭크 샤프트의 중량과 크랭크 샤프트가 전달하는 토크사이의 비율을 감소시키는 것이 숙원이었으마, 이를 위하여 크랭크 샤프트를 주조하는 것이 필요한 완전조립식 또는 반 조립식 크랭크 샤프트와 비교하여 매우 비싼것이다.
본 발명의 목적은 샤프트의 중량과 최대 허용 토크사이의 비율을 감소시킨 상기 형식의 크랭크 샤프트를 제공하는 것이다.
이러한 점에서, 본 발명에 따른 크랭크 샤프트는 맞물리는 수축면의 적어도 한쪽에 마찰 증진 재료를 부가하는 것을 특징으로 한다.
종래의 크랭크 샤프트와 비교하면, 수축면 사이의 마찰 증가 재료에 의해 마찰계수가 크게 되므로, 크랭크 샤프트는 작은 수축력 즉 조립된 크랭크 샤프트의 수축면 사이의 작은 표면압력에 의해 동일한 토크 및 수축면 면적을 동시에 유지할 수 있다. 그 결과, 크랭크 아암의 응력 수준이 저하되므로, 아암, 특히 비교적 적은 모멘텀 부하(momentum load)가 엔진의 작동중에 걸리는 것이 많은 아암부분의 횡단면적을 감소시킬 수 있으며, 따라서 중량도 감소시킬 수 있다.
크랭크 샤프트 중량의 감소가 가능하게 되면, 경우에 따라서는 취급상의 이유 때문에 크랭크 샤프트를 2개의 부분으로 분할하여 그것을 엔진의 하부 프레임에 장착하여 조립하여야하는 대형의 저속 연소기관에 특히 유리하다. 통상의 크랭크 샤프트용 선반 및 크랭크 샤프트 조립 작업대에 있어서, 최대의 승강 능력은 8 내지 9 기통 엔진용의 공지의 가열끼워맞춤샤프트의 중량에 해당하는 180t이다. 엔진이 10 내지 12 기통으로 형성된 경우에는, 샤프트를 2개의 부분으로 분할하여 캠 샤프트의 체인 구동용 엔진 중심에 위치한 체인 휘일에 조립하여야 한다. 본 발명에 따라 샤프트가 가볍게 되기 때문에 분할을 필요로하는 기통수도 증가한다. 따라서 다수의 기통을 구비한 상기 엔진에서도 분할되지 않은 크랭크 샤프트와 엔진의 단부에 배열된 체인 휠로 형성될 수 있으며, 샤프트의 제조비용을 낮추는 동시에 엔진의 전체길이를 짧게 할 수 있다.
또한, 크랭크 아암의 응력 수준이 저하됨으로써, 크랭크 핀과 메인베어링 저널 사이의 중심거리를 단축시킬 수 있다. 이로인해, 커넥팅 로드를 단축한 소형 엔진이 실현될 수 있다.
핀 부재를 크랭크 아암의 축방향으로 연장하는 보어에 견고하게 가열끼워맞춰지는 축방향으로 연장하는 핀으로서 설계하면, 제조상 및 비용상의 유의점은 핀의 주변부의 수축면에만 마찰 증가 재료를 부가한다는 것이다. 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명의 효과는 핀의 주변부와 보어의 원통형 내측면에 맞물리는 수축면의 어디에도 마찰 증진 재료를 부여하기 때문에 증진된다.
한가지 실시예에 있어서, 마찰 증진 재료는, 강철위를 활주할 때 높은 마찰을 제공하고 니켈상에서 활주할때는 보다 큰 마찰을 제공하는 니켈의 피복일 수 있다. 니켈의 피복은 필요한 두께로 적용될 수 있다. 크랭크 샤프트가 작은 경우에는, 예를 들면 피복은 플라즈마 피복 또는 화학적 침전에 의해 매우 얇은 층으로 적용될 수 있으며, 반면에 샤프트가 큰 경우에는 열적 피복이 적용될 수 있다.
제2의 실시예에 있어서, 마찰 증진 재료는 크랭크 샤프트 또는 저널 부재의 기초 재료보다 충분히 경질의 입자, 바람직하게는 탄화규소 분말을 포함할 수 있다. 가열끼워맞춤에 앞서, 입자들은 예를들면 지방과 같은 점성 액체에 결합한 후 맞물리는 수축면의 한쪽 또는 양쪽에 걸쳐 분포되든가 또는 표면에 접착된다. 부재가 가열끼워맞춤에 의해 접합되면 경질의 입자는 양쪽의 수축면에 스며들어서 수축면의 토크 전달 성능을 증가시키는 일종의 미소 돌기를 형성한다. 입자재료로서는 탄화규소 분말이 특히 적당하다. 이것은 탄화규소 분말이 매우 경질이며, 화학적으로 매우 안정한 다이아몬드 구조로 결종화되어, 엔진의 수명기간중에 주위의 강철 구조내에 흡수되거나 또는 전환된 입자에 대해 높은 안정성을 획득할 수 있기 때문이다.
제3의 실시예에 잇어서, 입자들은 니켈 피복인 금속성 기재(matrix)에 매설(embed) 되는 것이 바람직하며, 상기 언급된 마찰 증진 특성을 동일한 피복으로 실현할 수 있다.
이하, 본 발명이 매우 단순화된 첨부도면을 참고하여 실시예방식으로 상세히 설명된다.
제1도 및 제2도에 도시된 반 조립 크랭크 샤프트용으 쓰로우(throw;1)는, 단조 또는 주조에 의해 제조되는 2개의 앙암(2)과 커넥팅 크랭크 핀(3)으로 이루어진다. 각각의 아암(2)은 축방향으로 연장하는 보어(4)를 지니며, 그 보어(4)의 거의 원형인 원통형 내면은 2개의 대응하는 수축면중 하나를 구성한다. 제3도는 축방향으로 분리된 3개의 거의 원형인 원통형 부분을 구비한 핀(5)을 도시하며, 이들중 중앙부분이 저널면(journal face;6)이며, 핀의 주변부의 2개의 양측의 단부(7)는 샤프트의 조립 상태에서 대응하는 관련 보어(4)에 유지되는 다른 수축면을 각각 구성한다.
각각의 쓰로우91)는 상호 정확한 각도로 크랭크 샤프트 조립 작업대에 크랭크 샤프트를 보지하고, 쓰로우 아암을 가열하거나 또는/그리고 핀(5)을 냉각시키고, 그후 핀(5)의 단부(7)가 보어(4) 내로 이동함으로써, 종래의 방법으로 완전히 샤프트에 결합된다. 보어에 관련하여 각 부품이 동일한 온도에 도달하면, 각 부품을 견고히 연결하는데 필요한 수축응력이 발생하도록 핀은 약간 크게 설계된다.
이하, 샤프트가 오나전 조립식이든지 반조립식이든지에 관계없이, 상술한 부재와 동일한 기능을 지니는 부재에는 동일한 참조번호가 부여된다.
제4도에 도시된 완전 조립식 크랭크 샤프트용의 쓰로우(1)에 있어서는, 메인 베어링 저널 핀은 크랭크 핀과 함께 크랭크 아암(2)의 보어에 가열끼워맞춰지는 핀 부재(5)로서 형성된다.
제5도 내지 제7도는, 마찰 증진 재료가 대응하는 수축면으로부터 나타나도록 핀 부재(5)와 크랭크 아암(2) 사이의 이행부(移行部 ; transition)를 확대하여 도시한다.
제5도에서, 핀 부재(5)의 수축면은 니켈층(8)으로 피복되며, 보어(4)의 내측은 마찬가지로 니켈층(9)으로 피복된다. 양측 부분에의 니켈 피복은 공지의피복되지 않은 강철 표면과 비교하여, 면의 사이에서 200%의 마찰계수의 증가를 제공하며, 보통 핀 부재이지만 한쪽의 면만 피복하면 대략 50%의 마찰계수의 증가가 예상된다. 필요한 수축 응력 또는 수축면 면적은 마찰계수의 변화에 역비례하여 변경가능하며, 이것은 동일의 허용 토크에 대한 이미 제작된 크랭크 샤프트의 중량이 저하하는 것을 의미한다. 양쪽의 부품에 니켈 피복하는 경우, 핀 부재(5)의 반경방향 외측 절반 부분의 환상부분에 위치하는 아암 재료의 중량은 예를들면 약 20%가량 감소된다.
니켈 피복은, 전착(電着)에 의해 또는 플라즈마 피복 또는 스프레이 작용에 의한 열적 도포에 의해 행해질 수 있다.
제6도에서 도시된 바와같이, 아암(2) 또는 판부재(5)의 기재보다 더욱 경질인 입자(10)가 수축면의 적어도 한쪽에 부가되기 때문에, 마찰계수는 더 증가한다. 상기 입자는 상술한 바와같이 양측의 부품에 압축되면, 일종의 미소 돌기를 형성하여, 동일온도에 도달하며 양 부품을 쇄정한다.
입자 재료로서 CrO2와 같은 경질의 강자성(ferromagnetic) 재료가 사용된 경우, 적어도 하나의수축면에 입자를 제공하여, 샤프트를 결합시킬때 수축면에 입자를 보지하기 위한 결합제(binder)를 필요로 하지 않는다. 2개 부품을 크랭크 샤프트 작업대에 배치하면, 부품의 적어도 일방이 자화되는 결과, 강자성 입자를 산포한 후, 이들 입자는 상기 부품들이 상호 삽입될 때까지 수축면상에서 자화에 의해 보지도니다. 수축도중에 상기 부품들중 하나가 가열되면, 차가운 쪽의 부품이 자화된다. 자화( magnetization)는 전자석 또는 한쪽의 부품의 둘레에 감긴 전기 코일에 의해 이루어질 수 있다. 수축면에 마찰 증진 재료를 제공하는 이 방법은, 단지 자화원(磁化源)을 보충하는 것만으로 크랭크 샤프트를 제조하는 기존의 기계장치에 즉시 적용가능하다는 점에서 유리하다.
제7도는 제3의 실시예를 도시한다.
수축면의 토크 전달 능력은 대응하는 면의 입자에 의한 기학학적 쇄정에 의해 개선되지만, 이것은 입자가 없는 기재 표면의 부분에서 마찰계수가 크게 되도록 금속기재를 니켈로 형성함으로써 더욱 향상될 수 있다. 도면에서 양쪽의 부품(2,5)에의 기재 피복을 도시하고 있지만, 한쪽 부품의 수축면에만 피복시키는 것도 당연히 가능하다.
그 대신에, 각 크랭크 샤프트와 관련한 2개의 축방향 반대측으로 연장하는 핀의 외측면에 링 형상의 핀 부재를 가열끼워맞춤에 의해 고정하여 크랭크 샤프트를 형성할 수도 있다. 이 경우 대응하는 크랭크 면은 링의 내측과 핀의 면으로 이루어지지만, 맞물리는 수축면의 적어도 한쪽은 상술한 마찰 증진 재료를 도포한 면과 아주 동일하다.

Claims (8)

  1. 핀 부재(5)와 크랭크 아암(2)이 가열 끼워 맞춤에 의해 결합되는 형태의 대형 2 행정 내연 기관용 크랭크 샤프트에 잇어서, 맞물리는 수축면중 적어도 한쪽에, 핀 부재(5)와 크랭크 아암(2)의 기재보다 더 경질의 입자(10)로 이루어진 금속성 기재(11,12)를 포함하는 마찰 증진 피복이 제공되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속성 기재에 매설된 경질의 입자(10)의 적어도 일부가 매트릭스의 두께보다 더 크게되며, 상기 기재내로 압축되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 맞물리는 수축면 중 적어도 한쪽에 마찰 증진 피복이 플라즈마 상태로 스프레이되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속성 기재는 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트.
  5. 제1항에 있어서, 상기 입자는 탄화규서(SiC) 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트.
  6. 제1항에 있어서, 상기 마찰 증진 피복은 CrO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트.
  7. 제1항에 있어서, 맞물리는 수축면 모두가 마찰 증진 피복을 구비하는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트.
  8. 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 핀은 크랭크 아암의 관련된 보어(4) 내로 가열 끼워맞춰지는 2개의 원통형 수축면(7)을 포함하고, 상기 핀의 2개의 원통형 수축면(7)에 마찰 증진 피복이 구비되는 반면, 중간 저널면(6)에는 이러한 재료를 부가하지 않는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트.
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