KR100435400B1 - 크랭크축의 필렛롤링 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 크랭크축의 필렛롤링 방법에 관한 것으로서, 최적의 필렛롤링 조건을 실험 데이터에 근거하여 제시함은 물론, 이에 따른 크랭크축의 피로수명 향상치를 정량적으로 파악하고, 상기 크랭크축의 위험 단면부 범위내에서 롤러의 가압 하중을 각각 선택적으로 달리 적용함으로써, 상기 크랭크축의 최적 설계에 반영할 수 있어 재질이나 형상등의 수정 없이도 최대한의 내구 수명을 향상시킬 수 있는 크랭크축의 필렛롤링 방법을 제공하고자 한다.

Description

크랭크축의 필렛롤링 방법{Fillet rolling-method of crank shaft}

본 발명은 강성이 취약한 부분의 강성을 보강하기 위해 압축 잔류 응력을 주어 인장 피로강도를 향상시킬 수 있는 크랭크축의 필렛롤링 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 최적의 필렛롤링 조건을 실험 데이터에 근거하여 제시함은 물론, 이에 따른 크랭크축의 피로수명 향상치를 정량적으로 파악하고, 상기 크랭크축의 위험 단면부 범위, 즉 최대 인장응력 작용점의 240도 범위 내에서 롤러의 가압 하중을 600-800kgf로 적용하고, 나머지 120도 범위에서는 300-400kgf로 각각 선택적으로 달리 적용함으로써, 상기 크랭크축의 최적 설계에 반영할 수 있어 재질이나 형상등의 수정 없이도 최대한의 내구수명을 향상시킬 수 있는 크랭크축의 필렛롤링 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 크랭크축은 피스톤의 왕복 운동을 회전운동으로 전환하여 변속기에 전달하는 매우 중요한 엔진 구동계 부품이다.

상기 크랭크축의 재질은 통상 강 및 주철을 사용하며, 최근에 엔진의 고마력, 고하중 추세에 부합하기 위해 고강도강을 주로 적용한다.

이와 같은 크랭크축의 제작과정은 단조 후, 비조질강의 경우, 제어 냉각을 실시하거나, 합금강의 경우, 재가열 및 후열처리, 즉 담금질(quenching) 및 뜨임(tempering)을 실시한다.

본 단조품은 가공 공정으로 넘겨져 선삭, 표면처리, 연삭 및 교정 등의 절차를 통해 완성품으로 제조된다.

상기 크랭크축의 표면 처리는 추가적인 강도보강을 목적으로 실시하며, 보편적으로 고주파소입법, 연질화처리 및 필렛 롤링 등의 3종류이다.

상기와 같은 표면 처리중에 필렛 롤링법은 고주파소입법 및 연질화처리 대비, 생산성 및 환경 친화성 등의 측면에서 유리하여 최근 현장라인에 적용증가 추세이다.

상기 크랭크축의 작동 시, 직접 하중이 크게 걸리는 부위는 크게 두가지로 나뉜다.

첫째, 각 핀 및 저널 필렛 평탄부로써 회전에 의한 마찰 마모에 따른 접촉 응력이 주로 작용한다.

둘째, 크랭크웹 영역의 필렛 R부로써, 폭발압에 의한 굽힘 응력을 주로 받는다.

상기 필렛 R부(11)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 엔진 작동시 반복적인 굽힘응력에 의한 파괴기점(화살표방향)이 되므로 적정 수준의 강도보강이 매우 중요하다.여기서, 미설명 부호 100은 크랭크축을 나타낸다.

또한, 상기 필렛 롤링법은 국부적으로 이 필렛 R부의 강도 보강을 얻기위한 것으로, 상기 필렛 R부위에 전체적으로 롤러를 동일한 하중을 가한 상태에서 회전시켜 크랭크축 표면에 압축 잔류 응력을 형성시켜 고강도를 얻는 것이다.

이와 같은, 필렛 롤링법에 있어 가장 중요한 관건은 가압하중에 있다.

만일, 하중이 상대적으로 낮으면 적정수준 미만의 압축잔류 응력 분포에 충분한 강도 향상을 얻기 힘든 반면, 하중이 지나치게 높을 경우, 더이상의 강도 향상 효과는 없는 대신, 소성변형량이 증대하여 크랭크축 자체의 급힘이나 뒤틀림 발생에 의한 품질 문제가 대두된다.

그런데, 종래의 필렛 롤링법은 객관적인 실험 데이터에 기준한 정량적인 강도 및 수명 향상을 고려하지 않은채로 임의의 하중 조건만을 적용해왔다.

따라서, 각 기종별 형상 및 크기만을 고려한 설계 안전율 적용으로 인하여 필요이상의 오버 디자인이 되거나 요구 피로수명에 미달하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 최적의 필렛롤링 조건을 실험 데이터에 근거하여 제시함은 물론, 이에 따른 크랭크축의 피로수명 향상치를 정량적으로 파악하고, 상기 크랭크축의 위험 단면부 범위, 즉 최대 인장응력 작용점의 240도 범위 내에서 롤러의 가압 하중을 600-800kgf로 적용하고, 나머지 120도 범위에서는 300-400kgf로 각각 선택적으로 달리 적용함으로써, 상기 크랭크축의 최적 설계에 반영할 수 있어 재질이나 형상등의 수정 없이도 최대한의 내구수명을 향상시킬 수 있는 크랭크축의 필렛롤링 방법을 제공하는데 그 안출의 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 크랭크축의 필렛롤링을 위한 설치구조를 나타내는 정면도

도 2는 본 발명에 따른 크랭크축의 필렛롤링을 위한 설치구조를 나타내는 측단면도

도 3은 본 발명에 따른 크랭크축의 필렛롤링에 의한 단품 피로 한도를 나타낸 S-N 선도

도 4는 일반적인 크랭크축의 굽힘응력을 받는 부위를 나타내는 측면도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 크랭크축 11 : 필렛 R부

20 : 주 롤러 21 : 보조 롤러

22 : 지지축 30 : 지지 롤러

이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 롤러 가압수단을 사용하여 회전하는 부재의 표면을 가압하는 방법으로 강도를 보강하는 필렛롤링 방법에 있어서, 상기 롤러 가압수단은 부재의 1회전 둘레를 소정의 각도로 구분하여 차등 하중을 가할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 각도와 하중은 240도 범위에서 600-800kgf를 수행하고, 나머지 120도 범위에서는 300-400kgf를 수행하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 크랭크축의 필렛롤링을 위한 설치구조를 나타내는 정면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 크랭크축의 필렛롤링을 위한 설치구조를 나타내는 측단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 크랭크축의 필렛롤링에 의한 단품 피로 한도를 나타낸 S-N 선도이다.

여기서, 도면 부호 100은 크랭크축을 나타내고, 20은 주 롤러를 나타내고, 30은 지지 롤러를 나타낸다.

본 발명은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 크랭크축(100)의 필렛 R부(11)를 가압하는 보조 롤러(21)를 구비한 주 롤러(20)가 형성되어 있는 바, 상기 주 롤러(20)는 지지축(22)에 의해 상기 크랭크축(100)과 평행하게 지지되고, 한쌍의 보조 롤러(21)는 상기 주 롤러(20)의 양측에 경사지게 장착되어 있다.

한편, 상기 주 롤러(20)의 저부에 위치한 한쌍의 지지 롤러(30)는 지지축(미도시)에 의해 상기 크랭크축(100)과 평행하게 지지되고, 상기 크랭크축(100) 저부의 외면을 지지하도록 되어 있다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 가압 하중별로 필렛롤링 테스트를 실시하였으며, 하중 조건은 500, 600 및 800kgf로 처리한 크랭크축 단품 결과이다.

모든 처리품은 무처리품 대비 상대적인 피로 한도를 나타낸 것으로 무처리품(Bare sample)의 경우, 피로 한도는 10kN으로 나타낸다.

여기서, 필렛롤링 처리품의 경우 가압 하중이 500kgf인 경우에는 피로 한도는 14kN, 600kgf는 17kN, 그리고 800kgf는 18kN을 나타낸다.

상기 피로 한도를 나타내는 S-N 선도에서 필렛롤링(800kgf)이 무처리 대비 80%의 향상율을 보이는데, 이는 다른 형상 요인 및 가공 등의 생산적 요인 고려를 감안하더라도 상당 수준의 피로 한도 증대 효과가 있는 것으로 판단된다.

필렛롤링 하중이 500kgf으로 낮은 경우 피로 한도 향상율은 무처리 대비 40%를 나타낸다.

즉, 필렛롤링 시, 피로강도의 증가에 직접 기여하는 것은 가압 하중에 의해 표면에 형성된 압축 잔류 응력에 의한 것으로서, 하중이 증가할수록 압축 잔류 응력 및 피로 한도는 증가하게 되는 것이다.

단, 임계치 이상의 과도한 가압 하중은 압축 잔류 응력의 절대량을 증가시키기 보다는 크랭크축 변형 등의 악영향을 초래하므로 최적의 하중으로 최대의 피로 한도를 얻는 것이 중요하다 하겠다.

본 실험 결과, 최적 가압 하중은 600-800kgf의 범위인 것으로 판단된다.

따라서, 필렛 R부(11)의 위험 단면부인 240도 범위에서는 보조 롤러(21)의 가압 하중을 600-800kgf를 부과하고, 나머지 120도 범위에서는 상기 가압 하중의 1/2인 300-400kgf를 부과하여 5-15회 롤링함에 따라 하중 적용의 효율성을 극대화할 뿐만 아니라 과대 벤딩의 위험성을 방지하여 크랭크축(100)의 내구수명 증대를 얻게 된다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 크랭크축의 필렛롤링 방법은 상기와 같은 하중 조건을 적용하였을 경우, 피로 강도를 증대시킬 뿐만 아니라 그에 따른 컴팩트 설계가 가능하므로 경량화를 이룰 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 롤러 가압수단을 사용하여 회전하는 부재의 표면을 가압하는 방법으로 강도를 보강하되, 상기 롤러 가압수단은 부재의 1회전 둘레를 소정의 각도로 구분하여 차등 하중을 가할 수 있도록 한 크랭크축의 필렛롤링 방법에 있어서,

   상기 각도와 하중은 240도 범위에서 600-800kgf를 수행하고, 나머지 120도 범위에서는 300-400kgf를 수행하는 것을 특징으로 하는 크랭크축의 필렛롤링 방법.