KR100491036B1 - 내연기관의 슬라이드 베어링 - Google Patents

Abstract

내연기관의 슬라이드 베어링(1, 7, 8)은 내측 베어링 면을 구비한 정지 베어링 하우징(2)을 구비한다. 내측 베어링 면은 파형 영역(16)을 구비하여, 그것은 엔진이 정지될 때 저어널(5)이 접하는 세로 선(11)으로부터 원주방향으로 적어도 5°떨어진다. 파형의 저점은 원주방향으로 연장된다. 매끄러운 영역(15)은 세로 선의 양측부에 적어도 3°로 연장된다.

Description

내연기관의 슬라이드 베어링 {A SLIDE BEARING IN AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관의 슬라이드 베어링에 관한 것으로서, 상기 베어링은 내측 베어링 면을 구비한 고정 베어링 하우징과 세로 축에 대하여 회전 가능한 저어널을 구비하며, 상기 내측 베어링 면은 엔진이 멈추었을 때 저어널이 베어링 면과 접하는 세로 선으로부터 원주방향으로 0° 내지 360°로 연장되며, 상기 내측 베어링 면은 파형의 저점(trough)이 원주방향으로 그리고 매끄러운 영역에서 연장되는 파형의 표면을 가지는 파형 영역으로 나누어진다.

이러한 베어링은 내연 기관에서는 공지된 것이며, US-A-6,082,904에 개시된 바와 같이 크랭크축용 주 베어링이나, 2-행정 크로스헤드 엔진의 크로스헤드 베어링이나 피스톤 로드로서 사용된다. 이러한 공지의 베어링에서, 베어링의 내측 면 상의 매끄러운 영역은 엔진이 운동하는 동안 저어널과 베어링 면 사이의 거리가 최단 거리가 되는 영역에 정확히 위치된다. 특정 베어링을 위하여, 당업자는 베어링 면에서 정지된 엔진의 베어링 면과 저어널 접촉하는 세로 선의 위치와, 베어링 면에서 엔진이 최대 하중으로 운전시에 저어널과 베어링 면 사이의 최단 거리의 영역이 위치되는 곳을 잘 알고 있다. 주 베어링에서, 세로 선은 일반적으로 베어링 면상의 최저점에서 저어널의 세로 축과 일반적으로 나란하게 위치되며, 최대 부하 작동시에 베어링 면과 저어널 사이의 반경 거리는 세로 선으로부터 원주방향으로 45° 내지 90°이격된 위치에서 최단거리이다.

표면을 매우 매끄럽게 하는 것이 일반적인 경우인데, 이는 저어널과 베어링 면 사이의 윤활유 막이 그로 인하여 반대편 면을 파지하는 어느 하나의 면에 거칠기를 일으키지 않고 상당히 얇게 될 수 있기 때문이다. 엔진이 가동 중일 때, 저어널로부터 베어링 하우징으로의 하중 전달이 베어링 면과 저어널 사이의 최소 거리의 영역에서 가장 얇은 두께를 가지는 웨지 형상의 압축된 윤활유를 통과하여 이루어지기 때문에, 저어널과 베어링 면 사이에 윤활 막을 형성하는 것은 중요하다. 전술한 미국 특허는 엔진이 최대 하중으로 작동중일 때 저어널로부터 최소 거리에 놓이는 베어링 영역의 특정 부분에 매끄러운 영역이 위치해야 한다는 내용을 개시하고 있다. 이곳은 윤활유의 압력이 최대인 곳이며, 미국 특허는 매끄러운 영역의 상기 부분이 지지 저어널을 위한 대형 베어링 영역을 제공하는 내용을 개시한다.

본 발명의 목적은 슬라이드 베어링의 신뢰도와 하중 능력을 향상시키는 것이다.

이러한 관점에서, 본 발명의 슬라이드 베어링은, 엔진이 최대하중으로 운전할 때 파형 영역이 적어도 저어널로부터 최단 거리에 위치하는 베어링 면의 영역에 위치되며, 매끄러운 영역이 원주 방향으로 양측에서 적어도 3°의 각으로 세로 선으로부터 연장되며, 파형 영역은 원주방향으로 세로 선으로부터 적어도 5°이격되는 것을 특징으로 한다.

중간 파형 고점(crest)으로써 원주방향으로 연장되는 파형 저점은 윤활유 웨지가 슬라이드 베어링 상의 하중과 관련하여 생길 때 슬라이드 베어링의 세로 방향으로 윤활유의 유동에 대하여 장애물로서 작용한다. 다른 모든 것이 동일하다면, 기름의 흐름에 대하여 저항이 증가하여 단부 영역에서 윤활유의 압력의 높아지게 되며, 그 부분에서 기름이 우선적으로 흘러내리며, 특히 단부 영역에서 향상된 하중 능력을 가진 베어링을 제공하도록 윤활유 막의 두께는 증가된다. 기름 압력과 그에 따른 베어링 상의 하중은 베어링의 길이 방향으로 더욱 균일하게 분포된다. 저어널 상의 동일한 하중에서, 이것은 보다 낮은 특정 베어링 압력(막에서의 낮은 기름 압력)을 제공하여 윤활유 막의 두께가 다시 증가되는데 기여한다.

엔진이 멈춰 있을 때, 저어널은 세로 선을 따라 베어링 면과 접하며, 이러한 선 주위의 매끄러운 영역은 엔진의 시동시에 초기 회전에서 가능한 빨리 저어널 면과 베어링 면 사이에서 저어널이 윤활유 막을 형성하게 한다. 이러한 효과는 시동시 각위치를 바로 잡기 위해 엔진이 회전하는 엔진 시동시에 저어널이 회전한다면 역시 발생할 수 있다. 엔진의 rpm이 올라가자마자, 저어널은 매끄러운 영역으로부터 베어링의 마찰에 따른 파형 영역으로 밀릴 것이다.

정지된 엔진에서 접촉선의 각 측면 상에 3°이하의 각으로 매끄러운 영역이 연장된다면, 저어널이 매끄러운 영역을 떠날 때 상호 회전 면 사이에 생기는 기름 막이 부적절하게 되는 위험이 발생할 우려가 있다.

바람직한 실시예로서, 슬라이드 베어링이 주 베어링이며, 파형 영역은 세로 선으로부터 적어도 30°내지 100°의 각으로 연장되며, 매끄러운 영역은 세로 선의 양측으로부터 적어도 10°연장된다. 엔진이 최대 하중 또는 최대 하중의 70퍼센트의 하중으로 작동시에, 저어널은 베어링 면의 최저 위치 선에 상응하는 세로 선 너머로 45°내지 90°의 각 영역에서 베어링 면에 최단 거리를 가질 것이다. 파형 영역이 적어도 30°내지 100°의 각으로 연장된다는 점에서, 최고중량 하중에서 저어널은 파형 영역에 위치된 윤활유 웨지 상에서 운전되는 것은 매우 확실하다. 베어링 영역의 최저 20°의 매끄러운 영역은 윤활유 막을 급속하게 만드는데 기여하며, 저어널이 시동시에 급격한 운동으로 빠르게 운전되어도 마찬가지이다.

바람직하게는, 매끄러운 영역의 대부분이 특정 베어링 타입을 위한 균일한 베어링 하중을 이루는 제한된 효과를 가지기 때문에, 매끄러운 영역은 세로 선으로부터 20°이하로 연장된다. 또한 파형 영역은 적어도 30°내지 330°로 연장되어 매끄러운 영역에 의해 덮이지 않은 영역의 대부분을 덮는다. 저어널이 엔진 하중을 변화시킬 때 베어링의 주위로 움직인다면, 파형 영역은 항상 활동적일 것이다. 제조시에, 파형 영역이 베어링 면의 원주를 따라 가능한 한 멀리 둥글게 연장되는 것은 장점이다.

적절한 실시예로서, 파형 영역과 매끄러운 영역 사이에는 면이 매끄러운 영역의 매끄러운 면으로부터 파형 영역과 같은 파형 높이의 파형 면으로 점차 변하는 적어도 하나의 전이 영역이 존재한다. 이러한 방식으로, 매끄러운 영역에서 파형 영역으로의 전이는 안정적이어서, 엔진 시동 및 하중 변화시에 베어링의 신뢰도를 향상시킨다. 하나의 표면 타입으로부터 다른 타입으로의 점진적 전이는 기름 막의 작동 상태를 안정적으로 변화시킨다. 원주 방향으로의 전이 영역의 범위는 5°이상이므로, 하나의 가공 공구로부터 다른 것으로의 적절한 교체를 가능하게 한다.

파형의 표면의 효과는 베어링 면의 단부를 향한 영역에서 최대이다. 이러한 에지 영역에서, 파형 영역은 윤활유를 억제하며, 에지 영역의 막의 유압의 생성과 관련된 윤활유 막의 두께가 증가하는 것은 일정 거리에 위치된 내측 영역의 윤활유가 세로 방향의 에지 영역으로부터 강력하게 유지되는데 기여한다. 내측 영역에서, 베어링 면의 특정 기하 형상에 의해 윤활유를 특정 구역에 보지할 필요성이 낮거나 필요성이 없다. 따라서, 베어링 면이 매끄럽고 베어링의 세로 방향으로의 베어링 면의 단부로부터 물러난 다수의 내측 영역을 포함하도록 파형 영역을 설계하는 것이 가능하다.

세로 방향으로의 윤활유 누설에 대한 최대 차단 효과는, 파형의 고점에서 파형 영역을 통하여 파형 저점으로의 거리가, 매끄러운 영역으로 이루어진 대응 베어링의 중앙에서 일어나는 기름 막 두께와 상응할 때 달성된다. 따라서 상기 거리는 적어도 0.005㎜, 보다 양호하게는 0.005 내지 0.015㎜의 범위인 것이 바람직하다.

본 실시예의 발전적인 태양으로서, 베어링 하우징은 매끄러운 영역과 파형 영역이 위치되는 제 1 베어링 셀과, 파형 영역의 나머지 부분을 구비한 제 2 베어링 셀을 가지며, 파형 영역에서 파형의 고점에서 파형의 저점까지의 거리는 기름 막 두께가 최대로 되는 제 2 베어링 셀에서 최대이다.

슬라이드 베어링은 베어링 금속 프로퍼(proper)의 상부에 위치된 상부층을 구비한 베어링 면으로 만들어지며, 그러한 케이스에서, 파형 면은 적어도 상부층에서 형성되는 것이 바람직하다. 상부층은 제조상의 오차를 보상하기 위한 가능성을 가지고 베어링 면과 새로운 저어널의 점진적 운전을 제공하는 베어링 금속 프로퍼에 피복된 부드러운 운동층이 될 수 있다.

베어링 금속의 아래 가로놓인 층의 경우와 마찬가지로, 새로운 부분의 운동에서의 상부층은 베어링 금속 층을 위한 작동 조건에 가능한 한 많이 상응하는 작동 조건에 적합하게 되기 때문에, 상부층은 윤활유를 보지할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 슬라이드 베어링은 베어링의 세로 방향으로 한층 균일한 압력 분포를 제공하기 때문에, 저어널의 세로 방향의 베어링 면의 길이가 베어링 면의 직경보다 작은 짧은 베어링을 사용할 경우에, 상기 베어링이 특히 유용하다.

보다 바람직한 실시예에서, 베어링은 적어도 300㎜의 실린더 보어를 가진 디이젤 타입의 2-행정 크로스헤드 엔진의 부분이 된다. 내연 기관에서, 베어링 면의 영역은 실린더 보어의 사각형과 함께 종종 증가되나, 베어링의 중량 하중은 제 3 동력에 대하여 증가된 실린더 보어에 따라 증가한다. 따라서, 대형 엔진에서 시동시의 정적 하중은 소형 엔진보다 상당히 중요하다.

본 발명의 실시예는 도면과 함께 하기에서 보다 상세히 설명될 것이다.

도 1은 베어링 하우징을 구비한 주 베어링을 도시하는데, 그 하부(2)는 주 베어링이 부분을 형성하는 내연기관의 베드플레이트(bedplate)와 일체를 이룬다. 베어링 하우징의 상부 제거가능부(3)는 탄성 볼트(4)에 의해 하부에 대하여 고정된다. 저어널(5)은 베어링을 통하여 연장된다.

다양한 실시예에서 동일한 기능을 가진 부분은 동일한 참조 번호로 표시되었다.

도 2는 일단부에 커넥팅 로드 베어링(7)과 타단부에 크로스 헤드 베어링(8)을 구비한 커넥팅 로드(6)를 도시한다. 상기 베어링은 도구 슬라이드 베어링이며 베어링 하우징은 베어링 메탈을 구비한 제 1 베어링 셀(9)이 삽입된 고정부와, 베어링 메탈을 구비한 제 2 베어링 셀(10)을 가진 제거가능부(3)로 분할되는 공통점을 가진다. 당연히, 베어링 하우징의 일부분에 베어링 금속을 직접적으로 설치하는 것이 가능하지만, 베어링을 체결시에 베어링 금속에 공지된 바와 같은 압축 응력을 일으킬 가능성이 있으므로 베어링 셀을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 베어링 금속은 화이트 메탈이나, Sn40Al 과 같은 티탄 알루미늄과 같은 일반적인 재료일 수 있다.

또다른 실시예에서, 슬라이드 베어링은 크로스헤드 슈 상의 눈(eye)-형상의 베어링이며, 이 경우 슈가 크로스 헤드 상에 설치될 때 크로스헤드 하우징 상의 저어널 핀의 단부 너머로 베어링 하우징이 밀리기 때문에 베어링 하우징은 제거가능부가 없는 단일 부재로 이루어 질 수 있다. 슬라이드 베어링은 캠축용 지지 베어링으로 사용될 수 있다.

도 4는 용이성을 위하여 전개된 형상인 제 1 베어링 셀(9)의 내측면을 도시하며, 유사하게 도 3은 다른 베어링 셀(10)의 내측면을 도시한다. 도시된 실시예에서, 베어링 셀들은 동일한 크기이며, 각각은 베어링 원주의 180°를 가로질러 연장된다. 선택적으로, 베어링 셀은 서로 다른 길이를 가져서, 그 중 하나는 다른 하나보다 큰 원주 부분을 덮는다.

엔진이 멈추면, 윤활유 압력이 존재하지 않게 되고, 저어널은 저어널의 세로 축과 나란한 세로 선(11)을 따라 제 1 베어링 셀의 내측면과 접한다. 만약 베어링이 축 저어널용 지지 베어링이라면, 선(11)은 일반적으로 내측 베어링 면(12) 상의 저부에 위치되고, 슬라이드 베어링이 커넥팅 로드의 저단부의 커넥팅 로드 베어링이라면, 선(11)은 내측 베어링 면 상의 상부 지점에 일반적으로 위치된다.

도 3 및 도 4는 선(11)으로부터 원주 방향으로의 거리를 나타내는 각을 표시한다. 언급된 각 표시는 왼쪽에서 시작하여, 반 시계 방향의 저어널 회전과 짝을 이룬다. 베어링 면(12)은 전방 단부(13)와 후방 단부(14)를 가져서, 그 사이의 거리는 베어링 면 길이 라고 일컬어진다. 베어링의 직경은 π로 나누어진 원주 방향으로의 베어링 면 길이에 상응한다.

베어링 면은 선(11)의 양 측부 상에서 연장되는 매끄러운 영역(15)으로 나누어진다. 도시된 실시예에서, 매끄러운 영역(15)은 선(11)에 관하여 대칭적으로 위치되나, 선(11)의 왼쪽 영역의 대부분의 대칭 위치도 가능하다. 베어링 면은 소위 파형 영역(16)으로 추가로 분할되어 베어링 면은 그 파형의 저점이 원주 방향으로 연장되는 파형면을 가진다.

도 5는 파형 영역의 베어링 면을 통한 단면을 도시한다. 면의 파형은 일정하고, 파형의 고점에서 파형의 저점(시작점)으로 거리(h)와 파장(s)을 가진다. 거리(h)는, 예를 들어, 0.005-0.015㎜의 간격이며, 거리(s)는 소정의 거리(h)를 제공하는 공구에 달려있다. 파형은 베어링 면에 대하여 원주 방향으로 회전하는 절삭 공구에 의해 형성되며, 거리(s)에 상응하는 단위회전당 이송량으로 베어링 세로 방향으로 전진 이송될 수 있다. 원칙적으로, 라운드 부재의 내측면의 그러한 파형의 절삭은 원통형 라이터의 내측면의 파형 절삭으로부터 공지된 것이다.

파도 형상의 패턴은 도 5에 도시된 것과는 다른 설계일 수 있다. 파형의 고점은, 예를 들어, 동일하게 라운드져서 단면으로 불 경우 표면은 사인 곡선이나 볼록한 파형의 저점과 오목한 파형의 고점이 번갈아 이어지는 곡선을 이룬다. 파형의 고점이 파형의 저점 사이에서 고원 지대를 이루는 것도 가능하다. 도 5의 형상은 아크 형상의 절삭 에지를 가진 단일-에지 공구로써 절삭함으로써 파형 영역이 형성될 때 형성되는 기본 형상이다. 기본 형상은 베어링이 사용되어 지기 전에 그라인딩, 롤링, 호닝과 같은 마무리 공정으로 처리될 수 있다. 파형은 파도 형상의 절삭 에지를 가진 공구로써 절삭 될 수 있으며, 이 경우 볼록-오목 복합면은 단일 공정으로 형성될 수 있다. 절삭 가공에 대응 방안으로서, 파형면은 일정 압력 하에 베어링면의 소정 부분 위에 원하는 표면 형상을 가진 공구를 롤링하는 압인 가공으로 형성될 수 있다.

선(1)으로부터 일정 거리에서, 베어링 면은 엔진이 가동될 때 윤활유 튜브(20 : 도 1) 를 통하여 압축된 윤활유가 공급되는 윤활유 채널(17)을 구비한다. 그 회전으로 인하여, 저어널은 저어널과 베어링 면 사이의 영역 내부로 윤활유를 유도하며, 파형 패턴은 기름이 전,후방 단부(13, 14)에서 압축되는 것을 방지한다.

파형 영역(16)과 매끄러운 영역(15) 사이에서, 도 6의 실시예는 전이 영역(18)을 구비하여, 상기 표면은 매끄러운 표면으로부터 전체 파형 높이를 가진 표면으로 점진적으로 변화한다. 도 7의 실시예에서, 파형 영역은 베어링 면이 매끄러운 내측 영역(19)을 가진다. 이러한 영역은 베어링 면의 단부(13, 14)로부터 후퇴한 거리에 위치된다.

베어링은 4-행정 엔진이나 2-행정 엔진 양자에 적용될 수 있으며, 전술한 바와 같이, 당업자에게 공지된 ME 또는 MC 타입의 엔진 중의 하나와 같은 2-행정 크로스헤드 엔진에 특히 장점을 가지고 사용된다. 예를 들어, 엔진은 20-120㎝ 크기의 보어, 60-800rpm의 크기의 rpm을 가지며, 예를 들어 엔진 출력은 1,000-130,000 ㎾ 일 수 있다. 50㎝이상의 크기를 가진 보어를 갖는 엔진과 같은 대형 엔진에서, 파형의 고점의 변형 위험이 방지되기 때문에, 매끄러운 영역은 파형 패턴이 없는 것이 특징적인 장점이다. 다양한 실시예가 새로운 실시예로 결합될 수 있다.

도 1은 본 발명의 주 베어링의 측면도이며;

도 2는 커넥팅 로드 베어링과 크로스헤드 베어링을 구비한 케넥팅 로드이며;

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 제 2, 제 3 베어링 셀의 각각의 전개도이며;

도 5는 본 발명의 파형 영역을 통하여 세로로 절개한 단면도이며;

도 6 및 도 7은 본 발명의 도 4의 다른 실시예를 도시하는 도면이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

2: 하부 3: 제거가능부

5: 저어널 7: 커넥팅 로드 베어링

9: 제 1 베어링 셀 10: 제 2 베어링 셀

11: 세로 선 15: 매끄러운 영역

16: 파형 영역

Claims (12)

1. 내연기관의 슬라이드 베어링으로서, 상기 베어링은 내측 베어링 면을 구비하는 정지 베어링 하우징과 세로 축에 대하여 회전 가능한 저어널을 가지며, 상기 내측 베어링 면은 엔진이 정지했을 때 세로 선에서 저어널이 베어링 면과 접하는 세로 선으로부터 원주 방향으로 0°내지 360°연장되며, 내측 베어링 면은 적어도 파형의 저점이 원주 방향으로 연장되는 파형 면과 매끄러운 영역을 가지는 파형 영역으로 분할되는 슬라이드 베어링에 있어서, 내연 기관이 최대 하중으로 운전할 때 파형 영역이 적어도 저어널로부터 최단 거리에 위치된 베어링 면의 영역에 배열되며, 매끄러운 영역은 원주방향으로 양측에서 적어도 3°로 세로 선으로부터 연장되며, 파형 영역은 원주방향으로 세로 선으로부터 적어도 5°이격되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 베어링.
2. 제 1 항에 있어서, 슬라이드 베어링은 주 베어링이며, 파형 영역은 세로 선으로부터 30°내지 100°로 연장되며, 매끄러운 영역은 세로 선으로부터 양측으로 적어도 10°로 연장되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 베어링.
3. 제 2 항에 있어서, 매끄러운 영역은 세로 선으로부터 20°이하로 연장되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 베어링.
4. 제 1 항에 있어서, 파형 영역은 세로 선으로부터 적어도 30°내지 330°로 연장되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 베어링.
5. 제 1 항에 있어서, 파형 영역과 매끄러운 영역 사이에는 매끄러운 영역에서의 매끄러운 면으로부터 파형 영역과 같은 파형 높이를 가진 파형 면으로 점진적으로 표면이 변하는 적어도 하나의 전이 영역이 존재하는 것을 특징으로 하는 슬라이드 베어링.
6. 제 5 항에 있어서, 원주 방향으로의 전이 영역의 범위는 5°이상인 것을 특징으로 하는 슬라이드 베어링.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 파형 영역은 베어링 면이 매끄럽고 베어링의 세로 방향으로 베어링 면의 단부로부터 물러나서 놓인 다수의 내측 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이드 베어링.
8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 파형의 고점에서 파형 영역의 파형의 저점까지의 거리는 적어도 0.005㎜이며, 바람직하게는 0.005 내지 0.015㎜인것을 특징으로 하는 슬라이드 베어링,
9. 제 8 항에 있어서, 베어링 하우징은 매끄러운 영역과 파형 영역의 부분이 위치된 제 1 베어링 셀과, 파형 영역의 나머지 부분을 구비한 제 2 베어링 셀을 가지며, 파형 영역의 파형의 고점에서 파형의 저점까지의 거리는 제 2 베어링 셀에서 최대인 것을 특징으로 하는 슬라이드 베어링.
10. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 베어링 면은 베어링 금속 프로퍼의 상부에 위치된 상부층을 가지며, 파형 면은 적어도 상부층에서 형성되는 것을 특징으로 하는 슬라이드 베어링.
11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 저어널의 세로 방향의 베어링 면의 길이는 베어링 면의 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 슬라이드 베어링.
12. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 베어링은 적어도 300㎜ 크기의 실린더 보어를 가진 디이젤 타입의 2-행정 크로스헤드 엔진의 부분인 것을 특징으로 하는 슬라이드 베어링.