KR100619461B1 - 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링 - Google Patents

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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 베어링 보어(11)에 의해 형성되며 베어링 내에 위치된 윤활제 저장소로부터 윤활제를 제공받는 작동면을 포함하는 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 베어링 보어는 둘레에 걸쳐 교대로 분포된 고압축 작은 다공의 작동면(14)과 축방향으로 연장된 저압축 개방형 다공성 윤활제 저장소(16)를 갖는다. 특히 작동의 초기 단계 중에 윤활 작용은, 윤활제 저장소가 두 개 이상의 종방향 홈(16r)을 갖는 홈 구조로 형성되며, 홈 구조의 적어도 일부에서 인접한 종방향 홈 사이의 리지(16k)의 부분이 윤활제의 이송을 위해 베어링 보어에 의해 수용된 샤프트와 접촉함으로써, 개선된다.
작동면, 베어링 보어, 윤활제 저장소, 종방향 홈, 리지, 홈 구조, 샤프트

Description

엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링{Sintered Plain Bearing For Engines And Gears}
본 발명은, 베어링 보어에 의해 형성되며 베어링 내의 윤활제 저장소로부터 윤활제를 제공받는 작동면을 포함하고, 상기 베어링 보어는 둘레에 교대로 분포된 고압축의, 작은 다공의 작동면과 축방향으로 연장된 저압축의, 개방형 다공성 윤활제 저장소(lubricant reservoir)를 갖는, 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링(plain bearing)에 관한 것이다.
그러한 소결 플레인 베어링은 DE-Z Tribologie + Schmierungstechnik, 제 45권, 1/1998, 47/48 페이지에 공지되어 있다. 윤활제 저장소는 3각형 횡단면의 홈으로서 소결체의 베어링 보어 내에 형성되어 있는 한편, 작동면(running surface)은 상기 홈들 사이에서 교정 작업(calibration)에 의해 압축된다. 이 윤활제 저장소는 윤활제를 수용하며, 윤활제는 작동 시에 소결 베어링, 즉 그의 고압축되지 않은 영역들로부터 변위되지만, 이 영역들은 특히 작동의 시작 단계에서 베어링 보어의 작동면과 그 위에서 미끄럼 운동하는 샤프트의 윤활 작용에 기여하지 않는다.
이는 윤활제 저장소가 큰 U-형상의 홈을 형성하며 그의 홈 바닥이 더 큰 직경의 작동면에 대해 단을 가진 US 5,704,718에 따른 소결 플레인 베어링에도 적용된다. 이 홈의 상기 영역에 정지 상태로 저장되어 있는 윤활제는 작동의 시작 단계에서 윤활 작용에 효과적으로 기여할 수 없다. 그러므로 베어링 보어 내에 있는 샤프트에 대한 효과적인 윤활 작용을 얻기 위해서는, 이 윤활제 저장소가 미리 윤활제로 채워져 있어야 한다.
본 발명의 목적은 상술한 방식의 소결 플레인 베어링에 있어서, 작동 시에 윤활제 저장소에 도달된 윤활제를 통해 이루어지는 윤활 작용을 방해함이 없이, 특히 작동의 시작 단계에서 윤활 작용을 개선하는데 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 상기 윤활제 저장소가 2개 이상의 종방향 홈을 가진 홈 구조로 형성되며, 적어도 홈 구조의 일부에서 인접한 종방향 홈들 사이에 있는 리지의 일부가 윤활제를 이송하기 위해 베어링 보어에 의해 수용된 샤프트와 접촉함으로써 달성된다.
이런 작동 후에 윤활제가 상기 홈 구조의 저압축 영역에 의해 다시 수용하면, 즉 이 홈 구조의 종 방향 홈에 윤활제가 없으면, 적어도 몇 개의 리지가 여전히 윤활제 이송을 위해 샤프트와 접촉하므로, 그 다음 작동의 시작 단계에서 샤프트에 대한 윤활 작용이 이루어지며, 이 윤활 작용은 종방향 홈으로부터 작동 윤활 작용으로 이행된다.
압분체(green compact)의 프레스시에 형성되는 홈 구조가 교정 작업 시에 더 이상 압축되지 않으므로 개방 다공으로 남게되어 그의 저장 능력이 작동면의 강도와 무관하게 유지된다.
윤활제의 순환을 위해, 홈 구조는 모세관 홈으로서 형성된 종방향 홈의 폭이 1mm의 직경을 가지는 유리 모세관 내에서 사용된 윤활제의 상승 높이보다 적어도 20배 더 작게 설계된다.
이 종방향 홈의 바닥과 리지는 소정의 반경으로 라운딩 처리되고, 상기 반경은 상기 종방향 홈의 폭보다 적어도 2배 더 작은 반경을 갖는다.
상기 리지는 인접한 종방향 홈 사이에서 단지 샤프트에 윤활제를 이송하기 위해서 이 샤프트와 접촉하기 때문에, 그것은 무부하 베어링 방식으로 관여된다. 개방 다공 및 낮은 치밀화(compaction)로 인한 낮은 부하 부담 능력은 소결 플레인 베어링의 수명에 부정적으로 작용하지 않는다.
이 종방향 홈은 샤프트에 대해 12°보다 작은 개방 각(opening angle)으로 원추형으로 넓어진다.
다른 구성에 따라, 윤활제 저장 능력을 확대하기 위해, 부가적인, 홈- 또는 포켓 홀 형상의, 개방 다공의 윤활제 저장소가 단부면 및/또는 외부면에 형성되며 개방 각, 폭 및 홈 바닥의 반경이 종방향 홈의 대응 크기에 부합된다.
단부면의 개방 다공의 윤활제 저장소가 동심의 링형 홈 및/또는 링형 홈 세그먼트(segment)로서 형성될 수 있으며, 이들은 반경 방향 홈을 통해 소결 플레인 베어링의 작동면으로 이어진다. 이 링형 홈 세그먼트는 0.2mm보다 더 길다.
단부면에는 균일하게 분포된 반경 방향의 홈이 형성되어 외부면으로부터 소결 플레인 베어링의 작동면 쪽으로 연장될 수 있다.
상기 외부면에서 개방 다공의 윤활제 저장소에 대한 구성에 따르면, 상기 외부면에 원주 방향 홈 및/또는 원주 방향 홈 세그먼트 및/또는 포켓 홀이 윤활제 저장소로서 형성된다. 상기 원주 방향 홈 및/또는 원주 방향 홈 세그먼트는 횡방향으로 연장된 연결 홈에 의해 서로 연결될 수 있다. 모든 윤활제 저장소의 설계에 있어서, 종방향 홈, 반경 방향 홈, 링형 홈 및/또는 링형 홈 세그먼트 및 원주 방향 홈 및/또는 원주 방향 홈 세그먼트의 깊이는 1mm의 직경을 가지는 유리 모세관에서 윤활제 상승 높이의 절반보다 더 작다.
본 발명을 도면에 도시한 실시예를 참고로 상세히 설명한다.
도 1은 작동면의 교정 전에, 윤활제 저장소로서 베어링 보어의 둘레에 분포된 홈 구조 및 소결 플레인 베어링의 다른 표면에 다른 윤활제 저장소를 가지는 소결 플레인 베어링의 사시도.
도 2는 작동면의 교정 전후에 다른 형태의 소결 플레인 베어링의 베어링 보어의 횡단면도.
도 1에 나타나는 바와 같이, 둘레에 분포된 일련의 홈 구조(15)는 압분체의 프레스 시에 소결 플레인 베어링(10)의 베어링 보어(11)내로 형성된다. 이 홈 구조(15)는 2개 이상의 종방향 홈(16r)을 가지며, 이 홈들은 리지(16k)에 의해 분리되어 있으며 바람직하게는 서로 평행하게 연장된다. 개방 다공의 홈 구조(15)의 리지(16k)는 작동면(14)에 대해 소결 플레인 베어링(10)의 외주를 향해 오프셋된다. 이 리지(16k)의 반경과 종방향 홈(16r)의 바닥(17)은 도 2에서 알 수 있는 것처럼 종방향 홈(16r)의 폭의 절반보다 작다. 이 종방향 홈(16r)의 폭은 1mm의 직경을 가지는 유리 모세관 내에서 사용된 윤활제의 상승 높이보다 적어도 20배 더 작다.
이 소결 플레인 베어링의 강도는 짧은 탄소 섬유(short carbon fiber), 세라믹 입자 또는 다른 입자들의 첨가에 의해 개선될 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 개방 다공의 윤활제 저장소들이 소결 플레인 베어링(10)의 단부면(12) 및/또는 외부면(13)에 추가로 형성될 수 있다. 그런 홈 형상 윤활제 저장소의 홈 바닥의 폭과 반경에는 홈 구조(15)의 종방향 홈(16r)에서의 대응하는 크기가 적용된다. 동일한 것이 12°보다 더 작게 선택되는 종방향 홈(16r)의 개방 각에도 적용된다.
상기 단부면(12)은 도 1의 부분도에 도시한 바와 같이, 예를 들어 반경 방향 홈(22)과 리지(23)를 가진 영역(21)을 포함할 수 있다. 그러나 동심의 링형 홈 또는 링형 홈 세그먼트(18)도 윤활제 저장소로서 형성될 수 있으며 반경 방향 홈(19)을 통해 작동면(14) 쪽으로 연장되어 있다.
20과 20a로 표시된 것처럼, 홈 또는 포켓 홀 형태의 짧은 윤활제 저장소의 하나 또는 다수의 동심 링은 적어도 0.2mm 깊이로 단부면(12) 내에 형성될 수 있다.
이 소결 플레인 베어링(10)의 외부면(13)에는 종방향 홈 및 원주 방향 홈 및/또는 종방향 홈 세그먼트 및 원주 방향 홈 세그먼트(25)가 개방 다공의 윤활제 저장소로서 추가로 배치될 수 있으며, 횡방향으로 연장되어 있는 연결 홈에 의해 서로 연결될 수 있고 또한 단부면(12)과도 연결될 수 있다.
모든 홈의 깊이는 1mm의 직경을 가진 유리 모세관에서 사용된 윤활제의 상승 높이의 절반보다 작아야 한다.
단부면(12)의 윤활제 저장소는 베어링의 외부 윤활제 저장 용적을 확대시키며 추가량의 윤활제를 축방향 안내면에 공급한다. 상기 단부면 세그먼트의 볼록하게 휘어진 부분면은 그것의 웨지 갭(wedge-gap) 효과에 의해 베어링의 동적 작동 상태를 개선하는데 기여한다. 축 방향의 공급 홈은 추가의 마모 저장 기능(wear depot function)을 가지며 작동면(14)으로부터 외부면(13)으로의 윤활제 이송을 가능하게 한다.
상기 외부면(13)에 배치된 개방 다공의 윤활제 저장소는 흘러나오는 윤활제를 수용하며 중력, 원심력 또는 크리프(creep)에 의한 유출을 방지한다.
베어링을 윤활제로 채운 후 모든 추가의 윤활제 저장소는 스피닝 오프(spinning off) 또는 원심 작용에 의해 다시 비워진다. 그 때문에 부가적인 저장 효과가 달성될 수 있다. 새로운 소결 플레인 베어링(10)은 작동 시에 80% 미만까지 윤활제를 상실하게 된다. 이 소결 플레인 베어링의 수명은 현저히 증가되며 이송 층 형성으로 인해 베어링의 침식이 상당히 어려워진다.
또한 냉각 노이즈(cold noise)를 줄이기 위해, 냉각 동안 볼륨 수축 시에 마찰 지점에 보다 많은 윤활제가 제공된다.
이런 방식의 추가 윤활제 저장소는 프레스 시에 형성되기 때문에, 제조 원가의 상승이 발생하지는 않는다.
작은 다공의 고압축 작동면(14)은 큰 부하 부담 능력을 가지므로, 그것의 거의 중실의 구조에 의해 샤프트의, 준 유체역학적(quasi hydrodynamic) 마찰 상태가 얻어진다. 홈 구조(15)의 상기 영역에서의 높은 다공성에 의해 윤활제의 추가 용적이 제공된다.
종방향 홈(16r)과 작동면(14)의 수 및 폭은 적용에(예를 들어 기계적 하중 및 열 부하)에 따라 다르게 선택될 수 있다. 또한, 압축, 즉 다공성에 의해 하중 크기와 윤활제 수용 용적이 영향을 받는다.
홈 구조(15)는 작동면(14)의 구성과 적용 프로파일(application profile)에 따라 고려되어야 한다. 기본적으로 홈 구조(15)의 종방향 홈(16r)으로서 형성된 윤활제 저장소가 작동면(14)과 동일한 수로 제공된다. 홈 구조(15)의 종방향 홈(16r)의 수는 짝수이거나 홀수일 수 있지만 적어도 3개는 되어야 한다. 이 종방향 홈(16r)의 반경은 적어도 0.05mm가 되어야 하며 최대 0.3mm가 될 수 있다. 이 종방향 홈(16r)의 깊이는 사용되는 윤활제의 점성에 의존하며 0.5mm 까지 될 수 있다.
도 2에 따라 소결 플레인 베어링(10)의 베어링 보어(11)를 설계할 때 각각 72°의 5개의 세그먼트가 제공되며, 각각의 세그먼트는 5개의 종방향 홈(16r)과 4개의 리지(16k)를 가진 홈 구조(15)를 포함한다. 홈 구조(15)의 에지에 위치하는 종방향 홈(16r)은 이행부(24)를 거쳐 작동면(14)으로 이행된다. 상기 이행부(24)는 작동면(14)의 교정 전에 도 1에 나타나는 바와 같이 날카로운 에지를 갖는다. 그러나 교정 후에는 그들은 라운딩 처리되고 도 2에 나타나는 바와 같이 약 0.5mm의 반경을 갖는다. 홈 바닥(17)과 리지(16k)도 마찬가지로 라운딩 처리되고 0.15mm의 반경을 갖는다. 종방향 홈(16r)은 베어링 보어(11)의 둘레의 약 7°에 걸쳐 연장되어 있다. 종방향 홈(16r)의 깊이는 직경 차(8.373 - 8.10 = 0.273mm)와 동일하다. 교정 전 작동면(14.1)은 7.70mm의 직경인 반면, 교정 후에는 베어링 보어(11)가 8mm 직경과 공차 H6를 가진 작동면(14)에 의해 규정된다. 리지(16k)가 아직 교정되지 않고 8.10mm의 직경을 유지하기 때문에, 적어도 몇 개의 리지(16k)가 베어링 유극 때문에 삽입된 샤프트와 무부하 베어링 접촉되고, 상기 접촉은 윤활제 이송에 충분하다.
상기 작동면의 빗금(hatched) 영역(14v)은 교정 시에 변위되고 밀도를 높이는데 이용된다. 홈 구조(15)는 교정 전에는 베어링 보어 둘레의 33.77°에 걸쳐 연장해 있으며 교정 후에는 38.23°에 걸쳐 연장해 있으며, 이행부(24)는 0.5 mm로 라운딩 처리된다.
홈 구조(15)의 리지(16k)는 교정된 작동면(14)과 함께 공동의 케이싱 표면 위에 위치하며, 상기 샤프트에 대한 리지(16k)의 접촉은 단지 선형 또는 스트립형으로 이루질 수 있다.

Claims (15)

  1. 베어링 보어에 의해 형성되며 베어링 내의 윤활제 저장소로부터 윤활제를 제공받는 작동면을 포함하고, 상기 베어링 보어는 둘레에 교대로 분포된 고압축의, 작은 다공의 작동면과 축방향으로 연장된 저압축의, 개방 다공의 윤활제 저장소를 갖는, 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링에 있어서,
    상기 윤활제 저장소는 2개 이상의 종방향 홈(16r)을 가진 홈 구조(15)로 형성되며, 적어도 상기 홈 구조(15)의 일부에서 인접한 종방향 홈(16r) 사이에 있는 리지(16k)의 일부가 윤활제의 이송을 위해 상기 베어링 보어(11)에 의해 수용된 샤프트와 접촉하는 것을 특징으로 하는 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 홈 구조(15)의 종방향 홈(16r)의 수용 용적은, 소결 금속으로 된 베어링의 작동 시에 변위되는 윤활제의 용적에 부합되는 것을 특징으로 하는 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 홈 구조(15)의 상기 종방향 홈(16r)은 모세관 홈으로서 형성되어 있으며, 상기 종방향 홈(16r)의 폭은 1mm의 직경을 가지는 유리 모세관에서 윤활제의 상승 높이보다 20배 이상 작은 것을 특징으로 하는 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 홈 바닥(17)에 있는 상기 종방향 홈(16r)과 상기 리지(16k)는 (0.05 내지 0.30mm인) 반경으로 라운딩 처리되며, 상기 반경은 상기 종방향 홈(16r)의 폭(0.30 내지 0.80mm)보다 2배 이상 작은 것을 특징으로 하는 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 리지(16k)는 상기 샤프트와 무부하 베어링 접촉되는 것을 특징으로 하는 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 종방향 홈(16r)은 상기 샤프트에 대해 12°보다 작은 개방 각으로 원추형으로 넓어지는 것을 특징으로 하는 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 베어링의 강도는 짧은 탄소 섬유(short carbon fiber) 또는 세라믹 입자 또는 다른 입자의 첨가에 의해 향상되는 것을 특징으로 하는 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 홈 형태 또는 포켓 홀 형태의 개방 다공의 윤활제 저장소가 단부면(12) 또는 외부면(13)에 추가로 형성되며, 상기 저장소는 개방 각, 폭 및, 홈 바닥(17)의 반경에 있어 상기 종방향 홈(16r)의 대응 크기에 부합하는 것을 특징으로 하는 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 윤활제 저장소는 상기 단부면(12)에서 반경 방향 홈(22)으로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링.
  10. 제 8 항에 있어서, 동심의 링형 홈 또는 링형 홈 세그먼트(18)가 상기 단부면(12)에 윤활제 저장소로서 형성되며, 반경 방향 홈을 통해 작동면(14)으로 안내되어 있는 것을 특징으로 하는 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 링형 홈 세그먼트(18)는 0.2mm 보다 길게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 종방향 홈 및 원주 방향 홈 또는, 종방향 홈 세그먼트 및 원주 방향 홈 세그먼트(25)가 윤활제 저장소로서 외부면(13)에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 종방향 홈 및 원주 방향 홈 또는, 종방향 홈 세그먼트 또는 원주 방향 홈 세그먼트(25)가 횡방향으로 연장해 있는 연결 홈에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 종방향 홈(16r), 포켓 홀(20a), 반경 방향 홈(22), 링형 홈 또는 링형 홈 세그먼트(18)와 원주 방향 홈 또는 원주 방향 홈 세그먼트(25)의 깊이(0.5mm)는 1mm의 직경을 가진 유리 모세관에서 윤활제의 상승 높이의 절반 보다 작은 것을 특징으로 하는 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 종방향 홈(16r)으로부터 교정된 인접한 작동면(14) 쪽으로의 이행부(24)가 라운딩 처리되는 (0.5mm) 것을 특징으로 하는 엔진 및 전동 장치용 소결 플레인 베어링.
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