KR100648743B1 - 캠축의 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해 제조된 캠축 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 캠축을 생산하는 것이다. 이 목적을 위하여 그 자체가 공지된 소성변형 방법이 베어링요소들, 구동장치요소들 그리고 제어요소들이 소성변형에 의하여 단부들에서 생산되는 그러한 방법으로 내부고압 변형 방법과 결합하여진다. 미리 가공된 지지링들과 체인휠 또는 기어휠들이 내부고압 변형에 의하여 양의 또는 부의 휫트에 의하여 장착된다. 본 발명의 방법은 주로 캠축에 대하여 사용되나 그러나 캠플레이트 등을 가지는 축을 생산하기 위해서 사용되어 질 수 있다.

Description

캠축의 제조 방법 및 그 제조 방법에 의해 제조된 캠축{METHOD FOR PRODUCING A CAMSHAFT AND CAMSHAFT PRODUCED ACCORDING TO SAID METHOD}

본 발명은 캠축의 제조 방법과 그 제조 방법에 의해 제조된 캠축에 관한 것이다. 이러한 캠축의 제조 방법은 차량 엔진용 캠축뿐만 아니라, 예를 들어 축 상에 배치된 캠 디스크와 같은 유사 부품들의 제조에도 적합하다. 이러한 부품은, 상이한 곡률을 갖는 회전 디스크 상에서 이동되고 회전 방향에 대향되어 이동되면서 회전 운동을 왕복 운동으로 변환시키는 부품이다

일체로 된, 즉 단조되거나 주조된 캠축은 공지되어 있다. 마모되는 캠의 접촉면은 레이저 광선, 전자선 또는 WIG에 의한 기계적 가공에 의하여 가공되거나 또는 예를 들어 유도 공법 또는 열/화학 공법에 의하여 경화된다. 이에 후속하여, 예를 들면 베어링, 캠 형태의 연마와 같은 또 다른 기계적 가공이 행해진다. 이러한 캠축은, 그의 중량과 그리고 캠축과 함께 이동하는 질량이 대단히 높다는 단점을 갖고 있다. 캠축의 높은 질량은 연료 소비량에 불리하게 작용한다. 또 다른 단점은, 소재의 가공시 기계적인 비용이 높다는 점이다. 또한, 개별 부품들로부터 캠축을 제조하는 것이 공지되어 있다. 개별적인 캠들이 축 상에 배치되어 바람직하게는 용접에 의하여 결합되거나, 압착되거나 또는 열간 결합된다. 이 경우에, 축은 중공축일 수 있으므로 일체로 된 캠 디스크의 높은 중량의 단점은 없어지지만 제조 비용은 여전히 상당히 높다.

이러한 방법의 또 다른 실시 형태에서는, 캠을 중공축 상에 위치시키고 나서 중공축을 압력에 의해 팽창시킴으로써 개별적인 캠을 중공축 상에 고정시키는 것이 공지되어 있다. 압력 매체로서는 바람직하게는 유체가 사용된다. 이러한 압력은 피스톤이나 펌프에 의하여 형성된다(독일 특허 공보 제34 09 541호 및 제35 21 206호). 하지만, 이러한 방법은 특히 접합부들과 같은 개별 부품들의 제조가 기술적으로 복잡하며 캠의 내부 윤곽이 제한되는 단점을 갖고 있다.

또한, 캠으로서 작용하는 종방향의 중공체를 내부 고압 성형 공법(IHU 공법이라고 칭함)에 의하여 개별적으로 또는 연이어서 또는 동시에 형성시키는 방법으로 제조하는 것이 공지되어 있다.

2개 또는 4개 부품의 공구들이 중공축을 축방향으로 지향시킴으로써 캠들이 그들의 위치에 일정하게 배치되며 일체로 된 성형이 이루어진다(국제 공개 특허 공보 제97/46341호).

하지만, 이러한 방법으로 제조된 캠축은 제조 비용이 단조 또는 조립된 캠축에 비해 저렴하긴 하나, 캠 접촉면의 내마모성이 불만족스럽다는 단점을 갖고 있다. 내마모성이 불충분한 재료를 가지고서 IHU 공법을 실시하는 것은 불가능하다. 그 밖에도 보통 차량 엔진의 경우에서와 같이 축 상에 있는 캠들의 간격이 작은 경우에는, 가장 높은 변형이 발생하는 지점에서 강도에 악영향을 미쳐 불가피하게 재료가 약화되기 때문에 캠의 평탄한 접촉면을 제조하는 것은 불가능하다.

이러한 단점을 저감시킬 수 있는 중공축 재료를 사용하여 양호한 성형을 이룰 수는 있지만, 경도 또는 내마모성은 후속 경화 공정 자체에 의해서는 얻을 수가 없다. 그러나, 캠의 경도 및 내마모성은 차량 엔진에서 캠축의 장기 수명을 위한 기본적인 전제 요건이다. 즉, 축 자체의 전체 범위 내에서 그리고 특히 캠의 측부와 첨단부(point)에서 필요로 하는 재료 두께를 얻는 것이 역시 대단히 어렵다.

편심 윤곽부를 구비하며 캠 궤도를 형성하는 파이프 영역을 제조하고 그리고 이를 프레스 핏 결합에 의해 부착하여 보강하는 것이 또한 공지되어 있다. 캠의 제조는 파이프의 폭발 성형에 의하여 이루어진다. 개별적인 캠들은 서로에 상응하게 변위되어 캠축 상에 고정된다(독일 특허 공보 제243 223호). 이때, 제조된 캠축들은 높은 제조 비용을 필요로 하며 큰 중량을 갖는다. 소성 변형 과정은 시간에 종속하여 제어할 수 없다.

본 발명의 목적은, 단단하며 근소한 굽힘성을 갖고 높은 비틀림 강도를 가지며 그리고 캠 측부 및 캠 첨단부 상의 부하에 대해 높은 굽힘 강도를 갖는 캠축들을 공지된 내부 고압 성형 공법에 의해 제조할 수 있도록 하는 캠축 제조 방법을 제공하는 데 있다. 이러한 제조 방법은 간단해야 한다. 또 다른 공정 단계에서의 추가적인 층, 즉 마모 방지층을 도포하는 작업과 그리고 비용이 소요되는 기계적인 재작업이 없어야 한다. 재료의 투입은 근소해야 한다. 전체 캠축에 필요한 개별 부품들의 수는 공지된 캠축 제조 공법에 비해 감소되어야 한다.

이러한 목적은, 본 발명에 따르면 특허청구범위 제1항 및 제8항의 특징들에 의해 달성된다. 바람직한 실시예들이 특허청구범위 제2항 내지 제7항 그리고 제9항 내지 제17항에 기재되어 있다.

본 발명에 따르면, 별도의 공정으로 제조되고 근소한 벽두께와 캠의 최종 형태를 가지며 단단하고 내마모성인 지지링들이 제조되며, 이들 지지링들은 내부 고압 성형(IHU)에 의하여 IHU 공구 내로 삽입되고, IHU 공구와 파이프 내에 도입되는 축방향 힘과 압력 매체에 의한 내부 압력에 의해서 파이프의 한 단계 또는 두 단계의 성형이 이루어진다.

성형 공정의 완료시, 지지링과 캠이 파이프에 압착되면서 파이프의 형상에 맞추어져 결합된다. 캠축의 단부들에는 공지된 방법으로 고정된 공지의 베어링 부재들이 배치된다.

본 발명의 제조 방법의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 앞서 설명한 파이프 성형 단계 이전에, 변형을 위해 필요한 특성들과 기계적 요건들을 충족시키는 재료로 형성된 파이프를 롤 연신 가공이라고도 불리우는 공지된 연신 가공 또는 압축 성형 가공에 의하여 파이프가 전체적으로 또는 부분적으로 또는 다만 캠축 단부들만이 소성변형되도록, 즉 예를 들어 신장되거나 두꺼워지도록 성형한다. 이러한 단부들에는 구동 부재 및 제어 부재를 위한 기능부, 예를 들면 치차용 시이트와 같은 기능부가 형성된다. 후속 단계에서는 IHU 공법에 의하여 캠이 배치된 영역의 파이프가 팽창되며, 이때 먼저 IHU 공구 내로 지지링들이 캠의 위치들에 상응하게 삽입되어 있다.

지지링들이 동일한 벽두께를 갖는다면, 첨단부가 상당히 뾰쪽하게 되어 있는 캠의 경우에는 파이프의 높은 변형이 발생하게 되며, 경우에 따라서는 다단계의 성형 공정이 필요하게 되는 단점이 생긴다. 이에 의하면, 생산성이 저하됨과 동시에 제조 비용이 상승한다. 또한, 캠축 외부의 실린더 헤드에는 캠들 사이에 또는 이들에 인접하여 간섭 윤곽부가 존재한다. 이로 인하여, 활용 가능한 구조 공간이 제한되고 IHU 공정이 어려워진다. 이러한 단점은 오로지 복잡한 다단계의 IHU 공법에 의해서만 해소할 수 있다. 이는 다시금 높은 제조 비용을 필요로 한다. 따라서, 본 발명의 제조 방법 또는 그 제조 방법에 의하여 제조되는 캠축의 바람직한 특징은, 별도의 단계로 제조된 지지링들이 외부에서는 기능적인 윤곽에 상응하게 형성되며 그리고 내부에서는 파이프보다 약간 큰 직경을 갖는 것에 있다. 이러한 지지링의 벽두께는 동일하지 않으며 캠 첨단부의 범위에서 보다 큰 두께를 갖는다. 이는 지지링이 캠보다 변동가능한 두께를 가지며 내부 윤곽은 원형이 아님을 의미한다.

본 발명에 따른 제조 방법에는 주로 2가지 또는 그 이상의 공지된 현대 가공 공법이 서로 결합되어 있다.

지지링 내에 적어도 하나의 홈을 반경 방향으로 형성시켜 압력에 의해 지지링의 홈을 축의 재료로 채움으로써 지지링을 측방향으로 이동하지 못하게 하는 것이 바람직하다.

이러한 제조 방법의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 구동 부재 또는 제어 부재들이 역시 IHU 공법에 의하여 축 상에 고정된다. 이와 유사하게, 베어링 면도 역시 IHU 공법에 의한 파이프의 팽창에 의하여 제조될 수 있다. 특히 소성 변형 공정에 따른 파이프의 냉간 경화가 바람직하다.

본 발명의 제조 방법에 의하여 제조된 캠축은 중공의 캠과 대단히 얇은 벽의 지지링들에 의하여 중량에 있어서 대단히 가벼우며 그리고 높은 강성을 갖는다. 이러한 지지링들은 전혀 기계적으로 후가공하지 않거나 가공하여도 다만 조금만 가공해도 되는 이점이 있다. 이들의 경도는 요건에 맞게 미리 정해지며, 이에 의하면 예를 들어 유도 경화 또는 진공 공정에서의 재용융 경화와 같은 통상적인 후속 경화 공정이 없어지게 된다.

이러한 제조 방법의 또 다른 특징에 의하면, IHU 공법과 결합된 환봉 연신 가공 또는 압축 성형 가공이 모든 공지된 제조 공법에 비해 상당히 근소한 가공 경비와 근소한 비용을 필요로 하므로 추가적인 이점이 생긴다. 이러한 비용은 무엇보다도 별도로 가공하고자 하는 그리고 이어서 접합하고자 하는 개별 부품들의 수가 상당히 적다는 점에서 더욱 감소된다. 본 발명에 따른 가공에 의하면, 이제까지의 접합 작업에 의하여 발생할 수 있었던 단부의 결함 원인이 없어진다. 본 제조 방법의 또 다른 이점은, 기하학적 형상, 치수 안정성, 표면 품질 및 대단히 근소한 기계적인 후작업을 요하는 기능부들을 연신 가공에 의하여 제조할 수 있다는 점이다. 완료 작업으로서 단지 1회의 연마 공정만으로 충분하다.

본 발명에 따른 제조 방법에 의하여 제조된 캠축은 근소한 수의 개별 부품들로 형성되어 있다. 성형 단계의 종료와 함께 캠링들은 축에 압착되면서 축의 형상에 맞추어져 결합된다.

파이프를 향하고 있는 지지링 면의 일측 또는 양측에 경사면을 형성시키는 것이 바람직하다. 이로 인하여 축 상에서 측방향으로의 이동이 방지된다.

지지링들의 바람직한 실시예에 따르면, 지지링은 선행 기술과는 달리 합성 수지 또는 소결 재료로 형성된다. 이러한 재료들은 낮은 제조 비용으로 간단하게 가공할 수 있는 이점을 갖는다.

또한, 세라믹 재료들도 사용할 수 있다. 이들은 최고의 내마모성과 근소한 중량을 가져 가벼운 캠축을 제조할 수 있는 이점을 갖는다.

본 발명의 캠축의 또 다른 바람직한 특징에 따르면, 파이프가 알루미늄 또는 티타늄으로 형성된다. 이로 인하여 캠축이 대단히 가벼워진다.

도 1은 완성된 캠축의 종단면도이다.

도 2는 축 상에 있는 캠의 횡단면도이다.

도 3은 축 상에 있는 캠의 종단면도이다.

도 4는 환봉 연신 가공 또는 압축 성형 가공에 의하여 성형된 단부들을 구비한 캠축의 단면도이다.

도 5는 조절가능한 두께의 지지링을 구비한 캠축의 단면도이다.

이하, 2가지 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명한다.

도 1 내지 도 3은 IHU 공법에 의한 캠축의 제조에 대해서 도시하고 있다.

변형성이 우수한 재료로 형성된 얇은 벽의 파이프(1)에서 그의 윤곽에 가깝게 IHU 성형에 의하여 압착된 형태로 캠축이 형성된다. 즉, 캠(2)은 그의 위치가 치수 및 길이에 따라 정해져 있는 부분에 형성된다. 캠(2)을 구비한 축은 단일 중공체이다. 공지된 방법에서는 도 2 및 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이 독립적으로 지지링(3)이 제조된다. 이를 위해서, 예를 들면 지지링(3)(캠)의 최종적인 형태가 정해져 경화되도록 윤곽이 형성된다. 캠축으로 성형시키고자 하는 예비 가공된 파이프(1)가 지지링(3)을 통하여 삽입되며, 개방된 성형 공구 내로 그 지지링과 함께 삽입된다. 모든 개별 부품들은 이와 같은 방법으로 위치가 고정된다. 이러한 성형 공구는 축방향으로는 밀폐되며 반경 방향으로는 성형을 위한 힘을 도입할 수 있다. 이러한 힘의 도입은, 파이프(1) 내의 소정의 내부 압력의 도움을 받아서, 파이프(1) 상에 또는 공구상에 소정의 축방향의 힘을 가하면서 시작된다. 공구의 완전한 밀폐 후에는, IHU 공법에 의해서 지지링(3)이 파이프(1)에 압착되면서 파이프(1)의 형상에 맞추어져 결합된다. 파이프(1)의 단부상에는 베어링 부재들 또는 구동 부재(5)들이 공지된 방법으로 놓여져 있다. 이러한 베어링 부재들 또는 구동 부재들을 IHU 공법에 의하여 파이프(1) 상에 고정시키는 것도 역시 가능하다.

지지링(3)의 내부에 반경 방향으로 홈(4)을 내설하는 것도 역시 가능하며, 이에 의하면 홈(4)이 파이프(1)의 재료로 채워지기 때문에 캠(2)이 보다 확실하게 지지된다. 또한, 지지링(3)의 내부에 단차부(step)를 설치하여 그 단차부를 IHU 공법에 의해 재료로 채우는 것도 역시 가능하다.

또 다른 예로서 연신 공법과 조합된 IHU 공법에 의한 캠축의 제작이 도 4에 도시되어 있다.

변형성이 우수한 재료로 형성된 파이프(1)가 그의 단부들에서 환봉 연신 또는 압축 성형에 의해 두꺼워지면서 성형된다. 일 단부에서는, 내경(D_i)은 감소되며, 외경(D_A)은 캠축을 보강하는 영역(6)이 형성되도록 형성된다. 최외측 단부는 하나의 기능부로서 형성되며, 이는 연마 작업에 의해서 최종 치수로 형성된다. 또 다른 단부도 마찬가지로 연신과 압축 성형에 의하여 내경(D_i)이 감소되며 또 다른 기능부(베어링 시트, 제어 캠 등)로서 형성된다. 후속 단계에서, 칼라(8)가 압축 성형되며, 이러한 칼라는 다른 연결 기계의 부착을 위하여 필요하다.

이러한 제조 방법에 따르면, 별도의 단계로 제조되고 캠의 형상에 상응하는 지지링(3)과 체인휠(chain wheel)(미도시)이 IHU 공법에 의하여 파이프에 압착되면서 파이프의 형상에 맞추어져 결합된다. 이를 위해서, 지지링(3)과 체인휠이 IHU 공구 내로 삽입된다.

도 5에는 캠축의 실시예가 도시되어 있으며, 여기서 지지링(3)은 상이한 두께를 갖고 있다.

변형성이 우수한 재료로 형성된 파이프(1)는 외경(da)을 갖는다. 소결 금속으로 형성된 지지링(3)의 외부는 기능 요건에 맞는 형태를 가지며 그리고 내부는 원형이 아니다. 지지링의 내경(D_i)은 파이프(1)의 외경(da)보다 약간 크다. 지지링(3)의 두께는 일정하지 않다. 지지링 두께가 일정할 경우에 형성될 수 있는 높이(A)는 파이프(1)의 최대 변형 높이(A')보다 크며, 그리고 파이프(1)의 변형 영역에서의 곡률(R_i')은 지지링(3)이 동일한 두께(c)인 경우의 곡률(R_i)에 비해 크다. 이러한 변형 영역에서 지지링(3)의 두께(c')는 두께(c)보다 크며, 이러한 변형 영역 외부에서 일정한 두께(c)로 형성된다. 이러한 형태로 지지링(3)을 제조하는 경우에 제조 비용이 다소 고가이더라도, 한 단계로 가능한 IHU 공법에 의하면 전체적인 비용은 감소된다.

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Claims (17)

1. 축방향의 힘과 내부 고압하의 매체의 작용에 의하여 변형되는 파이프로 캠축을 제조하는 방법에 있어서,

   별도의 단계로 제조되고 캠의 윤곽에 상응하며 소요 경도, 강도 및 내마모성을 갖는 지지링들이 내부 고압의 성형 공구 내로 피성형 파이프와 함께 삽입되며, 축방향의 힘과 내부 고압하의 매체의 작용으로 인해 파이프의 팽창에 의해서 지지링들이 파이프에 압착되면서 파이프의 형상에 맞추어져 결합되는 것을 특징으로 하는 캠축 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   내부 고압 성형 이전의 제1 공정 단계에서, 캠이 시트를 구비한 영역의 외부에 있는 파이프 영역, 특히 파이프 단부는, 상기 파이프 영역이 두꺼워지거나 신장되어 다른 기능부를 형성할 수 있도록 압축 성형되거나 연신되는 것을 특징으로 하는 캠축 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,

   내부 고압 성형 이전의 제1 공정 단계에서, 캠축 단부들 사이의 베어링 접촉면 영역과 캠들이 시트를 구비한 영역에 인접한 영역은, 환봉 연신에 의해 직경을 소정의 크기로 감소시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 캠축 제조 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   캠들 사이에는 파이프의 팽창에 의한 내부 고압 성형에 의하여 베어링 접촉면이 형성되는 것을 특징으로 하는 캠축 제조 방법.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   지지링들은 내부 고압 성형 공구에 삽입되기 전에 공지의 방법으로 경화되는 것을 특징으로 하는 캠축 제조 방법.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   별도의 단계로 제조된 기어 또는 체인휠이 내부 고압 성형 공구 내로 삽입되며 내부 고압 성형에 의해서 파이프에 압착되면서 파이프의 형상에 맞추어져 결합되는 것을 특징으로 하는 캠축 제조 방법.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   환봉 연신에 의하여 캠축의 단부들을 두껍거나 가늘게 형성시킨 후에 내부 치차부 또는 나사부를 형성시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 캠축 제조 방법.
8. 제1항에 따른 캠축 제조 방법에 의해 제조되는 캠축에 있어서,

   캠축은 내부 고압 성형 공정에 의하여 파이프(1)로 제조되며, 캠축은 형태 및 위치에서 모든 캠(2)에 근사한 윤곽을 가지고서 일체로 형성되고, 형성된 캠(2) 상에는, 단단하며 내마모성의 재료로 형성되고 캠 윤곽을 따라 형성되는 지지링(3)이 파이프에 압착되면서 파이프의 형상에 맞추어져 결합되며, 캠축의 단부들에는, 공지의 방법으로 베어링 부재들 또는 구동 부재들 또는 제어 부재(5)들이 부착되는 것을 특징으로 하는 캠축.
9. 제8항에 있어서,

   지지링(3)들은 동일한 벽두께를 갖는 것을 특징으로 하는 캠축.
10. 제8항에 있어서,

    지지링(3)들의 두께는 변동될 수 있으며, 지지링들의 두께는 캠 첨단부의 영역에서 타영역보다 큰 것을 특징으로 하는 캠축.
11. 제8항에 있어서,

    지지링(3)은 소결 금속, 합성 수지 또는 세라믹으로 형성되는 것을 특징으로 하는 캠축.
12. 제8항에 있어서,

    파이프(1)는 알루미늄, 마그네슘 또는 티타늄 혹은 이들의 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 캠축.
13. 제8항에 있어서,

    파이프(1)의 단부들은, 파이프(1)의 최초 직경(D_i, da)의 확대 또는 축소에 의하여 베어링 접촉면, 구동 부재들 또는 제어 부재들 그리고 내부 나사부 또는 외부 나사부가 형성되도록 연신되는 것을 특징으로 하는 캠축.
14. 제8항에 있어서,

    구동 부재들 및 제어 부재들, 특히 체인휠 또는 기어들이 내부 고압 성형 공법에 의하여 부착되는 것을 특징으로 하는 캠축.
15. 제14항에 있어서,

    지지링(3)과 구동 부재들 및 제어 부재들에는 적어도 하나의 반경 방향으로 연장되는 홈(4)이 구비되는 것을 특징으로 하는 캠축.
16. 제14항에 있어서,

    지지링(3)과 구동 부재의 파이프(1)를 향한 면의 일측이나 양측에는 경사면이 구비되는 것을 특징으로 하는 캠축.
17. 제8항에 있어서,

    지지링(3)은 형성된 캠에 부착되기 전에 경화되는 것을 특징으로 하는 캠축.

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