KR100814162B1 - 대형 2행정 디젤 엔진용 크로스헤드 베어링 - Google Patents

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노야가드닐스헨릭
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맨 디젤 에이/에스
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Abstract

본 발명은 가요성 연결을 통해 시스템 오일을 수용하는 축 방향 보어(5)가 구비된 크로스헤드 저널(4)을 가지는 적극 치수 설계된 크로스헤드 베어링(1)에 관한 것이다. 상기 시스템 오일은 피스톤, 크로스헤드의 베어링 면 및 크랭크핀 베어링에 분배된다. 적어도 두 개의 축 방향 윤활 홈(22)들이 하부 베어링 면에 배치된다. 상기 적어도 두 개의 축 방향 윤활 홈(22)들 사이의 상기 베어링 면은 방해되거나 뒤틀리지 않는다.
크로스헤드 베어링, 디젤 엔진, 윤활, 오일 막, 적극 치수 설계

Description

대형 2행정 디젤 엔진용 크로스헤드 베어링{CROSSHEAD BEARING FOR A LARGE TWO-STROKE DIESEL ENGINE}
본 발명은 대형 2행정 디젤 엔진용 크로스헤드에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 크로스헤드의 베어링 면에 윤활 오일을 제공하는 장치에 관한 것이다.
크로스헤드는 작동 상의 신뢰성이 매우 높아야 하는 매우 중요한 고부하 엔진 부품이다. 따라서, 종래의 크로스헤드는 비교적 육중한 가동부였으며, 그 자체로 다른 엔진 부분들에 동적 부하를 부가하였다.
유럽특허번호 EP 0 199 906는 대형 2행정 디젤 엔진용 크로스헤드 베어링을 개시하고 있는데, 이는 커넥팅 로드의 상부에 연결된 윤활 라인을 통해 압력에 의해 공급되는 윤활 오일로 윤활이 이루어지도록 설계되어 있다. 커넥팅 로드의 상부 부위의 채널은 셸의 베어링 면에 형성된 윤활 포켓들 내로 개방되어 있는 베어링 셸의 공급 보어로 통한다. 윤활 포켓은 비교적 높은 압력, 예컨대 약 12 bar로 윤활 오일을 공급하는 것이 필요하다. 그러나, 대형 2행정 디젤 엔진들의 주 윤활 공급기(시스템 오일)는 단지 약 3 bar의 압력에서 작동한다. 따라서 윤활 포켓이 사용될 때에는 일반적인 윤활 공급 시스템에 추가하여 별도의 전담 고압 윤활 공급 시스템 및 펌프가 필요하다. 정지 엔진 부분에서 크로스헤드까지 고압 시스템 및 저압 시스템 양자 모두가 가요성 튜브 또는 그 유사 물질로 연결되어야 한다. 즉, 이중 튜브화에 의한 가요성 연결이 필요하다. 오일 포켓 형태의 베어링은 소극 치수 설계된다. 즉, 크로스헤드 핀은 베어링 셸의 베어링 면보다 더 작은 반경을 가진다. 그 결과로서, 베어링에 저압 또는 부압이 걸리는 연소 사이클 과정 동안 윤활 오일이 약 12 bar의 공급 압력으로 포켓으로부터 압출되게 된다. 그러나, 크로스헤드 저널 표면과 베어링 셸 표면이 서로 어긋나고, 유효 베어링 면적 중심으로부터의 소정의 반경 방향 거리에 대해, 이러한 표면들간의 간격이 너무 커서 베어링 오일 막의 형성이 허용될 수 없으므로, 마이너스 공차로 인해 유효 베어링 면적의 최대 가능 반경 방향 연장은 제한되게 된다. 실 작동(praxis)을 통해 유효 베어링 면적의 반경 방향 연장이 40˚ 보다 훨씬 더 크게 연장될 수는 없다는 것이 밝혀졌다. 윤활 포켓을 이용하는 경우의 또 다른 단점은 낮은 유속을 가지는 면적들로 인해 오염물질을 포획하는 고유한 경향성이다.
MAN B&W 디젤 MC 시리즈 선박 디젤 엔진들은 크로스헤드 베어링을 사용하는데, 이는 압력에 의해, 크로스헤드 저널 내에 배치된 중앙 축 방향 보어에 연결된 윤활 라인을 통해 공급되는 윤활 오일로 윤활이 이루어지도록 설계되어있다. 상향 반경 방향 보어는 피스톤의 냉각을 위해 피스톤에 윤활 오일을 공급하는 피스톤 로드의 공급 보어로 통한다. 하향 방향의 보어는 저널의 횡단 슬릿으로 통한다. 횡단 슬릿은 하부 베어링 셸의 베어링 면 내의 축 방향 윤활 홈을 거쳐 하부 베어링 표면으로 윤활 오일을 공급한다. 횡단 슬릿은 크랭크핀 베어링에 윤활 오일을 공급하기 위해 길이 방향으로 연장되는 공급 보어에 연결되는 하부 베어링 셸에서 대형 보어와 만난다. 크로스헤드 저널의 중앙 축 방향 보어에는 일정한 3 bar의 압력으로, 윤활 오일 시스템으로부터 단일 가요성 튜브를 거쳐 시스템 오일이 공급되며, 별도의 전용 고압 오일 공급기가 필요하지 않다. 이러한 구조의 크로스헤드 저널은 적극 치수 설계된다. 즉, 크로스헤드 저널의 반경이 베어링 셸의 베어링 면의 반경보다 크다. 이러한 설계는, 크로스헤드 저널의 원주 전체에 걸쳐 셸의 베어링 면과 저널 표면 간에 좁은 간격이 보장되기 때문에, "임베디드 아크(embedded arc)"라고도 불린다. 따라서, 유효 베어링 면적의 반경 방향 연장이 120˚까지 이루어지도록 하는 것이 가능하다.
베어링의 고부하 부분 중앙의 대형 공급 보어와 횡단 슬릿의 단점은 베어링 오일 막의 방해이다. 즉, 축 방향으로 나뉘어진 오일 막으로 인해 높은 피크 압력과 가파른 압력 경사가 나타난다.
영국특허번호 GB 1 524 757 및 영국특허번호 GB 2 020 783는 베어링 셸의 고부하 영역에 배치된 축 방향 윤활 슬릿들과 두 개의 분리된 하부 베어링 셸들을 구비한 크로스헤드 베어링을 개시하고 있다. 이러한 구조들에서는 오일 막 압력 프로파일이 단일 대형 아크(arc)가 아니라 여러 아크들의 집합이며, 따라서 동일한 부하에서 최대 오일 압력은 단일 아크 오일 막 압력 프로파일을 가지는 베어링에 비교해서 매우 더 높다.
이러한 종래 기술의 단점을 극복하기 위해, 본 발명은 베어링의 고부하 부분에 넓은 유효 베어링 표면을 가지는 크로스헤드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 본 발명의 목적은 청구항 제1항의 대형 2행정 엔진용 크로스헤드 베어링에 있어서, 상기 크로스헤드 베어링은, 커넥팅 로드와 결합된 베어링 새들과,상기 베어링 새들 내에 수용되는 단일 베어링 면을 구비한 하부 베어링 셸과, 상기 하부 베어링 셸의 베어링 면에 배치되거나 또는 상기 하부 베어링 셸을 면하는 크로스헤드 저널의 표면에 배치되는 적어도 두 개의 축 방향 윤활 홈들 또는 윤활 개구들의 축 방향 선들과, 상기 베어링 새들에 고정된 베어링 캡을 포함하고, 상기 크로스헤드 베어링은 크로스헤드 저널 주위로 회전할 수 있으며, 상기 크로스헤드 저널은, 압력 하에서 윤활유의 공급원과 통하기 위한 축 방향 보어를 구비하여 형성되고 또한 상기 축 방향 보어와 만나서 상기 베어링 캡과 연결되는 저널의 표면까지 실질적으로 축 방향 보어의 횡단 방향으로 연장되는 적어도 하나의 반경 방향 보어를 구비하여 형성되고, 작동 중인 상기 커넥팅 로드의 선회 운동 중 적어도 일정 부분동안 하부 베어링 셸의 축 방향 윤활 홈들로 연장되는 적어도 하나의 유동 경로와 통하도록 배치되어, 상기 유동 경로는 축 방향 보어로부터 축 방향 윤할 홈들까지 연장되거나 또는 상기 베어링의 전체 베어링 면에 실질적으로 인접한 또는 하부 베어링 셸 또는 하부 베어링 셸 상측의 상부 베어링 셸의 어느 한 쪽의 후측에 실질적으로 인접한 윤할 개구들의 선들까지 연장되는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 엔진용 크로스헤드 베어링에 따라 달성될 수 있다.
상기 유동 경로는 상기 베어링 캡으로부터 상기 새들로 연장되는 적어도 하나의 원주 방향 홈을 포함한다.
베어링의 고부하를 받는 부분의 베어링 면은 넓은 각도에 걸쳐 방해받지 않는다. 베어링 면에 윤활 홈들을 사용함으로써 임베디드 아크 설계가 가능해진다. 이러한 두 가지 특징의 조합에 의해 베어링의 고부하 부분에 넓은 면적에 걸친 베어링 오일 막이 가능해지게 된다. 오일 베어링 막의 최대 압력이 낮으므로, 베어링의 크기와 무게를 줄일 수 있고, 이는 다시 예컨대, 크랭크샤프트의 평균 주 베어링 압력에 대한 긍정적인 효과를 가지는 작은 단부(end)와 같은 다른 엔진 부분들에 대한 동적 부하가 더 낮아지게 한다.
바람직하게는, 반경 방향 보어는 베어링 캡 내, 또는 상부 베어링 셸 내의 원주 방향 슬릿을 향해 개방되고, 이 슬릿은 적어도 부분적으로 원주 방향 홈과 겹쳐진다. 따라서 윤활 오일은 반경 방향 보어로부터 원주 방향 홈으로 흐를 수 있 다.
새들 내에서 연장되는 원주 방향 홈 및 또 다른 원주 방향 홈의 양자 모두와 교차하는 축 방향 보어가 상기 새들에 제공될 수 있는데, 상기 새들 내의 상기 원주 방향 홈은, 축 방향 윤활 홈으로 통하고, 크랭크핀 베어링에 윤활 오일을 공급하기 위해 커넥팅 로드를 통해 연장되는 공급 보어와 교차하는 적어도 두 개의 공급 보어를 향해 개방된다.
상기한 본 발명의 목적은 청구항 제10항의 대형 2행정 엔진용 크로스헤드 베어링에 있어서, 상기 크로스헤드 베어링은, 커넥팅 로드와 결합된 베어링 새들;
상기 베어링 새들에 수용되는 단일 베어링 면을 구비한 하부 베어링 셸; 및
상기 베어링 새들에 고정된 베어링 캡을 포함하고, 상기 베어링은 크로스헤드 저널 주위로 회전할 수 있으며, 상기 저널은, 압력 하에서 윤활유의 공급원과 통하기 위한 축 방향 보어; 및 상기 축 방향 보어와 만나서 상기 하부 베어링 셸과 연결되는 상기 저널의 표면까지 실질적으로 축 방향 보어의 횡단 방향으로 연장되는 두개의 반경 방향 보어들을 구비하여 형성되고, 작동 중인 상기 커넥팅 로드의 선회 운동 중 적어도 일정 동안 하부 베어링 셸 내의 두개의 원주 방향으로 연장되는 보어 열(row of bores)들 또는 상기 하부 베어링 셸 또는 상기 크로스헤드 저널 중 어느 한쪽에 배치된 두개의 원주 방향 슬릿들과 통하도록 배치되고, 상기 원주방향 슬릿들은 상기 하부 베어링 셸의 최하부 외측에 위치하고 또한 상기 하부 베어링 셸의 베어링 면 또는 상기 하부 베어링 셸을 면하는 상기 크로스헤드 저널의 표면에 배치된 두 개의 축 방향 윤활 홈들과 교차하며 상기 축 방향 윤할 홈들은 상기 하부 베어링 셸의 최하부에서 서로 반경 방향으로 간격 진 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤 엔진용 크로스헤드 베어링에 의하여서도 달성될 수 있다.
상기 효과는 제1항에 따른 크로스헤드 베어링에 대해 설명한 것과 실질적으로 같다. 베어링의 고부하 부위의 베어링 면은 넓은 각도에 걸쳐 방해를 받지 않는다. 베어링 면에 윤활 홈을 사용함으로써 임베디드 아크 설계가 가능해진다. 이러한 두 가지 특징의 조합에 의해 베어링의 고부하 부위에 넓은 면적이 베어링 오일 막을 가지게 된다. 오일 베어링 막의 최대 압력이 낮으므로, 베어링의 크기와 무게를 줄일 수 있고, 이를 통해 다시 다른 엔진 부분에 대한 동적 부하를 낮출 수 있게 된다.
바람직하게는, 상기 새들 내에서 연장되는 축 방향 중앙 원주 방향 홈은 상기 원주 방향 슬릿들 아래에 배치되고, 상기 축 방향 중앙 원주 방향 홈은 크랭크핀 베어링에 윤활 오일을 공급하기 위해 상기 커넥팅 로드를 통하여 길이 방향으로 연장되는 공급 보어와 교차한다.
본 발명에 따른 크로스헤드의 다른 목적들, 특징들, 이점들 및 성질들은 도면을 참조하여 이하의 실시예들에 의해 더욱 명확해질 것이다.
실시예 1에 따른 대형 2행정 디젤 엔진용 크로스헤드 베어링(1)이 도 1에 설명되어 있다. 피스톤 로드(2)는 수압으로 죄어지는 스터드에 의해, 그 축 방향 단부가 폐쇄된 축 방향 보어(5)가 구비되어 있는 크로스헤드 저널(4)에 결합된다. 피스톤 로드(2)를 위한 각진 컷아웃(cut-out)을 구비한 한 덩어리의 크로스헤드 베어링 캡(6)은 수압 잭에 의해 죄어지는 스터드(8) 및 너트(9)에 의해 커넥팅 로드(7)에 고정된다. 베어링 캡(6)에는 내부 베어링 면이 예컨대, 화이트 메탈로 라이닝된 박벽(thin walled) 강철 상부 베어링 셸(10)이 구비된다. 커넥팅 로드(7)에는 내부 베어링 면이 예컨대 화이트 메탈로 라이닝된 박벽 하부 베어링 셸(12)을 지지하는 일부품(one-part) 새들(11)이 구비된다. 새들(11)의 하부 베어링 셸(12)은 일부품 구성요소로서 효과적으로 기능하지만, 둘 이상의 밀착 적층 부품들로 구성되어 연속적인 베어링 면, 즉 셸을 형성하는 부품들 간의 천이가 빈틈없이, 그리고 고르게 이루어지는 베어링 면을 형성하는 것도 무방하다. 새들(11) 및 베어링 캡(6)은 함께 크로스헤드 베어링 하우징을 형성한다. 하부 베어링 셸(12)의 베어링 면은 상부 베어링 셸(10)의 베어링 면과 함께 크로스헤드 저널(4)이 수용되는 베어링 보어를 형성한다. 베어링은 적극 치수 설계된다. 다시 말하면, 크로스헤드 저널(4)의 반지름이 베어링 셸의 반지름보다 더 크게 설계됨으로써, 저널 표면과 상기 셸의 베어링 면은 전체 베어링 주위를 따라 베어링 오일 막의 형성을 위해 서로 충분히 밀착되게 된다. 이 설계는 또한 임베디드 아크(embedded arc)라고도 불린다.
크로스헤드는 단조 강으로 만들어지고, 그 가동 표면이 화이트 메탈로 라이닝된 주조 강 가이드 슈(guide shoe, 미도시)들이 구비된다. 신축식 튜브(미도시)는 실린더 프레임의 시스템 오일 라인(미도시)으로부터 크로스헤드로, 그리고 신축식 파이프로부터의 오일 유입을 위한 브라켓(미도시)으로 연장되며 상기 가이드 슈들 중 하나에 장착된다.
크로스헤드 저널(4) 내의 축 방향 보어(5)는, 도 2에 도시된 것처럼, 반경 방향 보어(28), 미도시된 홈들 및 크로스헤더의 보어들을 통해서 신축식 튜브로 연결되며, 따라서 엔진 윤활 시스템(시스템 오일)으로부터 약 3 bar의 비교적 낮은 압력으로 윤활 오일을 공급받는다. 그러나 윤활 시스템과 축 방향 보어(5)의 연결이 신축식 튜브로 이루어질 필요는 없다. 예컨대 당해 분야에서 공지된 힌지 튜브 및/또는 가요성 튜브를 사용하는 것도 가능하다. 추가 반경 방향 보어(29)들은 가이드 슈에 윤활 오일을 공급한다.
윤활 오일은 피스톤(미도시)의 냉각을 위해 축 방향 보어(5)로부터 상향 반경 방향 보어(13)를 통하여 중공(hollow) 피스톤 로드(2) 내로 흘러 피스톤까지 흐른다. 피스톤으로부터 피스톤 로드(2)를 통해 되돌아오는 오일은 두 개의 상향 보어(14)들에 수용되어 집유공(sump)으로 들어간다.
네 개의 반경 방향 보어(15)들은, 두 개는 상향 보어(14)의 각 측부에 위치하여, 축 방향 보어(5)를 베어링 캡과 결합된 크로스헤드 저널(4)의 표면으로 연장시킨다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상부 베어링 셸(10)의 축 방향으로 간격을 둔 두 개의 원주 방향 홈(16)들이 반경 방향 보어(15)들의 개구들의 맞은 편에 배치되어 반경 방향 보어의 개구로부터 배출되는 윤활 오일을 수용한다. 한 원주 방향 홈(16)은 상부 베어링 셸(10) 내에, 상향 반경 방향 보어(13)의 각 측부에 마련된다. 원주 방향 홈(16)들은 상부 베어링 셸(10)의 전 범위(complete span)에 걸쳐 연장된다. 원주 방향 홈(16)의 중앙 부분은 베어링 셸에 관통 구멍을 형성할 정도로 깊지만, 원주 방향 홈(16)의 단부(extremity)는 얕고 상부 베어링 셸(12)의 베어링 면에 형성된 축 방향 윤활 홈(17)에 이른다. 베어링 캡(6)과 새들(11)에는 원주 방향 홈(16)들의 뒤에 배치되는, 축 방향으로 간격을 둔 두 개의 원주 방향 홈(18)들이 형성된다(도 4 및 도 5). 윤활 오일은 원주 방향 홈(16)의 중앙 부분을 통하여 각 원주 방향 홈(18)으로 흐른다. 상부 베어링 셸을 생략하는 것도 가능하다. 상부 베어링 캡의 표면은 이 경우에 상부 베어링 면의 역할을 하며, 윤활 오일은 반경 방향 보어(15)로부터 곧바로 원주 방향 홈(18)으로 흐른다.
원주 방향 홈(18)은 베어링 캡(6) 전체에 걸쳐 있으며, 원주 방향 홈의 단부는 새들(11)로 연장된다. 새들(11) 내의 원주 방향 홈(18) 단부는 새들(11) 내로 삽입된 축 방향 보어(19)와 교차한다.
축 방향 보어(19)는 축 방향으로 간격을 둔 두 개의 원주 방향 홈(18)들의 단부들을 전체 새들(11)에 걸치는 축 방향 중앙 원주 방향 홈(20)에 연결한다. 축 방향 보어(19)들을 베어링 캡(6) 내에 위치시키는 것도 가능하다. 그러면, 축 방향으로 간격을 둔 원주 방향 홈(18)들은 새들(11) 내로 연장될 필요가 없다. 축 방향 중앙 원주 방향 홈(20)은 그 대신, 베어링 캡(6) 내로 연장되어 축 방향 보어(19)들과 연결된다. 선택적으로, 축 방향 보어(19)들은 축 방향으로 간격을 둔 상기 원주 방향 홈(18)들과 상기 축 방향 중앙 원주 방향 홈(20)의 사이에서 경사지게 연장되어 다소의 원주 간격을 연결하고, 이를 통해 이러한 홈들(미도시) 중 어느 쪽의 길이를 줄일 수 있다.
축 방향 중앙 원주 방향 홈(20)은 하부 베어링 셸(12)의 베어링 면에 배치된 축 방향 윤활 홈(22)들로 이어지는 하부 베어링 셸(12)의 공급 보어(21)(도3)를 향해 개방된다. 바람직하게는, 도시된 것처럼 두 개의 축 방향 윤활 홈(22)들이 존재하지만, 상황에 따라 그 이상, 예컨대 4개가 존재할 수도 있다. 축 방향 보어(19)들로부터 축 방향 중앙 원주 방향 홈(20)으로 흐르는 윤활 오일 중 소량은 공급 보어(21)를 통하여 축 방향 윤활 홈(22)으로 들어간다. 축 방향 윤활 홈(22)의 대부분의 오일은 압력에 의해 그 단부로부터 압출되어 집유공(미도시)에 수용된다. 축 방향 윤활 홈(22)을 통하여 흐르는 윤활 오일의 일부는 횡단 방향으로 압출되어 크로스헤드 저널(4)을 지지하는 오일 막의 형성을 돕고, 저널 표면과 하부 베어링 셸(12)의 베어링 면 간의 임의의 직접적인 접촉을 실질적으로 방지하며 윤활을 제공한다.
축 방향 보어(19)로부터 축 방향 중앙 원주 방향 홈(20)으로 흐르는 윤활 오일의 대부분은 공급 보어(21)로 들어가지 않고, 그 대신, 새들(11)의 중심에서 반경 방향 홈(20)과 교차하고 크랭크핀 베어링(미도시)에 윤활 오일을 공급하기 위해 커넥팅 로드(7)를 통하여 길이 방향으로 연장되는 대형 공급 보어(23)로 더 흘러간다.
모든 실시예들에 있어, 축 방향 윤활 홈(22)들은 하부 베어링 셸(12)의 후측이나 새들(11) 내에서 그 아래에 축 방향 공급 채널을 구비한 베어링 면의 개구 열(row of openings)(미도시)로 대체될 수 있다.
따라서, 축 방향 보어(5)의 개구로부터 축 방향 윤활 홈(22) 또는 윤활 개구들의 축 방향 선으로 흐르는 유동 경로는 베어링 면이나 베어링 셸들 중 어느 하나의 후측을 따라서 인접하게 연장되는 실질적으로 모든 경로가 된다. 새들 내에 채널(19)이 형성되어있지만, 이 부분의 유동 경로는 베어링 셸의 후측에 실질적으로 인접한 것으로 간주된다.
도 6은 실시예 1에 따른 크로스헤드 베어링 내 베어링 오일 막의 반경 방향 압력 분포로서, 넓은 기부와 최대 진폭이 비교적 낮은 단일 피크를 보여주고 있고, 도 8은 윤활 포켓을 가지는 종래 구조의 반경 방향 압력 분포로서, 좁은 기부와 현저하게 높은 최대 진폭을 보여주고 있다.
도 7은 베어링 오일 막의 축 방향 압력 분포로서, 넓은 기부와 최대 진폭이 비교적 낮은 단일 피크를 보여주고 있고, 도 9는 크로스헤드 저널 내에 횡단 슬릿을 가지는 종래 구조의 반경 방향 압력 분포로서, 최대 진폭이 현저히 더 높은 두 개의 분리된 피크를 보여주고 있다.
도 1 및 도 3에 나타난 것처럼, 고부하 베어링 부분의 가장자리 영역에 축 방향 윤활 홈들(22)이 배치되어 있다. 축 방향 윤활 홈들(22)의 각 거리는 120˚까지 될 수 있다. 결과적으로, 크로스헤드 베어링은, 베어링의 소극 치수 설계(negative dimensioning)로 인해 윤활 포켓을 가지는 크로스헤드 베어링으로 가능한 것보다 현저히 더 큰 유효 베어링 면적을 베어링 고부하 부분에 가지게 된다. 상기 소극 치수 설계는 베어링의 고부하 부분에서 베어링 오일 막의 최대 반경 방향 연장을 약 40˚로 제한한다.
도 10은 크로스헤드 베어링(1)에 대한 실시예 2를 보여주고 있다. 피스톤 로드(2)는 수압으로 죄어지는 스터드(미도시)에 의해, 축 방향 보어를 구비한 크로스헤드 저널(4)에 결합된다. 피스톤 로드(2)를 위한 각진 컷아웃을 구비한 한 덩어리의 크로스헤드 베어링 캡(6)은 수압 잭에 의해 죄어지는 스터드 및 너트(9)에 의해 커넥팅 로드(7)에 고정된다. 베어링 캡(6)에는 내부 베어링 면이 화이트 메탈로 라이닝된 박벽(thin walled) 강철 상부 베어링 셸(10)이 구비된다. 커넥팅 로드(7)에는 내부 베어링 면이 화이트 메탈로 라이닝된 박벽 하부 베어링 셸(12)을 지지하는 일부품 새들(11)이 구비된다. 새들(11)의 하부 베어링 셸(12)은 일부품 구성요소로서 효과적으로 기능하지만, 둘 이상의 밀착 적층 부품들로 형성되어 연속적인 베어링 면, 즉 셸을 형성하는 부품들 간의 천이가 빈틈없이, 그리고 고르게 이루어지는 베어링 면을 형성하는 것도 무방하다. 상기 새들(11) 및 상기 베어링 캡(6)은 함께 크로스헤드 베어링 하우징을 형성한다. 하부 베어링 셸(12)의 베어링 면은 상부 베어링 셸(10)의 베어링 면과 함께 크로스헤드 저널(4)이 수용되는 베어링 보어를 형성한다. 베어링은 적극 치수 설계된다. 다시 말하면, 크로스헤드 저널(4)의 반지름이 베어링 셸의 반지름보다 더 크게 설계됨으로써, 저널 표면과 상기 셸의 베어링 면은 전체 베어링 주위를 따라 베어링 오일 막의 형성을 위해 서로 충분히 밀착되게 된다. 이 설계는 또한 임베디드 아크(embedded arc)라고도 불린다.
크로스헤드는 단조 강으로 만들어지고, 그 가동 표면이 화이트 메탈로 라이닝된 주조 강 가이드 슈(guide shoe, 미도시)들이 구비된다. 신축식 튜브(미도시)는 실린더 프레임의 시스템 오일 라인(미도시)으로부터 크로스헤드로, 그리고 신축식 파이프로부터의 오일 유입을 위한 브라켓(미도시)으로 연장되며 상기 가이드 슈들 중 하나에 장착된다.
크로스헤드 저널(4) 내의 축 방향 보어(5)는, 도 11에 도시된 것처럼, 반경 방향 보어(28), 미도시된 홈들 및 크로스헤더의 보어들을 통해서 신축식 튜브로 연결되며, 따라서 엔진 윤활 시스템(시스템 오일)으로부터 약 3 bar의 비교적 낮은 압력으로 윤활 오일을 공급받는다. 그러나 윤활 시스템과 축 방향 보어(5)의 연결이 신축식 튜브로 이루어질 필요는 없다. 예컨대 당해 분야에서 공지된 힌지 튜브 및/또는 가요성 튜브를 사용하는 것도 가능하다. 추가 반경 방향 보어(29)들은 가이드 슈에 윤활 오일을 공급한다.
윤활 오일은 피스톤(미도시)의 냉각을 위해 축 방향 보어(5)로부터 상향 반경 방향 보어(13)를 통하여 중공(hollow) 피스톤 로드(2) 내로 흘러 피스톤까지 흐른다. 피스톤으로부터 피스톤 로드(2)를 통해 되돌아오는 오일은 두 개의 상향 보어(14)들에 수용된다. 상기 오일은 상기 상향 보어(14)로부터 집유공(미도시)으로 들어간다.
두 개의 대각선 하향 반경 방향 보어(24)들이 축 방향 보어(5)로부터 하부 베어링 셸(12)과 결합된 크로스헤드 저널(4)의 표면으로 연장된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 두 개의 - 축 방향 중앙 - 원주 방향 슬릿(25)들이 하부 베어링 셸(12)의 베어링 면에 배치되는데, 반경 방향 보어(24)들 각각의 개구의 맞은 편에 배치되어 개구로부터 배출되는 윤활 오일을 수용한다. 원주 방향 슬릿(25)은 하부 베어링 셸(12)의 상부 가장자리로부터 두 축 방향 윤활 홈(22)들 각각을 향해 아래로 연장된다. 윤활 오일의 일부는 원주 방향 슬릿(25)을 통해 축 방향 윤활 홈(22)으로 흐른다. 선택적으로, 원주 방향 슬릿(25)은 새들(11) 내에서 하부 베어링 셸의 바로 아래에 위치할 수 있는데, 상기 하부 베어링 셸에는 새들(11) 내의 원주 방향 슬릿(25)을 대각선 하향 반경 방향 보어(24)에 연결하는 구멍(미도시)이 구비될 수 있다.
반경 방향 보어(24)로부터 반경 방향 슬릿(25)으로 흐르는 윤활 오일 중 소량은 축 방향 윤활 홈(22)으로 들어간다. 축 방향 윤활 홈(22) 내의 오일의 대부분은 그 단부로부터 압출되어 집유공(미도시)에 수용된다. 축 방향 윤활 홈(22)을 통해 흐르는 윤활 오일 일부는 횡단 방향으로 압출되어 크로스헤드 저널(4)을 지지하는 오일 막을 형성하는 것을 돕고, 저널 표면과 하부 베어링 셸(12)의 베어링 면 사이의 임의의 직접적인 접촉을 실질적으로 방지하며, 윤활을 제공한다. 바람직하게는, 도시된 것처럼 두 개의 축 방향 윤활 홈(22)이 존재하지만, 상황에 따라 그 이상, 예컨대 4개가 존재하고, 두 개의 축 방향 윤활 홈들은 원주 방향 슬릿들(25)과 각각 교차할 수도 있다.
도 13 및 도 14에 도시된 것처럼, 새들(11)에는 새들(11) 전체에 걸쳐 축 방향 중앙 원주 방향 홈(26)이 마련된다. 축 방향 중앙 원주 방향 홈(26)은 두께가 일정하지 않으며 원주 방향 슬릿(25)의 아래에 배치된다. 축 방향 중앙 원주 방향 홈(26)은 원주 방향 슬릿(25)을 향해 개방된 부분이 반경 방향 중앙 부분보다 더 넓다. 반경 방향 보어(24)로부터 원주 방향 슬릿(25)으로 흐르는 윤활 오일의 대부분은 축 방향 윤활 홈(22)으로 들어가지 않고, 대신, 축 방향 중앙 원주 방향 홈(26)을 거쳐 반경 방향 홈(26)의 중앙 부분을 교차하고, 크랭크 핀 베어링에 윤활유를 공급하기 위해 커넥팅 로드(7)를 통하여 길이 방향으로 연장되는 대형 공급 보어(23)로 흐른다.
실시예 2에 따른 베어링 오일 막의 압력 분포 프로파일은 도 6 및 도 8에서 설명된 실시예 1의 그것과 실질적으로 동일하다. 실시예 2에서 베어링 오일 막이 반경 방향으로 연장될 수 있는 것도 역시 120˚까지이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실시예 3을 설명하고 있다. 실시예 3은, 실시예 1에, 슬릿(16)들을 경유하여 베어링 캡(6) 내의 축 방향으로 간격을 둔 원주 방향 홈(18)들로 윤활 오일을 보내는 크로스헤드 저널 내의 상향 채널(15)들이 구비된 것과 같다. 상기 축 방향으로 간격을 둔 원주 방향 홈(18)들은 새들(11)내에서 대각선으로 배치된 두 홈(20')들과 - 도시된 바와 같이 새들 내에서, 또는 베어링 캡 내에서 - 교차한다. 상기 홈(20')들은 새들의 중심에서 대형 공급 보어(23)와 교차한다. 상기 대각선 홈(20')들은 하부 베어링 면에 윤활유를 공급하기 위해 각 축 방향 윤활 홈(22) 내의 축 방향으로 간격을 둔 두 공급 보어(21)들을 향해 개방된다.
또 다른 실시예(미도시)에 따르면, 축 방향 윤활 홈(22)들은 크로스헤드 저널(4) 내에 위치할 수도 있다. 상기 저널 내의 상기 축 방향 윤활 홈(22)들은 반경 방향 보어(24)의 개구로부터 베어링 면을 따라 크로스헤드 저널(4) 내의 축 방향 윤활 홈(22)으로 연장되는 원주 방향 홈을 경유하여 공급될 수 있다. 상기 원주 방향 홈은 저널 표면에 또는 하부 베어링 셸의 표면에 수용될 수 있다.
상기 설명된 모든 실시예들에서, 축 방향 윤활 홈(22)들은 하부 베어링 셸(12) 내에 간격을 두고 배치된 윤활 개구 열(row of spaced lubrication openings)(미도시)로 대체될 수 있다. 베어링 셸(미도시)의 배면의 축 방향 홈이 상기 개구 열에 윤활 오일을 공급하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명은 적극 치수 설계된(positively dimensioned) 베어링에서 가장 유리한 것으로 보이지만, 소극 치수 설계된 베어링에도 사용될 수 있다.
설명을 위해 본 발명을 상세히 설명하였지만, 그러한 상세한 설명은 설명의 목적으로만 이해되어야 하며, 본 기술 분야의 숙련자들에 의해 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경이 가능하다는 것도 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 크로스헤드의 실시예 1에 대한 절단 사시도.
도 2는 도 1의 크로스헤드 저널에 대한 상세 투영도 및 절개도.
도 3은 상부 및 하부 베어링 셸에 대한 상세 절개 사시도.
도 4는 베어링 캡 및 새들(saddle)의 상세 절개도.
도 5는 새들의 공급 보어(bore) 및 홈(groove)을 설명하기 위해 크로스헤드 저널과 베어링 셸을 제거한 크로스헤드의 사시도.
도 6은 실시예 1에 따른 크로스헤드 베어링의 오일 막 횡단 압력 분포를 보여주는 도면.
도 7은 실시예 1에 따른 크로스헤드 베어링의 오일 막 축 방향 압력 분포를 보여주는 도면.
도 8은 오일 포켓을 사용하는 종래 크로스헤드 베어링의 오일 막 횡단 압력 분포를 보여주는 도면.
도 9는 크로스헤드 저널에 횡단 슬릿을 사용하는 종래 크로스헤드 베어링의 오일 막 축 방향 압력 분포를 보여주는 도면.
도 10은 본 발명에 따른 크로스헤드의 실시예 2에 대한 절단 사시도.
도 11은 도 10의 크로스헤드 저널의 상세 절개도.
도 12는 상부 및 하부 베어링 셸의 상세 사시도.
도 13은 베어링 캡 및 새들의 상세 절개도.
도14는 새들의 공급 보어 및 홈을 설명하기 위해 크로스헤드 저널과 베어링 셸을 제거한 크로스헤드의 사시도.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실시예 3을 설명하는 도면.

Claims (13)

  1. 대형 2행정 엔진용 크로스헤드 베어링(1)에 있어서,
    상기 크로스헤드 베어링(1)은,
    커넥팅 로드(7)와 결합된 베어링 새들(11)과,
    상기 베어링 새들(11) 내에 수용되는 단일 베어링 면을 구비한 하부 베어링 셸(12)과,
    상기 하부 베어링 셸(12)의 베어링 면에 배치되거나 또는 상기 하부 베어링 셸(12)을 면하는 크로스헤드 저널(4)의 표면에 배치되는 적어도 두 개의 축 방향 윤활 홈(22)들 또는 윤활 개구들의 축 방향 선들과,
    상기 베어링 새들(11)에 고정된 베어링 캡(6)을 포함하고,
    상기 크로스헤드 베어링(1)은 크로스헤드 저널(4) 주위로 회전할 수 있으며,
    상기 크로스헤드 저널(4)은,
    압력 하에서 윤활유의 공급원과 통하기 위한 축 방향 보어(5)를 구비하여 형성되고 또한 상기 축 방향 보어(5)와 만나서 상기 베어링 캡(6)과 연결되는 저널의 표면까지 실질적으로 축 방향 보어의 횡단 방향으로 연장되는 적어도 하나의 반경 방향 보어(15)를 구비하여 형성되고, 작동 중인 상기 커넥팅 로드(7)의 선회 운동 중 적어도 일정 부분동안 하부 베어링 셸(12)의 축 방향 윤활 홈(22)들로 연장되는 적어도 하나의 유동 경로(16, 18, 19, 20, 20', 21)와 통하도록 배치되어,
    상기 유동 경로(16, 18, 19, 20, 20', 21)는 축 방향 보어(5)로부터 축 방향 윤할 홈(22)들까지 연장되거나 또는 상기 베어링(1)의 전체 베어링 면에 실질적으로 인접한 또는 하부 베어링 셸(12) 또는 하부 베어링 셸 상측의 상부 베어링 셸(10)의 어느 한 쪽의 후측에 실질적으로 인접한 윤할 개구들의 선들까지 연장되는 것을 특징으로 하는 대형 2행정 엔진용 크로스헤드 베어링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유동 경로(16, 18, 19, 20, 20', 21)는 상기 베어링 캡(6)으로부터 상기 새들(11)로 연장되는 적어도 하나의 원주 방향 홈(18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 크로스헤드 베어링.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반경 방향 보어(15)는 상기 원주 방향 홈(18) 내로 개방된 것을 특징으로 하는 크로스헤드 베어링.
  4. 제2항에 있어서,
    분할된 베어링 면을 구비한 상부 베어링 셸(10)이 상기 베어링 캡(6) 내에 수용되고, 상기 반경 방향 보어(15)는 상기 상부 베어링 셸(10)의 원주 방향 슬릿(16)을 향해 개방되며, 상기 원주 방향 슬릿(16)은 상기 원주 방향 홈(18)과 적어도 부분적으로 겹쳐지는 것을 특징으로 하는 크로스헤드 베어링.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 새들(11) 또는 상기 하부 베어링 셸(12)의 후측에는, 각 대각선 홈(18)을 중앙 보어(23)에 연결하고 상기 축 방향 윤활 홈(22)들 또는 윤활 개구들의 축 방향 선들에 공급하는, 대각선 방향으로 배치된 두 개의 홈(20')들이 구비되는 것을 특징으로 하는 크로스헤드 베어링.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 베어링 캡(6) 또는 상기 새들(11) 중 어느 한쪽에는, 상기 새들(11) 또는 상기 하부 베어링 셸(12)의 후측에서 상기 베어링 캡(6) 내로까지 연장되는 축 방향 중앙 원주 방향 홈(20) 및 원주 방향 홈(18)과 모두 교차하는, 축 방향을 가지는 적어도 하나의 축 방향 보어(19)가 구비되고,
    상기 축 방향 중앙 원주 방향 홈(20)은, 축 방향 윤활 홈(22)들 또는 윤활 개구들의 축 방향 선들로 통하며 크랭크핀 베어링에 윤활 오일을 공급하기 위해 상기 커넥팅 로드(7)를 관통하여 연장되는 공급 보어(23)와 교차하는 적어도 두 개의 공급 보어(21)를 향해 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 크로스헤드 베어링.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 베어링은 적극 치수 설계되는(positively dimensioned) 것을 특징으로 하는 크로스헤드 베어링.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 베어링은 소극 치수 설계되는(negatively dimensioned) 것을 특징으로 하는 크로스헤드 베어링.
  9. 제6항에 있어서,
    채널(19)이 상기 원주 방향 홈(18)들로부터 상기 축 방향 중앙 원주 방향 홈(20)으로 경사각을 가지며 연장되는 것을 특징으로 하는 크로스헤드 베어링.
  10. 대형 2행정 엔진용 크로스헤드 베어링(1)에 있어서,
    상기 크로스헤드 베어링(1)은,
    커넥팅 로드(7)와 결합된 베어링 새들(11);
    상기 베어링 새들(11)에 수용되는 단일 베어링 면을 구비한 하부 베어링 셸(12); 및
    상기 베어링 새들(11)에 고정된 베어링 캡(6)을 포함하고,
    상기 베어링(1)은 크로스헤드 저널(4) 주위로 회전할 수 있으며,
    상기 저널(4)은, 압력 하에서 윤활유의 공급원과 통하기 위한 축 방향 보어(5); 및 상기 축 방향 보어(5)와 만나서 상기 하부 베어링 셸(12)과 연결되는 상기 저널(4)의 표면까지 실질적으로 축 방향 보어의 횡단 방향으로 연장되는 두개의 반경 방향 보어(24)들을 구비하여 형성되고, 작동 중인 상기 커넥팅 로드(7)의 선회 운동 중 적어도 일정 동안 하부 베어링 셸(12) 내의 두개의 원주 방향으로 연장되는 보어 열(row of bores)들 또는 상기 하부 베어링 셸(12) 또는 상기 크로스헤드 저널(4) 중 어느 한쪽에 배치된 두개의 원주 방향 슬릿(25)들과 통하도록 배치되고, 상기 원주방향 슬릿(25)들은 상기 하부 베어링 셸(12)의 최하부 외측에 위치하고 또한 상기 하부 베어링 셸(12)의 베어링 면 또는 상기 하부 베어링 셸(12)을 면하는 상기 크로스헤드 저널(4)의 표면에 배치된 두개의 축 방향 윤활 홈(22)들과 교차하며 상기 축 방향 윤할 홈(22)들은 상기 하부 베어링 셸의 최하부에서 서로 반경방향으로 간격진 것을 특징으로 하는 대형 2행정 디젤 엔진용 크로스헤드 베어링.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 새들(11) 내에서 연장되는 축 방향 중앙 원주 방향 홈(26)은, 상기 원주 방향 슬릿(25)들 아래에 배치되고, 크랭크핀 베어링에 윤활 오일을 공급하기 위해, 상기 커넥팅 로드(7)를 통하여 길이 방향으로 연장되는 공급 보어(23)와 교차하는 것을 특징으로 하는 크로스헤드 베어링.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 베어링은 적극 치수 설계되는 것을 특징으로 하는 크로스헤드 베어링.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 베어링은 소극 치수 설계되는 것을 특징으로 하는 크로스헤드 베어링.
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