KR101188289B1

KR101188289B1 - 크랭크축

Info

Publication number: KR101188289B1
Application number: KR1020040063258A
Authority: KR
Inventors: 옌셴소렌헬무쓰
Original assignee: 맨 디젤 앤드 터보 필리얼 아프 맨 디젤 앤드 터보 에스이 티스크랜드
Priority date: 2003-08-13
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2012-10-09
Also published as: DE10337246A1; CN101126410B; CN101126410A; CN1580590A; JP2005061628A; JP4445344B2; CN100381715C; DE10337246B4; KR20050016230A

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 차축 저널(axle journal)(2) 및 반경방향으로 상기 차축 저널에 오프셋되는 적어도 하나의 연결 로드 저널(connecting rod journal)(3)을 구비하는, 특히 대형 디젤엔진으로 형성되는 쇼트 스트로크 엔진(short hoisting motor)용 크랭크축(crankshaft)에 관한 것이다. 상기 차축 저널(2) 및/또는 상기 연결 로드 저널(3)은 크랭크암(crank arm)(1)의 상응하는 단차 보어(step bore)(4)에 맞물리고 수축 연결을 통해 상기 단차 보어에 고정되는 기어 연결부(gearing connection piece)(5)를 구비하고, 상기 기어 연결부는 삽입방향으로 차례대로 배열되고 상호 단차 영역(7, 8)을 가지며, 상기 영역은 설치되지 않은 냉각 상태일 때 상기 단차 보어(4)의 각각 상응하는 영역(9, 10)에 대해 반경방향 여분(excess)을 갖는다. 상기 기어 연결부(5)의 영역(7, 8)의 반경방향 여분 및/또는 형태는 상기 단차 보어(4)의 각각 상응하는 영역(9, 10)에 비해 상기 기어 연결부(5) 길이 전체에 걸쳐 압축이 대략 동일하도록 서로 맞추어짐으로써, 본 발명에 의한 크랭크축은 전달 가능한 토크(torque)를 높일 수 있다.

차축 저널, 연결 로드 저널, 쇼트 스트로크 엔진, 크랭크축, 크랭크암, 단차 보어, 기어 연결부, 토크

Description

크랭크축 {CRANKSHAFT}

도 1은 제1 실시예에 따른 본 발명의 크랭크축을 부분적으로 절단한 단면도이다.

도 2는 도 1에 따른 장치의 설치되지 않은 냉각 상태의 도면이다.

도 3은 제2 실시예에 따른 본 발명의 크랭크축을 설치되지 않은 냉각 상태로 도시한 단면도이다.

도 4는 도 3에 따른 장치의 조립된 상태의 도면이다.

도 5는 종래 기술의 부분도이다.

본 발명은 적어도 하나의 차축 저널 및 반경방향으로 차축 저널에 오프셋되는 적어도 하나의 연결 로드 저널을 구비하는, 특히 대형 디젤엔진으로 형성되는 쇼트 스트로크 엔진(short stroke engine)용 크랭크축에 관한 것으로서, 차축 저널과 연결 로드 저널은 상호 연결해주는 크랭크암으로부터 떨어져 있고, 차축 저널 및/또는 연결 로드 저널은 크랭크암의 상응하는 단차 보어에 맞물리고 수축 연결을 통해 단차 보어에 고정되는 기어 연결부를 구비하며, 기어 연결부는 삽입방향으로 차례대로 배열되고 상호 단차 영역을 갖고, 기어 연결부의 영역은 설치되지 않은 냉각 상태일 때 단차 보어(4)의 각각 상응하는 영역에 대해 반경방향 여분을 갖는다.

동종의 크랭크축은 DK-PS 122 682에 기재되어 있다. 대형 엔진의 경우 조립의 비중을 줄이기 위해서는, 모든 실린더를 통과하는 크랭크축을 소형 부품들로 구성하는게 반드시 필요하다. 이 경우, 상응하는 크랭크암과 수축 연결을 통해 연결되는 실질적으로 동일한 종류의 차축 저널과 실질적으로 상이한 연결 로드 저널이 상응하는 크랭크암에 형성되는 크랭크축 및, 차축 저널 뿐만 아니라 연결 로드 저널도 크랭크암의 상응하는 보어에서 수축되는 크랭크축은 구분된다.

쇼트 스트로크 엔진에 대해서는, 차축 저널 및 연결 로드 저널 사이의 반경방향 간격이 전체 저널 반경방향 영역 내이거나 그보다 훨씬 작다는 데서 출발할 수 있다. 그러나 기어 연결부에 배치되는 보어들 때문에 크랭크암을 너무 약화시키지 않기 위해 전술한 DK-PS 122 682에서 볼 수 있는 장치를 참고하면, 기어 연결부의 앞 뒤 영역이 상호 단차를 가지므로 앞쪽 영역이 뒤쪽 영역보다 직경이 작게 된다. 이 경우 수축 연결을 형성하는데 꼭 필요한 것으로, 각각 상응하는 보어 직경에 대한 저널의 여분은 지금까지 보어 직경의 고정된 백분율이었다. 따라서 비교적 큰 직경과 이에 상응하게 큰 여분을 갖는 기어 연결부 뒤쪽 영역은 수축 연결이 이루어진 후 크랭크암의 상응하는 영역을 확장시키므로, 도 5에 도시된 바와 같이 앞쪽 영역에서 비교적 작은 여분을 갖고 비교적 작은 직경을 구비하는 기어 연결부 앞쪽 영역 및 이러한 앞쪽 영역에 배치된 크랭크암의 보어 섹션 사이에 틈(gap)이 생길 위험이 있다. 그러므로 필요한 경우에는 전체 동력의 흐름이 기어 연결부의 뒤쪽 영역을 통해 움직일 수밖에 없다. 이것은 전달 가능한 토크를 높이는데 바람직하지 못하게 작용한다.

본 발명의 목적은 이런 문제점에서 출발하여, 잘 알려져 있는 장치들의 단점들을 방지하면서 서두에 언급한 종류의 크랭크축을 간단하고도 저렴한 방법으로 개선하여 비교적 높은 토크를 전달할 수 있게 하는데 있다.

본 발명의 목적은 첫째로 단차 보어의 각각 상응하는 영역에 비해 기어 연결부의 모든 영역이 갖는 반경방향 여분을 수치상으로 동일하게 함으로써 달성된다.

기어 연결부의 모든 영역들이 갖는 반경방향 여분이 수치상으로 동일할 때, 크랭크암은 단차 보어 전체 영역들의 벽(wall)과 함께 기어 저널(gearing journal) 전체 영역과 확실하게 맞물리고, 틈이 바람직하게도 형성되지 않는다는게 확인되었다. 본 발명에 의한 방안을 통해, 기어 연결부의 길이 전체에 걸쳐, 즉 기어 연결부 전체 영역의 영역에서 압축이 서로 동일하게 되므로, 전체적으로 비교적 큰 토크를 전달할 수 있게 된다.

기어 연결부의 모든 영역이 갖는 반경방향 여분은 재료공학적 관점에서 볼 때 가장 작은 직경을 구비하는 영역에 허용된 여분에 상응할 수 있다. 이로써 기계적인 과대 부하 및 형태의 변형 가능성은 배제된다.

그러나 모든 영역이 갖는 반경방향 여분은 재료공학적 관점에서 기어 연결부의 상이한 영역들에 허용된 여분의 중간값에 상응할 수도 있다. 전달 가능한 토크가 대단히 높을 필요가 있을 때 이러한 변형 형태는 선호될 수 있다.

본 발명의 목적은 둘째로, 차례대로 배열되는 기어 연결부 영역들의 각각 앞쪽 단부에 있는 반경방향 여분이 단차 보어의 각각 상응하는 영역의 직경이 갖는 동일한 백분율에 상응하고, 다른 영역 앞에 배열되는 모든 영역이 삽입방향에 어긋나게 앞쪽 단부에서 출발하는 원뿔(cone) 형태로 두꺼운 부분(thickening)을 구비하며, 앞쪽 직경 및 뒤쪽 직경 사이의 차이가 기어 연결부의 연속되는 영역들 앞쪽 단부에 구비되는 여분들 사이의 차이에 상응함으로써 달성된다.

이 경우, 여분에 대한 종래의 백분율 조사는 유지되는 게 바람직할 수 있다. 이로써 각 부분들의 제조 및 특히 조립이 쉬워진다. 기어 연결부 앞쪽 영역의 원뿔 형태는, 기어 연결부 뒤쪽 영역의 큰 여분 때문에 생겨난 틈이 바로 메워지고 따라서 종래에 염려되었던 틈 형성을 방지할 수 있도록 선택된다. 그러나 원추각은 비교적 작으므로, 이로써 야기되는 축방향 힘(axial force)은 무시해도 된다.

이하, 두 개의 실시예를 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 발명은 주로 대형 엔진, 특히 선박 구동 등에 활용되고 실린더 보어 직경이 크고 스트로크가 작은 2행정 대형 디젤 엔진에 적용된다. 대형 장치의 예로는, 실린더 보어 직경이 980㎜인 12실린더 대형 디젤 엔진을 들 수 있다. 이 엔진에서는 스트로크가 종래의 2400㎜에서 속도를 보다 높이기 위해 약 1200㎜로 축소된다. 이렇게 예를 든 수치는 물론 여기에만 국한되지 않는다.

도 1의 토대가 되는 크랭크축은 크랭크암(1)을 포함하는데, 크랭크암으로부터 한편으로는 차축 저널(2)이, 다른 한편으로는 차축 저널과 반대로 반경 방향으 로 오프셋되는 연결 로드 저널(3)이 떨어져 있다. 차축 저널(2) 및 연결 로드 저널(3) 사이의 반경방향 간격은 저널 직경 총계의 절반보다 작다. 도 1에는 차축 저널(2)과 연결 로드 저널(3)이 묘사되어 있다. 대형 엔진용 크랭크축의 경우, 동축으로 차례대로 배열되는 다수의 차축 저널 및 바람직한 점화 순서에 상응하게 상호 오프셋되고 축에 평행한 다수의 연결 로드 저널을 구비하는게 당연하다.

도시된 차축 저널(2)은 수축 연결을 통해 크랭크암(1)과 결합된다. 도시된 연결 로드 저널(3)은 크랭크암(1)에 형성된다. 연결 로드 저널(3)만 수축 연결을 통해 크랭크암(1)에 결합되거나, 차축 저널(2)뿐만 아니라 연결 로드 저널(3) 역시 수축 연결을 통해 크랭크암(1)에 결합되는 실시예도 물론 생각해볼 수 있다. 후자에 해당되는 실시예는 특히 대단히 무거운 부품들이 있는 대형 엔진들에서 선호될 수 있다.

수축 연결을 통해 인접한 크랭크암과 결합되는 모든 저널, 즉 차축 저널(2)은 크랭크암(1)의 상응하는 보어(4)와 맞물리고 수축 연결에 의해 크랭크암에 고정되는 기어 연결부(5)를 포함한다. 설치 시 크랭크암(1)은 가열된다. 이어서 기어 연결부(5)는 삽입방향(화살표 6으로 도시됨)으로 보어(4) 내에 삽입된다. 그 다음으로 크랭크암(1)이 냉각될 때 바람직한 수축 연결이 형성된다. 이를 위해 냉각 상태로 배치된 보어(4)에 대해 상응하는 여분이 기어 연결부(5) 영역에 구비된다.

기어 연결부(5)는 삽입방향으로 차례대로 배열되고 상호 단차를 가진 두 영역(7, 8)을 갖고, 이 두 영역은 도 1 및 도 2에 따른 실시예의 경우 원통형 원주 윤곽을 구비한다. 삽입방향으로 뒤쪽의 원통형 영역(7)은 비교적 직경이 커서, 차 축 저널(2)의 직경에 상응할 수 있다. 앞쪽 영역(8)의 직경(d)은 그에 비해 약 1/3 정도까지 축소되므로, 바람직한 단계화가 이루어진다. 보어(4)는 단차 보어로 형성되고, 단차 보어는 기어 연결부(5)의 영역들(7, 8)에 배치되고 이에 상응하게 상호 단차를 가진 영역들(9, 10)을 갖는다. 이 영역들의 직경은 D' 및/또는 d'로 표시된다.

기어 연결부(5) 뒤쪽 영역(7)의 직경(D) 및 앞쪽 영역(8)의 직경(d)은 각각 도 2에 도시된 것처럼, 설치되지 않은 상태의 냉각 크랭크암(1)에 단차 보어로 형성되는 보어(4)의 뒤쪽 영역(9) 직경(D') 및 앞쪽 영역(10) 직경(d')보다 수축 연결을 작동시키기 위해 구비된 여분(2u) 만큼 크다. 기어 연결부(5) 뒤쪽 영역(7) 및 앞쪽 영역(8)의 여분(2u)은 수치상으로 동일하다. 즉, 길이가 같다. 이로써 수축 연결을 만들 때 기어 연결부(5)의 뒤쪽 영역(7)뿐만 아니라 앞쪽 영역(8)에서도 압축이 같아지고, 비교적 작은 직경(d')을 구비하는 보어(4) 앞쪽 영역(10)은 보어(4) 뒤쪽 영역(9)에 맞물리는 기어 연결부(5) 뒤쪽 영역(7) 때문에 확장되지 않으며, 따라서 종래 기술에서 발생하는 틈 형성을 방지할 수 있음이 확인되었다.

기어 연결부(5) 뒤쪽 영역(7)뿐만 아니라 앞쪽 영역(8)에도 구비되는 여분(2u)은 재료공학적인 관점에서 비교적 작은 직경(d)을 구비하는 앞쪽 영역(8)에 허용된 여분에 상응할 수 있다. 이로써 이 영역(8)에 허용되지 않는 압축 및 이와 함께 허용되지 않는 변형도 발생하지 않는다는 사실이 확인되었다. 실제로 특히 바람직한 다른 변형예에 따르면, 여분은 재료공학적 관점에서 기어 연결부(5)의 모든 영역들(7, 8)에 허용된 여분의 중간값에 달할 수 있다.

980㎜의 직경(d') 및 1090㎜의 직경(D')을 갖는 대형 엔진의 경우, 2.6㎜의 여분(2u)을 이용하여 양호한 결과를 얻을 수 있다. 제공된 여분은 최대로 허용된 공차보다 작아서는 안되고 오히려 공차 이상이어야 바람직하다. 본 실시예의 경우, 공차는 앞쪽 영역 2.48㎜ 및/또는 뒤쪽 영역 2.58㎜이다.

도 3 및 도 4에 따른 하기에 묘사되는 장치의 기본 구조는 도 1 및 도 2에 따른 장치에 상응한다. 따라서 동일한 부분에 대해서는 간략하게 하기 위해 동일한 도면 부호를 사용하였다. 기본 구조에 관한 한 위에서 언급한 묘사와 연관된다. 하기에서는 우선 차이점들에 주목하고자 한다.

도 3 및 도 4에 따른 실시예에서 기어 연결부(5)의 뒤쪽 영역(7) 및 앞쪽 영역(8)에 각각 배치된 여분(2u_1, 2u₂)은, 크랭크암(1)에 단차 보어로 형성되는 보어(4)의 각각 상응하는 영역(9, 10)의 동일한 백분율에 각각 상응한다. 백분율은 재료에 따라 달라지고, 도면에 도시된 종류의 대형 엔진의 경우 0.1% 내지 0.13%이다. 영역들(9, 10)의 직경(D', d')이 수치상 차이가 나기 때문에, 따라서 도 4에 암시된 것처럼 기어 연결부(5) 영역(7, 8)의 초과 부분(2u_1, 2u₂)에 수치상 차이가 나게 된다.

그럼에도 불구하고 보어(4) 뒤쪽 영역(9)에 맞물리는 기어 연결부(5) 뒤쪽 영역(7)에 의해 보어(4) 앞쪽 영역(10)의 확장을 방지하기 위해, 기어 연결부(5) 앞쪽 영역(8)은 앞쪽 단부에서 출발하여 삽입방향에 어긋나게 원뿔형으로 두꺼워지는 부분을 추가로 갖는다. 앞쪽 영역(8)은 따라서 원뿔형 원주 윤곽을 갖는다. 기어 연결부(5) 영역(8)의 앞쪽 단부에 제공되는 직경(d)은, 단차 보어의 상응하는 영역(10)의 직경(d')에 여분(u₂)을 가산하여 생겨난다. 앞쪽 영역(8)을 뒤쪽 영역(7)에 연결하는 영역에 구비되는 뒤쪽 직경(d_r)은 원뿔형으로 두꺼워진 부분 때문에 앞쪽 직경(d)보다 크다. 직경(d_r, d)의 차이는 기어 연결부(5) 뒤쪽 영역(7)의 여분(u₁) 및 기어 연결부(5) 앞쪽 영역(8)의 앞쪽 단부에 구비되는 여분(u₂)의 차이에 상응한다. 그 결과 생기는 원추각(α)은 도 3에서 볼 수 있듯이 비교적 작아서, 원추형(conical form)에서 생기는 축방향 힘은 대단히 작고, 축 운동에 대해 기어 연결부(5)를 로크하기 위한 어떤 조치도 필요하지 않게 된다.

그럼에도 불구하고 기어 연결부(5) 앞쪽 영역(8)이 원뿔 형태를 갖는 것만으로도 도 4에서 드러나듯이, 수축 연결이 만들어진 후 크랭크암(1)에 단차 보어로 형성되는 보어(4) 앞쪽 영역(10)의 벽을 기어 연결부(5) 앞쪽 영역(8)의 외주에 충분히 설치할 수 있다. 토크를 전달할 때 동력의 흐름은 따라서 기어 연결부(5) 길이 전체에 분포하는 게 바람직하다.

도 3 및 도 4에 따라 도시된 실시예에서 기어 연결부(5)는 오직 두 개의 영역만을 갖는다. 즉, 원통형의 뒤쪽 영역(7)과 원뿔형의 앞쪽 영역(8)을 구비한다. 기어 연결부가 두 영역 이상을 갖는 한, 다른 영역 앞에 배열되는 모든 영역이 원뿔형으로 형성되는 게 바람직하다. 가장 뒤쪽에 있는 영역만 도시된 예에서처럼, 원통형인 게 바람직하다. 이 경우에도 원뿔형 영역의 각각 앞쪽 직경은 계산상의 여분을 가산하여 단차 보어의 각각 상응하는 영역의 직경에 상응하고, 직경이 여기 에서 출발하여 삽입 방향에 어긋나게 약간 커지는 게 중요하다. 기어 연결부(5) 가장 뒤쪽 영역의 직경은 상응하는 영역의 길이 전체에서 동일하다.

기어 연결부의 길이 전체에 걸쳐, 즉 기어 연결부 전체 영역의 영역에서 압축이 서로 동일하게 되므로 전체적으로 비교적 큰 토크를 전달할 수 있게 된다.

Claims

적어도 하나의 차축 저널(2) 및 반경방향으로 상기 차축 저널에 오프셋되는 적어도 하나의 연결 로드 저널(3)을 구비하고, 상기 차축 저널(2)과 상기 연결 로드 저널(3)은 이들을 상호 연결하는 크랭크암(1)으로부터 서로 떨어져 있고, 상기 차축 저널(2)과 상기 연결 로드 저널(3) 중 적어도 하나는 크랭크암(1)의 상응하는 단차 보어(4)와 맞물려 수축 연결을 통해 상기 단차 보어에 고정되는 기어 연결부(5)를 구비하고, 상기 기어 연결부는 삽입방향으로 차례대로 배열된 단차를 갖는 영역(7, 8)을 가지며, 상기 단차를 갖는 영역(7, 8)은 설치되지 않은 냉각 상태에서 상기 단차 보어(4)의 각각 상응하는 영역(9, 10)에 대해 반경방향으로의 여분을 구비하는, 쇼트 스트로크 엔진(short stroke engine)용 크랭크축에 있어서,

상기 기어 연결부(5)의 단차를 갖는 영역(7, 8)의 반경방향으로의 여분은 상기 단차 보어(4)의 상응하는 각각의 영역(9, 10)에 대해 수치상으로 동일한 것을 특징으로 하는, 크랭크축.
제1항에 있어서,

상기 기어 연결부(5)의 모든 영역(7, 8)에서의 반경방향으로의 여분이, 가장 작은 직경을 구비하는 상기 기어 연결부(5) 앞쪽 영역(8)에 허용되는 여분에 상응하는 것을 특징으로 하는 크랭크축.
제1항에 있어서,

상기 기어 연결부(5) 모든 영역(7, 8)에서의 반경방향으로의 여분이, 상기 기어 연결부(5) 모든 영역(7, 8)에 각각 허용된 여분의 중간값에 상응하는 것을 특징으로 하는 크랭크축.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 여분은 상기 기어 연결부(5) 영역에서 적어도 최대로 허용된 직경 공차에 상응하는 것을 특징으로 하는 크랭크축.
제4항에 있어서,

상기 여분은 상기 기어 연결부(5) 영역에서 최대로 허용된 직경 공차 이상인 것을 특징으로 하는 크랭크축.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 크랭크암(1)의 단차 보어(4) 뒤쪽 영역(9)의 직경이 1080㎜인 대형 엔진의 경우, 반경 방향 여분은 2.6㎜인 것을 특징으로 하는 크랭크축.
적어도 하나의 차축 저널(2) 및 반경방향으로 상기 차축 저널에 오프셋되는 적어도 하나의 연결 로드 저널(3)을 구비하고, 상기 차축 저널(2)과 상기 연결 로드 저널(3)은 이들을 상호 연결하는 크랭크암(1)으로부터 떨어져 있고, 상기 차축 저널(2)과 상기 연결 로드 저널(3) 중 적어도 하나는 크랭크암(1)의 상응하는 단차 보어(4)와 맞물려 수축 연결을 통해 상기 단차 보어에 고정되는 기어 연결부(5)를 구비하고, 상기 기어 연결부는 삽입방향으로 차례대로 배열된 단차를 갖는 영역(7, 8)을 가지며, 상기 단차를 갖는 영역(7, 8)은 설치되지 않은 냉각 상태에서 상기 단차 보어(4)의 각각의 상응하는 영역(9, 10)에 대해 반경방향으로의 여분을 구비하는, 쇼트 스트로크 엔진(short stroke engine)용 크랭크축에 있어서,

상기 차례대로 배열된 기어 연결부(5)의 단차를 갖는 영역(7, 8)의 각각의 앞쪽 단부에서의 반경방향으로의 여분이 상기 단차 보어(4)의 각각 상응하는 영역(9, 10)에서의 직경이 갖는 동일한 백분율에 상응하고, 상기 단차를 갖는 영역(7, 8) 중 상기 삽입방향에서 후방에 배치되는 영역(7)의 전방에 배열되는 영역(8)이 그 앞쪽 단부에서 출발하여 삽입방향에 어긋나게 커지는 원뿔 형태의 두꺼워진 부분을 구비하며, 상기 원뿔형 영역(8)의 앞쪽 직경 및 뒤쪽 직경 사이의 차이가 상기 기어 연결부(5)의 단차를 갖는 영역들(7, 8)의 앞쪽 단부에 구비되는 여분들 사이의 차이에 상응하는 것을 특징으로 하는 크랭크축.
제7항에 있어서,

상기 기어 연결부(5)의 가장 뒤쪽 영역(7)이 원통형인 것을 특징으로 하는 크랭크축.
제1항 또는 제7항에 있어서,

상기 쇼트 스트로크 엔진은 대형 디젤엔진으로 형성되는 것을 특징으로 하는 크랭크축.