KR101518928B1 - 전자기 시스템을 이용한 듀얼 구름 베어링 작동 2단 가변 밸브 리프트 장치 - Google Patents

전자기 시스템을 이용한 듀얼 구름 베어링 작동 2단 가변 밸브 리프트 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2단 가변 밸브 리프트 장치에 있어서 종래의 복잡한 캠 팔로워의 구조를 근본적으로 변경함으로써 연비 개선, 빠르고 정확한 밸브 리프트 전환 제어 구현, 중량 및 원가 절감, 그리고 밸브 동특성 및 내구성 개선을 달성하기 위한 것으로, 로우캠과 하이캠을 포함하는 적어도 하나 이상의 캠 로우브가 그 외주면에 형성되어 있는 캠축 및 캠축의 회전에 의하여 밸브를 로우 리프트 또는 하이 리프트로 개폐하는 캠 팔로워를 포함하는 가변 밸브 리프트 장치에 있어서, 캠 팔로워는, 캠 로우브와 접촉하며 캠축의 회전에 의하여 그 일측을 기준으로 피벗 운동을 하며 밸브를 개폐시키도록 된 밸브 리프트 몸체와, 밸브 리프트 몸체에 고정 설치되는 베어링 샤프트와, 베어링 샤프트 상에 회전 가능하도록 설치되고 베어링 샤프트 상에서 축 방향으로 이동하며 로우캠과 하이캠 중 하나에 선택적으로 접촉되는 적어도 하나 이상의 구름 베어링을 포함하는 가변 밸브 리프트 장치가 개시된다.

Description

전자기 시스템을 이용한 듀얼 구름 베어링 작동 2단 가변 밸브 리프트 장치 {2-Step Variable Valve Lift Apparatus Actuated by Dual Roller Bearings Using Electromagnetic System}
본 발명은 가변 밸브 리프트 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 연비 개선, 빠르고 정확한 밸브 리프트 전환 제어 구현, 중량 및 원가 절감, 그리고 밸브 동특성 및 내구성 개선을 달성할 수 있는 가변 밸브 리프트 장치에 관한 것이다.
일반적으로 가변 밸브 리프트 기술은 엔진의 운전 조건에 따라 밸브 리프트의 크기를 전환함으로써 주행 성능 및 연비를 개선하기 위해 연구되고 있다.
도1은 종래 기술에 의한 가변 밸브 리프트 장치의 구조 및 작동 원리를 나타낸 도면이다.
도1 (a)는 종래 가변 밸브 리프트 장치의 캠 팔로워의 사시도이다.
도1 (b)는 종래 가변 밸브 리프트 장치의 작동 원리를 설명하기 위한 단면도이다.
도1 (a) 및 (b)를 참조하면, 캠 팔로워는 로스트 레버(1), 록핀(2, lock-pin), 이너 암(3), 그리고 로스트 모션 스프링(4)를 포함하여 구성된다.
상기 로스트 레버(1)는 로스트 레버 패드(6)를 포함하며, 하이캠의 회전 구동력에 의해 운동하고 상기 이너 암(3)의 외부에 설치되며 상기 힌지핀(5)에 의해 상기 이너 암(3)과 연결되는, 캠 팔로워의 외부 몸체이다.
상기 이너 암(3)은 베어링 샤프트(도시되지 않음), 롤러(7), 그리고 힌지핀(5)을 포함하여 구성되며, 내부에는 유압간극조절기(8)에 의해 전진될 수 있는 상기 록핀(2)이 설치되어 있고, 상기 로스트 레버(1) 내부에 설치되는. 캠 팔로워의 내부 몸체이다.
상기 로스트 모션 스프링(4)은 상기 로스트 레버(1)와 상기 이너 암(3) 각각의 고정부에 고정 설치되며 상기 로스트 레버(1)를 상기 이너 암(3)에 대한 상대 운동 후에 제자리로 복원시키는 역할을 한다.
이하, 종래 가변 밸브 리프트 장치의 로우 리프트 또는 하이 리프트 작동 원리를 상세히 설명한다.
가변 밸브 리프트 장치의 로우 리프트 작동 원리는 아래와 같다.
상기 롤러(7)는 일반적으로 구름 베어링이고 로우캠과 구름 접촉하여 상기 로우캠의 회전 구동력을 상기 이너 암(3)에 고정 설치된 베어링 샤프트(도시되지 않음)를 통해 상기 이너 암(3)에 전달하는 역할을 한다. 이 때 상기 로우캠의 회전 구동력은 상기 이너 암(3)과 상기 유압간극조절기(8)의 접촉부를 회전축으로 상기 롤러(7)에 작용함으로써 상기 힌지핀(5)이 하강하게 된다. 따라서 상기 롤러(7)에 상기 로우캠이 구름 접촉하는 경우에는 상기 이너 암(3)의 상기 힌지핀(5)에 연결된 밸브 스템(9)에 상기 로우캠의 회전 구동력이 전달되어 밸브는 로우 리프트(low lift)로 작동하게 된다.
이 때 상기 하이캠은 상기 로스트 레버(1)를 헛돌게 하는데 이를 로스트 모션이라고 부른다. 상기 로스트 레버(1)의 로스트 모션 작동 원리는 아래와 같다.
상기 로스트 레버 패드(6)는 구름 베어링이 아니며 상기 하이캠과 마찰 접촉하는 부분이다. 상기 하이캠의 회전 구동력을 상기 로스트 레버(1)에 전달하여 상기 로스트 레버(1)가 상기 힌지핀(5)을 회전축으로 회전 운동할 수 있게 하는 역할을 한다. 상기 회전 운동은 상기 이너 암(3)에 대한 상대 운동이다. 상기 이너 암(3) 내부에 장착된 상기 록핀(2)이 상기 이너 암(3) 내부에 수용되어 있는 상태에서 상기 하이캠이 상기 로스트 레버 패드(6)에 회전 구동력을 작용시키면 상기 로스트 레버(1)의 상기 회전 운동은 로스트 모션(lost motion)이 된다. 즉, 상기 회전 운동은 캠 팔로워에 아무런 힘을 작용하지 않고 헛돌며 상기 로스트 모션 스프링(4)에 의해 제자리로 돌아오게 된다(도1 (b) 참조). 이 경우에는 상기 로우캠의 회전 구동력만이 상기 롤러(7)를 통해 상기 힌지핀(5)에 작용하여 밸브는 로우 리프트로 작동한다.
가변 밸브 리프트 장치의 하이 리프트 작동 원리는 아래와 같다.
상기 록핀(2)이 상기 유압간극조절기(8)의 작용에 의한 유압의 상승으로 전진되면 상기 로스트 레버(1)는 상기 록핀(2)에 의해 상기 회전 운동(로스트 모션)이 막히게 된다. 이 때 상기 유압간극조절기(8) 접촉부를 회전축으로 상기 하이캠의 회전 구동력이 상기 로스트 레버 패드(6)에 작용함으로써 상기 힌지핀(5)이 하강하게 된다. 따라서, 상기 힌지핀(5)에 연결된 상기 밸브 스템(9)을 통해 밸브를 하이 리프트(high lift)로 작동시킬 수 있게 된다.
도1 (c)는 종래 가변 밸브 리프트 장치의 로우 리프트 또는 하이 리프트 작동 원리의 비교도이다.
도1 (c)를 참조하여 지금까지의 설명을 정리하면 다음과 같다.
상기 유압간극조절기(8)의 유압이 상기 록핀(2)을 지지하는 스프링 하중 보다 작은 경우에는 로우 리프트 상태가 된다. 이 경우 상기 하이캠에 의한 상기 로스트 레버(1)의 회전 운동은 로스트 모션이 된다. 이는 상기 록핀(2)이 스프링에 의해 지지되어 상기 이너 암(3) 내부에 수용된 채 상기 로스트 레버(1)가 언록(unlock)된 상태에서 작동하기 때문이다. 즉, 상기 로우캠이 상기 롤러(7)에 구름 접촉하여 밸브가 로우 리프트로 작동하는 동안 상기 하이캠은 언록된 상태로 헛돌게 된다.
상기 유압간극조절기(8)의 유압이 상기 록핀(2)을 지지하는 스프링 하중 보다 큰 경우에는 하이 리프트 상태가 된다. 이 경우 상기 록핀(2)이 유압에 의해 스프링 하중을 극복하고 전진된다. 이로 인해 상기 로스트 레버(1)는 록(lock) 상태가 되므로 상기 하이캠의 회전 구동력이 상기 유압간극조절기(8) 접촉부를 회전축으로 상기 로스트 레버 패드(6)에 작용하여 상기 힌지핀(5)을 하강시킴으로써 밸브가 하이 리프트로 작동하게 된다. 이 경우에는 도1 (c)에 도시된 바와 같이 상기 로우캠과 상기 롤러(7)의 접촉은 이루어지지 않는 것이 원칙이다. 상기 로우캠이 상기 롤러(7)에 접촉되려는 시점에 상기 하이캠이 상기 로스트 레버 패드(6)와 접촉되면서 상기 이너 암(3)이 하이 리프트로 하강하기 때문이다.
종래 기술의 문제점은 다음과 같다.
하이 리프트 상태는 구름 베어링이 아닌 상기 로스트 레버 패드(6)를 통해 수행됨으로써 마찰 손실이 크고 마모가 발생하여 내구성이 저하된다. 하이 리프트 상태는 물론 로우 리프트 상태에서도 두 개의 하이캠이 상기 로스트 레버 패드(6)와 항상 마찰 접촉을 하게 되므로 밸브가 개폐되는 동안에는 마찰 손실이 지속된다.
하이 리프트 상태에서 로우캠과 상기 롤러(7)의 접촉이 일어나 하이캠과 상기 로스트 레버 패드(6) 사이에 간극이 발생할 수 있다. 이는 가공을 정밀하게 하여도 하이캠과 로우캠이 각각 상기 로스트 레버 패드(6)와 상기 롤러(7)에 동시에 접하는 것이 사실상 불가능하기 때문이다. 가공 정밀도의 미비 및 가변 밸브 리프트 장치의 진동 등에 의해 이러한 현상이 기인할 수 있다. 상기 간극이 발생하게 되면 하이 리프트 상태에서 리프트 손실(lift loss)이 생기고 밸브 장치에 충격성 하중이 작용하게 되어 내구성이 저하될 수 있다.
또한 종래 기술은 가변 밸브 리프트 장치의 구조 및 형상이 복잡하고 구성 부품 수가 많다. 이는 원가 상승의 원인이 되고 밸브 장치의 동특성 및 내구성 측면에서 불리한 작용을 한다.
종래 기술에 의한 가변 밸브 리프트 장치는 오일 컨트롤 밸브(Oil Control Valve; OCV)를 제어함으로써 오일 갤러리의 오일 압력을 통해 작동되는데 이 때문에 오일 온도 및 압력에 민감하게 되고 오일 펌프 용량을 증대해야 하는 불필요한 변경 요구가 발생하기도 한다.
일본 특허청 공개특허공보 JP 2011-226331에는 가변 동변기구를 구동하는 액추에이터의 구동 전류를 모니터 하도록 전류센서를 갖는 가변 동판장치에 의해, 검출되는 전류의 변화에 따라 가변 동변기구의 기준 위치를 정확하게 위치시키는 기술이 개시되어 있다.
일본 특허청 공개특허공보 JP 2007-056777에는 밸브본체를 가지고 전자구동기구에 의해 리니어 구동하는 전자 구동판, 전자구동기구의 구동력을 증강하는 구동력 증강기구, 전자석으로 이루어진 요크 및 구동력 제어부로 구성되어, 구동력 증강기구와 전자석 구동기구에 의해 생성되는 자속의 상호 간섭을 방지하면서, 밸브의 운동특성 획득, 연비 및 정숙성을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.
일본 특허청 공개특허공보 [JP 2011-226331] 일본 특허청 공개특허공보 [JP 2007-056777]
해당 사항 없음
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 밸브 리프트가 항상 구름 접촉에 의해 작동되거나 전환될 수 있도록 하고 전류 방향 제어라는 간단한 제어 방법으로 빠르고 정확한 밸브 리프트 전환 제어를 구현하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치는, 캠축, 적어도 하나의 로우캠과 적어도 하나의 하이캠을 포함하고 상기 캠축의 외주면에 형성 또는 장착되는 캠 로우브, 그리고 상기 캠축의 회전에 의하여 밸브를 로우 리프트 또는 하이 리프트로 개폐하는 캠 팔로워를 포함하며, 상기 캠 팔로워는 상기 캠 로우브와 접촉하며 상기 캠축의 회전에 의하여 그 일측을 기준으로 피벗 운동을 하며 밸브를 개폐시키도록 된 밸브 리프트 몸체와, 상기 밸브 리프트 몸체에 고정 설치되는 베어링 샤프트와, 상기 베어링 샤프트에 회전 가능하도록 설치되고 상기 베어링 샤프트 상에서 축 방향으로 이동하며 상기 로우캠 또는 상기 하이캠에 선택적으로 접촉되는 적어도 하나의 구름 베어링을 포함하고, 상기 베어링 샤프트에는 자력이 발생되도록 전류가 흐르며, 상기 적어도 하나의 구름 베어링은 적어도 하나의 영구자석을 포함하고, 상기 적어도 하나의 영구자석은 상기 베어링 샤프트의 자력과 상호 작용하여 인력 또는 척력을 발생시킴으로써 상기 적어도 하나의 구름 베어링을 상기 베어링 샤프트 상에서 축 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 베어링 샤프트는 절연코일을 포함하며, 상기 절연코일은 상기 베어링 샤프트에 설치되어 전류가 흐를 시 상기 베어링 샤프트의 양단에 자력을 발생시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치는 상기 절연코일에 전류를 공급할 수 있도록 되어 있으며, 상기 밸브 리프트 몸체에 장착된 커넥터를 더 포함할 수 있다.
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본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치는 상기 적어도 하나의 구름 베어링이 서로 반대 방향으로 움직이는 한 쌍으로 구성되고, 상기 캠 로우브는 가운데에 로우캠 두 개와 양단에 하이캠 두 개로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이 때 상기 로우캠 두 개와 하이캠 두 개는 일체로 형성될 수 있다.
또한, 상기 캠 로우브를 구성하는 상기 캠들 사이에는 간극이 없으며, 상기 로우캠들 및 상기 하이캠들은 동일한 기저 원을 가질 수 있다.
상기 베어링 샤프트는 상기 한 쌍의 구름 베어링들이 상기 베어링 샤프트의 중앙부로부터 한쪽으로 치우치는 현상을 방지하기 위한 센터 링(Centered Ring)을 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 영구자석은 상기 한 쌍의 구름 베어링들 간에 인력이 작용하도록 설치되고, 로우 리프트 시에는 상기 한 쌍의 구름 베어링들이 상기 두 개의 로우캠들에 대응하여 위치하기 위해 상기 베어링 샤프트의 중앙부에 모이고, 하이 리프트 시에는 상기 한 쌍의 구름 베어링들이 상기 두 개의 하이캠들에 대응하여 위치하기 위해 상기 베어링 샤프트의 양단으로 이동하도록 될 수 있다.
상기 밸브 리프트 몸체의 폭은 상기 두 개의 하이캠들의 위치에 대응하여 상기 한 쌍의 구름 베어링들의 이동 거리가 제한되도록 되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치는 상기 한 쌍의 구름 베어링들이 상기 캠 로우브의 기저 원 구간과 접촉할 때 이동하도록 되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 적어도 하나의 영구자석은 막대형 또는 링(ring)형 영구자석일 수 있으며, 상기 센터 링은 스냅 링 또는 클립일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치는 상기 적어도 하나의 구름 베어링이 서로 반대 방향으로 움직이는 한 쌍으로 구성되고, 상기 캠 로우브는 가운데에 하이캠 두 개와 양단에 로우캠 두 개로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이 때 상기 로우캠 두 개와 하이캠 두 개는 일체로 형성될 수 있다.
상기 캠 로우브를 구성하는 상기 캠들 사이에는 간극이 없으며, 상기 로우캠 들 및 하이캠들은 동일한 기저 원을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 베어링 샤프트는 상기 한 쌍의 구름 베어링들이 상기 베어링 샤프트의 중앙부로부터 한쪽으로 치우치는 현상을 방지하기 위한 센터 링을 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 영구자석은 상기 한 쌍의 구름 베어링들 간에 척력이 작용하도록 설치되고, 로우 리프트 시에는 상기 한 쌍의 구름 베어링들이 상기 두 개의 로우캠들에 대응하여 위치하기 위해 상기 베어링 샤프트의 양단으로 이동하고, 하이 리프트 시에는 상기 한 쌍의 구름 베어링들이 상기 두 개의 하이캠들에 대응하여 위치하기 위해 상기 베어링 샤프트의 중앙부에 모이도록 될 수 있다.
상기 밸브 리프트 몸체의 폭은 상기 두 개의 로우캠들의 위치에 대응하여 상기 한 쌍의 구름 베어링들의 이동 거리가 제한되도록 되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 한 쌍의 구름 베어링들이 상기 캠 로우브의 기저 원 구간과 접촉할 때 이동하도록 되어 있을 수 있다.
상기 적어도 하나의 영구자석은 막대형 또는 링(ring)형 영구자석일 수 있으며, 상기 센터 링은 스냅 링 또는 클립일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 아래와 같은 차별적인 효과가 있다.
첫째, 마찰 저감을 통한 연비 개선이 이루어진다. 로우 리프트 시에도 항상 마찰 접촉하던 2개의 로스트 레버 패드(6)가 삭제되기 때문이다. 로우 리프트 시는 물론 하이 리프트 시에도 마찰 접촉에 의한 구동이 아닌 구름 베어링에 의한 구름 접촉이 구현됨으로써 종래 기술과 비교하여 마찰 감소 효과가 크다.
둘째, 전자석을 이용한 빠르고 정확한 밸브 리프트 전환 제어가 이루어진다. 온도 및 엔진 회전수의 변화에 따라 때맞춰 변경해야 하는 오일 압력을 활용하지 않으므로 별도의 OCV가 불필요하다. 빛의 속도로 이루어지는 전류 방향 제어를 통한 밸브 리프트 전환이므로 빠르고 정확하다.
셋째, 중량 및 원가가 절감된다. 가변 밸브 리프트 기구의 구조 및 형상이 단순하고 구성 부품 수가 적다. 이로써 재료비 및 가공비가 절감되며 OCV 삭제 및 오일 펌프 용량 축소로 인해 중량 및 원가 절감이 극대화된다.
넷째, 밸브 동특성(dynamic properties) 개선 및 내구성 향상이 실현된다. 가변 밸브 리프트 기구의 중량 저감은 물론 무게 중심이 유압간극조절기 접촉부(22)에 가까워질 수 있으므로 동특성이 향상된다. 두 개의 구름 베어링에 의해 구동되며 항상 캠 로우브의 기저 원과 접촉하게 되므로 간극의 발생이 없고 따라서 리프트 손실이 방지된다. 이로써 충격성 하중도 없어지며 밸브 내구성은 크게 향상된다. 또한 기구의 구조 및 형상이 매우 간단하여 단품 내구성 측면에서도 유리하다.
도1은 종래 기술에 의한 가변 밸브 리프트 장치의 구조 및 작동 원리를 나타낸 도면이다.
도1 (a)는 종래 가변 밸브 리프트 장치의 캠 팔로워의 사시도이다.
도1 (b)는 종래 가변 밸브 리프트 장치의 작동 원리를 설명하기 위한 단면도이다.
도1 (c)는 종래 가변 밸브 리프트 장치의 로우 리프트 또는 하이 리프트 작동 원리의 비교도이다.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치의 구조 및 작동 원리를 나타낸 도면이다.
도3은 본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치의 로우 리프트 상태를 나타낸 도면이다.
도4는 본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치의 하이 리프트 상태를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이러한 실시 예는 본 발명에 따른 일 실시 예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다 할 것이다.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치의 구조 및 작동 원리를 나타낸 도면이다.
도3은 본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치의 로우 리프트 상태를 도시한 도면이다.
도4는 본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치의 하이 리프트 상태를 도시한 도면이다.
도2 (a)와 도3의 (a)를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치는 캠 로우브(10), 캠축(13), 캠 팔로워(30), 그리고 2핀 커넥터(2-pin connector, 20)를 포함하여 구성된다.
상기 캠 로우브(10)는 로우캠(11)과 하이캠(12)을 포함하고 상기 캠축(13)에 형성되거나 장착될 수 있다. 상기 로우캠(11)과 상기 하이캠(12)은 일체(a body)로 구성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 즉, 상기 로우캠(11)과 하이캠(12)은 별개로 제작되어 서로 이웃하도록 캠축(13)에 조립될 수 있다. 상기 캠 로우브(10)를 구성하는 상기 로우캠(11) 또는 상기 하이캠(12) 등 캠들 간에는 간극이 없고 기저 원(base circle)이 서로 동일할 수 있다. 기저 원이란 상기 캠 로우브(10)의 윤곽(profile)을 이루는 곡선 중 원호를 이루는 부분으로 상기 캠 로우브(10)의 기저 원 구간이 상기 캠 팔로워(30)에 접촉하는 동안에는 밸브가 개방되지 않는다. 여기서 기저 원 구간이란 기저 원과 상기 캠 로우브(10)의 윤곽이 일치하는 구간을 가리킨다. 본 발명의 실시 예에 따른 상기 캠 로우브(10)는 중심에 상기 로우캠(11) 두 개, 양단에 상기 하이캠(12) 두 개가 각각 배치되나 이에 한정되지는 않는다.
상기 캠축(13)은 엔진 크랭크축(도시되지 않음)과 연결되어 상기 캠 로우브(10)에 회전 구동력을 전달한다.
상기 캠 팔로워(30)는 밸브 리프트 몸체(23), 구름 베어링(14), 베어링 샤프트(15), 그리고, 센터 링(center ring, 16)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 밸브 리프트 몸체(23)는 상기 캠 로우브(10)의 회전 구동력을 밸브 스템(도1 (b) 참조)에 전달하여 밸브를 개폐하는 역할을 하는 연결 장치(linkage)이다. 상기 밸브 리프트 몸체(23)의 길이 방향 양단에는 밸브 스템 연결부(21)와 유압간극조절기 접촉부(22)가 형성된다. 상기 유압간극조절기 접촉부(22)를 회전축으로 상기 밸브 스템 연결부(21)가 선회 운동을 함으로써 밸브가 개폐된다.
상기 베어링 샤프트(15)는 상기 밸브 리프트 몸체(23)의 폭 방향으로 장착될 수 있으며, 전류가 흘러 자력이 발생되도록 구성된다. 이를 위해 상기 베어링 샤프트(25)에는 절연코일(18)이 장착될 수 있다. 상기 베어링 샤프트(15)는 상기 밸브 리프트 몸체(23)에 압입 또는 용접에 의해 고정 설치될 수 있고, 상기 캠 로우브(10)의 회전 구동력을 상기 밸브 리프트 몸체(23)의 선회 운동으로 전환한다. 상기 베어링 샤프트(15)는 구름 베어링의 축 방향 움직임에 대한 마모와 마찰 저항을 줄이기 위해 외주 면이 열처리 또는 코팅처리 될 수 있다.
상기 절연코일(18)은 코일 연결선(19)을 포함하며, 상기 베어링 샤프트(15) 내부에 설치되는 플라스틱 등의 부도체 재료로 이루어진 봉에 나선형으로 감겨 설치되거나 상기 베어링 샤프트(15)의 외주면에 감겨 설치된 후 두께가 얇은 중공 실린더 형 봉이 상기 베어링 샤프트(15)에 끼워짐으로써 고정 설치될 수 있다. 상기 절연코일(18)은 상기 코일 연결선(19)을 통해 전류가 흐를 시 상기 베어링 샤프트(15)를 자화(magnetization)시킴으로써 상기 베어링 샤프트(15) 양단에 각각 N극과 S극의 자력이 발생하도록 만든다.
상기 구름 베어링(14)은 영구자석(17)을 포함한다. 상기 베어링 샤프트(15) 상에 한 쌍의 구름 베어링(14)이 회전 가능하도록 설치될 수 있고, 상기 캠 로우브(10)와의 구름 접촉을 통해 상기 베어링 샤프트(15)에 상기 캠 로우브(10)의 회전 구동력을 전달한다. 또한 상기 구름 베어링(14)은 상기 베어링 샤프트(15) 상에서 축 방향으로 자유롭게 이동이 가능하도록 설치될 수 있다.
상기 영구자석(17)은 상기 구름 베어링(14)에 고정 설치되며 상기 베어링 샤프트(15)의 자력과 상호 작용하여 인력 또는 척력이 발생할 수 있도록 한다. 또한 상기 구름 베어링(14)들 상호 간에도 인력 또는 척력이 발생할 수 있게 한다. 상기 영구자석(17)은 상기 베어링 샤프트(15)의 자력과 효과적으로 상호 작용하고 상기 구름 베어링(14)들 간 인력 또는 척력이 제대로 작용하게 할 수 있도록 상기 구름 베어링(14)의 부분 중 회전하지 않는 내측 부위에 고정 설치될 수 있다. 상기 설치 방법으로는 영구자석을 압입하거나 볼트로 고정하는 방법이 가능하다. 이 경우 설치되는 영구자석은 막대자석이며 도3과 도4에는 막대자석이 설치된 실시 예가 도시되어 있다. 또한, 막대자석 외에도 링(ring)형 영구자석이 상기 구름 베어링(14) 내측 비회전부, 상기 베어링 샤프트(15)와 결합되는 부위에 고정 설치될 수도 있다. 링형 영구자석이 활용되는 경우에는 상기 한 쌍의 구름 베어링(14)의 회전부에 설치될 수도 있다. 링형 영구자석은 회전하여도 자력의 방향 또는 위치가 변경되지 않기 때문이다. 링형 영구자석을 활용하는 경우 본딩(bonding)에 의한 설치 방법이 더 추가될 수 있다.
상기 센터 링(16)은 상기 베어링 샤프트(15) 중앙부에 설치되며, 상기 구름 베어링(14)이 중심부에서 한 쪽으로 치우치는 현상을 방지하는 역할을 한다. 상기 센터 링(16)은 흔히 사용되는 스냅 링 또는 클립(snap ring or snap clip)일 수 있다.
상기 2핀 커넥터는 상기 코일 연결선(19)과 제어부(도시되지 않음)를 연결하기 위해 설치된다. 상기 제어부는 엔진 컨트롤 유닛(Engine Control Unit; ECU)일 수 있다. 상기 2핀 커넥터에 의해 상기 절연코일(18)에 상기 제어부에 의해 제어되는 직류 전류를 공급할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치의 구조를 살펴보았다.
본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.
도2 (b)는 전자석의 원리인 앙페르의 오른 나사의 법칙을 도시한다. 코일에 전류가 흐르면 나사의 진행 방향으로 자계(magnetic field)가 생긴다. 따라서 전류의 흐름 방향으로 오른손을 감싸 쥘 때 엄지손가락이 가리키는 방향이 N극이 된다.
따라서 도2 (a)를 참조하면, 상기 절연코일(18)에 흐르는 전류에 의해 상기 베어링 샤프트(15)에 발생하는 자력과 상기 구름 베어링(14)에 설치된 상기 영구자석(17)의 N극과 S극이 인력 또는 척력을 유발하여 상기 구름 베어링(14)이 상기 베어링 샤프트(15)를 따라 축 방향으로 이동할 수 있게 된다. 즉, 상기 베어링 샤프트(15)의 좌측이 N극, 우측이 S극이 되도록 상기 절연코일(18)에 전류가 우측에서 좌측으로 흐르면, 상기 영구자석(17)의 N극과 S극이 도2 (a)와 같이 배치되는 경우 상기 한 쌍의 구름 베어링(14)과 상기 베어링 샤프트(15)의 양단에는 각각 척력이 작용하게 되므로 상기 한 쌍의 구름 베어링(14)은 상기 베어링 샤프트(15)의 중앙부로 모이게 된다. 반대로, 상기 베어링 샤프트(15)의 좌측이 S극, 우측이 N극이 되도록 전류가 흐를 경우에는 상기 한 쌍의 구름 베어링(14)과 상기 베어링 샤프트(15) 양단에는 각각 인력이 작용하게 되므로 상기 한 쌍의 구름 베어링(14)은 상기 베어링 샤프트(15)의 양단으로 이동하게 된다.
도2 (c)는 캠 로우브의 밸브 리프트 구간을 도시한다.
기저 원(base circle) 구간에서는 구름 베어링과 캠 로우브 간에 최소한의 면압만이 작용하게 된다. 이는 캠 로우브의 윤곽(profile)과 캠의 기저 원이 일치하기 때문이다. 이 구간에서는 밸브 리프트가 발생하지 않고 구름 접촉만 이루어진다. 이에 비해 밸브 리프트(valve lift) 구간이란 캠 로우브의 윤곽이 기저 원과 상이해지면서 곡률반경이 기저 원 보다 커지는 구간을 의미한다. 상기 캠 로우브(10)와 상기 구름 베어링(14)의 접촉부가 상기 밸브 리프트 구간에 진입하게 되면 상기 구름 베어링(14)에 작용하는 면압이 상승하고 이에 따라 밸브 리프트가 발생한다.
상기 밸브 리프트 구간은 본 발명의 실시 예에 따른 구름 베어링(14)의 이동 타이밍과 관련된다. 크랭크축에 의한 엔진 타이밍 감지를 통해 ECU는 각 연소실의 캠 로우브(10)의 각위치(angular position)를 정확히 파악할 수 있다. 따라서, 밸브 리프트의 변경 필요 시 ECU는 각 기통 별로 상기 캠 로우브(10)의 각위치가 밸브 리프트 구간을 지나 기저 원 구간으로 진입하는 시기에 맞춰 코일의 전류 방향을 바꿔줌으로써 본 발명의 실시 예에 따른 구름 베어링(14)을 상기 베어링 샤프트(15)의 축 방향으로 이동시킨다. 이에 따라 상기 구름 베어링(14)은 상기 캠 로우브(10)의 하이캠 또는 로우캠에 선택적으로 구름 접촉할 수 있게 된다. 기저 원 구간은 최소한의 면압만이 작용하는 구간일 뿐만 아니라 상기 구름 베어링(14)이 상기 베어링 샤프트(15)의 축 상에서 자유롭게 이동할 수 있게 하는 간극(clearance)이 허용될 수 있기 때문이다. 상기 간극은 상기 캠 로우브(10)와 상기 구름 베어링(14) 사이의 간극을 의미한다.
이하 본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치의 로우 리프트 상태의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다(도3).
상기 절연코일(18)에 흐르는 전류의 방향이 우에서 좌인 경우 상기 베어링 샤프트(15)의 좌측에 N극, 우측에 S극의 자력이 발생한다(도3의 (b)). 이 경우 상기 코일 연결선(19)에 흐르는 전류의 방향은 도3의 (a)에 도시된 바와 같다. 따라서 좌측에는 상기 베어링 샤프트(15)의 N극과 상기 영구자석(17)의 N극, 우측에는 상기 베어링 샤프트(15)의 S극과 상기 영구자석(17)의 S극이 서로 척력을 발생시킨다. 상기 척력에 의해 서로 밀려난 상기 한 쌍의 구름 베어링(14)은 상기 베어링 샤프트(15)의 중앙부에 모이게 된다. 이 때 상기 센터 링(16)이 존재한다면 상기 한 쌍의 구름 베어링(14)이 중앙부에서 치우치지 않고 자리잡을 수 있어 상기 캠 로우브(10)의 로우캠(11)과 정확한 위치에서 완벽한 구름 접촉을 할 수 있게 된다.
정확한 위치에 자리 잡은 상기 한 쌍의 구름 베어링(14)은 상기 캠 로우브(10)의 상기 로우캠(11)의 윤곽(profile)을 따라 구동되므로 본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치는 로우 리프트 상태로 작동하게 된다. 앞서 본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치의 구조에 대한 설명 부분에서 설명된 바와 같이 상기 로우캠(11)의 회전 구동력은 상기 구름 베어링(14)을 통해 상기 밸브 리프트 몸체(23)에 작용하게 되므로 상기 유압간극조절기 접촉부(22)를 회전축으로 상기 밸브 스템 연결부(21)가 선회 운동을 함으로써 밸브가 로우 리프트 상태로 작동하게 되는 것이다.
엔진 시동이 오프(off)되거나 상기 절연코일(18) 또는 상기 코일 연결선(19) 등이 단선되는 경우에도 서로 짝을 이루는 상기 영구자석(17)의 반대 극성에 의한 인력에 의해 양쪽의 구름 베어링(14)은 상기 베어링 샤프트(15)의 중앙부에 모이게 된다. 따라서 밸브는 원칙적으로 항상 로우 리프트 상태로 작동된다.
본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치의 하이 리프트 상태의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다(도4).
상기 절연코일(18)에 흐르는 전류의 방향이 좌에서 우인 경우 상기 베어링 샤프트(15)의 좌측에 S극, 우측에 N극의 자력이 발생한다(도4의 (b)). 이 경우 상기 코일 연결선(19)에 흐르는 전류의 방향은 도4의 (a)에 도시된 바와 같다. 따라서 좌측에는 상기 베어링 샤프트(15)의 S극과 상기 영구자석(17)의 N극, 우측에는 상기 베어링 샤프트(15)의 N극과 상기 영구자석(17)의 S극이 서로 인력을 발생시킨다. 상기 인력에 의해 끌려진 상기 한 쌍의 구름 베어링(14)은 상기 베어링 샤프트(15)의 양단으로 이동하게 된다. 이 때 상기 밸브 리프트 몸체(23)는 상기 캠 로우브(10)의 하이캠(12)에 대응하는 위치에 상기 한 쌍의 구름 베어링(14)이 정확히 자리 잡을 수 있도록 양단으로의 최대 이동 범위를 제한할 수 있는 만큼의 폭을 가지도록 형성될 수 있다(도4의 (b)).
정확한 위치에 자리 잡은 상기 한 쌍의 구름 베어링(14)은 상기 캠 로우브(10)의 하이캠(12)의 윤곽(profile)을 따라 구동되므로 본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치는 하이 리프트 상태로 작동하게 된다. 앞서 로우 리프트 상태의 경우에서와 같이 상기 하이캠(11)의 회전 구동력은 상기 구름 베어링(14)을 통해 상기 밸브 리프트 몸체(23)에 작용하게 되므로 상기 유압간극조절기 접촉부(22)를 회전축으로 상기 밸브 스템 연결부(21)가 선회 운동을 함으로써 밸브가 하이 리프트 상태로 작동하게 되는 것이다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 가변 밸브 리프트 장치는 종래 기술에 비해 간단한 구조와 적은 부품 수를 가지며, 항상 구름 접촉에 의해 밸브 리프트가 구현되므로 마찰이 적어 내구성이 향상되며 밸브 리프트 변환의 제어성 및 응답의 신속성이 확보될 수 있는 등 다양한 이점을 가진다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
10: 캠 로우브 11: 로우캠
12: 하이캠 13: 캠축
14: 구름 베어링 15: 베어링 샤프트
16: 센터 링(centered ring) 17: 영구자석
18: 절연코일 19: 코일 연결선
20: 2핀 커넥터 21: 밸브 스템 연결부
22: 유압간극조절기 접촉부 23: 밸브 리프트 몸체
30: 캠 팔로워

Claims (22)

  1. 캠축;
    적어도 하나의 로우캠과 적어도 하나의 하이캠을 포함하고 상기 캠축의 외주면에 형성 또는 장착되는 캠 로우브; 그리고
    상기 캠축의 회전에 의하여 밸브를 로우 리프트 또는 하이 리프트로 개폐하는 캠 팔로워;
    를 포함하며,
    상기 캠 팔로워는,
    상기 캠 로우브와 접촉하며 상기 캠축의 회전에 의하여 그 일측을 기준으로 피벗 운동을 하며 밸브를 개폐시키도록 된 밸브 리프트 몸체와,
    상기 밸브 리프트 몸체에 고정 설치되는 베어링 샤프트와,
    상기 베어링 샤프트에 회전 가능하도록 설치되고 상기 베어링 샤프트 상에서 축 방향으로 이동하며 상기 로우캠 또는 상기 하이캠에 선택적으로 접촉되는 적어도 하나의 구름 베어링
    을 포함하고,
    상기 베어링 샤프트에는 자력이 발생되도록 전류가 흐르며,
    상기 적어도 하나의 구름 베어링은 적어도 하나의 영구자석을 포함하고, 상기 적어도 하나의 영구자석은 상기 베어링 샤프트의 자력과 상호 작용하여 인력 또는 척력을 발생시킴으로써 상기 적어도 하나의 구름 베어링을 상기 베어링 샤프트 상에서 축 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베어링 샤프트는 절연코일을 포함하며,
    상기 절연코일은 상기 베어링 샤프트에 설치되어 전류가 흐를 시 상기 베어링 샤프트의 양단에 자력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 절연코일에 전류를 공급할 수 있도록 되어 있으며, 상기 밸브 리프트 몸체에 장착된 커넥터를 더 포함하는 가변 밸브 리프트 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 구름 베어링은 서로 반대 방향으로 움직이는 한 쌍으로 구성되고,
    상기 캠 로우브는 가운데에 로우캠 두 개와 양단에 하이캠 두 개로 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 로우캠 두 개와 하이캠 두 개는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 캠 로우브를 구성하는 상기 캠들 사이에는 간극이 없으며, 상기 로우캠 들 및 상기 하이캠들은 동일한 기저 원을 가지는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 베어링 샤프트는 상기 한 쌍의 구름 베어링들이 상기 베어링 샤프트의 중앙부로부터 한쪽으로 치우치는 현상을 방지하기 위한 센터 링;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 영구자석은 상기 한 쌍의 구름 베어링들 간에 인력이 작용하도록 설치되고,
    로우 리프트 시에는 상기 한 쌍의 구름 베어링들이 상기 두 개의 로우캠들에 대응하여 위치하기 위해 상기 베어링 샤프트의 중앙부에 모이고,
    하이 리프트 시에는 상기 한 쌍의 구름 베어링들이 상기 두 개의 하이캠들에 대응하여 위치하기 위해 상기 베어링 샤프트의 양단으로 이동하도록 된 가변 밸브 리프트 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 밸브 리프트 몸체의 폭은 상기 두 개의 하이캠들의 위치에 대응하여 상기 한 쌍의 구름 베어링들의 이동 거리가 제한되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 한 쌍의 구름 베어링들은 상기 캠 로우브의 기저 원 구간과 접촉할 때 이동하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 영구자석은 막대형 또는 링(ring)형 영구자석인 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 센터 링은 스냅 링 또는 클립인 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 구름 베어링은 서로 반대 방향으로 움직이는 한 쌍으로 구성되고,
    상기 캠 로우브는 가운데에 하이캠 두 개와 양단에 로우캠 두 개로 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 로우캠 두 개와 하이캠 두 개는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 캠 로우브를 구성하는 상기 캠들 사이에는 간극이 없으며, 상기 로우캠 들 및 상기 하이캠들은 동일한 기저 원을 가지는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 베어링 샤프트는 상기 한 쌍의 구름 베어링들이 상기 베어링 샤프트의 중앙부로부터 한쪽으로 치우치는 현상을 방지하기 위한 센터 링;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 영구자석은 상기 한 쌍의 구름 베어링들 간에 척력이 작용하도록 설치되고,
    로우 리프트 시에는 상기 한 쌍의 구름 베어링들이 상기 두 개의 로우캠들에 대응하여 위치하기 위해 상기 베어링 샤프트의 양단으로 이동하고,
    하이 리프트 시에는 상기 한 쌍의 구름 베어링들이 상기 두 개의 하이캠들에 대응하여 위치하기 위해 상기 베어링 샤프트의 중앙부에 모일 수 있도록 된 가변 밸브 리프트 장치.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 밸브 리프트 몸체의 폭은 상기 두 개의 로우캠들의 위치에 대응하여 상기 한 쌍의 구름 베어링들의 이동 거리가 제한되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 한 쌍의 구름 베어링들은 상기 캠 로우브의 기저 원 구간과 접촉할 때 이동하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 영구자석은 막대형 또는 링(ring)형 영구자석인 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 센터 링은 스냅 링 또는 클립인 것을 특징으로 하는 가변 밸브 리프트 장치.
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JPH0544410A (ja) * 1991-08-06 1993-02-23 Fuji Oozx Kk 可変バルブタイミングリフト機構用ロツカアーム

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