KR101534965B1 - 엔진용 마찰 저감 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진용 베어링에 관한 것으로서, 상대 부품과의 불필요한 마찰력 발생을 저감하여 엔진 출력 손실 및 연비 저감을 억제할 수 있도록 개선된 엔진용 베어링을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 반원형의 판 형상으로 제작되는 엔진용 베어링에 있어서, 일단부 끝에서 길이방향으로 정해진 거리만큼 떨어져 있는 지점에서부터 소정 길이만큼의 구간으로 정해지는 주하중부 구간에서 상대 부품과 접촉하여 하중을 받을 수 있도록 규정된 두께를 가지는 영역의 폭인 하중 작용폭이 다른 구간에 비해 상대적으로 큰 크기를 가지며, 베어링 길이방향 전 구간에서 상기 하중 작용폭을 벗어난 폭방향 나머지 부분에서는 마찰 저감이 가능하도록 상기 규정된 두께보다 얇은 두께를 가지는 것을 특징을 가지는 엔진용 마찰 저감 베어링이 개시된다.

Description

엔진용 마찰 저감 베어링{Bearing for engine}

본 발명은 엔진용 마찰 저감 베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상대 부품과의 불필요한 마찰력 발생을 저감하여 엔진 출력 손실 및 연비 저감을 억제할 수 있는 엔진용 마찰 저감 베어링에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 자동차 엔진에서 크랭크 샤프트는 팽창행정으로 얻어진 피스톤의 직선적 동력을 커넥팅 로드를 통해 회전력으로 바꾸는 한편, 다른 행정에서는 커넥팅 로드를 통해 피스톤의 직선적 운동을 야기시켜 엔진의 연속된 동력 발생을 가능하게 하는 부품이다.

상기와 같은 엔진에서 크랭크 샤프트의 회전에 의해 발생하는 마찰로 인하여 부품이 마모되는 것을 방지할 수 있도록 베어링이 사용되는데, 도 1에 나타낸 바와 같이, 커넥팅 로드(1)의 대단부(1a)와 크랭크 샤프트(2) 사이에 베어링을 설치하여 크랭크 샤프트(2)의 회전에 의해 발생하는 커넥팅 로드 대단부(1a)의 마모를 방지함과 동시에 엔진 출력의 손실을 감소시키고 있다.

또한, 크랭크 샤프트(2)는 크랭크 케이스 내에 설치된 메인 베어링(3)에 의해 지지되고, 이때 메인 베어링(3)은 크랭크 샤프트(2)를 회전 가능하게 지지하여 크랭크 샤프트의 회전을 원활하게 함과 동시에 그 자체가 마모됨으로써 크랭크 샤프트의 마모를 방지하게 된다.

상기와 같은 커넥팅 로드 베어링과 메인 베어링(크랭크 샤프트 지지용 베어링)(3)은 도 2에 나타낸 바와 같이 일정 두께 및 폭을 가지는 반원형의 판 상 구조로 제작하여 사용한다.

참고로, 엔진에서 메인 베어링과 커넥팅 로드 베어링은 실제 사용시 각각 도 2에 나타낸 바와 같이 2개의 반원형 베어링(3), 즉 상부 베어링(UPPER)과 하부 베어링(LOWER)을 원형으로 조합하여 사용하게 된다.

도 2에서의 단면도는 베어링의 각 부 단면을 나타내는 단면도로서, 이에 나타낸 바와 같이, 엔진에 사용되는 종래의 베어링(3)으로는 하중이 작용하는 영역의 폭이 일정한 일반적인 플레인(plane) 베어링이 사용되고 있다.

즉, 종래의 베어링(3)은 상대 부품(내주면이 접촉하는 크랭크 샤프트)과 접촉하여 하중을 받게 되는 영역의 폭(이하, '하중 작용폭'이라 칭함)이 베어링 길이방향 전 구간에서 모두 동일한 폭으로 되어 있는 것이다(W1=W2=W3).

그러나, 통상의 엔진용 베어링에서 각 부마다 작용하는 하중에 크기 차이가 있고, 베어링의 전체 영역 중 다른 부분에 비해 하중을 상대적으로 많이 받는 부분(주하중부)이 존재하는바, 하중이 크게 작용하는 주하중부를 위주로 국부적인 마모가 발생한다.

이와 같이 베어링 길이방향 전 구간에 대하여 작용 하중에 관계없이 동일한 하중 작용폭을 가지는 베어링을 사용하게 되면, 베어링과 상대 부품 간의 마찰 면적이 커지므로 부품 구동시 불필요한 마찰력 발생이 증가하게 되고, 이는 엔진 출력의 손실과 연비 저감으로 이어지게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 상대 부품과의 불필요한 마찰력 발생을 저감하여 엔진 출력 손실 및 연비 저감을 억제할 수 있도록 개선된 엔진용 베어링을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 반원형의 판 형상으로 제작되는 엔진용 베어링에 있어서, 일단부 끝에서 길이방향으로 정해진 거리만큼 떨어져 있는 지점에서부터 소정 길이만큼의 구간으로 정해지는 주하중부 구간에서 상대 부품과 접촉하여 하중을 받을 수 있도록 규정된 두께를 가지는 영역의 폭인 하중 작용폭이 다른 구간에 비해 상대적으로 큰 크기를 가지며, 베어링 길이방향 전 구간에서 상기 하중 작용폭을 벗어난 폭방향 나머지 부분에서는 마찰 저감이 가능하도록 상기 규정된 두께보다 얇은 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 엔진용 마찰 저감 베어링을 제공한다.

여기서, 상기 베어링 길이방향 단부에서 가장 작은 하중 작용폭을 가지되, 주하중부 구간에서 미리 정해진 최대 하중 작용폭을 길이방향을 따라 일정하게 적용한 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주하중부 구간에서부터 길이방향 양측으로 가면서 하중 작용폭이 점차 축소되는 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반원형 베어링의 길이방향 0°~ 180°구간에서 주하중부 구간이 15°~ 55°의 구간으로 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 커넥팅 로드의 대단부와 크랭크 샤프트 사이에 개재되고, 상기 상대 부품이 크랭크 샤프트가 되는 커넥팅 로드 베어링으로 제공되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 크랭크 케이스 내에 설치되어 크랭크 샤프트를 지지하도록 설치되고, 상기 상대 부품이 크랭크 샤프트가 되는 메인 베어링으로 제공되는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 엔진용 마찰 저감 베어링에서는 주하중부 외의 구간에서 하중 작용폭을 축소(베어링 작용면적을 축소)함으로써 상대 부품과의 마찰을 저감할 수 있고, 나아가 엔진 출력 손실을 줄여 차량 연비를 개선할 수 있는 이점이 있게 된다.

도 1은 차량의 엔진에서 베어링이 설치되는 부분을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 엔진용 베어링을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 베어링을 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 베어링의 각 부 단면을 나타내는 단면도이다.
도 5는 마모가 발생한 메인 베어링과 커넥팅 로드 베어링을 나타내는 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 상대 부품과의 불필요한 마찰력 발생을 저감하여 엔진 출력 손실 및 연비 저감을 억제할 수 있는 개선된 엔진용 베어링을 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해, 주하중부 외의 구간에서 하중 작용폭을 축소한 형상을 가짐으로써 전체적으로 베어링 작용면적이 축소될 수 있도록 하고, 이를 통해 상대 부품과의 마찰이 저감될 수 있도록 한 엔진용 베어링이 개시된다.

즉, 본 발명에 따른 엔진용 마찰 저감 베어링에서는 베어링의 길이방향 전 구간 중 하중이 집중적으로 가해지는 주하중부 구간에만 최대 하중 작용폭을 적용하되, 그 외에는 하중 작용폭을 축소하여 상대 부품과의 마찰이 저감되도록 한 점에 주된 특징이 있다.

도 3은 실시예에 따른 베어링을 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 베어링의 각 부 단면을 나타내는 단면도이다.

도시된 바와 같이, 실시예의 베어링(3)은 크랭크 샤프트를 지지하는 메인 베어링, 또는 커넥팅 로드의 대단부와 크랭크 샤프트 사이에 개재되는 커넥팅 로드 베어링이 될 수 있는 것으로, 전체적인 형상은 공지된 바와 같이 반원형의 판 형상을 가진다.

여기서, 커넥팅 로드 베어링은 커넥팅 로드의 대단부와 크랭크 샤프트 사이에 개재되는 베어링으로, 내주면과 접촉하는 상대 부품은 크랭크 샤프트가 된다.

또한, 메인 베어링은 크랭크 케이스 내에 설치되어 크랭크 샤프트를 지지하도록 설치되는 베어링으로, 내주면과 접촉하는 상대 부품은 크랭크 샤프트가 된다.

상기한 베어링 형상에 대하여, 본 발명자는 마모가 발생한 베어링들을 분석한 결과 베어링 내주면 전체 영역 중 다른 부분에 비해 상대적으로 하중을 많이 받는 주하중부가 존재하고, 특히 하중이 크게 작용하는 주하중부를 위주로 국부적인 마모가 집중적으로 발생함을 확인하였다.

도 5는 마모가 발생한 메인 베어링과 커넥팅 로드 베어링을 나타내는 사진으로, 주하중부에 국부적인 마모가 발생함을 보여주고 있으며, 이를 통해 주하중부를 제외한 나머지 구간에서 하중 작용폭의 축소가 가능하다는 결론을 도출하였다.

또한, 베어링에 작용하는 하중 분포를 컴퓨터 시뮬레이션 해석을 통하여 분석한 결과를 살펴보더라도, 베어링에는 상대적으로 하중을 다른 부분에 비해 많이 받게 되는 주하중부가 존재하고, 하중이 크게 작용하는 주하중부를 위주로 국부적인 마모가 발생할 수 있음을 도출하였다.

이러한 연구 결과를 토대로, 실시예의 베어링에서는 하중이 집중적으로 가해지는 주하중부 구간, 즉 도 3에 나타낸 주하중부 구간에서 최대 하중 작용폭을 적용하되, 그 외 나머지 구간에서는 하중 작용폭을 상대적으로 작게 설정하여, 종래의 베어링에 비해 베어링 작용면적을 축소하고, 이를 통해 불필요한 마찰력 발생이 억제되도록 한다.

여기서, 주하중부 구간은 베어링 일단부 끝에서 길이방향으로 정해진 거리만큼 떨어져 있는 지점부터 시작하여 소정 길이만큼의 구간으로 정해질 수 있다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 베어링 길이방향을 따라 작용하는 하중을 고려하여 하중 작용폭을 차등 적용한 실시예의 형상을 볼 수 있으며, 주하중부 및 작용폭 라인의 선정 후에 마모가 집중되는 주하중부에는 최대 작용폭(W2)을 적용하고, 그 외에는 하중 작용폭을 축소하여 마찰을 최소화하게 된다.

여기서, 베어링의 하중 작용폭은 엔진 구동시 상대 부품을 통해 하중을 받게 되는 베어링 부분의 폭을 의미하며, 이 하중 작용폭의 부분에서는 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이 하중이 작용할 수 있도록 상대적으로 두꺼운 두께를 가진다.

즉, 베어링 각 부에서, 베어링 폭방향을 기준으로 하중 작용폭(W1,W2,W3) 내에 포함되는 베어링 부분은 베어링 면이 하중을 받을 수 있도록 규정된 두께를 가지지만, 베어링 길이방향 전 구간에서 상기 하중 작용폭을 벗어난 폭방향의 나머지 부분에서는 마찰 저감이 가능하도록 규정된 두께보다 얇은 두께를 가지도록 하는 것이다.

또한, 실시예에서 주하중부에 적용하는 최대 하중 작용폭(W2)은, 일정한 작용폭 크기를 가지도록 설계되는 종래의 베어링에서의 하중 작용폭과 동일한 크기가 될 수 있다.

상기와 같이 하중 작용폭의 차등 적용을 위한 베어링 형상을 설계함에 있어서, 하중 분포 해석의 결과를 토대로 하여 베어링에서 주하중부를 예측함과 더불어 하중 분포를 통해 작용폭을 차등 적용할 하중 구간과 작용폭 라인을 선정하는 것이 가능하다.

베어링 하중 구간을 선정함에 있어서, 베어링에 대한 하중 분포 해석의 결과로부터, 일정한 최대 작용폭(W2)을 적용할 베어링 주하중부 구간을 선정하고, 주하중부 구간을 제외한 나머지 구간에서는 하중 작용폭을 상대적으로 작게 설정하는바, 이때 예시된 작용폭 라인과 같이 주하중부 구간을 벗어난 나머지 구간에서는, 주하중부 구간에서부터 길이방향 양측으로 가면서 하중 작용폭을 점차 축소하는 설계가 가능하다.

예를 들어, 도 4에서와 같이, 베어링 길이방향 단부에서는 가장 작은 하중 작용폭(W1)을 적용하되, 주하중부 전까지는 하중 작용폭이 점차적으로 커지도록 하고, 이어 주하중부 구간에서는 일정한 최대 하중 작용폭(W2)을 적용하되, 다시 주하중부 구간을 벗어나는 지점부터 하중 작용폭(W3)을 점차 축소한다.

이때, 작용폭 크기는 W2 > W3 > W1가 될 수 있다.

또한, 도 3에 예시한 바와 같이, 반원형 베어링의 길이방향 전 구간을 0°~ 180°로 표현할 때, 최대 하중 작용폭(W2)이 적용되는 주하중부 구간은 15°~ 55°의 구간이 될 수 있고, 주하중부 구간을 제외한 나머지 구간에서 하중 작용폭을 축소하여 마찰 저감을 도모한다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

1 : 커넥팅 로드
1a : 대단부
2 : 크랭크 샤프트
3 : 베어링

Claims (6)

1. 반원형의 판 형상으로 제작되는 엔진용 베어링에 있어서,
   일단부 끝에서 길이방향으로 정해진 거리만큼 떨어져 있는 지점에서부터 소정 길이만큼의 구간으로 정해지는 주하중부 구간에서 상대 부품과 접촉하여 하중을 받을 수 있도록 규정된 두께를 가지는 영역의 폭인 하중 작용폭이 다른 구간에 비해 상대적으로 큰 크기를 가지며, 베어링 길이방향 전 구간에서 상기 하중 작용폭을 벗어난 폭방향 나머지 부분에서는 마찰 저감이 가능하도록 상기 규정된 두께보다 얇은 두께를 가지며,
   상기 주하중부 구간에서부터 길이방향 양측으로 가면서 하중 작용폭이 점차 축소되는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 엔진용 마찰 저감 베어링.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 베어링 길이방향 단부에서 가장 작은 하중 작용폭을 가지되, 주하중부 구간에서 미리 정해진 최대 하중 작용폭을 길이방향을 따라 일정하게 적용한 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 엔진용 마찰 저감 베어링.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 반원형 베어링의 길이방향 0°~ 180°구간에서 주하중부 구간이 15°~ 55°의 구간으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 엔진용 마찰 저감 베어링.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   커넥팅 로드의 대단부와 크랭크 샤프트 사이에 개재되고, 상기 상대 부품이 크랭크 샤프트가 되는 커넥팅 로드 베어링으로 제공되는 것을 특징으로 하는 엔진용 마찰 저감 베어링.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 크랭크 케이스 내에 설치되어 크랭크 샤프트를 지지하도록 설치되고, 상기 상대 부품이 크랭크 샤프트가 되는 메인 베어링으로 제공되는 것을 특징으로 하는 엔진용 마찰 저감 베어링.
   
   

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