KR101573546B1 - 엔진 밸브 트레인의 볼핀 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진에서 밸브 트레인 시스템의 밸브와 로커암 조립체에서 사용되는 볼핀에 관한 것으로서, 윤활성능이 뛰어나 부품의 마모가 적고 엔진 밸브의 안정적인 동작을 확보하며 수명이 연장된 엔진 밸브 트레인의 볼핀 장치를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 밸브 트레인의 볼핀 장치는 푸시로드(600)와 일단이 연결되어 동력을 전달받는 로커암(100), 상기 로커암(100)의 타단과 결합하는 볼핀(200) 및 상기 볼핀(200)과 결합하고 캘리퍼(400)와 연결되는 캡(300)을 포함하고, 상기 볼핀(200)에는 상기 캡(300)과 접촉하는 볼핀 구형부(210)가 마련되고 상기 볼핀 구형부(210)는 상기 캡(300)과 접촉하는 표면에 미세 가공된 오일 저장소(220)를 가지는 것을 특징으로 한다.

밸브 트레인, 볼핀, 미세가공, 딤플, 윤활

Description

엔진 밸브 트레인의 볼핀 장치 {BALL PIN APPARATUS FOR A ENGINE VALVE TRAIN}

본 발명은 엔진에서 밸브 트레인 시스템의 밸브와 로커암 조립체에서 사용되는 볼핀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진 밸브와 로커암 조립체에 사용되는 내마모성과 윤활성능이 향상되어 엔진 효율과 수명이 향상되는 볼핀 장치에 관한 것이다.

일반적으로 엔진의 밸브 트레인 시스템은 엔진 밸브를 개폐하는 기능을 담당하며, 연소실의 연소에 의한 크랭크 샤프트의 동력을 캠이 전달받아 캠의 회전 운동을 타펫을 통하여 직선운동으로 바꾸어 푸쉬로드를 통해 밸브-로커암 조립체로 전달한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 밸브-로커암 조립체에서 로커암(100)의 일단은 상기 푸시로드(600)와 결합하고 로커암(100)의 타단은 볼핀(200)과 결합하며, 중앙의 로커암 샤프트(110)를 축으로 로커암(100)의 일단과 타단은 번갈아 상하 왕복 운동을 하게 된다.

또한, 상기 볼핀(200)은 엔진 밸브(500)의 상단과 결합하는 캘리퍼(400)와 연결되어 상기 로커암(100)이 상하로 반복운동을 하면 엔진 밸브(500)가 상하로 움직여 밸브가 개폐된다.

도 2를 참고하여 자세히 살펴보면, 상기 로커암(100)의 타단에 결합한 볼핀(200)의 하부에 형성된 하부 구형부(210)가 상기 캘리퍼(400)의 상단에 마련된 캡(300)에 둘러싸여 결합되며, 상기 볼핀(200)이 상하로 왕복 운동을 하면 캡(300)과 연결된 캘리퍼(400)가 왕복 운동하여 캘리퍼(400)와 연결된 엔진 밸브(500)가 개폐된다.

상기 볼핀(200)의 왕복 운동 경로와 상기 캘리퍼(400) 및 엔진 밸브(500)의 왕복 이동 경로는 서로 동일 선상에 있지 않으므로 볼핀(200)의 하부 구형부(210)가 상기 캡(300)에 둘러싸여 볼로 연결된 형상을 가지며 하부 구형부(210)의 회전을 동반하여 마찰이 발생하게 된다.

4행정 내연기관의 경우 엔진이 2000rpm으로 운전하면 엔진 2회전당 흡기밸브와 배기밸브는 1회씩 왕복 운동을 하게 되어 엔진 밸브는 고속의 반복 동작이 발생하며, 분당 1천 회 왕복운동을 하게 되므로 밸브 트레인은 매우 가혹한 작동 조건을 가지게 된다.

따라서, 상기 볼핀(200)의 하부 볼핀 구형부(210)는 상기 캡(300)과 반복되어 마찰이 발생하게 되어 상기 볼핀(200)에는 충분한 윤활이 공급될 필요가 있으나, 볼핀(200) 하부로 윤활유를 흘려 윤할을 하는 경우 구조상 윤활유 공급량이 충분하지 않은 문제가 있다.

또한, 볼핀(200)의 상부에서부터 관통하는 오일 홀을 만들어서 윤활유를 공 급하는 방법도 있으나 가공에 어려움이 있으며 제조원가가 상승하고 오일 홀의 크기가 커지면 볼핀의 기능이 제대로 발휘되지 않는 경우도 발생한다.

따라서, 볼핀 구형부(210)에 윤활유의 공급이 원활하지 않으면 반복 하중에 의한 피로 등으로 인하여 볼핀과 캡의 끼임(Seizure) 또는 마모 등의 문제가 발생하게 되어 밸브 트레인의 내구성 및 운동성이 떨어지게 된다.

나아가, 볼핀(200)과 캡(300)의 내구성과 운동성의 저하는 엔진 밸브(500)의 개폐에 영향을 미쳐서 엔진의 불완전 연소 등을 야기시켜 엔진 전체의 내구성 및 성능이 낮아지는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 윤활성능이 뛰어나 부품의 마모가 적고 엔진 밸브의 안정적인 동작을 확보하며 수명이 연장된 엔진 밸브 트레인의 볼핀 장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 장치는 푸시로드(600)와 일단이 연결되어 동력을 전달받는 로커암(100), 상기 로커암(100)의 타단과 결합하는 볼핀(200) 및 상기 볼핀(200)과 결합하고 캘리퍼(400)와 연결되는 캡(300)을 포함하고, 상기 볼핀(200)에는 상기 캡(300)과 접촉하는 볼핀 구형부(210)가 마련되고 상기 볼핀 구형부(210)는 상기 캡(300)과 접촉하는 표면에 미세 가공된 오일 저장소(220)를 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 오일 저장소(220)는 원형 또는 그루브 형상일 수 있으며, 상기 오일 저장소(220)가 차지하는 면적은 상기 볼핀 구형부(210)와 상기 캡(300)이 접촉하는 전체 면적과 대비하여 10%이상이며 30%이내인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 푸시로드(600)와 일단이 연결되어 동력을 전달받는 로커암(100), 상기 로커암(100)의 타단과 결합하는 볼핀(200) 및 상기 볼핀(200)과 결합하고 캘리퍼(400)와 연결되는 캡(300)을 포함하고 상기 캡(300)에는 상기 볼핀(200)과 접촉하는 캡 구형부(310)가 마련되고, 상기 캡 구형부(310)에는 상기 볼핀(200)과 접촉하는 표면에 미세 가공된 오일 저장소를 가지는 것을 특징으로 할 수도 있다.

또한, 상기 캡 구형부(310)에 형성된 오일 저장소가 차지하는 면적은 상기 볼핀 구형부(210)와 상기 캡 구형부(310)가 접촉하는 전체 면적과 대비하여 10%이상이며 30%이내인 것을 특징으로 할 수 있다.

나아가, 상기 오일 저장소(220)는 고체 윤활제로 채워진 것을 특징으로 할 수 있다.

엔진 밸브 트레인에 사용하는 볼핀의 표면에 미세 가공된 오일 저장부가 형성되어 상기 오일 저장부에 윤활유가 침습 되어 적절한 윤활막이 형성되므로 볼핀과 캡의 손상 및 마모를 줄이고 마찰이 감소하며 안정적인 동작을 확보하여 밸브 트레인 및 엔진의 수명이 연장되는 효과가 있다.

또한, 상기 볼핀의 미세 가공된 오일 저장부를 다양한 형상으로 하여 엔진의 형태 및 크기에 따라 최적의 윤활효과를 얻을 수 있으며, 미세 가공되는 오일 저장부의 면적을 한정하여 제조원가를 절감할 수 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 밸브 트레인의 볼핀 장치에 대해서 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 밸브 트레인의 볼핀 장치는 푸시로드(600)와 일단이 연결되어 동력을 전달받는 로커암(100), 상기 로커암(100)의 타단과 결합하는 볼핀(200) 및 상기 볼핀(200)과 결합하고 엔진 밸브 캘리퍼와 연결되는 캡(300)을 포함한다.

엔진의 밸브 트레인 시스템은 밸브-로커암 조립체가 주요 구성요소로서, 엔진의 동력은 크랭크축과 연동한 캠의 회전운동은 타펫(미도시)에 의해 타펫과 연결된 푸쉬로드(600)의 상하운동으로 변환되며, 푸쉬로드(600)에 연결된 로커암100)은 푸쉬로드(600)의 상하운동에 따라 같이 운동을 한다.

로커암(100)은 로커암 샤프트(110)를 중심으로 일단과 타단이 상하 번갈아 왕복 운동을 하게 되며, 로커암(100)의 일단에 결합하고 있는 볼핀(200)은 로커암(100)의 타단에 결합된 푸쉬로드(600)가 상승하면 볼핀(200)은 하강하고, 푸쉬로드(600)가 하강하면 볼핀(200)은 상승하여 상기 볼핀(200)은 상기 캡(300)을 눌러주며 접촉을 하며 슬라이딩 운동을 하게 된다.

결국 상기 캡(300)은 엔진 밸브(500)과 연결되는 캘리퍼(400)과 결합하며, 상기 로커암(100)의 상하 왕복운동의 구동력을 받아 엔진 밸브(500)의 개폐동작의 동력을 전달하게 된다.

상기 볼핀(200)은 마찰이 반복되므로 일반적으로 탄소강, 합금강, 베어링강, 세라믹, 황동재질, 소결재 등으로 구성되고 필요에 따라 고주파 열처리, 담금질 처리, 질화 열처리, 침탄 열처리, 복합 열처리 등의 강화 열처리를 할 수 있으며, 표면에 DLC, CrN, 경질 크롬 등의 코팅 처리를 하여 내구성을 높일 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 캡(300)과 접촉면이 되는 상기 볼핀(200)의 하단부는 볼핀 구형부(210)가 마련되어 있으며, 상기 볼핀 구형부(210)에는 윤활유 를 저장할 수 있는 미세 가공된 오일 저장소(11)가 형성된다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 오일 저장소(220)는 일반적으로 상기 캡(300)과 접촉하는 볼핀 구형부(100)의 표면에 미세가공을 하여 표면에 마이크로 홀, 딤플(dimple) 또는 그루브(groove) 형태로 마련될 수 있다.

표면의 미세가공은 일반적으로 레이저 텍스쳐링(Laser Texturing) 또는 표면 텍스쳐링(Surface Textuing)으로 불리는 레이저 빔 등을 이용하여 표면에 일정한 패턴을 형성시키는 표면 처리공정으로 할 수 있으며 절삭 가공, 도금 또는 증착, 리소그래피(Lithography)가공, 인덴테이션(Indentation), 초음파 가공 등 필요에 따라 적절한 공정이 선택될 수 있다.

도 3의 확대도에 도시된 바와 같이, 오일 저장소(220)가 형성된 볼핀 구형부(210)의 표면에 윤활유가 공급되어 윤활막이 형성되면, 상기 오일 저장소(220)에 윤활유를 머금어 오일 저장소(220)가 윤활유를 저장하고 엔진 밸브의 표면에 윤활유를 공급하는 기능을 하게 되어 윤활 효과를 향상시키게 된다.

상기 오일 저장소(220)는 도시된 바와 같이 원형으로 단면은 반원의 딤플 형태로 형성되는 것이 일반적이며, 도면에 도시되지는 않았으나 마찰면의 형상이나 마찰방향에 따라 사각형 또는 타원형 등 여러 형상으로 가공될 수 있고, 오일 저장소(220)의 간격도 다양하게 형성될 수 있다.

나아가, 도 4에 도시된 바와 같이 오일 저장소(220)는 딤플 형태 뿐만 아니라 그루브형태를 가질 수도 있으며 볼핀의 운동방향 및 적용 형태에 따라 윤활효과를 높이기 위해 다양한 형태를 가질 수 있다.

따라서, 상기 오일 저장소(220)로 인하여 충분한 윤활이 가능하게 되어 마찰 저항이 줄어들고, 볼핀(200)과 캡(300)의 손상, 마모 및 끼임 현상을 방지할 수 있게 된다.

상기 볼핀(200)의 오일 저장소(220)가 있는 면은 이론적으로 캡(300)과 접촉하는 전체 면적에 형성되는 것이 윤활효과가 가장 좋을 것이나, 오일 저장소(220)의 면적비가 30% 이상일 경우 직접 접촉하여 지지하는 면적이 줄어 오히려 하중을 지지하는 힘이 감소하여 접촉부분의 손상 가능성이 커지게 된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 미세가공 부분의 면적비의 시험데이터를 통해 설명하면 비교예는 볼핀에 오일 저장소가 없는 경우이며, 실시예 1-1 내지 1-5는 딤플 형태의 오일 저장소가 마련되고 실시예 2-1 내지 2-5는 그루브 형태의 오일 저장소가 마련된 볼핀에 있어서 오일 저장소의 면적만을 달리하여 마모량 및 마찰계수를 측정한 것이다.

시험 결과 기존의 비교예에 비하여 실시예의 마모량과 마찰계수가 줄어든 것을 확인할 수 있으며, 실시예 1-5와 실시예 2-5와 같이 미세가공된 면적비 40%이상으로 증가하게 되면 오히려 마모량이 증가하게 되어 역효과가 발생함을 알 수 있다.

또한, 도시되지는 않았으나 오일 저장소의 미세가공된 면적이 면적비가 3% 이내일 경우 윤활유 저장의 효과가 미미하며, 면적비가 10 % 이상 20% 내외일 경우에는 가공된 면적에 비하여 윤활효과 및 내마모성이 가장 우수한 결과를 보이고 있다.

결과적으로 접촉하게 되는 면과의 전체 접촉면적 대비하여 오일 저장소(220)의 면적비는 30% 이내에서 적용 형태에 따라 가변적으로 적용하는 것이 바람직할 것이다.

또한, 상기 오일 저장소(220)가 차지하는 전체 면적의 변경뿐만 아니라 오일 저장소(220)가 마련되는 마찰 부위도 다양하게 변경이 가능하며 볼핀의 사용형태에 따라 최적의 오일 저장소(220)의 형태와 위치를 변경하여 적용이 가능할 것이다.

상기 오일 저장소(220)의 윤활유는 함침 형태로 저장하는 것이 바람직하나, 볼핀(200)의 상부에 오일 홀 가공을 통해 윤활유를 공급하여 저장하게 할 수도 있으며 이 경우 지속 충분한 윤활유의 공급이 가능할 것이다.

또한, 오일 저장소(220)의 내부는 윤활유 역할을 하는 Polymer, MoS₂ 등의 고체 윤활제로 채워질 수 있으며, 별도의 윤활유의 공급이 없더라도 윤활 효과를 발생시키며 별도의 윤활유와 병행하여 사용할 수 있다.

도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진 밸브 트레인의 볼핀 장치를 살펴보면, 푸시로드(600)와 일단이 연결되어 동력을 전달받는 로커암(100), 상기 로커암(100)의 타단과 결합하는 볼핀(200) 및 상기 볼핀(200)과 결합하고 캘리퍼(400)와 연결되는 캡(300)을 포함하고, 상기 캡(300)에는 상기 볼핀(200)과 접촉하는 캡 구형부(310)가 마련되고, 상기 캡 구형부(310)에는 상기 볼핀(200)과 접촉하는 표면에 미세 가공된 오일 저장소를 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 오일 저장소는 볼핀 장치에서 볼핀(200) 뿐만 아니라 상기 캡(300)에서 볼핀(200)과 접촉하는 캡 구형부(310)의 안쪽에 함께 마련되어 윤활효과를 증대시 킬 수 있으며, 양쪽의 오일 저장소의 형태는 동일하거나 서로 다른 형태로 될 수 있다.

또한, 상기 볼핀 구형부(210)과 마찬가지로 상기 캡 구형부(310)에 형성된 오일 저장소가 차지하는 면적은 상기 볼핀 구형부(210)와 상기 캡 구형부(310)가 접촉하는 전체 면적과 대비하여 10%이상이며 30%이내인 것을 특징으로 할 수 있다.

나아가, 상기 캡 구형부(310)에 오일 저장소를 형성하는 경우 전술하였던 볼핀 구형부(210)에 적용 가능한 다양한 형태의 오일 저장소를 마련할 수 있을 것이다.

결론적으로, 상기 볼핀 구형부(210)와 캡 구형부(310)의 오일 저장소는 함께 구비될 수도 있고 어느 한쪽에만 적용될 수도 있을 것이며, 함께 오일 저장소를 형성하는 경우 사용 목적, 형태 및 제조 비용 등을 종합적으로 고려하여 다양한 형태로 적용하여 최적의 윤활 및 내마모 향상 효과를 기대할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로, 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 엔진 밸브 트레인의 볼핀 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 밸브 트레인의 볼핀 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 밸브 트레인의 볼핀 장치의 오일 저장부를 개략적으로 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 밸브 트레인의 볼핀 장치의 오일 저장부의 다른 실시예를 나타낸 도면.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 밸브 트레인의 볼핀 장치의 윤활 성능 시험결과를 나타낸 도면.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔진 밸브 트레인의 볼핀 장치의 캡 구형부를 나타낸 도면.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

100; 로커암 110; 로커암 샤프트

200; 볼핀 210; 볼핀 구형부

220; 오일 저장소 300; 캡

310; 캡 구형부 400; 캘리퍼

500; 엔진 밸브 600; 푸쉬로드

Claims (6)

1. 푸시로드(600)와 일단이 연결되어 동력을 전달받는 로커암(100);

   상기 로커암(100)의 타단과 결합하는 볼핀(200); 및

   상기 볼핀(200)과 결합하고 캘리퍼(400)와 연결되는 캡(300)을 포함하고,

   상기 볼핀(200)에는 상기 캡(300)과 접촉하는 볼핀 구형부(210)가 마련되고, 상기 볼핀 구형부(210)는 상기 캡(300)과 접촉하는 표면에 미세 가공된 오일 저장소(220)를 가지며,

   상기 오일 저장소(220)가 차지하는 면적은 상기 볼핀 구형부(210)와 상기 캡(300)이 접촉하는 전체 면적과 대비하여 10%이상이며 30%이내인 것을 특징으로 하는 엔진 밸브 트레인 볼핀 장치.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 오일 저장소(220)는 원형 또는 그루브 형상인 것을 특징으로 하는 엔진 밸브 트레인 볼핀 장치.
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,

   상기 오일 저장소(220)는 고체 윤활제로 채워진 것을 특징으로 하는 엔진 밸 브 트레인 볼핀 장치.
5. 푸시로드(600)와 일단이 연결되어 동력을 전달받는 로커암(100);

   상기 로커암(100)의 타단과 결합하는 볼핀(200); 및

   상기 볼핀(200)과 결합하고 캘리퍼(400)와 연결되는 캡(300)을 포함하고,

   상기 캡(300)에는 상기 볼핀(200)과 접촉하는 캡 구형부(310)가 마련되고, 상기 캡 구형부(310)에는 상기 볼핀(200)과 접촉하는 표면에 미세 가공된 오일 저장소를 가지며,

   상기 캡 구형부(310)에 형성된 오일 저장소가 차지하는 면적은 상기 볼핀 구형부(210)와 상기 캡 구형부(310)가 접촉하는 전체 면적과 대비하여 10%이상이며 30%이내인 것을 특징으로 하는 엔진 밸브 트레인 볼핀 장치.
6. 삭제

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