KR101648990B1 - 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자를 개시한다. 상기 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자는 액체 윤활제를 매개로 하여 캠과 상대운동을 하는 엔진의 밸브 트레인용 캠 종동자에 있어서, 상기 캠(2)과 접하는 접촉면(11)의 일부분에 형성되는 경화부(12); 및 상기 경화부(12) 외의 나머지 부분에 형성되는 복수 개의 미세 오일홈(13);을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 내마찰성과 내마모성을 향상시켜 고온, 고압, 윤활유 부족의 가혹한 조건에서도 캠-캠 종동자의 안정적인 접촉을 유지할 수 있게 하고, 부품의 성능의 개선과 수명을 연장시키고 가공공정에서의 가공공수를 최소화할 수 있게 한다.

Description

내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자{Cam follower with reinforced wear and friction resistances}

본 발명은 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체 윤활제를 매개로 하여 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자의 마모 및 마찰 특성을 강화시키고 부품의 성능과 유효수명을 증대시키며, 가공공수를 최소화할 수 있는 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자에 관한 것이다.

일반적으로, 엔진은 크랭크축의 회전력에 의해 캠축이 회전되고, 상기 캠축에 형성된 캠에 의해 흡기 및 배기 밸브가 일정시간 간격으로 상하로 왕복운동하면서 흡기 밸브에 의해 연소실에 외부공기가 공급되고 이와 동시에 연소실에 연료가스가 분사되어, 혼합가스를 압축 및 폭발시켜 배기 밸브에 의해 연소가스가 배기되며, 위와 같은 폭발압력에 의해 동력을 얻는 과정이 반복된다.

도 1은 일반적인 차량의 밸브 트레인을 보여주는 개략 단면도이고, 도 2는 일반적인 캠 종동자를 보여주는 개략 사시도이다.

상기와 같이 흡기 및 배기 밸브를 작동시키기 위한 캠축, 캠, 캠 종동자(또는 태핏), 푸쉬 로드, 로커암, 밸브 스프링, 밸브 등의 일련의 요소들을 포함하는 유닛을 밸브 트레인이라 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 밸브 트레인을 도시하고 도 2는 상기 밸브 트레인에 구비되는 캠 종동자를 도시한 것으로서, 캠축(1)에는 다수 개의 캠(2)이 축선을 따라 일정간격을 두고 형성되고, 엔진 바디블록(3) 내에 상하로 슬라이딩 가능하게 구비되는 푸쉬로드(4)의 하단부에는 상기 캠(2)과 접촉되는 캠 종동자(5)를 구비한다. 상기 캠 종동자(5)는 보통 태핏 또는 타펫(tappet)으로 불리기도 한다.

또한, 상기 푸쉬로드(4)의 상단부는 로커암(6)의 일측에 피봇 연결되고, 상기 로커암(6)의 타측에는 실린더 헤드블록(7)의 흡기 포트 또는 배기 포트에 제공되고 밸브 스프링(8)에 의해 탄성 지지되는 밸브(9)의 상단부가 피봇 연결된다.

따라서 상기 캠 종동자(5)는 상기 캠축(1)의 캠(2)과의 접촉을 통해 상기 캠축(1)의 회전운동을 상하운동으로 전환시켜 상기 푸쉬로드(4), 상기 로커암(6) 및 상기 밸브(9)에 동력을 전달할 수 있게 된다.

그러나, 상기 캠 종동자(5)는 위와 같은 작동과정에서 상기 캠축(1)의 캠(2)과 접촉을 하게 되는데 상기 캠(2)과의 접촉면적이 좁고 선접촉을 하게 되어 높은 면압이 발생하고 윤활에 있어서도 혼합윤활 또는 경계윤활 상태에서 동작하는 경우가 많다.

이러한 작동과정에서 상기 캠 종동자(5)는 마찰과 마모에 취약하게 되며, 장기간 그러한 환경에 노출되는 경우 상기 캠 종동자(5)와 상기 캠(2)이 손상될 수 있고 이는 밸브 트레인 전체가 작동이 어려워지는 문제가 발생한다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 일각에서는 상기 캠 종동자(5)의 전체를 경한 재질로 제작하거나 상기 캠(2)과 접촉하는 상기 캠 종동자(5)의 대응면에 경한 재질의 조각을 접합하여 내마모성을 증가시키는 방법을 사용하기도 한다. 하지만 이러한 제작방법은 가공공정이 복잡하고 제작하는데 소요되는 시간이 길며, 상기 캠 종동자(5)와 상대접촉을 하는 캠(2)의 마모를 증가시키는 문제가 있다.

다른 방법으로서, 상기 캠(2)과 접촉하는 상기 캠 종동자(5)의 대응면에 고주파 열처리를 진행하여 내마모성을 증가시키는 방법이 있다. 하지만 고주파 열처리의 경우 열처리 깊이의 제어가 쉽지 않다. 또 다른 방법으로서, 상기 캠(2)과 접촉하는 상기 캠 종동자(5)의 대응면에 코팅 또는 도금층을 형성시켜 내마찰성의 향상을 고려할 수 있으나 이 경우에도 가공공정이 복잡하고 제작하는데 소요되는 시간이 길며, 불필요하게 처리되는 부분이 발생될 수 있다.

이에, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 내마찰성과 내마모성을 향상시켜 고온, 고압, 윤활유 부족의 가혹한 조건에서도 캠-캠 종동자의 안정적인 접촉을 유지할 수 있게 하며, 부품의 성능의 개선과 수명을 연장시키고 가공공정에서의 가공공수를 최소화할 수 있는 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 액체 윤활제를 매개로 하여 캠과 상대운동을 하는 엔진의 밸브 트레인용 캠 종동자에 있어서,

상기 캠과 접하는 접촉면의 일부분에 형성되는 경화부; 및

상기 경화부 외의 나머지 부분에 형성되는 복수 개의 미세 오일홈;을 포함하는 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자를 제공한다.

또한, 본 발명은 위의 본 발명의 일실시예에 대하여 다음의 구체적인 실시예들을 더 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 경화부는 상기 캠 종동자의 접촉면의 중앙부분에 형성되는 적어도 하나의 중앙 경화부와, 상기 중앙 경화부의 반경방향 외측에 유격을 두고 형성되는 적어도 하나의 주변 경화부로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 경화부의 면적비율은 상기 캠 종동자의 접촉면의 50~70%인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 경화부의 경화깊이는 0.4mm 이내인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 각 미세 오일홈의 깊이는 0.02mm 이내인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 각 미세 오일홈의 상부 개방 면적은 0.01 ~ 0.03mm² 이내인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 미세 오일홈 간의 간격은 0.2 ~ 0.5mm 이내인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 경화부는 레이저 조사를 통해 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명은 캠 종동자의 접촉면에 경화부와 복수 개의 미세 오일홈을 제공하여, 내마찰성과 내마모성을 향상시켜 고온, 고압, 윤활유 부족의 가혹한 조건에서도 캠-캠 종동자의 안정적인 접촉을 유지할 수 있게 하고, 부품의 성능의 개선과 수명을 연장시키고 가공공정에서의 가공공수를 최소화할 수 있게 한다.

도 1은 일반적인 차량의 밸브 트레인을 보여주는 개략 단면도.
도 2는 일반적인 캠 종동자를 보여주는 개략 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자를 보여주는 개략 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자의 개략 부분 확대도.
도 5는 본 발명에 따른 캠 종동자의 캠 접촉면에 대한 레이저 조사 경화면적 대비 마모/마찰 시험에 따른 마모량과 마모(scuffing) 발생시간을 비교한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 캠 종동자의 캠 접촉면에 대한 미세 오일홈의 면적과 간격에 따른 캠-캠 종동자 한계하중을 비교한 그래프.

이하, 본 발명에 따른 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자의 실시예를 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자(10)는 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 액체 윤활제를 매개로 하여 캠과 상대운동을 하는 엔진의 밸브 트레인용 캠 종동자에 있어서, 상기 캠(2)과 접하는 접촉면(11)의 일부분에 형성되는 경화부(12)와, 상기 경화부(12) 외의 나머지 부분에 형성되는 복수 개의 미세 오일홈(13)을 포함한다.

본 발명에 따른 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자(10)는 위와 같이 상기 캠(2)과 접하는 접촉면(11)의 일부분에 경화부(12)를 구비하고 상기 경화부(12) 외의 나머지 부분에 복수 개의 미세 오일홈(13)을 구비하여, 상기 경화부(12)와 상기 복수 개의 미세 오일홈(13)을 통해 내마찰성과 내마모성을 향상시켜 고온, 고압, 윤활유 부족의 가혹한 조건에서도 캠-캠 종동자의 안정적인 접촉을 유지할 수 있게 한다.

또한, 본 발명에 따른 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자는 전술한 바와 같은 기본구성에 다음의 구체적인 실시예들로 더 한정되는 형태로 이루어질 수 있다.

일실시예로, 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 경화부(12)는 상기 캠 종동자(10)의 접촉면(11)의 중앙부분에 형성되는 적어도 하나의 중앙 경화부(12a)와, 상기 중앙 경화부(12a)의 반경방향 외측에 유격을 두고 형성되는 적어도 하나의 주변 경화부(12b)로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 중앙 경화부(12a)는 원 또는 타원 형태로 이루어질 수 있고, 상기 주변 경화부(12b)는 일정영역을 갖는 원호 형태로 이루어질 수 있다.

일실시예로, 상기 경화부(12)의 크기, 간격 및 개수는 엔진의 특성, 캠 종동자와 캠의 특성, 재질 및 크기에 따라 적절하게 조절 가능하나 상기 경화부(12)의 면적비율은 상기 캠 종동자(10)의 접촉면(11)의 50~70%인 형태로 제공되는 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 경화부(12)의 면적비율이 상기 캠 종동자(10)의 접촉면(11)의 50% 미만인 경우 경화에 의한 효과가 잘 나타나지 않고 70%를 초과하는 경우 상기 미세 오일홈(13)의 가공부분이 부족해져 상기 미세 오일홈에 의한 윤활 향상 효과가 없게 된다.

일실시예로, 상기 경화부(12)의 경화깊이는 0.4mm 이내인 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 캠 종동자(10)의 접촉면(11)에 0.4mm를 초과하는 마모가 발생하면 이미 상기 캠 종동자로서의 기능을 상실하기 때문이다. 또한 상기 경화부(12)의 경화깊이가 0.4mm를 초과하도록 하는 가공은 비효율적이며, 가공중 상기 캠 종동자(10)의 가공 변형이 심하게 발생될 수 있다.

일실시예로, 상기 각 미세 오일홈(13)의 깊이는 0.02mm 이내인 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 각 미세 오일홈(13)의 깊이가 0.02mm 이하일 때 유막 압력 발생효과가 증대되어 윤활 개선 효과가 뛰어나기 때문이다. 또한 상기 각 미세 오일홈(13)의 깊이가 0.02mm를 초과하는 경우 추가적인 윤활 향상 효과는 없으며, 상기 미세 오일홈(13)에 남게 되는 윤활유의 양이 많아져 오히려 엔진 오일의 소모가 많아진다. 상기 미세 오일홈(13)은 프레스 장비를 이용한 원형 형태의 딤플 가공을 원칙을 하지만 엔진의 특성, 캠 종동자와 캠의 특성, 재질 및 크기에 따라 적절하게 가공될 수 있다.

일실시예로, 상기 각 미세 오일홈(13)의 상부 개방 면적은 0.01 ~ 0.03mm² 이내인 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 미세 오일홈(13)의 면적이 0.01mm² 미만이면 오일의 저장량이 매우 적을 뿐만 아니라 가공이 어렵고 0.03mm²을 초과하면 마찰 면압이 증가하여 오히려 마찰 특성이 저하된다.

일실시예로, 상기 미세 오일홈(13) 간의 간격은 0.2 ~ 0.5mm 이내인 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 미세 오일홈(13) 간의 간격이 0.2mm 미만이면 오일의 저장량이 필요 이상으로 늘어나는 문제가 있고 0.5mm를 초과하면 충분한 미세 오일홈(13)을 확보할 수 없어 윤활 향상 효과가 나타나지 않는다.

일실시예로, 상기 경화부(12)는 레이저 조사를 통해 이루어질 수 있으며, 필요에 따라 화학적 처리 등과 같은 적절한 가공방법을 통해서도 이루어질 수 있다.

전술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자의 효과를 다음과 같은 실험을 통하여 증명하여 보았다.

본 발명에 따른 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자(10)의 경화부(12)의 면적 비율에 따른 내마모성과 내마찰성을 확인하여 보았다. 구체적으로 표 1에서와 같이, 상기 경화부(12)의 면적 비율을 실시예 1 ~ 5까지 각각 다르게 하고, 상기 경화부(12) 외의 상기 캠 종동자(10)의 접촉면(11)에 미세 오일홈(13)을 형성하였다. 또한 비교를 위하여 캠 종동자의 접촉면에 경화부 및 미세 오일홈이 형성되지 않은 조건을 비교예 1로 하였다.

구 분	경화면적 (%)
비교예 1	미경화
실시예 1	30
실시예 2	50
실시예 3	70
실시예 4	90

평가시험은 가속 마모시험에서의 캠 종동자(또는 태핏)의 마모량과 가혹 윤활조건에서 마모(scuffing)가 일어나는 시간을 확인하는 시험을 각각 실시하였다. 도 5에 보여진 결과와 같이, 경화면의 면적 비율이 50% 이상일 때 내마모성의 감소폭이 크고, 50 ~ 70%일 때 내마찰성의 향상이 두드러짐을 확인할 수 있었다. 따라서, 상기 두 결과를 종합해 보면, 경화면의 면적 비율이 50 ~ 70%일 때 내마모성과 내마찰성이 동시에 확보됨을 확인할 수 있다.

다음은 본 발명에 따른 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자(10)의 미세 오일홈(13)의 상부 개방 면적과 간격을 변수로 하여 캠-캠 종동자 조합의 한계하중을 확인하여 보았다. 구체적으로 표 2에서와 같이, 상기 미세 오일홈(13)의 상부 개방 면적과 간격을 실시예 5 ~ 13으로 설정하였으며, 상기 경화부(12)의 면적 비율은 50%로 하였고 상기 미세 오일홈(13)의 가공깊이는 0.02mm로 설정하였다. 또한 비교를 위하여 캠 종동자의 접촉면에 경화부 및 미세 오일홈이 형성되지 않은 조건을 비교예 2로 하였다.

구분	면적(mm2)	간격(mm)
비교예 2	-	-
실시예 5	0.01	0.2
실시예 6	0.01	0.5
실시예 7	0.01	0.8
실시예 8	0.03	0.2
실시예 9	0.03	0.5
실시예 10	0.03	0.8
실시예 11	0.05	0.2
실시예 12	0.05	0.5
실시예 13	0.05	0.8

평가시험은 캠 폭당 하중을 증가시키면서 마모 형태를 확인하여 불균일하고 심한 마모가 발생한 하중조건을 판단하였으며, 심한 마모가 발생하기 전의 하중조건을 한계하중으로 하였다. 도 6에 보여진 결과와 같이, 상기 미세 오일홈(13)의 상부 개방 면적이 0.03mm 이내일 때와 상기 미세 오일홈(13)의 간격이 0.5mm 이내일 때 한계하중이 상승됨을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서의 단순 치환, 변형 및 변경은 당 분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.

2: 캠 10: 캠 종동자
11: 접촉면 12: 경화부
12a: 중앙 경화부 12b: 주변 경화부
13: 미세 오일홈

Claims (8)

1. 액체 윤활제를 매개로 하여 캠과 상대운동을 하는 엔진의 밸브 트레인용 캠 종동자에 있어서,
   상기 캠(2)과 접하는 접촉면(11)의 일부분에 형성되는 경화부(12); 및
   상기 경화부(12) 외의 나머지 부분에 형성되는 복수 개의 미세 오일홈(13)을 포함하고,
   상기 경화부(12)는,
   상기 캠 종동자(10)의 접촉면(11)의 중앙부분에 형성되는 적어도 하나의 중앙 경화부(12a)와, 상기 중앙 경화부(12a)의 반경방향 외측에 유격을 두고 형성되는 적어도 하나의 주변 경화부(12b)로 구성된 것인 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 경화부(12)의 면적비율은 상기 캠 종동자(10)의 접촉면(11)의 50~70%인 것인 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 경화부(12)의 경화깊이는 0.4mm 이내인 것인 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 각 미세 오일홈(13)의 깊이는 0.02mm 이내인 것인 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 각 미세 오일홈(13)의 상부 개방 면적은 0.01 ~ 0.03mm² 이내인 것인 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 미세 오일홈(13) 간의 간격은 0.2 ~ 0.5mm 이내인 것인 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 경화부(12)는 레이저 조사를 통해 이루어진 것인 내마모성 및 내마찰성을 강화시킨 캠 종동자.
   
   

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