KR101651310B1 - 샤프트와 니들 베어링을 구비한 베어링 장치 - Google Patents

샤프트와 니들 베어링을 구비한 베어링 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 베어링 저널(2, 3)을 갖는 샤프트(1)와, 이러한 베어링 저널 상에 배치되며 케이지(16)와 이러한 케이지 내에 수용된 니들 롤러(11)를 갖는 니들 베어링(9)을 포함하는 베어링 장치에 관한 것이며, 이러한 베어링 저널에는 경화되고 미세 가공된 니들 롤러용 내부 베어링 경로(10)가 제공되며, 베어링 저널은 인접한 축 섹션(4, 5, 6, 7)의 축방향 숄더(12, 13)에 대해 반경 방향으로 함몰되며, 축방향 숄더는 축방향 숄더들 사이에 끼워진 케이지의 축방향 단부면(14, 15)에 대한 접동면으로서 사용된다. 이 경우, 내부 베어링 경로의 양측면에서 연장되는 릴리프 그루브들(17, 18)이 제공되는데, 상기 릴리프 그루브의 치수는 이들 서로 간의 축방향 간격(D)이 이들 사이에 위치하는 내부 베어링 경로 폭(B1)보다 축방향 숄더의 전체 둘레 영역에 걸쳐 확연히 더 넓어지도록 각각 설계된다.

Description

샤프트와 니들 베어링을 구비한 베어링 장치{BEARING ARRANGEMENT WITH A SHAFT AND A NEEDLE BEARING}
본 발명은 베어링 저널을 갖는 샤프트와, 이러한 베어링 저널 상에 배치되며 케이지와 이러한 케이지 내에 수용된 니들 롤러를 갖는 니들 베어링을 포함하는 베어링 장치에 관한 것이며, 이러한 베어링 저널에는 경화되고 미세 가공된 니들 롤러용 내부 베어링 경로가 제공되며, 베어링 저널은 인접한 축 섹션의 축방향 숄더에 대해 적어도 일부 둘레에서 반경 방향으로 함몰되며, 축방향 숄더는 축방향 숄더들 사이에 끼워진 케이지의 축방향 단부면에 대한 접동면으로서 사용된다.
상기 유형의 베어링 장치는 자동차 기술 잡지(MTZ), 2008년 6월호의 518쪽 내지 524쪽에 엔진의 플라이 휠의 일부로서, 니들 베어링에 의해 지지된 불평형 축의 형태로 공지되어 있다. 전체 둘레에서 반경 방향으로 함몰되는 베어링 저널의 내부 베어링 경로는 마모가 적으면서 음향적 기준에 부합하는 롤러 베어링을 보장하기 위해 표면 경도 및 표면 거칠기에 대한 요건이 까다롭다.
그러나, 베어링 저널의 샤프트가 (대개 베어링 저널의 유도 가열을 통해) 국부적으로 경화될 때의 열유입은 내부 베어링 경로에 바로 이어지는 축방향 숄더의 너무 심한 가열을 야기하는데, 이는 열이 이러한 베어링 저널의 기하 구조에 의해 바람직하지 못하게 배출될 수밖에 없기 때문이다. 이는 축방향 숄더 및 인접한 축 섹션 내에 응력 균열이 발생할 위험을 내포하고 있다.
본 발명의 목적은 도입부에 언급한 유형의 베어링 장치를 가능한 적은 비용으로, 베어링 저널의 열처리가 공정상 안전하게 실행될 수 있도록 구조적으로 개선하는 것이다.
본 발명에 따라, 상기 목적은 내부 베어링 경로의 양측면에서 연장되는 릴리프 그루브들이 제공되는데, 상기 릴리프 그루브의 치수는 이들 서로 간의 축방향 간격이 이들 사이에 위치하는 내부 베어링 경로 폭보다 축방향 숄더의 전체 둘레 영역에 걸쳐 확연히 더 넓어지도록 각각 설계됨으로써 달성된다. 베어링 저널의 열처리 동안, 열은 릴리프 그루브를 통해 대부분 배출되므로, 축방향 숄더는 훨씬 더 적게 가열된다. 이에 따라, 도입부에 언급한 응력 균열 발생에 대한 위험은 훨씬 감소한다.
본 발명의 개선예에서, 샤프트는 샤프트의 회전 축에 대해 편심된 질량 중심을 갖는 불평형 축으로서 형성되어야 하며, 내부 베어링 경로는 부하 구역에서 내부 베어링 경로를 가압하는 불평형 부하에 대해 실질적으로 정지되고, 360°에 훨씬 미달하며, 바람직하게는 170° 내지 190° 사이의 축방향 숄더 둘레 영역 내에서 부하 구역이 연장된다. 즉, 도입부에 인용된 선행 기술과는 달리 축방향 숄더는 전체 둘레 영역에 걸쳐 상응하게 링 형태를 갖는 축방향 접동면을 갖도록 형성되는 것이 아니라, 단지 국부적으로 내부 베어링 경로 상의 고정 부하 구역의 영역에서 링 부재 형태의 축방향 접동면을 갖도록 형성된다. 이러한 구조 형태에서 니들 베어링의 케이지가 여전히 충분히 축방향으로 베어링 저널에 고정되는 동안, 직경 방향으로 부하 구역에 대해 대향 배치된 축방향 숄더 섹션들의 제거는 불평형 축의 바람직한 질량 감소를 야기한다.
또한, EP 1 775 484 A1호에 기본적으로 공지된 바와 같이, 내부 베어링 경로는 둘레가 변화하는 폭을 갖고, 부하 구역으로부터 시작하여 부하 구역 외에서 현저하게 좁아지거나 둘레에서 국부적으로 0의 폭으로 중단됨으로써, 불평형 축의 특히 두드러진 질량 감소가 달성될 수 있다. 중단된 내부 베어링 경로를 갖는 베어링 저널은 원형 섹션을 포함하지 않는다. 가능한 단면 형태는 원형 섹션 및 원형 세그먼트가 존재하지 않는 원형 단면에 기초하거나, 예를 들어 WO 2007/121861 A1호에 공지된 바와 같이 자유 형태이다.
이러한 경우, 호닝을 이용하여 내부 베어링 경로를 미세 가공하는 것이 바람직한데, 이는 순수 실린더 형태와 다른 내부 베어링 경로의 기하 구조가 미세 연삭 가공, 예를 들어 밴드 피니싱에 적용하기 쉽지 않거나, 문제없이 적용하기 쉽지 않기 때문이다. 이 경우, 내부 베어링 경로의 양측면에서 연장되는 릴리프 그루브들은 축방향 숄더 내로의 너무 심한 열 도입이 방지될 뿐만 아니라, 균일한 가공 결과물을 위해 필요한 호닝 공구의 오버런부가 양측면에서 축방향으로 얻어지도록 치수 설계된다. 피니쉬 공정에서 진폭을 위해, 각 면당 2㎜ 이상의 폭이 바람직하다. 부품의 치수 및 기하 구조에 따라 양측면의 릴리프 그루브는 훨씬 더 크게 형성될 수도 있다.
또한, 축방향 숄더들 사이에 위치하는 내부 베어링 경로 폭이 니들 롤러의 길이보다 길며, 케이지는 둘레에 분배된 개구들에 의해 관통되고, 이러한 개구들은 니들 롤러의 양측면에서 축방향으로 연장되는 것이 가능하다. 바람직하게 사출 성형된 플라스틱 케이지의 경우에서, 이러한 개구들은 공구에 따라 요구될 수 있는 반면, 금속 케이지에서는 중량과, 케이지의 폭에 걸친 균일한 질량 분배와, 니들 롤러의 개선된 오일 분무 윤활(oil mist lubrication)의 관점에서 장점이 얻어질 수 있다.
본 발명의 추가의 특징들 및 실시예들은 하기의 설명부와, 본 발명에 따른 베어링 장치의 일 실시예가 도시된 도면으로부터 제시된다.
도 1은 불평형 축을 니들 베어링없이 도시한 사시도이다.
도 2는 2개 베어링 저널들 중 하나를 세부도로서 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 따른 베어링 저널을 니들 베어링이 조립된 상태로 도시한 도면이다.
도 1에는 4기통 직렬 구조를 갖는 엔진의 2차 자유 관성력 및 자유 관성 토크를 보상하기 위해 사용되는 플라이 휠을 위한 불평형 축(1)이 도시되어 있다. 이러한 경우, 플라이 휠은 2배의 크랭크 축 회전수로 반대 방향으로 회전하는 2개의 불평형 축(1)을 포함한다. 예를 들어 스프로킷 또는 기어 휠과 같이, 불평형 축(1)을 구동하기 위해 필요한 부품들은 단순한 도시를 위해 생략되었다.
단조 처리된 불평형 축(1)은 원형 단면을 갖는 2개의 베어링 저널(2 및 3)을 포함하며, 이러한 베어링 저널은 유도 경화되고, 불평형 축(1)은 엔진 내에서 반경 방향으로 이러한 베어링 저널에서 롤러 베어링에 의해 지지된다. 각각 2개 측면에서 베어링 저널(2, 3)에 인접한 축 섹션들(4 내지 7)은 경화되지 않은 불평형 섹션으로서 형성되므로, 불평형 축(1)은 회전 축(8)(도 2 참조)에 대해 편심 배치되어 불평형을 발생시키는 질량 중심을 갖는다.
도 2 및 도 3에는 베어링 저널(2)의 확대도가 니들 베어링(9)이 조립된 상태로 또는 조립되지 않은 상태로 도시되어 있으며, 이어지는 설명은 동일한 방식으로 베어링 저널(3)에 적용된다. 베어링 저널(2)에는 미세 가공되고, 이 경우에는 호닝 가공된 니들 롤러(11)용 내부 베어링 경로(10)가 제공되며, 이러한 베어링 저널은 약 180°인 일부 둘레에 걸쳐, 인접한 축 섹션(4, 5)의 축방향 숄더(12 및 13)에 대해 반경 방향으로 함몰된다. 축방향 숄더(12, 13)는 니들 베어링(9)에서 작은 축방향 유격을 지니며 축방향 숄더들(12, 13) 사이에 끼워지는 "16"으로 표시된 케이지의 축방향 단부면(14 및 15)에 대한 링 부재 형태의 축방향 접동면으로서 사용된다. 내부 베어링 경로(10)의 양측면에서 연장되는 릴리프 그루브들(17 및 18)이 제공되는데, 상기 릴리프 그루브의 폭은 이들 서로 간의 축방향 간격(D)이 이들 사이에 위치하는 내부 베어링 경로(10)의 폭(B1)보다 축방향 숄더(12, 13)의 전체 둘레 영역에 걸쳐 확연히 더 넓어지도록 설계된다.
베어링 저널(2)의 이러한 구조 형태는 한편으로, 내부 베어링 경로(10)의 유도 가열시 충분히 많은 열방출이 릴리프 그루브(17, 18)를 통해 실행되고, 균열 스트레스에 대해 현저히 높은 안정성을 갖기 위해 축방향 숄더(12, 13)가 열로부터 보호되도록 한다. 다른 한편으로, 이 경우 3㎜의 폭을 갖는 릴리프 그루브들(17, 18)은 축방향으로 최종 위치로 이동하는 내부 베어링 경로(10) 미세 가공용 호닝 공구를 위해 충분한 오버런부를 가능하게 한다.
도 2에 추가로 도시된 바와 같이, 불평형 축(1)이 회전할 때 내부 베어링 경로(10)는 함께 회전하며 불평형 부하가 가해지므로, 내부 베어링 경로(10)에는 점으로 표시한 표면 섹션을 통해 도시된 바와 같이, (동적 효과에서 제외된) 고정된 부하 구역, 즉 회전하는 내부 베어링 경로(10)에 대해 정지된 부하 구역(19)이 형성된다. 부하 구역(19)은 축방향 숄더(12, 13)의 180°의 일부 둘레 내에서 연장되고, 이러한 축방향 숄더에 대해 대칭을 이룬다. 부하 구역(19) 외의 내부 베어링 경로(10)의 낮은 부하는 내부 베어링 경로(10)가 부하 구역(19)으로부터 시작하여 부하 구역(19) 외에서 폭(B2)으로 현저하게 좁아지는 방식으로, 둘레의 폭이 변화하는 내부 베어링 경로(10)의 형태를 가능하게 한다.
도 3에서 베어링 저널(2)에 조립된 것으로 도시된 니들 베어링(9)은 부하 구역(19)의 영역에서 내부 베어링 경로(10)의 폭(B1)이 니들 롤러(11)의 길이(L)보다 긴 반면, 이러한 비율이 폭(B2)과 관련해서는 반대가 되도록 형성된다. 가능한 균일한 질량 분배와, 니들 롤러(11)의 개선된 오일 분무 윤활과, 중량 감소를 위해, 종방향 슬롯이 형성되어 베어링 저널(2)에 클립 고정된 플라스틱 케이지(16)는 2열로 개구들(20)에 의해 관통되며, 이러한 개구들은 니들 롤러(11)의 양측면에서 축방향으로 연장된다.
1 : 불평형 축
2 : 베어링 저널
3 : 베어링 저널
4 : 축 섹션
5 : 축 섹션
6 : 축 섹션
7 : 축 섹션
8 : 회전 축
9 : 니들 베어링
10 : 내부 베어링 경로
11 : 니들 롤러
12 : 축방향 숄더
13 : 축방향 숄더
14 : 축방향 단부면
15 : 축방향 단부면
16 : 케이지
17 : 릴리프 그루브
18 : 릴리프 그루브
19 : 부하 구역
20 : 개구
D : 축방향 숄더의 축방향 간격
B1 : 축방향 숄더들 사이의 내부 베어링 경로 폭
B2 : 좁아지는 영역의 내부 베어링 경로 폭
L : 니들 롤러의 길이

Claims (6)

  1. 베어링 저널(2, 3)을 갖는 샤프트(1)와, 상기 베어링 저널(2, 3) 상에 배치되며 케이지(16)와 상기 케이지 내에 수용된 니들 롤러(11)를 갖는 니들 베어링(9)을 포함하는 베어링 장치이며,
    상기 베어링 저널(2, 3)에는 경화되고 미세 가공된 니들 롤러(11)용 내부 베어링 경로(10)가 제공되며, 상기 베어링 저널은 적어도 일부 둘레에서, 인접한 축 섹션(4, 5, 6, 7)의 축방향 숄더(12, 13)에 대해 반경 방향으로 함몰되며, 축방향 숄더(12, 13)는 축방향 숄더들(12, 13) 사이에 끼워진 케이지(16)의 축방향 단부면(14, 15)에 대한 접동면으로서 사용되는 베어링 장치에 있어서,
    내부 베어링 경로(10)의 양측면에서 연장되는 릴리프 그루브들(17, 18)이 제공되는데, 상기 릴리프 그루브의 치수는 이들 서로 간의 축방향 간격(D)이 이들 사이에 위치하는 내부 베어링 경로(10)의 폭(B1)보다 축방향 숄더(12, 13)의 전체 둘레 영역에 걸쳐 더 넓어지도록 각각 설계되고,
    내부 베어링 경로(10)는 호닝을 이용하여 미세 가공되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
  2. 제1항에 있어서, 샤프트(1)는 샤프트의 회전 축(8)에 대해 편심된 질량 중심을 갖는 불평형 축으로서 형성되며, 내부 베어링 경로(10)는 부하 구역(19)에 내부 베어링 경로(10)를 가압하는 불평형 부하가 고정적으로 가해지고, 부하 구역(19)은 360°에 미달하는 축방향 숄더(12, 13) 둘레 영역 내에서 연장되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
  3. 제2항에 있어서, 축방향 숄더들(12, 13)의 둘레 영역은 170°를 초과하고 190° 미만인 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
  4. 제2항에 있어서, 내부 베어링 경로(10)는 둘레가 변화하는 폭(B1, B2)을 갖고, 부하 구역(19)으로부터 시작하여 부하 구역(19) 외에서 좁아지거나 둘레에서 국부적으로 0의 폭으로 중단되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 축방향 숄더들(12, 13) 사이에 위치하는 내부 베어링 경로(10)의 폭(B1)이 니들 롤러(11)의 길이(L)보다 길며, 케이지(16)는 둘레에 분배된 개구들(20)에 의해 관통되고, 상기 개구들은 니들 롤러(11)의 양측면에서 축방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 베어링 장치.
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