KR102583359B1 - 크랭크 샤프트 및 이를 구비하는 선박용 엔진 - Google Patents

Abstract

기관실의 비대화를 초래하지 않고, 양호한 토크 전달과, 주베어링 메탈의 손상 억제를 실현한다.
크랭크 샤프트(5)는, 크랭크 저널(51)과 크랭크 암(53)을 수축 끼워맞춤에 의해 결합되어 이루어진다. 크랭크 암(53)은, 크랭크 저널(51)이 삽입되는 원형상의 개구부(53a)를 갖는다. 개구부(53a)의 중심축(A3)을 따라 크랭크 암(53)을 봤을 때, 크랭크 핀(52)의 중심축(A2)과 개구부(53a)의 중심축(A3)을 잇는 방향을 제 1 방향으로 하고, 그 제 1 방향에 직교하는 방향을 제 2 방향으로 하며, 개구부(53a)의 중심축(A3)으로부터 크랭크 암(53)의 외면(53b)까지의 치수와, 개구부(53a)의 내부 반경(R)과의 차분을 개구부(53a) 주변의 두께로 하면, 개구부(53a) 주변의 두께 중, 제 2 방향에서의 두께(T2)는, 제 1 방향에 있어서 개구부(53a)를 사이에 두고 크랭크 핀(52)의 반대측에 위치하는 부위의 두께(T1)보다 크다.

Description

크랭크 샤프트 및 이를 구비하는 선박용 엔진{CRANKSHAFT AND MARINE ENGINE INCLUDING THE SAME}

본 개시는, 크랭크 샤프트, 및 이를 구비하는 선박용 엔진에 관한 것이다.

크랭크 핀, 크랭크 암 및 크랭크 저널 중, 적어도 크랭크 암과 크랭크 저널을 수축 끼워맞춤(shrink fit)에 의해 결합되어 이루어지는 크랭크 샤프트는 널리 알려진 사항이다.

예를 들어 특허문헌 1에는, 이른바 반조립형의 크랭크 샤프트가 개시되어 있다. 이 크랭크 샤프트는, 크랭크 핀과 크랭크 암을 일체화하여 이루어지는 웨브와, 그 웨브에 수축 끼워맞춤 처리되는 크랭크 저널(저널축)을 구비한 구성으로 되어 있다.

또한 비특허문헌 1에는, 반조립형의 크랭크 샤프트의 다른 예가 개시되어 있다. 구체적으로, 이 비특허문헌 1에는, 크랭크 암의 외면 중, 크랭크 저널이 삽입되는 개구부 부근의 외면을 원호형으로 형성하는 것과, 그 외면과 개구부를 동일축으로 배치하는 것이 개시되어 있다.

상기 비특허문헌 1에 의하면, 직경 방향에서의 상기 개구부 주변의 두께는, 대략 일정하게 유지되도록 되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 실용신안공개 소52-151218호 공보

비특허문헌 1 : 야스다 마스이치, 사카모토 이사오, 츠지 스케요시히코 저 "반조립형 크랭크축의 반복 굽힘 피로 강도에 대하여", 조선협회 논문집, 제 112호, 1962년

그런데, 전술한 바와 같은 크랭크 샤프트에는, 토크 전달에 지장을 초래하지 않도록, 수축 끼워맞춤부의 면압을 높게 유지하는 것이 요구된다. 이를 위해서는, 예를 들어 크랭크 암의 개구부와 크랭크 저널 사이의 수축 끼워맞춤 여유값을 가능한 한 크게 설계하는 것을 생각할 수 있다.

그러나, 이와 같이 설계했을 경우, 크랭크 암의 개구부 주변(수축 끼워맞춤부)에 작용하는 응력이 과대해져, 크랭크 샤프트의 구성 재료의 항복점을 초과해버릴 우려가 있다. 이에 대처하기 위해서는, 중심축 방향에서의 크랭크 암의 판 두께를 크게 하거나, 직경 방향에서의 개구부 주변의 두께를 크게 함으로써, 크랭크 암에 작용하는 응력을 저하시키는 것을 생각할 수 있다.

그러나, 중심축 방향에서의 판 두께를 크게 했을 경우, 크랭크 샤프트의 전체 길이가 길어져버린다. 이 경우, 엔진의 전체 길이도 길어지므로 기관실의 비대화를 초래하게 된다. 기관실의 비대화는, 화물 등의 적재 공간을 압박하기 때문에, 특히 선박용 엔진에는 바람직하지 않다.

한편, 직경 방향에서의 개구부 주변의 두께를 크게 했을 경우, 연접봉 등, 엔진을 구성하는 다른 부재와 크랭크 암과의 간섭이 우려된다. 이러한 간섭을 억제하기 위해서는, 엔진을 더 높게 설계하는 것이 요구되므로, 역시 기관실의 비대화를 초래하게 된다. 전술한 바와 같이, 기관실의 비대화는, 특히 선박용 엔진에는 바람직하지 않다.

더불어, 토크 전달 시 크랭크 암이 크게 변형되어버리면, 크랭크 저널이 주베어링에 편심 접촉하여, 주베어링 메탈의 손상을 초래할 우려가 있다. 따라서, 크랭크 암의 강성을 높여, 그 변형을 작게 하는 등의 방책이 요구된다.

본 개시는, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 기관실의 비대화를 초래하지 않고, 양호한 토크 전달과, 주베어링 메탈의 손상 억제를 실현하는 데 있다.

본 개시의 제 1 양태는, 크랭크 저널, 크랭크 핀 및 크랭크 암 중, 적어도 크랭크 저널과 크랭크 암을 수축 끼워맞춤에 의해 결합시켜 이루어지는 크랭크 샤프트에 따른다.

그리고, 본 개시의 제 1 양태에 의하면, 상기 크랭크 암은, 상기 크랭크 저널이 삽입되는 원형상의 개구부를 갖고, 상기 개구부의 중심축을 따라 상기 크랭크 암을 봤을 때, 상기 크랭크 핀의 중심축과 상기 개구부의 중심축을 잇는 방향을 제 1 방향으로 하고, 상기 제 1 방향에 직교하는 방향을 제 2 방향으로 하며, 상기 개구부의 중심축으로부터 상기 크랭크 암의 외면까지의 치수와, 상기 개구부의 내부 반경과의 차분을 상기 개구부 주변의 두께로 하면, 상기 개구부 주변의 두께 중, 상기 제 2 방향에서의 두께는, 상기 제 1 방향에 있어서 상기 개구부를 사이에 두고 상기 크랭크 핀의 반대측에 위치하는 부위의 두께보다 크다.

상기 제 1 양태에 의하면, 개구부 주변의 두께 중, 제 1 방향에 있어서 개구부를 사이에 두고 크랭크 핀의 반대측에 위치하는 부위의 두께를 “제 1 두께”로 호칭하고, 제 2 방향에서의 두께를 “제 2 두께”로 호칭하면, 제 2 두께에 비하여 제 1 두께를 작게 하게 된다. 이 제 1 두께는, 크랭크 핀이 하사점에 있을 때, 연접봉과 접근하는 부위의 두께에 해당된다. 따라서, 크랭크 암의 수축 끼워맞춤부에 작용하는 응력이 과대해지지 않는 범위 내에서 제 1 두께를 작게 함으로써, 크랭크 암과, 엔진을 구성하는 각종 부품 중, 특히 연접봉과의 간섭이 억제된다. 그 결과, 엔진을 보다 낮게 설계할 수 있게 되어, 기관실의 비대화를 억제할 수 있게 된다.

한편, 제 1 두께에 비하여 제 2 두께를 크게 함으로써, 크랭크 암의 강성을 높여, 그 변형을 억제할 수 있다. 이 제 2 두께는, 크랭크 샤프트의 중심축 방향의 판 두께가 아니라, 그 중심축 방향에 직교하는 방향의 두께에 해당된다. 따라서, 제 2 두께를 상대적으로 크게 함으로써, 엔진 더 나아가 기관실의 비대화를 억제하면서, 크랭크 암의 강성을 높일 수 있다. 크랭크 암의 강성을 높임으로써, 토크 전달 시의 크랭크 암의 변형을 억제하여, 크랭크 저널과 주베어링 사이의 편심 접촉을 회피할 수 있게 된다. 이로써, 주베어링 메탈의 손상을 억제할 수 있다.

이와 같이, 상기 제 1 양태에 의하면, 기관실의 비대화를 초래하지 않고, 양호한 토크 전달과, 주베어링 메탈의 손상 억제를 실현할 수 있다.

또한, 본 개시의 제 2 양태에 의하면, 상기 크랭크 암의 외면 중, 상기 제 1 방향에 있어서 상기 크랭크 핀보다 상기 개구부에 근접하는 부위의 외면을 제 1 외벽면으로 호칭하면, 당해 제 1 외벽면의 적어도 일부는 원호형으로 형성되고, 상기 개구부의 중심축은, 상기 제 1 외벽면의 중심축에 대하여, 상기 제 1 방향을 따라 상기 크랭크 핀으로부터 이간되는 방향으로 오프셋되어도 된다.

상기 제 2 양태에 의하면, 제 1 외벽면의 곡면 형상을 강구하지 않더라도, 개구부의 중심축을 제 1 방향을 따라 오프셋시키는 것만으로, 제 1 두께와, 제 2 두께를 다르게 할 수 있다. 이로써, 제조 비용의 증대를 억제할 수 있다.

또한, 본 개시의 제 3 양태에 의하면, 상기 개구부의 내부 반경을 R로 하고, 상기 개구부 주변의 두께 중, 상기 제 1 방향에 있어서 상기 개구부를 사이에 두고 상기 크랭크 핀의 반대측에 위치하는 부위의 두께를 T1로 하면,

T1＜R

의 관계가 만족될 수 있다.

본원 발명자들이 예의 검토한 결과, 얻어진 지견에 의하면, 상기 관계가 만족되도록 크랭크 암을 설계함으로써, 개구부의 내부 반경, 더 나아가 크랭크 암과 크랭크 저널과의 수축 끼워맞춤 여유값을 최소한 확보할 수 있다. 그 결과, 보다 양호한 토크 전달과, 주베어링 메탈의 손상 억제를 실현할 수 있게 된다.

또한, 본 개시의 제 4 양태에 의하면, 상기 개구부 주변의 두께 중 상기 제 2 방향에서의 두께를 T2로 하면,

R＜T2

의 관계가 만족될 수 있다.

본원 발명자들이 예의 검토한 결과, 얻어진 지견에 의하면, 상기 관계가 만족되도록 크랭크 암을 설계함으로써, 크랭크 암의 강성을 충분히 확보할 수 있다. 그 결과, 보다 양호한 토크 전달과, 주베어링 메탈의 손상 억제를 실현할 수 있게 된다.

또한, 본 개시의 제 5 양태는, 상기 제 1 내지 제 4 양태 중 어느 하나에 따른 크랭크 샤프트와, 상기 크랭크 저널의 상반부를 회전 가능하게 지지하는 베어링과, 상기 크랭크 핀에 연결되는 연접봉과, 상기 베어링을 수용하는 밑판 상에 배치되며 상기 연접봉을 수용하는 프레임을 구비하는 2행정 1사이클 기관으로 구성된 선박용 엔진에 따른다.

그리고, 본 개시의 제 5 양태에 의하면, 상기 선박용 엔진은, 상기 크랭크 샤프트의 중심축 방향으로 나열 배치되어, 상기 프레임 내의 공간을 구획하는 격벽을 구비하고, 상기 베어링은, 상기 선박용 엔진의 피스톤이 상사점에 비하여 하사점에 근접한 상태에 있을 때, 상기 크랭크 저널의 상반부와, 상기 격벽의 하측 끝단부와의 사이의 공간을 통하여 탈착되어도 된다.

상기 제 5 양태에 의하면, 크랭크 핀이 상사점에 비하여 하사점에 근접한 상태에 있을 때, 크랭크 암은, 제 1 두께에 대응하는 부위를 상방 내지 경사진 상방을 향한 자세가 된다. 따라서, 제 1 두께를 상대적으로 작게 함으로써, 크랭크 저널의 상반부와, 격벽 하측 끝단부와의 사이의 공간을 통하여 베어링을 탈착하고자 했을 때, 베어링과 크랭크 암과의 간섭을 억제할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 개시에 의하면, 기관실의 비대화를 초래하지 않고, 양호한 토크 전달과, 주베어링 메탈의 손상 억제를 실현할 수 있다.

도 1은, 선박용 엔진의 구성을 예시하는 모식도이다.
도 2는, 크랭크 샤프트의 구조를 예시하는 측면도이다.
도 3은, 크랭크 암의 구조를 예시하는 정면도이다.
도 4는, 크랭크 암의 구조를 예시하는 측면도이다.
도 5는, 크랭크 암의 종래예를 나타내는 도 3에 대응하는 도면이다.
도 6은, 베어링의 취출 순서를 설명하는 도면이다.

이하, 본 개시의 실시형태를 도면에 기초하여 설명한다. 여기서, 이하의 설명은 예시이다. 도 1은 선박용 엔진(이하, 단순히 "엔진(1)"이라고도 함)의 구성을 예시하는 모식도이다.

엔진(1)은, 복수의 실린더(16)를 구비한 직렬 다기통식 디젤 엔진이다. 이 엔진(1)은, 단류소기식의 2행정 1사이클 기관으로 구성되고, 유조선, 컨테이너 선박, 자동차 운반선 등, 대형 선박에 탑재된다.

선박에 탑재된 엔진(1)은, 그 선박을 추진시키기 위한 주기관으로서 이용된다. 따라서, 엔진(1)의 출력축은, 프로펠러축(도시하지 않음)을 개재하고 선박의 프로펠러(도시하지 않음)에 연결된다. 엔진(1)이 운전됨에 따라, 그 출력이 프로펠러에 전달되어 선박이 추진하도록 구성된다.

특히, 본 개시에 따른 엔진(1)은, 그 롱 스트로크화를 실현시키기 위하여, 이른바 크로스헤드식 내연 기관으로 구성된다. 즉, 이 엔진(1)에 있어서는, 하방에서 피스톤(21)을 지지하는 피스톤봉(22)과, 크랭크 샤프트(5)에 연접되는 연접봉(24)이 크로스헤드(25)에 의해 연결된다.

(1) 주요 구성

이하, 엔진(1)의 주요부에 대해 설명한다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 엔진(1)은, 하방에 위치하는 밑판(11)과, 밑판(11) 상에 배치되는 프레임(12)과, 프레임(12) 상에 배치되는 실린더재킷(13)을 구비한다. 엔진(1)은 또한, 실린더재킷(13) 내에 배치되는 실린더(16)와, 실린더(16) 내에 배치되는 피스톤(21)과, 피스톤(21)의 왕복 이동에 연동하여 회전하는 출력축(후술하는 크랭크 샤프트(5))을 구비한다.

밑판(11)은, 엔진(1)의 크랭크케이스를 구성하는 것으로, 크랭크 샤프트(5)와, 크랭크 샤프트(5)의 크랭크 저널(51)을 회전 자유롭게 지지하는 베어링(26)을 수용한다. 크랭크 샤프트(5)에는, 그 크랭크 암(53) 및 크랭크 핀(52)을 개재하고 연접봉(24)의 하측 끝단부가 연결된다.

프레임(12)은, 한쌍의 가이드판(28), 연접봉(24), 및 크로스헤드(25)를 수용한다. 이 중, 한쌍의 가이드판(28)은, 피스톤 축 방향을 따라 배치된 한쌍의 판형 부재로 이루어지고, 엔진(1)의 폭 방향(도 1의 도면 좌우 방향)으로 간격을 두고 배치된다. 연접봉(24)은, 그 하측 끝단부가 크랭크 샤프트(5)에 연결된 상태로, 한쌍의 가이드판(28) 사이에 배치된다. 연접봉(24)의 상측 끝단부(24a)는, 크로스헤드(25)를 개재하고 피스톤봉(22)의 하측 끝단부에 연결된다.

구체적으로, 크로스헤드(25)는, 한쌍의 가이드판(28) 사이에 배치되고, 각 가이드판(28)을 따라 상하 방향으로 슬라이딩한다. 즉, 한쌍의 가이드판(28)은, 크로스헤드(25)의 슬라이딩을 안내하도록 구성된다. 크로스헤드(25)는, 크로스헤드 핀(29)을 개재하고 피스톤봉(22) 및 연접봉(24)과 접속된다. 크로스헤드 핀(29)은, 피스톤봉(22)에 대해서는 일체적으로 상하 이동하도록 접속되는 한편, 연접봉(24)에 대해서는 연접봉(24)의 상측 끝단부(24a)를 받침점(fulcrum)으로 하여 연접봉(24)을 회동시키도록 접속된다.

또한, 프레임(12)은, 당해 프레임(12) 내의 공간을 구획하는 복수의 격벽(27)을 구비한다. 복수의 격벽(27)은, 크랭크 샤프트(5)의 중심축 방향(도 1의 도면에 직교하는 방향)으로 나열 배치된다. 각 격벽(27)은, 크랭크 샤프트(5)의 중심축 방향에 수직으로 연장되는 판형으로 형성된다. 내연기관 폭 방향(도 1의 도면 좌우 방향)에서의 격벽(27)의 양 끝단부는, 각각, 가이드판(28)에 용접된다. 또한, 격벽(27)의 하측 끝단부에는 노치(27a)가 형성된다. 격벽(27)의 하측 끝단부는, 크랭크 샤프트(5), 특히 크랭크 저널(51)의 상반부에 대하여, 상하 방향으로 간격을 두고 서로 마주본다.

실린더재킷(13)은, 내통으로서의 실린더 라이너(14)를 지지한다. 실린더 라이너(14)의 내부에는, 전술한 피스톤(21)이 배치된다. 이 피스톤(21)은, 실린더 라이너(14)의 내벽을 따라 상하 방향으로 왕복 이동한다. 실린더 커버(15)는, 실린더 라이너(14)와 함께 실린더(16)를 구성한다.

또한, 실린더 커버(15)에는, 도시하지 않는 해당 밸브장치에 의해 작동되는 배기 밸브(18)가 배치된다. 배기 밸브(18)는, 실린더 라이너(14) 및 실린더 커버(15)로 구성되는 실린더(16), 그리고, 피스톤(21)의 정상면과 함께 연소실(17)을 구획한다. 배기 밸브(18)는, 그 연소실(17)과 배기관(19) 사이를 개폐하는 것이다. 배기관(19)은 연소실(17)로 통하는 배기구를 구비하며, 배기 밸브(18)는 그 배기구를 개폐하도록 구성된다.

또한, 실린더 커버(15)에는, 연소실(17)에 연료를 공급하기 위한 연료 분사 밸브(31)가 배치된다. 연료 분사 밸브(31)는 연소실(17)의 실내에 디젤 연료를 분사한다.

또한, 본 실시형태에 따른 엔진(1)은, 연료 분사 밸브(31)에 디젤 연료를 압송하는 연료 펌프(32)를 구비한다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 연료 펌프(32)는, 실린더(16) 근방에 배치되며, 도시하지 않는 연료 분사관을 개재하고 연료 분사 밸브(31)와 유체적으로 접속된다.

엔진(1)의 운전 시에는, 연소실(17)의 실내에, 연료 분사 밸브(31)로부터 디젤 연료가 공급됨과 더불어, 실린더재킷(13) 등을 통하여 연소용 기체가 공급된다. 이로써, 연소실(17) 내에서는, 디젤 연료가 연소용 기체에 의해 연소된다.

그리고, 디젤 연료의 연소에 의해 발생한 에너지에 의해, 피스톤(21)은, 실린더 라이너(14)를 따라 상하 방향으로 왕복 이동한다. 이때, 배기 밸브(18)가 작동하여 연소실(17)이 개방되면, 연소에 의해 발생한 배기가스가 배기관(19)으로 압출된다. 또한, 실린더 라이너(14)를 따라 피스톤(21)이 왕복 이동함으로써, 실린더재킷(13)으로부터 실린더 라이너(14) 내로 연소용 기체가 흡출되고, 이를 피스톤(21)이 밀어 넣음으로써, 연소실(17) 내로 연소용 기체가 새로 도입된다. 이러한 공정을 반복함으로써, 디젤 연료의 연소와, 실린더(16) 내의 소기가 반복 실행된다.

또한, 연소에 의해 피스톤(21)이 왕복 이동하면, 피스톤(21)과 함께 피스톤봉(22)이 상하 방향으로 왕복 이동한다. 이로써, 피스톤봉(22)에 연결된 크로스헤드(25)가, 상하 방향으로 왕복 이동한다. 이 크로스헤드(25)는, 연접봉(24)의 회동을 허용하도록 구성되어, 크로스헤드(25)와의 접속 부위를 받침점으로 하여 연접봉(24)을 동작시킨다. 연접봉(24)의 동작에 따라, 크랭크 핀(52)을 개재하고 크랭크 암(53)이 회동하고, 그 회동에 따라 크랭크 샤프트(5)가 회전한다. 이와 같이 하여, 크랭크 샤프트(5)는, 피스톤(21)의 왕복 이동을 회전 운동으로 변환시켜, 프로펠러축과 함께 선박의 프로펠러를 회전시킨다. 이로써, 선박이 추진된다.

그런데, 프로펠러를 회전시키기 위한 토크는, 전술한 바와 같이, 크랭크 샤프트(5)를 개재하고 전달된다. 토크 전달의 좋고 나쁨은, 크랭크 샤프트(5)의 형상에 좌우된다. 그러나, 크랭크 샤프트(5)의 형태에 따라서는, 엔진(1)이 탑재되는 기관실의 비대화를 초래할 우려가 있다.

본원 발명자들은, 크랭크 샤프트(5)의 구조를 강구함으로써, 기관실의 비대화를 초래하지 않고, 양호한 토크 전달을 실현하기에 이르렀다.

이하, 크랭크 샤프트(5)의 구조에 대하여 상세하게 설명한다.

(2) 크랭크 샤프트의 구조

도 2는 크랭크 샤프트(5)의 구조를 예시하는 측면도이다. 또한, 도 3은 크랭크 암(53)의 구조를 예시하는 정면도이고, 도 4는 그 측면도이다. 여기서, 도 3은, 크랭크 핀(52), 더 나아가 피스톤(21)이 상사점에 위치하는 상태에 해당된다. 한편, 도 4는, 피스톤(21)이 하사점에 위치하는 상태에 해당된다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 크랭크 샤프트(5)는, 주요 구성 요소로서, 복수의 크랭크 저널(51), 복수의 크랭크 핀(52), 및 복수의 크랭크 암(53)을 구비한다. 이들 구성 요소는, 크랭크 샤프트(5)의 중심축(회전축(A1)) 방향을 따라, 크랭크 저널(51), 크랭크 암(53), 크랭크 핀(52) 및 크랭크 암(53)의 순서를 반복하도록 배치된다.

크랭크 샤프트(5)는, 크랭크 저널(51), 크랭크 핀(52) 및 크랭크 암(53) 중, 적어도 크랭크 저널(51)과 크랭크 암(53)을 수축 끼워맞춤에 의해 결합되어 이루어진다. 즉, 크랭크 샤프트(5)는, 반조립형 또는 전조립형의 크랭크 샤프트로 구성된다.

여기서, 반조립형의 크랭크 샤프트란, 크랭크 핀과 크랭크 암을 일체형의 부품으로서 제조하고, 그 부품에 크랭크 저널을 수축 끼워맞춤으로써 조립되는 것을 말한다.

한편, 전조립형의 크랭크 샤프트란, 크랭크 저널과 크랭크 핀과 크랭크 암을 독립된 부품으로서 제조하고, 각 부품을 수축 끼워맞춤에 의해 결합시킨 것을 말한다.

특히, 도 2에 나타내는 크랭크 샤프트(5)는, 크랭크 핀(52)과 크랭크 암(53)으로 이루어지는 일체형의 강철 제품과, 크랭크 저널(51)을 수축 끼워맞춤에 의해 결합시킨 반조립형의 크랭크 샤프트로 구성된다. 수축 끼워맞춤에 의해 결합시킨 부위는, 도 2의 부호(Rs)를 참조한다.

여기서, 크랭크 저널(51)은, 원통형으로 형성된다. 크랭크 저널(51)은, 전술한 프로펠러축과 동일축의 회전축(A1)을 갖는다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 회전축(A1) 방향에서의 크랭크 저널(51)의 끝단부는, 크랭크 암(53)의 개구부(53a)에 삽입되어 수축 끼워맞춤 처리되도록 되어 있다.

또한, 도 1에 나타낸 베어링(26)은, 주베어링을 구성하는 금속제의 부재(이른바, “주베어링 메탈”)로, 크랭크 저널(51)의 상반부(특히, 크랭크 저널(51)의 비수축 끼워맞춤부의 상반부)를 회전 가능하게 지지한다. 베어링(26)이 크랭크 저널(51)을 지지함으로써, 크랭크 샤프트(5)는, 크랭크 저널(51)의 회전축(A1) 둘레로 자전 가능하게 된다.

또한, 크랭크 핀(52)은, 크랭크 저널(51)과 마찬가지로 원통형으로 형성된다. 크랭크 핀(52)은, 크랭크 저널(51)의 회전축(A1)에 대하여 평행하게 연장되며, 또한 당해 회전축(A1)에 대하여 오프셋시킨 중심축(A2)을 갖는다. 전술한 연접봉(24)은, 이 크랭크 핀(52)에 연결된다. 크랭크 핀(52)은, 연접봉(24)으로부터 동력을 받아, 크랭크 샤프트(5) 전체를 자전시킨다.

또한, 크랭크 암(53)은, 전술한 회전축(A1)에 직교하는 판형으로 형성된다. 크랭크 암(53)은, 크랭크 저널(51)이 삽입되는 원형상의 개구부(53a)를 갖는다. 이 개구부(53a)의 중심축(A3)은, 크랭크 저널(51)의 회전축(A1)에 일치한다. 크랭크 암(53)은, 크랭크 저널(51)과 크랭크 핀(52)을 접속시켜, 크랭크 저널(51) 및 크랭크 핀(52)과 함께 크랭크 기구를 구성한다.

이하, 개구부(53a)의 중심축(A3)을 따라 크랭크 암(53)을 봤을 때, 바꾸어 말하면, 도 3에 나타내는 바와 같이 크랭크 암(53)을 정면으로 봤을 때, 크랭크 핀(52)의 중심축(A2)과 개구부(53a)의 중심축(A3)을 잇는 방향을 제 1 방향으로 하고, 그 제 1 방향에 직교하는 방향을 제 2 방향으로 한다. 또한, 도 4에 나타내는 바와 같이 크랭크 암(53)을 측면으로 봤을 때, 개구부(53a)의 중심축(A3)을 따라 연장되는 방향을 제 3 방향으로 한다.

구체적으로, 제 1 방향은, 도 3의 도면 상하 방향에 해당된다. 제 2 방향은, 도 3의 도면 좌우 방향에 해당된다. 제 3 방향은, 도 3의 도면을 관통하는 방향에 해당된다. 이하, 제 1 방향 중, 크랭크 핀(52)의 중심축(A2)에서 개구부(53a)의 중심축(A3)으로 향하는 방향을 “하방”으로 호칭하고, 그 반대 방향을 “상방”으로 호칭하는 경우가 있다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 크랭크 샤프트(5)에 따른 직경 방향의 외방(바꾸어 말하면 도 3의 도면을 따라 회전축(A1)으로부터 이간되는 방향)에 면하는 크랭크 암(53)의 외면(53b)은, 제 2 방향 치수에 비하여 제 1 방향의 치수가 길게 형성된다.

그리고, 크랭크 암(53)의 외면(53b) 중, 제 1 방향에 있어서 크랭크 핀(52)보다 개구부(53a)에 근접하는 부위의 외면을 제 1 외벽면(53c)으로 호칭하면, 이 제 1 외벽면(53c)의 적어도 일부는, 하방을 향하여 팽출된 원호형으로 형성된다.

본 실시형태에서는, 제 1 외벽면(53c)은, 크랭크 암(53)의 외면(53b) 중, 개구부(53a)의 중심축(A3)과 동일한 높이에 위치하는 부위로부터 하방에 위치하는 부위에 걸친 외면에 해당된다. 본 실시형태에 따른 제 1 외벽면(53c)은, 그 전체가 원호형으로 형성된다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 개구부(53a)의 중심축(A3)은, 제 1 외벽면(53c)의 중심축(A4)에 대하여, 제 1 방향을 따라 크랭크 핀(52)으로부터 이간되는 방향(하방)으로 오프셋되도록 되어 있다.

여기서, 개구부(53a)의 중심축(A3)을 따라 크랭크 암(53)을 봤을 때, 개구부(53a)의 중심축(A3)으로부터 크랭크 암(53)의 외면(53b)까지의 치수와, 개구부(53a)의 내부 반경과의 차분을 개구부(53a) 주변의 두께로 하면, 그 개구부(53a) 주변의 두께 중, 제 2 방향에서의 두께는, 제 1 방향에 있어서 개구부(53a)를 사이에 두고 크랭크 핀(52)의 반대측에 위치하는 부위(바꾸어 말하면, 제 1 방향에서 개구부(53a)의 하방, 특히 개구부(53a)의 중심축(A3) 바로 아래에 위치하는 부위)의 두께보다 크다. 이하, 후자의 두께(제 1 방향에 관련된 두께)를 “제 1 두께”로 호칭하고, 전자의 두께(제 2 방향에 관련된 두께)를 “제 2 두께”로 호칭한다.

구체적으로, 제 1 두께를 T1로 하고, 제 2 두께를 T2로 하면,

T1＜T2 ··· (A)

의 관계가 만족된다. 바꾸어 말하면, 제 1 두께(T1)는, 제 1 방향을 따라 봤을 때의 제 1 외벽면(53c)의 폭에 해당되고, 제 2 두께(T2)는, 제 2 방향을 따라 봤을 때의 제 1 외벽면(53c)의 폭에 해당된다.

한편, 도 3에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 크랭크 암(53)의 경우, 개구부(53a)의 중심축(A3)은, 제 1 외벽면(53c)의 중심축(A4)에 대하여 하방으로 오프셋되도록 구성된다. 이와 같이 구성함으로써, 제 2 두께(T2)는 대략 일정하게 유지되면서, 제 1 두께(T1)는 축소되어, 상기 (A)의 관계가 만족되게 된다. 여기서, 개구부(53a)의 중심축(A)의 오프셋량은, 제 1 두께(T1)에서 제 2 두께(T2)를 뺀 차분과 동등하다.

또한, 개구부(53a)의 내부 반경을 R로 하면,

T1＜R ··· (B)

R＜T2 ··· (C)

의 관계가 만족된다. 즉, 제 1 두께(T1)는, 개구부(53a)의 내부 반경(R)보다 작다. 한편, 제 2 두께(T2)는, 개구부(53a)의 내부 반경(R)보다 크다.

또한, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제 3 방향에서 크랭크 저널(51)에 면하는 측면을 표면(53d)으로 호칭하고, 크랭크 핀(52)에 면하는 측면을 이면(53e)으로 호칭하면, 그 이면(53e)에는 노치(53f)가 형성된다.

자세하게는, 본 실시형태에 따른 노치(53f)는, 개구부(53a)보다 하방에 배치되고, 이면(53e)의 하측 끝단에 이르기까지 형성된다. 이 노치(53f)는, 제 1 방향을 따라 하방을 향할수록, 제 3 방향을 따라 이면(53e)측에서 표면(53d)을 향하도록 경사진 경사면을 이룬다.

도 4의 쇄선으로 예시한 바와 같이, 크랭크 암(53)에 형성한 노치(53f)는, 크랭크 핀(52), 더 나아가 피스톤(21)이 하사점에 있을 때, 연접봉(24)의 상측 끝단부(24a)와 간격을 두고 서로 마주보도록 되어 있다. 노치(53f)를 형성함으로써, 상기 상측 끝단부(24a)와의 간격을 보다 길게 확보할 수 있으며, 더 나아가 크랭크 암(53)과 연접봉(24)과의 간섭을 억제할 수 있다.

(3) 베어링의 탈착에 대하여

도 6은 베어링(26)의 취출 순서를 설명하는 도면이다. 먼저, 도 4로 돌아가면, 도 4에 나타내는 바와 같이, 베어링(26)은, 격벽(27)의 하측 끝단부에 형성한 노치(27a)와, 크랭크 저널(51)의 상반부의 사이의 공간(S)에 배치되도록 되어 있다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 베어링(26)은, 엔진(1)의 피스톤(21)이 상사점에 비하여 하사점에 근접한 상태에 있을 때, 체인 블록(61, 62)에 의해 끌어올려져 분리된다. 이때, 베어링(26)은, 크랭크 암(53) 중, 특히 제 1 두께(T1)에 대응하는 부위의 바로 위를 통과하게 된다.

(4) 크랭크 암의 구조에 대하여

도 5는, 크랭크 암(53)의 종래예를 나타내는 도 3에 대응하는 도면이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 종래의 크랭크 암(53')의 경우, 크랭크 저널이 삽입되어야 할 개구부(53a')의 중심축(A3')은, 원호형으로 형성된 제 1 외벽면(53c')의 중심축(A4')과 동일축이 되도록 구성되었다. 이와 같이 구성한 경우, 개구부(53a') 주변의 두께는 대략 일정해진다. 즉, 개구부(53a') 주변의 두께 중, 제 1 두께(T1)와 마찬가지로 정의된 두께를 T1'로 하고, 제 2 두께(T2)와 마찬가지로 정의된 두께를 T2'로 하면, 종래의 크랭크 암(53')은,

T1'＝T2' ··· (4)

의 관계가 만족하게 된다. 종래예에서, 크랭크 암(53')의 강성을 높이기 위해서는, 예를 들어 두께(T1') 및 두께(T2')를 종래보다 길게 설계하는 것을 생각할 수 있다.

그러나, 그와 같이 설계한 경우, 연접봉(24) 등, 엔진(1)을 구성하는 다른 부재와, 크랭크 암(53')과의 간섭이 우려된다. 이러한 간섭을 억제하기 위해서는, 엔진(1)을 더 높게 설계하는 것이 요구되므로, 기관실의 비대화를 초래하게 된다. 기관실의 비대화는, 특히 선박용 엔진(1)에는 바람직하지 않다.

반면, 본 실시형태에 의하면, 개구부(53a) 주변의 두께 중, 제 2 두께(T2)에 비하여 제 1 두께(T1)를 작게 함으로써, 길이 방향(제 1 방향)에서의 크랭크 암(53)의 치수를 짧게 할 수 있다. 도 4에 예시한 바와 같이, 제 1 두께(T1)는, 크랭크 핀(52)이 하사점에 있을 때, 연접봉(24)과 접근하는 부위의 두께에 해당된다. 따라서, 제 1 두께(T1)를 상대적으로 작게 함으로써, 크랭크 암(53)과, 엔진(1)을 구성하는 각종 부품 중, 특히 연접봉(24)과의 간섭이 억제된다. 그 결과, 엔진(1)을 보다 낮게 설계할 수 있게 되어, 기관실의 비대화를 억제할 수 있게 된다.

한편, 제 1 두께(T1)에 비하여 제 2 두께(T2)를 크게 함으로써, 크랭크 암(53)의 강성을 높여, 그 변형을 억제할 수 있다. 이 제 2 두께(T2)는, 크랭크 샤프트(5)의 중심축 방향(회전축(A1)을 따른 방향)의 판 두께가 아니라, 그 중심축 방향에 직교하는 방향(구체적으로는 제 2 방향)의 두께에 해당된다. 따라서, 제 2 두께(T2)를 상대적으로 크게 함으로써, 엔진(1) 더 나아가 기관실의 비대화를 억제하면서, 크랭크 암(53)의 강성을 높일 수 있다. 크랭크 암(53)의 강성을 높임으로써, 토크 전달 시의 크랭크 암(53)의 변형을 억제하여, 크랭크 저널(51)과 베어링(26) 사이의 편심 접촉을 회피할 수 있게 된다. 이로써, 베어링(26)의 손상을 억제할 수 있다.

이와 같이, 본 실시형태에 의하면, 기관실의 비대화를 초래하지 않고, 양호한 토크 전달과, 베어링(26)의 손상 억제를 실현할 수 있다.

또한, 도 3에 예시한 바와 같이, 제 1 외벽면(53c)의 곡면 형상을 강구하지 않더라도, 개구부(53a)의 중심축(A4)을 제 1 방향을 따라 오프셋시키는 것만으로, 제 1 두께(T1)와, 제 2 두께(T2)를 다르게 할 수 있다. 이로써, 제조 비용의 증대를 억제할 수 있다.

또한, 본원 발명자들이 예의 검토한 결과, 얻어진 지견에 의하면, 상기 관계 (B)가 만족되도록 크랭크 암(53)을 설계함으로써, 개구부(53a)의 내부 반경(R), 더 나아가 크랭크 암(53)과 크랭크 저널(51)과의 수축 끼워맞춤 여유값(Rs)을 최소한 확보할 수 있다. 그 결과, 보다 양호한 토크 전달을 실현할 수 있게 된다.

또한, 본원 발명자들이 더 예의 검토한 결과, 얻어진 지견에 의하면, 상기 관계 (C)가 만족되도록 크랭크 암(53)을 설계함으로써, 크랭크 암(53)의 강성을 충분히 확보할 수 있다. 그 결과, 보다 양호한 토크 전달을 실현할 수 있게 된다.

또한, 도 4 및 도 6에 예시한 바와 같이, 크랭크 핀(52)이 상사점에 비하여 하사점에 근접한 상태에 있을 때, 크랭크 암(53)은, 제 1 두께(T1)에 대응하는 부위를 상방 내지 경사진 상방을 향한 자세가 된다. 따라서, 제 1 두께(T1)를 상대적으로 작게 함으로써, 크랭크 저널(51)의 상반부와, 격벽(27)의 하측 끝단부(노치(27a))와의 사이의 공간(S)을 통하여 베어링(26)을 탈착하고자 했을 때, 베어링(26)과 크랭크 암(53)과의 간섭을 억제할 수 있다.

1 : 선박용 엔진
11 : 밑판
12 : 프레임
24 : 연접봉
26 : 베어링
27 : 격벽
5 : 크랭크 샤프트
51 : 크랭크 저널
52 : 크랭크 핀
53 : 크랭크 암
53a : 개구부
53b : 크랭크 암의 외면
53c : 제 1 외벽면
A1 : 크랭크 저널의 중심축
A2 : 크랭크 핀의 중심축
A3 : 개구부의 중심축
A4 : 제 1 외벽면의 중심축
R : 개구부의 내부 반경
T1 : 제 1 두께
T2 : 제 2 두께

Claims (5)

1. 크랭크 저널, 크랭크 핀 및 크랭크 암 중, 적어도 크랭크 저널과 크랭크 암을 수축 끼워맞춤에 의해 결합시켜 이루어지는 크랭크 샤프트로서,
   상기 크랭크 암은, 상기 크랭크 저널이 삽입되는 원형상의 개구부를 갖고,
   상기 개구부의 중심축을 따라 상기 크랭크 암을 봤을 때,
   상기 크랭크 핀의 중심축과 상기 개구부의 중심축을 잇는 방향을 제 1 방향으로 하고,
   상기 제 1 방향에 직교하는 방향을 제 2 방향으로 하며,
   상기 개구부의 중심축으로부터 상기 크랭크 암의 외면까지의 치수와, 상기 개구부의 내부 반경과의 차분을 상기 개구부 주변의 두께로 하면,
   상기 개구부 주변의 두께 중, 상기 제 2 방향에서의 두께는, 상기 제 1 방향에 있어서 상기 개구부를 사이에 두고 상기 크랭크 핀의 반대측에 위치하는 부위의 두께보다 크고,
   상기 크랭크 암의 외면 중, 상기 제 1 방향에 있어서 상기 크랭크 핀보다 상기 개구부에 근접하는 부위의 외면을 제 1 외벽면으로 호칭하면, 당해 제 1 외벽면의 적어도 일부는 원호형으로 형성되고,
   상기 개구부의 중심축은, 상기 제 1 외벽면의 중심축에 대하여, 상기 제 1 방향을 따라 상기 크랭크 핀으로부터 이간되는 방향으로 오프셋되는
   것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트.
2. 크랭크 저널, 크랭크 핀 및 크랭크 암 중, 적어도 크랭크 저널과 크랭크 암을 수축 끼워맞춤에 의해 결합시켜 이루어지는 크랭크 샤프트로서,
   상기 크랭크 암은, 상기 크랭크 저널이 삽입되는 원형상의 개구부를 갖고,
   상기 개구부의 중심축을 따라 상기 크랭크 암을 봤을 때,
   상기 크랭크 핀의 중심축과 상기 개구부의 중심축을 잇는 방향을 제 1 방향으로 하고,
   상기 제 1 방향에 직교하는 방향을 제 2 방향으로 하며,
   상기 개구부의 중심축으로부터 상기 크랭크 암의 외면까지의 치수와, 상기 개구부의 내부 반경과의 차분을 상기 개구부 주변의 두께로 하면,
   상기 개구부 주변의 두께 중, 상기 제 2 방향에서의 두께는, 상기 제 1 방향에 있어서 상기 개구부를 사이에 두고 상기 크랭크 핀의 반대측에 위치하는 부위의 두께보다 크고,
   상기 개구부의 내부 반경을 R로 하고, 상기 개구부 주변의 두께 중, 상기 제 1 방향에 있어서 상기 개구부를 사이에 두고 상기 크랭크 핀의 반대측에 위치하는 부위의 두께를 T1로 하면,
   T1＜R
   의 관계가 만족되는
   것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 개구부 주변의 두께 중 상기 제 2 방향에서의 두께를 T2로 하면,
   R＜T2
   의 관계가 만족되는
   것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트.
4. 크랭크 저널, 크랭크 핀 및 크랭크 암 중, 적어도 크랭크 저널과 크랭크 암을 수축 끼워맞춤에 의해 결합시켜 이루어지는 크랭크 샤프트와, 상기 크랭크 저널의 상반부를 회전 가능하게 지지하는 베어링과, 상기 크랭크 핀에 연결되는 연접봉과, 상기 베어링을 수용하는 밑판 상에 배치되어 상기 연접봉을 수용하는 프레임을 구비하는 2행정 1사이클 기관으로 구성된 선박용 엔진으로서,
   상기 크랭크 샤프트의 중심축 방향으로 나열 배치되어, 상기 프레임 내의 공간을 구획하는 격벽을 구비하고,
   상기 베어링은, 상기 선박용 엔진의 피스톤이 상사점에 비하여 하사점에 근접한 상태에 있을 때, 상기 크랭크 저널의 상반부와, 상기 격벽의 하측 끝단부 사이의 공간을 통하여 탈착되고,
   상기 크랭크 암은, 상기 크랭크 저널이 삽입되는 원형상의 개구부를 갖고,
   상기 개구부의 중심축을 따라 상기 크랭크 암을 봤을 때,
   상기 크랭크 핀의 중심축과 상기 개구부의 중심축을 잇는 방향을 제 1 방향으로 하고,
   상기 제 1 방향에 직교하는 방향을 제 2 방향으로 하며,
   상기 개구부의 중심축으로부터 상기 크랭크 암의 외면까지의 치수와, 상기 개구부의 내부 반경과의 차분을 상기 개구부 주변의 두께로 하면,
   상기 개구부 주변의 두께 중, 상기 제 2 방향에서의 두께는, 상기 제 1 방향에 있어서 상기 개구부를 사이에 두고 상기 크랭크 핀의 반대측에 위치하는 부위의 두께보다 큰
   것을 특징으로 하는 선박용 엔진.
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