KR19980702547A - 다중 층의 조립형 축 - Google Patents

Abstract

외부 기능 요소들을 구비하는 중공 축(1)이 소정의 영역에서의 축 방향을 따른 반경 방향 팽창에 의해서 조립된다. 이에 따라 팽창되는 부분에서의 내부 축 튜브(3)는 소성 변형되고, 팽창되는 부분에서의 외부 부품은 탄성적으로만 변형된다. 기능 요소들은 다중 기능 요소들 상에 적어도 부분적으로 배치되고, 팽창되는 부분은 기능 요소들 사이에 놓인다. 본 발명은 이러한 방식으로 제조된 중공 축을 제조하는 방법과 다중 기능 요소들 특히, 다중 캠을 제조하는 방법에 관한 것이기도 하다. 이와 같은 다중 기능 요소들은 조립형 중공 축을 제조하는 데 사용된다. 각각의 기능 요소들은 기능 요소들에 대응하는 프로파일을 가지는 튜브로부터 제조되어 결합되어서 다중 캠을 형성한다. 비원형 요소들은 기초원과 동심을 이루며 내경이 축 튜브의 외경보다 약간 작은 환형 돌출부를 축 방향에서 포함한다.

Description

다중 층의 조립형 축

내연 기관용 축(특히 캠축)을 구동하고 제어하는 분야에서의 다중 밸브 기술의 중요성이 커지는 점을 감안할 때, 아주 인접한 많은 요소들 즉, 일례로 캠 및 기타 다른 기능성 부품과 미끄럼 베어링 및 축 방향 정지부를 구비하는 축을 제조하는 데 있어서의 문제점이 이전보다 더 자주 발생한다. 이러한 문제점은 종래의 방법을 사용하는 경우에는 더 많아지는 난점을 가지게 된다. 또 다른 문제점, 특히 대직경 축에 있어서의 문제점은 2차식으로 증가하는 중량의 문제이다.

이러한 문제점들, 특히 조립형 중공 캠 축의 분야에서의 해결책에 대한 관심이 지속되고 있다. 중량을 감소시킴으로써 캠이 차지하는 공간 문제점이 극복되기는 하지만, 이와 동시에 비틀림 강성이 감소되는 것과 관련된 또 다른 문제점들이 야기된다. 또한, 각 축에 적용되어야 하며 또한 정확하게 위치되어야 하는 기능 요소들의 수가 많아지게 된다. 트럭 축, 특히 디젤 엔진용 트럭 축의 경우, 이러한 문제점은 또 다른 난점, 즉 소정의 비틀림 강성을 위해서 중공 축의 벽 두께가 기능성 요소들 사이의 단일 층 영역에서도 상당한 두께로 유지되어야 한다는 난점이 수반된다. 이에 따라 중량을 감소시키는 데 따른 이점은 바라는 정도로까지 달성되지 않는다. 끝으로, 특히 긴 축인 경우에는 일례로 중공 축 안으로 고압 프로브를 천천히 삽입하는 것으로 인해 조립 전에 긴 준비 시간이 소요된다. 이와 같은 긴 준비 시간은 생산성을 떨어뜨려서 비용이 높아지게 한다.

조립형 중공 축을 생산함에 있어서, 위에서 언급한 문제점들 중 적어도 일부 문제점들을 줄이는 것은 다중 기능 요소, 일례로 다중 캠을 사용함으로써 달성될 수 있다. 일례로, 튜브 프로파일을 비틀거나 혹은 판금 블랭크로부터 다중 캠을 제조하는 것이 제안되어 있는데, 이들 튜브 프로파일과 판금 블랭크는 적당하게 성형되고 환형체로 형성되어서 용접된다.

그러나 이러한 제안들 중 그 첫번째 제안은 캠 프로파일을 일정하게 하는 것에 제한되어 있다. 또한, 캠은 외부 압력, 일례로 종동자 압력에 대항하는 큰 강성을 갖지 못한다. 더욱이, 상기 두 가지 제안은 원주 둘레에서의 캠 팁의 전개 또는 각도 피치 변화에 있어 아주 민감한 제한을 받게 된다. 이러한 제한들은 고 비용의 변형된 방법에 의해서만 제2 제안에서 극복될 수 있다.

본 발명은, 소정의 부분에서 축 방향을 따라서 반경 방향으로 팽창하는 것에 의하여 결합되고 이에 의해 내부 축 튜브는 팽창 부분에서 소성 변형되고 외부 부품들은 팽창 부분에서 탄성 변형되는, 외부 기능 요소를 구비하는 조립형 중공 축에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 종류의 축을 제조하는 방법 및 조립된 중공 축을 제조하는 데 사용되는 다중 기능 요소들을 제조하는 방법에 관한 것이기도 하다.

본 발명의 실시예를 도시하는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 이러한 설명은 일례로 종속 청구항에 청구된 실시예에 의하여 이루어지는 이점들을 나타낸다.

도1은 본 발명에 따른 축의 부분에 대한 종방향 단면도이다.

도2는 도1의 선 II-II를 따라서 도시한 단면도이다.

도3은 왁스 소실 공정을 이용하여 정밀 주조하여 제조된 다중 캠 모듈을 나타내는 도면이다.

도4는 개별 부품으로 이루어진 다중 캠 모듈을 나타내는 도면이다.

도5는 도4의 다중 캠 모듈을 도시하는 것으로 개별 부품을 파단하여 도시한 도면이다.

도6은 도4의 다중 캠 모듈을 도시하는 것으로 모듈을 합병하기 위한 장치가 개략적으로 도시된 도면이다.

도7은 도6에 도시된 모듈을 구비하는 장치를 관통하여 도시한 단면도이다.

도8a 및 도8b는 각각의 캠을 제조하기 위한 프로파일 튜브의 일 예를 나타내는 도면이다.

도9는 프로파일 튜브로부터 환형 돌출부를 재형성하기 위한 공구(다이)에 대한 개략적 단면도이다.

도10은 선 IX-IX에서 도시한 장치(도9)를 90°이동시킨 각도에서 투시한 개략적 측면도이다.

도11은 각각의 캠을 제조하기 위하여 튜브형 봉을 기계 가공 처리하는 다중 처리 기계의 기능을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도12는 튜브형 봉으로부터 각각의 캠을 분리한 것을 상세하게 도시한 도면이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점들을 피하고 유리하며 제조 비용이 저렴한 외부 기능 요소들을 구비하는 조립형 중공 축용의 새로운 구성을 제안하고 또한 높은 생산성, 높은 정확도 및 저렴한 비용으로 상기 축과 다중 기능 요소들을 제조하는 방법을 제안함에 있어서의 기술적 문제점들에 기초하여 이루어진 것이다.

본 발명은, 소정의 부분에서 축 방향을 따라서 반경 방향으로 팽창시킴으로써 내부 축 튜브가 팽창 부분에서 소성 변형되고 외부 부품들이 팽창 부분에서 탄성 변형되고 이에 의해 외부 기능 요소들이 다중 기능 요소 상에 적어도 부분적으로 배열되고 팽창 부분이 기능 요소들 사이에 놓이도록 외부 기능 요소와 조립시킨 중공 축에 의해서, 그리고 팽창 부분이 높은 내부 유압에 의해 달성되고 이러한 유압은 프로브에 의해 중공 축 안으로 도입되고 이에 의해 프로브의 외경이 축의 내경보다 약간 작고 프로브는 착탈 가능한 고압 신속 연결부를 가지며 고압 발생기로 연결하기 전에 축 안으로 도입되어 그 안에 배치되는 팽창 부분의 2개의 축 방향 단부에서의 요소와 프로브를 밀봉시킴으로써 중공 축에 대하여 밀봉되게 하는 축을 제조하는 방법에 의해서, 또한 각각의 기능 요소들을 기능 요소에 대응하는 프로파일을 갖는 튜브로부터 제조하여 다중 캠에 결합시키고 이에 의해 비원형 기능 요소는 기초원과 동심이고 내경이 축 튜브의 외경보다 약간 작은 환형 돌출부를 축 방향으로 구비하며 또한 인접하는 비원형 기능 요소의 벽 두께와 보충되어서 전체 벽 두께가 얻어지게 하는 대략 절반인 벽 두께의 환형 영역을 측 방향 가장자리에 구비하고 이에 의해 환형 돌출부는 프로파일 튜브를 재형성함으로써 형성되게 하는 다중 기능 요소를 제조하는 방법에 의해서 상기한 바와 같은 문제점들을 해결하게 된다.

일련의 전체적인 이점들은 본 발명에 따른 다중 캠을 사용함으로써 얻어진다. 다음의 표 A에 도시된 실시예는, 인입 캠, 배출 캠, 디젤 분사 캠 및 미끄럼 베어링이 하나의 모듈로 결합되어서 6 실린더형 디젤 엔진에서 소요되는 각 부품의 수가 일례로, 종래 기술에 따라 조립된 각각의 기능 부품과 비교할 때 26 내지 9개로 감소되게 한다. 도시된 실시예는 현대의 트럭 엔진의 통상적인 기능의 관점에서 선택된 것이다. 본 발명에 따른 기술은 일례로, 분사 기술 또는 밸브 차단 및 정지 각도 전개를 이용할 목적으로 실린더 당 다수의 캠을 구비하는 구성의 최적 구체화 를 가능하게 한다.

종래의 조립 방법에 의하여 제조된 캠 축을 동일한 크기와 기능을 갖는 본 발명에 따라 제조된 캠 축과 대비한 비교는 중량과 비틀림 강성(cm⁴차원의 극 관성 모멘트 J_P로 표시됨)에 대한 여러가지 실시예들 간의 차를 나타내는 것이다. 본 발명에 따른 축의 이점은 대부분이 중량은 단지 튜브 직경과 함께 선형적으로 증가하고 비틀림 강성은 튜브 직경의 4승으로 증가한다는 사실과 또한 조립 지점에서의 다중 층 구조에 따른 이점으로부터 기인한다.

도1은 여러 기능 요소들 즉, 미끄럼 베어링(6), 배출 캠, 분사 캠 및 인입 캠(2) 등이 하나의 모듈(M)로 결합되어서 다중 캠으로서 제조되며 그 전체가 축 튜브(3) 안에 결합되어 있는 디젤 트럭 엔진용 캠 축(1)의 부품을 도시하고 있다. 도1은 또한 축 폐쇄 캡(7) 또는 축의 우측 단부에서의 단부 제품도 도시하고 있다. 도시된 실시예에서, 인입 캠은 배출 캠보다 높고 넓으며, 분사 캠은 통상적으로 성형되어서 도2에 도시된 바와 같이 긴 평탄 플랭크 및 짧은 스팁 플랭크를 구비한다. 도2는 축(3) 상에서 60°의 피치로 마련된 축 방향 슬롯(18)을 도시하고 있는 것으로, 슬롯 안에는 다중 캠의 내부 표면 상의 대응하여 성형된 부품 또는 팁이 삽입 장착된다. 이러한 수단에 의하면 축 튜브(3) 상에 위치되는 다중 캠이 아주 정확하게 배향되게 된다. 다중 캠 모듈(M)의 내측에는 캠 분할부가 정확히 사전에 설정되어 서로에 대해 배향된다. 이 결과, 조립된 축(1)은 신속하고 정확하게 사전 조립된다.

도3은 일례로 왁스 소실법에 의해서 베어링 강으로부터 단일 부품으로 제조된 다중 캠 모듈(M)을 도시하고 있다. 이 방법에 의하면 일례로 1/10 이하의 고 정밀도를 얻을 수 있다. 도3은 또한 최소 직경을 갖는 내부 표면부인 조립 표면들이 전체 모듈에 대하여 충분한 크기로 이루어진 조립 표면을 도시하고 있다. 이 결과, 기능 요소들과 결합된 표면부는 조립 지점으로서 사용될 필요가 없는데, 이러한 것은 기능 요소들이 최소 내경을 상회하는 중공으로 구성될 수 있다는 것을 의미한다. 그렇지만 조립체의 전체 활용 가능한 영역은 아주 적절한 마찰 모멘트를 제공하므로 선택된 조립 공정 중에 신뢰성 있는 마찰 연결이 보장된다.

도4는 도3의 모듈과 동일 치수를 갖지만 개별 부품(4)으로 이루어진 다중 캠 모듈을 나타내고 있다. 도5는 이러한 모듈(M)의 개별 부품(4)을 조립 해제된 형태로 도시하고 있다. 이 도면으로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 실제 마찰 요소의 연속부로서 축 방향으로 연장되는 환형 돌출부(5)는 서로 인접하게 되었을 때는 항상 비원형 마찰 부품과 외부 단부에서의 벽 두께의 대충 절반인 쇼율더형 환형 부품을 구비한다. 성형 부품 또는 쇼울더 및 인접하는 비원형 마찰 부품은 서로 대응 보충되어서 전체 벽 두께가 얻어지게 되고 조립 부분의 공동 구성 부분을 구성하게 된다. 이 결과, 이러한 중첩 부분에서와 그리고 베어링 링 부분(6)이 인접하는 마찰 요소의 비원형 돌출부와 돌출하는 비쇼울더형 돌출부와 중첩되는 영역에서, 조립된 축은 하나 이상의 축 튜브 층이 사용될 때에 3개의 층 또는 3개 이상의 층으로 이루어진 재료 층을 구비하여서 축의 비틀림 강도가 상당히 증가된다.

도6 및 도7은 도5의 개별 부품(4)이 도4에서의 다중 캠 모듈(M)을 형성하기 위해 결합되는 방법에 대해 도시하고 있으며, 적절한 조립 장치(a, b)가 어떻게 구성되고 있는 지를 개략적으로 도시하고 있다. 사전에 배향된 개별 부품(4)은 일 부품 하부 다이(b) 안에 배치된다. 여기에 2 부품 상부 다이(a)가 내려져서 기능 프로파일을 정확하게 배향하는 역할을 한다. 이어서 분할된 상부 다이(a)의 2 부품은 서로 이동하여서 개별 부품(4)이 왕복 가능하게 축 방향으로 정렬될 때까지 혹은 하부 다이(b)의 정지부에 이를 때까지 개별 부품(4)을 서로 가압한다. 개별 부품(4)의 연결부는 압력 착좌부가 형성될 정도로 정확하게 미리 설정되는데, 이에 의해 모듈 자체는 작동 가능하게 신뢰성이 있게 된다. 그러나 이와는 달리 개별 부품(4)을 서로 연결하기 위한 장치를 일례로 점 용접 장치로 제공할 수 있다.

도8a 및 도8b는 각각의 캠을 제조하는 프로파일 튜브의 일 예를 도시하고 있다. 이와 같은 프로파일은 기능 요소 프로파일에 아주 정확하게 대응하며 소정의 지점에서 가공되는 재료를 가질 수도 있다. 도9 및 도10은 기능 요소들 사이에 위치되는 환형 돌출부(5)를 구비하는 각각의 형상이 상기와 같은 튜브형 봉으로부터 어떻게 재형성되는 지에 대하여 개략적으로 도시하고 있는 것이다. 도시된 실시예에는 프레스가 도시되어 있는데, 이 프레스로 프로파일 튜브 내측에 배열된 내부 다이(11)에 대해 가압시킴으로써 환형 돌출부(5)가 재형성된다. 예시된 실시예는 캠 기준 원이 환형 돌출부(5)의 하부 부분과 정렬된 실시예를 비파단선 또는 쇄선으로 도시하고 있다. 이 경우, 내부 다이는 해칭으로 도시한 바와 같은 적어도 2개의 부품을 구비하므로 내부 다이(11)의 하부 부품은 재성형이 완료된 후에 인출된다. 조립과 조립 해제를 용이하게 하기 위하여, 진입 경사부를 바람직하게 마련할 수도 있다. 이어서 내부 다이의 상부 부품은 하향으로 떨어지게 되어 튜브로부터 인출되게 된다. 캠의 기준 원이 환형 돌출부(5) 위에 반경 방향으로 걸리는 경우, 내부 다이(11)는 점 쇄선으로 도시된 바와 같이 3개의 부품을 구비해야 하므로 내부 다이의 중간 부품, 이어서 상부 부품, 그리고 최종적으로는 하부 부품이 튜브로부터 인출된다.

도11은 각각의 기능 부품(4)이 적절한 최종 가공 후에 성형된 튜브형 봉(11)으로부터 어떻게 분리되는 가를 개략적으로 나타내고 있는 것이다. 이와 같은 자동 봉 기계는 일례로 5개의 가공 단계를 위한 다이 또는 장치를 포함한다. 우선, 내부 선삭 공구(12) 및 외부 선삭 공구(13)는 도5에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이 내부 및 외부 형상을 정밀하게 가공한다. 이 기계는 서로가 축 방향으로 독립적으로 이동 가능하며 클램핑(15)과 축 방향의 이송(16)을 위하여 사용되는 2 부품 클램핑 척(15, 16)을 구비한다. 내부 및 외부 가공이 완료된 후에, 개별 부품은 랜싱(lancing) 공구(14)에 의해 분리된다. 도12는 분리를 위한 분리 공구(여기서는 랜싱 공구)와 절삭 폭을 상세하게 도시하는 도면이다.

도3, 도4, 도5, 도6 및 도12는 다중 캠의 제조가 바람직하게 용이해지도록 캠의 측 방향 영역이 약간 원추형인 것을 도시하고 있다. 도9 및 도10에 도시된 바와 같이, 튜브형 봉의 재성형은 프레스 내에서 수행되는데, 이 프레스 내에는 수 미터의 다수의 튜브형 봉이 적절한 주형 내에 서로 인접하게 배치되어서 한번의 프레스 행정에 의해서도 대량의 캠이 동시에 제조될 수 있게 한다. 1/10mm 미만으로 상당히 작은 공차가 유지되는 품질의 실린더 튜브의 냉간 인발 프로파일 튜브는 특히 튜브형 봉용으로 적합한 재료이다.

이하에서는 재성형으로 적절하게 형성된 튜브형 봉에 의하여 제조된 각각의 캠(4)에 대한 도면과 실시예에 대하여 설명 및 예시한다. 구체화된 실시예에서, 재성형은 프레스에 의하여 행해진다. 그러나 재성형은 단조, 전조 또는 압연과 같은 기타 다른 변형 공정을 이용하여 실행될 수도 있다. 운형 튜브를 내부 변형시킴으로써 각각의 기능 프로파일을 제조할 수도 있다.

도시된 실시예에서 선택된 모듈 분할은 하나의 실린더 마다의 기능 요소들의 결합을 분할 표준으로서 사용한다. 그러나 2개의 인접하는 실린더의 상호 대응하는 부품 기능 영역으로 이루어지는 모듈에 있어서도 원주 둘레에서 기능 프로파일의 소정의 분배에 유용한 것으로 보이면 동일하게 간주할 수도 있다.

각각의 기능 요소들은 특별한 경우 각각에 대해서 적절한 재료로 제조될 수 있다. 추가의 처리가 없이 하나의 재료에 있어 모든 특성을 얻는 것이 항상 가능하지는 않으므로, 제품 분할, 가공 및 가동 설정 또는 하중 프로파일 등의 작업을 최적화 하는 것이 바람직하다. 일례로, 100 Cr6과 같은 볼 베어링 강이 선택되는 경우, 이 강은 허쯔(Hertz) 프레스용으로는 적합하지만, 가공하기에는 더 곤란하다. 가공하기에 용이한 강이 선택된 경우, 표면 경화에 대한 적합성에 기초하여 프레스를 행하는 것이 유용하다. 성형 후에 침탄시키는 용이하게 변형되는 실용 강을 선택하는 것도 생각할 수 있다. 각각의 기능 요소들에 대해서 그 각각의 하중 프로파일은 유지하면서 아주 다른 재료를 선택할 수 있다는 것도 명확하다. 팽창부에 대한 열처리 미세 조직이 조립 영역 즉, 기본적으로는 기능 요소들과 함께 환형 돌출부(5)에 존재하게 하는 것이 중요하다.

도8a에 도시된 프로파일은 통상적으로 디젤 분사 캠용이지만, 도8b에 도시된 것은 통상적으로 인입 캠 및 배출 캠용이다. 조립형 캠 축을 제조하는 경우에, 최종 축의 직선도에 대해서, 시중에서 구입 가능한 것과 같은 프리즘 형상으로의 팽창 중에 베어링 지점에 축을 클램프하는 것에 대해서 이점이 있다.

Claims (8)

1. 소정의 부분에서 축 방향(3)을 따라서 반경 방향으로 팽창하는 것에 의하여 결합되고 이에 의해 내부 축 튜브는 팽창 부분에서 소성 변형되고 외부 부품들은 팽창 부분에서 탄성 변형되는, 외부 기능 요소를 구비하는 조립형 중공 축에 있어서,

   상기 기능 요소들이 다중 기능 요소(M)들 상에 적어도 일부가 배열되고, 팽창 부분은 기능 요소들 사이에 놓이는 것을 특징으로 하는 조립형 중공 축.
2. 제1항에 있어서, 상기 다중 기능 요소들이 외부 축 표면 상에서 축 방향으로 연장되는 슬롯(18)의 형상과 대응하는 형상을 갖는 내경부 상의 부품을 구비하는 것을 특징으로 하는 조립형 중공 축.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 축은 캠 축이고, 상기 다기능 요소들은 캠 요소(2), 베어링 요소(6) 및 구동 요소를 구비하는 것이 바람직한 다중 캠(M)인 것을 특징으로 하는 조립형 중공 축.
4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 다중 캠(M)은 축 방향으로 결합된 다수의 개별 부품(4)을 포함하고, 이에 의해 비원형 개별 부품(2)은 내경이 축 튜브(3)의 외경보다 약간 작고 기초원과 동심을 이루는 환형 돌출부(5)를 축 방향으로 구비하고 또한 전체 벽 두께가 얻어질 수 있도록 하는 방식으로 인접한 비원형 개별 부품의 벽 두께와 보충되는 대략 절반인 벽 두께의 환형 부품을 비원형 개별 부품(2)에 인접한 측면 상에 구비하고, 원형 개별 부품은 환형 돌출부의 외경 상에 정확하게 삽입 장착되는 내경을 갖는 것을 특징으로 하는 조립형 중공 축.
5. 제4항에 있어서, 환형 돌출부(5)는 팽창 부분을 구성하고, 3가지 재료 층이 팽창 부분에서 반경 방향으로 부분적으로 중첩되는 것을 특징으로 하는 조립형 중공 축.
6. 제1항에 따른 조립형 중공 축을 제조하는 제조 방법에 있어서,

   단면 팽창이 높은 내부 유압에 의해 실행되고, 이러한 유압은 프로브에 의해 중공 축 안으로 도입되고, 이에 의해 프로브의 외경이 축의 내경보다 약간 작게 되고, 프로브는 밀봉 요소에 의해 팽창 부분의 2개의 축 방향 단부에서의 중공 축에 대하여 밀봉되고, 상기 프로브는 착탈 가능한 고압 신속 연결부를 구비하고 고압 발생기에 접속하기 전에 축 내에 삽입 및 배치되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
7. 제6항에 있어서, 프로브가 설치된 최종 결합된 다중 축이 고압 발생기에 동시에 연결되고 팽창에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
8. 외부 기능 요소들을 구비하는 조립형 중공 축 특히, 캠 축을 제조하는 데 사용하기 위한 다중 기능 요소 특히, 다중 캠을 제조하는 제조 방법에 있어서,

   각각의 기능 요소들을 기능 요소에 대응하는 프로파일을 갖는 튜브로부터 제조하여 다중 캠에 결합시키고, 이에 의해 비원형 기능 요소는 내경이 축 튜브의 외경보다 약간 작으며 기초원과 동심을 이루는 환형 돌출부를 축 방향으로 구비하고 또한 인접하는 비원형 기능 요소의 벽 두께와 보충되어서 전체 벽 두께가 얻어지게 되도록 하는 대략 절반인 벽 두께로 이루어진 환형 영역을 측 방향 가장자리에 구비하고 이에 의해 환형 돌출부는 프로파일 튜브를 재형성함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.