KR20030088767A - Tappet using hybrid composites and manufacturing method its - Google Patents

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    • F01L1/12Transmitting gear between valve drive and valve
    • F01L1/14Tappets; Push rods
    • F01L1/143Tappets; Push rods for use with overhead camshafts

Abstract

PURPOSE: A tappet and a method for manufacturing the same are provided to reduce the weight of the tappet and achieve improved fuel efficiency. CONSTITUTION: An aluminum tappet(60) has an outer surface coupled with a carbon composite sheet(70) having a predetermined thickness. A method for manufacturing a tappet comprises the steps of cutting a material; friction welding the cut materials and performing processes on the required portions; wrapping a carbon composite sheet around the aluminum tappet; curing the tappet at the temperature of 110 to 170 Deg.C and pressure of 2 to 10bars; and assembling a tappet shim.

Description

하이브리드 복합재료를 이용한 태핏과 그 제조방법{Tappet using hybrid composites and manufacturing method its}Tappet using hybrid composites and manufacturing method its

본 발명은 하이브리드 복합재료를 이용한 태핏과 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 우수한 비강성특성을 지닌 카본복합재료시트를 내마모 및 고윤활특성이 요구되는 태핏의 실린더 외주면에 적용함으로써, 기존의 경량 알루미늄 태핏에 비하여 알루미늄 두께를 더욱 박육화할 수 있으며, 이에 따라 상하운동부품의 관성모멘트 감소에 따른 성능향상, 우수한 댐핑특성, 마찰저항감소 등의 효과를 기대할 수 있도록 한 하이브리드 복합재료를 이용한 태핏과 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a tappet using a hybrid composite material and a method for manufacturing the same, and more particularly, by applying a carbon composite sheet having excellent non-rigid properties to the outer peripheral surface of a tappet requiring abrasion resistance and high lubrication characteristics. Compared to lightweight aluminum tappets, the thickness of aluminum can be further increased, and accordingly, tappets using hybrid composite materials can be expected to improve the performance due to the reduction of the moment of inertia of the vertical motion parts, excellent damping characteristics, and reduce the frictional resistance. And to a method of manufacturing the same.

일반적으로 엔진 밸브트레인 구조에는 크게 두가지로 나누어진다.Generally, the engine valve train structure is divided into two types.

한가지는 캠샤프트가 밸브의 윗부분에 놓여지게 되는 오버헤드캠샤프트 방식과 또 다른 한가지는 캠샤프트가 밸브의 아랫부분에 놓여지게 되는 오버헤드밸브 방식 두가지가 있다.One is the overhead camshaft, where the camshaft is placed on the top of the valve, and the other is the overhead valve, where the camshaft is placed on the bottom of the valve.

가솔린엔진의 경우에는 캠샤프트가 밸브 위에 놓여지게 되는 오버헤드밸브 방식을 주로 적용하고 있다.In the case of gasoline engines, the overhead valve type is mainly applied in which the cam shaft is placed on the valve.

이러한 오버헤드밸브 방식에서도 실린더헤드의 공간 및 고속운전성이 우수한 태핏이라고 불리는 직동식, 즉 캠샤프트가 태핏을 이용하여 밸브를 바로 위에서 구동하는 방식을 주로 많이 채택하고 있는 추세이다.Even in such an overhead valve method, a linear type called a tappet, which is excellent in space and high speed operation of a cylinder head, that is, a camshaft is mainly adopting a method of driving a valve directly using a tappet.

도 1은 일반적인 밸브트레인의 태핏을 보여주고 있다.1 shows a tappet of a typical valve train.

실린더헤드(10) 내에 태핏(20)이 배치되고, 그 위의 캠(30)에 의해 태핏(20)은 상하운동을 하면서 밸브(40)를 아래로 밀어줄 수 있게 된다.The tappet 20 is disposed in the cylinder head 10, and the cam 30 above the tappet 20 can push the valve 40 downward while moving up and down.

여기서, 미설명 부호 50은 캠(30)과 직접 접촉하는 태핏심을 나타낸다.Here, reference numeral 50 denotes a tappet core in direct contact with the cam 30.

종래에는 주기적으로 실시하는 밸브간극조정에 따른 불편함을 없애기 위하여유압에 의한 간극발생조정으로 소비자의 불편은 사라지게 되었지만, 태핏의 복잡해진 오일 유로구조 때문에 태핏의 무게가 점점 증가하게 되었다.Conventionally, in order to eliminate inconvenience caused by periodic valve clearance adjustment, the inconvenience of the consumer disappeared due to the adjustment of the gap generation by hydraulic pressure, but the weight of the tappet gradually increased due to the complicated oil flow path structure of the tappet.

따라서, 엔진의 운전시 태핏은 고속으로 상하운동을 반복하게 되기 때문에 관성모멘트가 성능에 중요한 영향을 미치게 된다.Therefore, since the tappet repeats the vertical movement at high speed during operation of the engine, the moment of inertia has a significant effect on the performance.

따라서, 태핏의 경량화는 결국 엔진의 성능향상에 직접적인 영향을 끼치는 역할을 한다.Therefore, the weight reduction of the tappet eventually plays a role of directly affecting the performance of the engine.

또한, 이를 위해 기존 스틸재를 대체하는 알루미늄 태핏이 개발되어 일부 선진메이커들은 적용 중에 있다.In addition, for this purpose, aluminum tappets have been developed to replace existing steel materials, and some advanced makers are applying them.

실린더헤드와의 슬라이딩되는 부위에는 내마모성을 확보하기 위하여 FeP와 같은 내마모 물질을 플라즈마코팅하여 적용 중에 있다.In the sliding part with the cylinder head, in order to secure the wear resistance, an anti-wear material such as FeP is applied by plasma coating.

그러나, 플라즈마코팅기술의 경우 내마모성은 확보되지만, 상대재질인 실린더헤드의 내벽을 마모시키거나 공정관리 및 비용 등과 같은 측면에서 기존의 스틸 태핏에 비해 불리하여 확대 적용에 한계가 있다.However, in the case of plasma coating technology, although abrasion resistance is secured, it is disadvantageous compared to conventional steel tappets in terms of wear of the inner wall of the cylinder head, which is a relative material, process control, and cost, and thus, there is a limit to the expansion application.

따라서, 본 발명은 기존 내연기관 엔진의 밸브트레인 구조에서 중요한 관성모멘트를 줄임에 따라 연비개선 및 성능측면에서 내마모, 고윤활성을 확보함으로써, 낮은 마찰저항계수로 인하여 기존 고강도 단조 알루미늄 태핏에 비하여 초경량화 및 보다 높은 연비향상의 효과를 기대할 수 있는 우수한 하이브리드(알루미늄+복합재료) 태핏과 이것을 성형하는 공정을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention, by reducing the moment of inertia in the valve train structure of the existing internal combustion engine engine to ensure fuel efficiency and wear resistance, high lubrication in terms of performance, ultra-lightweight compared to the existing high strength forged aluminum tappet due to the low frictional resistance coefficient The aim is to provide an excellent hybrid (aluminum + composite) tappet and a process for molding it, which can be expected to improve the efficiency of the fuel cell and higher fuel economy.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태핏은 태핏심을 갖는 알루미늄 태핏에 있어서, 상기 알루미늄 태핏은 실린더 외주면에 일정한 두께의 카본복합재료시트가 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.Tappet according to the present invention for achieving the above object is an aluminum tappet having a tappet core, the aluminum tappet is characterized in that the carbon composite material sheet of a certain thickness is coupled to the outer peripheral surface of the cylinder.

또한, 상기 카본복합재료시트는 에폭시를 접착매체로 하는 강화제와 모재로 구성되며, 나란한 3열을 한층으로 하고 한층씩 90°엇배열하여 적층시킨 다층구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, the carbon composite material sheet is composed of a reinforcing agent and a base material using an epoxy as an adhesive medium, characterized in that consisting of a multi-layered structure by laminating three rows side by side one by one by 90 °.

또한, 상기 카본복합재료시트의 두께는 0.1mm 정도인 것을 특징으로 한다.In addition, the carbon composite material sheet is characterized in that the thickness of about 0.1mm.

한편, 본 발명에 따른 태핏의 제조방법은 봉상 압출재와 튜브형 압출재로부터 각각의 소재를 절단하는 공정; 각각의 절단한 소재를 마찰용접한 후, 필요한 부위를 가공하는 공정; 위의 가공을 마친 알루미늄 태핏소재의 실린더 외주면에 카본복합재료시트를 감싸는 공정; 이렇게 카본복합재료시트로 감싼 태핏소재를 카본복합재료시트 경화용 반응로 내에서 온도 분위기 약 110∼170℃ 정도, 적용압력 약 2∼10bar 정도의 조건하에서 경화시키는 공정; 태핏표면에 대한 경화공정을 완료한 후, 필요한 부위를 가공하고 태핏심을 조립하는 공정; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the manufacturing method of the tappet according to the present invention is a step of cutting each material from the rod-like extruded material and the tubular extruded material; Friction welding the respective cut materials, and then processing the necessary portions; Wrapping the carbon composite sheet on the outer circumference of the cylinder of the finished aluminum tappet material; Curing the tappet material wrapped in the carbon composite material sheet under a temperature atmosphere of about 110 to 170 ° C. and an applied pressure of about 2 to 10 bar in a carbon composite material sheet curing reactor; After completing the hardening process for the tappet surface, processing the necessary part and assembling the tappet shim; Characterized in that it comprises a.

또한, 상기 알루미늄 태핏소재의 실린더 외주면에 카본복합재료시트를 감싸는 공정에서 봉상 압출재와 튜브형 압출재 간의 용접부위를 포함하여 감싸는 것을 특징으로 한다.In addition, in the step of wrapping the carbon composite material sheet on the outer peripheral surface of the cylinder of the aluminum tappet material, it characterized in that it comprises a welding portion between the rod-like extruded material and the tubular extruded material.

또한, 상기 알루미늄 태핏소재의 실린더 외주면에 카본복합재료시트를 감싸는 공정에서 사용하는 카본복합재료시트는 에폭시를 접착매체로 하는 강화제와 모재로 구성되면서 나란한 3열을 한층으로 하고 한층씩 90°엇배열하여 적층시킨 다층구조인 것을 특징으로 한다.In addition, the carbon composite material sheet used in the process of wrapping the carbon composite material sheet on the cylinder outer peripheral surface of the aluminum tappet material is composed of a reinforcing agent and a base material with epoxy as an adhesive medium, three rows in a row and 90 ° It is characterized by a multi-layer structure laminated by.

또한, 상기 알루미늄 태핏소재의 실린더 외주면에 카본복합재료시트를 감싸는 공정에서 사용하는 카본복합재료시트는 0.1mm 정도의 두께의 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the carbon composite material sheet used in the step of wrapping the carbon composite material sheet on the outer peripheral surface of the aluminum tappet material is characterized in that the use of a thickness of about 0.1mm.

도 1은 자동차용 밸브트레인의 태핏을 보여주는 단면도1 is a cross-sectional view showing a tappet of an automotive valve train

도 2는 본 발명에 따른 태핏에서 카본복합재료시트의 단면구조를 보여주는 개략도Figure 2 is a schematic diagram showing the cross-sectional structure of the carbon composite sheet in the tappet according to the present invention

도 3은 본 발명에 따른 태핏 제조방법을 보여주는 공정 순서도3 is a process flow chart showing a tappet manufacturing method according to the present invention.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉<Explanation of symbols for main parts of drawing>

10 : 실린더헤드 20 : 태핏10: cylinder head 20: tappet

30 : 캠 40 : 밸브30: cam 40: valve

50 : 태핏심 60 : 알루미늄 태핏소재50: tappet core 60: aluminum tappet material

70 : 카본복합재료시트70: carbon composite material sheet

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 내마모성과 윤활특성이 요구되는 알루미늄재 태핏의 습동부위, 즉 실린더헤드와 슬라이딩되는 실린더 외주면에 고윤활 및 내마모특성이 우수한 두께가 약 0.1mm 정도되는 카본복합재료시트를 감은 다음, 온도 110∼170℃, 기압 2∼3bar 의 조건하에서 경화공정을 통하여 카본복합재료시트를 결합시키는 과정을 포함한다.According to the present invention, a carbon composite material sheet having a thickness of about 0.1 mm having excellent lubrication and abrasion resistance is wound on a sliding portion of an aluminum tappet requiring wear resistance and lubrication characteristics, that is, a cylinder head and a sliding outer peripheral surface thereof. Bonding the carbon composite sheet through a curing process under the conditions of temperature 110 ~ 170 ℃, atmospheric pressure 2-3 bar.

필요에 따라서는 카본복합재료시트의 두께를 자유롭게 조절할 수 있다.If necessary, the thickness of the carbon composite material sheet can be freely adjusted.

이 경우 태핏심과 하단 실린더형상의 결합시 마찰용접과 같은 공정을 적용하게 되는데, 카본복합재료시트로 용접부위를 함께 포함하여 감아줌으로써, 높은 탄성계수에 의한 보강으로 전체적인 강도보강이 확보된다.In this case, a process such as friction welding is applied when the tappet core and the lower cylinder shape are combined, and the welded portion is wound together with the carbon composite sheet to secure the overall strength reinforcement by reinforcement by high elastic modulus.

도 2에 도시한 바와 같이, 카본복합재료시트(Prepreg)는 강화제(70a; Fiber)와 모재(70b; Polymer)로 구성되고, 접착매체로 에폭시가 사용된다.As shown in FIG. 2, the carbon composite sheet (Prepreg) is composed of a reinforcing agent (70a; Fiber) and a base material (70b; Polymer), and epoxy is used as an adhesive medium.

이러한 카본복합재료시트는 나란한 3열을 한층으로 하고 한층씩 90°엇배열하여 적층시킨 다층구조로 성형하는 것이 바람직하다.Such a carbon composite material sheet is preferably molded into a multi-layer structure in which three rows are arranged side by side and stacked one by one by 90 °.

이와 같은 카본복합재료시트의 탄성계수는 135Gpa로서 알루미늄과 결합되어 사용됨으로써, 전체적인 강도의 상승효과를 기대할 수 있다.The elastic modulus of the carbon composite sheet is 135 Gpa, which is used in combination with aluminum, so that a synergistic effect of overall strength can be expected.

예를 들면, 강철은 2.7E/ρ(m2/sec2)이고 복합재료는 8∼15E/ρ(m2/sec2)이다.For example, steel is 2.7 E / ρ (m 2 / sec 2 ) and composite material is 8-15 E / ρ (m 2 / sec 2 ).

참고로, 스틸의 탄성계수는 210Gpa이고, 알루미늄의 탄성계수는 75Gpa이다.For reference, the elastic modulus of steel is 210 Gpa, and the elastic modulus of aluminum is 75 Gpa.

도 3에 도시한 바와 같이, 여기서는 압출재를 이용한 알루미늄 태핏의 성형공정을 보여주고 있다.As shown in FIG. 3, the molding process of the aluminum tappet using the extruded material is shown here.

봉상 압출재와 튜브형 압출재로부터 각각의 소재를 절단하고, 이것들을 마찰용접한 후 필요한 부위, 예를 들면 용접부위의 연마 등을 가공한다.Each raw material is cut from the rod-like extruded material and the tubular extruded material, and these are subjected to friction welding, and then a necessary portion, for example, polishing of a welded portion, is processed.

위의 가공을 마친 알루미늄 태핏소재(60)의 실린더 외주면에 카본복합재료시트(70)를 감싼 다음, 이것을 카본복합재료시트 경화용 반응로 내에서 온도 분위기 약 110∼170℃ 정도, 적용압력 약 2∼10bar 정도의 조건하에서 경화시키는 공정을 수행한다.Wrap the carbon composite sheet 70 on the outer circumferential surface of the finished aluminum tappet material 60, and then apply it to a temperature atmosphere of about 110 to 170 DEG C in a reactor for curing the carbon composite sheet, and an applied pressure of about 2 The step of curing under the condition of about 10 bar is performed.

태핏표면에 대한 경화공정을 완료한 후에는 필요한 부위, 예를 들면 태핏심 자리, 밸브 접촉면 등을 가공한 다음, 태핏심을 조립하면, 태핏의 제조공정이 완료된다.After the hardening process for the tappet surface is completed, the required part, for example, a tappet shim seat, a valve contact surface, and the like is processed, and then the tappet shim is assembled to complete the manufacturing process of the tappet.

이상에서와 같이 본 발명은 기존 상용화된 알루미늄 태핏의 제조공정인 알루미늄 단조 및 표면 플라즈마내마모 표면처리를 적용하던 기술을 배제하고, 알루미늄 압출 및 이미 상용화 되고 있는 고탄성계수, 즉 우수한 비탄성특성을 지닌 카본복합재료시트를 내마모성 및 고윤활특성이 요구되는 태핏의 실린더 외주면, 즉 태핏과 실린더헤드 간의 슬라이딩 접촉부위에 적용함으로써, 기존 경량 알루미늄 태핏에 비하여 알루미늄 두께를 더욱 박육화시킬 수 있으며, 이에 따라 상하운동부품의 관성모멘트 감소에 따른 성능향상, 또한 우수한 댐핑특성으로 인한 진동감쇄효과로 NVH(소음) 개선가능, 낮은 마찰저항계수 및 고체윤활효과에 따른 구동시 실린더헤드와의 마찰저항감소 등으로 이중적인 성능효과를 기대할 수 있다.As described above, the present invention excludes the technology of applying aluminum forging and surface plasma abrasion surface treatment, which are conventionally manufactured aluminum tappets, and extrudes aluminum and commercializes high elastic modulus, that is, carbon having excellent inelastic properties. By applying the composite sheet to the outer circumferential surface of the tappet, which requires abrasion resistance and high lubrication characteristics, that is, the sliding contact between the tappet and the cylinder head, the thickness of the aluminum can be further thinned compared to the existing lightweight aluminum tappet. Performance improvement due to the reduction of moment of inertia, and the vibration damping effect due to the excellent damping characteristics can improve NVH (noise), and the dual performance effect due to the reduction of frictional resistance with the cylinder head during operation due to the low frictional resistance coefficient and solid lubrication effect You can expect.

따라서, 본 발명의 적용에 따른 차량연비효과의 대폭적인 개선으로 응용분야는 급속하게 확대될 전망이다.Therefore, the application field is expected to expand rapidly due to the drastic improvement of the vehicle fuel efficiency effect according to the application of the present invention.

Claims (7)

태핏심을 갖는 알루미늄 태핏에 있어서,In an aluminum tappet having a tappet core, 상기 알루미늄 태핏은 실린더 외주면에 일정한 두께의 카본복합재료시트가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 복합재료를 이용한 태핏.The aluminum tappet is a tappet using a hybrid composite material, characterized in that the carbon composite sheet of a certain thickness is coupled to the outer peripheral surface of the cylinder. 제 1 항에 있어서, 상기 카본복합재료시트는 에폭시를 접착매체로 하는 강화제와 모재로 구성되며, 나란한 3열을 한층으로 하고 한층씩 90°엇배열하여 적층시킨 다층구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 복합재료를 이용한 태핏.[Claim 2] The hybrid of claim 1, wherein the carbon composite sheet comprises a reinforcing agent and a base material made of epoxy as an adhesive medium, and has a multi-layered structure in which three rows are arranged side by side and stacked one by one by 90 °. Tappet with composite material. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 카본복합재료시트의 두께는 0.1mm 정도인 것을 특징으로 하는 하이브리드 복합재료를 이용한 태핏.The tappet according to claim 1 or 2, wherein the carbon composite material sheet has a thickness of about 0.1 mm. 봉상 압출재와 튜브형 압출재로부터 각각의 소재를 절단하는 공정;Cutting each material from the rod-like extruded material and the tubular extruded material; 각각의 절단한 소재를 마찰용접한 후, 필요한 부위를 가공하는 공정;Friction welding the respective cut materials, and then processing the necessary portions; 위의 가공을 마친 알루미늄 태핏소재의 실린더 외주면에 카본복합재료시트를 감싸는 공정;Wrapping the carbon composite sheet on the outer circumference of the cylinder of the finished aluminum tappet material; 이렇게 카본복합재료시트로 감싼 태핏소재를 카본복합재료시트 경화용 반응로 내에서 온도 분위기 약 110∼170℃ 정도, 적용압력 약 2∼10bar 정도의 조건하에서 경화시키는 공정;Curing the tappet material wrapped in the carbon composite material sheet under a temperature atmosphere of about 110 to 170 ° C. and an applied pressure of about 2 to 10 bar in a carbon composite material sheet curing reactor; 태핏표면에 대한 경화공정을 완료한 후, 필요한 부위를 가공하고 태핏심을 조립하는 공정;After completing the hardening process for the tappet surface, processing the necessary part and assembling the tappet shim; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 복합재료를 이용한 태핏의 제조방법.Method for producing a tappet using a hybrid composite material comprising a. 제 4 항에 있어서, 상기 알루미늄 태핏소재의 실린더 외주면에 카본복합재료시트를 감싸는 공정에서 봉상 압출재와 튜브형 압출재 간의 용접부위를 포함하여 감싸는 것을 특징으로 하는 하이브리드 복합재료를 이용한 태핏의 제조방법.[5] The method of claim 4, wherein in the step of wrapping the carbon composite sheet on the outer circumferential surface of the aluminum tappet material, the welding part between the rod-like extruded material and the tubular extruded material is wrapped. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 알루미늄 태핏소재의 실린더 외주면에 카본복합재료시트를 감싸는 공정에서 사용하는 카본복합재료시트는 에폭시를 접착매체로 하는 강화제와 모재로 구성되면서 나란한 3열을 한층으로 하고 한층씩 90°엇배열하여 적층시킨 다층구조인 것을 특징으로 하는 하이브리드 복합재료를 이용한 태핏의 제조방법.[Claim 6] The carbon composite material sheet according to claim 4 or 5, wherein the carbon composite material sheet used in the step of wrapping the carbon composite material sheet on the outer circumferential surface of the aluminum tappet material is composed of an epoxy reinforcing agent and a base material. The method of manufacturing a tappet using a hybrid composite material, characterized in that the multi-layer structure laminated one by one by 90 °. 제 4 항에 있어서, 상기 알루미늄 태핏소재의 실린더 외주면에 카본복합재료시트를 감싸는 공정에서 사용하는 카본복합재료시트는 0.1mm 정도의 두께의 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 복합재료를 이용한 태핏의 제조방법.The method of claim 4, wherein the carbon composite material sheet used in the step of wrapping the carbon composite material sheet on the outer peripheral surface of the aluminum tappet material, the manufacturing of the tappet using a hybrid composite material, characterized in that the use of a thickness of about 0.1mm Way.
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