KR20060129548A - 주조 중공 크랭크 샤프트 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 주조중 코어 빼기에 의한 주조 중공 크랭크 샤프트를 더 경량화하는 동시에, 크랭크 샤프트 제조시의 코어의 휘어짐 및 주탕시의 떠오름을 없애어 정확하고 제조성이 뛰어나고, 또한 유공가공을 필요로 하지 않는다. 내연기관의 주조 중공 크랭크 샤프트에 있어서, 저널부 및/또는 핀부의 중공부 단면이 타원 형상을 이루고 또한 저널부 및 핀부의 유공이 코어에 의해 주조중 코어 빼기하여 형성되어 있다. 아암부의 중공부 단면도 타원 형상을 이루고 있다. 수평 방향으로 굴곡하고 또한 저널 부분 및/또는 핀 부분에 단면이 수직 방향으로 장경부를 구비한 타원 형상의 코어를 이용한다. 수평 방향으로 굴곡하고 또한 저널 부분 및/또는 핀부분에 주형을 향하여 신장하는 복수의 굽도리널부를 구비하거나 또는 수직 방향으로 주형을 향하여 신장하는 복수의 굽도리널부를 구비한 코어를, 복합화 주조하여, 중공부 및 유공을 일체로 형성한다.
중공, 크랭크 샤프트, 크랭크 축
Description
본 발명은, 내연기관에 사용되는 주조 중공 크랭크 샤프트, 특히 축 둘레 부분을 주조중 코어 빼기하여 중공 크랭크 샤프트 및 그 제조방법에 관한 것이다.
내연기관은 저연비 또한 고성능화가 요구되며, 크랭크 샤프트도 경량화 및 마찰 손실의 저감이 요구되고 있다. 또한, 근래의 저비용화에 의해 제조 공정의 간소화는 불가결하다. 주조 크랭크 샤프트의 재료로는, 일반적으로 연성(ductile) 주철 등이 이용되고 있다. 그러나, 기계적 성질을 확보하기 위해서 축의 지름 등을 크게 취할 필요로부터 전체의 중량이 증가하여, 기동시의 토크가 커지는 등의 문제가 있었다.
이러한 문제의 해결책으로서, 얇은 금속 파이프를 복합화 주조(enveloped-casting)에 의해서 융착시켜 중공으로 함으로써, 경량화와 동시에 유공 가공을 생략한 크랭크 샤프트가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 그러나, 이것으로는, 중공부가 되는 축방향으로 굴곡한 얇은 금속 파이프에 유공부가 되는 작은 지름의 파이프를 가지형상으로 구비한 얇은 금속 파이프의 제조가 곤란하고, 또한, 주조시에 파이프의 칠러(chiller) 효과에 의해서 크랭크 샤프트 내부가 경화함으로 인한 인성 부족이나, 파이프와 주철재의 밀착성이나 파이프 표면의 산화물 등을 원인으로 한 내부 결함 발생 등 제조 기술, 품질 및 비용 등등의 문제를 안고 있어 실용적인 것은 아니다.
또한, 크랭크 샤프트의 핀부, 저널부 및 아암부를 코어에 의해 연속적으로 주조 중에 코어를 주조중 코어 빼기함으로써 경량화하는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조). 이에 따른 아암부 코어의 강도 부족을 지적하고, 크랭크 샤프트 아암부 견부에 팽창부를 형성함으로써 아암부 중심의 단면적을 크게 하여, 코어 전체를 양단부의 굽도리널(baseboard)로 지지하는 구조로 하는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 3 참조). 그러나, 크랭크 샤프트에는 큰 응력이 가해지기 때문에, 아암부가 주조중에 코어를 주조중 코어 빼기하는 것에 의한 얇은 두께화에도 한도가 있고, 엔진 설계상으로부터 팽창부의 사이즈나 위치도 제약된다. 또한, 코어 전체를 양단부의 굽도리널로 지지하는 구조에 있어서, 아암부 코어 단면적을 크게 해도, 크랭크 샤프트의 경량화를 위해서 저널부나 핀부의 코어가 아암부에 비해 크고 무거워지는 점에서 아암부의 코어 강도가 충분하다고는 할 수 없다. 특히, 다기통용 크랭크 샤프트 등에 굴곡한 일체의 코어를 이용하면, 굴곡이 없는 직선의 코어와 달리 부분적으로 큰 응력이 가해지기 때문에, 아암부 코어 단면적을 크게 해도 강도는 부족하다. 그 결과, 주형에 코어를 세트한 때에 코어가 휘어지거나, 주탕(pouring)시에 코어가 떠오르거나 혹은 파손하는 문제가 있다.
코어의 강도 부족을 보충하기 위해서 채플릿(chaplet)이 일반적으로는 이용된다. 그러나, 채플릿은 여러 가지 금속 피막 처리, 예를 들면 주철 주물용의 채 플릿에서는 주석 도금에 의한 방식처리가 이루어진 용탕과는 다른 재질 성분을 포함함과 함께, 채플릿이 최종적으로 용탕과 용융 접착하여 주물의 일부가 되기 때문에, 중공 크랭크 샤프트에는 바람직한 방법은 아니다. 또한, 중공부에 주물사(cast sand)가 잔류하면, 사용시에 탈락하여 엔진에 큰 영향을 주기 때문에, 주조중 코어를 주조중 코어 빼기한 후의 중공부가 주물사를 완전하게 제거할 필요로부터 기술적 문제도 안고 있다. 또한, 크랭크 샤프트의 저널부나 핀부의 유공은 가공에 의해 형성되어 있기 때문에, 버(burr)나 부스러기가 중공부에 잔류하여 상기와 같은 문제를 안고 있다.
한편, 일반적으로 코어 강도의 향상에는, 주사에의 레진 첨가량의 증량 등을 이루어지는 경우가 있지만, 레진의 증량은 가스 발생을 수반하여, 결과적으로 내부 결함을 발생시킬 가능성이 커서 바람직한 대책은 아니다.
이 때문에, 근래에는, 저널부로부터 핀부의 커넥팅 로드(connecting rod) 축받이부에 관통구멍을 가공에 의해 형성하여, 커넥팅 로드와 핀부에의 오일 공급은 저널부에 형성된 공급구로부터 실시하는 수단이 주로 이용되고 있다(예를 들면, 특허문헌 4 나 비특허문헌 1 참조).
특허문헌 1 : 일본특허공개공보 소56-147914호
특허문헌 2 : 일본실용신안공개공보 소57-139722호
특허문헌 3 : 일본실용신안공개공보 소59-177820호
특허문헌 4 : 일본특허공개공보 평07-027126호
비특허문헌 1 :자동차 기술 핸드북 <제2 분책> 설계편 1991년 정흥사(P84)
그러나, 상술의 가공에서의 방법에 의하면, 상술한 주조법과 같이 대폭적인 경량화는 불가능하고, 더욱이 실린더 블록의 알루미늄화에 의해, 저널부의 틈새가 열팽창차로부터 커져서, 저널부로부터의 크랭크 샤프트에의 오일 공급시에 오일 누출이 증대하여 오일 공급 효율이 나빠진다고 하는 문제가 있다. 또한, 저널부로부터 커넥팅 로드 축받이부에 비스듬하게 오일구멍을 가공한다고 하는 곤란한 공정을 필요로 하고 있어, 제조면 및 비용면에서 문제가 있다.
따라서, 본 발명자들은 상술의 과제를 해결하기 위해서 예의 연구를 실시한 결과, 코어 단면을 타원 형상으로 하고, 코어와 일체화한 굽도리널부를 크랭크 샤프트의 저널부와 핀부의 유공부에 형성하여 주입을 행함으로써, 경량화와 동시에 유공을 형성하고, 또한 코어의 휘어짐 및 주탕시의 떠오름을 효과적으로 방지할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 이러한 실험에 기초하여 이루어진 것으로서, 주조중 코어 빼기에 의한 주조 중공 크랭크 샤프트의 경량화와 함께, 크랭크 샤프트 제조시의 코어의 휘어짐 및 주탕시의 떠오름을 없애어 정확하고 제조성이 뛰어나며, 또한 유공가공이 불필요한 주조 중공 크랭크 샤프트 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
본 발명의 제1 형태는, 내연기관의 주조 중공 크랭크 샤프트에 있어서, 저널부 및/또는 핀부의 유공이 코어에 의해 주조중 코어 빼기하여 형성되고 있다.
본 발명의 제1의 형태에 있어서, 유공을 형성하는 굽도리널부는, 중공부를 형성하는 코어와 일체로 성형해도 좋고, 코어에 나중에 조립하여 일체화시켜도 좋다. 코어와 일체화한 굽도리널부에 의해 유공을 후속가공을 필요로 하지 않고 형성하는 것이 가능해진다.
본 발명의 제2 형태는, 저널부 및/또는 핀부의 중공부 단면이 타원 형상을 이루고 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 중공부 단면을 타원 형상으로 함으로써, 한층 더 크랭크 샤프트의 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 중공부 단면을 타원 형상으로 함으로써, 핀부와 저널부의 중공화는 크랭크 샤프트의 경량화에 효과적이며, 강도를 필요로 하는 위치(방향)의 두께를 두껍게 하고, 다른 부분을 얇게 한 타원 형상으로 함으로써 최적의 경량화가 가능해진다. 또한, 제조면에서도 굴곡 코어의 변곡부가 되는 핀부와 저널부의 강도 향상이 필요하고, 타원 중공 형상에 의해 코어 강도 향상에도 효과가 있다. 또한, 타원 형상으로 함으로써 유공형성 코어(굽도리널)를 짧게 할 수 있는 것에 의한 장점도 있다.
본 발명의 제3 형태는, 아암부의 중공부 단면이 타원 형상을 이루고 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 중공부 단면을 타원 형상으로 함으로써, 아암부의 중공화는 크랭크 샤프트의 경량화에 효과적이며, 강도를 필요로 하는 위치(방향)의 두께를 두껍게 하고, 다른 부분을 얇게 한 타원 형상으로 함으로써 최적의 경량화가 가능해진다. 또한, 제조면에서도 굴곡 코어의 아암부의 강도 향상이 필요하고, 타원 중공 형상에 의해 코어 강도 향상에도 효과가 있다.
본 발명의 제4 형태는, 본 발명의 제1 내지 제3 형태에 있어서의 주조 중공 크랭크 샤프트 또는 그 소재의 제조에 있어서, 수평 방향으로 굴곡하고 또한 저널 부분 및/또는 핀 부분에 단면이 수직 방향으로 장경부(長徑部)를 구비한 타원 형상의 코어를 이용한다.
본 발명의 제4 형태에서는, 수직 방향으로 장경부를 구비한 타원 형상과 함으로써, 코어 자체의 강도를 향상할 수 있음과 함께, 수직 방향으로 유공을 형성하는 굽도리널부가 되는 코어의 길이를 짧게 하는 것이 가능해져, 코어를 보다 안정시킬 수 있다.
한편, 여기서, 소재란 주조후의 미가공인 것을 의미한다.
또한, 수직 방향으로 장경부를 구비한 타원 형상이란, 양단부에서 지지하는 코어 구성에서는, 중력에 의해 지지점 사이의 부분에 휘어지는 방향의 힘이 가해지는 것, 반대로 용탕 주탕시에 코어에는 부력이 가해지기 때문에, 수직 방향을 두껍게 한 타원 형상으로 하여 코어 강도를 높게 함으로써 엇갈림 등을 방지할 수 있다. 또한, 수직 방향의 코어의 일부를 굽도리널로 함으로써 엇갈림 방지를 확실하게 할 수 있다.
본 발명의 제5 형태는, 본 발명의 제4 형태의 주조 중공 크랭크 샤프트 또는 그 소재의 제조에 있어서, 수평 방향으로 굴곡하고 또한 저널부분 및/또는 핀 부분에 주형을 향하여 신장하는 복수의 굽도리널부를 구비한 코어를 복합화 주조하여, 중공부 및 유공을 일체로 형성한다.
본 발명의 제5 형태에서는, 코어 자체로 중량이 큰 저널 부분 혹은 핀 부분은 저널 부분 및 핀 부분을 굽도리널에 의해 고정하는 것이 가능해지기 때문에, 코어의 보강을 위한 채플릿을 필요로 하지 않고 정확한 주입을 용이하게 할 수 있는 것과 함께 후속가공이 불필요한 유공을 형성할 수 있다.
본 발명의 제6 형태는, 본 발명의 제4 또는 제5 형태의 주조 중공 크랭크 샤프트 또는 그 소재의 제조에 있어서, 수평 방향으로 굴곡하고 또한 저널 부분 및/또는 핀 부분에 수직 방향으로 주형을 향하여 신장하는 복수의 굽도리널부를 구비한 코어를 복합화 주조하여, 중공부 및 유공을 일체로 형성했다.
본 발명의 제6 형태에서는, 코어 자체로 중량이 큰 저널 부분 혹은 핀 부분 또는 저널 부분 및 핀 부분을 수직 방향으로 신장한 굽도리널에 의해 상하로부터 고정하는 것이 가능해지기 때문에, 코어의 보강을 위한 채플릿을 필요로 하지 않고 보다 정확한 주입을 용이하게 할 수 있음과 함께 후속가공이 불필요한 유공을 형성할 수 있다.
본 발명의 제7 형태는, 본 발명의 제4 내지 제6 형태의 주조 중공 크랭크 샤프트 또는 그 소재의 제조에 있어서, 아암 부분의 코어의 단면이 수직 방향으로 장경부를 구비한 타원 형상을 이루고 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태와 관련된 주조 중공 크랭크 샤프트의 단면도이다.
도 2는 도 1의 A-A단면이다.
도 3은 본 발명의 제조방법에서 이용하는 주형 및 코어의 부분 단면도(수직 방향)의 예이다.
도 4는 본 발명의 제조방법에서 이용하는 주형 및 코어의 부분 단면도(수평 방향)의 예이다.
도 5는 도 2의 B-B단면도의 일례이다.
도 6은 도 2의 B-B단면도의 다른 예이다.
도 7은 도 2의 C-C단면도의 일례이다.
이하에 본 발명의 주조 중공 크랭크 샤프트 및 그 제조방법의 실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는, 본 발명의 일실시형태와 관련된 주조 중공 크랭크 샤프트(소재)의 단면도이다.
크랭크 샤프트 본체(1)는, 수평 방향으로 복수의 굴곡부를 가지며 또한 단면이 타원 형상의 저널부(4) 및 아암부(15)와 단면이 원형상의 핀부(5)와 양단축부를 관통한 중공부(3)를 가지고 있다. 핀부(5)와 양단축부의 단면을 타원형상으로 할 수도 있다.
저널부(4) 및 핀부(5)는, 코어와 일체화한 굽도리널에 의해 복수의 유공(6)을 형성하고 있다. 저널부(4) 및 핀부(5)의 유공(6)은, 저널부(4) 및 핀부(5) 각각에 대하여 상하의 한쪽 또는 양쪽 모두에 형성할 수 있다. 유공(6)의 사이즈는, 크랭크 샤프트 자체의 크기 등에 따라서 다르지만, 일반적으로 자동차용 엔진에서는 Ø5mm 이하가 바람직하다.
크랭크 샤프트 본체(1)는, 커넥팅 로드 축받이부의 핀부(7)와, 밸런스 추의 크랭크 웨이트(8)를 구비하고 있다.
본 실시형태에서는, 저널부(4)만을 중공부 단면을 타원 형상으로 한 경우에 대하여 설명했지만, 저널부(4) 및 핀부(5)의 양쪽 모두, 또는 핀부(5)만으로도 좋다. 양쪽 모두가 가장 바람직한 실시형태이지만, 크랭크 샤프트의 형상 사이즈에 따라서는 어느 한쪽인 경우도 있을 수 있다.
또한, 중공 크랭크 샤프트의 아암부(15)의 중공부 단면을 타원 형상으로 하는 이유는, 저널부(4) 및 핀부(5)와 마찬가지이다.
도 5 및 도 7은, 도 1에 나타낸 주조 중공 크랭크 샤프트(소재)의 저널부(4) 및 핀부(5)의 지름 방향 단면이다. 여기서는, 중공부(3)가 수직 방향으로 장경의 타원 형상이고 상하 방향으로 유공(6)을 구비하고 있다. 본 실시 형태에서는, 중공부 단면의 타원 형상의 장경과 단경의 비는 3:2로 하고 있지만, 강도를 확보할 수 있는 범위에서 변경이 가능하다. 또한, 경량화를 위해서, 강도 등에 문제가 없는 범위에서 도 6에 나타낸 각이 둥근 사각형 등으로 해도 좋다.
다음에, 본 실시형태와 관련된 중공 크랭크 샤프트의 제조에 대하여 설명한다.
도 3 및 도 4에 나타내는 주형(사형)(9)을 조형한 후, 상형을 씌우기 전에 하형에 코어(2)의 양단부를 굽도리널부(11)로서 지지하고, 동시에 저널 부분(12)과 핀 부분(13)의 굽도리널부도 주형(사형)(9)에 고정하여, 코어(2)의 변형 및 엇갈림을 방지한 후, 상형을 조립하고 용탕을 주입하여 각부의 중공부를 형성함과 함께 저널부(4)와 핀부(5)의 유공(6)도 형성하고 있다.
여기서, 굽도리널부(11)란, 코어(2)를 주형(사형)(9)에 고정하기 위한 핸들(handle)에 해당하는 부분을 말하며, 본 실시형태에서는, 핸들에 해당하는 부분이 양단에 위치한다. 또한, 코어(2)를 주형(사형)(9)에 고정하는 것으로부터 저널 부분(12), 핀 부분(13)도 굽도리널부가 된다. 그리고, 본 실시형태에서는, Ø5mm 이하로 빼기 구배(draft angle)를 가진 대략 원추형상의 저널 부분(12), 핀 부분(13)에 의해 유공(6)을 형성하고 있다.
주조에 이용하는 재료로서는, FCD700 등의 덕타일 주철이나 합금 주철 등을 이용할 수 있다.
또한, 저널 부분(12)과 핀 부분(13)의 굽도리널부 이외에, 크랭크 샤프트의 핀 측면부(14)의 수평 방향으로 굽도리널부를 형성하여 개구부를 형성해도 좋다. 이에 따라 코어(2)의 수평 방향의 고정을 확실하게 함과 함께, 개구부로부터 쇼트 블러스트 등의 탈사처리를 용이하게 실시할 수 있다.
한편, 본 실시형태와 관련된 주조 중공 크랭크 샤프트의 제조 방법에 의한 중공부(3)와 유공(6)을 일체로 주조한 주조 중공 크랭크 샤프트(소재)의 탈사처리에는, 콜렌(Kolene) 처리 등의 용융염 처리를 실시할 수 있고, 본 실시형태와 관련된 주조 중공 크랭크 샤프트의 제조 방법과 콜렌(Kolene) 처리를 조합하여 실시할 수도 있다.
이상과 같이, 본 실시형태와 관련된 주조 중공 크랭크 샤프트의 제조 방법에 의해 주조한 중공 크랭크 샤프트는, 내부에 수축 공동(cavity) 등의 결함이 없는 건전한 중공 주조품으로 할 수 있고, 중실(重實) 주조품에 비해 10∼20%의 중량 경 감이 가능해진다. 또한, 윤활유를 크랭크 샤프트 단부로부터의 센터 급유로 할 수 있고, 효율이 좋은 오일 윤활 경로가 된다. 또한, 코어의 제조, 세팅 등을 간략화할 수 있으며, 유공가공이 불필요해지기 때문에 제조성이 향상하고 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서의 주조 중공 그랭크 샤프트의 경량화는, 바깥쪽으로부터 경량화를 도모하는 것이 아니라 크랭크 샤프트의 저널부(4), 핀부(5)의 안쪽으로부터 경량화를 도모하는 것이기 때문에, 크랭크 샤프트의 최대 응력은 핀부(5)의 롤렛 가공의 모서리(R)부에 발생하지만, 이 부분의 응력을 저하시키지 않고 구부림 강성을 확보한 형상으로 할 수 있다.
[발명의 효과]
본 발명에 의하면, 코어를 사용하여 크랭크 샤프트 내부를 중공으로 함으로써, 기계적 성질을 저하시키지 않고 경량화와, 저널부와 핀부의 유공을 일체로 형성함으로써 유공의 가공을 필요하지 않게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 중공부를 타원 형상으로 하고 또한 저널부 및/또는 핀부의 유공을 코어에 의해 주조중 코어 빼기함으로써, 한층 더 크랭크 샤프트의 경량화를 도모할 수 있는 동시에 제조성 향상에 의한 저비용화가 가능하다.
또한, 본 발명의 제조 방법에 의하면, 수평 방향으로 굴곡하고 또한 저널 부분 및/또는 핀 부분에 굽도리널부를 구비한 코어를 이용함으로써 코어를 확실하게 고정할 수 있고, 정확한 주입을 할 수 있는 동시에 유공을 형성할 수 있다. 또한, 저널부나 핀부의 코어를 수직 방향으로 장경부를 가진 타원 형상으로 함으로써 코어 자체의 강도 향상과 크랭크 샤프트의 경량화가 가능해진다.
Claims (7)
- 내연기관의 주조 중공 크랭크 샤프트에 있어서, 저널부 및/또는 핀부의 유공이 코어에 의해 주조중 코어 빼기하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 주조 중공 크랭크 샤프트
- 제 1 항에 있어서,상기 저널부 및/또는 상기 핀부의 중공부 단면이 타원 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는, 주조 중공 크랭크 샤프트.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,아암부의 중공부 단면이 타원 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는, 주조 중공 크랭크 샤프트.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 기재된 주조 중공 크랭크 샤프트 또는 그 소재의 제조에 있어서,수평 방향으로 굴곡하고 또한 저널 부분 및/또는 핀 부분에 단면이 수직 방향으로 장경부를 구비한 타원 형상의 코어를 이용하는 것을 특징으로 하는, 주조 중공 크랭크 샤프트의 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,수평 방향으로 굴곡하고 또한 상기 저널 부분 및/또는 상기 핀 부분에 주형을 향하여 신장하는 복수의 굽도리널부를 구비한 코어를 복합화 주조하여, 중공부 및 유공을 일체로 형성하는 것을 특징으로 하는, 주조 중공 크랭크 샤프트의 제조 방법.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,수평 방향으로 굴곡하고 또한 상기 저널 부분 및/또는 상기 핀부분에 수직 방향으로 주형을 향하여 신장하는 복수의 굽도리널부를 구비한 코어를 복합화 주조하여, 중공부 및 유공을 일체로 형성하는 것을 특징으로 하는, 주조 중공 크랭크 샤프트의 제조 방법.
- 제 4 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,아암 부분의 코어의 단면이 수직 방향으로 장경부를 구비한 타원 형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는, 주조 중공 크랭크 샤프트의 제조 방법.
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