KR20100010946U - 조립식 캠 샤프트용 센서 피스 조립구조 - Google Patents

Abstract

본 고안은 센서 피스를 캠 샤프트에 강제 압입 방식으로 결합하는 것으로서, 이 센서 피스는 금속분말을 통한 분말야금에 의해 제작되며, 결합 후 별도의 가공을 수행하지 않게 되므로 센서 피스의 형상 자유도를 향상시킬 수 있고, 센서 피스와 캠 샤프트의 결합부를 연삭가공을 통해 억지 끼어 맞춤에 의한 강제 압입 방식 및 결합부에 널링부를 형성하여 센서 피스를 강제 압입 시키는 방식을 통하여, 제조 공정의 단순화 및 센서 피스의 안정적이고 정확한 센싱능력을 가질 수 있는 조립식 캠 샤프트용 센서 피스 조립구조로서, 본 고안에 따른 조립식 캠 샤프트용 센서 피스 조립구조는 캠 샤프트의 단부에 형성되고 외측 둘레면에는 연삭 가공 또는 널링 공정에 의해 형성된 끼움축과, 상기 끼움축에 강제 압입방식으로 끼워지는 끼움공이 중앙에 형성되고 외측 둘레면에는 센싱 돌기 및 센싱 홈이 형성된 센서 피스로 구성된 것에 특징이 있다.

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Description

조립식 캠 샤프트용 센서 피스 조립구조{SENSOR PIECE ASSEMBLE STRUCTURE FOR ASSEMBLE TYPE CAM SHAFT}

본 고안은 조립식 캠 샤프트용 센서 피스 조립구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 캠 샤프트의 종단에 설치되는 센서 피스의 형상을 다양화하고, 강제 압입하므로 조립공정을 단순함은 물론, 후가공을 수행하지 않으므로 센서 피스를 가공완료된 상태로 결합하여 조립공정을 단순화 함으로서 작업성 및 생산성 향상과 품위를 안정시킬 수 있게 한 조립식 캠 샤프트용 센서 피스 조립구조에 관한 것이다.

일반적으로 캠 샤프트(CAM SHAFT)는 소정의 길이와 두께로 된 샤프트 외주에 소정간격을 두고 위상이 서로 다른 다수의 캠로브와 센서 피스가 구비되며, 상기 캠 샤프트가 회전됨에 따라 엔진이 구동되게 되는 것이다.

상기 캠 샤프트는 샤프트 축에 캠을 나열하여 축의 회전에 따라 흡. 배기 밸브를 순차적으로 개폐하게 되는데, 종래의 제조 방법은 샤프트와 캠은, 합금 주철을 주조하여 샤프트와 캠을 일체로 형성한 일체형과, 인발 강 파이프로 이루어진 중공 샤프트에 캠(캠로브)을 결합한 중공형 조립식 타입이 있다.

이러한 종래 캠 샤프트의 제조방법은 여러 가지가 소개된 바 있다. 일 예를 설명하면 샤프트와 캠을 주물로 일체 성형하는 방법 즉, 금형 내에 주물을 부어 샤프트와 캠을 일체로 성형 한 캠 샤프트가 있으나, 전통적인 주물 방식에 의한 제조 방법은 작업 공정 특성 상 자동화가 까다롭고 생산성이 떨어지며, 반드시 표면 개질을 위해 열처리 공정이 수행되어져야 함으로써 작업공정이 번거롭고 후 가공으로 인해 재료의 사용량이 많아져 필요 이상으로 재료의 낭비를 가져왔다. 또한, 주물 재로서 중량이 무거워 엔진 부품 전반에 걸친 경량화 추세 대응에 한계가 있어, 내연기관용 엔진의 연비 효율이 떨어지는 등의 여러 단점이 있었다.

상기의 종래 주물 재로 이루어진 캠 샤프트가 갖는 제반문제를 해소하기 위해 좀더 진보, 개발된 것이 인발 파이프로 이루어진 중공 샤프트와 캠을 별도로 조립하는 중공형 조립식 캠 샤프트 제조 방식이 그 일 예이다.

위 중공형 조립식 캠 샤프트는 일체형 캠 샤프트에 비해 그 중량을 대폭적으로 경량화 할 수 있고, 캠, 저널, 센서, 구동기어 등 각종 조립 피스 등을 각각의 기능 및 필요에 맞게 다른 재질로 만들어서 조립할 수 있는 등의 이점이 있음으로, 소형, 경량화를 추구하는 차량에 사용되고 있는 캠 샤프트이다.

이는 샤프트에 캠을 끼워 열처리에 의해 샤프트와 캠로브를 긴밀히 접합시키는 방법으로써 경량화, 고성능, 고효율, 공정개선 등의 여러 이점이 있어, 전통적인 제조 방법인 주물 주조공법의 캠 샤프트에서 최근에는 조립식 캠 샤프트로 바뀌고 있는 추세이다.

또한, 상기한 캠 샤프트의 종단에는 캠 샤프트 구동을 위한 기어 및 스프로켓이 결합되거나 또는 캠 샤프트의 회전에 의한 엔진 실린더의 정확한 연료 분사 시기를 결정할 수 있도록, 센서 피스가 결합되어 있게 된다.

여기서, 상기한 캠과 센서 피스는 합금 재질 분말을 성형, 샤프트에 조립하여 소결 공정을 통한 소결확산 접합에 의해 샤프트와 결합하여 제작되는 바, 캠은 엔진특성에 맞게 프로파일을 가공함과 아울러, 센서 피스는 그 둘레면에 센싱 돌기 및 센싱 홈을 각도에 맞게 정밀한 가공을 통해 형성하게 된다.

이 센서 피스는 크랭크 축의 회전에 따른 캠샤프트에서 크랭크축 회전의 1/2의 속도로 1번과 4번 실린더의 압축행정의 상사점을 감지하여 이를 펄스 신호로 바꾸고 이것을 ECU로 보내게 된다.

한편, ECU에서는 이 신호를 근거로 각 실린더에 대한 연료분사의 순서를 결정하게 된다.

보통 센서 피스의 형상은 1Bridge(tooth)형태로 1번 실린더의 압축 상사점을 감지하지만, 최근에는 시동 응답성의 향상을 목적으로 각 실린더의 상사점을 감지 하기 위해 3Bridge 또는 4Bridge 형태의 다각 센서 피스가 주류를 이룬다.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 상기한 센서 피스(20)는 샤프트(10)와 소결확산 접합에 의해 결합 후 센싱돌기(22) 및 센싱 홈(23)을 형성하는 것으로서, 캠 샤프트(10)에 설치된 캠 및 기준홀과의 관계되는 각도에 맞게 치수를 결정하게 된다.

상기한 소결확산 접합은 중공 샤프트에 센서 피스를 끼운상태에서 소결로에 넣어 1100도씨 이상의 높은 온도 내에서 센서 피스를 소결함과 동시에 액상소결을 유도하여 샤프트에 확산시켜 조립하는 것이다.

즉, 상기한 센서 피스(20)는 금속 분말을 이용하여 성형에 의해 제작되어 지며, 이를 샤프트(10)에 조립, 고정한 후 소결 확산접합에 의해 결합되어 진다.

그러나, 상기한 바와 같이 센서 피스(20)와 샤프트(10)를 소결 확산접합으로 결합시킴과 아울러, 이 센서 피스(20)는 캠 샤프트(1)의 기준 홀 및 캠의 프로파일 및 위상각을 정밀하게 가공한 후, 그 기준 각도를 중심으로 정밀한 센싱 각도를 맞추기 위해 센서 피스의 센싱 돌기(22) 및 센싱 홈(23)을 정밀하게 가공하게 되는데, 이러한 정밀 가공 때문에 생산성이 매우 떨어지며, 특히 상기한 3Bridge 또는 4 Bridge 형태의 센서 피스의 경우는 가공하여 치수를 관리하는데 한계가 있으며, 분말야금 재질의 난 가공성 때문에 가공에 따른 제품의 파손 및 도구의 마모 등 가공 분량이 높아지게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 소결 확산접합을 할 경우에는 샤프트(11)와 센서 피스(20) 를 결합한 후 센서 피스(20)에 센싱 돌기(22) 및 센싱 홈(23)이 형성되게 가공하여야 하므로 치수 정밀도를 관리하는데 한계가 있었다.

또한, 가공 툴 마모에 따른 센서 피스 각도 변위가 과다하게 발생되고, 재질 특성상(소결재, 기공, 취성 등) 툴의 사용수명 설정이 난해하여 마모된 툴의 사용으로 인한 품질 저하가 발생된다.

또한, 복잡한 형상의 센서 피스를 가공할 경우에는 가공설비의 가공기준이 불안정하여 가공성 및 생산성이 저하된다.

또한, 상기 센서 피스와 캠 샤프트는 일체로 된 상태를 유지하여야 하지만, 소결 확산접합 방식으로 센서 피스를 조립하게 되므로 접합불량 및 기포 등의 소결 불량이 발생하여 실제 엔진 구동 시, 센서 피스의 센싱 오류 등의 문제점이 발생 된다.

본 고안은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 센서 피스를 캠 샤프트에 강제 압입 방식으로 결합하는 것으로서, 결합 후 센서 피스의 별도의 가공을 수행하지 않게 되므로 센서 피스의 형상 자유도를 향상시킬 수 있는 조립식 캠 샤프트용 센서 피스 조립구조를 제공함에 있다.

또한 본 고안은 센서 피스와 캠 샤프트가 강제 압입 방식으로 결합시킴으로써 제조공정을 단순화 시키는 한편, 가공시 발생하였던 가공 불량을 제거하여 센서 피스의 안정적이고 정확한 센싱 능력을 가질 수 있는 조립식 캠 샤프트용 센서 피스 조립구조를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안의 특징적인 구성을 설명하면 다음과 같다.

본 고안에 따른 조립식 캠 샤프트용 센서 피스 조립구조는 캠 샤프트의 단부에 형성되고 외측 둘레면에는 센서 피스의 조립을 위한 억지 끼워 맞춤 연삭부 및 널링부가 형성된 끼움축과, 상기 끼움축에 강제 압입방식으로 끼워지는 끼움공이 중앙에 형성되고 외측 둘레면에는 센싱 돌기 및 센싱 홈이 형성된 센서 피스로 구성된 것이다.

본 고안은 센서 피스를 캠 샤프트에 강제 압입 방식으로 결합하는 것으로서, 결합 후 별도의 가공을 수행하지 않게 되므로 센서 피스의 형상 자유도를 향상시킬 수 있는 특유의 효과가 있다.

또한 본 고안은 센서 피스와 캠 샤프트가 강제 압입 방식으로 결합되는 한편, 제조 공정을 단순화 시킴과 동시에 가공시 발생하였던 가공 불량을 제거하여 센서 피스의 안정적이고 정확한 센싱 능력을 높이는 효과가 있다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 고안의 실시예가 기술된다.

하기에서 본 고안을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략될 것이다. 또한 후술되는 용어들은 본 고안에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이 용어들은 제품을 생산하는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 용어들의 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 고안을 나타낸 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 고안에 따른 조립 구조를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 고안에 따른 조립 구조를 나타낸 단면도이며, 도 5는 본 고안에 따른 조립 구조를 나타낸 사시도이고, 도 6은 본 고안에 따른 조립 구조를 나타낸 단면도이다.

여기에서 참조 되는 바와 같이 본 고안은 캠 샤프트(10)의 단부에 끼움축(11)이 형성되고, 그 끼움축(11)의 외측 둘레면에는 도 5 및 도 6에 나타낸 다른 실시예와 같이 이후에 설명할 센서 피스(20)를 강제 압입방식으로 조립하기 위하여 널링부(12)를 형성하는 것도 가능하다.

상기 널링부(12)는 길이방향 널링홈과 둘레방향 널링홈으로 이루어지거나 사선방향 널링홈을 이루어지는 것으로서, 끼움축(11)의 외경에 따라서, 널링홈의 간격 및 깊이를 변경하는 것이 바람직하다.

상기 캠 샤프트(10)에 조립되는 센서 피스(20)의 중앙에는 끼움공(21)이 형성되어 있고, 센서 피스(20)의 외측 둘레면에는 센싱 돌기(22) 및 센싱 홈(23)이 형성되어 있다.

한편, 본 고안의 센서 피스는 분말 야금재로 제작하기 때문에 별도의 가공 없이 다양한 각 형태로 제작이 가능하고, 제품에 대한 품질을 향상시킬 수 있으며, 제조 원가면에서도 절감 시킬 수 있다.

이와 같이 구성된 본 고안을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 센서 피스는 기존 확산 접합용 소결 합금 분말 재질이 아닌 기계부품용 소결재료(KS D 7046)를 이용하여 제작한다.

캠 샤프트(10)에 센서 피스(20)를 조립할 때에는 상기 캠 샤프트(10)의 단부에 형성된 끼움축(11)과 센서 피스(20)에 형성된 끼움공(21)의 중심이 일치되게 위치시킨다.

이러한 상태에서 센서 피스(20)를 캠 샤프트(10)측으로 밀면, 상기 끼움축(11)은 끼움공(21)의 내부로 억지 끼어 맞춤에 의해 강제 압입 시키는 방법과 끼움축(11)의 외측 둘레면에 형성된 널링부(12)를 끼움공(21)의 내측 둘레면에 강제 압입시키는 방법이 있다.

한편, 상기 널링부(12)는 센서 피스(20)가 결합되는 방향 즉, 중심방향 및 원주방향으로 널링홈(바른줄형 널링)이 형성되거나, 사선방향으로 널링홈(빗줄형 널링)을 형성시키는 방법을 택할 수 있다.

끼움공(21)의 내경(d2)은 끼움축(11)의 외경(d1)보다 작게 형성하되, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이 어느 일정한 경(d)에 대해 면으로 형성된 억지 끼워 맞춤에 의한 경 대 경 강제 압입할 경우 끼움공(21)의 공차(d2)는 Φ 0 ∼ +0.03이고, 끼움축(11)의 공차(d1)는 Φ -0.03 ∼ -0.07로 하는 것이 바람직하다. 이때 샤프트의 끼움축(11)은 연삭 공정을 통해 치수를 맞추는 것이 바람직하다.

즉, 압입량(d1-d2) = Φ 0.03 ∼ 0.1 = 죔쇠량으로서, 압입량이 Φ 0.03 이하일 경우에는, 센서 피스와 샤프트의 분리력이 감소되고, 압입량이 Φ 0.1 이상일 경우, 압입시 압입력 증대하고 제품에 변형이 발생된다.

일예로 d = Φ 23 및 센서 피스의 폭(t)이 8mm 일 경우 (KS 규격, 센서 피스: 분말야금재질 SMF4040, 샤프트 STKM17종 재질), 도 7과 같이 강제 압입량(또는 죔쇠량)에 따른 센서 피스의 분리력(결합력)은 표1과 같다.

[표1]

압입량 (Φ)	분리력(결합력) (kgf)
0.03	300 ↑
0.05	450 ↑
0.07	550 ↑
0.10	650 ↑

한편, 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이 끼움축(11)의 표면에 널링부(12)를 형성하여 강제 압입할 경우, 어느 일정한 경(d)에 대해 끼움공(21)의 공차(d2)는 Φ 0 ∼ +0.1이고, 끼움축(11)의 널링전 공차(d1')는 Φ 0 ∼ +0.1이고, 널링후 공차(d1)는 Φ +0.3 ∼ +0.4으로 하는 것이 바람직하다.

즉, 압입량(d1-d2) = Φ 0.2 ∼ 0.4 = 죔쇠량으로서, 압입량이 Φ 0.2 이하일 경우에는 센서 피스와 샤프트의 분리력이 감소되고, 압입량 Φ 0.4 이상일 경우에는 압입시 압입력 증대하고 제품에 변형이 발생된다.

일예로 d = Φ 23 및 센서 피스의 폭(t)이 8mm 일 경우 (KS 규격, 센서 피스: 분말야금재질 SMF4040, 샤프트 STKM17종 재질), 도 7과 같이 강제 압입량(또는 죔쇠량) 및 끼움축(11) 표면의 널링 형태에 따른 센서 피스의 분리력은 표2와 같다.

[표2]

압입량 (Φ)	분리력(결합력) (kgf)
		바른줄 널링	빗줄 널링
0.2	250 ↑	500 ↑
0.3	350 ↑	700 ↑
0.4	430 ↑	850 ↑

따라서, 본 고안에 의하면, 캠 샤프트(10)의 단부에 센서 피스(20)를 강제 압입 방식으로 조립하게 되므로, 조립후 별도의 가공 공정이 생략되어 조립시간을 단축시킬 수 있는 것이다.

또한 조립후 센서 피스(20)의 형상이 변형되지 않게 되므로 센서 피스(20)의 가공 자유도가 향상되어 다양한 형상은 물론, 정밀한 센싱능력이 가능하여 불량품을 방지할 수 있는 것이다.

이상으로 본 고안의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 기술하였다.

그러나 본 고안은 전술된 실시예에만 특별히 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라, 당업자에 의해, 첨부된 청구범위의 정신과 사상 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함에 유의해야 한다.

도 1은 종래의 조립 구조를 나타낸 사시도.

도 2는 종래의 조립 구조를 나타낸 단면도.

도 3은 본 고안에 따른 조립 구조를 나타낸 사시도.

도 4는 본 고안에 따른 조립 구조를 나타낸 단면도.

도 5는 본 고안에 따른 다른 실시예의 조립 구조를 나타낸 사시도.

도 6은 본 고안에 따른 다른 실시예의 조립 구조를 나타낸 단면도.

도 7은 본 고안에 따라 조립된 센서 피스의 분리력(결합력)을 측정하는 모식도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 캠 샤프트

1' : 캠 (캠로브)

2, 2': 조립홈, 조립돌기

10 : 샤프트

11 : 끼움축

12 : 널링부

20 : 센서 피스

21 : 끼움공

22 : 센싱 돌기

23 : 센싱 홈

Claims (7)

1. 캠 샤프트(10)의 단부에 형성되고 외측 둘레면에는 억지 끼워 맞춤을 위한 끼움축(11)과, 상기 끼움축(11)에 강제 압입방식으로 끼워지는 끼움공(21)이 중앙에 형성되고 외측 둘레면에는 센싱 돌기(22) 및 센싱 홈(23)이 형성된 센서 피스(20)로 구성됨을 특징으로 하는 조립식 캠 샤프트용 센서 피스 조립구조.
2. 청구항 1에 있어서, 끼움공(21)의 공차는 Φ 0 ∼ +0.03이고, 끼움축(11)의 공차는 Φ -0.03 ∼ -0.07 로써 압입량(죔쇠량)이 Φ 0.03 ∼ 0.1인 것을 특징으로 하는 조립식 캠 샤프트용 센서 피스 조립구조.
3. 청구항 1에 있어서, 끼움축(11)의 외주면은 연삭 공정을 통해 끼움축 공차를 형성하는 것을 특징으로 하는 조립식 캠 샤프트용 센서 피스 조립구조.
4. 캠 샤프트(10)의 단부에 형성되고 외측 둘레면에는 널링부(12)가 형성된 끼움축(11)과, 상기 끼움축(11)에 강제 압입방식으로 끼워지는 끼움공(21)이 중앙에 형성되고 외측 둘레면에는 센싱 돌기(22) 및 센싱 홈(23)이 형성된 센서 피스(20)로 구성됨을 특징으로 하는 조립식 캠 샤프트용 센서 피스 조립구조.
5. 청구항 3에 있어서, 끼움공(21)의 공차는 Φ 0 ∼ +0.1이고, 끼움축(11)의 널링전 공차는 Φ 0 ∼ +0.1이고, 널링후 공차는 Φ +0.3 ∼ +0.4 로써 압입량(죔쇠량)이 Φ 0.2 ∼ 0.4인 것을 특징으로 하는 조립식 캠 샤프트용 센서 피스 조립구조.
6. 청구항 3에 있어서, 끼움축(11)의 외주면은 바른줄 널링 또는 빗줄 널링에 의해 끼움축 공차를 형성하는 것을 특징으로 하는 조립식 캠 샤프트용 센서 피스 조립구조.
7. 상기 청구항 1과 4에 있어서 캠 샤프트(10)의 단부의 끼움축(11)에 강제 압입 되는 센서피스는 분말야금 재질을 사용, 소결공정을 통해 제작하여 별도의 가공없이 센싱 돌기(22), 센싱 홈(23) 및 끼움공(21)의 공차를 형성하는 것을 특징으로 하는 조립식 캠 샤프트용 센서 피스 조립구조.

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