KR20110071441A - 한계하중을 증가시킬 수 있도록 구조가 개선된 캠 종동자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 한계하중을 증가시킬 수 있도록 하기 위하여 캠과 상대 운동하는 캠 종동자의 구조를 개선한 것으로서, 캠과 접하는 캠 종동자의 접촉면에 복수개의 구멍형태의 홈을 형성하여, 액체 윤활제를 매개로 하여 서로 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자 간의 윤활상태를 개선시키고 그들의 경계면에서 발생하는 열과 마모를 저감시킬 수 있도록 한 것이다.

캠, 캠 종동자, 한계하중, 구조

Description

한계하중을 증가시킬 수 있도록 구조가 개선된 캠 종동자{CAM FOLLOWER HAVING IMPROVED STRUCTURE TO ENHANCE A CRITICAL LOAD}

본 발명은 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조에 관한 것으로서, 한계하중을 증가시킬 수 있도록 구조가 개선된 캠 종동자에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 액체 윤활제를 매개로 하여 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자의 윤활특성을 개선하여 캠과 캠 종동자의 한계하중을 증가시킬 수 있도록 구조가 개선된 캠 종동자에 대한 것이다.

일반적으로, 엔진은 크랭크축의 회전력에 의해 캠축이 회전되고, 상기 캠축에 형성된 캠에 의해 흡기 및 배기 밸브가 일정시간 간격으로 상하로 왕복운동하면서 흡기 밸브에 의해 연소실에 외부공기가 공급되고 이와 동시에 연소실에 연료가스가 분사되어, 혼합가스를 압축 및 폭발시켜 배기 밸브에 의해 연소가스가 배기되며, 위와 같은 폭발압력에 의해 동력을 얻는 과정이 반복된다.

도 1은 일반적인 차량의 밸브 트레인을 보여주는 개략 단면도이다.

상기와 같이 흡기 및 배기 밸브를 작동시키기 위한 캠축, 캠, 캠 종동자(예를 들어 타펫), 푸쉬 로드, 로커암, 밸브 스프링, 밸브 등의 일련의 요소들을 포함 하는 유닛을 밸브 트레인이라 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 밸브 트레인을 도시한 것으로서, 캠축(1)에는 다수 개의 캠(2)이 축선을 따라 일정간격을 두고 형성되고, 엔진 바디블록(3) 내에 상하로 슬라이딩 가능하게 구비되는 푸쉬로드(4)의 하단부에는 캠 종동자(5)를 구비한다.

또한, 상기 푸쉬로드(4)의 상단부는 로커암(6)의 일측에 피봇 연결되고, 상기 로커암(6)의 타측에는 실린더 헤드블록(7)의 흡기 포트 또는 배기 포트에 제공되고 밸브 스프링(8)에 의해 탄성 지지되는 밸브(9)의 상단부가 피봇 연결된다.

그러나, 하중을 지지하고 액체 윤활제를 매개로 하여 상호 상대운동을 하는 종래 기술에 따른 캠축(1)의 캠(2)과 푸쉬로드(4)의 캠 종동자(5)는 마찰부분의 면적이 매우 좁은 데다 선 접촉을 이루고 있어, 상기 캠(2)과 상기 캠 종동자(5) 간에는 매우 높은 면압 하에서 큰 마찰이 발생한다.

그 때문에, 일반적으로 윤활제의 유막 압력만으로는 두 고체면이 완전하게 분리되기 어려워 접촉과 윤활이 혼재되는 혼합윤활이나 접촉과 윤활을 통해 표면막을 형성하는 경계윤활 하에서 운전을 하게 된다. 일반적으로 혼합윤활이나 경계윤활에서는 그 마찰특성이 좋지 않아 많은 열과 마모를 수반하며, 이러한 운전조건 하에서 장시간 동안 차량을 운전할 경우 상기 캠(2)과 상기 캠 종동자(5)의 윤활면의 파손이 발생할 수 있다.

한편, 두 표면이 평행하다면 액체 윤활제를 매개로 그 두 표면이 상대운동을 할지라도 그 윤활제 안에는 유체 동압이 발생하지 않는 다는 것은 유체윤활 이론으 로부터 잘 알려진 사실이다. 예외의 경우도 있지만 유체 동압은 일반적으로 유막두께가 미끄럼 방향에 따라 감소하는 쐐기효과가 있을 때 발생한다. 동압 스러스트 베어링과 저널 베어링을 예로 들면, 스러스트 베어링은 조립 오차를 통해 그리고 저널 베어링은 편심률을 통해 이 쐐기 효과를 발생시킨다.

하지만, 일반적으로 기계공작물은 미세한 굴곡이나 표면 조도에 의한 표면 굴곡을 가지고 있다. 이로 인해 두 표면이 평행하게 상대 운동을 할지라도 국부적으로 유막두께가 미끄럼 방향에 따라 감소하는 영역이 존재하며, 이 영역에서 발생하는 유막압력은 두 표면 사이의 윤활성을 개선시킨다. 반면, 미끄럼 방향에 따라 유막두께가 증가하는 영역 또한 존재하는 데 이 영역에서는 일반적으로 기포가 발생하여 주변 압력과 유사한 압력을 갖게 된다.

따라서, 상대 운동을 하는 두 표면 중 적어도 한 표면에 다수 개의 미세 요철을 형성하면, 그 두 표면이 평행하게 상대운동을 할지라도 두 면 사이에 유체 동압이 발생하고 이로 인해 윤활성을 개선시킬 수 있다. 이외에도 표면 미세 요철은 마모 입자 포획이나 미세 오일 저장소 역할을 하는 것으로 알려져 있으며, 이들 효과로 인해 본 기술은 다양한 분야에서 연구되고 있다.

표면 미세 요철에 의한 마찰 및 마모 저감 기술의 핵심은 마찰 및 마모가 최소가 되도록 요철의 형태, 배열 방법을 정하는 것이다. 하지만, 마찰 및 마모가 최소가 되는 요철의 형태, 배열 방법은 두 면의 접촉 형태, 하중, 미끄럼 속도 등의 운전 조건에 따라 크게 영향을 받기 때문에 본 기술의 개발에 큰 어려움이 있다. 예를 들어, 접촉부의 형태가 선 형상인 것과 점 형상인 것 그리고 면 형상인 것에 따라 마찰 및 마모를 최소로 하기 위한 요철의 형태 및 배열 방법이 달라진다. 따라서, 마찰 및 마모 저감을 위한 표면 요철 기술의 개발은 그 작동 환경이나 운전 조건에 대한 정의가 먼저 이루어져야 하며, 정해진 작동 환경이나 운전 조건 하에서 요철 형태 및 배열을 개발해야만 한다.

이에, 본 발명에서는 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하고자 한다.

통상적으로, 하중을 지지하고 액체 윤활제를 매개로 하여 상호 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자는 마찰부분의 면적이 매우 좁은 데다 선 접촉을 이루고 있어, 상기 캠과 상기 캠 종동자 간에는 매우 높은 면압 하에서 큰 마찰이 일어난다. 이로 인해, 일반적으로 윤활제의 유막 압력만으로는 두 고체면이 완전하게 분리되기 어려워 혼합윤활이나 경계윤활 하에서 운전을 하게 된다. 일반적으로 혼합윤활이나 경계윤활에서는 그 마찰특성이 좋지 않아 많은 열과 마모를 수반하며, 이러한 운전조건 하에서 장시간 동안 차량을 운전할 경우 상기 캠과 상기 캠 종동자의 윤활면의 파손이 발생할 수 있다.

그런데, 캠이나 캠 종동자 중 적어도 한 면에 요철을 두게 되면 그 요철 안에 있는 액체 윤활제가 윤활상태를 개선시키고 경계면에서 발생하는 열과 마모를 저감시키는 역할을 하게 된다. 이로 인해 캠과 캠 종동자의 한계 하중이 개선되는 효과를 볼 수 있다.

하지만, 요철을 너무 많이 형성하여 요철이 형성되지 않은 마찰부의 면적이 지나치게 작아지게 되면, 오히려 마찰부의 면압이 증가하게 되어 마찰 특성이 악화될 수 있다. 또한, 요철의 형상이 적절하지 않으면 그 개선 효과가 미미할 수 있다. 참고로, 그 적절한 요철의 형상은 캠과 캠 종동자 사이에 작용하는 하중이나 윤활제의 점도에 따라 달라질 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 액체 윤활제를 매개로 서로 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자가 일정한 운전 조건 범위에서 운전될 때 캠과 캠 종동자 사이의 마찰면이 갖는 한계 하중을 크게 개선할 수 있는 요철 형상을 제안하고자 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 액체 윤활제를 매개로 하여 서로 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자 간의 윤활상태를 개선시키고 그들의 경계면에서 발생하는 열과 마모를 저감시킬 수 있도록 캠과 캠 종동자의 마찰구조를 개선하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 액체 윤활제를 매개로 하여 서로 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자가 일정운전조건 범위에서 운전될 때 캠과 캠 종동자 사이의 마찰면이 갖는 한계하중을 증가시킬 수 있도록 구조가 개선된 캠 종동자를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 액체 윤활제를 매개로 하여 캠과 상대운동을 하는 캠 종동자로서, 상기 캠(2)과 접하는 접촉면(10)에 복수개의 미세구멍 형태의 홈(11)이 형성되어 있는 캠 종동자를 제공한다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 미세구멍 형태의 홈(11)은 깊이가 0.005 ~ 0.02mm의 범위이다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 미세구멍 형태의 홈(11)은 직경이 0.05 ~ 0.15mm의 범위이다.

또한, 본 발명의 일례에 따르면 상기 복수개의 미세구멍 형태의 홈(11) 사이의 간격은 0.25~0.50mm 범위이다.

본 발명에 따른 캠 종동자는 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 일례에 따르면 상기 캠 종동자는 타펫(tappet)이다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 액체 윤활제의 점도가 0.02Pa·s 이하인 작동조건에서 상기 캠 폭당 한계 하중은 24.2kgf/mm 이하인 것이 가능하다.

본 발명에 따르면, 캠과 접하는 캠 종동자의 접촉면에 복수개의 미세구멍 형태의 홈을 형성하여, 액체 윤활제를 매개로 하여 서로 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자 간의 윤활상태를 개선시키고 그들의 경계면에서 발생하는 열과 마모를 저감시킬 수 있도록 한다.

또한, 본 발명에 따르면 캠과 접하는 캠 종동자의 접촉면에 복수개의 미세구멍 형태의 홈을 형성하여, 액체 윤활제를 매개로 하여 서로 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자가 일정운전조건 범위에서 운전될 때 캠과 캠 종동자 사이의 마찰면이 갖는 한계하중을 약 20%까지 증가시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조를 도면 및 실시예를 참고하여 설명한다.

먼저, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 일례에 따른 캠 종동자를 보여준다.

도 3은 본 발명의 일례에 따라 캠과의 접촉면 구조가 개선된 캠 종동자의 개략 평면도이고, 도 4은 상기 본 발명의 일례에 따른 캠 종동자의 개략 평면도 및 부분 확대도이고, 도 5는 상기 도 4에 따른 캠 종동자의 설계변수를 보여주는 도면이다.

본 발명에 따른 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조는 도 3 내지 도 5에서 보는 바와 같이 캠 종동자에서 캠과의 접촉면의 구조를 개선하여 얻어질 수 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 하중을 지지하며, 액체 윤활제를 매개로 하여 캠과 상대운동을 하는 캠 종동자에 있어서, 캠과 접하는 상기 캠 종동자의 접촉면(10)에는 복수개의 미세구멍 형태의 홈(11)이 형성되어 있다. 상기 미세구멍 형태의 홈(11)은 윤활제를 포획하는 기능을 하여 캠(2)과 캠 종동자(5) 사이의 마찰부에 상기 윤활제를 공급하는 기능을 하게 되어 상기 캠(2)과 상기 캠 종동자(5) 사이 경계면인 접촉면(10)에서의 마찰과 열 발생을 줄일 수 있게 된다.

이로 인하여 캠과 캠 종동자에 가해지는 한계하중을 증가시키기에 유리하다. 이러한 한계하중 증가의 효과는, 액체 윤활제의 점도가 0.02Pa·s 이하인 경우, 상기 접촉면(10)에서의 캠의 폭당 하중이 24.2kgf/mm까지 확인되었다.

즉, 상기 도 3 및 도 4에 의한 캠 종동자를 적용할 경우, 액체 윤활제의 점도가 0.02Pa·s 이하일 때 상기 캠과 캠 종동자의 접촉면(10)에서 캠의 폭당 하중이 24.2kgf/mm가 될 때 까지는 큰 무리 없이 작동이 가능하다. 따라서, 상기 캠 종동자(5)는 상기 액체 윤활제의 점도가 0.02Pa·s 이하인 작동조건에서, 상기 캠 폭당 한계 하중을 24.2kgf/mm 이하로 정할 수 있다.

여기서, 상기 캠의 폭 당 하중은 캠과 캠 종동자 사이에 가해지는 하중을 캠의 폭으로 나눈 값이다.

한편, 도 6 및 도 7는 본 발명의 다른 일례에 따른 캠 종동자를 보여준다. 캠 종동자에 미세구멍 형태의 홈(11)을 형성하는 방법은 상기 도면들에서 도시된 방식 외에 당업자가 필요에 따라 설정할 수 있다.

도 5 및 도 7은 본 발명에 따른 캠 종동자에 형성된 미세구멍 형태의 홈의 형성 패턴을 보여준다.

상기 미세구멍 형태의 홈(11)은 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 깊이(40), 직경(41) 및 간격(42) 변수에 의하여 배치된다.

본 발명에서는 상기 미세구멍 형태의 홈(11)을 캠 종동자(10)의 접촉면에 적절하게 매치하여 마찰면의 한계 하중을 증가시키는 것이다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 각 홈(11)의 깊이(40)는 0.02mm 이내로 이루어진다. 이는 상기 홈(11)의 깊이가 0.02mm 보다 작을 때 유막 압력 발생효과가 증대되어 윤활 개선 효과가 뛰어나기 때문이다. 한편, 상기 홈(11)의 깊이가 너무 얕으면 상기 홈(11)에서 윤활제 포집 능력이 없기 때문에 홈을 형성하는 의미가 없어진다. 따라서 본 발명의 일례에 따르면 상기 각 홈(11)의 깊이(40)는 0.005mm 이상인 것이 적절하다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 각 홈(11)의 직경(41)은 0.05mm 이상이 되도록 형성된다. 이는, 상기 홈(11)의 직경이 0.05mm 보다 클 때 유막압력 발생효과가 증대되어 윤활 개선 효과가 뛰어나기 때문이다. 그런데, 상기 홈(11)의 직경이 너 무 크게 되어 캠 종동자에서 미세구멍 형태의 홈(11) 형성되지 않은 영역인 마찰 영역(12)의 면적이 지나치게 작아지게 되면, 오히려 마찰부의 면압이 증가하게 되어 마찰 특성이 악화될 수 있다. 따라서 본 발명의 일례에 따르면 상기 각 홈(11)의 직경(41)은 0.15mm 이하인 것이 적절하다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 각 홈(11)의 간격(42)은 0.25mm 이상이 되도록 형성된다. 이는, 상기 홈(11)의 간격이 0.25mm 보다 클 때 유막압력 발생효과가 증대되어 윤활 개선 효과가 뛰어나기 때문이다. 그런데, 상기 홈(11)의 사이의 간격이 너무 크게 되면 캠 종동자에 형성되는 미세구멍 형태의 홈(11)의 수가 너무 적게 되어 오히려 미세구멍 형태의 홈(11)에 의한 윤활제 포집 용량이 줄어들게 되어 윤활 특성이 악화될 수 있다. 따라서 본 발명의 일례에 따르면 상기 각 홈(11)들 사이의 간격(41)은 0.50mm 이하인 것이 적절하다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 각 홈(11)의 깊이(40)는 0.02mm 이내이고, 상기 각 홈(11)의 직경(41)은 0.05mm 보다 크게 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 각 홈(11)의 직경(41)은 0.05mm 보다 크고, 상기 각 홈(11)들 사이의 간격(41)은 0.25mm보다 크게 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 일례에 따르면, 상기 각 홈(11)의 깊이(40)는 0.02mm 이내이고, 상기 각 홈(11)들 사이의 간격(41)은 0.25mm보다 크게 형성될 수 있다.

본 발명의 일례에 따르면, 상기 각 홈(11)의 깊이(40)는 0.02mm 이내이고, 상기 각 홈(11)의 직경(41)은 0.05mm 보다 크며, 상기 각 홈(11)들 사이의 간격(41)은 0.25mm보다 크게 형성될 수 있다.

본 발명에 의한 캠 종동자의 예로는 차량의 밸브 트레인에서 캠과 접촉 운동하는 타펫이 있다.

<실시예 1-8 및 비교예 1>

실시예 1 내지 8에서는 본 발명에 따른 미세구멍 형태의 홈(11)이 형성된 캠 종동자의 하중 지지 능력을 확인하였다.

구체적으로, 차량의 밸브 트레인에서 캠과 접촉 운동하는 타펫을 캠 종동자로 적용하여 상기 파텟의 표면에 도 4에서와 같은 미세구멍 형태의 홈을 형성하였다. 캠 종동자인 파텟에 미세구멍 형태의 홈을 형성할 때의 설계변수는 하기 표 1과 같이 하여 각각 실시예 1 내지 8로 하였다. 비교를 위하여 미세구멍 형태의 홈이 형성되지 않은 타펫을 비교예 1로 하였다.

아울러, 상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1에 의한 캠 종동자(타펫)에서의 하중 시험 결과도 역시 표 1에 도시하였다.

구분	설계변수			시험결과
	직경 (㎛)	깊이 (㎛)	간격 (㎛)	19.2 (kgf/mm)	20.8 (kgf/mm)	23.1 (kgf/mm)	24.2 (kgf/mm)	25.5 (kgf/mm)
실시예 1	50	5	250	Pass	Pass	Fail	-	-
실시예 2	50	5	400	Pass	Pass	Fail	-	-
실시예 3	50	10	250	Pass	Pass	Fail	-	-
실시예 4	50	10	400	Pass	Pass	Pass	Fail	-
실시예 5	100	5	250	Pass	Pass	Fail	-	-
실시예 6	100	5	400	Pass	Pass	Pass	Fail	-
실시예 7	100	10	250	Pass	Pass	Fail	-	-
실시예 8	100	10	400	Pass	Pass	Pass	Pass	Fail
비교예 1	-	-	-	Pass	Fail	-	-	-
비교예 2	20	2	200	Pass	Fail	-	-	-
비교예 3	30	3	300	Pass	Fail	-	-	-
비교예 4	200	25	550	Pass	Fail	-	-	-
비교예 5	250	30	600	Pass	Fail	-	-	-

상기 표 1에서 미세구멍 형태의 홈(11)은 이미 설명한 바와 같이, 세 개의 설계 변수, 즉, 직경(41), 깊이(40), 간격(42)를 달리하여 형성하였다.

하중 시험은 캠의 선 폭당 하중을 증가시키면서 수행하였다(도면 미도시). 캠의 폭 당 하중은 밸브스프링에 의하여 캠과 캠 종동자 사이에 가해지는 하중을 캠의 폭으로 나눈 값이다.

회전 속도는 900~1200rpm이며 1,600,000 cycles 회전 시켰다. 위의 표에서 "Fail"은 1,600,000 cycles 회전하는 동안 심한 마모가 발생한 경우이며, "Pass"는 그렇지 않고 적은 양의 마모가 고르게 발생한 경우에 해당된다.

상기 시험결과, 미세구멍 형태의 홈(11)의 형성에 의해 상기 캠과 상기 캠 종동자 사이 마찰면에서의 한계하중이 증가되는 것을 확인할 수 있다. 특히 실시예 4, 6, 8의 경우 한계하중이 가장 높아 마찰부의 윤활 특성이 매우 향상된 것을 알 수 있다. 이상으로 볼 때, 미세구멍 형태의 홈(11)은 그 직경이 0.05mm 이상일 때, 그 깊이가 0.02mm 이하일 때, 그 간격이 0.25mm 이상일 때 효과가 큰 것으로 나타난다.

본 발명에 따른 미세구멍 형태의 홈(11)은 그 형태에 따라 약 20%까지 한계 하중을 증가 시킬 수 있음을 알 수 있다.

본 발명에 의한 캠 종동자는 액체 윤활제의 점도가 0.02Pa·s 이하인 작동조건에서 상기 캠 폭당 한계 하중 24.2kgf/mm 까지는 그 하중을 지지할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서의 단순 치환, 변형 및 변경은 당 분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.

도 1은 일반적인 차량의 밸브 트레인을 보여주는 개략 단면도이다.

도 2는 종래 기술에 따른 캠 종동자의 개략적인 평면도이다.

도 3은 본 발명의 일례에 따라 캠과의 접촉면 구조가 개선된 캠 종동자의 개략 평면도이다.

도 4은 본 발명의 일례에 따른 캠 종동자의 개략 평면도 및 부분 확대도이다.

도 5는 도 4에 따른 캠 종동자의 설계변수를 보여주는 도면이다.

도 6은 본 발명의 다른 일례에 따른 캠 종동자의 개략 평면도 및 부분 확대도이다.

도 7는 도 6에 따른 캠 종동자의 설계변수를 보여주는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2: 캠 5: 캠 종동자

10: 캠 종동자에서 캠과의 접촉면

11: 미세구멍 형태의 홈

12: 미세 구멍이 형성되지 않은 마찰 영역

40: 깊이 41: 직경

42: 간격

Claims (5)

1. 액체 윤활제를 매개로 하여 캠과 상대운동을 하는 캠 종동자로서,

   상기 캠(2)과 접하는 접촉면(10)에 복수개의 미세구멍 형태의 홈(11)이 형성되어 있으며, 상기 미세구멍 형태의 홈(11)은 깊이(40)가 0.005~0.02mm인 캠 종동자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 미세구멍 형태의 홈(11)은 직경(41)이 0.05~0.15mm인 것을 특징으로 하는 캠 종동자.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 복수개의 미세구멍 형태의 홈(11) 사이의 간격(42)은 0.25~0.50mm인 것을 특징으로 하는 캠 종동자.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 캠 종동자는 타펫(tappet)임을 특징으로 하는 캠 종동자.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 액체 윤활제의 점도가 0.02Pa·s 이하인 작동조건에서 상기 캠 폭당 한계 하중이 24.2kgf/mm 이하인 것을 특징으로 하는 캠 종동자.

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