KR20110071870A - 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조를 개시한다. 상기 한계하중 개선구조는 하중을 지지하며, 액체 윤활제를 매개로 하여 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자에 있어서, 상기 캠과 접하는 상기 캠 종동자(10)의 접촉면에는 복수의 홈(11a)을 포함하는 요철부(11)가 제공되며, 상기 요철부(11)의 복수의 홈(11a)의 깊이는 0.01~0.03mm인 것을 특징으로 한다. 본 발명은 캠과 접하는 캠 종동자의 접촉면에 복수의 홈을 포함하는 요철부를 제공하여, 액체 윤활제를 매개로 하여 서로 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자 간의 윤활상태를 개선시키고 그들의 경계면에서 발생하는 열과 마모를 저감시킬 수 있게 한다.

캠, 캠 종동자, 한계하중, 개선구조

Description

캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조{Structure of enhancing a critical load for a cam and a cam follower}

본 발명은 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조에 관한 것으로, 특히 액체 윤활제를 매개로 하여 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자의 윤활특성을 개선하여 캠과 캠 종동자의 한계하중을 개선할 수 있게 하는 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조에 관한 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(또는 밸브 태핏), 푸쉬 로드, 로커암, 밸브 스프링, 밸브 등의 일련의 요소들을 포함하는 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 이론으로부터 잘 알려진 사실이다. 예외의 경우도 있지만 유체 동압은 일반적으로 유막두 께가 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 존재한다. 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 달라진 다. 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 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 액체 윤활제를 매개로 하여 서로 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자 간의 윤활상태를 개선시키고 그들의 경계면에서 발생하는 열과 마모를 저감시킬 수 있게 하는 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조를 제공하는 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 크게 개선할 수 있게 하는 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 하중을 지지하며, 액체 윤활제를 매개로 하여 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자에 있어서,

상기 캠과 접하는 상기 캠 종동자의 접촉면에는 복수의 홈을 포함하는 요철부가 제공되며, 상기 요철부의 복수의 홈의 깊이는 0.01~0.03mm인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 위의 본 발명의 일실시예에 대하여 다음의 구체적인 실시예 들을 더 제공한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 각 홈의 폭은 0.05~0.25mm인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 각 홈의 간격은 0.5~2.0mm인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 액체 윤활제의 점도가 0.02Pa·s 이하인 작동조건에서, 상기 캠의 폭 당 하중이 30kgf/mm 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 요철부는 격자패턴을 이루는 복수의 홈으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명은 캠과 접하는 캠 종동자의 접촉면에 복수의 홈을 포함하는 격자패턴의 요철부를 제공하여, 액체 윤활제를 매개로 하여 서로 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자 간의 윤활상태를 개선시키고 그들의 경계면에서 발생하는 열과 마모를 저감시킬 수 있게 한다.

또한, 본 발명은 캠과 접하는 캠 종동자의 접촉면에 복수의 홈을 포함하는 격자패턴의 요철부를 제공하여, 액체 윤활제를 매개로 하여 서로 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자가 일정운전조건 범위에서 운전될 때 캠과 캠 종동자 사이의 마찰면이 갖는 한계하중을 약 30%까지 증가시킬 수 있게 한다.

이하, 본 발명에 따른 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조의 실시예를 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조가 적용된 캠 종동자의 개략 평면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조가 적용된 캠 종동자를 보여주는 사진이다. 또한, 도 5는 본 발명에 따른 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조가 적용된 캠 종동자의 설계변수를 보여주는 도면을 나타낸다.

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 악화 될 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.

본 발명에 따른 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조는 도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 하중을 지지하며, 액체 윤활제를 매개로 하여 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자에 있어서, 상기 캠과 접하는 상기 캠 종동자(10)의 접촉면에는 복수의 홈(11a)을 포함하는 요철부(11)가 제공되며, 상기 요철부(11)의 복수의 홈(11a)의 깊이는 0.01~0.03mm인 형태로 이루어지는 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 홈(11a)의 깊이가 0.01~0.03mm일 때 유막압력 발생효과가 증대되어 윤활 개선 효과가 뛰어나기 때문이다.

위와 같이 복수의 홈(11a)을 포함하는 요철부(11)는 윤활제를 포획하는 기능을 하여 캠과 캠 종동자(10) 사이의 마찰부에 상기 포획된 윤활제를 공급하는 기능을 하여 상기 캠과 상기 캠 종동자(10) 사이 경계면의 마찰과 열 발생을 줄이고, 이로 인해 한계 하중을 증가시키기에 유리하다.

또한, 본 발명에 따른 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조는 전술한 바와 같은 기본구성에 다음의 구체적인 실시예들로 더 한정될 수 있다.

먼저, 본 발명에 따른 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조에서, 격자 패턴 의 홈(11a)은 도 5 에 도시된 바와 같이, 깊이(d), 폭(w) 및 간격(i)으로 구성된다. 본 발명은 격자 패턴의 복수의 홈(11a)을 통해 캠(미도시)과 캠 종동자(10) 사이의 마찰면의 한계 하중을 개선하고자 하는 것이다.

일실시예로, 상기 각 홈(11a)의 폭은 0.05~0.25mm인 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 홈(11a)의 폭이 0.05~0.25mm일 때 유막압력 발생효과가 증대되어 윤활 개선 효과가 뛰어나기 때문이다.

일실시예로, 상기 각 홈(11a)의 간격은 0.5~2.0mm인 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 홈(11a)의 간격이 0.5~2.0mm일 때 유막압력 발생효과가 증대되어 윤활 개선 효과가 뛰어나기 때문이다.

일실시예로, 상기 요철부(11)는 격자패턴 등의 다양한 모양의 복수의 홈(11a)으로 이루어질 수 있다.

일실시예로, 상기 액체 윤활제의 점도가 0.02Pa·s 이하인 작동조건에서, 상기 캠의 폭 당 하중이 30kgf/mm 이하인 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 요철부(11)는 캠의 폭당 하중이 30kgf/mm 이하 이고, 액체 윤활제의 점도가 0.02Pa·s 이하에서 그 효과가 확인되었기 때문이다. 상기 캠의 폭 당 하중은 밸브스프링(미도시)에 의해 캠과 캠 종동자(10) 사이에 가해지는 하중을 캠의 폭으로 나눈 값이다.

실시예

다음은 본 발명에서 제안한 격자패턴의 요철부(11)의 우세함을 알아보고, 상 기 격자패턴의 요철부(11)를 최적화하기 위해 아래 표와 같이 한계하중 시험을 수행하였다.

시편	설계변수			시험결과
	폭(㎛)	깊이(㎛)	간격(㎛)	19.2(kgf/mm)	20.8(kgf/mm)	23.1)(kgf/mm)	24.2(kgf/mm)	24.6(kgf/mm)	25.4(kgf/mm)
H1	50	10	1000	Pass	Pass	Pass	Fail	-	-
H2	100	10	1000	Pass	Pass	Pass	Pass	Fail	-
H3	150	10	1000	Pass	Pass	Pass	Pass	Pass	Fail
H4	50	20	1000	Pass	Pass	Fail	-	-	-
H5	100	20	1000	Pass	Pass	Pass	Fail	-	-
H6	150	20	1000	Pass	Pass	Pass	Pass	Fail	-
H7	100	30	1000	Pass	Pass	Fail	-	-	-
H8	100	40	1000	Pass	Fail	-	-	-	-
H9	200	10	1000	Pass	Pass	Pass	Pass	Fail	-
H10	250	10	1000	Pass	Pass	Fail	-	-	-
H11	300	10	1000	Pass	Fail	-	-	-	-
H12	150	10	500	Pass	Pass	Pass	Pass	Fail	-
H13	150	10	2000	Pass	Fail	-	-	-	-
H14	150	10	3000	Pass	Fail	-	-	-	-
비교예1	-	-	-	Pass	Fail	-	-	-	-

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 격자패턴의 요철부(11)는 앞서 언급한 바와 같이, 세 개의 설계 변수, 즉 폭(w), 깊이(d), 간격(i)로 정의되며, 시험은 캠(미도시)의 선 폭당 하중을 증가시키면서 수행하였다. 캠의 폭 당 하중은 밸브스프링(미도시)에 의해 캠과 캠 종동자(10) 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 경우이다.

위의 시험결과를 보면, 격자패턴의 요철부(11)의 형성에 의해 상기 캠과 상기 캠 종동자(10) 사이 마찰면의 한계하중이 개선되는 것을 확인할 수 있다. 그리고 H3의 한계하중이 가장 높아 마찰부의 윤활 특성이 가장 좋은 것을 알 수 있다. H3은 홈(또는 그루브) 폭이 0.15mm, 깊이가 0.01mm 경우이다. 격자패턴의 요철부(11)는 그 홈 폭이 0.1mm 이상일 때, 그 깊이가 0.02mm 이하일 때 효과가 큰 것으로 나타난다. 본 발명에서 고안한 격자패턴의 요철부(11)는 그 형태에 따라 약 30%까지 한계 하중을 개선시킬 수 있기 때문에, 그 형태를 최적화하여 마찰 계수를 최소화하는 것이 매우 중요하다.

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 단면도.

도 2는 종래 기술에 따른 캠 종동자의 개략 평면도.

도 3은 본 발명에 따른 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조가 적용된 캠 종동자의 개략 평면도.

도 4는 본 발명에 따른 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조가 적용된 캠 종동자를 보여주는 사진.

도 5는 본 발명에 따른 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조가 적용된 캠 종동자의 설계변수를 보여주는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 캠 종동자 11a: 홈

11: 요철부

Claims (5)

1. 하중을 지지하며, 액체 윤활제를 매개로 하여 상대운동을 하는 캠과 캠 종동자에 있어서,

   상기 캠과 접하는 상기 캠 종동자(10)의 접촉면에는 복수의 홈(11a)을 포함하는 요철부(11)가 제공되며, 상기 요철부(11)의 복수의 홈(11a)의 깊이는 0.01~0.03mm인 것을 특징으로 하는 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 각 홈(11a)의 폭은 0.05~0.25mm인 것인 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 각 홈(11a)의 간격은 0.5~2.0mm인 것인 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 액체 윤활제의 점도가 0.02Pa·s 이하인 작동조건에서, 상기 캠의 폭 당 하중이 30kgf/mm 이하인 것인 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 요철부(11)는 격자패턴을 이루는 복수의 홈(11a)으로 이루어진 것인 캠과 캠 종동자의 한계하중 개선구조.

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