KR20120062581A - 타입 ｉ 밸브 트레인용 롤링 가능한 캠샤프트 지지체 및 그것을 포함하는 내연 기관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타입 Ⅰ 밸브 트레인에 사용되는 캠샤프트를 회전 가능하게 지지하는 롤링 가능한 캠샤프트 지지체에 특징이 있다. 상기 롤링 가능한 캠샤프트 지지체는 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링과 각 롤링 가능한 베어링을 위한 적어도 하나 이상의 베어링 지지체를 포함하는데, 각 베어링 지지체는 베어링 상부 지지 요소와 베어링 하부 지지 요소를 포함한다. 상기 롤링 가능한 베어링 각각은 적어도 하나 이상의 회전면 주위로 원주 방향과 축 방향으로 연장된 내측궤도, 상기 내측궤도 주위로 원주 방향과 축 방향으로 연장된 외측궤도, 그리고 내측궤도와 외측궤도 사이에 배치되고 상기 궤도들을 가로질러 폭 방향으로 연장된 복수개의 롤링 요소를 포함한다. 상기 베어링 상부 지지 요소와 베어링 하부 지지 요소는 그들 사이에 상기 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링을 안착시키도록 되어 있다. 상기 베어링 하부 지지 요소는 타입 Ⅰ 밸브 트레인의 일부분을 보완하도록 되어 있다.

Description

타입 Ｉ 밸브 트레인용 롤링 가능한 캠샤프트 지지체 및 그것을 포함하는 내연 기관{ROLLERIZED CAMSHAFT SUPPORT FOR TYPE Ⅰ DIRECTING ACTING VALVETRAIN AND INTERNAL COMBUSTION ENGINE EMBODYING SAME}

본 발명은 캠샤프트를 회전 가능하게 지지하는 지지 구조물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 롤링 베어링 캠샤프트 지지 구조물, 특히 오버헤드 캠샤프트 구조를 위한 롤링 베어링 지지 구조물에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 타입 Ⅰ 밸브 트레인 구조를 가지는 오버헤드 캠샤프트 구조를 위한 롤링 베어링 지지 구조물과 그러한 지지 구조물과 타입 Ⅰ 밸브 트레인을 가지는 내연 기관에 관한 것이다.

당업자에게 알려진 바와 같이, 왕복 엔진 도는 내연 기관은 하나 또는 그 이상의 캠샤프트를 포함하며, 예시적인 캠샤프트(20)가 도 1a에 도시되어 있다. 상기 캠샤프트는 그 자신의 회전 운동에 대응하여 흡기 밸브와 배기 밸브를 밸브 트레인에 대하여 개별적으로 또 직선으로 움직인다.

일반적으로 캠샤프트(20)는 축부(22)와 복수개의 캠(24)을 포함한다. 축부(22)는 하나 또는 다수의 베어링과 엔진의 실린더 헤드의 대응되는 구조물에 의하여 회전 가능하게 지지된다. 캠샤프트(20)는 엔진의 크랭크샤프트에 타이밍 벨트(도시하지 않음) 또는 다른 구조물(예를 들어, 기어들)을 통하여 연결되어 크랭크샤프트의 회전에 따라 캠샤프트가 회전하도록 되어 있다.

각각의 캠(24)이 각각의 흡기 밸브 또는 배기 밸브에 작동적으로 결합되거나 연결되므로, 밸브의 개수와 동일한 개수의 캠이 제공된다. 각 캠(24)은 때때로 로브(lobe)라 언급되는 상대적으로 긴 직경부와 상대적으로 짧은 직경부를 포함한다. 복수개의 캠(24)은 긴 직경부의 위치가 원주 방향으로 이동하도록 캠샤프트(20)를 따라 배열된다. 따라서, 흡기 및 배기 밸브들은 그것들이 복수개의 캠(24) 각각에 연결되어 있으므로 캠샤프트의 회전에 대응하여 다른 타이밍에서 열리거나 닫히게 된다.

상기 왕복 엔진 또는 내연 기관(10)은 하나 또는 다수의 실린더, 특히 4개의 실린더, 6개의 실린더, 8개의 실린더, 10개의 실린더, 그리고 12개의 실린더를 포함하도록 되어 있다. 또한, 상기 실린더는 엔진 내에서 직선으로 배치되거나, 기울어져 배치되거나, V형으로 배치되거나, 또는 당업자에게 알려진 다양한 방식으로 배치된다. 따라서, 캠샤프트의 개수 및 배치는 실린더의 개수와 실린더의 배치에 의존한다.

당업자에게 알려진 바와 같이, 왕복 엔진 또는 내연 기관은 두 개의 캠샤프트가 제공되고 이 캠샤프트들이 각 실린더 헤드의 상측에 배치되며 흡기 밸브와 배기 밸브의 각 측에 위하도록 되어 있을 수 있다. 이러한 배치는 통상적으로 더블 오버 헤드 캠 또는 캠샤프트(DOHC) 배열이라고 언급된다. 상기 DOHC 구조에서, 하나의 캠샤프트의 캠들은 흡기 밸브와 작동적으로 결합되어 각 흡기 밸브를 적절한 타이밍에 열거나 닫도록 되어 있으며, 다른 캠샤프트의 캠들은 배기 밸브와 작동적으로 결합되어 각 배기 밸브를 적절한 타이밍에 열거나 닫도록 되어 있다. 이와는 달리, 당업자에게 알려진 바와 같이 내연 기관은 실린더 헤드를 위해 하나의 캠샤프트(즉, 싱글 오버헤드 캠샤프트(SOHC))를 가질 수 있다. 상기 캠샤프트는 흡기 및 배기 밸브들 각각을 적절한 타이밍에 열거나 닫도록 캠샤프트를 따라 배열된 캠들을 포함한다. 엔진이 V자 구조여서 하나 이상의 실린더 헤드를 포함하는 경우에, 두 세트의 캠샤프트가 제공되는데, 하나의 세트의 캠샤프트가 하나의 실린더 헤드를 위한 것이다.

흡기 밸브가 열린 때에는, 각 캠(24)의 긴 직경부가 흡기 밸브의 끝단에 접촉한다. 이러한 방식으로 흡기 밸브는 밸브 스프링의 힘에 대항하여 아래 방향으로 눌러지고, 그것에 의하여 흡기 밸브 헤드가 밸브 시트로부터 이동되어 실린더 내로 뻗는다. 흡기 밸브가 닫힌 때에는, 캠(24)의 짧은 직경부가 흡기 밸브의 끝단에 접촉하여 흡기 밸브가 밸브 스프링의 복원력에 의하여 위 방향으로 밀린다. 이것은 배기 밸브에도 동일하게 적용되므로 그 기재는 여기에서 반복하지 않기로 한다.

오버헤드 캠샤프트 엔진 구조에서 캠샤프트(20)를 회전 가능하게 지지하기 위한 가장 일반적인 기술 또는 메커니즘은 실린더 헤드 내에 상호 보완적인 베어링 지지 구조물을 가지는 복수개의 얇은 막 유체역학적 베어링을 포함하는 조립체이다. 유체역학적 베어링들은 캠샤프트의 길이를 따라 간격을 두고 배치된다. 특히, 베어링 조립체는 캠샤프트의 각 축부(22)에 대응하여 제공된다. 상기 베어링 조립체에서, 가압된 오일이 각 축부(22)의 외주면과 대응하는 유체역학적 베어링구조물 사이로 유입된다. 다른 유체역학적 베어링 구조물과 연계하여 상기 가압된 오일의 얇은 막은 캠샤프트를 회전 가능하게 지지하고 상기 오일은 캠샤프트가 회전할 대 마찰을 줄이는 윤활제 역할을 한다. 엔진 속도가 낮거나 엔진이 아이들 상태이면, 오일 펌프는 가압된 오일의 얇은 막을 형성하기에 충분한 압력을 생성하지 못할뿐더러 혼합된 막이 형성된다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 이러한 혼합된 막 조건은 얇은 막 조건과 비교할 때 낮은 엔진 속도 또는 아이들 상태에서 마찰력을 증가시키고 높은 캠샤프트 토크를 유도한다.

이것은 엔진이 잠시 동안 멈춘 다음 시동될 때 문제가 되는데, 그 이유는 엔진이 시동될 때 캠샤프트와 베어링 지지면 사이에 활용 가능한 오일이 거의 없기 때문이다(예를 들어, 실린더 헤드의 고정된 요소와 캠샤프트 사이에 오일이 거의 없다). 다시 말하면, 엔진을 시동할 때 캠샤프트의 축부(22)와 금속 대 금속 접촉을 하게 되고 그것에 의하여 베어링 조립체의 마모가 증가된다.

미국특허공개공보 US 2009/0235887과 US 2010/0012059에는 실린더 헤드 내의 구조물과 연계하여 캠샤프트를 회전 가능하도록 지지하는 롤러 타입 베어링이 나타나 있다. 미국특허공개공보 US 2009/0235887에서 찾아지는 니들 타입 베어링은 복수개의 원호 형상의 외륜 멤버들을 원주 방향으로 연결함으로써 형성되는 외륜과, 상기 외륜의 내경면을 따라 배열되는 복수개의 니들 롤러들과, 원호 방향으로 연장되고 외륜 멤버의 외경면에 형성된 오일 그루브를 포함하는 롤러 타입 베어링이다.

미국공개특허공보 US 2010/0012059에서 찾아지는 롤러 베어링은 복수개의 원호 형상의 외륜 멤버들을 원주 방향으로 연결함으로써 형성되는 외륜과, 상기 외륜의 내경면을 따라 배열되는 복수개의 롤러들을 포함한다. 외륜 멤버의 내경면 상의 하나 또는 각각의 원주단에는 경사진 면이 제공되고, 상기 경사진 면의 외곽선은 상기 롤러의 회전 방향에 수직인 방향을 따라 있다. 상기 두 가지 출원에 기재된 롤러 베어링 조립체는 (1) 외륜 멤버의 전체 폭을 지지하기 위한 것이고, (2) 상부 베어링 궤도 상에서 원주 방향으로 연장된 상부 베어링 궤도 내에 형성 또는 가공된 윤활 채널을 가지며, (3) 베어링의 축방향 움직임을 제어하기 위하여 핼쑥한 컵 형상의 외륜궤도 디자인을 가진다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 타입 Ⅰ 밸브 트레인에서 버킷 타입 태핏을 안착시키기 위하여 실린더 헤드 내에 포켓 또는 버킷의 가공은 실린더 헤드 내에 하부 베어링 지지 구조물이 상당히 줄어든 폭을 갖도록 초래한다. 상기 감소된 폭은 하부 베어링 지지 구조물이 앞에서 언급한 특허 공개 공보에서 찾아 지는 베어링 조립체의 전체 폭을 가로지르는 지지체를 제공하지 못한다.

게다가, 이러한 공개 공보에 기재된 것처럼 상부 베어링 궤도의 중심 주위로원주 방향으로 연장된 상부 베어링 궤도에 형성 또는 가공된 윤활 채널 또한 타입 Ⅰ 밸브 트레인에서 줄어든 폭의 하부 베어링 지지 구조물이 발견되는 영역에서 궤도의 두께를 줄이게 된다. 또한, 상기 그루브는 궤도와 하부 베어링 지지 구조물 사이에 틈이 존재할 수 있다는 것을 의미한다. 상기 구조는 특히 용납되지 않은 그루브의 지역에서 궤도 그루브와 줄어든 폭의 하부 베어링 지지 구조물 사이에 접촉이 거의 없을 수 있다는 것을 의미한다.

또한, 핼쑥한 컵 형상의 외륜 궤도 디자인은, 그것이 이러한 전체 폭 구조에서 베어링의 축 방향 운동을 제어하는 것을 돕는데, 밸브 트레인의 움직이는 구조물 사이의 허용되지 못하는 간섭을 위한 잠재 능력을 생성한다. 그 이유는 태핏과 캠의 관련된 로브가 타입 Ⅰ 밸브 트레인이 위치하기 때문이다.

더 나아가, 니들 롤러는 롤러 베어링 내에서 그들의 회전 중심 주위를 회전하는데 반하여 롤러 베어링 그 자체는 또한 캠샤프트의 중심 주위를 회전한다. 따라서, 타입 Ⅰ 밸브 트레인 구조에서 롤러 베어링은 줄어든 폭의 하부 베어링 지지 구조물을 통하여 회전한다. 적어도 상기한 바와 같은 어려움들 때문에, 앞에서 언급한 특허공개공보에 기재된 것과 같은 롤러 베어링은 타입 Ⅰ 밸브 트레인 구조를 가진 내연 기관에서는 사용되지 않았다.

또한, 밸브 트레인이 타입 Ⅰ 밸브 트레인이고, 시동중, 아이들 상태, 그리고 낮은 엔진 속도 작동(예를 들어, 마찰력이 증가)일 때, 하부 베어링 지지체의 감소된 폭은 유체역학적 베어링의 사용을 위하여 특별한 문제이다.

따라서, 타입 Ⅰ 밸브 트레인을 사용할 때 캠샤프트를 회전 가능하게 지지하는 베어링 지지 구조물과 타입 Ⅰ 밸브 트레인을 사용할 때 캠샤프트를 회전 가능하게 지지하기 위한 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 베어링 지지 구조물이 롤러 타입 베어링 요소를 포함할 때, 캠샤프트를 회전 가능하게 지지할 수 있는 장치와 방법을 제공하는 것이 더욱 바람직하다. 종래 기술의 장치 또는 구조와 비교할 때, 연관된 부품들의 크기와 형상을 상당히 바꾸지 않는 롤러 타입 베어링 지지 구조물을 제공하는 것 또한 바람직하다.

넓은 양상에서 본 발명은 타입 Ⅰ 밸브 트레인의 캠샤프트를 회전 가능하게 지지하기 위한 롤링 가능한 캠샤프트 지지체를 특징으로 하는데, 상기 캠샤프트는 적어도 하나 이상의 회전면을 가진다. 상기 롤링 가능한 캠샤프트 지지체는 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링과 각 롤링 가능한 베어링을 위한 적어도 하나 이상의 베어링 지지체를 포함하는데, 각 베어링 지지체는 베어링 상부 지지 요소와 베어링 하부 지지 요소를 포함한다. 각 롤링 가능한 베어링은 내측궤도, 외측궤도, 그리고 내측궤도와 외측궤도 사이에 배치되고 상기 궤도들을 가로질러 폭 방향으로 연장된 복수개의 롤링 요소들을 포함한다. 상기 베어링 상부 지지 요소와 베어링 하부 지지 요소는 그들 사이에 롤링 가능한 베어링을 안착시키도록 되어 있다. 또한, 상기 베어링 하부 지지 요소는 타입 Ⅰ 밸브 트레인의 일부분을 보완하도록 되어 있다.

본 발명의 하나의 양상에 따르면, 타입 Ⅰ 밸브 트레인에 사용되는 캠샤프트를 회전 가능하게 지지하는 롤링 가능한 캠샤프트 지지체에 특징이 있다. 상기 캠샤프트는 각 흡기 밸브 및 배기 밸브를 위한 적어도 하나 이상의 캠과 적어도 하나 이상의 회전면을 가지고, 상기 캠과 상기 적어도 하나 이상의 회전면은 상기 캠샤프트의 길이를 따라 배치된다. 상기 롤링 가능한 캠샤프트 지지체는 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링과 상기 롤링 가능한 베어링 각각을 위한 적어도 하나 이상의 베어링 지지체를 포함한다. 실시예에서, 상기 캠샤프트는 복수개의 캠과 복수개의 회전면을 포함하고, 롤링 가능한 캠샤프트 지지체는 복수개의 롤링 가능한 베어링과 복수개의 지지체를 포함하며, 상기 복수개의 회전면 각각을 위한 하나의 롤링 가능한 베어링과 베어링 지지체를 포함한다.

상기 롤링 가능한 베어링 각각은 적어도 하나 이상의 회전면 주위로 원주 방향과 축 방향으로 연장된 내측궤도, 상기 내측궤도 주위로 원주 방향과 축 방향으로 연장된 외측궤도, 그리고 내측궤도와 외측궤도 사이에 배치되고 상기 궤도들을 가로질러 폭 방향으로 연장된 복수개의 롤링 요소를 포함한다. 적어도 하나 이상의 베어링 지지체 각각은 베어링 상부 지지 요소와 베어링 하부 지지 요소를 포함한다.

상기 베어링 상부 지지 요소와 베어링 하부 지지 요소는 그들 사이에 상기 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링을 안착시키도록 되어 있다. 상기 베어링 하부 지지 요소는 타입 Ⅰ 밸브 트레인의 일부분을 보완하도록 되어 있다.

실시예에서, 베어링 상부 지지 요소는 상기 내측궤도와 대항하며 제1폭을 가진 제1내면을 가지고, 베어링 하부 지지 요소는 상기 내측궤도와 대항하며 제2폭을 가진 제2내면을 가진다. 이러한 배열에서 제1폭은 제2폭보다 크고, 내측궤도의 폭은 필수적으로 변화하지 않는다.

실시예에서, 제1폭에 대한 제2폭의 비율은 30%~50%의 범위 내이다. 또한, 제2폭은 최소 폭과 최대 폭 사이에서 변화하도록 원주방향으로 변화한다.

실시예에서, 제1,2폭은 다음의 관계들 중 적어도 하나 이상을 만족한다.

(a) 30%≤제2폭의 최소폭/제1폭≤50%;

(b) 30%≤제2폭의 최소폭/제1폭; 또는

(c) 제2폭의 최소폭/제1폭≤50%.

실시예에서, 상기 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링 각각은 복수개의 롤링 요소들이 원주 방향으로 간격을 두도록 하는 케이지를 더 포함한다. 상기 케이지는 원주면에서 수직으로 연장되어 내측궤도 또는 외측궤도 중 하나의 원주면에 근접하는 복수개의 탭을 포함한다.

실시예에서, 베어링 상부 지지 요소의 제1내면은 상기 내면의 원주의 적어도 일부분에서 연장된 채널을 가지고, 상기 채널은 윤활유 공급원과 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며, 상기 내측궤도는 관통홀을 포함하도록 되어 있다. 게다가, 상기 채널은 상기 관통홀과 유체가 흘러가도록 결합되도록 배치되어 있다. 이러한 방식으로, 가압된 오일과 같은 윤활유가 채널과 관통홀에 연통되어 롤링 가능한 베어링의 롤러 요소들이 윤활된다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 타입 Ⅰ 밸브 트레인, 적어도 하나 이상의 흡기 밸브, 적어도 하나 이상의 배기 밸브를 가지는 내연 기관에 특징이 있다. 상기 내연 기관은 각 흡기 밸브와 각 배기 밸브를 위한 적어도 하나 이상의 캠과 적어도 하나 이상의 회전면을 가지고, 상기 캠과 적어도 하나 이상의 회전면은 길이를 따라 배치되는 캠샤프트, 그리고 상기 적어도 하나 이상의 회전면 각각을 위한 회전 가능한 베어링 지지체를 포함한다.

상기 롤링 가능한 베어링 지지체 각각은 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링과 적어도 하나 이상의 베어링 지지체를 포함한다. 각 롤링 가능한 베어링은 적어도 하나 이상의 회전면 주위로 원주 방향과 축 방향으로 연장된 내측궤도, 상기 내측궤도 주위로 원주 방향과 축 방향으로 연장된 외측궤도, 그리고 상기 내측궤도와 외측궤도 사이에 배치되어 있으며 상기 궤도들을 가로질러 폭 방향으로 연장된 복수개의 롤링 요소들을 포함한다. 각 롤링 가능한 베어링 지지체는 베어링 상부 지지 요소와 베어링 하부 지지 요소를 포함한다. 상기 베어링 상부 지지 요소와 베어링 하부 지지 요소는 그들 사이에 상기 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링을 안착시키도록 되어 있다. 또한, 상기 베어링 하부 지지 요소는 타입 Ⅰ 밸브 트레인의 일부분을 보완하도록 되어 있다.

실시예에서, 베어링 상부 지지 요소는 상기 내측궤도와 대항하며 제1폭을 가진 제1내면을 가지고, 베어링 하부 지지 요소는 상기 내측궤도와 대항하며 제2폭을 가진 제2내면을 가진다. 실시예에서, 제1폭은 제2폭보다 크고, 내측궤도의 폭은 필수적으로 변화하지 않는다.

실시예에서, 제1폭과 제2폭은 30%≤제2폭/제1폭≤50%의 관계를 만족한다. 실시예에서, 제2폭은 최소 폭과 최대 폭 사이에서 변화하도록 원주방향으로 변화한다.

실시예에서, 제1,2폭은 다음의 관계들 중 적어도 하나 이상을 만족한다.

(a) 30%≤제2폭/제1폭≤50%;

(b) 30%≤제2폭/제1폭; 또는

(c) 제2폭/제1폭≤50%.

실시예에서, 상기 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링 각각은 복수개의 롤링 요소들이 원주 방향으로 간격을 두도록 하는 케이지를 더 포함하며, 상기 케이지는 원주면에서 수직으로 연장되어 내측궤도 또는 외측궤도 중 하나의 원주면에 근접하는 복수개의 탭을 포함한다.

실시예에서, 베어링 상부 지지 요소의 제1내면은 상기 내면의 원주의 적어도 일부분에서 연장된 채널을 가지고, 상기 채널은 윤활유 공급원과 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며, 상기 내측궤도는 관통홀을 포함하도록 되어 있다. 게다가, 상기 채널은 상기 관통홀과 유체가 흘러가도록 결합되도록 배치되어 있다.

실시예에서, 상기 캠샤프트는 복수개의 캠과 복수개의 회전면을 가지고, 상기 롤링 가능한 캠샤프트 지지체는 복수개의 롤링 가능한 베어링과 복수개의 지지체와, 상기 복수개의 회전면 각각을 위한 하나의 롤링 가능한 베어링 및 베어링 지지체를 포함한다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 타입 Ⅰ 밸브 트레인을 위한 캠샤프트를 회전 가능하게 지지하기 위한 방법에 특징이 있는데, 상기 캠샤프트는 왕복 엔진의 적어도 하나 이상의 흡기 밸브와 적어도 하나 이상의 배기 밸브 각각의 선택적인 운동을 유발한다. 상기 캠샤프트는 적어도 하나 이상의 회전면 지역을 가진다. 상기 방법은 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링 지지체를 준비하는 단계를 포함하고, 각 롤링 가능한 베어링 지지체는 롤러 타입 베어링과 베어링 지지 구조물을 포함한다.

상기 롤러 타입 베어링은 내측궤도, 외측궤도, 그리고 상기 내측궤도와 외측궤도 사이에 배치되어 각 궤도들을 가로질러 폭 방향으로 연장된 복수개의 회전 요소를 포함한다. 상기 베어링 지지 구조물은 상부 지지 멤버와 하부 지지 멤버를 가지고, 상기 하부 지지 멤버는 타입 Ⅰ 밸브 트레인을 보완하도록 되어 있다.

상부 지지 멤버와 하부 지지 멤버는 그들 사이에 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링을 안착시키도록 되어 그들의 외륜궤도가 상부 지지 멤버와 하부 지지 멤버의 내면에 대항한다.

상기 방법은 캠샤프트의 적어도 하나 이상의 회전면 지역 각각의 주위에 적어도 하나 이상의 롤러 베어링 각각을 배치하고, 상부 지지 멤버와 하부 지지 멤버 사이에 캠 샤프트와 롤러 베어링을 회전 가능하게 장착하는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 다른 양상들과 실시예들은 아래에서 논의한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 낮은 엔진 속도에서 감소된 마찰은 엔진 마모에 대하여 향상될 뿐만 아니라 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 롤러 베어링을 위한 윤활 요구가 상당히 감소하기 때문에, 엔진 오일 펌프의 축소화를 고려할 수 있고 이는 낮은 엔진 속도에서 연비를 향상시키게 된다.

본 발명의 본질과 목적을 잘 이해할 수 있도록, 아래에 기재된 도면들과 연계하여 발명의 상세한 설명에도 도면부호는 사용된다. 유사한 도면 부호는 전체 도면에서 해당 부분을 표시한다.
도 1a는 예시적인 내연 기관에 사용되는 예시적인 캠샤프트의 도면이다.
도 1b는 미국특허공개공보 US 2009/0235887에 도시된 캠샤프트 베어링 지지 구조물의 도면이다.
도 1c는 미국특허공개공보 US 2009/0235887에 도시된 캠샤프트 베어링 지지 구조물의 다른 도면이다.
도 1d는 도 1b 및 도 1c의 캠샤프트 베어링 지지 구조물에 포함된 베어링을 위한 베어링 궤도의 도면으로, 상부 베어링 궤도 내의 윤활 채널을 보여준다.
도 1e는 도 1b 및 도 1c의 캠샤프트 베어링 지지 구조물의 단면도로, 베어링의 축방향 움직임을 제어하기 위하여 홀쭉한 컵 모양의 외측궤도를 보여준다.
도 2a는 예시적인 내연 기관의 실린더와 실린더 블록의 단면도이다.
도 2b는 태핏을 가지는 예시적인 타입 Ⅰ 밸브 트레인의 도면이다.
도 2c는 명확성을 위하여 베어링, 밸브 조립체, 캠샤프트, 그리고 상부 베어링 지지 구조물을 제거한 타입 Ⅰ 밸브 트레인의 하부 베어링 지지 구조물의 도면이다.
도 2d는 명확성을 위하여 유체역학적 베어링, 태핏, 캠샤프트를 제거한 하부 및 상부 지지 구조물의 도면이다.
도 3a는 명확성을 위하여 밸브 조립체, 캠샤프트, 그리고 상부 베어링 지지 구조물이 제거된 롤러 타입 베어링의 외측궤도의 일부가 포함된 본 발명의 실시예에 따른 타입 Ⅰ 밸브 트레인을 위한 하부 베어링 지지 구조물의 도면이다.
도 3b는 도 3a의 하부 베어링 지지 구조물의 평면도이다.
도 3c, d는 각각 도 3a의 하부 베어링 지지 구조물의 측면도와 도 3a의 하부 베어링 지지 구조물의 개략도로서, 밸브 트레인이 조립되고 버킷 태핏이 캠 베이스 원 상에 있을 때 베어링 절개부와 버킷 태핏 사이에 적절한 틈을 보여 준다.
도 4a는 베어링 케이지를 베어링 내측궤도와 캠샤프트의 일부에 안착하기 위한 메커니즘을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 회전 베어링 지지 구조물의 일부를 보인 도면이다.
도 4b는 도 4a를 더욱 상세하게 그린 도면으로, 캠샤프트 상의 베어링 내측궤도에 위치한 베어링 케이지 상의 각도가 있는 탭을 보여준다.
도 4c는 도 4a에 도시된 회전 베어링 지지 구조물의 일부를 보인 도면으로 베어링 케이지 상에 배치된 베어링 외측궤도를 포함한다.
도 4d는 실린더 헤드 커버에 장착되었을 때 캠샤프트 베어링 지지 캡을 포함하는 회전 베어링 지지 구조물을 보인 도면이다.
도 5는 쪼개진 타입의 외측궤도의 사시도이다.
도 6a는 윤활유가 공급되는 채널을 보여주는 캠샤프트 베어링 지지 캡의 도면이다.
도 6b는 윤활유가 공급되는 다른 채널 배열을 보여주는 다른 캠샤프트 베어링 지지 캡의 도면이다.
도 7a, b는 회전 베어링 지지 구조물과 관련된 실린더 헤드 구조물의 일부를 절개한 사시도이다.
도 8a는 타입 Ⅰ 밸브 트레인과 연관된 회전 베어링 지지 구조물과 관련된 실린더 헤드 구조물의 분해도이다.
도 8b는 롤러 베어링 조립체를 캠샤프트, 보다 상세하게는 내측궤도에 배치시킬 수 있는 일측이 쪼개진 케이지의 도면이다.
도 9는 하부 베어링 패널 또는 지지 구조물을 가로지르는 단면 폭의 감소와 전체 폭에서 감소 폭까지 변화를 보여주는 도면이다.
도 10은 캠샤프트 베어링 하중을 묘사한 롤러 베어링의 측면도이다.
도 11은 전체 폭에서 감소 폭까지의 변화를 더 보여주는 하부 베어링 지지 구조물의 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 롤러 베어링 지지 구조물에 의하여 타입 Ⅰ 밸브 트레인의 캠샤프트가 회전 가능하도록 지지될 때 예상되는 마찰 감소를 밸브 트레인 속도의 함수로 표현한 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 아래와 같은 정의를 참조하여 매우 명확히 이해될 것이다.

명세서 및 특허청구범위에서, 단수 형태로 사용된 것은 문맥에서 명백히 다르게 적혀있지 않는 한 복수 형태를 포함한다.

명세서에서 "포함"이라는 단어는 화합물, 방법, 장치, 그리고 시스템이 언급된 요소를 포함하는 것을 의미할 뿐 다른 요소를 배제하는 것을 의미하지는 않는다. "필수적으로 포함"이라는 단어를 화합물, 장치, 그리고 시스템에 사용하는 것은 다른 필수 구성을 배제하기 위함이다. 이러한 용어에 의하여 정의되는 실시예들은 본 발명의 범위를 규정짓게 된다.

"USP"는 미국 특허 번호, 즉 미국 특허 상표청에 의하여 등록된 미국 특허를 의미한다.

동일한 도면 부호는 동일한 부분을 나타내는 다양한 도면들을 참조하면, 도 2a에는 예시적인 내연 기관(100)의 실린더의 단면도가 도시되어 있다. 상기 내연 기관(100)은 상기 내연 기관에서 흡기 및 배기 밸브 조립체들(130, 132)를 기준으로 흡기 밸브들(130a)과 배기 밸브들(132a)을 각각 움직이기 위하여 사용되는 캠샤프트(120)를 포함한다. 상기 예시적인 내연 기관은 실린더 블록(112), 크랭크샤프트(140), 그리고 실린더 블록의 실린더(112a) 내에서 왕복 운동하는 피스톤(142)을 포함한다.

상기 단면도에는 하나의 실린더(112a)와 피스톤(142)이 도시되어 있지만, 당업자에게 알려진 바와 같이, 상기 왕복 엔진 또는 내연 기관의 실린더 블록(112)은 4개의 실린더, 6개의 실린더, 8개의 실린더, 10개의 실린더, 12개의 실린더를 포함하도록 되어 있고, 피스톤의 개수는 실린더의 개수와 대응된다. 또한, 실린더들은 엔진 내에서 직선으로 배치되거나, 기울어져 배치되거나, V형으로 배치되거나, 당업자에게 알려진 다양한 형태로 배치될 수 있다.

상기 내연 기관(100)은 실린더 블록(112)과 실린더 헤드(150)를 하우징으로 가지고, 피스톤(142)의 왕복 운동을 회전 운동으로 전환하는 운동 전환 메커니즘을 가지며, 혼합기를 공급하고 연소 가스를 배기하기 위한 흡기 및 배기 장치를 가지고, 점화 장치로서 스파크 플러그(116)를 가지는 왕복 엔진이다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 실린더 헤드는 실린더 블록에 장착되어 흡기 및 배기 장치의 일부가 각 실린더(112a)에 대하여 고정된 관계를 가진다. 운동 전환 메커니즘은 실린더 블록(112) 내에 안착되며, 피스톤(142), 크랭크샤프트(140), 그리고 피스톤(142)에 연결된 일단과 크랭크샤프트(1400에 연결된 타단을 가져 피스톤의 왕복 운동을 크랭크샤프트의 회전 운동을 전환하는 커텍팅 로드 또는 컨로드(144)를 포함한다.

당업자에게 알려진 바와 같이, 크랭크샤프트(140)는 결국 당업자에게 알려진 변속기(예를 들어, 기계식, 유압식, 무단변속기 등등)에 작동적으로 결합되고 결국 차량의 구동륜(도시하지 않음)에 작동적으로 결합된다. 이러한 방식으로, 엔진의 작동에 의하여 발생된 파워/토크는 구동륜에 전달되어 그것에 의하여 차량이 원하는 방향(예를 들어, 전진 또는 후진)으로 움직이도록 한다.

흡기 및 배기 장치는 실린더 헤드(150)에 형성되어 있으며 실린더 블록(112)의 각 실린더(112a)와 선택적으로 유체가 흘러갈 수 있도록 결합되는 흡기 통로(152a)와 배기 통로(152b)를 포함한다. 흡기 밸브(130a)는 실린더(112a)와 흡기 통로(152a) 사이에 위치하고, 배기 밸브(132a)는 실린더(112a)와 배기 통로(152b) 사이에 위치하며, 본 명세서에서 더 자세히 설명하겠지만 캠샤프트(120)는 흡기 및 배기 밸브(130a, 132a)의 열림 및 닫힘 시기를 직접적으로 제어할 수 있도록 배치되어 있다.

흡기 밸브 조립체(130)는 밸브 스템(130b)과 상기 밸브 스템(103b)의 일단에 구비된 밸브 헤드(130c)를 가지는 흡기 밸브(130a)와, 흡기 통로(152a)를 닫는 방향으로 흡기 밸브(130a)에 힘을 가하는 밸브 스프링(130d)을 포함한다. 배기 밸브 조립체(132)는 밸브 스템(132b)과 상기 밸브 스템(132b)의 일단에 구비된 밸브 헤드(132c)를 가지는 배기 밸브(132a)와, 배기 통로(152b)를 닫는 방향으로 배기 밸브(132a)에 힘을 가하는 밸브 스프링(132d)을 포함한다. 캠샤프트(120)는 각 밸브 스템(130b, 132b)의 타단에 연결되어 상기 밸브 스템들에 직접적으로 힘을 가하고, 그것에 의하여 각 흡기 및 배기 밸브(130a, 132a)의 열림과 닫힘을 제어한다.

내연 기관(100)에 사용되는 캠샤프트(120)는 축부(122)와 복수개의 캠들(124)을 포함한다. 축부(122)는 본 명세서에서 더욱 상세하게 설명하겠지만 하나 또는 그 이상의 베어링들과 실린더 헤드(150)의 대응하는 구조물에 의하여 회전 가능하게 지지된다. 캠샤프트(120)는 타이밍 벨트(도시하지 않음) 또는 다른 구조물(예를 들어, 기어들)에 의하여 크랭크샤프트(140)에 연결되어 크랭크샤프트의 회전에 따라 캠샤프트가 회전하도록 되어 있다.

각 캠(124)은 각 흡기 밸브(130) 또는 배기 밸브(132)에 작동적으로 결합 또는 연결되어 있으므로, 밸브들(130, 132)의 개수와 동일한 수의 캠들이 구비된다. 각 캠(124)은 때때로 로브라 언급되는 상대적으로 긴 직경부(124a)와 상대적으로 짧은 직경부(124b)를 포함한다. 복수개의 캠(24)은 긴 직경부(124a)의 위치가 원주 방향으로 이동하는 방식으로 캠샤프트(120)를 따라 배열되어 있다. 따라서, 흡기 및 배기 밸브들(130, 132)은 그것들이 복수개의 캠(124) 각각과 작동적으로 연결되어 있으므로 각 캠샤프트(120)의 회전에 대응하여 다른 타이밍에서 열리고 닫히게 된다.

도 2a에 도시된 내연 기관(100)은 두 개의 캠샤프트(120)가 실린더 헤드(150)의 상측에 배열되어 흡기 밸브(130) 측과 배기 밸브(132) 측에 위치하도록 제공되는 더블 오버헤드 캠샤프트(DOHC) 엔진이다. 상기 DOHC 구조에서, 하나의 캠샤프트의 캠은 흡기 밸브(130)를 적절한 타이밍에 열거나 닫도록 흡기 밸브(130)에 작동적으로 결합되고, 다른 캠샤프트의 캠은 배기 밸브(132)를 적절한 타이밍에 열거나 닫도록 배기 밸브(132)에 작동적으로 결합된다. 그런데, 당업자에게 알려진 바와 같이, 상기 내연 기관은 흡기 및 배기 밸브들(130, 132)을 적절한 타이밍에 열거나 닫도록 캠샤프트를 따라 배열된 캠들을 가지는 하나의 캠샤프트(싱글 오버헤드 캠샤프트(SOHC)를 포함하도록 할 수 있다.

이하에서는 상기 예시적인 내연 기관(100)의 작동(엔진이 시동된 후)에 대하여 설명하기로 한다. 예시적인 내연 기관(100)은 4행정 내연 기관으로, 공급 또는 흡입 단계, 압축 단계, 연소 단계, 그리고 배기 단계의 네 가지 단계를 갖는다. 상기 예시적인 엔진에서, 피스톤(142)이 실린더(112a) 내에서 최고점(즉, 상사점)과 최하점(즉, 하사점) 사이에서 움직이는 단계가 엔진의 하나의 단계 또는 하나의 사이클이다.

공급 또는 흡입 단계에서, 흡기 밸브(130)가 열리고 배기 밸브(132)가 닫히는 동안 피스톤(142)은 상사점에서 하사점으로 이동한다. 실린더(112a) 내의 체적(이후로는 피스톤(142)의 상부 공간이라 칭한다)이 증가하므로, 내부 압력은 낮아지고 혼합기가 흡기 통로(152a)를 통하여 실린더(112a) 내로 유입된다. 공급 장치의 다른 부분들은 실린더 헤드 내의 각 흡기 통로(152)에 공급되는 연료와 공기를 혼합하도록 되어 있다. 상기 공급 장치는 슈퍼 챠징 또는 터보 슈퍼 챠징 기술을 사용하여 가압된 혼합기의 공급이 제공되도록 되어 있을 수 있다.

압축 단계에서, 흡기 및 배기 밸브(130, 132)가 닫혀 있는 동안 피스톤(142)은 하사점에서 상사점으로 이동한다. 상기 운동에 의하여 실린더(112a) 내의 체적이 감소하므로 실린더 내의 압력은 높아지거나 증가한다.

연소 단계에서, 흡기 및 배기 밸브(130, 132)가 닫혀 있는 동안 점화 플러그(116)가 점화되고, 이것은 압축된 상태의 혼합기가 급격히 연소되어 팽창하도록 한다. 이러한 팽창은 피스톤(142)을 상사점에서 하사점까지 하방향으로 누르게 된다. 피스톤의 하방향 운동으로부터 크랭크샤프트(140)에 힘이 컨로드(144)를 통하여 회전 운동으로 전달되고 그것에 의하여 엔진에 의한 구동력이 생성된다.

디젤 엔진의 경우, 엔진이 초기 구동할 때 디젤 혼합기의 점화를 용이하게 하는 수단(예를 들어, 글로우 플러그)을 엔진이 포함할 수 있다. 그러나, 정상 작동 상태에서는, 디젤 혼합기는 압축 단계 동안 충분히 압축되어 혼합기의 점화를 유도한다.

배기 단계에서는, 흡기 밸브(130)가 닫히고 배기 밸브(132)가 열리는 동안 피스톤(142)이 하사점에서 상사점으로 움직인다. 실린더(112a) 내의 체적이 상기 운동에 의하여 감소하고, 그것에 의하여 연소 가스가 배기 통로(152b)에 배출되도록 한다. 피스톤(142)이 상사점에 도달하면, 상기에서 기술한 4행정 과정이 엔진이 꺼질 때까지 계속하여 반복된다. 배기 장치의 다른 부분들은 뜨거운 연소 가스의 대기로의 이동 또는 배출을 용이하게 하도록 되어 있다.

흡기 밸브가 상기 단계에서 열린 것으로 기술되었을 때에는 각 캠(124)의 긴 직경부(124a)가 흡기 밸브(130a)의 끝단에 접한다. 이러한 방식으로, 흡기 밸브(130a)는 밸브 스프링(132d)의 힘을 이기고 아래로 눌러지게 되고, 그것에 의하여 흡기 밸브 헤드(130c)가 밸브 시트로부터 떨어져 실린더(112a) 내로 향하게 된다. 흡기 밸브가 닫힌 것으로 기술되었을 때에는, 캠(124)의 짧은 직경부(124b)가 흡기 밸브(130)의 끝단에 접촉하게 된다. 이러한 상태에서는, 흡기 밸브(130a)가 밸브 스프링(130d)의 복원력에 의하여 위 방향으로 밀리고, 그것에 의하여 흡기 밸브 헤드(130c)가 밸브 시트와 접촉하고 통로를 닫는다. 이러한 것은 배기 밸브(132)에도 동일하게 적용되며, 이에 따라 그 기재를 반복하지는 않기로 한다.

상기 단계들 중, 구동력은 연소 단계에서만 생성되고, 다른 단계에서는 만약 엔진이 하나 또는 그 이상의 실린더를 포함하면 하나의 실린더의 피스톤(142)은 플라이 휠(도시하지 않음)의 회전과 다른 실린더에서 생성된 구동력에 의하여 왕복 운동을 한다. 따라서, 크랭크샤프트(140)의 부드러운 회전을 유지하기 위하여 연소 단계는 시간이라는 관점에서 복수개의 실린더에 의하여 이동한다.

도 2b를 참조하면, 도 2b에는 태핏을 가지는 예시적인 타입 Ⅰ 밸브 트레인을 보여 주는 실린더 헤드(250)의 단면도이다. 동일한 도면 부호를 가지는 특징들(예를 들어, 밸브 트레인의 특징들)을 위하여 도 2a에 관한 앞서의 설명을 참고할 것이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 실린더 헤드(250)는 엔진 블록(112)에 통상적으로 볼트에 의하여 장착된다. 또한, 실린더 헤드(250)와 엔진 블록(112)은 서로 결합되어 각 실린더 헤드와 엔진 블록의 선택된 포트와 개구부는 서로 대응되어 엔진 냉각수와 윤활제(가압된 오일)는 엔진 블록으로부터 실린더 헤드로 제공된다.

또한, 밸브 스템(130b)과 상기 밸브 스템(130a)의 일단에 구비된 밸브 헤드(130c)를 가지는 흡기 밸브(130a)와, 흡기 통로(152a)를 닫는 방향으로 흡기 밸브(130a)에 힘을 가하는 밸브 스프링(130d)를 가지는 흡기 밸브 조립체(230)가 포함된다. 상기 흡기 밸브 조립체는 캠(124)과 흡기 밸브(130a)의 타단 사이에 배치되는 태핏(236)을 또한 포함한다. 사용시, 캠(124)의 긴 직경부(124a)는 태핏(236)에 작용하여 흡기 밸브(130a)가 열림 위치로 이동하도록 한다. 상대적으로, 짧은 직경부(124b)가 태핏(236)에 대항하면, 밸브 스프링(130d)은 흡기 밸브(130a)가 실린더 헤드(250)에 포함된 밸브 시트를 향해 움직여 접촉하도록 하고, 그것에 의하여 흡기 밸브가 닫힘 위치로 움직인다.

배기 밸브 조립체(232)는 밸브 스템(132b)과 상기 밸브 스템(132b)의 일단에 제공된 밸브 헤드(132c)를 가지는 배기 밸브(132a)와, 배기 통로(152b)를 닫는 방향으로 배기 밸브(132a)에 힘을 가하는 밸브 스프링(132d)을 포함한다. 상기 배기 밸브조립체는 또한 캠(124)과 밸브 스템(132b)의 타단 사이에 배치되는 태핏(236)을 포함한다. 사용시, 상기 캠(124)의 긴 직경부(124a)는 태핏(236)에 작용하여 배기 밸브(132a)가 열림 위치로 이동하도록 한다. 상대적으로, 짧은 직경부(124b가 테핏(236)에 작용할 때, 밸브 스프링(132d)은 배기 밸브(132a)가 실린더 헤드(250)에 포함된 밸브 시트를 향하여 움직여 접촉하도록 하고, 그것에 의하여 배기 밸브가 닫힘 위치로 이동한다.

도 2c에서 더욱 자세히 도시된 바와 같이, 각 태핏(236)은 실린더 헤드(250)에 형성 또는 가공된 포켓(252)에 위치하여 태핏이 캠(124)의 회전 운동에 대응하여 직선으로 움직이도록 되어 있다. 도 2c에 또한 도시된 바와 같이, 상기 포켓(252)을 위한 실린더 헤드(250)의 가공 및 형성은 베어링 지지 구조물(300)의 하부 베어링 지지 요소(320)가 원주 방향으로 변화하는 폭을 가지도록 한다. 실시예에서, 상기 폭은 최대 폭과 최소 폭 사이에서 변화하고, 최소 폭은 태핏(236)이 포켓(252) 내에 배치된 때, 태핏(236)에 가까운 위치에 대응하여 형성된다. 도 9의 단면도는 하부 베어링 지지 요소(320)를 가로지르는 단면 폭의 감소와 태핏(236)과 하부 베어링 지지 요소를 기준으로 외측궤도(210)의 위치를 보다 명확하게 보여준다. 다른 도면에서 도시된 바와 같이, 하부 베어링 지지 요소의 폭은 좋은 전체 지지 특성을 위하여 최대 폭으로 증가한다.

상기 베어링 지지 구조물(300)은 상부 베어링 지지 요소(310)를 포함한다. 상부 베어링 지지 요소는, 도 2d에 도시된 바와 같이, 볼트(312)를 이용하여 실린더 헤드(250)의 짝을 이룬 면에 볼팅된다. 상부 베어링 지지 요소(310)의 폭은 필연적으로 일정하거나 변화하지 않는다. 보다 상세하게는, 상부 베어링 지지 요소(310)는 공칭 폭을 갖는다.

실시예에서, 상부 베어링 지지 요소(310)의 폭은 하부 베어링 지지 요소(320)의 폭보다 크다. 실시예에서, 상부 및 하부 베어링 지지 요소들(310, 320)의 폭은 다음의 관계식을 만족한다.

약 30% ≤ 하부 지지 요소의 최소폭/상부 지지 요소 폭 ≤ 약 50%

실시예에서, 하부 지지 요소 폭은 최소 폭과 최대 폭 사이에서 변화하도록 원주 방향을 따라 변화한다. 실시예에서, 상부 베어링 지지 요소(310)의 폭은 하부 베어링 지지 요소(320)의 최소 폭에 해당하는 위치(320a)에서 하부 베어링 지지 요소(320)의 폭보다 크다.

실시예에서, 상부 및 하부 베어링 지지 요소(310, 320)의 폭은 다음의 관계 중 하나를 만족한다.

(a) 약 30% ≤ 하부 지지 요소 폭/상부 지지 요소 폭 ≤ 약 50%,

(b) 하부 지지 요소 폭/상부 지지 요소 폭 ≤ 약 50%, 또는

(c) 약 30% ≤ 하부 지지 요소 폭/상부 지지 요소 폭.

베어링 지지 구조물(300)은 상부 베어링 지지 요소(3100가 실린더 헤드(250)에 장착 또는 볼팅된 때, 상부 및 하부 베어링 지지 요소(310, 320)들 사이에서 장착된 상태를 유지하는 롤링 가능한 베어링(400)을 포함한다. 상기 롤링 가능한 베어링은 외측궤도(410), 내측궤도(420), 복수개의 롤러 또는 롤링 요소(430), 그리고 케이지(440)를 포함한다. 본 명세서에서 상세히 설명된 바와 같이, 상기 롤링 가능한 베어링은 360도 회전에 걸쳐 롤러(430)를 완전히 지지하도록 쪼개진 외피 개념을 사용한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 실시예에서 외측궤도(410)는 두 개의 원주부(410a, 410b)를 가져 쪼개진 타입의 외측궤도를 형성한다. 실시예에서, 쪼개진 타입의 외측궤도의 끝단(410c)은 조립 정렬을 돕기 위하여 각도를 가진 스플릿을 형성하도록 되어 있다. 내측궤도(420)는 바람직하게는 쪼개진 타입의 궤도를 형성하기 위하여 외측궤도(410)와 유사한 형태를 가진다.

실시예에서, 외측궤도 및 내측궤도(410, 420) 각각은 궤도의 원주를 따라 각각의 폭이 상대적으로 변화하지 않도록 되어 있다. 더욱 상세하게는, 내측궤도 및 외측궤도 각각은 공칭 폭을 가진다. 게다가, 외측 궤도 및 내측 궤도는 당업자에게 알려진 다양한 종류의 물질들 중 어느 것으로 만들어지고, 그렇지 않은 경우에는 의도된 사용을 위하여 적절하도록 만들어진다.

내측궤도(420)는 캠샤프트(120)의 축부(122)의 면 주위에 배치된다. 롤링 가능한 베어링(400)이 축부(122) 주위에 안착되고 상부 및 하부 베어링 지지 요소(310, 320)에 의하여 고정되면, 내측궤도(420)는 축부(122)와 짝을 이루어 접촉한다.

도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 외측궤도(410)의 한 부분(410b)은 하부 베어링 지지 요소(320)와 접촉하도록 위치하고 다른 부분(410a)은 상부 베어링 지지 요소(310)와 접촉하도록 위치한다. 롤링 가능한 베어링(400)이 축부(122) 주위에 안착되고 상부 및 하부 베어링 지지 요소(310, 320)에 의하여 고정되면, 외측궤도(410)는 상부 및 하부 베어링 지지 요소들(310, 320)을 대항하는 면에 짝을 이루어 접촉한다.

롤러 케이지(440)는 폭 방향으로 연장되지만 롤러 케이지의 전체 폭을 가로지르지 않는 복수개의 슬롯(442)을 포함하도록 되어 있다. 상기 슬롯(442)은 롤러 케이지(440)에 관통홀을 형성한다. 상기 롤러는 각 슬롯(442)에 배치되어 롤러 또는 롤링 요소가 롤러 케이지의 원주 주위를 간격을 두고 배치되도록 유지된다.

조립될 때, 롤러 케이지(430)는 외측 및 내측궤도(310, 320) 사이에 배치되어 롤링 요소들이 외측 및 내측궤도와 구름 접촉한다. 이러한 롤러들은 캠샤프트를 회전하도록 한다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 롤러와 롤러 케이지는 사용 중에 캠샤프트 주위를 회전한다. 실시예에서, 니들 롤러(440)와 롤러 케이지(430)는 조립체가 캠샤프트에 용이하게 장착되록 쪼개진 케이지 배열을 가진다.

실시예에서, 롤러 케이지(440)는 케이지의 끝단면(434)을 기준으로 각도(예를 들어 수직)를 가지고 상기 끝단면(434)으로부터 하방향 및/또는 상방향으로 연장되는 복수개의 탭(432)을 포함한다. 더욱 상세하게는, 상기 탭은 내측궤도(220)의 대응하는 끝단면(21)에 근접하거나 접촉하도록 하는 방향으로 연장되도록 배치되어 있다. 이러한 탭(432)은 베어링/케이지 조립체(430, 440)가 내측궤도 상에서 축방향으로 움직이는 것을 방지하도록 위치하고 있다.

실시예에서, 상기 탭(432)들은 외측궤도(410)의 끝단면에 근접하거나 접촉하도록 배치되어 상기 축방향 움직임을 방지할 수 있다. 실시예에서, 상기 탭(432)은 상기 외측궤도(410)와 내측궤도(420)의 끝단면에 선택적으로 근접하거나 접촉하도록 배치될 수 있다. 실시예에서, 상기 내측 및 외측궤도의 끝단면은 모따기될 수 있다. 따라서, 상기 탭(432)은 상기 모따기를 보완하도록 되어 있다.

실시예에서, 관통홀(411)이 외측궤도(410)에 제공되고(도 4c 참조), 상부 베어링 지지 요소(310)는 상기 외측궤도에 대항하는 면에 채널(314)을 포함하도록 되어 있다. 상기 채널(314)과 관통홀(411)은 관통홀이 상기 채널에 유체가 흘러갈 수 있게 결합되도록 되어 있다. 본 명세서에서 자세히 설명될 바와 같이, 상기 채널(314)은 윤활제(예를 들어, 가압된 오일)의 공급원가 유체가 흘러갈 수 있도록 결합되어 있다. 따라서, 도 6a, b에 도시된 바와 같이, 엔진이 작동 중에는, 윤활제가 롤러(430) 또는 롤링 요소에 채널(314)과 관통홀(411)을 통하여 공급된다.

게다가, 도 6b에 도시된 바와 같이, 상부 베어링 지지 요소는 실린더 헤드의 윤활 통로에 연통되는 하나 이상의 절개부(316)를 가지도록 되어 있다. 이러한 방식으로 윤활제는 각 태핏(236)에 공급된다.

이하에서는 캠샤프트 주위의 하나의 위치에 베어링 지지체를 조립하는 방법을 설명한다. 따라서, 상기 방법은 캠샤프트를 위하여 회전 지지체가 제공되는 각 위치에 적용될 수 있는 것으로 이해하여야 할 것이다. 도 8a의 분해도와 함께 아래의 설명을 참고하여야 한다.

버킷 태핏(236)이 장착된 후, 외측궤도(410)의 일부분(410b)을 하부 베어링 지지 요소(230)에 삽입한다. 그 후, 롤러(430)와 롤러 케이지(440)의 조립체를 캠샤프트(122)에 장착된 내측궤도(420)에 장착한다. 이것이 필요한 만큼 반복되어 캠샤프트를 장착하기 전에 실린더 헤드의 각 하부 베어링 지지 요소들에 조립체들이 위치하게 된다.

상술한 단계들을 완료한 후, 캠샤프트의 축부(122)가 적절한 위치에 있도록 캠샤프트가 장착된다. 그것에 의하여, 내측궤도(420)의 다른 부분과 롤러(430)와 케이지(440)가 캠샤프트(120) 주변에 위치한다. 그 후, 외측궤도(410)의 다른 부분(410a)이 조립된 롤러와 롤러 케이지 주변에 배치된다. 여기에 도시된 바와 같이, 외측궤도(410)의 두 부분의 끝단(430c)은 이 두 부분의 정열을 용이하게 하는 메커니즘을 제공한다.

여기에서 설명된 바와 도 8b에 도시된 바와 같이, 일측이 쪼개진 케이지 디자인은 롤러/롤러 케이지(430, 440) 조립체를 캠샤프트, 더 구체적으로는 내측궤도(420)에 용이하게 장착되도록 한다.

상부 베어링 지지 요소(310)는 실린더 헤드(250)의 대응하는 면에 위치한다. 상부 베어링 지지 요소(310)는 장착 볼트(212)를 이용하여 실린더 헤드에 고정된다.

앞에서 설명한 과정은 하부 베어링 지지 요소의 각 위치에서 반복된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 캠샤프트 베어링의 하중은 베어링의 상부 절반에서 우세하다. 따라서, 상부 베어링 지지 요소(310)가 외측궤도(410)의 전체 폭에 걸쳐 접촉하므로, 상부 베어링 지지 요소는 상기 하중을 처리할 수 있어야 한다. 베어링의 하부 절반에서 캠샤프트의 하중은 베어링의 상부 절반에서 캠샤프트의 하중과 비교할 때 줄어들게 된다. 따라서, 하부 베어링 지지 요소는 줄어든 폭을 가지고 상기 하중을 처리할 수 있게 된다.

도 12를 참조하면, 도 12에는 본 발명의 실시예에 따른 롤러 베어링 지지 구조물에 의하여 타입 Ⅰ 밸브 트레인의 캠샤프트가 회전 가능하도록 지지될 때 예상되는 마찰 감소를 밸브 트레인 속도의 함수로 그래픽적으로 도시하였다.

특히 낮은 엔진 속도에서 감소된 마찰은 엔진 마모에 대하여 향상될 뿐만 아니라 연비를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 롤러 베어링을 위한 윤활 요구가 상당히 감소하기 때문에, 엔진 오일 펌프의 축소화를 고려할 수 있고 이는 낮은 엔진 속도에서 연비를 향상시키게 된다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (20)

1. 타입 Ⅰ 밸브 트레인에 사용되는 캠샤프트를 회전 가능하게 지지하는 롤링 가능한 캠샤프트 지지체에 있어서,
   상기 캠샤프트는 각 흡기 밸브 및 배기 밸브를 위한 적어도 하나 이상의 캠과 적어도 하나 이상의 회전면을 가지고, 상기 캠과 상기 적어도 하나 이상의 회전면은 상기 캠샤프트의 길이를 따라 배치되며,
   상기 롤링 가능한 캠샤프트 지지체는
   적어도 하나 이상의 회전면 주위로 원주 방향과 축 방향으로 연장된 내측궤도, 상기 내측궤도 주위로 원주 방향과 축 방향으로 연장된 외측궤도, 그리고 내측궤도와 외측궤도 사이에 배치되고 상기 궤도들을 가로질러 폭 방향으로 연장된 복수개의 롤링 요소들을 가지는 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링; 그리고
   각각이 베어링 상부 지지 요소와 베어링 하부 지지 요소를 포함하는 상기 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링 각각을 위한 적어도 하나 이상의 베어링 지지체;
   를 포함하고,
   상기 베어링 상부 지지 요소와 베어링 하부 지지 요소는 그들 사이에 상기 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링을 안착시키도록 되어 있고,
   상기 베어링 하부 지지 요소는 타입 Ⅰ 밸브 트레인의 일부분을 보완하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 롤링 가능한 캠샤프트 지지체.
2. 제1항에 있어서,
   베어링 상부 지지 요소는 상기 내측궤도와 대항하며 제1폭을 가진 제1내면을 가지고, 베어링 하부 지지 요소는 상기 내측궤도와 대항하며 제2폭을 가진 제2내면을 가지며, 제1폭은 제2폭보다 크고, 내측궤도의 폭은 필수적으로 변화하지 않는 것을 특징으로 하는 롤링 가능한 캠샤프트 지지체.
3. 제2항에 있어서,
   제1폭에 대한 제2폭의 비율은 30%~50%의 범위 내인 것을 특징으로 하는 롤링 가능한 캠샤프트 지지체.
4. 제2항에 있어서,
   제2폭은 최소 폭과 최대 폭 사이에서 변화하도록 원주방향으로 변화하는 것을 특징으로 하는 롤링 가능한 캠샤프트 지지체.
5. 제4항에 있어서,
   제1폭과 제2폭은
   30%≤제2폭의 최소폭/제1폭≤50%
   의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 롤링 가능한 캠샤프트 지지체.
6. 제4항에 있어서,
   제1폭과 제2폭은
   30%≤제2폭의 최소폭/제1폭
   의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 롤링 가능한 캠샤프트 지지체.
7. 제4항에 있어서,
   제1폭과 제2폭은
   제2폭의 최소폭/제1폭≤50%
   의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 롤링 가능한 캠샤프트 지지체.
8. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링 각각은 복수개의 롤링 요소들이 원주 방향으로 간격을 두도록 하는 케이지를 더 포함하며, 상기 케이지는 원주면에서 수직으로 연장되어 내측궤도 또는 외측궤도 중 하나의 원주면에 근접하는 복수개의 탭을 포함하는 것을 특징으로 하는 롤링 가능한 캠샤프트 지지체.
9. 제1항에 있어서,
   베어링 상부 지지 요소의 제1내면은 상기 내면의 원주의 적어도 일부분에서 연장된 채널을 가지고, 상기 채널은 윤활유 공급원과 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며,
   상기 내측궤도는 관통홀을 포함하도록 되어 있고,
   상기 채널은 상기 관통홀과 유체가 흘러가도록 결합되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 롤링 가능한 캠샤프트 지지체.
10. 제1항에 있어서,
    상기 캠샤프트는 복수개의 캠과 복수개의 회전면을 가지고,
    상기 롤링 가능한 캠샤프트 지지체는 복수개의 롤링 가능한 베어링과 복수개의 지지체와, 상기 복수개의 회전면 각각을 위한 하나의 롤링 가능한 베어링 및 베어링 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 롤링 가능한 캠샤프트 지지체.
11. 타입 Ⅰ 밸브 트레인, 적어도 하나 이상의 흡기 밸브, 적어도 하나 이상의 배기 밸브를 가지는 내연 기관에 있어서,
    각 흡기 밸브와 각 배기 밸브를 위한 적어도 하나 이상의 캠과 적어도 하나 이상의 회전면을 가지고, 상기 캠과 적어도 하나 이상의 회전면은 길이를 따라 배치되는 캠샤프트; 그리고
    상기 적어도 하나 이상의 회전면 각각을 위한 회전 가능한 베어링 지지체; 를 포함하고,
    상기 회전 가능한 베어링 지지체 각각은
    각각이 적어도 하나 이상의 회전면 주위로 원주 방향과 축 방향으로 연장된 내측궤도, 상기 내측궤도 주위로 원주 방향과 축 방향으로 연장된 외측궤도, 그리고 상기 내측궤도와 외측궤도 사이에 배치되어 있으며 상기 궤도들을 가로질러 폭 방향으로 연장된 복수개의 롤링 요소들을 가지는 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링, 그리고
    각각이 베어링 상부 지지 요소와 베어링 하부 지지 요소를 포함하는 상기 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링 각각을 위한 적어도 하나 이상의 베어링 지지체
    를 포함하고,
    상기 베어링 상부 지지 요소와 베어링 하부 지지 요소는 그들 사이에 상기 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링을 안착시키도록 되어 있고,
    상기 베어링 하부 지지 요소는 타입 Ⅰ 밸브 트레인의 일부분을 보완하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
12. 제11항에 있어서,
    베어링 상부 지지 요소는 상기 내측궤도와 대항하며 제1폭을 가진 제1내면을 가지고, 베어링 하부 지지 요소는 상기 내측궤도와 대항하며 제2폭을 가진 제2내면을 가지며, 제1폭은 제2폭보다 크고, 내측궤도의 폭은 필수적으로 변화하지 않는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
13. 제12항에 있어서,
    제1폭과 제2폭은
    30%≤제2폭/제1폭≤50%
    의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
14. 제12항에 있어서,
    제2폭은 최소 폭과 최대 폭 사이에서 변화하도록 원주방향으로 변화하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
15. 제14항에 있어서,
    제1폭과 제2폭은
    30%≤제2폭의 최소폭/제1폭≤50%
    의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
16. 제14항에 있어서,
    제1폭과 제2폭은
    제2폭의 최소폭/제1폭≤50%
    의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
17. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 롤링 가능한 베어링 각각은 복수개의 롤링 요소들이 원주 방향으로 간격을 두도록 하는 케이지를 더 포함하며, 상기 케이지는 원주면에서 수직으로 연장되어 내측궤도 또는 외측궤도 중 하나의 원주면에 근접하는 복수개의 탭을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
18. 제11항에 있어서,
    베어링 상부 지지 요소의 제1내면은 상기 내면의 원주의 적어도 일부분에서 연장된 채널을 가지고, 상기 채널은 윤활유 공급원과 유체가 흘러가도록 결합되어 있으며,
    상기 내측궤도는 관통홀을 포함하도록 되어 있고,
    상기 채널은 상기 관통홀과 유체가 흘러가도록 결합되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
19. 제11항에 있어서,
    상기 캠샤프트는 복수개의 캠과 복수개의 회전면을 가지고,
    상기 롤링 가능한 캠샤프트 지지체는 복수개의 롤링 가능한 베어링과 복수개의 지지체와, 상기 복수개의 회전면 각각을 위한 하나의 롤링 가능한 베어링 및 베어링 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
20. 제11항에 있어서,
    상기 캠샤프트는 복수개의 캠과 복수개의 회전면을 가지고,
    상기 롤링 가능한 캠샤프트 지지체는 복수개의 롤링 가능한 베어링과 복수개의 지지체와, 상기 복수개의 회전면 각각을 위한 하나의 롤링 가능한 베어링 및 베어링 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관.
    

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