KR20130106348A - 윤활 슬라이딩 베어링 내의 먼지 그루브들 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 슬라이딩 면(sliding surface: 1’) 상에 형성되어 있는 적어도 하나의 먼지 유도 그루브(20: dirt guiding groove)을 가지고 있고, 상기 먼지 유도 그루브(20)은 내부에 장착된 샤프트의 축 방향(A)보다는 베어링 셀의 외주 방향으로 적어도 부분적으로 연장되어 있고, 베어링의 엣지(12: edge)까지 연장되어 있으며, 먼지 유도 그루브에 의해 엣지(12)로 이송된 먼지 입자들이 외부로 이송될 수 있도록 엣지에서 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 윤활플레인 베어링(lubricated plain bearing)에 관한 것이다.

Description

윤활 슬라이딩 베어링 내의 먼지 그루브들 {DIRT GUIDE GROOVES IN LUBRICATED PLAIN BEARINGS}
본 발명은, 슬라이딩 면(sliding surface) 상에 형성되어 있는 적어도 하나의 그루브(groove)를 가지고 있으며, 상기 그루브가 베어링의 엣지(edge)까지 연장되어 있고 엣지에서 개방되어 있는 구조의 윤활 슬라이딩 베어링(lubricated sliding bearing)에 관한 것이다.
슬라이딩 베어링의 슬라이딩 면들은 여러가지 이유로 인해 프로파일(profile) 되어 있다. 예를 들어, DE 39 05 450 C2은 더 나은 내마모성과 피로강도를 달성하기 위하여, 슬라이딩 면에서 강한 소재를 부드러운 소재로 교체함으로써, 부드러운 소재로 채워진 그루브를 포함하는 슬라이딩 베어링을 제공하는 것을 제안하였다.
GB 1,128,370 A는 먼지 입자를 베어링 밖으로 이송하기 위하여 그루브 또는 포켓 형상으로 슬라이딩 표면에 만입부들(recesses)이 형성되어 있는 무윤활 베어링(lubricant-free bearing)을 기술하고 있다. 베어링 내로 관통하는 외래 물질들은 만입부에 포집되고, 만입부의 측면들을 따라 샤프트(shaft)의 회전 방향으로 이송되어, 베어링의 단부들에서 베어링 밖으로 전달된다.
DE 101 56 344 A1는 외주 방향으로 연장되어 있는 오일 그루브를 슬라이딩 면 상에 가지고 있는 베어링 요소를 기술하고 있다. 복수의 좁은 그루브들은, 샤프트의 외주 움직임(circumferential movement) 중에 오일 그루브로부터의 윤활유를 내부로부터 축 단부 쪽으로 유도하기 위하여, 오일 그루브로부터 슬라이딩 면의 축 단부 쪽으로 샤프트의 회전 방향에 대해 소정의 각도로 슬라이딩 면 상에 형성되어 있다.
내연 기관 내의 슬라이딩 베어링은 계속적인 개발의 대상이다. 내연 기관 내부에서 연속적으로 큰 응력이 발생하고, 그에 따라 슬라이딩 베어링에서도 연속적으로 큰 응력이 발생한다. 동시에, 엔진의 크기는 줄어들고 있다. 더욱이, 희석오일(thinner oil)이 마찰을 줄이기 위하여 사용되고 있다. 이는 베어링과 샤프트 사이의 접촉을 방지하는 윤활 막들의 두께가 연속적으로 줄어는 결과를 초래한다.
더욱이, 베어링 셀의 구조가 변하고 있다. 매우 우수한 슬라이딩 특성을 가진 납은 다른 성분들고 대체되고 있다. 베어링의 응력 수용력 또한 증가하고 있고, 이는 외부의 영향에 더 민감한 결과를 초래하고 있다. 큰 응력을 견디는 층들은 대체로 종래의 층들보다 더 얇고 더 단단하고, 매립력(embeddability), 즉, 마모 저감을 위해 단단한 입자들을 슬라이딩 면에 매립시킬 수 있는 능력을 수반한다. 납 함유 층들을 대체함으로써, 손상된 층의 잔여 슬라이딩력(slidability) 또한 감소한다. 무연 소재들의 기질 또한 대체로 종래의 연청동 소재들 보다 단단하다. 이는 또한 매립력을 감소시키는데, 결과적으로 베어링의 작동 안전성의 감소를 동반한다. 입자들의 침입이 있을 경우, 베어링은 종전과 같이 크게 손상을 입을 것이다. 외래 입자들은 다양한 출처들을 가질 수 있고, 다른 방식으로 오일 순환(oil circuit)에 도달할 수 있다. 예를 들어, 입자들은 원래의 먼지로부터 유래할 수 있고 또는 부품 생산의 생산 결과(피스톤 벽들의 제조로부터의 구멍들, 오일 쿨러들(oil cooler)로부터의 용접 및 납땜 잔여물, 포장으로부터의 개별 성분의 잔여 먼지 등)일 수 있으며, 이들은 정비 작업(오일 교환) 중에 오일 순환에 도달할 수 있고, 또는 연소(덩어리, 불완전 연소된 탄화수소 화합물) 또는 마모 입자들로부터(예를 들어 오일펌프(oil pump) 또는 체인 텐셔너(chain tensioners)의 잔여물들로 구성될 수 있다.
외래 물질들은 베어링 허용 기준(bearing clearance)보다 몇배 클 수 있다. 이들은 단순히 베어링 쉘(bearing shell) 밖으로 세척되지 않는다. 이들은, 외래 물질의 배출이 베어링에 의해 방해되면서, 오일 배출 구멍(oil discharge bore)의 단부 쪽으로 오일 유동 방향으로 움직인다. 따라서, 이들은 민감한 슬라이딩 면 상으로 끌려와서 스코링(scoring) 형성에 의해 베어링을 파괴한다.
극단적인 경우, 상기 외래 물질들은 최소 저항 구역, 즉, 노출 구역(간이 가장 큰 곳)에 남으려 하고, 결과적으로 샤프트 업(shaft up)에 의해 베어링의 응력 부위 깊이까지 샤프트와 노출 사이에서 쐐기 효과(wedge effect)가 수반된다.
본 발명의 목적은 외래 입자들의 충격에 대해 윤활 베어링의 민감성을 줄이는 것이다.
이러한 목적은 제1항의 슬라이딩 베어링에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 슬라이딩 베어링은 슬라이딩 면상에 형성되어 있는 적어도 하나의 먼지 유도 그루브을 가지고 있고, 상기 슬라이딩 베어링은 상기 먼지 유도 그루브은 내부에 장착된 샤프트의 축 방향보다는 베어링 셀의 외주 방향으로 적어도 부분적으로 연장되어 있다. 비록 하기에 하나의 먼지 유도 그루브가 제조되는 것으로 언급되어 있지만, 복수의 먼지 유도 그루브가 형성되는 것이 가능하다. 외주 방향의 바람직한 크기를 가진 먼지 유도 그루브의 경사는 유량 방향 및 베어링 쉘에 장착되는 샤프트의 회전 때문에 외래 입자들의 효과적인 이동의 원인이 된다. 이러한 이유로, 하나 또는 복수의 먼지 유도 그루브들은 바람직하게는 회전축 방향으로 내장된다. 먼지를 베어링 밖으로 효과적으로 세척 또는 외래 입자들 때문에 베어링의 손상을 피하기 위하여, 상기 먼지 유도 그루브는 엣지까지 연장되어 있다. 즉, 베어링에 장착되는 샤프트 내에 두개의 엣지들 중 하나에 축 방향으로 연장되어 있고, 엣지에서 개방되어 있다. 먼지 유도 그루브에 의해 엣지로 이송되는 먼지 입자들은 밖으로 제거될 수 있다. 이러한 방법에서 예를 들어 필터 및 유량 밖으로 다음 펌핑 사이클(pumping cycle) 동안 여과되어, 기름통에 도달하여 먼지가 제거된다. 먼지 유도 그루브는 엠보싱(embossing), 펀칭(punching), 스크류(screwing) 등에 의해 윤활 슬라이딩 베어링의 슬라이딩 면안에 포함될 수 있다. 더욱이, 먼지 유도 그루브는 발생한 먼지 입자들의 형태 및 크기의 분포에 맞춰 그것의 길이, 폭, 깊이, 기하학적 구조 및 위치와 관련하여 달라질 수 있다. 결합된 먼지 유도 그루브들과 함께, 입자들은 최외면에 가장 인접한 먼지 그루브까지 손상되고, 먼지 유도 그루브에 의해 밖으로 이송된다. 이러한 손상된 면이 감소되고, 베어링의 파괴 확률이 급격하게 감소된다. 더욱이, 먼지 유도 그루브의 윤활유는 높은 규모의 경계마찰(몸체 접촉 마찰 > 액체 마찰)이 있을 때 임계적 부위로부터 열을 배출하는 것을 돕고, 이것의 윤활 효과에 의해 마찰계수를 낮춘다. 이러한 효과는 열적 발작(thermal seizure)에 의한 베어링로 인한 실패를 낮출 수 있다.
바람직하게는, 상기 먼지 유도 그루브는 슬라이딩 면의 무결성(integrity)의 지나친 감소 없이 입자를 수집 및 운반을 가능하게 하기 위하여 80 μm까지의 깊이를 가진다. 동일한 이유로, 상기 먼지 유도 그루브는 바람직하게는, 150 μm 까지의 폭을 가진다. 물론, 복수의 먼지 유도 그루브가 이들 또는 바람직한 실시예들의 다른 속성을 가질 수 있다. 특히, 복수의 먼지 유도 그루브가 있는 경우, 다른 유형의 먼지들을 고려하여 다른 치수가 제공될 수 있다. 더욱이, 먼지 유도 그루브는 그것의 폭 및/또는 깊이 및/또는 단면적에 있어서 그것의 연장 부위를 달라질 수 있다.
바람직하게는, 적어도 2개 이상의 먼지 유도 그루브들이 형성되어 있고, 하나의 먼지 유도 그루브가 축방향으로 형성되어 있고, 그에 인접한 먼지 유도 그루브가 다른 방향으로 경사를 가지도록 형성되어 있다. 여기서, 먼지 유도 홈의 간격, 개수 및 각도 등은 변할 수 있다. 먼지 유도 그루브의 유체역학적 충격은, 샤프트 러닝 방향으로, 먼지 유도 그루브들의 기울어진 배열에 의해 감소할 수 있다. 이러한 이유와, 한쪽으로 치우친 응력을 피하기 위하여, 복수의 먼지 유도 그루브들이 있는 경우, 그루브들의 대칭적인 배열이 바람직하다. 특히, 중심축은, 축 성분들이 없고 슬라이딩 면의 중앙에서 연장되어 있는 대칭축으로 고려되어야 한다.
바람직하게는, 어떠한 축상 성분들도 포함하지 않는 중앙 그루브가 제공된다. 상기 중앙 그루브는 그것의 주변을 따라 또는 양쪽에서 폐쇄될 수 있다. 상기 중앙 그루브는 또한 적어도 하나의 먼지 유도 그루브와 연결되어 있다. 먼지 입자들의 외주 방향에서의 이송은, 먼지 입자들을 먼지 유도 그루브로 이송한 후 외부로 이송하기 위하여, 중앙 그루브에 의해 초래된다. 여기서, 중앙 그루브는, 예를 들어, 먼지 입자들이 밖으로 배출되기 전에 바람직하게 제공되는 노출 구역에서, 외래 입자들을 베어링의 고응력 구역으로부터 저응력 부위로 이송하는 것이 바람직하다. 노출 구역은, 베어링 쉘의 벽 강도가 베어링 쉘의 나머지 부위의 벽 강도에 비해 감소한다는 점에서, 베어링을 형성하는 베어링 쉘의 단부들에서의 영역인 것으로 이해된다. 이러한 의미에 의해, 2개의 베어링 쉘들의 연결점의 부정확성(inexactness)으로 인해, 베어링 쉘에서 구동하는 샤프트들 중의 하나에서의 마모가 감소될 수 있다. 중앙 그루브를 통한 이송은, 제거 이송을 위해 하나 또는 복수의 먼지 유도 그루브들이 제공되어 있는 베어링 쉘의 낮은 응력 리드 쉘에서 수행될 수 있다. 복수의 중앙 그루브들이 제공될 수 있다. 바람직하게는, 상기 중앙 그루브는 슬라이딩 면의 가운데 면을 따라, 즉, 상기에서 정의한 대칭 축 상에 연장되어 있다.
바람직하게는, 2개의 먼지 유도 그루브들이 V자로 배열되어 있다. 상기 2개의 그루브들은, 각각 대향 축 방향에서 축 방향으로 중앙인 베어링의 부위에서, 공동 개시점(joint starting point)으로부터 바깥쪽으로 연장되어 있다. 경사는 바람직하게는 대칭이다.
바람직하게는, 상기에서 기술한 각각 2개의 V자 형상으로 배열된 두 쌍의 먼지 유도 그루브들이, 2개의 공동 개시점들이 중앙 그루브에 연결된 상태로, 축 방향에서 중앙인 베어링의 부위에서 공동 개시점으로부터 각각 대향 축 방향으로 바깥쪽으로 연장되어 있다. 이러한 배열은, 예를 들어, 2개의 V 형상들이 외주 방향에서 대향하도록 형성되어 있을 때, 설정된 회전 방향 없는 윤활 먼지 유도 그루브에 적합하다.
바람직하게는, V자 형상으로 배열된 먼지 유도 그루브들이 베어링의 저응력 구역, 즉, 이들이 제공되어 있는 노출 구역에 위치한다.
바람직하게는, 적어도 하나의 먼지 유도 그루브가 베어링의 유체역학적 충격에서 그루브의 충격을 최소화 하기 위하여 굴곡져(curved) 있다.
바람직하게는, 적어도 2개의 먼지 유도 그루브들이 교차되어, 먼지 유도 그루브들 사이에서 먼지 입자들의 교환이 일어날 수 있다.
바람직하게는, 10 내지 20개의 먼지 유도 그루브들이 제공되어, 먼지의 더욱 효과적인 제공 이송의 달성된다.
바람직하게는, 먼지 유도 그루브 및/또는 중앙 그루브의 단면은 반원 또는 직사각형이다.
바람직하게는, 상기 슬라이딩 면은 고장(failure)에 대한 높은 정도의 신뢰성이 보장되어야 하는 커넥팅-로드 베어링(connecting-rod bearing)이다.
바람직하게는, 복수의 먼지 유도 그루브들이 슬라이딩 면의 특정 구역에서, 특히 그룹으로, 다른 정렬 경사를 가지면서 형성되어 있다. 그룹핑은, 예를 들어, 슬라이딩 면에서의 응력 분포 또는 슬라이딩 베어링 상에서 그루브의 유체역학적 충격의 측면에서 일어날 수 있다.
먼지 유도 그루브의 도입은 레이저(lasering), 엠보싱(embossing) 또는 롤링(rolling )으로 일어날 수 있다. 이러한 수단에 의해, 슬라이딩 면은 단지 적은 추가 노력을 하여 프로파일될 수 있다. 제조를 간소화하기 위하여, 먼지 유도 그루브는 최종 공정 단계 동안에 또는 추가적인 코팅 공정 이전에 바람직하게 형성된다.
바람직하게는, 상기 먼지 유도 그루브는 베어링의 응력 부위에서 스코어링의 형성에 의해 손상된 부위를 감소시키기 위하여 슬라이딩 면의 슬라이딩 층에 직접적으로 형성된다. 3개의 물질 층들이 존재할 때, 이러한 구조는 마지막 작업 단계에서 또는 추가적인 코팅 과정 이전에 기재 소재(예를 들어, 청동) 내로 도입될 수 있다. 2종류 소재들의 베어링들(예를 들어, 알루미늄)이 존재할 때, 먼지 유도 그루브는 바람직하는 슬라이딩 층 내로 직접적으로 도입된다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 먼지 유도 그루브의 형성 후, 먼지 유도 그루브의 환경에서 어떠한 분출(eruptions) 및/또는 버(burrs) 및/또는 바(bars)도 제거되어, 슬라이딩 구역의 품질을 향상시킨다.
도 1 내지 도 6은 각각 먼지 유도 그루브들을 포함하는 윤활 슬라이딩 베어링의 감지않은(unwound) 슬라이딩 면의 평면도이다.
도 1 내지 도 6은 베어링 쉘(1)의 슬라이딩 면(1’)의 평면도들이다. 외래 입자들의 밖으로의 이송을 위한 먼지 유도 그루브로 작용하는 그루브들(20)이 슬라이딩 면(1’)에 도입되어 있다.
도 1, 2, 3, 4 및 6에서, 먼지 유도 그루브들(20)은 일직선의 그루브로 형성되어 있고, 베어링에 제공된 샤프트의 축 방향보다는 베어링 쉘의 외주 방향으로 더 크게 기울어져 있다. 상기 축 방향은 점선 (A)를 사용하여 표시되어 있다. 도 5에서, 먼지 유도 그루브(20)은 굴곡져 있고 축 방향(A)보다는 외부 방향에서 적어도 베어링 쉘(1)의 엣지 구역(12)에서 더 크게 경사져 있다.
제시된 투영도들에서, 상기 베어링 쉘의 외주 방향은 도 2, 3, 5 및 6에서 보는 바와 같은 회전 방향(D)과 일치한다. 이들 도면의 예들에서, 먼지 유도 그루브(20)의 배열은 샤프트의 회전 방향에 좌우되고, 이와 반대로, 도 1 및 3의 실시예들은 설정된 회전 방향이 없는 베어링 쉘에 적합하다.
먼지 유도 그루브(20)은 슬라이딩 면(1’)의 프로파일링에 기여한다. 2개의 베어링 쉘들(1)은 각각 하나의 베어링을 형성하고, 먼지 유도 그루브(20)를 가지고 프로파일된 유사한 또는 다른 베어링 쉘들(1)이 베어링의 제조를 위해 조합될 수 있다.
베어링 쉘과 샤프트 사이에 있는 먼지 입자들을 밖으로 이송하기 위하여, 먼지 유도 그루브들(20) 각각은 베어링 쉘(1)의 측면 엣지(12)를 넘어서 나와 있다. 도 1 및 3에서, 각각 V자 형상으로 배열된 두 쌍의 먼지 유도 그루브들(20)이, 어떠한 축상 성분들도 포함하지 않고 슬라이딩 면의 중앙에서 연장되어 축에 대해 대칭적으로 형성되어 있는 바, 이는 화살표 D와 일치한다. 도 4에, 2개의 먼지 유도 그루브들(20)의 V자 배열이 개시되어 있다.
도 1에서, V자 형상의 2개의 각도들은, 먼지 유도 그루브(20) 내로 먼지 입자들의 빠른 공급을 보장하기 위하여, 베어링 쉘의 외주 방향으로 연장되어 있는 중앙 그루브(30)에 의해 연결되어 있다. 중앙 그루브(30)를 통한 V자 형상으로의 먼지 입자들의 공급이, 2개의 중앙 그루브들(30)의 도움을 받으면서, 도 3에 또한 도시되어 있다. 중앙 그루브(30)의 또 다른 배열은 도 4에 도시되어 있다. 하나 또는 2개의 중앙 그루브들(30)을 포함하는 실시예들에서, 중앙 그루브들(30)에는 밀폐된 단부들이 설치되어 있거나 또는 먼지 유도 그루브들(20) 내까지 개방된 단부들이 설치되어 있다. 더욱이, 복수의 중앙 그루브들(30)이 다른 축 위치들에 제공될 수 있다.
상기에서 본 V자 형상으로 배열된 먼지 유도 그루브들(20)과 다른 먼지 유도 그루브들(20)의 V자 배열이 도 6에 개시되어 있고, 여기서 V자 형상의 그루브들은 그룹으로 제공되어 있고, 복수의 먼지 유도 그루브들(20)을 가진 총 2개의 그룹들이 슬라이딩 면(1’)에 도입되어 있다.

Claims (11)

  1. 윤활 슬라이딩 베어링(lubricated sliding bearing)으로서, 슬라이딩 면(sliding surface: 1’) 상에 형성되어 있는 적어도 하나의 먼지 유도 그루브(20: dirt guiding groove)을 가지고 있고, 상기 먼지 유도 그루브(20)은 내부에 장착된 샤프트의 축 방향(A)보다는 베어링 셀의 외주 방향으로 적어도 부분적으로 연장되어 있고, 베어링의 엣지(12: edge)까지 연장되어 있으며, 먼지 유도 그루브에 의해 엣지(12)로 이송된 먼지 입자들이 외부로 이송될 수 있도록 엣지에서 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 먼지 유도 그루브(20)는 80 μm까지의 깊이를 가진 것을 특징으로 하는 슬라이딩 베어링.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 먼지 유도 그루브(20)는 150 μm 까지의 폭을 가진 것을 특징으로 하는 슬라이딩 베어링.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나에 있어서, 적어도 2개 이상의 먼지 유도 그루브들(20)이 형성되어 있고, 하나의 먼지 유도 그루브가 축방향으로 형성되어 있고, 그에 인접한 먼지 유도 그루브가 다른 방향으로 경사를 가지도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 베어링.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나에 있어서, 어떠한 축상 성분들도 포함하지 않고 적어도 하나의 먼지 유도 그루브(20)과 연통되는 중앙 그루브(centre groove: 30)이 추가적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 베어링.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나에 있어서, 2개의 먼지 유도 그루브들(20)이 V 형상으로 배열되어 있고, 축 방향에서 중앙인 베어링의 부위에서 공동 개시점(joint starting point)으로부터 각각 대향 축 방향으로 바깥쪽으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 베어링.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 각각 2개의 V 형상으로 배열된 두 쌍의 먼지 유도 그루브들(20)이 형성되어 있고, 상기 먼지 유도 그루브들은 축 방향에서 중앙인 베어링의 부위에서 대향 축 방향으로 공동 개시점으로부터 바깥쪽으로 연장되어 있고, 중앙 그루브(30)에 의해 연결되어 잇는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 베어링.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 먼지 유도 그루브(20)은 굴곡져(curved) 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 베어링.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 있어서, 적어도 2개의 먼지 유도 그루브들(20)이 교차하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 베어링.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나에 있어서, 10 내지 20개의 먼지 유도 그루브들(20)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 베어링.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 있어서, 상기 슬라이딩 베어링은 커넥팅-로드 베어링(connecting-rod bearing)인 것을 특징으로 하는 슬라이딩 베어링.
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