KR20130143245A - 크랭크 샤프트 베어링 저널부 가공 방법 및 크랭크 샤프트 - Google Patents

크랭크 샤프트 베어링 저널부 가공 방법 및 크랭크 샤프트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 메탈 베어링과 접촉하는 저널부의 형상을 최적화하여 구동 시 메탈 베어링의 모서리에 하중이 집중하는 현상 및 그에 따른 베어링 소손을 방지할 수 있도록 하는 크랭크 샤프트 베어링 저널부에 관한 것이다. 본 발명에 따른 크랭크 샤프트는, 크랭크 케이스에 메탈 베어링으로 지지 되거나 커넥팅 로드의 대단부가 메탈 베어링으로 지지되는 베어링 저널부를 구비하는 크랭크 샤프트로서, 메탈 베어링이 접촉하기 위한 부분으로 축방향으로 평탄한 축부(110)와; 상기 축부(110)의 축방향 양측 단부와 크랭크 암(14)이 만나는 모서리 부분에 형성되는 해제 홈(102)과; 상기 축부(110)의 양측 단부와 상기 해제 홈(102)이 만나는 모서리 부분에, 메탈 베어링의 내경측 폭 방향 양측 단부 모서리보다 저널부의 축방향 중간 부분을 향해 더 들어간 지점까지 모따기 가공되는 경사부(120)가 형성된 구성을 가진다.

Description

크랭크 샤프트 베어링 저널부 가공 방법 및 크랭크 샤프트{METHOD FOR MACHINING BEARING JOURNAL PART OF CRANK SHAFT AND CRANK SHAFT}
본 발명은 크랭크 샤프트의 베어링 저널부에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 메탈 베어링과 접촉하는 저널부의 형상을 최적화하여 구동 시 메탈 베어링의 모서리에 하중이 집중하는 현상 및 그에 따른 베어링 손상이나 소착(燒着)을 방지할 수 있도록 하는 크랭크 샤프트 베어링 저널부 가공 방법 및 크랭크 샤프트에 관한 것이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 크랭크 샤프트(10)는, 축의 회전 중심으로서 크랭크 케이스에 메인 베어링으로 지지되는 크랭크 저널(12)과, 크랭크 암(14)과, 커넥팅 로드의 대단부가 핀 베어링으로 결합되는 크랭크 핀(16)을 구비하고 있다.
이러한 크랭크 저널(12)과 크랭크 핀(16)(이하에서는, 크랭크 저널과 크랭크 핀을 '베어링이 설치되는 부분'이라는 관점에서 '베어링 저널부'라고 통칭한다)의 베어링으로서는, 통상적으로 베어링 저널부와 미끄럼 접촉하는 메탈 베어링(metal bearing)이 사용된다.
도 2는 도 1의 상자 모양의 점선 부분, 즉 베어링 저널부를 확대하여 나타낸 것으로서 크랭크 샤프트의 베어링 저널부에 메탈 베어링이 접촉되는 상태를 도시한 단면도이다. 도 2에서 메탈 베어링(30)은 설명의 편의를 위해 베어링 저널부(20)로부터 간격을 유지한 형태로 도시하였으나, 실제로는 메탈 베어링(30)의 내경면은 베어링 저널부(20)의 외경면에 접촉한다.
도 2를 참조하면, 크랭크 샤프트의 베어링 저널부(20)는, 축부(22)의 양측과 크랭크 암(14)이 만나는 부분에 해제 홈(relief groove)(24)을 형성한 형태로서, 메탈 베어링(30)은 축부(22)에 접촉하게 된다.
이러한 크랭크 샤프트에 있어서는, 엔진 구동 중에 커넥팅 로드가 받아 전달하는 엔진 폭발 압력 등에 의한 굽힘, 엔진 구동시와 휴지시의 차이에 따른 실린더 블록 등의 열적 변화, 메탈 베어링의 조립 공차 등이 복합적으로 작용하여, 메탈 베어링(30)의 내경측 양쪽 단부 모서리 중 한쪽에 하중이 편중되거나 또는 양쪽에 교대로 하중이 편중되는 이른바 '에지 로딩(edge loading)'이 발생한다.
메탈 베어링과 저널부에 사이에는 윤활유에 의한 유막이 형성된 상태에서 회전하는데, 에지 로딩에 의해 메탈 베어링의 양측 단부 모서리가 저널부와 이상 접촉이 발생하면 국부적으로 유막이 파괴되어 고체 마찰을 야기하고, 이것이 심할 경우에는 메탈 베어링(30)이 소착(燒着) 되어(눌어붙어) 원활한 엔진구동을 방해하고 메탈 베어링의 조기 소손과 소음 및 진동을 발생시킨다.
공개특허공보 공개번호 제10-2006-0065930호(2006.06.15.) 공개특허공보 공개번호 제10-2008-0054889호(2008.06.19.) 공개특허공보 공개번호 제10-2008-0067528호(2008.07.21.) 공개특허공보 공개번호 제10-2010-0116688호(2010.11.01.)
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 개선하기 위하여, 메탈 베어링과 접촉하는 베어링 저널부의 형상을 최적화하여 에지 로딩 및 그에 따른 베어링 소손을 방지하는 크랭크 샤프트 베어링 저널부 가공 방법 및 크랭크 샤프트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 방향에 따른 크랭크 샤프트는, 크랭크 케이스에 메탈 베어링으로 지지 되거나 커넥팅 로드의 대단부가 메탈 베어링으로 지지되는 베어링 저널부를 구비하는 크랭크 샤프트로서, 메탈 베어링이 접촉하기 위한 부분으로 축방향으로 평탄한 축부와; 상기 축부의 축방향 양측 단부와 크랭크 암이 만나는 모서리 부분에 형성되는 해제 홈과; 상기 축부의 양측 단부와 상기 해제 홈이 만나는 모서리 부분에, 메탈 베어링의 내경측 폭 방향 양측 단부 모서리보다 저널부의 축방향 중간 부분을 향해 더 들어간 지점까지 모따기 가공되는 경사부가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기의 본 발명의 크랭크 샤프트에 있어서, 상기 메탈 베어링의 폭 방향 한쪽 단부로부터 상기 경사부의 축방향 내측 단부까지의 거리(L1)는, 상기 메탈 베어링의 폭(W)의 15% 이내로 하는 것이 바람직하다.
상기의 본 발명의 크랭크 샤프트에 있어서, 상기 경사부의 경사각도(θ)는 1.5도 내지 3도인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 방향에 따른 크랭크 샤프트는, 크랭크 케이스에 메탈 베어링으로 지지 되거나 커넥팅 로드의 대단부가 메탈 베어링으로 지지되는 베어링 저널부를 구비하는 크랭크 샤프트로서, 베어링 저널부의 양측과 크랭크 암이 만나는 모서리 부분에 형성되는 해제 홈이 형성되고; 상기 양측의 해제 홈 사이에는, 메탈 베어링이 접촉하기 위한 부분으로서, 종방향 단면 표면이 축방향 가운데 지점으로 갈수록 볼록해지는 곡선형 축부로 형성한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 크랭크 샤프트 베어링 저널부의 가공 방법은, 베어링 저널부의 축부의 양측과 크랭크 암이 만나는 모서리 부분에 해제 홈을 절삭하고, 축부의 양단부와 상기 해제 홈이 만나는 모서리 부분에는 메탈 베어링의 내경측 폭 방향 양측 단부 모서리보다 축부의 축방향 중간 부분을 향해 더 들어간 지점까지 모따기 가공하여 경사부를 형성한 후, 상기 해제 홈을 제외한 상기 축부, 상기 경사부 및 상기 축부와 경사부의 경계부 표면을 래핑 가공으로 다듬질하는 것을 특징으로 한다.
상기 경사부의 모따기 공정에서, 상기 메탈 베어링의 폭 방향 한쪽 단부로부터 상기 경사부의 축방향 내측 단부까지의 거리(L1)는, 상기 메탈 베어링의 폭(W)의 15% 이내가 되도록 한다.
또한, 상기 경사부의 경사각도(θ)는 1.5도 내지 3도가 적합하다.
본 발명에 따른 크랭크 샤프트 베어링 저널부 가공 방법 및 크랭크 샤프트에 의하면, 메탈 베어링의 내경측 폭방향 양측 단부 모서리가 접촉하는 저널 부분을 경사부로 처리함으로써 메탈 베어링의 모서리가 축부와 비정상적으로 접촉하고 마찰하는 에지 로딩의 발생을 방지할 수 있고, 그에 따라 베어링의 조기 소손이나 엔진 고장을 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 크랭크 샤프트의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 크랭크 샤프트의 베어링 저널부 및 메탈 베어링을 도시한 주요부 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 크랭크 샤프트의 베어링 저널부 형상 및 메탈 베어링을 도시한 주요부 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 크랭크 샤프트의 베어링 저널부 형상을 도시한 주요부 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 크랭크 샤프트의 베어링 저널부 형상 및 메탈 베어링을 도시한 주요부 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 크랭크 샤프트의 베어링 저널부(100)는, 메탈 베어링이 접촉하기 위한 부분으로 축방향으로 평탄한 축부(110)와, 상기 축부(110)의 축방향 양측 단부와 크랭크 암(14)이 만나는 모서리 부분에 형성되는 해제 홈(102)을 포함한다.
그리고, 상기 축부(110)의 양측 단부와 상기 해제 홈(102)이 만나는 모서리 부분에, 메탈 베어링(30)의 내경측 폭 방향 양측 단부 모서리보다 저널부의 축방향 중간 부분을 향해 더 들어간 지점까지 모따기(chamfering) 가공되는 경사부(120)가 형성된 구성을 가진다.
즉, 메탈 베어링(30)의 내경측 폭방향 양측 단부 모서리가 접촉하는 저널 부분을 경사부(120)로 처리하여 메탈 베어링(30)의 모서리가 축부(110)와 비정상적으로 접촉하고 마찰하는 에지 로딩의 발생을 방지한 것이다.
여기서, 메탈 베어링(30)의 폭 방향 한쪽 단부로부터 경사부(120)의 축방향 내측 단부까지의 거리(L1)는, 즉 메탈 베어링(30)과 한쪽 경사부(120)의 중첩거리는, 메탈 베어링(30)의 폭(W)의 15% 이내가 되도록 하는 것이 적당하다.
또한, 경사부(120)의 경사각도(θ)는 1.5도 내지 3도 범위가 적합하다.
이러한 저널부(100)를 형성하는 방법 중 하나로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 먼저 베어링 저널부(100)의 축부(110)와 양측의 해제 홈(102)을 선삭에 의해 절삭한다.
이어서, 축부(110)의 양단부와 해제 홈(102)이 만나는 모서리 부분에 선삭 등의 가공 방법에 의해 경사부(120)를 형성한다. 이후에는 마무리 공정 전에 필요에 따라 열처리(주로, 표면 경화 열처리)를 수행하거나 연삭을 수행할 수 있다. 또는, 열처리 후 축부(110)와 경사부(120) 표면을 연삭(grinding)에 의해 정밀하게 가공할 수 있다.
이렇게 하여 축부(110)와 경사부(120)를 형성한 다음에는, 축부(110), 경사부(120), 축부(110)와 경사부(120)의 경계부 표면을 래핑(lapping) 가공으로 다듬질한다. 래핑은, 일반적인 랩(lap)에 의한 다듬질 가공뿐만 아니라, 유연성이나 점탄성이 있는 재료를 랩으로 사용하여 경면(鏡面)을 형성하는 폴리싱(polishing)과의 구별을 특별히 하지않고 전체를 래핑으로 취급한다.
래핑 가공에 의하면, 메탈 베어링(20)이 접촉하는 부분의 표면을 매끄럽게 마무리하는 한편, 축부(110)와 경사부(120)의 경계부(모서리)를 부드러운 곡면이 되게 하거나 또는 경계부의 날카로운 부분 제거하고 매끄럽게 만들 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 크랭크 샤프트의 베어링 저널부 형상을 도시한 주요부 단면도이다.
도 4에 도시된 실시예에 따른 저널부(100a)는, 양측의 해제 홈(102) 사이의 축부(112)를, 종방향 단면 표면이 축방향 가운데 지점으로 갈수록 볼록해지는 곡선형 축부(112)로 형성함으로써, 상기 곡선형 표면을 가지는 축부(112)에 의해 전술한 실시예의 축부(110) 양측에 모따기 처리를 한 기능과 마찬가지의 기능을 발휘하도록 한 것이다.
한편, 이러한 곡선형 축부(112)의 형태는, 도 3에 도시된 실시예처럼 축부(110)의 양측에 모따기에 의한 경사부(120)를 형성한 다음, 연삭이나 래핑 공정에서 곡선형으로 다듬는 방법이나, 또는 최초의 선삭 공정에서 곡선형으로 만든 다음, 그것에 맞추어 연삭 및 래핑을 수행하는 방법을 사용할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.
14 : 크랭크 암
30 : 메탈 베어링
100, 100a : 저널부
102 : 해제 홈
110, 112 : 축부
120 : 경사부

Claims (7)

  1. 크랭크 케이스에 메탈 베어링으로 지지 되거나 커넥팅 로드의 대단부가 메탈 베어링으로 지지되는 베어링 저널부를 구비하는 크랭크 샤프트로서,
    메탈 베어링이 접촉하기 위한 부분으로 축방향으로 평탄한 축부(110)와,
    상기 축부(110)의 축방향 양측 단부와 크랭크 암(14)이 만나는 모서리 부분에 형성되는 해제 홈(102)과,
    상기 축부(110)의 양측 단부와 상기 해제 홈(102)이 만나는 모서리 부분에, 메탈 베어링의 내경측 폭 방향 양측 단부 모서리보다 저널부의 축방향 중간 부분을 향해 더 들어간 지점까지 모따기 가공되는 경사부(120)가 형성된 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트.
  2. 제2항에 있어서,
    메탈 베어링의 폭 방향 한쪽 단부로부터 상기 경사부(120)의 축방향 내측 단부까지의 거리(L1)는, 상기 메탈 베어링의 폭(W)의 15% 이내인 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 경사부(120)의 경사각도(θ)는 1.5도 내지 3도인 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트.
  4. 크랭크 케이스에 메탈 베어링으로 지지 되거나 커넥팅 로드의 대단부가 메탈 베어링으로 지지되는 베어링 저널부를 구비하는 크랭크 샤프트로서,
    베어링 저널부의 양측과 크랭크 암(14)이 만나는 모서리 부분에 형성되는 해제 홈(102)이 형성되고,
    상기 양측의 해제 홈(102) 사이에는, 메탈 베어링이 접촉하기 위한 부분으로서, 종방향 단면 표면이 축방향 가운데 지점으로 갈수록 볼록해지는 곡선형 축부(112)로 형성한 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트.
  5. 크랭크 샤프트 베어링 저널부의 가공 방법으로서,
    베어링 저널부(100)의 축부(110)의 양측과 크랭크 암(14)이 만나는 모서리 부분에 해제 홈(102)을 절삭하고, 축부(110)의 양단부와 상기 해제 홈(102)이 만나는 모서리 부분에는 메탈 베어링의 내경측 폭 방향 양측 단부 모서리보다 축부(110)의 축방향 중간 부분을 향해 더 들어간 지점까지 모따기 가공하여 경사부(120)를 형성한 후, 상기 해제 홈(102)을 제외한 상기 축부(110), 상기 경사부(120) 및 상기 축부(110)와 경사부(120)의 경계부 표면을 래핑 가공으로 다듬질하는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 베어링 저널부의 가공 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 경사부(120)의 모따기 공정에서, 상기 메탈 베어링의 폭 방향 한쪽 단부로부터 상기 경사부(120)의 축방향 내측 단부까지의 거리(L1)는, 상기 메탈 베어링의 폭(W)의 15% 이내가 되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 베어링 저널부의 가공 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 경사부(120)의 경사각도(θ)는 1.5도 내지 3도인 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 베어링 저널부의 가공 방법.
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