KR20140017596A - 미끄럼 베어링 쉘 - Google Patents

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우베 레만
토마스 그루테뵈르
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페데랄-모굴 비스바덴 게엠베하
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Abstract

본 발명은 크랭크샤프트 메인 베어링(24)용 미끄럼 베어링 쉘로서, 원주방향으로 90 내지 170°의 각에 걸쳐 연장되어 있고 상기 미끄럼 베어링 쉘의 원주방향 양단에서 폐쇄되어 있으며 상기 미끄럼 베어링 셀을 반경방향으로 관통하여 형성되어 있는 슬롯(10)과 그 외에 상기 미끄럼 베어링 쉘의 내측에 오일 홈이 없는 미끄럼면(11)을 갖고 있는 미끄럼 베어링 쉘에 관한 것이다.

Description

미끄럼 베어링 쉘{PLAIN BEARING HALF LINER}
본 발명은 크랭크샤프트 메인 베어링용 미끄럼 베어링 쉘에 관한 것이다.
이러한 형태의 공지되어 있는 미끄럼 베어링 쉘은 반경방향의 오일 홀 및 상기 오일 홀과 연통되어 있고 원주방향으로 연장되어 있으며 대개 축 방향으로 미끄럼 베어링 쉘의 내측에 배치되어 있는 미끄럼- 또는 활주면의 중앙에 형성되어 있는 오일 홈을 갖고 있다. 오일은 가압 상태에서 엔진 하우징에 있는 배관 시스템을 통해 크랭크샤프트 메인 베어링으로 운반되고 상기 오일 홀을 통해 오일 홈에 도달하게 되며, 상기 오일 홈에서 오일은 한편으로는 메인 베어링 자체의 윤활과 냉각을 위해 원주방향으로 분배되고, 다른 한편으로 오일은 오일홈으로부터 크랭크샤프트에 있는 연결 홀을 통해 크랭크 핀 베어링으로 공급된다. 설치 공차를 조정하고 이에 따라 엔진 하우징에 있는 오일관의 구멍을 미끄럼 베어링 쉘에 있는 오일 홀과 정렬되도록 하기 위해서, 일부의 경우에 오일 홀을 슬롯으로서 구성한다.
상기 크랭크샤프트 메인 베어링은 2개의 반원통형 미끄럼 베어링 쉘로 구성되어 있고, 통상적으로 이들 중 상부의 미끄럼 베어링 쉘에만 이러한 오일 홈이 형성되어 있다. 상기 2개의 미끄럼 베어링 쉘은 각각 원주방향 단부에 소위 노출부를 갖고 있다. 이들은 2개의 미끄럼 베어링 쉘의 원주방향 단부 전방의 내측에 있는 영역으로, 상기 영역 내에는 미끄럼 표면이 약간 반경방향으로 움푹 들어가 있어 래이디얼 베어링으로 조립하기 위한 2개의 미끄럼 베어링 쉘의 소정의 반경방향 끼워맞춤 정밀도가 보상될 수 있다. 그러나 상기 반경방향 확대로 인해 메인 베어링으로부터 측방(축 방향)으로 오일 흐름이 증가한다. 이는 필요로 하는 오일 압력을 감소시키고 오일 수요를 증가시켜 더 큰 오일 펌프를 이용하여 보상할 필요가 있으므로 바람직하지 않다.
본 명세서에서 "원주방향으로", "축 방향"과 "반경방향"이라 함은 항상 베어링의 기하구조를 참조한다.
이를 방지하기 위해서, 상기 유형의 최근의 베어링 쉘에서는 오일 홈의 단부가 원주방향으로 노출부 전방까지 이어져 있는 경우가 많다. 상기 구성 형태에서 오일 홈은 정점에서 최대 깊이를 갖고 대개 원주방향으로 단부까지 연속적으로 연장 형성되도록 절삭 가공, 일반적으로 밀링 가공에 의해 미끄럼 베어링 쉘에 형성되어 있다. 상기 절삭 가공은 일반적으로 미리 성형한 베어링 쉘에 대해 실시한다.
오일의 축 방향 유출을 저지하기 위한 공지된 다른 형태로는 예를 들면 베어링 간격을 축소시키는 시도, 노출부를 비교적 깊은 가공 홈으로 대체하거나 또는 탄성중합체 링을 가황 또는 삽입하여 축 방향 외부 베어링 둘레에 베어링을 밀봉하는 것이 있다. 상기 내용을 포함하는 다수의 공개문헌들은 예를 들면 DE 10 2005 009 470 A1, US 6,491,438 B1 또는 DE 10 2005 011 372 A1을 참고하고 있다. 상술한 모든 형태는 기본적으로 필요로 하는 오일 체적을 감소시키는데 적합하다. 그러나 단부 전방까지 연장 형성되어 있는 부분 홈을 포함하는 이들 모든 형태는 가공 비용을 증가시키므로 결국에는 제조비용이 상승하게 된다.
본 발명의 과제는 크랭크샤프트 메인 베어링용 미끄럼 베어링 쉘로서, 오일을 상기 크랭크샤프트 메인 베어링과 크랭크 핀 베어링까지 용이하게 공급하여 오일의 측방향 유출을 가급적 적게 하고 비용 효율적으로 제조할 수 있는 미끄럼 베어링 쉘을 제공하는데 있다.
상기 과제는 청구범위 제1항의 특징부를 가진 미끄럼 베어링 쉘에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 크랭크샤프트 메인 베어링용 미끄럼 베어링 쉘은 원주방향으로 90°내지 170°의 각에 걸쳐 연장되어 있고 상기 미끄럼 베어링 쉘의 원주방향 양단에서 폐쇄되어 있으며 상기 미끄럼 베어링 셀을 반경방향으로 관통하여 형성되어 있는 슬롯과 그 외에 상기 미끄럼 베어링 쉘의 내측에 오일 홈이 없는 미끄럼 표면을 갖고 있다.
상기 슬롯은 미끄럼 베어링 쉘의 원주방향 양단에서 폐쇄, 즉 상기 미끄럼 베어링 쉘의 부분면이 어떠한 다른 측면으로 연장되지 않도록 함으로써 상기 부분면을 통해 의도하지 않은 오일 유출을 감소시킨다.
상기 해결수단은 많은 장점을 갖고 있다. 상기 슬롯은 예를 들면 스트립 압형시 단일 가공 단계로 형성되거나 2차 연결 공구에서 베어링 쉘의 성형시 피가공물의 변형없이 형성될 수 있기 때문에 제조가 단순화된다. 절삭 가공의 별도 가공 단계를 생략할 수 있어 시간과 비용을 절감할 수 있다.
상기 슬롯은 동일한 폭과 길이를 가진 홈에 비해 전체 베어링 쉘을 통해 반경방향으로 연장되어 있기 때문에 오일 저장부에 대해 더 큰 체적을 제공할 수 있다. 이와 같이 오일 체적이 더 커지면 자동차 산업에서 최신 엔진의 시동-정지용으로 특히 유리하다. 더 큰 오일 체적을 필요로 하는 위치에 직접 고정시킴으로써 엔진 시동시 충분한 오일 압력이 생성될 때까지 걸리는 시간 손실이 없고 베어링을 윤활하기 위해 더 큰 체적의 오일을 제공할 수 있게 된다. 따라서 이와 관련하여 더 큰 오일 체적은 미끄럼 베어링 쉘의 베어링 날개 영역에 대한 응력으로 나타나지 않기 때문에 본 발명에 따른 해결수단은 특히 유리하다.
또한 작동 중에 상기 슬롯은 동일한 폭의 홈에 비해 오일 체적이 더 크다는 것 외에도 더 큰 유동 단면을 제공하기 때문에 유리한 것으로 입증되었다. 따라서 상기 슬롯은 유사한 홈에 비해 더 적은 유동저항으로 오일에 대응한다. 이는 작동 중 크랭크샤프트에 있는 크랭크 핀 베어링에 오일을 공급하기 위해 오일 홀이 메인 베어링에 대해 회전하고 따라서 슬롯 및/또는 오일 홈의 둘레 주위의 모든 위치에 충분한 오일의 체적 흐름이 있어야 하기 때문에 중요하다. 또한 베어링 하우징에 있는 오일 공급 홀로부터 미끄럼 베어링 쉘로 이동할 때 유량 조절 효과가 더 작다는 것이 확인되었다. 이를 위해, (평면의) 오일 홈에 비해 상기 슬롯의 더 큰 반경방향 치수(또는 깊이)는 오일관의 구멍으로부터 베어링에 대해 거의 수직으로 유입되는 오일이 샤프트에 즉각적으로 충격하지 않도록 기여하므로 너무 예리하게 굴곡시킬 필요가 없다.
마지막으로, 본 발명에 따른 미끄럼 베어링에 의해 중량을 줄일 수 있는데, 이는 연료 사용을 낮춘다는 것을 고려하면 유리한 특성이다.
상기 슬롯은 130° 내지 165°의 각에 걸쳐 원주방향으로만 연장되는 것이 바람직하다. 원주방향 단부 각각의 전방의 노출부를 내측에 포함하는 미끄럼 베어링 쉘에서 상기 슬롯의 단부가 원주방향으로 2개의 노출부 전방까지 이어져 있는 것이 특히 바람직하다.
이러한 방법으로 오일은 베어링 쉘의 원주방향 단부 전방의 노출부 영역으로 직접 유입될 수 없고 거의 방해받지 않으면서 가급적 가장 큰 각도 범위에 걸쳐 원주방향으로 분포하게 된다. 따라서 한편으로는 메인 베어링의 충분한 윤활과 냉각이 가능하고 크랭크샤프트에 있는 연결 홀을 통해 크랭크 핀 베어링으로 큰 각도 범위에 걸쳐 오일이 방해받지 않고 흐를 수 있다. 다른 한편으로는 축 방향 오일 유출에 의한 오일의 손실이 최소화되어 윤활과 냉각을 위해 실제로 필요한 양만큼 제공하도록 오일 흐름과 이에 따른 오일펌프의 크기를 조정할 수 있다.
상기 슬롯은 원주방향 양단을 향해 축 방향으로 점차 끝이 가늘어지도록 테이퍼되는 것이 유리하다.
상기 테이퍼부(원뿔형 영역)는 성형 기술적인 면에서 장점이 있고 플레이트를 반원통형 베어링 쉘로 성형하기 전에 슬롯을 미리 형성하는 것이 바람직하다. 상기 테이퍼부는 슬롯에 의해 야기된 원주방향의 강성 변화를 균일하게 한다. 통상적으로 베어링 쉘을 평면의 플레이트로부터 성형공정에 의해 제조할 때, 상기 테이퍼부는 슬롯으로 인해 약화된 베어링 쉘이 의도하지 않게 변형될 위험을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한 상기 테이퍼부는 오일 홀과 슬롯이 서로 겹치기 시작했을 때 오일량이 점차 경시적으로 증가하도록 크랭크샤프트의 오일 홀로 유입되는 오일량에 영향을 준다. 이는 보통 갑작스런 오일 흐름이 미끄럼 베어링에서 캐비테이션 또는 침식을 일으킬 수 있기 때문에 이점이 있다. 상기 테이퍼부는 기본적으로 선형 형태, 포물선 형태 또는 다른 기능 형태로 구성될 수 있지만, 연속적으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 테이퍼부는 베어링 쉘 각각의 원주방향 단부 전방 30° 내지 60°의 범위에서 형성되기 시작하는 것이 특히 바람직하다.
또한 상기 슬롯의 원주방향 단부는 만곡형인 것이 바람직하다.
예를 들면 상기 홈의 원주방향 단부 바로 전방에 슬롯 폭의 절반인 반경을 가진 만곡형 외형은 압형 공구에 대한 마모도를 감소시키고 성형시 힘이 보다 균일하게 분배되도록 한다.
선택적으로 또는 추가로 상기 슬롯은 베어링 쉘의 정점을 향해 축 방향으로 끝이 가늘어지도록 테이퍼되는 것이 유리하다.
상기 슬롯의 단부에서 소정의 테이퍼부 이외에, 원주방향으로 봤을 때, 먼저 더 큰 체적의 오일을 이용할 수 있는 넓은 영역(확장부)을 갖고, 다음에는 오일이 충분히 흐르지만 큰 오일 체적을 더 이상 이용할 수 없는 좁은 영역(협착부)으로 테이퍼된다. 상기 크랭크샤프트에 있는 연결 홀의 구멍이 회전시 슬롯과 접촉할 때, 먼저 슬롯 내부에 있는 더 큰 오일 저장부와 연결되어 짧은 시간 내 오일이 크랭크 핀 베어링으로 충분하게 흐를 수 있게 된다. 이러한 방법으로 크랭크 핀 베어링에 오일이 공급되면, 도중에 정점에는 더 적은 오일을 제공하는 것이 필요하다. 다음, 상기 슬롯에 있는 저장부는 다시 채워진다.
이 방법으로, 상기 슬롯 형상은 통상적으로 크랭크 핀 베어링에서의 오일 수요에 맞게 구성될 수 있다. 따라서 기본적으로 상기 슬롯 길이 및/또는 슬롯 폭 형태를 베어링 쉘의 정점 기준으로 비대칭적으로 구성하는 것을 배제할 수 없다. 특히 상기 크랭크샤프트에 있는 연결 홀의 구멍의 위치를 고려하여 크랭크 핀 베어링에서의 오일 수요에 맞게 구체적으로 구성된다.
상기 슬롯은 바람직하게는 전체 미끄럼 면적(FG)에 대해 12% 내지 28%, 특히 바람직하게는 14% 내지 25%의 면적(FS) 비율을 차지한다.
상기 비율 내에서 한편으로는 오일 공급 측면에서, 다른 한편으로는 미끄럼면 중 베어링 날개 영역의 비율이 최적으로 구성된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 슬롯은 하나 이상의 웹에 의해 가교되고 상기 웹은 전체 중에서 상기 웹을 포함하는 슬롯의 면적(FS) 비율이 20%을 넘지 않는, 바람직하게는 10%를 넘지 않는 면적(FSt)을 차지한다.
상기 웹은 실질적으로 축 방향으로 연장되어 있고 슬롯을 가교시키며 평면도로 봤을 때 슬롯을 2등분하는 베어링 쉘 재료의 일부를 의미한다. 상기 슬롯이 웹에 의해 2개 이상의 부분으로 분할되더라도 이하에서는 1개의 슬롯만을 언급하기로 한다. 본 발명에 따르면, 2개의 외부 부분의 바깥쪽 단부로부터 상기 슬롯이 걸쳐 놓여있는 각도를 측정한다. 상기 슬롯 부분들은 예를 들면 문헌 US 6,491,438 B1에 공지된 바와 같이 2개의 원주방향으로 이격되어 있는 홀 또는 슬롯의 배치와는 기본적으로 웹을 포함하는 전체 슬롯의 면적(또는 길이) 대비 웹의 면적(또는 길이) 비율에 의해 구분된다. 본 발명에 따른 베어링 쉘에서 웹의 비율은 공지의 모든 베어링 쉘보다 현저하게 작다.
플레이트를 베어링 쉘로 성형하기 전에 상기 베어링 쉘에 슬롯을 형성하는 경우에는 슬롯의 단부 영역에서 슬롯 폭이 감소하는 것 외에도 이러한 하나 이상의 웹의 배치는 특히 플레이트를 베어링 쉘의 형상으로 성형하는 동안 미끄럼 베어링 쉘 및/또는 플레이트의 안정성을 증가시킨다. 따라서 웹은 특히 취약한 위치 및/또는 성형시 특히 높은 응력이 가해지는 위치에 마련되어야 한다. 따라서 많은 경우에 상기 웹 또는 웹들은 성형 후 추가 공정을 통해 다시 제거할 수 있다.
상기 웹 또는 웹들은 바람직하게는 미끄럼 베어링 쉘의 재료 두께(D)(또는 두께)보다 반경방향으로 평탄하여야 한다.
이때, 상기 웹 또는 웹들은 슬롯의 부분들이 웹의 영역에서 웹의 전방과 후방에 홈 형태로 연결되도록 미끄럼 베어링 쉘의 전체 두께보다 작게 연장된다. 상기 홈 형태의 연결부는 위에 주어진 치수에서 웹의 면적(FST)(과 이에 따라 홈 형태의 연결부의 길이) 비율이 전체 슬롯의 면적(FS) 비율보다 작은 한, 본 발명의 요지의 의미에서 용어 "그 외에 오일 홈이 없는 미끄럼 표면"으로부터 명시적으로 배제되는 것은 아니다. 이러한 구성의 웹은 바람직하게는 슬롯 부분을 압형한 후 잔류하는 웹을 엠보싱 공정으로 높이를 감소, 즉 반경방향으로 감소시킴으로써 제조된다. 상기 웹 또는 웹들은 미끄럼면에 반경방향으로 대향하여 위치하고 미끄럼 베어링 쉘의 베어링 후면과 동일 평면의 외측까지 이어져 있다. 상기 웹의 높이는 형성된 홈 형태의 연결부의 단면이 베어링 용도에서 요구되는 오일 흐름을 가능하게 하는 정도로 감소하는 것이 바람직하다.
상기 슬롯은 최대 폭(B)을 가지며, 이때 미끄럼 베어링 쉘의 두께 또는 재료 두께(D)에 대한 최대 폭(B)의 비는 1.5 내지 3.5이다.
상기 범위에서, 충분하면서 유리한 오일의 유동 거동이 나타난다. 위에서 언급한 바와 같이, 상기 슬롯의 유동 단면과 오일 체적은 모두 동일 폭의 홈에 비해 더 크다. 홈에서 동일 단면과 동일 용량을 달성하고자 할 때 상기 홈을 넓게 하여야 한다. 그러나 이와 관련하여 표면 효과에 기인한 단면적 증가와 동일한 정도로 유동 저항이 감소하지 않는다. 이에 따라 본 발명자들이 발견한 바와 같이 오일관의 깊이보다 단면을 확대시키는 것이 바람직하지만, 폭을 임의로 확대할 수는 없다. 이는 특히 홈/슬롯 폭이 증가함에 따라 상기 베어링 쉘의 베어링 날개 영역이 감소하기 때문이다. 상기 미끄럼 베어링 쉘의 재료 두께(D)와 이에 따라 슬롯의 깊이는 구성 형태에 의해 미리 주어지므로, 최대 폭이 재료 두께(D)의 3.5배 이하이고 재료 두께(D)의 1.5배 이상인 것이 바람직한 것으로 밝혀졌다. 협착부 영역에서 상기 슬롯 자체의 폭을 재료 두께(D) 및/또는 슬롯의 깊이보다 크게 하여 이러한 협착부에 의해 오일관에서 높은 압력 손실이 일어나지 않도록 하는 것이 특히 바람직하다.
이하, 실시예를 들어 본 발명의 상기 및 기타 이점과 특징을 더욱 상세하게 설명한다. 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 미끄럼 베어링 쉘의 일 실시예의 사시도이고;
도 2는 도 1에 따른 미끄럼 베어링 쉘의 평면 전개도이고;
도 3은 미끄럼 베어링 쉘의 제2실시예의 평면 전개도이고;
도 4는 미끄럼 베어링 쉘의 제3실시예의 평면 전개도이고;
도 5는 미끄럼 베어링 쉘의 제4실시예의 평면 전개도이고;
도 6A 내지 6C는 본 발명에 따른 래이디얼 미끄럼 베어링을 구비한 크랭크샤프트의 배치 구조를 3개의 위치에서 본 반경 단면도이고;
도 7은 본 발명에 따른 베어링의 오일 공급을 홈이 형성되어 있는 공지의 베어링과 비교한 도면이고;
도 8은 본 발명에 따른 베어링의 슬롯의 높이 대 폭의 비를 공지된 베어링의 홈과 비교한 도면이고;
도 9는 본 발명에 따른 베어링에서의 압력 손실을 홈이 형성되어 있는 공지의 베어링과 비교한 도면이다.
도 1과 2는 본 발명에 따른 크랭크샤프트 메인 베어링의 상부 미끄럼 베어링 쉘로서, 원주방향으로 각(α)에 걸쳐 연장되어 있고 상기 미끄럼 베어링 쉘의 원주방향 양단에서 폐쇄되어 있으며 상기 미끄럼 베어링 쉘을 반경방향으로 관통하여 형성되어 있는 슬롯(10)을 가진 상부 미끄럼 베어링 쉘의 일 실시예를 도시하고 있다. 상기 각(α)은 바람직하게는 90° 내지 170°, 특히 바람직하게는 130° 내지 165°이다.
상기 미끄럼 베어링 쉘은 내측에 작동시 크랭크샤프트의 역방향 회전자, 즉 샤프트 저널과 접촉하는 미끄럼면(11)을 갖고 있다. 미끄럼면(11)에는 슬롯(10)을 제외하고는 오일 홈이 없다. 본 명세서에서 "오일 홈이 없다"는 예를 들면 보링의 가공 단계에 의해 형성되어 미시적 수준에서 오일 전달 기능을 가질 수 있지만 원주방향으로 오일을 분배하고자 의도된 것이 아닌 환형의 미세 가공 홈을 갖는 미끄럼면을 의미하기도 한다.
상기 미끄럼 베어링 쉘은 또한 원주방향 단부 각각에 노출부(12)를 갖고 있다. 슬롯(10)은 그의 단부가 원주방향으로 양측에서 상기 노출부(12) 앞까지 이어져 있음을 알 수 있다. 본 실시예는 도 2에 전개도로서 도시되어 있다.
슬롯(10)의 단부는 원주방향 양단(14)까지 축 방향으로 끝이 가늘게 테이퍼되어 있다. 이로 인해 원뿔형 영역(13)이 각각 형성되어 있다. 상기 원뿔형 영역 또는 테이퍼부(13)는 바람직하게는 미끄럼 베어링 쉘의 원주방향 단부 전방에서 30° 내지 60° 범위의 각(β)으로 주어진 소정 간격으로 형성되어 있다. 또한 상기 슬롯은 원주방향 양단에서 만곡되어 있다. 이들 상술한 2개의 형태는 위에서 설명한 바와 같이 제조 기술적인 이점이 있다.
도면에는 또한 미끄럼 베어링 쉘(10)의 두께 또는 재료 두께(D)가 표시되어 있다.
도 3에 따른 실시예는 구조적으로 단순한 본 발명에 따른 미끄럼 베어링 쉘의 일 실시형태이다. 상기 실시예에서 슬롯(10')은 도 2에 따른 실시예에 비해 폭이 연속적으로 일정하되, 원주방향 양단(14')은 만곡되어 있고, 즉 더 정확하게는 슬롯 반폭의 반경을 갖고 있다.
도 3에 따른 실시예는 또한 일례로서 슬롯의 중앙에 배치되어 있지 않은 웹(15)을 갖고 있다. 상기 웹은 미끄럼 베어링 쉘의 전체 두께에 걸쳐(도면의 지면에 수직으로) 연장되어 있지 않고 슬롯(10')의 압형 후에 엠보싱 공정에서 단면에 있어 또는 더 정확하게는 높이에 있어 감소하여 있다. 이후, 웹(15)은 반경방향으로 미끄럼면에 대향하여 있는 베어링의 후면의 외측에 배치되는 것이 바람직하다. 상기 웹은 성형 공정 및/또는 작동 중에 미끄럼 베어링 쉘을 안정화하는 역할을 한다. 상기 웹은 목적에 따라 성형 후에 후속 가공 단계에서 제거할 수 있다. 그러나 상기 웹을 그대로 남겨두는 것이 비용면에서 유리할 수 있다. 이 경우, 상기 웹의 높이를 낮춰서 낮춰진 그 위치에서 슬롯의 단면은 필요로 하는 오일 흐름을 가능하게 할 수 있다.
웹(15) 대신에 상기 슬롯을 3개 이상의 부분으로 세분하는 이격된 여러 개의 웹을 마련할 수도 있다. 이때, 웹 또는 웹들(15)은 전체적으로 웹 또는 웹들의 면적(FSt)을 포함하는 슬롯(10)의 면적(FS)의 20% 이하, 바람직하게는 10% 이하인 면적(FSt)을 갖는 것이 중요하다.
또한 슬롯(10)의 가장 넓은 위치에서 측정한 슬롯(10)의 폭(B)이 표시되어 있다. 상기 폭은 상술한 바를 고려하여 미끄럼 베어링 쉘의 두께(D)에 대한 소정의 비에서 선택된다.
도 4에 따른 실시예는 축 방향으로 미끄럼 베어링 쉘의 정점을 향해 끝이 가늘게 테이퍼된 슬롯(10")을 갖는다. 그 결과, 본 실시예에서는 슬롯(10")의 협착부(16)가 정점의 영역에 있게 된다. 상기 테이퍼부 또는 협착부(16)는 연속적인 것이 바람직하지만 하나 이상의 측면에서 불연속적일 수도 있다. 또한 상기 테이퍼부는 미끄럼 베어링 쉘의 정점에 대해 대칭적으로 배치되어 있지만, 도 5에 따른 제4실시예에 도시되어 있는 바와 같이 비대칭적으로 배치될 수도 있다.
본 실시예에서는 4개의 다른 슬롯 부분 또는 확장부(17)와 그 사이에 위치한 3개의 협착부(16')가 예시되어 있다. 또한 슬롯(10"')은 원주방향 양단의 영역에 테이퍼부 또는 원뿔형 영역(13")을 갖는다. 확장부(17)는 실제로 오일 저장부 및/또는 확대된 유동 단면을 필요로 하는 위치에 제공되도록 배치되어야 한다. 상기의 경우에는 도 5의 실시예에 명확하게 나타낸 바와 같이 미끄럼 베어링 쉘의 둘레를 따라 여러 위치에 있을 수 있다.
이들 위치는 반드시 둘레를 따라 균일하게 또는 정점 기준으로 대칭적으로 분포될 필요는 없다. 그러나 베어링 쉘의 오장착을 방지하는 높은 안전성을 고려했을 때 대칭적으로 분포시키는 것이 바람직하다.
이미 위에서 언급한 바와 같이, 최대 폭(B)은 재료 두께(D)의 3.5배 이하이거나 재료 두께(D)의 1.5배 이상일 뿐 아니라, 협착부(16 또는 16')의 영역에서 슬롯의 폭은 재료 두께(D) 및/또는 슬롯의 깊이보다 커서 그 위치에서 오일관 내 너무 높은 압력 손실이 일어나지 않도록 하는 것이 바람직하다.
도 6A 내지 6C를 참고하여 본 발명에 따른 미끄럼 베어링 쉘이 어떻게 크랭크샤프트 배치 구조에서 작용하는지 기재하기로 한다. 이들 도면 모두는 동일한 크랭크샤프트 배치구조의 반경 단면도이다. 보다 정확하게, 도면에서 크랭크샤프트(20)는 2개의 겹쳐 있는 반경 단면도로 도시되어 있는바, 즉 하나는 크랭크샤프트(20)의 샤프트 저널(22)의 축 방향 높이에서 절단한 도면이고, 하나는 크랭크샤프트(20)의 리프팅 저널(38)의 높이에서 절단한 도면이다. 따라서 전방의 도면에는 샤프트 저널(22)을 둘러싸고 있는 크랭크샤프트 메인 베어링(24)이 도시되어 있고, 후방의 도면에는 리프팅 저널(38)을 둘러싸고 있는 커넥팅로드 대단부(50)를 구비한 커넥팅로드(48)가 도시되어 있다. 도 6A 내지 6C는 3개의 서로 다른 각도 위치에서 봤을 때의 크랭크샤프트(20)를 도시하고 있다.
크랭크샤프트 메인 베어링(24)은 특히 2개의 미끄럼 베어링 쉘, 즉 부분면(52, 54)과 서로 접촉해 있는 본 발명에 따른 상부 미끄럼 베어링 쉘(26)과 하부 미끄럼 베어링 쉘(28)로 이루어져 있다. 하부 미끄럼 베어링 쉘(28)은 홈과 슬롯이 없는 미끄럼 베어링으로서 구성되어 있다. 본 발명에 따른 상부 미끄럼 베어링 쉘(26)은 원주방향으로 슬롯(10"")을 갖고 있다.
샤프트 저널(22)을 통해 반경방향으로 연장되어 있는 연결 홀(44)은 슬롯(10"")과 연통되어 있다. 상기 홀은 크랭크샤프트의 크랭크 측면을 통해 도면의 지면에 대해 비스듬하게 연장되어 있고 리프팅 저널(38)을 통해 홀 부분(46)으로 연장되어 있으며, 메인 베어링(24)은 커넥팅로드 대단부(50)의 베어링과 유체 연통되어 상기 커넥팅로드 대단부에 오일을 공급할 수 있다. 물론, 상기 크랭크샤프트 내 다른 홀 배치구성을 생각할 수도 있고 구멍의 위치에 따라 본 발명에 따른 미끄럼 베어링 쉘에서 슬롯의 구체적인 구성에 영향을 줄 수도 있다.
도 6A-6C의 도면에서 크랭크샤프트 메인 베어링(24)의 위치는 고정되어 있는 반면, 수집 홀(44)은 크랭크샤프트(20) 회전시 시계방향으로 회전한다. 이때, 연결 홀(44)의 구멍은 상부와 하부 베어링 쉘의 미끄럼면과 접촉한다. 연결 홀(44)의 구멍이 상부 베어링 쉘(26)에 있는 슬롯(10"")을 통과할 때, 크랭크 핀 베어링은 슬롯을 통해 흐르는 오일 체적과 연결된다. 도 6B와 6C를 참조하면, 상기 크랭크샤프트가 1/2 회전한 후에 연결 홀(44)의 구멍이 하부 미끄럼 베어링 쉘(28)의 평활한 표면과 접촉하게 되면 크랭크 핀 베어링으로 오일이 흐르지 않게 된다.
상기 도면에 나타낸 실시예와 같이, 슬롯(10"")이 상부 미끄럼 베어링 쉘의 거의 전체 둘레에 걸쳐 연장되면 사이클의 절반에 걸쳐 크랭크 핀 베어링으로 거의 연속적인 오일 흐름이 확보된다. 그 결과, 거의 전체 사이클에 걸쳐 오일 흐름은 단순한 방법으로 이루어질 수 있고, 이때 연결 홀(44)은 슬롯(10"")을 정확히 180° 만큼 제1구멍으로 상 이동하여 접촉시키는 샤프트 저널을 통해 단면에 있는 제1구멍에 대향하는 제2구멍이 형성되어 있는 제2분기를 갖는다.
하기 표와 함께 도 7 내지 9의 도면을 참조하여 슬롯이 형성된 본 발명에 따른 미끄럼 베어링 쉘의 기술적 유체역학적 이점을 홈이 형성되어 있는 종래의 미끄럼 베어링 쉘(비교용 미끄럼 베어링)과 비교하여 설명하기로 한다. 각 도면에는 전형적인 치수를 가진 승용차(PKW) 엔진과 트럭(LKW) 엔진용 3개의 크랭크샤프트 메인 베어링이 포함되어 있다. 샤프트 직경은 크랭크샤프트 메인 베어링에 장착되어 있는 베어링 저널을 참조한다. 용어 전체 벽 두께(D), 베어링 폭, 베어링 체적과 베어링 미끄럼 표면은 상부 미끄럼 베어링 쉘의 치수를 참조한다. 이들 세부적인 내용은 슬롯이 형성된 본 발명에 따른 미끄럼 베어링과 홈이 형성되어 있는 비교용 미끄럼 베어링에 대해 동일하게 적용된다.
또한 홈 폭과 슬롯 폭(B) 및 원주방향 연장부는 각각 동일한 값을 적용하되, 비교용 미끄럼 베어링에는 양측에 단부 방향으로 감소하는 깊이를 가진 연장 형성된 홈이 형성되어 있다. 2가지 경우 모두에 전형적인 초기 반경 20 mm가 선택된다. 각각의 경우에 2개의 연장 형성된 단부 부분 사이에는 최대 홈 깊이(T)가 주어진다. 실제로 본 발명에 따른 미끄럼 베어링 쉘의 슬롯 깊이는 모든 위치에서 베어링 쉘 각각의 전체 벽 두께(D)와 일치한다.
앞서 체적을 비교할 때 본 발명에 따른 미끄럼 베어링 쉘은 베어링의 크기에 따라 비교용 베어링에 비해 1.6배 내지 2배의 오일을 이용할 수 있다는 장점이 있다. 본 발명에 따른 베어링에 대한 결과는 상기 2개의 베어링 유형의 베어링 질량에 대한 비로서 제공되는 오일의 질량을 비교하면 훨씬 더 분명하게 나타난다, 도 7의 도면 또한 참조할 것. 상기 지수는 오일 공급 뿐 아니라 최근의 엔진 제작에 있어서 중량 감소가 점점 중요해지고 있기 때문에 특히 중요하다.
전체적으로, 특히 시동-정지 작동시 충분한 오일 공급과 관련하여 슬롯의 면적(FS)이 전체 미끄럼면 면적(FG)에 대해 12% 내지 28%, 특히 바람직하게는 14% 내지 25%일 때 유리한 것으로 밝혀졌다.
유압 (대체-)직경은 유체역학적으로 동등한 원형 면의 단면 형태를 고려하여 허용되는 단면적을 전환한 계산값으로서 얻어진다, Dubbel, Taschenbuch fuer den Maschinenbau, 19. Auflage, B50, Abschnitt 6.2.3 참조. 여기에 슬롯 또는 홈의 깊이 대 폭의 비를 대입한다.
오일 유속은 도시된 베어링 각각의 사용 조건에 대해 전형적인 값이고 비교용 베어링과 본 발명에 따른 베어링에 대해 동일한 베어링 크기를 가정했을 때 기본값으로서 사용한다.
유속은 주어진 오일 유속과 단면으로부터 유도된다. 여기에서도 슬롯이 형성된 본 발명에 따른 미끄럼 베어링 쉘은 비교용 베어링보다 유속이 0.5 내지 0.7배만큼 낮다는 현저한 장점이 있었다.
이는 계산한 레이놀즈수와 이에 따라 유동 상태에 대해서도 비슷한 효과를 나타내는데, 이때 나머지에 대해서는 동일한 제한 조건이 전제되었다. 승용차 베어링에서는 오일 밀도 0.7784 kg/리터와 동적 오일 속도 4,484e-09 Ns/mm2이었고 트럭 베어링에서는 오일 밀도 0.7864 kg/리터와 동적 오일 속도 6.25e-09 Ns/mm2이었다. 본 발명에 따른 베어링보다 치수가 작은 베어링은 슬롯에서 층류 조건을 구성하는 반면에, 홈이 형성된 종래의 베어링에서는 난류가 일어나 관 마찰계수에 영향을 주고 결국에는 베어링 쉘을 통한 오일관에서의 압력 손실에 영향을 준다는 것을 명백히 알 수 있다. 이와 관련하여, 난류의 경우에는 유압적으로 평활한 단면이 있는 것으로 추측된다, Dubbel, Taschenbuch fuer den Maschinenbau, 19. Auflage, B49, Abschnitt 6.2.2 참조.
관 마찰계수를 계산하기 위해서, 먼저 계수 파이를 결정한다, Dubbel, Taschenbuch fuer den Maschinenbau, 19. Auflage, B50, Abschnitt 6.2.3 참조. 계수 파이에 슬롯의 폭(B) 대 깊이(D)의 비를 대입하는데, 본 발명에 따르면 상기 비는 바람직하게는 1.5 내지 3.5의 값을 갖고 홈이 형성된 공지의 베어링의 홈의 깊이(T)와 폭(B)의 비와는 크게 구별된다. 예로서, 본 발명에 따른 베어링의 경우에 상기 비는 도 8에 도시되어 있고 동일한 치수의 홈이 형성된 공지의 베어링의 비와 각각 비교한다.
다음, 층류(레이놀즈수 < 2300)와 난류(레이놀즈수 > 2300)를 가정하여 Dubbel, Taschenbuch fuer den Maschinenbau, 19. Auflage, B48, Abschnitt 6.2에 기재되어 있는 방정식 11a를 이용하여 관 마찰(dp)로부터 압력 손실을 계산한다. 본 발명에 따른 미끄럼 베어링 쉘의 홈에 의한 오일관에서의 압력 손실은 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이 베어링 치수에 따라 바람직하게는 3.55 mbar 미만이고 중형 베어링(샤프트 직경이 55 mm를 초과하는)의 경우에는 바람직하게는 2 mbar 미만이다. 어떠한 경우에나, 하기 표에 기재되어 있는 값으로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 베어링 쉘의 구성에 기인한 압력 손실은 홈이 형성된 공지의 베어링에 비해 동일한 베어링 치수와 동일한 제한 조건에서 대형 베어링의 경우에는 적어도 2.5배만큼 감소될 수 있고, 중형 내지 소형 베어링의 경우에는 7배까지 감소될 수 있다. 이는 특히 홈의 깊이-대-폭 비(T/B)에 비해 슬롯의 깊이(D) 대 폭(B)의 비가 개선되었기 때문이다.
크랭크샤프트 메인 베어링
전형적 측정값		 승용차 (PKW)
최소값 중간값 최대값		 트럭 (LKW)
최소값 중간값 최대값
샤프트 직경 mm 50 57.5 65 80 92.5 105
전체 벽 두께(D) mm 2 2.25 2.5 2.5 3 3.5
베어링 폭 mm 14 19 24 20 25 30
베어링 체적 mm3 2243 3937 6244 6381 11074 17607
베어링 미끄럼면 mm2 1122 1750 2498 2553 3691 5030
연장 형성된 홈을 가진
비교용 베어링 		승용차
최소값 중간값 최대값		 트럭
최소값 중간값 최대값
원주방향의 홈 연장부 ° 130 150 170 130 150 170
홈 깊이(T) mm 1.2 1.45 1.7 1.4 1.9 2.4
홈 폭(B) mm 3 4.5 6 4 6 8
초기 반경이 20 mm인 홈 체적 mm3 170 418 856 448 1231 2707
유압 직경(dh) mm 1.71429 2.19328 2.64935 2.07407 2.88608 3.69231
오일 유속 L/분 2.34 2.58 3.02 3.06 3.87 4.95
유속 mm/s 10833.33 6590.04 4934.64 9107.14 5657.89 4296.88
레이놀즈수 -- 3223.91 2509.10 2269.51 2376.68 2054.59 1996.25
유동 상태 -- 난류 난류 층류 난류 층류 층류
홈의 T/B비 -- 0.40000 0.32222 0.28333 0.35000 0.31667 0.30000
계수(파이) -- 1.02559 1.08252 1.11656 1.06055 1.08714 1.10149
관 마찰수(람다) -- 0.04199 0.04471 0.03149 0.04532 0.03386 0.03531
관 마찰(dp)에 의한 압력 손실 bar 0.01300 0.00532 0.00223 0.01316 0.00365 0.00221
베어링의 질량(mL) kg 0.01631 0.02754 0.04202 0.04680 0.07726 0.11646
홈 내 오일 질량(mO) kg 0.00016 0.00039 0.00079 0.00041 0.00111 0.00241
오일 질량/베어링 질량 -- 1.0% 1.4% 1.9% 0.9% 1.4% 2.1%
슬롯을 가진 본 발명에 따른
베어링 		승용차
최소값 중간값 최대값		 트럭
최소값 중간값 최대값
원주방향의 슬롯 연장부 ° 130 150 170 130 150 170
슬롯 폭(B) mm 3 4.5 6 4 6 8
슬롯 체적 mm3 347 777 1474 922 2215 4434
유압 직경(dh) mm 2.40000 3.00000 3.52941 3.07692 4.00000 4.86957
오일 유속 L/분 2.34 2.58 3.02 3.06 3.87 4.95
유속 mm/s 6500.00 4246.91 3355.56 5100.00 3583.33 2946.43
레이놀즈수 -- 2708.08 2211.73 2055.91 1974.47 1803.48 1805.30
유동 상태 -- 난류 층류 층류 층류 층류 층류
슬롯의 D/B비 -- 0.66667 0.50000 0.41667 0.62500 0.50000 0.43750
계수(파이) -- 0.91847 0.97153 1.01518 0.92822 0.97153 1.00299
관 마찰수(람다) -- 0.04386 0.02811 0.03160 0.03009 0.03448 0.03556
관 마찰(dp)에 의한 압력 손실 bar 0.00355 0.00103 0.00079 0.00187 0.00109 0.00080
베어링의 질량(mL) kg 0.01518 0.02528 0.03815 0.04352 0.07066 0.10510
홈 내 오일 질량(mO) kg 0.00028 0.00062 0.00117 0.00074 0.00177 0.00354
오일 질량/베어링 질량 -- 1.8% 2.4% 3.1% 1.7% 2.5% 3.4%
참조부호 리스트
10'-10"" 슬롯
11 미끄럼면
12 노출부
13 테이퍼부, 원뿔형 부분
14,14' 슬롯의 원주방향 단부
15 웹
16, 16' 및 16" 테이퍼부, 협착부
17, 17' 확장부
20 크랭크샤프트
22 샤프트 저널
24 크랭크샤프트 메인 베어링
26 상부 미끄럼 베어링 쉘
28 하부 미끄럼 베어링 쉘
38 리프팅 저널
44 연결 홀
46 홀 부분
48 커넥팅로드
50 커넥팅로드 대단부
52, 54 부분면
α 슬롯 길이의 각도
β 테이퍼부의 시작 위치와 미끄럼 베어링 쉘 단부 간 거리의 각도
B 슬롯의 폭
D 재료 두께, 미끄럼 베어링 쉘의 두께
FS 슬롯의 면적
FG 전체 미끄럼 면적
FSt 웹의 면적

Claims (11)

  1. 크랭크샤프트 메인 베어링(24)용 미끄럼 베어링 쉘로서, 원주방향으로 90 내지 170°의 각에 걸쳐 연장되어 있고 상기 미끄럼 베어링 쉘(26)의 원주방향 양단에서 폐쇄되어 있으며 상기 미끄럼 베어링 셀을 반경방향으로 관통하여 형성되어 있는 슬롯(10)과 그 외에 상기 미끄럼 베어링 쉘의 내측에 오일 홈이 없는 미끄럼면(11)을 갖고 있는 미끄럼 베어링 쉘.
  2. 제1항에 있어서, 슬롯(10)이 원주방향으로 130 내지 165°의 각에 걸쳐 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 쉘.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 원주방향 단부 각각의 내측면에 노출부(12)를 갖되 슬롯(10)의 단부가 원주방향으로 2개의 노출부 전방까지 이어져 있는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 쉘(26).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬롯이 원주방향 양단(14) 중 적어도 하나를 향해 축 방향으로 끝이 가늘어지도록 테이퍼된 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 쉘.
  5. 제4항에 있어서, 테이퍼부(16)가 미끄럼 베어링 쉘(26)의 원주방향 단부 전방 30° 내지 60°의 범위에서 형성되기 시작하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 쉘(26).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 슬롯(10)이 원주방향 양단(14)에서 만곡되어 있는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 쉘(26).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 슬롯(10)이 미끄럼 베어링 쉘의 정점을 향해 축 방향으로 끝이 가늘어지도록 테이퍼되어 있는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 쉘(26).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 슬롯(10)이 전체 미끄럼 면적(FG)에 대해 12% 내지 28%, 바람직하게는 14% 내지 25%의 면적(FS) 비율을 차지하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 쉘(26).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 슬롯(10)이 하나 이상의 웹(15)에 의해 가교되고 웹(15)은 전체 중에서 상기 웹을 포함하는 슬롯의 면적(FS) 비율이 20%를 넘지 않는, 바람직하게는 10%를 넘지 않는 면적(FSt)을 차지하는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 쉘(26).
  10. 제9항에 있어서, 웹(15)이 미끄럼 베어링 쉘의 재료 두께보다 반경방향으로 평탄한 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 쉘(26).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 슬롯(10)이 최대 폭(B)을 갖고 미끄럼 베어링 쉘(26)의 두께(D)에 대한 최대 폭(B)의 비가 1.5 내지 3.5인 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링 쉘(26).
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