KR950011949B1 - 무작위로 형성된 미소한 오목홈을 구비한 기계부품 - Google Patents

무작위로 형성된 미소한 오목홈을 구비한 기계부품 Download PDF

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엔티엔 가부시끼가이샤
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Abstract

내용 없음.

Description

무작위로 형성된 미소한 오목홈을 구비한 기계부품
제1도는 롤링베어링의 제1실시예의 단면도.
제2도는 롤링베어링의 제2실시예의 단면도.
제3도 및 제4도는 측정된 롤링요소의 표면 거칠기를 도시한 그래프.
제5도는 수명 테스트에서 사용한 니들 베어링의 단면도.
제6도는 수명 테스트장치의 개략도.
제7도 및 제8도는 수명 테스트의 결과를 도시한 그래프.
제9도 내지 제13도는 본 발명의 다른 실시예의 단면도.
제14도는 기계부품의 슬라이딩 표면의 표면 거칠기를 도시한 그래프.
제15도는 경사진 로울러 베어링의 단면도.
제16a도 및 제16b도는 늘어붙음 저항, 베어링의 회전토오크, 미소한 오목홈의 면적비의 측정을 도시한 그래프.
제17도는 종래기계부품의 수직단면도.
제18도는 종래 스러스트 와셔의 사시도.
본 발명은 롤링표면을 갖추고 있으며, 결합표면이 거친 표면 또는 정밀하고 매끄러운 표면인지 관계없이 오랜 수명을 나타내는 롤링베어링과 같은 기계부품에 관한 것이다.
본 발명은 또한 스러스트 하중을 견디면서 슬라이딩 접촉을 하도록 채택된 슬라이딩 표면을 갖춘 기계부품에 관한 것이며, 더욱 상세히는 자동차등에 장착되는 에피사이클 감속기어의 피니언 기어 유니트에서의 스러스트 와셔, 트랜스미션에 설치되는 스러스트 파셔, 그리고 로울러 종동부와 캠 종동부와 같은 스러스트 방향으로 위치결정 시키는 플랜지를 갖춘 로타리부재와 같은 기계 부품에 관한 것이다.
롤링 표면의 표면 거칠기가 롤링베어링에서 내부 및 외부링 그리고 롤링요소의 롤링 피로수명에 영향을 미치는 중요한 요소의 하나라는 것은 잘 알려져 있다. 더욱 매끄럽게 롤링 표면을 마무리 할수록 롤링 피로수명이 길어질 것이라는 것은 잘된 표면을 갖추는 것이 필수적인 아니라는 것이 발견되었다.
이러한 롤링요소는 롤링표면상에 임의의 방향으로 땔어 있고 0.3 내지 0.8미크론의 최대 거칠기를 갖춘 스크래치(scratch : 긁힘자국)가 형성된 거친표면을 갖추고 있다. 이러한 롤링요소는 오히려 긴 수명을 가진다는 것이 밝혀졌다. 하지만 결합표면이 잘 마무리된 표면이라면 접촉 표면 사이에 오일필름층의 형성이 충분치 않다.
이것은 축의 마모 또는 벗겨짐을 야기할 수 있다. 그러므로 이러한 롤링요소는 잘 마무리된 접촉표면을 갖춘 축과 함께 사용될 수 없다.
제17도는 에피사이클 감속기어의 피니언 기어유니트에 사용되는 스러스트 와셔를 도시하고 있다. 기어(43)는 니들 베어링(42)를 통해서 핀(41)상에 회전가능하게 설치되어 있다. 지지 링(44)은 기어(43)의 양측에서 핀(41)의 외주상에 고정되어 있다. 스러스트 와셔(45)는 지지링(44)과 기어(43)사이에 설치되어 있다.
스러스트 와셔(45)는 스러스트 하중을 견디면서 기어(43)와 지지링(44)을 슬라이딩 접촉되도록 채택된 슬라이딩 표면으로 양측에 형성되어 있다.
그러므로, 높은 늘어붙음방지 특성이 이러한 스러스트 와셔를 위해 요구된다.
그러므로, 제18도에 도시된 바와 같이 슬라이딩 표면상에 윤활유의 흐름을 촉진하기 위해 방사상 홈(46)이 슬라이딩 표면에 형성된 스러스트 와셔(45)가 사용된다.
또한 늘어붙음을 방지하기 위해서 스러스트 와셔용 재질의 개량이 이루어졌다.
예를 들면 구리와 같은 연성재질이 스러스트 와셔용으로 채택되었다.
하지만, 홈(46)이 슬라이딩 표면에 형성된 스러스트 와셔에 있어서, 만약 윤활유의 양이 작다면 윤활은 홈(46)으로부터 원격이 부분에서는 빈약해질 것이다.
홈(46)의 수가 증가한다면 접촉면적은 줄어들고 그러므로 허용가능 스러스트 하중이 줄어들게 된다. 그러므로 이러한 해결책은 실행 불가능하다.
더욱이 연성재질로 만든 스러스트 와셔는 허용가능한 표면 압력이 작다는 단점이 있다. 그러므로 이러한 스러스트 와셔는 사용 불가능하다.
본 발명의 목적은 오일 필름이 용이하게 형성되는 것을 허용하며, 거친 표면 또는 매끄러운 표면에 사용하는가에 관계 없이 오랜 수명을 유지하는 롤링베이링용 기계 부품을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 스러스트 하중을 견디면서 슬라이딩 접촉을 하도록 채택된 슬라이딩 표면상에 오일필름의 충분한 형성을 허용하고, 윤활성을 개선함으로써 늘어 붙음을 방지할 수 있고 허용가능한 스러스트 하중을 증가시키며 내성을 개선할 기계부품을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 롤링요소는 무작위(random)로 형성된 복수의 미소한 오목홈(minuterecess)을 구비한 표면을 갖추고 있다. SK값은 길이방향 및 원주방향 양방향으로 0이하로 설정된다. 또한 전체적인 표면에 대한 오목홈의 면적비는 10 내지 40%이다. 이것은 오일 필름 형성을 증가시키며, 결합표면은 표면거칠기에 관계 없이 마모 및 벗겨짐을 피할 수 있다. 그러므로 수명은 길어진다.
스러스트 하중을 견디면서 슬라이딩 접촉을 하도록 채택된 기계 부품의 슬라이딩 표면에서, 복수의 독립적인 미소한 오목홈은 무작위의 방향으로 형성되어 있다. 오목홈은 각각 35 내지 150평방 미크론의 평균면적을 가지며, 전체 표면 면적의 10 내지 40%을 차지한다. 그러므로 오일형성 비율은 개선되어 온도 상승과 늘어붙음을 방지한다. 결과적으로 기계부품의 수명은 증가한다.
무작위의 방향으로 형성된 미소한 오목홈은 오일 필름형상을 촉진한다.
그리고 오목홈은 오일 섬프(sump)로서도 작용하여 슬라이딩 표면상에 더욱 확실한 오일 필름형성을 이룬다. 이것은 회전동안에 토오크를 감소시킨다. 오일필름이 충분히 그리고 확실하게 슬라이딩 표면상에 형성되므로, 기계부품은 늘어 붙음에 대하여 증가된 저항을 나타내며, 토오크 및 온도 상승이 감소하게 될 것이다. 토오크의 감소와 늘어붙음에 대한 저항의 개선에 의해서 경성재질도 사용할 수 있다. 그러므로, 기계부품은 더욱 높은 표면압력을 견딜 수 있다.
이것은 역시 PV값의 개선으로 유도된다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부도면을 참조하여 아래의 설명으로부터 드러나게 될 것이다.
롤링베이링(1)의 제1실시예로서 제1도는 내부 링(2)과 외부 링(3)사이에 설치된 원통형 롤링요소(4)를 갖춘 원통형 로울러 베어링을 도시하고 있다.
롤링베어링(1)의 제2실시예로서 제1도는 외부 링(3)과 축(5)을 지지하도록 설치된 원통형 롤링요소(4)를 갖춘 원통형 니들 베어링(1)을 도시하고 있다.
제2실시예에서 축(5)은 제1실시예에서 내부 링(2)에 대응하며 축(5)의 외부 주변 표면은 롤링표면(5a)으로서 작용한다.
롤링베어링(1)의 각각의 실시예에서 롤링요소(4)의 표면 또는 내부 링(2), 외부링(3) 및 축(5)중 적어도 하나의 롤링 표면은 무작위 방향으로 배열된 미소한 오목홈이 형성된 거친 표면을 갖추고 있다. 거친 표면의 거칠기는 RMS(L)/RMS(C)비율이 1.0이하, 예컨대 0.7 내지 1.0이 되도록 결정되어야 하며, 여기에서 RMS(L)과 RMS(C)는 각각 길이방향과 원주방향으로의 롤링표면의 제곱평균제곱근(root-mean-square)을 나타낸다 표면 거칠기의 다른 매개변수인 SK값은 길이방향과 원주방향 모두에서 0 이하 이어야 한다.
상기에서 규정한 바와 같이 거칠기를 갖춘 롤링표면은 특수 배럴링(barreling)으로 형성할 수 있다.
SK값은 표면 거칠기의 분포를 도시한 곡선의 비대칭 분포를 나타낸다.
거칠기 분포가 가우스 분포곡선과 같이 대칭 곡선을 형성한다면, SK값은 0이 될 것이다. 만약 길이방향과 원주방향의 두 SK값이 0이하로 설정된다면 오일 형성층이 더욱 쉽게 형성될 수 있다.
미소한 오목홈의 전체 면적은 롤링표면 전체표면의 10 내지 40%되어야 한다.
미소한 오목홈의 평균면적은 3미크론 이하의 직경 정도를 갖춘 작은 오목홈을 제외 하고 계산하여 30 내지 150평방 미크론이 되어야 한다.
제3도는 본 발명에 따른 표면 베어링의 마무리 된 표면의 상태를 도시하며 제4도는 롤링 요소의 상태를 도시한다.
미소한 오목홈의 정량측정은 시중에 판매되고 있는 화상 분석 시스템의 사용에 의해서 확대된 상을 분석하고 롤링 요소상의 롤링 표면을 확대함으로써 이루어질 수 있다. 하얀 부분과 검은 부분은 각각 편평한 부분과 미소한 오목홈을 나타낸다. 화상분석 시스템의 사용에 의한 분석에서 오리지날 화상의 명암은 확대 필터의 사용에 의해서 확대되며, 3미크론 이하의 직경을 가진 미소한 검은 도트는 잡음 제거기의 사용에 의해서 소거된다. 소거후에도 잔류된 미소한 오목홈의 크기와 분포를 검토하고, 전체 표면적에 대한 미소한 오목홈의 면적비율은 내부 및 외부 링 그리고 롤링 요소의 롤링 표면을 평가하기 위해 측정한다.
니들 로울러 베어링의 롤링요소들은 그 표면의 미소한 오목홈의 전체 표면적에 대하여 서로 다른 면적비율, 서로 다른 평균면적, 및 서로 다른 평균 등가직경을 가지게 형성되도록 처리한다.
이들 롤링 요소의 내구성은 방사상 하중하에 테스트된다.
제5도에 도시된 바와 같이 테스트용으로 사용되는 니들 베어링은 케이지(7)에 유지된 14개의 롤링요소(4)를 갗추고 있으며, 38mm의 외경(Dr), 28mm의 내경(dr),5mm의 롤링요소(4)의 직경(D) 그리고 13mm의 길이(L)를 갖추고 있다.
사용된 수명 테스트 장치는 제6도에 도시된 바와 같이 방사상 하중 테스트(11)이다.
테스트 될 베어링은 로터리 축(12)의 양끝에 설치되며 하중하에 회전을 주어 테스트 된다.
테스트에 사용되는 내부 레이스(또는 결합축)는 0.4 내지 4미크론의 Rmax로 연삭하여 마무리된 표면을 갖추고 있다. 사용된 외부 레이스는 1.6미크론의 Rmax로 연삭하여 마무리된 표면을 갖추고 있다.
테스 조건은 아래와 같다.
방사상 하중 1465kgf
회전수 3050rpm
윤활유 터 빈오일
제7도의 그래프는 면적비율과 수명사이의 관계를 도시하며, 제8도의 그래프는 평균 면적과 수명의 관계를 도시한다.
이들 그래프는 면적 비율이 10%이상이고 평균 면적이 35평방 미크론일때 계산수명(Lh)에 대한 내구수평(L10)의 비율이 4이상임을 보여주고 있다. 말하자면 미소한 오목홈은 면적비율과 평균면적이 이들 값 이상일 때 더욱 수명이 길게 된다.
상기 테스트가 미소한 오목홈이 형성된 니들 베어링의 롤링 요소상에서 이루어졌지만 내구성에 대한 유사한 결과가 내부 또는 외부 링과 로링표면에 미소한 오목홈이 형성된 롤링 베어링상에서도 확인되었다.
면적 비율이 30%이상이고 평균 면적이 120평방 미크론 이상이라면, 유효 접촉길이는 감소하며, 수명에 미소한 오목홈의 효과는 감소한다.
제9도 내지 제13도를 참조하면 본 발명에 따른 기계 부품은 스러스트 하중을 견디면서 슬라이딩 접촉하도록 채택된 슬라이딩 표면을 갖추고 있다.
제9도 내지 제13도는 기계 부품의 특정 실시예를 도시한다.
제9도 및 제10도는 제17도에 도시된 자동차의 에피사이클 감속기어에서 피니언 기어 유니트상에 설치하도록 채택된 스러스트 와셔(21)를 도시한다.
제9도에 도시한 바와 같이, 홈(22)은 기계 부품의 양측에서 슬라이딩 표면에 형성되어 있다. 또한 제10도에 도시된 바와 같이 슬라이딩 표면은 편평하다.
제11도는 에피사이클 감속기어에 역시 사용되는 기어(23)가 도시되어 있다. 양측표면은 슬라이딩 표면으로서 작용한다.
제12도는 트랜스미션에서 기어 설치구조과 도시되어 있다. 로울러 베어링(25)을 통해 축(24)상에 기어(26)를 설치하기 위해서, 스러스트 방향으로 기어(26)를 위치 결정하기 위해 한끝에 플랜지(27)를 갖춘 로타리부재(28)는 축(24)상에 고정적으로 설치되어 있다. 로타리부재(28)의 플랜지(27)의 내부표면과 기어(26)의 끝 표면은 슬라이딩 표면으로서 작용한다.
제13도는 캠 종동부 조립체를 도시하고 있다. 캠 종동부(31)은 베어링(30)통해 축(29)에 회전식으로 설치되어 있다. 플랜지(32)는 스러스트 방향으로 위치결정하기 위해서 캠 종동부(31)의 양측에 배치되도록 축(29)주위에 구비되어 있다.
캠 종동부(31)의 양측부와 플랜지(32)의 축부 양자는 슬라이딩 표면으로서 작용한다.
상기 기계부품은 경성재질로 만들어지며 거친 표면(a)를 형성하도록 무작위 방향으로 다수의 독립적인 미소한 오목홈을 슬라이딩 표면에 특수 배럴링함으로써 형성된다.
제14도는 거친 표면(a)거칠기를 도시한 그래프이다. 본 도면에 도시된 바와 같이, 거친 표면은 오목홈이 형성되어 있으나 그 평면에 돌출부는 없다.
거친 표면(a)의 미소한 오목홈의 각각은 35 내지 150평방 미크론의 면적을 갖추고 있다. 오목홈의 전체면적은 전체 표면적의 10 내지 40% 되어야 한다.
거친 표면은 0.6 내지 2.5미크론의 Rmax값과 -1.6이하의 SK값(표면 거칠기의 매개변수)을 갖추고 있다.
매개변수 SK값은 오일필름이 가장 효과적으로 형성되도록 오목홈이 모양지워져 있고 분포되는 범위내에 있어야 한다. 슬라이딩 접촉 또는 롤링 접촉 동안에 오목홈은 오일을 접촉부에 공급하는 오일 섬프로서 작용한다.
제15도에 도시된 바와 같이 경사진 로울러 베어링에서 경사진 로울러(33)의 대경부 끝이 내부 링(34)의 대경부 플랜지(35)와 슬라이딩 접촉할때 PV값(P : 접촉 표면압력, V : 슬라이딩속도)은 특히 크게 된다. 그러므로 거친표면의 늘어붙음 저항 슬라이딩 마찰저항을 가진 경사진 로울러 베어링을 사용한다.
사용된 각각의 베어링은 외경이 72mm이인 외부링과 내경이 30mm인 내부링을 가진다. 미소한 오목홈은 다른 면적 비율로 각각의 로울러 표면에 형성했고 비교 테스트를 행하였다.
슬라이딩 부분에서 슬라이딩 마찰저항은 베어링의 회전토오크에 의해 구하였다.
늘어붙음 방지특성은 극도로 작은 양으로 윤활유를 적용하면서 늘어붙음이 발생할때까지 시간에 의해 구했다. 결과는 제16a도 및 제16b도에 도시되어 있다.
이들 도면에서 나타난 바와 같이 전체 표면에 대한 오목홈의 면적비율이 10%이상 일때 오목홈은 늘어붙음 저항과 마찰저항에 유효한 효과를 가진다.
더욱이 롤링베어링의 롤링 표면과 슬라이딩 접촉부분이 서로 밀접하게 위치하는 기계 부품의 경우에, 제12도에 도시된 바와 같이, 단지 슬라이딩 표면만을 특수 처리할때는 마스킹과 같은 특수 수단이 필요하다. 이것은 원가상승을 야기한다. 그러므로 이러한 특수 표면처리는 기계부품의 수명을 연장시킬 수 있는 것이 바람직하다.
이하 롤링 접촉동안의 거친 표면의 효과를 기술한다.
이러한 테스트에 사용된 베어링은 제5도에 도시된 바와 같이 니들 베어링이다.
다른 면적 비율로 그리고 다른 평균면적으로 표면신상에 미소한 오목홈이 형성된 로울러(4)로 제조하고, 방상상 하중하에서 수명 테스트를 하였다.
제6도에 도시된 수명 테스터가 사용되었다.
상기 테스트에 사용된 내부 레이스는 그 미크론의 Rmax로 연삭하였다.
외부 레이스는 1.6미크론의 Rmax거칠기를 마무리 하였다.
다른 테스팅조건은 아래와 같다.
베어링상의 방사상 하중 1465kgf
축의 회전수 3050rpm
윤활유 터빈오일
수명 테스트의 결과는 제7도 및 제8도에 도시된 바와 같다.
제7도는 미소한 오목홈의 면적비율 사이의 관계를 도시하고 있고, 제8도는 내구성과 미소한 오목홈의 평균 면적사이의 관계를 도시하고 있다.
면적 비율이 10%이상이고 평균면적이 35평방 미크론 이상일때 수명이 길어지는 경향이 있다는 것이 테스트 결과로부터 나타났다.
한편 면적비율이 40%이상이고, 평균 면적이 150평방 미크론 이상이면, 유효 접촉 면적의 감소로 인하여 긴 수명이 기대될 수 없다.
롤링피로수명, 늘어붙음 방지 특성 그리고 슬라이딩 마찰저항의 모든 만족을 위하여 특수 표면 처리가 이루어져야 한다.

Claims (6)

  1. 롤링 접촉을 하도록 채택된 롤링 표면을 구비한 기계 부품에 있어서, 상기 롤링표면은 복수의 미소한 오목홈이 무작위로 형성되어 있고, SK값은 길이 방향과 원주방향 모두 0이하이며, 전체의 롤링표면에 대한 상기 오목홈의 면적 비율은 10 내지 40%이며, 상기 SK값은 길이방향과 원주방향에서의 표면거칠기의 표현하는 분포곡선의 비대칭을 나타내는 것을 특징으로 하는 기계부품.
  2. 하중을 견디면서 슬라이딩 접촉을 하도록 채택된 슬라이딩 표면을 구비한 기계부품에 있어서, 상기 슬라이딩 표면은 복수의 미소한 오목홈이 무작위로 형성 되어 있고, SK값은 길이방향과 원주방향 모두 0이하이며, 전체 슬라이딩 표면에 대한 상기 오목홈의 면적비율은 10 내지 40%이며, 상기 SK값은 길이방향과 원주방향에서의 표면거칠기를 표현하는 분포곡선의 비대칭을 나타내는 것을 특징으로 하는 기계부품.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기계부품은 외부 링, 내부 링 및 롤링 요소를 구비한 롤링 베이링이며, 상기 롤링 표면은 상기 외부 링의 레이스 표면, 상기 내부링의 레이스 표면, 및 상기 롤링 요소의 롤링표면중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 기계부품.
  4. 제2항에 있어서, 상기 기계부품은 외부 링, 내부 링 롤링 요소를 구비한 롤링 베이링이며, 상기 슬라이딩 표면은 롤링 요소의 끝 표면과 상기 롤링베이링의 리브중의 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 기계부품.
  5. 제1항에 또는 제3항에 있어서, 상기 오목홈의 평균면적은 3미크론 이하의 등가 직경을 가지는 오목홈을 제외하고 35 내지 150평방 미크론인 것을 특징으로 하는 기계부품.
  6. 제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 오목홈의 평균면적은 3미크론 이하의 등가 직경을 가지는 오목홈을 제외하고 35 내지 150평방 미크론인 것을 특징으로 하는 기계부품.
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