중량 감소형 베어링 캡
한국과학기술정보연구원 전 문 연 구 위 원 최 창 학 (changhchoi@reseat.re.kr)
1. 머 리 말
○ 이 발명은 일반적인 엔진부품 중에서 베어링 캡(bearing cap)의 중량감소 특성과 관련된 것이다. 왕복동 피스톤 엔진에서 왕복운동을 하는 부품들 의 질량과 움직임으로 인하여 진동력이 발생하는데 이를 상쇄할 목적으 로 밸런스 웨이트(balance weight)가 달린 밸런스 샤프트(balance shaft)를 종종 장착한다. 밸런스 웨이트는 평형추의 열할을 하여 엔진 운전 중에 왕복동 운동을 하는 부품에 의해 발생되는 진동력을 상쇄시켜 준다.
○ 전형적인 왕복동 엔진에서는 종종 밸런스 샤프트를 사용하며 한 쌍으 로 하여 엔진 실린더 블록(engine cylinder block) 아래 오일 팬(oil pan) 내에 위치하게 된다. 밸런스 샤프트는 서로 연결되어 있으며 크랭 크샤프트(crankshaft)의 회전력을 전달받는다. 밸런스 샤프트는 통상 체 인이나 벨트 등을 통하여 크랭크샤프트와 연결되며, 크랭크샤프트와는 반대방향 2배속으로 회전한다. 그 결과 밸런스 샤프트의 진동력과 엔진 의 진동력이 평형을 이루며 상쇄된다.
○ 일반적으로 이러한 밸런스 샤프트는 몇 군데 위치에서 엔진에 확고히 지지된다. 밸런스 샤프트의 회전 시 상당한 양의 평형토크(balance torque)가 생성되므로, 샤프트는 엔진의 운전 중 확고한 위치가 보장되 도록 충분히 견고한 베어링 구조로 지지되어야 한다. 밸런스 샤프트는 베어링 캡에 의해 저널(journal)부가 밸런스 샤프트를 확실히 붙잡도록 설계된다. 이러한 베어링 캡은 보통 주철제 일체형으로 제작되며 상하 두 부분으로 나뉘는데 US 특허 No. 5,535,643으로 공개되어 있다.
○ 저널부의 강도를 높이기 위한 한 방법으로 베어링 캡은 빌릿(billet)강 이나 견고한 재료로 주물이나 가공 공정에 의해 만들어 진다. 그 다음 밸런스 샤프트를 저널부에 삽입 고정하기 위하여 저널부에 취부용 구
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멍가공을 한다. 자동차 부품의 중량감소, 강도와 가공성의 증대 그리고 원가절감은 자동차 산업에서 끊임없이 요구되는 조건이다.
2. 발 명 의 요 약
○ 이와 같은 장치와 방법을 이용하여 중량을 감소시킨 베어링 캡은 밸런 스 샤프트를 엔진에 고정시키는 데에 사용되며, 구조적인 온전성 (structural integrity)은 그대로 유지되고 가공후 마무리 작업이 줄어 원 가절감의 효과도 있다. 베어링 캡의 몸체(body)부에는 베어링면 (bearing surface), 외부면(exterior surface), 오목면(recess surface) 그리 고 받침면(abutment surface)이 있다.
– 받침면은 평평한 면을 따라 엔진과 연결되고, 베어링면은 베어링 캡 이 베어링 샤프트(bearing shaft)를 붙잡아 엔진에 고정시키며, 오목 면은 외부면으로부터 베어링 캡의 몸체 안쪽으로 파여져 있어서 중 량을 줄여준다.
– 이 오목면의 위치와 모양 그리고 크기는 밸런스 샤프트를 엔진에 고 정시키는데 베어링 캡의 충분한 구조적 온전성을 보장할 수 있어야 한다. 베어링 캡은 형(mold)안의 오목부(cavity)에서 다이(die)를 사용 하여 재료를 압축시켜 성형이 되는데 이 오목부 안에 돌출부 (protrusion)를 두어 베어링 캡의 오목부를 만든다. 이 오목부가 베어 링 캡의 중량을 줄여주며 다이가 닿는 부위가 베어링 캡의 받침면이 된다.
3. 발 명 의 내 용
○ 베어링 캡은 금속 또는 다른 견고한 물질로 성형되는데, 두 개의 받침 면과 베어링면 그리고 양쪽의 외부면 내에 한 쌍의 측면(side surface) 과 상면(top surface)이 있다. 또한 베어링 캡에는 네 개의 볼트공 (apertures)이 있는데 상면에서 받침면까지 몸체를 관통한다.
– 몸체의 중량을 줄여주는 특징으로서 상면에서부터 아래쪽으로 측면 을 따라 오목부위가 있다. 외부면으로부터 몸체의 일부를 제거하여 베어링 캡의 강성을 유지하면서도 중량을 줄인다. 베어링 캡은 직간 접으로 엔진과 짝이 맞도록 설계된다.
○ 볼트나 다른 체결구가 4개의 볼트공을 관통하여 엔진 쪽 나사공에 체 결된다. 또는 볼트가 어느 중간부품에 체결되고 중간부품이 엔진에 고 정되어 결과적으로 베어링 캡과 엔진이 짝지워지는 방법도 있다. 베어 링 캡이 엔진에 결합될 때, 베어링 캡은 엔진 또는 중간부품과 받침면 을 따라 접촉한다. 양측 받침면은 평평하고 동일 평면상에 있어 상대면 에 효율적으로 접촉한다. 베어링면은 밸런스 샤프트를 붙잡아 엔진이나 중간부품에 고정시킨다. 두 개의 부품을 짝 맞출 때 한 개 또는 그 이 상의 중간부품을 매개로 서로 연결된다.
○ 전술한 바와 같이 몸체에는 중량을 줄이기 위한 오목면들이 있는데 구 조적 온전성을 유지하면서 최대한 무게를 줄여야 한다. 그림에서 보는 바와 같이 상면에도 중간 양 끝단으로 중량을 줄이기 위해 파낸 오목 한 부분이 있다. 이 경우에도 물론 베어링 캡의 온전성은 유지된다. 네 군데의 오목면은 측면 내에 있으며 상면과 만나는 곳부터 길게 시작되 어 받침면의 가까운 데까지 연장된다. 오목면의 끝부분에는 좌대(ledge) 부분이 받침면 바로 가까이에 있다. 좌대부분은 측면에 직각방향인데 받침면 근처에서 멈추는 것은 받침면 면적을 최대로 하기 위함이다.
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○ 만약 오목면이 끝까지 진행하여 측면과 받침면과 만나게 된다면 받침 면의 면적이 줄게 되고 이것은 베어링 캡의 받침면과 엔진의 상대면의 피로를 증가시켜 베어링 캡의 조기파열을 초래할 수도 있다. 각 오목면 은 한 쌍의 볼트공 사이에 위치하는데 이 위치는 베어링 캡의 구조적 온전성에 영향을 주지 않는다.
– 또한 반드시 이 위치가 아니라 하더라도 중량감소로 베어링 캡의 구 조적 온전성이 영향받지 않는다면 측면 내에서 다른 위치가 될 수도 있을 것이다. 베어링 캡은 형(mold)과 다이(die)를 이용하여 성형공정 으로 만들어 진다.
○ 형에는 요부(cavity)가 있어 이에 의해 베어링 캡의 모양이 정해진다. 재 료를 이 안에 넣고 다이로 압축하면 접촉면이 한 외부 측면이 되면서 베어링 캡의 모양이 성형된다. 보통의 베어링 캡 조형 재료는 분말금속 인데 형 내에서 압력을 가해 성형된 후에는 소결(燒結)처리를 하여 베어 링 캡이 된다. 이렇게 만들어진 부품은 최종 완성품과 별로 차이가 없어 거의 가공공정 없이 최종 형태가 된다. 특히 두 받침면, 베이링면 그리 고 양 측면부는 이렇게 만들어지고 다이가 닿는 곳은 상면이 성형된다.
– 말하자면, 보통 베어링 캡은 똑바로 세운 위치에서 조형되지만, 본 발명품은 좌대가 걸려 빠져 나오지 않게 되므로 세운 위치에서는 조 형할 수 없으며 뒤집어서 거꾸로 위치(역위치)에서 베어링 캡을 조형 하여야 한다. 다이에 접촉하는 면은 받침면과 베어링면이 된다. 베어 링 캡을 거꾸로 위치에서 성형하는 것은 설계와 중량감소를 시키는 데 탄력성이 있게 된다. 중량감소 목적을 위한 대부분의 설계에서는 가능한 최대의 받침면 접촉면적을 확보하고, 측면과 상면의 외부 칫 수가 받침면의 접촉면적 외부 치수보다 작게 되도록 시도한다.
– 그러므로 역위치에서의 베어링 캡 성형은 인발 시의 걱정을 덜어 준 다. 중량감소를 위한 오목한 부위나 홈 부위는 금형의 내부에서는 돌 출부가 되며 이것은 재료의 양을 줄여 주고 베어링 캡의 전체 중량 을 줄여 준다. 베어링 캡의 역위치 성형방법의 별안으로는 형을 두 부분으로 분리시키는 방법이다. 이 경우 베어링 캡은 정위치와 역위
치 모두 가능하다. 일단 베어링 캡이 성형된 후 형의 두 부분을 분리 시켜 베어링 캡을 분리해 낸다.
4. 발 명 의 효 과
○ 같은 강도와 목적을 달성하면서 중량을 줄이는 것은 모든 기계장치에 서 필요한 일이지만, 특히 자동차 관련 부품에서는 필수이다. 그것은 재료와 가공 공수를 줄여 제조원가 절감에도 기여하지만 차량의 총중 량을 줄여서 차량가격과 운행비용 절감에도 기여하기 때문이다.
○ 이 발명은 엔진의 여러 베어링 캡 중에서 특히, 밸런스 샤프트용 베어 링 캡의 중량을 줄이되, 구조적 온전성을 그대로 유지하고 엔진과의 조 립 접촉면적을 늘려 피로현상에 의한 문제점도 예방하였다는 점에서 소결합금을 이용한 다른 베어링 캡의 설계제작에도 활용할 수 있을 것 으로 본다.
출처 : Metal-Dyne Company Llc, “Bearing cap with weight reduction features”, Pct, WO 2007033139, 2007, pp.1~18
모니터링분석 6
◁전문가 제언▷
○ 왕복동 피스톤 엔진에서는 그 운동 특성상 진동이 많이 발생한다. 그러 므로 엔진의 사용목적과 용도에 따라서는 이러한 진동력을 상쇄시킬 목적으로 밸런스 웨이트가 달린 밸런스 샤프트를 종종 장착하여 엔진 의 진동력과 밸런스 샤프트의 진동력을 평형시켜 진동을 저감시킨다.
그런데 이러한 밸런스 샤프트는 몇 군데의 저널부에서 베어링 캡으로 확고히 엔진에 지지되어야만 밸런스 샤프트의 회전 시 생성되는 상당 한 양의 평형토크(balance torque)를 감당할 수 있게 된다.
○ 따라서 베어링 캡의 역할이 매우 중요하다. 이 경우 베어링 캡은 높은 강도를 지닌 소재로 단조나 주물제로 만들어 기계가공을 거치기도 하 지만, 충분한 강도를 유지하면서도 기계가공 공수를 현저히 줄일 수 있 는 소결(sintering)합금 공정을 많이 사용한다. 한편 같은 강도와 목적 을 달성하면서도 부품의 중량을 최대한 줄이는 것은 원가와 비용 절감 을 포함하여 여러 가지 이유에서 반드시 필요한 설계 시 착안사항이다.
○ 본 발명은 이와 같은 밸런스 샤프트용 소결제 베어링 캡의 중량을 줄 이기 위한 고려사항들에 관한 것으로서 전제조건은 베어링 캡의 구조 적인 온전성(structural integrity)은 그대로 유지되어야 한다는 것이다.
주요 내용은 네 군데의 양 볼트공 사이 외부 측면에 오목면(recess surface)을 만들되 받침면(abutment surface) 위의 일정위치에 좌대 (ledge)를 둔다. 그리고 상면의 중간부 양 끝단에도 중량감소용 오목부 를 설치하는 것이다. 성형 위치도 정치법(正置法)보다 도치법(倒置法)이 나 분할(分割)방식을 사용하여 인발(引拔)을 용이하게 해준다.
○ 베어링 캡의 형상과 개념으로 미루어 볼 때, 소형보다는 중대형 중저속 엔진, 특히 자동차용보다는 선박용이나 산업용일 가능성이 크다. 또한 그에 따라 체결용 볼트공이 한쪽에 두 개씩 있으므로 그 사이에 중량 감소를 위한 오목면을 설치할 수 있었다고 본다. 그리고 재료가 정밀한 소결합금이므로 금형을 제작할 때부터 고려할 수 있었으나, 만약 단조 나 주물일 경우 제조편차가 커서 가공이 필요하다면 기계가공의 비용 을 포함한 원가절감형 중량감소를 판단하여야 할 것이다.
