베어링 캡 어셈블리
한국과학기술정보연구원 전 문 연 구 위 원 최 창 학 (changhchoi@reseat.re.kr)
1. 머리말
○ 본 발명은 엔진 고유의 불평형력(imbalance forces)을 삭감하거나 줄이 기 위한 베어링 캡 어셈블리(bearing cap assembly)에 관한 것으로서 밸런스 샤프트(balance shaft)의 하우징(housing) 지지구조 개선에 대한 것이다. 왕복동식 피스톤 엔진(piston engine)에서는 왕복동 부품들의 질량으로 인하여 불평형력이 발생한다.
– 예를 들면 엔진의 실린더(cylinder) 운동이 진동력을 발생시켜 흔들림 이나 불안정 모멘트(moment), 또는 크랭크샤프트(crankshaft)와 반대 방향의 회전력 등을 유발한다. 이러한 힘들을 제거하거나 줄이기 위 해서 밸런스 웨이트(balance weight)가 달린 밸런스 샤프트를 설치하 게 되며 실린더 블록(cylinder block) 하부의 오일 팬(oil pan) 내 케 이싱(casing)위에 지지된다. 크랭크샤프트의 구동력이 체인(chain)이나 기어(gear)와 같은 방법으로 전달된다.
– 보통 밸런스 샤프트는 밸런스 웨이트를 크랭크샤프트의 2배속 반대 방향으로 회전시킨다. 밸런스 웨이트는 두개의 동일 질량을 밸런스 샤프트의 반대쪽 끝단에 위치시켜 엔진회전력과 크기는 같고 방향은 반대인 반경방향 힘을 만들어 낸다. 일반적으로 밸런스 샤프트는 몇 군데의 지지점이 있다. 또한 엔진의 진동을 상쇄하기 위한 상당량의 평형토크(balancing torque)가 생성되므로 밸런스 샤프트는 충분히 견고한 베어링 구조(bearing structure)에 의하여 지지되어야 한다.
○ 베어링 캡은 밸런스 샤프트를 받아 지지하기 위한 저널부(journal portion)가 있다. 베어링 캡의 구멍가공은 정밀해야 하며 종종 베어링 캡 어셈블리에 균열을 초래하기도 한다. 베어링 캡 어셈블리 제조에서 기계가공과 공정시간은 적을수록 좋다. 또한 중량은 줄이고 강도와 가
공성은 올리며 제조원가는 끊임없이 절감하여야 하는데, 본 발명은 그 러한 요구를 만족시킨다. 베어링 캡 어셈블리를 모듈화(modular)하고 저널부를 정밀한 파단분리(fracture splitting) 방식으로 만든다.
2. 발명의 요약
○ 본 발명의 목적은 엔진의 운전 중에 생기는 진동이나 회전력 같은 불 평형력을 없애거나 줄이는 것이다. 크랭크샤프트 보어(crankshaft bore) 와 적어도 하나 이상의 베어링 캡을 가진 베어링 캡 어셈블리를 소개 한다. 크랭크샤프트 보어는 엔진의 크랭크샤프트를 밸런스 샤프트에 연 결시켜주고 베어링 캡은 밸런스 샤프트를 견고하게 지지하여 밸런스 샤프트가 회전하여 불평형력을 감쇄시키도록 해준다.
– 베어링 캡은 분말금속으로 압축과 소결(sinter)의 공정을 거치는데 밸 런스 샤프트에 꼭 맞게 만들어 기계가공을 적게 하고 재료를 줄이며 원가를 절감한다. 밸런스 샤프트의 수에 따라 적정한 수의 베어링 캡 으로 지지되어 베어링 캡 어셈블리가 형성된다.
<그림 1> 베어링 캡 어셈블리
3. 발명의 내용
○ 베어링 캡 어셈블리는 최소한 하나 이상의 베어링 캡이 하판(lower plate)에 연결되어 있다. 베어링 캡은 크기와 형태가 밸런스 샤프트를 수용하도록 되어 있다. 베어링 캡은 두 개의 샤프트 보어를 갖고 있으 며 베어링 캡 어셈블리는 두 개의 밸런스 샤프트를 수용하는 크기와 형태를 가지고 있다. 각 베어링 캡은 해당 미니-캡(mini-cap)과 상판 (upper plate)에 연결되어 있고 필요 시 베어링 캡으로부터 분리할 수 있다. 베어링 캡과 미니-캡은 파단 분리시켜 정밀한 접촉면을 형성한다.
○ 상판은 미니-캡을 베어링 캡과 고정시키며 조립위치에서 미니-캡은 미 니-캡과 베어링 캡 사이에 있게 된다. 미니-캡 볼트로 미니-캡과 베어링 캡은 확고히 체결된다. 미니-캡을 베어링 캡에 조합하여 샤프트 보어 내에 샤프트 저널을 견고하게 맞추고 밸런스 샤프트를 확고히 지지한 다. 그렇게 함으로써 밸런스 샤프트를 축방향으로 샤프트 보어 내로 삽 입시키게 된다.
– 예를 들어 구멍가공을 한 샤프트 보어가 헐거우면 밸런스 샤프트에 서 진동과 소음이 생기게 되고 밸런스 샤프트에 모멘트가 생겨 엔진 의 불평형력을 감쇄시키는 효율이 저하된다. 베어링 캡에는 크랭크샤 프트 보어가 있고 베어링 캡 어셈블리가 엔진에 장착된다. 크랭크샤 프트 보어는 베어링 캡의 반대편 끝쪽의 중앙부에 위치한다. 따라서 크랭크샤프트 보어는 베어링 캡 어셈블리가 엔진에 조립될 때 두 개 의 밸런스 샤프트 사이 위치에 수용된다.
– 베어링 캡 어셈블리에는 미니-캡 베어링 캡과 메인 베어링 캡이 있어 하판이 이들을 연결하여 준다. 또한 베어링 캡 어셈블리에는 두 개의 메인 베어링 캡과 세 개의 미니-캡 베어링 캡이 있어 이들 모두가 베 어링 캡 어셈블리를 구성한다. 하판은 메인 베어링 캡(main bearing cap)의 상부에 위치하여 미니-캡 베어링 캡과 연결되고, 상판은 미니- 캡과 미니-캡 베어링 캡을 연결하여 밸런스 샤프트 저널을 가진 샤프 트 보어를 형성한다.
○ 상판과 하판은 함께 베어링 캡 어셈블리의 모듈구조를 구성한다. 각각
의 미니-캡은 미리 미니-캡 베어링 캡으로부터 분리시킨 후 밸런스 샤 프트를 미니-캡 베어링 캡의 위로 삽입하여 조립하고, 미니-캡으로 밸 런스 샤프트를 견고하게 미니-캡 베어링 캡에 고정시킨다. 한편 메인 베어링 캡에 대한 미니-캡의 모듈조합 방식은 크랭크샤프트와 밸런스 샤프트를 효과적으로 연결시키거나 또는 엔진으로 기인한 불평형력을 효율적으로 감쇄시키기 위해 약간의 변경과 수정 또는 재구성시킬 수 있다. 베어링 캡 어셈블리의 모듈조합 방식은 견고성을 증대시킨다.
– 상판은 미니-캡과 베어링 캡의 상대위치를 적절하게 맞추어 베어링 캡 어셈블리가 엔진에 결합되도록 하여준다. 모듈방식 조합의 또 다 른 이점은 비교적 가벼운 부품들인 베어링 캡 성상(性狀)의 실제 모 습을 잘 유지해 주며, 허용 가공공차를 늘려 베어링 캡 어셈블리의 제작을 용이하게 하여준다. 여기에 더하여, 베어링 캡 어셈블리의 제 조에 필요한 자본재 투자비용을 낮추어 전체적인 소비자 원가가 내 려가게 된다.
– 뿐만 아니라, 모듈방식은 베어링 캡 어셈블리의 교체나 수리 시 전체 가 아닌 일부만으로도 가능하여 원가에도 유리한 장점이 있다. 각각 의 미니-캡 베어링 캡과 메인 베어링 캡은 크랭크샤프트 보어에 엔진 크랭크샤프트를 베어링 캡 어셈블리로 연결시켜준다. 하판은 미니-캡 베어링 캡과 메인 베어링 캡을 정렬하여 엔진의 크랭크샤프트와 베 어링 캡 어셈블리를 적절히 맞추어 준다.
○ 와셔부 탑재볼트(mounting bolts with ferrules)로 하판을 미니-캡 베어 링 캡과 메인 베어링 캡에 압력을 가하여 단단히 고정시키고, 미니-캡 볼트도 테두리가 달려 상판과 미니-캡을 미니-캡 베어링 캡에 고정하는 데 사용한다. 메인 베어링 캡은 기계가공 작업이 별로 없으나 미니-캡 베어링 캡은 기계가공을 필요로 한다. 예를 들어 미니-캡 베어링 캡의 미니-캡 접촉 파단면 부위는 가공을 한다. 베어링 캡에는 중공핀 (hollow dowels)을 박아 작업구(fixture nest)에 조립하여, 베어링 캡 어 셈블리를 엔진에 설치하고, 함께 동시에 라인 보링(line boring)을 하여 일체화한다.
4. 발명의 효과
○ 왕복동식 피스톤엔진 고유의 진동을 일으키는 불평형력을 줄이거나 상 쇄시키기 위하여 특별히 고안된 베어링 캡 어셈블리이다.
○ 두 개의 밸런스 샤프트를 수용할 수 있으며 상판과 하판으로 베어링 캡과 미니-캡 그리고 메인 베어링 캡과 미니-캡 베어링 캡을 연결시켜 주며 모듈방식을 채택하여 수정과 변경을 용이하게 해주었다. 베어링 캡 재료는 소결합금으로 기계가공을 줄이고 제조비용을 낮추어 소비자 원가를 내렸다.
출처 : Metal-dyne company, LLC, "Bearing cap assembly", Pct, WO2007005998, pp.1~17
◁전문가 제언▷
○ 왕복동식 피스톤 엔진에서는 속성상 불평형력(imbalance forces)이 발생 하며 진동과 소음의 원인이 된다. 따라서 이를 최대한 줄여 정숙한 운 전을 얻어야 하는데 이를 위하여 종종 밸런스 웨이트가 달린 밸런스 샤프트를 설치하며 구동은 크랭크샤프트로부터 체인이나 기어 등으로 동력을 전달받는다. 이 경우 밸런스 샤프트는 크랭크샤프트의 2배속 반 대방향으로 회전시킨다.
○ 본 발명은 두 개의 밸런스 샤프트를 적용한 특정 경우로서 특별히 고안 된 베어링 캡 어셈블리(bearing cap assembly)에 관한 것으로 밸런스 샤 프트의 정확한 상대위치와 견고한 지지구조를 확고히 보장하기 위해 상 하 두 개의 플레이트(plate)로 하여금 크랭크샤프트와 밸런스 샤프트용 모든 상하 베어링 캡과 저널부(journal portion)를 수용하여 일체화 함으 로써 조립을 용이하게 하며 효율적인 불평형력의 상쇄효과를 얻었다.
○ 또한 베어링 캡 어셈블리는 모듈화(modular)하여 효율적인 상호연결을 꾀하고 필요 시 약간의 변경과 수정 내지는 재구성이 전체가 아닌 일 부의 적용만으로 가능하도록 하였다. 또한 소결(sintered) 합금제 베어 링의 특성으로 정밀제조를 통해 기계가공을 대폭 줄이고, 특히 파단분 리(fracture splitting) 방식을 적용하여 정확한 조립이 가능하게 되었다.
따라서 전체적으로 상당한 투자비와 제조원가의 절감을 가져왔다.
○ 본 발명은 그 구성과 개념으로 볼 때 고속보다는 중저속, 소형보다는 중대형 그리고 자동차용보다는 선박용이나 산업용 엔진의 경우에 해당 한다고 생각된다. 왜냐하면 자동차용 고속엔진의 경우에는 질량이 적고 회전수가 빠르기 때문에 크랭크샤프트에 달린 카운터 웨이트(counter weight)상 불평형(unbalance) 천공만으로도 충분한 평형력을 기대할 수 있기 때문이다. 그러나 밸런스 샤프트가 적용되는 경우에 본 발명은 간 단하고 저렴한 비용으로 최대의 효과를 낼 수 있고 적용이 용이해 응 용의 여지가 많다고 본다.
