KR101003192B1 - 단조 및 주조 접합된 크랭크샤프트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관용 및 왕복동식 공기압축기 크랭크샤프트의 크랭크 저널과 크랭크 핀 및 이들의 연결부분인 크랭크 웹으로 구성되는 크랭크샤프트에 있어서,

크랭크 저널이 양측 말단까지 일체로 단조 가공되고, 크랭크 웹은 상기 크랭크 저널과 주조 접합된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 크랭크 저널 또는 크랭크 핀을 단조로 가공하고 크랭크 웹을 주조 접합하여 외력에 대한 내구성을 필요로 하는 부분을 선택 강화시켜서 구성하였으므로 생산성을 높이고 제작단가를 낮출 수 있으며 기존의 주물 제작되는 크랭크샤프트의 불량률을 줄일 수 있어서 보다 유리한 효과가 있다.

크랭크샤프트, 단조, 주조, 주조 접합, 필렛

Description

단조 및 주조 접합된 크랭크샤프트 {CRANKSHAFT OF FORGING AND CASTING CONJUGATION}

본 발명은 크랭크샤프트에 관한 것으로, 특히 단조 가공된 크랭크 핀 및 크랭크 저널에 크랭크 웹을 주조 접합 하여 구성한 크랭크샤프트에 관한 것이다.

일반적으로 크랭크샤프트(Crankshaft)는 크랭크실내에 저널베어링에 지지되어 각 실린더의 동력 행정에서 얻어진 피스톤의 직선운동을 회전운동으로 바꾸어 엔진의 출력을 외부에 전달하는 일을 한다.

또한 내연기관용 크랭크샤프트는 일체 단조 또는 주조로 제작되며 커넥팅로드의 대단부가 연결되는 크랭크 핀과 크랭크 저널을 잇는 크랭크 웹, 크랭크샤프트의 발란스를 유지하기 위해 크랭크 웹의 반대쪽에 선택적으로 설치된 밸런스웨이트, 축을 지지하는 크랭크저널 등의 부분으로 구성되어 있다.

일반적으로 커넥팅로드와 연결되는 크랭크샤프트는 엔진 부품 중 마찰, 마모, 휨 하중, 뒤틀림 하중 등에 대한 내구성이 가장 중요한 요소로 요구되는 부품 중의 하나이다.

따라서 내구성이 강한 크랭크샤프트를 제조하기 위해서는 크랭크샤프트 전체 를 단조 가공하는 방법을 사용하는데, 그 이유는 소재 자체의 인장강도, 항복강도, 피로강도, 연신율 같은 기계적 특성이 주물보다 단조강이 더 우수하기 때문이었다.

그러나 이는 외력을 상대적으로 크게 받지 않는 크랭크 웹과 발란스웨이트까지 복잡하고 제작단가가 높은 단조 공정을 거쳐야 하는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은, 크랭크 저널 또는 크랭크 핀이 인접하는 크랭크 웹을 관통하도록 일체로 단조강으로 단조 제작하고, 주강, 주철 또는 구상 흑연 주철 등으로 형성되는 크랭크 웹은 상기 크랭크 저널 또는 크랭크 핀의 외부에서 용융하여 주조 접합하는 것을 특징으로 하여 상기 문제점을 극복하였다.

또한, 본발명은 냉각 과정에서 열팽창 계수가 작은 단조강을 내부에 배치하고 열팽창 계수가 큰 주강, 주철 또는 구상 흑연 주철 등의 용융금속을 외부에 배치하여 주조 접합함으로써 냉각 과정에서 이종 금속의 주조 접합면이 보다 견고하게 되는 구조가 가능하게 하였다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해, 크랭크 저널 또는 크랭크 핀을 단조로 가공하고 크랭크 웹을 주조 접합하여 외력에 대한 내구성을 필요로 하는 부분을 선택 강화시키며 냉각 과정에서 수축량이 적은 단조강을 내부에 배치하고 수축량이 큰 주강, 주철 또는 구상 흑연 주철 등의 용융금속을 외부에 배치하여 이종 금속의 접합면을 보다 견고히 한 것을 특징으로 하는 단조 및 주조 접합된 크랭크샤프트를 얻고자 하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에서는 단조 및 주조 접합된 크랭크샤프트가 제공된다.

본 발명에 있어서의 크랭크샤프트는,

내연기관용 및 왕복동식 공기압축기 크랭크샤프트의 크랭크 저널과 크랭크 핀 및 이들의 연결부분인 크랭크 웹으로 구성되는 크랭크샤프트에 있어서,

크랭크 저널 또는 크랭크 핀이 인접하는 크랭크 웹을 관통하도록 일체로 단조 가공되고, 크랭크 웹은 상기 크랭크 저널 또는 크랭크 핀과 주조 접합된 것을 특징으로 한다.

한편 여기서 크랭크 저널 및 크랭크 핀 중 적어도 어느 하나와 이에 인접하 는 크랭크 웹을 동시에 관통하는 제1 중공부 또는 제2 중공부가 형성될 수 있다.

여기서 상기 제1 중공부란 크랭크 저널 및 이에 인접하는 크랭크 웹을 관통하는 중공부를 말한다. 한편 상기 제2 중공부란 크랭크 핀 및 이에 인접하는 크랭크 웹을 관통하는 중공부를 말한다.

상기 구성에 의하면 엔진에 의해 회전 모멘트가 발생되는 크랭크 저널 및 크랭크 핀을 단조로 가공하여 회전 중량에 의해 큰 가속력 및 원심력이 발생함으로써 발생되는 자체의 내구 수명 저하를 방지할 수 있게 된다.

반면에 상대적으로 작은 힘을 받는 크랭크 웹을 주조로 제작하여 상기 크랭크 저널 또는 크랭크 핀에 접합함으로써 생산성을 높이고 제작단가를 낮출 수 있게 된다.

또한, 냉각시 액체인 주강, 주철 또는 구상 흑연 주철 용융금속이 고체인 단조강보다 수축량이 큰 원리를 이용하여, 본 발명은 주조 접합시 용융금속인 크랭크 웹이 고체인 단조강으로 이루어진 크랭크 핀 또는 크랭크 저널의 외부에 위치함으로써, 고온에서의 용융 접합후 냉각 과정에서 이종 금속 주조 접합 부분이 보다 견고하게 접합하도록 형성하였다.

한편 여기서 단조 가공된 크랭크 저널 및 단조 가공된 크랭크 핀은 단조강이고 크랭크 웹은 주강, 주철 또는 구상 흑연 주철 중 어느 하나인 것인 것을 특징으로 한다.

또 한편 여기서 상기 단조 가공된 크랭크 저널 또는 상기 단조 가공된 크랭크 핀은,

인접하는 크랭크 웹과 크랭크 웹 사이에서는 직경이 일정한 원통형으로 이루어지나 크랭크 웹의 내부에서는 바깥쪽으로 갈수록 외반경이 점점 작아지는 것을 특징으로 한다.

나아가 베어링이 연결되는 크랭크 저널 및 커넥팅 로드와 연결되는 크랭크 핀 중 어느 하나의 원통형의 외주면의 말단부에는 필렛이 형성되어 회전 운동을 원활하게 할 수 있다.

나아가 크랭크 웹의 내부에서는 크랭크 저널 또는 크랭크 핀의 외반경을 점차 작아지도록 한다. 상기와 같이 구성함으로써 큰 외력을 받지 않는 크랭크 웹 내부까지 원통형으로 하는 경우보다 불필요한 부분을 단조로 가공하는데서 오는 낭비를 막을 수 있다.

상기와 같은 구성에 의하면, 본 발명은 크랭크축 전체를 단조 가공하지 않고 간단한 형상의 크랭크 저널 또는 크랭크 핀 부분만을 단조 가공하고 이의 연결 부위인 크랭크 웹을 주조 접합하여 크랭크샤프트를 형성함으로써, 외력에 대한 내구성을 필요로 하는 부분을 단조 가공에 의해 선택 강화하고 제작과정을 단순화 하였다.

이에 의하여 본 발명은 종래의 단조 제작된 크랭크샤프트에 비하여 생산성을 높이고 제작단가를 낮출 수 있으며 이종 금속 접합면이 보다 견고하게 결합되는 유리한 효과가 있는 것이다.

이하, 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명한다. 여기서 각 도면에 붙여진 도면부호는 일관성을 유지하고 있으므로 다른 도면이라도 동일한 부호로 표기된 것은 동일한 구성 및 작용을 가지는 것으로 해석되어야 한다.

또한 이하에서 설명하는 크랭크샤프트는 중공형 크랭크샤프트에 관한 것으로서, 중실형 크랭크샤프트에도 적용됨은 당업자에게 자명할 것이다.

[도1]은 본 발명에 있어서 바람직한 일실시예를 나타내는 단조 및 주조 접합된 중공형 크랭크샤프트의 사시도이다. 이하 구체적으로 설명한다.

본 발명에 있어서 중공형 크랭크샤프트는 커넥팅로드의 대단부와 연결되는 크랭크 핀(12)과 축을 지지하는 크랭크 저널(11), 크랭크 핀(12)과 크랭크 저널(11)을 상호 연결하는 크랭크 웹(13)으로 구성되어 있다.

한편 크랭크 저널(11) 및 인접하는 크랭크 웹(13)의 중심을 동시에 관통하는 제1 중공부(14)가 형성되어 있고, 크랭크 핀(12) 및 인접하는 크랭크 웹(13)의 중심을 동시에 관통하는 제2 중공부(15)가 형성되어 있다.

상기와 같이 중공형으로 제작하는 경우 중실형 크랭크샤프트에 비해 1.5~2배 정도 강도가 세진다고 알려져 있다.

[도2]는 본 발명에 있어서 바람직한 일실시예를 나타내는 단조 및 주조 접합된 중공형 크랭크샤프트의 종단면도이다. 이하 구체적으로 설명한다.

[도2]에서 빗금친 부분은 크랭크 저널(11) 및 크랭크 핀(12)으로서 단조로 가공된다. 반면에 빗금친 부분을 제외한 나머지를 구성하는 크랭크 웹(13)은 상기 크랭크 저널(11) 및 크랭크 핀(12)에 주조 접합된다.

한편 크랭크 저널(11)이나 크랭크 핀(12)에 크랭크 웹(13)을 주조 접합하기 위해서는 종래의 이종금속 용융 접합방법을 사용함이 바람직하다.

상기와 같이 단조로 가공된 크랭크 저널(11) 및 크랭크 핀(12)과 주조 접합되는 크랭크 웹(13)은 단조로만 제작되는 크랭크샤프트에 비해서는 생산성이 우수하고 원가절감 등 다양한 효과를 갖게 된다.

또한, 이와 같이 주조 접합시에 사용되는 크랭크 웹(13)의 용융금속 재질은 주강, 주철 등 여러 가지 다양한 금속 재질을 사용할 수도 있으나, 특히 구상흑연주철을 사용하는 것이 바람직하다. 여기서 구상흑연주철이란 보통 주조한 채로 구상흑연을 정출하는 주철을 말한다.

한편, 커넥팅 로드가 연결되는 크랭크 핀(12)의 외주면의 말단부와 베어링이 연결되는 크랭크 저널(11)의 외주면의 말단부에는 필렛(21)이 형성되어 있다.

이와 같이 필렛(21)을 형성함으로써 크랭크 핀(12)이나 크랭크 저널(11)에 무리한 외력에 의한 부하가 걸려도 쉽게 파손되지 않도록 한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

[도1]은 본 발명에 있어서 바람직한 일실시예를 나타내는 단조 및 주조 접합된 중공형 크랭크샤프트의 사시도이다.

[도2]는 본 발명에 있어서 바람직한 일실시예를 나타내는 단조 및 주조 접합된 중공형 크랭크샤프트의 종단면도이다.

<도면의 중요부분에 대한 부호의 설명>

11: 크랭크 저널 12: 크랭크 핀

13: 크랭크 웹 14: 제1 중공부

15: 제2 중공부 21: 필렛

Claims (8)

1. 내연기관용 및 왕복동식 공기압축기 크랭크샤프트의 크랭크 저널과 크랭크 핀 및 이들의 연결부분인 크랭크 웹으로 구성되는 크랭크샤프트에 있어서,

   크랭크 저널(11)과 크랭크 핀(12)은 인접하는 크랭크 웹(13)과 크랭크 웹(13) 사이에서는 직경이 일정한 원통형으로 이루어지고, 상기 원통형의 외주면의 말단부가 필렛(21)을 형성하면서 인접하는 크랭크 웹(13)의 일정부분을 침투하고, 크랭크 웹(13)을 관통하는 내부에서는 바깥쪽으로 갈수록 외반경이 점점 작아지며,

   상기 크랭크 저널(11)과 크랭크 핀(12) 각각은 단조 가공되는 단조강이고, 상기 크랭크 웹(13)은 주강, 주철 또는 구상흑연주철 중 어느 하나에 의하여 상기 크랭크 저널(11) 및 크랭크 핀(12)과 주조 접합되는 것을 특징으로 하는 단조 및 주조 접합된 크랭크샤프트.
2. 제1항에 있어서,

   상기 크랭크 저널(11) 및 크랭크 핀(12) 중 적어도 어느 하나 및 이에 인접하는 크랭크 웹(13)을 동시에 관통하는 중공부(14,15)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 단조 및 주조 접합된 크랭크샤프트.
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