Processing

Please wait...

Settings

Settings

Goto Application

1. KR1020030069164 - ALUMINUM THRUST WASHER

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ KO ]
명 세 서
알루미늄 스러스트 와셔 {ALUMINUM THRUST WASHER}
발명이 속하는 기술 및 그 분야의 종래기술
본 명세서는 알루미늄 스러스트 와셔에 관해 기술하고 있으며 이는 본 출원에 대하여 2000 년 9 월 5 일자로 제출한 미국 가특허 출원번호 제 60/229,820 호를 우선권으로 주장하고 있다.

1. 기술분야
본 발명은 측방향 스러스트 부하에 대하여 크랭크축과 같은 회전축을 지지하는데 사용되는 형태의 스러스트 와셔에 관한 것으로, 특히 이러한 스러스트 와셔의 구조와 그 제조방법에 관한 것이다.

2. 관련 선행기술
스러스트 와셔는 측방향 스러스트 부하에 대하여 회전하는 크랭크축 등을 지지하는 것을 필요로 하는 많은 분야에 널리 사용되고 있다. 예를 들어 엔진분야에 있어서, 크랭크축은 축방향의 스러스트 부하를 받게 되는데 이 부하는 크랭크축을 그 축선을 따라 강제로 이동시키는 작용을 한다. 전형적으로 이러한 스러스트 와셔는 알루미늄 - 납 또는 알루미늄 - 주석과 같은 베어링재료의 층이 강철 지지배면층에 접합되는 바이메탈(bi-metal) 구조로 이루어진다. 이러한 베어링이 그 기능을 만족스럽게 수행하기는 하나, 이 바이메탈 구조는 이러한 베어링의 제조비용이 더 추가되도록 하고 제조가 더 복잡하게 되며 바이메탈 조합으로 인하여 스러스트 베어링의 제조시 남는 스크랩을 재활용할 수 없게 된다. 더욱이 강철 배면층은 본질적으로 알루미늄 - 베어링층 보다 무거워 베어링층 재료의 무게보다 스러스트 베어링의 무게가 더 무겁도록 한다.

바이메탈 스러스트 베어링을 제조하는 한 가지 이점은 이들이 프레스성형을 통하여 매우 신속하고 저렴하게 제조될 수 있다는 점이다. 바이메탈재료의 블랭크(blank) 또는 스트립(strip)은 스러스트면에 유체역학적 특징부를 포함하는 형상으로 타발되거나 성형된다.

알려진 한 분야에서, 스러스트 베어링은 전체가 알려지지 않은 조성의 알루미늄합금재료 블록으로부터 가공되었다. 가공된 스러스트 베어링은 바이메탈형 스러스트 와셔의 제조에 이용된 전통적인 프레스성형방법을 이용해서는 얻을 수 없는 것이라고 믿고 있다. 낱개로 가공되는 스러스트 와셔의 제조비용과 복잡성은 모든 알루미늄 구조물로부터 얻는 이점을 휠선능가함을 알아야 할 것이다.

본 발명에 의해 구성된 스러스트 베어링은 종래기술의 상기 언급된 제약을 극복하거나 크게 줄여준다.

발명의 요약 및 이점
본 발명에 의하면, 스러스트 와셔는 전체가 프레스성형에 의하여 알루미늄합금재료로 제조된다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 알루미늄합금은 알루미늄 - 규소 합금인 것이 바람직하다.

본 발명의 또다른 특징에 의하면, 알루미늄 - 규소 합금은 적어도 2 중량 % 의 규소를 포함한다.

본 발명의 또다른 특징에 의하면, 규소의 함량은 2 ~ 20 중량 % 의 범위이다.

본 발명의 또다른 특징에 의하면, 알루미늄 - 규소 합금은 0.1 ~ 4 중량 % 의 구리를 포함한다.


본 발명의 또다른 특징에 의하면, 알루미늄 - 규소 와셔는 알루미늄 매트릭스내에 존재하는 규소입자를 가지며 이는 0.04 ㎟ 의 면적에서 계산하였을 때 크기가 5 ㎛ 보다 더 큰 적어도 4 개의 규소입자가 존재하는 밀도와 크기를 갖는다.

본 발명의 또다른 특징에 의하면, 규소입자는 매트릭스 전체에 걸쳐 존재하며 크랭크축의 대응면을 연마(polishing)하도록 작용한다.

본 발명의 또다른 특징에 의하면, 와셔의 스러스트면이 마모됨에 따라 알루미늄 매트릭스도 마모되나 규소입자는 표면에 매입된 상태로 남아 있어 스러스트면에서 규소입자의 밀도는 계속하여 증가하게 된다. 따라서, 스러스트 와셔가 마모됨에 따라 실제로 그 베어링 특성은 스러스트면에서 규소입자의 누적으로 증가함으로써 스러스트 와셔의 연마 및 마모특성을 높여준다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도면의 간단한 설명
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따라서 구성된 스러스트 와셔의 부분정면도.
도 2 는 도 1 의 2 - 2 선 단면도.
도 3 은 알루미늄 매트릭스내에 규소입자가 존재함을 보인 스러스트 와셔 재료의 미세구조를 보인 설명도.
도 4 와 도 5 는 스러스트 와셔의 유체역학적 특징부를 보인 확대단면도.
도 6 은 사용 전에 샤프트 대응면과 함께 보인 도 2 의 4 - 4 선 단면도.
도 7 은 스러스트 와셔의 마모상태를 보인 도 4 와 유사한 단면도.

발명의 상세한 설명
본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 스러스트 와셔(10)가 도 1 과 도 2 에 도시되어 있으며 이는 내부오목면(12)과 외부볼록면(14)을 갖는 반원형의 평면상 구조로 구성되어 있다. 도 1 에 도시된 스러스트 와셔(10)는 이러한 도 1 의 스러스트 와셔(10)에 대응하는 동일하거나 또는 유사한 반원형 구조를 가지므로서 예를 들어 이들이 결합되어 엔진블록에 설치되었을 때 도 1 에서 보인 바와 같이 잘 알려진 방법으로 예를 들어 크랭크축(16)과 같은 회전축의 둘레에 배치되는 스러스트 와셔 조립체의 반부분을 구성한다. 설명을 간편히 하기 위하여 본 발명에서는 스러스트 와셔 조립체의 반부분만을 도시하였으나, 이들 스러스트 와셔 반부분은 잘 알려진 바와 같이 쌍으로 사용됨을 이해할수 있을 것이다.
본 발명에 따른 스러스트 와셔(10)는 스러스트면(18)과 배면(20)을 포함한다. 배면(20)은 역시 잘 알려진 바와 같이 통상적인 하우징 또는 엔진블록(도시하지 않았음)과 같은 지지구조물에 대하여 배치된다. 스러스트면(18)은 크랭크축(16)의 회전축선에 대응하는 스러스트 와셔(10)의 길이방향 중심축선 A 에 수직인 배면의 외측을 향하고 있다. 스러스트면(18)은 스러스트면(18)에 평행하게 배치되고 예를 들어 통상적인 방법으로 크랭크축 암의 측면으로서 제공되는 크랭크축(16)(도 5 - 7)의 대응면(22)을 향해 접해 있다. 도 1 과 도 5 에서, 크랭크축이 화살표(24)의 방향으로 회전하므로 대응면(22)은 스러스트면(18)에 대하여 화살표(24)의 방향으로 회전한다. 스러스트 와셔(10)에는 이러한 스러스트 와셔(10)를 정확히 배치하고 회전되지 않게 지지될 수 있도록 엔진블록 또는 기타 다른 지지구조물에 형성된 삽입공(도시하지 않았음)에 결합될 수 있도록 외부볼록면(14)의 방사상 외측으로 돌출된 적어도 하나, 바람직하기로는 적어도 두개의 돌기(26)가 구비되어 있다.

스러스트면(18)에는 오일이 회전축에 공급되고 스러스트면과 대응면(22) 사이의 경계면에 공급될 수 있도록 하는 다수의 오일유동요구(28)가 형성되어 있다.


또한 스러스트면(18)에는 도 2, 도 4 및 도 5 에서 보인 바와 같이 작동 중에 대응면(22)에 대하여 유체역학적 스러스트의 지지가 이루어질 수 있도록 스러스트면(18)과 대응면(22) 사이에 유막을 형성하기 위하여 크랭크축(16)의 회전하는 대응면(22)과 함께 작용하는 유체역학적 특징부(30)가 형성되어 있다. 이러한 유체역학적 특징부(30)는 본원 출원인에게 양도된 미국특허 제 5,192,136 호에 기술된 것과 동일 또는 유사한 것이다. 도 4 와 도 5 는 도 2 에서 보인 스러스트면의 측면을 확대하여 보인 것으로, 여기에서 유체역학적 특징부는 화살표(24)의 방향을 따라서 연속상승면(34)측으로 오일을 보내도록 경사부로서 작용하는 경사면(32)을 포함한다. 상승면(34)은 평면상이거나 만곡면일 수 있으나 평면상인 것이 바람직하다. 오일은 대응면(22)에 의하여 경사면(32) 위에서 인출되어 대응면(22)과 상승면(34)에 의하여 형성된 좁은 축방향 통로(35)로 보내어진다(도 5). 주연방향으로 유도된 오일의 흐름은 상승면(34)의 위에서 오일압력을 증가시키므로서 비교적 큰 스러스트 부하를 다루기에 적합한 유체역학적인 지지작용이 이루어질 수 있다. 이러한 효과를 쐐기유막 유체윤활(film wedge hydrodynamic lubrication)이라고도 한다. 유체역학적 특징부(30)와 요구(28)의 정확한 형상은 각각의 적용분야와 얻고자 하는 유체역학적 효과에 따라서 달라질 수 있다. 따라서, 도시된 유체역학적 특징부(30)는 설명을 위하여 예시된 것에 불과하며 본 발명이 이러한 유체역학적 특징부(30)로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 전체 스러스트 와셔(10)는 스러스트의 재료로서 적합한 단일재료로 제조된다. 특히, 스러스트 와셔(10)는 원하는 스러스트면에 오일유동 요구(28)와 유체역학적 특징부(30)의 형성을 포함하여, 스러스트 와셔(10)의 형상으로 프레스성형될 수 있는 알루미늄합금 베어링재료로 제조된다. 이러한 " 모노메탈 " 구성으로하면 통상적인 바이메탈(bi-metallic) 구성의 스러스트 와셔와 같은 강철배면층을 갖지 않는다.

본 발명에 의하면 가공된 알루미늄 매트릭스는 알루미늄 - 규소 합금으로 구성된다. 바람직한 규소의 함량은 2 ~ 20 중량 %, 보다 바람직하기로는 9.5 ~ 11.5 중량 % 사이의 범위이다. 또한 알루미늄 - 규소 합금 모노메탈 스러스트 와셔(10)는 0.4 ~ 4 중량 % 의 구리를 함유하고 나머지를 알루미늄으로 하는 것이 바람직하다. 선택적으로, 알루미늄 - 규소 합금은 주석, 납, 크롬, 바나듐, 망간 및 마그네슘으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 첨가물을 이러한 합금에 대하여 5 중량 % 또는 그 이하의 중량 % 의 함량으로 함유할 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 이 매트릭스는 9.5 ~ 11.5 중량 % 의 규소, 0.75 ~ 1.25 중량 % 의 구리, 그리고 나머지 순수 알루미늄으로 구성된다.

알루미늄 - 규소 합금은 마주보고 회전하는 두 냉각롤러 사이로 합금재료를 주조하는 것과 같은 급속응고방법을 이용하여 스트립 형태로 주조되는 것이 바람직하다. 주조후에 합금재료는 알루미늄 매트릭스 내에서 특정입자크기와 분산밀도를 가지고 규소입자가 충분히 성장될 수 있는 온도와 시간동안 열처리된다. 그리고 열처리된 스트립은 최종합금재료의 최종규소입자크기와 밀도를 얻기 위하여 냉간압연된다. 본 발명에 의하면, 스러스트 와셔 구조물의 전체 두께(즉, 스러스트면 18 과 배면 20 사이)를 통하여 분산되는 규소입자는 처음부터 균일하게 분산된다. 최종합금재료는 적어도 일부의 규소입자가 적어도 5 ㎛ 또는 그 이상의 계획된 평균입자크기를 가지고 전체 매트릭스를 통하여 평균적으로 0.04 ㎟ 의 면적에 계획된 크기의 적어도 4 개의 규소입자가 존재하는 밀도로 알루미늄 매트릭스 전체에 걸쳐서 존재한다. 합금재료의 미세구조가 도 3 에 도시되어 있는 바, 여기에서 규소입자는 부호 36 으로 표시하였고 알루미늄 매트릭스 재료는 부호 38 로 표시하였다. 스러스트 와셔(10)의 초기구성(사용전) 중에 규소입자(36)의 균일한 분산상태가 도 6 에 도시되어 있는 바, 여기에서 스러스트면(18)에서의 규소입자(36)의 밀도는 스러스트 와셔(10)의 두께 전체에 걸쳐서 규소입자(36)의 밀도와 거의 동일하다.

합금재료가 열처리되고 냉간압연되었을 때, 스러스트 와셔(10)가 스트립으로부터 타발되고 원하는 형상을 갖도록 하며 오일유동요구(28)와 유체역학적 특징부(30)와 같은 원하는 특징부를 포함하도록 프레스성형된다. 프레스성형작업은 당해 기술분야에서 잘 알려져 있고 경우에 따라서 코이닝처리과정(coining operation)을 포함할 수 있는 바이메탈형 스러스트 와셔를 프레스성형하기 위하여 이용되는 것과 같은 동일한 방법일 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 스러스트 와셔(10)를 얻은 후에 남는 스크랩은 다시 스러스트 와셔(10)를 제조하기 위하여 재활용된다. 환언컨대, 타발후 남은 스크랩과 불량 스러스트 와셔(10)는 다시 스러스트 와셔(10)를 제조하기 위한 재료로 공급되기 위하여 회수되어 용융되고 다시 주조되며 열처리된다. 이와 같이 스러스트 와셔 재료에 대한 낭비가 없는 것이다.

스러스트 와셔(10)의 알루미늄 매트릭스는 보강재료를 필요로 하지 않고 스러스트 와셔를 구성할 수 있을 만큼 충분한 강도를 갖는 기계적인 특성을 보인다. 또한 스러스트 와셔(10)가 사용됨에 따라 매트릭스의 특성은 알루미늄 매트릭스 재료가 마모될 수 있게 하여 스러스트면(18)에 규소입자가 노출되게 하므로서 스러스트면(18)에서 규소입자의 밀도가 증가되도록 한다.

작동에 있어서, 스러스트면(18)에 대하여 대응면(22)이 회전할 때(이들 면은 도 6 과 도 7 에서 서로 떨어져 있는 것으로 도시되어 있으나 실제로는 도 5 에서 보인 바와 같이 서로 대면하고 있다), 스러스트면(18)에 존재하는 규소입자(36)는 대응면(22)을 연마하는 연마제로서 작용한다. 대응면(22)을 연마함으로써 이 대응면(22)은 보다 매끄럽게 되어 대응면(22)과 스러스트면(18) 사이의 유체역학적 작용이 향상되어 스러스트 와셔(10)의 스러스트 베어링 특성을 개선한다. 또한 대응면(22)의 연마는 스러스트 와셔(10)를 마모시키는 대응면상의 결함을 제거한다. 시간이 경과함에 따라서, 스러스트 와셔(10)가 어느 정도 마모되어 표면에서 알루미늄 매트릭스 재료(38)가 제거된다. 그러나, 도 7 에서 보인 바와 같이, 규소입자(36)는 제거되지 않고 알루미늄 매트릭스 재료(38)에 매입된 상태로 남게 되어 스러스트면(18)에 누적된다. 따라서, 스러스트 와셔(10)가 마모되면 될수록 스러스트면(18)에서 규소입자(36)의 밀도가 높아진다. 이러한 마모단계가 도 7 에 도시되어 있는 바, 남아 있는 스러스트 와셔(10)의 전체에 걸쳐서 스러스트면(18)에 규소입자(36)의 밀도가 높아져 있음을 알 수 있다. 따라서, 스러스트면(18)에서 증가된 규소입자밀도는 스러스트 와셔(10)의 연마작용을 증가시켜 스러스트 와셔(10)가 새로운 것일 때(도 6) 보다 스러스트 와셔(10)가 마모되었을 때(도 7) 대응면(22)이 더 잘 연마된다. 이와 같이 증가된 연마작용은 계속하여 유체역학적 효과를 증가시키고 실질적으로 스러스트 와셔(10)의 마모를 줄이므로서 규소입자가 없는 알루미늄 합금재료에 비하여 스러스트 와셔(10)의 수명을 연장시킨다.


이상과 같은 본 발명의 교시내용으로부터 본 발명은 다양하게 수정되고 변경될 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위 내에서 본 발명은 상기 언급된 내용 이외의 실시형태로서 실시될 수 있음을 이해하여야 한다. 본 발명은 청구범위에 의하여 한정된다.