KR100922776B1 - 열팽창 특성을 이용한 경량의 캠샤프트 결합구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열팽창 특성을 이용한 경량의 캠샤프트 결합구조에 관한 것으로, 엔진의 흡배기밸브를 개폐시키기 위하여 밸브 수와 같은 수로 배열된 캠(Cam)부와, 상기 캠부를 장착하는 샤프트부(Shaft; 저널부)로 이루어진 캠샤프트로 이루어지되, 상기 캠부가 철 재질의 캠피스들로 별도 제작되고, 이렇게 별도로 제작된 캠피스들을 금형 내에 인서트 삽입한 후 주조공법을 통해 용융된 경량 금속인 알루미늄 합금 또는 내열 마그네슘 합금을 주입하여 캠피스들과 샤프트부(저널부)를 일체로 성형되는 경량 캠샤프트에 있어서, 상기 철재질의 캠피스와 경량 금속 재질의 샤프트부가 갖는 열팽창계수(일명, 수축율) 차이에 따른 결합부위에서 수축에 의한 결합력이 약화되는 것을 방지하기 위해 상기 캠피스 상에 수축보강부가 형성되고, 상기 수축보강부로 용융된 경량 금속이 주입되어 상기 샤프부에 보강체결부가 형성됨에 따라 상기 캠피스와 샤프트부가 일체로 결합됨을 기술적 특징으로 한다, 이를 통해 본 발명은 캠피스와 샤프트부의 재질 차이에 따른 열팽창계수 차이로 인해 결합력이 약화되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

캠샤프트, 캠피스, 샤프트부, 접합부, 경량 금속, 수축보강부, 열팽창계수

Description

열팽창 특성을 이용한 경량의 캠샤프트 결합구조 {Combination Structure Of Light Weight Cam Shaft Using Thermal Expansion Coefficient}

본 발명은 차량 엔진용 경량의 캠샤프트 결합구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도 제작된 철 재질의 캠피스와, 경량 금속인 알루미늄 합금 혹은 내열 마그네슘 합금 재질로 성형되는 샤프트부(저널부)를 주조공법에 의한 금형 내에서 인서트 결합하여 차량용 경량 캠샤프트를 제조하는 과정에 있어서, 이들 캠피스와 샤프트부의 재질 차이에 따른 열팽창계수(일명, 수축율) 차이로 인해 결합력이 약화되는 것을 방지할 수 있도록 캠피스와 샤프트부의 결합부위의 형상 구조를 변경 개선시킨 열팽창 특성을 이용한 경량의 캠샤프트 결합구조에 관한 것이다.

잘 알려져 있는 바와 같이, 엔진 동력계의 주요 부품인 캠샤프트(Cam Shaft)는 반복적인 회전운동을 통해 흡,배기밸브를 개폐시키는 로커아암, 타펫, 푸시로드 등에 순차적으로 동력을 주어 주기적인 정확한 타이밍으로 밸브를 개폐하도록 만들어져 있다.

특히, 자동차 엔진의 캠샤프트는 크랭크샤프트의 회전력을 전달받아 연소실의 흡기 및 배기밸브의 개폐시기를 조절하는 부품으로서, 저온 및 고온영역(- 15~120℃)에서 고회전(750~4,500RPM) 및 회전 굽힘 피로와 윤활 마모 등의 악조건에서 사용되는 부품이다.

통상 캠샤프트는 차량 엔진의 구성요소인 실린더블록과 실린더헤드 사이에 설치되며, 밸브를 개폐시키기 위하여 밸브 수와 같은 수의 밸브캠이 배열되어 있다. 즉, 엔진의 흡기밸브 및 배기밸브와 같은 수로 캠노즈를 보유하는 밸브캠을 바른 위치와 각도로 배열한 축으로 크랭크샤프트와 평행하게 크랭크케이스의 옆부분이나 위쪽에 베어링으로 지지되도록 하고 있으며, 이와 같은 캠샤프트에는 이밖에 연료펌프를 구동하는 편심캠과 배전기나 오일펌프를 구동하는 헬리컬기어가 부착되어 있다.

그리고 캠노즈를 포함하는 밸브캠 표면의 곡선은 약간만 변화해도 각 밸브의 개폐 시기나 리프트가 달라져 기관의 성능에 큰 영향을 주기 때문에 장시간 사용해도 밸브캠 표면의 마모나 캠샤프트의 휨을 방지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같은 캠샤프트는 타이밍스프로킷을 동축 설치하여 엔진의 크랭크샤프트와 타이밍벨트로서 연계하도록 하여 상기 크랭크샤프트의 회전력을 캠샤프트에 전달할 수 있도록 하고 있으며, 상기 캠샤프트의 회전에 따라 밸브캠에 밀착된 로커아암으로 하여금 다수개의 흡,배기밸브를 개폐토록 함과 아울러, 이에 연계된 각 장치를 작동할 수 있도록 하고 있다.

한편, 내연기관에 사용되는 기존의 캠샤프트는 칠드주철(Chilled Cast Iron)로 만들어져 왔으나, 이와 같은 주철재 캠샤프트는 엔진의 고성능화 및 경량화를 계속적으로 추구하고 있는 요구조건을 더 이상 만족시킬 수가 없게 되었다. 즉, 종래의 캠샤프트는 캠과 축 모두를 동일 재료로 사용하여 일체형의 봉형을 이루며, 이 경우의 소형법으로는 주철주물이 특수강 단조로 적용되었다.

이처럼 주철주조의 소형법으로 제조하는 캠샤프트의 경우는 록커아암이나 타펫과 강하게 마찰되어지는 밸브캠의 노즈부 표면을 경화시킬 필요성이 있어 칠주조, 재용융 칠주조, 구상흑연주조의 고주파 소입, 또는 오스텐파 처리 등 여러 가지 방법을 통하여 열처리를 거쳐야만 하는 문제점이 있었다.

그리고 주철주물 캠샤프트는 연비향상 및 고속화 고출력화가 요구되는 상황에서 중량이 무거워 차량 연료소비를 가중시키고, 고속화와 고출력화를 위해 밸브수를 증가시켜야 하나, 이럴 경우 캠과 캠 사이의 간격이 좁아 제조 시 주조결함 불량이 많고 캠 표면의 내마모성이 떨어지며 내식성이 떨어지는 단점이 있다. 또한 주철주물 캠샤프트는 공법제조 특성상 대표적인 3D 업종으로 불량률이 높고, 자동화가 까다롭기 때문에 생산성이 떨어지는 단점이 있었다.

따라서 이러한 기존의 일체형 주철주물 캠샤프트의 단점을 보완하고 엔진의 성능의 최적화 및 엔진의 경량화 추세에 맞추어 다밸브화에 대응이 가능하며, 내마모성이 우수한 새로운 공법을 통한 캠샤프트를 개발할 필요성이 대두되었다.

한편, 이와 같은 필요성에 의해 개발된 것이 조립식 공법에 의한 캠샤프트를 제조하는 방법이 제시되었다. 조립식 공법으로는 확산접합식 중공 캠샤프트 제조방법 또는 기계적 조립식 캠샤프트 제조방법이 있다.

먼저 확산접합식 중공 캠샤프트의 제조방법은, 캠샤프트의 구성부품에서 밸 브캠은 금속분말로 성형한 후 1차 예비소결을 1,000℃ 정도에서 실시하고, 중공튜브에 지그로 조립 소결한 후 튜브와 소결캠이 확산 접합되도록 하며, 저널댐(Journal Dam), 프론트 피스(Front Piece), 리어 피스(Rear Piece) 등은 동접합하는 금속접합 방법이다. 다음 기계적 조립식 캠샤프트의 제조방법은 중공튜브에 캠샤프트의 구성부품을 기계적 마찰로 압입 고정하여 조립 고정하는 방식 또는 캠샤프트 구성부품을 부품 사이에 플라스틱 사출로 고정 조립하여 만드는 제조방법이 있다.

이러한 중공 캠샤프트는 주철주물재 캠샤프트 보다 약 30% 정도의 경량화를 이룰 수 있다는 장점을 가지나, 제조공정이 복잡하고 제조조건의 변수가 많아 항상 일정한 제품을 다량 생산하는데 문제점이 야기되었다. 즉, 미국의 토링톤(Toring-Ton)사, 유럽의 프레스타(Presta)사가 일부 캠샤프트를 조립식 공법을 이용하여 생산하고 있으며, 일본의 니뽄피스톤링(NPR; Nippon Piston Ring)사도 조립식 캠샤프트를 생산하고 있다.

하지만 미국의 토링톤(Toring-Ton)사는 확관방식을 적용하고 있고, 유럽이 프레스타(Presta)사는 압입방식을 적용하고 있기 때문에 결합력이 낮아 캠의 이탈이 일어나고 열처리 조건에 따라 마모성이 현저히 저하하며, 캠로즈의 두께가 5㎜ 이상이 되어야만 제작 가능하다는 등 여러 가지 문제점을 안고 있다.

특히, 일본의 니뽄피스톤링(NPR)사에서 생산되고 있는 조립식 캠샤프트는 종래의 주철주물 캠샤프트로서는 만족시킬 수 없었던 요구조건을 만족시키기 위하여 마모 특성이 향상된 소결제 밸브캠에 무게가 가벼운 스틸튜브를 조합시킨 중공소결 캠샤프트이다.

즉, 분말 금속(Power Metal)을 이용하여 소결제 캠을 사용하는 조립식 캠샤프트는 강관제 샤프트에 의해 중공으로 되어 있고, 주조법이나 단조법으로서는 소형이 어려운 폭이 좁은 캠에도 적용할 수 있기 때문에 큰 폭의 경량화가 실현될 수 있는 것 외에 부품 형상의 설계 자유도나 재료 선정의 자유도가 크고, 캠과 캠 사이의 간격을 자유로이 설계가 가능한 특징을 갖고 있다.

또한 중공소결 캠샤프트의 소결캠 소재로 많이 사용되고 있는 PFC1, PFC2, PFC4 등은 크롬(Cr) 주체의 고경도 탄화물이 베이나이트 기지조직 중에 균일하게 분산하여 고면압 하에서 내피칭 및 내마모에 뛰어난 결과를 보여주고 있다. 따라서 이러한 중공소결 캠샤프트는 투자비가 저렴하고 환경 친화적이며, 공정이 간소화되어 불량률을 줄이고 비용 또한 절감할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 복합탄화물 형성으로 높은 내구성을 확보할 수 있으며 중공 타입이기 때문에 주철에 비하여 30% 이상 경량화 할 수 있다는 장점이 있다.

이처럼 중공소결 캠샤프트는 경량화라는 이점 외에도 설계 자유도가 크다는 장점을 가지고 있어, 최근 엔진의 다밸브화나 소형화가 진행됨에 따라 더욱더 캠의 근접 배치나 고성능화의 경향이 강하게 예견되면서 이에 채용이 확대되고 있다. 그러나 위와 같은 중공소결 캠샤프트는 캠이 샤프트에 결합할 때 캠이 위상을 가지면서 조립되어야 하기 때문에 이의 조립에 여러 가지 어려움이 뒤따랐다.

또한 현재 사용되고 캠샤프트의 경우, 샤프트는 캠을 지지하고 회전력을 전달하는 구조 부재의 역할 뿐만 아니라 엔진오일을 저널부로 전달하는 유로 역할을 하고 있으나, 압출재 스틸튜브(Steel Tube)를 사용하고 있기 때문에 파이프의 내경 크기(Size)를 줄이는데 한계가 있었다. 예를 들어, 외경의 직경 26㎜인 경우에 내경의 직경이 13㎜ 이하로 인발하는 것이 거의 불가능하고, 이 경우에 경량화 효과를 상실하게 된다.

따라서 냉간 시동시 엔진의 하단에 위치한 오일팬으로부터 캠샤프트까지 오일 공급이 늦어져 무급유 마모가 진행되고 있으며 이러한 마모가 캠샤프트의 수명에 가장 큰 영향을 미치고 있다.

한편, 최근 엔진의 고출력 고효율화를 얻기 위해 엔진의 구동부품들을 경량화하고 관성모멘트를 줄여 고 알피엠(RPM)을 구현함으로써 출력 증강을 도모하려는 노력이 시도되고 있으며, 과거 90년대 초까지 주류를 이루고 있던 주철재 캠샤프트에서 상기한 바와 같이 분말캠과 스틸튜브(Steel Tube)를 이용한 중공소결 캠샤프트의 개발도 이러한 배경과 같다 할 수 있다. 결국 미래에는 보다 경량화되고 냉간 시동시 마모를 극복할 수 있으며, 가격 경쟁력을 갖는 고성능 캠샤프트의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

이에 최근 본 출원인에 의해 "경량 알루미늄 캠샤프트 및 그 제조방법"에 관한 기술이 연구되어 특허출원(출원번호 10-2004-0071282)된 바 있다. 즉, 엔진의 흡,배기밸브를 개폐시키기 위하여 밸브 수와 같은 수로 배열된 캠(Cam)부와, 상기 캠부를 장착하는 샤프트부(Shaft; 저널부)로 이루어진 캠샤프트의 제조방법에 있어서, 상기 캠부가 캠피스들로 별도 제작되고, 이렇게 별도로 제작된 캠피스들을 금형 내에 인서트 삽입한 후 알루미늄 주조공법을 통해 용융된 알루미늄 합금을 금형 에 주입하여, 이들 캠피스들과 샤프트부(저널부)를 일체로 성형함으로서 경량의 알루미늄 캠샤프트를 구성하였다.

이와 같은 제조방법으로 구성된 경량 알루미늄 캠샤프트는 중공소결 캠샤프트에 비해 더 경량화된 캠샤프트를 제공하고, 기존의 엔진에서 냉간 시동시 발생되는 무급유 마모의 최소화에 의한 엔진의 내구성능 향상과 캠샤프트 경량화에 의한 관성모멘트 저감, 이에 따른 엔진의 고 알피엠(RPM)화를 통하여 엔진의 출력 향상 및 저연비화를 구현할 수 있도록 하였다.

그러나 이러한 제조방법의 경량 알루미늄 캠샤프트는 알루미늄 샤프트부에 캠피스가 인서트 삽입되어 주조공법을 통해 결합 제작되었을 때, 샤프트부와 캠피스의 결합부위가 취약하다는 문제점이 있었다. 즉, 철 재질의 캠피스와 알루미늄 재질의 샤프트부를 주조공법을 통해 인서트 방식으로 결합하는 과정에서 캠피스와 샤프트부의 재질 차이에 따른 열팽창계수(일명, 수축율) 차이로 인해 결합력이 약화되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 새로운 고성능 캠샤프트의 개발 요구에 부응하면서 중공소결 캠샤프트에 비해 더 경량화된 캠샤프트를 제공하고자 할 때, 캠부를 이루는 별도 제작된 철(Fe) 재질의 캠피스(Cam Piece)와, 경량 금속인 알루미늄(Al) 합금 혹은 내열 마그네슘(Mg) 합금 재질로 성형되는 샤프트부(저널부)를 주조공법에 의한 금형 내에서 인서트 결합하여 차량용 경량 캠샤프트를 제조하는 과 정에 있어서, 이들 캠피스와 샤프트부의 재질 차이에 따른 열팽창계수(일명, 수축율) 차이로 인해 결합력이 약화되는 것을 방지할 수 있도록 캠피스와 샤프트부의 결합부위의 형상 구조를 변경 개선할 수 있는 열팽창 특성을 이용한 경량의 알루미늄 캠샤프트 결합구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명의 열팽창 특성을 이용한 경량의 캠샤프트 결합구조는, 엔진의 흡배기밸브를 개폐시키기 위하여 밸브 수와 같은 수로 배열된 캠(Cam)부와, 상기 캠부를 장착하는 샤프트부(Shaft; 저널부)로 이루어진 캠샤프트로 이루어지되, 상기 캠부가 철 재질의 캠피스들로 별도 제작되고, 별도로 제작된 상기 캠피스들을 금형 내에 인서트 삽입한 후 주조공법을 통해 용융된 경량 금속을 주입하여 캠피스들과 샤프트부(저널부)를 일체로 성형되는 경량 캠샤프트를 구성함에 있어서, 상기 철 재질의 캠피스와 경량 금속인 알루미늄 합금 또는 내열 마그네슘 합금 재질의 샤프트부가 갖는 열팽창계수(일명, 수축율) 차이에 따른 결합부위에서 수축에 의한 결합력이 약화되는 것을 방지하기 위해 상기 캠피스 상에 수축보강부가 형성되고, 상기 수축보강부로 용융된 경량 금속이 주입되어 상기 샤프부에 보강체결부가 형성됨에 따라 상기 캠피스와 샤프트부가 일체로 결합되도록 하는 구성관계를 기술적 특징으로 한다.

특히, 캠피스들과 샤프트부가 금형 내에서 일체로 성형될 때 이들 캠피스들과 샤프트부의 접합부위에서 접합강도를 높여주기 위한 샤프트부의 직경보다 더 크게 형성되면서, 각각의 캠피스들 측면을 감싸는 구조를 갖도록 보강리브 형태의 접 합부가 성형된다.

또한 캠피스 상의 수축보강부는 캠피스의 중앙부에 형성된 샤프트홀을 중심으로 근접하게 다수개 형성된 원형의 구멍형태를 갖고, 샤프트부의 보강체결부는 관통된 구멍형태의 상기 수축보강부에 대해 용융된 경량 금속이 주입되어 일체 성형되면서 이들 캠피어스와 샤프트부 간의 열팽창계수의 차이로 인한 수축율 특성으로 구조적으로 향상된 결합구조를 이룬다.

또한 캠피스 상의 수축보강부는 캠피스의 중앙부에 형성된 샤프트홀에서 캠피스의 내벽 쪽으로 요홈 확장되어 형성된 장공형태를 이루며, 더불어 샤프트부의 보강체결부는 장공형태의 상기 수축보강부에 대해 용융된 경량 금속이 주입되어 일체 성형된다. 즉, 캠피스의 수축보강부와 샤프트부의 보강체결부는 상호 대응되는 형상구조를 갖는 것으로서, 이들 수축보강부와 보강체결부의 형상은 철 재질의 캠피스와 경량 금속인 알루미늄 합금 또는 내열 마그네슘 합금 재질의 샤프트부가 갖는 열팽창계수(일명, 수축율) 차이에 따른 결합부위에서 수축율 차이를 보완해 줄 수 있는 형상구조이면 어떠한 형태라도 무방하다.

특히, 본 발명의 열팽창계수가 다른 물성특성을 이용한 경량의 캠샤프트는 금형 내에 철 재질의 캠피스를 인서트 삽입하고, 용융된 경량 금속인 알루미늄 합금 또는 내열 마그네슘 합금을 주입하여 캠피스와 상기 경량 합금 재질의 샤프트부를 결합하기 위해 다이캐스팅 공법, 스퀴즈 캐스팅공법, 세미솔리드 캐스팅공법과 같은 주조공법 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 본 발명의 열팽창 특성을 이용한 경량의 캠샤프트 결합구조에 의하면, 캠샤프트의 샤프트부를 별도 제작된 철 재질의 캠피스와 경량 금속인 알루미늄 합금 또는 내열 마그네슘 합금 재질의 샤프트부를 주조 공법을 통해 일체로 성형 제작함으로써, 종래 중공소결 캠샤프트에 비해 최저 30% 정도의 경량화를 도모할 수 있는 장점이 가짐은 물론, 높은 내구성 및 강성을 가지면서도 저렴한 가격으로 제공할 수 있다.

특히, 캠피스와 샤프트부의 재질 차이에 따른 열팽창계수(일명, 수축율) 차이로 인해 결합력이 약화되는 것을 방지할 수 있도록 캠피스에 수축보강부를 두고, 샤프트부에 보강체결부가 대응 형성되도록 함으로써, 캠피스와 샤프트부의 결합 부위의 형상 구조를 변경 통해 결합력을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 나아가 본 출원인에 의해 기출원된 출원번호 제10-2004-71282호에서 기술하고 있는 경량 알루미늄 캠샤프트의 제조방법을 통해 달성할 수 있는 여러 가지 효과를 그대로 구현할 수 있는 장점도 제공될 수 있다.

또한 본 발명에 따른 구성부품 간의 열팽창계수 차이 특성을 이용한 결합구조의 경량 캠샤프트를 사용하게 되면, 엔진에서 냉간 시동시 발생되는 무급유 마모의 최소화에 의한 엔진의 내구성능 향상과 캠샤프트 경량화에 의한 관성모멘트 저감은 물론, 이에 따른 엔진의 고 알피엠(RPM)화를 통하여 엔진의 출력향상 및 저연비화를 구현할 수 있는 효과가 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

이하, 본 발명의 열팽창 특성을 이용한 경량의 캠샤프트 결합구조에 대한 구 성원리를 첨부한 바람직한 실시예의 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저 캠샤프트를 이루는 샤프트부와 캠부 간의 서로 다른 열팽창 특성을 이용하여 경량화를 이루면서도 서로 다른 재질의 구성부품 간에 결합력을 높일 수 있는 본 발명의 캠샤프트 결합구조를 설명함에 있어서, 실질적으로 본 발명은 본 출원인에 의해 기 출원된 경량 캠샤프트의 제조방법을 그대로 채용함에 따라 이에 대한 설명과 함께 기술하도록 한다.

먼저 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 경량의 캠샤프트(1)는 종래의 주철주물 캠샤프트나 중공소결 캠샤트프와 마찬가지로, 엔진의 흡배기밸브를 개폐시키기 위하여 밸브 수와 같은 수로 배열된 캠부(2)와, 상기 캠부(2)를 장착하는 샤프트부(3; Shaft, 일명 저널부)로 이루어진다. 다만, 본 발명에서는 상기 캠샤프트(1)를 구성하는 샤프트부(3)가 경량 금속중 특히 알루미늄 합금이나 내열성 마그네슘 합금으로 이루어져 기존의 중공소결 캠샤프트에 비해 상대적으로 보다 경량화를 달성할 수 있도록 한다.

즉, 구성부품 간의 서로 다른 열팽창계수 특성을 이용한 본 발명의 경량 캠샤프트 결합구조 역시, 캠부(2)는 주지 공용되고 있는 금속분말을 이용한 소결제 분말캠 제조방식 등에 의해 캠피스(2a)가 별도 제작되고, 이렇게 별도 제작된 캠피스(2a)들이 금형(4) 내에 인서트 삽입된 후 주조공법을 통해 용융된 경량 금속인 알루미늄 합금이나 내열 마그네슘 합금으로 이루어지는 샤프트부(3)와 일체로 성형된다.

이때, 캠부(2)를 이루게 되는 캠피스(2a)는 기존에 소개된 소결제 분말캠이 나 단조캠 형태로 별도 제작되기 때문에 내마모 및 내식성 부분에서 이미 캠샤프트(1)로서 갖춰야할 특성을 충분히 가지고 있는 것으로 확인되어 있었다. 특히 본 발명의 경량 캠샤프트(1)의 샤프트부(3)는 경량 금속중 알루미늄 합금을 기본으로 하나, 철 재질의 캠부(2)와 열팽창 특성을 달리하여 상호간에 접합강도를 높일 수 있는 내열 마그네슘 합금을 포함한 경량 금속재질이면 선택적으로 적용될 수도 있다.

이처럼, 본 발명의 경량 캠샤프트(1)에 구성되는 캠피스(2a)는 내마모성 및 내식성 측면 등에서 보다 바람직한 것으로 알려진 분말금속을 이용한 분말캠 제조방식으로 제작되는 것이 바람직하나 이에 한정하는 것은 아니며, 상기 분말캠 제조방식 외에도 주지 공용되는 단조에 의한 단조캠 형태로 제작될 수도 있음은 물론이다.

본 발명에 따른 경량 캠샤프트(1)는 도시한 도 6a 내지 도 6c에서 보는 것과 같이, 캠피스(2a)를 제작하는 과정에서 철 재질의 상기 캠피스(2a)에 용융된 경량 금속 합금재질의 샤프트부(3)가 주입되어 상호 결합되는 과정에서 열팽창계수의 차이로 인한 결합부위에서 수축율에 차이를 보여 상호 결합력이 떨어지는 것을 미연에 방지하기 위해 이미 선출원 소개된 기존의 캠피스 형상에 변경을 주는 데 그 특징이 있다. 즉, 철 재질의 캠피스(2a)와 경량 금속인 합금재질의 샤프트부(3)가 결합되는 부위의 형상을 수축율 차이를 고려하여 상호 보완할 수 있도록 결합부위의 형상 구조를 변경하고 있는 것이다.

이를 보다 구체적으로 살펴보면 도 4의 제 1실시예 및 도 5의 제 2실시예에 서 보는 것처럼, 철 재질의 캠피스(2a)와 경량 금속재질의 샤프트부(3)가 갖는 열팽창계수(일명, 수축율) 차이에 따른 결합부위에서 수축에 의한 결합력이 약화되는 것을 방지하기 위해 상기 캠피스(2a) 상에 수축보강부(7a,7b)가 형성되고, 상기 수축보강부(7a,7b)로 용융된 경량 금속이 주입되어 상기 샤프트부(3)에 보강체결부(8a,8b)가 형성됨에 따라 상기 캠피스(2a)와 샤프트부(3)가 일체로 결합되도록 하고 있다.

특히, 도 4의 제 1실시예에서는 캠피스(2a) 상의 수축보강부(7a)가 상기 캠피스(2a)의 중앙부분에 형성된 원형의 샤프트홀(9a)에서 캠피스(2a)의 내벽 쪽으로 확장 요홈된 장공형태를 이루며, 더불어 샤프트부(3)의 보강체결부(8a)는 상기 장공형태의 수축보강부(7a)에 용융된 경량 금속이 주입되어 일체로 성형되는 결합구조를 갖게 된다. 이때, 장공형태의 수축보강부(7a)는 샤프트홀(9a)에서 일정간격을 두고 적어도 하나 이상 형태로 배치되는 것이 바람직하다.

이와 같은 결합구조에 의하면, 철 재질의 캠피스(2a) 내벽에 장공형태로 요홈 형성된 수축보강부(7a)에 경량 금속인 알루미늄 합금 또는 내열 마그네슘 재질로 용융 주입되는 샤프트부(3)의 보강체결부(8a)가 결합되는바, 이는 상기 캠피스(2a)의 샤프트홀(9a)에 주입되어 고형화된 경량 금속의 샤프트부(3)가 수축에 의해 캠피스(2a)와의 결합력이 약화더라도 상기 장공형태의 수축보강부(7a)와 이에 용융 삽입되는 보강체결부(8a)에서 수축율에 관계없이 견고하게 결합되어 서로 잡아주기 때문에 결합력이 약화되는 것을 구조적으로 물성적으로 방지할 수 있다.

그리고 도 5의 제 2실시예에서는 상술한 도 4의 제 1실시예와 달리 캠피 스(2a) 상의 수축보강부(7b)가 장공형태가 아닌 작은 원형의 구멍형태를 갖고 있다. 즉, 상기 캠피스(2a)의 중앙부분에 형성된 원형의 샤프트홀(9b)을 중심으로 근접하게 상기 샤프트홀(9b)에 비해 상대적으로 작게 관통된 구멍형태의 수축보강부(7b)를 갖게 되는데, 상기 보강체결부(8b) 역시 제 1실시예에서와 같이 구멍형태의 상기 캠피스(2a)의 수축보강부(7b)로 용융된 경량 금속이 주입되어 일체 성형되면서 열팽창계수의 차이로 서로 잡아주면서 견고하게 일체 결합될 수 있다.

이와 같은 구성부품 간의 서로 다른 열팽창계수 차이에 의한 결합구조에 의하면, 금속(철) 재질의 구멍형태인 수축보강부(7b)에 경량 금속의 보강체결부(8b)가 주입되어 결합되기 때문에 캠피스(2a)의 샤프트홀(9b)에 주입되어 고형화된 경량 금속의 샤프트부(3)가 수축에 의해 상기 캠피스(2a)와의 결합력이 약화더라도 이들 수축보강부(7b)와 보강체결부(8b)에서 수축율을 관계없이 견고하게 결합되어 서로 잡아주기 때문에 결합력이 약화되는 것을 미연에 방지할 수 있게 됨은 물론, 제 1실시예의 형상 구조에 비해서도 상대적으로 보다 견고한 결합구조를 이룰 수 있다. 이때, 캠피스(2a)는 내벽에 다수 형성된 구멍형태의 수축보강부(7b)는 중앙부의 샤프트홀(9b) 주변을 감싸고 둥글게 배치되는 것이 바람직하다.

나아가 제 1,2실시예에서 보여주는 바와 같이, 철 재질의 캠피스(2a)에 형성되는 수축보강부(7a,7b)와 경량 금속인 알루미늄(또는 내열 마그네슘) 합금 재질의 샤프트부(3)에 형성되는 보강체결부(8a,8b)는 상호 대응되는 형상구조를 갖는 것으로, 이들 수축보강부(7a,7b)와 보강체결부(8a,8b)의 형상은 철 재질의 캠피스(2a)와 경량 금속의 샤프트부(3)가 갖는 열팽창계수(일명, 수축율) 차이에 따른 결합부 위에서 수축율 차이를 보완해 줄 수 있는 형상구조이면 어떠한 형태라도 무방하다.

한편, 캠피스(2a)들과 샤프트부(3)가 금형(4) 내에서 일체로 성형될 때, 캠피스(2a)들과 샤프트부(3)의 접합부위에서 접합강도를 높여주기 위한 샤프트부(3)의 직경보다 더 크게 형성되면서 각각의 캠피스(2a)들 측면을 감싸는 구조를 갖는 보강리브 형태의 접합부(3a)가 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 접합부(3a)는 캠피스(2a)의 측면을 감싸는 구조를 가짐으로써, 상기 캠피스(2a)의 수축보강부(7a,7b)와 샤프트부(3)의 보강체결부(8a,8b)가 외부로 노출되지 않도록 막아주는 역할을 할 뿐만 아니라, 상기 샤프트부(3)에서 캠피스(2a)의 전후 이동을 방지하는 역할을 수행하여 결과적으로 결합력를 높여 주는 역할을 하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 결합구조의 형상을 갖도록 캠피스(2a)를 설계한 다음 캠부(2)와 샤프트부(3)의 접합방식에 있어서, 종래의 소결로를 통한 중공의 스틸튜브 샤프트와 소결제 분말캠을 확산접합하는 소결공정에 비해 상대적으로 용이하면서 정밀한 다이캐스팅 공법과 같은 주조공법을 사용하는 본 출원인에 의해 기 출원된 경량 알루미늄 캠샤프트의 제조방법을 통해 구현되기 때문에 보다 제조공정을 단순화시킬 수 있다.

참고로 본 발명에 따른 열팽창계수 차이를 이용한 차량용 경량 캠샤프트 결합구조를 달성하기 위한 경량 캠샤프트의 제조방법 및 이러한 제조방법을 통해 제조된 경량 캠샤프트의 구체적인 특징을 살펴보기로 한다. 크게 소재준비 공정, 주조 공정, 오일홀가공 공정, 마무리 공정 등으로 이루어져 있다.

<1> 소재준비 공정

우선 소재준비 공정은 캠샤프트(1)의 캠부(2)에 해당하는 캠피스(2a)들을 별도 제작 준비하여 도 6a에 도시한 금형(4)에 인서트 삽입하기 전의 단계이다. 이때, 별도로 제작되는 캠피스(2a)들은 종래의 조립식 캠샤프트 제조방법 중 중공소결 캠샤프트의 캠을 제조하는 방식을 사용하여 분말금속을 이용한 분말캠 형태로 성형하여 소결시킨 것을 사용하도록 한다.

특히, 본 발명에 따라 캠피스(2a)만을 소결로에서 별도 소결 제작하기 때문에 종래 중공소결 캠샤프트를 제조할 때 분말캠과 스틸튜브를 함께 소결로에 장입하여 소결 접착할 때에 비해 소결로에 장입되는 량을 증가시킬 수 있어 소결로의 장입효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 물론, 분말캠 외에도 단조에 의해 제조된 단조캠 형태로 제작된 것을 사용할 수도 있다.

이때, 별도로 제작되는 캠피스들은 냉간성형 또는 열처리가 가능한 금속 및 합금을 이용하는 것이 바람직하다. 즉, 캠피스의 재질에 관련하여 화학성분 및 기계적특성 등이 표 1 및 표 2에 예시되어 있다.

<표 1>

재질명 (기호)	화학성분(wt%)
	C	Si	Mn	P	Ni	Cr	Mo	S	기타
4%Cr	1.4~2.8	0.5~1.5	1.0↓	0.3~0.8	0.5~2.5	2.5~5.5	0.5~2.0	-	1.0↓
8%Cr	2.3~3.0	0.5~1.5	1.0↓	0.2~0.7	1.8~2.4	1.0~3.0	1.0~3.0	-	1.0↓
12%Cr	1.5~3.0	0.5~1.2	1.0↓	0.3~0.8	0.5~2.0	0.5~2.0	0.5~2.0	-	1.0↓
S50~58C	0.47~0.61	0.15~0.35	0.60~0.90	0.03↓	-	-	-	0.035↓	0.03↓
SCM440	0.38~0.43	0.15~0.35	0.6~0.85	0.03↓	-	0.9~1.2	0.15~0.3	0.03↓	0.03↓
SUJ2	0.95~1.1	0.4~0.7	0.9~1.15	0.03↓	0.25↑	0.9~1.2	0.1~0.25	0.03↓	0.03↓

<표 2>

재질명(기호)	기계적 특성		제조공정
	경도(HRC)	밀도(g/㎤)
4%Cr	52~63	7.45↑	분말/소결
8%Cr	52~63	7.45↑	분말/소결
12%Cr	52~63	7.45↑	분말/소결
S50~58C	50~60	7.50↑	단조
SCM440	50~60	7.50↑	단조
SUJ2	50~60	7.50↑	단조

<2> 주조 공정

먼저 소재준비 공정을 통해 준비된 캠피스(2a)들은 도 6b에 도시된 바와 같이, 캠샤프트의 구조에 맞게 설계 제작된 금형(4) 내에 인서트 삽입하게 된다. 이때, 캠피스(2a)들은 금형(4) 내 샤프트부(3)로 형성될 부위에서 캠부(2)의 배치구조에 따라 설정된 위치에 맞게 순차적으로 인서트 삽입하게 된다.

이렇게 캠피스(2a)들이 금형(4) 내에 인서트 삽입되면, 경량 금속인 알루미늄 합금 또는 내열 마그네슘 합금이 용융된 상태로 주조공법에 따라 주입되게 된다. 이때, 주조공법으로는 콜드챔버 다이캐스팅(Cold Chamber Diecasting) 타입의 다이캐스팅 장비를 이용한 주조공법을 사용하는 것이 바람직하며, 형상 및 요구특성에 따라 대기 및 진공 또는 수평 및 수직형 다이캐스팅 장비를 사용하는 것이 바람직하다.

특히, 다이캐스팅 공법에 따른 다이캐스팅의 주조압력(Casting Pressure, 통상 "사출압력"이라 함)은 60~1,300㎏f/㎠범위 내에 있는 것이 바람직하고, 다이캐스팅 주조속도(Injection Velocity, 통상 "사출속도"라 함)는 0.5~3.0 ㎧범위 내에서 실시하는 것이 바람직하다. 아울러 다이캐스팅의 용탕온도로는 600~800℃가 바람직하다.

물론, 경량 합금의 주조공법으로는 상기한 일반적인 다이캐스팅 공법 외에도 중력금형 주조공법, 스퀴지캐스팅(Squeeze Casting) 공법, 세미솔리드 캐스팅(Semisolid Casting) 공법을 사용할 수도 있다. 이때, 중력금형 주조공법의 경우에도 용탕온도가 600~800℃ 정도를 유지하는 것이 바람직하다.

또한 가압주조에 해당하는 스퀴지캐스팅 공법에서의 사출압력은 200~1,600㎏f/㎠, 사출속도는 0.5~2.0㎧, 용탕온도는 600~800℃ 정도가 바람직하고, 세미솔리드 캐스팅 공법에서의 사출압력은 50~500㎏f/㎠, 사출속도는 0.5~2.0 ㎧, 세미솔리드(반용융) 온도는 450~650℃ 정도가 바람직하다.

상기와 같은 조건 하에서 금형(4) 내에 용융된 알루미늄 합금(또는 내열 마그네슘 합금)을 주입하여 캠피스(2a)들과 샤프트부(3)가 일체로 성형되어 주조가 완료되게 되고, 이렇게 완료된 경량 캠샤프트(1)는 도 6c에 도시된 바와 같이 금형(4) 내에서 취출하게 됨으로써 주조공정이 완료되게 된다.

이때, 상기와 같은 방식으로 취출된 경량 캠샤프트(1)의 시제품을 실험에 의해 그 기계적 특성을 살펴본 결과, 제품의 인장강도 200~350㎫에 이르고, 제품의 내력(0.2%) 180~300㎫에 이르며, 제품의 연신율은 1~15% 정도에 이르렀다.

특히, 금형(4) 내에는 알루미늄(또는 내열 마그네슘) 합금에 의해 주조 성형되어 캠피스(2a)들과 샤프트부(3)가 서로 접합될 때, 이들 캠피스(2a)들과 샤프트부(3)간의 접합부위에서 접합강도를 향상시켜 줄 수 있도록 샤프트부(3)의 직경 보다 더 큰 직경을 갖으면서 각각의 캠피스(2a)들의 측면에서 연장 돌출되는 접합부(3a)가 성형될 수 있는 구조를 갖추고 있다. 즉, 주조공정을 통해 캠피스들(2a) 과 샤프트부(3)가 서로 접합된 형태의 경량 캠샤트프가 주조 성형되면, 상기 캠피스(2a)들의 측면에는 샤프트부(3)의 직경보다 더 큰 직경을 갖는 접합부(3a)가 구비되게 되는 것이다.

이러한 접합부(3a)는 종래의 스틸튜브에 분말캠을 소결 접합하는 중공소결 캠샤프트 제조방법으로는 형성할 수 없는 구조로서, 본 발명의 열팽창계수 차이를 이용한 경량 금속의 주조성형에 따른 제조방법의 특성에 의해 나타날 수 있는 구조인 것이다. 즉, 상기 접합부(3a)는 금형(4) 상에서 캠피스(2a)의 측면을 감싸는 구조를 갖도록 충분히 구현할 수 있기 때문에 본 발명이 적용된 경량 캠샤프트에서 캠피스(2a)들과 샤프트부(3)의 접합강도를 높일 수 있는 구조적인 특징을 갖게 된다.

<3> 오일홀가공 공정

계속해서 다이캐스팅 공법을 통해 경량 캠샤프트(1)가 주조되면, 상기 캠샤프트(1)의 구조에 필요한 프론트피어스 및 오일홀(5) 등을 가공하게 된다. 특히, 상기 주조공정을 통해 취출된 경량 캠샤프트(1)는 중실 캠샤프트 구조를 갖게 되는 바, 상기 오일홀 가공과정에서 캠샤프트(1)의 샤프트부(3) 중심을 드릴가공 등을 통해 오일홈(5) 가공과 함께 중공(6)을 형성하게 되면, 결과적으로 중실 캠샤프트를 중공 캠샤프트 형태로 변경 가능하게 되고, 이는 보다 경량화된 캠샤프트(1)를 제공할 수 있게 되는 것이다.

물론, 오일홈(5)은 드릴가공 방식 외에 코어 방식을 통해 금형(4) 상에서 샤프트부(3)에 용융된 경량 금속을 주입할 때, 오일홈(5) 형태의 코어(도시 생략)를 삽입한 후, 코어를 제거하는 방법을 통해 상기 오일홈(5)을 형성할 수도 있다.

한편, 전술한 바와 같이 종래의 중공소결 캠샤프트에서 스틸튜브를 사용할 경우에 인발가공 등에 통해 제작되는 스틸튜브 특성상 중공되는 직경이 일정크기 이하로 가공될 수 없어, 오일필링타임(Oil Filling Time)의 문제로 인한 냉간 시동시 엔진 하단에 위치한 오일팬으로부터 캠샤프트까지 오일공급이 늦어져 무급유 마모가 진행될 우려가 있고, 이를 해결하기 위해 오일펌프 용량을 증가시켜야 하는 등에 단점을 가지고 있었으나, 본 발명에 따른 경량 캠샤프트(1)의 경우에는 별도의 드릴가공 혹은 코어방식을 통해 오일홈(5) 및 중공(6)을 가공하기 때문에 중공(6) 직경의 크기를 경량화의 조건을 만족시키면서도 오일 공급에 따른 오일필링타임에 필요한 최적의 조건을 갖는 크기로 가공할 수 있는 장점을 가지게 되는 것이다.

<4> 마무리 공정

계속해서 주조 성형된 경량 캠샤프트(1)에 오일홀(5) 등이 가공된 이후에 보다 정밀한 마무리를 위하여 저널을 주지 공용되는 관용의 기술을 통해 황삭 및 연삭함과 아울러, 캠부(2) 역시 연삭을 통해 보다 정밀하게 마무리하게 된다.

이러한 황삭 및 연삭에 의한 마무리 공정을 통해 최종적으로 경량 알루미늄 캠샤프트의 완제품을 출시하게 되는 것이다. 물론, 마무리 공정에서 보다 나은 내구성과 같은 특성 향상 및 캠부의 표면 개질을 위해 별도의 열처리를 실시할 수도 있다.

도 1과 도 2는 경량 알루미늄 캠샤프트에 대한 결합상태 사시도와 단면도.

도 3은 본 발명에 따라 캠피스와 샤프트부가 서로 다른 열팽창계수 차이로 결합된 경량 금속의 캠샤프트 요부를 보인 결합상태 사시도.

도 4와 도 5는 본 발명의 제 1실시예와 제 2실시예로서 캠피스와 샤프트부의 결합형태를 각각 보여주는 분리상태 사시도.

도 6a 내지 도 6c는 경량 알루미늄 캠샤프트가 구성되는 제조공정을 순차적으로 보여주는 도면으로서, 도 6a는 캠피스들을 금형 내에 인서트 삽입하기 전 상태, 도 6b는 금형 내에 캠피스들이 인서트 삽입된 상태, 도 6c는 알루미늄 주조공정 후 알루미늄 캠샤프트를 취출한 상태를 각각 보여주는 제조공정도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 캠샤프트 2 : 캠부

2a : 캠피스 3 : 샤프트부

3a : 접합부 4 : 금형

5 : 오일홈 6 : 중공

7a,7b : 수축보강부 8a,8b : 보강체결부

9a,9b : 샤프트홀

Claims (5)

1. 캠부(2)를 이루는 철 재질의 캠피스(2a)들로 별도 제작되고, 별도로 제작된 상기 캠피스(2a)들을 금형(4) 내에 인서트 삽입한 후 주조공법을 통해 용융된 경량 금속을 주입하여 이들 캠피스(2a)들과 샤프트부(3)를 일체로 성형시키는 경량 캠샤프트를 구성함에 있어서,

   상기 철 재질의 캠피스(2a)와 경량 금속인 알루미늄 합금 또는 내열 마그네슘 합금 재질의 샤프트부(3)가 갖는 열팽창계수(일명, 수축율) 차이에 따른 결합부위에서 수축에 의한 결합력이 약화되는 것을 방지하도록 상기 캠피스(2a) 상에 수축보강부(7a,7b)가 형성되고, 상기 수축보강부(7a,7b)로 용융된 경량 금속이 주입되어 상기 샤프트부(3)에 보강체결부(8a,8b)가 형성됨에 따라 일체로 결합 구성되는 것을 특징으로 하는 열팽창 특성을 이용한 경량의 캠샤프트 결합구조.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 캠피스(2a)들과 샤프트부(3)가 금형(4) 내에서 일체로 성형될 때, 이들 캠피스(2a)들과 샤프트부(3)의 접합부위에서 접합강도를 높여주기 위한 상기 샤프트부(3)의 직경보다 더 크게 형성되면서, 각각의 캠피스들(2a) 측면을 감싸는 구조를 갖는 보강리브 형태의 접합부(3a)가 성형되는 것을 특징으로 하는 열팽창 특성을 이용한 경량의 캠샤프트 결합구조.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 캠피스(2a) 상의 수축보강부(7a)는 캠피스의 중앙부에 형성된 샤프트홀(9a)을 중심으로 근접하게 내벽에 다수개 관통된 원형의 구멍형태가 형성되고, 샤프트부(3)의 보강체결부(8a)는 구멍형태의 상기 수축보강부(7a)에 대해 용융된 경량 금속이 주입되어 일체 성형되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 열팽창 특성을 이용한 경량의 캠샤프트 결합구조.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 캠피스(2a) 상의 수축보강부(7a)는 캠피스의 중앙부에 형성된 샤프트홀(9b)에서 상기 캠피스(2a)의 내벽 쪽으로 확장 요홈되어 장공형태가 형성되고, 샤프트부(3)의 보강체결부(8a)는 장공형태의 상기 수축보강부(7a)에 대해 경량 금속이 주입되어 일체 성형되는 것을 특징으로 하는 열팽창 특성을 이용한 경량의 캠샤프트 결합구조.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 금형(4) 내에 철 재질의 캠피스(2a)를 인서트 삽입하고, 용융된 경량 금속인 알루미늄 합금 또는 내열 마그네슘 합금을 주입하여 상기 캠피스(2a)와 경량 금속재질의 샤프트부(3)를 결합하기 위해 다이캐스팅 공법, 스퀴즈 캐스팅공법, 세미솔리드 캐스팅공법과 같은 주조공법 중 어느 하나를 적용하는 것을 특징으로 하는 열팽창 특성을 이용한 경량의 캠샤프트 결합구조.

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