KR100193527B1 - 자동차 파워트레인의 2차밸런서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진에서 발생되는 2차기진력을 모멘트평형으로 제거하기 위한 것으로, 엔진(10)에 일체로 부착되며 기진력이 없는 변속기(11)의 중량을 고려하여 피스턴에서 발생되는 모멘트의 총합(∑M_E)과 반대방향의 모멘트(M_B)가 발생되도록 설치된 밸런스축(20)의 모멘트가 상쇄되는 것을 특징으로 하는 자동차 파워트레인의 2차밸런서이다.

Description

자동차 파워트레인의 2차밸런서

제1도는 단기통 엔진의 관성력을 나타내는 그래프.

제2도의 (a)와 (b)는 직렬 4기통 엔진에서 피스턴의 위상에 따른 1차기진력의 상태를 나타내는 그래프와 설명도.

제3도의 (a)와 (b)는 직렬 4기통 엔진에서 피스턴의 위상에 따른 2차기진력의 상태를 나타내는 그래프와 설명도.

제4도는 기존의 엔진에 힘의 평형을 고려하여 밸런스축이 설치된 상태를 나타내는 개략도.

제5도는 엔진의 관성력에 의해 발생된 진동의 모드를 나타내는 개략도.

제6도는 본 발명 자동차 파워트레인의 2차밸런서가 적용된 개략도.

제7도는 기존의 엔진에 힘의 평형을 고려하여 밸런스축이 설치된 상태를 나타내는 부분단면도.

제8도는 모멘트평형을 고려한 본 발명 자동차 파워트레인의 2차밸런서가 기존의 엔진 오일팬에 설치된 상태를 나타내는 부분단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 엔진 11 : 변속기

12 : 오일팬 20 : 밸런스 축

0 : 기점 P₁, P₂, P₃, P₄: 엔진의 피스턴들

본 발명은 엔진에서 발생되는 2차기진력을 모멘트평형으로 제거하는 자동차 파워트레인의 2차밸런서에 관한 것이다.

일반적으로 왕복동 엔진은 운전시 발생되는 진동으로 인하여 모터와 같이 부드러운 운전이 불가능하며, 이 진동은 주로 엔진의 피스턴과 커넥팅로드의 상하운동에 의한 중심위치의 주기적 변화에 의하여 발생되고, 그 힘은 왕복동 운동체의 가속력에 대한 관성력으로 나타난다.

특히, 이러한 진동은 특정 실린더수의 엔진에서 발생되며, 고속회전시에는 저속회전시보다 진동이 크며, 회전속도의 곱에 비례한다.

이와 같이 발생되는 진동들을 제거하기 위하여, 엔진의 전후에 대칭으로 회동되는 밸런스 축(balance shaft)을 설치하여 왕복운동에 의해 발생되는 불평형 관성력을 제거하였다.

이와 같은 엔진의 왕복운동으로 인하여 발생되는 진동을 좀더 구체적으로 살펴보면, 단기 통일 경우 제1도에 도시되는 바와 같이, 1차(도면 중 1점 쇄선)와 2차(도면 중 2점 쇄선)에서는 진폭이 크지만 그 이후에는 값이 매우 작기 때문에 엔진의 설계시에 주로 고려되는 것은 1차와 2차이며, 이들의 값을 합하면 엔진을 상하방면으로 움직이는 주기적인 힘(도면 중 굵은 실선이며, 이하 기진력이라함)이 발생됨을 알 수 있다. 여기에서 차수는 진동주파수를 엔진의 속도로 나눈 값이며, 도면 중 나타난 그래프는 단기통일 경우를 나타낸다.

이러한 관성력은 특히 다기통의 경우에 실린더의 배치. 즉, 엔진의 형식과 기통수에 따라 결정되는 위상값으로 나타나며, 이는 각각의 기통들에서 발생되는 관성력들의 벡터합으로 실린더의 배치에 따라 각각 다른 값을 갖는다.

이와 같은 다기통 엔진의 대표적인 예로 직렬 4기통 엔진의 경우를 첨부된 도면 제2도의 (a)와 (b)에서 살펴보면 다음과 같다.

즉 첫째, 제1기통(#1)과 제 4기통(#4)에서 발생된 1차기진력은, 피스턴의 회전각이 0도에서 90도 사이와 270도에서 360도 사이에서는 상부방향으로 동이랗게 나타나고, 이 피스턴의 회전각이 90도에서 270도 사이에서는 하부방향으로 동일하게 나타나며, 둘째, 제 2기통(#2)과 제3기통(#3)에서 발생된 1차기진력은, 피스턴의 회전각이 0도에서 90도 사이와 270도에서 360도 사이에서는 하부방향으로 나타나고, 피스턴의 회전각이 90도에서 270도 사이에서는 상부방향으로 나타난다.

상기와 같은 직렬 4기통 엔진에서 발생되는 전체적인 1차기진력의 총합은 각각의 기통들에서 발생된 1차기진력들을 모두 합한 값으로 0(ZERO)으로 제거되었음을 알 수 있다.

하지만 상기와 같은 직렬 4기통 엔진의 경우에서 발생되는 2차기진력은 제3도의 (a)와 (b)에 도시되는 바와 같이, 모든 기통들이 동일한 2차기진력의 값과 동일한 위상을 갖고서 서로 중첩된다.

즉, 첫째, 피스턴의 회전각이 0도에서 45도 사이, 135도에서 225도 사이, 315도에서 360도 사이에서는 상부방향으로 나타나고, 둘째, 피스턴의 회전각이 45도에서 135도 사이와 225도에서 315도 사이에서는 하부방향으로 나타난다.

물론 상기와 같은 직렬 4기통 엔진에서 발생되는 전체적인 2차기진력의 총합은 각각의 기통들에서 발생된 2차기진력들을 모두 합한 값으로 각 기통에서 발생되는 2차기진력의 4배가된다.

이러한 2차기진력을 제거하기 위하여 종래에는 제4도에 도시되는 바와 같이, 엔진(1)의 중심에 대칭 되도록 전, 후에 밸런스 축(2)을 별도로 설치하고, 이 밸런스 축(2)을 크랭크축의 회전수보다 2배로 회동되도록 하여, 엔진(1)의 폭발 행정시에 발생되는 2차기진력이 상기 밸런스 축(2)이 회동할 때에 발생되는 원심력으로 제거되도록 하였다.

즉, 피스턴(3)이 왕복운동을 하면 도면에 도시되는 바와 같이, 크랭크의 회전각이 0도, 180도 및 360도일 때는 상부방향으로 향하는 불균형힘(F_E)이 발생하며, 이와 반대로 크랭크의 회전각이 90도, 270도 때에는 하부방향으로 향하는 뷸균형힘(미도시)이 발생하였으나, 크랭크축의 2배로 회동되는 밸런스 축(2)의 원심력으로 발생되는 불균형힘(F_B)이 피스턴(3)의 왕복운동으로 발생되는 불균형힘(F_E)과 항상 반대방향으로 작용하기 때문에 피스턴(3)의 가속도변화에 의한 상하방향의 2차기진력을 저감시킬 수 있다.

∑F_E= ∑F_B

그러나, 종래의 이러한 밸런스 축에 의한 2차기진력의 감소는 엔진 자체에서 발생되는 힘의 평형(∑F_E= ∑F_B)만을 고려하여, 엔진의 중심에 대칭도록 2개의 밸런스 축을 별도로 설치하였기 때문에, 엔진 설계에 별도의 설치공간을 확보하여야 하였으며, 이는 엔진의 레이아웃(layout-설비배치)상 밸런스 축을 설치할 공간을 확보하는 데에 많은 어려움이 있었고, 이러한 밸런스축의 설치를 위해서는 별도의 실린더 블록을 개발하여야 하였으며, 실제로 레이아웃상 밸런스 축의 설치가 불가능한 모델의 엔진도 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 엔진의 운전시 발생되는 2차기진력을 제거하기 위하여 설치되는 밸런스 축의 설치공간을 별도로 확보하지 않고도 기존의 엔진에서 적용되도록 하고, 이러한 밸런스 축을 어느 곳에서나 설치 가능하게 하여 설계의 자유도가 충분히 확보되도록 하는 자동차 파워트레인의 2차밸런스를 제공하는데 있다.

이하 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명 자동차 파워트레인의 2차밸런서는 제5도와 제6도에 도시되는 바와 같이, 엔진(10)에 일체로 부착되며 기진력이 없는 변속기(11)의 중량을 고려하여 피스턴에서 발생되는 모멘트의 총합(∑M_E)과 반대방향으로 모멘트(M_B)가 발생되도록 설치된 밸런스 축(20)의 모멘트가 상쇄되도록 함을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

상기 밸런스 축(20)의 편심 웨이트는, 엔진(10)의 중심과 전후대칭이 되지 않도록 한다.

또한, 상기 밸런스 축(20)은 엔진(10)의 하부에 체결되는 오일팬(12)의 공간에 설치되도록 함이 바람직하다.

이와 같은 본 발명 자동차 파워트레인의 2차밸런서 실시 예는 제5도와 제6도에 도시되는 바와 같이, 엔진(10)에 일체로 부착되며 기진력이 없는 변속기(11)가 자동차의 프레임에 장착되는 점을 기점(0)으로 하여 엔진(10)의 피스턴에서 발생되는 모멘트의 총합(∑M_E)과 반대방향의 모멘트(M_B)를 갖는 밸런스축(20)을 설치하여 엔진의 파워트레인 전체가 모멘트평형(∑M_E= ∑M_B)을 갖도록 한다.

또한, 이러한 본 발명 자동차 파워트레인의 2차밸런서에서, 마운팅이 없는 경우에는 파워트레인의 무게중심이 모멘트의 기점이 됨을 밝혀둔다.

상기와 같은 본 발명의 적용원리를 다기통 엔진의 대표적인 예인 직렬 4기통 엔진의 경우에서 살펴보면 다음과 같다.

첫째, 파워트레인 전체에서 발생되는 모멘트의 총합(∑M_E)은, 엔진(10)과 일체로 결합된 클러치와 변속기(11)가 포함된 파워트레인 전체를 하나의 질량체로 설정하고, 이러한 파워트레인 전체가 프레임에 장착된 점을 기점(0)으로 하며, 이 기점(0)을 중심으로 하여 엔진(10)의 피스턴들(P₁, P₂, P₃, P₄)에서 발생되는 힘들(F_E1, F_E2, F_E3, F_E4)에 기점(0)으로부터 각각의 거리들 (L_E1, L_E2, L_E3, L_E4, 미도시)을 곱한(x) 값으로 나타나는 모멘트들의 총합은 다음과 같다.

여기에서 F_E1, F_E2, F_E3,F_E4들은 엔진의 각 피스턴에서 발생되는 힘들이고, L_E1, L_E2, L_E3, L_E4들은 기점(0)에서부터 각 피스턴까지의 거리들이다.

둘째, 밸런스 축(20)에서 발생되는 모멘트(M_B)는, 밸런스 축(20)에서 발생되는 힘(F_B)에 기점(0)으로부터의 거리(L_B)를 곱한(×) 값으로 다음과 같다.

즉, M_B= F_Bx L_B이다

본 발명의 주된 요지는 엔진에 일체로 체결된 변속기(11)가 자동차의 프레임에 장착되는 점을 기점(0)으로 엔진의 운전시에서 발생되는 모멘트를 밸런스 축(20)의 모멘트로 상쇄시켜 주는 것이다.

이러한 본 발명 자동차 파워트레인의 2차밸런스는, 첫째, 엔진의 운전시에 발생되는 2차기진력을 제거하는 모멘트평형을 갖는 밸런스 축을 엔진의 어느 부위에라도 설치하기만 하면 되므로 엔진 설계시 자유도가 충분히 확보되며, 둘째, 종래에는 힘의 평형에만 촛점이 맞추어 설계되었기 때문에 첨부된 도면 제7도에 도시되는 바와 같이, 힘의 평형을 갖는 밸런스 축(2)이 엔진(1)의 전후에 설치되도록 하는 별도의 공간확보가 필요로 했다. 그러나, 본 발명에서는 모멘트평형에 촛점을 맞추어 설계되므로 첨부된 도면 제8도에 도시되는 바와 같이, 엔진(10)의 하부에 체결된 오일팬(12)의 공간에도 설치할 수 있게 되므로 별도의 설치공간이 필요치 않게 되고, 이는 엔진 블럭의 경량화와 컴팩트(compact)를 실현시켜 줄 수 있으며, 또한 기존의 엔진에서도 적용할 수 있음을 보여준다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명 자동차 파워트레인의 2차밸런서는, 엔진의 운전시 발생되는 2차기진력을 밸런스 축의 모멘트평형으로 제거시키고, 상기 밸런스 축을 기존의 엔진하부에 체결된 오일팬에 설치할 수 있도록 하여 엔진 블럭의 경량화와 컴팩트가 가능하고, 이러한 모멘트평형을 갖는 밸런스 축을 엔진의 어느 곳에나 설치할 수 있으므로 설계의 자유도를 충분히 확보할 수 있는 유용한 것이다.

Claims (2)

1. 엔진에 일체로 부착되며 기진력이 없는 변속기의 중량을 고려하여 피스턴에서 발생되는 모멘트의 총합과 반대방향의 모멘트가 발생되도록 설치된 밸런스 축을 엔진의 하부에 체결되는 오일팬의 공간에 설치하여 모멘트가 상쇄되도록 함을 특징으로 하는 자동차 파워트레인의 2차밸런서.
2. 제1항에 있어서, 상기 밸런스 축은 엔진의 중심과 비대칭되게 설치한 것을 특징으로 하는 자동차 파워트레인의 2차밸런서.