KR100412565B1 - 엔진 보기류를 이용하여 엔진 외부에 장착하는 밸런스샤프트 장치 - Google Patents

엔진 보기류를 이용하여 엔진 외부에 장착하는 밸런스샤프트 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 엔진외부에 장착하므로써 엔진의 크기를 컴팩트하게 하고 레이아웃성을 향상시키며, 부품의 소요가 적어 중량 및 비용이 저감되며, 정비가 손쉬운 구조의 밸런스 샤프트 장치를 제공하는 데 있다.
이를위해 본 발명은 크랭크 축과 에어컨 컴프레셔축, 에어컨측 텐쇼너 풀리축과 알터네이터축 및 워터펌프축에 각각 풀리를 장착하고 구동벨트로 연결하여 동력을 전달하여 회전시키는 엔진 보기류에 있어서,
상기 에어컨측 텐쇼너 풀리와 알터네이터 풀리 후방에 일단이 각각의 풀리측에, 타단은 각각 실린더 블록에 동일한 편심질량을 가지는 밸런스 샤프트들을 회전가능하게 지지장착시킨 것을 특징으로 한다.

Description

엔진 보기류를 이용하여 엔진 외부에 장착하는 밸런스 샤프트 장치{Balance shaft apparatus}
본 발명은 엔진 보기류를 이용하여 엔진 외부에 장착하는 밸런스 샤프트 장치에 관한 것이다.
피스톤의 왕복운동에 의해 동력을 발생시키는 직렬형(In-line) 내연기관은 피스톤 및 컨넥팅 로드의 왕복운동에 의해 불평형력이 발생하며, 또 크랭크 축은 진동이 없이 원활하게 회전해야 하나 크랭크 저널 중심과 크랭크 핀의 중심이 편심되어 있어 그대로 회전시키면 밸런스를 유지할 수 없어 진동과 소음을 발생시켜 안락한 운전을 저해하게 된다.
즉, 4기통 엔진을 장착한 차량은 근본적으로 크랭크 축 회전에 의한 엔진의 2차 성분 가진이 발생하도록 되어있다. 따라서 이러한 진동성분(아이들시 및 고속영역의 부밍소음)을 제거하기 위하여 엔진 내부에 2개의 밸런스 샤프트를 회전방향이 반대가 되도록 장착하고 있다.
진동감쇄를 위해 밸런스 샤프트를 장착하는 방법으로서는 도 4에 도시하는 것과 같이 기어오일펌프(20)에 2개의 기어(21)(22)를 접속하고 2개의 축(23)(24)을 구동시켜 밸런스를 유지하는 랭캐스터(Lanchaster) 방식과, 크랭크 핀의 반대쪽의 크랭크 암에 밸런싱 웨이트를 설치하거나 크랭크 축에 기어를 이용하여 편심축을 구동하여 밸런스를 유지하는 MMC 방식이 있다.
이러한 장치들이 엔진의 불평형력을 제거하게 되는 이론적 근거는 잘 알려진 바와같이 다음과 같다.
직렬형 4기통 엔진의 기진력(가진력)은 4mr ω2λcos2θ이며, 밸런스 샤프트에 의해 발생하게 되는 힘 FB = mbㆍrb(2ω)2이다.
그리고 도 FZ = Fs - 2FB cos2θ= 0
4mr ω2λcos2θ= 2mbㆍrb ㆍcos2θ,
여기서, 2mbㆍrb = mrλ= mrZ/I 식이 성립하도록 mb와 rb를 설정하게 되면 엔진의 2차 성분 기진력이 상쇄되는 것이다.
즉, 두개의 샤프트가 동일한 무게, 동일한 질량중심을 가지고 크랭크 축의 2배의 각속도(2ω)로 회전하면 엔진의 관성력에 의한 2차 성분 기진력을 제거할 수 있게됨이 이론상 밝혀져 있는 것이다.
그런데 상기와 같은 밸런스 샤프트의 장착구조에 의하면 밸런스 샤프트들이 오일팬내 및 크랭크케이스 등 엔진내부에 설치되므로써 매우 복잡한 구조를 갖는 엔진내부의 레이아웃성을 해치고 엔진 전체의 체적이 증대될 수 밖에 없으며, 밸런스 샤프트 설치를 위한 케이스등의 별도부품이 소요되고, 밸런스 샤프트의 장착상태를 엔진외부에서 직접 볼 수 없어 정비가 불편한 등 여러가지 문제가 나타나고 있다.
이에 본 발명은 상기한 점들을 감안하여 제안한 것으로서 그의 목적으로 하는 것은
엔진외부에 장착하므로써 엔진의 크기를 컴팩트하게 하고 레이아웃성을 향상시키며, 부품의 소요가 적어 중량 및 비용이 저감되며, 정비가 손쉬운 구조의 밸런스 샤프트 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은
크랭크 축과 에어컨 컴프레셔축, 에어컨측 텐쇼너 풀리축과 알터네이터축 및 워터펌프축에 각각 풀리를 장착하고 구동벨트로 연결하여 동력을 전달하여 회전시키는 엔진 보기류에 있어서,
상기 에어컨측 텐쇼너 풀리와 알터네이터 풀리 후방에 일단이 각각의 풀리측에, 타단은 각각 실린더 블록에 동일한 편심질량을 가지는 밸런스 샤프트들을 회전가능하게 지지장착시킨 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 엔진 보기류를 나타낸 도면
도 2는 본 발명에 의한 알터네이터측의 제 1 밸런스 샤프트 장치를 나타내는 도면
도 3은 본 발명에 의한 에어컨 텐셔너 풀리측의 제 2 밸런스 샤프트 장치를 나타내는 도면
도 4는 종래 기술의 일례
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1,1a : 크랭크 축 풀리 2 : 알터네이터 풀리
3 : 에어컨 컴프레셔 풀리 4 : 에어컨측 텐쇼너 풀리
5 : 워터펌프 풀리 6,7 : 구동벨트
8 : 크랭크 축 9 : 알터네이터
10 : 알터네이터 축 11 : 실린더 블록
12 : 제 1 밸런스 샤프트 13,14 : 베어링
15 : 제 2 밸런스 샤프트
이하 본 발명의 구성을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 엔진 보기류를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 의한 알터네이터측의 제 1 밸런스 샤프트 장치를 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명에 의한 에어컨 측 텐쇼너 풀리측의 제 2 밸런스 샤프트 장치를 나타내는 도면이다.
도면에 있어서, 부호 1과 1a는 크랭크 축 풀리이고 부호 2는 알터네이터 풀리, 부호 3은 에어컨 펌프레셔 풀리, 부호 4는 에어컨측 텐쇼너 풀리, 그리고 부호 5는 워터펌프 풀리이며, 각 풀리는 구동벨트(6)(7)에 의해 크랭크 축(8)의 회전력을 전달받아 발전하거나 냉각수를 급송하고 에어컨 냉매를 압축하는 동력원으로 이용된다.
크랭크 축 풀리(1)(1a)가 2개인 것은 알터네이터 구동용과 에어컨 구동용 벨트(6)(7)를 각각 걸기 위한 것으로 풀리직경이 같거나 또는 다르게 형성할 수 있다.
여기서 알터네이터 풀리(2)의 반경이 R1이고, 에어컨 텐쇼너 풀리 반경(3)을 R2로 설정하면, 이들을 구동하기 위한 크랭크 축 풀리(1)(1a)의 반경은 각각 2R1과 2R2로 설정된다.
도 2에서 보여지는 것과같이 알터네이터 풀리(2) 후방에는 알터네이터(9)가 설치되어 있어, 그 알터네이터 축(10)과 실린더 블록(11) 사이에 제 1 밸런스 샤프트(12)를 접속하고 있다. 제 1 밸런스 샤프트(12)는 알터네이터 축(10)에 대해서는 편심된 축을 가지며, 실린더 블록(11)측은 베어링(13)을 개재하여 지지하고, 알터네이터측은 그의 단부(12a)를 알터네이터 축(10)에 억지끼워맞춤하고 있다.
그리고 에어컨 텐쇼너 풀리(4),(혹은 에어컨 컴프레셔 풀리(3)측) 측에 도 3에 도시하는 것과 같이 일단부(4a)를 에어컨 텐쇼너 풀리(4)에 억지끼워맞춤에 의해 압입접속하고, 타단부(4b)를 실린더 블록(11)에 베어링(14)을 개재하여 회전가능하게 제 2 밸런스 샤프트(15)가 설치되어 있다.
상기 제 2 밸런스 샤프트(15)와 제 1 밸런스 샤프트(12)는 동일 편심 질량을 가지도록 형성되어 있다.
한편, 4기통 직렬형 엔진에서의 밸런스 샤프트의 적용원리는 앞서 종례예에서 설명한 바 있으므로 중복 설명을 생략하며, 알터네이터 후방과 에어컨 텐쇼너풀리 후방에 설치된 제 1 밸런스 샤프트(12)는 크랭크 축 풀리(1)와 같은 방향으로 2배속도로 회전하게 되고, 제 2 밸런스 샤프트(15)는 크랭크 축 풀리(1a)와 반대방향으로 2배속도로 회전하게 되므로써 엔진의 2차 기진력을 제거할 수 있게 되는 것이다.
이상과 같은 본 발명은 2개의 밸런스 샤프트가 동일한 무게, 동일한 질량 중심을 가지고 크랭크 축의 2배속도로 회전하게 되면 엔진의 관성력에 의한 2차성분 가진력을 제거할 수 있는 이론에 근거하여 크랭크 축 풀리의 2배속으로 회전하는 직경비를 가지는 알터네이터 풀리와 에어컨 텐쇼너 풀리 후방에 직결되도록 각각 밸런스 샤프트를 설치하여, 일측 밸런스 샤프트는 크랭크 축 풀리와 같은 방향의 2배속으로 그리고 타측 밸런스 샤프트는 반대 방향의 2배속으로 회전하는 것에 의해서 엔진의 2차 기진력을 제거하게 되는 효과가 있으며, 이러한 구성으로부터 기타 다음과 같은 효과를 추가적으로 얻을 수 있다.
첫째, 밸런스 샤프트가 엔진 외부에 장착되므로 엔진 용적의 축소설계가 가능하고, 레이아웃성이 향상된다.
둘째, 기존의 보기류의 풀리에 직결하여 밸런스 샤프트를 설치하므로 종래와 같은 별도의 기어 시스템등이 생략되어 구조가 단순하고 비용이 저감된다.
셋째, 밸런스 샤프트의 장착상태가 외부로 쉽게 드러나기 때문에 정비가 손쉽다.
넷째, 밸런스 샤프트가 엔진외부에 있어 윤활과 냉각을 위한 오일을 공급할필요가 없어 오일소모량이 저감된다.

Claims (5)

  1. 크랭크 축과 에어컨 컴프레셔축, 에어컨측 텐쇼너 풀리축과 알터네이터축 및 워터펌프축에 각각 풀리를 장착하고 구동벨트로 연결하여 동력을 전달하여 회전시키는 엔진 보기류에 있어서,
    상기 에어컨측 텐쇼너 풀리와 알터네이터 풀리 후방에 일단이 각각의 풀리측에, 타단은 각각 실린더 블록에 동일한 편심질량을 가지는 밸런스 샤프트들을 회전가능하게 지지장착시킨 것을 특징으로 하는 엔진 보기류를 이용하여 엔진 외부에 장착하는 밸런스 샤프트 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸런스 샤프트들은 크랭크 축 회전에 대하여 2배속도로 회전하도록 풀리의 직경을 설정하는 것을 특징으로 하는 엔진 보기류를 이용하여 엔진 외부에 장착하는 밸런스 샤프트 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 알터네이터측의 밸런스 샤프트는 크랭크 축 회전방향과 일치하며, 에어컨 텐쇼너 풀리측의 밸런스 샤프트는 크랭크 축 회전방향과 반대인 것을 특징으로 하는 엔진 보기류를 이용하여 엔진 외부에 장착하는 밸런스 샤프트 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 밸런스 샤프트들은 실린더 블록에 베어링을 개재하여 회전가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 엔진 보기류를 이용하여 엔진 외부에 장착하는 밸런스 샤프트 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 밸런스 샤프트들은 각각의 풀리측에 억지끼워맞춤하여 접속되는 것을 특징으로 하는 엔진 보기류를 이용하여 엔진 외부에 장착하는 밸런스 샤프트 장치.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5362503U (ko) * 1977-10-28 1978-05-26
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US6516770B1 (en) * 2000-09-27 2003-02-11 Ford Global Technologies, Inc. Balance shaft and alternator assembly for an automotive vehicle

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