KR100435740B1 - 엔진의 크랭크축 토셔널 댐퍼풀리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진의 크랭크축에 필연적으로 발생되는 각속도 변동에 따른 비틀림 진동을 완충하도록 하는 토셔널 댐퍼풀리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 그 고유진동수가 가변될 수 있도록 된 엔진의 크랭크축 토셔널 댐퍼풀리를 제공하여,

댐퍼풀리가 엔진의 전 운전영역에서 주파수의 변화에 따라 가변되는 고유진동수를 가지도록 하여 비틀림 진동을 효과적으로 감쇠시킴으로써, 엔진의 내구성을 향상시키고, 정숙한 작동상태를 확보할 수 있다.

Description

엔진의 크랭크축 토셔널 댐퍼풀리{A TORSIONAL CRANK SHAFT DAMPER PULLEY OF ENGINE}

본 발명은 엔진의 크랭크축에 필연적으로 발생되는 각속도 변동에 따른 비틀림 진동을 완충하도록 하는 토셔널 댐퍼풀리에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 그 고유진동수가 가변되도록 하는 것에 관한 것이다.

일반적으로 내연기관의 크랭크축은 연소압의 변동에 따라 주기적인 각속도의 변동 및 토크의 변동이 반복된다. 이로 인하여 크랭크축에는 비틀림 진동 및 굽힘 진동이 발생하는데, 크랭크축계의 고유진동수와 풀리로부터 클러치디스크 또는 자동변속기의 경우 토크컨버터에 이르는 부품의 진동수가 일치할 때 공진이 발생되고, 이와 같은 공진 발생시에는 비틀림 진폭이 매우 크게 증가하게 되고 최악의 경우에는 크랭크축의 파손에 이르는 경우가 있다.

도 1에는 댐퍼가 없는 경우의 크랭크축 선단의 비틀림 진폭 값 및 차수별 분포를 도시한 것으로서, 종래에는 8차성분 진동은 그 값이 상대적으로 작으므로 일반적으로 6차성분 및 4차 성분의 진동을 저감하기 위해 댐퍼를 적용하는데, 현재는 엔진단체에서 A(250Hz),B(290Hz),C(330Hz)... 등 주파수별로 당해 성분의 진동을 저감시키도록 한 일정한 풀리의 사양을 결정하고 있는바, 그러한 댐퍼풀리의 예가 도 2에 도시되어 있다.

그런데, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 댐퍼풀리가 한가지 주파수에 대해서만 조정되어 있는 상태에서는 엔진의 전 운전영역에서 최상의 진동감쇠의 효과를 얻을 수는 없는 실정이다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 엔진의 전 운전영역에서 주파수의 변화에 따라 가변되는 고유진동수를 가지도록 하여 비틀림 진동을 효과적으로 감쇠시킬 수 있도록 된 엔진의 크랭크축 토셔널 댐퍼풀리를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 댐퍼가 없는 경우의 크랭크축 선단의 비틀림 진폭 값 및 차수별 분포를 도시한 도면,

도 2는 종래의 일반적인 댐퍼풀리의 구조도,

도 3은 각 주파수별로 특화된 댐퍼풀리의 사용에 따른 진동저감효과를 도시한 그래프,

도 4는 본 발명에 따른 댐퍼풀리를 도시한 부분도,

도 5는 도 4의 고유진동수 가변모듈의 구조도,

도 6은 도 5의 구조에서 제1질량체의 구조를 도시한 사시도,

도 7은 도 5의 구조에서 제2질량체의 구조를 도시한 사시도,

도 8은 도 5의 구조에서 하우징의 외관을 도시한 사시도,

도 9는 본 발명의 작동을 설명하기 위한 설명도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1: 댐퍼풀리 3: 고유진동수 가변모듈

5: 고정홀 7: 하우징

9: 제1질량체 11: 제2질량체

13: 제1실린더 15: 제2실린더

17: 스프링 19: 작동오일

21: 제1가이드홈 23: 제1스토퍼

25: 제2가이드홈 27: 제2스토퍼

29: 연통홀 31: 제2스토퍼 연통홀

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 엔진의 크랭크축 토셔널 댐퍼풀리는 하우징과, 상기 하우징의 내측에 위치한 제1질량체 및 제2질량체와, 상기 제1질량체의 섭동가능 스트로크보다 제2질량체의 섭동가능 스트로크가 크게 형성된 상기 제1질량체가 삽입된 제1실린더 및 상기 제2질량체가 삽입된 제2실린더와, 상기 제1질량체의 상측방향 이동 스트로크에 대해 증가된 스트로크를 하측방향으로 상기 제2질량체가 이동하도록 하는 스트로크 전환 및 증가수단과, 상기 제2질량체를 상측방향으로 일정한 힘으로 탄지하는 스프링으로 이루어진 고유진동수 가변모듈을 크랭크축 풀리의 원주상에 일정한 간격으로 배열 설치한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 4는 본 발명 엔진의 크랭크축 토셔널 댐퍼 풀리(1)의 일부를 도시한 것으로서, 도시된 바와 같은 고유진동수 가변모듈(3)을 풀리의 원주상에 3개소 이상 배열하여 고정하도록 하는 것이다.

여기서, 상기 고유진동수 가변모듈의 구조를 살펴보면 도 5에 상세히 도시된 바와 같이, 외측에는 풀리(1)에 고정되는 고정홀(5)이 구비된 하우징(7)과, 상기 하우징(7)의 내측에 위치한 제1질량체(9) 및 제2질량체(11)와, 상기 제1질량체(9)의 섭동가능 스트로크보다 제2질량체(11)의 섭동가능 스트로크가 크게 형성된 상기 제1질량체(9)가 삽입된 제1실린더(13) 및 상기 제2질량체(11)가 삽입된 제2실린더(15)와, 상기 제1질량체(9)의 상측방향 이동 스트로크에 대해 증가된 스트로크를 하측방향으로 상기 제2질량체(11)가 이동하도록 하는 스트로크 전환 및 증가수단과, 상기 제2질량체(11)를 상측방향으로 일정한 힘으로 탄지하는 스프링(17)으로 이루어져 있다.

상기 제1질량체(9)는 도 6에, 제2질량체(11)는 도 7에 상세히 도시되어 있으며, 하우징(7)의 외관은 도 8에 도시되어 있다.

상기 스트로크 전환 및 증가수단은 도 5를 참고하여 살펴보면, 상기 제1실린더(13)의 상측을 상기 제2실린더(15)의 상측으로 연결하는 작용통로(17)와, 상기 제1실린더(13)의 상측 및 작용통로(17)에 충전된 작동오일(19)과, 상기 제2질량체(11)의 상측에 일체로 형성되어 상기 작용통로(17) 내에서 섭동하도록 된작용로드부(11-1)와, 상기 제1질량체(9)와 제2질량체(11)의 이동시에 배압의 발생을 방지하도록 하는 배압발생 방지수단으로 구성되어 있다.

여기서, 상기 배압발생 방지수단은 상기 제1질량체(9)와 제2질량체(11)의 운동이 그 자체적인 질량과 원심력 및 상기 작동오일(19)에 의한 힘의 전달, 그리고 스프링(17)에 의해서만 영향을 받도록 하고, 그 움직임에 따른 공기의 압축이나 진공이 발생하지 않도록 하기 위한 것으로서, 상기 제1질량체(9)의 하측에 형성된 제1가이드홈(21)과, 상기 제1가이드홈(21)에 삽입되도록 상기 하우징(7) 내측에서 상측으로 돌출되며 상기 제1질량체(9)가 하우징 내측 바닥면에서 일정한 높이만큼 이격되도록 하는 높이를 가진 제1스토퍼(23)와, 상기 제2질량체(11)의 하측에 형성된 제2가이드홈(25)과, 상기 제2가이드홈(25)에 삽입되도록 상기 하우징(7) 내측에서 상측으로 돌출되며, 상기 제2질량체(11)가 하우징(7) 내측 바닥면에서 일정한 높이만큼 이격되도록 하는 높이를 가진 제2스토퍼(27)와, 상기 제1스토퍼(23)와 제2스토퍼(27)에 의해 각각 형성되는 제1질량체(9)의 하측공간 및 제2질량체(11)의 하측공간을 상호 연통시키는 연통홀(29)과, 상기 제2질량체(11)의 상하측을 연통시킨 제2질량체 연통홀(31)로 구성되어 있다.

한편, 상기 스프링(17)의 탄성력과 상기 제1질량체(9)의 질량 및 제2질량체(11)의 질량은 상호간에 적절한 상태로 형성되어야 하는 바, 일정한 회전수 이하에서는 상기 제2질량체(11)가 스프링(17)의 힘과 자체의 원심력으로 상기 제1질량체(9)의 원심력에 의해 형성된 상기 작용통로에서 작용하는 압력을 이기고 상측으로 이동된 상태를 유지하고 있어야 하고, 상기 일정한 회전수 이상이 되었을때에는 상기 제1질량체(9)의 상승과 함께 상기 제2질량체(11)가 하강하도록 하는 상태가 되어야 하는바, 제1질량체(9)의 질량이 제2질량체(11)의 질량보다 커야한다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

댐퍼풀리(1)의 고유진동수는이고, 여기서 k는 댐퍼러버의 강성(stiffness)이며, m은 회전체 댐퍼풀리의 경우이므로 단순한 질량이 아니라 질량관성모멘트를 의미하는데, 최적의 진동저감 성능을 발휘하기 위해서는 저속에서는 고유진동수가 낮고 고속에서는 높아야 하는 점을 감안할 때, 질량관성모멘트는이므로 상기 제1질량체(9) 및 제2질량체(11)의 크랭크축(C)으로부터의 반경 r1, r2를 상기 고유진동수와 회전속도와의 관계에 부합하도록 변경시키면, 결국 고유진동수의 적절한 변화로 엔진의 전 작동영역에서 비틀림 진동을 최소화할 수 있게 되는 바, 본 발명은 이러한 원리를 이용한 것이다.

즉, 고유진동수가 변화하기 시작하도록 하는 엔진 회전수를 Wa, 제1질량체(9)의 질량을 m1, 제2질량체(11)의 질량을 m2, 상기 스프링(17)의 강성을 k, 크랭크축(C)의 중심으로부터 상기 제1질량체(9)의 질량중심까지의 거리를 r1, 크랭크축(C)의 중심으로부터 상기 제2질량체(11)의 질량중심까지의 거리를 r2, 엔진의 회전수를 W라 할 때, 도 9에 도시된 바와 같은 힘의 평형관계가 성립된다.

여기서, f1=m1*r1*W, f2=m2*r2*W, f3=kx 여기서 x는 스프링(17)의 압축변위, f4=P*A 여기서 P는 상기 작동오일의 유압이고 A는 제1질량체(9)의 작동오일 접촉부의 면적이다.

엔진 회전수 W =< Wa 인 영역에서는 f1=f4, f4 =< f2+f3 이다.

즉, 엔진회전수가 낮은 영역에서는 상기 제1질량체(9)의 원심력 f1에 의해 형성된 f4는 상기 제2질량체(11)의 원심력 f2와 스프링의 힘 f3을 더한 것에 못 미쳐서 제2질량체(11)가 상측으로 이동되어 있고 제1질량체(9)는 하측에 머물러 있는 상태로서, 그 때의 상기 고유진동수 가변모듈(3)의 무게중심은 크랭크축(C)의 중심으로부터 r0의 위치에 있게 되는 것이다.

다음, 엔진 회전수 W > Wa 인 영역에서는 f1=f4, f4 > f2+f3 이다.

즉, 엔진회전수가 높아지면 상기 제1질량체(9)의 원심력 f1에 의해 형성된 f4가 상기 제2질량체(11)의 원심력 f2 와 스프링의 힘 f3를 더한 것 보다 커져서 제1질량체(9)가 상승하고 제2질량체(11)가 하강하게 된다.

이때, 상기 제1질량체(9)의 상승 스트로크에 비하여 상기 제2질량체(11)의 하강 스트로크가 길어지게 되어 전체적으로 볼 때에는, 결국 크랭크축(C)으로부터의 상기 고유진동수 가변모듈(3)의 무게중심이 r0 에서 ra로 작아지게 되는 것이다.

따라서, 엔진의 회전수에 따라서 상기 고유진동수 가변모듈의 무게중심이 변함에 의해 댐퍼풀리(1)의 고유진동수가 가변되도록 되는 것이며, 이때의 가변되는 무게중심의 정도는 문제시되는 진동수의 비틀림 진동을 감쇠시키기에 적합한 상태로 실험에 의해 적절히 선택될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 댐퍼풀리가 엔진의 전 운전영역에서 주파수의 변화에 따라 가변되는 고유진동수를 가지도록 하여 비틀림 진동을 효과적으로 감쇠시킴으로써, 엔진의 내구성을 향상시키고, 정숙한 작동상태를 확보할 수 있다.

Claims (3)

1. 하우징과;

   상기 하우징의 내측에 위치한 제1질량체 및 제2질량체와;

   상기 제1질량체의 섭동가능 스트로크보다 제2질량체의 섭동가능 스트로크가 크게 형성된 상기 제1질량체가 삽입된 제1실린더 및 상기 제2질량체가 삽입된 제2실린더와;

   상기 제1질량체의 상측방향 이동 스트로크에 대해 증가된 스트로크를 하측방향으로 상기 제2질량체가 이동하도록 하는 스트로크 전환 및 증가수단과,

   상기 제2질량체를 상측방향으로 일정한 힘으로 탄지하는 스프링

   으로 이루어진 고유진동수 가변모듈을 크랭크축 풀리의 원주상에 일정한 간격으로 배열 설치한 것을 특징으로 하는 엔진의 크랭크축 토셔널 댐퍼풀리.
2. 제1항에 있어서,

   상기 스트로크 전환 및 증가수단은

   상기 제1실린더의 상측을 상기 제2실린더의 상측으로 연결하는 작용통로와,

   상기 제1실린더의 상측 및 작용통로에 충전된 작동오일과,

   상기 제2질량체의 상측에 일체로 형성되어 상기 작용통로 내에서 섭동하도록 된 작용로드부와,

   상기 제1질량체와 제2질량체의 이동시에 배압의 발생을 방지하도록 하는 배압발생 방지수단

   으로 구성된 것을 특징으로 하는 엔진의 크랭크축 토셔널 댐퍼풀리.
3. 제2항에 있어서,

   상기 배압발생 방지수단은

   상기 제1질량체의 하측에 형성된 제1가이드홈과;

   상기 제1가이드홈에 삽입되도록 상기 하우징 내측에서 상측으로 돌출되며, 상기 제1질량체가 하우징 내측 바닥면에서 일정한 높이만큼 이격되도록 하는 높이를 가진 제1스토퍼와;

   상기 제2질량체의 하측에 형성된 제2가이드홈과;

   상기 제2가이드홈에 삽입되도록 상기 하우징 내측에서 상측으로 돌출되며, 상기 제2질량체가 하우징 내측 바닥면에서 일정한 높이만큼 이격되도록 하는 높이를 가진 제2스토퍼와;

   상기 제1스토퍼와 제2스토퍼에 의해 각각 형성되는 제1질량체의 하측공간 및 제2질량체의 하측공간을 상호 연통시키는 연통홀과;

   상기 제2질량체의 상하측을 연통하는 제2질량체 연통홀

   로 구성된 것을 특징으로 하는 엔진의 크랭크축 토셔널 댐퍼 풀리.