KR100589143B1

KR100589143B1 - 밸런스 샤프트 모듈의 맥동 조절 장치

Info

Publication number: KR100589143B1
Application number: KR1020030065801A
Authority: KR
Inventors: 신정수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-09-23
Filing date: 2003-09-23
Publication date: 2006-06-12
Also published as: KR20050029500A

Abstract

본 발명은 밸런스 샤프트 모듈의 스풀 밸브에 구비된 댐핑 오리피스부에 오일의 온도에 따른 점성의 변화로부터 오리피스의 유동 단면적을 가변화시킬 수 있는 개폐량 조절부를 설치함으로써, 온도에 따른 오일 점성의 변화로부터 스풀 밸브에서 수반되는 오일의 맥동을 조절할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 크랭크 샤프트와 연동되어 작동되는 상시구동 오일펌프와 간헐구동 오일펌프 사이의 유압 회로에 설치되어 이들로부터 토출되는 오일의 압력을 조절하는 스풀 밸브와; 상기 스풀 밸브의 일측에서 토출되는 오일의 맥동을 감쇠시키도록 설치된 댐핑 오리피스부를 갖추되; 상기 댐핑 오리피스부는 오리피스의 유동 단면적을 오일의 온도에 따른 점성의 변화로부터 발생되는 오일의 토출압에 연동하여 조절하는 압력연동형 개폐량 조절부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

밸런스 샤프트 모듈의 맥동 조절 장치{fluctuation adjusting system for balance shaft module}

도 1은 본 발명이 적용되는 엔진의 밸런스 샤프트 모듈을 도시한 사시도.

도 2는 도 1에 도시된 밸런스 샤프트 모듈의 맥동 조절 장치를 도시한 유압 회로도.

도 3의 (a),(b)는 도 2에 도시된 스풀 밸브의 오리피스에 설치된 압력연동형 개폐량 조절부의 작동 상태를 도시한 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10-제1 샤프트 12-제2 샤프트

14-제3 샤프트 16-상시구동 오일펌프

18-간헐구동 오일펌프 20-스풀 밸브

22-리턴 스프링 24-밸브체

26-댐핑 오리피스부 28-개폐량 조절부

30-체임버 32-이동밸브체

34-연통 유로

본 발명은 엔진의 밸런스 샤프트 모듈의 맥동 조절 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도에 따른 오일 점성의 변화로부터 스풀 밸브에서 수반되는 오일의 맥동을 조절할 수 있도록 하는 엔진의 밸런스 샤프트 모듈의 맥동 조절 장치에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 크랭크 샤프트는 진동이 없이 원활하게 회전할 필요가 있으나, 크랭크 저널 중심과 크랭크 핀 중심이 편심되어 있음에 따라, 회전시 밸런스를 유지할 수 없게 된다.

따라서, 크랭크 핀의 반대쪽의 크랭크 암에 밸런스 웨이트(또는 카운터 웨이트)를 설치하여 회전중에 밸런스를 유지하도록 하고 있다.

그런데, 상기와 같은 방법으로는 크랭크 샤프트 자체의 밸런스는 유지할 수 있었지만, 폭발 행정시 발생되는 엔진의 진동은 감쇠시킬 수 없었는 바, 이러한 엔진의 진동은 실린더의 배열이나 수량에 따라 다양한 크기로 존재한다.

일례로서, 4사이클 직결 2실린더 및 4실린더 엔진에서는 진동이 훨씬 큰 것으로 알려져 있다.

한편, 엔진에서 진동이 발생되면, 발생된 진동은 엔진 마운트를 통해 차체로 전달되어 실내 소음을 발생시키는 원인이 되므로, 특히 직결 2실린더 및 4실린더 엔진에서는 진동을 가능한 한 줄이기 위하여 하기와 같은 밸런스 샤프트를 적용하는 방식을 개발하여 적용하고 있다.

이러한 밸런스 샤프트는 2개가 크랭크 샤프트의 회전중심 하단에 수평하게 장착되어 있으며, 상기 밸런스 샤프트는 크랭크 샤프트상의 풀리에 체인으로 연결되어 서로 반대 방향으로 회전하게 되고, 또한, 상기 크랭크 샤프트의 1회전하는 동안 밸런스 샤프트는 2회전을 하게 된다.

이러한 구조를 갖는 방식을 일명 란체스터(Lanchester) 방식이라 하며, 크랭크 샤프트 상부의 피스톤 왕복운동시, 크랭크 회전각이 0°, 180°, 360°일 때의 상향으로 향하는 힘과, 90°, 270°일 때의 하방으로 향하는 힘에 대응하는 반대 방향의 원심력을 발생시킴으로써, 상기 피스톤의 가속도 변화에 의한 상하방향의 2차원 진동을 저감시킬 수 있도록 된다.

이 밖에도, 밸런스 샤프트는 크랭크 샤프트의 회전중심을 중심으로 십자형의 대각선 방향으로 장착될 수도 있으며, 상술된 밸런스 샤프트와 마찬가지로 크랭크 샤프트상의 풀리에 체인으로 연결되어 서로 반대 방향으로 회전하도록 장착되고, 또한 상기 크랭크 샤프트가 1회전하는 동안 밸런스 샤프트는 2회전하도록 설치되어 있다.

이러한 구조의 밸런스 샤프트 장착 방식은 일면 미쓰비시 방식이라 하며, 크랭크 샤프트 상부의 피스톤 왕복운동시, 크랭크 회전각이 0°, 180°, 360°일 때의 상향으로 향하는 힘과, 90°, 270°일 때의 하방으로 향하는 힘에 대응하는 반대 방향의 원심력을 발생시킴으로써, 상기 피스톤의 가속도변화에 의한 상하방향의 2차원 진동을 저감시킬 수 있도록 된다.

또한, 상기 구조의 밸런스 샤프트에서는 피스톤의 사이드 스러스트 파워(side thrust power)에 의해 일어나는 롤링력을 저감시킬 수 있으며, 상기 크랭크 샤프트가 45°, 225°일 때의 시계방향으로의 힘과, 135°, 315°일 때의 반시계방향으로 향하는 힘에 대응하는 반대 방향의 원심력을 발생시키도록 작동되므로써, 롤링력을 저감시키게 된다.

한편, 이러한 밸런스 샤프트는 실린더 블럭의 내부에 장착되거나 별도의 하우징을 사용하여 실린더 블럭의 외부에 부착될 수 있다.

최근에 들어, 2.0L급 이상의 직렬 4기통 엔진은 가동중 발생하는 2차 불평형력을 상쇄시키는 시스템으로 엔진에 적용하여 차량의 정숙성을 개선시키고 고객이 요구하는 차량의 정숙성을 확보하기 위해 밸런스 샤프트를 채용하는 차량이 증가하고 있는 데, 이의 일례로는 밸런스 샤프트 모듈(balance shaft module)이다.

여기서, 상기 밸런스 샤프트 모듈에는 3개의 축과 2쌍의 기어 및 2개의 오일펌프(상시구동 오일펌프와 간헐구동 오일펌프), 그리고 스풀 밸브를 포함한 오일 회로가 구비되어 있는 바, 상기 스풀 밸브는 엔진의 메인 갤러리 유압에 의해 작동되며, 고압의 압력이 걸릴 경우에 오일 펌프에 의한 동력손실이 크기 때문에 유압 회로를 조절하여 간헐구동 오일펌프의 펌핑 작동을 조절하여 동력 손실을 저감시키는 기능을 한다.

또한, 상기 스풀 밸브는 오일 압력에 의해 위치가 결정되고, 그 위치에 따라 오일 공급 능력을 조절하게 되는 데, 오일 압력과 공급 능력 사이에는 밀접한 관계가 있기 때문에 스풀 밸브의 작동이 불안정할 수 있다. 즉 오일 펌프의 가동중 상기 스풀 밸브는 계속적으로 진동을 하게 되고, 이에 따라 오일압력도 같이 불안정 하게 될 수 있다.

이를 방지하기 위해 스풀 밸브의 스프링이 장착되는 공간에 댐핑 오리피스부를 설치하여, 스풀 밸브가 움직일 때 오일이 빠져나가는 량을 조절하여 스풀 밸브의 진동을 억제하는 구조로 되어 있다.

그런데, 상기 댐핑 오리피스부의 오리피스 직경은 여러 번의 튜닝을 통해 최적의 치수를 갖도록 선정되어야 하는 데, 이 경우 오리피스 직경이 너무 작게 선정되면, 냉시동시 낮은 온도에 따른 점성의 상승이 오일 펌프에 있어 마찰로 작용하므로 동력의 손실을 초래하게 되고, 이에 반해, 오리피스 직경이 너무 크게 선정되면, 오일의 온도가 높을 때 낮은 점성의 오일압력의 변동폭이 커서 제어에 어려움이 있게 된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 밸런스 샤프트 모듈의 스풀 밸브에 구비된 댐핑 오리피스부에 오일의 온도에 따른 점성의 변화로부터 오리피스의 유동 단면적을 가변화시킬 수 있는 개폐량 조절부를 설치함으로써, 온도에 따른 오일 점성의 변화로부터 스풀 밸브에서 수반되는 오일의 맥동을 조절할 수 있도록 하는 엔진의 밸런스 샤프트 모듈의 맥동 조절 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 크랭크 샤프트와 연동되어 작동되는 상시구동 오일펌프와 간헐구동 오일펌프 사이의 유압 회로에 설치되어 이들 로부터 토출되는 오일의 압력을 조절하는 스풀 밸브와; 상기 스풀 밸브의 일측에서 토출되는 오일의 맥동을 감쇠시키도록 설치된 댐핑 오리피스부를 갖추되; 상기 댐핑 오리피스부는 오리피스의 유동 단면적을 오일의 온도에 따른 점성의 변화로부터 발생되는 오일의 토출압에 연동하여 조절하는 압력연동형 개폐량 조절부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 엔진의 밸런스 샤프트 모듈을 도시한 사시도인 바, 밸런스 샤프트 모듈(balance shaft module)은 3개의 샤프트와, 이들 샤프트 사이를 연동시키도록 치합되는 2쌍의 기어 및, 상기 샤프트에 설치되어 구동되는 2개의 오일 펌프, 그리고 상기 오일 펌프로부터 토출되는 오일의 압력을 엔진의 회전수에 따라 조절하는 스풀 밸브를 포함한 오일 회로를 구비하여 이루어진다.

상기 샤프트는 엔진의 크랭크 샤프트(도시안됨)와 연동되어 회전하는 제1 샤프트(10)와, 상기 제1 샤프트(10)와 한 쌍의 치합된 기어(11,11')를 매개로 연동되어 회전하는 제2 샤프트(12) 및, 상기 제2 샤프트(12)와 한 쌍의 치합된 기어(13,13')를 매개로 연동되어 회전하는 제3 샤프트(14)로 이루어진다.

상기 오일 펌프는 상기 제1 샤프트(10)에 설치되어 구동되는 상시구동 오일펌프(16;full time oil pump)와, 상기 제3 샤프트(14)에 설치되어 구동되는 간헐구동 오일펌프(18;part time oil pump)로 이루어지는 데, 상기 상시구동 오일펌프(16)는 엔진의 가동중 항상 동작되는 것인 반면에, 상기 간헐구동 오일펌프(18)는 엔진의 회전수가 낮은 경우에 한해 구동되는 것이다. 즉, 상기 간헐구동 오일펌프(18)는 엔진의 회전수가 낮은 경우에 상기 상시구동 오일펌프(16)의 구동만으로 토출되는 오일의 양을 보충하기 위한 것이다.

상기 스풀 밸브(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 상시구동 오일펌프(16)와 간헐구동 오일펌프(18)에 사이에 형성된 유압 회로상에 설치되어 상기 펌프(16,18)들로부터 토출되는 오일의 압력을 조절하는 것으로, 내부에는 리턴 스프링(22)을 매개로 탄발지지되는 밸브체(24)를 갖추고, 상기 리턴 스프링(22)이 수용되는 공간으로 토출되는 오일의 맥동을 감쇠시키는 댐핑 오리피스부(26)를 구비한 구조로 이루어진다.

상기 스풀 밸브(20)는 엔진측 메인 갤러리내 유압에 의해 작동되며, 고압의 압력이 걸릴 경우 오일펌프에 의한 동력 손실이 크기 때문에 유압 회로를 통한 오일의 토출을 조절하여 상기 상시구동 오일펌프(16)의 오일 펌핑 역할을 조절하여 동력 손실을 저감시키는 기능을 하게 된다.

상기 댐핑 오리피스부(26)는 오리피스(or)의 유동 단면적을 오일의 온도에 따른 점성의 변화로부터 조절하도록 설치된 압력연동형 개폐량 조절부(28)를 갖추고 있는 바, 상기 압력연동형 개폐량 조절부(28)는 오일의 점성 변화로부터 발생되는 오일의 토출압력에 연동하여 상기 오리피스(or)의 유동 단면적을 변화시키도록 되어 있다.

이를 위해, 상기 압력연동형 개폐량 조절부(28)는 상기 오리피스(or)상에서 소정의 용적을 갖도록 형성된 체임버(30)와,

상기 체임버(30)내에서 중앙부위에 관통된 유동 통로(32a)를 갖추면서 일측이 스프링(32b)을 매개로 탄발지지되어 이동가능하게 설치된 이동밸브체(32) 및,

상기 스풀 밸브(20)와 상기 체임버(30) 사이를 서로 교통하는 연통 유로(34)를 갖추고 있다.

도면중 미설명 부호 36,38은 엔진의 2차 진동 성분을 상쇄시키기 위해 상기 제2 샤프트(12)와 제3 샤프트(14)에 동일한 크기로 장착된 불평형 질량체이다.

따라서, 상기 스풀 밸브(20)에 구비된 댐핑 오리피스부(26)에서는, 엔진의 가동중 상기 스풀 밸브(20)를 통한 오일의 토출압력에 따라 오리피스(or)의 유동 단면적이 적절하게 조절되어진다.

즉, 냉시동시 온도의 저하에 따라 오일의 점성이 커지게 되면, 상기 상시구동 오일펌프(16)와 간헐구동 오일펌프(18)를 통해 토출되는 오일의 압력이 마찰에 의해 상승하게 되고, 이로 인해 상기 스풀 밸브(20)를 통해 토출되는 오일 압력의 상승은 상기 연통 유로(34)를 통해 상기 압력연동형 개폐량 조절부(28)로 전달된다.

상기 압력연동형 개폐량 조절부(28)에서는 연통 유로(34)를 통해 입력된 상승된 압력이 상기 이동밸브체(32)에 작용하여 가압하게 되고, 상기 이동밸브체(32)는 상승된 압력에 의해 스프링(32b)의 탄성을 이기고 이동하게 되며, 이로 인해 상기 오리피스(or)와 상기 이동밸브체(32)의 유동 통로(32a) 사이의 중첩되는 유동 단면적의 크기는 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이 증가하게 된다.

이 결과, 냉시동시 상기 댐핑 오리피스부(26)의 확장된 유동 단면을 가지는 오리피스(or)를 통해 오일이 원활하게 배출될 수 있어, 상기 스풀 밸브(20)내 오일의 토출압력을 줄일 수 있으며, 이로부터 오일펌프의 펌핑 로스를 줄일 수 있게 된다.

또한, 엔진의 가동이 정상 상태에 이르면, 온도의 상승에 따라 오일의 점성이 낮아지면서 토출되는 오일의 압력이 낮아지게 되고, 이로 인해 상기 연통 유로(34)를 통해 상기 압력연동형 개폐량 조절부(28)로 전달되는 오일의 압력도 낮아지게 된다.

이 결과, 상기 체임버(30)내 이동밸브체(32)는 스프링(32b)의 탄성에 의해 밀리게 되고, 이로 인해 상기 오리피스(or)와 유동 통로(32a) 사이의 중첩되는 유동 단면적의 크기는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 줄어들게 되며, 이에 따라 상기 댐핑 오리피스부(26)를 통해 배출되는 오일의 변동량이 최소화될 수 있으므로, 오일의 압력 변동의 폭이 작아지고, 이로부터 오일의 압력을 제어하는 데 있어 보다 용이하게 할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 엔진의 밸런스 샤프트 모듈의 맥동 조절 장치에 의하면, 엔진의 가동중 발생되는 크랭크 샤프트의 진동이 밸런스 샤프트 모듈에 의해 제진되고, 상기 밸런스 샤프트 모듈에서 오일의 토출압력을 조절하는 스풀 밸브에는 댐핑 오리피스부에서 오리피스 직경이 오일의 온도에 따른 점성 의 변화로부터 가변적으로 조절됨에 따라, 저온의냉시동시 오일펌프의 동력손실을 줄임과 더불어 고온시 오일압의 변동폭을 줄여 제어의 용이함을 줄 수 있는 효과가 있게 된다.

Claims

크랭크 샤프트와 연동되어 작동되는 상시구동 오일펌프와 간헐구동 오일펌프 사이의 유압 회로에 설치되어 이들로부터 토출되는 오일의 압력을 조절하는 스풀 밸브와, 상기 스풀 밸브의 일측에서 토출되는 오일의 맥동을 감쇠시키도록 설치된 댐핑 오리피스부를 갖추되;

상기 댐핑 오리피스부는 오리피스의 유동 단면적을 오일의 온도에 따른 점성의 변화로부터 발생되는 오일의 토출압에 연동하여 조절하는 압력연동형 개폐량 조절부를 구비하고;

상기 압력연동형 개폐량 조절부는 상기 오리피스상에 소정의 용적을 갖도록 형성된 체임버와, 상기 체임버내에 중앙이 관통된 유동 통로를 갖추면서 일측이 스프링을 매개로 탄발지지되어 이동가능하게 설치된 이동밸브체 및, 상기 스풀 밸브와 상기 체임버 사이를 교통하여 스풀 밸브내 압력과 체임버내 압력이 서로 교류하도록 하는 연통 유로를 갖춘 것을 특징으로 하는 엔진의 밸런스 샤프트 모듈의 맥동 조절 장치.
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