KR100622761B1

KR100622761B1 - 전자석 클러치를 이용한 가변형 밸런스샤프트

Info

Publication number: KR100622761B1
Application number: KR1020040046611A
Authority: KR
Inventors: 김현용
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2006-09-14
Also published as: KR20050121471A

Abstract

본 발명은 전자석클러치를 이용하여 밸런스샤프트의 입력축과 주축을 분리 또는 연결시킬 수 있는 한편, 핀을 이용하여 크랭크샤프트와의 동기를 위한 위치를 잡을 수 있는 가변형 밸런스샤프트에 관한 것이다.

본 발명은 전자석클러치를 이용하여 불필요한 조건, 예를 들면 밸런스샤프트의 상쇄모멘트가 롤링모멘트에 중첩되어 엔진의 롤링을 더욱 심하게 유발시키는 조건이나, 연비가 최대로 악화되는 조건이나, 최대 출력이 필요한 조건에서는 밸런스샤프트의 입력축과 주축을 분리하여 사용하지 않도록 함으로써, 밸런스샤프트의 구동을 최적의 조건에서만 수행할 수 있도록 하는 한편, 밸런스샤프트의 주축과 입력축의 연결/분리시 핀을 이용한 위치결정구조로 밸런스샤프트의 위치를 항상 일정하게 잡아줄 수 있도록 한 전자석클러치를 이용한 가변형 밸런스샤프트를 제공한다.

밸런스샤프트, 전자석클러치, 피칭모멘트, 롤링모멘트, 상쇄모멘트

Description

전자석 클러치를 이용한 가변형 밸런스샤프트{Variable balance shaft using electromagnet clutch}

도 1은 본 발명에 따른 가변형 밸런스샤프트의 구조를 보여주는 개략적인 분해 사시도

도 2는 본 발명에 따른 가변형 밸런스샤프트의 구조를 보여주는 개략적인 결합 사시도

도 3은 본 발명에 따른 가변형 밸런스샤프트의 동작상태를 보여주는 개략적인 사시도

도 4는 본 발명에 따른 가변형 밸런스샤프트에서 전자석클러치의 동작여부를 제어하기 위한 블럭도

도 5는 본 발명에 따른 가변형 밸런스샤프트에서 전자석클러치의 동작여부를 제어하기 위한 순서도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 입력축 20 : 주축

30 : 마그네틱코일 40 : 핀

50 : 스프링 60a,60b : 홈

본 발명은 엔진의 운전조건에 따라 밸런스샤프트의 입력축과 주축을 분리 또는 연결시킬 수 있는 가변형 밸런스샤프트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전자석클러치를 이용하여 밸런스샤프트의 주축을 입력축으로부터 분리시키거나 연결시킬 수 있도록 함으로써, 불필요한 밸런스샤프트의 구동을 제한하고 최적의 조건으로만 밸런스샤프트를 구동하여 진동을 최소화시킬 수 있도록 하며, 특히 밸런스샤프트의 주축과 입력축의 연결/분리시 핀을 이용한 위치결정구조를 채용하여 밸런스샤프트의 위치를 항상 일정하게 잡아줄 수 있도록 한 전자석클러치를 이용한 가변형 웨이트밸런스에 관한 것이다.

일반적으로 밸런스샤프트는 엔진의 회전에 의해 야기되는 진동을 상쇄시키기 위한 별도의 회전축이다.

현재 엔진 개발시 동일한 배기량이라 하여도 과거의 엔진에 비해 고 압축비 및 최적 설계로 인한 높은 토크를 내게 되고, 이로 인해 예전에는 무시하였던 진동들도 영향을 미치게 되어 운전자에게 불편을 초래한다.

이러한 진동을 억제하기 위해서는 첫째로 밸런스샤프트를 이용하여 진동의 원인을 없애는 방법이나, 마운팅기술을 최적화하여 진동이 발생한 다음 운전자에게 전달되지 않도록 하는 방법 등이 있다.

통상 직렬 4기통 엔진은 피스톤 어셈블리, 피스톤핀 등과 같은 왕복 질량체 로 인한 불평형 왕복 관성력이 발생하는데, 이러한 왕복 관성력은 엔진을 상하로 움직이게 하는 피칭모멘트(Pitching moment)와 엔진을 좌우로 흔드는 롤링모멘트(Rolling moment)를 발생시키게 되며, 피칭모멘트와 롤링모멘트를 제거 또는 억제하기 위하여 밸런스샤프트를 사용한다.

이러한 밸런스샤프트는 엔진의 작동에 따라 회전되면서 밸런스샤프트의 거동에 의해 발생되는 힘을 이용하여 상기 피칭모멘트와 롤링모멘트를 상쇄시키는 역할을 한다.

롤링모멘트의 경우 실제 엔진에서는 피스톤의 관성력 이외에 엔진의 연소압력 등에 의해 동시에 영향을 받으므로 변화하는 엔진의 운전상태에 따라 밸런스샤프트들이 적절한 상쇄모멘트를 발생시키지 못하여 롤링모멘트를 충분히 상쇄시키지 못하고, 경우에 따라서는 상쇄모멘트가 롤링모멘트와 중첩되어 엔진의 롤링을 더욱 심하게 유발시키게 되는 문제점이 있다.

또한, 밸런스샤프트는 진동 및 소음을 위한 부가장치에 불과하므로 성능에 도움을 전혀 주지 못하며, 저중속 연비 3∼4% 감소 및 고출력 4∼5마력 감소를 가져온다.

이러한 밸런스샤프트는 크랭크샤프트와 동기되어 항상 같은 위치에서 구동되어야지만 상쇄모멘트를 발생시켜 진동을 흡수할 수 있다.

그러나, 기존의 가변형 밸런스샤프트들은 같은 위치에서 구동되지 않도록 구성한 것들이 대부분이고, 간혹 포지션센서를 이용하여 위치를 결정하는 기술이 제시되고는 있지만, 센서를 이용하는 경우 이는 대단히 어려운 일이며 이를 구현할 경우 위치를 맞추기 위해 컨트롤을 많이 해야 하므로 실현 가능성이 떨어지는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 전자석클러치를 이용하여 불필요한 조건, 예를 들면 밸런스샤프트의 상쇄모멘트가 롤링모멘트에 중첩되어 엔진의 롤링을 더욱 심하게 유발시키는 조건이나, 연비가 최대로 악화되는 조건이나, 최대 출력이 필요한 조건에서는 밸런스샤프트의 입력축과 주축을 분리하여 사용하지 않도록 함으로써, 밸런스샤프트의 구동을 최적의 조건에서만 수행할 수 있도록 하는 한편, 밸런스샤프트의 주축과 입력축의 연결/분리시 핀을 이용한 위치결정구조로 밸런스샤프트의 위치를 항상 일정하게 잡아줄 수 있도록 한 전자석클러치를 이용한 가변형 밸런스샤프트를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 가변형 웨이트밸런스에 있어서, 상기 웨이트밸런스는 크랭크샤프트측과 맞물려 회전되는 입력축과 밸런스웨이트의 역할을 수행하면서 축선방향으로 이동가능한 주축으로 구성되고, 상기 주축은 그 둘레에 동심원상으로 배치되는 마그네틱코일에 의해 이동되면서 입력축과 선택적으로 분리 및 연결될 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주축에는 입력축과 접하는 면에 홈, 스프링 및 핀이 구비되어서 입력축과의 연결시 상기 핀이 입력축에 있는 홈을 찾아 들어가면서 항상 동일한 위치에서 연결될 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주축에 구비되는 핀은 홈의 바닥면에 한쪽 끝이 고정되어 있는 스프링의 다른 한쪽 끝에 연결되어 축선방향으로 유동가능한 구조로 지지될 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 가변형 밸런스샤프트의 구조를 개략적으로 보여주는 사시도이다.

도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 가변형 밸런스샤프트는 크랭크샤프트와 항상 맞물려 회전되는 입력축(10)과 밸런스웨이트의 역할을 수행하면서 축선방향을 따라 이동가능한 주축(20)으로 구성된다.

이때의 주축(20)은 실린더블록(미도시)상에 베어링을 포함하면서 설치되며, 통상적인 슬라이드구조에 의해 이동될 수 있게 된다.

또한, 상기 주축(20)의 둘레에는 마그네틱코일(30)이 배치되고, 이 마그네틱코일(30)로 전원이 공급되면 주축(20)은 축선방향을 따라 앞뒤로 이동할 수 있게 된다.

이때의 이동방향은 마그네틱코일(30)의 "＋","－" 극성을 바꿔줄 수 있는 통상의 직류 배선을 이용하여 결정할 수 있으며(복동식), 또는 극성의 변화없이 주축(20)의 일측을 리턴스프링(미도시)으로 탄력 지지하는 구조로 결정할 수 있다(단동식).

따라서, 상기 주축(20)은 마그네틱코일(30)을 이용한 전자석클러치의 개념으로 입력축(10)과의 분리 및 연결이 가능하게 된다.

상기 주축(20)과 입력축(10)을 연결하였다 끊었다 하는 경우 가장 중요한 점은 밸런스샤프트의 위치를 일정하게 유지하는 것이다.

즉, 밸런스샤프트는 각 피스톤의 위치와 동기되어 일정한 위치에 있을 경우 올바른 상쇄모멘트를 가지면서 엔진의 진동을 저감시킬 수 있기 때문이다.

그러나, 단순한 전자석클러치를 이용할 경우 각 밸런스샤프트는 피스톤 위치와 상관없이 제 각각의 위치에 있게 되고, 이때는 오히려 엔진의 진동을 더욱 크게 할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 가변형 밸런스샤프트에서 그 위치를 항상 일정하게 잡아줄 수 있는 수단을 제공한다.

이를 위하여, 상기 주축(20)에는 입력축(10)과 접하는 면에 홈(60b), 스프링(50) 및 핀(40)이 구비되고, 상기 입력축(10)에는 주축(20)과 접하는 면에 홈(60a)이 구비되므로서, 입력축(10)과의 연결시 상기 핀(40)이 입력축(10)에 있는 홈(60a)을 찾아 들어가면서 항상 동일한 위치에서 연결될 수 있게 된다.

이때의 상기 핀(40)은 홈(60b)의 바닥면에 한쪽 끝이 고정되어 있는 스프링(50)의 다른 한쪽 끝에 연결되어 축선방향으로 유동가능한 구조로 지지된다.

따라서, 도 3에 도시한 바와 같이, 마그네틱코일(30)의 작동으로 주축(20)과 입력축(10)이 연결되는 경우 핀(40)은 슬립하다가 입력축(10)의 홈(60a)에 들어가서야 완전히 연결되면서 함께 회전을 할 수 있게 되며, 입력축(10)은 피스톤 위치 와 항상 동기되는 위치를 유지하고 있기 때문에 피스톤의 일정한 위치에 대하여 주축(20)도 회전을 할 수 있게 된다.

도 4와 도 5는 본 발명에 따른 가변형 밸런스샤프트에서 전자석클러치의 동작여부를 제어하기 위한 블럭도와 순서도이다.

도 4와 도 5에 도시한 바와 같이, 엔진회전수, 엔진부하, 차속, 냉각수온, 진동센서의 입력변수가 들어오면 엔진 EMS 시스템에서는 이들 변수값을 연산하여 전자석클러치의 ON/OFF 제어, 즉 마그네틱코일의 제어를 수행한다.

예를 들면, 엔진 EMS 시스템에서는 엔진회전수 및 아이들 진동 조건에 따라 주축과 입력축을 연결할 것인지 또는 분리할 것인지 여부를 판단하고, 판단 결과를 가지고 마그네틱코일을 제어하여 주축과 입력축을 연결 또는 분리시킬 수 있도록 한다.

이때의 입력변수들의 기준값은 부하가 낮은 영역인 경우, 아이들 최고 출력지점인 경우, 높은 엔진 회전수인 경우 등에서는 주축과 입력축을 분리하고(전자석클러치 OFF), 중부하 진동이 심한 경우, 차속이 너무 높지 않은 경우 등에서는 주축과 입력축을 연결하는 시험을 통한 맵핑(Mapping)에 의해 결정할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 전자석클러치를 이용한 분리/연결구조 및 핀을 이용한 위치결정구조를 포함하는 가변형 밸런스웨이트를 제공함으로써, 최적의 조건으로만 웨이트밸런스를 구동하여 진동을 최소화할 수 있는 장점을 얻을 수 있으 며, 이에 따라 3∼4% 연비증대 효과와 4∼5마력 출력증대 효과를 얻을 수 있다.

Claims

삭제
크랭크샤프트측과 맞물려 회전되는 입력축(10)과 밸런스웨이트의 역할을 수행하면서 축선방향으로 이동가능한 주축(20)으로 구성되고, 상기 주축(20)은 그 둘레에 동심원상으로 배치되는 마그네틱코일(30)에 의해 이동되면서 입력축(10)과 선택적으로 분리 및 연결될 수 있도록 된 전자석클러치를 이용한 가변형 밸런스샤프트에 있어서,

상기 주축(20)에는 입력축(10)과 접하는 면에 홈(60b), 스프링(50) 및 핀(40)이 구비되어서 입력축(10)과의 연결시 상기 핀(40)이 입력축(10)에 있는 홈(60a)을 찾아 들어가면서 항상 동일한 위치에서 연결될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 전자석클러치를 이용한 가변형 밸런스샤프트.
청구항 2에 있어서, 상기 주축(20)에 구비되는 핀(40)은 홈(60b)의 바닥면에 한쪽 끝이 고정되어 있는 스프링(50)의 다른 한쪽 끝에 연결되어 축선방향으로 유동가능한 구조로 지지될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 전자석클러치를 이용한 가변형 밸런스샤프트.