KR101126316B1 - 동력전달장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피스톤 왕복운동을 크랭크축의 회전운동으로 변환하여 구동력을 발생시키는 내연기관의 동력전달구조를 개선하여, 동일한 배기량의 내연기관에서 더 큰 회전력(Torque)을 발생시키며 가속 및 등판능력을 향상시키고, 더 큰 유효출력(실마력)이 발생 되도록 하는 내연기관의 연비개선을 위한 동력전달장치를 제공한다. 이를 위해 크랭크축에 고정되어 있고 회전중심(5)이 타원의 중심(8)으로부터 일정거리 편심되어 형성된 제 1 타원형 톱니바퀴(3); 및 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)와 동일하게 회전중심(7)이 타원의 중심(9)으로부터 일정거리 편심되고, 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)와 동일한 크기로 맞물려 회전하는 제 2 타원형 톱니바퀴(4)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서 더 작은 회전력으로부터 압축과 배기행정에 필요로 하는 피스톤 동력을 발생시킬 수 있어 손실 동력을 줄여서 더 큰 유효출력(실마력)을 발생시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

동력전달장치 {APPARATUS FOR TRANSMITING POWER}
본 발명은 내연기관의 연비개선을 위한 동력전달장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 피스톤 왕복운동을 크랭크축의 회전운동으로 변환하여 구동력을 발생시키는 내연기관의 동력전달구조를 개선하여, 동일한 배기량의 내연기관에서 더 큰 회전력(Torque)을 발생시키며 가속 및 등판능력을 향상시키고, 더 큰 유효출력(실마력)이 발생 되도록 하는 내연기관의 연비를 개선할 수 있는 동력전달장치에 관한 것이다.
일반적으로 내연기관은 급기,압축,폭발,배기의 4행정을 순차적으로 반복하여 피스톤을 왕복운동 하게 하고, 피스톤과 크랭크암을 커넥팅로드로 연결하여 피스톤의 왕복운동을 크랭크축의 회전운동으로 변환시켜서 동력을 발생하는 장치인데, 내연기관의 피스톤 4행정 중에 폭발행정에 의해 발생 되는 동력만이 회전력을 발생시키고, 폭발행정을 제외한 나머지 행정(급기,압축,배기)은 다른 피스톤의 폭발행정에 의해 발생 되는 동력이나 플라이휠의 회전 관성으로부터 동력을 전달받아 작동하게 된다.
즉, 4행정 내연기관의 폭발행정이 진행되는 동안에는 피스톤의 동력이 크랭크축의 회전력으로 변환되도록 동력이 전달되고, 나머지 행정(급기,압축,배기)이 진행되는 동안에는 크랭크축의 회전력이 피스톤의 행정 진행에 필요한 동력으로 변환되도록 동력전달의 방향이 바뀌게 된다.
즉, 4행정 내연기관의 폭발행정이 진행되는 동안에는 엔진출력에 필요한 동력이 발생 되지만, 나머지 행정(급기,압축,배기)이 진행되는 동안에는 다른 피스톤에서 발생 되는 동력을 오히려 소모하게 된다.
가솔린 엔진의 경우 폭발행정에서 발생 되는 에너지의 25~30%만 엔진출력 발생에 유효한 동력으로 변환되고, 나머지 에너지는 손실되어 버린다. 그래서, 4행정 내연기관의 폭발행정에 의해 발생 되는 피스톤 동력이 더 큰 크랭크축의 회전력으로 변환되고, 압축과 배기행정에 필요한 피스톤의 동력은 더 작은 크랭크축의 회전력으로부터 발생 되도록 동력전달구조를 개선함으로써, 4행정 내연기관이 발생할 수 있는 최대 회전력을 높여서 엔진의 가속 및 등판능력을 개선하고, 유효 발생출력(실마력)을 높여서 결과적으로 4행정 내연기관의 유효 발생출력 대비 연료소비율 즉, 연비가 낮아지도록 개선함이 해결하려는 과제이다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 크랭크축에 고정되어 있고 회전중심(5)이 타원의 중심(8)으로부터 일정거리 편심되어 형성된 제 1 타원형 톱니바퀴(3); 및 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)와 동일하게 회전중심(7)이 타원의 중심(9)으로부터 일정거리 편심되고, 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)와 동일한 크기로 맞물려 회전하는 제 2 타원형 톱니바퀴(4)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그래서, 피스톤이 상사점에서 하사점으로 이동하는 동안에는 크랭크암을 대체한 제 1 타원형 톱니바퀴(3)의 회전중심(5)으로부터 동력을 전달하는 지점(6)까지의 거리는 작아지게 하고, 이에 맞물려 회전하는 제 2 타원형 톱니바퀴(4)의 회전중심(7)으로부터 동력을 전달받는 지점(6)까지의 거리는 커지게 하여 더 큰 회전력이 전달되도록 하고, 반대로 피스톤이 하사점에서 상사점으로 이동하는 동안에는 크랭크암을 대체한 제 1 타원형 톱니바퀴(3)의 회전중심(5)으로부터 동력을 전달받는 지점(6)까지의 거리는 커지게 하고, 이에 맞물려 회전하는 제 2 타원형 톱니바퀴(4)의 회전중심(7)으로부터 동력을 전달하는 지점까지의 거리(6)는 작아지게 하여 더 작은 회전력으로부터 피스톤 행정에 필요한 동력으로 변환되어 전달되도록 한다.
이때에, 크랭크축은 피스톤의 운동위치에 따라 다른 속도로 회전하게 되기 때문에 피스톤 단위별로 분리하여 각각 다른 속도로 회전할 수 있는 구조로 고정하고, 크랭크암을 대체한 제 1 타원형 톱니바퀴(3)의 회전으로부터 동력을 전달받는 모든 제 2 타원형 톱니바퀴(4)들과 회전축은 같은 속도로 묶여서 회전하도록 일체화 한다.
피스톤의 동력으로부터 변환되는 크랭크축의 회전력이 동일하다고 할 때에, 개선된 동력전달구조에 의해 제 2 타원형 톱니바퀴(4)에 발생되는 최대의 회전력은 피스톤 행정의 진행이 도 2의 상태일 때에 발생 되는데, 이때에 제 1 타원형 톱니바퀴(3)의 회전중심(5)으로부터 동력을 전달하는 지점(6)까지의 거리와 제 2 타원형 톱니바퀴(4)의 회전중심(7)으로부터 동력을 전달받는 지점(6)까지의 거리의 비율에 따라 전달되는 회전력의 크기가 다르게 되는데, 8기통 내연기관에 개선된 동력전달구조를 적용한 경우 도 3을 참고하여 계산해 보면 제 1 타원형 톱니바퀴(3)의 회전중심(5)으로부터 동력을 전달하는 지점(6)까지의 거리와 제 2 타원형 톱니바퀴(4)의 회전중심(7)으로부터 동력을 전달받는 지점(6)까지의 거리의 비율은 1:2.41421이 되고, 이에 따라 제 2 타원형 톱니바퀴(4)의 회전중심축에 발생되는 최대 회전력도 도 5와 같이 1개의 피스톤 동력으로부터 변환되는 최대 회전력의 2.41421배가 될 것이다.
그런데, 4기통 이상의 기존 4행정 내연기관에서는 폭발행정에 의한 회전력 발생주기가 크랭크축이 720도 회전하는 동안에 고르게 분포되도록 하기 때문에 2개 이상의 피스톤 동력으로부터 크랭크축 회전력으로의 변환이 일어나게 되며, 2개의 피스톤 동력으로부터 크랭크축 회전력으로의 변환이 순차적으로 시차를 갖고 동시에 진행되게 되므로, 발생되는 최대 회전력은 (도5)에서와 같이 1개의 피스톤 동력으로부터 변환되는 최대 회전력의 1.73205배가 될 것이다.
따라서, 개선된 동력전달구조의 8기통 내연기관은 기존의 8기통 내연기관에 비해 1.39385(2.41421/1.73205)배 만큼 더 큰 회전력을 발생시킬 수 있을 것이다.
이렇게, 더 큰 회전력이 발생 된다는 것은 가속 및 등판능력이 개선된다는 것이고, 더 작은 회전력으로부터 압축과 배기행정에 필요로 하는 피스톤 동력을 발생시킬 수 있다면 손실 동력을 줄여서 더 큰 유효출력(실마력)을 발생시킬 수 있을 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 내연기관의 연비개선을 위한 피스톤 운동에 따른 동력전달장치의 작동 개요도.
도 2 는 본 발명에 따른 내연기관의 연비개선을 위한 동력전달장치의 타원형 톱니바퀴를 결합한 상태의 단면도.
도 3 은 도 2에 따른 내연기관의 연비개선을 위한 동력전달장치의 타원형 톱니바퀴의 회전중심 결정방법을 설명하기 위한 예시도.
도 4 는 도 2에 따른 내연기관의 연비개선을 위한 동력전달장치의 타원형 톱니바퀴의 형태 결정 방법을 설명하기 위한 예시도.
도 5 는 기존 엔진과 도 2에 따른 내연기관의 연비개선을 위한 동력전달장치를 개선한 엔진의 최대 회전력 발생 주기를 대비한 파형도.
도 1은 본 발명에 따른 내연기관의 연비개선을 위한 피스톤 운동에 따른 동력전달장치의 작동 개요도이고, 도 2는 본 발명에 따른 내연기관의 연비개선을 위한 동력전달장치의 타원형 톱니바퀴를 결합한 상태의 단면도이며, 도 3은 도 2에 따른 내연기관의 연비개선을 위한 동력전달장치의 타원형 톱니바퀴의 회전중심 결정방법을 설명하기 위한 예시도이고, 도 4는 도 2에 따른 내연기관의 연비개선을 위한 동력전달장치의 타원형 톱니바퀴의 형태 결정 방법을 설명하기 위한 예시도이며, 도 5는 기존 엔진과 도 2에 따른 내연기관의 연비개선을 위한 동력전달장치를 개선한 엔진의 최대 회전력 발생 주기를 대비한 파형도이다. 도 1 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 내연기관의 연비개선을 위한 동력전달구조는 내연기관의 피스톤(1)에 연결된 커넥팅 로드(2)와 결합하여 크랭크축을 회전시키는 크랭크암을 대체하여 상기 크랭크축에 고정되는 제 1 타원형 톱니바퀴(3)와, 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)와 크기 및 형상이 동일하고 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)와 맞물려 돌아가는 제 2 타원형 톱니바퀴(4)를 포함한다. 또한, 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)와 제 2 타원형 톱니바퀴(4)는 도 2에 나타낸 바와 같이 제 1 및 제 2 타원형 톱니바퀴(3 및 4)의 장축이 일직선을 이루게 하고, 상기 제 1 및 제 2 타원형 톱니바퀴(3 및 4)의 타원 형상이 같은 방향이 되도록 맞물려서 배치된다.
또한, 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)는 각각 다른 속도로 회전 가능하도록 크랭크축을 피스톤별로 분리하여 회전 가능한 구조로 고정하며, 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)에 맞물려 회전하는 제 2 타원형 톱니바퀴(4)는 모두 같은 속도로 회전하도록 회전축에 일체로 설치되고, 상기 회전축의 회전력이 내연기관의 유효출력(실마력)이 되도록 한다.
상기 동력전달장치에서는 피스톤(1)이 상사점에서 하사점까지 운동하는 동안 크랭크축은 180도를 회전하지만, 크랭크축의 회전력을 전달받는 제 2 타원형 톱니바퀴(4)는 180도보다 작게 회전하게 되므로, 폭발행정으로부터의 동력발생 연속성을 유지하기 위해서는 최소 5개 이상의 피스톤으로 엔진을 구성하여야 한다.
또한, 내연기관을 구성하는 피스톤의 수에 따라 크랭크축과 구동력을 제공하는 제 1 타원형 톱니바퀴(3)가 180도 회전하는 동안에 맞물려 회전하는 제 2 타원형 톱니바퀴(4)의 최소 회전각도(720/피스톤의 개수)를 결정하고, 이렇게 결정된 제 2 타원형 톱니바퀴(4)의 최소 회전각도에 따라 상기 제 2 타원형 톱니바퀴(4)의 타원 중심(9)으로부터 상기 제 2 타원형 톱니바퀴(4)의 회전중심(7)까지의 편심 거리가 결정되며, 상기 제 1 및 제 2 타원형 톱니바퀴(3, 4)는 편심된 제 1 타원형 톱니바퀴(3)가 회전중심(5) 및 제 2 타원형 톱니바퀴(4)의 회전중심(7)을 축으로 원활하게 맞물려 회전할 수 있도록 타원의 장축 길이와 단축의 길이 비율을 결정하여 타원형 톱니바퀴의 형태를 결정한다.
이를 더욱 상세하게 설명하면, 예를 들어 8기통 내연기관의 경우 개선된 동력전달구조에서는 크랭크축과 구동력을 전달하는 제 1 타원형 톱니바퀴(3)가 180도 회전하는 동안에 동력을 전달받는 제 2 타원형 톱니바퀴(4)의 최소 회전각도는 720도의 1/8인 90도가 되고, 도 3에 나타낸 바와 같이 임의의 장축 길이와 단축 길이를 갖는 제 1 타원형 톱니바퀴(3)와 제 2 타원형 톱니바퀴(4)에서 상기 제 1 타원형 톱니바퀴의 타원중심(8)과 제 2 타원형 톱니바퀴의 타원중심(9)으로부터 임의의 크기(예를 들면, 장축 길이의 0.2071068배) 만큼 한쪽방향으로 이동하여 제 1 타원형 톱니바퀴의 회전중심(5)과 제 2 타원형 톱니바퀴의 회전중심(7)이 위치되도록 하고, 상기 이동된 회전중심(5 및 7)에서 장축과 직교하는 수직선이 만나는 타원의 제 1 원주길이(10)와, 반대편에 상기 제 1 원주길이(10)와 같은 길이의 제 2 원주길이(11)를 갖는 양쪽 끝점을 상기 회전중심(5 및 7)과 각각 연결하여 생기는 두 직선이 90도가 이루어지도록 회전중심(5 및 7)의 위치를 결정함으로써 피스톤이 상사점에서 하사점으로 움직이는 동안에 제 1 타원형 톱니바퀴(3)는 180도를 회전하게되고, 제 2 타원형 톱니바퀴(4)는 90도만 회전하도록 한다. 또한, 도 4와 같이 제 1 타원형 톱니바퀴의 타원중심(8)과 제 2 타원형 톱니바퀴의 타원중심(9)을 잇는 단축 상의 직선과 상기 임의의 회전중심(5 및 7)을 잇는 직선이 서로 교차하는 동력전달 접점(6)에서 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)와 제 2 타원형 톱니바퀴(4)의 원주가 서로 접하도록 상기 제 1 및 제 2 타원형 톱니바퀴(3 및 4)의 단축 길이를 조정한다. 도 4의 방법에 의해 제 1 및 제 2 타원형 톱니바퀴의 단축 길이가 조정이 되면 도 3의 방법에 의한 타원중심으로부터 회전중심의 편심거리를 다시 조정하면서 제 1 및 제 2 타원형 톱니바퀴의 단축 길이와 장축 길이의 비율을 결정한다. 8기통 내연기관의 개선된 동력전달구조에 적용하기 위한 타원형 톱니바퀴의 단축과 장축의 길이비율은 예를 들면 1:1.02216217321이 되고, 상기 단축과 장축의 길이비율은 회전중심의 편심거리에 따라 가변된다.
1: 피스톤
2: 커넥팅로드
3: 제 1 타원형 톱니바퀴(크랭크암 대체)
4: 제 2 타원형 톱니바퀴(피동 톱니바퀴)
5: 제 1 타원형 톱니바퀴의 회전중심
6: 타원형 톱니바퀴의 동력전달 접점
7: 제 2 타원형 톱니바퀴의 회전중심
8: 제 1 타원형 톱니바퀴의 타원중심
9: 제 2 타원형 톱니바퀴의 타원중심

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 구동력 발생장치인 크랭크구조의 동력전달장치로서,
    크랭크축에 고정되어 있고 회전중심(5)이 타원의 중심(8)으로부터 일정거리 편심되어 형성된 제 1 타원형 톱니바퀴(3); 및
    상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)와 동일하게 회전중심(7)이 타원의 중심(9)으로부터 일정거리 편심되고, 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)와 동일한 크기로 맞물려 회전하는 제 2 타원형 톱니바퀴(4)를 포함하고,
    상기 회전중심(5 및 7)은 상기 제 1 타원형 톱니바퀴의 타원중심(8)과 제 2 타원형 톱니바퀴의 타원중심(9)을 잇는 단축 상의 직선이 상기 제 1 타원형 톱니바퀴의 회전중심(5)과 제 2 타원형 톱니바퀴의 회전중심(7)을 잇는 직선과 서로 교차하는 동력전달 접점(6)에서 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)와 제 2 타원형 톱니바퀴(4)의 원주가 서로 접하도록 상기 타원중심(8 및 9)으로부터 일정 거리 편심된 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 동력전달장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)와 제 2 타원형 톱니바퀴(4)는 회전 주기 180도마다 제 1 및 제 2 타원형 톱니바퀴(3, 4)의 장축이 일직선이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 동력전달장치.
  4. 구동력 발생장치인 크랭크구조의 동력전달장치로서,
    크랭크축에 고정되어 있고 회전중심(5)이 타원의 중심(8)으로부터 일정거리 편심되어 형성된 제 1 타원형 톱니바퀴(3); 및
    상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)와 동일하게 회전중심(7)이 타원의 중심(9)으로부터 일정거리 편심되고, 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)와 동일한 크기로 맞물려 회전하는 제 2 타원형 톱니바퀴(4)를 포함하고,
    상기 회전중심(5 및 7)은 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)에서 제 2 타원형 톱니바퀴(4)로 동력을 전달하는 경우, 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)의 회전중심(5)으로부터 동력을 전달하는 접점(6)까지의 거리가 제 2 타원형 톱니바퀴(4)의 회전중심(7)으로부터 동력을 전달받는 접점(6)까지의 거리보다 작아지게 하고, 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)가 제 2 타원형 톱니바퀴(4)로부터 동력을 전달받는 경우, 상기 제 1 타원형 톱니바퀴(3)의 회전중심(5)으로부터 동력을 전달받는 접점(6)까지의 거리가 상기 제 2 타원형 톱니바퀴(4)의 회전중심(7)으로부터 동력을 전달하는 접점(6)까지의 거리보다 커지도록 편심된 것을 특징으로 하는 동력전달장치.
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