KR101316370B1

KR101316370B1 - Ｖ6형 엔진 밸런스샤프트 모듈

Info

Publication number: KR101316370B1
Application number: KR1020110112095A
Authority: KR
Inventors: 이안
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2013-10-08
Also published as: KR20130047210A; US20130104835A1

Abstract

본 발명은 밸런스 샤프트 모듈의 구조를 개선하여 엔진 밸런싱율을 증대시키기 위한 것으로, V6형 뱅크각도 70~90° 엔진의 밸런싱을 증가시키기 위한 것으로, 엔진의 크랭크샤프트와 연동되어 회전되는 샤프트; 상기 샤프트에 기어연결되어 설치되고, 상기 크랭크샤프트와 동속 역방향 회전하는 밸런스샤프트; 상기 샤프트에 기어연결되어 설치되고, 상기 크랭크샤프트와 2배속 역방향 회전하는 제2밸런스샤프트;를 포함하는 V6형 엔진 밸런스 샤프트 모듈이 소개된다.

Description

Ｖ6형 엔진 밸런스샤프트 모듈{BALANCE SHAFT MODULE OF V6 ENGINE}

본 발명은 밸런스 샤프트 모듈의 구조 개선으로 원가 절감은 물론 엔진 밸런싱을 개선하여 엔진의 소음진동을 줄일 수 있는 V6형 엔진 밸런스 샤프트 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 크랭크샤프트는 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 밸런스웨이트(또는 카운터웨이트)를 설치하여 회전중에 밸런스를 유지하도록 하고 있다.

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

엔진에서 진동이 발생되면, 그 발생된 진동은 엔진 마운트를 통해 차체로 전달되어 실내 소음을 발생시키는 원인이 되므로, 진동을 가능한 한 줄이기 위하여 밸런스샤프트를 적용하는 방식을 개발하여 적용하고 있다.

엔진의 밸런싱 설계를 위해서는 밸런스샤프트의 왕복 1차, 2차, 회전관성력 벡터성분을 엔진 형식별 및 크랭크샤프트 위상각도별로 계산하여 엔진의 불평형력과 불평형 모멘트 발생여부를 확인하고, 엔진의 NVH를 개선하여 불평형 성분을 상쇄시킬 수 있는 구조로 설계하여야 한다.

일반적인 엔진의 불평형력, 불평형 모멘트 성분은 도 1에 도시된 양상으로 나타나는데, V6 엔진의 경우에는 피칭과 요잉 모멘트가 조합된 리코일 모멘트 성분이 발행하게 되고, 이는 V6 엔진의 실린더 뱅크 각도에 따라 그 양상이 달라지게 된다.

뱅크각도가 60°인 V6 엔진은 왕복 1차 관성력에 의한 불평형 모멘트, 왕복 2차 관성력에 의한 불평형 모멘트, 회전질량에 의한 불평형 모멘트 성분이 발생한다. 이 중 왕복 1차 모멘트와 회전질량 모멘트 성분은 크랭크샤프트와 동일한 속도/방향으로 회전하는 성분이고, 그 크기가 일정하므로 별도의 밸런스샤프트 설치가 필요하지 않으며, 크랭크샤프트에 밸런스웨이트를 구성하는 것으로부터 밸런싱이 가능하다.

그러나, 2차 모멘트성분은 크랭크와 2배속 역방향으로 회전하므로 별도의 밸런스샤프트 설치가 필요하다.

그리고, V6 엔진의 뱅크각도가 60°를 벗어나게 되면 역방향 모멘트 성분이 발생하므로, 밸런스 샤프트의 적용이 필수요소가 된다.

예로서, 뱅크각도가 90°인 V6 엔진의 경우에는 왕복 1차 관성력에 의한 불평형 모멘트가 역방향 리코일 모멘트 성분을 포함하게 되므로, 별도의 밸런스샤프트 설치가 필수적이다. 또한 왕복 2차 관성력에 의한 불평형 모멘트도 동방향/역방향 리코일 모멘트가 조합되어 있으므로, 추가로 2개의 밸런스샤프트를 설치하여야 100% 밸런싱을 이룰 수 있다. 회전질량에 의한 불평형 모멘트는 크랭크 동속 동방향 성분이므로 왕복 1차 정방향 리코일 모멘트와 회전지량 리코일 모멘트는 밸런스웨이트로 밸런싱하고 그외 성분들은 별도의 밸런스샤프트를 설치하여야 한다.

위에서 보듯이, 뱅크각도가 60°를 벗어난 엔진의 경우, 크랭크샤프트와 동속 또는 2배속 회전은 물론 동방향과 역방향 회전하는 밸런스샤프트를 설치하여야 하나, 그 적용이 쉽지 않아 대부분 1차 리코일 모멘트 성분인 동속 역방향 밸런스샤프트만을 적용하고 있으며, 2차 리코일 모멘트의 밸런싱을 방치하고 있는 실정이다.

그러나 2차 리코일 모멘트의 밸런싱을 방치하게 되면, 엔진의 NVH 악화로 직결되며, 그 불평형 성분의 크기 또한 동급 V6 60°엔진을 V6 90°도로 변경하는 경우 약 40%의 큰 모멘트 값을 가지게 되므로 NVH 악화 원인이 된다.

따라서, V6 뱅크각도 70~90°범위의 엔진에 대하여 100% 밸런싱을 가능하게 하며, 그 구조를 단순화한 밸런스샤프트 모듈 구조에 대한 연구가 이루어져야 한다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, V6 뱅크각도 70~90°범위의 엔진에 대하여 밸런스 샤프트 모듈의 구조를 개선하여 단순화함은 물론 원가 절감이 가능하고, 불평형 성분을 상쇄시켜 엔진 밸런싱율을 증가시킴으로써 소음진동(NVH)을 감소하여 엔진 성능을 향상시킬 수 있는 V6형 엔진 밸런스 샤프트 모듈을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 V6형 엔진 밸런스 샤프트 모듈은 V6형 뱅크각도 70~90° 엔진의 밸런싱을 증가시키기 위한 것으로, 엔진의 크랭크샤프트와 연동되어 회전되는 샤프트; 상기 샤프트에 기어연결되어 설치되고, 상기 크랭크샤프트와 동속 역방향 회전하는 밸런스샤프트; 상기 샤프트에 기어연결되어 설치되고, 상기 크랭크샤프트와 2배속 역방향 회전하는 제2밸런스샤프트;를 포함한다.

상기 밸런스샤프트 또는 제2밸런스샤프트에는 내접형 오일펌프가 설치될 수 있다.

상기 제2밸런스샤프트와 기어연결되어 설치되고, 상기 크랭크샤프트와 2배속 동방향 회전하는 제3밸런스샤프트를 더 포함할 수 있다.

상기 V6형 엔진 밸런스샤프트 모듈에는 상기 샤프트, 밸런스샤프트, 제2밸런스샤프트, 제3밸런스샤프트 중 어느 두 개의 샤프트를 연결하는 구동기어 간에 외접형 오일펌프가 설치될 수 있다.

상기 샤프트는 상기 크랭트샤프트와 기어로 연결되어 연동되도록 할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 V6형 엔진 밸런스 샤프트 모듈에 따르면, 밸런스 샤프트를 한개 또는 두개의 오일펌프와 모듈화하여 적용이 가능하고, 밸런스샤프트의 구동 레이아웃 단순화가 가능하여 원가절감 효과를 얻을 수 있고, 특히 2개 이상의 밸런스샤프트를 설치하여 엔진 밸런싱율을 증가시킴으로써 소음진동(NVH) 개선효과를 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 엔진의 불평형력 및 불평형 모멘트 양상을 보인 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 V6형 엔진 밸런스 샤프트 모듈의 사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 내접형 오일펌프가 적용된 V6형 엔진 밸런스 샤프트 모듈을 보인 개략적인 상태도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 V6형 엔진 밸런스 샤프트 모듈을 보인 사시도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 외접형 오일펌프가 적용된 V6형 엔진 밸런스 샤프트 모듈을 보인 개략적인 상태도,
도 6은 본 발명에 따른 뱅크각도가 72°인 엔진 밸런싱 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 뱅크각도가 90°인 엔진 밸런싱 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 V6 뱅크각도 70~90°엔진의 타원형 리코일 모멘트를 보인 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 V6형 엔진 밸런스 샤프트 모듈에 대하여 살펴본다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 V6형 엔진 밸런스 샤프트 모듈의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 내접형 오일펌프가 적용된 V6형 엔진 밸런스 샤프트 모듈을 보인 개략적인 상태도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 V6형 엔진 밸런스샤프트 모듈은 V6형 뱅크각도 70~90° 엔진의 밸런싱을 위하여, 엔진의 크랭크샤프트(미도시)와 연동되어 회전되는 샤프트(10)와, 상기 크랭크샤프트와 동속 역방향 회전하는 밸런스샤프트(20)와, 상기 크랭크샤프트와 2배속 역방향 회전하는 제2밸런스샤프트(30)를 포함한다.

상기 크랭크샤프트에는 크랭크 스프로킷(15)이 설치되어 있고, 그 크랭크 스프로킷(15)은 상기 샤프트(10)에 설치된 샤프트 스프로킷(11)와 구동체인(16)으로 연결되어 있다. 따라서 상기 샤프트(10)는 구동체인(16)을 통해 크랭크샤프트의 구동력을 전달받게 된다. 한편, 이러한 샤프트(10)는 상기 크랭트샤프트와 기어로 연결되어 연동되도록 하는 것도 가능하다.

상기 샤프트(10)에는 샤프트 구동기어(12)가 설치되어 있고, 그 샤프트 구동기어(12)는 상기 밸런스샤프트(20)에 설치된 밸런스샤프트 구동기어(22)와 기어연결되어 상기 밸런스샤프트(20)를 샤프트(10)와 역방향으로, 즉 크랭크샤프트와 역방향으로 회전시키게 된다. 이때 상기 샤프트 구동기어(12)와 밸런스샤프트 구동기어(22)의 기어비는 동일하다.

또, 상기 밸런스샤프트 구동기어(22)가 치합되는 부분과 대향되는 상기 샤프트 구동기어(12)의 반대쪽에는 상기 제2밸런스샤프트(30)에 설치된 제2밸런스샤프트 구동기어(32)와 기어연결되어 제2밸런스샤프트(30)를 샤프트(10)와 역방향으로, 즉 크랭크샤프트와 역방향으로 회전시키게 된다. 이때 상기 샤프트 구동기어(12)와 제2밸런스샤프트 구동기어(32)의 기어비는 2:1이며, 크랭크샤프트에 비해 2배속으로 회전하게 된다.

그리고, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 밸런스샤프트 또는 제2밸런스샤프트에는 엔진의 회전수에 의한 토출압력의 변화에 따라 토출되는 오일량이 가변되는 내접형 오일펌프(40)가 그 밸런스샤프트 또는 제2밸런스샤프트에 설치된다.

상기 내접형 오일펌프는 각 샤프트에 내접하여 회전되면서 그 발생된 틈을 통해 오일을 토출하도록 이루어진 것으로, 그 상세한 구조에 대해서는 이미 공지된 기술이므로, 설명하지 않기로 한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 V6형 엔진 밸런스 샤프트 모듈을 보인 사시도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 외접형 오일펌프가 적용된 V6형 엔진 밸런스 샤프트 모듈을 보인 개략적인 상태도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, V6형 엔진 밸런스 샤프트 모듈에는 상기 크랭크샤프트와 2배속 동방향 회전하는 제3밸런스샤프트(50)를 더 포함할 수 있다.

상기 제3밸런스샤프트(50)에 동력을 전달하는 구조는 상기 제2밸런스샤프트(30)에 설치된 제2구동기어(34)와 기어연결되어 동력을 전달받게 되는데, 이를 위해, 상기 제3밸런스샤프트(50)에는 제2구동기어(34)와 치합되는 제3밸런스샤프트 구동기어(52)가 설치되어 진다. 이때 상기 제2구동기어(34)와 제3밸런스샤프트 구동기어(52)의 기어비는 동일하고, 그에 따라 크랭크샤프트에 비해 2배속으로 회전하게 됨은 물론 크랭크샤프트와 동방향으로 회전하게 된다.

상기 제3밸런스샤프트(50)를 설치한 경우에는 100%에 가까운 밸런싱을 이룰 수 있게 되는데, 상기 제3밸런스샤프트(50)는 엔진의 밸런싱 기여도(약 3% 수준)가 작으므로 도 2 및 도 3과 같이 제3밸런스샤프트(50)를 설치하지 않은 경우에도 엔진의 밸런싱을 증가시킬 수 있는 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 뱅크각도가 72°인 엔진 밸런싱 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따른 뱅크각도가 90°인 엔진 밸런싱 그래프로서, 밸런스샤프트를 3개 모두 적용한 경우에는 100%의 밸런싱율을 이루게 되고, 제3밸런스샤프트를 제외한 밸련스샤프트 2개를 적용한 경우에는 97%의 밸런싱율을 이루게 됨을 알 수 있다.

그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 샤프트(10), 밸런스샤프트(20), 제2밸런스샤프트(30), 제3밸런스샤프트(50) 중 어느 두개의 샤프트를 연결하여 동력을 전달하는 구동기어 간에 외접형 오일펌프(45)가 설치될 수 있다.

상기 외접형 오일펌프는 엔진의 회전수에 의한 토출압력의 변화에 따라 토출되는 오일량이 가변되는 오일펌프의 종류로서, 두개의 샤프트에 설치된 기어가 서로 맞물리면서 오일을 흡입 및 토출하는 구조로, 그 상세한 구조에 대해서는 이미 공지된 기술이므로, 설명하지 않기로 한다.

이와 같이, 단순화한 구조로 밸런스샤프트 모듈을 구성할 수 있게 되며, 이에 따라 모듈의 제작비용을 절감시킬 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 V6 뱅크각도 70~90°엔진의 타원형 리코일 모멘트를 보인 도면으로서, 엔진의 밸런싱을 위하여는 타원형 리코일 모멘트를 발생시켜야 하는데, 본 발명은 도 8에 도시된 바와 같이 동방향/역방향 밸런스샤프트를 적절히 조합함으로써 타원형 리코일 모멘트를 구현하고 있음을 알 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

10: 샤프트 11: 샤프트 스프로킷
12: 샤프트 구동기어 15: 크랭크 스프로킷
16: 구동체인 20: 밸런스샤프트
22: 밸런스샤프트 구동기어 30: 제2밸런스샤프트
32: 제2밸런스샤프트 구동기어 34: 제2구동기어
40: 내접형 오일펌프 45: 외접형 오일펌프
50: 제3밸런스샤프트 52: 제3밸런스샤프트 구동기어

Claims

V6형 뱅크각도 70~90° 엔진의 밸런싱을 증가시키기 위한 것으로,
엔진의 크랭크샤프트와 연동되어 회전되는 샤프트(10);
상기 샤프트(10)에 기어연결되어 설치되고, 상기 크랭크샤프트와 동속 역방향 회전하는 밸런스샤프트(20);
상기 샤프트(10)에 기어연결되어 설치되고, 상기 크랭크샤프트와 2배속 역방향 회전하는 제2밸런스샤프트(30);
를 포함하여 구성되고,
상기 제2밸런스샤프트(30)와 기어연결되어 설치되고, 상기 크랭크샤프트와 2배속 동방향 회전하는 제3밸런스샤프트(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 V6형 엔진 밸런스샤프트 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 밸런스샤프트(20) 또는 제2밸런스샤프트(30)에는 내접형 오일펌프(40)가 설치되는 것을 특징으로 하는 V6형 엔진 밸런스샤프트 모듈.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 V6형 엔진 밸런스샤프트 모듈에는 상기 샤프트(10), 밸런스샤프트(20), 제2밸런스샤프트(30), 제3밸런스샤프트(50) 중 어느 두 개의 샤프트를 연결하는 구동기어 간에 외접형 오일펌프(45)가 설치되는 것을 특징으로 하는 V6형 엔진 밸런스샤프트 모듈.
청구항 1에 있어서,
상기 샤프트(10)는 상기 크랭트샤프트와 기어로 연결되어 연동되는 것을 특징으로 하는 V6형 엔진 밸런스샤프트 모듈.