KR101326946B1 - 엔진의 밸런스 샤프트 모듈 - Google Patents

엔진의 밸런스 샤프트 모듈 Download PDF

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    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/22—Compensation of inertia forces
    • F16F15/26—Compensation of inertia forces of crankshaft systems using solid masses, other than the ordinary pistons, moving with the system, i.e. masses connected through a kinematic mechanism or gear system
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    • F16C3/00—Shafts; Axles; Cranks; Eccentrics

Abstract

본 발명은 엔진의 밸런스 샤프트 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 설치 부피를 최소화할 수 있는 엔진의 밸런스 샤프트 모듈에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 엔진의 크랭크 샤프트의 동력을 전달받는 크랭크 스프라켓 구동 기어, 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어에 치합되는 체인 부재를 통하여 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어의 동력을 전달받고, 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어의 회전 중심의 수평면으로부터 일측 법선 방향으로 소정 거리 이격되는 회전 중심을 갖는 크랭크 스프라켓 피동 기어, 상기 크랭크 스프라켓 피동 기어와 동축 상에 배치되어 동력을 전달받도록 제1 구동 기어를 구비하는 제1 밸런스 샤프트 및 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어의 회전 중심의 수평면으로부터 상기 법선 방향의 반대 측으로 상기 소정 거리와 동일하게 이격되는 회전 중심을 갖고, 상기 제1 구동 기어와 치합되는 제2 구동 기어를 통하여 동력을 전달받는 제2 밸런스 샤프트를 포함하고, 상기 크랭크 스프라켓 피동 기어는 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어의 회전 속도보다 2배 빠른 기어비를 갖고, 상기 제1 밸런스 샤프트, 제2 밸런스 샤프트 및 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어의 회전 중심의 가상 연장선은 이등변 삼각형 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 엔진의 밸런스 샤프트 모듈을 제공한다.

Description

엔진의 밸런스 샤프트 모듈{BALANCE SHAFT MODULE OF ENGINE}
본 발명은 엔진의 밸런스 샤프트 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 설치 부피를 최소화할 수 있는 엔진의 밸런스 샤프트 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 엔진의 크랭크 샤프트 배열은 도 1에 도시한 바와 같이 8개의 크랭크 샤프트가 1개의 평면에 배치되는 1-PLANE 크랭크 샤프트 타입이 적용된다.
즉 V8-90도, 8기통 V형 1-PLANE 크랭크 샤프트 타입 엔진의 경우 2차 불평형력, 불평형 모멘트 상쇄를 위한 밸런스 샤프트 2개가 각각 크랭크 하단, 실린더 뱅크 사이에 설치되어 각각 2배속으로 구동해야 한다.
엔진은 왕복 운동을 하는 피스톤과 진자 운동을 하는 커넥팅 로드에 의한 불평형력과 불평형 모멘트에 대한 밸런싱 설계를 하게 된다.
이 중, 커넥팅 로드의 경우 피스톤과 연결되어 있는 왕복 운동 질량과, 크랭크 핀과 연결되어 있는 회전 질량부를 구분하기 위하여 계산 공식을 이용하여 집중질량화를 고려하게 된다.
상기와 같은 왕복 운동 질량 성분과 회전 운동 질량 성분은 이너셔(inertia)를 가지고 있으므로, 엔진이 구동됨에 따른 관성력을 발생시키게 된다.
왕복 질량 성분에 의한 왕복 관성력은 실린더 중심축과 동일한 방향으로 관성력을 발생시키게 되며, 회전 질량에 의한 관성력은 회전 운동의 반경 방향인 크랭크 핀 방향으로 관성력을 발생시키며, 이러한 관성력은 엔진 형식 별로 각각 다른 불평형 성분으로 나타나게 된다.
특히, 상기 V8엔진의 경우 실린더 뱅크 각도 90도 및 1-PLANE 크랭크 샤프트 타입이 적용되는 경우, 2차 수평 기진력과 2차 피칭 모멘트 성분이 발생하게 된다. 또한, 상기와 같은 불평형 성분을 상쇄시키기 위해 크랭크 샤프트 하단부에 크랭크 샤프트와 동 방향으로 2배속으로 회전하는 1개의 밸런스 샤프트 및 실린더 뱅크 사이에서 크랭크 샤프트와 반대 방향으로 2배속으로 회전하는 1개의 밸런스 샤프트가 각각 설치된다.
하지만, 상기 2개의 밸런스 샤프트를 크랭크 샤프트와 동일 수직 평면 상에 설치하여야 하며, 크랭크 샤프트 설치부 간의 거리가 멀기 때문에 밸런스 샤프트 설치 레이아웃에 제약을 받을 뿐만 아니라 컴팩트한 구성이 불가능하다는 문제점을 내포한다.
한국등록특허 10-0507162
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 V형 8기통 엔진의 밸런스 샤프트의 부피를 최소화할 수 있는 엔진의 밸런스 샤프트 모듈을 제공하는데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 엔진의 밸런스 샤프트 모듈은 엔진의 크랭크 샤프트의 동력을 전달받는 크랭크 스프라켓 구동 기어, 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어에 치합되는 체인 부재를 통하여 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어의 동력을 전달받고, 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어의 회전 중심의 수평면으로부터 일측 법선 방향으로 소정 거리 이격되는 회전 중심을 갖는 크랭크 스프라켓 피동 기어, 상기 크랭크 스프라켓 피동 기어와 동축 상에 배치되어 동력을 전달받도록 제1 구동 기어를 구비하는 제1 밸런스 샤프트 및 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어의 회전 중심의 수평면으로부터 상기 법선 방향의 반대 측으로 상기 소정 거리와 동일하게 이격되는 회전 중심을 갖고, 상기 제1 구동 기어와 치합되는 제2 구동 기어를 통하여 동력을 전달받는 제2 밸런스 샤프트를 포함하고, 상기 크랭크 스프라켓 피동 기어는 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어의 회전 속도보다 2배 빠른 기어비를 갖고, 상기 제1 밸런스 샤프트, 제2 밸런스 샤프트 및 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어의 회전 중심의 가상 연장선은 이등변 삼각형 구조를 이루는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 밸런스 샤프트와 크랭크 스프라켓 구동 기어의 회전 중심 사이의 거리는 상기 제2 밸런스 샤프트와 크랭크 스프라켓 구동 기어의 회전 중심 사이의 거리와 동일한 것을 특징으로 한다.
삭제
삭제
또한, 상기 제1 밸런스 샤프트 또는 제2 밸런스 샤프트와 동일 축 상에 설치되고, 각각에 외접하여 회전되는 오일 펌프가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 오일 펌프는 상기 제1 구동 기어 및 제2 구동 기어에 외접하여 구동되도록 모듈화 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 밸런스 샤프트 및 제2 밸런스 샤프트는 실린더 블록의 측면에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어와 크랭크 스프라켓 피동 기어는 체인 부재 또는 벨트 부재를 통하여 연결되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 엔진의 밸런스 샤프트 모듈에 의하면, V형 8기통 엔진의 밸런스 샤프트의 부피를 최소화할 수 있도록 함과 동시에 구조를 간단하게 구현할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 일반적으로 적용되는 8개의 크랭크 샤프트가 1개의 평면에 배치되는 1-PLANE 크랭크 샤프트 타입을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진의 밸런스 샤프트 모듈을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시에에 의한 엔진의 밸런스 샤프트 모듈의 측면을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진의 밸런스 샤프트 모듈에 적용되는 제1 밸런스 샤프트 및 제2 밸런스 샤프트를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진의 밸런스 샤프트 모듈에 적용되는 제1 밸런스 샤프트 및 제2 밸런스 샤프트에 의해 나타나는 회전 위상 각도 별 밸런싱을 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진의 밸런스 샤프트 모듈을 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시에에 의한 엔진의 밸런스 샤프트 모듈의 측면을 나타낸 것이다. 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진의 밸런스 샤프트 모듈은 엔진(미도시)의 동력을 전달받는 크랭크 스프라켓 구동 기어(10), 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)의 동력을 체인 부재(20)를 통하여 전달받는 크랭크 스프라켓 피동 기어(30), 상기 크랭크 스프라켓 피동 기어(30)와 동축 상에 배치되어 동력을 전달받는 제1 밸런스 샤프트(41), 상기 제1 밸런스 샤프트(41)의 동력을 전달받도록 배치되는 제2 밸런스 샤프트(42)를 포함한다.
상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)는 상기 엔진의 크랭크 샤프트(미도시)로부터 출력되는 엔진 동력을 직접 전달받도록 설치된다. 또한, 상기 크랭크 스프라켓 피동 기어(30)의 외주면을 각각 감싸도록 배치되어 동력을 전달하는 체인 부재(20)가 구비되고, 이러한 체인 부재(20)에 의하여 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)의 동력이 후술하는 크랭크 스프라켓 피동 기어(30)로 전달된다.
상기 제1 밸런스 샤프트(41)는 외주면에 복수개의 제1 밸런스 웨이트 요소(411a, 411b, 411c)로 이루어지는 제1 밸런스 웨이트(411)가 형성되고, 상기 제2 밸런스 샤프트(42)는 외주면에 복수개의 제2 밸런스 웨이트 요소(421a, 421b, 421c)로 이루어지는 제2 밸런스 웨이트(421)가 형성된다.
상기 제1 밸런스 샤프트(41)는 상기 크랭크 스프라켓 피동 기어(30)와 동축 상으로 배치된다. 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)의 동력은 상기 체인 부재(20)를 통하여 크랭크 스프라켓 피동 기어(30)로 전달되고, 이러한 크랭크 스프라켓 피동 기어(30)에 의해 상기 제1 밸런스 샤프트(41)로 동력이 전달된다. 여기서, 상기 크랭크 스프라켓 피동 기어(30)와 동축 상으로 배치되는 제1 구동 기어(31)가 구비되고, 이러한 제1 구동 기어(31)에 의해 상기 제1 밸런스 샤프트(41)와 일체로 회전되도록 한다.
또한, 상기 제1 구동 기어(31)와 치합되는 제2 구동 기어(32)가 구비된다. 마찬가지로 상기 제2 구동 기어(32)는 상기 제2 밸런스 샤프트(42)와 동일 축 상으로 배치되어서 상기 제1 구동 기어(31)의 동력을 상기 제2 구동 기어(32)를 통해 상기 제2 밸런스 샤프트(42)로 전달한다.
상기 제1 구동 기어(31) 및 제2 구동 기어(32)는 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)의 회전 속도보다 2배 빠른 속도로 회전되는 기어비를 갖도록 한다. 즉, 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)가 회전되면 상기 제1 밸런스 샤프트(41)가 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)와 동일 방향으로 2회 회전되고, 상기 제2 밸런스 샤프트(42)는 반대 방향으로 2회 회전된다. 아울러, 상기 제1 밸런스 샤프트(41)와 제2 밸런스 샤프트(42)의 회전 방향은 상호 반대로 구현된다. 아울러, 상기 제1 밸런스 샤프트(41), 제2 밸런스 샤프트(42) 및 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)의 회전 중심의 가상 연장선은 이등변 삼각형 구조를 이룬다.
즉, 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)와 제1 밸런스 샤프트(41) 간의 거리 d1는 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)와 제2 밸런스 샤프트(42) 간의 거리 d2와 동일하며, 상기 제1 밸런스 샤프트(41)와 제2 밸런스 샤프트(42) 간의 거리d3는 상기 d1, d2보다 작도록 배치된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진의 밸런스 샤프트 모듈에 적용되는 제1 밸런스 샤프트 및 제2 밸런스 샤프트를 나타낸 사시도이다. 도시한 바와 같이 제1 밸런스 샤프트(41)가 회전하면 외주면상에 구비되는 제1 밸런스 웨이트 요소(411a, 411b, 411c)들에 의해서 불평형력(F) 및 불평형 모멘트(M)가 발생된다. 마찬가지로, 상기 제1 밸런스 샤프트(41)의 회전함과 동시에 반대 방향으로 회전하는 제2 밸런스 샤프트(42) 상의 제2 밸런스 웨이트 요소(421a, 421b, 421c)들에 의해서 불평형력(F) 및 불평형 모멘트(M)가 발생된다. 이러한 불평형력(F) 및 불평형 모멘트(M)는 상기 제1 밸런스 샤프트(41)의 제1 밸런스 웨이트 요소(411a, 411b, 411c)들과 제2 밸런스 샤프트(42)의 제2 밸런스 웨이트 요소(421a, 421b, 421c)들 간의 불평형력(F) 및 불평형 모멘트(M)의 상쇄작용을 수행할 수 있도록 한다.
즉, 도 4의 (a) 및 (b)는 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)의 회전에 의해 동시에 회전되는 상태를 나타낸 것으로서, 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)가 회전되는 과정에서 상기 밸런스 웨이트 요소(411a, 411b, 411c, 421a, 421b, 421c)들의 위치가 상호 반대측으로 위치하도록 함으로써 상기 제1 밸런스 샤프트(41) 및 제2 밸런스 샤프트(42) 상에 발생되는 불평형력(F) 및 불평형 모멘트(M)를 상쇄시킬 수 있게 된다.
즉, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 엔진의 밸런스 샤프트 모듈에 적용되는 제1 밸런스 샤프트 및 제2 밸런스 샤프트에 의해 나타나는 회전 위상 각도 별 밸런싱을 개략적으로 나타낸 것으로서, 도 4를 참고하면, 크랭크 샤프트가 회전하는 과정에서 위상각에 따라 발생되는 크랭크 샤프트의 불평형력(F)은 상기 제1 밸런스 웨이트 요소(411a, 411b, 411c)들 및 제2 밸런스 웨이트 요소(421a, 421b, 421c)들의 위치에 의해 발생되는 합력으로 생성되는 밸런싱 모멘트에 의해 상쇄되는 것을 알 수 있다. 여기서, 상기 제1 밸런스 샤프트(41) 및 제2 밸런스 샤프트(42)는 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)보다 2배 빠른 속도로 회전함으로써 구현될 수 있다.
아울러, 도시하지 않았지만 상기 제1 밸런스 샤프트(41) 및 제2 밸런스 샤프트(42)와 각각 동일 축 상에 설치되고, 각각에 외접하여 회전되는 오일 펌프가 더 포함될 수 있다. 이러한 오일 펌프는 내부에 동일 축 상으로 회전되는 로터(미도시)가 형성되고, 이러한 로터가 상기 제1 구동 기어(31) 또는 제2 구동 기어(32)와 치합됨으로써 오일 펌프의 기능을 수행할 수도 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
10: 크랭크 스프라켓 구동 기어
20: 체인 부재
30: 크랭크 스프라켓 피동 기어
31: 제1 구동 기어
32: 제2 구동 기어
41: 제1 밸런스 샤프트
42: 제2 밸런스 샤프트
411: 제1 밸런스 웨이트
411a, 411b, 411c: 제1 밸런스 웨이트 요소
421: 제2 밸런스 웨이트
421a, 421b, 421c: 제2 밸런스 웨이트 요소
F: 불평형력
M: 불평형 모멘트

Claims (8)

  1. 엔진의 크랭크 샤프트의 동력을 전달받는 크랭크 스프라켓 구동 기어(10);
    상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)에 치합되는 체인 부재(20)를 통하여 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)의 동력을 전달받고, 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)의 회전 중심의 수평면으로부터 일측 법선 방향으로 소정 거리 이격되는 회전 중심을 갖는 크랭크 스프라켓 피동 기어(30);
    상기 크랭크 스프라켓 피동 기어(30)와 동축 상에 배치되어 동력을 전달받도록 제1 구동 기어(31)를 구비하는 제1 밸런스 샤프트(41); 및
    상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)의 회전 중심의 수평면으로부터 상기 법선 방향의 반대 측으로 상기 소정 거리와 동일하게 이격되는 회전 중심을 갖고, 상기 제1 구동 기어(31)와 치합되는 제2 구동 기어(32)를 통하여 동력을 전달받는 제2 밸런스 샤프트(42)를 포함하고,
    상기 크랭크 스프라켓 피동 기어(30)는 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)의 회전 속도보다 2배 빠른 기어비를 갖고,
    상기 제1 밸런스 샤프트(41), 제2 밸런스 샤프트(42) 및 상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)의 회전 중심의 가상 연장선은 이등변 삼각형 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 엔진의 밸런스 샤프트 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 밸런스 샤프트(41)와 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)의 회전 중심 사이의 거리는 상기 제2 밸런스 샤프트(42)와 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)의 회전 중심 사이의 거리와 동일한 것을 특징으로 하는 엔진의 밸런스 샤프트 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 밸런스 샤프트(41) 또는 제2 밸런스 샤프트(42)와 동일 축 상에 설치되고, 각각에 외접하여 회전되는 오일 펌프가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 엔진의 밸런스 샤프트 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 오일 펌프는 상기 제1 구동 기어(31) 및 제2 구동 기어(32)에 외접하여 구동되도록 모듈화 한 것을 특징으로 하는 엔진의 밸런스 샤프트 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 밸런스 샤프트(41) 및 제2 밸런스 샤프트(42)는 실린더 블록의 측면에 위치하는 것을 특징으로 하는 엔진의 밸런스 샤프트 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 크랭크 스프라켓 구동 기어(10)와 크랭크 스프라켓 피동 기어(30)는 체인 부재(20) 또는 벨트 부재를 통하여 연결되는 것을 특징으로 하는 엔진의 밸런스 샤프트 모듈.
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