KR101382662B1

KR101382662B1 - 밸런스 장치

Info

Publication number: KR101382662B1
Application number: KR1020070067525A
Authority: KR
Inventors: 김원규
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-07-05
Filing date: 2007-07-05
Publication date: 2014-04-07
Also published as: KR20090003024A

Abstract

본 발명은 실린더 블록의 하단에 장착되는 밸런스 장치에 관한 것으로서, 엔진의 상, 하 진동이나 롤링 진동을 상쇄시키기 위해서 실린더 블록에 장착되는 밸런스 장치에 있어서, 하우징(20)의 내부에는 하나의 밸런스 샤프트(30)가 장착되되, 상기 밸런스 샤프트(30)는 중앙에 하부를 향해 크랭크 핀(32)이 편심형성되고 상기 크랭크 핀(32)의 양측에는 밸런스 핀(34)이 상부를 향해 편심형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 밸런스 장치를 하나 축으로 구성하여 소음 및 진동이 발생하는 것을 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 하나 축으로 구성됨으로써 부품수가 줄어들고 중량, 원가, 크기 등에 유리한 장점이 있다.

밸런스 장치, 밸런스 샤프트, 밸런스 매스, 크랭크 핀, 밸런스 핀.

Description

밸런스 장치{Balance system}

본 발명은 실린더 블록에 장착되는 밸런스 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 두 개의 축으로 구성되는 밸런스 장치를 하나 축으로 구성하여 소음 및 진동이 발생하는 것을 해결할 수 있도록 한 밸런스 장치에 관한 것이다.

일반적으로 엔진은 피스톤의 왕복운동에너지를 크랭크 샤프트를 이용해서 회전운동에너지로 변경하는 구조로 구성된다. 이때, 상기 피스톤은 왕복운동을 하기 때문에 엔진에 진동력을 전달하게 되고, 상기 진동력은 크랭크 샤프트의 밸런스 매스와, 별도의 밸런스 샤프트로 제거를 하게 된다.

즉, 왕복운동에 의해서 발생하는 1차 진동 성분은 크랭크 샤프트의 밸런스 매스로 상쇄할 수 있고, 2차 이상의 진동 성분은 실린더 블록에 추가로 장착되는 밸런스 장치를 통해서 제거하고 있다.

도시된 도 1은 기존의 밸런스 장치(100)를 나타낸 사시도로 그 구성을 살펴보면, 하우징(200)과, 복수개로 이루어진 제 1 및 제 2 샤프트(320, 340), 그리고 제 1 및 제 2 연동기어(420, 440)와 샤프트기어(460)로 구성된다.

이때, 상기 밸런스 장치(100)에 구성된 샤프트기어(460)는 크랭크샤프트의 구동기어(미도시)와 연결되면서 상기 구동기어의 구동으로부터 연동하고, 상기 제 1 연동기어(420)의 연동으로부터 제 2 연동기어(440)가 구동하면서 샤프트에 일체화된 샤프트기어를 구동시키게 되는 구조를 갖는다.

그러나 종래의 밸런스 장치는 제 1 및 2 샤프트를 서로 반대방향으로 회전시켜 수평방향의 힘은 서로 상쇄되고, 수직방향 힘만 발생되어 엔진에서 발생되는 수직방향 힘을 없애는 구조로 이루어질 뿐만 아니라, 두 개의 축을 반대방향으로 회전시키려고 할 때 기어를 사용해야하는 문제점이 있었다

또한, 종래의 밸런스 장치는 경량화를 목적으로 하우징이 알루미늄 재질을 사용하는 경우가 많으나, 밸런스 샤프트의 구동기어 재질이 스틸로 이루어져 있어서, 두 재질 사이의 열팽창계수가 다른 관계로 고온시에는 백래쉬가 커질 뿐만 아니라, 상기 구동기어와 연결되는 스틸 재질의 제 1 연동기어가 구동기어의 구동으로부터 연동할 때 백래쉬(back lash)에 의한 타음(idling, 저회전가속시)과 기어의 치합음이 발생하기 쉬운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기존의 두 개의 축으로 구성되는 밸런스 장치를 하나 축으로 구성하여 소음 및 진동이 발생하는 것을 해결할 수 있도록 한 밸런스 장치를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 엔진의 상, 하 진동이나 롤링 진동을 상쇄시키기 위해서 실린더 블록에 장착되는 밸런스 장치에 있어서, 하우징(20)의 내부에는 하나의 밸런스 샤프트(30)가 장착되되, 상기 밸런스 샤프트(30)는 중앙에 하부를 향해 크랭크 핀(32)이 편심형성되고 상기 크랭크 핀(32)의 양측에는 밸런스 핀(34)이 상부를 향해 편심형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조로 설명하면, 도 2는 본 발명에 따른 밸런스 장치의 밸런스 샤프트를 나타낸 정면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 밸런스 장치의 밸런스 샤프트에 밸런스 매스를 결합한 상태를 나타낸 정면도이며, 도 4는 도 3의 밸런스 샤프트를 나타낸 측면도이다.

본 발명의 밸런스장치(10)는 실린더 블록의 하부에 고정결합되는 하우징(20)과 상기 하우징(20)의 내부에 밸런스 매스(40)가 설치된 상태로 장착되는 밸런스 샤프트(30)로 대별할 수 있다.

그리고 본 발명의 특징은 종래 기술의 밸런스 장치에서 하우징(20)의 내부에 장착되는 두 개의 샤프트를 하나의 밸런스 샤프트(30)가 장착되는 구조로 변경함으로써 진동 및 소음을 줄이고 경제적인 부담을 줄일 수 있는데 특징이 있다. 즉, 하기와 같이, 종래 기술의 밸런스 장치에서는 2개 밸런스 샤프트를 이용하여 엔진의 구동에 의해 발생하는 진동을 저감하는 구조인데 반하여, 본 발명은 하나의 축, 즉 밸런스 샤프트에 밸런스 매스를 결합하되, 상기 밸런스 매스가 승강되는 구조를 갖도록 함으로써, 수평방향으로는 힘이 발생하지 않고, 수직방향으로만 힘이 발생하도록 한다.

상기 하우징(20)의 크기는 상기 밸런스 샤프트(30)에 장착되는 밸런스 매스가 상, 하로만 이동이 가능하도록 형성된다.

상기 하우징(20)의 내부에 장착되는 밸런스 샤프트(30)는 도시된 도 2를 참조로 설명하면 중앙으로 하부를 향해 크랭크 핀(32)이 편심형성되고, 상기 크랭크 핀(32)의 양측으로는 밸런스 핀(34)이 상부를 향해 편심형성된다.

즉, 상기 밸런스 샤프트(30)가 일반축으로 회전할 경우,

F = m×r×ω²(m: 질량, r: 반지름, ω:각속도)

와 같은 원심력을 얻게 되는데 이때, 상기 밸런스 샤프트(30)의 중앙으로 크랭크 핀(32)을 형성하고 상기 크랭크 핀(32)의 양측에는 대칭되게 동일한 크기의 밸런스 핀(34)을 형성하면

F = 2 × (ma ×ra ×ω²) = ( mc ×rc ×ω²)

(ma : 밸런스 핀 질량, ra : 밸런스 핀 반지름, ω : 각속도)

(mc : 크랭크 핀 질량, rc : 크랭크 핀 반지름, ω : 각속도)

상기와 같은 원심력을 얻게 되어 밸런스 샤프트(30)의 회전시 아무런 외력을 발생시키기 않게 되는 것이다.

그리고 상기와 같은 상태에서 상기 밸런스 샤프트(30)에 형성되는 크랭크 핀(32)으로 밸런스 매스(40)를 도시된 도 3과 같이 장착을 하게 되면 상기 밸런스 샤프트(30)는 수직의 힘이 상쇄되었던 기존의 문제점을 해결한 상, 하 운동이 가능하게 되는 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 밸런스 매스(40)는 상기 하우징(20)의 내부에 승강가능하게 결합되고, 상기 밸런스 샤프트(30)에 슬라이딩 조인트 방식으로 연결된다. 상기 밸런스 매스(40)는 그 양단이 상기 하우징(20)의 내측면에 슬라이딩가능하게 설치됨으로써, 상기 밸런스 매스(40)는 상기 하우징(20)의 내부에서 승강할 수 있다. 또한, 상기 밸런스 매스(40)의 내부에는 상기 밸런스 매스(40)의 승강방향과 수직한 방향으로 장공이 설치되고, 상기 밸런스 샤프트(30)가 상기 장공(도면부호 미부여)을 관통하게 설치된다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 밸런스 샤프트(30)가 회전하면, 회전하는 밸런스 샤프트(30)의 회전운동이 슬라이딩 조인트로 연결된 밸런스 매스를 승강운동시킨다.

이때, 수직으로 발생하는 힘(F)는,

F = Mb × a = Mb × rc ω²sinθ (Mb : 밸런스 매스 질량, a : 가속도)를 얻게 되는 것이다.

이를 통해서 상기 밸런스 샤프트(30)는 수평방향으로는 힘이 전혀 발생하지 않고 수직방향으로만 발생하게 되는 것이다.

또한, 상기와 같은 상태에서 크랭크 핀(32)의 속도를 2배로 하게 되면 수직방향으로 상기와 같은 수직방향이 힘(F)이 발생하는데,

이를 응용하여 2차 성분을 상쇄시킬 수 있도록 크랭크 핀(32)의 반지름과 밸런스 매스(40)의 질량을 설계하면 다음과 같은 공식을 얻게 된다.

즉,

와 같은 식을 얻게 되는 것이다.

상기와 같은 식을 통해서 엔진이 달라지고 발생하는 2차 성분이 달라져도 이를 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 밸런스 장치(10)에 장착되는 밸런스 샤프트(30)에 의한 진동 및 소음 또한 제거할 수 있게 되는 것이다.

도 1은 종래의 밸런스 장치를 나타낸 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 밸런스 장치의 밸런스 샤프트를 나타낸 정면도.

도 3은 본 발명에 따른 밸런스 장치의 밸런스 샤프트에 밸런스 매스를 결합 상태를 나타낸 정면도.

도 4는 도 3에 도시된 밸런스 샤프트와 밸런스 매스의 결합물이 하우징에 설치된 상태를 나타낸 측면도.

도 5는 본 발명에 따른 밸런스 장치의 작동상태를 나타낸 측면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 밸런스 장치,

20 : 하우징,

30 : 밸런스 샤프트,

32 : 크랭크 핀,

34 : 밸런스 핀,

40 : 밸런스 매스.

Claims

엔진의 상, 하 진동이나 롤링 진동을 상쇄시키기 위해서 실린더 블록에 장착되는 밸런스 장치에 있어서,

하우징(20)의 내부에는 하나의 밸런스 샤프트(30)가 장착되되, 상기 밸런스 샤프트(30)는 중앙에 하부를 향해 크랭크 핀(32)이 편심형성되고 상기 크랭크 핀(32)의 양측에는 밸런스 핀(34)이 상부를 향해 편심형성되는 것을 특징으로 하는 밸런스 샤프트 모듈.
제 1항에 있어서,

상기 하우징(20)의 내부에는 상기 하우징(20)의 내부에서 승강가능하게 밸런스 매스(40)가 장착되고,

상기 크랭크 핀(32)의 중앙부위는 상기 밸런스 매스(40)에 상기 밸런스 매스(40)의 승강방향과 수직한 방향으로 형성된 장공을 관통하여 상기 크랭크 핀(32)이 상기 밸런스 매스(40)에 결합되는 것을 특징으로 하는 밸런스 샤프트 모듈.