KR101412884B1 - 위상 가변형 밸런스샤프트 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 밸런스샤프트는, 중심축을 회전축으로 자전되며, 자전방향과 교차하는 방향의 제1 측벽 및 제2 측벽을 구비하는 내부공간이 형성된 외부하우징; 상기 외부하우징의 회전축 방향으로 길이를 가지며, 상기 외부하우징과 독립적으로 회전 가능하도록 일측이 상기 내부공간으로 삽입되는 회전축; 상기 내부공간에 위치되도록 상기 회전축에 결합되는 편심질량체;를 포함하여 구성되며, 상기 외부하우징과 회전축은 상기 편심질량체가 상기 내부공간 내의 어느 한 지점에 고정된 상태를 유지하면서 일체로 회전 가능하도록 구성된다.

본 발명에 의한 밸런스샤프트는, 편심질량체의 위치를 변경시킴으로써 진동 주기를 오프셋시킬 수 있으므로, 오프셋 크랭크샤프트가 적용된 엔진이 저속 운전을 할 때뿐만 아니라 고속 운전을 할 때에도 효과적으로 엔진의 진동을 감쇠시킬 수 있다는 장점이 있다.

크랭크샤프트, 밸런스샤프트, 위상, 오프셋, 진동, 감쇠

Description

위상 가변형 밸런스샤프트{Variable phase type balance shaft}

본 발명은 크랭크 샤프트의 회전에 의해 발생되는 진동을 감쇄시키기 위한 밸런스샤프트에 관한 것으로, 더 상세하게는 크랭크 샤프트의 회전 속도에 따라 위상이 가변될 수 있도록 구성되는 위상 가변형 밸런스샤프트에 관한 것이다.

일반적으로 엔진의 피스톤-크랭크 계의 거동을 보면 피스톤, 콘로드, 크랭크에는 각각 왕복운동과 회전운동에 의해 관성력이 발생한다. 피스톤-크랭크 계의 움직임을 상세히 비교해 보면 실제 관성력은 완전히 상쇄되지 않는다.

이것은 왕복운동을 하는 피스톤과 회전운동을 하는 크랭크가 콘로드로 결합되어 있는 구조상의 이유로 인한 것으로, 예를 들면 피스톤이 움직여서 가속하여 최고속도에 도달하는 점은 스트로크의 중간점보다는 상사점 측에 접근하고 있기 때문이다.

이 결과, 크랭크의 회전은 일정하기 때문에 각 실린더의 크랭크 관성력(1차 관성력)은 잘 상쇄되지만, 피스톤의 관성력은 윗방향 관성력이 아랫방향 관성력보다 크게 되어 버린다. 이 관성력은 2차 관성력으로 불리어지고, 이것에 의해 발생 하는 진동은 특히 아이들링시에 느껴지기 쉽다.

이와 같은 불쾌한 진동을 소거할 목적으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 반원형의 단면을 가지거나 별도의 편심질량체를 구비하는 밸런스샤프트(15)를 설치하여 이것을 크랭크 샤프트(13)의 회전 2배속으로 역방향으로 회전시키는 기술이 제시되어 있다. 즉, 상기 밸런스샤프트(15)로부터 발생하는 관성력에 의해 진동을 소거하는 것이다.

또한 실린더와 피스톤에 가변적인 압축비와 스트로크를 가지도록 하기 위해 크랭크샤프트를 편심시켜 장착한 오프셋 크랭크샤프트가 제안된 바 있는데, 이와 같이 크랭크샤프트를 편심되도록 장착하는 이유는 폭발행정시에 크랭크샤프트가 편심으로 회전됨으로써 실린더와 피스톤 사이의 마찰을 감소되도록 하기 위한 것이다. 따라서 상기한 오프셋 크랭크샤프트를 적용하는 궁극적인 이유는 엔진의 마찰을 저감하므로서 엔진의 연비를 향상시키는 데 있는 것이다.

이때, 상기와 같은 오프셋 크랭크샤프트가 적용되는 엔진은, 크랭크샤프트의 회전에 의한 진동(일반적인 크랭크샤프트가 적용된 엔진에서 발생되는 진동)만 발생되는 것이 아니라, 크랭크샤프트의 오프셋에 의한 진동(크랭크각이 오프셋 됨에 따라 발생되는 진동)이 추가적으로 발생되는데, 크랭크샤프트의 오프셋에 의한 진동은 엔진의 운전속도가 증가됨에 따라 현저히 커진다는 특성이 있다.

즉, 저속 운전인 경우 엔진에 발생되는 진동은 크랭크샤프트의 회전에 의한 진동이 대부분을 차지하고, 고속 운전인 경우 엔진에 발생되는 진동은 크랭크샤프 트의 오프셋에 의한 진동이 대부분을 차지하게 된다.

그러나 현재까지 개발된 밸런스샤프트는 편심질량체의 결합위치가 고정되어 있으므로, 엔진의 운전속도에 관계없이 항상 일정한 진동 위상을 가지는 바, 크랭크샤프트의 회전에 의한 진동과 크랭크샤프트의 오프셋에 의한 진동 중 어느 하나만을 효과적으로 감쇠시킬 수 있다.

예를 들어 밸런스샤프트가 크랭크샤프트의 회전에 의한 진동을 감쇠해 발생되는 진동을 효과적으로 감쇠시키도록 설정되는 경우에는 크랭크샤프트의 오프셋에 의한 진동은 효과적으로 감쇠시키지 못하므로, 엔진이 고속으로 운전될 때에는 엔진의 진동이 매우 커지게 된다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 편심질량체의 위치를 변경시킴으로써 진동 주기를 오프셋시킬 수 있도록 구성되어, 오프셋 크랭크샤프트가 적용된 엔진이 저속 운전을 할 때뿐만 아니라 고속 운전을 할 때에도 효과적으로 엔진의 진동을 감쇠시킬 수 있는 밸런스샤프트를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 밸런스샤프트는,

중심축을 회전축으로 자전되며, 자전방향과 교차하는 방향의 제1 측벽 및 제2 측벽을 구비하는 내부공간이 형성된 외부하우징;

상기 외부하우징의 회전축 방향으로 길이를 가지며, 상기 외부하우징과 독립적으로 회전 가능하도록 일측이 상기 내부공간으로 삽입되는 회전축;

상기 내부공간에 위치되도록 상기 회전축에 결합되는 편심질량체;

를 포함하여 구성되며,

상기 외부하우징과 회전축은, 상기 편심질량체가 상기 내부공간 내의 어느 한 지점에 고정된 상태를 유지하면서 일체로 회전 가능하도록 구성된다.

상기 제1 측벽과, 상기 제1 측벽에 대응되는 상기 편심질량체의 제1 측면 사이의 내부공간으로 오일을 공급하기 위한 오일라인을 추가로 구비하여,

상기 회전축은, 상기 제1 측벽과 제1 측면 사이의 내부공간으로 주입된 오일의 압력에 의해 상기 내부공간 내에서의 상기 편심질량체의 위치가 가변되도록 회전된다.

상기 오일라인은 상기 회전축에 형성된다.

상기 편심질량체의 제1 측면이 상기 제1 측벽에 가까워지는 방향으로 상기 편심질량체에 탄성력을 인가하는 복귀탄성체를 더 포함한다.

상기 복귀탄성체은, 상기 제2 측벽과, 상기 제2 측벽에 대응되는 상기 편심질량체의 제2 측면 사이에 설치된다.

상기 제1 측벽과 제1 측면은, 상기 회전축의 중심축을 중심으로 방사형을 이루도록 형성되고,

양측이 상기 제1 측벽과 제1 측면에 밀착된 상태를 유지하며 상기 회전축과 멀어지거나 가까워지는 방향으로 슬라이딩 가능한 이동체와, 상기 회전축을 향하는 방향으로 상기 이동체에 탄성력을 인가하는 가압탄성체를 추가로 구비하여,

공급되는 오일의 압력이 증가되면 상기 이동체는 상기 회전축과 멀어지는 방향으로 이동되어 상기 제1 측벽과 제1 측면 사이의 거리가 가까워지고, 공급되는 오일의 압력이 감소되면 상기 이동체는 상기 회전축과 가까워지는 방향으로 이동되 어 상기 제1 측벽과 제1 측면 사이의 거리가 멀어지도록 구성된다.

상기 이동체는 구 형상으로 형성되고,

상기 제1 측벽과 제1 측면은, 상기 이동체의 위치에 관계없이 상기 이동체와 밀착될 수 있도록, 상기 이동체와 접촉되는 면이 오목한 곡면으로 형성된다.

본 발명에 의한 밸런스샤프트는, 편심질량체의 위치를 변경시킴으로써 진동 주기를 오프셋시킬 수 있으므로, 오프셋 크랭크샤프트가 적용된 엔진이 저속 운전을 할 때뿐만 아니라 고속 운전을 할 때에도 효과적으로 엔진의 진동을 감쇠시킬 수 있다는 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 위상 가변형 밸런스샤프트의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 밸런스샤프트의 분해사시도이고, 도 3은 본 발명에 의한 밸런스샤프트의 일부 절개 사시도이며, 도 4는 본 발명에 의한 밸런스샤프트의 종단면도이다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 밸런스샤프트는, 중심축을 회전축(200)으로 자전되며 자전방향과 교차하는 방향의 제1 측벽(112) 및 제2 측벽(114)을 구비하는 내부공간(110)이 형성된 외부하우징(100)과, 상기 외부하우징(100)의 회전축(200) 방향으로 길이를 가지며 상기 외부하우징(100)과 독립적으로 회전 가능하도록 일측이 상기 내부공간(110)으로 삽입되는 회전축(200)과, 상기 내부공간(110)에 위치되도록 상기 회전축(200)에 결합되는 편심질량체(300)를 포함하여 구성된다. 상기 편심질량체(300)는, 상기 제1 측벽(112)과 대응되는 제1 측면(310)과, 상기 제2 측벽(114)과 대응되는 제2 측면(320)을 구비하며, 상기 제1 측면(310)과 제2 측면(320)을 제외한 나머지 외측면은 상기 내부공간(110)의 내벽에 밀착된다.

이때 상기 외부하우징(100)과 회전축(200)은, 상기 편심질량체(300)가 상기 내부공간(110) 내의 어느 한 지점에 고정된 상태를 유지하면서 일체로 회전 가능하도록 구성된다. 즉 상기 회전축(200)은, 외부하우징(100)의 내부공간(110) 내에서 편심질량체(300)가 이동할 수 있도록 상기 외부하우징(100)과 독립적으로 회전될 수도 있고, 상기 외부하우징(100)이 회전됨에 따라 상기 외부하우징(100)과 함께 일체로 회전될 수도 있다.

이와 같은 동작이 가능하기 위하여, 상기 회전축(200)에는 상기 제1 측벽(112)과 제1 측면(310) 사이의 내부공간(110)으로 오일을 공급하기 위한 오일라인(210)이 형성된다. 회전축(200)이 안착되는 부시(600)에 형성된 오일공급유로(610)와 상기 오일라인(210)을 통해 제1 측벽(112)과 제1 측면(310) 사이의 내부공간(110)으로 오일이 공급되면 상기 제1 측면(310)은 제1 측벽(112)과 멀어지는 방향으로 유압을 받게 되므로, 상기 편심질량체(300) 및 이와 결합된 회전축(200)은 도 3을 참고하였을 때 시계방향으로 회전된다. 이때, 상기 오일라인(210)은 본 실시예에 도시된 바와 같이 회전축(200)에 형성될 수도 있고, 상기 회전축(200)과 별도로 제작될 수도 있다.

또한, 상기 제1 측벽(112)과 제1 측면(310) 사이의 내부공간(110)으로 공급된 오일이 회수되었을 때 상기 편심질량체(300)와 회전축(200)이 원위치로 복귀될 수 있도록, 상기 편심질량체(300)의 제1 측면(310)이 상기 제1 측벽(112)에 가까워지는 방향으로 상기 편심질량체(300)에 탄성력을 인가하는 복귀탄성체(400)가 구비된다. 따라서 상기 제1 측벽(112)과 제1 측면(310) 사이의 내부공간(110) 유압이 감소되면, 상기 편심질량체(300)와 회전축(200)은 복귀탄성체(400)의 탄성력에 의해 반시계방향으로 회전된다.

본 실시예에서는 상기 복귀탄성체(400)가 상기 제2 측벽(114)과 제2 측면(320) 사이에 설치되는 코일 스프링으로 도시되어 있으나, 상기 복귀탄성체(400)는 제1 측면(310)이 상기 제1 측벽(112)에 가까워지도록 상기 편심질량체(300)에 탄성력을 인가할 수 있는 구조라면 어떠한 구조로도 대체될 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 밸런스샤프트의 동작을 도시하는 횡단면도이다.

제1 측벽(112)과 제1 측면(310) 사이의 내부공간(110)으로 오일이 공급되지 아니하여 도 5에 도시된 바와 같이 제1 측벽(112)과 제1 측면(310) 사이의 내부공 간(110)이 비교적 좁게 형성되어 있는 상태에서, 오일라인(210)을 통해 제1 측벽(112)과 제1 측면(310) 사이의 내부공간(110)으로 오일이 공급되면, 제1 측면(310)은 제1 측벽(112)으로부터 멀어지는 방향으로 유압을 받게 되므로 도 6에 도시된 바와 같이 편심질량체(300)와 회전축(200)을 시계방향으로 회전하게 된다. 이때, 상기 복귀탄성체(400)는 압축되어 상기 편심질량체(300)를 반시계방향으로 회전시키는 탄성력이 증가된다.

도 6에 도시된 상태에서 제1 측벽(112)과 제1 측면(310) 사이의 내부공간(110)으로 유입된 오일이 오일라인(210)을 통해 외부로 빠져 나가게 되면, 편심질량체(300) 및 이에 결합된 회전축(200)은 복귀탄성체(400)의 탄성력에 의해 반시계방향으로 회전되어 도 5에 도시된 상태로 복귀된다. 이때, 제1 측벽(112)과 제1 측면(310) 사이의 내부공간(110)에는 어느 정도의 오일은 남아 있으므로, 상기 제1 측벽(112)과 제1 측면(310)은 상호 밀착되지 아니하고 이격된 상태를 유지한다.

이와 같이 본 발명에 의한 밸런스샤프트는 외부하우징(100)과의 상대적인 편심질량체(300) 위치를 가변시킬 수 있으므로, 외부하우징(100)과 회전축(200)과 편심질량체(300)가 일체로 회전될 때 발생되는 진동 위상을 오프셋시킬 수 있게 된다.

따라서 본 발명에 의한 밸런스샤프트가 도 5에 도시된 바와 같이 편심질량체(300)가 위치되었을 때 크랭크샤프트의 회전에 의한 진동을 효과적으로 감쇠시킬 수 있고 도 6에 도시된 바와 같이 편심질량체(300)가 위치되었을 때 크랭크샤프트의 오프셋에 의한 진동을 효과적으로 감쇠시킬 수 있도록 설정되는 경우, 본 발명 에 의한 밸런스샤프트는 엔진의 저속 운전 시에는 편심질량체(300)가 도 5에 도시된 바와 같이 위치되고 엔진의 고속 운전 시에는 편심질량체(300)가 도 6에 도시된 바와 같이 위치되도록 조작됨으로써, 엔진이 저속으로 운전하는 경우와 고속으로 운전하는 경우 모두 발생되는 진동을 효과적으로 감쇠시킬 수 있게 된다.

도 7은 본 발명에 의한 밸런스샤프트의 제2 실시예 종단면도이고, 도 8 및 도 9는 본 발명에 의한 밸런스샤프트의 제2 실시예 동작을 도시하는 횡단면도이다.

본 발명에 의한 밸런스샤프트는, 오일이 유입될 때 편심질량체(300)의 제1 측면(310)이 제1 측벽(112)과 가까워지고, 오일이 유출될 때 편심질량체(300)의 제1 측면(310)이 제1 측벽(112)과 멀어지도록 구성될 수도 있다.

즉 본 발명에 의한 밸런스샤프트는, 양측이 상기 제1 측벽(112)과 제1 측면(310)에 밀착된 상태를 유지하며 상기 회전축(200)과 멀어지거나 가까워지는 방향으로 슬라이딩 가능한 이동체(500)와, 상기 회전축(200)을 향하는 방향으로 상기 이동체(500)에 탄성력을 인가하는 가압탄성체(510)를 추가로 구비하도록 구성될 수 있다.

이와 같이 이동체(500)와 가압탄성체(510)가 추가로 구비되는 경우, 도 8에 도시된 상태에서 공급되는 오일의 압력이 증가되면 도 9에 도시된 바와 같이 상기 이동체(500)는 상기 회전축(200)과 멀어지는 방향으로 이동된다. 이때, 편심질량체(300)는 복귀탄성체(400)의 탄성력에 의해 반시계방향으로 회전력을 받고 있으므로, 제1 측면(310)은 이동체(500)의 위치에 관계없이 항상 이동체(500)와 접촉된 상태를 유지한다. 즉, 상기 이동체(500)가 회전축(200)과 멀어지는 방향으로 이동되면 상기 편심질량체(300) 및 이에 결합된 회전축(200)은 도 9에 도시된 바와 같이 반시계방향으로 회전된다.

반대로 도 9에 도시된 상태에서 공급되는 오일의 압력이 감소되면 이동체(500)는 가압탄성체(510)에 의해 회전축(200)을 향해 이동되고, 이에 따라 제1 측벽(112)과 제2 측면(320)의 간격이 벌어지도록 상기 편심질량체(300)와 회전축(200)은 시계방향으로 회전되어 도 8에 도시된 상태로 복귀된다.

이때, 상기 이동체(500)가 이동함에 따라 편심질량체(300) 및 회전축(200)의 회전이 연속적으로 이루어질 수 있도록, 상기 제1 측벽(112)과 제1 측면(310)은, 상기 회전축(200)의 중심축을 중심으로 방사형을 이루도록 형성됨이 바람직하다.

또한, 제1 측벽(112)과 제1 측면(310) 사이의 내부공간(110)으로 유입되는 오일이 이동체(500)와 제1 측벽(112) 또는 이동체(500)와 제1 측면(310) 사이로 새지 아니하고 상기 이동체(500)를 상향으로 가압할 수 있도록 즉, 상기 이동체(500)의 위치에 관계없이 상기 이동체(500)와 밀착될 수 있도록, 상기 이동체(500)는 구 형상으로 형성되고, 상기 제1 측벽(112)과 제1 측면(310)은 상기 이동체(500)와 접촉되는 면이 오목한 곡면으로 형성됨이 바람직하다.

또한, 본 실시예에서는 외부하우징(100)의 내부공간(110)으로 유입되는 오일의 압력에 의해 편심질량체(300) 및 회전축(200)이 회전되는 구조만을 설명하고 있으나, 상기 편심질량체(300)와 회전축(200)은 별도의 구동수단에 의해 상기 외부하 우징(100)과 독립적으로 회전되고, 별도의 결합수단에 의해 외부하우징(100)과 일체로 회전되도록 구성될 수 있다. 이와 같은 기능을 하는 구동수단 및 결합수단은 여러 종류의 동력전달장치에서 널리 사용되고 있는바, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

도 1은 종래의 밸런스샤프트 장착구조를 도시하는 사시도이다.

도 2는 본 발명에 의한 밸런스샤프트의 분해사시도이다.

도 3은 본 발명에 의한 밸런스샤프트의 일부 절개 사시도이다.

도 4는 본 발명에 의한 밸런스샤프트의 종단면도이다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 밸런스샤프트의 동작을 도시하는 횡단면도이다.

도 7은 본 발명에 의한 밸런스샤프트의 제2 실시예 종단면도이다.

도 8 및 도 9는 본 발명에 의한 밸런스샤프트의 제2 실시예 동작을 도시하는 횡단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 외부하우징 110 : 내부공간

112 : 제1 측벽 114 : 제2 측벽

200 : 회전축 210 : 오일라인

300 : 편심질량체 310 : 제1 측면

320 : 제2 측면 400 : 복귀탄성체

500 : 이동체 510 : 가압탄성체

600 : 부시 610 : 오일공급유로

Claims (7)

1. 삭제
2. 중심축을 회전축으로 자전되며, 자전방향과 교차하는 방향의 제1 측벽 및 제2 측벽을 구비하는 내부공간이 형성된 외부하우징;

   상기 외부하우징의 회전축 방향으로 길이를 가지며, 상기 외부하우징과 독립적으로 회전 가능하도록 일측이 상기 내부공간으로 삽입되는 회전축;

   상기 내부공간에 위치되도록 상기 회전축에 결합되는 편심질량체;

   를 포함하여 구성되며,

   상기 외부하우징과 회전축은, 상기 편심질량체가 상기 내부공간 내의 어느 한 지점에 고정된 상태를 유지하면서 일체로 회전 가능하도록 구성되되,

   상기 제1 측벽과, 상기 제1 측벽에 대응되는 상기 편심질량체의 제1 측면 사이의 내부공간으로 오일을 공급하기 위한 오일라인을 추가로 구비하여,

   상기 회전축은, 상기 제1 측벽과 제1 측면 사이의 내부공간으로 주입된 오일의 압력에 의해 상기 내부공간 내에서의 상기 편심질량체의 위치가 가변되도록 회전되는 것을 특징으로하는 밸런스샤프트.
3. 제2항에 있어서,

   상기 오일라인은 상기 회전축에 형성되는 것을 특징으로하는 밸런스샤프트.
4. 제2항에 있어서,

   상기 편심질량체의 제1 측면이 상기 제1 측벽에 가까워지는 방향으로 상기 편심질량체에 탄성력을 인가하는 복귀탄성체를 더 포함하는 것을 특징으로하는 밸런스샤프트.
5. 제4항에 있어서,

   상기 복귀탄성체는, 상기 제2 측벽과, 상기 제2 측벽에 대응되는 상기 편심질량체의 제2 측면 사이에 설치되는 것을 특징으로하는 밸런스샤프트.
6. 제4항에 있어서,

   상기 제1 측벽과 제1 측면은, 상기 회전축의 중심축을 중심으로 방사형을 이루도록 형성되고,

   양측이 상기 제1 측벽과 제1 측면에 밀착된 상태를 유지하며 상기 회전축과 멀어지거나 가까워지는 방향으로 슬라이딩 가능한 이동체와, 상기 회전축을 향하는 방향으로 상기 이동체에 탄성력을 인가하는 가압탄성체를 추가로 구비하여,

   공급되는 오일의 압력이 증가되면 상기 이동체는 상기 회전축과 멀어지는 방향으로 이동되어 상기 제1 측벽과 제1 측면 사이의 거리가 가까워지고, 공급되는 오일의 압력이 감소되면 상기 이동체는 상기 회전축과 가까워지는 방향으로 이동되어 상기 제1 측벽과 제1 측면 사이의 거리가 멀어지도록 구성되는 것을 특징으로하는 밸런스샤프트.
7. 제6항에 있어서,

   상기 이동체는 구 형상으로 형성되고,

   상기 제1 측벽과 제1 측면은, 상기 이동체의 위치에 관계없이 상기 이동체와 밀착될 수 있도록, 상기 이동체와 접촉되는 면이 오목한 곡면으로 형성되는 것을 특징으로하는 밸런스샤프트.

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