KR101421018B1 - 다기통 엔진의 크랭크 축 - Google Patents

Abstract

다기통 엔진의 크랭축이 개시된다. 본 발명에 따른 크랭크 축은, 왕복운동의 회전운동 전환을 위해 엔진에 설치되는 크랭크 축으로서, 크랭크 핀을 사이에 두고 쌍을 이루며 대면하는 세 쌍의 크랭크 암이 크랭크 축 상에서 방사상으로 동일각도로 어긋나는 구성을 갖고, 세 쌍의 크랭크 암 중 크랭크 축 외곽에 배치되는 1번과 3번 크랭크 암에 일체로 구성되는 밸런스 웨이트를 일체로 포함하며, 밸런스 웨이트는, 편향된 무게중심을 갖는 비대칭 단면구조를 이루되, 중심이 서로 상이한 두 개의 원주로서 그 형상이 규정되는 것을 발명의 요지로 한다.

Description

다기통 엔진의 크랭크 축{A Crank shaft of multi-Cylinder engine}

본 발명은 다기통 엔진의 크랭크 축에 관한 것으로, 상세하게는 엔진을 보다 콤팩트하게 구현함에 있어 주변부와의 간섭 발생은 방지하면서도 크랭크 축 자체에 충분한 부가 웨이트를 확보할 수 있는 구조의 다기통 엔진의 크랭크 축에 관한 것이다.

차량용 엔진은 연료를 연소시켜 그 에너지로 피스톤을 상하로 움직이게 하고, 이 움직임을 회전운동으로 전환하여 출력함으로써 차량 주행을 위한 동력을 발생시킨다. 이와 같은 차량용 엔진은 일반적으로, 실린더 블록과, 실린더 블록 상에 장치되며 흡기/배기 밸브 및 개폐기구가 설치된 실린더 헤드 및, 실린더 블록 하부에 장착되어 엔진오일이 저장되는 오일 팬 등을 포함하여 구성된다.

엔진을 이루는 핵심 구성요소 중 상기 실린더 블록에는 수 개의 실린더가 형성되어 있으며, 각 실린더 내에는 연료와 혼합된 혼합공기를 압축하여 폭발시키는 피스톤이 왕복이동 가능하게 장치되어 있다. 그리고 각각의 피스톤은 커넥팅 로드를 매개로 상기 피스톤의 직선운동을 회전운동으로 전환하는 크랭크 축과 연결된다. 이때 크랭크 축의 회전력은 클러치를 통해 변속기로 전달되어 주행에 적합한 속도로 변속된다.

크랭크 축은 위와 같이 피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 바꾸도록 기능한다. 이러한 크랭크 축은, 크랭크 축, 크랭크 축 상의 크랭크 암, 크랭크 암 사이의 크랭크 핀으로 구성되고, 폭발행정에서의 피스톤 하강으로 회전하려고 하는 방향으로 힘을 전달받아 회전하고, 다른 행정인 흡입, 압축, 배기행정 동안에는 오히려 위와 같은 회전을 멈추려고 하는 방향으로 힘이 작용하게 된다.

따라서 크랭크 축을 구성하는 상기 크랭크 암의 일 측 단부에는 일반적으로, 회전관성을 유발하여 크랭크 축이 멈추려고 하는 힘을 최대한 억제시키도록 기능하는 밸런스 웨이트를 두고 있다. 즉, 실린더의 작용으로 생기는 관성이나 토크의 불균형 해소를 위해 밸런스 웨이트가 적용되며, 이로 인해 각 행정에 상관없이 크랭크 축은 원활하고 지속적인 회전을 하게 되는 것이다.

그러나 연비향상을 도모하고 차량 공간의 보다 효율적 이용을 도모하기 위해 강력한 힘을 낼 수 있으면서도 가볍고 보다 콤팩트 하게 엔진을 구현하려는 최근의 추세에서, 콤팩트한 엔진 구현을 위해 크랭크 실이 협소해 지게 되면 크랭크 축 역시 그에 맞춰 작아져야 함으로써, 관성이나 토크의 불균형을 해소할 수 있을 정도의 부가 웨이트를 충분히 확보하지 못하게 된다.

위와 같이 크랭크 축 자체의 부가 웨이트가 엔진 크랭크 실의 소형화로 인해 충분히 확보되지 못해 관성이나 토크의 불균형이 발생하게 되면, 이를 해소하기 위해 크랭크 축 전단과 후단부에 과다한 부가 웨이트를 장착하게 되는데, 이렇게 되면 크랭크 축의 굽힘 응력과 저널 베어링의 면압이 증대됨으로써 내구성이 떨어지고 부품 수명이 짧아지는 심각한 문제가 발생된다.

대한민국 특허공개 제2010-0082895호

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 엔진을 보다 콤팩트하게 구현함에 있어 주변부와의 간섭 발생을 방지하면서도 관성이나 토크의 불균형을 해소할 수 있을 정도로 웨이트를 충분히 부가할 수 있는 구성의 다기통 엔진의 크랭크 축을 제공하고자 하는 것이다.

과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명은, 왕복운동의 회전운동 전환을 위해 엔진에 설치되는 크랭크 축으로서, 크랭크 핀을 사이에 두고 쌍을 이루며 대면하는 세 쌍의 크랭크 암이 크랭크 축 상에서 일정한 각도만큼 방사상으로 어긋난 배치를 갖고, 세 쌍의 크랭크 암 중 크랭크 축 외곽에 배치되는 1번과 3번 크랭크 암에 일체로 구성되는 밸런스 웨이트를 포함하며, 밸런스 웨이트는, 편향된 무게중심을 갖는 비대칭 단면구조를 이루되, 중심이 서로 상이한 두 개의 원주로서 그 형상이 규정되는 것을 특징으로 하는 다기통 엔진의 크랭크 축이 제공된다.

본 실시예에서 상기 밸런스 웨이트를 규정하는 두 개의 원주는, 크랭크 축의 축심을 중심으로 하는 제1 원주와, 상기 크랭크 축의 축심으로부터 일정거리 상향 편향된 지점에 중심을 형성하는 제2 원주일 수 있다.

이때 상기 제2 원주의 중심은 대면하는 한 쌍의 크랭크 암을 연결하는 크랭크 핀의 축심과 일치하는 것일 수 있으며, 이러한 제2 원주의 중심으로부터 제2 원주까지의 거리 R2는, 해당 피스톤이 하사점에 위치한 경우 크랭크 핀의 축심으로부터 피스톤 하단부까지의 최단거리에 상응하는 값일 수 있다.

이 경우 상기 제1 원주는 일정 곡률로 라운드 처리된 에지면을 매개로 제2 원주 측방으로 연속되는 구성일 수 있으며, 제1 원주의 중심으로부터 제1 원주까지의 거리 R1은, 크랭크 핀의 축심을 중심으로 하는 제2 원주의 중심으로부터 제2 원주까지 거리 R2의 0.5 내지 0.7배가 바람직하다.

본 실시예에서 전자식 엔진인 경우 쌍을 이루며 대면하는 두 개의 3번 크랭크 암 중 최외곽에 위치하는 크랭크 암의 외측면에는 CPS(Crank shaft Position Sensing device) 휠 장착을 위한 단차진 장착면이 형성되고, 상기 장착면으로 크랭크 축의 회전위치 감지를 위한 상기 CPS 휠이 장착될 수 있다.

이때 상기 장착면에는 CPS 휠 조립을 위한 둘 이상의 볼트 탭이 형성되되, 상기 볼트 탭은 CPS 휠의 정확한 조립위치의 안내를 위해 원주방향으로 부등간격에 걸쳐 이격 형성되는 구성일 수 있다.

상기 CPS 휠 장착에 의한 관성력의 불평형을 해소하기 위해, 쌍을 이루는 3번 크랭크 암의 상호 대면하는 면에는 중량손실부가 함몰 가공될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 다기통 엔진의 크랭크 축의 구성에 따르면, 크랭크 축 회전 시 간섭의 발생을 방지하는 최소한의 거리를 기준으로, 1번과, 3번 크랭크 암의 밸런스 웨이트에 웨이트를 부가함으로써 추가 언밸런스를 부여하고 있다. 따라서 엔진을 보다 콤팩트하게 구현함에 있어 주변부와의 간섭 발생은 방지하면서도 관성이나 토크의 불균형을 해소할 수 있을 정도로 웨이트를 충분히 부가할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 크랭크 축의 사시도.
도 2는 도 1에 나타난 크랭크 축을 일 측에서 바라본 도면.
도 3은 도 1에 나타난 크랭크 축에 적용된 쌍을 이루는 세 개의 크랭크 아암이 각각 상사점에 위치했을 경우의 정면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 크랭크 축이 채택된 크랭크 실의 단면도.
도 5는 쌍을 이루는 크랭크 암 중 CPS 휠 장착 전 3번 크랭크 암의 사시도.
도 6은 도 5에 나타난 3번 크랭크 암에 CPS 휠이 장착된 모습의 정면도.
도 7은 CPS 휠이 장착된 3번 크랭크 암의 배면도.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성에 대해서는 그 상세한 설명은 생략하며, 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 소지가 있는 구성에 대해서도 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 크랭크 축의 사시도이며, 도 2는 도 1에 나타난 크랭크 축을 일 측에서 바라본 도면이다. 그리고 도 3은 도 1에 나타난 크랭크 축에 적용된 쌍을 이루는 세 개의 크랭크 아암이 각각 상사점에 위치했을 경우의 정면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 크랭크 축은 3기통 엔진에 적용되는 것으로서, 크랭크 핀(2)을 사이에 두고 쌍을 이루도록 대면하는 세 쌍의 크랭크 암(1-1)(1-2)(1-3)을 포함한다. 각각의 크랭크 암(1-1)(1-2)(1-3)은 도 2에서와 같이 크랭크 축 상에서 일정한 각도(120ㅀ)를 두고 방사상으로 어긋나는 배치를 이루며, 세 쌍의 크랭크 암 중 외곽에 배치되는 1번과 3번 크랭크 암(1-1)(1-3)에는 밸런스 웨이트(BW1, BW2, BW3, BW4)가 일체로 형성된다.

밸런스 웨이트(BW1, BW2, BW3, BW4)는 배경기술에서도 언급했듯이 크랭크 축 회전 시 회전관성을 유발하고 관성력 모멘트 불균형의 해소를 위해 기능한다. 본 발명에서는 쌍을 이루는 1번과 3번 크랭크 암(1-1)(1-3)에 총 4개의 밸런스 웨이트(BW1, BW2, BW3, BW4)가 적용된다. 설명의 편의를 위해 1번과 3번 크랭크 암(1)의 밸런스 웨이트(BW1, BW2, BW3, BW4)를 도 1의 도시를 기준으로 좌측에서부터 차례로, 제1, 제2, 제3, 제4 밸런스 웨이트(BW1, BW2, BW3, BW4)라 칭하기로 한다.

본 발명에서 상기 제1 내지 제4 밸런스 웨이트(BW1, BW2, BW3, BW4)는, 편향된 무게중심을 갖는 비대칭 단면구조로 이루어진다. 구체적으로는, 중심이 서로 상이한 두 개의 원주를 통해 무게중심이 편향된 형상으로 규정된다. 밸런스 웨이트(BW1, BW2, BW3, BW4)를 규정하는 상기 두 개의 원주는 바람직하게, 크랭크 축의 축심(C1)을 중심으로 하는 제1 원주(12)와, 상기 크랭크 축의 축심(C1)으로부터 일정거리 상향 편향된 지점에 중심을 형성하는 제2 원주(14)일 수 있다.

도 4의 엔진 단면의 도시와 같이, 커넥팅 로드(5) 및 피스톤(6)과의 조합에 의한 하사점 부근에서 주변부품(예컨대 오일제트)에 대한 밸런스 웨이트(BW1, BW2, BW3, BW4)의 간섭발생은 방지하면서 최대한의 웨이트가 부가될 수 있도록, 제2 원주(14)는 한 쌍의 크랭크 암(1)을 연결하는 크랭크 핀(2)의 축심(C2)을 중심으로 하고, 이 중심으로부터 해당 피스톤이 하사점에 위치한 경우 크랭크 핀(2)의 축심(C2)이 피스톤의 하단부까지 이르는 최단거리(R3)에 상응하는 값을 반지름(R2)으로 한다.

피스톤이 하사점에 있을 때 크랭크 핀(2)의 축심으로부터 피스톤의 하단부까지 이르는 최단거리(R3)에 상응하는 값으로 제2 원주(14)의 반지름(R2)을 형성하면, 제2 원주(14)는 크랭크 축의 축심을 기준으로 크랭크 암(1)과 대향되는 위치에 형성되는 구성을 이루게 되고, 이러한 제2 원주(14)의 측방으로 일정 곡률로 라운드 처리된 에지면을 매개로 제1 원주(12)가 연속되도록 형성하면, 도면과 같이 2개의 원주에 그 형상이 규정되는 밸런스 웨이트(BW1, BW2, BW3, BW4)를 이루게 된다.

즉, 커넥팅 로드(5) 및 피스톤(6)과의 조합에 의한 하사점 부근에서의 밸런스 웨이트(BW1, BW2, BW3, BW4)와 간섭을 방지하기 위해, 크랭크 핀(2)의 축심에서 피스톤의 하단부와의 최단거리를 반경으로 하는 2단 라운드 형태의 밸런스 웨이트(BW1, BW2, BW3, BW4)를 형성하게 되면, 크랭크 축에 2단 라운드 형상으로 최대한의 웨이트를 부가할 수 있어서 소형엔진 제작 시 크랭크 축의 전/후단부에 최소한의 웨이트만 부가하면 된다.

위와 같은 구성으로 밸런스 웨이트(BW1, BW2, BW3, BW4)를 구현함에 있어서 제1 원주(12)의 곡률 즉, 크랭크 축의 축심(C1)을 중심으로 하는 제1 원주(12)의 중심으로부터 상기 제1 원주(12)까지 거리 R1은, 마찬가지로 크랭크 축 회전 시 주변부품 예컨대, 상기 피스톤 하단부와의 간섭이 회피될 수 있을 정도의 거리 바람직하게는, 크랭크 핀(2)의 축심(C2)을 중심으로 하는 제2 원주(14)의 중심으로부터 제2 원주(14)까지 거리인 전술한 R2를 기준으로 0.5R2 에서 0.7R2일 수 있다.

한편, 도 5 내지 도 7은 쌍을 이루는 크랭크 암 중 CPS 휠이 장착되는 3번 크랭크 암을 나타내는 도면으로서, 도 5는 CPS 휠 장착 전 3번 크랭크 암의 사시도이며, 도 6은 도 5에 나타난 3번 크랭크 암에 CPS 휠이 장착된 모습의 정면도이다. 그리고 도 7은 CPS 휠이 장착된 3번 크랭크 암의 배면도를 나타내고 있다.

도시된 도면과 같이, 본 발명에 따른 크랭크 축이 전자식 엔진에 적용될 경우에는, 쌍을 이루며 대면하는 두 개의 3번 크랭크 암(1-3) 중 최외곽에 위치하는 크랭크 암 즉, 제4 밸런스 웨이트(BW4)를 구비하는 크랭크 암의 외측면에는 CPS(Crank shaft Position Sensing device) 휠(3) 장착을 위한 단차진 장착면(15)을 구비하며, 그 장착면(15)에 크랭크 축의 회전위치 감지를 위한 상기 CPS 휠(3)이 장착될 수 있다.

CPS 휠(3)이 소형의 볼트와 같은 체결수단을 통해 상기 장착면(15)에 견고한 결착을 이룰 수 있도록, 상기 장착면(15)에는 도면의 도시와 같이 CPS 휠(3) 조립을 위한 볼트 탭(15)이 두 개소 이상 형성될 수 있다. 이때 크랭크 축에 대한 CPS 휠(3)의 피센싱부(Missing tooth, 30)의 위치 오조립 방지를 위해 상기 볼트 탭(15)은 바람직하게, 원주방향으로 부등간격 예컨대, 도 7과 같이 110ㅀ, 120ㅀ, 130ㅀ간격으로 형성되는 구성일 수 있다.

한편, 위와 같이 3번 크랭크 암(1-3) 측에 상기 장착면(15)을 가공하고 여기에 CPS 휠(3)을 장착할 경우 크랭크 축의 길이방향 측 무게 중심이 3번 크랭크 암(1-3) 측으로 쏠려 회전 시 관성력의 불균형이 발생할 수 있다. 따라서 앞서 첨부된 도 1 또는 도 7의 도시와 같이, 쌍을 이루는 3번 크랭크 암(1-3)의 상호 대면하는 면에 CPS 휠(3) 장착으로 늘어난 중량만큼 중량손실부(17)를 함몰 가공하는 방법으로서 관성력의 평형을 도모할 수 있다.

물론 상기 함몰 가공을 통한 중량손실부(17)의 형상은 도면에 예시된 형상 또는 위치에 국한되는 것은 아니며, 다양한 변경이 가능함을 밝혀둔다.

도면에서 미설명 부호 18(도 5)은 밸런스 웨이트가 최적의 모멘트가 발생할 수 있는 무게 중심을 가지도록 무게를 맞추기 위해 절삭 가공되는 절삭홈이고, 미설명 부호 4(도 6)는 상기 크랭크 축과 함께 회전하는 CPS 휠의 상기 피센싱부(Missing tooth)를 감지함으로써 크랭크 축의 회전주기와 관련한 정보를 출력하는 센서를 가리킨다

이상에서 살펴본 본 발명의 실시예에 따른 다기통 엔진의 크랭크 축의 구성에 따르면, 크랭크 축 회전 시 간섭의 발생을 방지하는 최소한의 거리를 기준으로, 1번과, 3번 크랭크 암의 밸런스 웨이트에 웨이트를 부가함으로써 추가 언밸런스를 부여하고 있다. 따라서 엔진을 보다 콤팩트하게 구현함에 있어 주변부와의 간섭 발생은 방지하면서도 관성이나 토크의 불균형을 해소할 수 있을 정도로 웨이트를 충분히 부가할 수 있다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (9)

1. 왕복운동의 회전운동 전환을 위해 엔진에 설치되는 크랭크 축으로서,
   크랭크 핀을 사이에 두고 쌍을 이루며 대면하는 세 쌍의 크랭크 암이 크랭크 축 상에서 일정한 각도만큼 방사상으로 어긋난 배치를 갖고,
   세 쌍의 크랭크 암 중 크랭크 축 외곽에 배치되는 1번과 3번 크랭크 암에 일체로 구성되는 밸런스 웨이트를 포함하며,
   상기 밸런스 웨이트는,
   편향된 무게중심을 갖는 비대칭 단면구조를 이루되, 중심이 서로 상이한 두 개의 제1 원주와 제2 원주를 통해 형상이 규정되며,
   상기 제1 원주와 제2 원주 사이에 일정 곡률의 에지면이 존재하는 것을 특징으로 하는 다기통 엔진의 크랭크 축.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   제1 원주는 크랭크 축의 축심을 중심으로 하며,
   제2 원주의 중심은 상기 크랭크 축의 축심으로부터 일정거리 상향 편향된 지점에 형성되는 것을 특징으로 하는 다기통 엔진의 크랭크 축.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제2 원주의 중심은 대면하는 한 쌍의 크랭크 암을 연결하는 크랭크 핀의 축심과 일치하는 것을 특징으로 하는 다기통 엔진의 크랭크 축.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제2 원주의 중심으로부터 제2 원주까지의 거리 R2는, 해당 피스톤이 하사점에 위치한 경우 크랭크 핀의 축심으로부터 피스톤 하단부까지의 최단거리에 상응하는 값인 것을 특징으로 하는 다기통 엔진의 크랭크 축.
   
5. 삭제
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   제1 원주의 중심으로부터 제1 원주까지의 거리 R1은, 크랭크 핀의 축심을 중심으로 하는 제2 원주의 중심으로부터 제2 원주까지 거리 R2의 0.5 내지 0.7배인 것을 특징으로 하는 다기통 엔진의 크랭크 축.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   쌍을 이루며 대면하는 두 개의 3번 크랭크 암 중 최외곽에 위치하는 크랭크 암의 외측면에는 CPS(Crank shaft Position Sensing device) 휠 장착을 위한 단차진 장착면이 형성되고,
   상기 장착면으로 크랭크 축의 회전위치 감지를 위한 상기 CPS 휠이 장착되는 것을 특징으로 하는 다기통 엔진의 크랭크 축.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 장착면에는 CPS 휠 조립을 위한 둘 이상의 볼트 탭이 형성되되, 상기 볼트 탭은 CPS 휠의 정확한 조립위치의 안내를 위해 원주방향을 따라 부등간격으로 이격 형성되는 것을 특징으로 하는 다기통 엔진의 크랭크 축.
   
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 CPS 휠 장착에 의한 관성력의 불균형을 해소하기 위해, 쌍을 이루는 3번 크랭크 암의 상호 대면하는 면에는 중량손실부가 함몰 가공되는 것을 특징으로 하는 다기통 엔진의 크랭크 축.

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