KR101806221B1 - 밸런서 조립장치 및 조립방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 밸런서 조립장치는, 기어를 거치하는 제 1 지그, 하우징을 거치하는 제 2 지그, 매스부를 거치하는 제 3 지그로 이루어지며, 샤프트가 끼워질 기어, 매스부, 하우징의 각 통공의 중심이 일렬로 정렬되도록 마련된 지그와; 지그에 거치된 기어 및 매스부가 하우징과 각각 접촉되도록 하기 위해, 상기 제 1 지그 또는 제 3 지그가 제 3 지그 또는 제 1 지그를 향해 샤프트의 축선 방향과 나란하게 이동되도록, 또는 제 1 지그 및 제 3 지그가 샤프트의 축선 방향과 나란하게 이동하여 서로 가까워지도록 하는 가압부와; 상기 각 통공으로 샤프트를 삽입하기 위한 샤프트 삽입부와; 하우징, 기어, 매스부를 지그로 이송하며 샤프트를 샤프트 삽입부로 이송하는 이송부로 이루어지며, 상기 가압부는, 냉각된 샤프트가 삽입되기 전에 상기 지그를 이동시켜 지그 상에 거치된 기어 및 매스부가 하우징과 서로 접촉되도록 가압하고, 냉각된 샤프트의 삽입이 완료된 후 샤프트의 길이 팽창에 맞춰 제 1,3 지그가 샤프트의 축선 방향으로 이동할 수 있도록 가압을 해제하는 것을 특징으로 한다.

Description

밸런서 조립장치 및 조립방법{Balancer Assembly Device And Method}

본 발명은 밸런서 조립장치 및 조립방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 밸런서의 샤프트에 장착되는 밸런서 하우징, 기어, 매스부 간의 간극을 보다 용이하고 정밀하게 조절할 수 있는 밸런서 조립장치 및 조립방법에 관한 것이다.

통상, 자동차 엔진은 크랭크 샤프트의 회전 관성에 의해 발생되는 엔진의 진동 및 소음을 감소시키기 위해 임밸런스 매스부를 설치하여 크랭크 샤프트의 밸런스를 유지하도록 하지만, 이러한 임밸런스 매스부 만으로는 그 진동을 상쇄시킬 수 없는 경우가 있어 2차적인 밸런스 기구, 즉 밸런서를 채택하는 경우가 많다.

이러한 밸런서는 대한민국 공개특허 10-1998-21726호에 개시된 바와 같이 엔진 블록의 내부 하측에 설치되며, 도 1과 같이 상부 하우징(10) 및 하부 하우징(20)으로 이루어진 밸런서 하우징(이하, '하우징'이라 함.)을 구비하고 매스부(30)와 기어(40)가 연결된 샤프트(50)가 상하부 하우징(10,20) 내에 설치된다. 상기 샤프트 중 하나가 하우징 외부로 돌출되며 그 단부에 도 2와 같이 피동기어(55)가 설치되고, 이러한 피동기어(55)는 크랭크 샤프트(60)에 설치된 구동기어(65)에 의해 동력을 전달받게 된다. 밸런서의 샤프트(50)는 크랭크 샤프트(60)의 회전속도보다 2배 빠르게 회전한다.

밸런서는 도 1과 같이 상하부 하우징으로 구분되어 하우징이 형성된 경우도 있지만, 도 2와 같이 엔진 블록에 부착되는 일체형 하우징으로 하우징이 형성될 수도 있는데, 본 설명에서의 하우징은 도 1,2 에 도시된 형태 뿐만 아니라 매스부와 기어가 샤프트에 장착되어 설치되는 하우징이면 모두 포함될 수 있다.

도 1과 같은 종래의 밸런서는 상하부 하우징으로 하우징이 나뉘어져 있어 이를 일체화하기 위한 부품이 많이 필요하고, 제작비가 상승하는 문제점이 있다. 또한 매스부(30)와 샤프트(50)를 주조에 의해 일체로 제작한 후 기어(40)를 압입하는 형태로 제작되기 때문에 정밀한 간극 및 위치 조절이 힘든 문제점이 있다. 매스부(30)를 압입하는 경우에도 이와 같은 문제가 발생한다. 상기와 같이 샤프트(50)에 기어(40)나 매스부(30)를 압입하는 조립방법을 슬라이드 핏(Slide Fit)이라 한다.

도 2,3과 같이 하우징(15)을 일체형으로 제작하여 매스부(30), 기어(40)를 거치한 후, 샤프트(50)를 끼우는 형태로 조립되는 경우에는 부품의 갯수도 감소하며 생산 비용도 낮아지는 장점이 있다.

이와 같은 종래의 조립방법(도 3 참조)은 다음과 같다.

먼저 하우징(15), 매스부(30), 기어(40)를 지그(60)의 대응 위치에 각각 거치하고, 액체 질소 등에 의해 냉각된 샤프트(50)의 일단을 파지기구(52)에 의해 파지한 후 수동 또는 실린더와 같은 직선운동기구 또는 로봇 아암에 의해 이루어지는 자동작업에 의해 샤프트(50)가 하우징(15), 기어(40), 매스부(30)의 각 통공을 통과하도록 삽입한다. 샤프트(50)를 액체 질소로 냉각시켜 그 직경을 축소시킬 수도 있고, 필요에 따라서는 샤프트(50)가 끼워지는 하우징(15)/매스부(30)/기어(40)도 가열하여 중심부 통공(16, 32, 42)의 직경을 확장시키기도 한다.

이후, 샤프트(50)의 온도가 상온에 달하는 과정에서 샤프트(50)는 열 팽창하게 되며, 이에 따라 샤프트(50)는 기어(40)과 매스부(30)의 통공에 고정되게 된다. 하우징(15)과 샤프트(50)는 하우징(15)에 마련된 베어링(도시하지 않음) 등을 통해 고정되게 됨은 물론이다. 상기와 같이 열팽창을 이용한 조립방법을 쉬링크 핏(Shrink Fit)이라 한다.

쉬링크 핏의 경우(도 3 참조), 기어(40)와 하우징(15)의 간극(도 3의 G1부분), 매스부(30)와 하우징(15)의 간극(도 3의 G2부분)을 조절하기 위해 샤프트(50)의 직경에 적절한 단차(51)를 가공하여 기어(40)와 매스부(30)의 위치를 지그(60)과 협동하여 결정하게 되는데, 이와 같은 조립과정에서 하우징(15), 기어(40), 매스부(30), 지그(60) 자체가 가지고 있는 가공 공차 및 상기 부품들이 서로 결합될 때 생기는 조립 공차에 의해 각 부품간의 간극(G1, G2)이 정밀하게 조절되기 힘들고, 샤프트의 축 방향 진동에 따른 소음 문제 등을 발생시키게 된다.

따라서, 하우징(15)과 기어(40), 하우징(15)과 매스부(30) 사이의 간극(G1, G2)을 정밀하게 조절할 수 있는 새로운 밸런서 조립장치 및 조립방법이 필요하다.

또한, 기어나 매스부의 조립을 위해 샤프트에 가공된 단차 등은 크랭크 샤프트의 회전속도보다 2배 빨리 회전하는 밸런서 샤프트의 내구 강도에 악영향을 미치게 되므로 단차없이도 기어나 매스부의 위치를 정밀하게 조절하여 조립할 수 있는 조립방법이 요구된다.

KR 10-1998-21726 A, 1998.6.25., 도면 1 KR 10-1455137 B, 2014.10.27., 도면 1

본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하는 한편, 밸런서의 하우징과 기어/매스부 간의 간격을 정밀하게 설정함에 따라 밸런서의 축 방향 진동에 의한 소음을 대폭 감소시킬 수 있도록 하며, 균일한 품질을 보장할 수 있고, 샤프트의 내구 수명이 대폭 향상된 밸런서를 생산할 수 있으며, 샤프트의 단차 없이도 밸런서의 하우징과 기어/매스부 간의 간격을 보다 용이하고도 정밀하게 설정할 수 있는 밸런서 조립장치 및 조립방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

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본 발명의 밸런서 조립장치는,
기어를 거치하는 제 1 지그, 하우징을 거치하는 제 2 지그, 매스부를 거치하는 제 3 지그로 이루어지며,
샤프트가 끼워질 기어, 매스부, 하우징의 각 통공의 중심이 일렬로 정렬되도록 마련된 지그와;

지그에 거치된 기어 및 매스부가 하우징과 각각 접촉되도록 하기 위해,
상기 제 1 지그 또는 제 3 지그가 제 3 지그 또는 제 1 지그를 향해 샤프트의 축선 방향과 나란하게 이동되도록,
또는 제 1 지그 및 제 3 지그가 샤프트의 축선 방향과 나란하게 이동하여 서로 가까워지도록 하는 가압부와;

상기 각 통공으로 샤프트를 삽입하기 위한 샤프트 삽입부와;

하우징, 기어, 매스부를 지그로 이송하며 샤프트를 샤프트 삽입부로 이송하는 이송부로 이루어지며,

상기 가압부는,
냉각된 샤프트가 삽입되기 전에 상기 지그를 이동시켜 지그 상에 거치된 기어 및 매스부가 하우징과 서로 접촉되도록 가압하고,

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냉각된 샤프트의 삽입이 완료된 후 샤프트의 길이 팽창에 맞춰 제 1,3 지그가 샤프트의 축선 방향으로 이동할 수 있도록 가압을 해제하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 밸런서 조립방법은,
기어, 매스부 및 하우징이 각각 거치되도록 분리되어 구비되며, 샤프트가 끼워질 기어, 매스부, 하우징의 각 통공의 중심이 일직선 상으로 정렬되는 지그와,
하우징이 기어 및 매스부와 각각 접촉되도록 지그를 샤프트의 축방향과 나란하게 이동시킬 수 있는 가압부를 구비하는 단계와;

상기 지그에 거치하기 직전, 샤프트를 냉각하는 단계와;

상기 지그에 기어, 매스부, 하우징을 거치하는 단계와;

상기 가압부에 의해 기어와 하우징과 매스부가 서로 접촉되도록 지그를 이동시킨 후, 샤프트 삽입부에 의해 샤프트를 기어와 하우징과 매스부의 각 통공으로 삽입하는 단계와;

상기 지그에 대한 가압부의 가압력을 해제하여 샤프트의 열팽창에 따라 지그가 샤프트의 축방향과 나란하게 이동되는 것을 허용하는 단계로; 이루어진 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 밸런서 조립장치 및 조립방법에 의하면, 밸런서의 하우징과 기어/매스부 간의 간격을 보다 용이하고도 정밀하게 그리고 반복 가능하게 설정할 수 있으며, 부품의 설계 및 제조가 간단해지는 효과가 있다.

본 발명 조립장치 및 조립방법에 의해 생산된 밸런서는 소음이 적고, 균일한 품질이 보장되며, 내구수명이 향상되는 효과가 있다.

도 1,2는 종래의 밸런서 구조를 나타낸 도.
도 3은 종래의 밸런서의 조립형태를 나타낸 도.
도 4는 본 발명 일 실시예 밸런서 조립장치를 나타낸 도.
도 5는 본 발명 다른 실시예 밸런서 조립장치를 나타낸 도.
도 6은 본 발명 일 실시예 밸런서의 조립방법을 나타낸 도.
도 7은 본 발명에 의해 제조된 밸런서의 형태를 나타낸 도.

이하, 본 발명을 그 실시예에 따라 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명 일 실시예 밸런서 조립장치를 도시한 것이다.

밸런서 조립장치는 크게 지그(60), 샤프트 삽입부(80), 이송부(도시하지 않음)로 구분될 수 있다.

지그(60) 상에 기어(40), 매스부(30), 하우징(15)이 거치되게 되면 샤프트(50)가 끼워질 기어(40), 매스부(30), 하우징(15)의 각 통공의 중심이 일직선 상에 정렬되도록 지그(60)가 이루어져 있다.

지그(60)는 기어(40)를 거치하는 제 1 지그(610), 하우징(15)을 거치하는 제 2 지그(620), 매스부(30)를 거치하는 제 3 지그(630)를 포함하여 이루어진다.

제 1,2,3 지그(610,620,630)는 하우징(15)에 기어(40) 및 매스부(30)를 밀착시키기 위해 이후 설명하는 방식대로 이동될 수 있는데, 이러한 이동에 있어 각 지그 간에 서로 간섭을 일으키지 않도록 함은 당연하다 할 것이다.

제 1 지그(610)는 기어(40)를 거치하는 바닥부(611), 하우징(15)과 맞닿는 기어(40)의 면을 지지하는 제 1-1 지지부(612), 제 1-1 지지부(612)의 맞은 편에 배치된 제 1-2 지지부(613)로 이루어져 있다. 제 1-1 지지부(612)는 제 1 지그(610) 상에 기어(40)를 보다 확실히 고정하게 하기 위한 것이므로 필요에 따라 제거하여도 무방하다.

제 2 지그(620)는 하우징(15)을 거치하는 것이며, 제 3 지그(630)는 매스부(30)를 거치하는 것이다.

본 발명의 지그(60)는 제 1 지그(610)와 제 3 지그(630)를 연결하는 가압부(640)를 구비하고 있는데, 가압부는 제 1 내지 3 지그 중 하나를 고정시키고, 고정되지 않은 두 지그 중 하나 이상을 이동시켜 하우징(15)에 기어(40)와 매스부(30)를 각각 접촉시키게 된다. 가압부(640)는 실린더와 같은 직선운동 기구에 의해 이루어진다. 각 지그의 이동은 레일이나 가이드 홈 등에 의해 가이드 되어야 함은 물론이다.

고정되는 지그가 제 1 지그(610)라면 제 1-2 지지부(613)가 기어(40)를 고정 지지하고, 제 3 지그(630)가 제 1 지그(610) 방향으로 이동하며, 제 3 지그(630)에 형성된 돌기부(631)와 매스부(30)에 형성된 함몰부(31, 도 6 참조)가 서로 결합하고 있으므로, 매스부(30)도 기어(40) 측으로 이동하게 되고, 매스부(30)와 기어(40)는 하우징(15)과 서로 접촉하게 된다. 하우징(15)은 제 2 지그(620)와 함께 이동될 수도 있고, 제 2 지그(620)상에서 슬라이딩 되는 형태로 이동될 수도 있다.

고정되는 지그가 제 3 지그(630)라면, 제 3 지그(630)에 형성된 돌기부(631)와 매스부(30)에 형성된 함몰부(31)가 서로 결합하여 매스부(30)의 위치도 고정이 되고, 제 1 지그(610)의 제 1-2 지지부(613)가 기어(40)를 지지하며 기어(40)와 제 1 지그(610)가 제 3 지그(630) 방향으로 이동하게 되며, 매스부(30)와 기어(40) 사이에 위치한 하우징(15) 부분과 서로 접촉하게 된다. 하우징(15)은 제 2 지그(620)와 함께 이동될 수도 있고, 제 2 지그(620) 상에서 슬라이딩 되는 형태로 이동될 수도 있다.

고정되는 지그가 제 2 지그(620)라면, 제 2 지그(620) 상에 거치된 하우징(15)의 고정여부에 관계 없이, 제 1 지그(610)와 제 3 지그(630)가 상기 설명한 바와 같이 기어(40)와 매스부(30)를 서로 근접되도록 이동시키면, 기어(40)와 매스부(30)는 그 사이에 배치되는 하우징(15)과 각각 접촉을 이룰 수 있게 되는 것이다.

샤프트 삽입부(80)는 거치대(81)와 실린더(82)로 구분할 수 있는데, 거치대(81)는 샤프트가 적재된 트레이 등으로부터 이송부에 의해 공급된 샤프트를 거치하며 하우징(15)/매스부(30)/기어(40)의 통공으로 샤프트를 삽입하기 위해 샤프트의 중심이 통공의 중심과 일치시킬 수 있는 위치에 마련된다. 실린더(82)는 상기 거치대(81)에 거치된 샤프트를 이동시키기 위한 것이다. 샤프트 삽입부는 도 3과 같이 로봇 아암과 같은 파지기구에 의해 샤프트를 픽업하여 삽입하도록 하는 등 다양한 방법으로 구현될 수 있으며, 로봇 아암의 경우에도 픽업단계에서는 이송부의 역할을, 삽입단계에서는 샤프트 삽입부의 역할을 하게 되므로 로봇 아암이 구비된 경우도 이송부와 샤프트 삽입부를 구비한 것으로 보아야 한다.

이송부는 하우징(15), 기어(40), 매스부(30) 및 샤프트(50)를 각각의 트레이 등으로부터 지그(60)나 샤프트 삽입부(80)로 공급하기 위한 것으로 공지의 알려진 다양한 형태의 이송수단이 사용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예 밸런서 조립장치를 도시한 것으로, 제 2 지그(620)의 위치가 변경되고, 제 1 지그(610)의 제 1-1 지지부(612)를 삭제한 점에서 차이가 있다. 앞서 설명한 바와 같이 제 1-1 지지부(612)의 유무는 설계자가 필요에 따라 선택할 수 있는 것이고, 하우징(15)을 거치하는 제 2 지그(620)의 위치는 하우징(15)의 형상 등에 따라 여러 위치로 변경될 수 있음은 당연하다 할 것이다.

본 발명의 일 실시예 밸런서 조립방법은 다음과 같다.(도 6 참조)

이송부(도시하지 않음)를 사용하여 기어(40), 매스부(30), 하우징(15)을 도 5의 지그(60)에, 샤프트(50)를 샤프트 삽입부(80)의 거치대(81)에 거치한다. 기어(40)는 제 1 지그(610)에 거치되며, 매스부(30)는 제 3 지그(630)에 거치되며, 하우징(15)은 제 2 지그(620)에 거치된다.(도 6(a) 참조)

본 실시예에서의 가압부(640)는 고정된 제 3 지그(630)측에 구비된 구동장치에 의해 작동되는 작동봉에 의해 제 1 지그(610)를 제 3 지그(630) 측으로 이동시키는 작용을 하게 된다.

이에 따라 제 1 지그(610)에 거치된 기어(40)가 하우징(15)과 접촉하게 되고, 가압부의 작동에 의해 제 1 지그(610)의 이동이 계속되면 제 2 지그(620) 상의 하우징(15)이 슬라이딩 되거나, 제 2 지그(620) 자체가 이동되어 하우징(15)은 매스부(30)와도 접촉하게 된다. 이후, 냉각된 샤프트(50)가 기어(40)/하우징(15)/매스부(30)의 통공으로 삽입되게 된다.(도 6(b) 참조)

샤프트를 먼저 삽입한 후 지그를 가압하도록 설정하거나 삽입과 가압이 거의 동시에 이루어 질 수도 있도록 하는 것은 설계자가 필요에 따라 선택할 수 있는 사항이다.

이후, 가압부(640)는 기어(40)/하우징(15)/매스부(30)가 서로 접촉되도록 가압하던 가압력을 해제하는 한편, 가압부에 의해 더이상 지그의 이동을 구속하지 않는다.(도 6(c) 참조)

-196 ℃의 액체 질소에 담겨져 냉각되었던 샤프트는 -160 ℃ 정도의 온도에서 삽입되어 상온인 20 ℃로 온도가 상승하면서 열팽창이 일어나게 되며, 기어/매스부는 샤프트에 각각 밀착 고정된다.

통상 샤프트의 재질인 강철은 그 열팽창 계수가 11.8 ㎛·m^-1· K^{- 1} 이고, 기어(40)와 매스부(30) 사이의 하우징(15) 폭이 37 mm인 경우, 약 79 ㎛의 이격이 발생하여 기어(40) 및 매스부(30)가 하우징(15)과 각각 이격되는 간극이 약 39 ㎛를 이루게 된다. 이와 같은 간극을 가진 밸런서는 일반적인 운전 상태인 90 ℃에 달하였을 때, 열팽창계수가 23.1 ㎛·m^-1· K^-1인 알루미늄 재질의 하우징(15)도 샤프트(50)와 함께 열 팽창하게 되며, 상온과의 온도 차이에 의해 발생하는 양 재질의 팽창 정도의 차이는 약 30 ㎛가 되며 결과적으로 기어(40) 및 매스부(30)가 하우징(15)과 각각 이격되는 간극(G1, G2)가 약 24 ㎛로 줄어들게 된다. 본 출원인이 경험적으로 파악하고 있는 윤활 및 소음 관련 하우징 및 기어/매스부 간의 이상적인 간극인 20 ㎛에 근접하게 된다.

상기 조립장치 및 조립 방법에 따라, 본 발명의 밸런서의 샤프트는 조립시 기어나 매스부의 위치를 결정하기 위한 단차가 필요치 않아, 단차를 가공하기 위한 공정 등을 줄일 수 있고 생산 비용을 절약할 수 있을 뿐만 아니라, 내구성을 향상시킬 수 있게 된다. 또한 정밀한 간극 조절이 가능하여 밸런서의 축방향 진동에 따른 소음을 대폭적으로 감소시킬 수 있게 된다.

15 : 하우징 30 : 매스부 40 : 기어 50 : 샤프트 51 : 단차
60 : 지그 80 : 샤프트 삽입부 81 : 거치대 82 : 실린더
610 : 제 1 지그 611 : 바닥부 612 : 제 1-1 지지부
613 : 제 1-2 지지부 620 : 제 2 지그 630 : 제 3 지그 631 : 돌기부
640 : 가압부

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 기어를 거치하는 제 1 지그, 하우징을 거치하는 제 2 지그, 매스부를 거치하는 제 3 지그로 이루어지며,
   샤프트가 끼워질 기어, 매스부, 하우징의 각 통공의 중심이 일렬로 정렬되도록 마련된 지그와;
   
   지그에 거치된 기어 및 매스부가 하우징과 각각 접촉되도록 하기 위해,
   상기 제 1 지그 또는 제 3 지그가 제 3 지그 또는 제 1 지그를 향해 샤프트의 축선 방향과 나란하게 이동되도록,
   또는 제 1 지그 및 제 3 지그가 샤프트의 축선 방향과 나란하게 이동하여 서로 가까워지도록 하는 가압부와;
   
   상기 각 통공으로 샤프트를 삽입하기 위한 샤프트 삽입부와;
   
   하우징, 기어, 매스부를 지그로 이송하며 샤프트를 샤프트 삽입부로 이송하는 이송부로 이루어지며,
   
   상기 가압부는,
   냉각된 샤프트가 삽입되기 전에 상기 지그를 이동시켜 지그 상에 거치된 기어 및 매스부가 하우징과 서로 접촉되도록 가압하고,
   냉각된 샤프트의 삽입이 완료된 후 샤프트의 길이 팽창에 맞춰 제 1,3 지그가 샤프트의 축선 방향으로 이동할 수 있도록 가압을 해제하는 것을 특징으로 하는 밸런서 조립장치.
   
4. 기어, 매스부 및 하우징이 각각 거치되도록 분리되어 구비되며, 샤프트가 끼워질 기어, 매스부, 하우징의 각 통공의 중심이 일직선 상으로 정렬되는 지그와,
   하우징이 기어 및 매스부와 각각 접촉되도록 지그를 샤프트의 축방향과 나란하게 이동시킬 수 있는 가압부를 구비하는 단계와;
   
   상기 지그에 거치하기 직전, 샤프트를 냉각하는 단계와;
   
   상기 지그에 기어, 매스부, 하우징을 거치하는 단계와;
   
   상기 가압부에 의해 기어와 하우징과 매스부가 서로 접촉되도록 지그를 이동시킨 후, 샤프트 삽입부에 의해 샤프트를 기어와 하우징과 매스부의 각 통공으로 삽입하는 단계와;
   
   상기 지그에 대한 가압부의 가압력을 해제하여 샤프트의 열팽창에 따라 지그가 샤프트의 축방향과 나란하게 이동되는 것을 허용하는 단계로; 이루어진 것을 특징으로 하는 밸런서 조립방법.

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