KR19990030671A - 내연기관용 크랭크 축의 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연기관에 적용되어 피스톤의 직선왕복운동을 회전운동으로 바꾸어 외부로 전동시키는 기능을 하는 크랭크축의 구성에 관한 것으로 특히 주축과 크랭크핀을 연결시켜주는 크랭크 아암을 소정각도로 절곡되게 형성시킴으로써 연소실의 폭발행정시 발생되는 순간적인 팽창압력이 피스톤과 커넥팅로드를 통해 크랭크 아암이 미세하게 구부려질 수 있도록 함과 동시에 크랭크 아암의 수축된 폭만큼 순간적으로 주축이 강제 회전되도록 한 것으로,

크랭크축을 회전시키기 위한 피스톤이 하강이 발생되기 이전에 크랭크아암의 수축과 주축의 일정각도 회전을 통해 연소실의 내압의 일부를 미리 회전운동으로 변환시켜 줌으로써 동일한 힘으로 크랭크축의 회전력을 증대시킬 수 있게 되므로 열효율이 향상될 수 있는 것이며,

또한 크랭크 아암의 수축작용에 의해 크랭크축에 가해지는 충격을 흡수,완화토록 하므로써 크랭크축과 커넥팅로드 등의 작동구조의 손상 변형이 방지되어 수명의 연장을 기할 수 있음은 물론 내연기관의 작동시 진동이나 소음을 감소시킴과 아울러 연소시기에 이상이 초래되어 주축과 크랭크핀이 수직으로 일치하는 시점에서 폭발이 발생되더라도 크랭크 아암의 수축된 폭만큼 순간적으로 주축이 강제 회전되면서 연소실내의 압력이 회전운동으로 방출되도록 함으로써 실린더의 과열과 노킹이 근본적으로 방지될 수 있는 것이며,

이로인해 실린더, 크랭크축, 커넥팅로드 등의 작동구조에 요구되는 강성의 규격이 떨어질 수 있는 것이므로 부피를 크게 저감시킬 수 있어 내연기관의 경량화가 가능하여 열효율의 증대와 생상원가의 절감을 기할 수 있도록 한 것이다.

Description

내연기관용 크랭크 축의 구조.

본 발명은 내연기관에 적용되어 피스톤의 직선왕복운동을 회전운동으로 바꾸어 외부로 전동시키는 기능을 하는 크랭크축의 구성에 관한 것으로 특히 주축과 크랭크핀을 연결시켜주는 크랭크 아암을 소정각도로 절곡되게 형성시킴으로써 연소실의 폭발행정시 발생되는 순간적인 팽창압력이 피스톤이 하강이 발생되기 이전에 피스톤과 커넥팅로드를 통해 크랭크 아암이 미세하게 구부려질 수 있도록 함과 동시에 크랭크 아암의 수축된 폭만큼 순간적으로 주축이 미리 강제 회전되도록 한 것으로,

크랭크축을 회전시키기 위한 피스톤이 하강이 발생되기 이전에 크랭크아암의 수축과 주축의 일정각도 회전을 통해 연소실의 내압의 일부를 미리 회전운동으로 변환시켜 줌으로써 동일한 힘으로 크랭크축의 회전력을 상대적으로 증대시킬 수 있게 되므로 열효율이 향상될 수 있는 것이며,

또한 크랭크 아암의 수축작용에 의해 크랭크축에 가해지는 충격을 흡수,완화토록 하므로써 크랭크축과 커넥팅로드 등의 작동구조의 손상 변형이 방지되어 수명의 연장을 기할 수 있음은 물론 내연기관의 작동시 진동이나 소음을 감소시킴과 아울러 연소시기에 이상이 초래되어 주축과 크랭크핀이 수직으로 일치하는 시점에서 폭발이 발생되더라도 크랭크 아암의 수축된 폭만큼 순간적으로 주축이 강제 회전되면서 연소실내의 압력이 회전운동으로 방출되도록 함으로써 실린더의 과열과 노킹이 근본적으로 방지될 수 있는 것이며,

이로인해 실린더, 크랭크축, 커넥팅로드 등의 작동구조에 요구되는 강성의 규격이 떨어질 수 있는 것이므로 부피를 크게 저감시킬 수 있어 내연기관의 경량화가 가능하여 열효율의 증대와 생상원가의 절감을 기할 수 있도록 한 것이다.

통상적으로 크랭크 축은 각 실린더의 폭발행정에서 받는 피스톤의 힘을 회전운동으로 바꾸어 엔진의 회전력으로 외부에 전달하고 흡입,압축,배기행정에서는 피스톤에 운동을 전달하는 기능을 하는 것으로 크랭크 축은 큰 하중을 받으면서 고속회전을 하기 때문에 강도나 강성이 충분하고 내마멸성이 크게 요구되는 것으로 보통 고탄소강이나 크롬-몰리브덴강, 니켈-크롬강이 주로 사용되고 있다.

이와같은 크랭크 축(CS)의 종래의 구성은 도 1에서와 같이 메인베어링에 지지되는 주축(1)과, 피스톤(4)의 커넥팅 로드(5)가 연결되는 크랭크 핀(2)과, 주축(1)과 크랭크 핀(2)을 연결시켜 주기위한 크랭크 아암(3)등으로 구성되는 것이나,

이는 크랭크 핀(2)과 크랭크 아암(3) 및 주축(1)의 중심이 일직선상태로 일치하는 상태로 구성되는 것이어서 피스톤(4)의 폭발행정시 피스톤(4)의 하강력이 커넥팅로드(5)를 통해 그대로 크랭크 아암(3)과 주축(1)에 전달되는 것으로 순간적으로 강력한 비틀림 모멘트와 휨 모멘트가 가해지게 된다.

이를 감안하여 크랭크 아암(3)과 주축(1)의 변형억제를 위하여 고도의 강성과 강도, 내마모성을 강화함과 동시에 직경이나 두께를 확대시키고 있는 것이나 이러한 구조외적인 요소의 보완에 의해 소재의 특수성이 요구되고 고도의 열처리과정을 거쳐야 하는 것이므로 제조에 시간과 인력, 비용의 소모가 매우 크게 되는 것이며, 또한 크랭크축의 크기와 중량이 증가되어 에너지 효율의 저하 등을 초래하게 되는 것이다.

상기와 같이 보완함에도 불구하고 상기의 비틀림 모멘트와 휨 모멘트가 매우 빠르고 반복적으로 부여되는 것이어서 시간경과에 따라서 서서히 변형을 초래하여 연료 압축비의 변동을 초래되어 내연기관의 작동효율을 크게 저하시키게 됨과 동시에 크랭크 축의 수명이 조기단축되는 폐단이 있는 것이다.

한편 피스톤(4)의 상승에 의해 압축된 연료와 공기를 점화 플러그를 통해 전기 스파크를 가하여 폭발시킬 때에는 피스톤(4)의 직선 운동이 크랭크 축(CS)의 회전운동으로 원활하게 전환될 수 있도록 크랭크 핀(2)이 주축(1)과 수직으로 일치하지 않고 약간 회전방향으로 벗어나 있는 상태 즉 상사점을 약간 지나친 위치에서 점화, 폭발되도록 제어하고 있는 것이나,

이러한 점화제어 시스템에 이상이 발생하여 크랭크 핀(2)이 주축(1)과 수직으로 일치하는 상태 즉 상사점에서 폭발되면 피스톤(4)의 직선 운동력이 주축(1)의 중심에 일직선으로 가해지게 되는 것으로 막대한 직선 운동력이 회전운동력으로 전환되지 못하고 그대로 크랭크 핀(2)과 크랭크 아암(3) 및 주축(1), 커넥팅 로드(5), 피스톤(4)에 타격을 가하게 되는 것으로 큰 소음과 구조적 손상을 야기시키게 되는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로,

주축과 크랭크핀을 연결시켜주는 크랭크 아암을 소정각도로 절곡되게 형성시킴으로써 연소실의 폭발행정시 발생되는 순간적인 팽창압력이 피스톤과 커넥팅로드를 통해 크랭크 아암이 미세하게 구부려질 수 있도록 함과 동시에 크랭크 아암의 수축된 폭만큼 순간적으로 주축이 강제 회전되도록 하여 크랭크축을 회전시키기 위한 피스톤이 하강이 발생되기 이전에 크랭크아암의 수축과 주축의 일정각도 회전을 통해 연소실의 내압의 일부를 미리 회전운동으로 변환시켜 줌으로써 동일한 힘으로 크랭크축의 회전력을 증대시킬 수 있게 되므로 열효율이 향상될 수 있으며, 또한 크랭크 아암의 수축작용에 의해 크랭크축에 가해지는 충격을 흡수,완화토록 하므로써 크랭크축과 커넥팅로드 등의 작동구조의 손상 변형이 방지되어 수명의 연장을 기할 수 있음은 물론 내연기관의 작동시 진동이나 소음을 감소시킴과 아울러 연소시기에 이상이 초래되어 주축과 크랭크핀이 수직으로 일치하는 시점에서 폭발이 발생되더라도 크랭크 아암의 수축된 폭만큼 순간적으로 주축이 강제 회전되면서 연소실내의 압력이 회전운동으로 방출되도록 함으로써 실린더의 과열과 노킹이 근본적으로 방지될 수 있는 것으로써 실린더, 크랭크축, 커넥팅로드 등의 작동구조에 요구되는 강성의 규격이 떨어질 수 있는 것이므로 부피를 크게 저감시킬 수 있어 내연기관의 경량화가 가능하여 열효율의 증대와 생상원가의 절감을 기할 수 있도록 함을 목적으로 하는 것이다.

도 1 은 기존 크랭크 축의 구성을 보이는 사시도.

도 2 는 도 1의 A-A선 단면도.

도 3은 본 발명의 구성을 보이는 사시도.

도 4는 본 발명의 작동을 보이는 도 3의 B-B선 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

CS: 크랭크 축 1: 주축

2:크랭크 핀 3:크랭크 아암

4:피스톤 5:커넥팅 로드

6: 실린더 10:절곡부

이하 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

메인베어링에 지지되는 주축(1)과, 피스톤(4)의 커넥팅 로드(5)가 연결되는 크랭크 핀(2)과, 주축(1)과 크랭크 핀(2)을 연결시켜 주기위한 크랭크 아암(3)을 구비하는 공지의 구조에 있어서;

상기 크랭크 아암(3)의 길이방향의 중간에 소정각도만큼 일측으로 절곡되는 절곡부(10)를 형성시킴을 특징으로 하는 것이다.

*도면중 미설명 부호 *

(20)는 연소실이고, (21)는 실린더를 보이는 것이다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

연소실(20)의 폭발행정시 순간적인 팽창압력이 발생되고 이 압력은 크랭크축(CS)을 회전시키기 위한 피스톤이 하강되기 이전에 순간적으로 피스톤(4)에 강력한 하향 압력을 발생시키고 이 압력은 커넥팅 로드(5)를 통해 일차적으로 크랭크 핀(2)과 크랭크 아암(3)에 순간적으로 전달되는 것인 바 크랭크 아암(3)은 이 압력에 의해서 절곡부(10)의 중심을 기점으로 도 4에서의 가상선과 같이 순간적으로 수축되는 것이며 이와 같은 수축작용에 의하여 크랭크 아암(3)의 수축된 폭(X)만큼 순간적으로 피스톤이 하강되기 이전에 주축(1)이 화살표 방향으로 강제 회전시켜 주게 되는 것이다.

따라서 크랭크축(CS)을 회전시키기 위한 피스톤(4)의 하강이 발생되기 이전에 크랭크 아암(3)의 수축과 주축(1)의 일정각도 회전을 통해 연소실(20)의 내압의 일부를 미리 크랭크 축(CS)의 회전운동으로 변환시켜 줄 수 있어 동일한 힘으로 크랭크축의 회전력을 증대시킬 수 있게 되며,

크랭크 아암(3)의 수축작용에 의해 피스톤(4), 커넥팅 로드(5) 및 크랭크 축(CS)등에 가해지는 충격을 흡수,완화하게 되어 상기의 작동구조가 받는 충격을 크게 감소시킬 수 있게 되므로 손상 변형이 방지되어 수명의 연장을 기할 수 있음은 물론 이 작동구조에 요구되는 강성의 규격이 떨어질 수 있는 것이므로 크기나 중량, 보유강성,강도를 저감시킬 수 있어 내연기관의 경량화가 가능하게 되는 것이며,

또한 이로인해 내연기관의 작동시 진동이나 소음을 감소시킴과 아울러 연소시기에 이상이 초래되어 주축(1)과 크랭크 핀(2)이 수직으로 일치하는 비정상 시점에서 폭발행정이 발생되더라도 크랭크 아암(3)의 수축되는 폭(X)만큼 순간적으로 주축(1)이 강제 회전되면서 연소실(20)내의 압력이 회전운동으로 방출되도록 유도함으로써 실린더(21)의 과열과 노킹이 방지될 수 있는 것이다.

이상과 같은 본 발명은 연소실의 폭발행정시 발생되는 순간적인 팽창압력이 피스톤이 하강이 발생되기 이전에 피스톤과 커넥팅로드를 통해 크랭크 아암이 미세하게 구부려질 수 있도록 함과 동시에 크랭크 아암의 수축된 폭만큼 순간적으로 주축이 미리 강제 회전되도록 하여 피스톤이 하강이 발생되기 이전에 연소실의 내압의 일부를 미리 회전운동으로 변환시켜 줌으로써 동일한 힘으로 크랭크축의 회전력을 상대적으로 증대시킬 수 있게 되므로 열효율이 향상될 수 있는 것이며,

또한 크랭크 아암의 수축작용에 의해 크랭크축에 가해지는 충격을 흡수,완화토록 하여 크랭크 축과 커넥팅 로드 등의 작동구조의 손상 변형이 방지되어 수명의 연장을 기할 수 있음은 물론 내연기관의 작동시 진동이나 소음을 감소시킴과 아울러 연소시기에 이상이 초래되어 주축과 크랭크핀이 수직으로 일치하는 시점에서 폭발이 발생되더라도 크랭크 아암의 수축된 폭만큼 순간적으로 주축이 강제 회전되면서 연소실내의 압력이 회전운동으로 방출되도록 유도함으로써 실린더의 과열과 노킹이 근본적으로 방지될 수 있는 것이며,

이로인해 실린더, 크랭크축, 커넥팅로드 등의 작동구조에 요구되는 강성의 규격이 떨어질 수 있는 것이므로 부피를 크게 저감시킬 수 있어 내연기관의 경량화가 가능하여 열효율의 증대와 생상원가의 절감을 기할 수 있어 품질의 고급화와 제품의 신뢰도를 극대화할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 메인 베어링에 지지되는 주축(1)과, 피스톤(4)의 커넥팅 로드(5)가 연결되는 크랭크 핀(2)과, 주축(1)과 크랭크 핀(2)을 연결시켜 주기위한 크랭크 아암(3)을 구비하는 공지의 구조에 있어서;

   상기 크랭크 아암(3)의 길이방향의 중간에 소정각도만큼 일측으로 절곡되는 절곡부(10)를 형성시킴을 특징으로 하는 내연기관용 크랭크 축의 구조.