KR20000018818A - 1/2 감속용 연결 기어의 위상 조절을 이용한 vvt 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 내연 기관에 사용되는 ＶＶＴ장치에 관한 것으로서, 특히 캠 기어와 길이가 조절되는 연결봉을 적용하여 캠 축과 크랭크 축을 매개하는 1/2 감속용 연결 기어의 위상을 조절함으로써 밸브의 개폐시기를 연속적으로 변화시키는 1/2 감속용 연결 기어의 위상 조절을 이용한 ＶＶＴ 장치에 관한 것이다. 크랭크 샤프트(1)에 조립하여 회전력을 전달하는 크랭크 기어(2)와, 캠 샤프트(8)에 조립하여 크랭크로부터의 구동력을 캠샤프트(8)로 전달하는 캠 기어(3)와, 상부(캠측)와 하부(크랭크축) 부품으로 구성되어 두 부품이 상하 슬라이드 움직임이 가능하도록 되어 있고 양 부품의 끝단에 캠 기어가 있어 회전력을 전달하는 연결봉(6)과, 캠샤프트 중심선을 기준으로 회전 가능하게 베어링으로 지지되어 캠 연결 기어와 회전대2(5)를 지지/장착하는 회전대1(4)과, 연결봉(6)을 지지하기 위한 기구로 회전대1(4)과 연결봉축에 베어링으로 연결되어 회전대1의 중심을 기준으로 하여 회전이 가능한 회전대2(5)와, 회전대1에 장착되어 연결봉의 회전력을 캠기어(3)를 통해 받아 크랭크기어(7)를 통하여 캠기어측으로 전달하는 캠연결기어(3)와, 회전대1(4)의 회전각이 밸브 개폐 시기 변동각으로 나타남으로 회전대1의 회전각을 조절해주는 장치로서 일반적인 유압식 솔레노이드 밸브가 ECU의 신호를 받아 유압을 온/오프(on/off) 단속하여 작동되는 제어장치(control unit)(8)를 포함하여 구성된다. 이와 같이 구성되는 본 발명에 의하면 캠기어와 길이가 조절되는 연결봉을 적용하여 캠 축과 크랭크 축을 매개하는 1/2 감속용 연결 기어의 위상 조절을 함으로써 밸브의 개폐

시기를 연속적으로 변화시킬 수 있다.

Description

1/2 감속용 연결 기어의 위상 조절을 이용한 ＶＶＴ 장치

본 발명은 차량의 내연 기관에 사용되는 VVT(Variable Valve Timing)장치에 관한 것으로서, 특히 캠 기어와 길이가 조절되는 연결봉을 적용하여 캠 축과 크랭크 축을 매개하는 1/2 감속용 연결 기어의 위상을 조절함으로써 밸브의 개폐시기를 연속적으로 변화시키는 1/2 감속용 연결 기어의 위상 조절을 이용한 VVT 장치에 관한 것이다.

일반적인 동력원으로써 내연기관을 사용하는 경우에 가장 이상적인 상태로 내연기관을 동작시키기 위해서는 변화하는 외부 조건에 부합되도록 내연기관을 조절해 주어야 한다. 이 때 가장 중요한 요소로 대두되는 것이 밸브 개폐 시기(valve timing)이다.

종래의 차량에 장착된 내연 기관은 저속에서 고속, 저부하에서 고부하에 이르기까지 그 동작 영역이 매우 광범위하다. 그러나, 실제로 엔진의 흡배기 효율을 가장 이상적으로 해주는 밸브 개폐 시기는 여러 회전 영역에 대하여 일정하지 않다. 왜냐하면 흡입 기체의 흡입관성과 흡기 포트와의 공명(resonance)등의 여러 동작 영역에서 흡입 조건을 변화시키기 때문이다.

그러므로 VVT 장치는 앞으로 내연기관이 지녀야 할 핵심적인 장치로서 그 중요성이 매우 크다.

종래의 차량용 VVT 장치는 유압을 이용한 시스템이라서 별도의 VVT 시스템 구동용 유로 예를 들면 실린더 블록이나 실린더 헤드부를 형성해야하고, 타이밍 벨트나 체인에 의해서 여러 부품이 맞물리어 작동됨으로써 동력을 전달할 때 장력의 유지가 문제시 되어 왔다. 또한, 부품의 내부 구조가 복잡하게 되고 제작성 및 정밀성으로 인해 단품 가격이 상당히 고가가 되어야 했다. 그리고 부품 개발 기간이 긴 것도 문제시 되어왔다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 베벨 기어와 길이가 조절되는 연결봉을 적용하여 캠 축과 크랭크 축을 매개하는 1/2 감속용 연결 기어의 위상 조절을 함으로써 밸브의 개폐시기를 연속적으로 변화시키는 VVT 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 크랭크 샤프트에 조립하여 회전력을 전달하는 크랭크 기어와, 캠 샤프트에 조립하여 크랭크로부터의 구동력을 캠샤프트로 전달하는 캠 기어와, 상부(캠측)와 하부(크랭크축) 부품으로 구성되어 두 부품이 상하 슬라이드 움직임이 가능하도록 되어 있고 양 부품의 끝단에 캠 기어가 있어 회전력을 전달하는 연결봉과, 캠샤프트 중심선을 기준으로 회전 가능하게 베어링으로 지지되어 캠 연결 기어와 회전대2를 지지/장착하는 회전대1과, 연결봉을 지지하기 위한 기구로 회전대1과 연결봉축에 베어링으로 연결되어 회전대1의 중심을 기준으로 하여 회전이 가능한 회전대2와, 회전대1에 장착되어 연결봉의 회전력을 캠기어를 통해 받아 크랭크기어를 통하여 캠기어측으로 전달하는 캠연결기어와, 회전대1의 회전각이 밸브 개폐 시기(v/timing) 변동각으로 나타남으로 회전대1의 회전각을 조절해주는 장치로서 일반적인 유압식 솔레노이드 벨브가 ECU의 신호를 받아 유압을 온/오프(ON/OFF) 단속하여 작동되는 제어장치(control unit)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 1/2 감속용 연결 기어의 위상 조절을 이용한 VVT장치에 의해 달성된다.

도 1 은 종래의 유압을 이용한 VVT장치를 도시한 사시도.

도 2a 는 본 발명에 의한 1/2 감속용 연결 기어의 위상을 이용한 VVT 장치를 도시한 평면도.

도 2b 는 본 발명에 의한 1/2 감속용 연결 기어의 위상을 이용한 VVT 장치를 도시한 개념도.

도 2c. 2d 는 본 발명에 의한 1/2 감속용 연결 기어의 위상을 이용한 VVT 장치의 캠 축의 위상 변화를 도시한 개념도.

도 2e 는 본 발명에 의한 1/2 감속용 연결 기어의 위상을 이용한 VVT 장치의 캠 축의 위상 변화를 도시한 개념도.

도 2f 는 본 발명에 의한 1/2 감속용 연결 기어의 위상을 이용한 VVT 장치의 캠축과 크랭크축과 연결기어의 축간의 관계를 도시한 개념도.

도 3a 솔레노이드의 on시 작동 설명도

도 3b 솔레노이드의 off시 작동 설명도

도 4 회전대1의 작동설명도

** 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 **

1 : 캠 샤프트 2: 캠 기어

3 : 캠 연결 기어 4 : 회전대1

5 : 회전대2 6 : 연결봉(기어)

7 : 크랭크 기어 8 : 크랭크 샤프트

9 : 크랭크 앵글 센서 10 : VVT

11: 캠 앵글 센서 12 : 캠 시그널 플레이트

13: 솔레노이드 14, 17 : 피스톤

15 : 스프링 16 : 바이 패스

18 : 오일 공급로

상기한 바와 같은 본 발명에 의한 VVT 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도 2a 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 VVT장치는 캠 샤프트(1), 캠 기어(2), 캠 연결기어(3), 회전대1(4), 회전대2(5), 연결봉(6), 크랭크 기어(7), 크랭크 기어(7), 크랭크 샤프트(8)를 포함하여 구성된다.

상기 캠 기어(2)는 크랭크 샤프트(8)에 조립하여 크랭크로 부터의 구동력을 캠 샤프트(1)로 전달하게 되며, 상기 크랭크 기어(7)는 크랭크 샤프트(8)에 조립하여 회전력을 전달하게 된다. 상기 연결봉(6)은 상부(캠측)와 하부(크랭측)부품으로 구성되어, 두 부품이 상하 슬라이드 움직임이 가능하도록 되어 있으며, 양 부품의 끝단에는 캠 기어가 있어서 회전력을 전달하게 된다. 상기 회전대1(4)은 캠 샤프트(1) 중심선을 기준으로 회전 가능하게 베어링으로 지지되어 있으며, 상기 캠 연결 기어(3)와 회전대2(5)를 지지/장착한다. 상기 회전대2(5)는 연결봉을 지지하기 위한 기구로 회전대1(4)과 연결봉측에 베어링으로 연결되어 회전대1(4)의 중심을 기준으로하여 회전가능하다. 상기 캠 연결 기어는 회전대1(4)에 장착되어 연결봉의 회전력을 캠기어를 통해 받아 크랭크기어를 통하여 캠기어측으로 전달한다. 상기 컨트롤 유니트(control unit)는 회전대1(4)의 회전각이 벨트 개폐시기(valve timing) 변동각으로 나타남으로 회전대1(4)의 회전각을 컨트롤해주는 장치이며, 일반적인 유압식 솔레노이드 벨브가 ECU의 신호를 받아 유압을 ON/OFF 단속하여 작동된다.

본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 도 2b 와 도 2c 와 도 2d를 참고로 하여 설명하고자 한다.

도 2b 에 도시한 바와 같이 위상 조절용 연결기어는 캠 축을 중심으로 회전하게 된다. 이때 회전각을 α, 크랭크 축과의 각을β라 하면 연결 기어의 위상변화α에 대하여 캠 축의 위상 변화φ(α)에 대하여 캠 축의 위상 변화φ(α)는 3/2α-β가 생긴다.

이러한 캠 축의 위상변화는 곧바로 밸브의 개폐 시기를 늦추거나 당기는 역할을 하게 되며 이 값 역시 3/2α-β가 된다.

여기서 α와 β는 서로 종속되어 있으며, 주된 변수가 α이므로 β를 β를 α의 함수로 나타낼 수 있다.

캠 축과 크랭크 축과의 거리를 H라 하고 캠 축과 연결 기어 축과의 거리를 d(=R+r)라고 하면β는 다음과 같이 나타 낼 수 있다.

--------------------- (1)

여기서 α가 양의 값일 때 β도 양의 값을 가지게 되고α가 음의 값일 때에는β도 음의 값을 가지게 되므로 3/2α-β는 α에 대하여 단조 증가 함수가 됨을 알 수 있다.

------(2)

H 와 d 값에 따라서 구체적인 기울기 값은 바뀌겠지만 α와 β의 관계는 α가 크지 않은 범위 안에서 거의 선형적인 관계를 나타낸다. 이는 매우 바람직한 특성으로 실제 적용시에 필요한 밸브 타이밍의 변화량에 대하여 일차 직선으로 α와 β의 관계에 적용할 수 있다.

H/d 값이 2 보다 큰 경우에는 α와 β간의 관계가 거의 선형적으로 되며 이 값이 커질수록 더 넓은 α의 영역에서 선형성이 보장된다.

H/d > 2 이고α가±15。 이내에서 φ(α)를 일차 함수로 근사값 φ'(α)를 찾아보면 다음과 같다.

------(3)

도 2c 는 캠 축의 위상변화φ(α)를 유도하는 것이다.

도 2d 는 캠 축과 연결 기어를 같이 캠 축에 대하여 α만큼 회전 시킬 경우 캠 축에서는 α만큼의 위상 변화가 생긴다.

도 2e는 연결 기어를 수직축 y에 대하여 평행이 되도록 다시-α만큼 연결 기어 자신의 축에 대하여 회전시키면 캠 축과의 기어 비율이 2:1 이므로 캠 축은 다시 1/2α 만큼 회전하여 총 회전각은 3/2α가 된다.

도 2f 는 크랭크 축과의 관계를 나타낸 것으로써, 크랭크 축은 고정된 상태에서 연결 기어를 크랭크 축에 대하여β만큼 회전시켰을 경우 연결 기어의 위상은 수직 축 y에 대하여 -2β 만큼 회전하게 된다.

최종적으로 연결 기어의 위상 변화(α)에 대하여 캠 축의 위상 변화 φ(α)를 보고자 하므로 크랭크 축은 고정 시킨 상태에서 해석하게 된다. -2β만큼의 위상 변화는 캠 축을 β만큼 회전시키게 되므로 최종적인 캠 축의 위상 변화 φ(α)는 3/2α-β가 된다.

도 2d 는 α와β간의 관계를 해석하기 위한 것이다. 도 2d 에서와 같이 캠 축과 크랭크 축의 거리를 H라 하고 캠 축의 반경으 R, 연결 기어의 반경을 r 이라고 할 때 캠 축과 연결 기어의 거리를 d(=R+r)라고 하면 α,β,H,d 간에는 일정한 관계가 형성되고, 이를 통하여 β를 α와 H,d 와의 함수로 표현할 수 있게 된다.

연결 기어의 축에서 수직축 y에 내린 수선의 길이를 h라 하고 삼각함수의 기본 정의에 의하여 다음과 같이 풀이 될 수 있다.

H = d cosα + x cosβ

h = d sinα = x sinβ

여기서 H/d가 2 보다 크고α가 ±15。이내에서β는α에 대하여 2%이하의 선형적 특성을 보인다. 즉 원점을 지나는 일차 직선에 가깝다. 이러한 선형적인 특성은 H/d가 커지고 α가 작을수록 더욱 커지는 데 이는 장치의 해석과 제작에 편리함을 주는 매우 유용한 특성이다.

이러한 선형성은 수학적 전개보다는 실직적인 그래프 플로팅(graph plotting)에 의하여 구해졌으며, H/d의 한계 값 2 와 α의 범위±15。는 실질적인 설계와 운영의 가능성을 거의 포함할 수 있는 값으로 고려하였다.

실질적인 그래프 플로팅을 통하여 유추한 선형성을 바탕으로 그 기울기(m)는 수학적 전개로 얻을 수 있다.

오차의 특성은 H/d가 2 이고α가 대략 9%정도 일 때 2% 정도로 가장 크고, H/d가 3 이상이 되면 0.5% 이하로 줄어든다. α에 대해서도 9°근처에서 가장 오차가 커지고 0°와 15°로 갈수록 오차가 줄어든다.

이는 원점과 종점(15°에서의 값)을 연결하는 직선식을 구했기 때문으로 후에 실질적으로 필요한 위상 변화의 범위를 보다 정확하게 구하게 되면 오차가 가장 작도록 기울기를 다시 구할 수 있다. 즉 위와 같이 종점을 사용하지 않고 중간값 중 오차를 최소로 해주는 값을 수학적 전개로써 찾아낼 수 있다.

도 3 a, b는 솔레노이드 작동에 관한 것으로써, ECU의 신호를 받아 솔레노이드 밸브가 온(on)되었을 때에 솔레노이드 피스톤(17)이 후진하여 오일 공급로(18)가 오픈이 되고 공급된 오일에 의해서 피스톤(17)이 움직여 바이 패스 통로(16)를 막게 된다. 그와 동시에 공급된 오일이 부스터 측 피스톤(14)을 밀어 부스터와 연결된 VVT 회전대(4)을 회전시키게 된다. 이와 반대로 ECU의 신호를 받아 솔레노이드 벨브가 오프(off)되었을 때에는 솔레노이드의 피스톤(17) 진하여 오일 공급로(18)를 막고 바이 패스 통로(16)를 오픈을 시키고, 부스터 측 피스톤(14)이 스프링(15) 힘에 의해 후진하여 VVT 회전대1(4)을 원 위치로 회전시킨다. 이 때 오일은 솔레노이드 측 피스톤(17)에 오일이 통과하는 홈 또는 구멍이 있어서 이 구멍을 통해 바이 패스 통로(16)쪽으로 배출되어 진다.

도 4는 회전대 1의 작동을 나타낸 것으로 솔레노이드의 작동에 따라 회전대1이 작동하여 캠 연결기어과 연동하고 이에 따라서 연결봉이 상하로 슬라이딩되어 피스톤운동을 하고 그 길이가 가변된다.

본발명에 의한 VVT 장치는 종래의 VVT 장치에 사용되어온 타이밍 벨트나 체인을 사용하지 않고 크랭크와 캠을 연결하는 연결봉에의하여 크랭크에 구동력을 전달할 수 있어서, 종래의 VVT 장치에 필요한 부품에 비해 보다 단순해지므로 제품 제작 공정이 단순화되어 작업에 상당히 용이하여 원가를 절감시킬 수 있는 효과를 갖게된다.

Claims (4)

1. 내연 기관에 사용되는 밸브 타이밍 장치에 있어서;

   크랭크 샤프트에 조립하여 회전력을 전달하는 크랭크 기어와,

   캠 샤프트에 조립하여 크랭크로부터의 구동력을 캠샤프트로 전달하는 캠 기어와, 상부(캠측)와 하부(크랭크축) 부품으로 구성되어 두 부품이 상하 슬라이드 움직임이 가능하도록 되어 있고 양 부품의 끝단에 캠 기어가 있어 회전력을 전달하는 연결봉과, 캠샤프트 중심선을 기준으로 회전 가능하게 베어링으로 지지되어 캠 연결 기어와 회전대2를 지지/장착하는 회전대1과,

   연결봉을 지지하기 위한 기구로 회전대1과 연결봉축에 베어링으로 연결되어 회전대1의 중심을 기준으로 하여 회전이 가능한 회전대2와,

   회전대1에 장착되어 연결봉의 회전력을 캠기어를 통해 받아 크랭크기어를 통하여 캠기어측으로 전달하는 캠연결기어와,

   회전대1의 회전각이 밸브 개폐 시기 변동각으로 나타남으로 회전대1의 회전각을 조절해주는 장치로서 일반적인 유압식 솔레노이드 밸브가 ECU의 신호를 받아 유압을 온/오프 단속하여 작동되는 제어장치(control unit)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 1/2감속용 연결 기어의 위상 조절을 이용한 VVT 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 크랭크는 타이밍 벨트나 체인의 이용없이 크랭크의 구동력을 캠연결기어 및 연결봉을 이용하여 캠에 전달하면서 VVT의 역할을 하는 장치.
3. 제 1, 2 항에 있어서, 상기 연결봉은 상기 캠축 연결 기어와 상기 크랭크 축 연결기어로 구성되어 상하 피스톤 운동으로 길이가 가변되어 회전력을 전달하게 하는 기능을 가진 구조로 된 장치.
4. 제 1 항에 있어서 상기 회전대1은 상기 솔레노이드 밸브의 작동에 따라서 부스터 측의 피스톤에 연결되어 회전 가능한 구조로 된 장치.