KR200154964Y1 - 내연기관의 밸런스 샤프트 구조 - Google Patents

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Abstract

본 고안은 크랭크샤프트(1)의 질량 불균형에 의한 크랭크샤프트(1)의 2차회전 관성력에 의해 발생되는 엔진의 진동을 감쇄시키기 위하여 크랭크샤프트(1) 하단에 하나의 밸런스 샤프트(2)를 설치한 것으로, 상기 본 고안의 밸런스 샤프트(2)는 동일한 질량 효과를 갖는 밸런스 웨이트(3)를 밸런스 샤프트(2)의 원주면 양측에 설치함으로써, 종래에 있어서 크랭크샤프트(1) 양측에 각각 밸런스 샤프트(2)를 설치한 것과 동일한 크랭크샤프트(1)의 2차 회전 관성력에 의한 진동의 감쇄 효과가 발생하도록 하여 엔진 설계 구조를 간략화하고, 엔진의 무게를 감소시킬 수 있게 한 것이다.

Description

내연기관의 밸런스 샤프트 구조
본 고안은 내연기관의 밸런스 샤프트에 관한 것으로, 특히 엔진 중량의 경감과 구조의 복잡성을 줄일 수 있는 내연기관의 밸런스 샤프트 구조에 관한 것이다.
크랭크샤프트는 피스톤의 왕복 행정을 회전운동으로 변환하는 기구로써, 크랭크샤프트는 진동 없이 원활하게 회전할 필요가 있으나, 크랭크샤프트의 회전 중심과 크랭크샤프트의 무게 중심은 편심되어 있으므로, 크랭크샤프트의 회전은 진동을 발생한다.
상기와 같이 크랭크샤프트의 무게 중심과 회전 중심의 불균형에 의한 크랭크샤프트의 진동을 억제하기 위하여 크랭크 암에 밸런스 웨이트를 설치함으로써 크랭크 회전력의 밸런스를 유지토록 하였다.
상기와 같이 밸런스 웨이트에 의한 크랭크샤프트의 회전 균형은 크랭크샤프트 자체의 회전 균형은 보완이 되지만, 엔진의 폭발 행정에 의해 발생되는 엔진의 진동에 대해서는 보완책이 되지 못하며, 엔진의 폭발 행정에 의하여 발생되는 진동은 엔진 마운팅 부분을 통하여 차체로 전달되어, 차량 실내 소음의 원인이 된다.
상기와 같이 엔진 폭발 행정 작용에 의한 크랭크샤프트의 회전력으로 발생되는 진동을 억제하기 위하여 종래에는 도1 내지 도2에 나타낸 바와 같이, 크랭크샤프트(1)의 양측에 밸런스 샤프트(2)를 설치하였다.
상기 두 밸런스 샤프트(2)는 크랭크샤프트(1)의 2배의 회전수로 구동되도록 크랭크샤프트와 동력 연결된다.
상기 두 밸런스 샤프트(2)에는 회전중심과 편심된 밸런스 웨이트(3)가 설치된다.
크랭크샤프트(1)의 회전력에 의한 진동을 감쇄 시키기 위한 종래의 밸런스 샤프트(2)의 구성 원리는 다음과 같다.
크랭크샤프트(1)의 회전에 대한 관성력 F=ma=mr ω2(cos θ+cos 2 θ/λ)이며, 여기서 F=힘, m=피스톤 질량, a=가속도, r=크랭크 반경, ω=가속도, θ=크랭크 앵글, λ=1/r이다.
상기 크랭크샤프트(1)의 회전력에 대한 관성력(F)은 cos θ에 따른 일차 관성력과 cos 2 θ에 의한 2차 관성력으로 나누어지며, cos θ에 의한 일차 관성력은 크랭크샤프트(1)의 크랭크 암에 설치된 밸런스 웨이트에 의해 균형이 유지되며, cos 2 θ에 의한 2차 관성력은 크랭크샤프트(1) 양측에 설치된 밸런스 샤프트(2)에 의해 보정된다.
상기와 같은 구성 원리에 의한 크랭크샤프트(1)의 앵글(θ)과 크랭크샤프트(1)의 회전 관성력(F)의 관계를 도2의 그래프에 나타내고 있으며, 도2에 도시된 그래프에서와 같이, 크랭크샤프트(1) 및 밸런스 샤프트(2)의 회전각에 따른 관성력(F)은 코사인 함수로 표시된다.
상기와 같이 크랭크샤프트(1)의 회전력에 의한 관성력 F=mr ω2(cos θ+cos 2 θ/λ) 작용에 대한 2차 관성력을 감쇄 시키기 위한 종래의 밸런스 샤프트(2)는 크랭크샤프트(1)의 회전력으로 발생되는 엔진의 진동 발생은 감쇄시킬 수 있으나 크랭크샤프트(1)의 양측에 밸런스 샤프트(2)를 복수가 설치함으로써, 엔진 구조가 복잡해지며, 엔진의 하중을 증가시키는 문제점이 있었다.
따라서 본 고안은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 그 목적은 엔진 설계 구조 및 크기를 간략화하고, 엔진의 중량을 감소시킬 수 있는 내연기관의 밸런스 샤프트 구조를 제공하는데 있다.
도1은 종래의 밸런스 샤프트의 설치 구조를 나타낸 구성도
도2는 크랭크샤프트 회전 각도에 따른 밸런스 샤프트의 회전각 및 관성력의 작용 관계를 나타낸 그래프
도3은 본 고안의 밸런스와 크랭크샤프트의 설치 관계를 나타낸 구성도
도4는 본 고안의 밸런스 샤프트를 나타낸 측 단면도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 크랭크샤프트 2 : 밸런스 샤프트
3 : 밸런스 웨이트 F : 관성력
θ : 크랭크 앵글
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 동일한 질량 효과를 갖는 밸런스 웨이트를 원주면 양측에 쌍으로 설치한 밸런스 샤프트를 크랭크샤프트와 2:1의 속비로 구동되도록 크랭크샤프트 하단 또는 측면에 설치 구성한 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.
위와 같이 구성된 본 고안의 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도3 내지 도4에 나타낸 바와 같이, 밸런스 샤프트(2)는 크랭크샤프트(1)의 하단에 설치되며, 상기 밸런스 샤프트(2)의 원주면에는 편심 질량, 즉 밸런스 웨이트(3)를 양 방향에 설치한다. 상기 밸런스 샤프트(2)의 원주면 양측에 설치된 밸런스 웨이트(3)는 반 원호형으로 동일한 질량효과를 가진다.
상기 밸런스 웨이트(3)와 크랭크샤프트(1)의 회전비는 2:1의 속비로 구동되도록 크랭크샤프트(1)와 동력 연결 구성한다.
상기와 같이 크랭크샤프트(1)의 하단에 동일한 질량 효과를 가지는 밸런스 웨이트(3)를 양방향에 설치한 하나의 밸런스 샤프트(2)를 크랭크샤프트(1)와 2:1의 속비로 회전되게 구성한 본 고안의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
본 고안에서는 크랭크샤프트(1)의 회전 관성력 F=mr ω2(cos θ+cos 2 θ/λ)의 식에서 cos 2 θ항에 의한 크랭크샤프트(1)의 2차 회전 관성력의 영향에 의한 엔진의 진동을 감쇄시키기 위하여 하나의 밸런스 샤프트(2)를 크랭크샤프트(1) 하단에 설치하였으며, 상기 하나의 밸런스 샤프트(1)에 의한 크랭크샤프트(1) 진동 감쇄 효과는 종래에 크랭크샤프트(1) 양측에 복수개 설치한 밸런스 샤프트(2)와 동일한 진동 감쇄 효과를 일으키게 된다.
이상에서 살펴 본 바와 같이 본 고안은 크랭크샤프트의 질량 불균형에 의한 크랭크샤프트의 2차 회전 관성력에 의해 발생되는 엔진의 진동을 감쇄시키기 위하여 크랭크샤프트 하단에 하나의 밸런스 샤프트를 설치한 것으로, 상기 본 고안의 밸런스 샤프트는 동일한 질량 효과를 갖는 밸런스 웨이트를 밸런스 샤프트의 원주면 양측에 설치함으로써, 종래에 있어서 크랭크샤프트 양측에 각각 밸런스 샤프트를 설치한 것과 동일한 크랭크샤프트의 2차 회전 관성력에 의한 진동의 감쇄 효과가 발생하도록 하여 엔진 설계 구조를 간략화하고, 엔진의 무게를 감소시킬 수 있다.

Claims (1)

  1. 내연기관의 크랭크샤프트의 질량 불균형에 의한 크랭크샤프트의 2차 회전 관성력에 의해 발생되는 엔진의 진동을 감쇄시키기 위하여 설치되는 밸런스 샤프트에 있어서, 동일한 질량 효과를 갖는 밸런스 웨이트를 원주면 양측에 쌍으로 설치한 밸런스 샤프트를 크랭크샤프트와 2:1의 속비로 구동되도록 크랭크샤프트 하단 또는 측면에 설치 구성한 것을 특징으로 한 내연기관의 밸런스 샤프트 구조.
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