KR20020054497A - 브이8 엔진의 크랭크축 밸런싱 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 V 8 엔진의 크랭크축 밸런싱 장치에 관한 것으로서,
종래의 크랭크축 밸런싱 장치는 크랭크축에 설치되는 웹 만으로 1차의 피치 모멘트를 제거하기 위하여 크랭크축의 양측 끝부분에 설치되는 제 1 웹과 제 8 웹의 질량을 다른 웹보다 크게 설정하고 있으며, 이때문에 제 1 웹과 제 8 웹이 설치된 부분에서 밸런스률이 1 을 초과(밸런스률이 1이 되어야 베어링에 진동이 가해지지 않는다)하게되어 진동이 베어링에 인가되는 문제점이 있고, 또 상대적으로 제 4 및 제 5 웹의 질량이 너무 작아지면서 이부분에서의 밸런스률이 낮아지게되며, 이러한 이유로 인해 전체 베어링에서의 밸런스률이 좋지않게되어 크랭크축의 베어링에 1차진동이 전달되어 엔진에 악영향을 주게되는 문제점이 발생하였다.
따라서, 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 크랭크축과 벨트로서 연결되고, 그 도중에 크랭크축에서 발생하는 1차피치 모멘트의 상쇄를 위한 제 1 내지 제 4 의 보조웹을 설치하므로서, 크랭크축 베어링의 밸런스률을 개선시킬 수 있게되어 크랭크축의 베어링에 가해지는 진동을 상쇄시켜 엔진 전체의 진동발생률을 감소시키고, 크랭크축에 설치되는 웹의 크기와 무게를 줄일 수 있도록 한 V 8 엔진의 크랭크축 밸런싱 장치에 관한 것이다.

Description

브이8 엔진의 크랭크축 밸런싱 장치{Crank shaft balancing device for V8 engine}
본 발명은 V 8 엔진의 크랭크축 밸런싱 장치에 관한 것으로서, 특히 크랭크축과 벨트로서 연결되고, 그 도중에 크랭크축에서 발생하는 1차피치 모멘트의 상쇄를 위한 제 1 내지 제 4 의 보조웹을 설치하므로서, 크랭크축 베어링의 밸런스률을 개선시킬 수 있게되어 크랭크축의 베어링에 가해지는 진동을 상쇄시켜 엔진 전체의 진동발생률을 감소시키고, 크랭크축에 설치되는 웹의 크기와 무게를 줄일 수 있도록 한 V 8 엔진의 크랭크축 밸런싱 장치에 관한 것이다.
V 8 엔진은 8개의 실린더와 피스톤을 갖는 엔진을 말한다.
도 1 은 종래의 V 8 엔진의 크랭크축 밸런싱 장치를 도시한 것으로서,
8개의 피스톤(#1~#8)과 연결된 컨로드(3)가 결합되기 위한 핀(2a~2d)이 크랭크축(1)으로부터 연장형성되는 아암(6)에 결합되어 있고, 상기 핀(2a~2d)이 형성된 아암(6)의 타측에 언밸런스(Unbalance) 피치 모멘트(Pitch moment)의 상쇄를 위한 다수의 웹(5a~5h)이 형성되어 있다.
크랭크축(1) 상에는 크랭크축(1)을 지지해주는 복수개의 베어링(4)이 형성되어 있다.
상기 웹(5a~5h)은 일정 중량을 갖는 것으로서, 특히 1차의 피치 모멘트(엔진 좌우방향 모멘트)의 상쇄를 위해 제 1 및 제 8 웹(5a,5h)의 질량을 다른 웹 보다 크게하여 엔진 구동시 발생하는 언밸런스 피치 모멘트를 제거토록 하고있다.
여기서 도 2 와 도 3 을 참조하여 회전질량과 왕복질량에 의한 각 차수별 불평형력과 불평형 모멘트를 살펴보면 다음과 같다.
후설되는 수식에서 M= 회전질량(크랭크핀 질량+컨로드 질량×2/3),
Mrecip=왕복질량(피스톤질량 + 컨로드 질량×1/3), R=크랭크축 회전반경,
P= 보어간 피치(Pitch), θ=x축으로부터 1번 크랭크 핀 까지의 각도,
B= 좌우 뱅크(bank) 각도, P0=좌우 뱅크 오프셋(off set) 임을 밝혀둔다.
그리고, 도 2 는 V8엔진의 구동 사이클을 도시한 다이어그램으로서, 크랭크축(1)에 형성된 제 1 내지 제 4 핀(2a~2d)들이 서로 90°의 각도를 이루고 있으며, 제 1 핀(2a)이 x축으로 부터 θ각도 만큼 이격되어 있다.
피스톤의 점화순서는 #1→#2→#7→#8→#4→#5→#6→#3 의 순서대로 점화되며, 1사이클은 720°이다.
도 3 은 V8 엔진의 실린더블럭에 피스톤(#1~#8)이 설치된 상태를 도시한 것으로서, 각각의 피스톤이 설치된 보어가 일정간격(P)으로 실린더블럭에 설치되어 있다.
상기 설명을 토대로하여 종래의 크랭크축 밸런싱 장치에 의한 불평형력과 불평형 모멘트를 연산해보면 다음과 같다.
(1)회전질량에 의한 불평형력
(2)회전질량에 의한 불평형 모멘트(4,5번 실린더의 가운데를 기준으로)
(3)왕복질량에 의한 불평형력(1st)
피스톤 왕복운동에 의해 단기통에 발생하는 관성력은
실린더 축방향 불평형력의 1st(1차)성분값은
= 0
(4) 왕복질량에 의한 불평형력(2nd)
실린더 축방향 불평형력의 2nd성분값은
= 0
(5) 왕복질량에 의한 불평형 모멘트(1st)
(6) 왕복질량에 의한 불평형 모멘트(2nd)
= 0
(7) 엔진 전체의 불평형력 및 모멘트
= 회전질량에 의한 불평령력(1st) + 회전질량에 의한 불평형 우력(1st)+ 왕복질량에 의한 불평형력(1st)+ 왕복질량에 의한 불평형 우력(1st)+ 왕복질량에 의한 불평형력(2nd)+ 왕복질량에 의한 불평형 우력(2nd)+.........
으로 나타남을 알 수 있다.
상기 설명에서와같이 종래의 크랭크축 밸런싱 장치는 크랭크축에 설치되는 웹 만으로 1차의 피치 모멘트를 제거하기위하여 크랭크축의 양측 끝부분에 설치되는 제 1 웹과 제 8 웹의 질량을 다른 웹보다 크게 설정하고 있으며, 이때문에 제 1 웹과 제 8 웹이 설치된 부분에서 밸런스률이 1 을 초과(밸런스률이 1이 되어야 베어링에 진동이 가해지지 않는다)하게되어 진동이 베어링에 인가되는 문제점이 있고, 또 상대적으로 제 4 및 제 5 웹의 질량이 너무 작아지면서 이부분에서의 밸런스률이 낮아지게되며, 이러한 이유로 인해 전체 베어링에서의 밸런스률이 좋지않게되어 크랭크축의 베어링에 1차진동이 전달되어 엔진에 악영향을 주게되는 문제점이 발생하였다.
따라서, 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 크랭크축과 벨트로서 연결되고, 그 도중에 크랭크축에서 발생하는 1차피치 모멘트의 상쇄를 위한 제 1 내지 제 4 의 보조웹을 설치하므로서, 크랭크축 베어링의 밸런스률을 개선시킬 수 있게되어 크랭크축의 베어링에 가해지는 진동을 상쇄시켜 엔진 전체의 진동발생률을 감소시키고, 크랭크축에 설치되는 웹의 크기와 무게를 줄일 수 있도록 한 V 8 엔진의 크랭크축 밸런싱 장치를 제공함을 목적으로 한다.
상기 목적달성을 위한 본 발명은,
8개의 피스톤과 연결된 컨로드가 결합되기 위한 핀이 크랭크축으로부터 연장 형성되는 아암에 결합되고, 핀이 형성된 아암의 타측에 언발란스력을 상쇄시키기 위한 일정 중량체의 웹이 형성되어 있는 것에 있어서,
상기 크랭크축의 일측에 제 1 풀리를 형성하고, 상기 제 1 풀리와 벨트로서 연결되기 위한 제 2 풀리가 형성된 밸런스축을 상기 크랭크축의 하측에 형성하되,
상기 밸런스축의 도중에 크랭크축에서 발생하는 1차 피치 모멘트의 상쇄를 위한 제 1 내지 제 4 보조웹을 설치한 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제 1 보조웹은 제 1 및 제 2 웹과 동일방향으로, 제 2 보조웹은 제 3 및 제 4 웹과 동일방향으로, 제 3 보조웹은 제 5 및 제 6 웹과 동일방향으로, 제 4 보조웹은 제 7 및 제 8 웹과 동일방향으로 설치하되, 각각의 보조웹은 동일한 질량을 갖도록 한 것을 특징으로 한다.
도 1 은 종래의 크랭크축 밸런싱 장치를 보인 도면.
도 2 는 종래 크랭크축의 동작 사이클을 보인 다이어그램.
도 3 은 종래 크랭크축이 장착된 실린더블럭을 나타낸 도면.
도 4 는 본 발명의 크랭크축 밸런싱 장치를 보인 도면.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1: 크랭크축, 2a~2d: 핀,
#1~#8: 피스톤, 5a~5h: 웹,
10: 제 1 풀리, 11: 제 2 풀리,
12: 벨트, 20: 밸런스 축,
21: 보조베어링, 30a~30d: 보조 웹,
이하, 첨부된 도면 도 4 를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 설명에서 종래와 동일 구성요소에 대해서는 동일부호 처리하여 중복설명을 피했다.
본 발명의 가장 큰 특징은 크랭크축(1)의 하측에 1차 피치 모멘트의 상쇄를 위한 밸런스축(20)을 형성한 것이다.
밸런스축(20)의 연결을 위해 크랭크축(1)의 일측으로 제 1 풀리(10)를 형성하고, 상기 제 1 풀리(10)와 벨트(12)로서 연결되기위한 제 2 풀리(11)를 밸런스축(20)에 형성한다.
제 1 풀리(10)와 제 2 풀리(11)의 회전비는 1:1 이 되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 밸런스축(20)의 양끝부분과 센터부분에 각각 보조베어링(21)을 설치하고, 보조베어링(21)의 사이에 크랭크축(1)에서 발생하는 1차 피치 모멘트의 상쇄를위한 제 1 내지 제 4 보조웹(30a~30d)을 설치하였다.
상기 보조웹(30a~30d)은 크랭크축(1)에 설치되는 웹(5a~5h)의 설치방향과 각각 동일해지도록 한다.
즉, 제 1 보조웹(30a)은 제 1 및 제 2 웹(5a,5b)과 동일방향으로, 제 2 보조웹(30b)은 제 3 및 제 4 웹(5c,5d)과 동일방향으로, 제 3 보조웹(30c)은 제 5 및 제 6 웹(5e,5f)과 동일방향으로, 제 4 보조웹(30d)은 제 7 및 제 8 웹(5g,5h)과 동일방향으로 설치하는 것이다.
그리고, 상기 밸런스축(20)에 설치되는 보조웹(30)의 질량은 크랭크축(1)의 베어링 하중에 영향을 주는 밸런스률을 계산하여 이 밸런스률이 1 이 되도록 하는 질량으로 설정하는 것이 바람직하다.
여기서 상기 보조웹(30)의 질량설정과정을 수식으로 살펴보면 다음과 같다.
후설되는 수식에서 P1: 밸런스축(20)의 센타에서 제 1 및 제 4 보조웹간의 거리, P2: 밸런스축(20)의 센타에서 제 2 및 제 3 보조웹간의 거리, M1r1ω2: 제 1 및 제 4 보조웹의 회전질량, M2r2ω2: 제 2 및 제 3 보조웹의 회전질량 을 나타낸다.
크랭크축(1)에 나타나는 불평형 모멘트는 앞서 설명된 바와같이
로 나타나고,
밸런스 축(20)에 설치된 보조웹(30)에 의한 밸런싱 모멘트는
로 나타난다.
이에따라, 밸런싱률이 100% 즉, 1이 되기위해서는이 되어야만 한다.
따라서, 크래크축(1)의 불평형 모멘트와 밸런스축(20)의 밸런싱 모멘트를 상기 식에 대입하면,
이다.
따라서, M1r1P1=3(2M+Mrecip)RP/2 가 되도록 하고, 또 M2r2P2=(2M+Mrecip)RP/2 가 되도록 제 1 내지 제 4 보조웹의 질량을 설정하면 된다.
상기 설명에서와같이 밸런스 축(20)에 설치되는 보조웹(30)의 질량을 크랭크축(1)에서 발생하는 밸런싱률을 상쇄시킬 수 있는 질량으로 설정하게되면, 엔진 구동시 크랭크축(1)의 베어링(4)에 가해지는 1차 피치 모멘트를 거의 완전하게 상쇄시킬 수 있게되며, 이에의해 크랭크축(1)에 설치되는 각각의 웹(5a~5h)의 질량을 종래보다 작게 설정할 수 있게되므로 특정부위에서의 밸런스률이 커지거나 작아지는 단점을 보완할 수 있고, 또 베어링(4)에서의 반력을 최소화할 수 있어베어링(4)에서의 진동발생을 감소시킬 수 있게된다.
이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 크랭크축과 벨트로서 연결되고, 그 도중에 크랭크축에서 발생하는 1차피치 모멘트의 상쇄를 위한 제 1 내지 제 4 의 보조웹을 설치하므로서, 크랭크축 베어링의 밸런스률을 개선시킬 수 있게되어 크랭크축의 베어링에 가해지는 진동을 상쇄시켜 엔진 전체의 진동발생률을 감소시키고, 크랭크축에 설치되는 웹의 크기와 무게를 줄일 수 있도록 한 V 8 엔진의 크랭크축 밸런싱 장치를 제공하는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (3)

  1. 8개의 피스톤(#1~#8)과 연결된 컨로드(3)가 결합되기 위한 핀(2a~2d)이 크랭크축(1)으로부터 연장 형성되는 아암(6)에 결합되고, 핀(2a~2d)이 형성된 아암(6)의 타측에 언발란스력을 상쇄시키기 위한 일정 중량체의 웹(5a~5h)이 형성되어 있는 것에 있어서,
    상기 크랭크축(1)의 일측에 제 1 풀리(10)를 형성하고, 상기 제 1 풀리(10)와 벨트(12)로서 연결되기 위한 제 2 풀리(11)가 형성된 밸런스축(20)을 상기 크랭크축(1)의 하측에 형성하되,
    상기 밸런스축(20)의 도중에 크랭크축(1)에서 발생하는 1차 피치 모멘트의 상쇄를 위한 제 1 내지 제 4 보조웹(30a~30d)을 설치한 것을 특징으로 하는 브이 8 엔진의 크랭크축 밸런싱 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 보조웹(30a)은 제 1 및 제 2 웹(5a,5b)과 동일방향으로, 제 2 보조웹(30b)은 제 3 및 제 4 웹(5c,5d)과 동일방향으로, 제 3 보조웹(30c)은 제 5 및 제 6 웹(5e,5f)과 동일방향으로, 제 4 보조웹(30d)은 제 7 및 제 8 웹(5g,5h)과 동일방향으로 설치하되, 각각의 보조웹(30)은 동일한 질량을 갖도록 한 것을 특징으로 하는 브이 8 엔진의 크랭크축 밸런싱 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 보조웹(30)의 질량은 크랭크축(1)의 베어링(4) 하중에 영향을 주는 밸런스률을 계산하여 이 밸런스률이 1이 되도록 하는 질량으로 설정하는 것을 특징으로 하는 브이 8 엔진의 크랭크축 밸런싱 장치.
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