KR20020061323A

KR20020061323A - 회전체의 회전력 증가방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR20020061323A
Application number: KR1020010002328A
Authority: KR
Inventors: 노성왕
Original assignee: 노성왕
Priority date: 2001-01-16
Filing date: 2001-01-16
Publication date: 2002-07-24

Abstract

본 발명은 회전체의 회전력 증가방법 및 그 장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 크랭크샤프트의 밸런스 웨이트와 크랭크 핀에 고정브라켓과 모멘트전달링을 고정하고 그 사이에 탄성수단을 설치하여 탄성수단의 반발력에 의해 원내에서 작용/반작용을 소멸시키지 않고 회전운동으로 전환시켜 회전체의 회전력을 증가시켜 연료의 소비를 절감시키도록 한 특징이 있다.

Description

회전체의 회전력 증가방법 및 그 장치{Method and Apparatus for increasing rotation}

본 발명은 회전체의 회전력 증가방법 및 그 장치에 관한 것으로서 보다 상세하게는 크랭크샤프트의 밸런스 웨이트와 크랭크 핀에 고정브라켓과 모멘트전달링을 고정하고 그 사이에 탄성수단을 설치하여 탄성수단의 반발력에 의해 원내에서 작용/반작용을 소멸시키지 않고 회전운동으로 전환시켜 크랭크샤프트의 회전력을 증가시켜 연료의 소비를 절감시키도록 한 회전체의 회전력 증가방법 및 그 장치에 관한 것이다.

회전체로는 일반적으로 디젤차량과 가솔린차량, LPG차량 등에 장착되어 있는 크랭크 샤프트, 플라이 휠, 제동장치의 드럼 휠 기타 회전운동을 하는 장치 등을말하며, 본 발명에서는 설명의 편의상 자동차의 크랭크샤프트를 예를 들어 설명하고자 한다.

자동차의 동력 발생원인 엔진은 주로 4사이클의 수냉식 기관을 채용하고 있다. 이것의 개략적인 구성을 보면, 엔진의 중심이 되는 기관본체와, 피스톤의 왕복운동을 크랭크축의 회전운동으로 변환하는 크랭크 기구와, 혼합기의 흡입시점과 기간 및 연소가스의 배출시점과 기간을 제어하는 밸브기구와, 연료와 공기를 혼합시켜 기관의 운전조건에 알맞은 혼합기를 형성하는 혼합기 형성기구 및 점화장치, 윤활장치, 냉각장치, 배기장치 등으로 이루어진 부속기구로 구성되어 있다.

엔진을 이루는 중심 부분으로서 실린더 블록과, 실린더 헤드와, 크랭크 케이스와 오일팬 및 실린더 헤드 커버 등으로 구성되어 있다. 크랭크 케이스의 내측에 각 실린더의 폭발행정에서 얻어진 피스톤의 직선적 동력을 커넥팅 로드를 통하여 회전운동으로 바꾸고, 또한, 다른 행정에서는 반대로 피스톤에 운동을 줌으로써 연속적으로 동력을 발생하는 크랭크샤프트가 설치되어 있다. 크랭크샤프트의 일측에는 플라이 휠이 장착되어 진다. 이 플라이 휠은 주철제의 관성 바퀴로서, 외주면에 링기어를 끼워 기동전동기의 피니언 기어와 맞물려 엔진을 기동시킬 때에 사용되어 진다.

크랭크샤프트에는 혼합기의 연소에 따라 발생한 회전력을 간격을 두고 전달되지만 플라이 휠은 관성에 의하여 일정한 속도로 회전하려 함으로 연속적인 회전력을 얻을 수 있는 것이다. 플라이 휠의 일측에는 플라이 휠의 회전력을 클러치샤프트에 전달하는 클러치 디스크가 고정되어 있다.

상기 종래기술에 따른 자동차용 크랭크샤프트의 구성을 보면 첨부도면 도 1에 도시된 바와 같이 폭발행정에서 얻어진 피스톤의 직선운동을 커넥팅 로드(20)를 거쳐 회전운동으로 변환하여 연속된 동력을 발생하는 크랭크샤프트(14)가 구비된다. 이 크랭크샤프트(14)는 베어링으로 지지되는 크랭크 저널(Crank Journal)(2)과, 상단이 크랭크 핀(4)에 의하여 피스톤(미도시)에 결합되는 커넥팅 로드(20)의 대단부에 평면 분할 베어링을 사이에 두고 연결되어 피스톤의 힘을 받거나 역으로 힘을 전달하는 크랭크 핀(Crank Pin)(4), 회전시 평형을 유지하기 위해 크랭크 암에 설치된 밸런스 웨이트(Balance Weight)(6)로 구성된다. 크랭크샤프트(14)의 일측에 캠샤프트 구동용 기어(8) 및 크랭크 풀리(10)가 결합되고, 타측에는 플라이휠(12)이 설치되어 각 실린더의 폭발행정에서 얻어진 피스톤의 직선적 동력이 회전운동으로 바꾸어 크랭크샤프트(14)로 전달된다.

상기 크랭크샤프트의 회전력은 엔진이 중속에서 크고, 저속 및 고속에서는 작아진다. 이것은 회전 속도에 따라 연소 상태 및 흡입 효율이 변하는 주원인이다.

엔진에서 실제로 발생한 크랭크샤프트 출력(PS)은 크랭크샤프트의 회전력에 의해 단위 시간에 하는 일의 양이므로 샤프트 출력(PS)과 샤프트 회전력(T, 단위 : kgf·m)사이에는 수학식 1의 관계가 성립된다.

PS = 2πTN/75×60 (마력)

여기서 N은 크랭크샤프트 회전속도이며 단위는 rpm이다.

수학식 1에 나타낸 바와 같이 출력은 회전수와 회전력에 비례하므로, 출력을 높여주기 위해서는 회전수를 높여주거나 회전력을 높여주면 된다.

한편, 엔진의 각 회전속도에서 최대 출력시의 크랭크샤프트 출력(PS), 크랭크샤프트 회전속도(N), 크랭크샤프트 회전력(T) 및 연료 소비율의 관계는 첨부도면 도 4에 도시된 바와 같이 엔진의 크랭크샤프트 출력(PS)은 회전속도(N)가 빨라짐에 따라 급속히 증가하며, 회전력(T)은 회전속도(N)가 빨라짐에 따라 증가됨을 알 수 있으며 시간당 연료 소비는 회전속도(N)가 빨라짐에 따라 시간당 연로소비가 많다는 것이다.

본 발명은 상기한 문제점을 감안하여 안출한 것으로 이의 목적은 크랭크샤프트의 밸런스 웨이트와 크랭크 핀에 고정브라켓과 모멘트전달링을 고정하고 그 사이에 탄성수단을 설치하여 탄성수단의 반발력에 의해 원내(크랭크샤프트의 회전범위)에서 작용/반작용을 소멸시키지 않고 회전운동으로 전환시켜 크랭크샤프트의 회전력을 증가시켜 연료의 소비를 절감시키도록 한 크랭크샤프트의 회전력 증가방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

도 1a 내지 도 1b는 일반적인 크랭크샤프트의 구조를 보여주는 사시도와 부분발췌 확대사시도이다.

도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 설치상태 및 구조를 보여주는 정면도와 측면도이다.

도 3a는 본 발명에 의한 크랭크샤프트의 출력과 회전속도와의 관계를 보여주는 그래프이고, 도 3b는 크랭크샤프트의 회전력과 회전속도와의 관계를 보여주는 그래프이며, 도 3c 크랭크샤프트의 회전속도에 따른 시간당 연료소비를 보여주는 그래프이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 보여주는 정면도.

도 5a는 본 발명인 크랭크샤프트의 회전력 증가장치의 작동상태를 설명하는 단면도이며, 도 5b는 도 5a에 따른 운동방향을 보여주는 예시도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

2 : 크랭크 저널4 : 크랭크 핀

6 : 밸런스 웨이트14 : 크랭크샤프트

110 : 몸체111 : 통공

100 : 모멘트전달링100a : 제1모멘트전달링부재

100b : 제2모멘트전달링부재

112 : 제1로드부113 : 제2로드부

200 : 고정브라켓210 : 고정판

212 : 고정봉300 : 탄성수단

400 : 스토퍼 핀500 : 스프링리테이너

600 : 볼 베어링

이러한 본 발명의 목적은 크랭크샤프트의 밸런스 웨이트와 크랭크 핀에 고정봉이 형성된 고정브라켓과 모멘트전달링을 고정하고 그 사이에 탄성수단을 설치하여 탄성수단의 반발력에 의해 원내(크랭크샤프트의 회전범위)에서 모멘트전달링이 크랭크 핀을 중심으로 작용/반작용을 소멸시키지 않고 회전하여 수직으로 작용되는 탄성력을 회전운동으로 전환시키는 것을 특징으로 하는 회전체의 회전력 증가방법에 의하여 달성되며,

본 발명의 방법을 실현가능하게 하기 위해서는 크랭크샤프트의 크랭크 핀에 축설되는 통공을 형성한 몸체를 중심으로 일측에는 길이가 길게 형성된 제1로드부가 일체로 형성되고 제 1로드부의 타측으로는 길이가 짧게 형성된 제2로드부가 형성된 모멘트전달링과; 크랭크 샤프트의 밸런스 웨이트 일측단에는 소정의 두께를 갖는 판형의 고정판의 양측단에는 고정공을 형성하며 이 고정공 사이에는 고정판과 수직으로 직교하는 고정봉으로 이루어진 고정브라켓과; 상기 고정브라켓의 고정봉에는 고정봉의 길이보다 길이가 길게 형성된 탄성수단과; 상기 제2로드부의 일면과 접하면서 크랭크 샤프트에서 돌출 형성된 스토퍼핀으로 이루어진 회전체의 회전력증가장치에 의하여 달성된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 설치상태 및 구조를 보여주는 정면도와 측단면도로써 이에 따르면 본 발명인 회전체의 회전력 증가장치(1)는 크랭크 샤프트(14)의 크랭크 핀(4)에 축설되는 통공(111)을 형성한 몸체(110)를 중심으로 일측에는 길이가 길게 형성된 제1로드부(112)가 일체로 형성되고 제 1로드부(112)의 타측으로는 길이가 짧게 형성된 제2로드부(113)가 형성된 모멘트전달링(100)이설치된다.

이때, 상기 모멘트전달링(100)은 길이방향으로 제1모멘트전달링부재(100a)와 제2모멘트전달링부재(100b)로 나누어지는 분리형의 구조이며 각각의 모멘트전달링부재는 도면 상 미도시된 나사와 볼트에 의해서 고정 결합된 구조이다.

한편, 크랭크샤프트(14)의 밸런스 웨이트(6) 일측단에는 소정의 두께를 갖는 판형의 고정판(210)의 양측단에는 고정공(211)을 구비하며, 이 고정공(211) 사이에는 고정판(210)과 수직으로 직교하는 고정봉(212)을 형성한 고정브라켓(200)에는 고정봉(212)의 길이보다 길이가 길게 형성된 탄성수단(300)이 끼워져 설치되며, 상기 제2로드부(112)의 일면과 접하면서 밸런스 웨이트(6) 표면으로부터 돌출 형성된 스토퍼 핀(400)으로 이루어진 구조이다.

한편, 상기 고정봉(212)의 끝단에는 스프링리테이너(500)를 설치하고 스프링리테이너(500)와 제1로드부(112) 사이에 볼 베어링(600)을 설치하여 사용할 수도 있다.

또한 첨부도면 도 4에 도시된 바와 같이 상기 고정브라켓(200)의 고정판(210)의 길이를 연장시켜 고정봉(212)을 1개이상 형성시키고 다수개 형성된 고정봉(212)에는 탄성수단(300)이 각각 설치하여 사용할 수도 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 작동상태를 설명하면 첨부도면 도 5에 도시된 바와 같이 엔진의 정지상태에서는 피스톤이 왕복운동하지 않으므로 커넥팅로드(20)에 의하여 연결 구성된 크랭크샤프트(14)는 회전되지 않는다.

이는 F1이라는 반작용힘이 계속적으로 고정브라켓(200)에 작용되나 이 고정브라켓(200)에 작용되는 반작용힘은 회전하는 회전체의 중심선상에 있어 회전력이 "0"이 되어 반작용힘의 작용이 회전체 즉, 크랭크샤프트(14)의 회전에는 아무런 영향을 주지 않게 되며, 상대적으로 작용힘인 F2의 탄성력은 제1로드부(112)를 계속적으로 밀고 있기 때문에 크랭크 핀(4)을 중심으로 회전하려고 한다.

그러나 F2의 작용힘 보다 정지모멘트가 크기 때문에 크랭크샤프트(14)는 회전하지 않고 정지된 상태를 유지하고 있게 된다.

한편 상기 엔진이 작동하여 피스톤을 직선 왕복 운동시켜 커넥팅로드(20)를 통해 크랭크샤프트(14)를 회전시키면 탄성수단(300)의 탄성력을 받고 있던 모멘트전달링(100)이 작용과 반작용의 원리가 적용되어 회전력을 증대시킨다.

이를 좀더 구체적으로 설명하면 피스톤에 의해 회전되는 크랭크샤프트(14)의 정지된 상태의 위치를 S1이라고 가정하면 이때의 회전력은 0이 되며, 이 정지된 S1의 지점이 α라는 각도 예컨데 1°라도 회전하여 S1위치를 벗어나게 되면 S2의 위치로 이동되면, 크랭크샤프트(14)는 자중에 의하여 회전되는데, 자중에 의해 회전하려는 힘에다가 크랭크샤프트(14)의 정지된 상태와 동일하게 F1이라는 반작용힘이 계속적으로 고정브라켓(200)에 작용되나 이 고정브라켓에 작용되는 반작용힘은 회전하는 회전체의 중심선상에 있어 회전력이 "0"이 되어 반작용힘의 작용이 회전체 즉, 크랭크샤프트(14)의 회전에는 아무런 영향을 주지 않게 된다.

한편, 상대적으로 작용힘인 F2의 탄성력은 제1로드부(112)를 계속적으로 밀고 있는 탄성부재(300)의 탄성력만큼 시계방향으로 회전모멘트가 발생되어 크랭크 핀(4)을 중심으로 회전하려고 한다.

상기 d라는 길이로 길게 형성된 제1로드부(112)의 회전하려는 힘은 길이가 d1으로 짧게 형성된 제2로드부(113)로 전달되어 회전하는 크랭크샤프트(14)에 삽설된 스토퍼 핀(400)을 F3이라는 회전력이 작용하여 가압 힘을 전달하여 회전체의 회전력을 증대시킨다.

상기한 회전력 증대의 효과는 엔진의 각 회전속도에서 크랭크샤프트 출력(PS), 크랭크샤프트 회전속도(N), 크랭크샤프트 회전력(T) 및 연료 소비율의 관계를 보여주는 첨부도면 도 3에와 같이 본 발명을 장착한 엔진과 장착하지 않은 엔진의 크랭크샤프트 출력(PS)은 회전속도(N)의 관계는 아래 표 1에서와 같이 크랭크샤프트 출력(PS)은 회전속도(N)가 빨라짐에 따라 일반적인 크랭크샤프트와 같이 급속히 증가된다.

회전속도(RPM)	1000	1500	2000	2500	3000	3500	4000
회전력증대미장착엔진출력(PS)	16.6	29.2	42.8	56.1	67.9	78.8	94.1
회전력증대장착엔진출력(PS)	24.9	43.8	64.2	84.15	102	118.2	141

그러나 증가된 출력차에 있어서는 회전속도(N)에 따라 차이는 있지만 약30-50% 향상된 출력(PS)을 보인다.

한편, 크랭크샤프트의 회전력(T)과 회전속도(N)의 관계는 아래 표 2에서와 같이 크랭크샤프트의 회전력(T)은 회전속도(N)가 빨라짐에 따라 일반적인 크랭크샤프트와 같이 증가된다.

회전속도(RPM)	1000	1500	2000	2500	3000	3500	4000	4500	5000
회전력증대미장착엔진회전력(kg.m)	11.9	14.2	15.3	16.1	16.2	17.2	17.2	16.6	16.3
회전력증대미장착엔진회전력(kg.m)	17.8	21.3	22.9	24.1	24.3	24.5	25.8	26.1	27.5

그러나 증가된 회전력(T)에 있어서는 회전속도(N)에 따라 차이는 있지만 약30% 향상된 회전력(T)을 보인다.

한편, 시간당 연료 소비율과 회전속도(N)의 관계는 아래 표 3에서와 같이

시간당 연료 소비율은 회전속도(N)가 빨라짐에 따라 일반적인 크랭크샤프트와 같이 시간당 연료소비가 증가된다.

회전속도(RPM)	1000	1500	2000	2500	3000	3500	4000	4500	5000
회전력증대미장착시간당연료소비	5.8	9	12.7	15.8	19.4	22.4	26.9	30.5	34.3
회전력증대장착엔진회전력(kg.m)	2.4	4.5	6.4	7.4	8.2	11.2	13.4	15	17.1

그러나 증가된 연료소비에 있어서는 회전속도에 따라 차이는 있지만 약30-50%의 연료가 감소되는 것을 알 수 있다.

한편, 상기 고정봉(212)의 끝단에는 스프링리테이너(500)를 설치하고 스프링리테이너(500)와 제1로드부(112) 사이에 볼 베어링(600)을 설치하여 사용하면 탄성수단(300)의 탄성력이 스프링리테이너(500)에 전달되고 이 전달된 힘은 볼베어링(600)에 전달되어 모멘트전달링(100)에 의해 회전체에 전달하여 회전력을 증대시킨다.

이때, 볼 베어링(600)을 사용하는 이유는 접촉면적을 적게 함과 아울러 접촉면적이 적으므로 집중하중에 의한 힘의 전달을 유도할 수 있기 때문이다.

또한 첨부도면 도 5에 도시된 바와 같이 고정브라켓(200)의 고정판(210) 길이를 연장시켜 고정봉(212)을 1개이상 형성시키고 다수개 형성된 각각의 고정봉(212)에는 탄성수단(300)을 설치하여 탄성수단(300)의 수를 많게 하면 자연히 탄성계수가 높아져 회전력 또한 증가된다.

상기 탄성부재(300)의 형태를 원추형, 원뿔형으로 구조를 변경하여 사용할 수도 있다.

한편, 본 발명은 내연기관중 가솔린 엔진을 사용하는 차량을 예로써 설명하고 있으나 이는 가솔린 엔진에 한정하는 것이 아니라 디젤엔진을 사용하는 차량, 선박 엔진, 항공기 엔진, 기관차의 엔진 및 오토바이와 같은 2행정 엔진에 적용하여 사용할 수 있다.

상기 엔진중 오토바이와 같은 2행정 엔진의 경우에는 속도를 60km/hr로 정속주행시 본 발명의 크랭크 샤프트의 회전모멘트 증가장치를 미장착엔진 경우 1리터당 48km를 주행할 수 있으나 본 발명의 증가장치를 장착한 엔진 경우에는 1리터당 127km를 주행할 수 있다.

상기 본 발명의 크랭크 샤프트의 회전력 증가방법 및 그 장치를 회전운동하는 풀라이 휠이나 바퀴에 장착하여 사용할 수도 있다.

이상과 같이 구성되어 작동하는 본 발명인 회전체의 회전모멘트 증가방법 및 장치는 크랭크샤프트의 밸런스 웨이트와 크랭크 핀에 고정브라켓과 모멘트전달링을 고정하고 그 사이에 탄성수단을 설치하여 탄성수단의 반발력에 의해 원내에서 작용/반작용을 소멸시키지 않고 회전운동으로 전환시켜 크랭크샤프트(회전체)의 회전력을 증가시켜 연료의 소비를 약30-50% 절감시키도록 하는 효과가 있다.

Claims

크랭크샤프트의 밸런스 웨이트와 크랭크 핀에 고정봉이 형성된 고정브라켓과 모멘트전달링을 고정하고 그 사이에 탄성수단을 설치하여 탄성수단의 반발력에 의해 원내(크랭크샤프트의 회전범위)에서 모멘트전달링이 크랭크 핀을 중심으로 작용/반작용을 소멸시키지 않고 회전하여 수직으로 작용되는 탄성력을 회전운동으로 전환시키는 것을 특징으로 하는 회전체의 회전력 증가방법.
제 1 항에 있어서, 상기 탄성수단의 탄성계수에 의하여 회전력(회전모멘트)를 조절하는 것을 특징으로 하는 회전체의 회전력 증가방법.
제 1 항에 있어서 상기 고정브라켓의 고정판의 길이를 연장시켜 고정봉을 1개이상 형성시키고 다수개 형성된 고정봉에는 탄성수단이 설치된 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 회전체의 회전력 증가방법.
제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄성수단의 탄성계수가 크랭크샤프트의 초기 회전력보다 작은 것을 특징으로 하는 회전체의 회전력 증가방법.
제 1 항에 있어서, 상기 스토퍼 핀의 중심선과 크랭크 저널의 중심선이 평행한 것을 특징으로 하는 회전체의 회전력 증가방법.
크랭크샤프트의 크랭크 저널에 축설되는 통공을 형성한 몸체를 중심으로 일측에는 길이가 길게 형성된 제1로드부가 일체로 형성되고 제 1로드부의 타측으로는 길이가 짧게 형성된 제2로드부가 형성된 모멘트전달링과;

크랭크 샤프트의 밸런스 웨이트 일측단에는 소정의 두께를 갖는 판형의 고정판의 양측단에는 고정공을 형성하며 이 고정공 사이에는 고정판과 수직으로 직교하는 고정봉으로 이루어진 고정브라켓과;

상기 고정브라켓의 고정봉에는 고정봉의 길이보다 길이가 길게 형성된 탄성수단과;

상기 제2로드부의 일면과 접하면서 크랭크 샤프트에서 돌출 형성된 스토퍼핀으로 이루어진 회전체의 회전력 증가장치.
제 6 항에 있어서, 상기 모멘트전달링은 길이방향으로 제1모멘트전달링부재와 제2모멘트전달링부재로 나누어지는 분리형인 것을 특징으로 하는 회전체의 회전력 증가장치.
제 6 항에 있어서, 상기 탄성수단이 원추형, 원뿔형인 것을 특징으로 하는 회전체의 회전력 증가장치.
제 1 항에 있어서, 상기 고정봉의 끝단에는 스프링리테이너를 설치하고 스프링리테이너와 제1로드부 사이에 볼 베어링을 설치한 것을 특징으로 하는 회전체의 회전력 증가장치.
제 6 항에 있어서, 상기 회전모멘트 증가장치가 장착된 크랭크샤프트가 플라이 휠 또는 차량을 정지시키는 브레이크 드럼인 것을 특징으로 하는 회전체의 회전력 증가장치.