KR20020085514A - 중공식 밸브 스프링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공식 밸브 스프링에 관한 것으로서,

금속선을 나선형태로 권회하여서 된 밸브스프링에 있어서,

상기 금속선을 그 내부가 비어있는 중공타입으로 형성하여 동일 중량대비 스프링탄성이 강해지도록 한 것을 특징으로 하여 기존의 밸브스프링과 동일 중량을 갖는 스프링을 형성하더라도 그 스프링의 탄성력이 더욱 강해지도록 하고, 또 금속선의 내경의 크기를 가변시킴에 따라 생산되는 밸브 스프링의 탄성력이 조절되며, 전체적인 밸브스프링을 구성하는 금속선의 내경을 단계적으로 감소시키므로서 전체적으로 볼때 각 높이마다 서로 다른 탄성력을 가지는 밸브 스프링을 구현할 수 있도록 한 중공식 밸브 스프링에 관한 것이다.

Description

중공식 밸브 스프링{Valve spring}

본 발명은 중공식 밸브 스프링에 관한 것으로서, 특히 기존의 밸브스프링과 동일 중량을 갖는 스프링을 형성하더라도 그 스프링의 탄성력이 더욱 강해지도록 하고, 또 금속선의 내경의 크기를 가변시킴에 따라 생산되는 밸브 스프링의 탄성력이 조절되며, 전체적인 밸브스프링을 구성하는 금속선의 내경을 단계적으로 감소시키므로서 전체적으로 볼때 각 높이마다 서로 다른 탄성력을 가지는 밸브 스프링을 구현할 수 있도록 한 중공식 밸브 스프링에 관한 것이다.

현재 엔진에는 연소실로 공급되는 흡기의 단속과 연소 후 발생된 배기가스의 배출 단속을 위한 복수개의 밸브가 설치되어 있고, 이러한 밸브는 별도의 밸브 스프링에 의해 탄발 지지된 상태로 캠에 의해 하강한 후 밸브 스프링에 의해 원상태로 복귀되도록 동작한다.

종래의 밸브스프링(30)은 속이 찬 금속선(31)을 나선 형태로 감아서 구성한다.

종래 밸브스프링(30)의 강성은 금속선의 굵기, 재질, 열처리방법 등에 따라 달라지며, 밸브스프링의 강성을 바꾸기 위해서는 주로 스프링을 구성하는 금속선(31)의 굵기를 증가시키는 방법을 사용하는 것이 일반적이다.

그러나, 상기와같이 밸브스프링(30)의 탄성력을 증가시키기 위해 금속선의 굵기를 증가시키게 되면 밸브계의 무게가 증가하게되어 엔진에 부하로서 작용하게되는 문제점이 발생하게되고, 또 밸브스프링의 탄성력을 너무 약하게 설정하면 캠 회전수가 약 1500rpm을 넘어설경우 밸브의 점핑 현상이 발생하는 문제점이 있었다.

밸브의 점핑 현상은 캠 프로파일에 따라 캠이 밸브를 눌러주는 위치와 속도가 정해지는데, 이때 밸브의 관성력에 의해 캠이 누르는 힘보다 밸브거 하강하여 캠면과 밸브 상면 사이에 틈이 발생하는 현상을 말하며, 이러한 점핑 현상은 밸브계의 관성력(질량)에 비해 밸브에 적용된 밸브스프링의 탄성력이 작아서 발생하게 된다.

상기와같은 문제점을 해결하기 위해 현장에서는 도 1 과같이 이중구조를 갖는 밸브스프링을 사용한다.

이중구조의 밸브스프링은 서로다른 굵기의 금속선으로 형성되고, 서로다른 탄성력을 가지는 제 1 밸브스프링(32)과 제 2 밸브스프링(33)을 중복되게 설치한 것이다.

도 1 에는 큰 탄성력(k1)을 가지는 제 1 밸브스프링(32)의 내측으로 작은 탄성력(k2)을 가지는 제 2 밸브스프링(33)이 설치되고, 상기 제 1 밸브스프링(32)이 제 2 밸브스프링(33) 보다 일정높이(a) 높게 형성된다.

따라서, 부하에 의해 제 1 밸브스프링(32)이 일정높이(a) 만큼 압축될때 까지는 제 1 밸스프링(32)의 탄성력이 부하에 가해지고, 만약 부하에 의한 압축 높이기 일정높이(a)를 넘어서게되면 그때부터는 제 1 밸브스프링(32)의 탄성력(k1)에 제 2 밸브스프링(33)의 탄성력(k2)이 보강되어 부하에 가해지므로서 보다 강한 탄성력이 부하에 전달되게 된다.

이러한 이중구조의 밸브스프링의 경우 압축 높이에 따라 부하에 전달되는 탄성력이 강해지게되므로, 엔진의 밸브계에 적용될때 밸브의 점핑현상 발생 회전수(rpm)를 훨씬 높일 수 있는 효과를 기대할 수 있는 반면, 밸브스프링의 구조가 매우 복잡해질 뿐만 아니라 밸브스프링의 무게가 더욱 증가하게되어 결국에는 밸브계의 중량이 증가하고, 이에의해 엔진에 부하로서 작용하게되어 엔진의 출력특성이 감소하게되는 문제점이 발생하고 있었다.

따라서, 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 속이 비어있는 관형태의 금속선을 이용하여 밸브 스프링을 형성하므로서, 기존의 밸브스프링과 동일 중량을갖는 스프링을 형성하더라도 그 스프링의 탄성력이 더욱 강해지도록 하고, 또 금속선의 내경의 크기를 가변시킴에 따라 생산되는 밸브 스프링의 탄성력이 조절되며, 전체적인 밸브스프링을 구성하는 금속선의 내경을 단계적으로 감소시키므로서 전체적으로 볼때 각 높이마다 서로 다른 탄성력을 가지는 밸브 스프링을 구현할 수 있도록 한 중공식 밸브 스프링을 제공함을 목적으로 한다.

상기 목적달성을 위한 본 발명은,

금속선을 나선형태로 권회하여서 된 밸브스프링에 있어서,

상기 금속선을 그 내부가 비어있는 중공타입으로 형성하여 동일 중량대비 스프링탄성이 강해지도록 한 것을 특징으로 한다.

그리고 금속선의 내경을 가변시킴에 따라 스프링 탄성이 가변되며, 전체 금속선 중에서 상측으로부터 일정높이 까지의 내경과 그 이하부터의 내경을 서로 상이하게 형성하여 1개의 밸브스프링으로서 이중밸브 스프링의 특성을 구현할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

또한 금속선의 내경이 아래쪽으로 갈수록 점차 감소되도록 하여 전체 밸브스프링의 스프링탄성 특성이 높이에 따라 선형적으로 증가되도록 한 것을 특징으로 한다.

도 1 은 종래의 이중 밸브스프링을 보인 도면.

도 2 는 본 발명의 중공식 밸브 스프링을 보인 도면.

도 3 은 본 발명의 다른 실시예를 보인 도면.

도 4 는 본 발명에 적용된 다른 실시예의 스프링 탄성변화를 보인 그래프.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 밸브 스프링 2 : 금속선

R : 외경 r : 내경

도 2 내지 도 4 는 본 발명의 중공식 밸브스프링을 도시한 것으로서, 이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 가장 큰 특징은 밸브스프링(1)을 형성할때 속이 비어있는 중공형의 금속선(2)을 나선형태로 구성한 것이다.

금속선(2)을 중공형으로 형성하면 종래의 속이 꽉찬 타입에 비해 극관성모멘트가 커지게되고, 이에의해 동일중량일때 중공형의 금속선(2)으로 제작된 밸스프링(1)의 탄성이 더욱 강해지는 특징이 있다.

일반적으로 동일 중량을 가지는 중공형의 밸브스프링(1)과 속이 꽉찬 금속선으로 제작된 밸브스프링의 탄성계수(Kf1,Kf2)는 다음의 식에 의해 구해지게된다.

속이 꽉찬 종래의 금속선으로 제작된 밸브스프링의 탄성계수 Kf1는

로 나타나며,

중공형의 금속선(2)으로 제작된 밸브스프링(1)의 탄성계수 Kf2는

[단; r_i는 금속선(2)의 내경, r_o는 금속선(2)의 외경]

로 나타난다.

상기 수식에서 알 수 있듯이 속이꽉찬 금속선으로 제작되는 밸브스프링과 본 발명의 중공형 금속선(2)으로 제작된 밸브스프링(1)의 중량이 동일할 경우 각 밸브스프링의 탄성계수는 금속선의 반경, 내경, 외경에 좌우됨을 알 수 있다.

즉, 중공형으로 제작되는 밸브스프링(1)은 그 내부가 비어있게 되므로 속이 꽉찬 것에 비해 그 외경이 더 크기 마련이며,의 값이 항상 (+)의 값을 가지게되므로 중공형으로 제작되는 밸브스프링(1)의 탄성계수가 훨씬 크게된다.

또 본 발명의 밸브스프링(1)을 이용하게되면 금속선(2)의 내경(r_i)의 크기를가변시킴에 따라 밸브스프링(1)의 탄성계수를 가변시킬 수 있게된다.

예를들어, 도 2 에 도시된 바와같이 전체 밸브스프링(1) 중에서 일정구간의 내경(r_i-1)의 크기와 그 하측의 내경(r_i-2)의 크기를 서로 상이하게 설정하면, 전체 밸브스프링(1)의 탄성계수가 내경의 크기에 따라 k3,k4로 구분되게 되어 종래에 적용되는 이중구조의 밸브스프링과 같은 효과를 기대할 수 있다.

즉, 도 2 에 도시된 바와같이 밸브스프링(1) 상측의 내경(r_i-1)을 크게 설정하고, 하측의 내경(r_i-2)을 작게 설정하면, 상측의 스프링상수 k3 보다 하측의 스프링상수 k4 가 더 커지게된다.

따라서, 부하에 의해 밸브스프링(1)이 그 상측부터 압축되게되면, 어느정도의 높이(스프링상수 k3의 높이) 까지 압축될때까지는 전체 스프링탄성력(k3k4/k3+k4)이 부하에 전달되고, 상기 높이를 넘어서게되면 그다음부터는 내경(r_i-2)에 의해 설정된 스프링상수 k4 가 부하에 전달되는 것이다.

즉, 도 2 에 도시된 밸브스프링(1)은 상부와 하부가 서로 다른 탄성계수(k3,k4)를 가지고 있으며, 서로 직렬로 연결되어 있으므로 전체의 합계 스프링탄성계수는 "k3k4/k3+k4" 가 된다.

부하에 의한 압축량이 점점 많아지면 상대적으로 강성이 약한 상부에서 스프링 외경 끼리 먼저 닿게되고, 이때에 부하에 가해지는 탄성력은 "k3k4/k3+k4" 가 되며, 이후 부하에 의해 밸브스프링이 더욱 압축되면 스프링(1)의 상부는 강체처럼 작용하여 부하에 전달되는 탄성계수는 k4가 되므로서, 도 2 와같이 형성된 밸브스프링(1)은 이중구조를 갖는 스프링과 동일한 특성을 갖게되는 것이다.

한편, 본 발명을 이용하면 밸브스프링의 강성을 연속적으로 변경할 수 있다.

즉, 도 3 과같이 밸브스프링(1)을 구성하는 금속선(2)의 내경(r1~r5)이 점차 감소되도록 하므로서, 밸브스프링(1)의 탄성계수가 선형적으로 가변되도록 할 수 있게된다.

상기 도 3 에는 금속선(2)의 내경(r1~r5)이 하측으로 갈수록 점차 감소되도록 하므로서 밸브스프링(1)이 압축될수록 밸브스프링(1)의 탄성력이 점차 강해지는 특징을 가지며, 이 밸브스프링(1)의 탄성계수 특성은 도 4 에 도시된 바와같이 선형적으로 증가하는 특성을 가지게되는 것이다.

본 발명의 중공식 밸브스프링을 엔진의 밸브계에 적용하게되면, 밸브계의 질량을 동일하게 유지하면서 밸브스프링의 비틀림 강성을 매우 크게 할 수 있으므로 밸브 점핑현상이 발생하는 캠 회전수를 훨씬 높일 수 있으며,

또한 스프링의 질량대비 스프링 강성을 높이면 스프링과 배브계의 고유진동수를 높일 수 있고, 이는 NVH 개선의 측면에 크게 기여할 수 있다.

또한 동일한 스프링 질량으로 스프링 강성을 자유롭게 변경할 수 있고, 아울러 주어진 스프링 강성을 만족하는 스프링에서 질량을 조절할 수 있기 때문에 NVH에서 문제가 되는 주파수를 피해갈 수 있으므로 밸브계 설계시 능동적인 대처가 가능해지게 된다.

이상에서 설명한 바와같이 본 발명은 속이 비어있는 관형태의 금속선을 이용하여 밸브 스프링을 형성하므로서, 기존의 밸브스프링과 동일 중량을 갖는 스프링을 형성하더라도 그 스프링의 탄성력이 더욱 강해지도록 하고, 또 금속선의 내경의 크기를 가변시킴에 따라 생산되는 밸브 스프링의 탄성력이 조절되며, 전체적인 밸브스프링을 구성하는 금속선의 내경을 단계적으로 감소시키므로서 전체적으로 볼때 각 높이마다 서로 다른 탄성력을 가지는 밸브 스프링을 구현할 수 있도록 한 중공식 밸브 스프링을 제공하는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (4)

1. 금속선을 나선형태로 권회하여서 된 밸브스프링에 있어서,

   상기 금속선을 그 내부가 비어있는 중공타입으로 형성하여 동일 중량대비 스프링탄성이 강해지도록 한 것을 특징으로 하는 중공식 밸브스프링.
2. 제 1 항에 있어서,

   금속선의 내경을 가변시킴에 따라 스프링 탄성이 가변되는 것을 특징으로 하는 중공식 밸브스프링.
3. 제 1 항에 있어서,

   전체 금속선 중에서 상측으로부터 일정높이 까지의 내경과 그 이하부터의 내경을 서로 상이하게 형성하여 1개의 밸브스프링으로서 이중밸브 스프링의 특성을 구현할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 중공식 밸브스프링.
4. 제 1 항에 있어서,

   금속선의 내경이 아래쪽으로 갈수록 점차 감소되도록 하여 전체 밸브스프링의 스프링탄성 특성이 높이에 따라 선형적으로 증가되도록 한 것을 특징으로 하는 중공식 밸브스프링.