KR20040058618A - balancing structure for 3-cylinder offset engines - Google Patents

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    • F16F15/28Counterweights, i.e. additional weights counterbalancing inertia forces induced by the reciprocating movement of masses in the system, e.g. of pistons attached to an engine crankshaft; Attaching or mounting same

Abstract

PURPOSE: A balanced structure is provided to minimize the vibration and the noise by offsetting the change of the inertia and the inertia moment through the reset of an installed angle of a balance weight. CONSTITUTION: The weight center of a balance weight for a rotary inertia moment is arranged outside toward the lengthwise center of a crankshaft and arranged in the faced position toward the radius of the crankshaft at 150degrees from the weight center of first and third crank arms(12,12'). The balance weight for a rotary inertia moment balances the rotary inertia moment from a rotary weight of a crank device. The weight center of a balance weight for a primary reciprocation inertia moment is arranged inside toward the lengthwise center of the crankshaft and arranged in the faced position toward the radius of the crankshaft within 150degrees plus/minus a certain angle from the weight center of first and third crank arms. The balance weight for the primary reciprocation inertia moment balances the primary reciprocation inertia moment as a primary component of a reciprocation inertia moment from a reciprocation weight of the crank device. Thereby, an engine balance from the change of the inertia and the inertia moment is devised.

Description

3기통 오프셋 엔진의 평형 구조{balancing structure for 3-cylinder offset engines}Balancing structure for 3-cylinder offset engines}

본 발명은 3기통 오프셋 엔진의 평형 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실린더 보어와 피스톤 사이의 측력 감소를 위해 크랭크 축의 중심과 실린더 보어의 중심 사이의 오프셋 설계시 엔진의 왕복 질량과 회전 질량에 따른 관성력의 변화로부터 기인되는 관성 모멘트의 불평형을 밸런스 웨이트의 장착 각도의 변경을 통해 해소함으로써, 엔진 평형을 도모할 수 있도록 하는 3기통 오프셋 엔진의 평형 구조에 관한 것이다.The present invention relates to an equilibrium structure of a three-cylinder offset engine, and more particularly, in accordance with the reciprocating mass and rotational mass of the engine in the offset design between the center of the crankshaft and the center of the cylinder bore to reduce the side force between the cylinder bore and the piston. This invention relates to a balanced structure of a three-cylinder offset engine capable of achieving an engine balance by resolving an unbalance of an inertia moment resulting from a change in inertia force by changing a mounting angle of a balance weight.

일반적으로 엔진으로 지칭되는 내연 기관은 연소실내에서 연료와 공기가 적정의 비율로 혼합된 혼합기의 연소에 따라 발생되는 폭발력을 매개로 왕복 운동을 행하는 피스톤과, 이 피스톤과 커넥팅 로드를 매개로 연결되어 회전 운동을 행하는 크랭크 기구로 구성된다.Internal combustion engines, commonly referred to as engines, are connected to each other by a piston that reciprocates through the explosive force generated by combustion of a mixer in which fuel and air are mixed at an appropriate ratio in the combustion chamber, and the piston and the connecting rod are connected to each other. It is comprised by the crank mechanism which performs a rotational motion.

그 중에서 실린더 보어의 수량이 세 개인 3기통 엔진에 있어 상기 크랭크 기구의 구성은 도 1에 도시된 바와 같이, 크랭크 축(10)상에 순차적으로 3개의 1번,2번,3번 크랭크 아암(12,12',12")이 각각 방사상으로 등간격(120°)을 두도록 장착되고, 상기 1번과 3번 크랭크 아암(12,12")에 각각 소정 중량의 밸런스 웨이트(14)가 각각 한 쌍씩 부착되어 있는 바, 이 밸런스 웨이트(14)는 상기 1번 크랭크 아암(12)측에 구비된 제1,제2밸런스 웨이트(14a,14b)와, 상기 3번 크랭크 아암(12)측에 구비된 제3,제4밸런스 웨이트(14c,14d)로 이루어진다.Among them, in the three-cylinder engine having three cylinder bores, the configuration of the crank mechanism is three first, second and third crank arms sequentially on the crank shaft 10 as shown in FIG. 12, 12 'and 12 "are radially equidistantly spaced (120 [deg.]), Respectively, and the balance weights 14 of predetermined weight are respectively applied to the first and third crank arms 12 and 12". Bars are attached in pairs, and the balance weights 14 are provided on the first and second balance weights 14a and 14b provided on the first crank arm 12 side, and on the third crank arm 12 side. And third and fourth balance weights 14c and 14d.

여기서, 상기 다수개의 밸런스 웨이트(14)는 1번에서 3번 크랭크 아암(12,12',12")이 피스톤의 폭발 행정시 커넥팅 로드를 통해 구동력을 전달받아 회전함에 있어, 상기 크랭크 축(10)의 전장에 걸쳐 발생하는 동적 평형(dynamic balance)을 맞춰 주는 역할을 하게 된다.Here, the plurality of balance weights 14 is the crank shaft 10 in the first to third crank arms (12, 12 ', 12 ") is rotated by receiving the driving force through the connecting rod during the explosion stroke of the piston, It will serve to balance the dynamic balance that occurs over the entire battlefield.

또한, 상기 4개의 밸런스 웨이트(14)는 이의 중량 중심이 크랭크 축(10)을 중심으로 하여 도 2에 도시된 바와 같이, 각각 1번과 3번 크랭크 아암(12,12")의 중량 중심으로부터 150°의 각도를 두고 배치되어 있는 바, 이는 크랭크 축(10)의 동적 평형을 고려한 설계의 개념으로부터 설정된 것이다.In addition, the four balance weights 14 have their centers of gravity from the centers of gravity of the first and third crank arms 12, 12 ", respectively, as shown in FIG. 2 with respect to the crankshaft 10. FIG. It is arranged at an angle of 150 °, which is set from the concept of design taking into account the dynamic balance of the crankshaft 10.

즉, 상기 1번 크랭크 아암(12)으로부터 150°의 각도를 두고 제1,제2밸런스 웨이트(14a,14b)가 배치되고, 상기 1번 크랭크 아암(12)으로부터 120°의 각도를 두고 이격된 3번 크랭크 아암(12")에는 이로부터 150°의 각도를 두고 제3,제4밸런스 웨이트(14c,14d)가 각각 배치되어 있다.That is, the first and second balance weights 14a and 14b are disposed at an angle of 150 ° from the first crank arm 12, and are spaced apart at an angle of 120 ° from the first crank arm 12. The third and fourth balance weights 14c and 14d are arranged on the third crank arm 12 "at an angle of 150 degrees therefrom.

그러나, 상기와 같은 구조의 종래 3기통 엔진, 보다 구체적으로는 크랭크축(10)의 중심과 실린더 보어의 중심이 서로 일치하는 비-오프셋(none-offset) 엔진에서는, 혼합기의 연소에 따른 엔진의 폭발 행정시 피스톤이 실린더의 내부를 왕복 운동함에 있어 실린더 보어의 트러스트측 벽면으로 가압하는 측력이 유발되는 바, 이러한 측력은 피스톤과 실린더 보어 사이의 마찰에 의한 구동력의 손실을 초래하여 연비를 악화시키게 된다.However, in the conventional three-cylinder engine having the above-described structure, more specifically in the non-offset engine where the center of the crankshaft 10 and the center of the cylinder bore coincide with each other, In the explosion stroke, the piston reciprocates the inside of the cylinder, causing a lateral force to press against the thrust wall of the cylinder bore, which in turn causes a loss of driving force due to friction between the piston and the cylinder bore, resulting in worse fuel economy. do.

이에 따라, 종래에는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 크랭크 축(10)의 중심(O)이 상기 실린더 보어(16)의 중심(O')에서 소정량(e) 만큼 편심(오프셋; offset)되어, 엔진의 폭발 행정시 상기 피스톤(18)이 실린더 보어(16)의 트러스트측 벽면을 미는 측력(Fs;side force)을 감소시키는, 이른 바 3기통 오프셋 엔진이 제안되었는 바, 이러한 3기통 오프셋 엔진에서는 폭발 행정시 상기 피스톤(18)이 실린더 보어(16)의 트러스트측 벽면을 미는 측력(Fs)이 오프셋되지 않은 엔진에 비해 감소하게 되어 마찰 손실의 저감을 도모할 수 있으며, 아울러 폭발 행정의 전반에 걸쳐 상기 피스톤(18)의 이동 속도의 감소에 의한 연소의 촉진(주연소 기간의 단축) 효과를 통해 연비의 향상을 도모할 수 있게 된다.Accordingly, as shown in FIG. 3, the center O of the crankshaft 10 is eccentric by a predetermined amount e from the center O 'of the cylinder bore 16. Thus, a so-called three-cylinder offset engine has been proposed, in which the piston 18 reduces the side force (Fs) that pushes the thrust-side wall of the cylinder bore 16 during an explosion stroke of the engine. In the engine, the lateral force (Fs) that pushes the thrust wall of the cylinder bore 16 of the cylinder bore 16 during the explosion stroke is reduced compared to the engine that is not offset, thereby reducing frictional losses. Through the effect of promoting combustion (shortening of the main combustion period) by reducing the moving speed of the piston 18, the fuel economy can be improved.

즉, 엔진의 폭발 행정에 따른 상기 피스톤(18)의 하강 운동시 크랭크 축(10)의 중심(O)이 오프셋되어 있는 경우에 발생되는 측력(Fs)은 상기 크랭크 축(10)의 중심(O)이 오프셋되지 않은 경우에 발생되는 측력(Fs)에 비해 각각 점선과 실선으로 도시된 바와 같이 감소함을 알 수 있는 바, 여기서 상기 측력(Fs)은 피스톤(18)의 하강 운동시 커넥팅 로드(20)를 통해 크랭크 아암(12)으로 전달되는 하중에 대한 수평 방향의 분력에 해당되는 것이다.That is, the side force Fs generated when the center O of the crankshaft 10 is offset during the downward movement of the piston 18 according to the explosion stroke of the engine is the center O of the crankshaft 10. It can be seen that as shown by the dashed line and the solid line, respectively, compared to the side force (Fs) generated when the offset is not offset, where the side force (Fs) is the connecting rod ( It corresponds to the horizontal component of the load on the load transmitted to the crank arm 12 through 20).

그리고, 엔진에 있어 연비와 관련된 기계 마찰에 의한 손실중 상당 부분이 상기 측력(Fs)에 의한 것으로 알려져 있는 바, 이로 인해 상기와 같은 측력(Fs)에 의한 마찰 손실의 저감은 엔진의 가동시 연비의 향상을 도모할 수 있는 요인이 되므로, 통상의 엔진의 경우에 있어 상기 크랭크 축(10)의 중심(O)은 실린더 보어(16)의 중심(O')으로부터 소정량(e) 만큼 오프셋되도록 설계되어, 상기 실린더 보어(16)와 피스톤(18) 사이의 측력(Fs) 저감에 의한 마찰 손실의 축소로부터 연비의 향상을 도모하고 있는 실정이다.In addition, since a large part of the loss due to mechanical friction related to fuel economy is known to be caused by the side force (Fs), the reduction of the friction loss caused by the side force (Fs) as described above is a fuel economy when the engine is running. In the case of a normal engine, the center O of the crankshaft 10 is offset by a predetermined amount e from the center O 'of the cylinder bore 16 in the case of a normal engine. It is designed to improve the fuel economy from the reduction of friction loss due to the reduction of the side force Fs between the cylinder bore 16 and the piston 18.

그러나, 상기와 같이 크랭크 축(10)의 중심(O)을 상기 실린더 보어(16)의 중심(O')으로부터 소정량(e)으로 오프셋시키는 경우에 있어, 상기 피스톤(18)의 상승 운동시에는 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 실린더 보어(16)와 피스톤(18) 사이에서 상기 피스톤(18)을 실린더 보어(16)의 안티-트러스트측 벽면으로 밀게 하는 측력(Fs), 즉 폭발 행정시에 비해 반대 방향으로 작용하는 측력(Fs)이 비-오프셋의 경우에 비해 각각 점선과 실선으로 도시된 바와 같이 오히려 크게 증가하게 되는 데, 이와 같이 상기 피스톤(18)의 왕복 운동의 방향에 따라 상기 실린더 보어(16)의 트러스트측과 안티-트러스트측 벽면으로 각각 교번적으로 발생하게 되는 측력(Fs)은 오프셋량은 물론 엔진의 회전수와 부하 조건에 따라 그 크기(실선 및 점선으로 도시됨)가 상이할 뿐만 아니라, 엔진의 가동중 규칙적인 진동으로 작용하게 되므로, 엔진의 NVH 측면에서 고려해 볼 때 바람직하지 못한 결과를 초래하게 된다.However, in the case where the center O of the crankshaft 10 is offset from the center O 'of the cylinder bore 16 by a predetermined amount e as described above, when the piston 18 moves up, 4, the side force Fs, ie, the explosion stroke, which pushes the piston 18 to the anti-trust side wall of the cylinder bore 16, between the cylinder bore 16 and the piston 18. The side force (Fs), which acts in the opposite direction as compared to the time, increases rather as shown by the dashed line and the solid line, respectively, as compared to the case of non-offset. Thus, according to the direction of the reciprocating motion of the piston 18 The side force (Fs) generated alternately to the thrust side and the anti-trust side wall surface of the cylinder bore 16 is shown according to the rotation amount and the load condition of the engine, as well as the magnitude (solid and dashed lines). ) Is not only different, but also Since it acts as a regular vibration during operation, it may cause undesirable results when considering the NVH side of the engine.

따라서, 상기 크랭크 축(10)의 중심(O)과 상기 실린더 보어(16)의 중심(O')을 각각 오프셋시킴에 있어 최적의 오프셋량을 설정하기 위해서는, 상기 피스톤(18)의 상승 및 하강 운동시 각각 상기 실린더 보어(16)의 트러스트측과 안티-트러스트측 벽면에 각각 가해지는 측력(Fs)의 정도를 감안하여, 적정한 수준으로 이루어져야 한다.Therefore, in order to set the optimum offset amount in offsetting the center O of the crankshaft 10 and the center O 'of the cylinder bore 16, the piston 18 is raised and lowered. In consideration of the degree of side force (Fs) applied to the thrust side and the anti-trust side wall of the cylinder bore 16, respectively, during the movement, it should be made at an appropriate level.

이와 같이, 상기 크랭크 축(10)의 중심(O)이 상기 실린더 보어(16)의 중심(O')으로부터 소정량(e) 만큼 편심된 소위 오프셋 엔진에서는 상기 피스톤(18)으로부터 실린더 보어(16)로 전달되는 측력(Fs)이 감소됨에 따른 연비의 향상을 도모할 수 있다는 장점을 가짐에도 불구하고, 비 오프셋(none-offset) 엔진에 비해 다른 크랭크 기구의 구조를 갖기 때문에, 작동시 상기 피스톤(18)의 변위와 속도 및 가속도에 주목할 만한 변화를 초래하게 된다.In this way, in the so-called offset engine in which the center O of the crankshaft 10 is eccentric from the center O 'of the cylinder bore 16 by a predetermined amount e, the cylinder bore 16 from the piston 18 The piston in operation has a structure of another crank mechanism compared to a non-offset engine, although it has the advantage of improving the fuel efficiency as the side force (Fs) transmitted to) is reduced. This results in a noticeable change in the displacement, velocity and acceleration of (18).

특히, 그 중에서 상기 가속도의 변화는 엔진의 왕복 질량(reciprocation mass; 커넥팅 로드(20)의 소단부를 일부 포함하는 피스톤(18) 부위의 질량임)과 회전 질량(rotation mass; 커넥팅 로드(20)의 대단부를 일부 포함하면서 크랭크 아암(12)과 밸런스 웨이트(14) 부위의 전체 질량임) 중에서 특별히 왕복 질량에 의한 왕복 관성력 및 왕복 관성 모멘트의 크기와 방향의 변화를 유발하게 되며, 이로 인해 상기 피스톤(18)에서 크랭크 축(10)에 이르는 각 연결부에 작용하는 힘의 크기와 방향이 기존의 비 오프셋 엔진과 차이를 나타내게 되고, 예컨대 커넥팅 로드(20)의 요동 운동에 있어 변화를 유발하게 되고, 엔진 전체를 고려해 볼 때 엔진 평형(engine balancing)과 관계된 관성력(inertia)과 관성 모멘트(moment of inertia)의 변화를 통한 크랭크 축(10)의 고유 진동수의 변화를 유발하여, 차량의NVH 특성을 변화시키게 된다.In particular, the change in acceleration is the reciprocation mass of the engine (the mass of the portion of the piston 18 including the small end of the connecting rod 20) and the rotation mass (connecting rod 20). The total mass of the crank arm 12 and the balance weight 14 portion, including a part of the large end of the reciprocating mass, which causes a change in the magnitude and direction of the reciprocating inertia force and the reciprocating moment of inertia by the reciprocating mass. The magnitude and direction of the force acting on each connection portion from 18 to crankshaft 10 is different from the existing non-offset engine, for example, causing a change in the swinging motion of the connecting rod 20, Considering the entire engine, the natural frequency of the crankshaft 10 can be changed by changing the inertia and moment of inertia related to engine balancing. Thus, the NVH characteristics of the vehicle are changed.

따라서, 상기 크랭크 축(10)의 중심(O)을 상기 실린더 보어(16)의 중심(O')으로부터 소정량(e)으로 편심시키는 오프셋 엔진의 적용시에는, 각 연결부에 작용하는 하중의 변화와 함께 엔진 평형에 대한 재검토가 요구되는 바, 이는 엔진의 왕복 질량과 회전 질량의 변화에 따른 각각의 관성력과 관성 모멘트의 변화로부터 기인되는 엔진 평형의 변화와, 이로부터 엔진을 포함하는 파워 트레인 계통에서 수반되는 이상 진동 및 소음의 발생을 줄이기 위함이다.Therefore, in the application of an offset engine for eccentric the center O of the crankshaft 10 from the center O 'of the cylinder bore 16 by a predetermined amount e, a change in the load acting on each connecting portion. In addition, a review of the engine balance is required, which includes changes in engine balance resulting from changes in the respective inertia forces and moments of inertia with changes in the reciprocating and rotational masses of the engine, from which the power train system includes the engine. This is to reduce the occurrence of abnormal vibrations and noise in the system.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 엔진의 크랭크 축 중심을 실린더 보어의 중심으로부터 오프셋시켜 피스톤의 폭발 행정중 실린더 보어와 피스톤 사이에서 마찰에 따른 측력의 감소를 통해 연비의 향상을 도모함에 있어, 크랭크 축 중심의 오프셋에 따라 수반되는 엔진의 왕복 질량과 회전 질량의 변화에 따른 관성력과 관성 모멘트의 변화를 밸런스 웨이트의 설치 각도의 재설정을 통해 상쇄시켜 엔진의 가동중 발생되는 이상 진동과 그에 따른 소음의 발생을 최소화할 수 있도록 하는 3기통 오프셋 엔진의 평형 구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above, and improves fuel economy by reducing the side force due to friction between the cylinder bore and the piston during the explosion stroke of the piston by offsetting the center of the crankshaft of the engine from the center of the cylinder bore. In order to reduce the change of the inertia force and moment of inertia caused by the change of the reciprocating and rotational mass of the engine according to the offset of the crankshaft center offset by resetting the installation angle of the balance weight, The purpose is to provide a balanced configuration of a three-cylinder offset engine that can minimize the generation of vibration and hence noise.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 크랭크 축상에 순차적으로 1번,2번,3번 크랭크 아암이 각각 방사상으로 등간격을 두고서 장착되고, 상기 1번 크랭크 아암측에 제1,제2밸런스 웨이트가 배치되며, 상기 3번 크랭크 아암측에제3,제4밸런스 웨이트가 배치되어 이루어지는 3기통 오프셋 엔진에 있어서, 상기 제1,제4밸런스 웨이트는 이의 중량 중심이 각각 1번과 3번 크랭크 아암의 중량 중심으로부터 150°의 각도를 두고 배치되고, 상기 제2밸런스 웨이트는 1번 크랭크 아암에 대해 150°+Δθ만큼의 이격 각도를 두고 배치되며, 상기 제3밸런스 웨이트는 3번 크랭크 아암에 대해 150°-Δθ만큼의 이격 각도를 두고 배치된 것을 특징으로 한다.According to the present invention for achieving the above object, the first, second, and third crank arms are sequentially radially mounted at equal intervals on the crank shaft, respectively, and the first and second crank arms are arranged on the crank arm side. In the three-cylinder offset engine in which the balance weight is arranged and the third and fourth balance weights are arranged on the third crank arm side, the first and fourth balance weights have their centers of gravity first and third, respectively. Placed at an angle of 150 ° from the center of gravity of the crank arm, wherein the second balance weight is disposed at a separation angle of 150 ° + Δθ with respect to the first crank arm, and the third balance weight is placed on the third crank arm It is characterized in that arranged with a separation angle of about 150 ° -Δθ relative to.

도 1은 종래 비-오프셋 엔진의 크랭크 기구를 개략적으로 도시한 사시도.1 is a perspective view schematically showing a crank mechanism of a conventional non-offset engine.

도 2는 도 1에 도시된 비-오프셋 엔진의 크랭크 기구에 있어, 실린더별 크랭크 아암과 밸런스 웨이트 사이의 이격 각도를 도시한 개념도.FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a separation angle between a crank arm and a balance weight for each cylinder in the crank mechanism of the non-offset engine shown in FIG.

도 3은 오프셋 엔진에 있어 피스톤의 하강 운동시 발생하는 측력을 도시한 개념도.3 is a conceptual view showing the side force generated during the downward movement of the piston in the offset engine.

도 4는 오프셋 엔진에 있어 피스톤의 상승 운동시 발생하는 측력을 도시한 개념도.4 is a conceptual view showing the side force generated during the upward movement of the piston in the offset engine.

도 5는 본 발명에 따른 3기통 오프셋 엔진의 크랭크 기구를 개략적으로 도시한 사시도.5 is a perspective view schematically showing a crank mechanism of a three-cylinder offset engine according to the present invention.

도 6은 도 5에 도시된 오프셋 엔진의 크랭크 기구에 있어, 실린더별 크랭크 아암과 밸런스 웨이트 사이의 이격 각도를 도시한 개념도.6 is a conceptual diagram illustrating a separation angle between a crank arm and a balance weight for each cylinder in the crank mechanism of the offset engine shown in FIG. 5;

도 7은 도 5 내지 도 6에 도시된 크랭크 축상에 밸런스 웨이트의 배치 상태를 도시한 개념도.FIG. 7 is a conceptual diagram showing an arrangement state of a balance weight on the crank axis shown in FIGS. 5 to 6.

도 8 내지 도 16은 각각 본 발명에 따른 3기통 오프셋 엔진의 평형에 있어 크랭크 각 대비 여러 물리적 요소의 변화를 도시한 그래프.8 to 16 are graphs showing changes in various physical elements relative to the crank angle in the equilibrium of a three-cylinder offset engine according to the present invention, respectively.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

10-크랭크 축 12-크랭크 아암10-crank shaft 12-crank arm

14-밸런스 웨이트 16-실린더 보어14-balance weight 16-cylinder bore

18-피스톤 20-커넥팅 로드18-piston 20-connecting rod

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 3기통 오프셋 엔진은 도 3에 도시된 바와 같이, 크랭크 축(10;도 6에 도시됨)의 중심(O)을 실린더 보어(16)의 중심(O')으로부터 소정량(e) 오프셋시켜 폭발 행정시 피스톤(18)이 실린더 보어(16)의 트러스트측 벽면에 가하는 측력(Fs)을 줄이도록 되어 있다.In the three-cylinder offset engine according to the present invention, as shown in FIG. 3, the center O of the crankshaft 10 (shown in FIG. 6) is a predetermined amount e from the center O ′ of the cylinder bore 16. Offset so as to reduce the side force Fs applied to the thrust wall surface of the cylinder bore 16 during the explosion stroke.

이와 같은 3기통 오프셋 엔진에 있어, 크랭크 기구는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 크랭크 축(10)상에 순차적으로 3개의 1번,2번,3번 크랭크 아암(12,12',12")이 각각 방사상으로 등간격(120°)을 두고서 장착되고, 상기 1번과 3번 크랭크 아암(12,12")에 각각 소정 중량의 밸런스 웨이트(14)가 각각 한 쌍씩 부착되어 있는 바, 이 밸런스 웨이트(14)는 상기 1번 크랭크 아암(12)측에 구비된 제1,제2밸런스 웨이트(14a,14b)와, 상기 3번 크랭크 아암(12)측에 구비된 제3,제4밸런스 웨이트(14c,14d)로 이루어진다.In such a three-cylinder offset engine, the crank mechanism has three first, second and third crank arms 12, 12 ', 12 "sequentially on the crank shaft 10, as shown in FIG. Are mounted radially at equal intervals (120 °), and a pair of balance weights 14 of predetermined weight are attached to the first and third crank arms 12 and 12 ", respectively. The balance weight 14 includes first and second balance weights 14a and 14b provided on the first crank arm 12 side, and third and fourth balances provided on the third crank arm 12 side. Weights 14c and 14d.

여기서, 상기 다수개의 밸런스 웨이트(14)는 1번에서 3번 크랭크 아암(12,12',12")이 피스톤(18)의 폭발 행정시 커넥팅 로드(20)를 통해 구동력을 전달받아 회전함에 있어, 상기 크랭크 축(10)의 전장에 걸쳐 발생하는 동적 평형(dynamic balance)을 도모하는 역할을 하는 것이다.Here, the plurality of balance weights 14 are rotated when the crank arms 12, 12 ', 12 "from 1 to 3 receive the driving force through the connecting rod 20 during the explosion stroke of the piston 18. In order to achieve a dynamic balance occurring over the entire length of the crankshaft 10.

또한, 상기 밸런스 웨이트(14)는 각각 1번과 3번 크랭크 아암(12,12")에 대해 각각 한 쌍씩 소정의 각도를 두고 배치되는 바, 먼저 1번과 3번 크랭크 아암(12,12")에 대해 크랭크 축(10)의 길이방향 중심을 향해 각각 외측으로 배치되는 상기 제1,제4밸런스 웨이트(14a,14d)는 엔진의 작동시 크랭크 기구의 회전 질량으로부터 기인되는 회전 관성 모멘트를 평형시켜 주는 회전 관성 모멘트용 평형 질량에 해당되고, 1번과 3번 크랭크 아암(12,12")에 대해 크랭크 축(10)의 길이방향 중심을 향해 각각 내측으로 배치되는 제2,제3밸런스 웨이트(14b,14c)는 엔진의 작동시 크랭크 기구의 왕복 질량으로부터 기인되는 왕복 관성 모멘트의 1차 성분인 1차 왕복 관성 모멘트를 평형시켜 주는 1차 왕복 관성 모멘트용 평형 질량에 해당된다.Further, the balance weights 14 are arranged at a predetermined angle with respect to the first and third crank arms 12 and 12 ", respectively, at a predetermined angle. First, the first and third crank arms 12 and 12" are disposed. The first and fourth balance weights 14a, 14d, which are disposed outwardly toward the longitudinal center of the crankshaft 10, respectively, balance the rotational moment of inertia resulting from the rotational mass of the crank mechanism during operation of the engine. Second and third balance weights corresponding to the equilibrium mass for the rotational moment of inertia, which are disposed inward toward the longitudinal center of the crankshaft 10 with respect to the first and third crank arms 12, 12 " 14b and 14c correspond to the equilibrium mass for the primary reciprocating moment of inertia which balances the primary reciprocating moment of inertia, which is the primary component of the reciprocal moment of inertia resulting from the reciprocating mass of the crank mechanism during operation of the engine.

그리고, 상기 회전 관성 모멘트용 평형 질량에 해당되는 상기 제1,제4밸런스 웨이트(14a,14d)는 이의 중량 중심이 크랭크 축(10)을 중심으로 하여 종래와 같이 각각 1번과 3번 크랭크 아암(12,12")의 중량 중심으로부터 150°의 각도를 두고 배치되어 있어, 상기 회전 관성 모멘트용 평형 질량인 상기 제1,제4밸런스 웨이트(14a,14d)는 각각 180°의 위상차를 두게 된다.In addition, the first and fourth balance weights 14a and 14d corresponding to the equilibrium mass for the rotational moment of inertia have their centers of gravity centered on the crankshaft 10 as described above. Are arranged at an angle of 150 ° from the center of gravity of (12, 12 "), so that the first and fourth balance weights 14a and 14d, which are the equilibrium masses for the rotational moment of inertia, respectively have a 180 ° phase difference. .

이에 반해, 상기 1차 왕복 관성 모멘트용 평형 질량에 해당되는 제2밸런스웨이트(14b)는 1번 크랭크 아암(12)에 대해 150°+Δθ만큼의 이격 각도를 두고 배치되고, 제3밸런스 웨이트(14c)는 3번 크랭크 아암(12")에 대해 150°-Δθ만큼의 이격 각도를 두고 배치되어 있어, 상기 1차 왕복 관성 모멘트용 평형 질량인 상기 제2,제3밸런스 웨이트(14b,14c)는 각각 180°의 위상차를 두게 된다.In contrast, the second balance weight 14b corresponding to the equilibrium mass for the first reciprocating inertia moment is disposed at a separation angle of 150 ° + Δθ with respect to the first crank arm 12, and the third balance weight ( 14c) is disposed at a separation angle of 150 ° -Δθ with respect to the third crank arm 12 ″, so that the second and third balance weights 14b and 14c which are equilibrium masses for the first reciprocating moment of inertia. Are each 180 degrees out of phase.

이에 따라, 상기 회전 관성 모멘트용 평형 질량에 해당되는 상기 제1,제4밸런스 웨이트(14a,14d)와, 상기 1차 왕복 관성 모멘트용 평형 질량에 해당되는 상기 제2,제3밸런스 웨이트(14b,14c)는 각각 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 크랭크 축(10)을 중심으로 하여 반경 방향으로 각각 1번과 3번 크랭크 아암(12,12")의 외측으로 동일한 이격 거리를 두고 배치되어진다.Accordingly, the first and fourth balance weights 14a and 14d corresponding to the balance mass for the rotational moment of inertia and the second and third balance weights 14b corresponding to the balance mass for the first reciprocating moment of inertia. 14c are arranged at equal distances outside the 1st and 3rd crank arms 12, 12 ", respectively, in the radial direction about the crankshaft 10 as shown in FIG. Lose.

이 결과, 상기 크랭크 축(10)의 회전시 크랭크 기구의 왕복 질량과 회전 질량에 따른 왕복 및 회전 관성력과 관성 모멘트가 발생할 때, 상기 다수개의 밸런스 웨이트(14a,14b,14c,14d)는 엔진 평형을 도모할 수 있게 된다.As a result, when the reciprocating and rotating inertia forces and moments of inertia according to the reciprocating mass and the rotating mass of the crank mechanism occur during the rotation of the crankshaft 10, the plurality of balance weights 14a, 14b, 14c, and 14d balance the engine. It becomes possible to plan.

이와 같이, 3기통 오프셋 엔진의 크랭크 기구에 있어 밸런스 웨이트(14)중 1차 왕복 관성 모멘트용 평형 질량인 제2,제3밸런스 웨이트(14b,14c)가 각각 1번과 3번 크랭크 아암(12,12")에 대해 각각 150°+Δθ또는 150°-Δθ의 위상각을 두고 배치되는 것은, 상기 크랭크 축(10)의 중심(O)과 실린더 보어(16)의 중심(O')이 각각 소정량(e)으로 오프셋되어 배치됨에 따라 유발되는 불평형력 내지 불평형 관성 모멘트로부터 기인되는 1차 왕복 관성 모멘트를 평형시키기 위함이며, 이와 같이 1차 왕복 관성 모멘트용 평형 질량에 대한 배치 각도의 선정 과정은 이하에서 보다 상세하게 기술하기로 한다.As such, in the crank mechanism of the three-cylinder offset engine, the second and third balance weights 14b and 14c, which are the equilibrium masses for the first reciprocating inertia moment, among the balance weights 14 are the first and third crank arms 12, respectively. 12 " with a phase angle of 150 ° + Δθ or 150 ° -Δθ, respectively, so that the center O of the crankshaft 10 and the center O 'of the cylinder bore 16 are respectively This is to balance the first reciprocal moment of inertia resulting from the unbalanced force to the unbalanced moment of inertia caused by being offset by a predetermined amount (e), and thus the process of selecting the placement angle for the equilibrium mass for the first reciprocating moment of inertia. Will be described in more detail below.

이에 앞서, 상기 크랭크 축(10)과 크랭크 아암(12) 및 밸런스 웨이트(14)를 포함하는 크랭크 기구는 강체(rigid body)로 가정하고, 실린더내 연소압을 고려하지 않음과 더불어, 3차 이상의 고차항의 관성력과 관성 모멘트는 각각 평형의 대상에서 제외시킴을 선행 조건으로 한다.Prior to this, the crank mechanism including the crank shaft 10, the crank arm 12, and the balance weight 14 is assumed to be a rigid body, and does not consider the in-cylinder combustion pressure, The inertia force and moment of inertia of higher order terms are excluded from equilibrium, respectively.

그리고, 상기와 같이 구성된 엔진에 있어 좌표계의 설정과 거동의 설정은 다음과 같다.In the engine configured as described above, the setting of the coordinate system and the setting of the behavior are as follows.

먼저, 상기 크랭크 축(10)을 기준으로 상하 방향을 X축, 좌우 방향을 Y축, 길이 방향을 Z축이라 각각 설정하고서, 각각의 축 방향으로 작용하는 힘은 Fx,Fy,Fz이라 하고, 각각의 축 방향으로 작용하는 모멘트는 Mx,My,Mz이라 한다.First, the vertical direction is set to the X-axis, the left-right direction to the Y-axis, and the longitudinal direction to the Z-axis, respectively, and the forces acting in the respective axial directions are called Fx, Fy, and Fz. The moments acting in the respective axial directions are called Mx, My, and Mz.

또한, 엔진의 완전 평형을 위한 조건은 각각의 축 방향으로 작용하는 힘의 합과, 각각의 축 방향으로 작용하는 모멘트의 합이 모두 영이 되는 것이다.In addition, the condition for perfect equilibrium of the engine is that the sum of the forces acting in each axial direction and the sum of the moments acting in each axial direction are both zero.

먼저, 3기통 오프셋 엔진에 있어, 상기 크랭크 축(10)의 중심(O)으로부터 계측한 상기 피스톤(18)의 위치(x)는 하기와 같은 일반식, 즉 상기 크랭크 아암(12)의 회전 각도(θ)에 따른 함수로 나타낼 수 있다.First, in the three-cylinder offset engine, the position x of the piston 18 measured from the center O of the crankshaft 10 is the following general formula, i.e., the rotation angle of the crank arm 12. It can be expressed as a function according to (θ).

여기서, C=e/l 이고, λ=r/l 이며, e는 오프셋량이다.Here, C = e / l, λ = r / l, and e is an offset amount.

또한, l은 커넥팅 로드(20)의 길이, r은 크랭크 아암(12)의 길이, θ는 크랭크 아암(12)의 회전 각도이다.In addition, l is the length of the connecting rod 20, r is the length of the crank arm 12, θ is the rotation angle of the crank arm 12.

그리고, 상기 크랭크 아암(12)의 회전 각도(θ)에 따른 피스톤(18)의위치(x)를 구하는 일반식에서 상기의 항을 급수 전개하여 정리하면 다음과 같다.Then, in the general formula for obtaining the position (x) of the piston 18 according to the rotation angle (θ) of the crank arm 12, Proceeding to sum up and expand the terms of

여기서,here,

a0=λ(1/4+3C2/8+15C4/32+ …)+λ3(3/64+45C2/128+ …)+λ5(15/256+ …)+1/λ(1+C2/2+C4/8 …) a 0 = λ (1/4 + 3C 2/8 + 15C 4/32 + ...) + λ 3 (3/64 + 45C 2/128 + ...) + λ 5 (15/256 + ...) + 1 / λ (1 + C 2/2 + C 4 /8…)

a2=λ(1/4+3C2/8+15C4/32+ …)+λ3(1/16+15C2/32+ …)+15λ5/512+ … a 2 = λ (1/4 + 3C 2/8 + 15C 4/32 + ...) + λ 3 (1/16 + 15C 2/32 + ...) + 15λ 5/512 + ...

a43(1/64+15C2/128+ …)-3λ3/256- … a 4 = λ 3 (1/ 64 + 15C 2/128 + ...) -3λ 3 / 256- ...

a65/512+ … a 6 = λ 5/512 + ...

b1=C(1+3λ2/8+15C4/64+ …)+C3(1/2+15λ2/16+ …)+6C5/16 … b 1 = C (1 + 3λ 2/8 + 15C 4/64 + ...) + C 3 (1/2 + 15λ 2/16 + ...) + 6C 5/16 ...

b3=-C(λ2/8+15C4/128+ …)-C3λ2/16- … b 3 = -C (λ 2/ 8 + 15C 4/128 + ...) -C 3 λ 2 / 16- ...

b5=3Cλ4/128+ …이다. b 5 = 3Cλ 4/128 + ... to be.

또한, 상기 크랭크 아암(12)의 회전 각도(θ)에 따른 피스톤(18)의 위치(x)를 구하는 일반식으로부터 이를 미분하여 상기 피스톤(18)의 속도(u)를 구하고, 이를 다시 미분하여 상기 피스톤(18)의 가속도(α)를 구하는 일반식은 다음과 같이 유도될 수 있다.In addition, the derivative of the piston 18 according to the general formula for obtaining the position (x) of the piston 18 according to the rotation angle (θ) of the crank arm 12 to obtain the speed (u) of the piston 18, and by differentiating again The general formula for obtaining the acceleration α of the piston 18 can be derived as follows.

여기서, ω는 엔진의 회전 속도(rad/sec)이다.Where ω is the rotational speed of the engine (rad / sec).

이상과 같은 관계에서 볼 때, 3기통 오프셋 엔진의 경우에는 비-오프셋 엔진에 비해 크랭크 아암(12)의 회전 각도(θ) 대비 피스톤(18)의 변위는 도 8에 도시된 바와 같이, 피스톤(18)의 상사점과 하사점의 위치가 각각 0°와 180°에서 크랭크 아암(12)의 회전 방향으로 이동됨을 알 수 있다.In the above relation, in the case of the three-cylinder offset engine, the displacement of the piston 18 relative to the rotation angle θ of the crank arm 12 is higher than that of the non-offset engine, as shown in FIG. 8. It can be seen that the positions of the top dead center and the bottom dead center of 18) are moved in the rotational direction of the crank arm 12 at 0 ° and 180 °, respectively.

그리고, 단기통 엔진에 있어 왕복 관성력(Xre)은 다음과 같이 정의될 수 있다.And, in the single cylinder engine reciprocating inertia force (X re ) can be defined as follows.

여기서, mre는 왕복 질량이고, α는 피스톤(18)의 가속도이다.Where m re is the reciprocating mass and α is the acceleration of the piston 18.

상기의 경우 오프셋량이 제로인 비-오프셋 엔진과는 달리Unlike non-offset engines where the offset amount is zero in this case

우측에 위치한 sin항의 추가에 따라, 상기 크랭크 아암(12)의 회전 각도(θ)대비 오프셋 단기통 엔진에 있어 왕복 관성력의 변화는 도 9에 도시된 바와 같이, 비-오프셋 단기통 엔진에 비해 관성력의 크기와 방향이 거의 대부분 영역에서 차이가 나는 것을 알 수 있다.According to the addition of the sin term located on the right side, the change of the reciprocal inertia force in the offset single-cylinder engine relative to the rotation angle θ of the crank arm 12 is larger than that of the non-offset single-cylinder engine as shown in FIG. 9. It can be seen that the and directions differ in almost all areas.

이에 반해, 회전 질량에 의한 회전 관성력은 오프셋 엔진이나 비-오프셋 엔진은 모두 다르지 않는 데, 이 경우 회전 관성력(Xro)은 다음과 같다.In contrast, the rotational inertia force due to the rotational mass is not different between the offset engine and the non-offset engine. In this case, the rotational inertia force X ro is as follows.

여기서, mro는 회전 질량이다.Where m ro is the rotational mass.

한편, 각 실린더에서 발생한 관성력은 엔진 중심에 대해 관성 모멘트로 작용하여 엔진 전체를 진동시키게 되며, 결국 파워 트레인을 하나의 강성체로 하는 진동을 유발시키게 되는 데, 이와 같은 관성력에 의한 엔진의 진동 형태는 도 10에 도시된 바와 같이, 엔진의 중심축인 크랭크 축(10)을 기준하는 다음과 같이 정의할 수 있다.On the other hand, the inertial force generated in each cylinder acts as an inertial moment with respect to the center of the engine to vibrate the entire engine, which in turn causes a vibration of the power train as one rigid body. As shown in FIG. 10, it may be defined as follows based on the crankshaft 10, which is the central axis of the engine.

여기서, 상기 크랭크 축(10)에 수직한 방향의 기준축은 X로 설정하고, 상기 크랭크 축(10)에 전후 방향으로 교차하는 기준축은 Y로 설정하며, 상기 크랭크 축(10)은 Z로 설정하였다.Here, the reference axis in the direction perpendicular to the crankshaft 10 is set to X, the reference axis crossing the crankshaft 10 in the front-rear direction is set to Y, and the crankshaft 10 is set to Z. .

이때, 각 축방향의 힘은 각각 엔진의 상하 방향과 좌우 방향 및 전후 방향의 관성력에 해당되고, 각 축방향의 모멘트는 각각 요잉 모멘트(Mx;yawing moment)와 피칭 모멘트(My;pitching moment) 및 롤링 모멘트(Mz;rolling moment)에 해당된다.In this case, the force in each axial direction corresponds to the inertia force in the up-down direction, the left-right direction and the front-rear direction of the engine, respectively, and the moment in each axial direction is the yawing moment (Mx; yawing moment) and the pitching moment (My; pitching moment) and It corresponds to a rolling moment (Mz; rolling moment).

이처럼 엔진의 진동을 유발하는 각 축방향의 관성력과 관성 모멘트를 각각불평형력 내지 불평형 모멘트라 하며, 이러한 것들은 엔진의 진동과 더불어 베어링 등 지지부의 마모와 소음 등을 유발하게 되므로, 이들은 되도록 작게 해야 한다.As such, the inertia force and moment of inertia in each axial direction that cause the vibration of the engine are called unbalanced or unbalanced moment, respectively, and these cause the vibration of the engine and wear and noise of the supporting parts such as bearings. .

이러한 불평형력과 불평형 모멘트를 엔진의 임의의 위치(일반적으로 엔진의 중심에 해당됨)에서 조사하여 최소화시키는 것을 엔진 평형이라 하는 데, 이때 엔진에서는 연소압에 의함 힘과 모멘트는 전술한 선행 조간에서 언급한 바와 같이 고려하지 않는 것이 통상적이다.Minimization of these unbalanced forces and unbalanced moments by examining them at any location in the engine (usually at the center of the engine) is called engine equilibrium, in which the force and moment due to combustion pressure in the engine are discussed in the preceding preceding article. It is common not to consider as one.

이 경우에 있어 엔진이 완전 평형을 이루기 위한 평형 조건은 다음과 같다.In this case, the equilibrium conditions for achieving full equilibrium of the engine are as follows.

여기서, i는 상기 실린더 보어(16)의 번호이다.Where i is the number of the cylinder bores 16.

한편, 엔진에는 왕복 및 회전 질량에 의한 관성력이 있고, 이것에 의한 관성 모멘트가 있으므로, 이들 각각에 대해 평형을 이루도록 해야 한다.On the other hand, the engine has an inertial force due to the reciprocating and rotating masses and the moment of inertia caused by the engine, so that each of them must be balanced.

비-오프셋인 경우의 왕복 관성력(Xre)은 하기의The reciprocating inertia force (X re ) in the case of non-offset is

형태인 cosθ의 함수로 이루어지며, 일반적으로 4차 이상의 고차항은 크기가 작으므로 무시하고, 1차 항(cosθ)과 2차 항(cos2θ) 및 3차 항(cos3θ)만을 평형의 대상으로 삼는다.It is a function of the form cosθ. Generally, higher order terms of 4th order or higher are small and are ignored. Only the first term (cosθ), the second term (cos2θ) and the third term (cos3θ) are considered as equilibrium targets. .

이에 반해, 오프셋 엔진의 경우에는 우측에 하기의On the other hand, in the case of the offset engine,

와 같은 sin항이 추가되므로, 1차 항(sinθ)과 3차 항(sin3θ)…등에 관해서도 평형을 검토하지 않으면 안된다.Since the same sin term is added, the first term (sinθ) and the third term (sin3θ)... Equilibrium should also be reviewed.

본 발명에서는 엔진 평형을 검토하기 위해 직렬 3, 4기통 엔진에 대해 수계산과 함께 설계시 어셈블리의 모션을 실제 환경에서 생성, 평가, 최적화함으로써 엔지니어링 및 성능적 요구 사항을 최대한 충족시킬 수 있는 시뮬레이션 프로그램(pro-mechanica motion)을 통한 해석을 병행하여 상호 보완할 수 있도록 하였다.In the present invention, a simulation program that can meet the engineering and performance requirements as much as possible by generating, evaluating, and optimizing the motion of the assembly in a real environment at the time of designing together with the water calculation for the in-line three- and four-cylinder engines to examine the engine balance. The interpretation through pro-mechanica motion can be complemented in parallel.

그리고, 모션 해석을 위한 3D 모델과 제원을 다음과 같이, 크랭크 아암(12)의 길이는 40.1 mm, 커넥팅 로드(20)의 길이는 134.3 mm, 왕복 질량은 0.389 kg, 회전 질량은 1.005 kg, 오프셋량(e)은 20.0 mm, 실린더 보어(16)의 피치는 85.0 mm, 엔진의 회전 속도는 6000 rpm, 부하 상태는 무부하로 각각 설정하였다.In addition, the 3D model and specifications for motion analysis are as follows, the length of the crank arm 12 is 40.1 mm, the length of the connecting rod 20 is 134.3 mm, the reciprocating mass is 0.389 kg, the rotational mass is 1.005 kg, offset The amount e was 20.0 mm, the pitch of the cylinder bore 16 was 85.0 mm, the rotation speed of the engine was 6000 rpm, and the load state was set to no load, respectively.

또한, 본 발명은 엔진 중심에서의 관성력과 관성 모멘트의 총합이 관심의 대상이므로, 크랭크 축의 중앙에 하나의 접지면을 만들어 핀 조인트로 연결하였고, 과잉 구속(constraint) 지수인 redundancy=0 이 되도록 하여 결과의 값의 신뢰성을 확보하였다.In addition, in the present invention, since the sum of the inertia force and the moment of inertia at the center of the engine is of interest, one ground plane is formed at the center of the crankshaft and connected to the pin joint, so that the redundancy = 0, which is an overconstraint index, is achieved. The reliability of the value of the result was secured.

이상과 같은 모션 해석을 위한 3D 모델을 설정을 하고서 우선 왕복 관성력의 평형을 고찰하였다.After setting up the 3D model for the above motion analysis, the equilibrium of the reciprocal inertia force was first considered.

도 11에 도시된 바와 같이, 실린더 보어(16)의 번호를 i=1,2,3,…,N으로 하고, x'축에서 각 실린더의 크랭크 축(10)의 각도를 αi라 하면, 각 크랭크 축(10)은 x축에 대해 (θ+αi)의 위치를 갖는다.As shown in FIG. 11, the numbers of the cylinder bores 16 are denoted by i = 1, 2, 3,... When N is set and the angle of the crank shaft 10 of each cylinder in the x 'axis is α i , each crank shaft 10 has a position of (θ + α i ) with respect to the x axis.

이때, i 실린더에서의 왕복 관성력은 다음과 같이 표시되며, 엔진 전체에 대해서는 기통별 값을 더하면 된다.In this case, the reciprocal inertia force in the i-cylinder is expressed as follows, and the cylinder-specific values may be added to the entire engine.

위의 관계식을 이용하여 3,4 기통 엔진의 불평형 왕복 관성력을 조사하면 다음과 같다.Investigation of the unbalanced reciprocal inertial force of a 3 and 4 cylinder engine using the relation above is as follows.

3기통 오프셋 엔진에 있어 상기 크랭크 아암(12)의 회전 각도(θ) 대비 x축 방향 불평형력을 살펴보면, 도 12에 도시된 바와 같이, 3기통 오프셋 엔진의 최고 차수인 3차 성분의 평형은 크랭크 축(10)의 3배 속도로 회전하는 밸런스 샤프트(도시안됨)로 제거할 수 있지만, 실제 엔진에서 채택이 거의 불가능하기 때문에 3기통 오프셋 엔진은 분명히 상하 방향의 불평형력이 증가한다. 그러나 크기가 비교적 작은 고차항을 무시하는 엔진 평형의 관점에서 보면 적어도 2차 성분까지는 여전히 평형되어 있다고 생각할 수 있다.In the three-cylinder offset engine, the unbalanced force in the x-axis relative to the rotation angle θ of the crank arm 12 is shown. As shown in FIG. 12, the equilibrium of the third component, which is the highest order of the three-cylinder offset engine, is It can be removed with a balance shaft (not shown) that rotates at three times the speed of (10), but the three-cylinder offset engine clearly increases the up and down unbalance because it is almost impossible to adopt in a real engine. However, in terms of engine equilibrium, which ignores relatively small high order terms, at least the secondary components can still be considered balanced.

이에 반해, 도 13에 도시된 바와 같이, 4기통의 경우에는 여전히 2차 성분이존재하며 크기가 증가한다. 크기의 차이는 a2항의 상수들이 다르기 때문에 발생하며, 오프셋에 의한 2차 관성력의 증가량을 ΔX2라 하고, a2항의 상수 C3, λ3이상을 무시하면, 하기와 같다.In contrast, as shown in FIG. 13, in the case of four cylinders, secondary components still exist and increase in size. The difference in magnitude occurs because the constants in the a 2 term are different, and the increase in the secondary inertia force due to the offset is ΔX 2 , ignoring the constants C 3 and λ 3 or more in the a 2 term, as follows.

여기서, a'2항은 오프셋이 제로인 경우이며, ΔX는 모델 엔진의 경우에 대략 1.04이다. 위상이 동일하므로 기존의 방식처럼 크랭크 축(10)의 2배 속도로 회전하는 밸런스 샤프트로 제거가 가능하다.Where a ' 2 is the offset is zero and ΔX is approximately 1.04 for the model engine. Since the phase is the same, it can be removed by a balance shaft rotating at twice the speed of the crankshaft 10 as in the conventional method.

다음으로, 모션 해석을 위한 3D 모델의 왕복 관성 모멘트의 평형을 고찰하였다.Next, the equilibrium of the reciprocating moment of inertia of the 3D model for motion analysis was discussed.

왕복 관성력은 피칭 모멘트를 유발하며, i번째 실린더에서의 왕복 관성 모멘트는 도 14에 도시된 바로부터 정의될 수 있다.The reciprocating inertia force causes a pitching moment, and the reciprocating moment of inertia in the ith cylinder can be defined from that shown in FIG.

또한, i번째 실린더에서의 왕복 관성 모멘트는 왕복 관성 모멘트를 구하는 일반식에 모멘트 기준점까지의 거리(li)를 곱한 형태로 다음과 같이 표시된다. 이때 엔진 전체에 대해서는 기통별 값을 모두 더하면 된다.In addition, the reciprocating moment of inertia in the i-th cylinder is expressed as follows by multiplying the general formula for obtaining the reciprocating moment of inertia by the distance l i to the moment reference point. At this time, all the cylinder-specific values should be added to the entire engine.

위의 관계식으로, 3, 4 기통 엔진의 불평형 왕복 관성 모멘트를 조사하면 다음과 같다.In the above relation, the unbalanced reciprocal moment of inertia of a three- and four-cylinder engine is examined as follows.

실제 크기는 위 결과에를 곱한 값이며, 3기통은 기존의 성분에 sinθ성분이 추가된다.Actual size is above results Multiplying by. The three cylinders add the sinθ component to the existing components.

그리고, 모션 해석을 위한 3D 모델의 피칭 모멘트를 고찰해 보면, 도 15에서 보는 바와 같이, 피칭 모멘트는 회전 관성 모멘트와 왕복 관성 모멘트의 합성 모멘트이다. 회전 관성 모멘트에 대해서는 후술하기로 하고, 3기통 엔진의 피칭 모멘트는 오프셋으로 인해 추가되는 sinθ1차 성분과 기존의 cosθ1차 성분이 합성 함수로 바뀌기 때문에 전체 피칭 모멘트의 크기와 위상이 변한다.When the pitching moment of the 3D model for motion analysis is considered, as shown in FIG. 15, the pitching moment is a combined moment of the rotational moment of inertia and the reciprocating moment of inertia. The rotational moment of inertia will be described later, and the pitching moment of the three-cylinder engine changes the magnitude and phase of the overall pitching moment because the added sin θ primary component and the existing cos θ primary component are converted into a composite function due to the offset.

이때, sinθ1차와 cosθ1차 왕복 관성 모멘트의 최대값의 비를 ΔM1이라 하면, bl항의 상수 C33이상을 무시할 때 다음과 같다.At this time, when the ratio of the maximum value of the sinθ1st order and the cosθ1st order reciprocal moment of inertia is ΔM 1 , the following equation is ignored when the constant C 3 , λ 3 or more of the term b l is ignored.

이로부터 본 발명에 따른 모션 해석을 위한 3D 모델 엔진의 경우에는 약 0.145 이다.This is about 0.145 for the 3D model engine for motion analysis according to the present invention.

그리고, 합성 모멘트 Mt와 cosθ1차 왕복 관성 모멘트의 위상차 Δθ는 다음과 같다.The phase difference Δθ between the combined moment M t and the cos θ first order reciprocating moment of inertia is as follows.

여기서, θt는 합성 모멘트의 최대값의 각도이고, θcosθ는 cosθ1차 최대값의 각도이며, 모델 엔진의 경우 +8.8°이다.Here, θ t is the angle of the maximum value of the combined moment, θ cosθ is the angle of the cosθ first order maximum value, and + 8.8 ° for the model engine.

또한, 모션 해석을 위한 3D 모델의 1차 왕복 관성 모멘트를 고찰해 보면, 도 16에 도시된 바와 같다.In addition, considering the first reciprocating moment of inertia of the 3D model for motion analysis, as shown in FIG.

즉, 3기통 오프셋 엔진에서 기존의 cosθ1차의 ΔM1배 크기의 sinθ1차 왕복 관성 모멘트가 π/2 위상 차이를 두고 추가로 발생하며, 이로 인해 전체 1차 왕복 관성 모멘트의 위상이 Δθ씩 이동하게 됨을 알 수 있다.That is, in the three-cylinder offset engine, the sinθ1st reciprocal moment of inertia, which is ΔM 1 times larger than the existing cosθ1 order, is generated with a π / 2 phase difference, which causes the phase of the entire primary reciprocating moment of inertia to move by Δθ. It can be seen that.

이때, 1차 왕복 관성 모멘트는 크랭크 축(10)에 평형 질량인 밸런스 웨이트(14)를 부착하여 평형이 가능하다.At this time, the first reciprocating moment of inertia can be balanced by attaching a balance weight 14 of equilibrium mass to the crankshaft 10.

그리고 불평형 왕복 관성 모멘트의 조사 결과에서 보는 바와 같이 cos θ1차 최대값은 θ=150°이고, 1차 합성 모멘트의 최대값은 θ=150°+Δθ일 때이다.As shown in the unbalanced reciprocal moment of inertia, the maximum cos θ first order value is θ = 150 ° and the maximum value of the first composite moment is θ = 150 ° + Δθ.

따라서, 1차 왕복 관성 모멘트 평형 질량인 제2,제3밸런스 웨이트(14b,14c)의 부착 각도가 도 6에 도시된 바와 같이, 1번 내지 3번 크랭크 아암(12)으로부터 각각 기존의 150°에서 150°+Δθ만큼 이동되어야 함을 알 수 있다.Accordingly, the attachment angles of the second and third balance weights 14b and 14c, which are the primary reciprocal moments of inertia, are respectively 150 ° from the first to third crank arms 12, as shown in FIG. It can be seen that it must be moved by 150 ° + Δθ at.

즉, 본 발명에 따른 3기통 오프셋 엔진은 크랭크 축(10)과 실린더 보어(16)사이의 중심이 소정량(e)으로 오프셋됨에 따라, 상기 1번 내지 3번 크랭크 아암(12)에 부착된 다수개의 평형 질량중에 회전 관성 모멘트용 평형 질량에 해당되는 제1,제4밸런스 웨이트(14a,14d)는 회전 관성 모멘트의 평형을 위해 기존과 동일하게 배치시키고, 1차 왕복 관성 모멘트용 평형 질량에 해당되는 제2,제3밸런스 웨이트(14b,14c)는 합성 1차 왕복 관성 모멘트를 평형시키기 위해 기존 대비 Δθ만큼 틀어서 배치시켜야 함을 알 수 있다.That is, the three-cylinder offset engine according to the present invention is attached to the first to third crank arms 12 as the center between the crankshaft 10 and the cylinder bore 16 is offset by a predetermined amount e. The first and fourth balance weights 14a and 14d, which correspond to the equilibrium mass for the rotational inertia moment, among the plurality of equilibrium masses, are disposed in the same manner as the conventional one for the equilibrium of the rotational inertia moment, and in the equilibrium mass for the first reciprocating inertia moment. It can be seen that the corresponding second and third balance weights 14b and 14c should be arranged in an amount Δθ relative to the existing one to balance the synthetic primary reciprocating moment of inertia.

이때, Δθ는 크랭크 아암(12)의 길이와 커넥팅 로드(20)의 길이 및 오프셋량 등으로 결정되는 엔진의 제원에 따라 변화되는 것이므로, 이에 대한 설정치는 상기 언급한 관련식으로부터 선정되는 값이 되며, 본 발명에서는 상기 언급한 바와 같이 크랭크 평형 질량의 배치와 이에 대한 개념을 모션 해석을 위한 3D 모델을 통해 구체적으로 살펴본 것이다.At this time, since Δθ is changed according to the specifications of the engine determined by the length of the crank arm 12, the length and the offset amount of the connecting rod 20, the setting value for this is a value selected from the above-mentioned equation. In the present invention, as described above, the arrangement of the crank balance mass and the concept thereof will be described in detail through a 3D model for motion analysis.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 3기통 오프셋 엔진의 평형 구조에 의하면, 3기통 엔진에 있어 크랭크 축(10)의 중심(O)과 실린더 보어(16)의 중심(O')이 상호 소정량(e)으로 오프셋되면, 상기 크랭크 축(10)의 중심(O)으로부터 계측한 상기 피스톤(18)의 위치(x)를 상기 크랭크 아암(12)의 회전 각도(θ)에 따른 함수로 나타내는 일반식으로부터 비-오프셋 엔진에 비해 sin항의 추가에 의한 관성력의 변화가 수반되고, 이로부터 기존의 cos항과 sin항이 합성된 새로운 합성 1차 왕복 관성 모멘트가 발생하고 이것의 위상은 Δθ만큼 늦어지므로, 상기 크랭크 축(10)상에 1차 왕복 관성 모멘트용 평형 질량에 해당되는 제2,제3밸런스 웨이트(14b,14c)를 3기통 비-오프셋 엔진에 비해 150°+Δθ내지 150°-Δθ의 각도로 배치시킴으로써, 크랭크 기구의 각 연결부에 작용하는 하중의 변화로부터 기인되는 엔진의 왕복 질량과 회전 질량의 변화에 따른 각각의 관성력과 관성 모멘트의 변화로부터 엔진 평형을 도모할 수 있어, 이로부터 엔진을 포함하는 파워 트레인 계통에서 수반되는 이상 진동 및 소음의 발생을 줄일 수 있는 효과가 있게 된다.As described above, according to the equilibrium structure of the three-cylinder offset engine according to the present invention, in the three-cylinder engine, the center O of the crankshaft 10 and the center O 'of the cylinder bore 16 have a predetermined amount ( When offset to e), the general formula expressing the position x of the piston 18 measured from the center O of the crankshaft 10 as a function of the rotational angle θ of the crank arm 12. The change of inertia force is accompanied by the addition of the sin term, compared to the non-offset engine, resulting in a new synthetic first-order reciprocating moment of inertia where the existing cos terms and sin terms are synthesized and their phase is delayed by Δθ. The second and third balance weights 14b and 14c corresponding to the equilibrium mass for the first reciprocating inertia moment on the crankshaft 10 are 150 ° + Δθ to 150 ° -Δθ as compared to the three-cylinder non-offset engine. Loads acting on each connecting portion of the crank mechanism Engine equilibrium can be achieved from each change of inertia and moment of inertia due to changes in the reciprocating and rotational masses of the engine resulting from the change of, thereby reducing the abnormal vibration and noise associated with the powertrain system including the engine. The effect is to reduce the occurrence.

Claims (4)

크랭크 축(10)상에 순차적으로 1번,2번,3번 크랭크 아암(12,12',12")이 각각 방사상으로 등간격을 두고서 장착되고, 상기 1번 크랭크 아암(12)측에 제1,제2밸런스 웨이트(14a,14b)가 배치되며, 상기 3번 크랭크 아암(12)측에 제3,제4밸런스 웨이트(14c,14d)가 배치되어 이루어지는 3기통 오프셋 엔진에 있어서,Crank arms 12, 12 'and 12 "are sequentially mounted on the crank shaft 10 at equal intervals radially, respectively, and are placed on the first crank arm 12 side. In the three-cylinder offset engine in which the first and second balance weights 14a and 14b are arranged and the third and fourth balance weights 14c and 14d are arranged on the third crank arm 12 side. 크랭크 기구의 회전 질량으로부터 기인되는 회전 관성 모멘트를 평형시켜 주는 회전 관성 모멘트용 평형 질량은 이의 질량 중심이 상기 크랭크 축(10)의 길이방향 중심을 향해 각각 외측으로 배치됨과 더불어, 각각 상기 1번과 3번 크랭크 아암(12,12")의 중량 중심으로부터 150°의 각도를 두고서 상기 크랭크 축(10)의 반경 방향으로 대향된 위치에 배치되고;Equilibrium mass for rotational moment of inertia, which balances the rotational moment of inertia resulting from the rotational mass of the crank mechanism, has its center of mass arranged outward toward the longitudinal center of the crankshaft 10, respectively. Placed at radially opposite positions of the crankshaft 10 at an angle of 150 ° from the center of gravity of the third crank arm 12, 12 "; 크랭크 기구의 왕복 질량으로부터 기인되는 왕복 관성 모멘트의 1차 성분인 1차 왕복 관성 모멘트를 평형시켜 주는 1차 왕복 관성 모멘트용 평형 질량은 이의 질량 중심이 상기 크랭크 축(10)의 길이방향 중심을 향해 각각 내측으로 배치됨과 더불어, 각각 상기 1번과 3번 크랭크 아암(12,12")의 중량 중심으로부터 150°+Δθ내지 150°-Δθ의 각도를 두고서 상기 크랭크 축(10)의 반경 방향으로 대향된 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 3기통 오프셋 엔진의 평형 구조.The equilibrium mass for the primary reciprocating moment of inertia, which balances the primary reciprocal moment of inertia, which is the primary component of the reciprocating moment of inertia resulting from the reciprocating mass of the crank mechanism, has its center of mass directed toward the longitudinal center of the crankshaft 10. Respectively disposed inwardly and opposed in the radial direction of the crankshaft 10 at an angle of 150 ° + Δθ to 150 ° -Δθ from the center of gravity of the first and third crank arms 12,12 ″, respectively. Equilibrium structure of a three-cylinder offset engine, characterized in that arranged in a predetermined position. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 회전 관성 모멘트용 평형 질량은 제1,제4밸런스 웨이트(14a,14d)이고,상기 1차 왕복 관성 모멘트용 평형 질량은 제2,제3밸런스 웨이트(14b,14c)인 것을 특징으로 하는 3기통 오프셋 엔진의 평형 구조.The balance mass for the rotational inertia moment is the first and fourth balance weights 14a and 14d, and the balance mass for the first reciprocating moment of inertia is the second and third balance weights 14b and 14c. Equilibrium structure of the cylinder offset engine. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제1밸런스 웨이트(14a)와 제4밸런스 웨이트(14d) 및, 상기 제2밸런스 웨이트(14b)와 제3밸런스 웨이트(14c)는 각각 180°의 위상차를 두도록 배치된 것을 특징으로 하는 3기통 오프셋 엔진의 평형 구조.The three cylinders are characterized in that the first balance weight 14a and the fourth balance weight 14d and the second balance weight 14b and the third balance weight 14c are arranged to have a phase difference of 180 °, respectively. Equilibrium structure of the offset engine. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 Δθ는 상기 크랭크 아암(12)의 회전 각도(θ)에 따른 상기 크랭크 축(10)의 중심(O)으로부터 상기 피스톤(18)의 위치(x)를 계측한 하기의 일반식으로부터 설정됨과 더불어, 엔진의 제원에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 3기통 오프셋 엔진의 평형 구조.[Delta] [theta] is set from the following general formula that measures the position x of the piston 18 from the center O of the crankshaft 10 according to the rotation angle [theta] of the crank arm 12. , Equilibrium structure of the three-cylinder offset engine, characterized in that changed according to the specifications of the engine. 여기서, C=e/l, λ=r/l, e는 오프셋량, l은 커넥팅 로드의 길이, r은 크랭크 아암의 길이, θ는 크랭크 아암의 회전 각도.Where C = e / l, λ = r / l, e is the offset amount, l is the length of the connecting rod, r is the length of the crank arm, and θ is the rotation angle of the crank arm.
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