KR20120053500A - 크랭크 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 크랭크 구동장치에 관한 것으로서, 특히 하우징으로 형성될 수 있는 프레임, 상기 프레임 상의 고정 위치에 장착된 로커(1), 상기 프레임 상의 고정 위치에 장착되고 구동 출력을 만드는 크랭크(3), 로커(1)와 크랭크(3)를 연결하는 연결부재(5)를 구비하고, 연결부재(5)는 크랭크(3) 및 고정 장착 위치(2)로부터 이격되어 있는 로커(1)의 반대편 단부에 각각 관절식으로 연결되고, 크랭크(3)를 구동하기 위해, 제1실린더(12)는 이동 가능하게 장착된 피스톤(13)을 구비하고, 피스톤(13)과 로커(1)는 커넥팅 로드(14)를 통해 서로 관절식으로 연결되어, 피스톤(13)의 축방향 운동이 로커(1)의 왕복 선회 운동을 초래하고, 로커(1)는, 로커(1)의 고정 장착 위치로부터 이격되고 연결부재(5)를 향하여 고정된 각도로 경사진 부분(8)을 포함한다.

Description

크랭크 구동장치{CRANK DRIVE}

본 출원은 크랭크 구동장치에 관한 것이다. 크랭크 구동장치는 특히 하우징으로 구성될 수 있는 프레임, 및 프레임 상의 고정 위치에 장착된 로커(rocker)를 포함한다. 크랭크 구동장치는 프레임 상의 고정 위치에 장착되고 구동 출력을 만드는 크랭크를 더 포함한다. 연결부재는 로커와 크랭크를 연결한다. 이를 위해, 연결부재는 크랭크, 및 고정 장착 위치로부터 이격되어 있는 로커의 반대편 단부에 각각 관절식으로 연결된다.

이러한 종류의 구동장치들은 선형적인 왕복 운동을 원운동으로 변환하는데 사용된다. 예를 들면, DE 1 698 561 U는 2개의 로커를 구비하고 사점 위치(dead center position)가 없는 이중 크랭크 구동장치를 보여주고, 2개의 로커는 각각 연결부재를 통해 토글 조인트(toggle joint) 방식으로 크랭크축에 연결된다. 이중 크랭크 구동장치를 작동시키는 사람은 손이나 발을 이용하여 로커들에 압력 및 장력을 가한다. 그 결과, 로커들의 왕복 선회 운동은 로커를 크랭크축에 연결하는 각각의 연결부재에 의해 크랭크축의 회전 운동으로 변환된다.

상기한 크랭크 구동장치의 단점은 특히, 구동 출력축에 가해진 힘을 전달하는데 필요한 긴 레버들과 같은 로커들의 설계이다. 긴 레버들로 인해, 도시된 크랭크 구동장치는 많은 공간을 필요로 하고, 레버들은 콤팩트한 디자인을 방해한다.

본 출원의 목적은 콤팩트한 디자인을 통해서 새로운 사용 가능성들을 여는 간단한 구조의 크랭크 구동장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기한 목적은 청구항 1에 청구된 크랭크 구동장치에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들 및 개발품들이 종속항들에 나타난다.

본 발명에 따른 해결수단의 필수 형태는, 크랭크를 구동하기 위해, 제1실린더는 이동가능하게 장착된 피스톤을 구비하고, 피스톤 및 로커는 커넥팅 로드를 통해 서로 관절식으로 연결된 것이고, 그 결과 피스톤의 축 방향 운동이 로커의 왕복 선회 운동을 초래한다.

본 발명에 따른 해결수단의 주된 장점은 콤팩트한 디자인임에도 불구하고, 압력 매체를 통해 작동된 실린더에 큰 힘들이 생성된다는 것이다. 특히, 압력 실린더는 납작한 구조일 수 있고, 그 결과 본 발명에 따른 크랭크 구동장치는 전체적으로 특히 작은 높이를 차지한다.

압력 실린더는 로커가 짧은 레버 암으로 설계되도록 한다. 실린더의 피스톤에 의해 로커에 가해질 수 있는 힘에 의해서, 작은 레버는 크랭크에 큰 토크를 생성하기에 충분하다. 또한, 로커와 연결부재로 구성된 토글 조인트 타입(toggle-joint-type)의 기구는 크랭크에 적용되는 토크를 증대시킨다. 로커와 연결부재가 점진적으로 곧게 펴지는 구성을 통해, 급격히 증가된 토크가 크랭크에 전달된다.

이러한 방식으로, 크랭크 구동장치의 콤팩트한 치수들에도 불구하고, 크랭크 구동장치는 디자인 면에서 특히 단순하고, 크랭크에서 생성된 이용가능한 토크가 크다. 본 발명에 따른 크랭크 구동장치의 다른 장점은 압력 실린더가 쉽게 제어될 수 있다는 것이다. 또한, 실린더는 선형적으로 왕복하는 축방향 운동의 종료점들 사이에서 서로 다른 속도들로 작동될 수 있고, 따라서 실린더는 토글 조인트 타입 기구의 다양한 각위치(angular position)들 및 그 결과로 생긴 크랭크의 회전으로 최적의 방식으로 조절될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 크랭크 구동장치는 모터를 구성하고, 콤팩트한 디자인, 특히 납작한 디자인을 갖는 넓은 범위의 적용예들을 제공한다.

로커는 로커의 고정 장착 위치로부터 이격되고 연결부재를 향하여 고정된 각도로 굴곡된 부분을 포함한다. 이 굴곡부에 의해서, 로커의 종축 및 로커의 고정 장착 위치로부터 이격된 부분의 종축은 서로 비스듬하게 배열된다. 로커 및 연결부재를 향하여 경사진 부분은 바람직하게는 일체로 구성된다.

연결부재를 향하는 로커의 경사도는 로커와 연결부재 사이의 토글 레버 타입 조인트(toggle-lever-type joint)에서 둔각을 이룬다. 그 결과, 조인트는 크랭크의 큰 회전 각도에 걸쳐서 토글 레버 효과(toggle lever effect)에 유리한 각도 범위에서 이동된다. 따라서, 토글 레버의 힘 강화는 크랭크의 회전 중에 더 큰 규모로 효과를 발휘한다.

특히, 본 발명에 따른 크랭크 구동장치는, 골국부의 길이 변화 및/또는 로커의 종축을 향하는 로커의 각위치 변화를 통해, 간단한 방법으로 각각의 사용 환경들에 부합될 수 있다. 이로 인해, 특히 높은 토크가 전달되는 크랭크의 회전각을 정확하게 한정할 수 있다.

제1실린더의 행정축은 로커에 수직한 면과 비스듬한 각도로 배열되는 것이 더욱 바람직하다. 선택된 각도가 예각일수록, 크랭크 구동장치의 축방향 폭이 더욱 감소된다. 이런 방식으로, 본 발명에 따른 압력 구동 모터는 더욱 콤팩트하게 만들어질 수 있다.

커넥팅 로드는 로커가 굴곡된 부분에 관절식으로 연결되는 것이 특히 더욱 바람직하다. 피스톤에 작용하는 횡력(transverse force)은 실린더 효율에 있어서 상당한 부분을 담당한다. 피스톤이 축방향 운동을 하는 동안, 피스톤과 로커를 연결하는 커넥팅 로드가 행정축에 대해 예각이 될수록, 횡력이 더욱 커진다. 따라서, 로커의 선회 운동 중에 행정축에 대한 각도 편이(angular deviation)가 가능한 한 작게 되도록 커넥팅 로드가 운동을 수행함으로써, 피스톤의 행정축의 위치, 고정 장착 위치 및 로커에 대한 관절식 연결 위치가 서로 일직선으로 배열되는 것이 특히 바람직하다. 본 발명에 따른 커넥팅 로드와 로커의 굴곡 부분의 관절식 연결은, 크랭크 구동장치의 축방향 폭을 감소시키는 방식으로 실린더의 위치가 결정되도록 함과 동시에, 피스톤 상에 작은 횡력들을 얻을 수 있도록 하고, 실린더의 상기한 구성으로 인해 로커 상에서 최대 레버 작용을 이용할 수 있다.

로커는 제2실린더에 포함된 제2피스톤과 관절식으로 연결되는 것이 특히 더욱 바람직하고, 제2실린더는 제1실린더로부터 로커의 반대편 측에 배열된다. 제2실린더를 통해, 크랭크 구동장치에 필요한 공간을 많이 증가시키지 않고도, 크랭크에 작용하는 토크를 더 증가시킬 수 있다. 제1,2실린더와 관련하여, 본 출원에서 선택된 실린더의 명칭은 어떤 특별한 기능과 관계된 것이 아니고, 교환될 수 있다.

커넥팅 로드들은 로커의 연장부에 관절식으로 연결되는 것이 바람직하고, 상기 연장부는 각각 로커에 수평방향으로 배열된다. 이러한 상호 작용은 커넥팅 로드들의 관절식 연결점들의 영역에 있는 로커의 교차 부분을 감소시키고, 로커의 열화를 방지한다.

로커의 측방향 연장부는 연결부재를 향하여 경사진 로커의 상기 부분에 배열되는 것이 특히 더욱 바람직하다.

제1실린더 및 제2실린더는 로커의 종축을 따라 서로 이격되어 배열되는 것이 바람직하고, 로커의 선회 피봇과 인접하게 위치된 실린더의 피스톤 행정은 다른 실린더의 피스톤 행정보다 작다.

제1실린더의 행정축은 제2실린더의 행정축과 비스듬한 각도인 것이 특히 더욱 바람직하다. 이것은 해당 피스톤에 작용하는 횡력이 최소화되도록 각각의 개별 실린더를 위치시킬 수 있게 한다.

크랭크의 사점 위치는 피스톤의 축방향 운동의 상부 전환점에서 교차하는 것이 바람직하다. 이것은 피스톤의 초기 축방향 운동을 통해 증가된 토크가 즉시 전달될 수 있도록 한다.

특히 바람직한 실시예에서, 실린더는 연소 기관의 일부이다. 따라서, 피스톤과 실린더는 점화를 위해 공기/연료 혼합물이 도입되는 연소 챔버를 형성한다. 연소 기관의 피스톤은 공기/연료 혼합물의 연소로 생성된 압력에 의해 피스톤의 하사점 위치의 방향으로 구동된다. 연소 챔버의 부피가 증가됨에 따라, 이에 맞춰서 연소 챔버의 압력이 감소된다. 이와 동시에, 피스톤의 운동은 토글 레버의 각도와 그로 인한 토글 레버의 힘 전달을 변화시킨다.

상사점으로부터 하사점 위치로 피스톤이 운동하는 동안, 토글 레버의 각도는 본 발명에 따른 로커의 굴곡부에 의해, 직선의 로커를 구비한 크랭크 구동장치인 경우보다 상당히 곧게 펴진다. 따라서 토글 레버는 피스톤의 전체 행정에 걸친 토글 레버 효과를 위해 비교적 더욱 유리한 각도를 설정한다. 특히, 혼합물의 점화 후에 즉시 피스톤을 구동하는 높은 압력들은 더 곧게 펴진 토글 레버에 의해 더 많은 힘 전달이 이루어지게 한다.

본 발명의 다른 장점들 및 특징들은 이하의 설명 및 도면에 도시된 실시예를 통해 나타날 것이다.
도 1은 실린더에 의해 크랭크가 구동되는, 본 발명에 따른 크랭크 구동장치의 일 실시예를 도시한다.

도 1에 도시된 크랭크 구동장치는 로커(1)를 포함하고, 로커(1)는 선회 피봇(2)을 통해 일측 단부가 프레임(미도시) 상의 고정 위치에 장착된다. 크랭크 구동장치로부터의 구동 출력은 크랭크(3)를 통해 발생하고, 크랭크(3)는 크랭크(3)의 피봇(4)을 통해 마찬가지로 고정 위치에서 프레임 상에 장착된다. 선회 피봇(2)과 피봇(4)은 서로 나란하게 배열된다. 연결부재(5)는 조인트(6)를 통해 로커(1)의 종축(7)에 대해서 경사진 부분(8)과 연결된다.

경사진 부분(8)은 연결부재(5)와 고정된 각도로 로커(1)의 종축(7)에 대해 경사져 있고, 바람직하게는 로커(1)와 일체로 형성된다. 그 결과, 연결부재(5)를 향하여 경사진 부분(8)의 종축(9)과 연결부재(5)의 종축(10) 사이에, 크랭크(3)의 회전 운동을 통해 변하는 각도가 형성된다. 크랭크(3)의 회전 운동 중에, 각도는 로커(1)의 연장된 종축(7)과 연결부재(5)의 종축(10) 사이의 각도보다 더 커진다. 직선의 로커 즉, 경사진 부분이 없는 로커에 의해 생성될 수 있는 토글 레버 효과(toggle lever effect)와 비교하여, 경사진 부분(8)으로 인해 조인트(6)에 작용하는 토글 레버 효과가 증대된다.

또한, 로커(1)의 종축(7)과 연결부재(5)의 종축(10) 사이의 각도는 선회 피봇(2) 상의 로커(7)의 고정 장착 위치와 피봇(4) 상의 크랭크(3)의 고정 장착 위치 사이의 간격을 감소시킬 수 있다. 이것은 본 발명에 따른 크랭크 구동장치의 콤팩트한 디자인을 유지시키면서, 토글 레버 효과를 증대시킨다. 고정 각도의 크기는 원하는 토글 레버의 힘 전달 및/또는 원하는 디자인의 축소 정도에 따라 선택된다. 실시예에서, 각도는 대략 15도이다.

조인트(6)로부터 떨어져 있는 연결부재(5)의 반대편 단부에서, 상기 연결부재는 크랭크(3)의 외측 영역과 관절식으로 연결된다. 조인트(11)를 통해 크랭크(3)에 작용하는 힘은 크랭크(3)의 회전 운동을 생성하고, 회전 운동은 본 발명에 따른 모터의 구동 출력축에 전달된다.

압력 매체, 및 커넥팅 로드(14)를 통해 로커(1)에 관절식으로 연결된 피스톤(13)으로 채워질 수 있는 실린더(12)는 로커(1)의 구동 출력을 제공한다. 커넥팅 로드(14)와 로커(1) 사이의 조인트(15)는 로커(1)와 로커의 경사진 부분(8) 사이의 굴곡부에 위치된다. 피스톤(13)이 완전히 후퇴하면, 실린더(12)의 행정축(16)(stroke axis)은 로커(1)와 수직한 면에 비스듬하게 배열된다.

토글 레버 효과는 각도 a가 곧게 펴지는 영역에 도입되는 힘을 매우 증가시킨다. 그 결과, 크랭크(3)에 가해진 힘은 공식 F = G/(2*cos a/2)에 따라 계산되고, 여기서 G는 피스톤을 통해 로커에 작용되는 힘이고, F는 그 결과에 따른 힘이다. 따라서, 힘 F를 통해 크랭크(3)에 적용되는 토크가 더 커질수록, 각도 a가 더 곧게 펴진다.

Claims (11)

1. 특히 하우징으로 구성될 수 있는 프레임, 상기 프레임 상의 고정 위치에 장착된 로커(1), 상기 프레임 상의 고정 위치에 장착되고 구동 출력을 만드는 크랭크(3), 로커(1)와 크랭크(3)를 연결하는 연결부재(5)를 구비하고, 연결부재(5)는 크랭크(3) 및 고정 장착 위치(2)로부터 이격되어 있는 로커(1)의 반대편 단부에 각각 관절식으로 연결되고, 크랭크(3)를 구동하기 위해, 제1실린더(12)는 이동 가능하게 장착된 피스톤(13)을 구비하고, 피스톤(13)과 로커(1)는 커넥팅 로드(14)를 통해 서로 관절식으로 연결되어, 피스톤(13)의 축방향 운동이 로커(1)의 왕복 선회 운동을 일으키는 크랭크 구동장치로서, 로커(1)는, 로커(1)의 고정 장착 위치로부터 이격되고 연결부재(5)를 향하여 고정된 각도로 경사진 부분(8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 크랭크 구동장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   로커(1) 및 이격된 부분(8)은 일체로 구성된 것을 특징으로 하는 크랭크 구동장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   커넥팅 로드(14)는 로커(1)가 굴곡된 지점에 관절식으로 연결된 것을 특징으로 하는 크랭크 구동장치.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   제1실린더(12)의 행정축(16)은 로커(1)와 수직한 면에 비스듬한 각도로 배열된 것을 특징으로 하는 크랭크 구동장치.
   
5. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   로커(1)는 제2실린더에 포함된 제2피스톤에 관절식으로 연결되고, 상기 제2실린더는 제1실린더(12)로부터 로커(1)의 반대편 측에 배열된 것을 특징으로 하는 크랭크 구동장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   커넥팅 로드들(14)은 각각 로커(1)의 연장부에 관절식으로 연결되고, 상기 연장부는 로커(1)와 수평방향으로 배열된 것을 특징으로 하는 크랭크 구동장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   로커(1)의 측방향 연장부는 연결부재(5)를 향하여 경사진 로커(1)의 상기 부분(8)에 배열된 것을 특징으로 하는 크랭크 구동장치.
   
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   제1실린더(12)와 제2실린더는 로커(1)의 종축(10)을 따라 서로 이격되어 배열되고, 제1실린더(12)의 피스톤(13) 행정은 제2실린더의 피스톤 행정보다 더 큰 것을 특징으로 하는 크랭크 구동장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   제1실린더(12)의 행정축(16)은 제2실린더의 행정축과 비스듬한 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 크랭크 구동장치.
   
10. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    크랭크(3)의 사점 위치는 적어도 하나의 피스톤(13)의 축방향 운동의 상부 전환점에서 교차하는 것을 특징으로 하는 크랭크 구동장치.
    
11. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    피스톤(13)은 연소 기관에 배열된 것을 특징으로 하는 크랭크 구동장치.

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