KR20120066254A - 이중(二重) 유니버설조인트 형 커넥팅로드. - Google Patents

이중(二重) 유니버설조인트 형 커넥팅로드. Download PDF

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Abstract

본 고안은 직선 왕복운동(Linear reciprocation)을 회전운동(Rotation)으로 변환(Convert) 하거나 회전운동을 직선 왕복운동으로 변환 할 때 사용되는 여러 가지 운동 변환기구(Motion conversion mechanism) 가운데 한 가지인 크랭크 기구(Crank-mechanism) 에 필수적으로 사용되는 커넥팅로드(Connecting rod) 에 관한 것이다.
커넥팅로드 의 한쪽 끝은 실린더(Cylinder) 내부에서 실린더 안내에 따라 직선왕복운동만 하는 피스톤(Piston) 의 피스톤핀(Piston-pin) 에 연결되어있고 다른 한쪽 끝은 크랭크샤프트(Crank shaft) 의 회전에 따라 회전 운동만 하는 크랭크 핀(Crank-pin)에 연결되어있어 직선 왕복운동을 회전 운동으로 또는 회전운동을 직선 왕복운동으로 양방향 어느 방향으로라도 제한 없이 임의로 전환 시킬 수 있는 크랭크 기구 의 동력전달 주 통로 역할을 하고 있다.
다시 기술하면 크랭크 기구의 원리는 피스톤 핀 은 직선운동하는 피스톤 과 커넥팅로드를 연결 하게 되며 크랭크핀 은 회전운동을 하는 크랭크샤프트(Crank shaft) 와 커넥팅로드를 연결 하도록 되어있어 결국은 피스톤의 직선운동 과 크랭크샤프트 의 회전운동이 커넥팅로드를 경유하면서 직선운동이 회전운동으로 또는 회전운동이 직선운동으로 변환 되는 구조로 되어있다.
크랭크 기구 의 필수요구조건은 피스톤 핀 과 크랭크 핀이 서로 완벽한 평행이 유지되어야 한다는 점이다.
만일 피스톤 핀 과 크랭크 핀이 서로 완벽한 평행이 유지 되지 않을 경우 피스톤이 실린더 내에서 경사각을 이루게 되어 피스톤이 용이 하게 움직일 수 없게 되어 피스톤 과 실린더 사이의 마찰력 때문에 피스톤의 이상 마모를 일으키며 결과적으로 기구의 수명이 단축되거나 피스톤 핀이 파단에 이르게 된다.
피스톤이 실린더 내에서 경사각을 이루게 되는 이유는 완성 조립후 평행을 유지해야할 피스톤핀 과 크랭크 핀 이 하나의 조립품에 구성 되도록 하기위하여 포함되야 하는 부속품들을 열거하면 크랭크 케이스, 크랭크샤프트 베어링, 크랭크샤프트, 크랭크 핀 베어링, 커넥팅로드, 피스톤 핀 베어링, 피스톤 핀, 피스톤 이 포함된 8 개 의 부속품 의 조합이기 때문에 기계부속품들에게 허용하는 가공 오차를 감안할 때 오차가 전무한 부속 의 제작이 불가능한 이상 피스톤 핀 과 크랭크 핀이 완벽한 평행을 유지하도록 제작 하는 것이 불가능하기 때문이다.
재래식 크랭크기구에서는 피스톤 의 과다한 마모 와 수명단축 및 커넥팅로드 의 파단을 방지하기위하여 커넥팅로드 와 피스톤 사이에는 피스톤 핀 갭(Piston pin gap)이라 부르는 일정한 정도의 간격을 허용하도록 기계를 제작 하고 있는데 이 피스톤 핀 갭(Piston pin gap)에서 커넥팅로드 가 진동을 일으킨다.
커넥팅로드가 피스톤 핀 갭(Piston pin gap)에서 진동을 일으키는 현상을 로드 끝 진동(Rod end play) 이라 부르는 현상으로서 차량의 경우 차체진동 과 소음의 주요 발생처 이며 또 커넥팅로드가 진동맥놀이(Vibration beat)를 일으키고 있는 순간에 엔진노킹(Engine knocking) 과 중첩될 경우 때로는 커넥팅로드가 파단에 이르도록 할 정도 의 큰 진동을 야기하기도 한다.
재래식 커넥팅로드의 경우 커넥팅로드 와 피스톤 핀 과 크랭크 핀 및 커넥팅로드 캡(Connecting rod cap)이 포함된 4 개 의 부속으로 구성된 단일강체형(單一剛體形)(Rigid single piece) 구조이기 때문에 커넥팅로드 운동경로에서 전후, 좌우 4 개 방향 중 어떤 방향으로 라도 치수(Dimension)나 각도에 오차가 발생할 경우 엔진 또는 펌프의 성능에 심각한 장애를 일으킬 수밖에 없는 구조이다.
이와 같은 치명적 약점을 가진 재래식 커넥팅로드의 단일강체형 구조로부터 탈피하여 상부너클핀(Top knuckle pin), 직교핀 블록(Cross pin block), 피스톤 핀, 커넥팅로드 자루(Connecting rod shank), 하부너클핀(Bottom knuckle pin), 커넥팅로드 요크(Connecting rod yoke), 크랭크핀 및 커넥팅로드 캡이 포함된 8 개 의 부속품으로 구성되는 이중(二重) 유니버설조인트형(Double universal jointed) 커넥팅로드 형태로 구조를 변경함으로서 크랭크 기구의 최대약점인 구조의 경직성으로부터 완전히 해방되어 커넥팅로드 의 전후, 좌우 4 방향 운동에 대하여 어떤 구속도 받지 않게 되도록 하는 것 이 목적이다.
Figure P1020100127501
커넥팅 로드(Connecting rod) 크랭크 핀(Crank pin) 커넥팅로드 캡(Connecting rod cap) 피스톤 핀(Piston pin) 커넥팅로드 자루(Connecting rod shank) 유니버설조인트(Universal joint)

Description

이중(二重) 유니버설조인트 형 커넥팅로드.{Double universal jointed connecting rod.}
왕복운동 형식 피스톤 엔진 및 왕복운동 형식 피스톤 펌프.
피스톤 왕복운동 엔진 과 피스톤 왕복운동 펌프는 구조가 완벽하게 동일하다.
피스톤 왕복운동 엔진은 연소실 내부에서 연소하는 연료의 폭발력으로 피스톤을 움직이며 크랭크 기구를 사용하여 피스톤의 직선 운동력을 회전운동으로 변환 시켜 최종적으로 회전력을 사용하는 기계이며 피스톤 왕복운동 펌프는 전동기 또는 엔진 의 회전력을 크랭크샤프트에 공급하여 크랭크 기구를 통하여 회전력을 왕복운동력으로 변환시켜 피스톤을 왕복운동 하도록 함으로서 피스톤펌프가 작동하도록 하는 기계 이다.
왕복운동 하는 피스톤을 안내하는 실린더 의 중심축선 과 회전 운동 하는 크랭크샤프트 중심축선은 완벽한 직각 교차를 해야 크랭크 기구가 정상적인 작동을 하게 된다.
만일 두 축선이 정확한 직교를 하지 않을 경우 크랭크샤프트 가 파단 되거나 파단에 이르지 않을 정도의 적은 각도 뒤틀림 의 경우 피스톤 의 측압(Side thrust)의 과다한 작용으로 피스톤 의 이상마모를 일으키며 그에 따라 피스톤 핀 과 크랭크 핀 또한 과다한 마모를 일으키고 결국 기계의 성능은 떨어지고 수명이 단축된다.
엔진 또는 펌프의 소음과 진동을 최소화 하고 또 피스톤의 측압을 최소화 하여 성능이 우수하고 수명이 긴 기계를 제작하려면 크랭크 케이스(Crank case) 와 실린더 블록(Cylinder block) 의 가공허용오차를 최소화해야 한다.
가공허용오차를 최소 상태로 유지하려면 가격이 높더라도 열변형(熱變形)이 극히 낮은 금속합금을 선택해야하며 열변형이 극히 낮은 합금은 열처리 또한 고도의 기술 과 설비를 필요로 하며 이와 같은 조건에 따라 제작된 금속부속품들은 가공에도 높은 기술과 고가 장비를 필요로 하기 때문에 자동적으로 전체 제작비가 높아진다.
즉 크랭크 기구를 제작할 때 단일 강체(剛體) 커넥팅로드를 사용할 경우 성능이 우수하고 수명이 길도록 하려면 제작비가 엄청나게 상승하는 반면 제작비를 줄이기 위하여 일반적인 금속합금 과 일반적인 열처리 와 가공과정을 거칠 경우 성능과 수명을 보증할 수 없게 된다.
반면 커넥팅로드를 이중(二重) 유니버설 조인트 형 커넥팅로드를 채용할 경우 조립에 들어가는 여러개의 너클핀(Knuckle pin) 들이 상호간에 고도의 진직각 과 진평행을 유지하지 않드라도 커넥팅로드는 완벽한 성능을 발휘하여 최고 성능의 엔진 과 펌프의 제작이 가능하며 긴 수명을 보증할 수 있게 된다.
본 고안은 이러한 여러 가지 기계성능 향상에 방해가 되고 생산 비용 상승을 초래하는 조건들이 모두가 유연성이 없는 단일 강체(剛體) 커넥팅로드를 사용하고 있는 것이 원인 이라는 점을 근거로 커넥팅로드를 유연성(Flexible)이 있는 이중(二重) 유니버설 조인트 형으로 제작하여 커넥팅로드에 유연성을 부여함으로서 합금선택 으로부터 열처리와 일차 이차 가공 이 쉽고 무정열(無整列)(Alignment free) 또는 자동정열(Self-centering)조립 이 가능하도록 하여 성능이 우수하고 가격이 저렴한 왕복동 피스톤 엔진과 왕복동 피스톤 펌프를 제작할 수 있도록 하는 것이 이 고안 과 기술 의 배경이며 목적이다.
재래식 왕복동 피스톤 엔진 과 재래식 왕복동 피스톤 펌프 에 사용되고 있는 단일 강체형(單一剛體形) 커넥팅로드를 유연성(Flexible)이 있는 이중(二重) 유니버설 조인트형 커넥팅로드로 변경하여 커넥팅로드 에 유연성을 부여 하는 것.
본 고안은 기존의 커넥팅로드, 피스톤 핀 과 크랭크 핀 및 커넥팅로드 캡(Connecting rod cap)을 포함하여 4 개 의 부속으로 구성된 단일강체형 커넥팅로드의 구조를 개조하되 상부(上部)너클핀(Top knuckle pin), 직교(直交)핀 블록(Cross pin block), 피스톤 핀, 커넥팅로드 자루(Connecting rod shank), 하부(下部) 너클핀(Bottom knuckle pin), 커넥팅로드 요크(Connecting rod yoke), 크랭크핀 및 커넥팅로드 캡을 포함한 8 개 의 부속품으로 구성되는 이중(三重)유니버설조인트형 (Double universal jointed) 커넥팅로드 가 되도록 제작함으로서 재래식 경직된 커넥팅로드를 유연성이 있는 커넥팅로드(Flexible connecting rod) 로 제작하여 재래식 엔진 과 펌프가 가진 여러 가지 단점을 제거한다.
왕복동 피스톤 엔진 과 왕복동 피스톤 펌프의 주 부속품인 크랭크 케이스 와 실린더 블록 의 제작공정에서 본 고안에 따라 이중(二重)유니버설조인트형(Double universal jointed) 커넥팅로드를 사용할 경우 재래식 커넥팅로드를 사용한 과거에 비하여 허용오차가 상대적으로 커 지드라도 조립과정에서 일어나는 불량률이 내려가기 때문에 제작비가 저렴해지며 엔진 과 펌프 의 조립과정에서 정열작업이 줄어들고 진직각도(眞直角度) 와 진평행도(眞平行度) 준수라는 경직된 조립 필요성이 없어지기 때문에 생산성은 높아지며 생산 비용은 줄어들게 된다.
또 피스톤 과 코낵팅 로드 사이에 부여하지 않을 수 없었든 간극(間隙)을 부여 할 필요가 없어지고 피스톤 과 실린더 사이의 허용 간극 또한 최소화 할 수 있기 때문에 기계의 성능은 향상되고 수명도 길어진다.
이하, 본 고안의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음 과 같다.
도-1 은 기존방식의 피스톤 과 커넥팅로드 와 크랭크샤프트 가 조립된 상태이며 좌측은 정면도이며 우측은 측면 단면도 이다.
도-2 는 본 고안에 따라 이중 유니버설 조인트 형으로 제작한 커넥팅로드를 장착하여 사용할 수 있도록 하기 위하여 피스톤을 피스톤 크라운 과 피스톤 스커트 두 조각으로 분할하여 제작한 피스톤에 실제로 이중 유니버설 조인트 형으로 제작한 커넥팅로드 와 크랭크샤프트를 조립한 제품으로서 좌측은 정면 단면도 이며 우측은 측면 단면도 이다.
도-1에서 재래식피스톤(01) 은 재래식 피스톤 핀(02)를 통하여 재래식커넥팅로드(03) 과 연결되어있으며 재래식커넥팅로드(03)은 다시 크랭크 핀(18)을 통하여 크랭크샤프트(26) 에 연결되고 커넥팅로드 캡(04) 로 결합되어 있어 피스톤(01)이 왕복운동을 하면 크랭크샤프트(26)은 회전운동을 하도록 되어있다.
이때 크랭크샤프트 축선(軸線)(08) 과 크랭크 핀 축선(07) 및 피스톤 핀 축선(06)이 포함된 3 개 축선들은 서로 완벽한 평행을 이루어야 하며 이와 동시에 3 개 축선은 실린더 축선(05) 와는 완벽한 직교(直交) 관계를 유지해야 하며 이 4 개의 축선 의 상호 평행 및 수직(垂直) 관계 가운데 어느 한 조건만이라도 어긋날 경우 피스톤은 원활한 작동을 할 수 없게 된다.
그러나 기계의 부속품은 제작과정의 허용오차가 있기 때문에 어떤 경우에라도 완전무결한 수직 또는 완전무결한 평행을 유지하도록 제작하는 것이 불가능하다.
이 문제를 해결하는 방안으로서 재래식 커넥팅로드(03) 과 재래식피스톤(01) 사이에는 피스톤 핀 갭(Piston pin gap)(25) 가 부여되어있어 전기한 4개 축선 들간에 지켜져야 할 직각 과 평행각도 상에 약간의 오차가 존재하드라도 재래식 커넥팅로드(03) 이 재래식 피스톤 핀(02) 위에서 좁은 간격이나마 좌우 이동을 할 수 있도록 허용함으로서 각도의 오차를 흡수 하도록 되어있다.
피스톤 핀 갭(Piston pin gap)(25)은 완전무결하지 못한 기계가공 오차를 흡수하지만 재래식 커넥팅로드(03) 의 진동을 허용하기 때문에 이 진동은 차량의 경우 엔진 진동 과 소음의 주요 요인이 되며 엔진 자체가 내포하고 있는 4 방향 진동과 결합하고 맥놀이를 일으켜 증폭되어 제어할 수 없는 경지에 도달하기도하기 때문에 재래식 엔진의 주요 단점이 된다.
또 전술한 4 개축선 상호간의 진 직각 및 진 평행 의 유지를 위하여 각 부속품의 제작과정에서 고도의 정밀성을 요하고 허용오차는 극히 낮은 수준을 요구하기 때문에 사용할 합금 또한 선정의 폭이 좁아지고 열처리 와 후속 가공공정들 또한 극도 의 고도정밀을 요구하기 때문에 기계의 제작비를 상승시키는 요인이 된다.
또 조립 과정에서도 고도의 정밀을 요하기 때문에 사용되는 조립 보조 장치 들 또한 매우 정교하고 고가인 장비가 되며 기계를 수리하는 업체들은 그와 같은 고도정밀 조립장비를 구비할 수 없기 때문에 한번 분해한 엔진을 재조립했을 경우 기계가 전혀 성능을 발휘하지 못 하는 경우 가 허다하다.
이와 같은 여러 가지어려움이 모두 유연성이 전혀 없는 재래식 커넥팅로드(03)의 약점은 그대로 있는 상태에서 연관 부속품들 로 하여금 무리하게 진직각 과 진평행 조건을 유지하도록 요구하기 때문에 일어나는 현상들이다.
본 고안은 유연성이 없는 단일 강체형 재래식 커넥팅로드(03)를 탈피하여 유연성이 있는 2 중 유니버설조인트 방식의 커넥팅로드를 사용하여 기계 제작이 용이하며 성능이 우수하며 가격이 저렴한 피스톤 엔진 과 피스톤 펌프를 제작할 수 있 도록 하려한다.
도-2에서 이중유니버설조인트 방식 의 커넥팅로드 는 상부너클핀(Top knuckle pin)(11), 직교(直交)핀 블록(Cross pin block)(12), 피스톤 핀(14), 커넥팅로드 자루(Connecting rod shank)(13), 하부(下部)너클핀(Bottom knuckle pin)(15), 커넥팅로드 요크(Connecting rod yoke)(16), 크랭크핀(18) 및 커넥팅로드 캡(17)을 포함한 8 개 의 부속품으로 구성되도록 제작함으로서 재래식 경직된 커넥팅로드를 대체하도록 하는 유연성이 있는 커넥팅로드(Flexible connecting rod) 로 제작하여 재래식 엔진 과 펌프가 가진 여러 가지 단점을 제거한다.
도-2 에 명시된 바와같이 상부너클핀축선(19) 와 피스톤핀축선(20) 은 3 차원 공간에서 서로 수직교차(垂直交差)하는 관계를 유지하고 있다.
또 피스톤핀축선(20) 과 하부너클핀축선(21) 도 3 차원 공간에서 서로 수직교차(垂直交差)하는 관계를 유지하고 있다.
다음은 하부너클핀축선(21) 과 크랭크핀축선(22) 도 3 차원 공간에서 서로 수직교차(垂直交差)하는 관계를 유지하고 있다.
간추려보면 4 개 의 축선들 즉 상부너클핀축선(19) 과 피스톤핀축선(20) 또 하부너클핀축선(21) 과 크랭크핀축선(22) 은 각각 순서대로 직교하는 관계 이지만 축선이 한 단계 건너가면 상부너클핀축선(19) 과 하부너클핀축선(21) 은 서로 평행관계가 되며 피스톤핀축선(20) 과 크랭크핀축선(22) 또한 서로 평행관계 가 된다.
결국 상부너클핀축선(19) 과 하부너클핀축선(21) 은 3 차원 공간에서 서로 평행(平行) 관계를 유지하는 관계가 되기 때문에 상부너클핀(11) 과 하부너클핀 (15)은 이중경첩(Double-hinge)를 구성하여 어떤 각도 범위 이내에서는 서로 자유롭게 방향전환을 허용하는 구조를 이루기 때문에 피스톤핀(14) 와 크랭크핀(18) 의 평행관계에서 진평행(眞平行) 이 유지되지 않고 다소의 각도이탈이 있을 경우에도 연결부속품들 즉 커넥팅로드 자루(Connecting rod shank)(13) 의 제작 과정에서 각도의 오차가 발생한 경우라도 이탈 한 각도를 완벽하게 흡수하게 된다.
즉 반드시 평행관계가 이루어져야 하는 피스톤핀(14) 의 직선 운동 과 크랭크핀(18) 의 회전운동이 상부너클핀(11) 과 하부너클핀(15) 이 이루고 있는 이중경첩(Double-hinge) 구조의 도움으로 진평행(眞平行) 여부에 관계없이 부드럽게 연결동작이 이루어진다.
즉 이들 부속품들의 조립 과정에서는 진 직각 또는 진 평행 여부에는 관계없고 다만 각 부속품들을 감싸고 있는 베어링 의 정밀도에만 기계성능이 좌우되는 구조가 되기 때문에 매우 정밀한 기계를 제작하는 경우에도 비용 은 크게 상승하지 않는다.
상부너클핀(11) 과 피스톤핀(14) 은 3 차원 공간에서 서로 직교하는 상태이기 때문에 유니버설조인트 구조를 이루며 또한 하부너클핀(15) 와 크랭크핀(18) 도 3 차원 공간에서 서로 직교하는 상태이기 때문에 역시 유니버설 조인트 구조를 이루게 되기 때문에 두 개의 유니버설 조인트가 커넥팅로드 자루(Connecting rod shank)(13)를 통하여 단일 구조로 조립 되었을 때에는 상부너클핀(Top knuckle pin)(11), 직교(直交)핀 블록(Cross pin block)(12), 피스톤 핀(14), 커넥팅로드 자루(Connecting rod shank)(13), 하부(下部)너클핀(Bottom knuckle pin)(15), 커 넥팅로드 요크(Connecting rod yoke)(16), 크랭크핀(18) 및 커넥팅로드 캡(17)을 포함한 8 개 의 부속품들이 전체적으로 이중유니버설조인트 구조를 이루게 된다.
즉 커넥팅로드 자체가 경직된 강체(剛體)가 아니라 전후, 좌우 모든 방향에 대하여 유연성을 가진 플렉시블 유니버설조인트형 커넥팅로드(Flexible universal jointed connecting rod) 가 완성된다.
도-1 은 기존방식의 피스톤 과 커넥팅로드 와 크랭크샤프트 가 조립된 상태도이며 좌측은 정면도이며 우측은 측면 단면도 이다.
도-2 는 본 고안에 따라 이중 유니버설 조인트 형으로 제작한 커넥팅로드를 장착하여 사용할 수 있도록 하기 위하여 피스톤을 피스톤 크라운 과 피스톤 스커트 두 조각으로 분할하여 제작한 피스톤에 실제로 이중 유니버설 조인트 형으로 제작한 커넥팅로드 와 크랭크샤프트를 조립한 상태도로서 좌측은 정면 단면도 이며 우측은 측면 단면도 이다.

Claims (1)

  1. 왕복동 피스톤 방식 엔진 과 왕복동 피스톤 방식 펌프 에 사용할 수 있도록 제작한 이중(二重) 유니버설 조인트 형 커넥팅로드.
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