KR20130046390A - 내연기관용 질량 평형 장치 - Google Patents

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섀플러 테크놀로지스 아게 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 양정 피스톤 내연기관(1)의 자유 관성력 및/또는 자유 관성 모멘트의 평형을 위한 질량 평형 장치에 관한 것이다. 질량 평형 장치는 동일한 회전 속도에서 상반된 회전 방향으로 회전하는 2개의 평형 샤프트(3, 4)와, 내연기관의 크랭크 샤프트(2)와 평형 샤프트 사이에 배치된 트랜스미션(5)을 포함하며, 이때 트랜스미션은, 평형 샤프트의 각속도가 피스톤 사점들에서 최고가 되도록, 크랭크 샤프트 각도에 대하여 일정하지 않은, 평형 샤프트 회전 속도에 대한 크랭크 샤프트 회전 속도의 변속비로 평형 샤프트를 구동한다. 질량 평형 장치는 다기통 내연기관용으로 구성되었으며 변속비의 평균값은 1:2가 될 것이다.

Description

내연기관용 질량 평형 장치{MASS BALANCING DEVICE FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 양정 피스톤 내연기관의 자유 관성력 및/또는 자유 관성 모멘트의 평형을 위한 질량 평형 장치에 관한 것이다. 질량 평형 장치는 동일한 회전 속도에서 상반된 회전 방향으로 회전하는, 힘성분이 피스톤 스트로크 방향으로는 강화되고 피스톤 스트로크 방향에 대한 직교 방향으로는 상쇄되는, 불평형부를 갖는 2개의 평형 샤프트와, 내연기관의 크랭크 샤프트와 상기 평형 샤프트 사이에 배치된 트랜스미션을 포함하며, 상기 트랜스미션은 평형 샤프트의 각속도가 피스톤 사점들에서 최고가 되도록, 크랭크 샤프트 각도에 대해 일정하지 않은, 평형 샤프트 회전 속도에 대한 크랭크 샤프트 회전 속도의 변속비로 평형 샤프트를 구동한다.
전술한 종류의 질량 평형 장치는 JP 60109639 A호 및 JP 60109636 A호에 이미 공지되어 있다. 종래기술에 공개된 트랜스미션은 서로 맞물리는 2개의 변속기 스퍼 기어를 가지며, 이들 변속기 스퍼 기어는 일정하지 않은 변속비를 만들기 위해 서로 동일한 타원형 피치원을 가지며 각각의 경우 타원 중점을 기준으로 편심축에서 회전한다.
JP 58225242 A호 및 JP 58225243 A호에는 단기통 내연기관용 질량 평형 장치가 공개되어 있으며, 단기통용 내연기관의 트랜스미션 역시 서로 맞물리는, 타원형인, 동일한, 2개의 변속기 스퍼 기어를 갖는다. 그러나 각각의 경우 질량 평형 장치는 평형 샤프트의 각속도가 피스톤 상사점에서 최고이고 피스톤 하사점에서 최소가 되는 구조를 갖는다.
질량 평형 장치가 체인 구동부 또는 벨트 구동부로서 형성된 트랜스미션과 함께 DE 10 2004 033 927 A1호에 공개되어 있다. 상기 종래기술에서, 크랭크 샤프트의 회전 진동을 보상하는 불균일성을 구동부에 부여하기 위해, 크랭크 샤프트의 구동휠 및/또는 평형 샤프트의 구동휠들을 비원형으로 형성할 것을 제안하고 있다.
본 발명의 과제는 가능한 한 넓은 스펙트럼의 내연기관 적용예 및 그와 동시에 높은 경량화 구조 가능성이라는 점에서 전술한 종류의 질량 평형 장치를 적응시키는 데 있다.
상기 과제의 해결을 위해, 내연기관용 질량 평형 장치는 단지 다기통 실린더 구조로 구성되며 변속비의 평균값은 1:2이다. 그 결과 평형 샤프트가 크랭크 샤프트 속도보다 두 배 속도로 회전운동하기 때문에, 달리 말하면 질량 평형 장치는 가장 일반적인 직렬형이나 V형 내연기관의 2차 자유 관성력 및/또는 관성 모멘트를 보상하기 위해 제공된다. 질량 평형 장치의 경량화 구조 가능성은 평균 각속도와 관련하여 피스톤 사점들에서 (및 그 사이 90°크랭크 샤프트 각도마다) 평형 샤프트의 일정하지 않은 각속도가 최대이므로 그에 상응하게 불평형을 형성하는 평형 샤프트 질량이 감소할 수 있다는 데서 나온다.
트랜스미션의 구조 형상과 무관하게 변속비가 일정하지 않은 점은 비원형인 트랜스미션 휠에 근거하며, 트랜스미션 휠의 비원형성이 불평형부의 회전 위치와 동기되므로, 불평형부의 힘성분들이 단지 피스톤 스트로크 방향으로만 작용하면, 평형 샤프트의 각속도가 최대가 되고, 및 힘성분들이 서로 보상되면, 최소가 되며, 특히 힘성분들이 피스톤 스트로크 방향에 대해 직교 방향으로만 작용하여 전부 상쇄되는 경우 최소가 된다.
이와 관련하여, 회전 방향 전환 목적으로 평형 샤프트에 서로 맞물리는 샤프트 스퍼 기어가 제공되며 또한 평형 샤프트들 중 하나를 구동시키는 트랜스미션이, 2개의 변속기 스퍼 기어를 갖는 스퍼 기어 장치로서 형성되는 것이 적절할 수 있을 것이며, 이 경우 피치원이 원형에서 벗어나게 형성되고 원형에 대해 돌출 섹션과 함몰 섹션을 교대로 가지며, 이들 섹션은 각각 쌍으로 변속기 스퍼 기어의 회전축에 대해 대칭으로 거리를 두고 회전한다. 즉, 도입부에서 인용한 종래기술과 달리, 변속기 스퍼 기어들이 편심축이 아닌 대칭축을 중심으로 회전하며, 돌출 섹션과 함몰 섹션은 변속기 스퍼 기어들이 서로 영구적 결합을 하도록 형성되며 서로에 대해 상대적으로 배치되어야 한다.
견인 수단으로서 톱니 벨트 또는 체인을 갖는 견인 수단 구동 장치가 대안적인 트랜스미션으로서 제공될 수도 있으며, 견인 수단 구동 장치는 레이아웃(크랭크 샤프트와 평형 샤프트들의 공간적 배치)과 관련하여 예를 들어 도입부에 언급한 DE 10 2004 033 927 A1호에 공개되어 있다. 이런 경우 크랭크 샤프트 측 구동휠 및/또는 평형 샤프트 측 구동휠들이 비원형으로 형성되며, 이런 비원형성은 의도한 대로 변속비가 일정하지 않도록 한다.
바람직하게는 평형 샤프트 측에서 회전하는 변속기 스퍼 기어의 피치원은 정확하게 2개의 돌출 섹션과 2개의 함몰 섹션을 가져야 하며, 크랭크 샤프트 측면에서 회전하는 변속기 스퍼 기어의 피치원은 정확하게 4개의 돌출 섹션과 4개의 함몰 섹션을 가져야 한다. 그 후에는 크랭크 샤프트 측 변속기 스퍼 기어의 돌출 섹션과 평형 샤프트 측 변속기 스퍼 기어의 함몰 섹션이 결합하면, 평형 샤프트들의 각속도가 최대가 된다. 이에 상응하게 크랭크 샤프트 측 변속기 스퍼 기어의 함몰 섹션과 평형 샤프트 측 변속기 스퍼 기어의 돌출 섹션이 결합하면, 평형 샤프트들의 각속도가 최소가 된다
그 외에도 평형 샤프트의 일정하지 않은 각속도와 관련하여 불평형부의 크기 결정을 위한 하기의 식은, 즉
Figure pct00001
이다.
상기 식에서
Figure pct00002
은 평형 샤프트들의 불평형부,
Figure pct00003
는 평형 샤프트들의 평균 각속도,
Figure pct00004
는 평형 샤프트들의 최대 각속도,
Figure pct00005
는 평형 샤프트들의 불평형부이며, 이때 평형 샤프트는 평균 각속도로 회전하고 최대 각속도로 회전하는 평형 샤프트들과 같은 힘성분이 피스톤 사점들에서 생성될 것이다.
평형 샤프트들의 평균 각속도 대비 최대 각속도의 비율은 최대 1.3인 것이 바람직한데, 비율이 1.3의 값을 초과하는 경우 더 높은 차수의 회전 진동이 너무 커질 것이기 때문이다. 상기 비율은 1.1과 1.2 사이 범위에 있으면 특히 바람직하다. 1.2의 비율인 경우 몫
Figure pct00006
의 값은 약 0.7이다. 이는 불평형부 및 불평형부 반경의 불변시 각각의 평형 샤프트의 불평형부 질량이 약 30% 정도 감소될 수 있다. 그 이유는 질량 평형 장치가 동일한 형태로 회전하는 평형 샤프트를 갖기 때문이다.
그러나 이에 대한 대안적 실시예에서, 2차 및 그 이상 차수의 관성력을 이상적으로 보상하여 평균 편차를 최소화하기 위해, 평형 샤프트의 각속도가 최대인 경우 내연기관의 자유 관성력이 초과 보상되는 것도 생각해 볼 수 있다.
본 발명의 그 외 특징들은 하기의 상세한 설명 및 도면에서 비롯한다.
도 1은 본 발명에 따른 질량 평형 장치의 실시예의 트랜스미션 패턴에 관한 도이다.
도 2는 크랭크 샤프트 각도에 대하여 평형 샤프트들의 각속도 및 연관된 힘을 나타내는 그래프이다.
도 3은 공지된 질량 평형 장치의 트랜스미션 패턴에 관한 도이다.
도 1에 도시된 본 발명의 실시예는 도 3을 토대로 설명되며, 본 발명의 바람직한 적용예는 트랜스미션 패턴을 참고하여 설명된다. 이는 직렬형 4기통 양정 피스톤 내연기관(1)의 공지된 질량 평형에 관한 것으로서, 이러한 내연기관은 2차의 자유 관성력을 보상하기 위해 크랭크 샤프트(2)의 속도보다 두 배의 속도로 반대방향으로 회전하는 2개의 평형 샤프트(3' 및 4')를 갖는다. 평형 샤프트(3' 및 4')의 구동은 변속기 스퍼 기어(6' 및 7')를 포함하는 스퍼 기어 장치 형태인 트랜스미션(5')에 의해 이루어지며, 트랜스미션은 크랭크 샤프트(2)와 평형 샤프트(3' 및 4') 사이에 배치되어 크랭크 샤프트(2)의 회전을 1:2 변속비로 동일한 형태로 평형 샤프트(3' 및 4')에 전달하며, 그 결과 평형 샤프트는 두 배의 크랭크 샤프트 속도로 회전한다.
평형 샤프트(3' 및 4')에서 (
Figure pct00007
)로 표기된 불평형부의 힘성분들은 피스톤 스트로크 방향에 대한 직교 방향으로는 상쇄되고 피스톤 스트로크 방향으로는 강화되며, 즉 2배가 된다. 도면에 도시된 크랭크 샤프트 각도는 TDC 후 α=45°이며, 즉 크랭크 샤프트(2)는 1번 실린더와 4번 실린더의 피스톤 상사점 후 45° 지점에 위치한다. 이 지점에서, 피스톤 스트로크 방향에 대해 횡으로 서로 멀리 떨어지게 정렬되는 불평형부(
Figure pct00008
)는 완전히 상쇄된다. α=0°의 크랭크 샤프트 각도에서, 즉 1번 실린더와 4번 실린더의 피스톤(8)이 정확하게 TDC에 위치하는 경우, 양 불평형부(
Figure pct00009
)는 피스톤 스트로크 방향으로 아래를 향하여 정렬되므로, 힘작용은 전체적으로 두 배가 된다. 마찬가지로 이는 TDC 후 α=180°의 크랭크 샤프트 각도에도 적용되고, 이때 1번 실린더와 4번 실린더의 피스톤들(8)이 BDC에, 즉 피스톤 하사점에 위치한다. α=90° 및 α=270°의 크랭크 샤프트 각도와 유사하게, 위를 향한 힘작용이 두 배가 된다. 이들 힘곡선은 도 2에 따른 그래프에서도 도출되며, 파선으로 표시된 곡선(F')은 등각속도(ω)로 회전하는 평형 샤프트(3' 및 4')의 힘작용을 보여준다.
도 1의 본 발명에 따른 질량 평형 장치의 경우 회전 방향 전환을 위해 평형 샤프트(3, 4)는 서로 맞물린 샤프트 스퍼 기어(9와 10)를 갖는다. 마찬가지로 평형 샤프트(3, 4)를 구동하는 트랜스미션(5)이 스퍼 기어 장치의 형태로 제공되어 있으며, 트랜스미션의 변속기 스퍼 기어(6, 7)는 원형과 다른 피치원을 가지므로, 평형 샤프트들의 속도에 대한 크랭크 샤프트 속도의 변속비가 크랭크 샤프트 각도α에 대하여 일정하지 않은 상태에서 평형 샤프트(3, 4)가 구동된다. 이런 목적을 위해 변속기 스퍼 기어(6, 7)의 피치원은 원형에서 벗어나는 돌출 섹션들과 함몰 섹션들을 가지며, 이들 섹션은 각각 쌍으로 변속기 스퍼 기어(6 또는 7)의 회전축(11 및 12)에 대해 대칭으로 간격을 두고 회전한다. 평형 샤프트(3, 4) 측에서 회전하는 변속기 스퍼 기어(6)의 피치원은 정확하게 2개의 돌출 섹션(13)과 2개의 함몰 섹션(14)을 가지는 반면, 크랭크 샤프트(2)(도 3 참고) 측면에서 회전하는 변속기 스퍼 기어(7)는 정확하게 4개의 돌출 섹션(15)과 4개의 함몰 섹션(16)을 갖는다.
트랜스미션(5)의 변속비의 평균값이 1:2이고, 즉 평형 샤프트(3, 4)의 평균 속도가 도 3에 따른 공지된 질량 평형 장치의 경우처럼 크랭크 샤프트(2)의 속도보다 두 배 속도인 반면, 변속기 스퍼 기어(6 및 7)의 피치원은, 평형 샤프트(3, 4)의 최대 각속도(ωmax)는 평균 각속도(ω)보다 약 20% 더 크고 평형 샤프트(3, 4)의 최소 각속도(ωmin)는 평균 각속도(ω)보다 약 20% 더 작은 형상을 갖는다. 각각의 경우 (
Figure pct00010
)로 표기된 불평형부의 힘작용이 두 배가 되면, 각속도는 최대이다. 도 2에서 힘작용(F)을 알 수 있는 것처럼, 이는 4개의 크랭크 샤프트 각도α=0°(1번 실린더와 4번 실린더의 TDC; 2번 실린더와 3번 실린더의 BDC), α=90°, α=180°(1번 실린더와 4번 실린더의 BDC; 2번 실린더와 3번 실린더의 TDC) 및 α=270°에서 이루어진다. 그에 상응하게, 불평형부(
Figure pct00011
)의 힘작용이 전부 상쇄되면, 각속도는 최소이다. 이는 각각의 경우에 그 사이에 있는 4개의 크랭크 샤프트 각도α=45°, α=135°, α=225°및 α=315°에서 이루어진다.
평균 각속도(ω)에 대한 최대 각속도(ωmax)의 비율 때문에, 평형 샤프트(3, 4)의 불평형부(
Figure pct00012
)가 비교적 작지만 2차의 자유 관성력이 최대인 경우 전부 보상받을 수 있다. 비교 대상은 도 3에 따른 질량 평형 장치이며, 이때 불평형부(
Figure pct00013
)를 갖는 평형 샤프트(3', 4')는 평균 각속도(ω)로 동일한 형태로 회전한다. 힘작용이 같은 경우에도 하기의 관계식, 즉
Figure pct00014
및
Figure pct00015
이 적용된다.
즉, ωmax /ω =1.2인 경우, 비율
Figure pct00016
은 대략 0.7이다. 달리 말하면, 일정하지 않게 회전하는 평형 샤프트(3, 4)의 불평형부(
Figure pct00017
) 역시 약 30%만큼 더 작아질 수 있다. 불평형부 반경(r)에 변경이 없으면, 이는 불평형부 질량(m)에 직접 적용된다.
1 내연기관
2 크랭크 샤프트
3 평형 샤프트
4 평형 샤프트
5 트랜스미션
6 변속기 스퍼 기어
7 변속기 스퍼 기어
8 피스톤
9 샤프트 스퍼 기어
10 샤프트 스퍼 기어
11 회전축
12 회전축
13 돌출 섹션
14 함몰 섹션
15 돌출 섹션
16 함몰 섹션

Claims (6)

  1. 양정 피스톤 내연기관(1)의 자유 관성력 및/또는 자유 관성 모멘트의 평형을 위한 질량 평형 장치이며, 상기 장치는 동일한 회전 속도에서 상반된 회전 방향으로 회전하는, 힘성분이 피스톤 스트로크 방향으로는 강화되고 피스톤 스트로크 방향에 대한 직교 방향으로는 상쇄되는, 불평형부를 갖는 2개의 평형 샤프트(3, 4)와, 내연기관(1)의 크랭크 샤프트(2)와 상기 평형 샤프트(3, 4) 사이에 배치된 트랜스미션(5)을 포함하며, 상기 트랜스미션은, 평형 샤프트(3, 4)의 각속도가 피스톤 사점들에서 최고가 되도록, 크랭크 샤프트 각도에 대해 일정하지 않은, 평형 샤프트 회전 속도에 대한 크랭크 샤프트 회전 속도의 변속비로 평형 샤프트(3, 4)를 구동하는, 질량 평형 장치에 있어서,
    내연기관(1)용 질량 평형 장치는 단지 다기통 실린더 구조로 구성되며 변속비의 평균값은 1:2인 것을 특징으로 하는, 질량 평형 장치.
  2. 제1항에 있어서, 회전 방향 전환을 위해 평형 샤프트(3, 4)는 서로 맞물린 샤프트 스퍼 기어(9, 10)를 가지며 평형 샤프트(3, 4) 중 하나를 구동하는 트랜스미션(5)은 2개의 변속기 스퍼 기어(6, 7)를 갖는 스퍼 기어 장치로서 형성되어 있으며, 변속기 스퍼 기어의 피치원은 원형에서 벗어나게 형성되고 원형에 대해 돌출 섹션(13, 15)과 함몰 섹션(14, 16)을 교대로 가지며, 이들 섹션은 각각 쌍으로 변속기 스퍼 기어(6, 7)의 회전축(11, 12)에 대해 대칭으로 간격을 두고 회전하는 것을 특징으로 하는, 질량 평형 장치.
  3. 제2항에 있어서, 평형 샤프트(3, 4) 측에서 회전하는 변속기 스퍼 기어(6)의 피치원은 정확하게 2개의 돌출 섹션(13)과 2개의 함몰 섹션(14)을 가지며, 크랭크 샤프트(2) 측면에서 회전하는 변속기 스퍼 기어(7)의 피치원은 정확하게 4개의 돌출 섹션(15)과 4개의 함몰 섹션(16)을 갖는 것을 특징으로 하는, 질량 평형 장치.
  4. 제1항에 있어서, 관계식
    Figure pct00018
    을 특징으로 하며, 상기 식에서
    Figure pct00019
    은 평형 샤프트들(3, 4)의 불평형부,
    Figure pct00020
    는 평형 샤프트들(3, 4)의 평균 각속도,
    Figure pct00021
    는 평형 샤프트들(3, 4)의 최대 각속도,
    Figure pct00022
    는 평형 샤프트들(3', 4')의 불평형부이며, 이때 평형 샤프트가 평균 각속도로 회전하고 최대 각속도로 회전하는 평형 샤프트들(3, 4)과 같은 힘성분을 피스톤 사점들에서 생성하는 것을 특징으로 하는, 질량 평형 장치.
  5. 제4항에 있어서, ωmax/ω의 비율이 1.3 이하인 것을 특징으로 하는, 질량 평형 장치.
  6. 제5항에 있어서, ωmax/ω의 비율이 1.1 이상, 1.2 이하인 것을 특징으로 하는, 질량 평형 장치.
KR1020127022179A 2010-02-26 2011-02-01 내연기관용 질량 평형 장치 KR101768734B1 (ko)

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