KR880000355B1 - 직렬 4기통 엔진의 2차 발란스 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

직렬 4기통 엔진의 2차 발란스 장치

제1도는 본 발명의 기본원리를 도시하는 개략도.

제2도는 본 발명의 적용된 엔진의 요부 사시도.

제3도는 동 요부 종단면도.

제4도는 4행정 엔진의 슬라이더 -크랭크 기구의 작동도 및 프리보디 다이아 그램.

제5도는 크랭크축 기어의 잇수가 짝수인 엔진에 적용한 종래 2차 발란서의 개략도 및 프리보디 다이아그램.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

Gcr : 크랭크축 기어 Gop : 오일펌프기어

S₁, S₂: 회전축 CW₁: 1차 평형추

CW₂: 2차 평형추 G₁, G₂: 평형추기어

GT₁, GT₂: 전달기어 ST : 전달기어

BH : 2차 발란서 하우징 Hop : 오일 팬하우징

BC : 베어링 캡 E : 연장부

SH : 나사공

본 설명은 직력4기통 엔진의 2차 발란서에 관하여, 특히 크랭크축 기어의 잇수가 홀수인 직렬4기통 엔진의 2차 발란싱 장치에 관한 것이다.

터빈등 일부의 외연기관을 제외한 대부분의 열기관은, 연료의 폭발에 의해 직선왕복운동을 하는 피스톤과, 이 피스톤의 직선운동을 회전운동으로 전환시키는 크랭크 기구를 사용하는 슬라이터-크랭크 기구를 채택하고 있다.

일반적으로 슬라이드-크랭크 기구를 사용하는 4행정 엔진에 있어서는 등속도로 회전할 때 슬라이더-크랭크기구의 프리보디 다이아그램(Free Body Diagram)이 크랭크각에서 왼쪽으로 주어진다. (제4도 참조).

이는 피스톤(p)에 걸리는 수직 방향 압력 P_A이 연접봉(CR)를 통해 크랭크축(CS)에 효율적으로 전달되도록 하기 위함이다 따라서 상기 압력 PA에 의해 연접봉(CR)에 걸리는 힘 Fcr을 상쇄 시켜야 하는데 이를 위하여 크랭크축(CS)에는 크랭크암(CA)과 반대측에 평형추(CW₁)(이하 2차평형추와 구분키 위해 1차평형추라한다)를 설치하는 것은 널리 알려진 바와 같다.

상기 압력 P_A에 대한 수평분력 FW는 짝수 기통엔진에서는 서로 상쇄한다.

그런데 이러한 1차 평형추(CW₁)으로서는 크랭크축 (CS)및 회전부에 대하여 동적(動的)으로 평형을 이루므로 엔진 구조부에는 힘이 크게 전달되지 않으나, 연접봉(CR)및 피스턴(P)의 왕복운동 질량에 의하여 수직방향 관성력이 발생된다.

또한 상기 폭발력 P_A에 의한 진동은 이러한 수직관성력에 의한 진동의 5%이하로서 엔진 전체에 미치는 영향이 작으므로 진동해소의 문제점 해결의 측면에서 볼때 무시해도 좋고, 따라서 상기 관성력에 의한 진동에 관하여 살펴보기로 한다.

즉, 슬라이더-크랭크 기구에 있어서 왕복운동 질량은 다음식(Ⅰ)과 같은 가속도 a를 가진다.

식중, r : 크랭크암(CA)의 회전반경,

l : 연접봉(CR)의 길이,

w : 크랭크축(cs)의 회전각 속도이다.

여기서 왕복운동부의 질량(피스톤(P)의 무게+연접봉(CR)무게의

)을 m이라고 하면 슬라이더-크랭크 기구의 수직 가진력(Vibration Excitation Force) F는, 뉴톤의 제1법칙(F=m.a)에 의해,

로 나타난다.

그런데 다기통 엔진의 경우 이러한 가진력을 각 실린더마다 발생되므로 엔진 전체로 볼때는 그들의 총합 즉 식(Ⅲ)식으로 나타난다.

(식중 ρ₁=_n기통 엔진의 i번째 실린더의 크랭크각)

여기서 프랭크 각 ρ₁는 엔진의 형식에 따라 달라지는데 예를 들어 6기통 엔진의 경우에는 ρ₁=ρ₆=0°,ρ₂=ρ₅=120°,ρ₃=ρ₄=240°이며, 4기통 엔진의 경우에는ρ₁=ρ₄=0°ρ₂=ρ₅=180°이다.

이들 크랭크 각ρ₁를 식(Ⅲ)에 대입하여 풀면, 6기통 엔진의 경우에는 전체 가진력

_F는 서로 상쇄되어 없어지며, 4기통 엔진의 경우에는 가진력

_F는 식(Ⅳ)와 같은 값으로 남게 된다.

여러 형식(기통)의 엔진에 대하여 상기식(Ⅲ)을 적용한 결과 5기통 이상의 엔진에서는 가진력

_F는 상쇄되어 없어지며, 직렬 4기통 엔진의 경우에는 상술한 바와 같이 식(Ⅳ)와 같은 크기의 가진력

_F가 남게됨을 할 수 있었다.

따라서 직렬 4기통 엔진은 5기통 이상의 엔진에 비해서 진동이 크게 나타나는 것이다.

이에 대하여 영국의 란제스터(F.W. Lanchester)는 1914년에 발표한“Engine Balancing, Proceedings of Institate of Mechanical Engineers”라는 논문에서 2차 발란서를 이용하여 상기 식Ⅳ의 가진력

_F과 크기가 같고 반대방향의 힘을 가하여 서로 상쇄시킴으로써 직렬 4기통 엔진의 진동을 제거하는 방법을 제안 하였으며, 현재 미국의 커민스사와 퍼킨스사 및 일본의 미쓰비시, 이스즈사 등에서 실용화 하고 있다.

이러한 2차 발란서의 기본 개념은 제5도에 도시한 바와 같이, 각각

만큼의 질량우력(mass-moment)을 갖는 한쌍의 2차 평형추(CW₂)를 서로 마주보며, 리스톤(p)이 발생시키는 기진력과 π의 위상차를 갖도록 설치하여 크랭크축(CS)의 회전 속도의 2배 속도로 회전 시킴으로써, 이때 발생되는 원심력 FC의 수평분력 Fh은 상쇄되고, 수직분력 Fv은 그 합력이 상기 가진력도 F와 크기가 같고 방향이 반대인 식(Ⅴ)와 같은 평형력 Fb으로 작용하여 가진력과 상쇄되도록 하는 것이다.

그런데 2차 평형추(CW₂)는 한쌍의 회전축(S₁)(S₂)에 편심고정하고, 그 회전축(S₁)(S₂)은 각각 크랭크축 기어(Gcr)또는 이에 맞물린 오일 펌프기어(Gop)등 타이밍 기어중의 하나의 기어에 맞물리는 기어(G₁)(G₂)에 의해 회전 시켜야 하므로 그 기어(G₁)(G₂)의 잇수는 필연적으로 크랭크축 기어(Gcr)의 잇수의

로 하지 않으면 안된다.

그러나, 상기에의 회사등에서 실용화하고 있는 엔진에 있어서는 그 크랭크축기어(Gcr)의 잇수가 짝수이므로 기어(G₁)(G₂)를 크랭크축기어(Gcr)잇수의

로 하는데 하등 지장이 없지만, 크랭크축기어(Gcr)의 잇수가 홀수인 엔진에 있어서는 상술한 구조의 2차 발란서의 적용이 불가능한 것으로 알려져 있다.

따라서 종래에는 크랭크축 기어의 잇수가 홀수인 엔진에는 2차발란서의 설치를 시도 조차하지 못했으며, 2차 발란서를 설치하기 위해서는 크랭크축 기어의 잇수를 짝수로 개조해야 했으므로 이에 따른 관련 부품 예컨대 캠축기어, 오일펌프기어, 연료펌프축 기어등의 잇수 및 상호타이밍 조정등에 막대한 시간과 비용이 소비되는 문제점이 있었다.

또한, 종래 상기회사 등에서 실용화 하고 있는 2차 발란서를 창작한 엔진에 있어서는 엔진 블럭자체를 개조하여 2차 발란서의 회전축(S₁)(S₂)을 축착하는 것이기 때문에 엔진 블럭자체의 개조에 따른 구조상 문제점이 있었다.

즉, 통상적으로 엔진 블럭은 주조물로 되는 것으로 강도상 2차 발란서의 회전축(S₁)(S₂)을 창작하는 부위를 기존 부의의 두께보다 대폭적으로 두껍게 해야하므로 엔진 전체의 중량이 증대될 뿐만아니라 엔진 전체의 구조적 설계적 변형이 필연적으로 수반되므로 이에 따른 시간낭비와 원가상승이 초래되는 것이었다.

본 발명의 목적은 크랭크축 기어의 잇수가 홀수인 직렬 4기통 엔진에 2차 발란서의 적용을 가능케 함으로써 직렬 4기통 엔진의 전 기종에 있어서의 진동을 제거할 수 있도록 하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 엔진 블럭등의 개조나 변형을 초래하는 일 없이 오일팬의 형상만을 다소 변형하는 것만으로써 기존 엔진에도 간단하게 창작할 수 있도록 하려는 것이다.

이하 본 발명을 첨부도면에 따라서 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명의 기본 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 2차 발란서를 구성하는 2차 평형추(CW₂)가 각각 부착된 회전축(S₁)(S₂)에 평형추 기어(G₁)(G₂)를 서로 맞물리게 고정하여, 크랭크축 기어(Gcr)에 연동되는 기존 오일 펌프기어(Gop), 캠축기어(Gc), 연료 펌프축 기어(Gfp)등의 타이밍 기어열중 어느 하나에 전달축(ST)의 양단에 고정된 한쌍의 전달기어(GT₁)(GT₂)중의 하나를, 그리고 다른 하나는 상기 평형추 기어(G₁)(G₂)중의 하나에 맞물리도록 설치한다.

상기 전달기어(GT₁)(GT₂)는 각각 타이밍 기어 열의 어느 하나와 기어(G₁)(G₂)중 어느 하나에 각각 맞물리게 한다.

여기서 2차 평형추(GW₂)가 고정된 회전축(S₁)(S₂)은 크랭크축 기어(Gcr)의 회전속도 보다 2배의 속도로 회전 되도록 해야 하므로 크랭크축 기어(Gcr), 전달기어(GT₁)(GT₂)및 기어(G₁)(G₂)의 잇수비는,

식중, Z₁: 크랭크축 기어(Gcr)의 잇수,

Z₂: 전달기어(GT₁)의 잇수,

Z₃: 전달기어(GT₂)의 잇수,

Z₄: 기어(G₁)(G₂)의 잇수이다를 만족 시키도록 배열한다 예를 들어 크랭크축 기어(Gcr)의 잇수 Z₁이 25인 경우 식(Ⅵ)에 의하여 Z₂=20, Z₄=20로 조합하면 된다.

또한 크랭크축 기어(Gcr)의 잇수에 따른 전달기어(GT₁)(GT₂)및 기어(G₁)(G₂)의 잇수는 다음표 1과 같다.

[표 1]

작동에 있어서, 엔진이 가동되어 피스톤(P)이 상하 왕복운동을 하면서 크랭크축(CS)이 회전운동을 하게되면, 상술한 바와 같이 2차발란서를 제외한 슬란이더-크랭크 기구에서는 상기 식(Ⅳ)와 같은 크기의 가진력이 발생된다.

크랭크축(CS)이 회전함에 따라 크랭크축 기어(Gcr)에 전달기어(GT₁)(GT₂)및 기어(G₁)(G₂)를 개재하여 연동되는 회전축(S₁)(S₂)이 회전하게 되며, 이때 회전축(S₁)(S₂)에 편심 고정된 2차 평형추(CW₂)에 의해 식(Ⅴ)와 같은 수직 방향 평형력 Fb이 발생된다.

여기서 상기 회전축(S₁)(S₂) 은 상술한 바와 같이 크랭크축(CS)의 회전속도 보다 2배의 속도로 회전되므로 식(Ⅳ)의 가진력

F와 식(Ⅴ)의 평형력 Fb는 크기가 같고, 방향이 반대로 되어 서로 상쇄되는 것이다.

따라서 직렬 4기통 엔진에서 필연적으로 발생되는 가진력

F가 평행력 Fb에 의해 상쇄되므로 진동을 제거하게 되는 것이다.

이러한 원리로 되는 본 발명에 의한 2차 발란스 장치는 제2도 및 제3도에 도시한 바와 같이, 2차 평형추(CW₂)와 기어(G₁)(G₂)가 고정되는 회전축(S₁)(S₂)및 전달 기어(GT₁)(GT₂)가 양단에 고정되는 전달축(ST)을 2차 발란서 하우징(BH)에 축착하고, 그 하우징(BH)을 본 발명에 의해 변형된 베어링 캡(BC)에 나사 고정하여서 되는 것이다.

상기평형추(CW₂)는 각 회전축(S₁)(S₂)에 각각 2개씩 편심 고정하되 양측 회전축(S₁)(S₂)에 대해 서로 반대측에 부착하며, 4개의 평형추 (CW₂)는 전체 질량이 식(Ⅴ)와 같은 크기의 평형력 Fb를 방생시키는 크기 즉,

의 질량우력을 갖도록 한다.

또한 각 회전축(S₁)(S₂)에 각각 2개씩 2차 평형추(CW₂)를 설치한 것은 평형력 Fb가 엔진의 전후 길이 방향전체에 걸쳐서 균일하게 작용토록 하기 위함이다.

상기 회전축(S₁)(S₂)은 하우징(BH)의 내부 공간내에 설치하며, 그 측면에 브라켓트(B)를 고정 부착하여 전달축(ST)을 축착하여, 기어(G₁)가 전달되어 (GT₂)에 치합되고, 전달기어(GT₁)은 타이밍 기어열중 어느 하나 예컨대 도시한 바와 같이 오일 펌프기어(GOP)에 치합되도록 한다.

하우칭(BH)은 양측연부에 장착용 볼트 구멍(H₁)을 다수 천설한 함상체로 형성하며, 크랭크축(CS)을 지지하는 베어링 캡(BC)은 베어링 캡 자체 고정용 볼트 구멍(H₂)이 친설된 기존 구조의 저부 양측에 연장부(E)을 일체로 형성하며 2차 발란서 체결 나사가 체결되는 나사공(SH)을 천설한 구조로 하여, 상기 하우징(BH)의 볼트 구멍(H₁)에 관통되는 체결 볼트(Bt)를 나사공(SH)에 체결하는 것에 의해 2차 발란서를 장착하는 것이다.

이러한 구조에 의하면, 2차발란서가 구조물인 엔진블럭에 직접고정되는 것이 아니고, 강도상 엔진 블럭보다 월등한 단조물인 베어링 캡(BC)에 고정되는 것이므로 2차 발란서에 의한 평형력 Fb에 의해 엔진 부품의 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또한 베어링 캡(BC)는 크랭크축(CS)에 베어링을 개재하여 강체(剛體)적으로 장착되는 것이므로 그 평형력 (Fb)를 엔진 전체에 전달하는 데는 하등지장이 없는 것이다.

엔진 블럭의 저부에 장착되는 오일팬 하우징(Hop)은 통상그 일단부 내부에 오일 펌프(OP)가 내장되는 이유로 대략

형으로 구성되는 것인바, 본 발명의 2차 발란서를 장착하기 위햇는 도시한 바와 같이 형으로 형성하여 일단에는 오일펌프(OP)를 내장하며 타단에는 상기 발란서 하우징(BH)이 워요되도록 한다.

즉, 본 발명에 의한 2차 발란서를 기존 엔진 구조를 적용함에 있어서는 베어링 캡(BC)과 오일팬 하우징(Hop)의 형성만을 변형하면 되는 것이다.

따라서 본 발명에 의하면 크랭크축 기어(Gcr)의 잇수가 홀수인 엔진에 대하여도 2차 발란서를 적용할 수 있으므로 직렬 4기통 엔진 전기종에 가진력에 의한 진동을 제거토록 할 수 있으며, 또한 기존 엔진에 대하여도 엔진 블럭 등의 대폭적인 변형없이 베어링 캡(BC)과 오일팬 하우징(Hop)만을 다소 변형하는 것만으로써 간편하게 장착할 수 있는 것이다.

또한 본 발명은 상술한 구성으로 한정되는 것이 아니고 예컨대 상기 2차 평형추 (CW₂)는 회전축 (S₁)(S₂)에 각각 하나씩 평형추를 고정해도 무방하며 그 크기를 각각

의 질량 우력을 갖도록 하면 되는 것이다.

Claims (3)

1. 크랭크축 기어(Ger)에 연등되는 오일펌프기어(Gop) 캠축기어(Gc), 연료 펌프축 기어(Gfp) 등에 타이밍 기어열을 보유하며, 크랭크축 기어(Gcr)의 잇수 Z₁가 홀수인 직렬 4기통 엔진에 있어서 상기 타이밍 기어열 중 어느 하나에 전체 질량우력이

   

   인 2차 평형추(CW₂)를 피스톤(p)이 발생시키는 가진력에 대해 π의 위상차를 갖도록 고정한 회전축(S₁)(S₂)의 기어 (G₁)(G₂)를 전달축(ST)의 양단에 고정된 전달기어(GT₁)(GT₂)를 개재하여 치합 연등시키며, 상기 각 기어(Gcr), (GT₁)(GT₂) 및(G₁)(G₂)의 잇수 Z₁, Z₂, Z₃및 Z₄가

   

   를 만족시키도록 설정하는 것을 특징으로 하는 직렬 4기통 엔진의 2차 발란스장치.
2. (삭제)
3. (신설)상기 회전축 (S₁)(S₂) 및 전달축(ST)을 2차 발란서 하우징(BH)에 축착하고, 하우징(BH)의 상부 주연에는 체결 볼트 구멍(H₁)을 천설하며, 크랭크축(CS)에 감착되는 베어링 캡(BC)의 하단 양측에는 체결나사공(SH)이 친설된 여장부(E)를 일체로 형성하여, 상기 하우징(BH)을 볼트 구멍(H₁)에 관통 되어 나사공(SH)에 체결되는 체결나사로써 베어링 캡(BC)에 장착한 것을 특징으로 하느 직렬 4기통 엔진의 2차 발란스 장치.

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