KR100957164B1 - 크랭크 샤프트의 발란스 웨이트 시스템 - Google Patents

크랭크 샤프트의 발란스 웨이트 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 크랭크 샤프트의 발란스 웨이트 시스템은, 한쪽 제1크랭크핀에서 크랭크 샤프트의 길이방향으로 순차적으로 배치된 발란스 웨이트들을 포함하고, 상기 발란스 웨이트들은, 상기 제1크랭크 핀이 +90도에 위치하고, 수평선(x축)으로부터 -78도 내지 -82도의 범위 내에 무게 중심이 위치하는 제1발란스 웨이트, 상기 수평선으로부터 +82도 내지 +78도의 범위 내에 무게 중심이 위치하는 제9발란스 웨이트, 상기 수평선으로부터 -86.5도 내지 -89도의 범위 내에 무게 중심이 위치하는 제2발란스 웨이트, 상기 수평선으로부터 +89도 내지 +86.5도의 범위 내에 무게 중심이 위치하는 제8발란스 웨이트 및 상기 제1 또는 제9발란스 웨이트에 대비하여 회전 관성모멘트의 크기가 13% 내지 17%의 범위 내에 포함되되, 제5발란스 웨이트를 제외한 적어도 하나의 발란스 웨이트군을 포함하고, 상기 제2,8발란스 웨이트는 상기 제1,9발란스 웨이트에 대비하여 회전 관성 모멘트의 크기가 15% 내지 25%의 범위에 포함된다.
상기와 같은 발란스 웨이트의 최적 배열로 인하여 엔진의 고출력 및 고회전화를 대응하여 크랭크샤프트를 지지하는 베어링의 내구성이 향상되며, 크랭크샤프트의 중량이 감소한다.
발란스, 웨이트, 크랭크 샤프트, 관성제원, 회전관성모멘트

Description

크랭크 샤프트의 발란스 웨이트 시스템{BALANCE WEIGHT SYSTEM OF CRANK SHAFT}
본 발명은 크랭크 샤프트의 발란스 웨이트 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 베어링의 내구성이 향상되고 경량화가 달성된 크랭크 샤프트의 발란스 웨이트 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 크랭크 샤프트를 설계할 때, 회전진동을 저감시키기 위한 발란싱 작업이 이뤄지고, 경량화 작업이 수행된다.
한편, 크랭크 샤프트를 지지하는 베어링의 내구성에 대해서는 실질적으로 고려가 되지 않았으며, 따라서 베어링의 내구성과 윤활 특성이 저하되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 자체 경량화뿐만 아니라 지지 베어링의 내구성 및 윤활성이 향상된 크랭크 샤프트의 발란스 웨이트 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 크랭크 샤프트의 발란스 웨이트 시스템은, 한쪽 제1크랭크핀에서 크랭크 샤프트의 길이방향으로 순차적으로 배치된 발란스 웨이트들을 포함하고, 상기 발란스 웨이트들은, 상기 제1크랭크 핀이 +90도에 위치하고, 수평선(x축)으로부터 -78도 내지 -82도의 범위 내에 무게 중심이 위치하는 제1발란스 웨이트, 상기 수평선으로부터 +82도 내지 +78도의 범위 내에 무게 중심이 위치하는 제9발란스 웨이트, 상기 수평선으로부터 -86.5도 내지 -89도의 범위 내에 무게 중심이 위치하는 제2발란스 웨이트, 상기 수평선으로부터 +89도 내지 +86.5도의 범위 내에 무게 중심이 위치하는 제8발란스 웨이트 및 상기 제1 또는 제9발란스 웨이트에 대비하여 회전 관성모멘트의 크기가 13% 내지 17%의 범위 내에 포함되되, 제5발란스 웨이트를 제외한 적어도 하나의 발란스 웨이트군을 포함하고, 상기 제2,8발란스 웨이트는 상기 제1,9발란스 웨이트에 대비하여 회전 관성 모멘트의 크기가 15% 내지 25%의 범위에 포함된다.
상기 발란스 웨이트군은, 제3발란스 웨이트, 제4발란스 웨이트, 제6발란스 웨이트 및 제7발란스 웨이트이고, 상기 제5발란스 웨이트는, 제1~4,6~9발란스 웨이트의 무게중심 및 회전 관성모멘트에 따라 결정된 것을 특징으로 한다.
상기 제5발란스 웨이트는, 제1~4,6~9발란스 웨이트의 무게중심 및 회전 관성모멘트를 기초로 상기 크랭크 샤프트의 전체 무게중심이 크랭크 축상에 배치되도록 결정되고, 상기 제1,2발란스 웨이트는 상기 크랭크 샤프트에서 상기 제1크랭크핀에 대응하는 위치에 설치되고, 상기 제8,9발란스 웨이트는 상기 크랭크 샤프트에서 제6크랭크핀에 대응하는 위치에 설치된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 크랭크 샤프트의 발란스 웨이트 시스템에 의하면, 크랭크 샤프트의 경량화가 향상될 뿐만 아니라 베어링의 유막두께가 증가하여 내구성이 향상되고 마찰/마모가 저감된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발란스 웨이트 시스템의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 발란스 웨이트 시스템은 크랭크 샤프트(145), 제1발란스 웨이트(100), 제2발란스 웨이트(105), 제3발란스 웨이트(110), 제4발란스 웨이트(115), 제5발란스 웨이트(120), 제6발란스 웨이트(125), 제7발란스 웨이트(130), 제8발란스 웨이트(135) 및 제9발란스 웨이트(140)를 포함한다.
도시한 바와 같이, 상기 발란스 웨이트들(100, 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 140)은 일단부의 제1크랭크핀(P1)에서 타단부의 제6크랭크핀(P2)으로 상기 크랭크 샤프트(145)의 길이방향으로 순차적으로 배치되고, 상기 크랭크 샤프트(145)가 회전할 때 진동을 흡수하여 저감시킨다.
아울러, 상기 발란스 샤프트들(100, 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 140) 사이 상기 크랭크 샤프트(145)의 일측 지지면은 베어링들(미도시)에 의해서 각각 견고하게 지지된다.
한편, 상기 베어링과 상기 크랭크 샤프트(145)의 지지면 사이에는 마찰 및 마모를 저감시키기 위해서 윤활유가 개재되며, 상기 베어링과 상기 크랭크 샤프트(145)의 내구성을 향상시키기 위해서 상기 윤활유의 막은 최소 설정된 두께 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에서, 상기 발란스 웨이트들(100, 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 140)의 각 무게중심과 회전관성모멘트를 조절하여 상기 발란스 웨이트들(100, 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 140)은 각각 경량화가 달성될 뿐만 아니라, 상기 크랭크 샤프트(145) 및 이를 지지하는 베어링들의 내구성 및 마찰/마모특성이 개선된다.
상기 발란스 웨이트들(100, 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 140)의 특징에 대해서는 도 2 및 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발란스 웨이트 시스템의 부품의 사시도이다.
도 2를 참조하면, 발란스 웨이트 시스템에서 상기 제1,9발란스 웨이트(100, 140)는 서로 동일 또는 유사한 형태를 갖고 있고, 회전위치는 반대측에 위치한다.
또한, 상기 제2,8발란스 웨이트(105, 135)도 서로 동일 또는 유사한 형태를 갖고 있고 회전위치는 반대측에 위치한다.
아울러, 상기 제3,4,6,7발란스 웨이트(110, 115, 125, 130)도 서로 동일 또는 유사한 형태를 갖고 있으며, 상기 제5발란스 웨이트(120)는 상기 제1~4,6~9발란스 부재의 무게중심 및 회전 관성모멘트에 따라 결정된다.
상기 제5발란스 웨이트(120)는, 제1~4,6~9발란스 부재의 무게중심 및 회전 관성모멘트를 기초로 상기 크랭크 샤프트의 전체 무게중심이 크랭크 축상에 배치되도록 결정된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발란스 웨이트 시스템의 부품의 측면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 제9발란스 웨이트(140)의 무게중심(300)은 수평선(x축)에 대해서 +82 내지 +78도의 설정된 각(305)을 갖는다. 도시되지는 않았지만, 상기 제9발란스 웨이트와 비교하여 반대측에 위치하는 상기 제1발란스 웨이트(140)의 무게중심은 -78 내지 -82도의 설정된 각을 갖는다.
여기서, 상기 크랭크 샤프트(145)의 회전중심점(315)을 기준으로 제1크랭크핀을 지나는 기준선(310)이 90도 방향으로 배치되고, 상기 제9발란스 웨이트(140)의 무게중심(300)은 상기 기준선(310)에서 시계방향으로 168도 내지 172도 회전한 위치다.
아울러, 상기 제8발란스 웨이트(135)의 무게중심은 +89도 내지 +86.5도의 설정된 각(307)을 갖는다. 도시되지는 않았지만, 상기 제8발란스 웨이트와 비교하여 반대측에 위치하는 제2발란스 웨이트(105)의 무게중심은 -86.5도 내지 -89도의 설정된 각을 갖는다.
여기서, 상기 크랭크 샤프트(145)의 회전중심점(315)을 기준으로 대응하는 제1크랭크핀을 지나는 기준선(310)이 90도 방향으로 배치되고, 상기 제8발란스 웨이트(135)의 무게중심은 상기 기준선(310)에서 시계방향으로 176.5도 내지 179도 회전한 위치다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발란스 웨이트 시스템을 구비한 부품의 특징을 나타내는 테이블이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제1,9발란스 웨이트(100, 140)의 무게중심은 크랭크샤프트의 중심점(315)을 지나는 수평선(x축)을 기준으로 각각 -78도 내지 -82도 및 +78 내지 +82도의 의 범위 내에 포함되고, 상기 제2,8발란스 웨이트(105, 135)의 무게중심은 크랭크샤프트의 중심점(315)을 지나는 수평선(x축)을 기준으로 -86.5 내지 -89도 및 +86.5도 내지 +89도 의 범위 내에 포함된다.
아울러, 상기 제2,8발란스 웨이트(105, 135)의 관성제원은 상기 제1발란스 웨이트(100)를 기준으로 15% 내지 25% 범위 내에 포함된다. 또한, 상기 제3,4,6,7발란스 웨이트(110, 115, 125, 130)의 관성제원은 상기 제1,9발란스 웨이트(100, 140)를 기준으로 13% 내지 17% 범위내에 포함된다.
본 발명의 실시예에서 상기 관성제원은 회전관성모멘트이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발란스 웨이트 시스템의 실험 케이스들을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 가로축은 웨이트의 회전관성모멘트 또는 무게중심의 위치에 따른 실험조건들을 나타내고, 세로축은 상기 크랭크 샤프트(145)를 지지하는 상기 베어링의 유막두께를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 실험조건은 상기 발란스 웨이트들(100, 105, 110, 115, 120, 125, 130, 135, 140)의 회전 관성모멘트 또는 무게중심의 위치에 따른 상기 베어링의 유막두께를 나타낸다.
예를 들어, 설정된 하나의 기준 발란스 웨이트를 기준으로 다른 발란스 웨이트들의 회전 관성모멘트 또는 무게중심을 가변시킴으로써 실험조건이 만들어 질 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 제1,9발란스 웨이트(100, 140), 상기 제2,8발란스 웨이트(105, 135) 및 상기 제3,4,6,7발란스 웨이트(110, 115, 125, 130)의 무게중심과 관성제원을 설정된 범위 내에서 변화하면서 여러 가지 실험조건들을 만들 수 있다.
도시한 바와 같이, 유막두께에서는 A3, B3, C3, D1이 좋고, 진동 등의 다른 인자를 고려하면 A3, B1, C1, D1이 가장 적합한 것으로 판단된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발란스 웨이트 시스템의 실험 데이터를 나타내는 테이블이다.
도 6의 (A)를 참조하면, 일반적으로 상기 크랭크 샤프트(145)를 지지하는 상기 베어링의 추정되는 유막두께는 0.805미크론이고, 실제로 0.805미크론을 나타내고 있다.
본 발명의 실시예에 따른 최적의 조건에서 추정되는 유막두께는 0.973미크론이고, 실제로 0.965미크론을 나타내고 있다. 즉, 유막두께가 약 20% 상승했다는 것을 확인할 수 있다.
도 6의 (B)를 참조하면, 일반적인 크랭크 샤프트와 발란스 웨이트의 중량은 20.76kg이고, 본 발명의 실시예에 따른 최적의 실험조건에서 상기 크랭크 샤프트와 상기 발란스 웨이트들의 중량은 18.83kg으로써 경량화가 달성되었다.
아울러, 크랭크 샤프트의 중량만을 고려하여 설계된다면, 베어링의 내구성 등이 저하될 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 상기 크랭크 샤프트의 경량화와 베어링의 내구성을 함께 향상시킬 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발란스 웨이트 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발란스 웨이트 시스템의 부품의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발란스 웨이트 시스템의 부품의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발란스 웨이트 시스템을 구비한 부품의 특징을 나타내는 테이블이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발란스 웨이트 시스템의 실험 케이스들을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발란스 웨이트 시스템의 실험 데이터를 나타내는 테이블이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 제1발란스 웨이트
105: 제2발란스 웨이트
110: 제3발란스 웨이트
115: 제4발란스 웨이트
120: 제5발란스 웨이트
125: 제6발란스 웨이트
130: 제7발란스 웨이트
135: 제8발란스 웨이트
140: 제9발란스 웨이트
145: 크랭크 샤프트

Claims (5)

  1. 한쪽 제1크랭크핀에서 크랭크 샤프트의 길이방향으로 순차적으로 배치된 발란스 웨이트들을 포함하고, 상기 발란스 웨이트들은,
    상기 크랭크 샤프트의 회전중심점을 중심으로, 수평선(x축)으로부터 -78도 내지 -82도의 회전범위 내에 무게 중심이 위치하는 제1발란스 웨이트;
    상기 수평선으로부터 +82도 내지 +78도의 범위 내에 무게 중심이 위치하는 제9발란스 웨이트;
    상기 수평선으로부터 -86.5도 내지 -89도의 범위 내에 무게 중심이 위치하는 제2발란스 웨이트;
    상기 수평선으로부터 +89도 내지 +86.5도의 범위 내에 무게 중심이 위치하는 제8발란스 웨이트; 및
    상기 제1 또는 제9발란스 웨이트에 대비하여 회전 관성모멘트의 크기가 13% 내지 17%의 범위 내에 포함되되, 제5발란스 웨이트를 제외한 적어도 하나의 발란스 웨이트군을 포함하고,
    상기 제2,8발란스 웨이트는 상기 제1,9발란스 웨이트에 대비하여 회전 관성 모멘트의 크기가 15% 내지 25%의 범위에 포함되는 크랭크 샤프트의 발란스 웨이트 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 발란스 웨이트군은,
    제3발란스 웨이트, 제4발란스 웨이트, 제6발란스 웨이트 및 제7발란스 웨이트인 발란스 웨이트 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제5발란스 웨이트는, 제1~4,6~9발란스 웨이트의 무게중심 및 회전 관성모멘트에 따라 결정된 것을 특징으로 하는 발란스 웨이트 시스템.
  4. 제3 항에서,
    상기 제5발란스 웨이트는, 제1~4,6~9발란스 웨이트의 무게중심 및 회전 관성모멘트를 기초로 상기 크랭크 샤프트의 전체 무게중심이 크랭크 축상에 배치되도록 결정된 발란스 웨이트 시스템.
  5. 제1 항에서,
    상기 제1,2발란스 웨이트는 상기 제1크랭크핀에 대응하여 설치되고, 상기 제8,9발란스 웨이트는 상기 제1크랭크핀의 반대측 제6크랭크핀에 대응하여 설치되는 발란스 웨이트 시스템.
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