KR920006622B1 - 엔진용 저-진동(Low-VIBRATION) 크랭크샤프트 - Google Patents

엔진용 저-진동(Low-VIBRATION) 크랭크샤프트 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

엔진용 저 -진동(Low-VIBRATION) 크랭크샤프트
제1도는 본 반명에 따른 저-진동 크랭크샤프트를 갖는 내연기관의 단면도.
제2도는 엔진조립체에 연결되고 최대 비틀림진동조작조건으로 작동될 때, 크랭크샤프트의 비돌림진동폭을 나타내는 모우드형상 다이아그램을 표시한 크랭크샤프트의 측면도.
제3도 내지 10도는 각각 제2도의 3-3선 내지 10-10선에 따른 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 엔진 11 : 실린더블록(cylinder block)
12 : 실린더 14 : 실린더헤드
16 : 크랭크샤프트(crankshaft) 18∼22 : 주저어널(main journals)
본 발명은 내연기관, 예를들어 US-A-2, 103, 185에 개시된 바와같은 왕복피스톤기관및, 이와 유사한 기관, 엔진등에 사용되는 크랭크샤프트에 관한 것이다. 바람직한 실시예에 있여서, 본 발명은 엔진과, 이와결합되어 사용되는 다행정 크랭크샤프트(multiple throw crankshafts)에 관한 것이다. 1937.12.21.Rumpler에게 부여된 미국특허 제2, 103, 185호에는 출력단에 접근함에 따라서, 저어널(journal), 크랭크핀(crankpins) 및 크랭크아암(crankarms)에 의해 전단되는 압축가스력을 조절하기 위하여 상기 출력단을 향하여 벽두께가 점진적으로 증가되는 중공형 엔진크랭크샤프트(hollow engine crankshaft)가 제안되어 있다.
그러나, 이같은 크랭크샤프트의 설계는 몇몇 엔진에 대하여는 적합할 수 있으나, 상기 미국특허에 개시된 기술은 크랭크샤프트가 제한된 강성도(stiffness)를 갖는다는 점과, 점화부하 및/홈은 엔진속도에 의해 공진주파수(resonant frequencies) (비틀림진동)가 발생된다는 점을 고려하지 않았다. 상기 US-A-2, 103, 185호에서 비틀림진동을 고려하지 않은 이유는 1937년도의 엔진 최대속도가 일반적으로 매우 낮았기 때문이다. 그리나, 주로 7-8000RPM 정도로 작동하는 현재의 고속엔진에서는 비틀림 진동에 의해 발생되는 부하를 설계시, 가스력과 함께 반도시 고려하여만 하는 것이다.
본 발명은, 여러가지 연관된 부품과 결합된 상태에서, 설계작동조건하에서 작동되는 경우, 최소 진동폭과 최소 비틀림응력으로 최대 비틀림진동주파수에 종래기술보다는 현저히 접근하도록 개선된 크랭크샤프트 구조를 제공한다.
본 발명에 따른 크랭크샤프트 구조를 제공하기 위해서는, 공지의 진동분석방법에 따른 크랭크샤프트 시스템의 분석이 필요하다. 이 분석은 전체 크랭크샤프트의 비틀림강성도(torsional stiffness)와 관성특성(inertia characteristics)에 기초하여 이루어진다. 상기에서 얻어진 정보는 작동부하데이타(예를들면, 엔진RPM 및 실린더 압력데이타등)와 함께 시스템의 진동응답(vibratory response)를 측정하는데 사용된다. 상기 분석에서 얻어지는 중요한 정보는 공진주파수(the resonant frequencies), 진동폭(amplitudes of vibration) 및, 비틀림 응력(the torsional stres)들이다.
크랭크아암이 갖춘 비틀림강도와 질량/관성은 작동하는 동안, 크랭크아암으로 인가되는 최대구동토오크를 전달하는데 필요한 최소값이상으로 각각 변화된다. 그 의도는 크랭크샤프트 시스템에서 제1공진 모우드의 절점(節点, nodal point)(절점은 비틀림 변형량이 세로(O)인 위치이다)부근에서는 최대 강성도를 제공하고, 그후 절점으로부터 거리가 멀어짐에 따라 다른 크랭크아암의 강성도 및 관성/질량을 감소시키기 위함이다. 이러한 방법으로는 관성토오크가 최소화되고, 이에따라 진동폭과 응력이 최소화되지만, 모든 크랭크아암이 동일한 비틀림 강성도와 관성/질량을 갖는 종래의 구조와 비교할때, 공진주파수는 증가하게 된다.
본 발명을 실제적용함에 있어서는, 설계 및 제작의 간략화를 위해서, 크랭크아암의 차이점들을 제한하여 이상적인 설계로 추정함이 바람직하다. 따라서, 예를들면 진동절점, 즉 절점으로부터의 거리에 비례하여 크랭크아암쌍의 비틀림강도를 변화시키면서, 동일한 크기 및 비틀림강도로서, 각각의 주저어널의 양쪽에 위치된 크랭크아암쌍이나 각각의 크랭크회전반경(crankthrow)을 갖는 크랭크아암을 제작하는 것이 가능하게 된다.
이하, 본 발명을 도면에 의거 보다 상세히 설명한다.
부호(10)은 자동차에 사용되는 4행정사이클 4실린더를 갖춘 자동차용 내연기관(엔진)을 나타낸다. 엔진(10)은 일렬로 배열되고, 상단부가 실린더헤드(14)로써 폐쇄된 복수의 실린더(12)를 갖는 통상의 엔진실린더블록(11)을 포함한다. 상기 실린더블록(11)은 재방저면부를 갖춘 크팽크게이스를 형성하고, 종래와 같이오일팬(15)에 의해 페쇄된다. 실린더블록(11)의 크랭크케이스에 회전가능토록 본 발명에 의해 형성된 크랭크샤프트(16)가 설치된다.
상기 크랭크샤프트(16)는 축방향으로 일정간격을 두고 정렬되어 있는 엔진블럭의 주베어링 웨브(24)내에서 지지되는 5개의 주저어널(main journals)(18)(19)(20)(21)(22)을 갖춘다. 인접하는 각각의 저어널쌍 사이에는 크랭크핀(25)(26)(27)(28)이 위치되며, 이들 각각은 한쌍의 크랭크아암에 의해 지지된다. 크랭크아암은 부호(31)(32)(33)(34)(35)(36)(37)(38)로 표시되어 있다. 또한, 크랭크샤프트는 전단스터브(front end stub)(42)와 후단플렌지(rear end flange)(43)를 갖춘다.
통상적으로 크랭크핀(25)(26)(27)(28)은 컨넥팅로드(44)를 통해 실린더(12)내에서 왕복운동 가능한 피스톤(46)에 연결된다. 상기와 같은 엔진배열에서, 플라이휘일(47)은 자동변속기나, 기타 관련 출력수단의 토오크변환기인 클럿치(clutch)와의 연결을 위해 크랭크샤프트의 후단에서 플렌지(43)에 부착된다. 전단에는 오일펌프구동기어(48)와, 캠샤프트 및, 보조구동장치(50)가 스터브(42)에 설치되어 있다. 엔진작동동안 크랭크샤프트에서 발생되는 비틀림진동응력 및 변형량(deflection)을 최소화하기 위하여, 본 발명은 각각의 그랭크 아암의 크기를 다르게 선택함으로써 비틀림진동 및, 기타 각각의 위치에서 발생되는 여리가지 힘의 조합력을 견디는데 필요한 최소크기 및 최적강성도를 얻게된다.
이러한, 설계과정은 우선 주저어널과 크랭크핀의 크기 및 간격과, 크랭크아암의 공칭칫수설정등을 포함하는 크랭크샤프트의 중요한 특성들을 선택하여 계산된 구동토오크펄스를 견디기에 적합한 크랭크샤프트의 제1근사설계치를 얻게된다. 다음, 피스톤, 보조구동장치, 플라이휘일 및, 상기 크랭크샤프트에 고정연결되거나, 함께 구동되는 여러가지 부품과 조립된 상태에서 크랭크샤프트의 비틀림 진동분석을 수행한다. 상기 분석은 비틀림진동모우드나 엔진작동속도범위에 관계되는 여러가지 모우드에서 진동절점, 혹은 시스템내에서의 각도변형량(angular deflection)이 O인점을 측정한다.
상기 각도변형량을 감소시키기 위해서는 절점부근의 크랭크아암을 실질적으로 강화시키고, 상기 절점으로부터 일정거리 떨어진 다른 크랭크아암의 강성도(및 질량)를 대략 거리에 비례하여 덜 증가시키거나 감소시킴으로서 달성된다. 상기 작업은 크랭크아암의 강성도 및 관성/질량을 조절하고, 비틀림진동특성을 재계산하는 과정을 크랭크샤프트의 각도변형량이 최소가되면서 전체 최대비틀림 고유진동주파수에 도달하거나, 또는 크랭크샤프트의 설계자가 만족할만한 정도에 도달할때까지 반복 수행하게 된다. 이 과정은 절점으로부터 축방향의 거리가 증가함에 따라서, 크랭크아암이 관성트오크를 증가시킨다는 점을 알아야 한다.
따라서, 절점에 가까운 크랭크아암은 그 지점에서 발생되는 각도변형량을 최소화시키기 위해 가능한 강하게 만드는 것이 요구된다. 한편, 절점으로부터 최대거리에 있는 크랭크아암의 관성/질량을 실질적으로 감소시키면, 최대각도변형량을 현저하게 감소시킬 수 있다. 이 효과는 비록 면 크랭크아암의 강성도를 감소시킬수 있고, 그러나 이들 크랭크아암은 필요에 따라 엔진의 정상작동도중에 피스톤에 의해 부가되는 최대 토오크부하를 받아들이기에 충분할만큼 견고히 유지되어야만 한다. 상기에서 기술된 크랭크샤프트(16)에 적용되는 방법을 적용한 결과가 제2도의 모우드형상 다이아그램 및 제3-10도의 단면도에 도시되어 있으며, 여기에서는 중요부분을 제외한 배경부분을 도시하지 않았다.
제2도에서, 모우드형상 다이아그램은 크랭크축(51)으로부터 떨어진 거리를 나타내는 일점쇄선(52)이 공진작동속도에서 인접한 크랭크샤프트부분(동일평면내에서)의 상대적인 각도변형량을 이중진폭도(degrees double amplitude)(DDA)로서 나타내고 있다. 절점(node 혹은 nodal point)(54)은 일점쇄선(52)이 축(51)을 가로지르는 지점을 나타내며 여기에서 각도변형량은 0이다. 크랭크샤프트의 개발에 있어서, 그 설계 및 제작의 단순화는 내측에 위치된 주저어널(19)(20)(21)의 각각 양측에 위치된 크랭크아암쌍들이 각각 동일한 형상을 갖춤으로서 이행된다.
이와같이 주저어널(19)의 양측에 위치된 각각의 크랭크아암(32) 및 (33)을 나타내는 제3도 및 4도는 비교적 좁은 폭을 갖는(즉, 축(51)에 수직인 평면에서 측면으로 측정했을때) 동일한 크랭크아암의 형상을 갖추며, 절점(54)으로부터 비교적 먼 거리에 위치된 것으로 비추어 볼때 비교적 적은 관성/질량(및 강성도)을 갖추고 있다.
제5도는 절점(54)에서 가장 먼 거리에 위치되고, 또한 모든 크랭크아암중에서 가장 좁은 폭과 가장 적은 관성/질량 및 강성도를 갖는 전방크랭크아암(31)을 도시하고 있다. 이 지점에서는, 크랭크샤프트의 균형축(55)이 크랭크아암(31)과는 반대방향으로 신장하면서 위치된다.
제6 및 7도에는 크랭크아암(34)(35)과, 중앙에 위치된 주저어널(20)의 반대측으로 설치된 균형추(56)(57)가 도시되어 있다. 상기 크랭크아암쌍은 좁은 폭의 크랭크아암(32)(33)보다 절점(54)에 대하여 보다 가까이 위치한 점에 비추어 본질적으로 보다 큰 폭, 질량 및 강성도를 갖는다.
제8도 및 9도는 주저어널(21)의 양측에 설치된 크랭크아암(36)(37)을 도시한다. 상기, 크랭크아암 모두는 그돌의 위치가 절점(54)에 있거나, 홈은 절점(54)에 근접하여 있으므로 최대 강성도를 작추도록 큰 폭으로 도시되어 있다. 그러나, 상기 크랭크아암(36)은 엔진작동도중에 타이밍휘일(timing wheel)로써 사용되기 위하여 리럭터 링(reluctor ring)(58)을 갖추고 있기 때문에 그 형상이 상기와는 다르게 도시되어 있다. 상기 링에 의해서 크랭크샤프트에 부가된 여분의 질량을 고려할 때, 이는 실제로 거의 절점 가까이 위치하여 크랭코아앙(36)내에 결합되는 것이 바람직하다. 엔진의 형상이 다르게 된다면, 크랭크아암(37)이 보다 양호한 위치에 있을 수 있다는 것을 알 수 있다.
제10도는 후방 크랭크아암(38)과 함께, 이에 결합된 후방 균형축(59)의 배열울 나타낸다. 절점(54)에 아주 가까이 위치되기 때문에, 크랭크아암(38)은 크랭크아암(36)과 비슷한 비교적 큰 폭, 질량 및 강성도를 갖는다.
도시된 크랭크샤프트의 실시예에서, 여러가지 크랭크아암의 크기 및 강성도가 우선적으로 이들의 가로폭을 변화시킴으로써 변화되었다는 것을 알 수 있다. 그러나, 세로두께나 중공부분의 변화와 같은 다른 형태의 구조가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 크랭크아암의 질량 및 강성도를 변화시키기 위해 사용될 수 있음은 물론이다.

Claims (4)

  1. 다수개의 실린더(12)를 갖는 프레임(11); 상기 프레임(11)내에 설치되고, 축(51)을 따라 일정간격을 두면서 배열된 복수의 주저어널(main journal)(19)(20)(21)(22)과, 상기 축(51)로부터 방사선상으로 배치되고, 주저어널(19)(20)(21)(22)을 사이에 위치시키도록 축방향으로 일정간격을 두고 배치된 다수개의 크랭크핀(25)(26)(27)(28) 및, 상기 크랭크핀(25)(26)(27)(28)을 각각 인접한 상기 주저어널(19)(20)(21)(22)에연결하는 다수개의 크랭크아암(31)(32)(33)(34)(35)(36)(37)(38)을 갖는 크랭크샤프트(16); 상기 실린더(12)내에서 각각 작동하는 피스톤(46)을 상기 크랭크핀(25)(26)(27)(28)에 연결하는 컨넥팅로드(44) ; 및, 상기 크랭크샤프트(16)에 일측단이 연결되는 플라이휘일(47); 을 갖는 왕복피스톤기관(10)에 있어서, 상기 컨넥팅로드(44), 피스톤(46) 및 플라이휘일(47)에 연결되어 규정된 회전속도 범위내에서 회전되는 경우, 상기 회전속도 범위내에서 적어도 하나의 절점(54)에서 얻어지는 기준치에 대한 크랭크핀(25)(26)(27)(28)과 크랭크아암(31)(32)(33)(34)(35)(36)(37)(38)의 진동각도변형량이 상기 절점(54)으로부터 거리가 멀어짐에 따라서 증가하여 최대치에 도달하는 지점에서 발생하는 측정가능한 진동모우드의 최대비틀림진동주파수를 갖고; 상기 크랭크아암(31)(32)(33)(34)(35)(36)(37)(38)의 질량과 강성도는 상기 절점(54)으로부터 거리가 증가함에 따라서 각각 감소되어 상기 회전속도 범위에서 크랭크핀(25)(26)(27)(28)의 최대각도변형량을 제한함을 특징으로 하는 크랭크샤프트.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 크랭크아암(31)(32)(33)(34)(35)(36)(37)(38)의 관성(inertia)/질량(mass) 및 강성도(stiffness)는 가로폭의 변화에 따라서 서로 다르게 구성됨을 특징으로 하는 크랭크샤프트.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 크랭크아암(31)(32)(33)(34)(35)(36)(37)(38)의 강성도는 세로 두께의 변화에 따라서 서로 다르게 구성됨을 특징으로 하는 크랭크샤프트.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 크랭크아암(31)(32)(33)(34)(35)(36)(37)(38)은 관성/질량 및, 강성도를 변화시키기 위하여 오직 일부만이 서로 다른 가로폭을 갖춤을 특징으로 하는 크랭크샤프트.
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