KR100355956B1 - 자동조심기능을갖는볼조인트방식의피스톤조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼 조인트 방식의 피스톤 조립체에 관한 것으로, 본 발명의 피스톤 조립체는 원통형상의 피스톤, 피스톤과 연결되어 피스톤으로 동력을 전달하는 커넥팅로드, 피스톤과 커넥팅로드를 연결하는 볼을 구비하고, 커넥팅로드는 볼이 설치되는 소경부를 구비하고 소경부에는 내부에 볼이 삽입되도록 내면이 구면으로 형성되되 삽입된 볼의 일측과 타측이 일부 돌출되어 지지되도록 하는 연결부재가 마련되고, 상기 피스톤의 내부에는 연결부재의 양측으로 돌출된 볼의 구면을 탄성 지지하는 탄성부를 가진 탄성부재가 설치된 것이다. 이러한 본 발명의 볼 조인트 방식의 피스톤은 피스톤과 실린더블럭의 압축실 내부에서의 마모를 획기적으로 줄여 종래에 비하여 신뢰성을 증대시켜 피스톤 조립체의 수명을 두 배정도 연장할 수 있고, 이에 따라 발생하는 마찰과 마모에 의한 소음을 일반적인 피스톤 조립체에 비하여 약 2dB정도 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

자동조심 기능을 갖는 볼 조인트 방식의 피스톤 조립체

본 발명은 피스톤 조립체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피스톤과 커넥팅로드의 결합을 볼 조인트 방식으로 하여 자동조심기능을 발휘할 수 있도록 한 볼 조인트방식의 피스톤 조립체에 관한 것이다.

일반적으로 피스톤은 압축기, 내연기관 등에 설치되는 것으로 유체를 흡입, 압축하도록 실린더의 압축실 내부에서 좌우 직선 운동하도록 된 장치이다.

이러한 피스톤은 피스톤과 커넥팅로드를 구비하고, 피스톤과 커넥팅로드를 결합시키는 핀피스톤과 핀피스톤과 피스톤의 결합을 위한 고정핀을 구비하고 있다.

그러나 종래의 이러한 피스톤의 각각의 구성부품은 가공정도가 불균일하면 각종 슬라이딩 부위에서 불필요한 마찰 및 마모가 발생하게 되고, 이로 인한 소음을 유발시키게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 피스톤과 커넥팅로드의 결합을 볼 조인트 방식으로 체결하는 기술이 개발되었다. 이러한 기술 중에서 1989년 한국에서 출원되고, 이 한국출원으로부터 미국, 일본 그리고 이탈리아에 우선권주장 출원된 (국내출원번호 실용 89-20717; 미국 on/589,619; 이탈리아 48428-A/90; 일본 평2-109688)기술인 "피스톤 연결장치"에서는 피스톤과 볼의 접촉면적을 보다 축소시켜서 보다 조용한 작동과 높은 효율을 발휘할 수 있도록 한 기술이 개발되었었다.

이 종래 출원된 "피스톤 연결장치"의 구성은 도 1에 도시된 바와 같이 일측에 크랭크축과의 연결부를 가지면 그 타측에는 구체(12)를 갖는 커넥팅로드(11)와, 커넥팅로드(11)의 구체(12)가 안착되는 피스톤(10)을 구비한다.

그리고 이 피스톤(10)과 동일 중심축을 가지면 적어도 피스톤(10)의 직경보다 작은 직경을 갖고, 피스톤(10)의 후방에서 피스톤(10)과 일체로 형성된 돌출부재(14)와, 적어도 구체(12)의 반경보다 크거나 동일한 반경을 가진다.

또한 적어도 돌출부재(14)의 내경보다 작은 직경을 갖고 돌출부재(14) 내에 수용되어 돌출부재(14)의 동일 중심축상에 피스톤(10)과 일체로 형성된 안착부(13)와, 적어도 커넥팅로드(11)의 직경보다 크고, 구체(12)의 직경보다 작은 직경을 갖는 통공을 그 중앙에 가지며, 통공주위에 소정 넓이로 된 중앙부와 이 중앙부와 일체 되는 돌출편을 갖는 탄성체(15)로 이루어져 구체(12)를 안착부에 탄성체(15)로 탄력 지지하도록 된 것이다.

그러나 이러한 종래 출원된 피스톤 연결장치에서의 탄성체(15)는 피스톤(10)의 구동으로 지속적으로 구체(12)에 의하여 가해진 힘에 의하여 탄성체(15)가 변형 내지는 파손의 우려가 있고, 이러할 경우 구체(12)는 피스톤(10)의 결합부분으로부터 이탈하여 피스톤(10)의 작동을 불능상태로 빠뜨리게 된다.

또한 구체(12)와 피스톤(10)과의 접촉면적이 구체(12)의 거의 절반정도의 면에 접촉하여 있기 때문에 이 부분에서의 마찰과 마모가 상당부분 발생하게 되고, 만약 치수가 정밀하지 않다면 이 습동부분에서의 마모와 소음이 보다 크게 발생함과 동시에 피스톤(10)의 작동효율을 떨어뜨리게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 피스톤과 커넥팅로드를 볼 조인트방식을 채용하되 커넥팅로드와 피스톤의 습동부위를 최소화하여 마찰과 마모를 줄이고 이에 따른 구동소음을 줄일 수 있도록 하며, 더욱이 피스톤의 구동시 자동조심(self-aligning)이 이루어지도록 한 볼 조인트 방식의 피스톤을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 피스톤 조립체를 보인 단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 볼 조인트 방식의 피스톤 조립체를 보인 분해 사시도이다.

도 3은 본 발명에 따른 볼 조인트 방식의 피스톤 조립체의 다른 실시예를 보인 분해 사시도이다.

도 4는 본 발명에 따른 볼 조인트 방식의 피스톤 조립체를 보인 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 볼 조인트 방식의 피스톤 조립체의 자동 조심 동작 상태를 나타낸 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100...피스톤 조립체 110...피스톤

111...중공 114...연통홈

115...삽입홈 116...안착홈

120...볼 130...커넥팅로드

132...소경부 133...결합돌기

140...연결와셔 142...결합홈

143...절개부 150...탄성판

151...결합부 152...탄성부

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 원통형상의 피스톤, 상기 피스톤과 연결되는 소경부가 마련되며 상기 피스톤으로 동력을 전달하는 커넥팅로드, 상기 피스톤과 커넥팅로드를 연결하는 볼을 구비한 피스톤 조립체에 있어서, 상기 커넥팅로드의 소경부에는 내부에 상기 볼이 삽입되도록 내면이 구면으로 형성되되 삽입된 상기 볼의 일측과 타측이 일부 돌출되어 지지되도록 하는 연결부재가 마련되고, 상기 피스톤의 내부에는 상기 연결부재의 양측으로 돌출된 상기 볼의 구면을 탄성 지지하는 탄성부를 가진 탄성부재가 설치된 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 볼 조인트 피스톤 조립체(100)는 도 2와 도 4에 도시된 바와 같이 알루미늄 다이케스팅으로 원통형상의 중공(111)을 가진 중공체로 마련된 피스톤(110)과 이 피스톤(110)에 결합되어 동력을 전달하는 커넥팅로드(130)를 구비하고, 커넥팅로드(130)와 피스톤(110)의 결합을 위하여 소결형성된 볼(120)을 구비한다. 그리고 볼(120)의 설치를 위하여 커넥팅로드(130)와 결합되는 연결와셔(140)와 볼(120)의 지지를 위하여 피스톤(110)의 내부에 삽입 설치되는 탄성판(150)을 구비하고 있다.

이하에서는 이 각각의 구성요소에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

먼저 피스톤(110)은 일단이 막혀있고 타단이 개구되어 내부에 중공(111)을 형성하고 있다. 그리고 피스톤(110)의 내부 중공(111)과 연통되도록 피스톤(110)의 측방으로부터 관통하여 있는 연통홀(114)이 형성되는데, 이 연통홀(114)의 내면에는 탄성판(150)의 결합부(151)가 삽입되어 설치되도록 원형의 설치홈(115)이 형성되어 있고, 중공(111)의 내면에는 피스톤 조립체(100)가 안착되도록 각(θ₁)이 120°정도로 파여 볼(120)이 안착되는 안착홈(116)이 형성되어 있다.

그리고 커넥팅로드(130)는 일단에 동력이 전달되는 축과 결합되는 대경부(131)와 타단에 대경부(131)보다 작은 직경을 가진 소경부(132)를 구비한다. 그리고 소경부(132)에는 피스톤(110)과 결합되는 전술한 볼(120)과 연결와셔(140)가 설치되며, 이 연결와셔(140)와의 코킹결합을 위하여 내경의 상하단부에 결합돌기(133)가 형성되어 있다.

다음으로 연결와셔(140)는 원형의 관형상으로 마련되되, 상단과 하단이 개구되어 있으며, 내면(141)은 볼(120)이 안착되도록 구면을 이루고 있다. 그리고 볼(120)의 삽입을 위한 절개부(143)를 형성되어 있는데, 이 절개부(143)는 볼(120)의 안착시 연결와셔(140)를 벌려 볼(120)을 삽입하고, 삽입후 외력을 가해 눌러 볼(120)이 빠지지 않도록 한다.

이때의 볼(120)의 직경(D_B) 6 - 12mm 정도로 마련하고, 이 볼(120)이 결합되는 연결와셔(140)의 내경(D_w) 또한 볼의 직경(D_b)에 맞게 6 - 12mm로 맞추어 형성한다.

이러한 연결와셔(140)의 외주의 상하단부에는 커넥팅로드(130)의 소경부(132)와의 결합을 위한 결합홈(142)이 형성되어 있다. 이 결합홈(142)은 동일한 간격으로 이격되어 상하단부에 각각 4개씩 형성되어 있으며, 결합시 외력에 의하여 눌려진 소경부(132)의 결합돌기(133)가 결합홈(142)에 끼워져 코킹 결합되도록 되어 있다.

그리고 탄성판(150)은 원형의 드로잉으로 마련되며 외경을 형성하는 결합부(151)는 피스톤(110)의 내부에 형성된 원형의 설치홈(115)에 끼워지도록 되어 있다. 그리고 이 결합부(151)의 상하 두께는 설치홈(115)의 폭보다 작게 형성되고, 그 직경 또한 설치홈(115)의 외경보다 작게 형성되어 탄성력을 발휘할 때 결합부(151)가 설치홈(115)에서 일부 유동할 수 있도록 되어 있다.

그리고 이 결합부(151)에는 네 개의 절개홈(154)이 형성되어 있으며, 이 절개홈(154)을 따라 하부로 탄성부(152)를 형성하고 있다.

이 탄성부(152)는 결합부(151)에서 하부로 갈수록 소정각도록 내향 경사지게 형성되어 있으며, 그 하면은 내측으로 소정각도로 드로잉되어 상향 굴곡지게 형성된 굴곡부(153)를 형성하고 있는데, 이 굴곡부(153)는 볼(120)과 접하는 부분으로써 볼(120)의 구면과의 원활한 접촉으로 볼(120)을 탄성 지지할 수 있도록 하기 위한 것이다.

한편 이 탄성판은 또 다른 실시예로써 도 3에 도시된 바와 같이 판상으로 형성할 수 있는데, 이때의 탄성판(250)은 직사각형의 판상으로 마련되되, 그 좌우폭은 피스톤(110)에 형성된 두 개의 설치홈(115)에 끼워질 수 있도록 마련되며 상하의 두께는 설치홈(115)의 폭보다 작게 형성되어 탄성판(250)이 설치홈(115)의 상하폭 내에서 상하로 유동 가능하도록 마련된 결합부(251)가 형성되고, 이 결합부(251)의 내측으로는 탄성부(252)가 형성된다.

이 탄성부(252)는 내측으로 소정각도로 절곡되어 연장된 두 개의 판상으로 마련되며, 각각의 탄성부(252)의 단부에는 다시 내측으로 절곡되며 상향굴곡지게 형성된 굴곡부(253)를 형성하고 있다. 이 굴곡부(253)는 볼(120)과 접하는 부분으로써 볼(120)의 구면과의 원활한 접촉으로 볼(120)을 탄성 지지할 수 있도록 하기 위하여 상향굴곡지게 형성된다. 그 외의 구성부분의 설명은 전술한 첫 번째 실시예를 참조하기로 한다.

이하에서는 전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 피스톤의 작용에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명의 피스톤 조립체(100)는 대경부(131)로 결합된 동력을 전달하는 축에 의하여 회전력을 발휘하게 된다, 일반적인 압축기의 경우에는 회전축에 편심 결합되어 일정한 궤도를 가지고 궤도 운동하도록 되어 있다. 그리고 대경부(131)의 구동으로 실린더블럭(160) 내부의 압축실(161)에 설치된 피스톤(110)은 왕복직선운동을 하게 된다.

이때 피스톤(110)의 압축실(161) 내부에서의 왕복 직선운동시 각각의 슬라이딩 부위의 치수가 정확히 일치하면, 즉 이상적인 치수관리와 작동상태에 놓이게 되면 피스톤 조립체(100)의 각 슬라이딩 부위에서의 마찰에 의한 마모와 마찰소음이 거의 발생하지 않지만, 실제적으로 아주 조금이라도 미세한 치수의 오차가 있게 되며, 이때에는 이 오차에 의한 마모와 마찰소음이 발생하게 된다.

그러나 본 발명의 피스톤의 경우 이러한 치수의 오차가 있더라도 이에 의한 마모와 마찰소음을 최소한으로 줄일 수 있다.

이를 구체적으로 설명하면 도 5에 도시된 바와 같이 피스톤(110)의 작동시 피스톤(110)과 압축실(161) 내부사이의 공차로 커넥팅로드(130)에 의한 운동전달선(L₁)과 피스톤의 구동선(L₂)이 소정의 각도(θ₂)로 어긋나서 일치하지 않으면, 이때 피스톤(110) 내부에 탄성 지지되어 설치된 볼(120)은 서로 어긋나는 부분을 보상할 수 있도록 움직인다.

이때의 볼(120)의 동작은 탄성판(150)을 밀어 유동하게 되고, 탄성판(150)은 굴곡부(153)가 계속해서 볼(120)을 지지한 상태에서 탄성부(152)가 움직여 볼(120)의 지지상태를 유지하면서 볼(120)이 움직일 수 있게 한다.

따라서 이러한 볼(120)의 움직임으로 피스톤 조립체(100)의 각 습동부위의 공차를 극복할 수 있도록 자동조심(self-aligning)이 이루어져 보다 원활한 피스톤 조립체(100)의 작동상태를 유지시킬 수 있도록 한다.

이상과 같은 본 발명의 볼 조인트 방식의 피스톤 조립체는 피스톤과 실린더블럭의 압축실 내부에서의 마모를 획기적으로 줄여 종래에 비하여 약 절반정도로 마모율을 낮춰 피스톤의 수명을 두 배정도 연장할 수 있고, 이에 따라 발생하는 마찰과 마모에 의한 소음을 일반적인 피스톤에 비하여 약 2dB정도 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 중공부를 갖는 원통형상의 피스톤과, 상기 피스톤과 연결되는 소경부가 마련되며 상기 피스톤으로 동력을 전달하는 커넥팅로드와, 상기 피스톤과 커넥팅로드의 연결을 매개하는 볼을 구비한 피스톤 조립체에 있어서,

   상기 볼의 외면을 회동 가능하게 지지하도록 내면이 상기 볼의 외면과 대응하는 구면으로 이루어지고 외면이 상기 커넥팅로드의 소경부 내에 결합되며, 상기 볼의 양측이 노출될 수 있도록 높이가 상기 볼의 지름보다 작은 크기로 형성되는 원통형의 연결부재와,

   상기 볼의 노출된 일측이 지지될 수 있도록 상기 피스톤의 중공부 내면에 형성된 소정깊이의 안착부와,

   상기 볼의 노출된 타측의 지지를 위해 상기 안착부와 대향하는 쪽에 상기 피스톤의 반경방향으로 연통하도록 형성하는 연통홀과, 상기 연통홀을 통해 상기 피스톤의 중공부 쪽으로 진입된 후 고정되며 상기 볼의 외면을 탄력 지지하는 탄성부를 갖춘 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 조립체.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 커넥팅로드 소경부의 상하 단부에는 외력에 의해서 상기 연결부재의 양단부를 지지하도록 변형되는 복수의 결합돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 피스톤 조립체.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 연결부재의 양단부에는 상기 결합돌기가 끼워져 결합되는 결합홈이 형성된 것을 특징으로 하는 피스톤 조립체.
4. 제 1항에 있어서, 상기 탄성부재는 상기 피스톤의 연통홀 내에 형성된 설치홈에 끼워지는 결합부를 구비하고, 상기 탄성부는 상기 결합부로부터 상기 볼 쪽으로 연장되며 그 단부가 상기 볼의 외면과 대응하는 구면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피스톤 조립체.