KR100923811B1

KR100923811B1 - 스쿠퍼 슬롯 및 프리 캐스팅을 포함하는 피스톤 리세스

Info

Publication number: KR100923811B1
Application number: KR1020077016531A
Authority: KR
Inventors: 에머리히 오트리크츠키; 프란츠 라츠키; 노르베르트 리스
Original assignee: 카에스 콜벤슈미트 게엠베하
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2009-10-27
Also published as: US20080202330A1; DE502005010863D1; EP1828586B1; CN101111670B; EP1828586A1; WO2006072293A1; CN101111670A; ATE495357T1; US7730828B2; KR20070099616A; JP2008524502A; DE102004061777A1; BRPI0519257A2

Abstract

본 발명은 내연 기관용 피스톤(1)에 관한 것으로써, 링 지대(4) 및 그 아래에 배치된 피스톤 샤프트(3)를 구비한 피스톤 헤드(2)를 포함하며, 피스톤 샤프트는 핀 구멍(6)의 둘레에 배치되고 피스톤(1)의 외측 직경부(13)에 대해 뒤로 후퇴한 오목면(7) 및 샤프트 면(5)을 포함하며, 피스톤(1) 동작 중에 오목면(7)의 방향에서 오일 흐름(11)을 보장하기 위해 적어도 하나의 함몰부(8)가 최하단 환형 홈(9)의 구역에 제공되고, 또한 적어도 하나의 함몰부(8)가 특히 큰 응력을 받는 부분(10)의 외부에서 핀 구멍(6) 위에 배치된다.

Description

스쿠퍼 슬롯 및 프리 캐스팅을 포함하는 피스톤 리세스{ROTOR RECESS WITH SCUPPER SLOTS AND FREE CASTING}

본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 기재한 특징을 포함하는 내연 기관용 피스톤에 관한 것이다.

링 벨트(ring belt) 및 그 아래에 배치된 피스톤 스커트(piston skirt)를 구비한 피스톤 헤드를 포함하는 내연 기관용 피스톤은 이미 알려져 있다. 이러한 피스톤은 예를 들어 박스 타입 피스톤 또는 박스 디자인 타입의 피스톤으로 불린다. 피스톤 스커트의 영역에 핀 구멍이 존재하고, 피스톤의 외경부에 대해 내측으로 만입된 오목면이 핀 구멍의 주위에 형성되는 것은 이미 알려져 있다. 또한, 최하단 링 그루브(ring groove)의 영역에서 피스톤의 링 벨트 내에 적어도 하나의 함몰부가 존재하고, 피스톤의 작동 중에 최하단 링 그루브에 모인 오일이 이 함몰부를 통해서 오목면을 통해 피스톤 스커트의 하단 모서리 쪽으로 배출되는 것도 알려져 있다. 공지된 피스톤의 경우에 이러한 함몰부는 피스톤의 작동시 특히 큰 응력을 받는, 핀 구멍 위의 부분에 위치하는 것으로 확인되었다. 이러한 특히 큰 응력을 받는 피스톤 부분은 핀 구멍 정점 옆의 우측 및 좌측에 존재하는데, 왜냐하면 피스톤, 특히 피스톤 헤드가 그 작동 중에 핀 구멍에 배치된 핀의 주위에서 변형되기 때문이다. 특히 큰 응력을 받는 부분에 함몰부가 존재하는 경우 함몰부에 파절부가 형성되므로, 특히 현대의 높은 응력을 받는 디젤 엔진이 적용되는 경우에 피스톤 작동시 균열이 발생한다. 이러한 구성들은 JP 08 121243 A, EP-A-0 529 714, US-A-1 675 174 또는 US 2002/046593 A1에서 알려져 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 적어도 하나의 함몰부를 특히 큰 응력을 받는 부분의 외부에서 핀 구멍의 위에 배치하여 피스톤 스커트의 스커트 면으로의 전이부에서 오목면의 거의 가장자리에 배치하는 것이며, 여기서 상기 특히 큰 응력을 받는 부분은 핀 구멍의 정점으로부터 시작하여 링 벨트의 하부 모서리 쪽으로 연장된다. 이로써 한편으로는 함몰부의 기능, 즉 오일 스크레이퍼 링에 의해 최하단 링 그루브에 모인 오일을 오목면을 거쳐 아래로 배출시키는 기능이 그대로 유지된다. 다른 한편으로는 균열 형성이 효과적으로 억제되는데, 왜냐하면 적어도 하나의 함몰부가 핀 구멍의 주위에서 오목면의 상부에 있는, 큰 응력을 받지 않는 영역에 배치되기 때문이다.

이것에 추가하여, 함몰부로부터 오목면으로의 전이부에 피스톤의 외경부에 대해 내측으로 후퇴된 융기부가 제공된다. 이를 통해 균열 형성의 위험이 더욱 효과적으로 억제될 뿐 아니라, 이러한 융기부는 특히 큰 응력을 받을 수 있는 핀 구멍의 정점 측면부에 함몰부를 배치하는데 기여할 수도 있다.

본 발명의 다른 형태에서는 피스톤의 외경부에 대해 내측으로 후퇴된 면, 즉 적어도 하나의 함몰부, 융기부 및 핀 구멍 주위의 오목면 전체일 수 있는 면이 적어도 부분적으로 또는 완전히 프리 캐스팅(free casting) 및/또는 절삭 가공을 통해 제조될 수 있다. 내측으로 후퇴된 면을 프리 캐스팅으로 제조하는 경우에는, 피스톤 또는 피스톤 블랭크의 음각 주형은 피스톤 블랭크의 주조 후에 후퇴되는 면을 형성하는 돌출된 부분을 포함한다. 이는 다음과 같은 이점을 갖는다. 상응하는 돌출된 부분을 포함하는 주형을 단지 일회만 제조하면 되고, 그 후에는 매번 피스톤 블랭크를 주조할 때 내측으로 후퇴된 면을 이 주형을 통해 형성하면 된다. 이에 대해 보충 또는 대안적으로, 예를 들어 일정하게 유지되는 영구적 외경을 갖는 피스톤 블랭크를 주조하고, 이어서 정밀 가공시 내측으로 후퇴된 면을 절삭 가공 방법으로 제거하는 것도 생각할 수 있다. 이런 방법은 특히 피스톤의 정밀 가공시 수치제어 공작기계(CNC 머신)를 사용하는 경우에 적용된다. 내측으로 후퇴된 면을 제조할 때 피스톤 작동 중에 균열을 발생시킬 수 있는 파절부를 방지하기 위해서, 피스톤 외경을 기준으로 더욱 깊게 존재하는 면의 전이부가 라운딩된다는 점에 유의해야 한다.

제한되는 의미를 갖지 않는 본 발명의 실시예가 이하에 기술되며 도면을 통해 상세히 설명된다.

도면은 다음과 같다:

도 1은 본 발명에 따른 피스톤의 제1 실시예이다.

도 2는 도 1의 선 A-A를 따라 절개한 부분을 2:1의 척도로 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 피스톤의 다른 실시예이다.

도 4는 도 3의 선 A-A를 따라 절개한 부분을 1:1의 척도로 도시한 도면이다.

도 1은 소위 박스 디자인 타입의 일체형 피스톤(1)을 나타내는 도면으로서, 피스톤(1)은 피스톤 헤드(2)(마찬가지로 도시하지 않은 연소실 포함) 및 그 아래 배치된 피스톤 스커트(piston skirt)(3)를 포함한다. 이와 관련하여 본 발명은 임의의 피스톤 유형에 적용할 수 있다(예를 들어 관절형 피스톤에도 적용 가능).

피스톤 헤드(2)는 일반적으로 3개의 링 그루브(ring groove)를 구비한 공지된 링 벨트(ring belt)(4)를 포함하고, 피스톤 스커트(3)는 서로 정반대편에 있는 2개의 스커트 면(5)을 포함하며, 이러한 스커트 면을 통해 피스톤(1)이 내연 기관의 작동시 실린더 표면에 지지되고 그에서 안내된다. 또한 피스톤 스커트(3)는 피스톤 핀을 수용하는 하나의 핀 구멍(6)을 포함하며, 도면에 도시하지 않은 커넥팅 로드를 통해 피스톤(1)이 그와 결합한다. 스커트 면(5)은 피스톤(1)의 외경부에 위치하며, 피스톤(1)의 외경부에 대해 내측으로 만입된 오목면(7)이 핀 구멍(6) 주위 영역에 형성된다. 적어도 하나의 함몰부(8)(일반적으로 4개의 함몰부)가 최하단 링 그루브(9)의 영역에 존재하며, 이러한 함몰부(8)는 스쿠퍼 슬롯(scupper slot)으로도 불린다. 핀 구멍(6) 정점의 좌측에는 피스톤(1) 작동 중에 특히 큰 응력을 받는 부분이 도면 부호 10으로 도시되어 있으며, 이러한 특히 큰 응력을 받는 부분(10)은 핀 구멍(6) 정점의 우측에도 존재한다. 함몰부(8)의 기능은, 최하단 링 그루브(9)에 배치된 오일 스크레이퍼 링에 모인 오일이 핀 구멍(6) 옆에 존재하는 오목면(7)을 거쳐 아래(도 1에 따른 도시에서)로 배출되어 화살표로 표시된 오일 흐름(11)이 발생하도록 하는 것이다. 특히 큰 응력을 받는 부분(10)의 옆에 함몰부(8)를 배치하는 것은 함몰부(8)의 영역에서 더 이상 균열이 발생하지 않는다는 이점을 갖는데, 왜냐하면 이러한 영역에서는 외경부에 대해 내측으로 만입된 면으로 인해 재료의 두께가 더 적어지기 때문이며, 만약 함몰부(8)가 특히 큰 응력을 받는 부분(10)에 배치되면 균열 형성의 위험이 발생할 것이다. 도 1을 보면, 오목면(7)으로부터 스커트 면(5)으로 전이되는 전이부의 약간 상부에 함몰부(8)가 배치되는 것을 볼 수 있다. 균열 형성을 방지하기 위한 다른 효과적인 조치로서 함몰부(8)로부터 오목면(7)으로의 전이부에 융기부(12)가 형성되며, 구조적 형상(특히 함몰부(8)의 깊이, 융기부(12)의 크기 및 오목면(7)의 깊이)에 따라서 함몰부(8)가 가장자리 영역(핀 구멍의 정점으로부터 이격된 영역)에 배치될 수도 있다.

본 발명의 더욱 상세한 설명을 위해 도 2가 제공되며, 여기에는 도 1의 선 A-A를 따라 절개한 단면이 2배의 척도로 도시된다. 본 도면에서는 함몰부(8), 최하단 링 그루브(9) 및 융기부(12)의 위치를 볼 수 있다. 이러한 영역들은 오목면(7)에서와 마찬가지로 도면 부호 13으로 표시된 외경부(D)에 대해 내측으로 후퇴되어 있다. 후퇴 정도는 구조적 형상 및 힘 분포에 따라 결정되며, 최하단 링 그루브(9)에 배치된 오일 스크레이퍼 링에 모인 오일이 피스톤(1)의 동작 중에 충분한 양으로 전이부, 특히 융기부(12)를 거쳐 오목면(7)으로 흐를 수 있도록 함몰부(8)의 깊이가 선택된다. 균열 형성을 방지하기 위해 융기부(12)가 더욱 크게 실시된다. 즉 함몰부(8) 또는 오목면(7)에 비해 융기부가 외경부(D)에 대해 더욱 적게 내측으로 후퇴된다. 도 2에 따른 구성에서 특히 중요한 것은 일반적으로 오목면(7)으로부터 스커트 면(5)으로의 전이부에서와 마찬가지로, 최하단 링 그루브(9) 또는 함몰부(8)로부터 융기부(12)를 거쳐 오목면(7)으로 전이되는 전이부가 라운딩된 형태로 실시되는 것이다. 따라서, 융기부(12)는 이러한 전이부에서의 균열 형성을 방지하고 두께를 보강하기 위한 재료 보강부를 형성하며, 동시에 외경부(D)에 대해 내측으로 후퇴되기 때문에 오일 흐름(11)도 보장한다. 일반적으로 함몰부(8)는 라운딩된 형태를 가지며, 예를 들어 구멍을 통해 구현되지만, 프리 캐스팅(free casting)을 통해서도 제조 가능하다. 오목면(7) 쪽으로의 충분한 오일 흐름(11)을 보장하기 위해서, 함몰부(8)로부터 오목면(7)으로의 전이부의 폭 및 융기부(12)의 폭은 바람직하게는 함몰부(8)의 반경방향 크기보다 크다. 하지만, 이러한 전이부가 함몰부(8)와 같거나 그보다 작은 폭을 갖는 것도 생각할 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 도면으로서, 여기에서는 함몰부(8)가 라운딩된 형태로 실시되지 않고(예를 들어 구멍으로 구현됨), 라운딩된 모서리를 갖는 직사각형 형태를 갖는다. 여기에서도 함몰부(8)는 특히 큰 응력을 받는 부분(10)의 외부에 존재하며, 함몰부(8)로부터 오목면(7)으로의 전이부에 융기부(12)가 존재한다. 함몰부(8), 융기부(12) 및 오목면(7)의 이러한 형태는 도 3에 도시한 바와 같이 특히 바람직한 방식으로 프리 캐스팅을 통해 제조할 수 있다. 하지만, 이는 캐스팅에 의한 이러한 면의 제조 후에 이어지는 절삭 가공, 특히 정밀 가공을 배제하는 것은 아니다.

도 3에 대한 보충적 도면으로서의 도 4에는 도 3의 선 A-A를 따라 절개한 단면이 1:1의 척도로 도시된다. 이 도면에서는 함몰부(8)가 최하단 링 그루브(9)의 영역에 존재할 뿐 아니라 그 위로 연장되는 것을 볼 수 있다.

본 발명은 내연 기관의 가능한 모든 피스톤(1) 유형에 적용될 수 있지만, 바람직하게는 알루미늄과 같은 경량 재료로 이루어진 피스톤 및 특히 화물 차량의 구동에 사용되는 대형 내연 기관에 적용된다.

본 발명은 내연 기관용 피스톤에 이용될 수 있다.

- 도면 부호의 설명 -

1. 피스톤

2. 피스톤 헤드

3. 피스톤 스커트

4. 링 벨트

5. 스커트 면

6. 핀 구멍

7. 오목면

8. 함몰부

9. 최하단 링 그루브

10. 특히 큰 응력을 받는 부분

11. 오일 흐름

12. 융기부

13. 외경부 D

Claims

내연 기관용 피스톤(1)으로서,

링 벨트(4) 및 그 아래에 배치된 피스톤 스커트(3)를 구비한 피스톤 헤드(2)를 포함하며, 피스톤 스커트는, 핀 구멍(6) 주위에 배치되고 피스톤(1)의 외경부(13)에 대해 내측으로 만입된 오목면(7)과, 스커트 면(5)들을 포함하며, 피스톤(1) 동작 중에 오목면(7) 쪽으로의 오일 흐름(11)을 위해 적어도 하나의 함몰부(8)가 최하단 링 그루브(9)의 영역에 제공되는 피스톤에 있어서,

적어도 하나의 함몰부(8)가 특히 큰 응력을 받는 부분(10)의 외부에서 핀 구멍(6) 위에 배치되며, 상기 특히 큰 응력을 받는 부분은 핀 구멍(6)의 정점으로부터 시작하여 링 벨트(4)의 하부 모서리 쪽으로 연장되며, 함몰부(8)로부터 오목면(7)으로의 전이부에는 피스톤(1)의 외경부(13)에 대해 내측으로 후퇴된 융기부(12)가 제공되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
제1항에 있어서,

피스톤(1)의 외경부(13)에 대해 내측으로 후퇴된 면이 적어도 부분적으로 프리 캐스팅으로 제조 가능한 것을 특징으로 하는 피스톤.
제1항 또는 제2항에 있어서,

피스톤(1)의 외경부(13)에 대해 내측으로 후퇴된 면이 적어도 부분적으로 절삭 가공을 통해 제조 가능한 것을 특징으로 하는 피스톤.
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