KR101027460B1 - 피스톤과 커넥팅 로드를 구비한 내연 엔진 구동 기구 - Google Patents

피스톤과 커넥팅 로드를 구비한 내연 엔진 구동 기구 Download PDF

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Abstract

커넥팅 로드(1)가 2개의 단부측 베어링 장치에 의해 일측에서 커넥팅 로드 헤드(2)에 피스톤(3)을, 그리고 타측에서 커넥팅 로드 아이(8)를 형성하여 크랭크 축의 대응 크랭크 핀을 둘러싸면서 커넥팅 로드 아이(8)와 크랭크 핀을 각각 서로 결합시키는, 피스톤(3)과 커넥팅 로드(1)를 구비한 내연 엔진 구동 기구를 종래의 모든 기능을 모두 그대로 유지하면서도 커넥팅 로드 헤드(2)에 피스톤(3)을 지지시키는 베어링 장치가 개선되고, 특히 복잡한 공구가 없이도 피스톤의 조립/분해가 가능하게 되도록 개량하기 위해, 피스톤(3)을 커넥팅 로드 헤드(2)에 결합시키는 베어링 장치는 한편으로 구형 캡 부분(11)이 윤활제로 적셔지는 베어링 면으로서의 구형 외면(12)을 구비하고 다른 한편으로 축 방향 지지를 위한 베어링 면으로서의 상응하게 구형으로 형성된 항아리형 베어링 실드(13)에 의해 둘러싸이는 형식으로 형상 맞춤 결합을 형성하면서 볼/구형 캡 베어링 장치(11, 13)로서 형성되며, 형상 맞춤 결합을 유지시키도록 그 볼/구형 캡 베어링 장치(11, 13)는 풀려진 상태에서 피스톤(3)을 그 축선을 중심으로 하여 회전시킴으로써 형상 맞춤 결합의 해제를 가능하게 하는 분리가 가능한 회전 방지 장치(16a, 16b; 17a, 17b; 23a, 23b)를 포함한다.

Description

피스톤과 커넥팅 로드를 구비한 내연 엔진 구동 기구{DRIVING MECHANISM OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH PISTON AND CONNECTING ROD}
도 1은 본 발명에 따른 볼/구형 캡 베어링 장치의 평면도,
도 2는 커넥팅 로드 샤프트가 분할되지 않고 피스톤에 본 발명에 따른 볼/구형 캡 베어링 장치가 형성된 머린 타입 커넥팅 로드 대단부의 도 1의 A-A 선을 따른 부분 종단면도,
도 3은 도 2에 비해 90°만큼 회전된 도 1의 B-B 선을 따른 머린 타입 커넥팅 로드 대단부의 부분 횡단면도를 피스톤과 함께 나타낸 도면,
도 4는 피스톤이 본 발명에 따라 커넥팅 로드에 지지되어 배치된 구동 기구의 조립 상태 사시도,
도 5는 피스톤 헤드로부터 피스톤 샤프트를 분리할 때에 피스톤 헤드, 즉 베어링 실드로부터 제거된 상태에 있는 커넥팅 로드 헤드, 즉 구형 캡 부분을 바라본 도 3에 따른 또 다른 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 볼/구형 캡 베어링 장치의 형상 맞춤 결합을 유지시키는 회전 방지 장치의 세부도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 커넥팅 로드
2 : 커넥팅 로드 헤드
3 : 피스톤
4 : 커넥팅 로드 샤프트
5 : 커넥팅 로드 풋
6a, 6b : 텐션 볼트 또는 팽창 볼트
7 : 커넥팅 로드 커버
8 : 커넥팅 로드 아이
9 : 축 방향 오일 구멍
10a, 10b : 베어링 셸
11 : 구형 캡 부분
12 : 외측 둘레
13 : 베어링 실드
14 : 구형 캡 중심 평면
15 : 피스톤 헤드
16a, 16 b : 평탄한 벽 섹션
17a, 17b : 리세스
18 : 구형 면
19 : 윤활제 저장 공간
20 : 피스톤 샤프트
21 : 나사
22 : 분배 시스템
23a, 23b : 회전 방지 요소
24 : 소형 나사
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 피스톤과 커넥팅 로드를 구비한 구동 기구에 관한 것이다.
대체로, 커넥팅 로드는 커넥팅 로드 샤프트와 피스톤 및 크랭크 축의 대응 크랭크 핀을 구동 장치에 연결시키는 2개의 단부측 베어링으로 이뤄진다. 일단부는 요동 이동을 행하고, 타단부는 크랭크 핀에 의해 크랭크 원으로 이동하여 소위 "커넥팅 로드 바이올린", 즉 커넥팅 로드의 바이올린형 이동 곡선을 형성한다.
즉, 예컨대 DE 35 05 964 C1로부터, 통상적인 바와 같이 커넥팅 헤드의 형태의 일단부측 베어링, 즉 상부 커넥팅 로드 아이(connecting rod eye), 커넥팅 로드 샤프트, 및 커넥팅 로드 베어링의 형태의 타단부측 베어링, 즉 하부 커넥팅 로드 아이를 포함하여 크랭크 기구의 선형 안내 부품, 즉 피스톤과 크랭크 축 사이의 결합 부재로서의 역할을 하는 커넥팅 로드를 구비한 구동 기구가 공지되어 있다. 분할된 커넥팅 로드 베어링, 즉 하부 커넥팅 로드 아이의 베어링 커버는 테를 두른 2개 이상의 팽창 볼트에 의해 커넥팅 로드 풋(connecting rod foot)에 결합된다. 커넥팅 로드 풋과 커넥팅 로드 커버에 의해 형성되는 커넥팅 로드 베어링에는 완전한 베어링 슬리브로 보완되어 크랭크 핀을 수납하도록 마련된 베어링 셸이 삽입되는데, 그러한 커넥팅 로드 베어링은 압력 변동 시에 순간적으로 작용하는 응력을 받게 되고, 그 때에 높은 베어링 부하가 주어진다.
피스톤의 조립 또는 인출 시에는 커넥팅 로드가 부분적으로 엔진 실린더를 통해 안내되어야 하기 때문에, 지금까지 적어도 크랭크 핀이 두꺼운 경우에는 통상적으로 하부 커넥팅 로드 아이를 분할하거나 커넥팅 로드 샤프트를 분할하는 것이 필요하였다.
피스톤은 가장 격심한 기계 부하 및 열 부하 하에서 작동된다. 그러면서도, 피스톤은 압력 에너지를 기계적 일로 변환시키는 것, 실린더 공간을 크랭크 하우징에 대한 밀봉시키는 것, 및 소위 통형 피스톤 엔진(trunk piston engine)에서 커넥팅 로드의 상단부를 선형으로 안내하는 것과 같은 다수의 임무를 다해야 한다. 지금까지는, 피스톤을 커넥팅 로드 헤드에 지지시키는 베어링 장치가 공지의 형식대로 피스톤과 커넥팅 로드 사이에 힘을 균등하게 전달하는 피스톤 로드 아이 내의 피스톤 볼트에 의해 구현되었다. 종래, 피스톤 볼트의 위치는 2개의 요건에 의해 결정되었다. 피스톤의 경사 이동을 피하기 위해, 그 무게 중심이 볼트의 축선 상에 놓여져야 한다. 다른 한편으로, 피스톤 볼트는 수직력이 균일하게 실린더 벽에 전달되도록 하기 위해 피스톤의 샤프트의 중심에 고정되어야 한다. 양자의 요건이 동시에 충족될 수 없기에, 지금까지는 피스톤 볼트를 샤프트 중심의 약간 위에 조립하였다.
공지되어 있는 바와 같이, 대형 피스톤은 2개 이상의 부분으로 이뤄진다. 즉, 예컨대 강 또는 주철로 이뤄진 피스톤 헤드가 예컨대 특수 주철 또는 알루미늄 합금으로 이뤄진 샤프트에 나사 결합된다.
또한, DE 100 46 214 C1로부터, 일체형 커넥팅 로드 샤프트(그것은 조립상의 이유로 분할된 커넥팅 로드 샤프트에 비해 중량 및 비용이 절감됨을 의미함)를 구비한 머린 타입 커넥팅 로드 대단부(marine-type connecting rod big end)의 형태의 커넥팅 로드가 사용되는 구동 기구가 공지되어 있는데, 그러한 커넥팅 로드는 크랭크 핀을 수납하는 커넥팅 로드 베어링의 특수한 구성을 동반하여 콤팩트한 구조 형식을 구현하고, 그에 입각하여 낮은 엔진 구조 높이를 가능하게 하는 동시에 엔진 실린더를 통해 피스톤을 인출하는 것을 현저히 용이하게 해준다.
그와 더불어, 이제는 지금까지 피스톤과 커넥팅 로드 사이에 힘을 균등하게 전달하는 피스톤 볼트 및 커넥팅 로드 아이에 의해 구현되었던, 커넥팅 로드 헤드에 피스톤을 지지시키는 베어링 장치를 최적화시키고, 특히 그러한 피스톤/커넥팅 로드간의 결합을 콤팩트하게 구성하고, 피스톤의 조립마저도 보다 더 간단하게 만드는 것까지 요구되고 있다.
그로부터 출발된 본 발명의 목적은 종래의 모든 기능을 모두 그대로 유지하면서도 커넥팅 로드 헤드에 피스톤을 지지시키는 베어링 장치가 개선되고, 특히 복잡한 공구가 없이도 피스톤의 조립/분해가 가능하게 되고, 그러면서도 커넥팅 로드의 현저한 재료 절감이 허용되어 제조비용이 감소되도록 전제된 구성의 구동 기구를 개량하는 것이다.
그러한 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징부에 특징져진 특징에 의해 달성되게 된다.
본 발명에 따른 볼/구형 캡(ball-/calotte) 베어링 장치에 의해, 선행 기술에서 통상적이었던 피스톤과 커넥팅 로드 결합용 피스톤 볼트가 대용품을 필요로 함이 없이 생략되고, 그럼으로써 진동하는 질량이 괄목하게 줄어들게 된다.
회전 방지 장치를 푼 상태에서 피스톤을 그 축선을 중심으로 회전시키면 형상 맞춤 결합(form-locking connection)의 해제가 가능하게 되도록 함으로써, 즉 피스톤이 커넥팅 로드를 동반함이 없이 엔진 블록으로부터 인출될 수 있도록 함으로써, DE 100 46 214 C1에 따른 커넥팅 로드 베어링의 특수한 구성에 손댈 필요가 없이 커넥팅 로드 샤프트를 분할하는 것도 역시 생략될 수 있고, 그에 따라 추가의 중량 및 비용 절감의 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 동적 하중을 보다 더 작게 만들 수 있게 된다.
이하, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
커넥팅 로드(1)는 도 2에 따라 피스톤(3)을 수납하는 분할되지 않은 커넥팅 로드 헤드(2), 이 커넥팅 로드 헤드(2)에 연결된 분할되지 않은 커넥팅 로드 샤프트(4), 및 도 4 및 도 5에 따라 커넥팅 로드 샤프트(4)에 연결된 커넥팅 로드 풋(5)으로 이뤄지는데, 커넥팅 로드 풋(5)은 다수의 텐션 볼트 또는 팽창 볼트(6a, 6b)에 의해 그에 고정되는 커넥팅 로드 커버(7)와 함께 커넥팅 로드 베어링 또는 하부 커넥팅 로드 아이(8)를 형성한다. 커넥팅 로드 헤드(2)의 윤활을 위해서나 피스톤의 냉각을 위해, 커넥팅 로드 샤프트(4)는 공지된 바와 같이 오일 안내를 위해 종 방향으로 관통 천공된다. 즉, 축 방향 오일 구멍(9)이 커넥팅 로드 헤드(2)에 있는 분배 시스템(22)으로 통해져 있다.
커넥팅 로드 베어링의 커넥팅 로드 아이(8)(도 4 및 도 5를 참조)에는 완전한 베어링 슬리브로 보완되는 베어링 셸(10a, 10b)이 장착되는데, 그 베어링 셸(10a, 10b)은 통상적으로 잔여 틈새를 남겨 둔 채로 여기서 도시가 생략된 크랭크 핀을 둘러싼다.
커넥팅 로드 헤드(2)에 피스톤(3)을 지지시키는 베어링 장치는 그 외측 둘레(12)에 부분 구형 표면 상에 배치된 베어링 면을 구비하는 구형 캡 부분(11)을 포함한다. 그러한 베어링 면의 구형 표면 구역과 대향된 측에는 환형 및 상응하는 구형으로 형성된 베어링 실드(13)의 형태의 베어링 수납부 또는 지지부가 마련되어 구형 캡 부분(11)이 그 구형 캡 중심점을 기점으로 하여 베어링 실드(13)에 대해 또는 지지부에 대해 선회될 수 있게 베어링 수납부에 유지되게 된다. 도 2에서 또한 잘 알 수 있는 바와 같이, 구형 캡 부분(11)은 그 외측 둘레(12)에 부분 구형 표면 상에 배치되어 구형 캡 중심 평면(14)의 양측으로 연장되는 베어링 면을 구비한다. 구형 캡 중심 평면(14)은 구형 캡 부분(11)이 대략 그 최대 직경을 갖는 지점에 있는 사면을 통해 연장된다.
첨부 도면에 도시된 바람직한 구성에서는 커넥팅 로드 헤드(2)가 구형 캡 부분(11)으로서, 그리고 피스톤 헤드(15)가 베어링 실드의 형태의 베어링 수납부를 구비한 지지부(13)로서 각각 형성되지만, 그와 반대로 형성되는 것도 역시 생각해 볼 수 있다.
본 실시예(특히, 도 2를 참조)에는 피스톤 상부, 즉 피스톤 헤드(15)와 피스톤 하부, 즉 피스톤 샤프트(20)로 이뤄진 2부품 피스톤이 사용된다. 공지된 바와 같이 피스톤 캡, 피스톤 슈라우드, 및 피스톤 하부로 이뤄진 3부품으로 조립되는 피스톤도 마찬가지로 사용될 수 있다. 피스톤 헤드(15)와 피스톤 샤프트(20)는 다수의 적절한 나사(21)에 의해 서로 결합될 수 있다.
피스톤(3)의 하부(20)는 대략 반구형 셸로서의 구형 캡 부분(11)의 하부를 포함한다. 4행정의 점화 상사점과 오버랩 상사점 사이의 교대 시(본 상태에서는 모든 밸브가 개방됨)에는 피스톤에 기인하는 관성력 및 점화력이 피스톤 하부(20) 아니면 피스톤 헤드(15)에 지지되고, 그에 따라 본 발명에 따른 베어링 장치에서 피스톤 볼트(이제는 없어진)의 종래의 기능이 완벽하게 펼쳐지게 된다.
즉, 한편으로 커넥팅 로드, 특히 일체형 머린 타입 커넥팅 로드 대단부의 콤팩트한 구조가 주어지면서, 아울러 다른 한편으로 구형 캡 부분도 그 둘레에서 균일하게 베어링 실드에 맞대어 지지되게 된다.
본 발명에 따르면, 형상 맞춤 결합을 유지시키도록 볼/구형 캡 베어링 장치(11, 13)는 분리가 가능한 회전 방지 장치를 포함하는데, 그 회전 방지 장치는 동시에 풀려진 상태에서 피스톤(3)을 회전시키는 것에 의한 형상 맞춤 결합의 해제를 허용한다.
특히, 도 1(모든 도면에서는 상응하는 도면 부호가 유지됨)에서 알 수 있는 바와 같이, 피스톤(3)[본 경우에는 피스톤 하부(20)]은 커넥팅 로드 헤드(2)를 수납하는 내부 공간에, 즉 베어링 수납부(13)에 둘레 방향으로 2개 이상의 리세스, 바람직하게는 직경상으로 대향된 2개 이상의 리세스(17a, 17b)를 구비하는데, 그 리세스(17a, 17b)는 소형 나사(24)에 의해 피스톤에, 즉 피스톤 하부(20)에 고정되는 각각의 회전 방지 요소(도 6을 아울러 참조)로써 채워진다.
구형 캡 부분(11), 즉 구형 커넥팅 로드 헤드(2)는 리세스(17a, 17b)에 대응하여 평탄하게 된 벽 섹션(16a, 16b)을 구비하는데, 그 벽 섹션(16a, 16b)은 조립된 상태에서 회전 방지 요소(23a, 23b)에 지지되어 커넥팅 로드 헤드(2)에 대한 피스톤(3)의 상대 회전을 확실하게 방지한다.
도 6에는 리세스(17a, 17b)의 영역에서 그 리세스(17a, 17b)를 채울 수 있도록 각각 3개의 나사(24)에 의해 피스톤(3)에 고정될 수 있거나 피스톤(3)을 돌려 빼내도록 분리될 수 있는 2개의 회전 방지 요소(23a, 23b)가 다시 한번 세부도로 도시되어 있다.
즉, 본 발명의 본질은 구형 외면(12)을 구비하고 윤활제로 흠뻑 적셔지는 그 베어링체(11)가 베어링 실드(13)의 항아리(trough)형 리세스 내에 위치된 채로 그것을 축 방향으로 지지하는 역할을 하는 환형 면 또는 부분 구형 면에 맞대어 수납되는 볼/구형 캡 베어링 장치(11, 13)에 있는데, 회전 방지 요소(23a, 23b)를 제거하고 나서 피스톤(3)을 커넥팅 로드(1)에 대해 90°[2개의 리세스(17a, 17b)가 직경상으로 대향된 경우, 도 1을 참조]만큼 상대 회전시켜 커넥팅 로드 헤드(2)의 구형 표면을 리세스(17a, 17b)로 안내하고 커넥팅 로드 헤드(2)의 평탄한 벽 섹션(16a, 16b)을 베어링 실드(13)의 구형 면에 대향시킴으로써 커넥팅 로드(1)와 피스톤(3)의 분리가 간단하게 이뤄질 수 있고, 그에 따라 볼/구형 캡 베어링 장치(11, 13)의 형상 맞춤 결합이 해제되어 피스톤(3)이 커넥팅 로드 헤드(2)로부터 간단하게 제거될 수 있게 된다.
전술된 볼/구형 캡 베어링 장치(11, 13)의 확실한 지속적 윤활을 보장하기 위해, 베어링체(11)를 축 방향으로 지지하는 역할을 하는 구형 면(18)의 전방으로 베어링 실드(13)의 단부측에 윤활제 저장 공간(19)이 마련되는데, 그 윤활제 저장 공간(19)의 엔진 측에 대한 밀봉은 통상적인 형식으로 보장되게 된다.
본 발명에 따른 피스톤과 커넥팅 로드를 구비한 내연 엔진 구동 기구에서는 볼/구형 캡 베어링 장치에 의해, 선행 기술에서 통상적이었던 피스톤과 커넥팅 로드 결합용 피스톤 볼트가 대용품을 필요로 함이 없이 생략되고, 그럼으로써 진동하는 질량이 괄목하게 줄어들게 된다. 또한, 회전 방지 장치를 푼 상태에서 피스톤을 그 축선을 중심으로 회전시키면 형상 맞춤 결합의 해제가 가능하게 됨으로써, 즉 피스톤이 커넥팅 로드를 동반함이 없이 엔진 블록으로부터 인출될 수 있음으로써, 커넥팅 로드 베어링의 특수한 구성에 의존할 필요가 없이 커넥팅 로드 샤프트를 분할하는 것도 역시 생략될 수 있고, 그에 따라 추가의 중량 및 비용 절감의 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 동적 하중을 보다 더 작게 만들 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 피스톤(3)과 커넥팅 로드(1)를 구비한 내연 엔진 구동 기구에 있어서,
    커넥팅 로드(1)가 2개의 단부측 베어링 장치에 의해 일측에서는 커넥팅 로드 헤드(2)에 피스톤(3)을, 그리고 타측에서는 커넥팅 로드 아이(8)를 형성하여 크랭크 축의 대응 크랭크 핀을 둘러싸면서 커넥팅 로드 아이(8)와 크랭크 핀을 각각 서로 결합시키고,
    피스톤(3)을 커넥팅 로드 헤드(2)에 결합시키는 베어링 장치는, 한편으로 구형 캡 부분(11)이 윤활제로 적셔지는 베어링 면으로서의 구형 외면(12)을 구비하고 다른 한편으로 축 방향 지지를 위한 베어링 면으로서의 상응하게 구형으로 형성된 항아리형 베어링 실드(13)에 의해 둘러싸이는 형식으로 형상 맞춤 결합(form-locking connection)을 형성하면서 볼/구형 캡 베어링 장치(11, 13)로서 형성되며, 형상 맞춤 결합을 유지시키도록 그 볼/구형 캡 베어링 장치(11, 13)는 풀려진 상태에서 피스톤(3)을 그 축선을 중심으로 하여 회전시킴으로써 형상 맞춤 결합의 해제를 가능하게 하는 분리가 가능한 회전 방지 장치(16a, 16b; 17a, 17b; 23a, 23b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 엔진 구동 기구.
  2. 제1항에 있어서, 커넥팅 로드 헤드(2)는 구형 캡 부분(11)으로서 형성되고, 피스톤(3)의 피스톤 헤드(15)는 구형 캡 부분(11)을 수납하는 베어링 실드(13)의 형태의 베어링 수납부로서 형성되는 것을 특징으로 하는 내연 엔진 구동 기구.
  3. 제2항에 있어서, 상기 회전 방지 장치를 형성하도록, 상기 피스톤(3)이 베어링 수납부(13)에 둘레 방향으로 2개 이상의 리세스(17a, 17b)를 구비하고, 이 리세스(17a, 17b)가 각각의 회전 방지 요소(23a, 23b)로써 채워지고, 구형 캡 부분(11)은 리세스(17a, 17b)에 대응하여 평탄하게 된 벽 섹션(16a, 16b)을 구비하고, 이 벽 섹션(16a, 16b)이 조립된 상태에서 회전 방지 요소(23a, 23b)에 지지되는 것을 특징으로 하는 내연 엔진 구동 기구.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 볼/구형 캡 베어링 장치(11, 13)의 지속적 윤활을 위해, 커넥팅 로드 샤프트는 오일 구멍(9)을 구비하고, 그 오일 구멍(9)은 구형 캡 부분(11)을 축 방향으로 지지하는 역할을 하는 구형 면(18)의 전방으로 베어링 실드(13)의 단부측에 마련된 윤활제 저장 공간(19)과 연통되는 것을 특징으로 하는 내연 엔진 구동 기구.
KR1020040096259A 2003-12-02 2004-11-23 피스톤과 커넥팅 로드를 구비한 내연 엔진 구동 기구 KR101027460B1 (ko)

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