KR101261302B1 - 단일 편으로 주조된 스틸 모노블록 피스톤 - Google Patents

Abstract

디젤기관에 사용되는 피스톤은 단일 편의 스틸로 전체적으로 주조된 피스톤 바디를 구비하고 있고, 연소 보울, 링 벨트 및 오일 냉각 갤러리를 구비한 피스톤 헤드를 포함하고 있다. 한 쌍의 핀 보스 및 피스톤 스커트는 동일한 스틸 재료로부터 피스톤 헤드를 구비한 단일 편으로 주조된다.

모노블록 피스톤, 연소 보울, 피스톤 스커트, 오일 갤러리

Description

단일 편으로 주조된 스틸 모노블록 피스톤{ONE PIECE CAST STEEL MONOBLOC PISTON}

본 발명은 일반적으로 디젤 엔진용 중하중 피스톤(heavy duty piston), 특히 피스톤 헤드에서 오일 냉각 갤러리 및 일체형 스커트를 구비하여 제조되는 모노블록(monobloc) 피스톤과 관련된 발명이다.

중하중 피스톤 분야 용으로 관련 산업에서 알려져 있는 모노블록 피스톤은 특징적으로, 리세스(recess) 연소 보울 영역을 둘러싸고 있는 외부 링 벨트 영역; 및 링 벨트와 연소 보울 사이에 환형 오일 냉각 갤러리;로 형성되는 상부 피스톤 헤드 부분을 포함한다. 환형 오일 냉각 갤러리에는, 구동 중에 피스톤 상부를 냉각시키기 위하여 냉각 오일이 공급된다. 이러한 피스톤은 한 쌍의 횡으로 이격된 핀 보스로 더 형성되어 있으며, 상기 핀 보스는, 피스톤을 커넥팅 로드에 결합하기 위하여 피스톤 핀(wrist pin)을 수용하기 위한 정렬된 보어를 특색으로 한다. 핀 보스는 헤드 아래의 피스톤 하부에서 제공된다. 모노블록 피스톤은, 핀 보스에 대하여 움직일 수 없도록 핀 보스와 함께 단일 편으로 형성되어 있는 피스톤 스커트 영역을 더 포함한다. 이는, 스커트가 별도로 형성되고 분절 운동(articulated movement)을 위하여 피스톤 핀을 통하여 핀 보스에 결합되는 분절식 피스 톤(articulated style piston)과는 반대된다.

종래, 모노블록 피스톤은, 알루미늄이나 주철의 단일 편 주조; 또는 주조 및/또는 단조된 후에 나사체결, 납땜 또는 용접을 포함하는 다양한 방법을 통하여 단일 편으로 결합된 구조를 만들기 위하여 결합되는 철이나 스틸을 포함한 다양한 재료로부터의 2 이상의 편 구성;으로서 만들어진다. 다양한 통로 및 리세스, 특히 냉각 갤러리 영역이 복잡함에 따라 재료 선택은 알루미늄이나 주철로 제한된다. 다수의 편이 결합된 구성에 의하면, 개별적으로 제작된 후 그 부분들을 서로 통합하기 위하여 결합될 수 있는 별도의 부분들로 피스톤 구성을 분할할 수 있다는 장점이 있다. 다수의 부분으로 구성되는 전형적인 모노블록 피스톤은 오일 냉각 챔버를 통과하는 분할선을 가로질러 분리된다. 이러한 방식에서, 냉각 챔버 일부분은 상부 헤드, 즉 "상부 크라운" 부분에 형성되어 있고, 냉각 챔버의 나머지 부분은 하부 핀 보스, 즉 "하부 크라운" 부분에 형성되어 있다. 상부 크라운은 대체로 스틸이나 주철로 단조 또는 주조되어, 때때로 알루미늄으로 단조되거나 주철인 하부 크라운에 분할선을 가로질러 결합된다. 스틸은 철보다 더 높은 탄성계수를 가지고 있으므로, 연소 열과 연소 사이클 하중이 가해지는 상부 크라운 부분에서 사용하기에 유리하다. 하부 크라운은 상부 크라운에서 만큼의 열과 하중에 노출되지 않기 때문에 주철 이외의 재료로 하부 크라운을 제작하는 것은 거의 이점이 없다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성된 피스톤의 부분적으로 파단된 사시도이다.

도 2는 다른 각도에서 부분적으로 파단된 다른 각도에서 바라본 도 1의 피스톤의 사시도이다.

도 3은 다른 각도에서 바라본 도 1의 피스톤의 사시도이다.

도 4는 피스톤의 평면도이다.

도 5는 도 4의 선(5-5)을 따라 취해진 전단면도이다.

도 6은 도 5의 선(6-6)을 따라 취해진 전단면도이다.

도 7은 도 4의 선(7-7)을 따라 취해진 전단면도이다.

본 발명의 특성 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명에 의하여 용이하게 이해될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 제작된 피스톤이 도면에서 도면부호 10으로 도시되어 있다. 피스톤은 모노블록 구조로 되어 있으며 완전히 단일 편인 스틸, 바람직하게는 SAE 4140H 스틸로 주조되어 있다. 피스톤은 대체로 평면인 상부 벽(14)으로 형성되어 있는 상부 헤드부(12)를 구비하고 있고, 또한 피스톤은 연소 보울(16)을 포함하는데, 연소 보울(16)은 상부 벽 안으로 오목하게 파여 있고(recessed) 또한 연소 보울(16)에 오목 또는 수직의 구조를 제공하기 위하여 연소 보울(16)의 상부 립(22)의 반경방향 외측으로 뻗어있는 언더컷(undercut) 코너 영역(20)을 포함하는 볼록한 표면의 연소 보울 벽(18)에 의해 한정된다. 언더컷 영역(20)의 내측으로, 연소 보울 벽(18)은 돔(dome) 형상이고, 돔 형상의 벽(18)의 중앙은 언더컷 영역(20) 위로 상부 벽(14)을 향하여 돌출되지만 립(22) 아래에서 끝난다.

헤드부(12)는 외측 환형 링 벨트 벽(24)을 더 포함하는데, 외측 환형 링 벨트 벽(24)은 상부 벽(14)으로부터 하향 돌출되고, 링 벨트로 주조된 후에 기계가공되거나 주조된 후에 전체적으로 기계가공 함으로써 형성되는 복수의 링 그루브(26)로 형성되어 있다. 링 그루브(26)는, 종래 기술과 같이, 상응하는 복수의 피스톤 링(도면에 미 도시)을 수용한다.

헤드 피스톤(12)은 링 벨트(24)의 안쪽으로 연소 보울(16) 아래에 애즈 캐스트(as-cast)된 오일 냉각 갤러리(28)로 형성되어 있다. 오일 냉각 갤러리(28)는 링 벨트(24)에 의해 한정된 외측 환형 벽, 및 연소 보울 벽(18)의 언더컷 영역(20)에 의해 한정된 상부 벽을 구비하고 있다. 갤러리(28)의 내부 환형 벽(30)은 링 벨트(24)의 반경방향 안쪽으로 이격되어 있고, 언더컷 영역(20)의 반경방향 안쪽으로의 위치에서 연소 보울 벽(18)으로부터 아래쪽으로 뻗어있다. 링 벨트(24)는 내부 환형 벽(30) 보다 상대적으로 두껍고, 차례로 내부 환형 벽은 연소 보울(18) 보다 상대적으로 두껍다.

오일 냉각 갤러리(28)는, 오일 냉각 갤러리(28)를 바닥에 폐쇄하기 위하여 링 벨트(24)와 내부 환형 벽(30) 사이에 뻗어있는 플로어(floor), 즉 바닥 벽(32)을 포함한다. 이는 상세하게 후술하는 바와 같이, 피스톤 냉각 효율과 구성을 향상시킨다.

피스톤은, 헤드부(12)와 단일 편으로 주조되어 있고 헤드부의 바닥 벽(32)으로부터 하향 돌출된 한 쌍의 측방향으로 이격된 핀 보스(34)를 포함하고 있다. 핀 보스(34)는, 일반적인 방법으로 피스톤(10)을 커넥팅 로드(도면에 미 도시)와 결합 시키기 위해 피스톤 핀(도면에 미 도시)을 수용하기 위하여, 핀 축선(38)을 따라 정렬된 핀 보어(36) 세트와 함께 주조된다.

피스톤(10)은 헤드부(12)와 핀 보스(34)와 함께 단일 편으로 주조되는 피스톤 스커트(40)로 더 형성되어 있다. 상기 스커트(40)는 링 벨트(24)와 핀 보스(34) 모두에 연결되어 있고, 그렇지 않다면 지지되지 않았을 것이다. 스커트(40)는, 각각의 핀 보스(34)의 측방향으로 반대편 측면 상에서 스커트(40) 내부로 주조된 개구, 즉 윈도우(42) 세트로 형성되어 있으며, 총 4개 또는 그 이하의 윈도우(42)를 구성한다. 윈도우(42)는 재료의 질량을 절감하여, 스커트가 불필요한 영역에서 피스톤의 전체 무게를 줄인다.

다시, 오일 냉각 갤러리(28)를 살펴보면, 상대적으로 얇은 단면의 내부 환형 벽(30)과 연소 보울 벽(18)의 언더컷 영역(20)은 강화 리브(44)와 함께 형성되어 있어서, 국부적으로 두꺼운 벽 영역을 제공함으로써, 피스톤 무게를 전체적으로 감소시키기 위하여 인접한 리브가 없는 영역에 벽 두께를 최소화하는 동시에, 연소력을 견뎌내기 위하여 벽 부분의 구조적 강성을 증가시키게 된다. 리브(44)는 링 벨트(24)의 뒤에서 오일 갤러리(28) 내부의 일부로만 뻗어있고, 따라서 갤러리가 개방되어 원주방향으로 연속된 상태를 유지하도록 원주방향으로 갤러리를 폐쇄하지 않는다. 리브(44)의 사이즈는 다양하게 변하며, 리브 중 가장 두꺼운 것은 핀 축선(38)과 정렬하여 핀 보스(34) 위에 놓여있다.

리브(46)는 또한 내부 벽(30)의 반경방향 안쪽으로 연소 보울 벽(18)의 하측면 상에 구비되어, 돔 영역에서 연소 보울 벽(18)의 얇은 벽 구조를 강화시킨다.

핀 보스(34)에는, 도 1 또는 도 5에 도시된 것과 같이, 오일 냉각 갤러리(28)의 연장으로서 바닥 벽(32) 아래로 뻗어있는 대체로 안장 형상의 챔버를 형성하는 포켓, 즉 중공 영역(48)이 형성되어 있는데, 이는 재료의 질량을 줄이고 냉각 오일이 오일 냉각 갤러리(28)로부터 핀 보스(34)의 중공 영역(48)으로 흘러들어가도록 하기 위함이다. 즉, 중공영역(48)은 오일 갤러리(28)의 아래쪽 방향에 존재하는 핀보스(34)의 내부에 공동(capacity)으로 형성된 영역으로, 도 1에 도시된 것과 같이 오일 갤러리(28)의 하측에 바로 위치되어 있다. 중공 영역(48)은 핀 보어(36)의 일측 상에서 핀 보스(34) 내부로 아래 방향으로 뻗어서 핀 축선(38)에 못 미쳐 마무리된다. 바닥 벽(32)이 중공 영역 범위(48)에서는 존재하지 않으므로 오일 냉각 갤러리(28)와 곧바로 개방되어 연통된 상태가 된다.

핀 보스(34) 사이의 영역에서, 바람직하게 바닥 벽(32)은 적어도 하나의, 바람직하게는 복수의 개구부(50)로 형성되어 있다. 개구부(50)에 의하여, 오일 냉각 갤러리 및 다양한 관련된 중공 영역 및 갤러리 내부의 리브가, 주조 후에 개구부(50)를 통하여 완전히 제거될 수 있는 주조 코어에 의하여 주조 중에 형성된다. 또한, 개구부(50)에 의하여 피스톤(10)의 전체 질량이 감소된다. 도시된 바와 같이, 본 발명에서 필요하다면 개구부 세트의 하나 또는 양쪽 모두에서 브리지(52)를 제거하고자 하더라도, 이러한 개구부는 네 개가 있는 것이 바람직하며, 각각의 개구부 쌍은 바닥 벽(32)의 개재 리지부(intervening ridge section)에 의해 분할되어 있다. 또한, 개구부(50)는, 작동 중에 냉각 오일을 피스톤으로 공급하기 위하여 오일 냉각 갤러리(28)에 접근할 수 있도록 하고, 적어도 부분적으로 갤러리로부터 오일이 빠져나갈 수 있도록 하는 기능을 한다. 또한, 중공 영역(48)은, 피스톤 핀과 커넥팅 로드 인터페이스와의 윤활을 높이기 위해서 핀 보스(34)의 내면 및/또는 핀 보어(36)에 윤활을 제공하기 위한 오일 이탈 구멍(도면에 미 도시)을 포함할 수 있다.

피스톤은 바람직하게 SAE 4140H 스틸로부터 주조된다. 특정한 가공에 한정되는 것은 아니지만, 피스톤은 슬로우필 카운터 그래비티(slow-fill counter gravity) 주조 기술을 사용하여 주조될 수 있다. 상기 기술은, 주조 결과에서 허용할 수 없는 정도의 미소기공 및 응고 결함을 형성하지 않고서, 도면에 도시된 피스톤(10)과 같이 복잡한 구성을 하고 있는 복잡한 얇은 벽부로 구획된 부분에서 스틸이 주조될 수 있게 하며, 이러한 기술이 아니라면 개재물(inclusions), 응고, 수축 및 미소기공이 발생하기 쉬울 것이다.

전술한 내용에 비추어 볼 때 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것이 명백하다. 그러므로, 특허청구범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 전술한 실시예와 다르게 본 발명이 실시될 수 있음이 당연하다.

Claims (17)

1. 연소 보울, 환형 링 벨트 및 환형 오일 갤러리를 구비하고 있는 피스톤 헤드;

   정렬된 핀 보어를 구비하고 있으며 상기 피스톤 헤드로부터 연결되는 한 쌍의 핀 보스;

   피스톤 스커트;를 포함하고,

   상기 피스톤 헤드, 상기 핀 보스 및 상기 피스톤 스커트가 스틸로부터 단일 편으로 주조되고,

   상기 오일 갤러리로 돌출되는 복수의 원주방향으로 이격된 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
2. 제 1 항에 있어서, 오일 갤러리 플로어를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 오일 갤러리 플로어는 상기 스틸로부터 단일 편으로 주조되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 오일 갤러리 플로어에 주조된 적어도 하나의 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 피스톤 헤드는 연소 보울 벽을 포함하고,

   상기 리브는 상기 오일 갤러리 내부에서 상기 연소 보울 벽의 하측 면을 따라 뻗어있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 환형 링 벨트의 반경방향 내측으로 이격되어 있는 내부 환형 벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 리브가 상기 내부 환형 벽을 따라 상기 연소 보울 벽의 상기 하측 면으로부터 뻗어있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 내부 환형 벽의 반경방향 내측으로 상기 연소 보울 벽의 하측 면을 따라 뻗어있는 복수의 리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
10. 제 2 항에 있어서, 상기 핀 보스가 상기 오일 갤러리와 연통하는 중공 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 중공 영역은 안장 형상이고, 상기 중공 영역은 각각의 핀 보스에 형성되어 있는 핀 보어의 일측상에서 상기 핀 보스 내부로 상기 오일 갤러리 플로어 아래로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
12. 제 8 항에 있어서, 상기 내부 환형 벽의 전단면은 상기 링 벨트의 전단면보다 얇은 것을 특징으로 하는 피스톤.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 내부 환형 벽의 전단면은 상기 연소 보울 벽의 전단면보다 상대적으로 두꺼운 것을 특징으로 하는 피스톤.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 피스톤 스커트에 주조되어 있는 적어도 하나의 윈도우를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 윈도우를 네 개 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 리브는 반경방향 두께가 가변하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 리브 중 가장 두꺼운 것은 상기 핀 보스에 주조되어 있는 보어 세트의 공통 축선을 포함하는 평면에 놓여 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.

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