KR101369037B1

KR101369037B1 - 내연 기관의 피스톤용 피스톤 핀 베어링

Info

Publication number: KR101369037B1
Application number: KR1020067017062A
Authority: KR
Inventors: 볼프강 이쓸러; 귄터 추크쉬베르트
Original assignee: 말레 게엠베하
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2014-02-28
Also published as: DE102004008097A1; BRPI0507779A; US20070204746A1; CN1922421A; KR20060123586A; EP1716355A1; DE502005001020D1; EP1716355B1; JP2007523300A; US7647863B2; CN100445608C; WO2005078321A1; JP5294561B2

Abstract

본 발명은 원통형 피스톤 핀(8)이 지지되는 내연 기관 피스톤용 피스톤 핀 베어링에 관한 것이다. 피스톤에서의 기계적 응력의 현저한 감소 및 이로서 피스톤 수명의 연장을 달성하기 위해, 종래 기술에 비해 개선된 허브 보어 형상이 제공하는 것이 본 발명의 목적이다. 또한 이런 형상을 통해 피스톤 핀 베어링에서의 소음 발생이 방지되어야 한다. 본 발명의 목적은, 허브 최고점에서 진행하는 심한 타원형 외측면의 외측선(3)이 피스톤측에서 방사상 외측에서부터 방사상 내측으로 허브축(x)에 대해 특정한 각도(α)로 경사지게 진행하므로, 그 타원 직경을 통해 정의된 최대 난형성이 각각 허브 보어(2)의 내측 단부에서 형성되며 타원 직경의 설정된 값을 초과하지 않도록 함으로써 달성된다.

Description

내연 기관의 피스톤용 피스톤 핀 베어링{PISTON PIN BEARING FOR PISTONS OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 피스톤 핀이 지지되는 허브 보어를 구비하는 내연 기관 피스톤용 피스톤 핀 베어링에 관한 것이다.

내연 기관용 피스톤의 허브 보어가 부하 및 변형을 견딜 수 있게 형성하는 것과 관련된 내용은 예를 들어 독일 특허 DE 21 52 462 B2, DE 41 41 279 A1 및 DE 30 36 062 C2에 공개되어 있다. 이러한 특허에 명시된 허브의 형상은, 피스톤 헤드에 작용하는 가스 압력이 핀 허브를 통해 피스톤 핀에 전달되며, 이로써 피스톤 핀이 커넥팅 로드에서의 그 회전 동작으로 인해 주기적으로 휘어진다는 일반적인 지식에 근거한다. 일반적인 가정에 따르면 이로 인하여 허브 보어가 특히 허브 보어의 최고점 및 최저점에서 수평면에서 뿐만 아니라 수직면에서도 인장력, 압력 및 휨력과 같은 부하를 받는다. 이러한 변형을 보상하기 위해, 독일 특허 DE 21 52 462 B2에서는 허브 형상을 제안하는데, 이런 허브 형상에서는 허브 보어의 외측선이 벤딩되고, 허브 보어의 축이 피스톤 중앙 방향으로 약간 휘어지게 진행하며 보어의 횡단면이 타원형으로 형성되어 있고, 타원의 장반경이 피스톤의 종축에 대해 평행하게 진행한다.

독일 특허 DE 30 36 062 C2에서는, 허브 보어가 횡단면에서 타원형으로 형성되어 있고 타원의 장반경이 피스톤의 종축에 대해 평행하게 진행하는 것을 제안한다. 추가적으로 피스톤의 종축에서부터 이격된 허브 보어 측면이 더 큰 난형도를 가지며 피스톤 종축에 인접한 측면이 더 작은 난형도를 갖는다. 다른 실시에서는 외측선이 보어의 정점에서 경사지게 실시된다.

하지만 전술한 모든 형상에서는, 증가하는 점화 압력으로 인한 피스톤의 부하 증가 시 보울 가장자리 및 보울 바닥의 구역에서 수백 시간의 가동 시간 후에 균열이 발생할 수 있으며, 그 원인으로는 피스톤 핀 및 피스톤의 변형 및 그로 인한 취약 위치에서의 응력을 들 수 있다. 변형을 위한 더 넓은 공간이 피스톤 핀에 제공되도록 하기 위해, 독일 특허 DE 16 50 206 A1에서는 타원형의 허브 보어를 제안하는데, 이런 허브 보어에서는 타원의 큰 축이 피스톤의 종축에 대해 횡방향으로 진행한다. 이로써 피스톤 핀과 허브 보어 사이에서 점착 마멸과 소음 발생을 동시에 억제한다.

독일 특허 DE 102 22 463 A1에서는 평분선-최고점-평분선-허브 구역에서만 일측면에 고도의 난형성을 갖는 허브 보어가 공개되어 있는데, 이런 허브 보어에서는 허브 보어의 최고점에 있는 타원의 외측선이 허브 보어축에 대해 평행하게 진행한다. 이를 통하여, 피스톤축 외부에 있는 구역, 즉 허브 보어의 측면 구역에 더 큰 부하가 가해지는 것이 달성된다. 그 결과, 핀 축에 대한 확장된 레버 아암으로 인해 핀 축을 중심으로 하는 피스톤의 휨을 감소시키는 더 큰 토크가 나타난다. 하지만 실질적으로 핀 축을 중심으로 한 피스톤의 휨이 감소하기는 하지만 만족할 만한 정도는 아니다.

본 발명의 목적은, 종래 기술에 비해 개선된 피스톤 핀 베어링용 허브 보어 형상을 제공하는 것으로서, 이런 허브 보어 형상은 피스톤에서의 기계적 응력을 현저하게 감소시키며 또한 이로써 피스톤 수명을 연장시킨다. 또한 이러한 형상을 통해 피스톤 핀 베어링에서의 소음 발생이 억제된다.

본 발명의 목적은 청구항 1의 특징을 통해 달성된다.

한편으로는, 바람직하게도 단지 평분선-최고점-평분선-허브 구역에서만 실시된 일측면에서의 고도의 난형성을 통하여, 고 타원형 보어의 본 발명에 따른 실시에서 피스톤 축 외부에 존재하는 구역, 즉 허브 보어의 측면 구역이 더 강하게 부하되는 것이 달성된다. 이로써, 핀 축에 대한 확장된 레버 아암으로 인해 더 큰 토크가 나타난다. 다른 한편으로는, 독일 특허 DE 102 22 463 A1에 비하여 이런 효과가 특히 다음을 통해 더욱 개선된다. 허브 최고점에서 진행하는 고 타원형 외측면의 외측선이 피스톤측에서 방사상 외측에서부터 방사상 내측으로 허브축에 대해 특정한 각도로 경사지게 진행하므로, 그 타원 직경을 통해 정의된 최대 난형성이 각각 허브 보어의 내측 단부에서 형성되며 타원 직경의 설정된 값을 초과하지 않는다. 이로써 종래 기술에 비하여 보울 가장자리 및 연소 보울의 보울 바닥에서 더 약한 접선 응력이 나타난다.

다른 한편으로는, 허브 보어의 최저점에 존재하는 실린더의 외측선이 더 이상 허브 보어축에 대해 평행하게 진행하지 않으며, 바람직하게도 단지 평분선-최저점-평분선-허브 구역에서만 실시된 일측면에서의 원통형 형상으로 인하여, 허브 상단면에서 허브 하단면으로의 피스톤 핀의 정지 위치 변경 시 피스톤 핀과 허브 사이의 공차가 더욱 감소된다.

바람직한 다른 형태는 종속항에 기술된다.

본 발명은 하기 실시예를 통해 상세히 설명된다. 도면은 다음과 같다:

도 1은 피스톤에 대한 부분 종단면도이다.

도 2는 라인 AA를 따라 절개한 허브 보어의 횡단면도이다.

도 3은 도 1에 따른 허브 보어의 상세도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 피스톤(1)은 원통형 피스톤 핀(도시하지 않음)이 지지되는 하단 허브 구역(2.2) 및 상단 허브 구역(2.1)을 갖는 허브 보어(hub bore)(2)를 포함한다. 허브 보어의 피스톤 측 방사상 외측 단부에는 핀 고정홈(8) 및 오일 그루브(9)가 배치되며, 오일 그루브는 허브 보어의 둘레를 순환하거나 또는 부분적으로 순환하도록 실시될 수 있다. 도 1 및 도 2에서는 상단 허브 구역이 가스 압력측에 배치되며, 여기에서 도면 부호 5로 표시된 허브 보어(2)의 외측면이 허브 평분선(hub equator)-허브 최고점(hub zenith)-허브 평분선 구역의 부분 구역(2.3)에서 허브축(x)을 따라 둘레에서 고 타원형으로 형성되어 있으며 부분 구역(2.4)에서는 원통형으로 형성되어 있다.

도 2의 도시에 따른 단면에서 고 타원형으로 형성된 외측면은 구역(10)에서 진행되는데, 이 구역은 허브 평분선-허브 최저점(hub nadir)-허브 평분선 사이에서 정의된 허브 보어 직경(D)을 갖는 반원과, 정의된 허브 직경(D)의 y'=0.03 백분율 내지 0.5 백분율만큼 피스톤축(y)을 따라 허브 최고점 방향으로 이동된, 직경(D)을 갖는 반원에 의해 한정된다. 바람직하게도 다음과 같은 타원 매개변수를 갖는 고 타원형인 외측면이 일측면에서 이어진다.

z= A/2 cos α}

y= A/2 sin α + 1/2(B - A/2) - 1/2(B - A/2)cos(2α}, 0°≤α≤180°,

여기에서

B 큰 타원 반경

A=D 작은 타원 직경

D 원통형 허브 부분의 직경

α x 축에 대한 임의의 선으로 형성되는 각도

도 1에서는 허브 최고점에서 진행하는 고 타원형 외측면의 외측선(3)이 피스톤측에서 방사상 외측에서부터 방사상 내측으로 허브축(x)에 대해 각도(β)만큼 경사지게 진행하므로, 그 타원 직경(2*B)을 통해 정의된 최대 난형성이 각각 허브 보어의 내측 단부(7)에서 형성되며 타원 직경의 설정된 값을 초과하지 않는다. 이는 실시예에서 값(y')을 통해 결정되며, 타원의 장반경과 원형의 하단 허브 구역(2.2)의 원 직경 사이의 편차로 정의된다. 값(y')이 본 발명에 따라 결정되고, 외측선(3)의 진행이 x 축을 따라 핀 고정홈(8)과 오일 그루브(9) 사이에서 선형으로 증가하도록 0도에서부터 시작하며, β가 0도일 때 허브 보어의 x 축에 대해 외측선(3)이 평행한 진행을 나타내므로, 경사각(β)이 상응하게 지정된다. 이 각도는 다른 실시에서 바람직하게도 예를 들어 경사 개시점을 핀 고정홈(8)의 방향으로 이동시킴으로써 감소될 수 있다. 각도는 0°≤β≤1°로 결정할 수 있다.

외측선(3)의 선형 경사에 대한 전술한 실시 형태 외에도 다각적(polygonal) 실시도 가능하다. 즉 도 3에 도시한 바와 같이 타원 직경의 특정한 값에 도달할 때까지 다각 구역 당 각각 2.5 각도 분(angular minute)의 경사로 외측선의 다각적 경사(각도 γ)가 이루어질 수 있다.

허브 보어 전체에 대하여, 최저점(nadir)에 존재하는 외측선(4)이 피스톤축(y)에 대해 수직인 허브축(x)에 대해 평행하게 진행한다. 바람직하게도 난형도(ovality)는 허브 보어 직경(D)의 0.03 내지 0.5%이다. 도시하지 않은 다른 실시예에서는 방사상 외측 허브 보어 단부가 엠보싱 처리될 수 있다. 또한 방사상 내측 허브 보어 구역은 허브 보어(2)의 방사상 외측 단부에까지 진행하지 않는 성형 보어로서 실시될 수도 있다.
또한, 허브 보어(2)에 오일 그루브, 포켓, 슬롯 또는 윤활구가 윤활유 공급을 위해 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 실시를 통하여 방사상 응력이 허브 보어의 외측 구역에서 더 크게 되므로, 핀 축을 기준으로 하여 확장된 레버 아암(lever arm)으로 인해 더 큰 토크가 나타나는데, 이러한 토크는 핀 축을 중심으로 한 피스톤의 굽힘(bending)을 감소시킨다. 그 결과로서 예를 들어 보울(bowl) 가장자리에서 더 약한 접선 응력이 형성되며, 또한 연소 보울의 다른 구역에서도 부하가 감소한다. 서문에 명시한 독일 특허 DE 102 22 463 A1에서와는 달리 여기에서 이 값은 더욱 개선된다. 특히 보울 가장자리에서의 전술한 응력 감소, 핀 방향의 보울 가장자리(MuRaBoRi) 및 냉각 채널 그루브

는 피스톤 수명을 현저하게 증대시키는데 기여한다.

본 발명은 내연 기관의 피스톤에 이용될 수 있다.

- 도면 부호의 설명 -

1 피스톤

2 허브 보어

2.1 상단 보어 구역(고 타원형)

2.2 하단 허브 구역(원통형)

2.3 허브 보어의 부분 구역(고 타원형)

2.4 허브 보어의 부분 구역(고 타원형 아님)

3 최고점, 최고점의 외측선

4 최저점, 최저점의 외측선

5 허브 보어 전체의 외측면

6 피스톤 스커트

7 허브 보어의 내측 단부

8 핀 고정홈

9 오일 그루브

10 구역

x 허브축, 평분선

y 피스톤축

z 허브 횡축

y‘ 타원의 장반경과 하단 허브 구역의 원 직경 사이의 편차

Claims

피스톤 핀이 지지되는 허브 보어(2)를 구비하는 내연 기관 피스톤용 피스톤 핀 베어링으로서, 허브 보어가 허브 평분선-허브 최고점-허브 평분선 구역에서 고 타원형으로 형성되는 외측면(2.1)을 포함하고 허브 평분선-허브 최저점-허브 평분선 구역에서 원통형 외측면(2.2)을 포함하며, 최저점 및 최고점에서 진행하는 그 외측선(3, 4)이 서로 평행하게 형성되는 피스톤 핀 베어링에 있어서,

허브 최고점에서 진행하는 고 타원형 외측면의 외측선(3)이 피스톤측에서 방사상 외측으로부터 방사상 내측으로 허브축(X)에 대해 각도(β)로 경사지게 진행하므로, 그 타원 직경을 통해 규정되는 최대 난형성이 각각 허브 보어의 내측 단부(7)에서 형성되고 타원 직경의 설정된 값을 초과하지 않으며,

고 타원형으로 형성된 외측면이 구역(10)에서 진행되는데, 상기 구역은 허브 평분선-허브 최저점-허브 평분선 사이에서 규정되는 허브 보어 직경(D)을 갖는 반원과, 규정된 허브 직경(D)의 0.03 백분율 내지 0.5 백분율만큼 피스톤축(Y)을 따라 허브 최고점 방향으로 이동되는, 직경(D)을 갖는 반원에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀 베어링.
제1항에 있어서,

각도(β)를 통해 결정되는 외측선(3)의 경사가 허브 보어(2)의 부분 구역(2.3)에만 적용되는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀 베어링.
제1항에 있어서,

각도(β)를 통해 결정되는 외측선(3)의 경사가 선형으로 진행하는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀 베어링.
제1항에 있어서,

외측선의 경사가 각각 2.5 각도 분의 다각 각도(polygon angle)로 다각적으로 진행하는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀 베어링.
제2항에 있어서,

고 타원형으로 형성되지 않은 허브 보어(2)의 부분 구역(2.4)이 원통형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀 베어링.
제1항에 있어서,

허브 보어(2)가 성형 보어 구역을 구비하는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀 베어링.
삭제
제1항에 있어서,

편차(y')가 핀 직경의 0.1 백분율 내지 0.15 백분율인 것을 특징으로 하는 피스톤 핀 베어링.
제1항에 있어서,

허브 보어(2)에 오일 그루브(9), 포켓, 슬롯 또는 윤활구가 윤활유 공급을 위해 배치되는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀 베어링.
삭제