KR101510916B1 - 내연 기관용 피스톤 및 그 제조 방법 - Google Patents

내연 기관용 피스톤 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피스톤 하단부(11, 111) 및 피스톤 하단부(11, 111)에 배치되고 그 둘레로 뻗어 있는 파이어 랜드(25, 125)와 그 둘레로 뻗어 있는 링 지대(26, 126)를 포함하는 피스톤 상단부(12, 112)를 구비한 내연 기관용 피스톤(10, 110)에 관한 것이다. 본 발명에서는 피스톤 상단부(12, 112)가 소결 재료로 이루어진다. 또한 본 발명은 이러한 유형의 피스톤(10, 110)의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

내연 기관용 피스톤 및 그 제조 방법{PISTON FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}
본 발명은 피스톤 하단부 및 피스톤 하단부에 배치되고 그 둘레로 뻗어 있는 헤드 랜드와 그 둘레로 뻗어 있는 링 지대를 포함하는 피스톤 상단부를 구비한 내연 기관용 피스톤에 관한 것이다.
독일 공개 특허 공보 DE 103 40 292 A1에 공개된 피스톤은 거의 원통형인 베이스 바디로 이루어지며, 이 베이스 바디는 피스톤 헤드의 방사상 외측 영역에서 베이스 바디와 함께 냉각 채널을 형성하는 링 부재를 포함한다. 링 부재는 압축 링을 위한 링 캐리어를 수용한다.
현대적 내연 기관용 피스톤에 요구되는 다양한 요건으로 인하여, 엔진 가동 상황에서 개별 요건을 최대한으로 만족시키는 가변적 구조의 피스톤을 가능한 한 적은 비용으로 제조할 수 있는 새로운 제조 방법을 찾으려는 노력이 진행되고 있다.
본 발명은 엔진 가동 상황에서 개별 요건을 최대한으로 만족시키는 가변적 구조의 피스톤을 가능한 한 적은 비용으로 제조할 수 있는 새로운 제조 방법을 제공하는 목적을 기초로 한다.
이러한 목적은 청구항 1항의 특징을 포함하는 피스톤 또는 청구항 14항의 특징을 포함하는 방법을 통해 달성된다. 본 발명에서는 피스톤 상단부가 소결 재료로 이루어진다. 본 발명에 따른 방법은 피스톤 상단부가 프레스 및 소결을 통해 제조되고, 피스톤 하단부가 프레스 및 소결 또는 주조 또는 성형을 통해 제조되며, 피스톤 하단부 및 피스톤 상단부가 납땜 재료를 통해 접합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 피스톤에서는 피스톤 상단부와 피스톤 하단부 사이에서 볼트 체결이 필요치 않다. 또한 피스톤 상단부가 소결된 부품으로 제조되므로 예를 들어 중량, 높이, 냉각 등과 같은 본 발명에 따른 피스톤의 구조 및 특성이 기존 피스톤에서보다 더욱 가변적으로 설계될 수 있다. 특히 조성을 임의로 선택할 수 있는 분말 형태의 소결 재료가 사용될 수 있는데, 이런 재료는 성형품으로 압착된 후에 완성된 피스톤 상단부 또는 완성된 피스톤 상단부와 피스톤 하단부로 소결된다. 이러한 방식으로 예를 들어 페라이트 상태에서 오스테나이트 상태 또는 그 혼합 상태(Duplex)에 이르는 특히 매우 다양한 조직 구조가 매우 간단한 방식으로 구현될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 방법은 높은 경제성을 특징으로 한다.
바람직한 개선된 형태는 종속항에 설명된다.
어느 한 바람직한 실시 형태에서는 피스톤 하단부가 단조 재료 또는 주조 재료, 특히 스틸 재료로 제조되며 반면 바람직하게도 피스톤 상단부는 소결된 스틸 재료로 제조된다. 이러한 유형의 재료는 매우 강한 열내구성을 특징으로 하는데, 이는 특히 디젤 엔진에 사용 시 이점으로 작용한다. 피스톤 상단부 및 경우에 따라서는 소결된 피스톤 하단부의 소결 재료에는 그 열전도도의 증대를 위해 금속 재료가 침투될 수 있다. 이로써 피스톤에서의 열배출이 개선되고 부품 온도가 하강한다.
특히 바람직한 개선된 형태에서는 피스톤 하단부 및 피스톤 상단부가 납땜 재료를 통해 서로 결합된다. 납땜 재료는 모세관 현상을 통해 피스톤 하단부와 피스톤 상단부 사이의 틈새 공간에서뿐 아니라 소결된 피스톤 상단부의 기공으로도 침투한다. 이로써 피스톤 하단부와 피스톤 상단부 사이에서 기계적 고부하를 견딜 수 있는 매우 견고한 결합이 이루어진다. 납땜 재료로는 예를 들어 구리, 구리 합금, 니켈 또는 니켈 합금이 적합하다. 피스톤 하단부와 피스톤 상단부 사이의 결합을 최적화하기 위해 바람직하게도 내측 접합면 및 서로 대응하는 외측 접합면이 제공되며, 바람직하게도 접합면의 영역에는 납땜 재료가 제공된다.
개별적으로 사용된 소결 재료는 특히 바람직한 방식으로 납땜 재료를 통해 침투될 수 있다. 이 경우에 소결 재료의 소결 및 피스톤 하단부와 피스톤 상단부의 접합은 단 하나의 제조 단계에서 수행된다. 소결 재료 기공 그리고 피스톤 하단부와 피스톤 상단부 사이의 틈새 공간에서 서로 다른 모세관 현상이 나타나는 경우 소결 재료의 침투에는 소결 재료의 신뢰성 있고 완전한 침투를 보장하기 위하여 그 융점이 납땜 재료의 융점보다 낮은 금속 재료를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 소결 재료의 침투 및 피스톤 상단부와 피스톤 하단부의 접합은 가열 중에 서로 다른 온도 단계에서 이루어진다.
피스톤 헤드에는 엔진 구조에 따라 임의 형태의 연소 공동이 잘 알려진 방식으로 형성될 수 있다. 이 연소 공동은 개별 상황의 요건에 따라 피스톤 상단부에만 형성되거나 또는 피스톤 상단부와 피스톤 하단부에도 형성될 수 있다.
냉각 효과의 개선을 위해 피스톤 상단부 및 피스톤 하단부는 외측에서 둘레로 뻗어 있는 냉각 채널을 포함할 수 있다. 추가적으로 내측 냉각 공간 또는 내측에서 둘레로 뻗어 있는 냉각 채널이 제공될 수 있다. 열배출은 피스톤, 특히 피스톤 헤드 영역에서 냉각 채널 또는 냉각 채널들 방향으로 이루어진다.
본 발명은 엔진 가동 상황에서 개별 요건을 최대한으로 만족시키는 가변적 구조의 피스톤을 가능한 한 적은 비용으로 제조할 수 있는 새로운 제조 방법을 제공하는 효과가 있다.
하기에서 본 발명의 실시예가 첨부한 도면을 근거로 상세히 설명된다. 도면은 개략도이며 현척이 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 피스톤의 제1 실시예에 대한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 피스톤의 다른 실시예에 대한 단면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 피스톤(10)의 제1 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서 피스톤(10)은 단조 또는 주조 금속 재료로 제조된 피스톤 하단부(11)를 포함한다. 예를 들어 38MnVS6와 같은 석출경화 페라이트 펄라이트 스틸(AFP-스틸)과 같은 단조강 또는 예를 들어 42CrMo4와 같은 열처리강이 적합하다. 또한 피스톤(10)은 소결 재료, 특히 소결된 스틸 재료로 제조된 피스톤 상단부(12)를 포함한다. 예를 들어 철과 탄소로 이루어진 합금 또는 철, 탄소 및 몰리브덴으로 이루어진 합금이 적합하다. 이 합금을 통해 특히 페라이트 조직 구조가 달성된다. 탄소 함량은 바람직하게도 0.4-0.8%이고 몰리브덴 함량은 바람직하게도 0.0-2.0%, 더욱 바람직하게는 0.8-1.6%이다.
피스톤 하단부(11)는 알려진 방식에 따라 연소 공동(15)이 형성된 피스톤 헤드(14)의 중앙 또는 내측 영역(13) 및 피스톤 스커트(20)를 포함한다. 피스톤 헤드(14)의 아래에는 도시되지 않은 피스톤 핀의 관통을 위한 보스 구멍(17)을 갖는 보스(16)가 존재한다.
피스톤 상단부(12)는 둘레로 뻗어 있는 거의 원통형의 링 부재(24)를 포함한다. 이 링 부재는 알려진 방식에 따라 그 외측면에서 도시되지 않은 피스톤 링의 수용을 위한 복수의 링 그루브를 구비한 링 지대(26) 및 헤드 랜드(파이어 랜드)(25)를 갖는다. 링 부재(24)의 하단 자유 단부는 피스톤 하단부(11)의 대응하는 접합면(28)에서 지지되는 외측 지지면(27)을 형성한다.
또한 링 부재(24)는 방사상 내측 둘레로 뻗는 가장자리(29)를 갖는데, 이 가장자리는 피스톤 헤드(14)의 외측 환형 영역을 형성한다. 가장자리(29)의 하단 자유 단부는 피스톤 하단부(11)의 대응하는 접합면(32)에서 지지되는 내측 지지면(31)을 형성한다.
피스톤 하단부(11) 및 피스톤 상단부(12)는 접합면(27, 28; 31, 32)을 따라 제공되는 납땜 재료를 통해 접합된다. 예를 들어 구리나 구리 합금 또는 니켈이나 니켈 합금이 적합하다. 납땜 재료의 융점은 피스톤 하단부(11) 재료의 융점보다 낮고 피스톤 상단부(12) 재료의 융점보다 낮다. 납땜 재료의 융점은 피스톤(10)에서 발생하는 최대 가동 온도보다 높다.
링 부재(24) 및 피스톤 상단부(12)의 둘레로 뻗어 있는 가장자리(29) 또는 피스톤 하단부(11)에 형성된 둘레 홈(33)은 외측 둘레로 뻗는 냉각 채널(34)을 형성한다.
도 2는 본 발명에 따른 피스톤(110)의 다른 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서 피스톤(110)은 도 1에 도시된 피스톤(10)의 피스톤 하단부(11)와 동일한 재료로 이루어진 피스톤 하단부(111)를 포함한다. 또한 본 실시예에서 피스톤(110)은 도 1에 도시된 피스톤(10)의 피스톤 상단부(12)와 동일한 재료로 이루어진 피스톤 상단부(112)를 포함한다. 마찬가지로 피스톤 하단부(111)도 피스톤 스커트(120) 및 보스 구멍(117)을 구비한 보스(116)를 포함한다.
피스톤 상단부(112)는 알려진 방식에 따라 연소 공동(115)이 형성된 피스톤 헤드(114)를 포함한다. 본 실시예에서 연소 공동(115)은 피스톤 상단부(112)에만 형성되어 있다. 피스톤 헤드(114)는 둘레로 뻗어 있는 거의 원통형의 링 부재(124)에 의해 한정된다. 알려진 방식으로 링 부재(124)는 도시되지 않은 피스톤 링의 수용을 위한 복수의 링 그루브를 구비한 링 지대(126) 및 헤드 랜드(125)를 그 외측면에서 갖는다. 링 부재(124)의 하단 자유 단부는 피스톤 하단부(111)의 대응하는 접합면(128)에서 지지되는 지지면(127)을 형성한다.
피스톤 상단부(112)는 연소 공동(115) 아래에서 두 개의 다른 접합면을 포함한다. 그중 하나로서 피스톤 하단부(11)의 대응하는 내측 둘레 접합면(132)에서 지지되며 둘레로 뻗어 있는 내측 접합면(131)이 제공된다. 다른 하나로서 피스톤 하단부(111)의 대응하는 내측 둘레 접합면(136)에서 지지되는 중앙 접합면(135)이 제공된다.
피스톤 하단부(111) 및 피스톤 상단부(112)는 접합면(127, 128; 131, 132; 135, 136)을 따라 제공되는 납땜 재료를 통해 접합된다. 예를 들어 구리나 구리 합금 또는 니켈이나 니켈 합금이 적합하다. 납땜 재료의 융점은 피스톤 하단부(111) 재료의 융점보다 낮고 피스톤 상단부(112) 재료의 융점보다 낮다. 납땜 재료의 융점은 피스톤(110)에서 발생하는 최대 가동 온도보다 높다.
링 부재(124)와 연소 공동(115) 사이의 피스톤 상단부(112)에 제공된 둘레 홈(133a) 또는 피스톤 하단부(111)에 제공된 대응하는 둘레 홈(133b)이 둘레로 뻗어 있는 외측 냉각 채널(134)을 형성한다. 또한 둘레로 뻗어 있는 내측 접합면(131, 132)과 중앙 접합면(135, 136) 사이에는 둘레로 뻗는 내측 냉각 채널(137)이 형성된다. 접합면(135, 136)이 존재하지 않는 경우에는 둘레로 뻗은 내측 냉각 채널 대신 (도시되지 않은) 중앙 냉각 공간이 형성된다.
본 발명에 따른 피스톤(10, 110)의 조립을 위해 피스톤 하단부(11, 111) 및 피스톤 상단부(12, 112)가 알려진 방식에 따라 납땜 재료를 통해 서로 접합된다. 이를 위해 납땜 재료가 접합면에 접촉되고 납땜 재료가 용융될 때까지 피스톤 하단부(11, 111) 및 피스톤 상단부(12, 112)와 함께 가열된다. 납땜 재료는 모세관 현상을 통해 접합면 사이의 틈새 공간뿐 아니라 피스톤 상단부(12, 112)의 소결 재료 기공 또는 피스톤(10, 110) 상단부 및 하단부의 소결 재료 기공으로도 침투한다. 바람직하게도 피스톤 상단부(12, 112)의 소결 및 피스톤 하단부(11, 111)와 피스톤 상단부(12, 112)의 접합이 동일한 제조 단계에서, 예를 들어 오븐 통과 단계에서 수행된다. 분말 재료의 압착을 통해 약한 강도의 미완성 성형품이 제조되는 방식으로 피스톤 상단부(12, 112) 또는 피스톤(10, 110)의 상단부와 하단부를 제조하는 단계는 조합된 소결 접합 공정 전에 수행된다. 이로써 본 발명에 따른 피스톤(10, 110)을 위한 매우 저렴한 제조 방법이 달성된다.
냉각 후에는 피스톤 하단부(11, 111)와 피스톤 상단부(12, 112) 사이에서 기계적 고부하를 견딜 수 있는 매우 견고한 결합이 형성된다.
10 피스톤
11 피스톤 하단부
12 피스톤 상단부
13 피스톤 헤드의 중앙 또는 내측 영역
14 피스톤 헤드
15 연소 공동
16 보스
17 보스 구멍
20 피스톤 스커트
24 링 부재
25 헤드 랜드
26 링 지대
27 외측 지지면
28 접합면
29 가장자리
31 내측 지지면
32 접합면
33 둘레 홈
34 냉각 채널
110 피스톤
111 피스톤 하단부
112 피스톤 상단부
114 피스톤 헤드
115 연소 공동
116 보스
117 보스 구멍
124 링 부재
125 헤드 랜드
126 링 지대
127 접합면
128 접합면
131 내측 접합면
132 내측 둘레 접합면
133a 둘레 홈
133b 둘레 홈
135 중앙 접합면
136 내측 둘레 접합면
137 내측 냉각 채널

Claims (21)

  1. 피스톤 하단부(11, 111) 및 피스톤 하단부(11, 111)에 배치되고 그 둘레로 뻗어 있는 헤드 랜드(25, 125)와 그 둘레로 뻗어 있는 링 지대(26, 126)를 포함하는 피스톤 상단부(12, 112)를 구비하고, 피스톤 상단부(12, 112)가 소결 재료로 이루어지는 내연 기관용 피스톤(10, 110)에 있어서,
    상기 피스톤 하단부(11, 111) 및 피스톤 상단부(12, 112)가 납땜 재료를 통해 서로 결합되고,
    상기 소결 재료에 상기 납땜 재료가 완전히 침투되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  2. 제1항에 있어서, 피스톤 하단부(11, 111)가 단조 재료 또는 주조 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  3. 제2항에 있어서, 피스톤 하단부(11, 111)가 단조 재료 또는 주조 재료로 이루어지고 피스톤 상단부(12, 112)가 소결된 스틸 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어, 납땜 재료로서 구리나 구리 합금 또는 니켈이나 또는 니켈 합금이 제공되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 피스톤이 연소 공동(15, 115)을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  10. 제9항에 있어서, 상기 연소 공동(15)이 피스톤 하단부(11) 뿐 아니라 피스톤 상단부(12)를 통해서도 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  11. 제9항에 있어서, 상기 연소 공동(115)이 피스톤 상단부(112)에 형성되는 것을 특징으로 피스톤.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤 하단부(11, 111) 및 피스톤 상단부(12, 112)가 둘레로 뻗어 있는 외측 냉각 채널(35, 135)을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤 하단부(111) 및 피스톤 상단부(112)가 내측 냉각 공간 또는 둘레로 뻗어 있는 내측 냉각 채널(137)을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  14. 피스톤 하단부(11, 111) 및 피스톤 하단부(11, 111)에 배치되고 그 둘레로 뻗어 있는 헤드 랜드(25, 125)와 그 둘레로 뻗어 있는 링 지대(26, 126)를 포함하는 피스톤 상단부(12, 112)를 구비하고, 피스톤 상단부(12, 112)가 프레스 및 소결을 통해 제조되고, 피스톤 하단부(11, 111) 및 피스톤 상단부(12, 112)가 접합되는내연 기관용 피스톤(10, 110)의 제조 방법에 있어서,
    상기 피스톤 하단부(11, 111) 및 피스톤 상단부(12, 112)가 납땜 재료를 통해 서로 결합되고,
    상기 소결 재료에 상기 납땜 재료가 완전히 침투되고,
    상기 피스톤 하단부(11, 111) 및 피스톤 상단부(12, 112)의 접합 및 소결이 동일한 제조 단계에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 피스톤 하단부(11, 111)가 단조 재료 또는 주조 재료로 제조되고 피스톤 상단부(12, 112)가 소결된 스틸 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 삭제
  17. 제14항 또는 제15항에 있어서, 납땜 재료로서 구리 또는 구리 합금 또는 니켈 또는 니켈 합금이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
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