KR101523121B1 - 프로화일된 리스트 핀 보어를 가지는 피스톤 조립체 및 커넥팅 로드 - Google Patents

프로화일된 리스트 핀 보어를 가지는 피스톤 조립체 및 커넥팅 로드 Download PDF

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Abstract

피스톤 조립체와 커넥팅 로드를 제공하는 것으로, 커넥팅 로드는 피스톤에 작동가능하게 부착하기 위한 단부까지 연장하는 긴 바디를 포함한다. 상기 단부는 상기 바디의 대향 측면사이로 연장하는 리스트 핀 보어를 가진다. 상기 리스트 핀 보어는 상기 측면 사이로 연장하는 파도 프로화일을 가진다. 상기 파도 프로화일은 리스트 핀 보어의 원주 방향을 따라서 연장하는 골을 가진 적어도 하나의 오목면을 가진다. 상기 오목면은 상기 리스트 핀 보어의 원주 방향을 따라서 연장하는 산을 가진 볼록면에 측면으로 이어지며, 상기 산은 상기 골의 대향 측면상에 있다. 산과 골은 협력하여 부드러운 하중 성분을 형성하고 리스트 핀 보어와 이를 통해서 연장하는 리스트 핀 사이의 인터페이스 영역에서의 균일한 윤활 흐름을 형성한다.

Description

프로화일된 리스트 핀 보어를 가지는 피스톤 조립체 및 커넥팅 로드{Piston assembly and connecting rod having a profiled wrist pin bore therefor}
본 발명은 내연기관용 피스톤 조립체와 특히 조립체 내의 커넥팅 로드에 관한 것이다.
내연기관에 사용하기 위한 종래의 피스톤 조립체는 일반적으로 엔진의 대응 실린더내의 연소를 위한 반응면을 제공하는 크라운 또는 헤드부를 포함한다. 한 쌍의 측면 이격된 핀 보스는 피스톤 헤드로부터 매달려 있고 한 쌍의 동축 핀 보어내 종료한다. 커넥팅 로드의 소형 단부는 리스트 핀 둘레로 저어널되고(journaled), 리스트 핀은 핀 보어 내에 저어널된다.
현대 차량 엔진 적용분야는 상승하는 성능 요구조건을 만족시키기 위해서 피크 실린더 압력 요구가 증가되고 있다. 불행하게도, 피크 실린더 압력 요구가 크면, 커넥팅 로드의 소형 단부와 리스트 핀 사이의 피봇 조인트 연결부에 압력 분포가 증가하게 된다. 커넥팅 로드의 소형 단부의 메이팅 베이링면과 리스트 핀 사이의 압력이 증가하면, 메이팅 베어링면의 사용 기대 수명이 줄어들게 된다. 따라서, 베어링면의 수명 감소보다는, 피크 실린더 압력을 감소시켜왔다.
피크 실린더 압력이 증가하면, 통상적으로 두 개의 주 오류 모드가 있다. 먼저, 커넥팅 로드의 소형 단부와 리스트 핀 사이의 메이팅 베어링면은 초과 마찰에 의해서 마모된다. 초과 마모는 거의 완전한, 원통형 베어링면을 악화시키서, 예를 들어서 도 1의 종래 기술의 커넥팅 로드 소형 단부(PA1)에서 되시한 바와 같이, 전체 길이에 거쳐서 접촉되어서, 메이팅 베어링면의 중심 영역(CR)에서 최대 압력을 생성한다. 고압은 화살표 A 방향으로 축선 외향으로 윤활제를 밀어내려고 하므로, 중심 영역(CR)내에 윤활제가 결핍하게 된다. 중심 영역(CR)내의 윤활제의 피막이 감소하면, 마찰을 증가시킬 것이고, 이는 차례로 열을 발생하고 최종적으로 베어링면을 피로파괴시킬 것이다. 두 번째 오류 모드에서, 전형적으로 커넥팅 로드 소형 단부 보어 내에 삽입된 부싱은, 예를 들어 이들의 단부 또는 외부 에지에서 응력 집중이 가장 높다. 이런 현상을 방지하기 위한 약간의 시도는 커넥팅 로드의 대향 단부 또는 에지(OE)사이에 완전히 연장하는 볼록면(CS)을 만들고 있다. 이는 도 2에 다른 종래 기술의 커넥팅 로드 소형 단부(PA2)에 도시한 바와 같다. 불행하게도, 이들 노력이 외부 에지(OE)에서 압력을 감소할 지라도, 중심 영역(CR) 내의 압력 성분의 증가에 의해서 중심 영역(CR)에서의 윤활 감소를 여전히 야기하고 있다.
본 발명의 한 양태에 따라서 구성된 피스톤 조립체는 축선으로 정렬된 핀 보어를 가진 핀 보스가 매달려 있는 피스톤 크라운을 가진다. 추가로 피스톤 조립체는 상기 핀 보어에 부분적으로 수용되는 크기의 단부를 가진 리스트 핀을 가진다. 더 추가해서, 피스톤 조립체는 대향 측면을 가진 단부와 상기 리스트 핀의 수용을 위해 상기 대향 측면사이로 연장하는 리스트 핀 보어를 가지는 커넥팅 로드를 포함한다. 상기 리스트 핀 보어는 상기 측면 사이로 연장하는 파도 프로화일을 가지며, 적어도 하나의 원주 방향 연장 오목면을 가지며, 상기 오목면은 상기 오목면의 대향 측면상의 인접 원주방향 연장 볼록면에 측면으로 이어져 있다.
본 발명의 한 양태에 따라서, 내연기관용 커넥팅 로드를 제공한다. 커넥팅 로드는 피스톤에 작동가능하게 부착하기 위한 단부까지 연장하는 긴 바디를 포함한다. 상기 단부는 상기 바디의 대향 측면사이로 연장하는 리스트 핀 보어를 가진다. 상기 리스트 핀 보어는 상기 측면 사이로 연장하는 파도 프로화일을 가진다. 상기 파도 프로화일은 리스트 핀 보어의 원주 방향을 따라서 연장하는 골을 가진 적어도 하나의 오목면을 가진다. 상기 오목면은 상기 리스트 핀 보어의 원주 방향을 따라서 연장하는 산을 가진 볼록면에 측면으로 이어지며, 상기 산은 상기 골의 대향 측면상에 있다.
본 발명에 따라서 구성된 피스톤 조립체와 커넥팅 로드의 상술한 특징 및 장점 및 상술하지 않은 특징 및 장점들은 첨부의 도면과 아래의 상세한 설명을 참고로 하면 보다 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래 기술에 따라서 구성된 커넥팅 로드의 소형 단부의 단면도.
도 2는 종래 기술에 따라서 구성된 커넥팅 로드의 소형 단부의 다른 단면도.
도 3은 본 발명의 한 양호한 실시예에 따라서 구성된 피스톤 조립체의 부분 단면도.
도 4는 베어링면에서의 압력 성분 및 오일 흐름 분포를 도시하는 도 3의 조립체의 커넥팅 로드의 부분 단면도.
도 5는 도 3의 커넥팅 로드의 측면도.
도 6은 다른 양호한 실시예에 따라서 구성된 커넥팅 로드의 측면도.
도 7은 또 다른 양호한 실시예에 따라서 구성된 커넥팅 로드의 측면도.
도면을 상세히 참조하면, 도 3은 본 발명의 한 양태에 따라서 전체적으로 도면부호 10으로 도시한 피스톤과 커넥팅 로드의 조립체를 도시한다. 피스톤과 커넥팅 로드의 조립체(10)는 피스톤(12)과 리스트 핀(15)에 의해 서로 작동가능하게 부착하기 위해 구성된 커넥팅 로드(14)를 포함한다. 피스톤(12)은 주조 또는 단조로 만들고, 실린더 보어(도시 생략)내에 왕복운동할 수 있게 길이방향 중앙 축선(18)을 따라서 연장하는 바디(16)를 가진다. 바디(16)는 예로서 도시한 것으로 이에 제한되지 않고, 한 쌍의 핀 보스(22)가 매달려 있는 하부 크라운(21)에 부착된 상부 크라운(20)을 가진다. 커넥팅 로드(14)는 축선(18)과 일치하는 것으로 도시한 중앙 길이방향 축선을 따라서 핀 보스(22) 사이에 수용되기에 적합한 크기의 단부 또는 소형 단부(30)와 크랭크 샤프트(도시 생략)에 작동가능하게 부착하기 위해 구성된 다른 단부(도시 생략)까지 연장하는 긴 바디(23)을 가진다. 소형 단부(30)는 리스트 핀(15)을 수용하기 위해 구성된 리스트 핀 보어(24)를 가지므로, 커넥팅 로드는 피스톤(12)에 작동가능하게 부착된다. 리스트 핀 보어(24)는 전체적으로 도면부호 26으로 도시한 프로화일을 가진다. 프로화일(26)은 적어도 하나의 오목면(42)을 가지며, 오목면은 오목면(42)의 대향 측면상의 볼록면(44)로 이어져 있어서, 사용중 리스트 핀(15)와 리스트 핀 보어(24) 사이의 윤활제의 균일한 흐름과 부드러운 하중 분포를 용이하게 하는 적어도 2중 파 형상을 제공한다. 따라서, 리스트 핀 보어(24)의 프로화일(26)은 현재 엔진의 높은 피크 실린더 압력을 견딜 수 있을 뿐만 아니라 각 베어링면의 피로파괴를 방지할 수 있도록 리스트 핀(15)과 커넥팅 로드(14)사이의 바람직한 윤활 흐름을 유지하는 피스톤 조립체(10)를 제공한다.
피스톤(12)의 상부 크라운(20)은 피스톤 헤드 구조에서 알려진 바와 같이, 여기서 연소 바울(34, combustion bowl)이 리세스된 상부면(32)를 가지는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 변경적으로 피스톤은 필요에 따라서 평탄한 상부면을 가질 수 있다. 외벽과 링 벨트(36)는 상부면(32)으로부터 하향으로 연장한다. 적어도 하나의 환형 링 홈은 피스톤 링(도시 생략)의 플로팅 수용(floating receipt)을 위해 링 벨트(36)내에 형성되어 있다. 한 쌍의 스커트 부분(38)은 상부 크라운(20)에 매달려 있으며, 스커트 부분(38)은 실린더 보어와의 왕복이동중 피스톤(12)의 안내를 용이하게 하기 위해서 실린더 보어와 전체적으로 일치하는 외면을 가진다.
도 4에 도시한 바와 같이, 커넥팅 로드(14)의 리스트 핀 보어(24)는 대향 측면(28, 29) 사이의 핀 축선(40)을 따라서 연장하며, 핀 축선(40)은 길이방향 중앙 축선(18)에 일반적으로 수직이다. 프로화일(26)은 대향 측면(28, 29) 사이에 부드럽고 연속적으로 연장하며 물결모양을 이룬다. 도 5에 제한적 의미가 아니라, 하나의 예로서 도시한 바와 같이, 프로화일(26)은 핀 보어(24)의 원둘레로 단지 부분적으로 연장하고 있다. 예를 들어, 도 5에 도시한 바와 같이, 프로화일(26)은 길이방향 축선(18)에 대해서 약90도(3시) 위치(41)로부터 270도(9시) 위치(43) 사이로, 리스트 핀 보어(24)의 하부 약 180도 세그먼트로 연장한다. 리스트 핀 보어(24)의 나머지 상부 180도 세그먼트는 완전한, 원통프로화일이다. 물론, 프로화일(26)은 다르게는, 의도한 적용분야에 따라서 도 5에 도시한 것과는 다른 원주방향으로 증분도(circumferentially different degree increment)를 가지고 형성될 수 있다. 추가로, 도 6에 도시한 바와 같이, 참고번호에 백단위를 부쳤으며, 위에서 사용된 동일한 십단위 참고번호는 동일한 부분을 가르키는데 사용된다. 커넥팅 로드(114)는 특정 적용분야에 맞게, 핀 보어(124)둘레로 완전히 연장하는 프로화일(126)을 하고 있는 리스트 핀 보어(124)를 가질 수 있다. 따라서, 적용 요구조건에 따라서, 프로화일(26, 126)은 원주 둘레로 상당한 정도의 구성으로 핀 보어(24, 124)의 원주 둘레로 부분적으로 또는 완전히 연장하도록 형성될 수 있다.
프로화일(26)은 리스트 핀 보어(24)의 원주 방향을 따라서 연장하는 적어도 하나의 오목면(42)을 가지며, 오목면(42)은 대향 측면(28, 29) 사이에 위치되어 있다. 오목면(42)은 측면 방향을 따라서 볼록면(44)에 인접하게 이어지며, 볼록면(44)은 오목면(42)의 대향 측면 상의 리스트 핀 보어(24)의 원주 방향을 따라서 연장한다. 오목면(42)과 볼록면(44)은 리스트 핀 보어(24)의 폭을 측면으로 가로질려서 서로 이어지도록 형성되어, 부드러운 물결면을 제공하며, 여기서는 사인파 또는 거의 사인파로 도시되어 있다. 프로화일(26)의 오목면(42)과 볼록면(44)은 여기에 좀 과장되게 산(P)과 골(V)로 도시되어 있으며, 실제로 수평면(HP)에 대해서 약 5㎛ 내지 50㎛ 사이에서 변하는 산(P)과 골(V)을 가진다. 평면(HP)의 대향 측면상에 산(P)과 골(V)의 거의 동일한 부분들이 위치된다. 오목면(42)은 대향 측면(28, 29) 사이에 중심이 위치된 중심영역(CR)내에 형성되어 있다. 중심영역(CR)은 길이방향 중앙 축선(18)에 의해 2등분된다. 볼록면(44)은 오목면(42)으로부터 대향 측면(28, 29)을 향해 측면 외향으로 연장하고 물결모양을 이룬다. 볼록면(44)의 각각은 대향 측면(28, 29)까지 연속적으로 부드러운 형태로 연장한다. 예를 들면, 연속 부드러운 프로화일(26)은 거의 사인파 수직 화살표(45)에 의해 도시한 바와 같이 리스트 핀(15)과 리스트 핀 보어(24) 상에 부드러운 하중 분포를 야기하고, 또한 사용시 리스트 핀(15)와 리스트 핀 보어(24) 사이의 윤활의 균일한 흐름을 야기한다. 오목면(42)은 대향 측면(28, 29) 사이에 중앙에 위치되고 중앙 축선(18)을 따라서 연장하므로, 윤활제는 화살표(47)에 의해 도시한 바와 같이 중앙 축선(18)을 향해 오목면(42)에 대해서 내향으로 안내되고, 또한 도 4의 화살표(49)에 의해 도시한 바와 같이 볼록면(44)으로부터 측면(28, 29)을 향해 외향으로 안내된다.
프로화일(26)은 예를 들어 기계가공 및/또는 몰딩 작업으로 형성될 수 있으며, 커넥팅 로드(14)를 만드는데 사용된 재료는 예를 들어 스틸이다. 추가로, 프로화일(26)은 커넥팅 로드(14)의 재료로 형성될 수 있고, 필요에 따라서 예를 들어 인산으로 코팅될 수 있다. 변경적으로, 도 7에 도시한 바와 같이, 참고번호에 이백단위를 부쳤으며, 위에서 사용된 동일한 십단위 참고번호는 동일한 부분을 가르키는데 사용된다. 프로화일(226)은 커넥팅 로드(214)의 일부 구성품으로 구성된 부싱(46)이 보어내에 형성될 있다. 부싱(46)은 커넥팅 로드(214)내의 거의 원통형 관통 개구(50)로 눌림끼움하기에 적합한 크기의 거의 원통형 외면(48)을 가진다. 부싱(46)의 내부 프로화일(226)은 프로화일(26, 126)에 대해서 상술한 바와 같이 형성될 수 있어서, 추가의 설명은 하지 않겠다.
본 발명의 많은 개량예와 변경예는 상술한 설명으로부터 가능할 것이다. 따라서, 첨부 청구범위내에서 본 발명은 상술한 특정 실시예와는 다르게 실행될 수 있음을 이해해주기 바란다.

Claims (17)

  1. 축선으로 정렬된 핀 보어를 가진 핀 보스가 매달려 있는 피스톤 크라운;
    상기 핀 보어에 부분적으로 수용되는 크기의 단부를 가진 리스트 핀;과
    대향 측면을 가진 단부와 상기 리스트 핀의 수용을 위해 상기 대향 측면사이로 연장하는 리스트 핀 보어를 가지는 커넥팅 로드를 포함하며,
    상기 리스트 핀 보어는 상기 측면 사이로 연장하는 파도 프로화일을 가지며, 상기 리스트 핀 보어의 중심 영역에서 원주 방향으로 연장하면서 중앙에 위치하는 적어도 하나의 오목면을 가지며, 상기 오목면은 부드럽고 점차적으로 변화하여, 상기 오목면의 대향 측면상의, 원주 방향으로 연장하는 2개의 인접 볼록면들에 측면으로 이어지는, 피스톤 조립체.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 커넥팅 로드는 중앙 길이방향 축선을 따라서 연장하고, 상기 오목면은 상기 중앙 길이방향 축선에 의해 2등분되는, 피스톤 조립체.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 볼록면은 상기 대향 측면에 각각 연장하는, 피스톤 조립체.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 프로화일은 상기 리스트 핀 보어의 원주 둘레 전체로 연장하지 않는, 피스톤 조립체.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 프로화일은 상기 리스트 핀 보어 원주를 180도 이상 연장하는, 피스톤 조립체.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 프로화일은 상기 리스트 핀 보어의 원주 둘레 전체로 연장하는, 피스톤 조립체.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 파도 프로화일은 상기 대향 측면 사이로 연장하는 방향을 따라서 부드러운, 피스톤 조립체.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 프로화일은 상기 커넥팅 로드의 일부 구성품으로 구성된 부싱내에 형성되어 있는, 피스톤 조립체.
  9. 피스톤에 작동가능하게 부착하기 위한 단부까지 연장하는 긴 바디를 포함하는, 내연기관용 커넥팅 로드로서,
    상기 단부는 상기 바디의 대향 측면사이로 연장하는 리스트 핀 보어를 가지며, 상기 리스트 핀 보어는 상기 측면 사이로 연장하는 파도 프로화일을 가지며, 상기 파도 프로화일은, 리스트 핀 보어의 원주 방향을 따라서 연장하는 중앙의 골을 가지고 중앙에 위치한 적어도 하나의 오목면을 가지며, 상기 오목면은 상기 리스트 핀 보어의 중심 영역에 위치하면서 부드럽게 변화하여, 상기 리스트 핀 보어의 원주 방향을 따라서 연장하는 산을 가진 2개의 외측 볼록면들에 측면으로 이어지며, 상기 산은 상기 골의 대향 측면상에 있는, 커넥팅 로드.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 커넥팅 로드는 중앙 길이방향 축선을 따라서 연장하고, 상기 오목면은 상기 중앙 길이방향 축선에 의해 2등분되는, 커넥팅 로드.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 볼록면은 상기 대향 측면에 각각 연장하여 물결모양을 형성하는, 커넥팅 로드.
  12. 제 9항에 있어서, 상기 프로화일은 상기 리스트 핀 보어의 원주 둘레 전체로 연장하지 않는, 커넥팅 로드.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 프로화일은 상기 리스트 핀 보어 원주를 180도 이상 연장하는, 커넥팅 로드.
  14. 제 9항에 있어서, 상기 프로화일은 상기 리스트 핀 보어의 원주 둘레 전체로 연장하는, 커넥팅 로드.
  15. 제 9항에 있어서, 상기 파도 프로화일은 상기 대향 측면 사이로 연장하는 방향을 따라서 부드러운 면을 따라 물결모양을 형성하는, 커넥팅 로드.
  16. 제 9항에 있어서, 상기 파도 프로화일은 상기 커넥팅 로드의 일부 구성품으로 구성된 부싱내에 형성되어 있는, 커넥팅 로드.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 바디는 상기 부싱의 눌림끼움에 적합한 크기의 완전한, 원통형 개구를 가지는, 커넥팅 로드.
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