KR101554759B1

KR101554759B1 - 내연 기관용 피스톤에 링 부재를 고정하기 위한 방법

Info

Publication number: KR101554759B1
Application number: KR1020107015804A
Authority: KR
Inventors: 라이너 샤르프
Original assignee: 말레 인터내셔널 게엠베하
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2015-09-21
Also published as: CN101903632B; KR20100093607A; CN101903632A

Abstract

본 발명은 내연 기관용 피스톤(1)에 링 부재(6)를 고정하기 위한 방법에 관한 것이다. 이 방법에서는 링 부재(6)가 피스톤 헤드(9) 부분(23)의 방사상 외측면에 형성된 나사산(5)을 통해 피스톤 베이스 바디(4)에 조여지며, 피스톤 헤드(9)에서 나사산(5)의 영역에는 위로 열리고 둘레로 뻗은 그루브(24)가 형성되고, 그루브(24)는 납땜 재료(26)로 채워지며, 납땜 재료(26)가 액화되고 나사산(5)의 틈새 사이로 흐를 때까지 피스톤(1)이 가열되고 이어서 피스톤(1)이 냉각된다. 이를 통해 피스톤 베이스 바디(4)와 링 부재(6) 사이에 견고한 나사 연결부가 형성된다. 또한 이를 통해 냉각 채널(14)이 피스톤 헤드(9)에 작용하는 고압의 연소 가스에 대해 밀폐된다.

Description

내연 기관용 피스톤에 링 부재를 고정하기 위한 방법{METHOD FOR FIXING AN ANNULAR ELEMENT ON A PISTON FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 청구항 1항의 전제부에 설명된 내연 기관용 피스톤에 링 부재를 고정하기 위한 방법에 관한 것이다.

PCT 출원 WO 2004/111420 A1에는 피스톤 베이스 바디와 링 부재를 체결하는 방법이 공개되어 있으며, 이 링 부재는 피스톤 헤드의 방사상 외측에 있는 부분을 형성하며 또한 피스톤 베이스 바디와 함께 피스톤 헤드에 인접하고 둘레에 형성된 방사상 외측의 냉각 채널을 형성한다. 피스톤에 가해지는 지속적인 강한 열부하 및 기계적 부하는 피스톤 베이스 바디와 링 부재 사이의 나사 연결부를 이완시키고 이로 인해 실린더 면(실린더의 피스톤 활주면)의 손상이 발생될 수 있다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 이러한 단점을 극복하는 것이다.

이 목적은 독립항의 특징부에 명시한 특징들을 통해 달성된다.

본 발명에 따른 추가적인 납땜 접합부를 통해 피스톤 베이스 바디에서 링 부재의 견고한 고정이 이루어진다. 또한 이를 통해 링 부재 및 피스톤 베이스 바디에 의해 형성된 냉각 채널이 피스톤 헤드에 작용하는 고압의 연소 가스에 대해 밀폐된다.

본 발명은 상기 종래 기술의 단점을 극복하는 효과가 있다.

본 발명은 하기 도면을 통해 설명된다. 도 1은 90도 엇갈리게 도시된 2개의 피스톤 종단면도를 나타내는 2개의 반쪽으로 이루어진 내연 기관용 피스톤의 단면도를 나타낸다.

도면은 2개 반쪽으로 이루어진 내연 기관용 피스톤(1)의 단면도를 나타낸다. 이 단면도에서 좌측 반쪽은 피스톤(1)의 종단면도를 90도 회전시킨 피스톤(1)의 단면도를 나타낸다. 피스톤(1)은 피스톤 베이스 바디(4)를 포함하며, 피스톤(1)의 헤드 랜드(7) 및 링 지대(8)를 지지하는 링 부재(6)는 피스톤 헤드측 나사산(5)을 통해 피스톤 베이스 바디와 결합된다. 피스톤 베이스 바디(4) 및 링 부재(6)는 스틸, 예시적으로 본 실시예에서는 석출경화 페라이트 펄라이트 스틸(precipitation hardened, ferrite-pearlite steel)(AFP steel) 또는 주철로 제조될 수 있다.

피스톤 베이스 바디(4)는 일체형으로 형성되며 피스톤 헤드(9)의 영역에서 연소 공동(10)을 포함한다. 각각 하나의 보스 서포트(11, 11')를 통해 각각 하나의 보스 구멍(3, 3')을 갖는 두 개의 핀 보스(12, 12')가 피스톤 헤드(9)에 형성되어 있으며, 그 정면(16)은 링 부재(6)에 비해 피스톤 종축(17)의 방향으로 후방에 배치되어 있다. 핀 보스(12, 12')는 스커트 부재(13, 13')를 통해 서로 결합된다. 피스톤 베이스 바디(4)는 링 부재(6)를 지지하는, 피스톤(1)의 상단 영역과 스커트 부재(13, 13') 사이에서 홈(18)을 가지며, 이 홈은 본 실시예에서 피스톤 베이스 바디(4)의 스커트 부재(13, 13') 영역에서 부분적으로 둘레로 뻗어 있다.

피스톤 베이스 바디(4)는 피스톤 헤드(9)의 영역에서 링 부재(6)와 함께 환형의 냉각 채널(14)을 형성한다. 이 냉각 채널은 피스톤 베이스 바디(4)의 일부와 링 부재(6)의 일부에 형성되어 있다. 핀 보스(12) 방향에서 냉각 채널(14)은 피스톤 베이스 바디(4)의 보스 서포트(11, 11') 높이로 방사상 외측에 배치된 돌출부(15)에 의해 덮힌다. 피스톤 헤드 측에서 돌출부(15)에는 방사상 외측에 칼라 형태의 돌기부(21)가 형성되며, 그 방사상 치수는 링 지대(8)의 방사상 외측 치수보다 크다. 도면에는 냉각 채널(14)의 방출구(20)도 도시되어 있다.

피스톤(1) 제조 시 링 부재(6)가 피스톤 베이스 바디(4)에 조여지고 납땜 재료의 액화를 위해 피스톤(1)이 오븐에서 가열되기 전에, 피스톤 베이스 바디(4)와 링 부재(6)의 서로 접촉하는 면에 납땜 재료가 도포될 수 있다.

그러나 피스톤(1)의 제조 시 먼저 링 부재(6)에 의해 형성된 피스톤 헤드(9) 방사상 외측 부분(22)의 피스톤 헤드 측 방사상 내측 모서리 뿐 아니라 피스톤 베이스 바디(4)에 의해 형성된 피스톤 헤드(9)의 방사상 내측 부분(23)의 피스톤 헤드 측 방사상 외측 모서리도 사면이 형성되고, 이로써 피스톤 헤드(9)의 방사상 외측 부분(22)이 피스톤 헤드(9)의 방사상 내측 부분(23)과 일직선 상에 놓이고 둘레로 뻗는 V자 단면의 그루브(24)가 형성될 때까지 링 부재(6)가 나사산(5)을 통해 피스톤 베이스 바디(4)에 조여지는 경우, 제조 공정은 더욱 간단하고 저렴해진다. 이 과정에서 링 부재(6)의 하단 정면이 돌출부(15)의 표면(25)에 접한다.

이어서 그루브(24)에 납땜 재료(26')가 채워지고 돌기부(21)도 피스톤 헤드 측에서 납땜 재료(26)로 덮힌다. 이와 관련하여 구리 계열 또는 니켈 계열의 고융점 납땜 페이스트가 적합한 것으로 입증되었다. 또한 마찬가지로 구리 계열 또는 니켈 계열 재질의 솔더 와이어 또는 솔더 호일을 돌기부(21)의 표면 및 그루브(24)에 도포하는 것도 가능하다.

오븐에서 피스톤(1)은 900℃와 1300℃ 사이의 온도, 예시적으로 본 발명에서는 1050℃와 1250℃ 사이의 온도로 가열되며 납땜 재료(26')는 나사산(5)의 틈새로 흐를 때까지 액화된다. 또한 돌기부(21)의 표면에 존재하는 납땜 재료(26)도 동시에 액화되며 돌출부(15)의 표면(25)과 링 부재(6)의 하단 정면 사이로 침투한다.

이어서 피스톤(1)은 오븐에서 제거되고 5 내지 50˚K/min의 냉각 속도로 600℃ 미만의 온도로 피스톤(1)이 제어식으로 냉각되는 과정에서 돌출부(15)의 면과 링 부재(6)의 면 사이 그리고 나사산(5) 내에 존재하는 납땜 재료(26, 26')가 경화되고 피스톤 베이스 바디(4)와 링 부재(6) 사이에서 견고한 나사 연결부가 형성되고 돌출부(15)에서 링 부재(6)의 고정이 이루어진다. 본 실시예에서는 냉각 시 석출 경화가 나타난다. 스틸 표면의 관석(스케일링) 방지를 위해 냉각 과정은 무산소 분위기에서, 바람직하게는 진공에서 또는 환원 분위기에서 이루어진다.

이어서 링 부재(6)의 방사상 외측면을 통해 튀어 나온 돌기부(21) 부분은 제거된다.

납땜 재료(26')로 고정된 나사 연결부의 다른 이점으로서 높은 열부하에 노출된 연소 공동(10)과 링 부재(6) 사이에서 열 흐름이 개선되고 이로써 피스톤 헤드(9)의 방사상 내측 부분(23)의 열부하가 감소된다. 또한 나사산(5)에 있는 납땜 재료로 인해 냉각 채널(14)이 피스톤 헤드(9)에 작용하는 고압의 연소 가스에 대해 밀폐된다.

1 피스톤
2 보스 구멍의 종축
3 보스 구멍
4 피스톤 베이스 바디
5 나사산
6 링 부재
7 헤드 랜드
8 링 지대
9 피스톤 헤드
10 연소 공동
11, 11' 보스 서포트
12, 12' 핀 보스
13, 13' 스커트 부재
14 냉각 채널
15 돌출부
16 정면
17 피스톤 종축
18 홈
19 공급구
20 방출구
21 돌기부
22 피스톤 헤드(9)의 방사상 외측 부분
23 피스톤 헤드(9)의 방사상 내측 부분
24 그루브
25 돌출부(15)의 표면
26, 26' 납땜 재료

Claims

내연 기관용 피스톤(1)에 링 부재(6)를 고정하기 위한 방법으로서
- 2개의 스커트 부재(13, 13')를 통해 서로 결합되며 각각 하나의 보스 서포트(11, 11')를 통해 피스톤 헤드(9)와 결합된 2개의 핀 보스(12, 12')를 가지고 피스톤 헤드(9)의 방사상 내측 부분(23)을 형성하는 피스톤 베이스 바디(4)가 포함되며,
- 링 부재(6)가 피스톤 헤드(9) 내측 부분(23)의 방사상 외측면에 형성된 나사산(5)을 통해 피스톤 베이스 바디(4)와 결합되고, 피스톤 헤드(9)의 방사상 외측 부분(22)을 형성하며 피스톤 베이스 바디(4)와 함께, 피스톤 헤드(9)에 인접하고 둘레로 뻗어 있는 방사상 외측 냉각 채널(14)을 형성하며,
- 링 부재(6)의 하단 정면이 보스 서포트(11, 11')의 높이로 피스톤(1)의 방사상 외측면에 형성되며 둘레로 진행하는 돌출부(15)의 피스톤 헤드 측 표면(25)과 접촉하는,
방법에 있어서, 하기 공정 단계를 특징으로 하는 방법:
- 돌출부(15)에 표면(25)을 방사상 외측으로 확장하는 돌기부(21)를 형성하며, 돌기부(21)는 링 지대(8)의 방사상 외측 치수보다 큰 방사상 치수를 갖는 단계,
- 피스톤 헤드(9)의 내측 부분(23)의 방사상 외측 모서리 및 외측 부분(22)의 방사상 내측 모서리에 각각 하나의 사면을 형성하는 단계,
- 피스톤 헤드(9)의 내측 부분(23) 및 외측 부분(22)의 양측 사면이 V자 단면의 그루브(24)를 형성하도록 나사산(5)을 통해 피스톤 베이스 바디(4)에 링 부재(6)를 조이는 단계,
- 납땜 재료(26, 26')를 이용해 돌기부(21)의 피스톤 헤드 측 표면을 덮고 그루브(24)를 채우는 단계,
- 납땜 재료(26, 26')가 액화되고 나사산(5)의 틈새 사이 그리고 피스톤 헤드 측 표면과 링 부재(6) 하단 정면 사이로 흐를 때까지 피스톤(1)을 가열하는 단계,
- 피스톤(1)의 냉각 단계,
- 링 부재(6)의 방사상 외측면을 통해 튀어 나온 돌기부(21) 부분의 제거 단계.
내연 기관용 피스톤(1)에 링 부재(6)를 고정하기 위한 제1항에 따른 방법에 있어서, 다음 공정 단계를 특징으로 하는 방법:
- AFP 스틸 재질의 링 부재(6) 및 피스톤 베이스 바디(4)의 사용,
- 구리 계열 또는 니켈 계열의 납땜 재료(26, 26')의 사용,
- 1050℃와 1250℃ 사이의 온도로 피스톤(1)의 가열,
- 5 내지 50˚K/min의 냉각 속도로 무산소 분위기에서 600℃ 미만의 온도로 피스톤(1) 냉각.
내연 기관용 피스톤(1)에 링 부재(6)를 고정하기 위한 제2항에 따른 방법에 있어서,
진공에서의 피스톤(1)의 냉각을 특징으로 하는 방법.
내연 기관용 피스톤(1)에 링 부재(6)를 고정하기 위한 제2항에 따른 방법에 있어서,
환원 분위기에서의 피스톤(1)의 냉각을 특징으로 하는 방법.
내연 기관용 피스톤(1)에 링 부재(6)를 고정하기 위한 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 방법에 있어서,
납땜 페이스트 형태의 납땜 재료(26, 26')의 사용을 특징으로 하는 방법.
내연 기관용 피스톤(1)에 링 부재(6)를 고정하기 위한 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 방법에 있어서,
솔더 와이어 형태의 납땜 재료(26, 26')의 사용을 특징으로 하는 방법.
내연 기관용 피스톤(1)에 링 부재(6)를 고정하기 위한 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 방법에 있어서,
솔더 호일 형태의 납땜 재료(26, 26')의 사용을 특징으로 하는 방법.