KR20020063486A - 내연기관용 피스톤핀 - Google Patents

Abstract

피스톤 기관에서, 핀을 과도하게 짧게 하지 않고서 피스톤핀의 축방향놀음이 방지될 수 있다. 그 가장 단순한 디자인(도 4)에서는, 완전한 길이의 피스톤핀이 연소실 표면에 대해 긴밀한 간극을 갖는 구형 단부 표면을 가져서, 핀이 핀 축을 따라 변위하는 것이 구형 단부 표면과 연소실 표면간의 접촉에 의해서 즉각적으로 저지될 수 있도록 된다. 각 구형 표면의 면적은 연소실 표면의 마모 또는 긁힘을 방지하기에 충분하다.

또 다른 완전한 길이의 피스톤핀 디자인에서는 단부에 딸깍 끼워지는(snapped in) 구형 판금속 캡을 포함하는데, 이는 핀(및 캡들)을 실린더 구멍 벽에 접촉하도록 고정한다.

Description

내연기관용 피스톤핀{PISTON PIN FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연기관에 관한 것으로, 특히 피스톤을 커넥팅 로드에 연결하는 핀의 축방향놀음(end play)을 억제하기 위한 개선된 수단을 구비한 피스톤 구조에 관한 것이다. 본 발명은 불꽃점화 가솔린기관 또는 압력점화 디젤기관에 사용될 수 있다.

많은 내연 기관에서 피스톤은 피스톤핀에 의해서 커넥팅 로드에 동작 가능하게 연결된다. 각각의 피스톤핀은 피스톤 및 커넥팅 로드의 정렬된 개구를 통과하여 연장되어 커넥팅 로드와 피스톤간의 피봇 연결을 하게 된다. 엔진의 크랭크축이 회전하면 각각의 커넥팅 로드의 일단은 구동샤프트축 주위로 공전한다. 커넥팅 로드의 타단은 피스톤 내의 피스톤핀 둘레로 회전운동(swivel motion)을 하며, 이에 의해서 각각의 커넥팅 로드는 관련된 피스톤과 크랭크축간에 동력을 전달하게 된다. 각각의 피스톤핀은 커넥팅 로드와 피스톤간의 피봇 연결로 소용된다.

어떤 특정한 피스톤 설계에서 피스톤은 두 조각 구조(two piece construction)를 갖는 관절식 피스톤(articulated piston)이다. 피스톤의 주요 구성부는 피스톤헤드와 피스톤스커트이다. 피스톤헤드로부터 아래로 연장되는 지주들이 피스톤핀을 위한 두개의 이격된 베어링을 형성한다. 관련된 커넥팅 로드의 일단이 베어링 사이의 공간으로 연장되고, 그에 의해서 커넥팅 로드와 피스톤간의 피봇 연결을 형성하기 위해 피스톤핀이 커넥팅 로드의 상기 일단과 상기 이격된 베어링을 통과하여 연장될 수 있다.

피스톤핀을 피스톤 내에 설치하기 위해서는, 커넥팅 로드가 피스톤 내로 삽입된 후에 핀이 최종위치로 이동하여야 한다. 전형적으로는, 피스톤은 피스톤핀이 피스톤 내로 삽입되는 것을 허용하기 위하여 피스톤 측벽에 정렬된 개구들을 가진다. 피스톤은 피스톤 내의 정렬된 베어링들 및 커넥팅 로드내에서 유동하는 방향성을 가져서 핀이 핀 축상에서 변위하여 실린더의 표면과 접촉하는 것이 가능하다. 실린더 표면이 마모되고 열화된다는 점에서 그러한 접촉은 바람직하지 않다. 마모작용에 의해서 생성된 미세한 금속 입자들이 실린더 표면의 추가적인 마모를 가져올 수 있다.

피스톤핀의 변위(또는 놀음)를 방지하기 위해서 핀의 단부들에 스냅링을 제공하는 것이 보통이었다. 각각의 스냅링은 피스톤 측벽내 개구내의 원환형 홈에 끼워 맞추어져서 피스톤핀 단부면에 대해 방해물이 되었다. 피스톤핀이 두개의 스냅링 사이에 위치되어서 핀이 핀 축방향을 따라 변위되지 않도록 하였다.

스냅링이 의도된 기능을 수행하기는 하지만 피스톤핀 축을 따른 공간을 이용하므로 인해 핀이 다소간 짧아지게 된다. 이렇게 상대적으로 짧은 핀은 이용 가능한 베어링 길이를 감소시키며, 이는 피스톤 또는 피스톤핀의 기대수명을 바람직하지 않게 감소시킬 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따라서 두개의 스냅링에 의해 피스톤핀의 과도한 축방향놀음이 억제된 것을 보이는, 피스톤핀을 통과하여 취한 횡단면도.

도 2는 본 발명에 따라서 피스톤핀의 축방향놀음을 방지하기 위한 두개의 단부 캡들을 보이는, 도 1과 동일한 방향에서 취한 횡단면도.

도 3은 종래 기술에 따른 또 다른 단부 캡들을 보이는, 도 2와 동일한 방향에서 취한 횡단면도.

도 4는 본 발명에 따라서 핀의 축방향놀음을 방지하기 위한 구형 표면을 갖는 단일 조각 피스톤핀을 보이는, 도 2와 동일한 방향에서 취한 횡단면도.

본 발명은 피스톤핀을 과도하게 짧게 하지 않고서 피스톤핀의 축방향놀음을 감소시키기 위한 장치에 관한 것이다. 피스톤핀의 길이가 더 길면 베어링 길이 및 베어링 표면적을 더 크게 할 수 있다.

본 발명의 한 형태에서, 피스톤핀의 축방향놀음을 제한하기 위한 장치는 핀의 양단에 고정된 두개의 단부 캡들을 포함한다. 각각의 단부 캡은 실린더의 측벽에 면하는 구형표면을 구비한다. 이들 구형 플랜지들은 피스톤 직경너머로 연장되며 도 2의 피스톤의 표면들(42,42) 보다도 약간 큰 거리만큼 간격이 떨어져 있어서, 피스톤핀이 핀 축을 따라 변위하려고 하면 플랜지 표면들중 하나가 피스톤 벽(42)에 접하게 된다. 실린더 벽과의 접촉은 없다. 이러한 방법은 또한 실린더 보어내로 피스톤을 조립하기 전에 피스톤핀이 떨어지는 것을 방지한다.

각각의 단부 캡은 피스톤핀의 단부면 내의 오목부로 박혀 들어가는 플러그부를 포함하고 있으며, 이에 의해서 캡은 핀을 과도하게 짧게 하지 않으면서 핀에 고정된다. 핀이 더 길면 상대적으로 더 긴 핀 베어링 길이를 제공하도록 핀이 설계될 수 있다.

본 발명의 또 다른 형태에서, 핀의 축방향놀음을 억제하기 위한 장치는 구형 단부면을 갖는 핀을 형성하는 것을 포함한다. 이들 구형 표면들간의 간격은 피스톤 직경보다 약간 작아서, 핀이 핀축을 따라 이동하려고 하면 구형표면들 중 하나가 실린더 측벽에 접촉하게 된다. 각각의 구형 표면은 실린더 벽 또는 구형 표면의 마모를 방지하기에 충분한 면적을 갖는다. 본 발명의 이러한 형태는 피스톤핀의 길이를 최대화하지만 조립 시에 부품이 떨어질 수 있는 문제점이 있다.

본 발명의 추가적인 특징들은 첨부된 도면을 참조한 이하에서의 본 발명의 예시적 실시예들의 설명으로부터 명확해질 것이다.

도 1을 참조하면, 종래의 내연기관에서 사용 가능한 관절식 피스톤의 피스톤스커트(10)가 도시되어 있다. 이때의 기관은 불꽃점화 가솔린기관 또는 압력점화 디젤기관일 수 있다. 도 1에 도시된 피스톤은 피스톤 길이방향축(16) 상에 중심을 갖는 원통형 측표면(14)을 구비하는 피스톤스커트(10) 측벽(12)을 포함한다. 관련된 연소 실린더는 피스톤 표면(14)과 미끄럼맞춤되는 원통형 표면을 구비한다.

피스톤스커트의 측벽(12)은 피스톤핀(22)을 내부에 수용하도록 만들어진 정렬된 원형 개구들(20)을 구비하는 두개의 마주보는 확장영역(18)을 가진다. 이들개구들은 핀을 위한 원형 베어링 표면(24)을 형성하며, 이에 의해서 핀은 핀 축(24)에 대한 전위(dislocation)나 반지름방향놀음(radial play)에 대항하여 지지되면서 개구들(20) 내에서 회전할 수 있다.

두개의 간격이 떨어진 지지벽(26)을 포함하는 피스톤헤드에 의해서 연소 압력 하중이 피스톤핀(22)으로 전달된다. 각각의 지지벽은 피스톤핀(22)을 위한 추가적인 베어링 지지를 제공하기 위해 압입끼워맞춤된 부싱(28)을 구비한다. 따라서, 핀(22)은 부싱(28)들의 내측 표면 및 개구(20)들의 표면(24)들에 의해서 지지된다.

관련된 커넥팅 로드(30)는 핀(22)의 중앙 영역을 에워싸고 있는 부싱(34)을 구비하는 원환형 끝부분(32)을 가져, 핀(22)과 커넥팅 로드간의 회전연결(swivel connection)을 형성한다. 커넥팅 로드의 도시되지 않은 일단은 엔진 크랭크축에 회전 가능하게 연결된다. 핀(22)은 커넥팅 로드와 피스톤스커트(10)와 피스톤헤드 지지벽(26)간의 회전연결을 형성한다. 핀은 피스톤 내부에서 유동하는 배치를 갖는다. 핀(22)의 질량을 최소화하기 위해서 관형부재로 형성된다. 또한, 핀의 단부 표면은 36으로 보여진 바와 같이 내부적으로 모따기된다.

핀 축(24)을 따른 핀(22)의 축방향놀음은 원환형 표면(24)내로 기계가공된 원환형홈(40)내에 삽입되는 두개의 스냅링(38)들에 의해서 억제된다. 각각의 스냅링은 C-자형 옆모습을 가지며, 이에 의해서 스냅링이 관련된 홈(40)으로 위치될 수 있도록 (적당한 도구를 써서) 원주방향으로 압축될 수 있다. 스냅링은 핀 축(24)을 따른 핀(22)의 변위 내지 놀음을 방지한다.

도 1의 핀배열이 갖는 하나의 단점은 스냅링(38)들로 인해서 핀 길이가 짧아진다는 것이다. 이렇게 감소된 핀 길이는 핀을 위한 총 베어링 표면적, 즉 표면(24), 부싱(28) 그리고 부싱(34)에 의해서 제공되는 베어링 표면을 감소시키다.

도 2는 더 큰 핀 길이와 그에 따른 핀을 위한 더 큰 베어링 표면적을 제공하기 위해 설계된 피스톤핀 배열을 보인다. 베어링 표면적은 도 1의 베어링 표면적과 비교하여 약 8% 증가된다. 대조적으로, 도 1의 핀(22) 길이는 스냅링(38)들(도 1)의 존재로 인해서 릴리프 표면(relief surface)(42) 사이의 거리보다 다소간 작다.

도 2에서, 피스톤핀 몸체(22)는 그 단부 표면들 내에 두개의 반대방향으로 면하는 원통형 오목부(44)를 갖는다. 각 원통형 오목부(44)의 옆면에는 원환형 홈(46)이 형성된다. 상기 오목부들은 핀 몸체(22)에 두개의 단부 캡(48)들을 고정시키기 위한 기구를 제공한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 각 단부 캡은 관련된 오목부(44)내부에 위치될 수 있는 관형 플러그부(50)와 상기 플러그부(50)로부터 외측으로 연장되는 반지름방향 플랜지(52)를 포함한다.

각각의 반지름방향 플랜지는, 피스톤 축(16)에 또는 그 근방에, 핀 축(24)을 따른 중심을 갖는 구형 표면(54)을 갖는다. 이러한 배열에서, 구형 표면(54)은 피스톤의 원통형 측면(14)을 거의 따른다. 상기 캡들은 스커트 핀 구멍의 각 단부에서 단지 작은 축방향 공간을 요한다. 다시 말해, 핀 구멍을 너머 연장되어서 통상 "스커트 핀 릴리프"라 불리는 스커트의 경감된(relieved) 수직 표면과 접촉하기에 충분한 정도의 작은 축방향 공간을 요한다. 피스톤핀의 축방향놀음 이동은 축받이통 (retainer)(50)이 표면(42)에 접촉하도록 하며 이에 의해서 축방향 놀음 이동을제한한다.

각 플랜지(52)의 이면은 핀(22)의 가장자리와 접하여 각각의 캡(48)이 핀에 관해 거의 고정적이도록 한다. 플러그부(50) 상의 원환형 돌기(56)는 관련된 홈(46) 내로 연장되어 핀(22)으로부터 각각의 캡(48)이, 특히 초기 조립체 동작시에, 빠지지 않도록 잠근다.

도 2에서, 피스톤핀은 관형부재(22)와 두개의 단부 캡(48)들로 구성된다. 단부 캡들의 구형 표면(54)들은 피스톤 스커트(10) 직경보다 약간 작은 거리만큼 간격이 떨어져 있다. 각 구형 표면(54)은 캡들 중 하나가 실린더 벽에 접촉하게 되는 경우에도 실린더 벽 또는 구형 표면의 심각한 마모를 방지하기에 충분한 정도의 면적을 갖는다.

도 3은 또 다른 단부 캡 구성을 보인다. 각 단부 캡(59)은 관형 핀 부재(22) 단부 내의 원통형 오목부(62)내로 압입끼워맞춤되도록 만들어진 원환형 플러그부(60)를 구비한다. 플랜지(64)의 평평한 이면은 관형 부재(22)의 단부에 접하여서 플러그부(60)가 오목부(62)내로 삽입이동되는 것을 제한한다.

각 단부 캡은 캡이 핀 부재(22)에 설치될 때에 연소 실린더 표면에 면하도록 만들어진 구형 표면(66)을 갖는다. 각 구형 표면(66)의 곡률반경은 피스톤 측표면(14)의 곡률반경과 거의 같다. 도 3에 도시된 바와 같이, 좌측 단부 캡상의 구형 표면(66)의 곡률중심은 67L 번으로 지정되어 있고, 우측 단부 캡상의 구형 표면의 곡률중심은 67R 번으로 지정되어 있다. 상기 두 구형 표면(66)들은 피스톤 측표면(14)의 직경보다 약간 작은 거리만큼 이격되어 있다.

도 3에서, 피스톤핀은 관형 부재(22)와 두개의 단부 캡(59)들로 구성된다. 구형 표면(66)들이 피스톤핀의 단부 표면들을 구성한다. 피스톤핀이 핀 축(24)을 따라 변위하려고 하는 경우에는 구형 표면(66)들 중 하나가 연소실의 측벽에 접하게 되고, 그에 의해서 핀의 축방향놀음이 제한 내지 방지되게 된다. 구형 표면(66)의 접촉된 면적은 연소실 표면의 마모나 긁힘을 방지하기에 충분하다.

도 4는 본 발명이 취할 수 있는 추가적인 형태를 보인다. 피스톤핀은 볼록한 구형 단부 표면(72)들을 구비한 단일 조각 관형 부재(70)로 구성된다. 양 구형 단부 표면(72)들은 관형 부재(70)의 중심점 상에 중심을 가지며, 도 4에서 그 중심점은 피스톤(10)의 축(16)과 일치한다. 핀 부재(70)가 관형으로 되어 있음에 따라, 각 구형 표면(72)은 원환형이다.

각 구형 단부 표면(72)의 곡률반경은 피스톤 측표면(14)의 곡률반경보다 약간 작아서, 정상적인 기관 작동시 구형 표면(72)들이 연소 실린더와 접촉하지 않도록 된다. 전형적으로, 각 구형 표면(72)은 핀 축(24)을 따라 측정하는 경우에 실린더로부터 대략 0.001 내지 0.003 인치 떨어져 있다.

핀(70)이 축(24)을 따라 변위하려고 하면 구형 표면(72)들 중 하나가 연소 실린더와 접촉하게 된다. 구형 표면(72)의 접촉 면적은 충분히 커서 실린더가 마모되거나 긁히지 않는다.

도면들은 본 발명이 취할 수 있는 두가지 형태를 보인다. 그러나, 본 발명은 다양한 형태와 구조를 취할 수 있을 것이라는 것이 인식될 것이다. 본 발명의 주된 특징 중 하나는 피스톤핀이 정상적으로는 연소 실린더로부터 최소한의 틈새만큼 이격되는 구형 단부 표면들을 구비한다는 것이다. 각 구형 표면의 면적은 피스톤핀이 핀 축(24)을 따라 변위를 시작하는 경우가 발생하더라도 연소 실린더의 마모나 긁힘이 없을 정도로 크다.

도 2는 여러 조각으로 된 피스톤핀 구조를 보이는데, 여기서 핀은 길쭉한 관형 부재와 상기 관형 부재의 양단에 고정되는 두개의 단부 캡들로 구성된다. 도 4는 구형 단부 표면들을 갖는 단일 조각 피스톤핀을 보인다. 본 발명은 이들 핀 구조 중 어떠한 것으로도 구현될 수 있다.

본 발명은 불꽃점화 가솔린기관 또는 압력점화 디젤기관에 사용될 수 있다. 하지만, 비교적 높은 연소실 압력을 갖는 고성능 디젤엔진에 본 발명의 주로 사용될 것으로 기대된다.

Claims (9)

1. 내연기관에 있어서,

   길이방향축과, 상기 길이방향축을 중심으로 하는 원통형 측표면을 갖는 피스톤 조립체를 포함하고;

   상기 피스톤 조립체는 상기 길이방향축과 교차하는 횡방향축 상에 정렬된 네개의 개구를 구비하며;

   상기 횡방향축 상에 정렬된 개구들을 통과하여 연장되는 피스톤핀을 포함하고;

   상기 피스톤핀은 상기 길이방향축에 인접한 지점에 중심을 갖는 볼록한 구형 단부 표면들을 구비하며;

   상기 구형 단부 표면들은 상기 핀의 길이가 실린더 측표면의 직경과 거의 같아서 횡방향축을 따른 피스톤핀의 놀음을 방지하도록 되는 것을 특징으로 하는,

   조합.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 피스톤핀은 단일 조각 관형 부재이고, 상기 볼록한 구형 단부 표면들이 상기 관형 부재상에 형성되는 것을 특징으로 하는,

   조합.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 피스톤핀은 하나의 관형 부재와 상기 관형 부재에고정되는 두개의 단부 캡들로 구성되고, 각 단부 캡은 상기 피스톤핀의 단부 표면을 정의하는 볼록한 구형 표면을 구비하는 것을 특징으로 하는,

   조합.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 피스톤은 길쭉한 실린더형 부재와 상기 실린더형 부재에 고정되는 두개의 단부 캡들로 구성되고; 상기 실린더형 부재는 두개의 반대쪽으로 면하는 오목부들을 가지며; 상기 단부 캡들은 상기 실린더형 부재에 상기 단부 캡들을 고정하기 위해서 상기 오목부내로 연장되는 플러그부를 구비하며; 각 단부 캡은 상기 피스톤핀의 단부 표면을 정의하는 볼록한 구형 표면을 구비하는 것을 특징으로 하는,

   조합.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 각 오목부는 원환형 측표면으로 구성되고, 각 원환형 측표면은 원환형 홈을 그 안에 가지며; 상기 단부 캡의 상기 플러그부는 상기 단부 캡을 상기 실린더형 부재에 고정하기 위하여, 관련된 원환형 홈내로 끼워지는 돌기부를 구비하는 것을 특징으로 하는,

   조합.
6. 내연기관에 있어서,

   길이방향축과, 상기 길이방향축을 중심으로 하는 원통형 측표면을 구비하는피스톤 조립체를 포함하고;

   상기 피스톤 조립체는 상기 길이방향축과 교차하는 횡방향축 상에 정렬된 네개의 개구들을 구비하며;

   상기 피스톤을 커넥팅 로드에 작동 가능하게 연결하기 위해 상기 정렬된 개구들을 통해 연장되는 피스톤핀을 포함하고;

   상기 피스톤핀은 원통형 측표면의 직경과 거의 같은 거리만큼 이격된 볼록한 구형 단부 표면들을 구비하는 것을 특징으로 하는,

   조합.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 각 볼록한 구형 단부 표면은 피스톤 원통형 측표면의 곡률반경과 거의 같은 곡률반경을 갖는 것을 특징으로 하는,

   조합.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 피스톤핀은 단일 조각 원통형 부재로 구성되고, 상기 볼록한 구형 단부 표면들은 상기 원통형 부재상에 형성되는 것을 특징으로 하는,

   조합.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 피스톤핀은 길쭉한 원통형 부재와 상기 원통형 부재에 고정되는 두개의 단부 캡들로 구성되고, 각각의 단부 캡은 피스톤핀의 단부 표면을 정의하는 볼록한 구형 표면을 구비하는 것을 특징으로 하는,

   조합.