KR20070085062A - 경사축형 액셜-피스톤 엔진용 피스톤 및 그와 같은피스톤을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

피스톤 엔진, 특히 경사축(inclined-axes)의 액셜-피스톤 엔진(axial-piston engine; 1)용의 피스톤(2)은 원뿔형 부분(26), 네크 영역(19) 및 상기 네크 영역(9)에 형성되는 볼 단부(9), 상기 피스톤에 구성되는 간극(15) 및 상기 간극(15)에 구성되는 핀(14)을 포함한다. 상기 피스톤(2)의 상기 벽(20)은 그 축방향 길이의 상이한 부분들에서 상이한 재료 두께들을 가진다.

피스톤 엔진, 경사축형의 액셜-피스톤 엔진, 원뿔형 부분, 네크 영역, 볼 단부

Description

경사축형 액셜-피스톤 엔진용 피스톤 및 그와 같은 피스톤을 제조하는 방법{Piston for axial piston engine with inclined axes, and method for producing one such piston}

본 발명은 청구항 1에 따른 경사축형의 액셜 피스톤 엔진용 피스톤 및 청구항 15에 따른 그와 같은 피스톤을 제조하는 방법에 관한 것이다.

액셜-피스톤 엔진들은 예컨대 유압액들을 위한 유압 펌프들로서 매우 일반적이다. 독일 특허출원공개 공보 DE 33 19 822 A1으로부터, 예를 들면 펌프 보디(pump body), 원통형 로우터 및 로우터를 둘러싸고 상기 로우터가 고정되는 외부 캐리어(outer carrier)를 포함하는 유압 펌프가 알려져 있다. 입구 및 출구가 또한 이송될 유체를 위한 펌프 보디의 일면에 제공된다. 로우터내에는 등각도 간격들로 로우터축에 대해 평행하게 또는 반경 방향으로 연장하는 다수의 실린더들이 구성된다. 로우터가 회전할 때 전후로 움직일 수 있는 피스톤들이 상기 실린더들내에 배치된다. 상기 로우터를 위한 캠 드라이브가 제공되는 데, 그 캠 드라이버에 의해 실린더들이 상기 면 위에서 연속적으로 움직이고 유체를 흡인하기 위한 입구를 통과하고, 연속해서 출구를 통과하며, 그 결과로서 상기 유체는 피스톤들의 작용을 받아 출구면에서 방출된다. 또한 입구와 출구 사이에는 실린더들이 상기 입구로부 터 상기 출구로 이동할 때 이들이 이동하는 예비-압축 영역(pre-compression zone)이 제공된다.

경사축형의 알려진 액셜-피스톤 엔진들의 유리한 점은 특히 한편에서 작용하는 힘들때문에 피스톤 엔진의 회전 속도를 제한하는 피스톤들의 솔리드 설계(solid design)에 있다.

한편, 솔리드 피스톤들(solid pistons)의 경우에 있어서, 액셜-피스톤 엔진이 작동할 때 실린더 드럼(cylinder drum)의 회전에 있어서의 불규칙성 때문에 피할 수 없는, 충격들을 흡수하는 이들의 능력은 적절하지 않고, 그 결과 회전 속도가 마찬가지로 제한되고 또한 피스톤들 및 실린더 드럼에 대한 기계적 손상이 더 빠르게 일어날 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 경량이고, 고속 회전 속도들에서조차 충격들을 흡수하고 라운드 러닝(round running)을 보장할 수 있을 만큼 충분한 탄성이 있고, 제조에 있어서도 적절한 경사축형의 액셜-피스톤 엔진용 피스톤을 제공하는 것이고, 상기 목적은 또한 그와 같은 피스톤들을 제조하는 방법을 보여주는 것이다.

이 목적은 피스톤에 대해서는 청구항 1의 특징들에 의해 달성되고, 방법에 대해서는 청구항 15의 특징들에 의해 달성된다.

상기 피스톤은 유리하게는 간극 및 또한 적절한 내부 및 외부 윤곽들(external contours)을 가지며, 개개의 영역들의 재료 두께는 요구조건들에 의존하여 상이하도록 선택된다.

피스톤을 안정화시키는 거의 솔리드 볼의 피스톤 링들을 수용하기 위한 더 두꺼운 베이스 및 또한 중량을 줄이기 위한 피스톤의 원뿔형 영역에서의 얇은 벽들의 구성은 특히 유리하다.

본 발명에 따라 구성된 피스톤 및 본 발명에 따른 방법의 유리한 추가의 발전 양상은 종속항들에 나타나 있다.

본 발명 및 본 발명에 의해 얻어질 수 있는 다른 이점들이 최선의 실시예들 및 도면들의 도움을 받아 이하에 더 상세히 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 구성된 피스톤들을 이용하기 적합한 경사축형의 액셜-피스톤 엔진의 절단도.

도 2A 내지 도 2E는 본 발명에 따라 구성된 피스톤을 제조하는 데 필요한 공정 단계들의 개략도.

도 1은 본 발명에 따라 구성된 피스톤(2)을 이용하기 적합한 경사축형의 액셜-피스톤 엔진(1)을 지나는 축 단면도를 나타낸다. 경사축형의 액셜-피스톤의 기본 구성은 알려져 있고, 그래서 다음의 설명은 본 발명에 필수적인 구성요소들에 한정될 수 있다.

액셜-피스톤 엔진(1)은 바람직하게는 등각도 간격들로 구성되어 있는 실린더 드럼(3), 유압액을 이송하는 피스톤들(2)이 안내되는 복수의 실린더들(4)을 포함한다. 상기 액셜-피스톤 엔진(1)은 실린더 드럼(3)을 구동하는 회전 샤프트 장치(5) 를 가진다. 상기 실린더 드럼(3)은 그 경사를 조정가능한 면(6)에 대해 움직이고, 그 결과 피스톤들(2)이 실린더들(4)내에서 전후로 이동되어 유체를 이송한다. 상기 면(6)을 갖는 구성요소(7)의, 반경방향 경로에 따른, 변위가 상기 면(6)의 경사각을 변경시키고, 그것과 함께, 피스톤들(2)의 스트로크 또는 송출되는 양을 변경시킨다. 스톱들(stops)(12)이 상기 구성요소(7)의 선회각도를 제한하기 위해 제공된다.

피스톤들(2)은 원뿔형 부분(26), 네크 영역(neck region; 19) 및 상기 네크 영역 위에 형성되고 안내 보디(10)에 결합하고 상기 안내 보디를 통해 샤프트 장치(5)와 동작가능하게 접속하는 볼 단부(ball end; 9)를 가진다. 상기 원뿔형 부분(26)에는 밀봉 목적으로 작용하는 피스톤 링들(8)이 제공된다.

상기 샤프트 장치 및 실린더 드럼(3)의 회전 운동의 동기화가 피스톤들의 원뿔형 부분(26)과 함께, 각 실린더들의 벽들(11)에 놓이는 피스톤들(2)에 의해 일어난다. 원뿔형 피스톤들(2)과 대응하는 실린더 벽들(11)의 기하학적 형상때문에, 회전각에 따라 다르고 상기 실린더 드럼(3)의 불균일한 회전을 낳는 샤프트 장치(5)와 실린더 드럼(3) 사이의 차동각이 생긴다.

이들 환경들하에서, 실린더 드럼(3)은 각각의 경우에, 실린더 벽(11)에 대해 최소 차동각을 가진 피스톤에 의해서만 인트레인먼트된다. 차동각이 Π-주기 함수이므로, 각각의 피스톤들(2)은 1회전 당 2번 안내 피스톤으로서의 역할을 교대로 한다. 직경방향으로 반대에 있는 피스톤(2)으로의 인트레인먼트의 변경이, 각각의 경우에, 피스톤들(2)의, 도 1에 각각 OT 및 UT로 나타낸 상 및 하사점 중심의 근방 에서 일어난다. 실린더 드럼(3)의 회전 불균일은 선회각의 중간 영역에서 가장 크다. 액셜-피스톤 엔진(1)의 선회 최대각의 확대는 선회각의 중간 범위에서의 불균일의 초과비례 상승을 일으킨다.

차동각의 곡선은 개개의 피스톤들(2)의 인트레인먼트 범위 곡선의 개개의 조각들로 만들어지고 수학적으로 불연속이므로, 이론적으로 무한히 짧은 지속 기간의 속도 점프가 운동의 변경시에 일어난다. 이들 속도 점프들은 회전 속도에 의존하고 또한 실린더 드럼(3)의 회전시 동기화로부터의 편차들의 진폭에 의존하고, 피스톤(2)과 실린더 벽(11) 사이의 접착 연마 마모에 의한 실린더 드럼(3)의 임계 회전 진동들로 이어지고, 그 후 액셜-피스톤 엔진(1)의 고장으로 이어질 수 있는 충격들을 생기게 한다.

피스톤의 탄성 스프링 편향 가능성이 적절한 측정들에 의해 개선되면, 충격이 일어날 경우 발생하는 힘들은 충격 에너지를 흡수하는 개선된 용량에 의해 감소될 수 있다.

그러므로, 본 발명에 따르면, 도시된 액셜-피스톤 엔진(1)의 피스톤(2)은 탄성 스프링 편향의 개선된 가능성을 얻기 위해, 가장 낮은 가능한 벽 두께를 갖는 폐중공 피스톤들(closed hollow pistons; 2)로 구성된다. 이것은 특히 사판형(swash-plate type)의 액셜-피스톤 엔진들과는 대조적으로, 실린더 드럼(3)을 인트레인먼트하기 위한 단지 무시가능한 작은 횡력들을 전달할 필요가 있기 때문에, 경사축형의 액셜-피스톤 엔진들(1)의 경우에 가능하다.

그것의 특별한 원뿔형으로 인해, 냉간 압출 부분완성 제품(cold-extruded semi-finished product)으로부터의 로터리-스웨이지 부품(rotary-swaged part)으로서의 피스톤(2)의 구성은 그 자신을 제안한다. 이 경우에, 벽 두께는 적절히 얇도록 선택될 수 있고, 피스톤(2)이 이 지점에서 작동압력에 의해 부하를 받기때문에, 그것은 강도의 이유 때문에 피스톤 링들(8)의 영역에서만 더 큰 벽두께를 선택할 필요가 있다.

이들 환경들 하에서, 최적화된 중량(weight)의 탄성 피스톤들(2)의 이점들은 특히 경사축형의 액셜-피스톤 엔진(1)의 선회각도 및 회전 속도를 증가시킬 가능성에 있다.

이 경우에, 피스톤들(2)은 도 2A 내지 도 2E에 개략적으로 나타낸 것과 같이, 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된다.

도 2A는 원형 스톡(round stock; 13)이 원하는 길이로 트리밍되는, 제 1 제조 단계를 나타낸다. 이 경우, 상기 원형 스톡(13)의 직경은 바람직하게는 피스톤(2)의 볼 단부(9) 직경의 약 1.1 내지 1.5 배, 특히 바람직하게는 약 1.15 내지 1.2 배에 이른다. 이것은 동시에 원뿔형 피스톤(2)의 최대 직경이다.

내부 윤곽이 냉간 압출에 의해 원형 스톡(13)으로 프레스되는 다음의 제조 단계가 도 2B에 도시된다. 피스톤(2)의 강도를 보장하는, 재료의 적절한 두께가 내부적으로 구성된 핀(14)에 대해, 상기 핀(14)이 연장하는 피스톤(2)내의 내부 간극(15)에 대해, 그리고 상기 피스톤(2)의 베이스(16)에 대해 선택된다. 냉간 압출 동작에 기인한 재료(17)의 오버플로들(overflows)은 이들이 후속 처리 단계들 동안 존재하기 때문에 남을 수 있고 또한 피스톤(2)의 추가 세이핑(shaping)에 이용될 수 있다. 간극(15)은 피스톤(2)의 베이스(16)를 향하고 있는 영역에서 더 작은 직경을 가지며, 그러므로 후자는 이 영역에서 더 큰 벽 두께를 가진다.

도 2C는 러프 터닝(rough-turning)에 의한 피스톤(2)의 외부 윤곽의 제조와 관련된 후속 처리 단계를 나타낸다. 이 동작에서, 재료는 블랭크(blank)의 폐쇄단의 영역에서 제거되고, 한편 재료의 두께가 증가된 숄더(18)가 개방단의 영역에 남는다. 후속 처리 단계에서, 이 영역은 세이핑되어 피스톤(2)의 볼 단부(9)를 형성한다. 동시에, 피스톤(2)의 베이스(16) 영역에서의 벽 두께들은 피스톤 링들(8)이 상기 피스톤(2)을 약화시키지 않고 설치될 수 있는 방식으로 선택된다.

도 2D는 볼 단부(9)의 영역에서 피스톤(2)의 로터리 스웨이징(rotary swaging)과 관련된 처리 단계를 나타낸다. 한쪽의 볼 단부(9), 및 다른 쪽의 피스톤(2)의 원뿔형상은 로터리-스웨이징 동작에 의해 제조된다. 상기 처리들에서, 네크 영역(19)은 간극(15)의 내벽(20)이 핀(14)에 맞닿게 되는 방식으로 형성된다. 이 결과, 상기 간극(15)은 네크 영역(19)에 대해 폐쇄된다. 추가 공동(21)이 볼 단부(9)에 구성된다.

끝으로, 간극(15)이 예를 들면 오일과 같은 적절한 유체가 충전될 수 있는 보어들(22)이 피스톤(2)의 네크 영역(19)에, 도 2E에 나타낸 것과 같이 설치된다. 이것은 유체의 압력이 상기 간극(15)에서 증가하지 않게 보장한다. 게다가, 고정된 제한기(restrictor; 24)를 갖는 길이방향 보어(23)가 볼 단부(9)의 균일한 압력 윤활을 보장하기 위해 핀(14)에 설치된다. 피스톤 링들(8)을 위한 홈들(25)이 피스톤(2)의 베이스(16)의 영역으로 된다. 상기 피스톤(2)은 이후 경화 및 연마된다.

본 발명은 나타낸 예시적인 실시예에 한정되지 않는다. 높은 데드 볼륨(higher dead volume)에 기인한 효율의 손실이 허용가능하면 대응하는 구성의 피스톤(2)이 또한 대안으로 개방 중공 피스톤(2)으로서 구성될 수 있다. 피스톤(2)의 베이스(16) 위에 납땜된 커버를 갖거나 마찰-압접 부분(friction-welded part)과 같은 폐쇄 중공 피스톤(2)의 실시예가 마찬가지로 생각될 수 있다. 본 발명의 개개의 특징들은 임의의 원하는 방식으로 서로 조합될 수 있다.

Claims (18)

1. 피스톤 엔진, 특히 경사축형(inclined-axis type)의 액셜-피스톤 엔진(axial-piston engine; 1)용의 피스톤(2)으로서,

   상기 피스톤은 원뿔형 부분(26), 네크 영역(neck region; 19) 및 상기 네크 영역(9)에 형성되는 볼 단부(9), 상기 피스톤에 구성되는 간극(15) 및 상기 간극(15)에 구성되는 핀(pin; 14)을 포함하고,

   상기 피스톤(2)의 상기 벽(20)은 그 축방향 길이의 상이한 부분들에서 상이한 재료 두께들을 가지는, 피스톤.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 피스톤(2)의 베이스(16) 및 상기 볼 단부(9)의 상기 영역에서의 상기 피스톤(2) 재료의 상기 두께는 상기 원뿔형 부분(26)에서보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 피스톤.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 간극(15)의 반경방향 직경은 상기 피스톤(2)의 상기 베이스(16)를 향해 감소하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 간극(15)은 상기 핀(14)을 향해 상기 간극(15)의 상기 벽(20)의 내면이 맞닿음으로써, 상기 네크 영역(19)에서 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
5. 제 4 항에 있어서,

   적어도 하나의 보어(22)가 상기 네크 영역(19)에 구성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 간극(15)은 상기 적어도 하나의 보어(22)를 통해 유압액으로 충전될 수 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   길이방향 보어(23)가 상기 핀(14)에 구성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
8. 제 7 항에 있어서,

   제한기(restrictor; 24)가 상기 길이방향 보어(23)에 제공되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 피스톤(2)은 피스톤 링들(8)을 가진 것을 특징으로 하는 피스톤.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 피스톤 링들(8)은 상기 피스톤(2)의 상기 베이스(16)의 영역에서 홈들(25)에 배치되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

    공동(cavity; 21)이 상기 볼 단부(9)에 구성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 피스톤(2)은 냉간 압출(cold extrusion) 및 로터리 스웨이징(rotary swaging)에 의해 원형 스톡(round stock; 13)으로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 원형 스톡(13) 재료의 상기 두께는 상기 볼 단부(9)의 상기 직경의 1.1 내지 1.5 배 및 바람직하게는 1.15 내지 1.2 배에 이르는 치수로 되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 원형 스톡(13) 직경은 상기 피스톤(2)의 최대 직경을 결정하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
15. 피스톤 엔진, 특히 경사축형(inclined-axis type)의 액셜-피스톤 엔진(axial-piston engine; 1)용의 피스톤(2)을 제조하는 방법으로서,

    상기 피스톤(2)은 원뿔형 부분(26), 네크 영역(19) 및 상기 네크 영역(9)에 형성되는 볼 단부(9), 상기 피스톤에 구성되는 간극(15) 및 상기 간극(15)에 구성되는 핀(14)을 포함하고,

    상기 피스톤(2)의 벽(20)은 그 축방향 길이의 상이한 부분들에서 상이한 재료 두께들을 가지며,

    상기 방법은:

    a) 원형 스톡(13)을 상기 원하는 길이로 트리밍하는 단계;

    b) 내부 윤곽(internal contour)을 냉간 압출에 의해 제조하는 단계;

    c) 외부 윤곽(external contour)을 러프-터닝(rough-turning)에 의해 제조하는 단계;

    d) 상기 외부 윤곽을 라운드 스웨이징(round swaging)에 의해 제조하는 단계; 및

    e) 다듬질하는 단계를 포함하는, 피스톤 제조 방법.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 제 2 처리 단계 b)는:

    페그(14) 및 상기 간극(15)에 대해 적당한 직경을 선택하는 부단계;

    상기 피스톤의 베이스(16)에 대해 재료의 두께를 선택하는 부단계; 및

    선택된 치수들을 고려하여, 상기 피스톤(2)의 상기 내부 윤곽을 냉간 압출하는 부단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 제조 방법.
17. 제 15 항에 있어서,

    상기 제 3 처리 단계 c)는:

    나중에 상기 피스톤(2)의 상기 원뿔형 부분(26)이 될 재료의 제거와 함께, 상기 피스톤(2)에 대한 외부 윤곽을 러프-터닝하는 부단계; 및

    성형될 상기 볼 단부(9)의 영역에서 숄더(18)의 형태로 재료의 상기 두께를 적응시키는 부단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 제조 방법.
18. 제 15 항에 있어서,

    상기 제 5 처리 단계 e)는:

    상기 피스톤(2)의 상기 네크 영역(19)에 적어도 하나의 보어(22)를 설치하는 부단계;

    적절한 유체로 상기 피스톤(2)내의 간극(15)을 충전하는 부단계;

    상기 핀(14)에 제한기(24)를 길이방향 보어(23)에 설치하는 부단계;

    상기 피스톤(2)의 상기 베이스(16)의 영역에 피스톤 링들(8)을 위한 홈 들(25)을 설치하는 부단계; 및

    상기 피스톤(2)을 경화 및 연마하는 부단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 제조 방법.

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