KR20080080630A - 내연 기관용 투피스형 피스톤 - Google Patents

내연 기관용 투피스형 피스톤 Download PDF

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Abstract

본 발명은 그 피스톤 크라운(4)의 하단면에서 수나사(32)를 갖는 핀(31)을 포함하는 상단부(2) 및 핀(31)에 조여진 너트(29)를 통해 상단부(2)와 결합된 하단부(3)를 구비한 내연 기관용 투피스형 피스톤(1)에 관한 것이다. 하단부(3)는 탄성으로 휘어지는, 상단 바닥부(25)를 포함하며, 그에는 방사상 내측으로 축방향 탄성의 신축 슬리브(26)가 형성되며, 이 신축 슬리브는 방사상 내측을 향하는 칼라(28)를 구비한 개구(27)를 포함하고, 이 개구로 핀(31)이 삽입된다. 너트(29)에는 칼라(28)에 접하는 탄성 압축 슬리브(30)가 형성된다. 여기에서 바닥부(25), 신축 슬리브(26), 압축 슬리브(30), 핀(31) 및 피스톤 크라운(4)의 탄성 에너지는, 볼트 체결부가 피스톤(1)의 낮은 압축 높이에도 불구하고 볼트 체결부에 강한 강도를 부여하는 평평한 특성곡선을 포함한다.

Description

내연 기관용 투피스형 피스톤{TWO-PIECE PISTON FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구항 1항의 전제부에 설명한 내연 기관용 투피스형 피스톤에 관한 것이다.
유럽 공개 특허 공보 EP 0 604 223 A1에는 상단부 및 하단부를 구비한 투피스형 피스톤이 공개되어 있다. 이 특허에서 상단부의 피스톤 크라운 대응측 하단면에서는 상단부와 하단부를 서로 체결하는 수나사를 구비한 핀이 부착되어 있다. 핀이 비교적 긴 길이를 가지며 이로써 어느 정도의 탄성을 가지므로 볼트 체결부에는 약한 예하중이 가해진다. 이와 관련하여 단점은 피스톤의 압축 높이를 줄이는 것을 불가능하게 하는 핀의 공간 소요이다.
본 발명의 목적은, 전술한 종래 기술의 단점을 극복하고 그럼에도 불구하고 투피스형 피스톤의 상단부와 하단부 사이에서 견고한 볼트 체결을 제공하는 것이다.
이 목적은 독립항의 특징부에 명시한 특징들을 통해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시 형태는 종속항에 설명된다.
본 발명은 하기 도면을 통해 설명된다. 도면은 다음과 같다.
도 1은 그 상단부 및 그 하단부가 너트를 통해 압축 슬리브와 서로 결합된 투피스형 피스톤을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 피스톤의 저면도를 나타낸다.
도 3은 압축 슬리브와 압축 슬리브에 형성된 칼라 사이에 와셔가 배치되어 있는 본 발명에 따른 볼트 체결부의 형태를 나타낸다.
도 4는 그 접촉면이 피스톤 크라운 방향에서 원추형으로 형성되는 압축 슬리브 및 칼라의 형태를 나타낸다.
도 1에는 상단부(2) 및 하단부(3)를 포함하는 투피스형 냉각식 피스톤(1)이 도시되어 있다. 상단부(2) 및 하단부(3)는 강철 또는 다른 금속 재료로 제조될 수 있다. 피스톤 크라운(4)은 상단부(2)의 축방향 상단면을 한정하고, 상단면의 방사상 내측 구역은 연소 공동(combustion cavity)(5)을 포함한다. 피스톤 크라운(4)의 외측 가장자리에는 환형 측벽(6)이 형성되어 있으며, 그 외측면은 피스톤 크라운측에서 헤드 랜드(head land)(7)를 형성하고, 그에는 도면에 도시하지 않은 피스톤 링의 고정을 위한 링 그루브를 구비한 링 지대(8)가 연결된다.
피스톤 크라운(4)에 대응하는 하단부(3) 하단면에는 각각 하나의 핀 구멍(10, 10')을 구비한 두 개의 핀 보스(pin boss)(9, 9')가 배치되며, 그 정면(11)은 환형 측벽(6)에 대해 피스톤 축(12)의 방향에서 뒤로 배치되어 있다. 핀 보 스(9, 9')는 피스톤 스커트 부재(13, 13')를 통해 서로 연결된다.
피스톤(1)의 상단부(2) 및 하단부(3)는 내측 서포트(14) 및 그에 동심성으로 배치된 외측 서포트(15)를 통해 서로 결합된다. 내측 서포트(14)는 상단부(2)의 연소 공동(5) 대응측에 배치된 지지면(16) 및 피스톤 크라운측에서 하단부(3)의 서포트 리브(17)에 배치된 지지면(18)을 통해 형성된다. 외측 서포트(15)는 환형 측벽(6)의 하단면을 한정하는 지지면(19) 및 피스톤 크라운측에서 하단부(3)의 환형 서포트 리브(20)에 배치된 지지면(21)을 통해 형성된다.
피스톤(1)의 상단부(2) 및 하단부(3)에는 피스톤(1)의 피스톤 크라운측 가장자리 구역에 배치된 냉각 채널(22)이 형성되며, 그 방사상 외측 경계부는 환형 측벽(6)에 의해 형성되고, 그 방사상 내측 경계부는 부분적으로 서포트 리브(17) 및 부분적으로 피스톤 크라운(4)에 의해 형성되며, 그 축방향 하단 경계부는 피스톤(1)의 하단부(3)에 의해 형성된다. 냉각 오일은 유입구(23)을 통해 냉각 채널(22)로 공급된다.
피스톤(1)은 피스톤 축(12)에 대해 동심성으로 배치된 환형의 다른 냉각 채널(24)을 포함하며, 이 냉각 채널은 외측 냉각 채널(22)에 비해 더 작은 방사상 직경을 가지며 방사상 방향에서 볼 때 외측 냉각 채널(22) 내에 배치된다. 축방향 위에서는 내측 냉각 채널(24)이 피스톤 크라운(4)에 의해, 방사상 외측에서는 서포트 리브(17)에 의해, 방사상 아래에서는 탄성으로 휘어질 수 있게 얇은 벽으로 형성된, 하단부(3)의 상단 바닥부(25)에 의해 한정되며, 그 방사상 내측으로는 축방향 위를 향하는 신축 슬리브(26)가 형성되며, 그 축방향 위에 존재하는 개구(27)에는 방사상 내측을 향하는 칼라(28)가 제공되므로, 칼라(28)의 하단면이 너트(29)에 형성된 압축 슬리브(30)를 위한 스톱퍼로서 기능할 수 있다. 여기에서 신축 슬리브(26)는 내측 냉각 채널(24)의 방사상 내측 경계부를 형성한다.
피스톤 축(12)에 대해 동축성으로 피스톤 크라운(4)의 하단면에 외측면을 갖는 원통형 핀(31)이 형성되고, 외측면은 수나사(32)를 갖는 피스톤 크라운 대응측 단부 구역을 포함하고, 이 수나사는 너트(29)의 암나사에 상응하므로, 너트(29)를 수나사에 조일 수 있다. 핀(31)의 축방향 길이는 압축 슬리브(30)를 구비한 너트(29)의 축방향 길이에 거의 일치한다. 핀(31)의 방사상 직경 및 특히 그 수나사(32)는 신축 슬리브(26) 개구(27)의 방사상 직경보다 약간 작으므로, 핀(31)은 아무런 문제 없이 개구(27)로 삽입할 수 있다. 압축 슬리브(30)의 방사상 내경은 핀(31) 수나사(32)의 방사상 외경보다 약간 크다.
본 실시예에서는 핀의 수나사(32)와 피스톤 헤드(4)의 하단면 사이의 구역에서 핀(31)의 방사상 직경이 수나사(32)의 직경 및 압축 슬리브(30)의 내경보다 작게 형성되므로, 압축 슬리브(30)와 핀(31) 사이에 환형 냉각 공간(33)이 형성된다.
연결 채널(34)을 통해 내측 냉각 채널(24)로 흐르고, 그에서 오일의 일부가 하단부(3)의 상단 바닥부(25)의 개구(35)를 통해 다시 크랭크 케이스로 환류하는 냉각 오일이 유입구(23)를 통해 외측 냉각 채널(22)로 유입된다. 소량의 오일 일부가 피스톤 크라운(4)의 하단면과 칼라(28) 사이의 틈새(36) 및 신축 슬리브(26) 개구(27)를 통해 냉각 공간(33)으로 흐르고, 그에서부터 오일이 핀(31)의 수나사(32)에 형성되고 피스톤 축(12)에 대해 평행하게 놓인 방출 채널들을 통해 크랭크 케이 스로 환류한다. 이런 방출 채널들 중 하나의 방출 채널(37)이 도 1에 도시되어 있다. 이는 강한 열부하가 가해지는 피스톤(1) 상단부(2)에 대한 매우 우수한 냉각 효과를 갖는다.
피스톤(1) 상단부(2) 및 하단부(3)의 조립 시 우선 피스톤 크라운(4)의 하단면에 배치된 핀(31)이 피스톤 하단부(3)의 상단 바닥부(25)에 형성된 신축 슬리브(26)의 개구(27)를 통해 안내된다. 이후 피스톤(1) 조립 공정에서 피스톤(1)의 상단부(2) 및 하단부(3)가 서로 동축성으로 정렬되는데, 이는 다음을 통해 달성된다. 서포트 웨브(20)의 단면이 방사상 내측을 향하고 축방향에서 피스톤 크라운(4)의 방향을 향하는 계단의 형태를 가지며, 환형 측벽(6)의 하단 정면이 내측면에서 원통형의 홈(38)을 가지고, 그 내측 형태가 서포트 웨브(20)의 외측 형태에 일치하므로, 피스톤(1)의 상단부(2) 및 하단부(3)의 조립 시 서포트 웨브(20)가 홈(38)에 삽입되고 이로써 상단부(2) 및 하단부(3)가 동축성으로 정렬된다.
그에 이어서 너트(29)의 암나사가 핀(31)의 수나사(32)와 접촉할 때까지, 너트(29)의 압축 슬리브(30)가 핀(31)의 수나사(32)를 통해 이동된다. 이제 압축 슬리브(30)의 상단 정면이 신축 슬리브(26)의 칼라(28)에 접촉할 때까지, 너트(29)가 수나사(32)에 조여진다.
특정한 토크를 사용하여 너트(29)를 더욱 조일 경우에 다음과 같은 효과가 나타난다. 탄성 유연성의 상단 바닥부(25)가 판스프링 형태로 피스톤 크라운(4)의 방향으로 변형되며, 얇은 벽으로 형성된 신축 슬리브(26)가 축방향으로 팽창하고, 마찬가지로 얇은 벽으로 형성된 압축 슬리브(30)가 축방향으로 서로 압축되며, 감 소된 방사상 직경을 갖는 핀(31) 중앙 부분에서 팽창이 나타나고, 연소 공동(5)을 한정하는 피스톤 크라운(4) 부분이 판스프링의 형태로 샤프트 방향으로 변형된다. 피스톤 부분(25, 26, 30, 31 및 4)의 이러한 탄성 변형은 너트(29)와 핀(31) 사이의 볼트 체결부에서 매우 평평한 특성곡선이 나타나게 하는 작용을 하는데, 이는 피스톤(1)에 가해지는 온도 영향 및 기계적 영향에 무관하게 이 볼트 체결부에 강한 강도를 제공한다.
너트(29)는 육각 너트로서 형성될 수 있다. 하지만 피스톤(1)의 조립 시 이점은, 도 1에 개략적으로 도시하고 도 2에 상세히 도시한 바와 같이 너트(29)가 피스톤 크라운에 대향하는 정면에서 구멍(39, 40, 41)을 포함하는 경우에 나타난다. 이로써 렌치를 이용해 너트(29)를 완전히 조이는 것이 가능한데, 이 렌치는 너트(29)와 거의 동일한 방사상 직경을 갖는 좁은 원통 형태를 가지며, 그 일측 정면에는 구멍(39, 40, 41)과 동일한 상호 간격을 가지며 또한 그에 대한 상보적 형태를 갖는 핀이 부착된다. 이러한 유형으로 형성된 렌치를 통해 매우 큰 토크를 너트(29)에 전달할 수 있다. 또한 이 렌치는 비교적 작은 방사상 직경을 가지므로, 렌치는 비교적 접근이 어려운 너트(29)를 조이는데 매우 적합하게 사용할 수 있다.
도 2에 따른 피스톤(1)의 저면도에는 개구(35) 및 냉각 채널(24)에 존재하는 오일의 방출을 위한 다른 개구(42)가 도시되어 있다. 또한 도 2에는 냉각 오일의 유입 및 방출에 사용되는 외측 냉각 채널(22)의 유입구(23) 및 배출구(43)가 도시되어 있다. 이외에도 도 2에는 핀(31)의 수나사(32)에 형성된 세 개의 방출 채널(37, 37', 37'')이 뚜렷하게 도시되어 있는데, 이 채널들은 냉각 공간(33)에서 핀(31)과 압축 슬리브(30) 사이에 모인 오일을 방출하는 기능을 한다.
도 3은 피스톤 하단부(3)와 피스톤 상단부(2)의 본 발명에 따른 볼트 체결부의 형태를 나타낸다. 이 볼트 체결부에서는 피스톤 크라운측의 신축 슬리브(26)에 형성되고 방사상 내측을 향하는 칼라(28)와 압축 슬리브(30) 사이에 와셔(44)가 배치된다. 이 와셔(44)는, 체결된 상태에서 압축 슬리브(30)에서 칼라(28)로 가해지는 면압(surface pressure)이 칼라(28)와 압축 슬리브(30) 사이에서 접촉부의 전체 둘레에 걸쳐 분포되도록 하는 작용을 한다.
도 4에 따르면 칼라(28', 46)와 압축 슬리브(30')의 서로 접촉하는 면(45)이 피스톤 크라운(4) 방향에서 원추형으로 피스톤 축(12)의 방향으로 형성된다. 면(45, 46)은 구형으로 형성될 수도 있으며 피스톤 크라운(4) 방향에서 피스톤 축(12) 방향으로 뻗을 수 있다. 이를 통하여 체결 상태에서 신축 슬리브(26), 칼라(28') 및 압축 슬리브(30')에 형성되는 재료 응력의 감소 효과가 나타난다. 또한 면(45, 46) 사이에 와셔를 배치할 수 있는데, 이를 통하여 압축 슬리브(30)에서부터 칼라(28)로 가해지는 면압의 균일화라는 추가적인 이점이 달성된다.
본 발명은 내연 기관용 투피스형 피스톤에 이용될 수 있다.
[도면 부호의 설명]
1 피스톤
2 상단부
3 하단부
4 피스톤 크라운
5 연소 공동
6 환형 측벽
7 헤드 랜드
8 링 지대
9, 9' 핀 보스
10, 10' 핀 구멍
11 핀 보스(9, 9')의 정면
12 피스톤 축
13, 13' 피스톤 스커트 부재
14 내측 서포트
15 외측 서포트
16 상단부(2)의 지지면
17 하단부(3)의 서포트 리브
18 하단부(3)의 지지면
19 지지면
20 서포트 웨브
21 지지면
22 외측 냉각 채널
23 유입구
24 내측 냉각 채널
25 하단부(3)의 상단 바닥부
26 신축 슬리브
27 개구
28, 28' 칼라
29 너트
30, 30' 압축 슬리브
31 핀
32 수나사
33 냉각 공간
34 연결 채널, 오일 공급구
35 개구, 오일 방출구
36 틈새
37, 37'.37''방출 채널
38 원통형 홈
39, 40, 41 구멍
42 개구
43 배출구
44 와셔
45 압축 슬리브(30')와 접촉하는 칼라(28')의 면
46 칼라(28')와 접촉하는 압축 슬리브(30')의 면

Claims (9)

  1. 내연 기관용 투피스형 피스톤(1)으로서,
    - 피스톤 크라운(4)을 형성하며, 그 피스톤 크라운(4) 대응측 하단면에 피스톤 축(12)에 대해 동축성으로 존재하는, 수나사(32)를 구비한 원통형 핀(31)이 배치되어 있는 상단부(2),
    - 그 하단면에 핀 구멍(10, 10')을 구비한 핀 보스(9, 9') 및 핀 보스(9, 9')를 서로 결합하는 스커트 부재(13, 13')가 배치된 하단부(3)를 포함하고,
    - 하단부(3)가 피스톤 크라운측에서 피스톤 축(12)에 대해 동축성으로 존재하며, 핀(31)이 삽입되는 개구(27)를 포함하며, 그리고
    - 상단부(2) 및 하단부(3)가 핀(31)의 수나사(32)에 조여진 너트(29)를 통해 서로 체결되는
    내연 기관용 투피스형 피스톤(1)에 있어서,
    - 하단부(3)가 탄성 유연성의 상단 바닥부(25)를 포함하며, 이 바닥부가 피스톤 축(12)에 대해 동축성으로 배치되며, 오일 공급구(34) 및 오일 방출구(35)를 구비한 닫힌 환형 냉각 채널(24)을 스커트측에서 한정하고, 이 냉각 채널이 피스톤 크라운측에서 상단부(2)에 의해 한정되며,
    - 방사상 내측으로 피스톤 축(12)에 대해 동축성으로 배치되며, 위를 향하고, 축방향에서 탄성인 신축 슬리브(26)가 바닥부(25)에 형성되며, 이 신축 슬리브가 냉각 채널(24)의 방사상 내측 경계부를 형성하고, 그 피스톤 크라운측 단부에서 개구(27)를 포함하며,
    - 개구(27)가 방사상 내측을 향하는 칼라(28)를 포함하고,
    - 피스톤 크라운측에서 피스톤 축(12)에 대해 동축성으로 존재하며, 축방향에서 탄성인 압축 슬리브(30)가 너트에 형성되며, 이 압축 슬리브가 피스톤 크라운측에서 칼라(28)에 접하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  2. 제1항에 있어서, 수나사(32)가 핀(31) 외측면의 피스톤 크라운 대응측 단부 구역에 존재하며, 수나사(32)와 피스톤 크라운(4) 사이의 핀(31) 구역이 수나사(32)보다 더 작은 방사상 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 너트(29)가 하단면에서 최소한 두 개의 구멍(39, 40, 41)을 포함하며, 거의 원통형인 렌치의 정면에 배치된 핀이 그에 끼워지는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 핀(31)과 압축 슬리브(30) 사이의 냉각 공간(33)에 존재하는 오일을 방출시키기 위한 최소한 하나의 방출 채널(37, 37', 37'')이 핀(31)의 수나사(32)에 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 압축 슬리브(30)와 칼라(28) 사 이에 와셔(44)가 배치되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 압축 슬리브(30')와 접촉하는 칼라(28')의 면(45) 및 칼라(28')와 접촉하는 압축 슬리브(30')의 면(46)이 피스톤 크라운(4) 방향에서 피스톤 축(12) 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 압축 슬리브(30')와 접촉하는 칼라(28')의 면(45) 및 칼라(28')와 접촉하는 압축 슬리브(30')의 면(46)이 피스톤 크라운(4) 방향에서 피스톤 축(12) 방향으로 원추형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 압축 슬리브(30')와 접촉하는 칼라(28')의 면(45) 및 칼라(28')와 접촉하는 압축 슬리브(30')의 면(46)이 구형을 가지며 피스톤 크라운(4) 방향에서 피스톤 축(12) 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 칼라(28')의 면(45)과 압축 슬리브(30')의 면(46) 사이에 와셔(44)가 배치되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
KR1020087016936A 2005-12-17 2006-06-07 내연 기관용 투피스형 피스톤 KR101279842B1 (ko)

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