KR20100098664A

KR20100098664A - 내연 기관용 투피스형 피스톤

Info

Publication number: KR20100098664A
Application number: KR1020107014282A
Authority: KR
Inventors: 볼프강 이슬러
Original assignee: 말레 인터내셔널 게엠베하
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2010-09-08
Also published as: JP2011506816A; EP2229521A2; CN101896711B; US20090151556A1; DE102007060472A1; KR101531436B1; CN101896711A; US8113105B2; WO2009076928A2; WO2009076928A3

Abstract

본 발명은 그 피스톤 헤드(4)의 하단면에서 수나사(32)를 갖는 핀(31)을 포함하는 상단부(2) 및 축방향에서 방사상 내측으로 탄성 신장이 가능한 신축 슬리브(26)가 형성되어 있는 바닥부(25)를 구비한 하단부(3)를 포함하는 내연 기관용에 관한 것으로서, 이 슬리브에는 하단부(3)와 상단부(2)를 체결하기 위해 핀(31)이 삽입되어 있고 신축 슬리브(26)는 축방향으로 신장된다. 신축 슬리브(26)의 재료는 그 강도의 개선을 위해 다른 나머지 피스톤 재료에 비해 더 강한 항복강도를 갖는다. 항복강도의 증대는 축 방향에서 그 길이의 거의 1%에 해당하는 신축 슬리브의 영구 신장을 통해 달성된다.

Description

내연 기관용 투피스형 피스톤{TWO-PIECE PISTON FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 청구항 1항의 전제부에 설명된 내연 기관용 투피스형 피스톤에 관한 것이다.

독일 공개 특허 공보 DE 10 2005 060 548 A1에는 상단부 및 하단부를 구비한 내연 기관용 투피스형 피스톤이 공개되어 있다. 이 피스톤은 그 피스톤 헤드의 하단면에서 동축성으로 배치된 수나사 핀을 구비한 상단부 그리고 방사상 내측에 동축성으로 배치되고 축 방향으로 탄성 신장이 가능한 신축 슬리브가 그 바닥부에 형성되어 있는 하단부를 포함한다. 하단부와 상단부를 체결할 때 핀이 신축 슬리브로 삽입되고 그 후에 신축 슬리브를 축 방향으로 신장시키는 핀에 너트가 조여진다. 이런 방식의 단점은 엔진 가동 시 신축 슬리브 재료의 항복강도를 초과하는 축 방향의 힘이 신축 슬리브에 전달될 수 있고, 이러한 힘이 신축 슬리브의 영구적인 선형 신장 및 이로써 피스톤 상단부와 하단부 사이의 나사 체결부의 이완을 발생시킨다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 이러한 단점을 극복하는 것이다.

이 목적은 독립항의 특징부에 명시한 특징들을 통해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시 형태는 종속항에 설명된다.

축 방향에서 신축 슬리브의 소성 변형을 통하여, 엔진 가동 시 일반적인 신축 슬리브의 인장하중이 신축 슬리브 재료의 가소화 위험을 발생시키지 않고 이로써 피스톤 상단부와 피스톤 하단부 사이의 나사 체결부의 이완을 발생시키지 않을 정도로 신축 슬리브 재료의 항복강도가 증대되는 것이 달성된다.

종래 방식의 단점인 엔진 가동 시 신축 슬리브 재료의 항복강도를 초과하는 축 방향의 힘이 신축 슬리브에 전달될 수 있고, 이러한 힘이 신축 슬리브의 영구적인 선형 신장 및 이로써 피스톤 상단부와 하단부 사이의 나사 체결부의 이완을 발생시키는 단점을 극복하는 효과가 있다.

본 발명은 하기 도면을 통해 상세히 설명된다. 도면은 다음과 같다.
도 1은 그 상단부 및 그 하단부가 너트를 통해 압축 슬리브와 서로 체결된 투피스형 피스톤의 단면도를 나타낸다.
도 2는 피스톤 하단부에 부착된 신축 슬리브의 항복강도를 영구 신장을 통해 증대시키는 조립 보조수단을 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 헤드(4)는 상단부(2)의 축방향 상단면에 접하고, 상단면의 방사상 내측 구역은 연소 공동(5)을 포함한다. 피스톤 헤드(4)의 외측 가장자리에는 환형 측벽(6)이 형성되어 있고, 그 외측면은 피스톤 헤드 측에서 헤드 랜드(7)를 형성하고, 그에는 도면에 도시되지 않은 피스톤 링의 고정을 위한 링 그루브를 구비한 링 지대(8)가 연결된다.

피스톤 헤드(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 보스(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 헤드 측에서 하단부(3)의 환형 서포트 리브(17)에 배치된 지지면(18)을 통해 형성된다. 외측 서포트(15)는 환형 측벽(6)의 하단면을 한정하는 지지면(19) 및 피스톤 헤드 측에서 하단부(3)의 환형 서포트 웨브(20)에 배치된 지지면(21)을 통해 형성된다.

피스톤(1)의 상단부(2) 및 하단부(3)에는 피스톤(1)의 피스톤 헤드측 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 헤드(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 헤드(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 형성되어 있고, 그 축방향 위에 존재하는 제1 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. 축 방향에서 신축 슬리브(26)는 제1 개구(27)에 대향하는 측면에서 제2 개구(43)를 갖는다(이와 관련하여 도 2 참조).

피스톤 축(12)에 대해 동축성으로 피스톤 헤드(4)의 하단면에 외측면을 갖는 원통형 핀(31)이 형성되고, 외측면은 수나사(32)를 갖는 피스톤 헤드 대응측 단부 구역을 포함하고, 이 수나사는 너트(29)의 암나사에 상응하므로, 너트(29)를 수나사(32)에 조일 수 있다. 핀(31)의 축방향 길이는 압축 슬리브(30)를 구비한 너트(29)의 축방향 길이에 거의 일치한다. 핀(31) 및 특히 그 수나사(32)의 방사상 직경은 신축 슬리브(26) 제1 개구(27)의 방사상 직경보다 작으므로, 핀(31)은 아무런 문제 없이 제1 개구(27)로 삽입이 가능하다. 압축 슬리브(30)의 방사상 내경은 핀(31) 수나사(32)의 방사상 외경보다 크다.

본 실시예에서는 그 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 헤드(4)의 하단면과 칼라(28) 사이의 틈새(36) 및 신축 슬리브(26) 제1 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 케이스로 환류된다. 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 헤드(4)의 하단면에 배치된 핀(31)이 피스톤 하단부(3)의 상단 바닥부(25)의 제2 개구(43)에 형성된 신축 슬리브(26)의 제1 개구(27)를 통해 삽입된다. 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 헤드(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 헤드(4)의 방향으로 변형되며, 얇은 벽으로 형성된 신축 슬리브(26)가 축방향으로 팽창하고, 마찬가지로 얇은 벽으로 형성된 압축 슬리브(30)가 축방향으로 서로 압축되며, 감소된 방사상 직경을 갖는 핀(31) 중앙 부분에서 팽창이 나타나고, 연소 공동(5)을 한정하는 피스톤 헤드(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.

엔진 가동 시에는 특히 흡기행정에서 신축 슬리브 재료의 항복강도를 초과하는 화살표(40) 방향의 힘이 신축 슬리브(26)에 전달되는 위험이 발생하는데, 이러한 힘은 그 재료의 영구적인 선형 신장 및 이로써 피스톤(1) 상단부(2)와 하단부(3) 사이의 나사 체결부의 이완을 발생시킨다. 따라서 본 발명에서는 신축 슬리브가 냉각 상태에서 제어된 인장하중에 노출되도록 함으로써 신축 슬리브 재료의 항복강도를 증대시키는 것이 제안된다. 이를 통해 신축 슬리브 재료의 연성 저하 없이 신축 슬리브가 축 방향에서 그 길이의 약 1%에 해당하는 영구 신장을 한다.

신축 슬리브(26)에 제안된 인장하중을 가하기 위하여, 도 2에 따라서 스터드 볼트(41)가 원활하게 제1 개구(27) 및 제2 개구(43)를 통과할 수 있도록 하기 위해 피스톤 헤드 측에서 신축 슬리브(26)를 한정하는 칼라(28)에 있는 제1 개구(27)의 내경보다 약간 작은 외경을 갖는 스터드 볼트(41)를 사용할 수 있다. 하단 단부에서 원통형 외측면을 가지며 그 외경은 신축 슬리브(26)의 내경보다 약간 작지만 제1 개구(27)의 내경보다는 약간 큰 너트(42)가 스터드 볼트(41)에 조여지므로 너트(42)의 상단 정면이 칼라(28)의 하단면에 접할 때까지 스터드 볼트(41)가 조여진 너트(42)와 함께 제2 개구(43) 및 신축 슬리브(26)의 내부 공간을 통과하여 삽입될 수 있다.

그 다음 축 방향에서 신축 슬리브(26)를 그 길이의 약 1% 신장시키기 위해서, 칼라(28)에 접하는 너트(42)를 통해 제어된 인장하중을 신축 슬리브(26)에 가하는 인장력이 화살표(40)의 방향에서 신축 슬리브(41)에 가해진다. 피스톤(1)은 도 2에 도시되지 않은 조립장치에 고정되어 있다.

이를 통하여 엔진 가동 시 신축 슬리브(26)에 인장하중이 가해질 때 신축 슬리브 재료의 가소화 위험 및 피스톤 상단부(2)와 피스톤 하단부(3) 사이에서 나사 체결부의 이완 또는 예하중의 상실 위험이 더 이상 발생하지 않도록 신축 슬리브(26)의 영역에서 피스톤 재료의 항복강도가 증대되는 것이 달성된다.

신축 슬리브(26) 재료의 항복강도를 증대시키기 위해, 도면에 도시되지 않은 조립장치를 이용하여 신축 슬리브(26)를 그 길이의 약 1%만큼 축방향으로 압축시키는 계산된 압력을 신축 슬리브(26)에 가하는 것도 가능하다.

마찬가지로 압축 슬리브(30)를 그 길이의 약 1%만큼 압축시키는 계산된 압축력을 압축 슬리브(30)에 가하는 방식으로 압축 슬리브(30) 재료의 항복강도를 증대시키는 것도 가능하다.

1 피스톤
2 상단부
3 하단부
4 피스톤 헤드
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 제1 개구
28 칼라
29 너트
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 구멍
40 화살표
41 스터드 볼트
42 너트
43 제2 개구

Claims

내연 기관용 투피스형 피스톤(1)으로서,
- 피스톤 헤드(4)를 형성하며, 그 피스톤 헤드(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 바닥부(25)로 이루어진 하단부(3)를 포함하고,
- 바닥부(25)가 피스톤 축(12)에 대해 동축성으로 배치된 제2 개구(43)를 포함하고, 그 가장자리에는 위를 향하며, 축방향에서 탄성 신장이 가능한 신축 슬리브(26)가 형성되어 있고, 이 슬리브는 그 피스톤 헤드 측 단부에서 제1 개구(27)를 가지며, 핀(31)이 제1 및 제2 개구(43, 27)에 삽입되며,
- 제1 개구(27)가 방사상 내측을 향하는 칼라(28)를 포함하고, 그 내경은 핀(31)의 외경보다 크고,
- 상단부(2) 및 하단부(3)가 핀(31)의 수나사(32)에 조여지고 피스톤 헤드 측에서 칼라(28)에 접하는 너트(29)를 통해 서로 체결되는 피스톤에 있어서,
신축 슬리브(26)의 재료가 다른 나머지 피스톤 재료에 비해 더 높은 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
제1항에 있어서, 항복강도의 증대를 위해 신축 슬리브(26)가 완성된 피스톤 하단부(3)에서부터 축방향으로 그 길이의 0.5% 내지 5% 만큼 소성 변형되는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
제1항 또는 제2항에 있어서, 항복강도의 증대를 위해 신축 슬리브(26)가 완성된 피스톤 하단부(3)에서부터 축방향으로 그 길이의 약 1% 만큼 소성 변형되는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
제2항 또는 제3항에 있어서, 항복강도의 증대를 위해 신축 슬리브(26)가 완성된 피스톤 하단부(3)에서부터 축방향으로 신장되는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
제2항 또는 제3항에 있어서, 항복강도의 증대를 위해 신축 슬리브(26)가 완성된 피스톤 하단부(3)에서부터 축방향으로 압축되는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
제1항에 있어서, 상기 너트(29)가 피스톤 헤드 측에서 피스톤 축(12)에 대해 동축성으로 존재하며, 축방향에서 탄성 압축 슬리브(30)를 포함하며, 조립이 완료된 피스톤(1)에서 이 압축 슬리브는 피스톤 헤드 측에서 칼라(28)에 접하며, 그 재료는 너트(29)의 다른 나머지 재료에 비해 더 큰 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).
제6항에 있어서, 항복강도의 증대를 위해 압축 슬리브(30)가 축방향에서 그 길이의 약 1% 만큼 압축되는 것을 특징으로 하는 피스톤(1).