KR20110100220A - 피스톤 베어링 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 적어도 서로 단단히 고정되는 상부 (1a) 및 하부 (1b) 를 갖는 피스톤 (1), 및 피스톤 (1) 에 회전가능하게 저널 (journal) 된 (그리고 사이에 끼워 맞춰진) 피스톤 핀 수단 (3) 이 제공된 상단부 (2a) 를 갖는 커넥팅 로드 (2) 를 포함하는, 내연기관용 피스톤 베어링 장치에 관한 것이다. 커넥팅 로드 (2) 의 상단부 (2a) 에는, 피스톤 (1) 의 상부 (1a) 의 내부 표면에 회전가능하게 결합되는 제 1 베어링 표면 (2a1) 이 제공된다. 피스톤 핀 수단 (3) 은, 커넥팅 로드 (2) 의 일측에 놓이고 또한 제 1 베어링 표면 (2a1) 에 대해 피스톤 핀 수단 (3) 의 반대측에 배치되는 제 2 및 제 3 베어링 표면 (3a) 을 포함한다.

Description

피스톤 베어링 장치{PISTON BEARING ARRANGEMENT}
본 발명은, 청구항 1 의 전제부에 따라 적어도 서로 단단히 고정되는 상부 및 하부를 갖는 피스톤, 및 피스톤에 회전가능하게 저널 (journal) 된 (그리고 사이에 끼워 맞춰진) 피스톤 핀 수단이 제공된 상단부를 갖는 커넥팅 로드를 포함하는 내연기관용 피스톤 베어링 장치에 관한 것이다.
전형적인 종래 기술의 내연기관의 장치를 보여주는 도 1a 및 도 1b 를 참조하여 보면, 피스톤 (1') 과 크랭크축 (도시 생략) 사이의 힘 전달은 커넥팅 로드 (2') 에 의해 이루어지고, 커넥팅 로드의 일 단부 (여기서 하단부라고 함) 는 크랭크축에 회전가능하게 부착되고, 타단부 (여기서 상단부 (2'a) 라고 함) 가 피스톤 핀 (3') 에 의해 피스톤 (1') 에 회전가능하게 부착된다. 장치는 커넥팅 로드의 상단부 (2'a) 와 피스톤 핀 (3') 사이의 베어링 표면 (10') 및 피스톤 핀 (3') 과 피스톤 (1') 사이의 베어링 표면 (11') 을 포함한다. 도 1b 에서 화살표로 나타낸 바와 같이, 피스톤 핀 (3') 에 걸리는 굽힘 하중의 대부분은, 크랭크 메커니즘으로부터의 관성 및 측력 (side forces) 보다는 실린더의 가스 힘으로부터 온다. 더 높은 실린더 출력 및 더 높은 실린더 최대 압력에 대한 요구가 증가함에 따라, 베어링 표면 영역을 증가된 굽힘력에 순응하게 할 필요가 존재한다. 증가된 실린더 압력은 베어링 표면의 상측 절반에 가장 많이 영향을 미친다. 그러나, 하측 베어링 절반에 걸리는 베어링 하중은 실린더 압력이 증가함에 따라 증가하지 않지만, 피스톤 중량 및 기관의 속도가 증가함에 따라 증가한다.
베어링 영역을 증가시키기 위한 공지된 해법은 커넥팅 로드의 상단부에서 구형 베어링 표면을 이용하는 것이다. 이 해법의 단점은, 커넥팅 로드의 상단부의 중량이 증가하여, 커넥팅 로드가 강화되어야 하고 기관의 밸런싱이 증가되어야 한다는 것이다. 또한, 구형 베어링 표면의 제조는 종래 원통형 베어링 표면보다 더 힘들다.
본 발명의 목적은, 종래 기술의 상기한 문제와 다른 문제를 해결하는 신규 피스톤 베어링 장치를 제공하는 것이다. 또한, 내연기관, 특히 대형 디젤 엔진에서 이용되는 증가된 실린더 압력 및 속도를 처리하기 위한 신뢰할 수 있는 해법을 제공하는 것도 본 발명의 목적이다.
본 발명의 목적은 본 발명의 여러 실시형태의 세부 내용을 보여주는 청구항 1 및 다른 청구항에 개시된 것처럼 실질적으로 충족될 수 있다.
본 발명의 기본 아이디어는 각 경우에서 힘의 방향에 따라 힘이 전달되는 방식을 분리하는 것이다. 이로써, 각각 상이한 하중 요구에 더 잘 순응하도록 상이한 베어링 직경 및 영역을 이용할 수 있고, 하중 조건에 따라 전체 구성을 최적화할 수 있다.
본 발명에 따르면, 커넥팅 로드의 상단부에는, 피스톤 상부의 내측 표면에 회전가능하게 결합하는 제 1 베어링 표면이 제공된다. 피스톤 핀 수단은, 커넥팅 로드의 일측에 놓이고 또한 제 1 베어링 표면에 대해 피스톤 핀 수단의 반대측에 배치되는 제 2 및 제 3 베어링 표면을 또한 포함한다. 이로써, 제 1 베어링 표면이 해당 실린더의 연소 과정으로부터 발생하는 하중을 지탱하는데 이용되는 한편, 제 2 및 제 3 베어링 표면은 피스톤의 이동 방향에서 위쪽으로 미치는 힘을 지탱한다. 아래쪽을 향하는 힘은 커넥팅 로드에 직접 전달되므로, 피스톤 핀에 굽힘 하중이 존재하지 않는다.
베어링 표면은 실질적으로 원통의 절반의 형태를 가지므로, 제조하기 용이하다. 그리고, 제 1 베어링 표면의 곡률 반경이 제 2 및 제 3 베어링 표면의 곡률 반경보다 실질적으로 더 큰 것이 유리하다. 이로써, 제 1 베어링 표면을 비교적 더 큰 베어링 영역을 갖도록 디자인함으로써, 각각 상이한 베어링 영역에 의해, 하중의 차이를 고려할 수 있다.
실제로, 제 1 베어링 표면의 곡률 반경은 제 2 및 제 3 베어링 표면의 곡률 반경보다 적어도 60 ~ 70 % 더 큰 것이 유리하다.
또한, 베어링 표면은, 바람직하게는 커넥팅 로드의 상단부의 회전 중심인, 동일한 곡률 중심을 갖는다.
실용적인 일 실시형태에서, 피스톤 핀 수단은 커넥팅 로드의 상단부에 삽입된 개별 피스톤 핀을 포함한다. 그리고, 제 2 및 제 3 베어링 표면은, 유리하게는, 피스톤 핀 수단의 축선 방향에서 제 1 베어링 표면과 일부 중첩될 수 있고, 이로써 이 베어링 표면의 영역이 또한 증가될 수 있다.
실용적인 다른 실시형태에서, 피스톤 핀 수단은 커넥팅 로드의 상단부의 필수 부분으로서 배치된다. 이 경우, 커넥팅 로드의 상단부에서의 기계가공이 더 복잡할 수 있지만, 반면 커넥팅 로드의 상단부를 통한 드릴링으로부터 발생하는 굽힘 또는 인장 하중이 존재하지 않는다.
피스톤 핀 수단에는, 피스톤 핀 수단의 축선에 대해 반대측에, 제 2 및 제 3 베어링 표면의 위치에 릴리프가 제공된다. 피스톤 핀 수단의 이 부분이 힘의 지탱에 관여하지 않고 따라서 베어링 표면을 구비하지 않으므로, 각각 중량을 감소시키도록 재료를 기계가공할 수 있어 유리하다.
피스톤의 상부 및 하부에는, 유리하게는, 베어링 표면의 위치에 개별 베어링 셸 요소가 제공되고, 상부 및 하부를 서로 볼트로 조임으로써, 상기 베어링 셸 요소가 피스톤의 상기 부분에서 개별 베어링 시트에 대해 가압된다.
이하에서, 첨부 도면을 참조하여 예를 통해 본 발명을 설명한다.
도 1a 및 도 1b 는 전형적인 종래 기술의 피스톤 베어링 장치를 보여준다.
도 2 는 본 발명에 따른 피스톤 베어링 장치의 커넥팅 로드의 상단부 및 그에 미치는 힘을 개략적으로 보여준다.
도 3 은 본 발명에 따른 피스톤 베어링 장치의 단면도이다.
도 4 및 도 5 는 커넥팅 로드의 상단부의 상세도이다.
도 2 ~ 도 5 에서, 도면부호 1 은 인장 볼트 (8) 에 의해 서로 고정된 상부 (1a) 및 하부 (1b) 를 갖는 내연기관의 피스톤을 가리킨다. 커넥팅 로드 (2) 의 상단부 (2a) 는 피스톤 (1) 에 회전가능하게 부착된다. 이를 위해, 피스톤의 상부 (1a) 의 내부 표면의 베어링 시트 (1a1) 에 끼워 맞춰지는 베어링 셸 요소 (4) 에 의해 피스톤의 상부 (1a) 에 회전가능하게 결합되는 제 1 베어링 표면 (2a1) 이 제공된다. 그리고, 커넥팅 로드 (2) 의 상단부 (2a) 에는, 피스톤 (1) 의 하부 (1b) 의 베어링 시트 (1b1) 에 배치된 베어링 셸 요소 (5) 와 상호작동하도록 배치된 제 2 및 제 3 베어링 표면 (3a) 을 갖는 피스톤 핀 수단 (3) 이 제공된다.
도 2 로부터 특히 명백한 것처럼, 베어링 표면 (2a1, 5) 은 원통형으로 형성되고, 또한 원통형 표면을 갖는 베어링 셸 요소 (4, 5) 와 상호작동한다. 화살표 (6) 는 내연기관의 실린더 (도시 생략) 로부터의 하중을 나타낸다. 이 하중은 직접 커넥팅 로드의 상단부 (2a) 에 의해 지탱되고, 이로써 도 1 에 나타낸 종래 장치에 따른 피스톤 (1') 에 배치된 베어링 영역 (10') 에 비해 더 큰 베어링 영역 (2a1) 이 제공될 수 있다. 그 결과, 주로 실린더 압력으로부터 유래하는 화살표 (6) 로 나타낸 더 큰 하중이 표준 베어링 표면적보다 더 많이 커넥팅 로드의 상단부에 직접 영향을 미치므로, 피스톤 핀의 어떠한 굽힘을 회피할 수 있다.
한편, 피스톤이 상향 이동하는 때에는, 피스톤 핀 수단 (3) 의 하측 표면에 영향을 미치는 피스톤의 중량에 따른 관성력만 존재하고, 이를 도 2 에서 화살표 (7) 로 나타내었다. 따라서, 이 베어링 표면 (3a) 은 종래 피스톤 핀 디자인에서처럼 디자인될 수 있다.
도 4 에 명확한 것처럼, 베어링 표면 (2a1) 의 곡률 반경 (R1) 은 베어링 표면 (3a) 의 곡률 반경 (R2) 보다 실질적으로 더 크다. 곡률 반경 (R1) 이 커지면, 베어링 표면 (2a1) 의 영역이 커지고, 각각 더 큰 하중을 지탱할 수 있다. 한편, 곡률 반경 (R1) 이 증가하면, 커넥팅 로드에서의 상단부 (2a) 의 중량도 또한 증가하고, 이로써 기관의 리밸런싱을 요구하는 증가된 중량을 위해 커넥팅 로드를 강화시켜야 한다. 명백한 것처럼, 베어링 표면들은 커넥팅 로드의 상단부 (2a) 의 회전 중심인 동일한 곡률 중심을 갖는 것이 유리하다.
도 5 는 피스톤 핀 수단 (3) 을 실현하는 2 개의 선택적인 방식을 보여준다. 커넥팅 로드 (2) 의 상단부 (2a) 에 로킹 (locking) 되는 개별 피스톤 핀일 수 있다. 이 경우, 점선으로 나타낸 것처럼 커넥팅 로드로부터 더 많은 재료가 기계가공되어, 부가적인 베어링 표면 (3b) 이 형성될 수 있고, 이로써 필요하다면, 증가된 하중을 각각 지탱할 수 있다. 도 5 로부터 분명한 것처럼, 조인트 베어링 표면 (3a, 3b) 이 피스톤 핀의 축선 방향에서 베어링 표면 (2a1) 과 약간 중첩되지만, 이들 베어링 표면은 커넥팅 로드 및 피스톤의 다른 이동 방향으로 작동하므로 부작용을 갖지 않는다.
대안적으로, 피스톤 핀 수단 (3) 은 커넥팅 로드 (2) 의 상단부 (2a) 의 필수 부분으로서 실현될 수 있다. 이 경우, 상단부 (2a) 의 기계가공은 더 복잡하고, 하측 베어링 표면 (3a) 은 비교적 더 작계 유지된다. 그렇지만, 이점은 이로써 피스톤 핀용 구멍을 형성하기 위한 커넥팅 로드의 상단부 (2a) 를 통한 드릴링으로 인한 굽힘 하중이 회피될 수 있다는 것이다. 그리고, 도 4 에서 점선 (9) 으로 나타낸 것처럼, 전통적인 굽힘 하중이 나타나지 않는다.
피스톤 핀 수단 (3) 의 실현이 어느 것이든지, 본 발명에 따른 장치에 의하면, 위쪽으로부터의 하중 전부를 지탱하는 베어링 표면 (2a1) 으로 인해 재료가 필요하지 않으므로, 릴리프 (3a2) 를 만들 수 있다 (도 5 참조). 이로써, 커넥팅 로드를 더 가볍게 만들 수 있다. 개별 피스톤 핀의 경우, 커넥팅 로드에 대한 피스톤 핀의 회전을 방지하기 위해 적절한 로킹 수단을 이용할 수 있고, 따라서 베어링 표면 (3a, 5) 이 서로 정렬된 채로 유지된다 (도 2 및 도 3 참조).
본 발명이 위에서 언급한 예로 제한되지 않으며 본 발명의 아이디어의 범위 내에서 많은 다른 상이한 실시형태로 실현될 수 있다는 것은 분명하다.

Claims (7)

  1. 적어도 서로 단단히 고정되는 상부 (1a) 및 하부 (1b) 를 갖는 피스톤 (1), 및 상기 피스톤 상부 (1a) 와 하부 (1b) 사이에 끼워 맞춰지고 또한 피스톤 (1) 에 회전가능하게 저널 (journal) 되는 피스톤 핀 수단 (3) 이 제공된 상단부 (2a) 를 갖는 커넥팅 로드 (2) 를 포함하는 내연기관용 피스톤 베어링 장치에 있어서,
    커넥팅 로드 (2) 의 상단부 (2a) 에는, 피스톤 (1) 의 상부 (1a) 의 내부 표면에 회전가능하게 결합되는 제 1 베어링 표면 (2a1) 이 제공되고,
    피스톤 핀 수단 (3) 은, 커넥팅 로드 (2) 의 일측에 놓이고 또한 제 1 베어링 표면 (2a1) 에 대해 피스톤 핀 수단 (3) 의 반대측에 배치되는 제 2 및 제 3 베어링 표면 (3a) 을 포함하고,
    베어링 표면 (2a1; 3a) 은 실질적으로 원통의 절반의 형태를 갖고, 제 1 베어링 표면의 곡률 반경 (R1) 이 제 2 및 제 3 베어링 표면 (3a) 의 곡률 반경 (R2) 보다 실질적으로 더 큰 것을 특징으로 하는 피스톤 베어링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 베어링 표면의 곡률 반경 (R1) 은 제 2 및 제 3 베어링 표면 (3a) 의 곡률 반경 (R2) 보다 적어도 60 ~ 70 % 더 큰 것을 특징으로 하는 피스톤 베어링 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 베어링 표면 (2a1; 3a) 은, 바람직하게는 커넥팅 로드 (2) 의 상단부 (2a) 의 회전 중심인, 동일한 곡률 중심을 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤 베어링 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 피스톤 핀 수단 (3) 은 커넥팅 로드의 상단부 (2a) 에 삽입된 개별 피스톤 핀을 포함하고, 제 2 및 제 3 베어링 표면 (3a) 은 피스톤 핀 수단 (3) 의 축선 방향에서 제 1 베어링 표면 (2a1) 과 일부 중첩되는 것을 특징으로 하는 피스톤 베어링 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 피스톤 핀 수단 (3) 은 커넥팅 로드의 상단부 (2a) 의 필수 부분으로서 배치되는 것을 특징으로 하는 피스톤 베어링 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 피스톤 핀 수단 (3) 에는, 피스톤 핀 수단 (3) 의 축선에 대해 반대측에, 제 2 및 제 3 베어링 표면 (3a) 의 위치에 릴리프 (3a2) 가 제공되는 것을 특징으로 하는 피스톤 베어링 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 피스톤 (1) 의 상기 상부 (1a) 및 하부 (1b) 에는, 베어링 표면 (2a1; 3a) 의 위치에 개별 베어링 셸 요소 (4; 5) 가 제공되고, 상부 (1a) 및 하부 (1b) 를 서로 볼트 (8) 로 조임으로써, 상기 베어링 셸 요소 (4; 5) 가 피스톤의 상기 부분에서 개별 베어링 시트 (1a1; 1b1) 에 대해 가압되는 것을 특징으로 하는 피스톤 베어링 장치.
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