KR20160070818A - 내연기관용 피스톤 및 그 제조방법 - Google Patents

내연기관용 피스톤 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부 형상(10)을 둘러싸는 피스톤 스커트(2)에 인접하며 링 구역(12)을 구비하는 피스톤 헤드(11)를 갖는 내연기관용 피스톤(1)으로서, 서로 반대편에 놓이며 피스톤(1)의 외측 윤곽에 대해 후퇴하여 놓이는 2개의 박스 벽들(4)을 가지며 그리고 피스톤(1)의 외측 윤곽에 대해 후퇴하여 놓이지 않는 2개의 스커트 벽들(13)을 가지며, 박스 벽들(4)은 허브들(6)을 수용하며, 피스톤 스커트(2)는 허브(6)에 연결되는 스커트 지지체들(3)을 가지며, 박스 벽(4)의 폭(b)은 핀 축(7)과 박스 벽(4)의 일정한 곡률 및 일정한 접선 추가 경로 사이의 교차점인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤(1)과 내연기관용 피스톤(1)의 제조방법에 관한 것이다.

Description

내연기관용 피스톤 및 그 제조방법{PISTON FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE, AND PRODUCTION METHOD THEREFOR}
본 발명은 독립 특허 청구항들의 각 전제부들의 특징들에 따르는 내연기관용 피스톤 및 제조방법에 관한 것이다.
DE 10 2009 059 056 A1은 내연기관용 피스톤에 관한 것으로, 피스톤 헤드, 원주방향 연소 랜드(firing land) 및 링 홈들(ring grooves)을 구비한 원주방향 링지대(ring belt)를 가지며, 그리고 2개의 스커트 벽들(skirt walls)과 2개의 박스 벽들(box walls)을 구비한 피스톤 스커트(piston skirt)를 가지며, 상기 박스 벽들은 상기 스커트 벽들을 연결하며 링지대에 대해 후퇴하여 놓여 각 경우 링지대의 하나의 받침대 없이 서 있는(free-standing) 밑면이 박스 벽들의 영역에 형성되며, 박스 벽들에는 핀 보어들(pin bores)을 갖는 핀 보스들(pin bosses)이 제공된다. 적어도 하나의 지지 부재(supporting element)가 각각의 링지대의 받침대 없이 서 있는 밑면과 이에 할당된 박스 벽 사이에 배치되는 것이 제공된다. 상기 지지 부재들은 보스에서 스커트의 비스듬한 지지체를 형성하며, 상기 비스듬한 지지체는 제조하기가 복잡하다.
DE 10 2007 018 932 A1은 내연기관용 피스톤에 관한 것으로, 2개의 하중-지지 스커트 벽 섹션들 및 2개의 핀 보스들을 구비한 피스톤 내부 공간을 둘러싸는 피스톤 스커트에 인접하며 링 구역을 갖는 피스톤 헤드를 갖는다. 핀 보어를 둘러싸는 각 핀 보스는 보스 지지체를 통해 보스 본체에 연결된다. 따라서 DE 10 2007 018 932 A1은 박스 타입 피스톤(box-type piston)의 방식으로 핀 축 방향으로 후퇴하여 놓인 스커트를 갖는 현존하는 피스톤 기하학적 구조들의 일 실시예이다. 이 디자인에서는, 작동 동안 형성된 하중들의 결과로서 작은 변형을 보장하기 위하여 큰 벽 두께 및 따라서 재료의 많은 사용이 필요하다.
이러한 유형의 상기 공지된 박스-타입 피스톤들에서는, 가스 압력 및 점화 압력의 결과로서 내연기관의 작동 동안 힘들이 피스톤에 작용하며, 이러한 힘들이 너무 커서 피스톤에 변형들이 발생할 수 있는 문제점이 발생한다. 여기서 링 구역이 단지 스커트 벽들의 영역에서만 지지되지만, 박스 벽들의 영역에 받침대 없이 서 있는(free-standing), 위에서 매어단(overhanging) 밑면이 있는 것은 특히 불리하다. 결과적으로, 링 구역은 박스 벽들의 영역에서 크랭크케이스 방향으로 상당히 변형될 수 있다. 대조적으로, 스커트 벽들의 영역에서 링 구역은 박스 벽들 및 스커트 벽들의 강성 구조(rigid construction)의 결과로서 단지 약간 변형된다. 따라서, 박스 벽들이 스커트 벽들로 합쳐지는 영역에서 강성(rigidity)의 점프(jump)(급격한 변화)가 있다. 이것의 결과로서 그리고 박스 벽들의 영역에서 링 구역의 변형 동안 발생하는 굽힙 모멘트(bending moment)의 결과로서, 응력이 발생하며, 이에 의해 박스 타입 피스톤은 과도하게 하중을 받는다.
본 발명의 목적은 피스톤의 제조를 단순화하는 것이며, 증가된 안정성(increased stability)을 가지면서 피스톤의 질량을 감소시키는 것이다.
상기 목적은 독립 특허 청구항들의 특징들을 갖는 피스톤 및 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따르는 해법은 내부 형상을 둘러싸는 피스톤 스커트에 인접하며 링 구역을 구비하는 피스톤 헤드를 갖는 내연기관용 피스톤으로서, 서로 반대편에 놓이며 피스톤의 외측 윤곽(outer contour)에 대해 후퇴하여 놓이는 2개의 박스 벽들을 가지며 그리고 피스톤의 외측 윤곽에 대해 후퇴하여 놓이지 않는 2개의 스커트 벽들을 가지며, 박스 벽들은 보스들을 수용하며, 피스톤 스커트는 보스에 연결되는 스커트 지지체들(skirt supports)을 가지며, 박스 벽의 폭은 핀 축과 박스 벽의 계속 이어지는(연속적인) 곡률 및 접선(constant curvature and tangent)을 갖는 연속부(continuation) 사이의 교차점이 되는, 내연기관용 피스톤에 있다.
재료 그리고 따라서 피스톤 질량은 박스 벽의 폭을 핀 축과 박스 벽의 계속 이어지는(연속적인)(constant) 곡률 및 접선을 갖는 연속부 사이의 교차점으로서 제공함에 의해 절감될 수 있다는 사실이 놀랍게도 나타났다. 박스 벽들의 본 발명에 따르는 설계의 결과로서, 박스 벽들과 스커트 벽들의 재료 두께는 이러한 설계의 이전에 공지된 피스톤들과 비교하여 증가된 안정성을 가지면서 감소될 수 있다.
본 발명의 하나의 발전형태에서는 스커트 지지체가, 피스톤 행정 축(piston stroke axis)을 통해 놓이며 핀 축에 대해 수직으로 놓이는 평면에 대해 오목한 형상(concave shape)을 갖는 것이 제공된다.
보다 큰 안정성은 스커트 벽 지지체의 오목한 형상의 결과로서 달성된다. 따라서 전체 피스톤은 특히 캔틸레버(cantilevered) 링 구역의 영역에서 더욱 치수적으로 안정되어 진다.
본 발명의 하나의 발전형태에서는 스커트 지지체의 방향은 교차점들 a2i, a3i, a2a, a3a에 의해 기술되며, 교차점들 a2i, a2a는 박스 벽의 계속 이어지는 곡률 및 접선을 갖는 연속부와 핀 축의 레벨에 위치한 외측 보스 반경 r 사이의 교차점들이며, 교차점들 a3i, a3a는 박스 벽의 계속 이어지는 곡률 및 접선을 갖는 연속부와 내부 형상의 계속 이어지는 접선을 갖는 연속부 사이의 교차점들이다.
본 발명의 하나의 발전형태에서는 다음의 기하학적 특성들이 적용된다:
a3i에 대한 a2i의 비율은 1.05 내지 1.5이며 (a2i / a3i = 1.05 내지 1.5) 그리고
a3a에 대한 a2a의 비율은 1.05 내지 1.5이다 (a2a / a3a = 1.05 내지 1.5).
본 발명의 하나의 발전형태에서는 스커트 지지체는 압력측(pressure side)과 역압측(counterpressure side)에 대해 동일한 형상을 가질 수 있으며 또는 비율들 a2i / a3i 및 a2a / a3a에서 피스톤의 각각의 측에 대해 변화될 수 있다.
본 발명의 하나의 발전형태에서는 박스 벽의 폭 b는 다음과 같이 정의된다:
b = ((a1 + A))/2 ± 15% dk
본 발명에 따르는 내연기관용 피스톤을 제조하는 방법에서는 피스톤은 주조 또는 단조 공정을 이용하여 제조된다.
본 발명에 따르면, 피스톤은 주조 또는 단조 공정을 이용하여 제조된다. 피스톤의 본 발명에 따르는 성형은 주조 또는 단조 공정을 이용한 단순한 제조를 가능하게 한다.
환언하면, 본 발명에 따르면, 피스톤이 피스톤을 커넥팅 로드에 연결하는 피스톤 핀을 수용하기 위한 보스들을 구비한 피스톤 스커트 및 상기 보스에 연결되는 스커트 지지체들을 가지는, 내연기관용 피스톤이 제공된다.
구조, 중량 및 마찰의 관점에서 최적화된 피스톤 보스에서의 피스톤 스커트 지지체의 설계를 달성하는 것이 목적이다. 여기서, 스커트 지지체는, 피스톤 행정 축을 통해 놓이며 핀 축에 대해 수직으로 놓이는 평면에 대해 오목한 형상을 갖는다.
스커트 지지체는 압력측과 역압측에 대해 동일한 형상을 가질 수 있으며 또는 각 피스톤 측에 대해 변화될 수 있다.
본 발명은 피스톤의 제조를 단순화하며, 증가된 안정성을 가지면서 피스톤의 질량을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 도면을 사용하여 이하에서 명확히 기술될 것이며, 여기서:
도 1은 본 발명에 따른 피스톤을 통한 단면을 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 피스톤(1)을 도시한다. 상기 피스톤(1)은 스커트 지지체(3)를 갖는 피스톤 스커트(2)를 갖는다.
피스톤(1)에서, 서로 반대편에 놓이는 피스톤 스커트(2)의 2개의 벽들이 제공되며 이들 벽들은 피스톤(1)의 외측 윤곽에 대해 후퇴하여 놓인다. 후퇴하여 놓이는 벽들은 박스 벽들(4)이라고 지칭되며; 후퇴하여 놓이지 않는 2개의 다른 벽들은 스커트 벽들(13)이라 지칭되며 피스톤 스커트(2)의 실제 섭동면(running surface)을 갖는다. 핀 보어들을 갖는 보스들(6)은 박스 벽들(4) 내로 통합된다. 박스 벽들(4) 및 스커트 벽들(13)은 피스톤 헤드(11)의 밑면에 연결된다.
박스 벽(4)은 폭 b, 직경 d 및 벽 두께 s를 갖는다. 또한, 피스톤(1)은 박스 벽 원호(arc)(5)를 갖는다. 추가적으로, 보스들(6)은 핀 축(7)에 의해 관통된다. 스커트 지지체(3)는 피스톤 행정 축(8)을 통해 놓이며 핀 축(7)에 대해 수직으로 놓이는 평면에 대해 오목한 형상을 갖는다. r은 외측 보스 반경을 표시한다. A는 고정 링 홈(9)의 핀 방향으로의 축방향 이격을 나타내며, a1은 핀 축(7) 방향으로의 하중-지지 길이의 시작의 축방향 이격을 나타낸다.
점들 a2a 및 a2i는 박스 벽(4)의 계속 이어지는 곡률 및 접선을 갖는 연속부와 핀 축(7)의 레벨에 위치한 외측 보스 반경 r 사이의 교차점들을 형성한다. 점들 a3a 및 a3i는 박스 벽(4)의 계속 이어지는 곡률 및 접선을 갖는 연속부와 내부 형상(10)의 접선 연속부 사이의 교차점들을 형성한다. 내부 형상(10)은 피스톤 헤드(11)의 밑면의 일부를 형성한다. 원주방향 링 구역(12)은 피스톤 헤드(11)의 외측 원주 상에 배치된다. 링 구역(12)에는 특히 스커트 벽들(13)에 의해 지지부가 주어진다.
피스톤(1)은 다음의 특징들을 갖는다.
박스 벽(4)의 폭 b는 핀 축(7)과 박스 벽(4)의 계속 이어지는 곡률 및 접선을 갖는 연속부 사이의 교차점이며, 다음과 같이 정의된다:
bbox -wall = ((a1 + A))/2 ± 15% dk,
여기서 dk는 피스톤 직경을 나타내며, A는 고정 링 홈(9)의 핀 방향으로의 축방향 이격을 나타내며, a1은 핀 축(7) 방향으로의 하중-지지 길이의 시작의 축방향 이격을 나타낸다.
박스 벽(4)의 폭 b은 박스 벽 원호(5)와 핀 축(7)의 교차점과 같다.
스커트 지지체(3)의 방향은 교차점들 a2i, a3i, a2a 및 a3a에 의해 기술되며, 교차점들 a2i 및 a2a은 박스 벽(4)의 계속 이어지는 곡률 및 접선을 갖는 연속부와 핀 축(7)의 레벨에 위치한 외측 보스 반경 r 사이의 교차점들이며, 교차점들 a3i 및 a3a은 박스 벽(4)의 계속 이어지는 곡률 및 접선을 갖는 연속부와 내부 형상(10)의 계속 이어지는 접선을 갖는 연속부 사이의 교차점들이다.
다음의 기하학적 특성들이 적용된다:
a2i / a3i = 1.05 ... 1.5, 그리고
a2a / a3a = 1.05 ... 1.5.
Rmin ≥ 0.9 dk 의 최소 반경이 여기에 적용된다.
본 발명에서는, 상기 언급된 범위에 모든 반경 조합들 (스플라인들, 변화하는 반경들, 직선들 및 반경들의 조합들)이 포함된다.
스커트 지지체(3)는 압력측과 역압측에 대해 동일한 형상을 가질 수 있으며 또는 비율들 a2i / a3i 및 a2a / a3a에서 각각의 피스톤 측에 대해 변화될 수 있다.
1 피스톤
2 피스톤 스커트
3 스커트 지지체
4 박스 벽
5 박스 벽 원호
6 보스
7 핀 축
8 피스톤 행정 축
9 고정 홈
10 내부 형상
11 피스톤 헤드
12 링 존
13 스커트 벽
A 핀 축 방향으로의 고정 링 홈의 축방향 이격
a1 핀 축 방향으로의 하중-지지 길이의 시작의 축방향 이격
a2a 박스 벽의 계속 이어지는 곡률 및 접선을 갖는 연속부와 핀 축 레벨에 위치한 외측 보스 반경 사이의 교차점
a2i 박스 벽의 계속 이어지는 곡률 및 접선을 갖는 연속부와 핀 축 레벨에 위치한 외측 보스 반경 사이의 교차점
a3a 박스 벽의 계속 이어지는 곡률 및 접선을 갖는 연속부와 내부 형상의 접선 연속부 사이의 교차점
a3i 박스 벽의 계속 이어지는 곡률 및 접선을 갖는 연속부와 내부 형상의 접선 연속부 사이의 교차점
b 박스 벽의 폭
d 박스 벽의 직경
dk 피스톤 직경
r 외측 보스 반경
s 벽 두께
Rmin 반경

Claims (7)

  1. 내부 형상(10)을 둘러싸는 피스톤 스커트(2)에 인접하며 링 구역(12)을 구비하는 피스톤 헤드(11)를 갖는 내연기관용 피스톤(1)으로서, 서로 반대편에 놓이며 피스톤(1)의 외측 윤곽에 대해 후퇴하여 놓이는 2개의 박스 벽들(4)을 가지며 그리고 피스톤(1)의 외측 윤곽에 대해 후퇴하여 놓이지 않는 2개의 스커트 벽들(13)을 가지며, 박스 벽들(4)은 보스들(6)을 수용하며, 피스톤 스커트(2)는 보스(6)에 연결되는 스커트 지지체들(3)을 가지는, 내연기관용 피스톤(1)에 있어서,
    박스 벽(4)의 폭(b)은 핀 축(7)과 박스 벽(4)의 계속 이어지는 곡률 및 접선을 갖는 연속부 사이의 교차점인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤(1).
  2. 제1항에 있어서,
    스커트 지지체(3)는 피스톤 행정 축(8)을 통해 놓이며 핀 축(7)에 대해 수직으로 놓이는 평면에 대해 오목한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤(1).
  3. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    스커트 지지체(3)의 방향은 교차점들 (a2i, a3i, a2a, a3a)에 의해 기술되며, 교차점들(a2i, a2a)은 박스 벽(4)의 계속 이어지는 곡률 및 접선을 갖는 연속부와 핀 축(7)의 레벨에 위치한 외측 보스 반경(r) 사이의 교차점들이며, 교차점들(a3i, a3a)은 박스 벽(4)의 계속 이어지는 곡률 및 접선을 갖는 연속부와 내부 형상(10)의 계속 이어지는 접선을 갖는 연속부 사이의 교차점들인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤(1).
  4. 제3항에 있어서,
    다음의 기하학적 특성들이 적용되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤(1):
    a2i / a3i = 1.05 내지 1.5
    및
    a2a / a3a = 1.05 내지 1.5.
  5. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    스커트 지지체(3)는 압력측과 역압측에 대해 동일한 형상을 가질 수 있으며 또는 비율들 a2i / a3i 및 a2a / a3a에서 피스톤(1)의 각각의 측에 대해 변화될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤(1).
  6. 선행하는 항들 중 어느 한 항에 있어서,
    박스 벽(4)의 폭(b)는 다음과 같이 정의되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤(1):
    b = ((a1 + A))/2 ± 15% dk
  7. 내연기관용 피스톤(1)을 제조하는 방법에 있어서,
    피스톤(1)이 주조 또는 단조 공정을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤 제조방법.
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