KR20170095297A - 개선된 오일 유입구가 있는 냉각 갤러리를 보유한 피스톤 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

피스톤 및 그 제조 방법이 제공된다. 피스톤은 상부 연소 표면을 구비한 상부 크라운 및 여기에 부착되는 하부 크라운을 포함한다. 하부 크라운은 피스톤 핀을 수용하도록 구성된 측 방향으로 이격되고 축 방향으로 정렬된 한 쌍의 핀 보어를 포함한다. 실질적으로 폐쇄된 형태의 환형 외부 냉각 갤러리가 상부 및 하부 크라운 사이에 형성되며, 냉각 갤러리의 하부 표면은 하부 크라운의 플로어에 의해 형성된다. 오일 유입구 및 오일 유출구는 플로어를 통해 연장된다. 오일 유입구는 플로어로부터 냉각 갤러리 내로 상향 연장되는 직립식 토로이드 형상의 돌출부를 포함하고, 돌출부는 하부 크라운 플로어의 구성 재료로부터 일체식 압출체로 형성된다.

Description

개선된 오일 유입구가 있는 냉각 갤러리를 보유한 피스톤 및 그 제조 방법 {PISTON WITH COOLING GALLERY HAVING ENHACED OIL INLET AND METHOD OF CONSTRUCTION THEREOF}
상호 관련 참조
본 출원은 2014년 12월 19일 출원된 미국특허 가출원번호 62/094,258 및 2015년 12월 18일 출원된 미국특허 출원번호 14/975,451을 우선권으로 주장하며, 그 전체 내용이 본원에 참조로 인용된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 내연 기관에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피스톤 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
내연 기관용 피스톤은 작동 가능한 온도 한계 내에서 피스톤의 유지를 용이하게 하는 환형의 냉각 갤러리를 포함하는 것으로 알려져 있다. 오일이 오일 유입구(통상적으로 피스톤의 한쪽에 위치함)를 통해 냉각 갤러리로 전달되면, 이러한 오일을 피스톤의 반대쪽으로 순환시키고 오일 유출구를 통해 배출시킨 후, 최종적으로 이러한 오일을 통상적으로 크랭크 케이스(crankcase)로 회귀시키도록 구성하는 것이 바람직하다. 만약 오일이 오일 유입구에서 누출될 경우에는, 피스톤의 냉각이 불충분해져서 피스톤의 수명을 잠재적으로 단축시킬 수 있다.
오일 유입구를 통한 오일의 누출을 방지하기 위한 몇 가지 시도가 있었다. 공지된 메카니즘은 피스톤의 오일 유입구 둘레에 별도의 환형 부품을 고정하여 오일 유입구 둘레에 직립 장벽을 형성함으로써 오일의 누출을 방지하도록 구성된다. 이러한 메카니즘이 효과적일 수는 있지만, 용접과 같이 피스톤에 부품을 부착하기 위한 2차의 부착 공정을 수행해야 하는 관계로 인해, 추가의 부품이 소요되는 한편, 제조 공정 비용의 상승이 수반된다. 또 다른 알려진 시도는 주조 작업에서 장벽을 형성하는 것으로, 역시 효과적일 수 있다고 하더라도, 이러한 방법은 피스톤 부품을 주조로 제조해야 하므로 기본적으로 바람직하지 않고, 피스톤의 적용 분야 및 피스톤의 제조 공정에 따라서도 방법이 달라지므로 번거롭다. 또한, 장벽의 주조 단계는 제조되는 피스톤의 각각의 상이한 형태마다 특별한 주형을 필요로 하며, 기본적으로 고가의 비용을 수반한다.
본 발명의 목적은 상기 언급된 문제점들의 해결이 가능한 개선된 오일 유입구가 있는 냉각 갤러리를 보유한 피스톤 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 피스톤은 통상적으로 원통형의 상부 영역을 갖는 상부 연소 표면 및 이에 부착되는 링 벨트를 포함하는 상부 크라운 및 상부 크라운에 부착되는 하부 크라운을 포함한다. 하부 크라운은, 피스톤을 커넥팅로드에 연결하는 것을 용이하게 하기 위해, 피스톤 핀을 수용하도록 구성된 측 방향으로 이격되고 축선 방향으로 정렬된 한 쌍의 핀 보어(pin bore)를 포함한다. 상부 및 하부 크라운 사이에서 실질적으로 폐쇄된 형태의, 환형 외부 냉각 갤러리가 형성되며, 이 때 냉각 갤러리의 하부 표면은 하부 크라운의 플로어에 의해 형성된다. 오일 유입구 및 오일 유출구는 플로어를 통해 연장되며, 이 때 오일 유입구는 오일이 냉각 갤러리 안으로 흐르도록 작동되고, 오일 유출구는 오일이 냉각 갤러리의 밖으로 흐르도록 작동됨으로써, 하나의 오일 유동 회로를 형성하도록 구성된다. 오일 유입구를 통해 냉각 갤러리 안으로, 및 오일 유출구를 통해 냉각 갤러리의 밖으로 오일의 일방향 흐름 형성을 촉진하여, 냉각 갤러리 및 이를 통해 흐르는 오일의 냉각 효과를 향상시키도록 하기 위해, 오일 유입구는 플로어로부터 냉각 갤러리 내로 상향 연장되는 직립식 토로이드(toroid) 형상의 돌출부를 포함하며, 이 때 돌출부는 하부 크라운 플로어의 구성 재료로부터 단일 압축체로 형성되도록 구성된다. 돌출부는 오일 유입구를 통해 냉각 갤러리에서 외부로 오일이 역류하는 것을 방지하며, 따라서 오일이 냉각 갤러리와 오일 유출구를 통해 의도한대로 반드시 순환되도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 오일 유입구의 구성 재료는 플로어의 잔여 구성 재료에 비해 상대적으로 경화되도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 플로어는 돌출부에 바로 인접하여 소정의 두께를 가지며, 돌출부는 상기 두께의 약 1/2 내지 3 배 사이의 높이를 갖도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 돌출부는 플로어에서 자유 단부까지 연장되며, 이 때 돌출부는 플로어에 바로 인접한 제1벽 두께와 자유 단부에 바로 인접한 제2벽 두께를 가지며, 제1두께는 제2두께보다 크도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 돌출부의 벽 두께는 플로어에서 자유 단부까지 연속적으로 감소하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 내연 기관용 피스톤의 제조 방법이 제공된다. 상기 방법은 통상적으로 원통형의 상부 영역을 갖는 상부 연소 표면 및 이에 부착되는 링 벨트를 포함하는 상부 크라운을 형성하는 단계 및 상부 크라운에 부착되는 하부 크라운을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 피스톤을 커넥팅로드에 연결하는 것을 용이하게 하기 위해 피스톤 핀을 수용하도록 구성된 측 방향으로 이격되고 축선 방향으로 정렬된 한 쌍의 핀 보어를 갖는 하부 크라운을 형성하는 단계를 더 포함한다. 상기 방법은 상부 및 하부 크라운 사이에서 실질적으로 폐쇄된 형태의 환형 외부 오일 갤러리를 형성하는 단계를 더 포함하며, 이 때 냉각 갤러리의 하부 표면은 상기 하부 크라운의 플로어에 의해 형성된다. 또한, 상기 방법은 플로어를 통해 연장되는 오일 유입구 및 오일 유출구를 형성하는 단계를 포함한다. 오일 유입구를 형성하는 단계에 있어서, 상기 방법은 플로어에 개구를 형성하고 플로어의 구성 재료를 플로어로부터 상방으로 변위시키는 단계를 포함하며, 이 때 변위된 구성 재료는 오일 유입구를 통해 오일이 냉각 갤러리로부터 외부로 역류하는 것을 방지하도록 작용하는 직립식 토로이드 형상의 돌출부를 형성하는 것을 특징으로 한다. 유입구의 형성시 돌출부를 동시에 형성함으로써, 제조 효율성이 상당히 개선될 수 있으므로 돌출부의 형성 비용을 최소화할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 직립식 토로이드 형상의 돌출부를 드릴링 가공(form drilling) 공정으로 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 오일 유입구의 형성시 돌출부의 구성 재료를 경화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 돌출부에 바로 인접한 플로어 두께의 약 1/2 내지 3배 사이의 높이를 갖는 돌출부를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 플로어로부터 자유 단부까지 연장하는 돌출부를 형성하는 단계, 플로어에 바로 인접한 제1벽 두께 및 자유 단부에 바로 인접한 제2벽 두께를 갖는 돌출부를 형성하는 단계, 및 제1두께를 제2두께보다 더 크게 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 돌출부의 벽 두께가 플로어에서 자유 단부로 갈수록 연속적으로 감소하도록 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따라, 상기 언급된 문제점들의 해결이 가능한 개선된 오일 유입구가 있는 냉각 갤러리를 보유한 피스톤 및 그 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 여러 양태, 특징 및 장점들은 본원에 개시된 바람직한 실시예들 및 최상의 모드들에 대한 상세 설명 내용, 첨부된 청구 범위들 및 첨부 도면들과 관련하여 고려될 때 더 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 양태에 따라 구성된 피스톤의 부분적인 단면 사시도이다.
도 2는 도 1의 피스톤의 핀 보어 축선을 따라 취한 단면도이다.
도 2a는 도 1의 피스톤의 오일 유입구를 통해 취한 확대된 부분 단면도이다.
도 3은 도 1의 피스톤의 저면도이다.
도면을 보다 상세히 참조하면, 도 1 및 도 2는 대형 디젤 엔진과 같은 내연 기관의 실린더 보어 또는 챔버 내에서 왕복 운동하기 위한 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 제조된 피스톤(10)을 도시한다(이들은 단지 예로서만 제시되며 이들로 제한되지 않음). 피스톤(10)은, 피스톤(10)이 실린더 보어 내에서 왕복 운동하는 중앙 종축선(14)을 따라 연장되는 본체(12)를 갖는다. 본체(12)는 상부 크라운(16) 및 하부 크라운(18)으로 구성된다. 하부 크라운(18)은 상부 크라운(16)에 부착되는 한쌍의 핀 보스(20)를 보유함으로써, 통상적으로 중앙 종축선(14)에 직각으로 연장되는 핀 보어 축선(24)을 따라 서로 정렬되고 측 방향으로 이격 배치된 핀 보어(22)를 제공하도록 구성된다. 핀 보스(20)는 측 방향으로 이격되고, 스트럿부(strut portion, 28)를 통해 직경 방향으로 대향하고 있는 스커트부(skirt portion, 26)에 결합된다. 상부 및 하부 크라운(16, 18) 사이에 실질적으로 폐쇄된 형태의 환형 외부 오일 냉각 갤러리(30)가 형성되며, 냉각 갤러리(30)의 바닥면(32)(플로어[32]로도 지칭됨)은 하부 크라운(18)의 벽(34)에 의해 형성된다. 오일 유입구(36) 및 오일 유출구(38)(도 1 및 도 3에 도시)는 플로어(32)를 통해 연장되며, 이 때 오일 유입구(36)는 오일이 냉각 갤러리(30) 안으로 흐르도록 기능하고 오일 유출구(38)는 오일이 냉각 갤러리(30)의 밖으로 흐르도록 기능할 수 있다. 오일 유입구(36)를 통해 냉각 갤러리(30) 안으로의 오일의 일방향 흐름을 용이하게 하기 위해, 오일 유입구(36)는 플로어(32)로부터 냉각 갤러리(30) 내로 상향 연장되는 직립식 토로이드 형상의 벽(돌출부[40]로도 지칭됨)을 포함하며, 이 때 돌출부(40)는 하부 크라운 벽(34)의 구성 재료로부터 단일체의 경화 압출물로서 형성된다. 돌출부(40)가 플로어(32)로부터 상향으로 연장됨으로써 오일이 유입구(36)를 통해 반대 방향으로 역류하는 것을 방지하며, 따라서 유입구(36)를 통해 일단 냉각 갤러리(30)로 들어간 오일은 냉각 갤러리(30)를 거쳐 의도한 대로, 유입구(36)와 대체로 또는 실질적으로 직경 방향으로 대향하는 위치로 순환하도록 촉구되고, 그런 다음 오일은 냉각 갤러리(30)로부터 오일 유출구(38)를 통해 외부로 빠져나가도록 구성되는데, 본원에 제공된 유출구(38)는 직립식 돌출부를 갖지 있지 않다. 이와 같이, 오일이 일방향 흐름 회로에서 냉각 갤러리(30)를 통해 유동함으로써, 신선한 오일이 지속적으로 냉각 갤러리(30)에 출입하도록 함으로써 피스톤(10)의 최적 냉각을 촉진하고, 냉각 갤러리(30) 내에서 오일이 코크스화(coking)되는 것을 억제하는 한편, 또한 오일이 배출되기 전에 냉각 갤러리(30)의 전체로 유동하도록 보장함으로써, 피스톤(10)의 균일한 냉각을 촉진하도록 구성된다.
피스톤(10)의 상부 크라운(16)은 안쪽이 움푹 파인 형태의 연소 보울(44)을 갖는 상부 연소 표면(42)을 구비함으로써, 실린더 보어 내에 필요한 가스 유동을 제공하도록 구성된다. 상부 영역(48) 및 링 벨트(50)를 포함하는 일반적으로 원통형 외벽(46)은 상부 연소 표면(42)에서 환형의 외부 자유 단부(52)로 하향 연장되며, 링 벨트(50) 내에는 적어도 하나의 환형 링 그루브(54)가 형성됨으로서 피스톤 링(미도시)을 유동적으로 수용할 수 있도록 구성된다. 환형의 내부 리브(56)는 연소 보울(44)의 하부 크라운 표면으로부터 내부 자유 단부(58)까지 고정 배치된다.
하부 크라운(18)은 상부 크라운(16)과는 달리, 단조 공정 등에 의해 제조될 수 있으며(이들은 단지 예로서만 제시되며 이들로 제한되지 않음), 그런 다음 직립식 환형 외부 리브 자유 단부(60) 및 직립식 환형 내부 리브 자유 단부(62)를 통해 상부 크라운(16)에 결합될 수 있다. 상부 크라운(16) 및 하부 크라운(18)은 마찰 용접, 유도 용접 또는 각각의 외부 자유 단부(52, 60) 및 내부 자유 단부(58, 62)에 걸쳐 형성된 예컨대 임의의 적절한 유형의 용접 조인트(64)에 의해 결합된다. 이와 같이, 실질적으로 폐쇄된 형태의 환형 외부 오일 갤러리(30)가 상부 및 하부 크라운(16, 18) 사이에 형성되는 반면, 핀 보어(22)의 위쪽 및 연소 보울(44)의 중앙부 아래쪽으로는 개방형의 내부 갤러리(66)가 형성된다. 본 발명에 따라 제조된 피스톤(10)은 단일의 일괄 조립체로 형성될 수도 있고, 다른 형태의 오일 갤러리를 갖는 것을 포함하여, 상이한 형태의 상부 및 하부 크라운부를 가질 수 있음을 인식해야 한다.
오일 유입구(36) 및 돌출부(40)는 유동 천공 또는 마찰 천공이라고도 부르는 드릴링 가공 공정으로 형성되며, 이들이 별도의 부품으로 제공되는 경우에는 피스톤 제조의 임의의 단계에서 하부 크라운(18)에 형성하는 것이 가능한데, 상부 크라운(16)과 하부 크라운(18)이 서로 결합된 이후에도 가능하다. 이는 돌출부(40)가 오일 유입구(36)의 개구를 형성하는데 사용되는 드릴링 가공 공정에서 동시에 형성되기 때문에 가능하다. 피스톤(10)의 제조시 유연성이 제공됨으로써, 돌출부(40)의 제조에 필요한 제조 공정의 감소와 더불어 비용 절감을 기대할 수 있다. 플로어(32)는 돌출부(40)에 바로 인접하여 소정의 두께(T)를 갖는데, 돌출부(40)는 상기 두께(T)의 약 1/2 내지 3배, 바람직하게는 상기 두께(T)의 약 1배 이상의 높이(H)를 갖도록 형성된다. 튜브형 돌출부(40)는 플로어(32)로부터 자유 단부(68)까지 상향 연장된다. 돌출부(40)는 플로어(32)에 바로 인접한 제1벽 두께(t1) 및 자유 단부(68)에 바로 인접한 제2벽 두께(t2)를 가지며, 제1두께(t1)가 제2두께(t2)보다 크도록 구성된다. 돌출부(40)의 벽 두께는 플로어(32)에 인접한 두께(t1)에서 자유 단부(68)로 갈수록 연속적으로 감소하거나 또는 실질적으로 연속적으로 감소하도록 구성된다. 드릴링 가공 공정에서 플로어(32)의 경도에 비해 돌출부(40)의 경도를 증가시키도록 구성되며, 이에 의해 돌출부(40)에 강화된 강도 및 구조의 이점을 제공한다.
명백하게, 본 발명의 많은 수정 및 변형이 상기 교시에 비추어 가능하다. 따라서, 첨부된 청구항의 범위 내에서, 본 발명은 구체적으로 기술된 것과 다르게 실시될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (11)

  1. 통상적으로 원통형의 상부 영역을 갖는 상부 연소 표면 및 여기에 부착되는 링 벨트를 포함하는 상부 크라운;
    상부 크라운에 부착되고, 피스톤 핀을 수용하도록 구성된 측 방향으로 이격되고 축 방향으로 정렬된 한 쌍의 핀 보어를 포함하는 하부 크라운;
    상부 크라운과 하부 크라운 사이에 형성되는 실질적으로 폐쇄된 형태의 환형 외부 오일 갤러리;
    상기 플로어를 통해 연장되는 오일 유입구 및 오일 유출구;
    를 포함하는 내연기관용 피스톤에 있어서,
    상기 오일 갤러리는 하부 크라운의 플로어에 의해 형성되는 바닥면을 갖고,
    상기 오일 유입구는 상기 플로어로부터 상기 냉각 갤러리 내로 상향 연장되는 직립식 토로이드(toroid) 형상의 돌출부를 포함하고, 상기 돌출부는 상기 플로어의 구성 재료로부터 일체식 압출체로 형성되는 것을 특징으로 하는
    내연기관용 피스톤.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오일 유입구의 구성 재료는 상기 플로어의 잔여 구성 재료에 비해 상대적으로 경화되는 것을 특징으로 하는
    내연기관용 피스톤.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플로어는 상기 돌출부에 바로 인접하여 소정의 두께를 가지며, 상기 돌출부는 상기 두께의 약 1/2 내지 3배 사이의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는
    내연기관용 피스톤.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 플로어에서 자유 단부까지 연장되고, 상기 돌출부는 상기 바닥에 바로 인접한 제1벽 두께와 상기 자유 단부에 바로 인접한 제2벽 두께를 가지며, 상기 제1두께는 상기 제2두께보다 큰 것을 특징으로 하는
    내연기관용 피스톤.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 벽 두께는 상기 플로어로부터 상기 자유 단부로 갈수록 연속적으로 감소하는 것을 특징으로 하는
    내연기관용 피스톤.
  6. 통상적으로 원통형의 상부 영역을 갖는 상부 연소 표면 및 여기에 부착되는 링 벨트를 포함하는 상부 크라운을 형성하는 단계;
    축선 방향으로 정렬된 핀 보어를 갖고 측 방향으로 이격 배치된 한 쌍의 핀 보스를 보유한 하부 크라운을 형성하고 하부 크라운을 상부 크라운에 부착하는 단계;
    상부 및 하부 크라운 사이에서 실질적으로 폐쇄된 형태의 환형 외부 오일 갤러리를 형성하는 단계; 이 때 냉각 갤러리의 바닥면은 하부 크라운의 플로어에 의해 형성됨,
    플로어를 통해 오일 유입구 및 오일 유출구를 형성하고, 오일 유입구의 형성과 동시에 개구를 형성하는 한편 플로어의 구성 재료를 플로어로부터 상방으로 변위시키는 단계; 이 때 변위된 구성 재료가 직립식 토로이드 형상의 돌출부를 형성함,
    를 포함하는 내연기관용 피스톤의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    오일 유입구의 형성시 돌출부의 구성 재료를 경화시키는 단계를 더 포함하는
    내연기관용 피스톤의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    돌출부에 바로 인접한 플로어의 두께보다 약 1/2 내지 3배 사이의 높이를 갖는 돌출부를 형성하는 단계를 더 포함하는
    내연기관용 피스톤의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    플로어로부터 자유 단부까지 연장하는 돌출부를 형성하는 단계, 플로어에 바로 인접한 제1벽 두께 및 자유 단부에 바로 인접한 제2벽 두께를 갖는 돌출부를 형성하는 단계, 및 제1두께를 제2두께보다 더 크게 형성하는 단계를 더 포함하는
    내연기관용 피스톤의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    벽 두께를 플로어로부터 자유 단부까지 갈수록 연속적으로 감소하도록 형성하는 단계를 더 포함하는
    내연기관용 피스톤의 제조 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    돌출부를 드릴링 가공(form drilling) 공정으로 형성하는 단계를 더 포함하는
    내연기관용 피스톤의 제조 방법.
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