KR20170107473A

KR20170107473A - 밀봉된 냉각 통로를 가진 피스톤 및 이 피스톤의 제작 방법

Info

Publication number: KR20170107473A
Application number: KR1020177021750A
Authority: KR
Inventors: 그레고리 살렌비엔; 미구엘 아제베도
Original assignee: 페더럴-모걸 엘엘씨
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2017-09-25
Also published as: JP2018505341A; US10247132B2; US20160222911A1; WO2016123601A1; BR112017016319A2

Abstract

내연기관용 피스톤 및 상기 내연기관용 피스톤의 제작 방법을 제공한다. 상기 피스톤은 상부 부분과 하부 부분을 포함하는 피스톤 본체를 가지고 있다. 상기 상부 부분은 실린더 보어 내의 연소 가스에 직접 노출되도록 구성된 상부 연소면을 가지고 있고 상부 연소면 아래의 언더크라운면을 가지고 있다. 상기 피스톤 본체는 상부 연소면에 인접해 있는 적어도 하나의 피스톤 링을 수용하도록 구성된 링 벨트 구역을 가지고 있고 환형 냉각 통로가 상기 링 벨트 구역으로부터 반경방향으로 안쪽으로 뻗어 있다. 상기 냉각 통로는 바닥을 가지고 있고, 상기 바닥은 적어도 하나의 관통 구멍을 가지고 있다. 냉매가 냉각 통로에 배치되어 있고, 냉각 통로의 냉매를 밀봉하기 위해서 적어도 하나의 관통 구멍에 밀봉 부재가 배치되어 있다.

Description

밀봉된 냉각 통로를 가진 피스톤 및 이 피스톤의 제작 방법

본 발명은 대체로 내연기관에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피스톤 및 피스톤의 제작 방법에 관한 것이다.

엔진 제조업자는, 비제한적인 예로서, 연비를 향상시키는 것, 연료 연소를 향상시키는 것, 오일 소비를 감소시키는 것, 및 차량 내에서 열의 추후 사용을 위해 배기 온도를 증가시키는 것을 포함하는, 엔진 효율성 및 성능을 향상시키라는 요구가 증가하는 것에 직면하고 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해서, 연소실 내의 엔진 작동 온도가 증가될 필요가 있다. 하지만, 연소실 내의 엔진 작동 온도를 증가시키는 것이 바람직하지만, 피스톤을 작동가능한 온도로 유지시킬 필요가 있다. 따라서, 피스톤 헤드의 작동 온도를 낮추기 위해서 엔진 오일이 순환하는 피스톤 헤드 내에 개방되고 폐쇄된 외측 냉각 통로와 내측 냉각 통로를 포함시키는 것이 알려져 있다. 외측 냉각 통로는 통상적으로 링 그루브 구역을 포함하는 피스톤의 상부 랜드의 둘레에 형성되어 있는 반면에, 내측 냉각 통로는 통상적으로, 보통 오목한 연소 보울(combustion bowl)을 포함하는, 통상적으로 언더크라운이라고 칭하는, 피스톤 헤드의 상부 연소면의 아래에 있다. 따라서, 링 벨트 구역과 연소면은 순환하는 오일의 냉각 작용의 혜택을 받는다. 폐쇄된 냉각 통로가 제공되는 경우, 폐쇄된 냉각 통로를 주조하는 것이 알려져 있지만; 그 제조 공정은 비용이 많이 드는 경향이 있다.

본 발명에 따라 제작된 피스톤은 폐쇄된 냉각 통로를 가진 피스톤과 관련된 상기한 단점을 극복한다.

본 발명의 한 실시형태에 따르면, 내연기관용 피스톤이 제공된다. 상기 피스톤은 상부 부분과 하부 부분을 포함하는 피스톤 본체를 포함하고 있다. 상기 상부 부분은 실린더 보어 내의 연소 가스에 직접 노출되도록 구성된 상부 연소면과 함께 상기 상부 연소면의 아래에 언더크라운면을 가지고 있다. 상기 피스톤 본체는 상기 상부 연소면에 인접한 적어도 하나의 피스톤 링을 수용하도록 구성된 링 벨트 구역과 함께 상기 링 벨트 구역으로부터 반경방향으로 안쪽에 환형 냉각 통로를 가지고 있다. 상기 냉각 통로는 바닥을 가지고 있고, 상기 바닥은 적어도 하나의 관통 구멍을 가지고 있다. 상기 냉각 통로에는 냉매가 배치되어 있고, 상기 냉각 통로 내의 냉매를 밀봉시키기 위해서 상기 적어도 하나의 관통 구멍에 밀봉 부재가 배치되어 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 밀봉 부재는 나사가 형성되어 있지 않은 밀봉 부재이다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 밀봉 부재는 나사형성 밀봉 부재이다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 밀봉 부재는 냉각 통로 바닥의 테이퍼형 관통 구멍에 상기 밀봉 부재를 나사결합시키는 것을 가능하게 하기 위해서 테이퍼형 나사형성 섕크를 가지도록 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 밀봉 부재는 마찰 용접 연결부를 통하여 상기 바닥의 밑면에 고정될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 밀봉 부재는 마찰 용접 연결부를 형성하는 것을 용이하게 하기 위해서 원뿔 형상의 테이퍼형 연결 표면을 가지도록 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 밀봉 부재는 리벳으로 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 밀봉 부재는 상기 바닥의 관통 구멍을 폐쇄시키는 소성적으로 확대된 부분을 가지고 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 밀봉 부재는 상기 관통 구멍에 압입 끼워맞춤될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 밀봉 부재의 외주 둘레에 밀봉 물질이 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 밀봉 물질은 고온 혐기성 밀봉 물질(high temperature anaerobic sealant material)로 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 내연기관용 피스톤의 제작 방법이 제공된다. 상기 방법은 실린더 보어 내의 연소 가스에 직접 노출되도록 구성된 상부 연소면과 상기 상부 연소면의 아래에 언더크라운면을 가지고 있는 피스톤 본체를 형성하는 것; 상기 상부 연소면에 인접한 적어도 하나의 피스톤 링을 수용하도록 구성된 링 벨트 구역을 형성하는 것; 상기 링 벨트 구역으로부터 반경방향으로 안쪽에 환형 냉각 통로를 형성하는 것; 상기 냉각 통로의 바닥에 관통 구멍을 형성하는 것; 상기 관통 구멍을 통하여 상기 냉각 통로에 냉매를 배치시키는 것; 그리고 상기 관통 구멍을 폐쇄시키고 상기 냉각 통로 내의 상기 냉매를 밀봉시키기 위해서 상기 관통 구멍에 밀봉 부재를 배치시키는 것을 포함한다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법은 상기 밀봉 부재를 나사가 형성되어 있지 않은 밀봉 부재로 제공하는 것을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법은 상기 바닥의 관통 구멍을 폐쇄시키고 밀봉시키기 위해서 상기 밀봉 부재의 일부분을 소성적으로 확대시키는 것을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법은 상기 밀봉 부재를 상기 냉각 통로의 바닥의 밑면에 마찰 용접하는 것을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법은 상기 밀봉 부재를 리벳으로 제공하고 상기 리벳을 상기 관통 구멍에서 확대시키는 것을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법은 상기 밀봉 부재를 플러그로 제공하고 상기 플러그를 상기 관통 구멍에 밀어넣는 것을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법은 상기 플러그를 상기 관통 구멍에 밀어넣기 전에 상기 플러그의 외주 둘레에 밀봉 물질을 배치시키는 것을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 방법은 상기 밀봉 물질을 내고온성 혐기성 밀봉 물질(high temperature resistant, anaerobic sealant material)로 제공하는 것을 더 포함할 수 있다.

바람직한 실시례와 최적의 유형의 아래의 상세한 설명, 첨부된 청구범위 그리고 첨부 도면과 관련하여 고려하면 본 발명의 상기 실시형태, 특징 및 장점과 다른 실시형태, 특징 및 장점을 보다 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시형태에 따라 제작된 피스톤의 저면도이고;
도 2는 대체로 도 1의 피스톤의 2-2 라인을 따라서 도시한 단면도이고;
도 3은 도 2의 원으로 둘러싸인 부분 3의 확대도이고;
도 4a는 도 1의 피스톤의 시일 플러그의 정면도이고;
도 4b는 도 4a의 시일 플러그의 평면도이고;
도 5a는 사전 조립된 상태(preassembled state)로 도시된 본 발명의 다른 실시형태에 따라 제작된 시일 플러그의 개략도이고;
도 5b는 상기 시일 플러그가 완전히 조립된 상태에 있는 것을 보여주는 도 5a와 유사한 도면이고;
도 6a는 도 5a 및 도 5b의 피스톤의 시일 플러그의 정면도이고;
도 6b는 도 6a의 시일 플러그의 평면도이고;
도 7a는 부분적으로 설치된 상태로 도시된 본 발명의 다른 실시형태에 따른 밀봉 부재의 단면 정면도이고;
도 7b는 완전히 설치된 상태로 도시된 도 7a의 밀봉 부재의 단면 정면도이고;
도 8a는 설치되지 않은 상태로 도시된 본 발명의 다른 실시형태에 따른 밀봉 부재의 단면 정면도이고;
도 8b는 설치된 상태로 도시된 도 8a의 밀봉 부재의 단면 정면도이고;
도 9a는 설치되지 않은 상태로 도시된 본 발명의 다른 실시형태에 따른 밀봉 부재의 단면 정면도이고; 그리고
도 9b는 설치된 상태로 도시된 도 9a의 밀봉 부재의 단면 정면도이다.

도면을 보다 상세하게 참고하면, 도 1과 도 2는, 예를 들면, 경차 디젤 엔진, 중형 디젤 엔진, 대형 대구경 디젤 엔진(heavy duty and large bore diesel engine), 그리고 가스 엔진과 같은, 내연기관(도시되어 있지 않음)의 실린더 보어 또는 챔버에서 왕복운동하는 본 발명의 바람직한 한 실시형태에 따라 구성된, 이하에서 단순히 피스톤(10)이라고 칭하는, 피스톤 조립체를 나타내고 있다. 피스톤(10)은 중심 세로축(14)을 따라서 뻗어 있는 피스톤 본체(12)를 가지고 있고, 상기 중심 세로축을 따라서 피스톤(10)이 실린더 보어 내에서 왕복운동한다. 상기 피스톤 본체(12)는 한 쪽에는 실린더 보어 내의 연소 가스에 직접 노출되도록 구성된 상부 연소면(16)과 반대쪽에는 상부 연소면(16)의 바로 아래에 축방향으로 배치된 언더크라운면(18)을 가지고 있는 상부 연소벽을 포함하도록 형성되어 있다. 피스톤 본체(12)는 또한 상부 연소면(16)에 인접하여 상부 연소면(16)으로부터 아래로 뻗은 링 벨트 구역(20)을 가지도록 형성되어 있고, 링 벨트 구역(20)은, 알려져 있는 것과 같이, 적어도 하나의 피스톤 링(도시되어 있지 않음)을 수용하도록 구성되어 있다. 또한, 피스톤 본체(12)은 피스톤(10)의 수명 동안 내부에 밀봉된 냉매(24)를 가진 환형의 폐쇄되고 밀봉된 냉각 통로(22)를 가지도록 구성되어 있다. 상기 냉각 통로(22)는, 비제한적인 예로서, 토로이드 형상인 것으로 도시되어 있고 링 벨트 구역(20)의 반경방향으로 안쪽에 있으며 링 벨트 구역(20)과 대체로 반경방향으로 정렬된 상태로 있도록 구성되어 있다. 냉매(24)를 냉각 통로(22) 내에 배치시키는 즉시, 냉각 통로(22)는 밀봉 부재(26)에 의해 밀봉되어 완전히 밀봉된 냉각 통로로 유지되고, 이것에 의해 냉매(24)가 냉각 통로(22) 내에 봉쇄되는 것이 보장되고 밀봉 부재(26)를 지나서 냉각 통로로부터 바깥으로 누출되는 것이 방지된다.

피스톤 본체(12)는 강재로 된 별개의 부분으로 구성되어 차후에 예를 들면, 유도 용접, 저항 용접, 대전 입자 광선, 전자빔 용접, 레이저 용접, 교반 용접, 경납땜, 납땜, 열간 또는 냉간 확산(hot or cold diffusion)을 통하여 서로 고정되는 강재로 된 상부 부분(28)과 강재로 된 하부 부분(30)을 가지는 것으로 도시되어 있으며, 마찰 용접법에 의해 접합되는 것으로 도시되어 있지만, 본 발명의 범위 내에서 다른 접합 방법도 고려할 수 있다. 도시된 실시례에서는, 제1 접합 연결부(32)가 한 쌍의 환형 내측 리브(34, 36)를 연결시키고, 추가적으로, 제2 접합 연결부(38)가 링 벨트 구역(20) 내에서 외측 벽을 통하여 뻗어서 한 쌍의 환형 외측 리브(40, 42)를 서로 연결시킨다.

하부 부분(30)은 중심축(14)을 따라서 상부 부분(28)으로부터 아래로 뻗어서 중심 세로축(14)을 대체로 가로질러서 뻗어 있는 핀 보어 축(48)을 따라서 공통축방향으로 정렬된 측면방향으로 이격된 핀 보어(46)를 가지는 한 쌍의 핀 보스(44)를 제공한다. 핀 보스(44)는 지주 부분(52)을 통하여 측면방향으로 이격된 스커트 부분(50)에 연결되어 있다. 상기 스커트 부분(50)은 핀 보어 축(48)을 가로질러서 서로 정반대로 이격되어 있고, 피스톤이 실린더 보어를 통하여 중심 세로축(14)을 따라서 왕복운동할 때 피스톤(10)을 원하는 방향으로 유지시키기 위해 실린더 보어 내에서 협력하여 미끄럼이동하도록 형성된 볼록한 외측 표면을 가지고 있다.

상부 연소면(16)은 실린더 보어에서의 원하는 가스 유동을 제공하기 위해서 오목한 연소 보울(54)을 가지는 것으로 도시되어 있다. 적어도 부분적으로 연소 보울(54)로 인해, 피스톤 본체 재료로 된 비교적 얇은 구역이 상부 연소면(16), 환형 냉각 통로(22) 그리고 언더크라운면(18)의 사이에 형성된다. 따라서, 사용시에, 이들 구역은 냉각 통로(22)를 통하여 유동하는 오일을 통하여 적절하게 냉각될 필요가 있다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 이 구역에 대해서 필요한 냉각은 냉각 통로(22) 내에 봉쇄된 냉매(24)를 통하여, 적어도 부분적으로, 제공된다.

상부 부분(28)을 하부 부분(30)에 연결하는 즉시 냉매(24)를 냉각 통로(22) 속에 배치시키는 것을 용이하게 하기 위해서, 하부 부분(30)은, 비제한적인 예로서, 천공 공정을 통하여 냉각 통로(22)의 바닥(58)에 형성된 관통 구멍(56)을 가지고 있다. 상기 관통 구멍(56)은 적절한 직경을 가지도록 형성될 수 있고, 하나의 예에 따르면, 상기 직경이, 비제한적인 것으로, 약 8mm 내지 10mm로 형성되어 있고, 나사가 형성되어 있지 않은 관통 구멍으로 형성되어 있다. 관통 구멍(56)은 스커트(50)들 중의 하나의 스커트의 중심 부분으로부터 반경방향으로 안쪽에 배치되어 있으며, 피스톤(10)의 비-스러스트 측(non-thrust side)에서, 핀 보어(46)들 사이의 대체로 중심에 배치되어 있어서, 응력이 감소된 구역에 있는 것으로 도시되어 있다. 하부 부분(30)을 단조하거나 이와 다른 방식으로 제작하면서, 정확히 원하는 위치에 관통 구멍(56)을 형성하는 것을 용이하게 하기 위해서, 바닥(58)의 표면에, 비제한적인 예로서, 돋을새김되거나 압인된 오목부와 같은, 식별 구조가 형성될 수 있다. 그 다음에, 원하는 종류와 양의 냉매(24)를 관통 구멍(56)을 통하여 냉각 통로(22) 속에 배치시키는 즉시, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 냉각 통로(22)가 밀봉 부재(26)에 의해 완전히 폐쇄되고 밀봉되어 냉매가 냉각 통로(22) 내에 갇힌다.

본 발명의 한 실시형태에 따르면, 도 4a 및 도 4b에 가장 잘 도시되어 있는 것과 같이, 밀봉 부재(26)가 나사가 형성되어 있지 않은 강재 플러그로 제공된다. 상기 플러그(26)는 중심축(61)을 따라서 뻗어 있는 대체로 원통형 스터드 또는 섕크(60)와, 단부 캡(62)이라고도 칭하는, 확대된 헤드를 가지고 있다. 섕크(60)는 바람직하게는 냉각 통로(22)의 바닥(58)의 관통 구멍(56)의 직경보다 작은 외측 직경(d)을 가지는 크기로 되어 있으므로, 외부에 수나사가 없는 섕크(60)는 관통 구멍(56)을 통하여 배치되는 즉시 관통 구멍(56) 내에 헐겁게 끼워맞춤된다. 따라서, 섕크(60)의 외경과 관통 구멍(56)의 외주의 사이가 억지 끼워맞춤되지 않기 때문에, 섕크(60)의 외경과 관통 구멍(56)의 외주의 사이에 엄격한 공차를 조절할 필요가 없으므로, 제작 효율성이 실현될 수 있다. 섕크(60)를 관통 구멍(56) 내에 배치시키고 중심을 맞추는 것을 용이하게 하기 위해서, 섕크(60)는 모따기처리된 단부(64)를 가지도록 형성될 수 있다. 단부 캡(62)은 섕크(60)로부터 바깥쪽으로 중심축(61)을 대체로 가로질러서 뻗은 평면 또는 대체로 평면인 환형 연결 표면(66)을 가지도록 형성되어 있다. 상기 연결 표면(66)은 관통 구멍(56)을 지나서 반경방향으로 바깥쪽으로 뻗어 있어서, 관통 구멍(56)의 직경보다 더 큰 직경을 단부 캡(62)에 제공한다. 상기 연결 표면은 하부 부분(30)과 함께 고정된 접합 연결부를 이루고 직접 형성하는 밀봉 부재(26)의 일부분이다.

폐쇄되어 밀봉될 관통 구멍(56)에 밀봉 부재(26)를 배치하기 전에, 도 3에 가장 잘 도시되어 있는 것과 같이, 밀봉 부재(26)의 연결 표면(66)이 고정될 바닥(58)의 밑면의 접합 표면(70)은, 비제한적인 예로서, 예를 들면, 스폿 페이싱 작업(spot facing operation)으로 편평하게 평면으로 기계가공될 수 있다. 따라서, 우수하고 안정적인 기체/유체 누출방지 결합이 연결 표면(66)과 접합 표면(70)의 사이에 견실하게 만들어질 수 있다. 그리고, 매끈한 평면의 접합 표면(70)을 형성하자마자, 밀봉 부재(26)의 섕크(60)가 관통 구멍(56)과 헐거운 끼워맞춤상태로 관통 구멍(56) 내에 배치되고, 밀봉 부재(26)는 마찰 용접을 통하여 접합 연결부(68)를 형성하기에 충분히 빠른 회전 속력으로 회전 구동되고, 그 결과 플래싱(flashing)(71)이 각각의 강재 연결 표면과 접합 표면(66, 70)으로부터 반경방향으로 바깥쪽으로 그리고 관통 구멍(56) 속으로 축방향으로 안쪽으로 뻗도록 형성되고, 이것은 관통 구멍(56) 내에서의 섕크(60)의 헐거운 끼워맞춤상태에 의해 제공된다. 따라서, 관통 구멍(56)의 외주와 섕크(60)의 외측 표면 사이의 관통 구멍(56)으로 유동하는 것이 자유롭게 허용되는 플래싱(71)은 관통 구멍(56)을 밀봉시키는 기체/액체 밀봉 시일을 형성하는 것을 자동적으로 촉진시키므로, 추가적인 접착제가 필요하지 않고, 이로 인해 제작 효율성을 더욱 제공하고, 결과적으로 비용을 감소시킨다. 마찰 용접 연결부를 형성하는데 필요한 회전 속력으로 밀봉 부재(26)를 회전 구동시키는 것을 용이하게 하기 위해서, 단부 캡(62)은, 유사하게 형성된 구동 공구를 수용하기 위해, 비제한적인 예로서, 비-원형인 6각형의 오목한 포켓으로 도시된 구동 구조(72)를 구비할 수 있다. 포켓(72)은 원하는 대로 상이한 비-원형 형상을 취할 수 있고, 또한, 원하는 경우, 수형 돌출부(male protrusion)로 형성될 수 있다는 것을 알아야 한다.

도 5a 및 도 5b 그리고 도 6a 및 도 6b에는, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤(도시된 피스톤(10)의 일부분)의 냉각 통로(22)로 뻗은 관통 구멍(56)을 폐쇄시키고 밀봉시키는 밀봉 부재(26')가 도시되어 있고, 상기 도면에서는 밀봉 부재의 유사한 구조를 식별하기 위해서 프라임 부호(')가 붙은 동일한 참고 번호가 사용되어 있다.

밀봉 부재(26')는 나사가 형성되어 있지 않은 강재 플러그로 제공되어 있다. 상기 플러그(26')는 자유 단부(64')에 대해 중심축(61')을 향하여 반경방향으로 안쪽으로 뻗은 환형상의 테이퍼형 돌출부(60')를 가지고 있고, 자유 단부(64')는, 비제한적인 예로서, 약간 편평하게 도시되어 있다. 상기 테이퍼형 돌출부(60')는 중심축(61')으로부터 대체로 원통형 측벽(63)으로 반경방향으로 바깥쪽으로 뻗어 있고, 상기 측벽(63)은 반대쪽 자유 단부(62')로 뻗어 있다. 마찰 용접 연결부를 형성하는데 필요한 회전 속력으로 밀봉 부재(26')를 회전 구동시키는 것을 용이하게 하기 위해서, 자유 단부(62')는 유사하게 톱니형으로 된 구동 공구(73)를 수용하기 위해서, 비제한적인 예로서, 톱니형 면(serrated face)으로 도시된 구동 구조(72')를 구비할 수 있다. 구동 공구(73)를 배치시키는 것을 용이하게 하기 위해서, 구동 공구(73)의 유사하게 형성된 수형 돌출부(77)를 수용하도록 중앙의 오목한 포켓(75)이 자유 단부(62')에 형성될 수 있다. 테이퍼형 돌출부(60')는 관통 구멍(56)을 지나서 반경방향으로 바깥쪽으로 뻗어 있는 원뿔형 연결 표면(66')을 제공하고, 이것에 의해 측벽(63)과 연결 표면(66')에 관통 구멍(56)의 직경보다 더 큰 직경을 제공한다. 상기 연결 표면(66')은 고정된 마찰 용접식 접합 연결부(68')와 맞닿아 있고 하부 부분(30)과 함께 고정된 마찰 용접식 접합 연결부(68')를 직접 형성하는 밀봉 부재(26')의 일부분이다.

조립시에, 밀봉 부재(26')의 테이퍼형 돌출부(60')가 관통 구멍(56) 내에 배치되는데, 이 때 상기 테이퍼형 돌출부의 원뿔 또는 원뿔대 형상이 밀봉 부재(26')를 관통 구멍(56)에 배치시키고 중심을 맞추는 것을 용이하게 한다. 그리고 나서, 톱니형 공구(73)가 톱니형 구동 구조(72')와 맞물리고, 밀봉 부재(26')는 마찰 용접에 의해 접합 연결부(68')를 형성하기에 충분히 빠른 회전 속력으로 회전 구동되고, 그 결과 바닥(58)의 재료가 녹는 결과로 밀봉 부재(26')가 바닥(58)의 재료 속으로 빠져들어가게 되고, 녹고 고체화되고 경화된 플래싱(71')이 각각의 강재 연결 표면과 접합 표면(66', 70)으로부터 반경방향으로 바깥쪽으로 그리고 관통 구멍(56)으로 축방향으로 안쪽으로 뻗도록 형성되고, 이것은 관통 구멍(56)을 밀봉시키는 튼튼한 기체/액체 밀봉 시일을 형성하는 것을 촉진시키므로, 추가적인 접착제가 필요하지 않고, 이로 인해 제작 효율성을 더욱 제공하고, 결과적으로 비용을 감소시킨다. 밀봉 부재(26')와 바닥(58)의 재료는 녹일 수 있고, 이로 인해 튼튼한 경화된 접합 연결부를 초래하는 녹은 다음 고체된 재료의 합금을 형성한다는 것을 알아야 한다.

도 7a 및 도 7b에는, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤(도시된 피스톤(110)의 일부분)의 냉각 통로(122)로 뻗은 관통 구멍(156)을 폐쇄시키고 밀봉시키는 밀봉 부재(126)가 도시되어 있고, 상기 도면에서는 유사한 구조를 식별하기 위해서 동일한 참고 번호에 100을 더한 참고 번호가 사용되어 있다. 피스톤 본체(112)는 피스톤 본체(12)에 대해서 상기한 것과 대체로 동일하게 구성되어 있으므로, 피스톤 본체(112)를 반복하여 기술할 필요는 없다고 생각된다.

밀봉 부재(126)는 리벳 몸체(74)와 리벳 맨드릴(rivet mandrel)(76)이라고도 칭하는 리벳 작용 부재를 가진 리벳 방식의 부재로 제공되어 있다. 따라서 리벳 방식의 밀봉 부재(126)는 보통의 리벳과 동일한 방식으로 제1 사전-설치 상태(도 7a)로부터 팽창되어 소성 변형된 제2 설치 상태(도 7b)로 이동하도록 작용된다. 설치하는 동안, 리벳 몸체(74)의 섕크(78)가 나사가 형성되어 있지 않은 관통 구멍(156)을 통하여 약간 헐거운 끼워맞춤상태로 삽입되고, 그 결과 섕크(78)의 일부분이 냉각 통로(122)로 위쪽으로 뻗어 있고 관통 구멍(156)보다 더 큰 직경을 가진 확대된 캡 또는 헤드(79)가 바닥(158)의 밑면과 맞닿게 되고, 그 다음에, 리벳을 배치시키는 것으로 알려져 있는 것과 같이, 적절한 리벳 작용 공구(도시되어 있지 않음)가 바닥(158)으로부터 아래로 뻗은 리벳 맨드릴(76)의 노출된 자유 단부를 붙잡아서 리벳 맨드릴(76)을 리벳 몸체(74)에 대해서 당기고, 이것에 의해 관통 구멍(156)을 밀봉시키기 위해서 바닥(158)의 상부 표면에서 리벳 몸체(74)의 섕크(78)의 일부분을 관통 구멍(156)의 외주와 영구적인 억지 끼워맞춤상태로 되도록 소성 변형시키고 확대시킨다. 원하는 경우, 섕크(78)를 확대된 형태로 소성 변형시키는 즉시 기체/유체 밀봉 시일을 형성하는 것을 용이하게 하기 위해서, 리벳 몸체(74)를 관통 구멍(156) 속으로 배치시키기 전에 고온 혐기성 밀봉 물질(82)이 리벳 몸체(74)의 섕크(78) 둘레에 배치될 수 있는 것을 고려할 수 있다.

도 8a 및 도 8b에는, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤(도시된 피스톤(210)의 일부분)의 냉각 통로(222)로 뻗은 관통 구멍(256)을 폐쇄시키고 밀봉시키는 밀봉 부재(226)가 도시되어 있고, 상기 도면에서는 유사한 구조를 식별하기 위해서 동일한 참고 번호에 200을 더한 참고 번호가 사용되어 있다. 피스톤 본체(212)는 피스톤 본체(12)에 대해서 상기한 것과 대체로 동일하게 구성되어 있으므로, 상기 피스톤 본체를 반복하여 기술할 필요는 없다고 생각된다.

밀봉 부재(226)는 컵 형상의 플러그로 제공되어 있다. 설치하는 동안, 관통 구멍(256)을 밀봉시키기 위해 플러그(226)의 개방 단부에 수용되어 상기 개방 단부를 밀어붙이는 적절한 설치 공구(80)에 의해 플러그(226)의 폐쇄 단부가 억지 끼워맞춤으로 관통 구멍(256) 속으로 밀어넣어진다. 바람직하게는, 기체/유체 밀봉 시일을 형성하는 것을 용이하게 하기 위해서, 플러그(226)를 관통 구멍(256) 속으로 배치시키기 전에 먼저 고온 혐기성 밀봉 물질(282)이 플러그(226)의 외주(84) 둘레에 먼저 배치된다. 플러그(226)의 재료와 벽 두께(t)를 고려하여, 관통 구멍(256) 내에서의 원하는 억지 끼워맞춤을 제공하기 위해서 플러그(226)는 임의의 적절한 직경을 가지도록 형성될 수 있다.

도 9a 및 도 9b에는, 본 발명의 다른 실시형태에 따라 구성된 피스톤(도시된 피스톤(310)의 일부분)의 냉각 통로(322)로 뻗은 관통 구멍(356)을 폐쇄시키고 밀봉시키는 테이퍼형 밀봉 부재(326)가 도시되어 있고, 상기 도면에서는 유사한 구조를 식별하기 위해서 동일한 참고 번호에 300을 더한 참고 번호가 사용되어 있다. 피스톤 본체(312)는 피스톤 본체(12)에 대해서 상기한 것과 대체로 동일하게 구성되어 있으므로, 피스톤 본체(312)를 반복하여 기술할 필요는 없다고 생각된다.

테이퍼형 밀봉 부재(326)는 테이퍼형 수나사형성 섕크(360)를 가진 테이퍼형 나사식 부재(tapered threaded member)로 제공되어 있다. 설치하는 동안, 테이퍼형 수나사형성 섕크(360)가 짝을 이루는 테이퍼형 암나사형성 관통 구멍(356) 속으로 나사결합되어 테이퍼형 암나사형성 관통 구멍(356)을 밀봉시킨다. 수나사형성 섕크(360)와 암나사형성 관통 구멍(356)의 테이퍼 구조의 경사도가 밀봉 부재(326)를 정해진 깊이(set depth)로 자동적으로 밀어넣어지게 하고, 밀봉 부재(326)가 관통 구멍(356)을 완전히 통과하여 과도하게 밀어넣어지는 것을 방지한다. 바람직하게는, 기체/유체 밀봉 시일을 형성하는 것을 용이하게 하기 위해서, 나사형성 섕크(360)를 나사형성 관통 구멍(356) 속으로 나사결합시키기 전에 고온 혐기성 밀봉 물질(382)이 먼저 나사형성 섕크(360)의 외주 둘레에 배치된다. 밀봉 부재(326)를 나사형성 관통 구멍(356) 속으로 회전식으로 밀어넣는 것을 용이하게 하기 위해서, 테이퍼형 밀봉 부재(326)의 단부(362)가 유사하게 형성된 밀어넣기 공구를 수용하기 위해, 비제한적인 예로서, 비-원형인 6각형의 오목한 포켓으로 도시된 밀어넣기 구조(372)를 구비할 수 있다. 상기한 바와 같이, 포켓(372)은 원하는 대로 상이한 비-원형 형상을 취할 수 있고, 또한, 원하는 경우, 수형 돌출부(male protrusion)로 형성될 수 있다는 것을 알아야 한다. 본 발명의 한 실시형태에 따르면, 테이퍼형 수나사형성 섕크(360)가 테이퍼형 암나사형성 관통 구멍(356) 속으로 약 18Nm 내지 22Nm의 토크로 나사결합되고, 이것은 혐기성 밀봉 물질(382)과 협력하여, 피스톤(310)의 목표 수명 동안 관통 구멍(356)을 최적으로 폐쇄시키고 밀봉시키는 것으로 알려졌다.

명백히, 상기의 개시내용에 기초하여 본 발명의 다양한 변형 및 수정이 가능하다. 따라서, 첨부된 청구항의 범위 내에서, 본 발명을 상기한 것과 다르게 실시할 수 있다는 것을 알아야 한다.

Claims

내연기관용 피스톤으로서,
환형 냉각 통로와 경계를 이루는 상부 부분과 하부 부분을 포함하고, 상기 상부 부분은 실린더 보어 내의 연소 가스에 직접 노출되도록 구성된 상부 연소면과 상기 상부 연소면의 아래에 언더크라운면을 가지고 있으며 상기 환형 냉각 통로로부터 반경방향으로 바깥쪽에 링 벨트 구역을 가지고 있고, 상기 하부 부분은 상기 환형 냉각 통로의 바닥과 상기 바닥으로부터 아래로 뻗은 한 쌍의 핀 보스를 제공하고, 상기 핀 보스는 축방향으로 정렬된 핀 보어를 가지고 있고 상기 바닥은 관통 구멍을 가지고 있는, 피스톤 본체;
상기 환형 냉각 통로 내에 배치된 냉매; 그리고
상기 관통 구멍을 밀봉하고 상기 냉매를 상기 냉각 통로 내에 밀봉하는 밀봉 부재;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제1항에 있어서, 상기 밀봉 부재가 마찰 용접 연결부나 상기 밀봉 부재의 소성적으로 확대된 부분 중의 하나를 통하여 상기 바닥에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제2항에 있어서, 상기 밀봉 부재가 상기 마찰 용접 연결부를 통하여 상기 바닥의 밑면에 마찰 용접되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제3항에 있어서, 상기 밀봉 부재가 상기 바닥의 상기 밑면에 마찰 용접된 원뿔면을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제2항에 있어서, 상기 밀봉 부재가 확대된 리벳인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제1항에 있어서, 상기 밀봉 부재의 외주 둘레에 배치된 밀봉 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제1항에 있어서, 상기 관통 구멍이 상기 피스톤 본체의 비-스러스트 측에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제7항에 있어서, 상기 관통 구멍이 대체로 상기 피스톤 보스들의 사이에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제1항에 있어서, 상기 밀봉 부재가 상기 관통 구멍으로 나사결합되는 나사형성 섕크를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제9항에 있어서, 상기 나사형성 섕크가 테이퍼 형상이고 상기 관통 구멍이 테이퍼 형상인 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
제9항에 있어서, 상기 나사형성 섕크의 외주 둘레에 배치된 밀봉 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤.
내연기관용 피스톤의 제작 방법으로서,
실린더 보어 내의 연소 가스에 직접 노출되도록 구성된 상부 연소면과 상기 상부 연소면의 아래에 언더크라운면을 가지고 있는 피스톤 본체를 형성하는 것;
상기 상부 연소면에 인접한 적어도 하나의 피스톤 링을 수용하도록 구성된 링 벨트 구역을 형성하는 것;
상기 링 벨트 구역으로부터 반경방향으로 안쪽에 바닥을 가진 환형 냉각 통로를 형성하는 것;
상기 냉각 통로의 상기 바닥에 관통 구멍을 형성하는 것;
상기 관통 구멍을 통하여 상기 냉각 통로에 냉매를 배치시키는 것; 그리고
상기 냉각 통로 내의 상기 냉매를 밀봉시키기 위해서 상기 관통 구멍에 밀봉 부재를 배치시키는 것;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제작 방법.
제12항에 있어서, 상기 밀봉 부재를 상기 냉각 통로의 상기 바닥의 밑면에 마찰 용접하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제작 방법.
제13항에 있어서, 원뿔형 테이퍼 면을 가지는 밀봉 부재를 제공하고 상기 원뿔형 테이퍼 면을 상기 바닥의 밑면에 마찰 용접하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제작 방법.
제12항에 있어서, 상기 밀봉 부재를 리벳으로 제공하고 상기 리벳을 상기 관통 구멍에서 확대시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제작 방법.
제12항에 있어서, 상기 밀봉 부재를 플러그로 제공하고 상기 플러그를 상기 관통 구멍에 밀어넣는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제작 방법.
제16항에 있어서, 상기 플러그를 상기 관통 구멍에 밀어넣기 전에 상기 플러그의 외주 둘레에 밀봉 물질을 배치시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제작 방법.
제12항에 있어서, 상기 피스톤 본체의 비-스러스트 측에 상기 관통 구멍을 형성하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제작 방법.
제12항에 있어서, 나사형성 섕크를 가지는 밀봉 부재를 제공하고 상기 나사형성 섕크를 상기 관통 구멍에 나사결합시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제작 방법.
제19항에 있어서, 테이퍼형 나사형성 섕크를 가지는 밀봉 부재를 제공하고 상기 나사형성 섕크에 대응하는 테이퍼 형상을 가지는 테이퍼형 관통 구멍을 형성하고 상기 테이퍼형 나사형성 섕크를 상기 테이퍼형 관통 구멍에 나사결합시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제작 방법.
제20항에 있어서, 상기 나사형성 섕크를 상기 관통 구멍에 나사결합시키기 전에 상기 나사형성 섕크의 외주 둘레에 밀봉 물질을 배치시키는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내연기관용 피스톤의 제작 방법.