KR820000814B1 - 피스톤 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

피스톤

제1도는 본 발명의 피스톤 핀 보어(bore)를 갖는 피스톤의 단면도이며;

제2도는 본 발명의 로울 버어니싱(roll burnishing)과정을 설명하는 제1도의 피스톤 부분의 단면도이며;

제3도는 제1도의 피스톤의 피스톤 핀 보어의 확대 단면도이다.

본 발명은 일반식으로 왕복 내연 엔진에 사용되는 피스톤에 관한 것이며 특히 그러한 피스톤의 피스톤 핀 보어에 관한 것이다.

고속도 디젤 엔진과 같은 내연 엔진에 사용되는 종래의 피스톤은 일반적으로 엔진 실린더내의 연소를 위한 반응면으로 작용하는 크라운(crown) 혹은 헤드(head) 부분으로 구성되어 있다. 스커어트(skirt)는 피스톤의 헤드 부분에 따라 주조되어 실린더 내에서 왕복운동 동안에 피스톤을 안내한다. 또한 한쌍의 보스(boss)도 피스톤 헤드에 따라 만들어지며 헤드 및 스커어트 부분과 일체적으로 주조된다. 일반적으로 원통형인 피스톤 핀 보어는 각 보스를 통해 연장되며, 두 개의 보스는 동축이다. 각 보어는 피스톤 핀의 끝을 받아들인다. 커넥팅 로드(connctinh rod)는 피스톤 핀에 대해 그 한끝이 저어널드(journalled)되며 크랭크 축에 대해 다른 한 끝이 저어널드 된다.

전형적인 왕복 엔진의 동작에 있어서, 엔진의 연소실내의 팽창개소에 의해 발생되는 구동력은 피스톤헤드로부터 피스톤 핀 보어를 통해 피스톤 핀으로 전달된다. 그 힘은 그후 커넥팅 로드로 전달되고 다음에 구동축에 전달된다. 피스톤 핀 보스에 집중되는 고도의 응력 때문에, 피스톤 핀 보어가 균열되는 문제가 종종 제거된다.

이 균열은, 구동력이 보어를 통해 이동하는 동안 피스톤 핀은 굽어지며 평평하게 되려는 경향이 있기 때문에 발생할 수도 있다. 따라서 핀은 피스톤 핀보어에 대해 축 방향으로 어긋나게 됨으로써, 구동력의 대부분이 보어의 내부(즉, 커넉팅 로드 근처) 및 상부(즉, 피스톤 헤드근처)에 위치하게 된다. 힘의 반복적인 집중은 피스톤 핀 보어를 둘러싸고 있는 보스물질에 과도한 응력을 작용시켜 균열의 형태인 피로파괴가 일어나게 된다.

전술한 문제는 피스톤 핀보어가 다듬질되지 않거나 프리스트레스(prestress)되지 않을 대 더욱 빈번히 발생할 수 있다. 로울 버어니싱은 표면을 평활하게 해서 피스톤 핀 보어내의 면의 결함을 제거하는 휘니싱(finishing)단계로서 종래에 사용되었다. 로울 버어니싱에 의해 다듬질하게 하는 지금까지 알려진 공정에서는 보어의 직경이 최대 0.00127㎝(0.0005인치)만큼 확대되어 필연적으로 프리스트레싱 혹은 치밀화(緻密化)가 이루어지지 않는다. 다듬질하기 위해 로울 버어니싱이 사용될 때는 일반적으로 원통형인 보어가 그대로 유지되며 그 이상 둥글게하거나 혹은 리보어링(reboring)이 필요하지 않다. 그러나, 이 공정이 보어주위의 물질을 치밀화 혹은 프리스트레스시키지 않기 때문에 어떤 동작 조건하에서의 균열 가능성은 여전히 비교적 높게 될 수 있다.

로울 버어니싱은 또한 피스톤 핀 보어 주위의 물질을 치밀화 혹은 프리스트레스시키는데 사용되어 왔다. 로울 버어니싱 공정이 치밀화를 위해 사용되는 동안, 물질의치밀화 깊이는 약 0.0508㎝(0.020인치)이었다. 이 공정에 있어서, 보어의 직경은 약 0.01016㎝(0.004인치) 혹은 그 이상 확대되었다.

로울 버어나싱 치밀화 공정에 있어서 종종 제기되는 문제는 피스톤 핀 보어가 비틀림 변형되는 것이다. 보어의 끝부분은 중심부보다 더 쉽게 그 직경이 증가하려는 경향이 있다. 이 문제는 피스톤이 주조 알루미늄과 같이 고도의 다공성(多孔性)을 갖는 물질로 만들어질 때 더욱 커진다. 비틀림 변형은 로울 버어니싱 공정도중에 보어 주위의 물질이 압착 혹은 압축될 때 발생하여 보어의 모서리에 있는 물질을 축 방향으로 흐르게 한다. 치밀화를 위해 지금까지 사용된 로울 버어니싱 공정의 결과 발생하는 비틀림 변형은 보어가, 지나치게 확대되어 받아들일 수 없는 모래시계 모양이 되게 한다. 따라서 휘니싱 단계로 리이밍(reaming) 혹은 리보어링 과정이 필요하다.

리이밍 혹은 리보어링 과정은 보어를 원래의 원통형으로 만들어 준다. 로울 버어니싱 공정이 물질을 비교적 큰 깊이(0.0508㎝(0.020인치) 혹은 그 이상)으로 치밀화되기 때문에, 치밀화된 물질의 대부분이 리이밍 과정에서 제거되나 약 0.0254㎝(0.010인치)의 프리스트레스된 물질이 적당한 두께로 여전히 남게된다. 그러나, 치밀화를 위한 로울 버어니싱이 사용될 때 리보어링은 지금까지 필요로한 피스톤 제조공정에서 부가적인 단계이다.

본 발명의 목적은 개선된 피스톤 핀 보어구조를 갖는 피스톤을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 피스톤핀 보어를 휘니싱하는 개선된 방법에 관한 것이다. 다음의 상세한 설명에 의해 명백해지는 이들 및 기타 목적들은 로울 버어니싱에 의해 피스톤 핀 보어를 휘니슁함으로써 성취되며, 그럼으로써 보어는 미리 정해진 양만틈 프리스트레스되며, 다듬질 및 비틀림 변형된다. 결과적인 피스톤 핀 보어는 일반적으로 모래시계꼴의 구조를 갖는다.

제1도를 참조하면, 비교적 고속도의 왕복 디젤엔진 용의 피스톤어셈블리(10)은 일반적으로 주조 알루미늄 피스톤(12)을 포함한다. 피스톤(12)는 길이방향의 축(13)을 가지며, 그것을 주위로 피스톤은 일반적으로 대칭이다 피스톤(12)는 굽어진 반응면을 갖는 크라운 혹은 헤드부분(15)을 포함한다. 면(16)은 일반적으로 길이 방향축(13)에 대해 수직이다.

원주형 피스톤 스커어트(18)는 피스톤 헤드(15)에 따라 주조된다. 스커어트는 피스톤의 과도한 요동을 방지하며 실린더(안보임)의 벽에 대한 “피스톤 슬랩(slap)”를 제한한다. 피스톤은 피스톤헤드(15) 및 스커어트(18)내에 후술되는 바와 같은 커녁팅 로드를 수용하기 위한 공동(空洞)중심부(21)를 갖는다. 피스톤의 외부 주위면(19)에는 다수의 환형 홈(21)(제2도 참조)가 있는데 이들 각각은 동작조건하의 엔진 실린더와 원활한 접촉을 갖게 하기 위한 피스톤 링(22)를 수용하도록 사용된다.

지름방향으로 마주보는 한쌍의 핀 보스(25)는 피스톤 헤드(15)에 따라 만들어지며 헤드 및 둘러싸는 스커어트(18)과 함께 주조된다. 각 보스(25)는 스커어트로부터 피스톤 직경의 약 3분의 1의 거리만큼 연장된다.

피스톤 핀 보어(30)은 각 보스 25에 주조된다. 보어(30)는 동축이며, 피스톤의 길이 방향 축(13)과 직각으로 교차하는 축(31)을 갖는다. 주조 후, 각 보어(30)은 종래의 보어링 방법에 의해 미리 정한 공차범위내로 만들어진다. 보어 면을 휘니싱하는 과정은 이후부터 상술될 것이다.

각 보어(30)은 피스톤(26)을 둘러싸여 제한하기 위한 것이다. 피스톤 핀(26)은 원통형이며 핀보어(30)과 동작적인 협동을 위한 적당한 크기의 직경을 갖는다. 커넥팅 로드(28)은 보스(25)사이의 위치에서 피스톤 핀(26) 주위에 한끌이 저어널드 된다. 로드(28)의 다른 끝은 종래의 방법으로 크랭크 축(안보임)주위에 저어널드 된다.

제2도는 피스톤 핀 보어(30)의 내부면을 휘닝슁하기 위한 로울버어니싱 방법을 설명하고 있다. 로울버어니싱 어셈블리(40)은 테이퍼드 멘드렌팁(tapered mandrel tip)(42)를 가부며 그위에 로울러 케이지(cage)어셈블리(44)가 장착된다. 어셈블리(44)는 다수의 고도로 광을 내고 경화된 버어니싱 로울러(48)을 포함하는 지지케이지(46)을 포함한다. 로울러(48)은 맨드레립의 테이퍼(42)에 대응되는 테이퍼를 갖는다.

피스톤 핀보어(30)을 마련하는 휘니슁 단계는 분해된 어셈블리(40)을 보어안으로 축방향이동시킴으로써 수행된다. 그 후 조립체는 미리 정해진 크기로 확대된다. 조립체의 회전속도 및 각 보어내에 머무는 시간은 둘다 소정의 효과를 발생시키기 위해 정확히 미리 정해진다.

로울 버어니싱은 냉간-가공 공정이다. 그것은 물질 입자 구조를 압축하며 표면의 불균일성을 다듬질한다. 로울 버어니싱 어셈블리(40)의 크기는 로울러(48)이 보어(30)내에서 피스톤 물질의 항복점을 초과하는 압력을 발생시키는 정도의 크기이다/

이 로울 버어니싱 공정은 피스톤 핀 보어면을 다듬질하게 되고, 피스톤 핀 보어 주위의 물질의 치밀화 혹은 프리스트레씽 그리고 특히 각 보어의 끝 가까이에 미리 정해지고 제한된 양의 비틀림 변형을 완전히 동시에 이루게 된다.

보어 면의 다듬질은 보어의 첨단 혹은 표면 불균일성을 로울러로 판단하게 함으로써 이루어진다. 이 다듬질은 보어와 피스톤 핀 사이의 접촉면을 크게해 준다.

보어 주위 물질의 치밀화는 중심부에서는 약 0.00254㎝(0.001인치)깊이로 끝 부분에서는 0.04064㎝(0.016인치)의 깊이로 발생한다 치밀화의 깊이는 로울버어니싱 직전의 보어의 크기 및 다듬질 정도, 보어 주위 물질의 다공성 및 탄성치 및 기타에 따라 상기 값과 달라 질 수 있다. 보어 주위 물질의 입자가 눌려져서 인장되기 때문에 치밀화화가 발생하며, 이에 따라 물질의 밀도가 증가한다. 이 프리스트레씽은 물질이 실패없이 단위 면적당의 스트레스 혹은 부하를 더 많이 수용할 수 있게 한다.

로울 버어니싱 공정의 결과로 생긴 보어(30)의 비틀림 변형은 제3도에 더욱 명백히 도시되어 있다. 보어(30)은 각각 축방향으로 떨어져 있는 제1 및 제2 끝부분(32) 및 (33)을 가지며, 그 끝부분사이에 중심부분(35)을 갖는다. 보어 주위물질이 중심부(35)에서 보다는 끝부분(32) 및 (33)에서 더 적게 압박되므로 보어(30)의 비틀림 변형이 발생한다. 따라서, 끝부분(32) 및 (33)에 있는 물질은 더욱 용이하게 흐르려는 경향을 갖는다. 버어니싱 공정이 완료된 후 보어(30)의 축방향으로 위치한 각 단면은 보어의 축(31)상에 위치한 중심을 둔 일반적으로 원형의 둘레를 갖는다. D₂로 표시된 끝부분(32) 및 (33)의 직경은 대략 등가이며 중심부(35)의 직경은 D₁보다 약 0.001016㎝(0.0004인치)에서 약 0.002032㎝(0.0008인치)까지 더크며, 따라서 보어(30)이 일반적으로 모래시계꼴 구조를 갖게한다.

피스톤 핀 보어(30)이 모래시계꼴 비틀림 변형은 비틀림 변형량이 조심스럽게 제어되고 제한된다면 이로울 수가 있다. 엔진의 동작중 피스톤 핀(26) 상에 놓인 부하 및 결과적인 핀 굴곡은 정확히 결정될 수 있다. 적정 보어 굴곡은 부하시의 피스톤 핀의 굴곡과 대략 일치하며, 응력의 집중 및 핀 보어균열의 가능성은 그에 따라 줄어든다. 이러한 방법에 의해 로울 버어니싱을 하면 보어(30)의 부가적인 보어링 혹은 리이밍이 필요치 않다.

공정을 더 잘 이해할 수 있도록 로울 버어니싱 계수의 예가 제시되었다. 디젤엔진용의 10.795㎝(4.25인치)의 명목직경을 갖는 전형적인 주조 알루미늄 피스톤은 약 2.6671㎝(1.5005인치)의 직경을 갖는 피스톤핀을 사용할 수 있도록 설계되어 있다. 휘니싱 직전에 피스톤 핀 보어는 원주형이며 약 2,667±0.000508㎝(1.5000±0.0002인치)의 직경 및 약 80 및 120마이크로인치 AA사이의 표면 평활도를 갖는다. 매분 약 40표면 피이트(sfpm)의 선속도에 대응하는 속도로 회전하는 로울 버어니싱 조립체에 있어서 약 15초의 체류 시간은 보어에 대한 수용가능한 굴곡을 주기에 충분하다. 버어니싱 조립체의 속도는, 분당 회전수로 표시되는 최적 회전속도가 보어 직경 및 버어니싱 어셈블리 크기가 변함에 따라 달라지기 때문에 선형 칫수의 용어로 기술되었다. 약 30 내지 50sfpm의 속도는 보어의 직경 및 특정한 응용분야에 필요한 치밀도 및/혹은 비틀림 변형율에 따라 또한 사용된다는 점에 주의해야 한다. 버어니싱 후, 보어는 약 6-10마이크로인치 AA의 평활도를 가지며 그중 심부의 직경은 약 2.6695㎝(1.5010인치)가 될 것이다.

엔진의 작동중, 피스톤(12)는 그와 함께 피스톤 핀(26) 및 커넥팅로드(28)을 운반하면서 하방으로(제1도)눌려진다. 로드(28)의 하방운동에 대한 저항은 피스톤 핀(26)에 대한 상방향 힘을 부여한다. 이 힘은 핀(26)을 구부러지고 판판하게 한다. 핀(26)이 그 상부(제1도) 및 내부(공동부분 21부근)에서 그 곡선이 왜곡됨에 따라 그 부분의 핀 보어(30)의 곡선에 대략 접근하게 된다. 그 결과 보어면에 더욱 일정하게 부하가 놓이게 된다. 핀 보어 끝 부분(32) 및 근처(33)의 다른 부분에서의 핀(36)의 여하한 판판함, 구부러짐 혹은 그 밖의 다른 비틀림 변형은 더욱 큰 여유에 의해 수용될 수 있다.

전술된 상세한 설명은 한 구체예를 설명하기 위하여 주어졌지만, 여러 가지 수정이 첨부된 청구범위에 나타난 바와 같은 본발명의 원리 및 범위로부터 이탈함이 없이 만들어질 수 있다.

Claims (1)

1. 피스톤헤드, 길이방향축, 외부주위면, 커넥팅로드를 수용하기 위한 공동(空洞)중심부와, 길이방향축을 횡단하는 방향으로 피스톤의 최소한 일부를 지나서 뻗으며 최소한 부분적으로 피스톤핀을 포함하도록 적용되는 피스톤핀 보어를 포함하며, 피스톤핀은 커넥팅로드에 피보트운동이 가능하게 연결되고, 보어는 외부주위면에 인접한 바깥 끝부분과 공동중심부에 인접한 안쪽끝부분과 그 사이의 중심부분을 가지며, 이들 각 중심 및 끝부분은 대략 원형의 단면을 가지며, 보어는 바깥끝부분에서 안쪽 끝부분으로 가면서 원활하게 만곡되어 있는 피스톤에 있어서; 보어의 바깥 및 안쪽끝부분직경은 실질적으로 같고 중심보다 0.0004 내지 0.0008인치 정도 커서 보어가 원활하게 만곡된 장고 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 피스톤.

Images