KR20070011362A - 코팅된 피스톤 핀 - Google Patents

Abstract

피스톤 핀(10)은 원통형의 외부 마진을 갖는 관형 본체(12)를 포함하며, 상기 외부 마진은 커넥팅로드(20)의 핀 보어(28)의 내부 마진과 이동가능하게 결합되며, 상기 핀 보어(28)의 마진은 커넥팅로드를 형성하는 물질(20)로 형성된 표면(16)을 가지며, 상기 결합은 표면결합되는 표면에서 이루어진다. 피스톤 핀(10)을 형성하는 방법도 제공된다.

커넥팅로드, 피스톤 핀, 실린더, 내연기관, 스냅링, 부시, 로드 아암

Description

코팅된 피스톤 핀{COATED PISTION PIN}

본 발명은 내연기관에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 커넥팅로드를 피스톤에 이동가능하게 연결하기 위한 코팅된 피스톤 핀에 관한 것이다.

내연기관의 가동부는 열에너지를 기계적 에너지로 변환하는데 매우 중요한 역활을 한다. 왕복동 피스톤을 갖는 종래의 내연기관에서, 엔진의 가동부는 왕복동 운동을 회전 운동으로도 변환시킨다. 내연기관의 주요 가동부의 일부는 피스톤 조립체와, 커넥팅로드와, 크랭크축 조립체 이다. 실린더내에서 연료-에어 혼합물을 연소시키면 압력이 발생되어, 실린더내에서 이를 왕복동시킨다. 피스톤의 왕복동은 커넥팅로드에 의해 크랭크축으로 전달된다. 커넥팅로드 및 크랭크축의 동작은 피스톤의 왕복동을 회전운동으로 변환시킨다.

도1에는 종래의 피스톤과 피스톤 핀 및 커넥팅로드가 도시되어 있다. 도2에 도시된 바와 같이, 전형적인 피스톤은 헤드와 스커트를 갖는다. 상기 헤드는 각각의 피스톤 링을 지지하기 위한 다수의 랜드를 포함한다. 피스톤 핀 보스는 피스톤의 스커트에 형성된다. 피스톤 핀을 피스톤에 지지하는 피스톤 핀 스냅링을 로킹하기 위해 상기 스커트에는 홈이 제공된다. 선택적으로, 피스톤 핀 로크 스크류를 위해 피스톤 핀 보스를 횡단하는 나선형 구멍이 제공될 수도 있다.

피스톤은 피스톤 핀에 의해 커넥팅로드에 부착된다(도3a 및 도3b 참조). 상기 핀은 이러한 핀의 핀 보스와 상기 커넥팅 로드의 상단부를 통과한다. 커넥팅로드의 상단부는 피스톤 핀의 중간부에서 피스톤내로 올라간다. 피스톤 핀은 전형적으로 정밀하게 마무리된 강철 합금으로 제조되어 케이스 경화되며, 때로는 그 마모 특성을 증가시키기 위해 크롬도금될 수도 있다.

도1에 도시된 바와 같이, 커넥팅로드는 경량이어야만 하며, 피스톤의 트러스트를 크랭크축에 전달할 수 있도록 강해야 한다. 커넥팅로드는 전형적으로 굴곡이나 비틀림없이 중부하에 견딜 수 있는 강철합금으로부터 낙하되어 단조된다. 커넥팅로드의 상단부(소형 단부) 및 하단부(대형 단부)에 있는 보어는 베어링의 정밀한 결합을 허용하도록 기계가공된다. 커넥팅로드의 상단부는 피스톤 핀에 의해 피스톤에 연결된다. 종래기술에 있어서, 커넥팅로드의 상부 보어(핀 보어)에는 피스톤 핀과 접촉하고 있는 청동 또는 이와 유사한 물질의 중실 베어링(부시)이 배치되어 있다. 커넥팅로드의 하단부는 크랭크축과 함께 회전하며, 상단부는 피스톤 핀상에서 전후로 이동한다. 이러한 운동이 적다 할지라도, 과거에는 고압 및 고온으로 인하여 부시가 필요하였다.

본 기술분야에는 내연기관의 가동부를 포함하는 부품수를 최소화시키고 그 제조에 필요한 공정수의 최소화가 요망되고 있다. 만일 커넥팅로드의 상부 보어에 있는 중실 베어링이 제거될 수만 있다면 상당히 유리할 것이다. 과거에, 부시는 전형적으로 외부 소스로부터 구입한 후 커넥팅로드의 핀 보어내에 가압되어야만 하였다. 또한, 부시의 내경은 필요로 하는 최종면을 얻기 위하여 기계가공되어야만 한다. 부시에 대한 필요성을 제거할 수 있고 또한 부시의 내경에 대한 기계가공 단계를 제거할 수 있다면 매우 유리할 것이다.

본 발명은 상술한 바와 같은 본 기술분야의 요망에 부응하고 있다. 피스톤 핀에 적절한 코팅을 제공하므로써, 커넥팅로드 핀 보어에서의 중실 베어링에 대한 요구가 제거될 수 있다. 이에 의해, 피스톤 핀은 커넥팅로드 및 핀과 직접 면 대 면 접촉될 수 있다. 상기 코팅은 크롬-질화물(Cr-질화물 또는 Cr-N) 이다. 상기 Cr-질화물 코팅은 물리적 증착(PVD)에 의해 양호하게 인가된다. 설치하기 전에 코팅된 피스톤 핀에는 무중심 버핑 동작이 실행된다. 코팅 두께는 1 내지 10 미크론 사이가 바람직하다. 코팅된 피스톤 핀이 사용될 피스톤의 형태에 대한 제한은 없다. 따라서, 상기 코팅된 피스톤 핀은 강철 피스톤과 마찬가지로 강도가 변화되는 알루미늄 피스톤과 함께 사용될 수 있다.

본 발명은 원통형 외부 마진이 구비된 관형 본체를 갖는 피스톤 핀에 관한 것으로서, 상기 외부 마진은 커넥팅로드의 핀 보어의 내측 마진과 이동가능하게 결합될 수 있으며, 핀 보어의 마진은 커넥팅로드를 형성하는 물질의 표면을 가지며, 상기 결합은 표면결합되는 표면에서 이루어진다. 본 발명은 피스톤 핀과, 상기 피스톤 핀과 커넥팅로드의 조합을 형성하는 방법에 관한 것이다.

도1은 피스톤 조립체와 피스톤 핀과 커넥팅로드를 확대도시한 종래기술의 사시도.

도2는 종래기술의 피스톤의 단면도.

도3은 피스톤에 부분적으로 배치된 피스톤 핀의 종래기술의 사시도.

도3b는 피스톤에 부분적으로 배치된 피스톤 핀의 종래기술의 사시도.

도4는 본 발명에 따라 제조된 피스톤 핀의 사시도.

도5는 본 발명에 따라 제조된 커넥팅로드의 사시도.

도6은 본 발명의 코팅을 침착하기 위한 침착 챔버의 단면도.

도7은 무중심 버핑 동작을 도시한 사시도.

도4 및 도5에는 본 발명의 피스톤 핀(10) 및 커넥팅로드(20)가 도시되어 있다.

피스톤 핀(10)은 일반적으로 관형 본체(12)를 갖는다. 경량의 보어(14)는 피스톤 핀(10)의 길이방향으로 동심인 본체(12)에 형성된다.

코팅(16)은 관형 본체(12)의 외부 마진에 인가된다. 상기 코팅(16)에 대해서는 하기에 상세히 서술될 것이다. 인가되었을 때 상기 코팅(16)은 피스톤 핀(10)의 외부 마진이 된다.

도5에 도시된 커넥팅로드(20)는 신장된 로드 아암(22)을 포함한다. 로드 아암(22)의 제1단부에는 대형 단부(24)가 배치된다. 상기 대형 단부(24)는 엔진의 크랭크축상의 저널과 회전가능하게 결합되도록 설계되었다.

로드 아암(22)의 제2단부에는 소형 단부(26)가 배치된다. 상기 소형 단부(26)에는 핀 보어(28)가 형성되어 있다. 핀 보어(28)는 소형 단부(26)의 길이방 향과 동심으로 형성된다. 핀 보어(28)의 내부 마진은 부시를 포함하지 않으며, 커넥팅로드(20)의 구조물의 나머지를 형성하는 물질과 동일한 물질로 형성된다. 따라서, 핀 보어(28)의 내경은 피스톤 핀(10)이 베어링을 거치지 않고 커넥팅로드(20)의 핀 보어(28)내로 삽입될 때, 피스톤 핀(10)의 코팅(16)과 직접 면접촉된다.

상기 코팅(16)은 크롬 질화물(Cr-N)인 것이 바람직하다. 크롬 질화물 코팅은 물리적 증착 처리에 의해, 피스톤 핀(10)의 관형 본체(12)의 외측 마진에 양호하게 형성된 내마모성 코팅이다. 크롬 질화물 코팅은 경도가 높고, 산화 저항성이 탁월하며, 마찰계수가 낮다. 코팅(16)의 색깔은 전형적으로 금속 실버이며, 폴리싱된 스텐레스 스틸과 유사한 외관을 갖는다. 상기 코팅(16)은 전형적으로 매우 저온 침착처리로 인가된다. 이것은 왜곡을 유발하지 않는 코팅 피스톤 핀(10)을 허용하며, 공차가 정밀한 피스톤 핀(10)의 코팅을 허용한다.

상술한 바와 같이, 코팅(16)은 물리적 증착(PVD)에 의해 인가된다. PVD는 진공 코팅처리의 넓은 범위를 커버하며, 이러한 진공 코팅처리는 증기 입자의 에너지에 의해 진공 또는 부분 진공을 통해 전달된, 증발 또는 스퍼터링에 의해 소스로부터 물리적으로 제거된 후, 기판의 표면상에 필름으로서 응축된다[이 경우, 피스톤 핀(10)]. 화학적 화합물은 유사한 소스 물질을 사용하거나 또는 PVD 소스로부터 금속과 반응하는 원하는 반응물이 함유된 가스(질소, 산소, 또는 간단한 수소)를 도입하므로써 침착된다.

PVD 처리에 의해 기판의 크롬 질화물 코팅을 부여하는 전형적인 챔버가 도6 에 개략적으로 도시되어 있다. 침착 처리는 다수의 상(phase)으로 이루어져 있다.

챔버 배출

기판의 가열 및 세척

기판의 컨디셔닝

기판의 코팅

코팅된 기판의 냉각 및 제거.

상기 챔버는 존재할 수도 있는 모든 오물을 제거하고 처리를 위한 정확한 작동압력을 달성하기 위해 배출된다. 상기 기판은 표면으로부터 흡수된 오염을 제거하는 "이온 폭격" 이나 복사 히터를 이용하여 가열된다. 세척은 이온 폭격(스퍼터링) 및 수소를 이용하는 활성화된 화학적 세척의 조합에 의해 실행된다. 고온 피스톤 핀(10)(전형적으로, 200℃ 내지 450℃)은 짧은시간동안 증발원을 작동시키므로써 "컨디셔닝"되며, 상기 피스톤 핀(10)에는 고압(100 볼트 정도)이 인가된다. 이러한 처리는 표면에 혼합층을 생성하여, 코팅(16)의 강화된 고착을 유발시킨다. 코팅은 모든 증발원에서 절환되고, 약 200 볼트로 전압을 강하시키고, 원하는 성분을 생성하기 위해 필요한 가스를 받아들인다. 피스톤 핀(10)이 코팅 사이클의 말단에서 고온이기 때문에, 코팅되지 않은 영역의 탈색을 피하기 위해 챔버로부터 피스톤 핀(10)을 제거하기 전에, 피스톤 핀(10)은 약 200℃ 이하로 냉각될 필요가 있다.

양호한 실시예에서, 크롬 질화물 코팅(16)은 약 1 내지 10 미크론, 양호하기로는 약 5 미크론의 두께로 피스톤 핀(10)에 인가된다.

코팅(16)이 피스톤 핀(10)에 인가된 후, 피스톤 핀(10)은 무중심 버핑 동작에 노출된다. 무중심 버핑 동작에 있어서, 피스톤 핀(10)은 도7에 도시된 바와 같이, 반대방향으로 회전하는 버핑 휘일 사이에 지지된다. 이러한 버핑은 코팅(16)의 외측 마진에 거의 거울면 마무리를 부여한다.

본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.

Claims (15)

1. 원통형의 외부 마진을 갖는 관형 본체를 포함하며,

   상기 외부 마진은 커넥팅로드의 핀 보어의 내부 마진과 이동가능하게 결합되며, 상기 핀 보어의 마진은 커넥팅로드를 형성하는 물질로 형성된 표면을 가지며, 상기 결합은 표면결합되는 표면에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀.
2. 제1항에 있어서, 상기 관형 본체와 결합상태로 배치되는 커넥팅로드를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관형 본체에 배치되는 크롬-질화물 코팅을 포함하며, 상기 코팅은 피스톤 핀 원통형 외부 마진을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀.
4. 제3항에 있어서, 상기 크롬-질화물 코팅은 물리적 증착에 의해 침착되는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀.
5. 제3항에 있어서, 상기 크롬-질화물 코팅은 1 내지 10 미크론의 깊이로 침착되는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀.
6. 제5항에 있어서, 상기 크롬-질화물 코팅은 5 미크론의 깊이로 침착되는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀.
7. 제3항에 있어서, 상기 크롬-질화물 코팅은 침착후 버핑되는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀.
8. 제7항에 있어서, 상기 크롬-질화물 코팅은 무중심 버핑 동작에서 버핑되는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀.
9. 피스톤 핀을 형성하는 방법에 있어서,

   원통형의 외부 마진을 갖는 관형 본체를 형성하는 단계와,

   설정의 물질로 이루어진 커넥팅로드를 형성하는 단계와,

   커넥팅로드를 형성하는데 사용된 물질의 핀 보어의 표면 마진을 형성하는 단계와,

   표면결합되는 표면에서 피스톤 핀의 외부 미진과 핀 보어의 내부 마진을 결합하는 단계를 포함하며,

   상기 외부 마진은 커넥팅로드의 핀 보어의 내부 마진과 이동가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀 형성방법.
10. 제9항에 있어서, 관형 본체상에 크롬-질화물 코팅을 배치하는 단계를 포함하며, 상기 코팅은 핀 원통형 외부 마진을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀 형성방법.
11. 제10항에 있어서, 물리적 증착에 의해 크롬-질화물 코팅을 침착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀 형성방법.
12. 제10항에 있어서, 상기 크롬-질화물 코팅을 1 내지 10 미크론의 깊이로 침착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀 형성방법.
13. 제10항에 있어서, 상기 크롬-질화물 코팅을 5 미크론의 깊이로 침착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀 형성방법.
14. 제10항에 있어서, 침착후 크롬-질화물 코팅을 버핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀 형성방법.
15. 제14항에 있어서, 무중심 버핑 동작으로 상기 크롬-질화물 코팅을 버핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 핀 형성방법.

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