KR20130008004A - 내연기관용 피스톤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피스톤 크라운(13)과, 주변을 둘러싸는 탑 랜드(14)와, 링 홈을 가지면서 주변을 둘러싸는 링지대(15)와, 2개의 스커트 벽(17)과 링지대(15)로부터 후방 배치되어 스커트 벽(17)을 연결하는 2개의 박스형 벽(18)을 포함하여 박스형 벽(18)의 영역에 링지대(15)의 노출된 하부(25)가 각각 형성되도록 하는 피스톤 스커트(16)를 포함하되, 박스형 벽(18)에는 핀홀(21)을 갖는 핀 보스(19)가 제공되어 있는 내연기관용 피스톤(10)에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 적어도 하나의 지지 부재(26a, 26b)가 링지대(15)의 노출된 하부(25) 각각과 상기 링지대의 하부에 대응하여 마련된 박스형 벽(18) 사이에 배치되어 있다.

Description

내연기관용 피스톤{PISTON FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 피스톤 크라운과, 주변을 둘러싸는 탑 랜드와, 링 홈을 가지면서 주변을 둘러싸는 링지대와, 2개의 스커트 벽과 상기 링지대로부터 후방 배치되어 스커트 벽을 연결하는 2개의 박스형 벽을 포함하여 박스형 벽의 영역에 링지대의 노출된 하부가 각각 형성되도록 하는 피스톤 스커트를 포함하되, 상기 박스형 벽에는 핀홀을 갖는 핀 보스가 제공되어 있는 내연기관용 피스톤에 관한 것이다.

이러한 유형의 피스톤은 국제특허출원 WO 2008/128611 A1에 공지되어 있다. 이러한 구조의 피스톤을 박스형 피스톤이라고도 한다. 전형적인 박스형 피스톤에서 피스톤 스커트의 서로 대향하는 2개의 벽은 피스톤의 외형 기준으로 후방 배치되어 있다. 후방에 배치된 벽을 박스형 벽이라고 하고, 후방에 배치되지 않은 다른 2개의 벽은 스커트 벽으로 피스톤 스커트 고유의 주행면을 갖고 있다. 박스형 벽에서 핀 보스는 핀홀과 일체로 형성되어 있다. 박스형 벽과 스커트 벽은 피스톤 크라운의 하부에 연결되어 있다.

이러한 형태의 박스형 피스톤은 엔진 작동시 가스 압력과 점화 압력에 의해 큰 힘이 피스톤에 가해지게 되어 피스톤을 변형시킨다는 문제점이 있다. 이와 관련하여 특히 링지대는 스커트 벽의 영역에서는 지지되어 있지만 그 하부는 박스형 벽의 영역에서 노출되어 돌출되는 단점이 있다. 그 결과, 박스형 벽의 영역에서 링지대는 크랭크 하우징의 방향으로 크게 변형된다. 이에 반해, 스커트 벽의 영역에서 링지대는 박스형 벽과 스커트 벽의 견고한 구성에 의해 변형 정도가 미미하다. 이에 따라 박스형 벽이 스커트 벽으로 바뀌는 영역에서는 강도가 상승할 수 있다. 이에 의해 또한 박스형 벽의 영역에서 링지대가 변형될 때 발생하는 굽힘 모멘트에 의해 응력이 발생하고 이 응력이 박스형 피스톤에 과도하게 작용하게 된다. 특히 박스형 피스톤이 용접에 의해 서로 접합되어 있는 상부와 하부로 이루어져 있는 경우에는 용접 접합부 또는 용접 접합부들에 특히 큰 힘이 가해진다. 피스톤이 또한 링지대의 영역에 주변을 둘러싸는 냉각관을 포함하는 경우에는 이에 의해 링지대의 안정성은 더욱 감소하게 되고 엔진 작동시 특히 큰 변형이 관찰되고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기 유형의 박스형 피스톤을 개량하여 엔진 작동시 링지대의 영역에서 발생하는 굽힘 모멘트에 의해 응력이 가해지는 것을 감소시키는데 있다.

상기 목적은 링지대의 노출된 하부 각각과 상기 하부에 대응하여 마련된 박스형 벽 사이에 적어도 하나의 지지 부재를 배치함으로써 해결된다.

놀랍게도 링지대의 노출된 하부를 박스형 벽에 부착시켰을 때 엔진 작동시 이 영역에서 링지대가 크게 변형되지 않기 때문에 본 발명에 따른 피스톤에 대해 작용하는 힘이 크게 감소한다는 것을 발견하였다. 특히 용접된 멀티-파트 피스톤에서 용접 접합부에 가해지는 힘이 크게 감소하여 구성부의 안전성이 높아진다. 이에 의해 링지대를 보강하고/또는 박스형 벽을 반경방향 외측으로 그 위치를 이동시킬 필요가 없게 된다. 적어도 하나의 지지 부재에 의해 박스형 피스톤의 중량은 최소한으로 증가하게 된다.

유리한 추가 실시형태들은 종속항으로부터 분명해진다.

또 다른 유리한 실시형태에 있어서, 핀홀의 상부에 배치된 지지 부재가 링지대의 노출된 하부 각각과 상기 하부에 대응하여 마련된 박스형 벽 사이에 정확하게 제공된다. 링지대가 최대로 굴곡 변형되는 영역에서 지지 부재를 정확하게 박스형 벽에 연결함으로써 굴곡 변형을 효과적으로 감소시킬 수 있다.

각각의 지지 부재는 전체 박스형 벽에 걸쳐 원주 방향으로 연장될 수 있다. 그 결과 특히 링지대의 효과적인 보강이 이루어진다.

특히 바람직한 또 다른 실시형태에 있어서, 핀홀의 양측에 배치되어 있는 2개의 지지 부재가 링지대의 노출된 하부 각각과 상기 하부에 대응하여 마련된 박스형 벽 사이에 정확하게 제공된다. 이를 통해 상기 박스형 벽의 영역에서 링지대가 매우 효과적으로 보강되는 동시에 피스톤의 보강과 중량 사이에 최적의 관계가 얻어진다.

상기 지지 부재는 박스형 벽에 걸쳐 넓게 연장되어 핀홀을 적어도 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 이를 통해 상기 링지대에 작용하는 힘이 박스형 벽으로 특히 효과적으로 유도될 수 있다.

상기 지지 부재는 바람직하게는 링지대의 노출된 하부의 전체 반경방향 폭에 걸쳐 연장되어 특히 효과적으로 지지할 수 있다.

상기 지지 부재의 형태는 일반적으로 임의로 형성될 수 있다. 이와 관련하여 실질적으로 상기 지지 부재는 효과적으로 지지할 수 있고 링지대에 작용하는 힘이 효과적으로 유도될 수 있다. 상기 지지 부재는 예를 들면 리브형 또는 사면체형으로 형성될 수 있다. 상기 지지 부재의 단면은 바람직하게는 삼각형, 사다리꼴 또는 원호 형태로 형성되어 지지와 힘 전달이 최적화된다.

본 발명은 박스형 피스톤의 모든 구조 형태에 적합하다. 본 발명은 특히 적절한 용접 공정에 의해 서로 연결되어 있는 상부 피스톤부와 지지 부재를 둘러싸는 하부 피스톤부를 포함하는 멀티-파트 피스톤에서 효율적으로 이용될 수 있다. 본 발명에 따른 지지 부재는 박스형 벽의 영역에서 링지대의 굴곡 변형시 발생하는 굽힘 모멘트에 의한 힘이 용접 접합부에 가해지는 것을 크게 감소시켜 피스톤의 구조 안전성을 실질적으로 개선시킨다. 또한 상기 기하학적 형태에 의해 피스톤 크라운에서 응력이 크게 낮아진다.

상기 피스톤은 임의의 재질, 특히 철 재질로 제조될 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 도면은 개략적인 것으로 실제 크기와 일치하는 것은 아니다:
도 1은 본 발명에 따른 피스톤의 일 실시예의 사시도이고;
도 2는 도 1에 따른 피스톤의 정면도이고;
도 3은 도 1에 따른 피스톤을 도 2로부터 90° 회전시킨 측면도이고,
도 4는 도 2의 선 IV-IV에 따른 단면도이다.

도 1 내지 도 4는 강철 재질로 제조된 본 발명의 일 실시예의 피스톤(10)을 도시하고 있다. 본 실시예에서 본 발명에 따른 피스톤(10)은 더블-파트 피스톤이다. 상기 피스톤은 상부 피스톤부(11)와 하부 피스톤부(12)로 구성되어 있다. 상부 피스톤부(11)는 연소 공동(13a)을 가진 피스톤 크라운(13)과 탑 랜드(14)를 포함하면서 주변을 둘러싸는 링지대(15)를 포함하고 있다. 하부 피스톤부(12)는 피스톤 크라운(13)의 하부에 부착되어 있는 피스톤 스커트(16)를 포함하고 있다. 피스톤 스커트(16)는 2개의 스커트 벽(17)과 링지대(15)로부터 후방 배치되어 스커트 벽(17)을 연결하는 2개의 박스형 벽(18)을 포함하고 있다. 이를 통해 링지대(15)의 노출된 하부(25)가 형성된다. 스커트 벽(17) 각각의 외주면은 피스톤 스커트(16)의 주행면을 구성한다. 박스형 벽(18) 각각은 핀홀(21)이 형성되어 있는 핀 보스(19)를 포함하고 있다.

상부 피스톤부(11)와 하부 피스톤부(12)는 링지대의 영역에서 주변을 둘러싸는 외측의 냉각관(22)을 형성한다.

본 실시예에서 상부 피스톤부(11)와 하부 피스톤부(12)는 일반적으로 알려져 있는 방법으로 적절한 결합 공정, 예를 들면 마찰 용접에 의해 연결된다. 이를 통해 주변을 둘러싸는 내측의 용접 접합부(23)와 주변을 둘러싸는 외측의 용접 접합부(24)가 형성된다.

본 실시예에서 링지대(15)의 노출된 하부(25) 각각은 2개의 지지 부재(26a, 26b)에 의해 상기 하부에 대응하여 마련되어 있는 박스형 벽(18)에 연결되어 있다. 본 실시예에서 지지 부재(26a, 26b)는 일체로 하부 피스톤부(12)에 성형, 예를 들면 단조에 의해 형성되어 핀홀(21) 각각의 양측에 배치되어 있다. 지지 부재(26a, 26b)는 단면이 실질적으로 삼각형인 실질적으로 사면체 형태로서, 지지 부재(26a, 26b) 각각의 최상부는 박스형 벽(18) 각각의 핀홀(21) 방향으로 정렬되어 있다. 실질적으로 사면체 형태인 지지 부재(26a, 26b) 각각의 바닥부는 링지대(15)의 노출된 하부(25)를 따라 연장되어 있고 본 실시예에서 각 지지 부재(26a, 26b)가 링지대(15)의 노출된 하부(25)의 전체 반경방향 폭에 걸쳐 연장될 수 있도록 치수가 조정된다(도 1 및 도 3 참조).

핀홀(21)의 상부에 단 하나의 지지 부재가 배치될 수도 있음은 물론이다. 각각의 경우에 상기 지지 부재는 엔진 작동시 링지대(15)의 변형을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 이에 따라 특히 스커트 벽(17) 각각과 박스형 벽(18) 각각의 경계 영역에서 변형으로부터 발생하는 응력이 경우에 따라 감소하게 된다. 그 결과, 상기 피스톤 크라운 뿐 아니라 용접 접합부(23, 24)에 가해지는 응력이 크게 감소하고 본 발명에 따른 피스톤(10)의 구조 안전성이 크게 증가하게 된다.

Claims (10)

1. 피스톤 크라운(13)과, 주변을 둘러싸는 탑 랜드(14)와, 링 홈을 가지면서 주변을 둘러싸는 링지대(15)와, 2개의 스커트 벽(17)과 링지대(15)로부터 후방 배치되어 스커트 벽(17)을 연결하는 2개의 박스형 벽(18)을 포함하여 박스형 벽(18)의 영역에 링지대(15)의 노출된 하부(25)가 각각 형성되도록 하는 피스톤 스커트(16)를 포함하는 내연기관용 피스톤(10)으로서, 박스형 벽(18)에는 핀홀(21)을 갖는 핀 보스(19)가 제공되되, 적어도 하나의 지지 부재(26a, 26b)가 링지대(15)의 노출된 하부(25) 각각과 상기 링지대의 하부에 대응하여 마련된 박스형 벽(18) 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
2. 제1항에 있어서, 핀홀(21)의 상부에 배치된 지지 부재가 링지대(15)의 노출된 하부(25) 각각과 상기 하부에 대응하여 마련된 박스형 벽(18) 사이에 정확하게 제공되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
3. 제2항에 있어서, 각각의 지지 부재가 전체 박스형 벽에 걸쳐 원주 방향으로 연장될 수 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
4. 제1항에 있어서, 핀홀(21)의 양측에 배치되어 있는 2개의 지지 부재(26a, 26b)가 링지대(15)의 노출된 하부(25) 각각과 상기 하부에 대응하여 마련된 박스형 벽(18) 사이에 정확하게 제공되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
5. 제4항에 있어서, 지지 부재(26a, 26b)가 박스형 벽(18)에 걸쳐 넓게 연장되어 핀홀(21)을 적어도 부분적으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 피스톤.
6. 제1항에 있어서, 지지 부재(26a, 26b)가 링지대(15)의 노출된 하부(25)의 전체 반경방향 폭에 걸쳐 연장될 수 있는 것을 특징으로 하는 피스톤.
7. 제1항에 있어서, 지지 부재(26a, 26b)가 리브형 또는 사면체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
8. 제1항에 있어서, 지지 부재(26a, 26b)의 단면이 삼각형, 사다리꼴 또는 원호 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤.
9. 제1항에 있어서, 상기 피스톤이 용접에 의해 서로 연결되는 상부 피스톤부(11)와 지지 부재(26a, 26b)를 둘러싸는 하부 피스톤부(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
10. 제1항에 있어서, 피스톤(10)이 철 재질로 제조되는 것을 특징으로 하는 피스톤.

Images