KR101497178B1 - 핀 보스 및 그가 포함된 내연 기관용 피스톤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내연 기관용 피스톤(10)을 위한 핀 보스(17)에 관한 것으로서, 핀 보스(17)는 내측 보스면(17a) 및 외측 보스면(17b) 그리고 피스톤 핀을 수용하기 위한 보스 구멍(18)을 갖는다. 본 발명에 따라 보스 천정에서 보스 구멍(18)은 포켓(20)을 갖는데, 그 깊이는 보스 윤곽을 따라 외측 보스면(17b)의 방향으로 지속적으로 감소한다.

Description

핀 보스 및 그가 포함된 내연 기관용 피스톤{PIN BOSS AND PISTON HAVING THE SAME, FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE}

본 발명은 내연 기관용 피스톤을 위한 핀 보스에 관한 것으로서, 핀 보스는 내측 보스면 및 외측 보스면 그리고 피스톤 핀을 수용하기 위한 보스 구멍을 갖는다. 또한 본 발명은 그러한 핀 보스를 구비한 내연 기관용 피스톤에 관한 것이다.

핀 보스의 설계 시 가동 중에 피스톤 상면에 작용하는 가스 힘이 핀 보스를 통해 피스톤 핀에 전달된다는 점에 유의해야 한다. 이때 부분적으로 상당한 응력이 발생하는데, 이런 응력은 예를 들어 핀 보스에서 균열 형성에 기여할 수 있다. 피스톤 상면에서 가스 힘에 의해 발생된 응력은 특히 오토 엔진에 사용되는 낮은 압축 높이의 피스톤에서 상당히 크게 나타날 수 있다. 예를 들어 독일 공개 특허 공보 DE 10 2004 008 097 A1에 공개된 바와 같이 이 응력을 감소시키기 위해 피스톤 상면의 방향에서 보스 구멍으로 수직 타원을 형성시키는 것이 제안되었다. 하지만 특히 수평 타원을 갖는 핀 보스와 비교하여 보스 강도의 감소가 나타난다. 이외에도 수직 타원을 갖는 핀 보스의 경우 피스톤 핀의 동작으로 인하여 원치 않는 소음이 발생할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

따라서 본 발명의 목적은 개선된 보스 강도에서 피스톤 상면 영역의 응력이 감소될 뿐 아니라 원치 않는 소음이 감소되고 핀 보스의 강도는 거의 저하되지 않도록 이러한 유형의 핀 보스를 더욱 개선하는 것이다.

이 목적을 달성하기 위해 청구항 1항의 특징을 포함하는 핀 보스 및 그러한 핀 보스를 구비한 피스톤이 제안된다. 본 발명에 따라 보스 천정에서 보스 구멍은 포켓을 갖는데, 그 깊이는 보스 윤곽을 따라 외측 보스면의 방향으로 지속적으로 감소한다.

보스 구멍을 본 발명에 따라 설계할 경우 본 발명에 따른 핀 보스의 강도가 뚜렷하게 증가하며 이와 동시에 상면 응력이 현저하게 감소된다는 놀라운 사실이 밝혀졌다. 본 발명에 따른 핀 보스의 강도 증가는 하중 요소로서의 유체역학적 방사상 변위 압력이 보스 천정에서 발생하지 않고 이로써 본 발명에 따른 핀 보스의 부하 용량이 현저하게 증가하는데 그 이유가 있다. 상면 응력의 감소는 피스톤 핀의 변형 거동 및 이로 인한 국소적 팽창 및 응력에 긍정적 영향을 미치는 부하 재분배가 피스톤 핀의 둘레 방향에서 이루어지는데 그 이유가 있다. 또한 종래 기술에 설명된 수직 타원을 갖는 보스 구멍에 비해 가동 중에 소음 발생이 감소되는데, 그 이유는 원칙적으로 보스 윤곽(즉 보스 구멍의 단면 윤곽)은 본 발명에 따라 제공되는 포켓의 형태 및 형상에 상관없이 임의로 선택이 가능하기 때문이다. 이로써 개별 상황의 요구에 맞게 보스 윤곽을 적응시키는 것이 가능하다. 추가적으로 본 발명에 따라 제공되는 포켓은 오일 저장소로서 보스 구멍의 윤활을 개선시키는 작용을 한다. 따라서 본 발명에서 지향하는 목적이 적은 비용으로 달성 가능하다.

바람직한 개선된 형태는 종속항에 설명된다.

본 발명에 따라 제공되는 포켓은 바람직하게도 보스 구멍의 길이의 50% 내지 90%, 특히 60% 내지 80%에 걸쳐 뻗어 있다. 이로써 본 발명에 따른 핀 보스의 개별적 형성을 위한 추가적인 여유 공간이 형성되거나 또는 핀 보스가 외측 보스면 및/또는 내측 보스면의 영역에서 성형 구멍을 가질 수 있다.

본 발명에 따라 제공되는 포켓의 폭은 내측 보스면에서 예를 들어 피스톤 핀 직경의 적어도 20%, 특히 25% 내지 40%이다. 따라서 본 발명에 따른 핀 보스의 강도는 더욱 최적화될 수 있고 예를 들어 종래 핀 강도의 120%를 초과할 수 있다.

본 발명에 따른 핀 보스의 강도 최적화를 위하여, 내측 보스면에서 본 발명에 따라 제공된 포켓의 모서리 끝점이 피스톤 핀의 중앙축을 기준으로 30˚ 내지 50˚의 각도를 가지도록 본 발명에 따라 제공되는 포켓의 치수가 결정될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에서는 본 발명에 따라 제공된 포켓의 모서리의 단면 윤곽이 보스 구멍에 중첩된 타원 형태를 갖는다. 이것은 본 발명에 따라 제공된 포켓 또는 그 가장자리가 층이 없는 연속적인 천이부를 가지면서 보스 구멍으로 천이되도록 한다. 이로써 가동 중에 포켓 모서리의 기계적 부하가 감소되고 핀이나 보스의 마찰 위험 또는 핀 또는 보스의 마모 위험이 방지된다.

개별 상황의 요구에 따라서 타원은 양성 또는 음성 이중 타원으로서, 더 높은 차원의 타원으로서 또는 국소적 사인파 형태의 형상 오차로서 형성될 수 있다. 바람직한 개선된 형태에서는 외측 보스면의 방향으로 중첩된 타원의 타원 직경이 지속적으로 감소하거나 또는 지속적으로 감소된 보스 구멍 둘레 영역에서 진행하므로, 이 실시 형태에서도 본 발명에 따른 핀 보스의 개별적 설계를 위한 추가적인 여유 공간이 확보된다.

본 발명에 따라 제공된 포켓은 수평 타원을 갖는 또는 원통형의 핀 보스에 형성될 수 있다. 특히 수평 타원을 갖는 핀 보스에서는 매우 높은 보스 강도가 관찰된다.

또한 마지막으로 보스 구멍에서 적어도 그 둘레 일부분에 걸쳐 진행하는 윤활 그루브가 제공되는 것이 바람직하다. 이런 윤활 그루브는 그 윤활 작용을 더욱 개선하기 위해 본 발명에 따라 제공된 포켓에 연결된다.

본 발명은 개선된 보스 강도에서 피스톤 상면 영역의 응력이 감소될 뿐 아니라 원치 않는 소음이 감소되고 핀 보스의 강도는 거의 저하되지 않도록 이러한 유형의 핀 보스를 더욱 개선하는 효과가 있다.

하기에서 본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 근거로 상세히 설명된다. 도면은 개략도이며 현척이 아니다.
도 1은 부분적으로 단면도로 도시된, 본 발명에 따른 핀 보스를 구비한 피스톤을 나타낸다.
도 2는 도 1의 라인 II-II를 따라 절개한 단면도를 나타낸다.
도 3은 도 1의 라인 III-III을 따라 절개한 단면도를 나타낸다.
도 4는 도 3의 라인 IV-IV를 따라 절개한 부분 확대 단면도를 나타낸다.

도 1 및 도 2는 일체형 피스톤(10)의 실시예를 나타낸다. 피스톤(10)은 피스톤 상면(12), 둘레로 진행하는 헤드 랜드(13) 및 도시되지 않은 피스톤 링을 위한 링 그루브(15)를 구비한 둘레로 진행하는 링 지대(14)를 갖는 피스톤 헤드(11)를 포함한다. 피스톤 헤드(11)의 아래에는 (도시되지 않은) 피스톤 핀의 수용에 사용되며 각각 하나의 외측면(18a)을 갖는 보스 구멍(18)을 갖는 핀 보스(17) 및 피스톤 스커트(16)가 제공된다. 핀 보스(17)는 각각 하나의 내측 보스면(17a) 및 하나의 외측 보스면(17b)을 갖는다.

본 발명에서는 보스 구멍(18)이 보스 천정에서 각각 하나의 포켓(20)을 갖도록 핀 보스(17)가 형성된다. 포켓(20)은 예를 들어 밀링 툴을 통해 보스 구멍(18)에 형성될 수 있다. 이 실시 형태에서 각각의 포켓(20)은 원호 형태의 단면 윤곽을 가지며(도 4 비교), 그 깊이는 헤드 측의 보스 표면에서 보스 윤곽을 따라 외측 보스면(17b)의 방향으로 지속적으로 감소한다. 다른 방식으로 설명하자면, 포켓(20)은 최종적으로 보스 구멍(18)의 외측면(18a)에 연결되기 위해 외측 보스면(17b)의 방향에서 점점 평평해진다. 도 1에 도시된 바와 같이 이 실시예에서는 적어도 보스 구멍(18)의 둘레 일부분으로 진행하는 윤활 그루브(22)가 보스 구멍(18)의 표면에 형성되어 있다. 이 실시예에서 윤활 그루브(22)는 거의 보스 천정에 배치되며 바람직하게도 0.01 내지 1 mm의 깊이를 갖는다. 윤활 그루브(22)는 오일 분배 및 보스 윤활을 더욱 개선하는 기능을 한다.

도 3에 도시된 바와 같이 이 실시예에서 포켓(20)의 총 길이는 지지하는 보스 구멍의 길이에 약 80%에 달하므로, 외측 보스면(17b)의 영역에서는 임의의 형태를 갖는 성형 구멍(도시되지 않음)을 형성하는 것이 가능하다. 바람직한 포켓(20)의 길이는 보스 구멍(18)의 길이의 50% 내지 90%, 특히 60% 내지 80%이다. 개별 상황의 요구에 따라서 내측 보스면(17a)의 영역에서 하나의 성형 구멍을 형성하는 것도 가능하다. 그와 같은 성형 구멍은 전문가들에게 알려져 있다. 또한 이 실시예에서 포켓(20)의 폭은 내측 보스면(17a)에서 피스톤 핀 직경의 약 40%이다. 바람직한 포켓의 폭은 내측 보스면(17a)에서 피스톤 핀 직경의 적어도 20%, 특히 25% 내지 40%이다.

특히 도 4에 도시된 바와 같이 내측 보스면(17a)에서 포켓(20) 모서리(21)의 끝점(21a, 21b)은 피스톤 핀의 중앙축(M)을 기준으로 이 실시예에서 약 45˚의 각도(α)로 갖는다. 바람직한 개방 각도(α)는 약 30˚ 내지 50˚이다.

특히 도 3 및 도 4에 상세히 도시된 바와 같이 이 실시예에서는 포켓(20)의 둘레 모서리(21)는 중첩된 타원(23)을 갖는다. 보스 구멍(18)에 중첩된 이 타원(23)은 피스톤 핀에 의해 발생하는 부하를 포켓(20)의 영역에서 감소시키는 작용을 한다. 이 중첩된 타원(23)은 양성 또는 음성 이중 타원, 더 높은 차원의 타원 또는 국소적으로 사인파 형태의 형상 오차의 의미에서 알려진 방식에 따라 포켓(20) 모서리(21)의 단면 윤곽을 중첩시킬 수 있다. 이러한 타원의 계산은 전문가들에게 잘 알려져 있다. 설명된 중첩된 타원은 예를 들어 특히 3D 제어 기술이 탑재된 기계를 이용한 보스 구멍(18)의 진원 가공을 통해 형성될 수 있다.

이 실시예에서 보스 구멍(18)은 순수한 원통형 보스 구멍으로 도시되어 있다(도 2 비교). 하지만 보스 구멍(18)은 보스 강도의 개선을 위해 특히 알려진 유리한 방식으로 알려진 형태의 수평 타원을 포함할 수 있다. 또한 그에 대안적으로 또는 추가적으로 보스 구멍(18)은 포켓(20) 밖의 외측 보스면(17b) 영역 및/또는 내측 보스면(17a) 영역에서 도면에는 도시되지 않은 임의 형태의 성형 구멍을 포함할 수 있다.

10 피스톤
11 피스톤 헤드
12 피스톤 상면
13 헤드 랜드
14 링 지대
15 링 그루브
16 피스톤 스커트
17 핀 보스
17a 내측 보스면
17b 외측 보스면
18 보스 구멍
18a 보스 구멍의 외측면
20 포켓
21 포켓의 모서리
22 윤활 그루브
23 중첩된 타원
M 피스톤 핀의 중앙축

Claims (15)

1. 내연 기관용 피스톤(10)을 위한 핀 보스(17)로서, 핀 보스(17)는 내측 보스면(17a) 및 외측 보스면(17b) 그리고 피스톤 핀을 수용하기 위한 보스 구멍(18)을 갖는 핀 보스에 있어서,
   보스 천정에서 보스 구멍(18)이 포켓(20)을 가지며, 그 깊이는 보스 윤곽을 따라 외측 보스면(17b)의 방향으로 지속적으로 감소하고, 상기 포켓(20)이 보스 구멍(18)의 길이의 50% 내지 90%에 걸쳐 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 핀 보스.
2. 제1항에 있어서, 상기 포켓(20)이 보스 구멍(18)의 길이의 60% 내지 80%에 걸쳐 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 핀 보스.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 핀 보스(17)가 적어도 외측 보스면(17b)의 영역 또는 적어도 내측 보스면(17a)의 영역에서 성형 구멍을 갖는 것을 특징으로 하는 핀 보스.
4. 제1항에 있어서, 상기 포켓(20)의 폭이 내측 보스면(17a)에서 피스톤 핀 직경의 적어도 20%인 것을 특징으로 하는 핀 보스.
5. 제4항에 있어서, 상기 포켓(20)의 폭이 내측 보스면(17a)에서 피스톤 핀 직경의 25% 내지 40%인 것을 특징으로 하는 핀 보스.
6. 제1항에 있어서, 내측 보스면(17a)에서 포켓(20) 모서리(21)의 끝점(21a, 21b)이 피스톤 핀의 중앙축(M)을 기준으로 30˚ 내지 50˚의 각도(α)를 갖는 것을 특징으로 하는 핀 보스.
7. 제1항에 있어서, 상기 포켓(20)의 모서리(21) 단면 윤곽이 보스 구멍(18)에 중첩된 타원(23)의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 핀 보스.
8. 제7항에 있어서, 상기 타원(23)이 양성 또는 음성 이중 타원, 더 높은 차원의 타원 및 국소적 사인파 형태의 형상 오차 중 하나로서 형성되는 것을 특징으로 하는 핀 보스.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 중첩된 타원(23)의 타원 직경이 외측 보스면(17b)의 방향으로 지속적으로 감소하는 것을 특징으로 하는 핀 보스.
10. 제7항에 있어서, 중첩된 타원(23)의 타원 직경이 지속적으로 감소하는 보스 구멍(18) 둘레 영역에서 진행하는 것을 특징으로 하는 핀 보스.
11. 제1항에 있어서, 상기 포켓(20)이 원통형 핀 보스(17)에 형성되는 것을 특징으로 하는 핀 보스.
12. 제1항에 있어서, 상기 포켓(20)이 수평 타원을 갖는 핀 보스(17)에 형성되는 것을 특징으로 하는 핀 보스.
13. 제1항에 있어서, 보스 구멍(18)에는 적어도 그 둘레의 일부분에 걸쳐 뻗어 있고 포켓(20)에 연결되는 윤활 그루브(22)가 제공되는 것을 특징으로 하는 핀 보스.
14. 내연 기관용 피스톤(10)에 있어서, 피스톤이 제1항에 따른 핀 보스(17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤.
15. 삭제

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