KR100304203B1

KR100304203B1 - 밀봉구조 및 그 밀봉구조에 사용되는 피스톤 링 구조체의 조립방법

Info

Publication number: KR100304203B1
Application number: KR1019990005585A
Authority: KR
Inventors: 구마이데루오; 마스다요시히코; 오카모토미치오
Original assignee: 와다 아끼히로; 도요다 지도샤 가부시끼가이샤; 마사시 히사토미; 데이코쿠 피스톤 링 가부시끼기이샤
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2001-09-13
Also published as: DE69914002T2; JP3364590B2; DE69914002D1; KR19990072778A; JP2000055199A; EP0937922B1; CN1104575C; EP0937922A2; EP0937922A3; US6257590B1; CN1234479A

Abstract

본 발명은, 수지재료로 연속적으로 형성된 바깥쪽 링을, 금속으로 이음매를 설치하여 형성된 안쪽 링을 거쳐 금속으로 만든 코일 익스팬더로 반경방향 바깥쪽으로 누르는 타입의 피스톤 링 구조체를 사용한 밀봉구조에 관한 것이다.

본 발명에 있어서는, 피스톤 링 구조체는 폴리이미드로 연속적으로 형성된 바깥쪽 링을, 강철로 이음매를 설치하여 형성된 안쪽 링을 거쳐 코일 익스팬더로 피스톤의 반경방향 바깥쪽으로 눌러 구성된다. 바깥쪽 링의 실린더벽과의 슬라이딩면은 홈으로 각 상단가장자리부에 모따기를 가지는 위쪽, 아래쪽 슬라이딩면으로 분할되어 있다.

Description

밀봉구조 및 그 밀봉구조에 사용되는 피스톤 링 구조체의 조립방법{SEALING STRUCTURE AND METHOD OF MOUNTING PISTON RING STRUCTURAL BODY FOR USE IN THE SEALING STRUCTURE}

본 발명은 서로 슬라이딩하는 피스톤과 실린더 사이의 밀봉을 하는 밀봉구조에 관한 것으로서, 특히 수지재료로 형성된 바깥쪽 링을, 안쪽 링을 거쳐 가세수단으로 슬라이딩면을 향하여 누르는 내연기관용 피스톤 링으로서의 밀봉구조 및 이 밀봉구조에 사용되는 피스톤 링 구조체의 조립방법에 관한 것이다.

1998년 2월 20일자로 출원된 일본 특허 출원 평10-39264호, 1998년 6월 1일자 평10-151568호 및 1998년 8월 25일자 평10-238940호의 상세한 설명, 도면 및 요약서가 본 명세서에 참조로 병합되어 있다.

서로 슬라이딩하는 피스톤과 실린더 사이를 밀봉하기 위하여 밀봉구조를 설치하는 것은 널리 행하여지고 있다.

예를 들어, 내연기관에 있어서도 소위 피스톤 링이 피스톤 링 홈에 배치되어 있다. 이 피스톤 링은 종래부터 금속으로 만든 것이 많이 사용되고 있으나, 수지로 만든 피스톤 링도 개발되어 있다.

예를 들어, 수지로 만든 피스톤 링을 사용하는 것이 일본국 특개 평9-280373호 공보에 개시되어 있다. 이 공보에는, 플루오르수지 중의 하나인 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 이음매를 설치하지 않고 연속적으로 형성된 바깥쪽 링을, 동일한 PTFE로 이음매를 설치하지 않고 연속적으로 형성된 안쪽 링을 거쳐 금속으로 만든 코일 익스팬더로 이루어지는 링 장력 제공부재에 의해 반경방향 바깥쪽으로 누르도록 한 피스톤 링 구조체가 개시되어 있다.

상기 공보의 피스톤 링 구조체는, 링을 안쪽 링과 바깥쪽 링으로 분할하여, 안쪽 링에 의하여 링 홈 주위의 밀봉성을 확보하고, 바깥쪽 링에 의하여 실린더벽과의 슬라이딩부의 밀봉성을 확보하도록 하고 있다.

그런데, 상기 공보의 피스톤 링 구조체에서는, 안쪽 링도 바깥쪽 링도 동일한 PTFE를 사용하고 있다. 그러나, PTFE는 한계의 PV치[면압(面壓) P와 미끄럼속도 V의 곱)이 낮아 실린더벽과의 슬라이딩부가 충분한 내구성을 얻을 수 없고, 또 열팽창률이 크기 때문에 온도가 올라가면 코일 익스팬더의 탄성력에 의한 실린더벽으로의 밀어붙이는 힘이 커져 기관의 마찰손실을 증대하게 된다는 점이 바깥쪽 링에 관하여 문제가 된다.

또, 안쪽 링에 관해서는, 기관운전시에 고온이 되면 코일 익스팬더가 죄어들어 영구왜곡을 일으키게 되고, 그것에 기인하여 링 홈 주위의 밀봉성이 저하되는 등의 문제가 있다.

본 발명은, 상기 문제를 감안하여, 수지로 만든 미끄럼접촉링을 가세수단에 의하여 가세력작용링을 거쳐 피스톤과 실린더의 슬라이딩대향면의 한쪽으로 누르는 밀봉구조의 내구성을 향상하는 것을 목적으로 한다.

또, 이와 같은 밀봉구조에 사용되는 피스톤 링 구조체를 간단하고 확실하게 피스톤에 장착하는 방법을 제공하는 것도 본 발명의 목적이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 밀봉구조를 나타낸 도,

도 2는 피스톤이 상승에서 하강으로 반전할 때에 안쪽 링(30)이 먼저 링 홈의 윗면에 닿는 모양을 나타낸 도,

도 3은 피스톤이 하강에서 상승으로 반전할 때에 안쪽 링(30)이 먼저 링 홈의 밑면에 닿는 모양을 나타낸 도,

도 4는 링 가이드의 구조를 나타낸 도,

도 5는 링 밀어넣음지그의 구조를 나타낸 도,

도 6은 안쪽 링 누름지그의 구조를 나타낸 도,

도 7은 안쪽 링 누름지그의 변형예의 구조를 나타낸 도,

도 8은 본 발명의 제 2 실시형태의 밀봉구조를 나타낸 도,

도 9는 제 2 실시형태에 있어서의 비스듬하게 자른 바깥쪽 링(20)의 이음매부의 모양을 나타낸 도,

도 10은 도 9의 바깥쪽 링(20)의 운전중의 모양을 나타낸 도.

본 발명의 제 1 형태에서는, 상대적으로 슬라이딩하는 피스톤과 실린더의 슬라이딩대향면 중의 어느 한쪽에 설치된 홈 내에 배치되고, 홈이 설치되어 있지 않은 다른쪽을 향하여 가세되어 다른쪽의 면에 미끄럼접촉시켜지는 밀봉구조는, 지름방향으로 적층된 복수의 링으로 구성되는 밀봉부재와, 상기 밀봉부재를 홈이 배치되어 있지 않은 쪽으로 가세하는 가세수단을 구비하며, 상기 밀봉부재 중, 상기 가세수단으로부터 가장 먼 쪽에 배치되어 상기 미끄럼접촉면을 포함하는 미끄럼접촉링이 폴리이미드수지로 형성되어 있고, 상기 밀봉부재 중, 상기 가세수단에 인접하여 가세수단의 가세력이 작용하는 가세력작용링이 폴리이미드수지의 경도를 초과하는 경도를 가지는 재료로 이음매를 가지고 형성되어 있다.

이와 같이 구성된 밀봉구조에서는, 미끄럼접촉링이 폴리이미드수지로 형성되고, 가세력작용링은 폴리이미드수지의 경도를 초과하는 경도를 가지는 재료로 이음매를 가지고 형성되어 있으므로, 미끄럼접촉면도 가세력작용면도 높은 내구성을 갖는다.

본 발명의 제 2 형태에서는, 본 발명의 제 1 형태에 있어서, 상기 밀봉구조가 내연기관의 피스톤에 형성된 피스톤 링 홈에 배치되는 피스톤 링으로서, 밀봉부재가 실린더쪽에 배치되는 미끄럼접촉링으로서의 바깥쪽 링과, 피스톤쪽에 배치되는 가세력작용링으로서의 안쪽 링으로 이루어지는 2중 구조의 링으로 되어 있다.

이와 같이 구성된 밀봉구조는, 피스톤 링으로서 피스톤 링 홈에 배치되고 폴리이미드수지로 형성된 바깥쪽 링이, 안쪽 링을 거쳐 가세수단에 의하여 실린더에 눌려진다.

또, 본 발명의 제 2 형태에 있어서, 상기한 바깥쪽 링은 이음매를 설치하지 않고 연속적으로 형성할 수 있다.

이와 같이 구성된 피스톤 링 구조체에서는, 폴리이미드로 이음매를 설치하지 않고 연속적으로 형성된 바깥쪽 링이, 안쪽 링을 거쳐 가세수단에 의하여 실린더에 눌려진다.

또, 본 발명의 제 2 형태에 있어서, 상기한 바깥쪽 링은 이음매를 설치하여 형성되어 있다.

이와 같이 구성된 피스톤 링 구조체에서는, 폴리이미드로 이음매를 설치하여 형성된 바깥쪽 링이, 안쪽 링을 거쳐 가세수단에 의하여 실린더에 눌려진다.

또한, 바깥쪽 링의 이음매가 상온에서 진원(眞圓)상태일 때에 절단된 경사진 이음매로서, 운전시의 바깥쪽 링의 피스톤축선방향의 폭을, 운전시의 피스톤 홈의 피스톤축선방향의 폭보다 작게 설정할 수 있다.

이와 같이 구성된 밀봉구조에서는 상온에서 진원상태일 때에 절단된 경사진 이음매를 가지는 바깥쪽 링이 안쪽 링을 거쳐 가세수단에 의하여 실린더에 눌려지고, 운전시에 바깥쪽 링이 열팽창하면 경사진 이음매가 어긋난다.

또, 본 발명의 제 2 형태에 있어서, 운전중인 바깥쪽 링의 피스톤축선방향의 폭이 운전중인 안쪽 링의 피스톤축선방향의 폭보다 작고, 운전중인 안쪽 링의 피스톤축선방향의 폭이 운전중인 피스톤의 링 홈의 피스톤축선방향의 폭보다 작아지도록 할 수 있다.

이와 같이 구성된 밀봉구조에서는, 바깥쪽 링의 상하이동에 따라 안쪽 링이 상하이동하고, 안쪽 링이 먼저 피스톤 홈의 상하면에 닿으므로 바깥쪽 링의 마모가 억제된다.

또, 본 발명의 제 2 형태에 있어서, 상기한 바깥쪽 링의 적어도 밑면에 질화 티타늄, 질화 크롬, 다이아몬드 라이크 카본 중의 어느 하나의 코팅을 실시하도록 할 수 있다.

이와 같이 구성된 밀봉구조에서는, 폴리이미드로 형성된 바깥쪽 링을, 안쪽 링을 거쳐 가세수단으로 실린더에 눌러 이루어지는 피스톤 링 구조체의 바깥쪽 링의 밑면이 질화 티타늄(TiN), 질화 크롬(CrN), 다이아몬드 라이크 카본(DLC) 중의 어느 하나의 코팅에 의하여 강화되고, 피스톤의 상하이동에 따라 바깥쪽 링의 밑면이 링 홈에 충돌하는 것에 따른 마모가 억제된다.

또, 본 발명의 제 2 형태에 있어서, 상기한 바깥쪽 링의 바깥쪽 슬라이딩면을 상하방향으로 분할하고, 적어도 가장 위쪽 슬라이딩면의 상단가장자리에 모따기를 실시하도록 할 수 있다.

이와 같이 구성된 밀봉구조에서는, 폴리이미드로 형성된 바깥쪽 링을, 안쪽 링을 거쳐 가세수단으로 실린더에 눌러 이루어지는 밀봉구조에 있어서의 바깥쪽 링의 실린더벽과의 슬라이딩면이 상하방향으로 분할되어, 바깥쪽 링의 단면 전체가 어긋나는 것이 방지되어 바깥쪽 링의 실린더벽에 대한 자세의 변동이 억제되고, 또한 위쪽 슬라이딩면의 위가장자리끝단부에 모따기를 설치함으로써 피스톤상승시의 오일 그러올림이 억제되어 오일올라감이 억제된다.

또, 본 발명의 제 2 형태에 있어서, 상기한 안쪽 링을 금속으로 만든 것으로 하고, 상기 가세수단을 금속으로 만든 선재(線材)를 코일형상으로 감은 부재로 이루어지는 코일 익스팬더로 할 수 있다.

이와 같이 구성된 밀봉구조는 피스톤 링으로서 피스톤 링 홈에 배치되고, 폴리이미드수지로 형성된 바깥쪽 링이, 금속으로 형성된 안쪽 링을 거쳐 코일 익스팬더에 의하여 실린더에 눌려진다.

또, 본 발명의 제 2 형태에 있어서, 상기한 안쪽 링을 수지강화된 폴리이미드로 만든 것으로 하고, 상기 가세수단을 금속으로 만든 선재를 코일형상으로 감은 부재로 이루어지는 코일 익스팬더로 할 수 있다.

이와 같이 구성된 밀봉구조는 피스톤 링으로서 피스톤 링 홈에 배치되고, 폴리이미드수지로 형성된 바깥쪽 링이, 수지강화된 폴리이미드수지로 형성된 안쪽 링을 거쳐 코일 익스팬더에 의하여 실린더에 눌려진다.

본 발명의 제 3 형태에서는, 제 2 형태에 있어서 사용되는 피스톤 링 구조체의 조립방법은, 피스톤 링 홈에 가세수단을 장착하는 제 1 공정과, 피스톤 외주에 맞는 원통부를 향하여 넓어지는 원뿔대(臺)부를 갖는 링 가이드를, 원통부의 하단이 해당 피스톤 링 홈 바로 위의 랜드의 중앙 부근에 오도록 피스톤의 꼭대기부쪽으로부터 덮어씌우는 제 2 공정과, 안쪽 링을 상기한 링 가이드의 원뿔대부를 이용하여 피스톤 링 홈에 장착하는 제 3 공정과, 피스톤 링 홈에 장착되어 가세수단에 의해 반경방향 바깥쪽으로 눌려져 있는 안쪽 링을, 그 가장 외부가 피스톤 링 홈의 바깥쪽으로 나가지 않도록 안쪽 링 누름지그로 지름방향 안쪽으로 밀어넣은 상태에서, 폴리이미드로 이음매를 설치하지 않고 연속적으로 형성된 바깥쪽 링을 상기한 원뿔대 형상의 링 가이드를 이용하여 피스톤 링 홈에 장착하는 제 4 공정을 구비한다.

이와 같은 조립방법에 의하여, 폴리이미드수지로 된 바깥쪽 링, 특히 이음매를 설치하지 않고 연속적으로 형성된 바깥쪽 링을, 안쪽 링을 거쳐 가세수단으로 피스톤의 반경방향 바깥쪽으로 눌러 이루어지는 피스톤 링 구조체를 간단하고 확실하게 링 홈에 장착할 수 있다.

또, 본 발명의 제 3 형태에 있어서, 상기한 안쪽 링 누름지그가 안쪽 링을 지름방향 안쪽으로 누르는 누름부분과, 다른 링 홈에 끼워맞추어 위치결정을 하는 끼워맞춤부분을 구비하도록 할 수 있다.

이와 같이 된 피스톤 링 구조체의 조립방법에서는 안쪽 링 누름지그가 용이하면서도 확실하게 안쪽 링을 링 홈 내부에 밀어넣어 작업성이 향상된다.

이하, 첨부도면을 이용하여 본 발명의 실시형태를 설명한다.

도 1은 피스톤의 세컨드 링을 이용한 본 발명에 의한 밀봉구조의 제 1 실시형태를 나타낸 것이다. 도 1에 있어서, 피스톤(100)에는 링 홈(120)이 형성되어 있다. 실린더벽(200)에는 피스톤(100)이 슬라이딩한다. 또한, 링 홈(120)은 피스톤(100)의 꼭대기부(도시생략)쪽으로부터 세어 2번째의 세컨드 링 홈이다.

그리고, 링 홈(120)에 피스톤 링 구조체(10)가 끼워넣어져 있다. 피스톤 링 구조체(10)는, 피스톤(100)의 반경방향 바깥쪽부터 안쪽으로 차례로 배치된 바깥쪽 링(20), 안쪽 링(30), 코일 익스팬더(40)로 이루어진다. 또한, 도 1에 있어서, 화살표(위)방향은 피스톤(1)의 위방향을 나타내고, 화살표(밖)방향은 피스톤(1)의 지름방향 바깥쪽으로 향하는 방향을 나타낸다.

바깥쪽 링(20)은 폴리이미드로 만든 것으로서, 열팽창계수가 3×10^-5/K 이하, 파단신장이 10% 이상인 특성을 가지는 것이다.

이 바깥쪽 링(20)의 피스톤축선방향의 높이(Bout)는, 운전상태에 있을 때에 안쪽 링(30)의 피스톤축선방향의 높이(Bin)보다 작게 설정되어 있다.

바깥쪽 링(20)의, 반경방향 바깥쪽의 실린더벽(200)과의 슬라이딩면은, 외주방향으로 연속한 홈(23)에 의하여 위쪽 슬라이딩면(24)과 아래쪽 슬라이딩면(25)으로 분할되어 있다. 이와 같이 슬라이딩면을 위쪽 슬라이딩면(24)과 아래쪽 슬라이딩면(25)으로 분할함으로써 바깥쪽 링(20)은 반경방향의 폭(Tout)을 비교적 얇게 하고 있음에도 불구하고 안정된 자세로 실린더벽(200) 위를 슬라이딩할 수 있다.

그리고 위쪽 슬라이딩면(24), 아래쪽 슬라이딩면(25)의 상단가장자리부분에는 각각 모따기(26, 27)가 실시되어 있다. 모따기(26, 27)를 설치함으로써 피스톤(100)이 상승할 때의 오일막 그러올림이 작아져, 소위 오일올라감이 억제된다.

또, 도 1에 나타낸 바와 같이, 바깥쪽 링(20)의 홈(23)은, 바깥쪽 링(20)의 축방향 두께의 중앙보다 소정 높이만큼 위쪽(피스톤설치시에 연소실쪽)에 형성되어 있다. 또, 위쪽 슬라이딩면(24)의 위쪽끝단에 형성된 모따기(26)가 아래쪽 슬라이딩면(25)의 위쪽끝단에 형성된 모따기(27)보다 크게 형성되어 있다. 이와 같은 구성에 의하여, 피스톤이 실린더 내를 연소실로 향하여 슬라이딩할 때에, 위쪽 슬라이딩면(24)의 큰 모따기(26)에 의하여 실린더벽면의 오일을 적절히 그러올리면서균일한 오일막을 형성함과 동시에, 아래쪽 슬라이딩면(25)에서는 형성된 오일막을 흩뜨리지 않을 정도의 모따기에 의하여 오일막의 유지를 도모하여, 결과적으로 실린더 내의 오일막을 안정되게 형성할 수 있다. 또한, 위쪽 슬라이딩면(24)에서의 슬라이딩면적이 아래쪽 슬라이딩면(26)에 비하여 좁은 만큼, 코일 익스팬더의 압압력(押壓力)에 의하여 발생하는 슬라이딩면의 면압이 위쪽 슬라이딩면(24)쪽이 높아지나, 슬라이딩면으로의 오일유입에 의한 동압(動壓)에 의하여 위쪽 슬라이딩면(25)의 과잉 마모를 방지할 수 있다. 한편, 아래쪽 슬라이딩면(25)은 상하방향의 폭이 위쪽 슬라이딩면(24)보다 넓게 형성되어 있으므로, 바깥쪽 링(20)의 안정된 자세를 유지하는 작용이 높고, 링 홈(120) 내에서 바깥쪽 링(20)이 기울어지는 것에 따른 밀봉성의 악화를 억제할 수 있다.

또 바깥쪽 링(20)에는 전체면에 걸쳐 다이아몬드 라이크 카본(DLC)의 코팅이 실시되어 있다. 이에 따라, 상하 슬라이딩면(24, 25)이 실린더벽(200) 위를 슬라이딩하는 것에 따른 마모가 저감됨과 동시에, 바깥쪽 링(20)의 윗면(21)이 링 홈(120)의 상부면(121), 밑면(22)이 링 홈(120)의 바닥부면(122)과 각각 반복적으로 맞닿는 것에 따른 마모도 저감되어, 내구성의 향상에 기여한다. 또한, 코팅의 재질은 다이아몬드 라이크 카본 외에 질화 티타늄(TiN), 질화 크롬(CrN)이더라도 좋다.

안쪽 링(30)은 강철로 만든 것으로서 이음매를 설치하여 형성되어 있다. 안쪽 링(30)의 내경쪽에는 위쪽 안쪽을 향하는 위쪽 경사면(33)과, 아래쪽 안쪽을 향하는 아래쪽 경사면(34)이 형성되어 있어 후기한 코일 익스팬더(40)를 일정한 위치로 유지할 수 있도록 되어 있다. 그리고, 강철로 만든 것임에 따라 코일 익스팬더(40)가 죄어드는 일은 없다.

이 안쪽 링(30)은 도시된 바와 같이 지름방향으로 얇게 형성되어 있어 변형되기 쉬우나 자기장력(自己張力)을 가지고 있지 않아, 코일 익스팬더(40)의 탄성력을 그대로 바깥쪽 링(20)에 전달할 수 있다.

도 1은 이 기관이 운전상태에서 고온에 있을 때에 피스톤(100)이 하사점(下死点)에서 상사점(上死点)을 향하여 이동하고 있는 도중의 모양을 나타내고 있으며, 피스톤 링 구조체(10)는, 실린더벽과의 마찰력에 의하여 링 홈(120)의 바닥부면(122)쪽에 밀어붙여져 있다. 또한, 상사점에서 하사점을 향하여 이동할 때에는, 반대로 피스톤 링 구조체(10)는 링 홈(120)의 상부면(121)쪽으로 밀어붙여진다.

이 피스톤 링 구조체(10)와, 링 홈(120)의 상부, 바닥부면(121, 122)의 교체적인 밀착에 의하여 링 홈(120)의 단면을 따라 흐르려고 하는 블로우바이의 밀봉이 행하여진다.

또한, 이 피스톤 링 구조체의 움직임을 상세하게 설명하면, 기관운전시, 피스톤(100)이 상승할 때에는 바깥쪽 링(20)은 실린더벽(200)과의 마찰에 의하여 아래방향의 힘을 받고, 피스톤(100)이 하강할 때에는 동일하게 실린더벽(200)과의 마찰에 의하여 위방향의 힘을 받으나, 바깥쪽 링(20)과 안쪽 링(30)이 밀착되어 있음으로써 안쪽 링(30)도 바깥쪽 링(20)과 동일한 힘을 받는다.

여기서, 안쪽 링(30)의 피스톤축선방향의 치수(Bin)는, 운전시에 피스톤(100)의 링 홈(120)의 상하방향의 폭(H)보다 작도록 설정되어 있음으로써,바깥쪽링(20)과 안쪽 링(30)은 일체로 되어 피스톤(100)의 링 홈(120) 안을 상하하게 된다.

그리고, 상기와 같이 바깥쪽 링(20)의 피스톤축선방향의 높이(Bout)는, 운전상태에 있을 때에 안쪽 링(30)의 피스톤축선방향의 높이(Bin)보다 작게 설정되어 있다.

따라서, 피스톤(100)은 상승중에는 바깥쪽 링(20)은 링 홈(120)의 바닥부면(122)에 밀어붙여져 있으므로, 피스톤(100)이 상승에서 하강으로 반전하면 안쪽 링(30)의 윗면(31)이 먼저 링 홈(120)의 상부면(121)에 닿는다. 그리고, 바깥쪽 링(20)의 윗면(21)은, 작용하는 위방향의 힘이 작으면 링 홈(120)의 상부면(121)에 닿지 않고, 힘이 커서 닿았을 경우이더라도 안쪽 링(30)이 닿은 후이므로 그 충격은 작다.

도 2는 상기를 설명하는 도면으로서, 피스톤(100)이 하강할 때, 안쪽 링(30)의 윗면(31)이 링 홈(120)의 상부면(121)에 닿은 시점의 상태를 나타내고 있고, 이 때, 바깥쪽 링(20)의 윗면(21)은 링 홈(120)의 상부면(121)에 닿아 있지 않다.

마찬가지로, 피스톤(100)의 하강중에는 바깥쪽 링(20)은 링 홈(120)의 상부면(121)에 밀어붙여져 있으므로, 피스톤(100)이 하강에서 상승으로 반전하면 안쪽 링(30)의 밑면(32)이 먼저 링 홈(120)의 바닥부면(122)에 닿는다. 그리고 바깥쪽 링(20)의 밑면(22)은, 작용하는 아래방향의 힘이 작으면 링 홈(120)의 바닥부면(122)에 닿지 않고, 힘이 커서 닿았을 경우이더라도 안쪽 링(30)이 닿은 후이므로 그 충격은 작다.

도 3은 상기를 설명하는 도면으로서, 피스톤(100)이 상승할 때, 안쪽 링(30)의 밑면(32)이 링 홈(120)의 바닥부면(122)에 닿은 시점의 상태를 나타내고 있고, 이 때, 바깥쪽 링(20)의 밑면(22)은 링 홈(120)의 바닥부면(122)에 닿아 있지 않다.

따라서, 바깥쪽 링(20)의 윗면(21), 밑면(22)과, 링 홈(120)의 상부면(121), 바닥부면(122)과의 닿음이 방지 또는 완화되므로 내구성이 향상한다.

다음으로, 코일 익스팬더(40)의 구조에 대하여 설명한다. 코일 익스팬더(40)의 구조는 공지의 것으로서, 단면원형의 강철 선재를 코일형상으로 감은 강철 코일(41) 속에 심재(芯材)(42)를 통과시키고 심재(42)를 따라 원형으로 구부린 것이다. 강철 코일(41), 심재(42)에는 각각 이음매부가 설치되어 있다. 코일 익스팬더(40)는, 상기한 안쪽 링(30)의 상기한 상하의 경사면(33, 34) 사이에 수용되도록 배치되나, 수용됨으로써 코일 익스팬더(40)는 그 길이를 단축한다. 따라서, 코일 익스팬더(40)는 자유길이로 복귀하려고 하므로 안쪽 링(30)을 바깥쪽으로 눌러 넓히려고 하는 힘을 발생하는 것이다.

이어서, 상기와 같이 구성된 바깥쪽 링(20)과, 안쪽 링(30)과, 코일 익스팬더(40)를 피스톤(100)의 꼭대기부로부터 세어 2번째의 세컨드 링 홈(120)으로 조립하는 방법에 대하여 설명한다.

제 1 공정은, 코일 익스팬더(40)를 링 홈(120)에 장착하는 공정이다. 이것은, 강철 코일(41)의 이음매부와 심재(42)에 이음매부를 둘레방향으로 일치시키고, 이들 이음매부를 동시에 확대하면서 링 홈에 끼워넣음으로써 행하여진다.

다음으로, 안쪽 링(30)을 장착하나 안쪽 링(30)의 내경은 피스톤(100)의 외경보다 작으므로 지름을 넓히면서 장착하는 것이 필요하다.

그래서, 제 2 공정으로서, 안쪽 링(30)을 넓히면서 링 홈(120)에 장착하기 위한 지그로서의 링 가이드(300)를 장착하는 작업을 행한다.

도 4는 링 가이드(300)를 피스톤(100)에 설치한 상태를 나타내고 있다. 링 가이드(300)는 도시된 바와 같이 원통부분(310)과 원뿔대부분(320)으로 이루어진다. 원통부분(310)은 피스톤(100)의 외주에 끼울 수 있는 내경을 가지고 있어, 꼭대기부쪽으로부터 덮어씌웠을 때에 하단이, 안쪽 링(30)을 장착하는 세컨드 링 홈(120) 바로 위의 세컨드 랜드(125)의 중간에 오는 깊이를 가지고 있다.

한편, 원뿔대부분(320)은 꼭대기부의 외경이 안쪽 링(30)이 용이하게 끼워지는 지름으로 되고, 하단부의 외경은 원통부분(310)의 외경과 동일하다.

안쪽 링(30)을 넓히는 양이 적을수록 장착작업은 용이하므로 링 가이드(300)의 두께는 얇으면 얇을수록 좋다.

제 3 공정은, 상기와 같이 장착된 링 가이드(200)를 이용하여 안쪽 링(30)을 해당 제 2번째의 링 홈에 장착하는 공정이다.

이것은, 예를 들어 도 5에 나타낸 바와 같은 링 밀어넣음지그(400)를 사용하여 행한다. 이 링 밀어넣음지그(400)는 각각 적절하게 스프링(410)에 의하여 지지되어 반경방향으로 이동 가능한 3분할된 링조각(420)을 지주(支柱)(430)를 따라 상하시키는 것으로서, 3개의 링조각(420)이 형성하는 원의 내경은, 자유상태에서는 작업대(440) 위에 적절하게 고정된 피스톤(100)에 장착되어 있는 링 가이드(300)의원뿔대부분(320)의 꼭대기부의 외경보다 크고, 링 가이드(300)를 따라 안쪽 링(30)을 밀어넣었을 때에는 링 가이드(300)의 원통부(320)의 외경과 동일할 때까지 넓어질 수 있도록 되어 있다.

도시한 링 밀어넣음지그는 단지 일례에 불과하며 상기한 바와 같이 안쪽 링을 밀어넣을 수 있는 것이라면 어떠한 형태의 것이더라도 좋다.

제 4 공정은, 상기와 같이 하여 장착된 안쪽 링(30)의 바깥쪽에 바깥쪽 링(20)을 장착하는 공정이다.

여기서, 상기와 같이 하여 장착된 안쪽 링(30)은 코일 익스팬더(40)의 탄성력에 의하여 바깥쪽으로 눌려져, 안쪽 링(30)은 링 홈(120)으로부터 바깥쪽으로 밀려나와 있다. 그래서, 이 제 4 공정에서는 안쪽 링(30)을 안쪽으로 밀어넣어 링 홈(120)으로부터 밀려나오지 않도록 해 두고 바깥쪽 링(20)을 장착한다.

도 6은 그 모양을 피스톤(100)의 축선에 수직인 방향에서 본 도면이다. 도 6에 있어서, 부호 500이 안쪽 링 누름지그로서, 피스톤축선방향에서 보면 2분할되어 있다. 안쪽 링 누름지그(500)는 안쪽 링(30)을 누르는 안쪽 링 누름부분(510)과 안쪽 링 누름부분(510)이 소정의 위치에 오도록 위치결정하는 위치결정부분(520)을 갖는다. 위치결정부분(520)은, 안쪽 링(30)이 장착되는 세컨드 링 홈(120) 아래의 오일 링 홈(130)에 끼워맞추어진다. 안쪽 링 누름부분(510)은, 위치결정부분(520)이 오일 링 홈(130)에 끼워맞추어졌을 때에 안쪽 링(30)의 가장 외부가 피스톤(100)의 외경보다 안쪽이 되도록 안쪽 링(30)을 안쪽으로 밀어넣는다.

이와 같이, 안쪽 링(30)을 피스톤의 외경보다 안쪽으로 밀어넣은 상태에서, 링 가이드(300)와 링 밀어넣음지그(400)를 사용하여 바깥쪽 링(20)을 밀어내리고, 바깥쪽 링(20)이 안쪽 링 누름지그(500)의 윗면(510)에 닿은 곳에서 안쪽 링 누름지그(500)를 빼내고, 그 후, 다시 밀어넣음지그(400)로 바깥쪽 링(20)을 밀어내려 바깥쪽 링(20)을 안쪽 링(30)의 바깥쪽으로 끼워넣는 것이다.

이상 설명한 바와 같은 제 1 공정 내지 제 4 공정을 실행함으로써 폴리이미드로 이음매없이 연속적으로 형성된 바깥쪽 링(20)을, 금속으로 이음매를 설치하여 형성된 안쪽 링(30)을 거쳐 강철의 코일 익스팬더(40)로 반경방향 바깥쪽으로 눌러 이루어지는 피스톤 링 구조체(10)를 피스톤(100)의 세컨드 링 홈(120)에 간단하고 확실하게 장착할 수 있다.

또한, 안쪽 링(30)을 안쪽 링 누름부분(510)으로 누르는 경우, 코일 익스팬더(40)의 중심으로부터 오프셋한 아래쪽위치에서 안쪽 링(30)을 누르면, 안쪽 링(30)의 상부가 코일 익스팬더(40)의 탄성력에 의하여 피스톤 외형으로부터 돌출하는 등의 비틀림변형이 생겨, 바깥쪽 링(20)의 끼워넣기가 곤란하게 될 우려가 있다. 반대로 코일 익스팬더(40)의 탄성력 중심에 대응하는 안쪽 링(30) 위치에서 누를 수 있었다고 하더라도, 바깥쪽 링(20)의 안쪽 링(30) 바깥쪽으로의 끼워맞춤량이 작으면 바깥쪽 링(20)을 안쪽 링(30)의 바깥쪽에 끼우기가 곤란해질 우려가 있다.

그 때문에, 안쪽 링 누름지그(500)는, 안쪽 링 누름부분(510)과 위치결정부분(520)에 도 7과 같이 피스톤의 링 홈에 대하여 피스톤축방향으로 소정량의간극(C)을 설치하여, 피스톤에 대하여 피스톤축방향으로 이 간극(C)분만큼 상대이동 가능하게 할 수 있다.

이 안쪽 링 누름지그(500)에 의하면, 바깥쪽 링(20)의 조립시, 안쪽 링 누름부분(510)으로 코일 익스팬더(40)의 탄성력 중심에 가까운 위치에서 안쪽 링(30)을 누를 수 있기 때문에 안쪽 링(30)이 비틀림변형을 방지할 수 있고, 또한 바깥쪽 링(20)이 안쪽 링 누름지그(500)의 윗면(510)에 맞닿은 상태에서 안쪽 링 누름지그(500)를 소정량만큼 밀어내림으로써 바깥쪽 링(20)과 안쪽 링(30)의 바깥쪽에 끼워맞춤량을 크게 할 수 있으며, 그 결과, 바깥쪽 링(20)을 안쪽 링(30)에 확실하게 끼워넣을 수 있다.

이어서 본 발명의 제 2 실시형태에 대하여 설명한다.

도 8은 이 제 2 실시형태를 도 1과 동일한 관점에서 나타낸 도면이나, 이 제 2 실시형태에 있어서는, 바깥쪽 링(20)은 제 1 실시형태와 동일하게 폴리이미드로 만든 것이기는 하나 이음매(28)를 설치하여 형성되고, 또 안쪽 링(30)이 섬유강화된 폴리이미드로 형성되어 있는 점이 다르다.

여기서, 바깥쪽 링(20)의 이음매(28)는 상온에서 진원(眞圓)상태로 된 연속적인 부재를 비스듬하게 절단하여 형성된다. 상온에서 진원상태일 때에 절단하는 것은, 운전중에는 대략 진원상태가 되기 때문이고 운전중에 있어서 이음매에 간극이 생기지 않도록 하기 위해서이다. 도 9가 상온에서 진원상태일 때에 잘려진 바깥쪽 링(20)의 이음매(28)를 나타낸 도면이다.

이 제 2 실시형태에 있어서, 바깥쪽 링(20)의 피스톤축선방향의 높이(Bout)는, 운전중에 피스톤(100)의 링 홈(120)의 피스톤축선방향의 폭(H)보다 작아지도록 설정되어 있다.

도 10이 이 운전상태에 있어서의 이음매(28)의 모양을 나타낸 것으로서, 운전중에는 바깥쪽 링(20)은 열팽창하나, 비스듬하게 이음매를 형성함으로써 이음매의 대향하는 양 끝단면(28a와 28b)이 서로 다른쪽 위로 조금씩 올라가도록 하여 어긋난다.

그 결과, 끝단면(28a)의 상단의 각부(角部)가 피스톤(100)의 링 홈(120)의 상부면(121)에 접하고, 끝단면(28b)의 하단의 각부가 피스톤(100)의 링 홈(120)의 바닥부면(122)에 접하는 상태까지 양 끝단면(28a와 28b)이 서로 어긋나는 것이 가능하나, 이 상태로 되더라도 끝단면(28a)과 끝단면(28b)의 대부분은 밀착되어 있어 윗면으로부터 밑면으로 통하는 간극은 존재하지 않는다.

또한, 이 제 2 실시형태에 있어서는 바깥쪽 링(20)은 이음매를 가지고 있으므로, 제 1 실시형태에 관하여 설명한 바와 같은 지그를 사용하지 않더라도 링 홈(120)에 조립할 수 있다.

한편, 안쪽 링(30)을 섬유강화된 폴리이미드수지로 만든 것으로 함으로써 경량이 되고 운전중의 관성력이 작아지기 때문에, 운전중의 링 홈 밑면(122)으로부터의 부상(浮上)회전수가 고회전쪽으로 이동하여, 실용영역에서의 안쪽 링(30)의 부상에 의한 블로우바이 가스량을 저감할 수 있다. 또, 금속으로 형성하는 경우에는 특수단면형상의 재료를 성형한 후에 정밀기계가공을 필요로 하나, 이 제 2 실시형태와 같이 수지로 만든 것으로 하였을 경우에는 적절한 주조방법에 의해 한번에 성형이 가능하게 되어, 기계가공의 필요성은 매우 적어, 불필요한 경우도 있을 수 있다.

또한, 이상의 제 1 실시형태, 제 2 실시형태 모두 피스톤 링 구조체(10)를 피스톤의 꼭대기부쪽으로부터 세어 2번째의 세컨드 링 홈에 장착되는 세컨드 링으로서 사용하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 세컨드 링으로서뿐만 아니라 피스톤의 밀봉 링으로서 작용하는 세컨드 링 이외의 링으로서도 사용할 수 있다.

상기의 실시형태에 의하면, 피스톤의 링 홈 내에 있어서, 폴리이미드로 형성된 바깥쪽 링을, 금속으로 이음매를 설치하여 형성된 안쪽 링을 거쳐 코일 익스팬더에 의하여 피스톤의 반경방향 바깥쪽으로 눌러 이루어지는 피스톤 링 구조체를 얻을 수 있다. 바깥쪽 링은 고온이 되더라도 변형이 적어, 바깥쪽 링은, 실린더벽면과의 사이의 밀봉성을 손상하는 일 없이 실린더벽면 상을 양호하게 슬라이딩하여 내구성이 좋다. 안쪽 링도 금속으로 만든 것이므로, 코일 익스팬더가 죄어드는 일도 없어 내구성이 좋다.

상기의 실시형태에 있어서, 바깥쪽 링은 연속적으로 형성되므로 제조비용이 싸다. 또, 바깥쪽 링은 이음매를 가지고 형성할 수도 있고, 그 경우에는 조립이 간단하게 된다.

상기의 실시형태에 있어서, 바깥쪽 링의 적어도 밑면에 질화 티타늄, 질화 크롬, 다이아몬드 라이크 카본 중의 어느 하나의 코팅을 실시하도록 하였으므로, 바깥쪽 링 밑면의 내구성이 향상된다.

또, 상기의 조립방법에 의하면, 폴리이미드로 이음매를 설치하지 않고 연속적으로 형성된 바깥쪽 링을, 금속으로 이음매를 설치하여 형성된 안쪽 링을 거쳐 가세수단에 의하여 피스톤의 반경방향 바깥쪽으로 눌러 이루어지는 피스톤 링 구조체를, 간단하고 확실하게 피스톤의 링 홈 내에 장착할 수 있다.

Claims

상대적으로 슬라이딩하는 피스톤과 실린더의 슬라이딩대향면 중의 어느 한쪽에 설치된 홈 내에 배치되고, 홈이 설치되어 있지 않은 다른쪽을 향하여 가세되어 다른쪽의 면에 미끄럼접촉시켜지는 밀봉구조에 있어서,

지름방향으로 적층된 복수의 링으로 구성되는 밀봉부재와,

상기 밀봉부재를 홈이 배치되어 있지 않은 쪽으로 가세하는 가세수단을 구비하며,

상기 밀봉부재 중, 상기 가세수단으로부터 가장 먼 쪽에 배치되어 상기 미끄럼접촉면을 포함하는 미끄럼접촉링이 폴리이미드수지로 형성되어 있고,

상기 밀봉부재 중, 상기 가세수단에 인접하여 가세수단의 가세력이 작용하는 가세력작용링이 폴리이미드수지의 경도를 초과하는 경도를 갖는 재료로 이음매를 가지고 형성되어 있고,

상기한 미끄럼접촉링의 바깥쪽 슬라이딩면을 상하방향으로 분할하고, 적어도 가장 위쪽 슬라이딩면의 상단가장자리에 모따기를 실시한 것을 특징으로 하는 밀봉구조.
제 1 항에 있어서,

상기 밀봉구조가 내연기관의 피스톤에 형성된 피스톤 링 홈에 배치되는 피스톤 링으로서,

밀봉부재가 실린더쪽에 배치되는 미끄럼접촉링으로서의 바깥쪽 링과, 피스톤쪽에 배치되는 가세력작용링으로서의 안쪽 링으로 이루어지는 2중 구조의 링으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 밀봉구조.
제 2 항에 있어서,

상기한 바깥쪽 링은 이음매를 설치하지 않고 연속적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 밀봉구조.
제 2 항에 있어서,

상기한 바깥쪽 링은 이음매를 설치하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 밀봉구조.
제 4 항에 있어서,

바깥쪽 링의 이음매가 상온에서 진원상태일 때에 절단된 경사진 이음매로서, 운전시의 바깥쪽 링의 피스톤축선방향의 폭이, 운전시의 피스톤 홈의 피스톤축선방향의 폭보다 작게 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 밀봉구조.
제 2 항에 있어서,

운전중인 바깥쪽 링의 피스톤축선방향의 폭이 운전중인 안쪽 링의 피스톤축선방향의 폭보다 작고,

운전중인 안쪽 링의 피스톤축선방향의 폭이 운전중인 피스톤의 링 홈의 피스톤축선방향의 폭보다 작아지도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 밀봉구조.
제 2 항에 있어서,

상기한 바깥쪽 링의 적어도 밑면에 질화 티타늄, 질화 크롬, 다이아몬드 라이크 카본 중의 어느 하나의 코팅을 실시한 것을 특징으로 하는 밀봉구조.
제 2 항에 있어서,

적어도 실린더벽과 미끄럼접촉하는 상기한 바깥쪽 링의 바깥쪽 슬라이딩면은, 질화 티타늄, 질화 크롬, 다이아몬드 라이크 카본 중의 어느 하나의 코팅이 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 구조체.
제 9 항에 있어서,

상기한 분할된 각 슬라이딩면은, 각각의 상단가장자리에 모따기가 실시되어 있고, 각 모따기는 서로의 크기가 다른 것을 특징으로 하는 피스톤 링 구조체.
제 9 항에 있어서,

상기한 바깥쪽 링의 바깥쪽 슬라이딩면이 분할된 아래쪽 슬라이딩면의 상단가장자리에는 모따기가 실시되어 있으며,

상기한 위쪽 슬라이딩면의 모따기는, 상기한 아래쪽 슬라이딩면의 모따기보다 크게 형성되고,

상기한 위쪽 슬라이딩면은 상하방향의 폭이 상기한 아래쪽 슬라이딩면보다 좁은 것을 특징으로 하는 피스톤 링 구조체.
제 2 항에 있어서,

상기한 안쪽 링은 금속으로 만든 것이고, 상기 가세수단은 금속으로 만든 선재를 코일형상으로 감은 부재로 이루어지는 코일 익스팬더인 것을 특징으로 하는 밀봉구조.
제 2 항에 있어서,

상기한 안쪽 링은 수지강화된 폴리이미드로 만든 것이고, 상기 가세수단은 금속으로 만든 선재를 코일형상으로 감은 부재로 이루어지는 코일 익스팬더인 것을 특징으로 하는 밀봉구조.
피스톤 링 홈에 가세수단을 장착하는 제 1 공정과,

피스톤 외주에 맞는 원통부를 향하여 넓어지는 원뿔대부를 갖는 링 가이드를, 원통부의 하단이 해당 피스톤 링 홈 바로 위의 랜드의 중앙 부근에 오도록 피스톤의 꼭대기부쪽으로부터 덮어씌우는 제 2 공정과,

안쪽 링을 상기한 링 가이드의 원뿔대부를 이용하여 피스톤 링 홈에 장착하는 제 3 공정과,

피스톤 링 홈에 장착되어 가세수단에 의해 반경방향 바깥쪽으로 눌려져 있는 안쪽 링을, 그 가장 외부가 피스톤 링 홈의 바깥쪽으로 나가지 않도록 안쪽 링 누름지그로 지름방향 안쪽으로 밀어넣은 상태에서, 폴리이미드로 이음매를 설치하지 않고 연속적으로 형성된 바깥쪽 링을 상기한 원뿔대 형상의 링 가이드를 이용하여 피스톤 링 홈에 장착하는 제 4 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 제 2 항에 있어서의 피스톤 링 구조체의 조립방법.
제 14 항에 있어서,

상기한 안쪽 링 누름지그가 안쪽 링을 지름방향 안쪽으로 누르는 누름부분과, 다른 링 홈에 끼워 맞추어 위치결정을 하는 끼워맞춤부분을 구비하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링 구조체의 조립방법.