KR101706527B1 - 피스톤 링 - Google Patents

Abstract

주행면, 상부 및 하부 측면부, 내주면 및 조인트를 포함하는 피스톤 링 특히, 압축 피스톤 링에 있어서, 피스톤 링의 외면에 걸쳐 고려하였을 때, 피스톤 링의 벽 두께를 동일하게 구현하고, 적어도 주행면이 PVD 코팅 또는 CVD 층을 포함하며, 주행면의 층은 조인트에 인접한 주변부의 층 두께가 주행면의 나머지 주변부의 층 두께보다 얇다.

Description

피스톤 링 {PISTON RING}

본 발명은 피스톤 링, 특히 압축 피스톤 링에 관한 것이다.

피스톤 링, 특히 내연기관 압축 피스톤 링의 주행면(running surface)은 열적·기계적 충격에 의해 링 조인트 단부에 특수한 응력(stress)을 받는다. 통상적으로 이러한 응력은 상기 위치에 과도한 마멸(wear)을 야기시키며, 어쩌면 열적 과부하 및 이에 의한 부식을 일으킨다. 그러므로 조인트부(joint area)는 피스톤 링, 특히 압축 피스톤 링의 수명과 관련된 가장 치명적인 약점 중 하나이다.

피스톤 링에 하드 코팅(hard coating)을 제공하는 것은 일반적으로 알려져 있다. 그러나 보통 피스톤 링의 하드 코팅이 링 조인트 단부부에서의 부분적 현상까지 방지할 수는 없다. 조인트부를 완화시키게끔 조인트 압력이 감소되도록 방사형 압력 분포가 최적화 될 수 있다. 바람직하게는 제1 사분면과 제4 사분면에 약화된 방사형 단면부를 도입함으로써 특정한 압력 경감을 일으킬 수 있다. 그러나 어떠한 조치도, 특히 축 방향으로 높이가 낮게 제조된 피스톤 링에 있어서, 조인트의 과부하 현상을 완전히 해결하지 못한다.

미국 특허 번호 1,278,015는 조인트부가 얇게(thinner) 구현된 피스톤 링을 개시한다. 피스톤 링의 주행면은 주석을 사용하여 코팅되며, 이러한 주석 층은 나머지 주변부 보다 조인트에서 얇게 구현될 수 있다.

일본 공개 번호 JP 00 120 866 A를 통해 주행면, 상부 및 하부 측면부 및 내주면(inner peripheral surface)을 포함한 피스톤 링이 알려져 있다. 내주면부는 약화된 단면부를 구비한 조인트 단부부에 제공된다.

본 발명은, 윤활이 개선된 주행면 토포그래피(topography)를 제공하여 피스톤 링의 수명을 개선시키기 위해, 특히 축 방향으로 높이가 낮게 제조된 피스톤 링에 있어서, 과도한 조인트 마멸(wear)을 감소시키려는 목적에 기초한다.

상기 목적은 주행면, 상부 및 하부 측면부, 내주면 및 조인트를 포함하는 피스톤 링, 특히 압축 피스톤 링에 의해 달성되며, 이러한 피스톤 링의 벽 두께는 피스톤 링의 외면(periphery)에 걸쳐 고려하였을 때 동일하게 구현되고, 적어도 주행면에는 PVD 층 또는 CVD 층이 제공되되, 주행면 층이 조인트에 인접한 주변부에서, 상기 주행면의 나머지 주변부에서보다 더 적은 층 두께를 가지도록, PVD 층 또는 CVD 층이 제공된다.

본 발명의 목적 중 유리한 개선방안이 종속항으로부터 도출될 수 있다.

이제 본 발명의 목적을 통해, 조인트에 인접한 고 부하 부분은, 축 방향으로 높이가 낮게 제조된 피스톤 링 특히, 압축 피스톤 링의 나머지 주변부와 상이한 표면 품질이 생성될 수 있다.

조인트부의 거칠기는 0.8 내지 1.2μm 사이를 오가는 반면, 나머지 주행면은 예를 들어 랩핑된 상태에서 0.08μm 미만의 거칠기를 갖는다.

피스톤 링의 주변부를 처리하는 경우에, 층 두께가 감소되어 있는, 조인트에 인접한 피스톤 링 주변부는 이러한 처리의 영향도 받지 않으므로, 조인트에 인접한 주변부의 표면은 나머지 주변부의 표면보다 더욱 거칠다. 이와 같은 조치에 의해 조인트에 인접한 부분은 더욱 우수한 오일 저장 능력을 확보할 수 있다.

상이한 토포그래피를 가지는 주행면을 원하는 방식으로 생성하기 위해, 한편에는 조인트에 인접한 주변부에, 다른 한편에는 피스톤 링의 나머지 부분에 다른 연마 방식을 사용함으로써, 다른 표면 품질을 확보하는 것 또한 생각해 볼 수 있다.

이 경우, 연마 방법으로 래핑(lapping) 자체가 제시된다. 본 발명의 부가적인 착상에 의해, 조인트에 인접한 각 부분은 각 조인트 에지로부터 시작하여 20도 미만 특히, 10도 미만의 주변각을 포함하는 구역으로 정의된다.

피스톤 링에 대한 주행면 코팅은, 엔진 작동의 통상적인 설치 과정 후에도 조인트에 인접한 부분에서 표면이 전과 같이 유지되고 또한 현재 연소 상태에 따른 스무딩(smoothing)을 겪지 않도록, 실행되어야 한다.

종래 기술과 마찬가지로, 특정 적용 분야에 있어서는 코팅 전에 조인트에 인접한 피스톤 링의 주변부를 감소시키는 것도 고려할 수 있다.

PVD 층으로써, 기존의 CrN, CrON, CrAIN, 다층(multilayer), DLC, TI 또는 그 밖의 경질계(based on hard material) 층이 고려 대상이다.

예시 실시예를 기반으로 한 본 발명의 목적이 도면에 도시되고, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 서술될 것이다.

도면에서:
도 1은 본 발명을 따르는 피스톤 링의 평면도를 도시한다;
도 2는 도 1을 따르는 피스톤 링의 조인트에 인접한 단부부 중 하나의 부분도를 도시한다.

도 1은 본 발명을 따르는 피스톤 링(1)을 도시하며, 이러한 예시의 피스톤 링은 압축 피스톤 링으로 형성된다. 피스톤 링(1)은 외부 주행면(outer running surface; 2), 내주면(inner peripheral surface; 3) 및 상부와 하부 측면부(4)를 포함한다. 또한 피스톤 링(1)은 조인트(joint; 5)를 가진다. 피스톤 링(1)의 벽 두께(D)는 피스톤 링의 전체 주변 길이를 따라 고려해보았을 때, 본질적으로 동일하게 구현된다. 상기 예시에서, 주행면(2)에는, 예를 들어 CrN 층과 같은 PVD 층(6)이 제공된다. 도 1로부터 추론할 수 있는 바와 같이, 조인트에 인접한 주변부(7, 8)는 각각 조인트(5)부에 형성되며, 상기 예시에서 조인트에 인접한 주변부는 각각의 조인트 에지(joint edge; 9, 10)로부터 시작하여 10도의 주변 각(α)에 걸쳐 연장된다. 조인트에 인접한 각 부분(7, 8)을 제외한 부분의 층 두께(s)는 동일하게 구현된다. 층 두께(s)는 20 내지 50μm일 수 있다. 상기 예시에서 층 두께는 30μm로 가정한다.

대조적으로, 층 두께는 조인트에 인접한 부분(7, 8)에서 1 내지 10μm만큼 감소될 수 있다. 상기 예시에서 조인트에 인접한 부분(7, 8)의 층 두께(s')는 8μm 감소하는바, 즉, 22μm의 층 두께를 가진다. 이러한 수치는 가정된 수치이며, 또한 각각의 사용 사례에 따라 달라질 수 있다. 주행면(2)을 코팅한 후에, 층(s)은 예를 들면 래핑(lapping)과 같은 주변 처리 공정(peripheral processing)을 받는다. 층 두께(s')의 치수가 층 두께(s)의 치수보다 작기 때문에, 조인트에 인접한 부분(7, 8)의 주변 처리 공정중에, 재료의 마손은 발생하지 않는다. 그러므로 이러한 조치에 의해 조인트에 인접한 부분(7, 8)을 제외한 부분과 조인트에 인접한 각각의 부분(7, 8)에는 상이한 표면 품질이 생성된다. 상기 예시에서 이러한 두께(s')의 재료를 가지는 CrN 코팅이 추가적인 표면 처리를 받지 않음으로써, 코팅 상태가 유지된다. 따라서 나머지 주변 표면과 관련하여 더욱 큰 거칠기(roughness)가 이곳에 제공된다. 다음과 같이 각각의 조인트부에서 0.9μm의 거칠기가 제공되는 경우에도 상기 예시와 같은 동일한 가정이 적용된다. 나머지 래핑된 주행면 부분은 0.05μm 미만의 거칠기를 가진다. 조인트에 인접한 부분(7, 8)의 거칠기를 이와 같이 증가시킴으로써, 더 나은 오일 저장 능력을 확보할 수 있다.

도 2는 조인트에 인접한 단부부(7)의 부분도를 도시한다. 외부 주행면(2), 내주면(3) 및 상부 측면부(4)를 확인할 수 있다. 또한, 서로 다른 층 두께(s, s')도 확인할 수 있다. 피스톤 링(1)은 균일한 벽 두께(D)를 가지고 있으므로, 층 두께(s')는 조인트에 인접한 영역(7)에서 다소 움푹 들어가게 되며, 그에 따라 후속하는 주행면(2)의 주변 처리 공정을 받지 않는다. 여기서 층 두께(s)로부터 층 두께(s') 까지의 전이부는 리세스(recess; 11)에 의해 형성된다.

Claims (10)

1. 피스톤 링에 있어서,
   상기 피스톤 링이 주행면(running surface,2), 상부 및 하부 측면부(4), 내주면(3) 및 조인트(5)를 포함하고, 상기 피스톤 링(1)의 벽 두께(D)는 피스톤 링의 외면(periphery)에 걸쳐 고려해보았을 때 동일하게 구현되고,
   적어도 상기 주행면(2)은 단일 PVD 또는 CVD 층(6)을 구비하되, 조인트에 인접한 주변부(7, 8) - 상기 조인트(5)의 각 조인트 에지(9, 10)에서 시작하여 주변 각(α)이 20도 미만인 곳까지 이어짐 - 에서의 주행면 층(6)은 상기 주행면(2)의 나머지 주변부보다 더 큰 거칠기(roughness)를 가지고 상기 주행면(2)의 나머지 주변부의 층 두께(s)보다 더 얇은 층 두께(s')를 가지도록, 상기 단일 PVD 또는 CVD 층(6)을 구비하는,
   피스톤 링.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 층 두께(s)가 20 내지 50μm이고, 조인트에 인접한 상기 주변부(7, 8)의 층 두께는 1 내지 10μm만큼 감소되는,
   피스톤 링.
   
3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   층 두께(s)로부터, 조인트에 인접한 상기 각 주변부(7, 8)에서의 층 두께(s')까지의 전이(transition)가 리세스(recess,11)의 형성에 의해 이루어지는,
   피스톤 링.
   
4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   층 두께가 얇아진 상기 주변부(7, 8)의 거칠기 범위가 0.8 내지 1.2μm인,
   피스톤 링.
   
5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 주행면(2)의 나머지 주변부의 거칠기가 0.08μm미만인,
   피스톤 링.
   
6. 피스톤 링의 제조 방법에 있어서,
   피스톤 링으로서, 주행면(2), 상부 및 하부 측면부(4), 내주면(3) 및 조인트(5)를 포함하고, 피스톤 링(1)의 벽 두께(D)가 피스톤 링의 외면에 걸쳐 고려해보았을 때 동일하게 구현되는, 피스톤 링을 제공하는 단계;
   조인트에 인접한 주변부(7, 8) - 상기 조인트(5)의 각 조인트 에지(9, 10)에서 시작하여 주변 각(α)이 20도 미만인 곳까지 이어짐- 에서의 주행면 층(6)이 상기 주행면(2)의 나머지 주변부의 층 두께(s)보다 더 얇은 층 두께(s')를 갖도록, 단일 PVD 또는 CVD 층(6)을 사용하여 적어도 상기 주행면(2)을 코팅하는 단계; 그리고
   상기 주행면 층(6)이 상기 조인트에 인접한 주변부(7, 8)에서보다 상기 나머지 주변부에서 더 작은 거칠기를 가지도록, 상기 주행면(2)을 주변 처리(peripheral process) 하는 단계; 를 포함하는,
   피스톤 링의 제조 방법.
   
7. 제6 항에 있어서,
   상기 서로 다른 층 두께의 비율(s:s')은, 상기 코팅 단계에 후속하는 상기 주행면(2) 또는 상기 주행면 층(6)의 주변 처리 동안, 조인트에 인접한 피스톤 링(1)의 상기 각 주변부(7, 8)가 상기 주변 처리를 받지 않도록 하는 비율인,
   피스톤 링의 제조 방법.
   
8. 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
   상기 주행면(2) 또는 상기 주행면 층(6)을 처리하는 동안, 층 두께가 감소된 상기 주변부(7, 8)의 코팅상태가 유지되는,
   피스톤 링의 제조 방법.
   
9. 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
   상기 주변 처리가 래핑(lapping)을 포함하는,
   피스톤 링의 제조 방법.
   
10. 제6 항 또는 제7 항에 있어서,
    상기 주변 처리는, 한편으로는 조인트에 인접한 주변부(7, 8)에서 그리고 다른 한편으로는 나머지 주변부에서, 상이한 재료 조작 방법을 사용하는,
    피스톤 링의 제조 방법.

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