KR102267019B1 - 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤 및 이 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤 및 이 제조 방법에 관한 것으로, 크라운부와 피스톤부의 2분할로 이루어지고 피스톤 링의 접촉면적을 증대하여 비틀림을 줄여줌으로써 편마모를 해결하고 또한 크라운부와 스커트부의 조립 강도도 높이는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤은, 피스톤핀에 의해 커넥팅로드와 연결되는 스커트부(10)와; 상기 스커트부의 상부에 결합되는 크라운부(20)와; 상기 스커트부와 크라운부 사이에 개재되어 분리 가능하게 결합되며 허브형 피스톤 링(30)을 포함하고, 상기 허브형 피스톤 링은 상기 스커트부와 크라운부 중 일측 이상에 이동 가능하게 지지되는 관형의 허브(31) 및 상기 허브의 둘레부에 단부가 상기 스커트부와 크라운부의 외주면보다 돌출되도록 형성되는 하나 이상의 링부(32)를 포함한다.

Description

피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤 및 이 제조 방법{Piston with increasing wear resistance of Piston ring and and method for manufacturing this same}

본 발명은 내연기관(선박의 엔진, 자동차 엔진 등)용 피스톤에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 크라운부와 스커트부의 2분할 피스톤이면서 왕복 운동 시 피스톤 링의 비틀림을 줄여 편마모를 해결하는 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤 및 이 제조 방법에 관한 것이다.

이 부분은 본 출원 내용과 관련된 배경 정보를 제공할 뿐 반드시 선행기술이 되는 것은 아니다.

일반적으로 내연기관의 엔진은 혼합기가 실린더 내부의 연소실에서 연소되면서 발생되는 연소압력에 의한 피스톤 승강운동을 크랭크 기구에 의한 회전운동으로 변환시켜 출력시킴으로써 동력을 얻게 되는 것이며, 그러한 중요 구성부품으로는 실린더 블록과 피스톤 및 크랭크 기구 등이 있다.

실린더 블록은 주어진 열에너지로부터 가능한 한 큰 동력을 얻기 위하여 실린더와 피스톤 사이에서 압축된 혼합기나 연소한 폭발가스가 새지 않도록 함과 동시에 피스톤의 접동에 의한 마찰과 마모가 적어야 하는 특징을 가지고 있으며, 실린더 블록의 정밀한 연마 가공 등의 어려움을 해결하기 위하여 별도의 실린더 라이너를 실린더 블록에 적용한다.

종래의 실린더 라이너는 주철의 실린더 블록에 맞춰 특수 주철로 만들어진 것이 사용된다.

피스톤은 실린더 블록의 실린더 안을 왕복 운동하여 크랭크 기구에 회전력을 전달하며 구조는 피스톤 헤드, 스커트, 피스톤 링 등으로 이루어지며, 기능은 동력 행정 중 발생 작용하는 가스의 폭발압력을 커넥팅 로드를 통해 크랭크 축에 전달하여 크랭크 축이 회전운동을 하도록 하는 기능을 기본으로 하고 실린더 안에서 왕복운동을 하면서 연소실과 크랭크 실 사이의 기밀을 유지, 연소가스로부터 피스톤 헤드에 전달된 열을 빠르게 실린더 벽에 전달하는 기능 등을 한다.

종래 기술에 의한 피스톤은 둘레면에 링 그루브가 형성되어 상기 피스톤 링이 조립되는 구성이며, 예를 들어, 피스톤에는 3개의 피스톤링이 구비되는데, 상부 2개의 피스톤 링은 압축링으로서, 연소실 내부의 기밀을 유지하고, 연소에 의해 가열된 피스톤의 열을 실린더 블록으로 전달하는 역할을 하고, 최하부의 피스톤 링은 실린더 라이너로 공급된 엔진오일을 긁어내리는 역할을 한다.

종래 피스톤 링은 링 형태이면서 전체적으로 두께가 동일하게 구성되어 링 그루브 안에 삽입되고, 이 링 그루브의 높이는 피스톤 링의 두께보다 약간 큰 정도이다.

따라서, 종래 피스톤 링은 피스톤의 왕복 운동 시 피스톤의 둘레부로 돌출된 부분과 링 그루브 안에 삽입된 부분이 동일한 위치를 유지하면서 왕복 이동하지 못하고 비틀림이 발생하고 따라서 편마모가 발생하는 문제점이 있다.

또한, 2분할 피스톤은 크라운부와 스커트부를 볼트 등의 체결구로 조립할 뿐이기 때문에 크라운부와 스커트부의 뒤틀림이 발생하는 문제점, 크라운부와 스커트부 사이의 틈을 통해 기밀효과가 떨어지는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0398220호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 크라운부와 피스톤부의 2분할로 이루어지고 피스톤 링의 접촉면적을 증대하여 피스톤 링의 비틀림을 줄여주는 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤 및 이 제조 방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은 크라운부와 스커트부의 뒤틀림을 방지하고 조립 강도를 높이는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 크라운부와 스커트부의 제조 방식을 각각의 기능에 맞도록 서로 다른 제조 방식을 취함으로써 내연기관의 성능 향상을 도모하는데 있다.

본 발명에 의한 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤은, 피스톤핀에 의해 커넥팅로드와 연결되는 스커트부와; 상기 스커트부의 상부에 결합되는 크라운부와; 상기 스커트부와 크라운부 사이에 개재되어 분리 가능하게 결합되며 허브형 피스톤 링을 포함하고, 상기 허브형 피스톤 링은 상기 스커트부와 크라운부 중 일측 이상에 이동 가능하게 지지되는 관형의 허브 및 상기 허브의 둘레부에 단부가 상기 스커트부와 크라운부의 외주면보다 돌출되도록 형성되는 하나 이상의 링부를 포함하여 상기 허브의 안내를 통해 상기 링부의 비틀림을 줄이는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤 및 이 제조 방법에 의하면, 크라운부와 스커트부의 2분할 방식을 이용하여 크라운부와 스커트부에 피스톤 링의 왕복 운동을 안내하는 공간(허브 홈)을 확보하고 허브형 피스톤 링을 상기 공간을 이용하여 왕복 운동하도록 함으로써 링부가 비틀림없이 전체적으로 동일선상을 유지하여 편마모를 줄일 수 있고 결국 내연기관의 성능 유지와 유지와 교체를 위한 비용을 절감하는 효과가 있다.

그리고, 허브형 피스톤 링을 스커트부 및 크라운부와 함께 조립하여 조립성도 향상하는 것이 가능하고, 허브형 피스톤 링의 회전 방지도 가능하므로 기밀성을 극대화하고 마모를 줄이는 효과가 있다.

또한, 크라운부와 스커트부 사이의 허브형 피스톤 링이 크라운부와 스커트부의 뒤틀림을 막고 크라운부와 스커트부 사이에 틈이 생기더라도 허브형 피스톤 링이 누출을 막아 기밀 성능을 유지함으로써 내연기관의 성능 향상에 기여하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤을 보인 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 의한 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤의 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의한 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤의 분리 상태를 보인 정면도.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의한 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤에 적용된 피스톤 링의 사시도.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예 1에 의한 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤에 적용된 피스톤 링의 다른 결합 방식을 보인 도면.
도 8은 본 발명의 실시예 2에 의한 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤의 단면도.
도 9는 본 발명에 의한 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤에 적용된 피스톤 링의 다른 예를 보인 사시도.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

<실시예 1>

도 1 내지 도 3에서 보이는 것처럼, 본 실시예에 의한 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤(100)은, 피스톤 핀에 의해 커넥팅 로드와 연결되는 스커트부(10)와 헤드부인 크라운부(20)의 조립으로 구성되는 2분할 피스톤이면서 스커트부(10)와 크라운부(20)에 링 그루브를 형성하지 않고 별도의 허브형 피스톤 링(30)을 포함하여 구성되고, 허브형 피스톤 링(30)은 넓은 지지면적을 이용하여 피스톤 운동 시 비틀림에 의한 편마모를 줄이도록 구성된다.

스커트부(10)와 크라운부(20)는 통상의 2분할 피스톤에서 사용되는 것과 동일하면서 허브형 피스톤 링(30)의 적용에 따라 다음과 같은 구성이 형성된다.

스커트부(10)와 크라운부(20)는 허브형 피스톤 링(30)의 설치를 위하여 허브 홈(11,21)이 각각 포함된다.

허브 홈(11,21)은 각각 스커트부(10)와 크라운부(20)의 마주하는 부분에 서로 대향되는 부분만 개방 형성되는 홈이며, 허브형 피스톤 링(30)의 허브(31)가 삽입된다.

허브 홈(11,21)은 허브형 피스톤 링(30)이 도면 기준 상하로 거동할 수 있도록 허브(31)의 높이보다 더 높게 형성된다. 또한, 허브 홈(11,21)은 허브형 피스톤 링(30)이 벌어지는 방향으로 거동할 수 있도록 허브(31)의 두께보다 큰 폭으로 형성되어 기밀성을 높이는 것도 가능하다.

종래 2분할 피스톤의 경우 크라운부에 피스톤 링이 결합되어 상기 피스톤 링을 결합하기 위한 링 그루부가 다단으로 형성되지만, 본 발명은 다단의 링 그루브를 필요로 하지 아니하고 허브형 피스톤 링(30)의 링부(32)를 수용하기 위하여 둘레부에 수용부(12,22)가 형성된다.

수용부(12,22)는 스커트부(10)와 크라운부(20)의 둘레부를 향해 개방되면서 허브 홈(11,21)과 통하는 홈의 형태이며, 수용부(12,22)에 의해 형성되는 하나의 공간은 허브형 피스톤 링(30)의 거동을 위한 크기로 형성된다.

허브형 피스톤 링(30)은 스커트부(10)와 크라운부(20) 사이에 개재되어 이들에 의해 결합되며, 허브 홈(11,21)에 삽입되는 허브(31) 및 허브(31)의 둘레부에 돌출 형성되는 링부(32)로 구성된다.

허브(31)는 원형의 관형이며, 예를 들어 도면 기준 절반의 하부는 스커트부(10)의 허브 홈(11)에 삽입되고 나머지의 상부는 크라운부(20)의 허브 홈(21)에 삽입 조립된다.

허브(31)는 상하 거동하도록 허브 홈(11,21)에 지지되며 즉, 링부(32)의 좁은 면적보다 상대적으로 넓은 면적을 지지기반으로 하여 링부(32)의 비틀림 및 이로 인한 편마모를 줄여준다.

또한, 허브(31)는 링부(32)의 편마모 감소 효과 외에 스커트부(10)와 크라운부(20)의 조립 강도를 높이는 효과도 있다.

링부(32)는 실린더 보어 내부를 기밀하게 유지하는 종래의 피스톤 링과 동일한 목적을 달성하는 것으로, 허브(31)의 둘레부에 링의 형태로 돌출 형성되고, 이 때 단부는 스커트부(10)와 크라운부(20)의 외주면보다 돌출된다.

본 실시예는 피스톤(100)에 다른 피스톤 링을 사용하지 않고 허브형 피스톤 링(30)만 사용하는 예이므로 다수(3개를 예로 들어 도시함)의 링부(32)가 상호 간에 일정 간격을 두고 형성된다.

허브형 피스톤 링(30)의 재질은 통상의 피스톤 링과 동일한 재질이다.

본 실시예의 피스톤(100)은 스커트부(10)와 크라운부(20) 및 허브형 피스톤 링(30)이 결합을 통해 일체화되며, 도 2에서 보이는 것처럼, 허브형 피스톤 링(30)을 스커트부(10)와 크라운부(20)의 허브 홈(11,21)에 삽입한 후 스커트부(10)와 크라운부(20)를 체결구(40)(볼트)로 체결하는 것을 통해 결합된다. 이 결합 방식은 종래 스커트부(10)와 크라운부(20)의 결합 방식과 동일한 것이므로 적용이 용이하다.

다른 결합 방식으로, 도 5와 도 6에서 보이는 것처럼, 허브형 피스톤 링(30)의 링부(32)에 체결구 관통홀(33)을 형성하여 체결구(40)가 스커트부(10)에서부터 체결구 관통홀(33) 및 크라운부(20)에 걸쳐 체결되는 것도 가능하다.

체결구 관통홀(33)은 링부(32)의 이동을 간섭하지 않는 내경, 체결구(40)의 외경보다 큰 내경으로 이루어진다.

체결구 관통홀(33)은 링부(32)에 원주방향을 따라 체결구(40)의 수량에 맞춰 형성된다.

이 경우 허브형 피스톤 링(30)이 스커트부(10)와 크라운부(20)의 허브 홈(11,21)에 지지됨과 더불어 체결부(40)에 지지되며, 즉, 2개 포인트에서 지지되어 1개 포인트에 지지될 때보다 안정성을 높이게 된다.

도 7은 또 다른 결합 방식으로, 허브(31)의 내주면에 체결구 관통홀이 구비된 보스(34)가 형성된다. 보스(34)는 허브(31)와 일체형으로 구성되므로 스커트부(10)와 크라운부(20)에는 보스(34)가 이동할 수 있는 여유 있는 공간을 확보한다.

이 경우에도 전술한 것처럼, 허브형 피스톤 링(30)이 2개 포인트에서 지지되는 효과를 동일하게 기대할 수 있다.

도 5 내지 도 7의 경우에는, 체결구(40)에 의해 허브형 피스톤 링(30)의 회전이 방지되는 효과도 있다.

본 실시예에 따르면, 피스톤의 왕복 운동 시 허브형 피스톤 링(30)의 링부(32)가 실린더 보어의 기밀을 유지하면서 허브(31)가 스커트부(10)와 크라운부(20)의 허브 홈(11,21) 안에서 이동하게 되며, 이 때, 허브(31)의 모든 면적을 지지기반으로 하여 링부(32)의 안쪽과 바깥쪽이 비틀림없이 동일선상의 위치를 유지하게 되며, 결국 비틀림에 의한 편마모를 발생하지 않는다.

<실시예 2>

실시예 1은 다수의 링부(32)가 구성된 하나의 허브형 피스톤 링(30)만을 사용한 예이고, 도 8에서 보이는 것처럼, 실시예 2는 허브형 피스톤 링(30)과 기존의 피스톤 링(50)이 함께 사용되는 예를 도시한 것이다.

스커트부(10)와 크라운부(20)는 허브형 피스톤 링(30)의 조립을 위한 허브 홈(11,21) 및 수용부(12,22)가 실시예 1과 동일하게 구성되며, 기존의 피스톤 링(50)을 조립하기 위하여 둘레부에 링 그루브(23)가 추가로 형성된다.

도면에서 기존의 피스톤 링(50)이 상부에, 허브형 피스톤 링(30)이 하부에 있는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되는 아니하고 또한, 기존의 피스톤 링(50)이 스커트부(10)에 설치되는 것도 가능하다.

도 9는 허브형 피스톤 링(30)의 기밀성 증대를 위한 예를 도시한 것이며, 실시예 1,2 모두 적용 가능하고, 링부(32) 또는 허브(31)와 링부(32)는 엔드 갭(34)을 갖도록 구성된다.

허브형 피스톤 링(30)은 기존의 피스톤 링처럼 실린더 보어에 대한 밀착을 통해 기밀성을 확보하며, 그 외경은 실린더 보어의 내경보다 크게 제조되어 실린더 보어에 장착될 때 상기 실린더 보어의 내경에 맞춰 작은 외경으로 모아지도록 엔드 갭(34)이 구성되는 것이며, 즉, 허브형 피스톤 링(30)은 원상태로 복원되려는 성질을 이용하여 실린더 보어에 대한 밀착성을 높여 기밀유지를 극대화한다.

도면에서 엔드 갭(34)은 허브(31)와 링부(32)에 걸쳐 형성된 것으로 도시하였으나, 링부(32)에만도 형성될 수 있다. 후자의 경우 엔드 갭(34)은 링부(32)에 1개 또는 2개 이상으로 형성될 수 있고, 다수의 링부(32)가 형성되는 경우 엔드 갭(34)을 서로 다른 위치 즉, 다단으로 배치되는 링부(32)의 엔드 갭(34)을 서로 일치되지 않는 위치에 형성하여 기밀성을 더욱 높이는 것도 가능하다.

한편, 허브형 피스톤 링(30)은 허브(31)와 링부(32)의 구성을 변형하지 않는 전제하에 허브(31)와 링부(32)가 일체형인 것, 허브(31)와 링부(32)를 각각 제조한 후 고정(용접 등)하는 것, 링부(32)를 먼저 제조한 후 허브(31)에 인서트 주형으로 일체화하는 것 모두가 가능하다.

본 발명에 의한 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤 제조 방법은 크라운부와 스커트부 및 허브형 피스톤 링 제조 - 크라운부와 스커트부 및 허브형 피스톤 링 조립의 공정으로 이루어지며, 하기의 세부 내용은 실시예 1의 피스톤을 예로 들어 설명한다.

1. 크라운부 제조.

가. 예열.

예열기(전기로, 염욕로 등)에 크라운부의 형태로 가공된 모재(주조 가공)를 넣고 300℃~400℃로 30분~60분간 예열한다. 예열 공정을 통해 후속 공정의 시간을 단축할 수 있다.

나. 중온 염욕.

염욕로에 크라운부와 염욕제(염화바륨, 염화칼슘 중 하나 이상)를 넣고 850℃~930℃의 온도로 50분~80분간 가열하여 오스테나이트화 한다. 이와 같은 오스테나이트화를 통해 탄소가 페라이트로 확단되어 탄소농도가 균일해지고 농도가 증가하게 된다.

다. 저온 염욕.

중온 염욕을 거친 크라운부를 저온 염욕(질산소다, 아질산소다 등의 염욕제, 160℃~220℃, 60분~90분) 분위기에서 염욕 처리한다. 저온 염욕을 통해 크라운부를 안정화하는 것이 가능하다.

라. 냉각.

저온 염욕을 완료한 크라운부를 자연 냉각한다. 저온 염욕을 통해 빠른 냉각이 가능하다.

2. 스커트부 제조.

가. 예열.

예열기(전기로, 염욕로 등)에 스커트부의 형태로 가공된 모재(주조 가공)를 넣고 100℃~150℃로 30분~60분간 예열한다. 예열 공정을 통해 후속 공정의 시간을 단축할 수 있다.

나. 중온 염욕.

염욕로에 크라운부와 염욕제(염화바륨, 염화칼슘 중 하나 이상)를 넣고 850℃~930℃의 온도로 50분~80분간 가열하여 오스테나이트화 한다. 오스테나이트를 통해 탄소가 페라이트로 확단되어 탄소농도가 균일해지고 농도가 증가하게 된다.

다. 냉각.

저온 염욕을 완료한 스커트부를 냉각(예를 들어 150℃~250℃, 40분~60분)한다.

본 발명에서 염욕제는 물과 함께 사용되며 통상의 염욕에서 사용하는 비율을 이용한다.

3. 허브형 피스톤 링 제조.

허브(31)와 링부(32)의 형태를 갖도록 예를 들어 주조 가공하여 허브형 피스톤 링(30)을 제조한다.

허브형 피스톤 링(30)을 크라운부(20)의 제조 공정에서 설명한 중온 염욕을 통해 열처리하며, 허브(31)를 제외한 링부(32)만 열처리한다. 왜냐하면 허브(31)는 스커트부(10)와 크라운부(20) 안에 보호되므로 경도 증가를 위한 열처리없이 사용이 가능하다.

4. 크라운부와 스커트부 및 허브형 피스톤 링 조립.

예를 들어 허브형 피스톤 링(30)의 일측을 크라운부(20)의 허브 홈(21) 안에 삽입하고, 나머지 부분을 스커트부(10)의 허브 홈(11) 안에 삽입하여 크라운부(20)와 스커트부(10) 및 허브형 피스톤 링(30)를 가조립한 후, 체결구(40)를 체결하여 조립한다.

10 : 스커트부, 11,21 : 허브 홈
12,22 : 수용부, 20 : 크라운부
23 : 링그루브, 30 : 허브형 피스톤 링
31 : 허브, 32 : 링부
33 : 체결구 관통홀, 34 : 엔드 갭
40 : 체결구, 50 : 피스톤 링

Claims (5)

1. 피스톤핀에 의해 커넥팅로드와 연결되는 스커트부와;
   상기 스커트부의 상부에 결합되는 크라운부와;
   상기 스커트부와 크라운부 사이에 개재되어 분리 가능하게 결합되며 허브형 피스톤 링을 포함하고,
   상기 스커트부와 크라운부는 서로 대향되는 부분을 향해 개방되며 상기 허브형 피스톤 링의 허브가 이동 가능하게 삽입되는 허브 홈을 포함하며,
   상기 허브형 피스톤 링은 상기 허브 홈에 이동 가능하게 지지되는 관형의 허브 및 상기 허브의 둘레부에 단부가 상기 스커트부와 크라운부의 외주면보다 돌출되도록 형성되는 2개 이상의 링부를 포함하되,
   상기 허브 홈은 상기 허브의 높이보다 더 높게 형성되어 상기 허브가 상하로 거동할 수 있도록 함으로써 상기 허브의 안내를 통해 상기 링부의 비틀림을 줄이고,
   상기 허브형 피스톤 링은 상기 링부에 체결구 관통홀이 형성되어, 상기 스커트부와 크라운부 및 상기 체결구 관통홀에 체결되는 체결구를 통해 조립되는 한편 상기 허브와 체결구에 의해 가이드되고 상기 허브와 링부에 걸쳐 형성되는 엔드 갭을 통해 탄성 거동하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 청구항 1에 의한 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤 제조 방법으로서,
   스커트부와 크라운부 및 허브형 피스톤 링을 각각 제조하는 제1단계와;
   상기 허브형 피스톤 링을 상기 스커트부와 크라운부에 지지되도록, 상기 스커트부와 크라운부 및 허브형 피스톤 링을 조립하는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 내마모성 증대 피스톤 제조 방법.
   

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