KR102426972B1

KR102426972B1 - 피스톤 링

Info

Publication number: KR102426972B1
Application number: KR1020177002115A
Authority: KR
Inventors: 미노루 가와니시; 사토루 가케가와; 히로시 시미즈
Original assignee: 가부시끼가이샤 리켄
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2015-06-25
Publication date: 2022-07-29
Also published as: WO2015199183A1; EP3163129A4; WO2015199183A9; EP3163129A1; CN106662246B; CN106662246A; KR20170024018A; EP3163129B1

Abstract

압력이나 열부하가 증대된 가혹한 사용 환경하에서도, 우수한 내스커프성 및 내마모성을 나타내는 피스톤 링, 또 에지·로딩을 회피할 수 있는 피스톤 링을 제공하기 위하여, 피스톤 링의 중심축을 지나 상기 중심축에 평행한 단면에 나타나는 가장자리 슬라이딩면의 제1 곡면을 바깥쪽으로 볼록하게 하고, 상기 제1 곡면의 곡률 반경을 크랭크실측으로부터 연소실측으로 연속적으로 증가 또는 감소시킨다.

Description

피스톤 링{PISTON RING}

본 발명은 피스톤 링에 관한 것으로, 특히 배럴면 형상의 가장자리 슬라이딩면을 갖는 압력 링에 관한 것이다.

선박용 엔진을 포함하는 대형 디젤 엔진은 지구의 환경 문제가 대두됨과 함께, 최근 더욱 고출력화, 고효율화(CO₂ 저감)의 경향에 있다. 구체적으로는, 실린더 유효 압력이나 최고 압력의 상승, 열부하 증대에 의한 작용 응력의 증대, 혹은 평균 피스톤 속도의 상승 등이며, 특히 실린더내 최고 압력은 22MPa까지 달해, 앞으로는 30MPa까지 더욱 상승시키는 것을 계획하고 있다. 제1 압력 링(이하 "톱 링"이라고도 함)이 실린더 라이너면으로 가압되는 하중(이하 "링 하중"이라고도 함)은 이 실린더내 최고 압력에 대략 비례하여 증대하기 때문에, 압력 링의 사용 환경은 매우 가혹하게 된다.

또, 상기와 같은 가혹한 사용 환경하에서는, 피스톤의 링 홈은 피스톤 상부의 열팽창에 근거하는 열변형이나 연소 압력의 영향, 피스톤 홈의 마모에 의하여 축방향에 수직인 방향으로부터 약간 하향(연소실과 반대 방향)으로 변형되는 경향이 있고, 또한 톱 링은 실린더내 압력에 의하여 하향(연소실과 반대 방향)으로 기울어지는 경향이 된다. 즉, 톱 링은 가장자리 슬라이딩면의 축방향 폭의 중앙 위치로부터 연소실측에서 실린더벽과 슬라이딩 접촉하는 경향이 된다. 극단적인 경우에는, 톱 링의 접촉면이 가장자리 슬라이딩면으로부터 떨어지는, 이른바 에지·로딩("가장자리 하중"이라고도 함)이 발생하는 경우도 있다.

대형 디젤 엔진에 있어서의 트러블은, 피스톤 링을 포함하는 피스톤, 실린더 라이너에 집중하고, 특히 피스톤 링과 실린더 라이너의 스커프(Skuff) 문제로 중대한 손상에 이르는 경우가 많다. 스커프는 상기와 같이 링 하중이 증대되었을 때, 에지·로딩이 발생했을 때, 또 상사점 및 하사점의 근방에서 경계 윤활 상태가 될 때 발생하기 쉽다.

지금까지의 대형 디젤 엔진용 톱 링은, 가장자리 슬라이딩면에 도금이나 용사에 의하여 경질 피막을 피복하고, 또한 배럴면 형상으로 연마 가공하여, 내구성과 유막 생성 기능의 향상을 도모해 왔다. 예를 들면, 일본 공개실용신안공보 소57-196238호는, 가장자리 미끄럼면을, 그 단면 형상이 상방으로부터 제1, 제2 및 제3의 다른 곡률 반경의 원호로 이루어지는 복합면으로 구성하고, 제2 곡률 반경이 제1 및 제3 곡률 반경보다 크며, 또한 제2 곡률 반경에 의하여 획정되는 제2 가장자리 미끄럼면의 축방향 폭이 피스톤 링의 축방향 폭의 대략 1/2이고, 제2 가장자리 미끄럼면의 단면 원호의 곡률 중심이 피스톤 링의 축방향 폭내에서 폭중앙 이하의 위치에 있으며, 동시에 제1, 제2 및 제3의 가장자리 미끄럼면이 그 경계부에 오목부가 형성되지 않은 상태로 이어지고 있는 것을 특징으로 하는 피스톤 링을 개시하고 있다.

또, 일본 공개특허공보 2002-39384호는, 가장자리 슬라이딩면이 배럴 형상이고, 상하측면과 교차하는 부분에 모따기 가공한 코너부를 갖는 피스톤 링에 있어서, 가장자리 슬라이딩면에 질화층이나 PVD층의 표면 처리층을 형성한 경우에, 배럴면과 코너부의 경계의 에지부에서 표면 처리층의 크랙이나 박리가 발생하지 않는 피스톤 링을 제공하는 것을 목적으로, 코너부가 반경 0.05mm 이상으로 배럴면 반경보다는 작은 곡면 형상을 이룸과 함께, 코너부와 배럴부가 능선부 없이 연속적으로 이어져 형성되어 있는 피스톤 링을 개시하고 있다.

또, 일본 공개특허공보 2009-91927호는, 피스톤 링의 가장자리면과 실린더 라이너의 슬라이딩면 사이의 가스 시일링 능력 부족에 의한 블로바이 가스량의 증대를 방지하여, 피스톤 링 백부(back portion)의 오염이나, 블로바이 가스 중의 아황산 가스에 의한 실린더 라이너의 부식을 방지함과 함께, 접촉 압력을 저감시킨 피스톤 링을 제공하는 것을 목적으로, 피스톤 링의 가장자리면을, 곡률 반경 R=1.18D~1.35D(D: 실린더 내경)의 원호 프로파일로 설정한 피스톤 링을 개시하고 있다. 가스 시일링 능력을 나타내는 누출 유량 Q가 원호 프로파일의 곡률 반경 R의 3승에 반비례하는 것을 고려하여, 곡률 반경 R을 크게 한 것에 특징을 갖는 것이다.

그러나 일본 공개실용신안공보 소57-196238호, 일본 공개특허공보2002-39384호 및 일본 공개특허공보 2009-91927호의 피스톤 링은, 가장자리 배럴면과 코너부를 매끄러운 곡선으로 잇거나, 또는 배럴면의 곡률 반경을 종래보다 일률적으로 크게 하고 있지만, 피스톤이나 피스톤 링의 거동에 주목한 스커프 대책이나 에지·로딩 대책은 이루어져 있지 않기 때문에, 충분하다고는 할 수 없는 상황에 있다.

본 발명은 압력이나 열부하가 증대된 가혹한 사용 환경하에서도, 우수한 내스커프성 및 내마모성을 나타내는 피스톤 링, 또한 에지·로딩을 회피할 수 있는 피스톤 링을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자 등은 피스톤 링의 가장자리 슬라이딩면의 형상에 대하여 예의 연구한 결과, 링 접촉면의 헤르츠 응력을 저감하는 형상이나, 에지·로딩을 회피하여 충분한 유막 형성을 가능하게 하는 형상의, 내스커프성 및 내마모성이 우수한 피스톤 링을 제공할 수 있는 것에 도달했다.

즉, 본 발명의 피스톤 링은, 피스톤 링의 중심축을 지나 상기 중심축에 평행한 단면에 나타나는 가장자리 슬라이딩면의 제1 곡면이 바깥쪽으로 볼록하고, 상기 제1 곡면의 곡률 반경이 크랭크실측으로부터 연소실 측으로 연속적으로 증가 또는 감소되고 있는 것을 특징으로 한다.

상기 단면에 나타나는 상기 제1 곡면의 정점은, 축방향 폭의 중앙 위치로부터 크랭크실측에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 제1 곡면의 상기 단면에 나타나는 곡선은, 인볼류트 곡선을 변형한 곡선으로 나타나는 것이 바람직하고, 상기 곡선은,

x=a(cosθ+θ^b·sinθ)/α,

y=a(sinθ-θcosθ)/β,

a, b, α, β는 정수

의 관계식을 이용하여 나타나는 것이 보다 바람직하다.

또, 상기 제1 곡면과 연소실측 상측면 및 크랭크실측 하측면의 사이는, 각각 모따기부를 갖는 것이 바람직하고, 또는 각각에 바깥쪽으로 볼록한 제2 및 제3의 곡면을 갖는 것이 바람직하다.

또, 상기 단면에 나타나는 상기 제1 곡면의 정점으로부터 연소실 측단까지의 반경 방향의 후퇴량(t)(이하, 간단히 "반경 방향의 후퇴량" 또는 "연소실측의 가장자리 슬라이딩면의 후퇴량"이라고도 함)은, 피스톤 링의 호칭경(d1)의 0.001% 이상 0.015% 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 제1 피스톤 링은, 가장자리 슬라이딩면의 제1 곡면 형상이, 크랭크실측으로부터 연소실측으로 곡률 반경이 연속적으로 증가하고 있기 때문에, 연소실측의 곡률 반경이 크며, 실린더내 최고 압력이 부하되어 연소실측에서 실린더벽과 슬라이딩 접촉해도, 연소실측의 곡률 반경을 크게 하고 있으므로, 링 하중에 의한 접촉(헤르츠) 응력을 저감할 수 있어, 스커프를 회피하여, 중대한 손상에 이르는 것을 피할 수 있다. 또, 연소실측의 곡률 반경이 크면 유막도 두껍게 형성되므로, 오일이 상사점 부근까지 남아, 스커프의 회피에도 또한 기여한다. 또, 본 발명의 제2 피스톤 링은, 가장자리 슬라이딩면의 제1 곡면 형상이, 크랭크실측으로부터 연소실측으로 곡률 반경이 연속적으로 감소하고 있기 때문에, 연소실측의 곡률 반경이 비교적 작으며, 따라서 반경 방향의 후퇴량도 커지고 있으므로, 실린더내 최고 압력이 부하되는 연소 행정 시의 에지·로딩을 회피할 수 있어, 중대한 손상에 이르는 것을 피할 수 있다. 또, 연소실측의 반경 방향의 후퇴량이 크면 피스톤 하강 시에 스커트측으로부터 유입된 오일이 축적되기 쉽기 때문에, 이 축적된 오일이 상사점 부근까지 남아, 스커프의 회피에도 기여한다. 한편, 크랭크실측의 곡률 반경이 커, 링 하중에 의한 헤르츠 응력이 저감되어 유막도 두껍게 형성되므로, 우수한 내마모성을 나타낼 수 있다. 또한, 제1 피스톤 링과 제2 피스톤 링 모두 제1 곡면 형상을, 예를 들어 인볼류트 곡선을 변형한 곡선으로 나타내면, 곡률 반경을 원하는 범위에서 연속적으로 변경하는 것이 가능하게 되고, 또한 수치제어에 의한 가공으로 형성하는 것, 혹은 수치제어에 의하여 형성한 형상의 숫돌로 성형 가공하는 것도 가능하게 되어, 확실하고 효율적으로 크랭크실측으로부터 연소실측으로 연속적으로 곡률 반경이 증가 또는 감소된 제1 곡면을 형성하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 피스톤 링의 단면도(가장자리 슬라이딩면이 제1 곡면으로 구성되어 있음)이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 관한 피스톤 링의 단면도(가장자리 슬라이딩면의 정점이 하측면 측단에 위치함)이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 관한 피스톤 링의 단면도(제1 곡면과 연소실측 상측면 및 크랭크실측 하측면 사이 각각에 모따기부를 가짐)이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 관한 피스톤 링의 단면도(제1 곡면과 연소실측 상측면 및 크랭크실측 하측면 사이 각각에 바깥쪽으로 볼록한 제2 및 제3의 곡면을 가짐)이다.

도 1~도 4는, 본 발명의 실시형태에 관한, 축방향 폭(h1), 직경 방향 두께(a1)의 피스톤 링(1)의 단면을 나타내고 있다. 단면은 피스톤 링(1)의 중심축을 지나는 중심축에 평행한 단면이며, 가장자리 슬라이딩면은 바깥쪽으로 볼록한 제1 곡면(2)을 포함하고 있다. 그리고 이 제1 곡면(2)은, 곡률 반경(R)이 크랭크실측(도면의 하부)으로부터 연소실측(도면의 상부)으로 연속적으로 증가하거나(본 발명의 제1 피스톤 링), 또는 감소(본 발명의 제2 피스톤 링)하고 있다. 이로 인하여, 본 발명의 제1 피스톤 링에서는, 제1 곡면(2)의 연소실측의 곡률 반경이 커져, 제1 곡면(2)의 연소실측에서 실린더벽과 슬라이딩 접촉해도, 링 하중에 의한 접촉 헤르츠 응력을 저감시켜, 결과적으로 PV값(면압 P와 피스톤 속도 V의 곱)을 저감시켜, 스커프를 회피할 수 있다. 또, 본 발명의 제2 피스톤 링에서는, 제1 곡면(2)의 연소실측의 곡률 반경이 작아, 반경 방향의 후퇴량(t)이 커져, 실린더내 최고 압력이 부하되는 연소 행정 시의 에지·로딩을 회피할 수 있다.

곡률 반경(R)이 연속적으로 증가하는 곡선으로서는, 예를 들면, 인볼류트 곡선을 들 수 있다. 인볼류트 곡선은, 원에 감은 실을 팽팽하게 당긴 상태에서 풀어 나갈 때의 실의 단점이 그리는 궤적을 말하며,

x=cosθ+θsinθ

y=sinθ-θcosθ

로 나타나는데, 본 발명의 피스톤 링의 가장자리 슬라이딩면의 제1 곡면(2)에 적합한 곡률 변화로 하기 위해서는, 상기 곡선을 파라미터 a, b, α, β를 이용하여 변형하여,

x=a(cosθ+θ^b·sinθ)/α

y=a(sinθ-θcosθ)/β

a, b, α, β는 정수의 관계식으로 나타나는 곡선(변형 인볼류트 곡선)을 이용하는 것이 바람직하다.

여기에서, a, b, α, β는 적용하는 피스톤 링에 따라 적절히 설정할 수 있는데, a는 3000~10000, b는 2~3, α는 1~2, β는 1~5로 하는 것이 바람직하다. 상기 관계식의 좌표축을 소정량 회전시킴과 함께, 소정량 평행이동하거나 또는 반전시키는 것에 의하여, 예를 들면 x축을 a1방향(링축에 수직인 방향), y축을 h1방향(링축 방향)으로 하고, 제1 곡면(2)의 정점을 원점으로 하여, 곡률 반경이 연속적으로 증가 또는 감소하는 곡선을 그릴 수 있다.

상기와 같이 명확하게 수식으로 나타나는 곡선은, 제1 곡면의 형성 시에 수치제어에 의한 가공이나, 수치제어에 의하여 형성한 형상의 숫돌에 의한 성형 가공을 가능하게 하기 때문에, 제조를 용이하게 하여 제조품질을 향상시킨다.

도 2~도 4는, 본 발명의 도 1과는 다른 실시형태에 관한 피스톤 링을 나타내고 있다. 도 1 및 도 2는, 가장자리 슬라이딩면이 제1 곡면으로만 구성되고, 제1 곡면의 정점(2)은, 도 1에서는 상측면과 하측면 사이에 위치하고 있지만, 도 2에서는 하측면 측단에 위치하고 있다. 도 3은, 제1 곡면(2)과, 연소실측 상측면(3) 및 크랭크실측 하측면(4) 사이 각각에 모따기부(5,5)를 갖고 있으며, 도 4는, 모따기부(5,5) 대신에 바깥쪽으로 볼록한 제2 및 제3의 곡면(6,6)을 갖고 있다.

본 발명의 피스톤 링은, 기본적으로, 제1 곡면의 정점은 축방향 폭의 중앙 위치로부터 크랭크실측에 위치하는 것이 바람직하다. 연소실측의 가장자리 슬라이딩면의 후퇴량(t)은 피스톤 링의 호칭경(d1)의 0.001% 이상 0.015% 이하인 것이 바람직하다. 제1 피스톤 링의 경우, 후퇴량(t)은 0.004% 이상인 것이 보다 바람직하고, 제2 피스톤 링의 경우, 후퇴량(t)은 0.01% 이하인 것이 보다 바람직하며, 0.007% 이하인 것이 더 바람직하다.

본 발명의 피스톤 링은, 실린더내 최고 압력이 큰, 호칭경이 200mm 이상 1100mm 미만인 대형 디젤 엔진에서 바람직하게 사용할 수 있지만, 가장자리 슬라이딩면이 소정의 형상을 만족하면, 그 적용 엔진을 한정하지 않고, 호칭경 200mm 미만의 중형 디젤 엔진에도 사용할 수 있다.

또, 본 발명의 피스톤 링의 모재(母材)는, 주철재와 강재 모두 적용 가능하지만, 고출력화나 고효율화에 유효하게 대응하여, 더욱 경량화나 저장력화를 목표로 하려면 강재를 적용하는 것이 바람직하다. 강재를 모재에 적용하는 경우, 탄소강, 저합금강, 스프링 강, 베어링 강, 마르텐사이트계 스테인리스로부터 선택된 강인 것이 바람직하다. 탄소강이라면 C가 0.6~0.8질량% 정도인 고탄소강, 스프링 강이라면 SUP9, SUP10, SUP12 등, 베어링 강이라면 SUJ2, 마르텐사이트계 스테인리스라면 SUS420J2나 SUS440B가 바람직하게 사용된다. 고온 강도, 열전도율, 내열 피로성 등, 요구되는 요구 특성에 따라 적합한 강재가 선택된다.

본 발명의 피스톤 링은, 질화 피막, 도금 피막, 용사 피막, 화성 처리 피막, 및 이온플레이팅 피막으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1개 또는 2개 이상의 피막을 갖고 있는 것이 바람직하다. 도금 피막에는, 경질 크로뮴 도금 피막, 다층 크로뮴 도금 피막, 니켈 복합 도금 피막이 포함되며, 용사 피막에는, 몰리브데넘 용사 피막이나 서멧 용사 피막, 이온플레이팅 피막에는, CrN 피막이나 TiN 피막이 포함된다.

[실시예]

실시예 1(제1 피스톤 링)

재료 조성이, 질량%로 C: 0.48%, Si: 0.21%, Mn: 0.79%, Cr: 1.02%, V: 0.22%이고, 외경 110mm, 길이 200mm인 봉강으로부터, 링 롤링 가공에 의하여 통형의 소재를 제작하고 기계 가공을 실시하여, 호칭경(d1) 330mm, 폭(h1) 5mm, 두께(a1) 9mm의 직사각형 단면의 강제의 톱 링을 제작했다. 다음으로, 460℃, 5시간의 가스 질화에 의하여 링 전체면에 질화층을 약 70μm 형성하고, 또 가장자리에는, 고속 프레임 용사에 의하여 Ni합금 베이스 중에 미세한 Cr탄화물 입자가 분산된 복합재 입자를 주된 구성 입자(줄처 메트로사(Sulzer Metco)의 SM5241 분말)로 하는 서멧 용사 피막을 약 500μm 형성하여, 최종적으로는 용사 피막의 막두께 약 350μm까지 마무리 연마를 실시했다. 이때, 가스 질화에 의하여 표면에 생성된 화합물층(백층)은 연삭 제거했다.

마무리 연마에 의하여 형성한 가장자리 슬라이딩면의 제1 곡면은,

x=a(cosθ+θ^b·sinθ)/α

y=a(sinθ-θcosθ)/β

a=7000, b=3, α=1, β=2

의 변형 인볼류트 곡선을 이용하여, 제1 곡면의 정점(연소실측 상측면으로부터 3.5mm의 거리로 함)이 좌표축의 원점이 되도록, 상기 변형 인볼류트 곡선의 좌표축을 적절히 회전시키고, 평행이동하여 그리고 있다. 또, 이 경우, 하측면으로부터 0.5mm의 위치의 곡률 반경이 70mm, 정점 위치의 곡률 반경이 300mm, 상측면으로부터 0.5mm의 위치의 곡률 반경이 460mm가 된다. 이 형상으로 성형한 성형 숫돌을 이용하여 제1 곡면을 형성하고, 상하측면으로부터 0.5mm의 영역은 모따기 가공을 실시하여, 마무리 연마를 완료했다. 또, 연소실측의 가장자리 슬라이딩면의 후퇴량(t)은 0.009mm로, 호칭경(d1)의 0.002%였다.

실기 시험

실기 시험은, 보어 직경 330mm의 6기통 4스트로크 중속 디젤 엔진의 시험기에 있어서, 6기통 전부에 실시예 1의 톱 링을 장착한 피스톤을 사용하여 실시했다. 톱 링 이외에는 종래 사용하던 피스톤 링을 사용했다. 300시간의 운전중에는 스커프 등의 트러블은 없었고, 톱 링을 꺼내 슬라이딩면을 관찰한 결과도 특별히 이상은 없었다.

실시예 2(제2 피스톤 링)

변형 인볼류트 곡선의 파라미터를 a=6000, b=3, α=1, β=1.5로 하고, 제1 곡면을, 곡률 반경이 크랭크실측으로부터 연소실측으로 감소하도록 반전하여 형성한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하여 강제의 톱 링을 제작했다. 이 경우, 하측면으로부터 0.5mm의 위치의 곡률 반경이 340mm, 정점 위치의 곡률 반경이 270mm, 상측면으로부터 0.5mm의 위치의 곡률 반경이 100mm가 된다. 연소실측의 가장자리 슬라이딩면의 후퇴량(t)은 0.016mm로, 호칭경(d1)의 0.0048%였다. 또, 실시예 1과 동일한 실기 시험을 실시한 결과, 어떤 기통에도 트러블은 없었고, 또 톱 링의 슬라이딩면에도 이상은 없었다.

실시예 3-5(제1 피스톤 링)

변형 인볼류트 곡선의 파라미터 a, b, α, β를 표 1에 나타내는 값으로 한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 실시예 3~5의 강제의 톱 링을 제작했다. 실시예 3~5의 하측면측(하측면으로부터 0.5mm의 위치), 정점 위치, 상측면측(상측면으로부터 0.5mm의 위치)에 있어서의 곡률 반경과, 후퇴량(t)에 대해서도, 실시예 1 및 2의 결과와 함께 표 1에 나타낸다. 또, 실시예 3~5의 톱 링을 2기통씩 장착하여 실시예 1과 동일하게 실기 시험을 실시한 결과, 어떤 톱 링을 사용한 기통에 있어서도 트러블은 없었고, 또 톱 링의 슬라이딩면에도 이상은 없었다.

	파라미터				후퇴량*		곡률 반경, mm
	a	b	α	β	t, mm	t/d1, %	하측면측	정점 위치	상측면측
실시예 1	7000	3	1	2	0.009	0.0027	70	300	460
실시예 2	6000	3	1	1.5	0.016	0.0048	340	270	100
실시예 3	6000	3	1	2	0.010	0.0030	110	300	440
실시예 4	8000	3	1	1.7	0.007	0.0021	250	350	500
실시예 5	5000	3	1	1.8	0.010	0.0030	120	250	370

*후퇴량은 연소실측의 가장자리 슬라이딩면의 후퇴량(t)을 의미한다.

실시예 6(제1 피스톤 링)

재료 조성이, 질량%로 C: 3.7%, Si: 2.7%, Mn: 0.6%, P: 0.04%, S: 0.01%, Cr: 0.10%, Ni: 0.90%, V: 0.07%, Cu: 2.39%인 주철을 용해, 주조, 기계 가공하여, 호칭경(d1) 330mm, 폭(h1) 7mm, 두께(a1) 10mm의 직사각형 단면의 CV흑연 주철제의 톱 링을 제작했다. 변형 인볼류트 곡선의 파라미터를 a=6000, b=3, α=1, β=1.7로 하고, 연소실측 상측면으로부터 4.5mm의 거리로 한 제1 곡면의 정점이 좌표축의 원점이 되도록, 상기 변형 인볼류트 곡선의 좌표축을 적절히 회전시키고, 평행이동하여 그리고 있다. 또, 이 경우, 하측면으로부터 0.5mm의 위치의 곡률 반경이 65mm, 정점 위치의 곡률 반경이 280mm, 상측면으로부터 0.5mm의 위치의 곡률 반경이 450mm가 된다. 이 형상으로 성형한 성형 숫돌을 이용하여 제1 곡면을 형성하고, 상하측면으로부터 0.5mm의 영역은 모따기 가공을 실시하여 마무리 연마를 완료했다. 또, 연소실측의 가장자리 슬라이딩면의 후퇴량(t)은 0.024mm로, 호칭경(d1)의 0.007%였다.

실시예 7(제2 피스톤 링)

변형 인볼류트 곡선의 파라미터를 a=3000, b=3, α=1, β=2로 하고, 제1 곡면을, 곡률 반경이 크랭크실측으로부터 연소실측으로 감소하도록 반전하여 형성한 것 이외에는, 실시예 6과 동일하게 하여, CV흑연 주철제의 톱 링을 제작했다. 이 경우, 하측면으로부터 0.5mm의 위치의 곡률 반경이 360mm, 정점 위치의 곡률 반경이 300mm, 상측면으로부터 0.5mm의 위치의 곡률 반경이 50mm가 된다. 연소실측의 가장자리 슬라이딩면의 후퇴량(t)은 0.035mm로, 호칭경(d1)의 0.011%였다.

실시예 6 및 7에 대해서도, 톱 링을 3기통씩 장착하여 실시예 1과 동일한 실기 시험을 실시한 결과, 어떤 기통에도 트러블은 없었고, 또 톱 링의 슬라이딩면에도 이상은 없었다.

Claims

피스톤 링의 중심축을 지나 상기 중심축에 평행한 단면에 나타나는 가장자리 슬라이딩면의 제1 곡면이 바깥쪽으로 볼록하고, 상기 제1 곡면의 곡률 반경이 크랭크실측으로부터 연소실측으로 연속적으로 증가 또는 감소되며,
상기 제1 곡면의 상기 단면에 나타나는 곡선이 인볼류트 곡선을 변형한 곡선으로 나타나며,
상기 곡선은,
x=a(cosθ+θ^b·sinθ)/α
y=a(sinθ-θcosθ)/β
a, b, α, β는 정수
의 관계식을 이용하여 나타나는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
청구항 1에 있어서, 상기 단면에 나타나는 상기 제1 곡면의 정점이 축방향 폭의 중앙 위치로부터 크랭크실측에 위치하는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
청구항 2에 있어서, 상기 제1 곡면과 연소실측 상측면 및 크랭크실측 하측면 사이 각각에 모따기부를 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
청구항 2에 있어서, 상기 제1 곡면과 연소실측 상측면 및 크랭크실측 하측면 사이 각각에 바깥쪽으로 볼록한 제2 및 제3의 곡면을 갖는 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단면에 나타나는 상기 제1 곡면의 정점으로부터 연소실 측단까지의 반경 방향의 후퇴량(t)이, 피스톤 링의 호칭경(d1)의 0.001% 이상 0.015% 이하인 것을 특징으로 하는 피스톤 링.
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