KR20140038370A - 피스톤 링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피스톤 링에 관한 것으로서, 특히 압축 피스톤 링에 관한 것이며, 이것은 반경 방향 외측의 가동 표면, 반경 방향 내측의 원주 표면, 상부 측면, 하부 측면, 접합부를 포함하는 주 동체를 가지고, 가동 표면에는 적어도 하나의 원주 방향으로 형성된 요부가 제공되고, 요부는 내마모성 코팅을 수용하며, 특히 PVD 코팅을 수용하며, 주 동체의 원주 방향에서 보았을 때 접합부의 웹 가장자리들로부터 시작하여, 코팅의 외측에서 접합 어깨부는 주 동체와 일체로 형성되고, 접합부의 양측에서 정해진 원주 길이에 걸쳐 미리 결정될 수 있는 반경 방향 높이를 가지고 연장된다.

Description

피스톤 링{Piston ring}

본 발명은 피스톤 링에 관한 것이며, 특히 압축 피스톤 링에 관한 것이다.

내부 연소 엔진의 피스톤 링들, 특히 압축 피스톤 링들의 가동 표면들은 열응력 및 기계적 응력의 결과로서 링 접합 단부면들에서 특히 높은 부하를 겪는다. 일반적으로, 이는 과도한 마모를 초래하고, 잠재적으로는 열적 과부하를 초래하여 뒤이어 유착(seizing)을 가져온다. 피스톤 링에서의 그 위치는 피스톤 링의 수명과관련하여 중요한 취약 영역을 구성한다.

피스톤 링들의 가동 표면들에는 종종 경질의 코팅들이 제공된다. 그러나, 이것은 일반적으로 부분적인 현상을 방지할 수 없다. 링의 형상은 접합부 단부면들에서의 경감(relief)을 제공하기 위하여 접합부 압력을 최소화시키는 방식으로 최적화될 수 있다.

그러한 조치들의 예는 다음과 같다.

독일 특허 DE 41 40 232 C1 은 비균일의 반경 방향 압력 분포를 가지는 자체 텐션 피스톤 링을 개시한다. 피스톤 링은 공칭의 직경에서 텐션을 받을 때, α < 25°의 영역에서는 접합부 단부면들에 있는 실린더 반경에 대응하는 곡률 반경을 가진다. 곡률 반경은 링 접합부의 양측에서 β = 25°내지 35°의 각도 범위에 있는 실린더 반경보다 작아서, 접합부 단부면들에서의 반경 방향 압력 분포는 실질적으로 제로이지만, β = 25°내지 35°각도 범위에서의 평균 반경 방향 압력의 200 % 를 초과한다.

독일 출원 DE 36 12 456 A1 은 피스톤 링을 개시하는데, 여기에서 링 접합부 영역에서의 설계상의 조치들은 하부 측면부(lower flank)를 통한 압력의 균등화를 더욱 어렵게 하며, 접합부 단부면들은, 선택적으로 추가적인 스프링 요소들에 의하여 또는 분리된 스프링과 같은 구성에 의하여, 관성력에 대향하는 방향으로 하부 측면부에 대하여 가압된다.

독일 특허 DE 100 41 802 C1 은 압축 피스톤 링을 설명하는데, 이것은 링 원주에서 감소된 단면적을 가지며, 여기에서 압축 피스톤 링의 링 원주는 4 개의 4 분면(quadrant)으로 분할된다. 하나의 단부면이 제 1 사분면에 위치되고 다른 단부면이 가상의 제 4 사분면에 위치될 때, 링 접합부의 양측에서 개별의 감소된 단면적이 제 1 및 제 4 사분면에만 위치되며, 보다 상세하게는 전체 링 높이를 가로질러 보았을 때 접합부에 인접한 원주 영역에 위치되며, 다시 한번, 링 배후(ring back)의 영역에서와 같은 반경 방향 벽 두께가 접합 영역에 존재한다.

독일 특허 DE 10 2007 007 962 B3 는 피스톤 링을 개시하는데, 이것은 요부가 제공된 가동 표면을 가진 주 동체, 상부 측면 및 하부 측면, 내측 원주 표면을 구비하며, 적어도 요부에는 적어도 하나의 마모 방어층이 제공되고 PVD 상부 코팅이 가동 표면의 적어도 일부에 적용됨으로써, 마무리된 상태의 주 동체는 가장자리 영역에서만, 즉, 요부의 밖에서만 PVD 상부 코팅을 가진다.

위에 설명된 모든 조치들은 피스톤 링들에서 접합부 과부하의 현상을 완전하게 제거하는데 적절하지 않았으며, 특히 압축 피스톤 링에서 적절하지 않았다. 이것은 특히 축방향으로 아래의 링들에 적용된다.

본 발명의 목적은 작동 상태에서 접합 영역에 접합부 과부하가 존재하지 않는 피스톤 링, 특히 압축 피스톤 링을 제공함으로써, 관련된 기술과 비교하여 수명이 증가되는 피스톤 링을 구현하는 것이다.

이러한 목적은, 반경 방향 외측의 가동 표면, 반경 방향 내측의 원주 표면, 상부 측면, 하부 측면 및, 접합부를 가지는 주 동체를 포함하는, 특히 압축 피스톤 링인 피스톤 링에 의해 달성되는데, 가동 표면에는 적어도 하나의 원주 요부가 제공되고, 원주 요부는 내마모성 코팅을 수용하고, 특히 PVD 코팅을 수용하고, 주 동체의 원주 방향에서 보았을 때 접합부의 랜드 가장자리(land edges)로부터 시작하여, 랜드 어깨부(land shoulder)는 코팅 외측의 주 동체 상에서 일체로 형성되고, 접합부의 양측에서 정해진 원주 길이에 걸쳐 미리 결정 가능한 반경 방향 높이로 연장된다.

본 발명의 유리한 특징들은 종속항에 기재되어 있다.

특히 PVD 코팅의 피스톤 링들의 경우에, 보다 상세하게는 압축 피스톤 링들의 경우에, 적절한 링 디자인을 이용하여, 피스톤 링, 특히 압축 피스톤 링의 적응 기간(break-in period) 동안에 평균적인 접합 압력이 존재하도록 접합부가 설계될 수 있다. 접합부에 인접한 피스톤 링의 영역에만 제공된 랜드 어깨부(land shoulder)는 주 동체와 동일한 재료로 만들어지며, 예를 들어 주철 또는 강철로 만들어지고, 코팅의 외측에 제공된다. 더 이상의 엔진 작동중에, 상대적으로 부드러운 어깨부는 비교적 빠르게 마모되며, 이후에 피스톤 링은 그것의 지정된 마루부(crest)상에서 가동된다. 오직 이 때만 피스톤 링의 실제 링 윤곽이 달성된다. 그렇게 달성된 접합부에서의 릴리프(relief)의 결과로서, 피스톤 링의 나머지 원주상에서의 것보다 더 두껍거나 그와 동일한 오일 필름이 그 영역에서 전개될 수 있다. 향상되거나 또는 보다 균일한 윤활은 접합 영역의 열적 과부하를 방지하고, 마모를 감소시키며, 따라서 피스톤 링, 특히 압축 피스톤 링의 사용 수명을 증가시킨다.

본 발명의 주제는 예시적인 실시예에 기초하여 도면에 도시되어 있으며 다음과 같이 설명된다.

도 1 은 접합부가 제공된 피스톤 링의 평면도이다.
도 2 는 적응 단계 이전의 도 1 에 따른 요부가 제공된 피스톤 링을 통한 단면도이다.
도 3 은 도 2 에 따른 피스톤 링의 반경 방향 압력 분포를 도시한다.
도 4 는 적응 단계 이후에 도 1 에 따른 요부가 제공된 피스톤 링을 통한 단면도이다.
도 5 는 도 4 에 따른 피스톤 링의 반경 방향 압력 분포를 도시한다.

도 1 은 압축 피스톤 링으로서 설계된 피스톤 링을 도시하며, 이것은 본 발명의 실시예에서 주철(cast iron)로 만들어진 주 동체(1)를 포함한다. 주 동체(1)의 평면도는 가동 표면(2), 내측 원주 표면(3), 상부 측면(4) 및 접합부(5)를 도시한다. 접합부(5)의 단부면(6,7)들로부터 시작하여, 미리 결정될 수 있는 높이 및 정해진 원주 길이를 가지는 랜드 어깨부(land shoulder, 8, 9)는 접합부(5)의 양측에서 원주 방향으로 연장된다. 엔진에 따라서, 랜드 어깨부(8,9)는 적어도 1 내지 10 마이크로미터의 반경 방향 높이를 가지고, 45°의 최대 원주 길이에 걸쳐서 주 동체(1)의 만곡으로 천이될 수 있다. 랜드의 개별적인 높이는 엔진 유형에 따를 수 있다.

도 2 는 도 1 에 따른 주 동체(1)를 단면도로 도시한다. 가동 표면(2), 내측 원주 표면(3), 연소 챔버를 향하는 상부 측면(4) 및, 실린더 크랭크케이스를 향하는 하부 측면(4')이 도시되어 있다. 주 동체(1)에는 원주 요부(10)가 제공되어 있는데, 이것은 내마모성 코팅(11)을 수용하며, 내마모성 코팅은 이러한 예에서 PVD 층이다. 코팅(11)의 외부에는 도 1 에 도시된 개별적인 랜드 어깨부가 제공되는데, 랜드 어깨부는 여기에서 랜드 어깨부(8)이며, 이것은 주 동체(1)와 동일한 재료로 만들어진다. 도시된 바와 같이, 랜드 어깨부(8)는 미리 결정 가능한 반경 방향 높이를 가지고 코팅(11)의 위로 돌출한다. 도 2 는 그것의 적응 단계(break-in phase) 이전의 주 동체(1)를 도시한다.

도 3 은 피스톤 링의 적응 단계 이전에 주 동체(1)의 반경 방향 압력 분포를 도시한다. 접합부(5)는 여기에서 단지 시사되어 있을 뿐이며, 접합 영역에서의 반경 방향 압력 분포는 적응 단계 이전에 상대적으로 높다는 것이 명백하다.

도 4 는 적응 단계 이후에 도 1 에 따른 피스톤 링의 주 동체(1)를 도시한다. 이제 주 동체(1)의 지정된 마루부(crest)가 상세하게 도시되지 않은 대응 가동 표면상에 지탱되도록, 도 2 에 도시된 랜드 어깨부(8)가 적합화된다.

도 5 는 적응 단계 이후에 주 동체(1)의 반경 방향 압력 분포를 도시하며, 여기에서는 반경 방향의 낮은 압력 분포가 접합부(5)에서 나타나는데, 이것은 적응 단계 이전과 비교하여 단지 시사되어 있을 뿐이다. 그렇게 얻어진 접합부에서의 릴리프(relief) 때문에, 주 동체의 나머지 원주상에서의 것보다 두껍거나 또는 그와 같은 두께의 오일 박막(oil film)이 그 영역에서 형성될 수 있다. 이와 같이 향상되거나 또는 균일한 윤활의 결과로서, 접합 영역에서의 열적 과부하(thermal overload)가 방지되고 마모가 감소되며, 이는 사용 수명과 관련하여 유리하다.

엔진이 가동된 이후에, 본 발명에 따른 피스톤 링은 마모된 접합부를 나타내지 않으며, 오히려 균일한 베어링 접촉 표면을 나타내었다.

1. 주 동체 2. 가동 표면
3. 내측 원주 표면 4. 상부 측면
5. 접합부 6.7. 단부면

Claims (5)

1. 반경 방향 외측의 가동 표면(2), 반경 방향 내측의 원주 표면(3), 상부 측면(4), 하부 측면(4') 및, 접합부(5)를 가지는 주 동체(1)를 포함하는, 특히 압축 피스톤 링인 피스톤 링으로서,
   가동 표면(2)에는 적어도 하나의 원주 요부(10)가 제공되고, 원주 요부(10)는 내마모성 코팅(11)을 수용하고, 특히 PVD 코팅을 수용하고,
   주 동체(1)의 원주 방향에서 보았을 때, 랜드 어깨부(land shoulder, 8,9)는 접합부(5)의 랜드 가장자리(land edges, 6,7)로부터 시작하여, 코팅 외측의 주 동체(1) 상에 일체로 형성되고, 접합부(5)의 양측에서 정해진 원주 길이에 걸쳐 미리 결정 가능한 반경 방향 높이로 연장되는, 피스톤 링.
2. 제 1 항에 있어서,
   랜드 어깨부(8,9)는 주 동체(1)의 재료와 동일한 재료로 제조되고, 특히 주철 또는 강철로 제조되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   랜드 어깨부(8,9)의 반경 방향 높이는 1 내지 10 ㎛ 사이인 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
4. 제 1 항 내지 제 3 항의 어느 한 항에 있어서,
   개별의 접합 단부면(6,7)으로부터 시작하여, 랜드 어깨부(8,9)는 최대 45°의 원주각에 걸쳐 주 동체(1)의 만곡으로 천이되는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.
5. 제 1 항 내지 제 4 항의 어느 한 항에 있어서,
   랜드 어깨부(8,9)의 최대 반경 방향 높이는 접합 단부면 측에 있는 것을 특징으로 하는, 피스톤 링.

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