KR20150138371A

KR20150138371A - 마모 지시물을 갖는 피스톤 링

Info

Publication number: KR20150138371A
Application number: KR1020157031583A
Authority: KR
Inventors: 프랑크 나템; 페터 슈미트
Original assignee: 페데랄-모굴 부르샤이트 게엠베하
Priority date: 2013-04-04
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2015-12-09
Also published as: EP2981744A1; JP2016517937A; EP2981744B1; DE102013205912A1; CN105051429A; CN105051429B; WO2014161677A1; JP6340672B2

Abstract

본 발명은 마모 지시물(wear indication)(42)을 갖는 피스톤 링(2)과 관련이 있으며, 상기 피스톤 링은 외부 표면(6), 상부 링 측면(ring flank)(8) 및 하부 링 측면(10)을 갖는 피스톤 링 바디(4)를 포함하고, 이때 상기 피스톤 링 바디(4)의 외부 표면(6)에는 외부로 일정 높이(h)만큼 돌출하는 구조물(14)이 제공되어 있으며, 이때 상기 외부 표면(6)상에는 상기 돌출 구조물(14)을 덮는 마모 보호 층(12)이 설치되어 있고, 이때 상기 마모 보호 층(12)의 두께(D)는 상기 돌출 구조물(14)의 영역에서 이러한 돌출 구조물의 높이(h)만큼 감소한다.

Description

마모 지시물을 갖는 피스톤 링 {PISTON RING HAVING WEAR INDICATION}

본 발명은 피스톤 링의 외부 슬라이딩 표면에 마모 지시물(wear indication)을 갖는 상기 피스톤 링과 관계된다.

피스톤 링들은 내연 기관들의 제조 이래로 선행 기술에 충분히 공지되어 있다.

대형 내연 기관들에서 피스톤 링들의 마모는 정기적으로 시각적으로 점검되는데, 경우에 따라서는 주행면 코팅부(running surface coating)의 층 두께를 측정함으로써 점검된다. 그러나 확실한 평가는 종종 사용자에게 좁은 공간비로 인해 어렵다. 또한, 엔진 제조사들은 점점 더 많은 표준 점검 주기를 상태와 관련된 유지 조치들(maintenance measures)로 대신한다. 그럼으로써 피스톤 링을 포함한 엔진 부품들의 마모 방지가 더 강하게 저지된다.

지금까지 링들은 시각적으로 또는 층 두께 측정에 의해 평가되었다. 시각적인 평가는 주행면 코팅부의 아직 존재하는 잔여 층 두께에 대해서 거의 언급하지 않는다. 층 두께 측정에 의한 검사는 장치된 상태에서 매우 빈번히 큰 측정 오류들을 야기한다.

다른 모든 기계적인 구성 부품들과 마찬가지로 피스톤 링들도 마모된다. 그러나 지금까지는 피스톤 링을 피스톤의 피스톤 링 홈으로부터 꺼낼 필요 없이, 상기 피스톤 링의 마모를 간단하게 측정할 가능성들이 아직 존재하지 않았다.

또한, 피스톤 링의 마모를 특수한 마모 보호 층들을 이용하여 방지하는 방법이 공지되어 있다.

마모 보호 층들을 갖는 피스톤 링들은 예를 들어 EP1409896 또는 US5901963(A)에 공지되어 있다. 상기 EP1409896 및 US5901963(A)에서도 보호 마모 층들은 피스톤 링의 의도된 전체 수명에 대해 충분하게 유지되도록 설계되었다. 따라서 이와 같은 간행물들에는 피스톤 링의 발생 가능한 마모를 지시할 수 있는 마모 지시물이 제공되어 있지 않다. 그러나 피스톤 링의 마모는 의도된 관리 주기 내에 점검될 수 있다.

지금까지는 피스톤을 실린더로부터 분리하지 않고 피스톤 링의 마모를 측정하는 것이 불가능했다. 따라서 피스톤 링을 피스톤 링 홈으로부터 꺼낼 필요 없이, 혹은 피스톤 자체를 실린더 또는 엔진으로부터 분리할 필요 없이 피스톤 링의 마모도를 측정할 수 있도록 하는 상기 피스톤 링을 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같은 문제들 그리고 선행 기술의 추가 문제들은 청구항 1의 특징들을 갖는 피스톤 링에 의해 그리고 청구항 16의 특징들을 갖는 방법에 의해 해결되고, 이때 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 공개되어 있다.

본 발명의 제1 특징에 따르면, 마모 지시물을 포함하는 피스톤 링이 제공된다. 상기 피스톤 링은 외부 표면을 포함한다. 피스톤 링의 상기 외부 표면에는 외부로 특정 높이(h)만큼 돌출하는 구조물이 제공되어 있다. 상기 외부 표면상에는 상기 돌출 구조물을 덮는 마모 보호 층이 설치되어 있고, 이때 상기 마모 보호 층의 두께는 상기 돌출 구조물의 영역에서 이러한 돌출 구조물의 높이(h)만큼 감소한다. 상기 마모 보호 층의 두께는 상기 돌출 구조물의 높이보다 크거나 적어도 동일하다. 또한, 내부 표면 및 통상의 링 정지부가 제공될 수 있다. 마모 보호 층의 마모가 증가함에 따라 그 두께는 상기 돌출 구조물이 상기 마모 보호 층 아래에서 보일 때까지 감소한다.

본 발명은 특히, 주행면이 코팅 공정 이후에 추가 가공되는 경우에 코팅된 링들과 관련이 있다. 링 제조시 코팅 공정 이전에 주행면 프로파일 상에 예컨대 마모 지시 웨지(wear indication wedge)가 꼭지점에서 돌려 넣어지거나 제공된다. 엔진 작동시 주행면의 코팅부는 상기 마모 지시 웨지가 노출될 때까지 마모된다. 점검시 사용자는 마모 지시 웨지의 존재 여부를 쉽게 검출할 수 있고, 이와 같은 방식으로 링의 잔여 층 두께를 추론할 수 있다. 상기 마모 지시 웨지의 노출은 주행면 코팅부의 완전한 마모보다 엔진의 주행에 있어 현저히 더 작은 문제이다. 본 발명은 정기적으로 링의 마모가 점검되는 모든 곳에서 적용될 수 있다. 본 발명은 특히 2-행정-산업용 엔진들과 관련이 있는데, 그 이유는 피스톤의 분리 없이 상기 산업용 엔진들의 피스톤 링의 외부면을 관찰할 수 있기 때문이다. 그러나 본 발명은 4-행정 기관들 또는 압축기들에서도 적용될 수 있다.

피스톤 링의 예시적인 일 실시예에서, 외부로 특정 높이만큼 돌출하는 구조물은 피스톤 링 바디를 형성하는 재료와는 다른 재료를 포함한다. 이와 같은 실시예에서 상기 돌출 구조물을 코팅 공정에 의해 간단히 설치하는데, 이는 구조물을 피스톤 링 바디로부터 기계 가공하는 것보다 간단하다.

피스톤 링의 예시적인 추가 실시예에서, 외부로 특정 높이(h)만큼 돌출하는 구조물은 마모 보호 층의 기계적 특성들에 상응하는 기계적 특성들을 갖는 재료를 포함한다. 그럼으로써 마모 지시물은 부정적인 영향들이 야기될 염려 없이 마모 보호 층 내로 통합될 수 있다. 돌출 구조물이 마모 보호 층과 유사한 기계적 재료 특성들을 갖고, 그에 상응하게 상기 마모 보호 층과 우수하게 결합할 수 있는 경우, 상기 돌출 구조물 또는 마모 지시물은 더 적은 단점들을 나타내게 된다.

피스톤 링의 또 하나의 예시적인 실시예에서, 돌출 구조물의 재료는 마모 보호 층의 재료와는 다른 색상을 갖는다. 이와 같은 색상 차이는, 상기 돌출 구조물 또는 마모 지시물이 피스톤 링의 마모된 표면에서 검출될 수 있는지 또는 검출될 수 없는지를 특히 간단하게 확인할 수 있도록 한다. 따라서 단지 구조적인 차이만을 관찰할 필요가 없다. 이와 같은 방법은 돌출 구조물이 피스톤 링 바디와 동일한 재료로 형성되었는지 또는 제3의 재료를 포함하는지 여부와는 무관하다.

피스톤 링의 또 하나의 예시적인 실시예에서, 마모 보호 층의 주행면은 돌출 구조물의 높이(h)보다 실질적으로 더 평탄하게 형성되었다. 이 경우, 상기 주행면의 표면 거칠기 및 마모된 주행면의 표면 거칠기는 돌출 구조물의 높이(h)보다 더 작아야 하는데, 그 이유는 그렇지 않은 경우에 마모가 정확하게 검출될 수 없기 때문이다.

피스톤 링의 예시적인 추가 실시예에서, 돌출 구조물의 높이(h)는 마모 보호 층의 두께(D)의 1/5보다 작고, 바람직하게는 1/8보다 작으며, 그리고 더 바람직하게는 1/10보다 작다. 돌출 구조물의 높이(h)가 두께(D)의 대략 1/2에 상응하는 경우, 마모 지시물은 보호 층의 마모 진행을 관찰하는데 사용될 수 있다. 돌출 구조물의 높이(h)가 두께(D)의 대략 1/5에 상응하는 경우, 마모 지시물은 마모를 조기에 지시하는데 사용될 수 있고, 이 경우 피스톤 링은 추가로 사용될 수 있다. 그럼으로써 조기 대체가 가능하고, 피스톤 링은 다음 관리 주기에 장치될 수 있다. 돌출 구조물의 높이(h)가 두께(D)의 대략 1/8에 상응하는 경우, 마모 지시물은 마모를 조기에 지시하는데 사용될 수 있고, 상기 마모 지시물은 대체 부품이 조달될 때까지 추가 사용을 가능하게 한다. 이와 같은 마모 지시물은 특히 2행정 기관들에서 바람직한데, 그 이유는 상기 2행정 기관에서는 피스톤의 분리 없이 피스톤 링들을 실린더 내 제어 슬릿(control slit)을 통해 관찰할 수 있기 때문이다. 돌출 구조물의 높이(h)가 두께(D)의 대략 1/10 미만일 경우, 마모 지시물은 피스톤 링을 즉시 교체할 수 있도록 오로지 지시 및 경고의 기능만을 할 수 있는데, 그 이유는 추가 작동이 바람직하지 않기 때문이다.

피스톤 링의 또 하나의 예시적인 실시예에서, 돌출 구조물의 폭(B)은 이러한 돌출 구조물의 높이(h)보다 10배, 바람직하게는 50배, 그리고 더 바람직하게는 70배 더 크다. 상기 돌출 구조물 또는 마모 지시물은 문제없이 검출될 수 있어야 한다. 그에 따라 돌출 구조물의 폭은 적어도 0.1mm이어야 한다. 이와 같은 폭은 예컨대 앞서 언급된 치수 비율에서 0.03mm의 전형적인 돌출 구조물의 높이가 주어질 때 가능하다.

피스톤 링의 또 하나의 예시적인 추가 실시예에서, 돌출 구조물은 외부 표면으로부터 외부를 향하여 좁아진다. 그에 따라 마모 지시물은 마모도에 대한 정보 또한 지시할 수 있다. 돌출 구조물들이 마모 보호 층의 마모된 표면에서 넓게 나타나면 넓게 나타날수록, 상기 마모 보호 층의 남아 있는 잔여 두께는 더 작다.

피스톤 링의 예시적인 추가 실시예에서, 돌출 구조물의 높이(h)는 0.01mm 내지 0.1mm이다. 바람직하게는 돌출 구조물의 높이(h)가 0.02mm 내지 0.06mm이다. 더 바람직하게는 돌출 구조물의 높이(h)가 0.03mm 내지 0.04mm이다. 이와 같은 치수들은 각각의 적용 목적에 의존하며, 이때 더 큰 값들은 대형 엔진들에 더 적합하고 더 작은 값들은 더 작은 엔진들에서 적용될 수 있다.

피스톤 링의 또 하나의 예시적인 실시예에서, 돌출 구조물의 폭(B)은 0.1mm 내지 5mm이다. 바람직하게는 돌출 구조물의 폭(B)이 0.5mm 내지 3mm이다. 더 바람직하게는 돌출 구조물의 폭(B)이 1mm 내지 2mm이다. 피스톤 링의 예시적인 추가 실시에에서, 돌출 구조물의 폭(B)은 0.04mm 내지 0.08mm이다. 이와 같이 작은 돌출 구조물은 단지 확대경 또는 현미경과 같은 상응하는 광학 장치에 의해서만 검출될 수 있다. 작은 돌출 구조물들의 장점은 마모 보호 코팅부에 대하여 마모 지시물이 더 적은 영향을 미친다는 사실에서 드러난다. 이와 같이 얇은 돌출 구조물들 또는 마모 지시물들은 이러한 마모 지시물을 더 우수하게 식별할 수 있기 위해, 높은 길이로 또는 규정된 패턴을 갖고 설치되어야 한다.

피스톤 링의 또 하나의 예시적인 추가 실시예에서, 마모되지 않은 상태에서 마모 보호 층의 두께(D)는 0.1mm 내지 1mm이다. 바람직하게 마모 보호 층의 두께(D)는 0.2mm 내지 0.6mm이다. 더 바람직하게 마모 보호 층의 두께(D)는 0.3mm 내지 0.4mm이다. 특수한 적용례들에서 마모 보호 층들의 추가적인 두께가 주어질 수 있다.

피스톤 링의 예시적인 추가 실시예에서, 돌출 구조물은 계단형이다. 계단형 구조물은 예를 들어 가시적인 구조물의 폭을 이용하여 마모 보호 층이 얼마나 멀리까지 마모되었는지 검출할 수 있도록 한다.

피스톤 링의 또 하나의 예시적인 실시예에서, 돌출 구조물은 모스 부호 또는 문자를 형성한다. 마모 보호 층의 남아 있는 잔여 두께의 수치를 지시하기 위한 숫자 및 단위들이 제공될 수도 있는데, 이때 각각의 숫자는 상이한 높이의 구조물들을 형성하며, 이 경우 각각 노출된 가장 작은 숫자는 남아 있는 잔여 두께를 지시한다. 또한, 모스 부호는 매우 작은 치수를 갖는다는 장점이 있다. 돌출 구조물이 작은 치수를 갖는 경우, 돌출 구조물들이 마모 보호 층의 표면에서 노출되어 있는 경우에도 상기 마모 보호 층은 대체로 손상되지 않는다. 마모 보호 층 내에 단지 작은 또는 점형의 파열부들을 갖는 상기 마모 보호 층은 예를 들어 순환하는 선보다 더 적게 손상된다.

피스톤 링의 예시적인 추가 실시예에서, 마모 보호 층은 일측에서 또는 양측에서 챔버화 되었고(chambered), 더 바람직하게는 돌출 구조물이 챔버링(chambering)의 경계에 배치되어 있다. 마모 보호 층이 일측에서 또는 양측에서 챔버화 된 경우, 이와 같은 마모 보호 층은 피스톤 링의 가장자리까지 진행하지 않는다. 마모 보호 층이 일측에서 챔버화 된 경우, 이와 같은 마모 보호 층은 피스톤 링의 일 가장자리에서 피스톤 링 바디의 재료에 의해 형성되는 가장자리 직전까지 진행한다. 마모 보호 층이 양측에서 챔버화 된 경우, 이와 같은 마모 보호 층은 피스톤 링 바디에서 둘레 방향으로 진행하는 홈 내로 삽입된다.

주행면의 평탄화 공정 이후에 마모 보호 층은 상기 주행면의 상부 또는 하부 가장자리 앞에서 종료한다. 챔버링의 가장자리가 계단형으로 형성된 경우, 상기 챔버링의 폭을 이용하여 마모 보호 층이 이미 얼마나 멀리까지 마모되었는지 간단하게 확인할 수 있다.

피스톤 링의 또 하나의 예시적인 추가 실시예에서, 돌출 구조물의 재료는 마모 보호 층의 재료와는 다른 색상을 갖는다. 이와 같은 특징은 마모도를 확인하는 것을 현저히 수월하게 한다. 특수한 일 실시예에서, 돌출 구조물들은 마모 보호 층들의 제1 재료로부터 제조되며, 이 경우 다른 색상을 갖는 제2 마모 보호 층이 상기 돌출 구조물들 상에 설치된다. 이와 같은 방식으로 전체적으로 매립된 마모 지시물을 갖는 마모 보호 층이 평탄한 외부 표면을 갖는 피스톤 링 상에 설치될 수 있다.

본 발명의 추가 일 특징에 따르면, 마모 지시물을 갖는 피스톤 링의 제조 방법이 제공된다. 상기 방법에서 외부 표면을 포함하는 피스톤 링 바디 또는 피스톤 링 블랭크가 제공된다. 다음 단계에서 피스톤 링 바디의 상기 외부 표면에는 외부로 높이(h)만큼 돌출하는 구조물이 제공된다. 이 경우, 상기 높이(h)는 외부 표면으로부터 돌출 구조물의 최고 융기부까지로 측정된다. 추가 단계에서 마모 보호 층이 상기 외부 표면상에 설치되고, 이 경우 돌출 구조물은 덮인다. 추후에 상기 마모 보호 층은 적어도 이러한 마모 보호 층이 상기 돌출 구조물을 덮는 영역에서 평탄화된다. 완성된 피스톤 링에서 마모 보호 층의 두께는 돌출 구조물의 영역에서 이러한 돌출 구조물의 높이(h)만큼 감소한다.

피스톤 링 바디 또는 피스톤 링 블랭크는 통상적으로 상부 링 측면(ring flank) 및 하부 링 측면, 그리고 내부 표면 및 링 정지부도 포함한다.

피스톤 링 바디의 외부 표면에는 에칭(etching) 또는 포토 에칭(photo etching)에 의해 외부로 높이(h)만큼 돌출하는 구조물이 제공될 수 있다. 피스톤 링 바디의 외부 표면에는 밀링(milling), 터닝(turning) 또는 연마(polishing)에 의해 외부로 높이(h)만큼 돌출하는 구조물이 제공될 수 있다. 피스톤 링 바디의 외부 표면에는 코팅 공정에 의해 외부로 높이(h)만큼 돌출하는 구조물이 제공될 수 있다. 피스톤 링 바디의 외부 표면에는 반도체 기술 분야에서 공지된 바와 같이 와이어 본딩(wire bonding)에 의해 돌출 구조물이 제공될 수 있다.

다음에서 본 발명은 더 나은 이해를 위해 다음의 도면들에 의해서 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 피스톤 링의 기본적인 실시예를 단면도로 나타내고,
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 새로운 피스톤 링의 부분-단면도 및 부분-단면도의 확대 상세도를 나타내며,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 마모된 피스톤 링의 부분-단면도 및 부분-단면도의 확대 상세도를 나타내고,
도 4a 및 도 4b는 돌출 구조물들의 개략적인 구조 또는 마모 지시물들의 배치에 대한 상세도를 나타낸다.

도면들 및 설명 내용에서 동일한 도면 부호는 동일한 또는 유사한 구성 부품들 또는 소자들을 위해 사용된다. 소수의 실시예들이 정확한 척도로 나타날 수 있지만, 모든 도면들은 각각의 실시예들을 단지 개략적으로만 도시한다. 도시 내용들은 더 명확하게 보여줄 목적으로 부분적으로 강하게 왜곡될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 피스톤 링의 기본적인 실시예를 단면도로 나타낸다. 피스톤 링(2)에는 마모 지시물(42)이 제공되어 있다. 상기 피스톤 링(2)은 외부 표면(6), 상부 링 측면(8) 및 하부 링 측면(10)을 갖는 피스톤 링 바디 또는 피스톤 링 블랭크(4)를 포함한다. 피스톤 링 바디(4)의 상기 외부 표면(6)에는 외부로 높이(h)만큼 돌출하는 구조물(14)이 제공된다. 상기 구조물은 거의 정확한 척도로 도시되어 있기 때문에, 예컨대 0.03mm인 높이(h)는 도 1에서 거의 알아볼 수 없다. 상기 마모 지시물(42)의 폭은 B로 표시되어 있고, 본 도면에서 0.1mm 내지 0.3mm이다. 상기 외부 표면(6)상에는 마모 보호 층(12)이 설치되어 있고, 상기 마모 보호 층은 마모 지시물(42)의 돌출 구조물(14)을 덮는다. 상기 마모 보호 층(12)은 대략 0.3mm의 두께(D)를 갖고, 상기 두께는 돌출 구조물(14)의 영역에서 이러한 돌출 구조물의 높이(h)만큼 감소하였다. 주행면(16) 및 그에 따라 마모 보호 층(12)의 마모가 진행함에 따라 상기 돌출 구조물(14)은 점차 드러난다. 상기 돌출 구조물(14)이 주행면(16)에서 보이는 즉시, 이와 같은 돌출 구조물은 마모 보호 층의 남아 있는 잔여 두께가 최대 높이(h)에 상응하고, 피스톤 장치의 안전한 작동을 보장하기에 더 이상 충분하지 않거나 빠른 시간 안에 더 이상 충분하지 않다는 사실을 지시한다.

도 2a는 도 1의 피스톤 링의 부분-단면도이고, 이 경우 오로지 주행면 아랫부분만이 도시되어 있다. 피스톤 링 바디(4)는 주행면(16)이 위로 향하도록 놓여있다. 피스톤 링 바디(4)의 외부 가장자리(6) 상에 마모 보호 층(12)이 설치되어 있다. 상부 링 측면(8)은 우측으로 향하고 하부 링 측면(10)은 좌측에 도시되어 있다. 피스톤 링(2)의 외부 표면에는 돌출 구조물(14)이 제공되어 있고, 상기 구조물은 도 2a의 좌측 절반의 중심에서 확인할 수 있다. 마모 보호 층(12)은 돌출 구조물의 프로파일을 따르지 않고 상기 돌출 구조물(14) 위로 평탄하게 진행하고, 그 결과 상기 마모 보호 층(12)의 두께는 돌출 구조물(14)의 영역에서 감소한다.

도 2b는 도 2a의 부분-단면도의 확대 상세도를 나타낸다. 도 2b에는 특히, 치수들(h, D 및 B)이 도시되어 있다. 실제의 높이 치수들을 명확하게 보여줄 목적으로 돌출 구조물(14)의 높이(h)는 0.03mm로 제공되어 있다. 마모 보호 층(12)의 두께(D)는 0.30mm로 제공되어 있다. 구조물(14)의 폭은 0.1mm 내지 0.60mm일 수 있다. 구조물(14)의 폭은 0.01mm 내지 0.06mm일 수도 있는데, 이 경우 링의 마모는 단지 현미경에 의해서만 진단될 수 있다. 0.01mm 내지 0.06mm인 구조물(14)의 작은 폭은 마모 보호 층(12)의 안정성에 대해 더 적은 영향을 미친다. 도 2b에서 마모 보호 층(12)이 돌출 구조물(14) 위로 평탄하게 진행하는 것을 확인할 수 있다. 상기 마모 보호 층(12)의 두께는 돌출 구조물(14)의 영역에서 감소한다. 치수들에서 알 수 있는 바와 같이, 도시 내용은 개략적이며 척도에 정확하지 않다.

도 3a는 도 2a의 마모된 피스톤 링의 부분-단면도이다. 주행면(16)은 돌출 구조물(14)의 피크(peak)가 상기 주행면(16)에 접하도록 제거되어 있다. 주행면의 두께(D)는 돌출 구조물(14)의 높이(h)에 상응한다.

도 3b는 도 3a의 부분-단면도의 확대 상세도를 나타낸다. 도 3b에는 특히 치수들(h 및 B)이 도시되어 있다. 실제의 높이 치수들을 명확하게 보여줄 목적으로 돌출 구조물(14)의 높이(h)는 0.03mm로 제공되어 있다. 마모 보호 층(12)의 두께는 높이에 상응하며, 그에 따라 마찬가지로 0.03mm이다. 도 3b에서 마모 보호 층(12)이 돌출 구조물(14)까지 평탄하게 제거된 것을 확인할 수 있다. 본 도면에서 돌출 구조물(14)은 피스톤 링 바디(4) 내로 돌려 넣은, 주변을 둘러싸는 링으로 형성되어 있다. 그에 따라 돌출 구조물(14)은 마모된 주행면(16) 상에서 관통하는 선으로 나타난다. 본 도면에서도 도시 내용은 개략적이며 척도에 정확하지 않다.

도 4a 및 도 4b는 돌출 구조물의 개략적인 구조 또는 마모 지시물들의 배치에 대한 상세도를 나타낸다.

도 4a는 다수의 마모 지시물(42)을 갖는 본 발명에 따른 피스톤 링(2)의 마모된 주행면에 대한 부분-평면도이다. 마모 보호 층(12)은 에지에서 상부 링 측면에 대하여 챔버화 되어 있다. 챔버링(46)은 피스톤 링 재료로 이루어진 링을 나타내고, 상기 링에는 마모 보호 층이 인접하여 설치되었다. 본 도면에서 상기 챔버링(46)에는 계단들이 제공되어 있고, 상기 계단들은 마모되지 않은 마모 보호 층(12)에서 덮여 있다. 그러나 마모에 의해 상기 마모 보호 층(12)은 챔버링(46)의 계단들이 마모 지시물(42)로서 보일 때까지 제거된다.

상부 챔버링(46) 아래에서 마모된 마모 보호 층(12)을 통해 모스 부호 형태의 돌출 구조물(14)을 볼 수 있다. 모스 부호에 의해 정확하고 간단하게 잔여 두께 또는 높이가 부호화될 수 있음으로써, 결과적으로 관찰자는 바로 남아 있는 잔여 두께를 확인할 수 있다. 모스 부호의 추가 장점은, 상기 모스 부호가 마모 보호 층(12)을 연속적으로 파열하는 것이 아니라, 오히려 마모 보호 층(12)의 짧은 파열부만을 나타낸다는 것이다. 따라서 마모 보호 층이 마모된 경우에도 마모 보호 층(12)의 기능은 현저하게 저지되지 않는다는 사실을 추정할 수 있다. 모스 부호는 "리플레이스(replace)" 또는 "대체", 혹은 "마모 경계 도달"과 같은 단어들을 부호화할 수 있다.

도 4a에서 구조물(44)은 계단형의 돌출 구조물(14)을 나타내며, 이 경우 4개의 계단을 확인할 수 있다. 상응하는 구조물은 도 4b를 참조하여 더 상세하게 설명된다. 14/4로 표시된 마모 지시물(42)은 마모 보호 층(12)의 남아 있는 잔여 두께를 그래픽에 의해 나타내기 위해 막대 도형을 사용한다. 이 경우에도 상응하는 구조물은 도 4b를 참조하여 더 상세하게 설명된다. 구조물(44 및 14/4)들과 관련하여 도 4b가 언급되는데, 이 경우 이와 같은 구조물들은 도 4b의 마모 보호 층(12)이 파선까지 제거된 것처럼 나타나 있다.

도 4b는 돌출 구조물의 개략적인 구조를 도 4a의 선 S-S을 따라 절단한 상세-단면도로 나타낸다.

피스톤 링(2), 자체 외부 표면(6)을 갖는 피스톤 링 바디(4) 및 주행면(16)을 갖는 마모 보호 층(12)은 이미 다른 도면들에서 공지되어 있다.

도 4b의 구조물(44)은 계단형의 돌출 구조물(14)을 나타내며, 상기 구조물은 피스톤 링 바디(4) 또는 마모 보호 층(12)과는 다른 재료를 포함한다. 재료(44)로 이루어진 상기 구조물(14)은 상이한 방법에 의해 설치될 수 있다. 재료(44)로 이루어진 상기 구조물(14)은 직사각형 또는 정사각형의 기둥들로 이루어져 있고, 상기 기둥들은 높이의 단계적 변화를 갖는다. 그에 따라 당업자는 주행면(16) 표면에서 나타나는 구조물들의 개수 및 배치로부터 마모 보호 층(12)의 가능한 잔여 두께를 검출할 수 있다. 마모 보호 층(12)의 두께(D)의 절반에서는 우선 2개의 정사각형이 나타난다. 마모가 진행함에 따라 우선 2개의 추가 정사각형이 주행면에 나타난다. 마모가 계속 진행함에 따라 상기 정사각형들 사이의 간격도 연속적으로 채워진다. 이와 같은 구조물은 좁은 간격으로 피스톤 링의 전체 둘레에 걸쳐서 제공될 수 있고, 이는 2행정 기관들에서 바람직하다. 4행정 기관들에서는, 어느 위치에서 가장 큰 마모가 예상되는지에 따라서 이와 같은 구조물을 단지 링 후면 및/또는 링 정지부에 제공하는 것으로 충분할 수 있다.

도 4b의 구조물(14/4)은 비스듬한 구조물을 나타내며, 상기 구조물은 피스톤 링 바디(4)의 재료로부터 가공되었다. 상기 구조물(14/4)은 2개의 경사진 소자를 포함하고, 상기 소자들로부터 선형의 높이/폭-비 또는 높이/간격-비가 주어진다. 그에 따라 당업자는 주행면(16) 표면에서 나타나는 구조물들의 전체 폭 및 간격으로부터 마모 보호 층(12)의 가능한 잔여 두께를 확인할 수 있다. 마모 보호 층(12)의 두께(D)의 절반에서는 우선 폭(B)으로 2개의 좁은 직사각형이 나타난다. 마모가 계속 진행함에 따라 상기 2개의 직사각형이 길어지고, 이 경우 상기 직사각형들의 간격은 줄어든다. 마모가 계속 진행함에 따라 상기 간격은 상기 2개의 직사각형이 단 하나의 직사각형으로 융합될 때까지 점점 더 감소한다. 상기 직사각형들 사이의 간격에 대한 구조물의 전체 길이(L)의 비율로부터 당업자는 마모 보호 층(12)의 남아 있는 잔여 두께를 확인할 수 있다. 구조물(12/4) 또한 좁은 간격으로 피스톤 링의 전체 둘레에 걸쳐서 제공될 수 있고, 이는 2행정 기관들에서 바람직하다. 4행정 기관들에서는 이와 같은 구조물을 단지 링 후면 또는 링 정지부에 제공하는 것으로 충분할 수 있는데, 그 이유는 이와 같은 엔진 타입에서 피스톤 링을 평가하기 위해 피스톤을 실린더로부터 꺼내야 하기 때문이다.

구조물(44/14 또는 14/4)들이 둘레 방향으로 피스톤 링 바디의 외부면 상에도 설치될 수 있다는 사실은 명백하다.

본 발명은 특히, 주행면이 코팅 공정 이후에 추가 가공되는 경우에 코팅된 링들과 관련이 있다. 링 제조시 코팅 공정 이전에 주행면의 프로파일 상에서 예컨대 마모 지시 웨지 또는 다른 돌출 구조물이 꼭지점에 제공된다. 엔진 작동시 주행면의 코팅부는 상기 마모 지시 웨지 또는 상기 다른 구조물이 노출될 때까지 마모된다. 점검시 사용자는 상기 마모 지시 웨지 또는 상기 다른 구조물의 존재 여부를 쉽게 검출할 수 있고, 이와 같은 방식으로 링의 잔여 층 두께를 추론할 수 있다. 상기 마모 지시 웨지의 노출은 주행면 코팅부의 완전한 마모보다 엔진의 주행에 있어 현저히 더 작은 문제이다. 본 발명은 정기적으로 링의 마모가 점검되는 모든 곳에서 적용될 수 있다. 본 발명은 특히 2-행정-산업용 엔진들과 관련이 있지만, 4-행정 기관들 또는 압축기들에서도 적용될 수 있다.

사용자는 주행면의 코팅부가 최종적으로 마모되기 이전에 적시에 링의 잔여 주행 시간을 검출할 수 있고, 이와 같은 방식으로 위험한 엔진 상태를 완전히 방지할 수 있다.

(피스톤 링과 관련하여) 실질적인 마모와 결부된 엔진의 유지 전제 조건은 마모 지시물들에 의해 일차적으로 충족되거나 적어도 현저히 간편화된다.

도면은 오로지 예시적인 실시예들을 나타낸다. 본 출원서를 불필요하게 길게 기술하지 않기 위해, 실시예들의 다수의 상이한 도시 내용이 생략되었다. 그러나 도면들에 도시된 본 발명의 실시예들의 특징들의 조합으로부터 주어지는 특징들의 다양한 조합들도 마찬가지로 공개된 것으로 간주해야 한다는 사실은 명백하다. 따라서, 예를 들어 상이한 돌출 구조물들을 상이한 재료들과 조합하는 것도 이와 같은 설명 내용의 범주 내에서 공개된 것으로 간주해야 한다. 또한, 상이한 돌출 구조물들을 상이한 방향으로 배치하는 것도 공개된 것으로 간주해야 한다.

2 피스톤 링
4 피스톤 링 바디
6 외부 표면
8 상부 링 측면
10 하부 링 측면
12 마모 보호 층
14 돌출 구조물
16 주행면
42 마모 지시물
44 돌출 구조물(14)의 재료
46 마모 지시물(42)을 갖는 챔버링
h 돌출 구조물(14)의 높이
D 마모 보호 층(12)의 두께
B 돌출 구조물(14)의 폭
L 돌출 구조물(14)의 길이
S-S 절단선

Claims

마모 지시물(wear indication)(42)을 갖는 피스톤 링(2)으로서,
외부 표면(6)을 갖는 피스톤 링 바디(4)를 포함하고, 이때 피스톤 링 바디(4)의 상기 외부 표면(6)에는 외부로 높이(h)만큼 돌출하는 구조물(14)이 제공되어 있고,
이 경우 상기 외부 표면(6)상에 상기 돌출 구조물(14)을 덮는 마모 보호 층(12)이 설치되어 있으며,
이때 상기 마모 보호 층(12)의 두께(D)는 상기 돌출 구조물(14)의 영역에서 이러한 돌출 구조물의 높이(h)만큼 감소한,
마모 지시물을 갖는 피스톤 링.
제1 항에 있어서,
상기 외부로 높이(h)만큼 돌출하는 구조물(14)은 상기 피스톤 링 바디(4)를 형성하는 재료와는 다른 재료(44)를 포함하는,
마모 지시물을 갖는 피스톤 링.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 외부로 높이(h)만큼 돌출하는 구조물(14)은 상기 마모 보호 층(12)의 기계적 특성들에 상응하는 기계적 특성들을 갖는 재료를 포함하는,
마모 지시물을 갖는 피스톤 링.
제3 항에 있어서,
상기 돌출 구조물(14)의 재료는 상기 마모 보호 층(12)의 재료와는 다른 색상을 갖는,
마모 지시물을 갖는 피스톤 링.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마모 보호 층(12)의 주행면(16)은 상기 돌출 구조물(14)의 높이(h)보다 실질적으로 더 평탄하게 형성되어 있는,
마모 지시물을 갖는 피스톤 링.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 높이(h)는 상기 두께(D)의 1/5보다 작고, 바람직하게는 1/8보다 작으며 그리고 더 바람직하게는 1/10보다 작은,
마모 지시물을 갖는 피스톤 링.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 돌출 구조물의 폭(B)은 상기 높이(h)보다 10배, 바람직하게는 50배 그리고 더 바람직하게는 70배 더 큰,
마모 지시물을 갖는 피스톤 링.
제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 돌출 구조물은 상기 외부 표면(6)으로부터 외부로 좁아지는,
마모 지시물을 갖는 피스톤 링.
제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 높이(h)는 0.01mm 내지 0.1mm, 바람직하게는 0.02mm 내지 0.06mm 그리고 더 바람직하게는 0.03mm 내지 0.04mm인,
마모 지시물을 갖는 피스톤 링.
제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
일 폭(B)은 0.1mm 내지 5mm, 바람직하게는 0.5mm 내지 3mm 그리고 더 바람직하게는 1mm 내지 2mm인,
마모 지시물을 갖는 피스톤 링.
제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
일 두께(D)는 0.1mm 내지 1mm, 바람직하게는 0.2mm 내지 0.6mm 그리고 더 바람직하게는 0.3 내지 0.4mm인,
마모 지시물을 갖는 피스톤 링.
제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 돌출 구조물(14)은 계단형인,
마모 지시물을 갖는 피스톤 링.
제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 돌출 구조물(14)은 모스 부호 또는 문자를 형성하는,
마모 지시물을 갖는 피스톤 링.
제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마모 보호 층(12)은 일측에서 또는 양측에서 챔버링(chambering)(46)에 의해 챔버화 되었고(chambered), 이 경우 상기 돌출 구조물(14)은 상기 챔버링(46)의 경계에 배치되어 있는,
마모 지시물을 갖는 피스톤 링.
제1 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 돌출 구조물(14)의 재료는 상기 마모 보호 층(12)의 재료와는 다른 색상을 갖는,
마모 지시물을 갖는 피스톤 링.
마모 지시물(42)을 갖는 피스톤 링(2)의 제조 방법으로서,
피스톤 링 바디(4)의 외부 표면(6)에 외부로 높이(h)만큼 돌출하는 구조물(14)을 제공하는 단계,
마모 보호 층(12)을 상기 외부 표면(6)상에 설치하는 단계로서, 이때 상기 돌출 구조물(14)을 덮는 단계,
상기 마모 보호 층(12)이 상기 돌출 구조물(14)을 덮는 영역에서 상기 마모 보호 층(12)을 평탄화하는 단계로서, 그 결과 상기 마모 보호 층(12)의 두께(D)는 상기 돌출 구조물(14)의 영역에서 이러한 돌출 구조물의 높이(h)만큼 감소하는 단계를 포함하는,
마모 지시물을 갖는 피스톤 링의 제조 방법.