KR100444863B1

KR100444863B1 - 피스톤 링의 구조

Info

Publication number: KR100444863B1
Application number: KR10-2002-0008623A
Authority: KR
Inventors: 고갑석
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2004-08-21
Also published as: KR20030068912A

Abstract

본 발명은 기존에 3개가 장착되던 피스톤 링을 하나의 링으로 통합하고, 피스톤 링의 절개부 틈새를 제거하여 연소가스의 실링성이 개선되도록 하는 피스톤 링의 구조에 관한 것으로,

상부에 링 그루브가 하나만 형성되는 피스톤과;

원형 링 형상으로 그 일측단면 형상은 외측이 개방된 "ㅌ"자형이며, 상기한 링 그루브에 끼워지는 리테이너와;

원형 링 형상으로 상기한 리테이너의 상부홈에 끼움부의 내주연이 탄력지지되는 채로 끼워지되, 실린더 라이너 벽면에 접하게 되는 외주연의 단면형상은 최장의 지름부가 하측에 위치되고 상측으로 갈수록 그 외주의 지름이 감소되는 호형상으로 이루어지는 제1슬라이드 링과;

상기한 리테이너의 격벽을 기준으로 상기한 제1슬라이드 링과 상하로 대칭되는 상태로 상기 리테이너의 하부홈에 탄력지지되는 채로 끼워지는 제2슬라이드 링; 으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

피스톤 링의 구조{Piston ring}

본 발명은 피스톤 링의 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존에 3개가 장착되던 피스톤 링을 하나의 링으로 통합하고, 피스톤 링의 절개부 틈새를 제거하여 연소가스의 실링성이 개선되도록 하는 피스톤 링의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 피스톤 링은 연소가스를 실링하고, 실린더 벽면의 윤활유를 적정하게 긁어 내려 윤활유 소비량을 최대한 억제하며, 피스톤의 열을 실린더에 전달하는 냉각의 역할을 하게 된다.

도 6은 피스톤 링이 피스톤에 결합된 구조를 도시한 것이다. 도면에서와 같이 피스톤(10)의 상부 외주면에는 도면에서와 같이 여러 개의 링이 끼워지기 위한 링홈(11)이 형성되고, 상기한 링홈(11)에 피스톤 링(12)이 끼워진다. 상기한 피스톤 링(12)은 일측이 절개되어 틈새를 가지는 원형상으로 이루어지며, 두개의 압축링(13)과 한 개의 오일링(14)으로 이루어지는 것이 일반적이다.

이와 같은 피스톤 링(12)의 기능은 왕복 운동에 따른 섭동면과 실린더(15) 사이에 형성되는 유막에 의해 유지되며 유막의 상태는 피스톤의 속도, 피스톤 링과 실린더 사이의 면압에 의해 결정된다. 따라서 기능을 유지하고 동시에 마찰 저항을 저감하는 필요 최저한의 면압을 설정하여 그 면압에 따라 각 부의 치수를 결정할 필요가 있다.

연소가스는 압축링(13) 외주의 유막에 의해 실링된다. 그러나 절개부 틈새 및 초기 정확도 불량, 운전시의 변형, 마멸에 의한 밀착 불량 등으로 생기는 틈새에서 가스가 누설되는 것을 방지할 수는 없다. 그렇기 때문에 일반적으로 압축링(13)을 2~3개를 사용하여 블로바이가스 압력을 순차적으로 저하시켜 가스의 누설을 저감하고 있다.

오일링(14)은 압축링(13)의 기능상 필요한 양이외의 윤활유를 긁어내려 윤활유가 올라가는 것을 방지하는 역할을 하므로 그 능력을 향상시키기 위해 실린더(15)와의 접촉폭을 좁게해서 면압을 높이며 추종성을 좋게 하기 위하여 두께와 폭을 작게하여 피스톤 링(12)의 기울어짐에 의한 실린더(15)와의 틈새 확대를 억제해야 한다.

상기한 오일링(14)에는 익스팬더 붙이 일체형과 조합식이 일반적으로 사용된다. 일체형 오일링은 내구성을 중시한 저회전형 엔진에 적합하며 조합식은 윤활유 실링성이 좋고 실린더의 변형에 대한 추종성이 좋아서 고회전형 엔진에 주로 사용된다. 그런데 엔진의 피스톤(10)이 거동될 때에는 상기한 피스톤 링(12)의 거동에 상당한 영향이 전달된다.

이와 같은 피스톤 링의 요구 조건을 만족시키기 위하여 링의 폭, 두께, 절개 틈새, 장력 등 여러 설계변수들을 최적화시켜야 하며 초기 친숙성을 위하여 파커라이징(Parkerizing)처리를 하거나 내마모성 향상을 위하여 크롬 도금 혹은 질화처리 등을 하는 경우가 있다. 또한, 엔진 전체의 오일이 소모되는 양의 약 70%를 피스톤 링에서 차지하고 있기 때문에 엔진의 오일 소모를 결정하는 중요한 부품이 되기도한다.

이러한 설계 요구 조건을 충족시키기 위해서는 모든 설계 변수들의 최적화 과정이 필요한데 이를 위해서는 여러 번의 시행착오를 거치면서 최적화 실험을 수행하여야 하며, 그렇다고 해도 기밀성, 내마모성, 추종성 등 피스톤 링이 요구하는 모든 성능을 최적화시킨다는 것은 상당히 어려운 문제라고 할 수 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기존에 3개가 장착되던 피스톤 링을 하나의 링으로 통합하고, 피스톤 링의 절개부 틈새를 제거하여 연소가스의 실링성이 개선되도록 하는 피스톤 링의 구조를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로서,

상부에 링 그루브가 하나만 형성되는 피스톤과;

상기한 리테이너의 격벽을 기준으로 상기한 제1슬라이드 링과 상하로 대칭되는 상태로 상기 리테이너의 하부홈에 탄력지지되는 채로 끼워지는 제2슬라이드 링;으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 의해 형성되는 피스톤 및 피스톤 링이 장착된 상태의 도면.

도 2는 본 발명에 의해 형성된 피스톤 링이 장착된 상태를 확대도시한 도면.

도 3은 본 발명에 의해 형성되는 피스톤 링의 확대단면도.

도 4는 본 발명에 의한 판스프링의 장착상태를 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 의한 판스프링의 작동 상태도를 도시한 도면.

도 6은 종래기술을 설명하기 위한 도면.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 피스톤 21 : 링 그루브

22 : 탑 랜드부 23 : 환형돌기

24 : 결합공 25 : 실린더 라이너

30 : 피스톤 링 31 : 리테이너

32 : 격벽 34 : 상부홈

35 : 하부홈 40 : 제1슬라이드 링

42 : 제2슬라이드 링 50 : 판스프링

52 : 제1플런저 54 : 제2플런저

60 : 오일통로

이하, 본 발명의 구성 및 작동에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의해 형성되는 피스톤 및 피스톤 링이 장착된 상태의 도면이며, 도 2는 본 발명에 의해 형성된 피스톤 링이 장착된 상태를 확대도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 의해 형성되는 피스톤 링의 확대단면도이고, 도 4는 본 발명에 의한 판스프링의 장착상태를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 의한 판스프링의 작동 상태도를 도시한 도면이다.

도면 중에 표시되는 도면부호 20은 본 발명에 의해 형성되는 피스톤을 지시하는 것이고, 도면부호 30은 본 발명에 의한 피스톤 링을 지시하는 것이다.

상기한 피스톤(20)은 종래에는 링 그루브가 여러개 형성되는 것과는 달리 상부에 링 그루브(21)가 하나만 형성된다. 또한, 피스톤 제작과정에서 상기한 링 그루브(21)를 기준으로 피스톤(20)의 탑 랜드부(22)가 분리형성된다. 즉, 도면에서와 같이 피스톤(20) 몸체의 중앙 상부에 환형돌기(23)가 형성되고, 분리형성되는 탑랜드부(22)의 중앙에는 결합공(24)이 뚫려 서로 결합될 수 있게 되는 것이다.

따라서 엔진 제작과정에서 탑랜드부(22)가 탈거된 상태에서 상기 링 그루브(21)에 피스톤 링(30)을 개재시킨 다음, 상기한 탑랜드부(22)의 결합공(24)을 환형돌기(23)에 맞춰 끼우고 용접하게 되는 것이다. 상기와 같이 용접을 한 후에는 상부의 가공부위는 제거되도록 하는 것이 바람직하다.

그리고 상기한 피스톤 링(30)은 상기 링 그루브(21)에 끼워져 전체 피스톤 링의 부품을 감싸기 위한 리테이너(31)와, 상기 리테이너(31)의 상부홈(34) 및 하부홈(35)에 수용된 채 실린더 라이너(25)의 벽면에 접촉되는 제1슬라이드 링(40) 및 제2슬라이드 링(42)을 탄력지지하기 위한 판스프링(50) 등으로 구성된다.

우선, 상기한 리테이너(31)는 원형 링 형상으로 그 일측 단면형상은 외측이 개방된 "ㅌ"자 형태로 이루어진다. 상기 리테이너(31)의 상부벽(31a) 및 하부벽(31b)의 외주연부는 외측이 라운드되며, 그 내측은 단차지게 형성된다.

특히, 상기한 리테이너(31)는 그 상부홈(34) 및 하부홈(35)에 환형상으로 이루어지는 상기 제1 및 제2슬라이드 링(40,42)와 판스프링(50) 등을 끼울 수 있도록 상부벽(31a)과 하부벽(31b) 중간의 격벽(32)으로 분리 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기한 부품들을 상부홈(34)와 하부홈(35)에 끼워 넣은 다음 절개부를 용접한 다음에 용접부를 가공하여 비드를 제거하게 되는 것이다.

또한, 상기한 리테이너(31)의 상부홈(34) 및 하부홈(35)에는 각각 상기한 제1슬라이드 링(40) 및 제2슬라이드 링(42)이 수용되는데, 상기한 슬라이드 링(40,42)은 각각 환형의 판스프링(50)에 의해서 탄력지지되어진다.

즉, 상기한 리테이너(31)의 상부홈(34) 및 하부홈(35)에 환형의 판스프링(50)이 형성되어, 상기한 슬라이드 링(40,42)을 실린더 라이너(25) 벽면과 부딪치는 과정에서 전달되는 힘을 완충하게 되는 것이다.

특히, 상기한 판스프링(50)은 일정 피치를 가지는 사인곡선이 연속되는 환형상으로 구성된다. 그리고 상기한 판스프링(50)의 외측에는 상기한 피스톤(20)의 거동과 상응되어 탄력작용되는 판스프링(50)을 지지하기 위한 제1플런저(52)가 형성되고, 상기 판스프링(50)의 내측에는 제2플런저(54)가 상기한 리테이너(31)의 상부홈(34) 및 하부홈(35)에 형성된다.

그리고 상기한 제1슬라이드 링(40)은 원형 링 형상으로 실린더 라이너(25) 벽면에 접하게 되는데, 그 단면형상은 최장의 지름부가 하측에 위치되고 상측으로 갈수록 그 외주의 지름이 감소되는 호형상을 가지며, 그 내측은 단차져 외주연 측보다 두께가 얇은 끼움부(41)가 형성된다. 즉, 상기 제1슬라이드 링(40)의 끼움부(41)는 상기 리테이너(31)의 상부홈(34)에 끼워지게 되는 것이다.

한편, 제2슬라이드 링(42)은 상기 제 1슬라이드 링(40)이 리테이너(31)의 격벽(32)을 기준으로 대칭 형성된다.

그리고 상기한 리테이너(31)의 하부벽(31b) 도중과 피스톤(20) 본체의 도중에는 상기한 하부홈(35)가 크랭크 케이스가 서로 연통되도록 이어지는 오일 통로(60)가 형성된다.

상기와 같이 형성되는 본 발명의 작동을 설명하면 다음과 같다.

엔진이 시동되어 피스톤(20)이 상하로 거동될 때 상기한 피스톤 링(30)은 지름방향으로 자유운동이 이루어지고, 탄성이 크게 향상된다.

즉, 상기한 제1슬라이드 링(40) 및 제2슬라이드 링(42)이 실린더 라이너(25) 벽면에 부딪치는 과정에서 전달되는 힘이 상기한 판스프링(50)에 의해서 완충되는 것이다.

특히, 상기한 판스프링(50)은 도 5에서와 같이 피스톤(20) 거동시 측면으로힘이 전달되면 제1플런저(52)는 상기한 판스프링(50)의 가압하게 되고, 그에 따라 상기한 판스프링(50)은 일측으로 힘을 완충하게 되는 것이다.

즉, 제1슬라이드 링(40) 및 제2슬라이드 링(42)이 실린더 라이너(25)에 밀착된 상태에서 피스톤(20)의 상하왕복운동에 따라 실린더 라이너(25)와 피스톤(20)과의 간극, 피스톤 링(30)과 링 그루브(21)와의 간극 등에 예측할 수 없는 형태로 피스톤 링(30)은 운동을 하게 되면 매 순간마다 피스톤 링(30)의 운동상태는 변화하게 된다. 이럴 때마다 리테이너(31) 내의 판스프링(50)의 탄성에 의해 제1플런저(52)가 좌우로 이동하게 되고, 이 제1플런저(52)에 의해 제1슬라이드 링(40)과 제2슬라이드 링(42)이 서로 다른 형태의 상대운동을 하게 된다.

실린더 라이너(25)와의 간극이 커지면 간극이 작아지는 방향으로, 실린더 라이너(25)와의 간극이 작아지면 간극을 크게 하는 방향으로 제1슬라이드 링(40)과 제2슬라이드 링(42)이 서로 다르게 이동하게 된다. 이렇게 되므로서 피스톤(20) 및 피스톤 링(30)의 운동 상태에 따라 제1슬라이드 링(40)과 제2슬라이드 링(42)이 서로 다른 형태로 상대운동을 하여 추종성, 기밀성, 내마모성이 향상되며, 또한 제1슬라이드 링(40)과 제2슬라이드 링(42)의 운동에 의해 긁어 내리는 오일은 리테이너(31)의 하부벽(31b)과 피스톤(20)의 본체 도중에 형성된 오일 통로(60)를 통해 크랭크 케이스 내로 떨어지게 된다.

상기와 같이 형성되는 본 발명은 종래에 여러개의 형성되었던 피스톤 링이 하나의 피스톤 링으로 형성되므로서 부품의 수가 줄어 조립공정 및 제작비용이 감소될 뿐만 아니라, 제1슬라이드 링과 제2슬라이드 링의 상대 운동을 통해 피스톤과 실린더 라이너와의 간극이 조절되므로서 피스톤 및 피스톤 링의 추종성, 기밀성, 내마모성이 향상되는 커다란 장점이 있는 것이다.

Claims

상부에 링 그루브(21)가 하나만 형성되는 피스톤(20)과; 원형 링 형상으로 그 일측단면 형상은 외측이 개방된 "ㅌ"자형이며, 상기한 링 그루브(21)에 끼워지는 리테이너(31)와; 원형 링 형상으로 상기한 리테이너(31)의 상부홈(34)에 끼움부(41)의 내주연이 탄력지지되는 채로 끼워지되, 실린더 라이너(25) 벽면에 접하게 되는 외주연의 단면형상은 최장의 지름부가 하측에 위치되고 상측으로 갈수록 그 외주의 지름이 감소되는 호형상으로 이루어지는 제1슬라이드 링(40)과; 상기한 리테이너(31)의 격벽(32)을 기준으로 상기한 제1슬라이드 링(40)과 상하로 대칭되는 상태로 상기 리테이너(31)의 하부홈(35)에 탄력지지되는 채로 끼워지는 제2슬라이드 링(42); 을 포함하여 구성되는 피스톤의 링의 구조에 있어서,

상기한 리테이너(31)의 중앙 격벽(32)의 외주연 지름은 상부벽(31a) 및 하부벽(31b)의 외주연보다 작게 형성되며,

상기한 제1슬라이드 링(40) 및 제2슬라이드 링(42)의 내주연 측에는 각각 환형의 판스프링(50)이 개재된 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 구조.
삭제
삭제
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제 1 항에 있어서,

상기한 각각의 판스프링(50)은 전체적으로는 환형상을 이루되, 일정 피치를 가지는 사인곡선이 연속되어 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 구조.
제 1 항에 있어서,

상기한 각각의 판스프링(50)의 외주연 측에는 상기 피스톤(20)의 거동과 상응되어 탄력작용되는 판스프링(50)의 외측을 지지하기 위한 제1플런저(52)가 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 구조.
제 1 항에 있어서,

상기한 각각의 판스프링(50)의 내주연 측에는 제2플런저(54)가 상기 리테이너(31)의 상부홈(34) 및 하부홈(35)에 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 구조.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기한 리테이너(31)의 상부벽(31a) 및 하부벽(31b)의 외주연부는 외측은 라운드가 형성되며, 그 내측은 단차지게 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 구조.
제 1 항에 있어서,

상기한 리테이너(31)의 하부벽(31b) 도중 및 피스톤(20)의 본체의 도중에는 서로 연통되도록 이어지는 오일 통로(60)가 형성되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 구조.
제 1항에 있어서,

상기한 리테이너(31)의 상부벽(31a)과 하부벽(31b) 및 격벽(32)은 각각 분리 형성되어, 상기 상부홈(34)에는 제1슬라이딩 링(40), 판스프링(50), 제1 및 제2플런저(52,54)를 수용시키고, 하부홈(35)에는 제2슬라이딩 링(42), 판스프링(50), 제1 및 제2플런저(52,54)를 수용시킨 다음, 그 측벽과 상부벽(31a)의 내주연벽, 하부벽(31b)의 내주벽이 용접되어 구성되는 것을 특징으로 하는 피스톤 링의 구조.