KR20030055292A

KR20030055292A - 질화표면층을 가진 2조각 오일제어링

Info

Publication number: KR20030055292A
Application number: KR10-2003-7005939A
Authority: KR
Inventors: 타키자와아키요시; 가타야마노부오
Original assignee: 가부시끼가이샤 리켄
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2003-07-02
Also published as: US6834861B2; BR0205956A; JP2003074704A; CN1473249A; US20040021270A1; KR100496709B1; WO2003019050A1; EP1325252A1; CN1306190C; TW558601B; EP1325252A4; BR0205956B1

Abstract

2조각 오일제어링은 링몸체(1)의 내부표면(3)에 환상의 홈(4)을 가진 대략적으로 M-형상 또는 I-형상의 단면을 가지도록 형성된 링몸체(1)와; 실린더의 내부벽을 향하여 링몸체(1)를 탄성적으로 밀어내기 위해, 링몸체(1)의 환상의 홈(4)에 부착된 고리형의 팽창기(2)로 구성된다. 상기 링몸체(1)는 질화층(14, 15)로 덮인 외주와 내주표면(11, 12)을 가진 3.0 내지 13.0 질량% 의 크롬을 함유하는 스테인레스 스틸로 구성된다.

링몸체(1)의 단면적에서 내부표면길이(Y_i)에 대한 외부표면길이(Y_o)의 원호비율(τ)은, 질화층(14, 15)이 링몸체의 래핑을 견디도록 링몸체의 주변 원형성을 정밀하게 유지하기 위해 1.08 내지 1.32의 범위이다.

Description

질화표면층을 가진 2조각 오일제어링{TWO PIECE OIL CONTROL RING WITH NITRIDED SURFACE LAYERS}

오일제어링을 장착한 다양한 형태의 고리형 팽창기(Coiled Expander)는 일반적으로 대다수의 디젤엔진에 사용되어왔다. 도 6에 나타난 바와 같이, 전형적인 2조각 오일제어링의 예는, 링몸체(1)의 내부표면(3)에 환상의 홈(Annular groove, 4)을 가진 링몸체(1)와; 링몸체(1)의 환상의 홈(4)내에 부착된 고리형의 팽창기(2)로 구성된다. 링몸체(1)는 상부레일(5), 하부레일(6) 및 대략적으로 M-형태의 단면을 형성하기 위해 상하부 레일(5,6)을 연결하는 웨브(Web, 7)로 구성된다. 복수의 개구(8)는 개구를 통하여 윤활유가 통과하도록 웨브(7)에 형성되어 있다.

도시되어 있지는 않지만, 내마모 표면층들이 상하부레일(5,6)의 외주표면과 환상의 홈(4)을 가진 링몸체(1)의 내주표면에 형성된다. 고리형의 팽창기(2)는 상하부레일(5,6)의 외주표면 각각이 도시되지 않은 실린더의 내부벽을 향하여 탄성적으로 밀어내도록 탄성력을 생성할 수 있다. 링몸체(1)의 횡단면형상은, 실린더의내부 외주면을 따른 가변 링몸체(1)의 동작, 오일제어링의 접선방향 힘(Tangential Force), 피스톤에 형성된 홈에 부착될 때 발생되는 링몸체의 응력(Stress) 및 오일제어링이 실린더의 내부표면에 윤활유의 적절한 양을 인가하는 것과 같은 본질적인 기능을 수행하도록 하는 링으로의 와이어 막대의 주행응력과 작업성 등을 고려하여 결정된다. 디젤엔진의 보다 높은 동력과 보다 낮은 연료소비에 대한 최근의 요구에 부응하여, 링몸체는 주물철을 대신하여 강철로 형성되고, 내마모 표면층은 링몸체의 내마모(Wear)와 내저항(Scuff-resistance)을 개선하기 위해 내구성이 강한 크롬도금 대신에 질화처리에 의해 형성된다.

일본 특허공보 6-336951호는, 링몸체의 외주와 내주표면에 형성된 질화이온 (Ion-nitrided)층을 가진 17% 크롬 스테인레스 스틸제의 링몸체를 가진 오일제어링을 나타낸다. 그러한 질화이온층을 가진 오일제어링을 만듦에 있어, 주어진 보통의 단면적의 변형된 와이어막대를 생산하기 위한 도안공정이 사용되며, 그 후 복수의 개구는 와이어막대의 웨브에 펀칭함에 의해 형성된다. 그 후, 와이어막대는 코일로 형성되어 링몸체로 분할되고, 링몸체의 외주표면을 래핑하고, 링몸체의 상하부 바닥면으로 바닥에 놓이고, 링몸체의 전체 외주표면 또는 필요한 면적을 질화처리한다. 질화처리 후에 링몸체는 최종 형태의 오일링을 형성하기 위해 유사한 방법으로 바닥에 놓인다.

최근에 제조비용을 절감하기 위해 17 질량% 미만의 저 크롬함유 스테인레스 스틸로 만들어진 2조각 오일제조링을 제조하기 위한 몇몇 시도가 이루어지고 있다. 그러나, 링몸체의 원형성(Roundness) 또는 환상성(Circularity)은 이러한 공정이저(Low) 크롬함유 스테인레스 스틸로 제조된 M-형상 또는 I-형상으로 형성된 링몸체의 내부와 외부 질화층에 형성되는 불균형한 응력의 존재때문에, 이러한 오일제어링은 링몸체의 질화처리 중 또는 질화처리 후에 질화팽창(Nitriding Expansion)에 의한 뒤틀림으로 크게 악화되는 단점이 있다. 질화층이 M-형상 또는 I-형상 링몸체(1)의 전체 주위 표면에 형성된 때, 상기 질화층은 팽창하여 질화층에 압축응력을 발생하고, 그럼으로써 기초재료의 신장응력과 링몸체(1)의 내주 및 외주면에 부수적인 변형을 유발한다. 만약 외주면에서 발생한 변형이 내주면에서 발생한 변형보다 크다면, 외주면은 자연적으로 내주면 보다 더 확장된 길이로 팽창하여, 링몸체(1)의 끝부분을 내주면을 항하여 변형시킨다. 래핑공정이 그러한 변형된 링의 주위 표면에 인가될 때, 링몸체의 끝부분은 질화처리에 의한 변형때문에 균일하게 래핑될 수 없다. 품질이 떨어진 원형성의 오일제어링이 피스톤에 부착될 때, 오일링의 외주표면과 실린더의 내부표면 사이에 갭이나 간극이 형성되며, 그럼으로써 오일소비가 증가하는 나쁜 결과를 야기한다. 그렇지 않으면, 전체 외주표면이 링몸체의 요구되는 외주 원형성까지 래핑될 때, 질화층은 바람직하지 못하게 래핑에 의해 제거되며, 그렇게 때문에, 질화처리 후에, 링몸체의 래핑이 극도로 제한되고 매우 주의하여 수행되어야 한다. 다른 관점에서, 또한, 감소된 크롬함유는 링몸체의 내균열성을 악화한다는 것이 알려졌다.

도 5는 래핑양의 증가와 래핑시간의 경과를 비례관계적으로 나타내는 그래프이다. 본 명세서에서 언급된 용어 “래핑(Lapping)”은 치수에러를 조정 또는 보상하고 제조 중에 표면마감을 개선하기 위해 래핑제(Lapping Agent)로 행하는 링몸체의 폴리싱 (Polishig), 그라인딩(Grinding), 스카우어링(Scouring), 스크러빙 (Scrubbing) 또는 어브레이싱(Abrasing) 중의 어느 한 공정을 의미한다. 예를 들면, 70 마이크로미터 두께의 질화층은 105초의 래핑공정을 통하여 완전히 제거된다. 따라서, 링몸체(1)의 질화층의 래핑프로파일을 실린더의 내부표면에 접촉하도록 하기 위해 링몸체(1)의 전체 외주표면에 질화층이 확실히 남도록 하기 위해 래핑시간은 105초 이내로 하여야 한다. 17% 크롬 스테인레스 스틸의 종래 기술의 링몸체는 내부와 외부 질화층내에 유사한 불균형한 응력을 발생하지만, 17% 크롬 스테인레스 스틸은 보다 큰 기계적강도를 가지기 때문에 질화처리로 인한 인장력이 매우 작음을 나타내며, 링몸체의 전체 외주표면은 여하의 실질적인 문제를 나타내지 않고 보통의 공정에 의해 래핑될 수 있다. 그러나, 17% 크롬 스테인레스 스틸에는 여전히 비용문제가 남는다.

본 발명의 목적은 링몸체에 형성된 질화층이 래핑을 견딜 수 있도록 주변 원형성(Circularity)을 유지할 수 있는 링몸체를 가지는 2조각 오일제어링을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 또 다른 목적은, 질화층이 링몸체의 표면에 형성된 때 발생된 변형의 양을 제한 또는 제어할 수 있는 링몸체를 가진 2조각 오일제어링을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명의 또 다른 목적은 저 크롬함유의 스테인레스 스틸로 제조된 링몸체를 가진 2조각 오일제어링을 제공하는 것이다.

본 발명은 내연기관에 있어서 피스톤의 링홈에 부착된 오일제어링, 특히 고리형의 팽창기(Coiled Expander)와 그 위에 형성된 질화물 표면층을 가지는 링몸체를 가지는 2조각 오일제어링에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 2조각 오일제어링에 사용되는 질화층을 가진 링몸체의 투시단면도이다.

도 2는 대략적으로 M형상으로 형성된 링몸체의 단면도이다.

도 3은 대략적으로 I형상으로 형성된 링몸체의 단면도이다.

도 4는 래핑(Lapping)시간과 내부표면길이에 대한 외부표면길이의 다양한 비율 사이의 관계를 나타낸다.

도 5는 래핑(Lapping)시간과 래핑양 사이의 비례적인 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6은 종래 기술의 2조각 형태의 오일링에 사용되는 링몸체의 단면도이다.

본 발명에 따른 2조각 오일제어링은, 링몸체(1)의 내부표면(3)에 고리형상의홈(4)을 가진 대략적으로 M형상 또는 I형상 단면으로 형성된 링표면(1)과; 링몸체 (1)를 실린더 내부벽을 향하여 탄성적으로 밀어내기 위해 링몸체(1)의 고리형상 홈(4)에 부착된 고리형 팽창기(2)로 구성된다. 링몸체(1)는 상하부레일(5,6) 및 상하부레일(5,6)을 연결하는 웨브(7)로 구성되며, 상기 웨브(7)는 그 내부를 통하여 윤활유가 흐르도록 하기 위한 복수의 개구들을 구비한다. 상기 링몸체(1)는 질화층 (14, 15)으로 덮인 외주 및 내주표면(11, 12)을 가지며 3.0 내지 13.0 질량%의 크롬을 함유하는 스테인레스 스틸로 제조된다. 링몸체(1)의 단면에서의 내부표면(모서리) 길이(Y_i)에 대한 외부표면(모서리) 길이(Y_o)의 원호비율(Circular ratio, τ)은 질화처리에 의해 적은 인장력과 변형을 가진 링몸체(1)의 정교한 원형의 외주를 유지하기 위해 1.08 내지 1.32의 범위내에 있어야 하며, 그럼으로써 질화층(14, 15)의 링몸체의 래핑(Lapping)이 유지된다.

본 발명의 상기에 언급된 목적과 장점은 첨부되는 도면에 나타난 바람직한 실시에와 연관하여 다음의 상세한 설명으로부터 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 오일제어링에 사용되는 링몸체(1)를 도시한다. 링몸체(1)는 3.0 내지 13.0 질량%의 크롬을 함유하는 스테인레스 스틸로 형성되며, 림몸체(1)의 외주표면(11) 상에 형성된 외부 질화층과 내주표면(12) 상에 형성된 내부 질화층(15)으로 구성되는 질화층(13)으로 덮여있다. 도 6에 나타난 종래 기술의 오일제어링과 유사하게, 도 1의 링몸체(1)는 윤활유가 통과하는 복수의 개구로 형성된다. 림몸체(1)는 1.2 내지 2.0mm의 폭(B), 1.2 내지 2.0mm의 두께(t), 0.15 내지 0.22mm의 랜드(Land, 레일(Rail))폭(l_o) 및 0.5 내지 0.75mm의 깊이(t_o)을 가진다.

링몸체(1)의 질화물 팽창은 외부 및 내부 질화층(14와 15)의 다른 변형을 발생하여, 링몸체(1)의 뒤틀림을 기인하며, 그것은 링몸체(1)의 변형과 뒤틀림을 제한하거나 제어하기 위해 외부와 내부 질화층(14, 15)의 질화물 팽창으로부터 기인된 압축력과 균형 맞추어질 필요가 있을 것이다.

△F_o와 △F_i는 각각, 링몸체(1)의 가상의 절단선(m-n) 상의 미소 면적 △A_o와 △A_i각각에 형성된 내주와 외주력을 나타내고, L_o와 L_i은 각각 중간의 응력축(N)으로부터 미소 면적 △A_o와 △A_i의 중심점까지의 거리를 나타낸다고 가정하고, 미소 면적 △A_o와 △A_i에 가해진 힘의 전체 또는 적분 모멘트(Integrated Moments)가 실질적으로 서로 같다면, 다음의 공식(1)에 나타난 것처럼, 링몸체(1)에 어떠한 변형도 일어나지 않을 것으로 평가될 수 있다:

∑(△F_o×△L_o) = ∑(△F_i×△L_i)(1)

이러한 경우, 중간의 응력축(N)으로부터 미소 면적 △A_o와 △A_i의 중심점까지의 거리 L_o과 L_i은 서로 동일하지 않다(L_o≠L_i). k = ∑L_o/∑L_i라고 가정하면, 공식(1)은 공식(2)로 전개될 수 있다:

k∑△F_o= ∑△F_i(2)

질화층의 팽창으로부터 기인한 힘은 질화층의 면적에 비례함으로써, 만약 외부와 내부의 질화물 미소 면적이 △A_o와 △A_i으로 나타낸다면, 공식(2)는 공식(3)으로 전개될 수 있다. 또한, △A_o와 △A_i가 각각 전체 외부와 내부의 질화물 면적을 나타낸다고 가정하면, 공식(3)은 공식(4)으로 씌여질 수 있다. 더욱이, Y_o와 Y_i가 일정한 두께(t)의 질화층을 가진 링몸체(1)의 단면적에서 외부와 내부의 질화물 면적의 전 표면(모서리)길이를 나타낸다고 가정하면, A_o= Y_o×t와 A_i= Y_i×t를 얻을 수 있다. 이러한 공식들은 공식(4)를 대체하여 공식(5)를 얻는다.

k∑△A_o= △∑A_i(3)

kA_o= A_i(4)

kY_o= Y_i(5)

따라서, 이러한 공식들은 링몸체(1)가 질화물에 기인한 변형을 억제하고 제어하기 위해서 단면적에서 내부표면(모서리) 길이에 대한 외부표면(모서리) 길이의 일정한 비율로 형성되어야 한다.

(예)

본 발명에 따른 오일제어링을 테스트하기 위해서, 아홉(9)종류의 다른 단면적의 링몸체는, 래핑프로파일이 각 링몸체의 전체 외주표면에 형성될 때까지 그 래핑시간을 측정하며 래핑된 질화층의 상태를 점검하면서 래핑제로 래핑되고 준비된다. 테스트 결과는 아래의 표와 같으며, 부호는 다음과 같다:

B(mm) : 림몸체의 폭 ; t(mm) : 링몸체의 두께 ; l_o(mm) : 랜드(레일) 폭 ; l(mm) : 레일사이의 거리 ; t_o(mm) : 홈깊이 ; θ(도) : 레일각 ; τ: 링몸체(1)의 단면에서의 내부표면(모서리) 길이(Y_i)에 대한 외부표면(모서리) 길이(Y_o)의 원호비율 ; T(초) : 래핑시간 ; A : 래핑을 견디지 못한 전체 질화층 ; P: 래핑을 견딘 전체 질화층.

표: 테스트 결과

샘플번호 1 내지 8의 링몸체는 환상의 오목홈(4)을 가진 도 2에 나타낸 M-형상으로 형성되며, 샘플번호 9의 링몸체는 경사진 홈(4)를 가진 도 3에 나타난 I-형상으로 형성된다. 테스트 결과는 샘플번호 1과 6은 질화층이 래핑에 의해 제거되기 때문에 전체 질화층을 가지지 않으며, 샘플번호 2 내지 5와 7 내지 9는, 래핑이 링몸체의 전체 외주표면에 걸쳐 래핑프로파일을 형성하도록 수행된 후에 남아있는 질화층을 가진다는 것을 나타낸다. 도 4는 링몸체(1)의 단면에서의 내부표면(모서리) 길이(Y_i)에 대한 외부표면(모서리) 길이(Y_o)의 비율이 1.08 내지 1.32 범위, 더욱 바람직하게는, 아래와 같은 장점을 가지는 1.0 내지 1.3의 범위내이어야 한다는 것을 분명하게 나타내는 표의 결과를 나타내는 그래프이다.

[1] 질화처리후에 링몸체의 외부 및 내부 질화층(14, 15)에서 발생하는 힘들 사이에 동적인 균형이 유지된다.

[2] 링몸체는 감소된 인장응력을 발생하고, 질화처리후에 정교한 원형의 외주를 유지한다.

[3] 질화층의 래핑프로파일은 링몸체(1)의 적은 변형으로 인해 링몸체(1)의 외부표면에 대한 래핑을 견딜수 있다.

[4] 래핑시간은 외부와 내부 질화층(14, 15)에 대하여 줄여질 수 있다.

[5] 래핑이 용이하게 이루어진다.

[6] 오일링의 수율이 개선될 수 있다.

Claims

링몸체의 내부표면에 환상의 홈을 가진 대략적으로 M-형상 또는 I-형상의 단면을 가지도록 형성된 링몸체와; 실린더의 내부벽을 향하여 링몸체를 탄성적으로 밀어내기 위해, 링몸체의 환상의 홈에 부착된 고리형 팽창기로 구성되며,

상기 링몸체는 상부레일, 하부레일 및 상기 상하부레일을 연결하는 웨브로 구성되며, 상기 웨브는 윤활유가 그 사이를 통하여 통과하도록 복수의 개구를 구비하고 있으며,

상기 링몸체는 질화층로 덮인 외주와 내주표면을 가진 3.0 내지 13.0 질량% 의 크롬을 함유하는 스테인레스 스틸로 구성되며,

링몸체의 단면적에서 내부표면길이에 대한 외부표면길이의 원호비율이 1.08 내지 1.32의 범위인 것을 특징으로 하는 2조각 오일제어링.
제 1 항에 있어서, 내부표면길이에 대한 외부표면길이의 상기 원호비율이 1.1 내지 1.3의 범위인 것을 특징으로 하는 2조각 오일제어링.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 링몸체는 1.2 내지 2.0 mm의 폭, 1.2 내지 2.0mm의 두께, 0.15 내지 0.22mm의 랜드폭 및 0.5 내지 0.75mm의 환상의 홈깊이를 가지는 것을 특징으로 하는 2조각 오일제어링.