CN104005877B - 组合控油环 - Google Patents

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Abstract

提供一种组合控油环，其显示出优良的机油消耗特性，而且耐磨性及耐油泥性优良。组合控油环包括：具有开口的一对圆环状的侧轨；及夹设在上述一对圆环状的侧轨之间并在内周部具有对侧轨的内周面进行按压的耳部的轴向波形形状的间隔外胀环，其中，将侧轨的厚度(a1)设为间隔外胀环的外胀环高度(a9)的50～90％，或者，将间隔外胀环的耳部的耳部高度(a10)设为外胀环高度(a9)的23～60％。

Description

组合控油环
技术领域
本发明涉及安装于发动机的活塞而进行油控制的包括一对圆环状的侧轨和间隔外胀环的组合控油环(以下也称为“组合油环”)，尤其是涉及提高与气缸壁面的随动性并降低机油消耗的组合控油环。
背景技术
近年来，从防止全球变暖的观点出发要求减少CO2的排放，在汽车发动机中，以提高燃油经济性、提高燃烧效率、尤其是提高燃油经济性为目标，正着眼于活塞系统滑动部的摩擦降低而加以改良。活塞环的低张力化尤其重要，其中控油环的张力占活塞环的总张力的50％以上，因此正在研究降低其张力的对策。但是，降低控油环的张力还会导致与气缸壁面的随动性降低，因此会产生机油消耗量增加这样的担心。另外，通过燃烧温度的上升或直喷化来提高燃烧效率时，还存在因发动机润滑油变质而产生的油泥导致侧轨或间隔外胀环固着或胶着的问题、间隔外胀环的耳部磨损这样的问题等。
针对机油消耗的问题，提出了使侧轨的宽度变窄来提高在侧轨外周产生的表面压力的方法；针对由油泥引起的固着问题，提出了在油环的表面形成含氟皮膜等疏油性皮膜的方法；针对间隔外胀环的耳部的磨损问题，提出了对耳部实施氮化处理的方法等，如上，提出了各种方法。
例如，对于使活塞环的宽度变窄，专利文献1公开了如下内容：作为具体的尺寸，将压力环的宽度尺寸设为1.0mm以下，将组合油环的宽度尺寸设为2.0mm以下。另外，针对由油泥引起的固着问题，在专利文献2中提出了一种通过溶胶-凝胶法由氟烷基置换金属醇盐形成疏液膜的方法，该氟烷基置换金属醇盐是金属醇盐的一部分烷氧基被氟烷基置换而成的。而且，对于耳部的氮化，以前在专利文献3公开了软氮化处理，在专利文献4公开了形成包含在Cu-KαX射线衍射中在2θ＝40°和2θ＝46°时具有峰值的特殊S相的气体氮化层。
但是，如果追求张力的降低，则必须面对机油消耗的问题，因此伴随着机油消耗降低的组合油环的改良也可以说是永远的课题。
专利文献1：日本特开2003-286898号公报
专利文献2：日本特开2000-27995号公报
专利文献3：日本特开昭56-66429号公报
专利文献4：国际公开第2005/040645号
专利文献5：日本特开2006-292021号公报
发明内容
本发明的课题在于提供一种显示出优良的机油消耗特性而且耐磨性及耐油泥性优良的组合控油环。
对于组合控油环的侧轨和间隔外胀环的结构，本发明人等关注稳定性、随动性、耐油泥性等而进行了锐意研究，结果想到了：通过将侧轨的厚度和间隔外胀环的耳部的耳部高度调整为预定范围，能够在确保稳定性的基础上，提高组合油环的随动性，并显著降低机油消耗。另外，还想到了：通过进一步对侧轨支撑部的宽度和间隔外胀环的中间部的高度进行调整，能够提高耐油泥性。
即，本发明的组合控油环包括：具有开口的一对圆环状的侧轨；及夹设在上述一对圆环状的侧轨之间并在内周部具有对上述侧轨的内周面进行按压的耳部的轴向波形形状的间隔外胀环，该组合控油环的特征在于，上述侧轨的厚度a1为上述间隔外胀环的外胀环高度a9的50～90％。另外，本发明的组合控油环包括：具有开口的一对圆环状的侧轨；及夹设在上述一对圆环状的侧轨之间并在内周部具有对上述侧轨的内周面进行按压的耳部的轴向波形形状的间隔外胀环，该组合控油环的特征在于，上述间隔外胀环的上述耳部的耳部高度a10为上述间隔外胀环的外胀环高度a9的23～60％。
另外，本发明的组合控油环优选在上述间隔外胀环的外周部具有用于支撑上述侧轨的在轴向上突出的支撑部。而且，上述支撑部的轴向宽度A优选为0.07mm以上，上述耳部与上述支撑部之间的中间部的高度B优选为上述外胀环高度a9的45％以下。
而且，本发明的组合控油环优选在上述间隔外胀环及/或上述侧轨上形成有镀镍皮膜，另外，优选为在上述间隔外胀环的上述耳部的侧轨按压面上形成有氮化层。在形成有上述氮化层的情况下，优选在上述间隔外胀环的除了形成有上述氮化层的部分之外的整个面上形成有镀镍皮膜。
发明效果
本发明的组合油环中，侧轨的厚度a1相对于间隔外胀环的外胀环高度a9的比率a1/a9相比现有组合油环的比率变小，因此作为组合油环的随动性显著提高，即使张力变低也不会增加机油消耗，反而能够较大地降低机油消耗。另外，耳部的耳部高度a10相对于外胀环高度a9的比率a10/a9相比现有组合油环的比率变大，因此间隔外胀环自身的稳定性变得良好，即使侧轨的厚度变薄，作为组合油环也能够保持平衡，也不会产生有损向活塞的油环槽组装时的组装性的不良情况。在间隔外胀环具有侧轨支撑部的情况下，如果使支撑部的轴向宽度A比较厚(在0.07mm以上)，则从组合油环的外周侧或侧面侧流入的发动机油难以在油环上滞留，从而能够抑制油泥的堆积，并防止由油泥引起的固着。中间部的高度B也比现有组合油环小，因此油泥堆积的面积变小(由于存在油泥容易堆积于该中间部与侧轨之间的空间这样的问题)，有助于降低产生由油泥引起的固着或胶着的问题的概率。而且，如果对耳部形成氮化层、对间隔外胀环的除了耳部之外的整个面实施镀镍，则能够形成张力偏差小、耐磨性及耐油泥性优良的组合油环，即使在燃烧效率提高的严酷使用环境下也能够有助于实现低油耗化。
附图说明
图1是表示本发明的组合控油环的一例的剖视图。
图2是表示现有的组合控油环的一例的剖视图。
图3是表示构成现有的组合控油环的间隔外胀环的一部分的立体图。
附图标记说明
1：组合控油环
2：侧轨
3：间隔外胀环
4：耳部
5：支撑部
6：中间部
10：现有的组合控油环
20：现有的侧轨
30：现有的间隔外胀环
具体实施方式
图1表示示出本发明的一例的组合油环的剖视图。该组合油环1包括：具有开口的一对圆环状侧轨2、2；及支撑侧轨2、2的间隔外胀环3。在间隔外胀环3的内周部设有对侧轨2、2的内周面进行按压的耳部4，在外周部根据需要而设有用于支撑侧轨2、2的在轴向上突出的支撑部5。在设有支撑部5的情况下，将耳部4与支撑部5的连接部分称为中间部6。
图2是表示现有组合油环10的一例的剖视图，图3是表示构成现有油环的间隔外胀环30的一部分的立体图。比较图1及图2可知，本发明的组合油环1的基本结构与现有的组合油环10相同。但是，本发明的组合油环1与现有的油环10相比，构成为侧轨2、2的厚度a1较薄(较短)、间隔外胀环3的耳部4的耳部高度a10较厚(较长)。即，如果关注于侧轨，则将上述侧轨2、2的厚度a1设为上述间隔外胀环3的外胀环高度a9的50～90％。当上述侧轨2、2的厚度a1小于上述外胀环高度a9的50％时，由于与活塞的油环槽的间隙的关系，侧轨2、2的稳定性变差而使油环槽的磨损增大，因此并不优选，当超过90％时，与随动性对应的侧轨2、2的厚度a1变薄的效果变小。优选为50～85％，更优选为55～81％，进一步优选为60～76％。另外，如果关注于间隔外胀环，则将上述间隔外胀环3的上述耳部4的耳部高度a10设为上述外胀环高度a9的23～60％。另外，当上述耳部4的耳部高度a10小于上述外胀环高度a9的23％时，与随动性对应的侧轨2、2的厚度a1变薄的效果变小；相反当超过60％时，侧轨2、2的厚度a1变得过薄，稳定性变差而使活塞的油环槽磨损增大，因此并不优选。优选为30～60％，更优选为35～58％，进一步优选为42～55％。以上对侧轨2、2的厚度a1和间隔外胀环的耳部高度a10分别进行了说明，但侧轨2、2的厚度a1和耳部高度a10的关系并不是独立的，而是具有如下的关系：如果组合油环的尺寸确定、且侧轨2、2的厚度a1确定，则取决于此的耳部高度a10也确定。
根据按压侧轨2、2的耳部4的角度θ，在朝向气缸壁面的径向及朝向油环槽上下表面的轴向上具有分力地对侧轨2、2进行按压，因此在气缸壁面及油环槽上下表面发挥密封功能。从油环槽上下表面中的密封功能的观点来看，在侧轨2、2的厚度a1变薄的情况下，优选调整耳部4的角度θ，在本发明的组合油环的情况下，θ优选为10～30°，进一步优选为15～25°。
对于与油泥相关的问题，通过缩小第一道环的开口间隙来减少漏气，并抑制发动机机油的劣化；为了使生成的油泥难以附着于油环而对间隔外胀环、侧轨表面实施皮膜处理；除此之外，还可以考虑形成为从油环的外周侧或侧面侧流入的发动机机油难以在油环上滞留的形状。油泥尤其容易附着、堆积于平坦的中间部6与侧轨2、2之间的空间，该中间部6处于间隔外胀环3的耳部4与侧轨支撑部5之间。本发明的组合油环中，为了形成使发动机机油滞留的面积缩小且使发动机机油难以堆积的结构，支撑部5的轴向宽度A优选为0.07mm以上，中间部高度B优选为外胀环高度a9的45％以下。A更优选为0.09mm以上，进一步优选为0.11mm以上。另外，B/a9更优选为40％以下，进一步优选为35％以下。
如上所述，油泥会导致油环的固着，除此之外，还存在使在侧轨的内周面进行滑动的间隔外胀环的耳部的磨损变得剧烈的问题。作为对策，尝试了在耳部形成硬质的氮化层，但尤其在关注低张力化的情况下，还存在氮化后的张力变动大而难以管理低张力化后的组合油环的张力公差的课题。专利文献5中公开了如下一种方法，对间隔外胀环的线材实施镀镍，通过热处理使镍皮膜的硬度降低后，通过塑性加工而成形为间隔外胀环，此时，利用局部的剪切而成形为耳部，其中，利用仅在耳部的侧轨按压面露出母材这一点，仅对所露出的部分实施氮化处理，而能够解决由上述氮化引起的张力偏差的问题。在本发明中也适用专利文献5的方法，优选在本发明的组合油环的间隔外胀环的耳部形成氮化层，优选在间隔外胀环的除了形成有氮化层的部分之外的整个面上形成镀镍皮膜。
实施例1
间隔外胀环使用利用了齿轮的成形方法由2.50mm×0.25mm的轧制带材(SUS304材料)、侧轨通过卷绕法而由1.60mm×0.40mm的轧制带材(SUS440B)成形为以下的尺寸。制作出的组合油环的尺寸为：
公称直径：82.5mm
外胀环宽度h9：2.43mm
外胀环高度a9：2.5mm
耳部高度a10：1.2mm
支撑部宽度A：0.12mm
中间部高度B：0.8mm
侧轨厚度a1：1.6mm。此外，张力值以23N为目标值来调整间隔外胀环的展开长度。
比较例1
将接下来的机油消耗量的测定1中所使用的发动机用的、所谓现有组合油环作为比较例1而进行了测定。其尺寸为：
公称直径：82.5mm
外胀环宽度h9：2.43mm
外胀环高度a9：2.5mm
耳部高度a10：0.5mm
支撑部宽度B：0.05mm
中间部高度A：1.5mm
侧轨厚度a1：2.3mm。比较例1的间隔外胀环的张力值也为23N。
[1]机油消耗量的测定1
对于实施例1及比较例1的组合控油环，使用排量为2400cm3的四缸汽油发动机而测定了机油消耗量。试验条件设为6500rpm、满负载(WOT：Wide Open Throttle)的条件。机油消耗量根据进行了预定时间的试验前后的油量而算出。在此，实施例1的第一道环和第二道环也使用了被用于上述发动机的环。试验的结果是，当将比较例1的机油消耗量设为100时，实施例1的机油消耗量为36，降低至大约1/3。
实施例2～5及比较例2
使用与实施例1相同的间隔外胀环用轧制带材及侧轨用轧制带材，准备成为表1所示尺寸那样的成形齿轮，以张力值为22N的方式，制作了组合油环。对于这些组合油环，以与实施例1相同的条件进行了发动机试验，并测定了机油消耗量。将上述结果连同实施例1及比较例1的结果一起表示在表1中。
【表1】
在此，支撑部的轴向宽度A除了比较例1的0.05mm之外全部为0.12mm。
上述结果示出：侧轨的厚度越薄(短)、或者间隔外胀环的耳部高度越厚(长)，即a1/a9越小、或a10/a9越大，则机油消耗量越少。可以认为，通过使侧轨的厚度变薄，有助于增大作为油环的随动性。特别的是，当侧轨的厚度为比较例2所示的厚度的程度时，随动性应该提高，但机油消耗量并没有与随动性对应地降低。对比较例2的组合油环和活塞的油环槽详细地进行了调查，结果发现油环槽比较粗糙。
[2]活塞的油环槽磨损的测定
实施例6～8、比较例3
在实施例6～8及比较例3中，分别使用尺寸、形状与实施例1、4、5及比较例2的组合油环相同的组合油环，另外，使用与上述机油消耗量的测定中所使用的发动机相同的发动机，来进行了耐久性试验，并进行了活塞的油环槽磨损的测定。耐久性试验向四个气缸分别安装实施例6～8及比较例3的组合油环并在试验条件为6500rpm、满负载(WOT：Wide OpenThrottle)的条件下进行。当然，第一道环和第二道环使用了被用于上述发动机的环。对于油环槽的槽磨损量，根据进行预定时间的试验前后的各气缸的活塞的油环槽端部的轴向宽度的增加量而进行了评价。将其结果表示在表2中。
【表2】
油环槽的槽磨损量、μm
实施例6 4
实施例7 7
实施例8 5
比较例3 19
[3]油环的油泥堆积量的测定1
实施例9～11、比较例4
在实施例9中，使用尺寸、形状与实施例1的组合油环相同的组合油环；在实施例10及11中，使用除了将支撑部的轴向宽度A分别设为0.10mm及0.08mm之外尺寸、形状与实施例1的组合油环相同的组合油环；在比较例4中，使用尺寸、形状与比较例1的组合油环相同的组合油环，另外，使用与上述机油消耗量的测定中所使用的发动机相同的发动机，而进行了油泥堆积发动机试验，并进行了各组合油环的油泥堆积量的测定。当然，第一道环和第二道环使用了被用于上述发动机的环。向四个气缸分别安装实施例9～11及比较例4的组合油环，发动机机油使用市场回收劣化机油，并在从停止状态到最高输出转速的运转条件及实施使从低温到高温的油水温条件连续地反复的循环运转的条件下，进行了油泥堆积发动机试验。仅对于经过预定时间后仍牢固地附着于油环的油泥，根据试验前后的各油环的重量而算出了油泥堆积量。在此，牢固地附着的油泥是指，将从活塞平稳地取出的油环在丙酮中进行一定时间超声波清洗也无法去掉(不脱落)的油泥。设比较例4的结果为100而将油泥堆积量的测定结果以相对值表示在表3中。根据实施例9～11的结果，确认了：支撑部的轴向宽度A越大，则油泥堆积量越少。
【表3】
实施例12～14、比较例5
在实施例12～14及比较例5中，分别使用尺寸、形状与实施例1～3及比较例1的组合油环相同的组合油环，而进行了与实施例9～11及比较例4中进行的油泥堆积发动机试验相同的油泥堆积发动机试验，并进行了各组合油环的油泥堆积量的测定。当然，第一道环和第二道环使用了被用于上述发动机的环。设比较例5的结果为100而将油泥堆积量的测定结果以相对值表示在表4中。在此，支撑部的轴向宽度A在实施例12～14中为0.12mm，在比较例5中为0.05mm。
【表4】
B/a9 油泥堆积量
实施例12 0.32 41
实施例13 0.56 78
实施例14 0.44 44
比较例5 0.60 100
实施例15
对2.2mm×0.275mm的SUS304的轧制带材实施了膜厚大约为6μm的镀镍，而且，对该镀镍带材实施了500℃、1小时的热处理。使用利用了齿轮的成形方法由该带材成形为间隔外胀环，另外侧轨通过卷绕而由1.50mm×0.35mm的轧制带材(SWRH82A)成形为以下的尺寸。制作出的组合油环的尺寸为：
公称直径：75.0mm
外胀环宽度h9：2.0mm
外胀环高度a9：2.2mm
耳部高度a10：1.1mm
支撑部宽度A：0.12mm
中间部高度B：0.6mm
侧轨厚度a1：1.5mm。此外，在实施例15中，以低张力化为目标，张力值以9N为目标值而调整间隔外胀环的展开长度。
接着，对所得到的间隔外胀环以570℃实施80分钟的气体氮化处理，在齿轮成形中通过剪切而露出了母材的耳部的侧轨按压面上形成了氮化层。在间隔外胀环的除了形成有氮化层的部分之外的整个面上残留有镀镍皮膜，作为防氮化膜而发挥功能。因此，能够抑制由氮化处理引起的间隔外胀环的展开长度的伸长，并得到满足预定公差的低张力的间隔外胀环。通过570℃、80分钟的气体氮化，维氏硬度为Hv1300的氮化层形成有大约30μm。
比较例6
将接下来的机油消耗量的测定2中所使用的发动机用的、所谓现有组合油环作为比较例6而进行了测定。其尺寸为：
公称直径：75.0mm
外胀环宽度h9：2.0mm
外胀环高度a9：2.2mm
耳部高度a10：0.5mm
支撑部宽度A：0.05mm
中间部高度B：1.2mm
侧轨厚度a1：2.0mm。此外，比较例6的间隔外胀环也通过齿轮成形由被覆镀镍皮膜的带材进行制造，并实施了氮化处理，张力值被调整为9N。
[4]机油消耗量的测定2
对于实施例15及比较例6的组合控油环，使用排量为1500cm3的四缸汽油发动机而测定了机油消耗量。试验条件设为6000rpm、满负载(WOT：Wide Open Throttle)的条件。在此，实施例15的第一道环和第二道环也使用了被用于上述发动机的环。试验的结果是，当将比较例6的机油消耗量设为100时，则实施例15的机油消耗量为46，降低至1/2以下。
[5]油环的油泥堆积量的测定2
实施例16、比较例7
在实施例16及比较例7中，分别使用尺寸、形状与实施例15及比较例6的组合油环相同的组合油环；另外，使用与实施例15及比较例6的组合油环的机油消耗量的测定中所使用的发动机相同的发动机，而进行了油泥堆积发动机试验，并进行了组合油环的油泥堆积量的测定。油泥堆积发动机试验的条件与实施例9～14、比较例4～5中进行的油泥堆积发动机试验的条件相同。此外，第一道环和第二道环使用了被用于上述发动机的环。油泥堆积量的测定结果是，当将比较例7的结果设为100时，则实施例16的油泥堆积量为35，降低至大约1/3。

Claims (8)

1.一种组合控油环，包括：具有开口的一对圆环状的侧轨；及夹设在上述一对圆环状的侧轨之间并在内周部具有对所述侧轨的内周面进行按压的耳部的轴向波形形状的间隔外胀环，
所述组合控油环的特征在于，
所述侧轨的厚度(a1)为所述间隔外胀环的外胀环高度(a9)的55～81％，
在所述间隔外胀环的外周部具有用于支撑所述侧轨的在轴向上突出的支撑部，
所述耳部与所述支撑部之间的平坦的中间部的高度(B)为所述外胀环高度(a9)的45％以下。
2.一种组合控油环，包括：具有开口的一对圆环状的侧轨；及夹设在上述一对圆环状的侧轨之间并在内周部具有对所述侧轨的内周面进行按压的耳部的轴向波形形状的间隔外胀环，
所述组合控油环的特征在于，
所述间隔外胀环的所述耳部的耳部高度(a10)为所述间隔外胀环的外胀环高度(a9)的23～60％，
在所述间隔外胀环的外周部具有用于支撑所述侧轨的在轴向上突出的支撑部，
所述耳部与所述支撑部之间的平坦的中间部的高度(B)为所述外胀环高度(a9)的45％以下。
3.根据权利要求1或2所述的组合控油环，其特征在于，
所述支撑部的轴向宽度(A)为0.07mm以上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的组合控油环，其特征在于，
在所述间隔外胀环及/或所述侧轨上形成有镀镍皮膜。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的组合控油环，其特征在于，
在所述耳部的侧轨按压面上形成有氮化层。
6.根据权利要求4所述的组合控油环，其特征在于，
在所述耳部的侧轨按压面上形成有氮化层。
7.根据权利要求5所述的组合控油环，其特征在于，
在所述间隔外胀环的除了形成有所述氮化层的部分之外的整个面上形成有镀镍皮膜。
8.根据权利要求6所述的组合控油环，其特征在于，
在所述间隔外胀环的除了形成有所述氮化层的部分之外的整个面上形成有镀镍皮膜。
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