CN104520615B - 锥面形压力环用线材及锥面形压力环 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在锥面形压力环的制造工序中能够均匀且迅速地形成初期磨合面(接触面)的锥面形压力环用线材，为此，在成为环的外周面的面具有彼此相邻且向外周侧倾斜的第一锥部和第二锥部，所述第二锥部的倾斜角度θ2比所述第一锥部的倾斜角度θ1大，所述第二锥部的外周侧端部相比所述第一锥部的外周侧端部向外周侧突出0.005～0.05mm，而且，提供一种减少摩擦而能提高燃油经济性的长寿命的锥面形压力环，为此，由所述线材制造，在第二锥部具有研磨加工面，所述研磨加工面相比所述第一锥部的外周侧端部沿半径方向突出0.001～0.048mm。

Description

锥面形压力环用线材及锥面形压力环

技术领域

本发明涉及内燃机、压缩发动机等使用的活塞环，尤其是涉及用于制造具有锥形状的外周面的锥面形压力环的线材及锥面形压力环。

背景技术

在内燃机的活塞装配有3～4个活塞环。上部的2～3个活塞环被称为压力环，具有保持燃烧室与曲轴室的气密并将活塞的热量向气缸传递而进行散热的功能。而且，下部的1～2个活塞环被称为油环，在气缸内表面形成油膜，且具有将过剩的油刮落的功能。

在压力环中，已知有具有锥形状的外周面的锥面形活塞环，具有如下特征：通过适当的锥角度θ的设定，将在活塞的下降行程时附着于气缸套或气缸的内壁(以下称为“气缸内壁”)的油刮落，并且在上升行程时通过锥面与气缸内壁间的楔形效果而形成油膜。由于这样的特征，因此主要被广泛地使用作为机动车发动机的第二环(第二压力环)或第三环(第三压力环)。

在锥面形压力环中，如上所述，需要具备气密性比以往充分的油控制功能，为此，从初期磨合的时刻起长期维持锥面形状至关重要。实际上，如图4所示，锥面形压力环20具有锥角度θ、环宽度h1的截面。通常，为了提高初期磨合性，在制造的最终工序中，在具有与环标称直径相等的内径的套筒内进行研磨，在环外周面1形成带状的接触面4。虽然也依赖于成形后的环的正圆度(向与环的标称直径相等的正圆套筒内插入时的环的正圆度)等的制作结果，但是接触面虽然只要进行长时间研磨就必然能够形成，但是相反也可能会使接触宽度增加。这种情况下，实质上向气缸壁面的压紧力(面压)下降，也会导致油消耗的增加。而且，虽然也与环的张力相关，但是接触宽度的增加会导致摩擦的增加，从而也会使燃油经济性恶化。在制造活塞环的方面，从品质方面出发，要求可靠地得到规定的接触宽度L’的研磨面，从成本面出发，要求缩短研磨时间。

日本特开2002-323133公开了一种为了实现研磨等的加工时间的缩短而将上述的接触面(在专利文献1中记载为平坦面)预先设于线材的情况。而且，作为平坦面的宽度而公开了0.05～0.3mm。然而，实际情况是，即使从一开始在线材上存在平坦面，根据如前述那样成形后的环的正圆度等的制作结果，也未必能可靠地得到规定的接触宽度的研磨面并缩短研磨时间。

发明内容

发明要解决的课题

本发明为了解决上述问题而作出，其课题是提供一种锥面形压力环用线材，其在锥面形压力环的制造工序中，不增加外周面的接触宽度而能够均匀且迅速地形成初期磨合面(接触面)。而且，课题是提供一种长寿命的锥面形压力环，其减小接触宽度，即使对应于发动机行驶距离而磨损发展也能抑制接触宽度的扩大，因而减少活塞环外周面与气缸套壁面之间的摩擦而提高燃油经济性。

用于解决课题的方案

在本发明中，基本上是想到了如下情况：在环用线材的成为环的外周面的锥面上形成第二锥部，该第二锥部形成有接触面，由此可靠地形成规定的接触宽度的研磨面且能够缩短研磨时间。

在没有第二锥部的以往的锥面形压力环中，当锥角度(锥部的倾斜角度θ)小时，根据微小的研磨量(研磨加工产生的去除量)而接触宽度会产生较大的变动，难以得到初期的均匀的活塞环面压。另一方面，当锥角度θ大时，在活塞的上升行程时，将附着于气缸壁的油拢起，油消耗变大。在这样的观点上，在本发明者构思本发明之前的阶段，当形成锥角度θ大的第二锥部时，如前述那样预想到使油消耗显著恶化的情况。然而，在本发明中，努力研究的结果是，想到了如下情况：通过将线材的第二锥部的向外周侧的突出量H设为0.005～0.05mm的范围，将加工成环之后的第二锥部的向半径方向(即外周侧)的突出量H’设定为0.001～0.048mm的范围，由此能够得到不会使油消耗恶化，而且通过研磨加工，能够可靠且迅速地形成规定的接触宽度的接触面，能够长期抑制磨损宽度的扩大，并能够维持规定的面压的长寿命的锥面形压力环。

即，本发明的锥面形压力环用线材是锥面形压力环的制造所使用的长条状的线材，其特征在于，在成为环的外周面的面具有彼此相邻且向外周侧倾斜的第一锥部和第二锥部，所述第二锥部的倾斜角度θ2比所述第一锥部的倾斜角度θ1大，所述第二锥部的外周侧端部相比所述第一锥部的外周侧端部向外周侧突出0.005～0.05mm。所述第一锥部的倾斜角度θ1优选为1～5°，所述第二锥部的倾斜角度θ2优选为3～10°。而且，所述第二锥部优选为环宽度尺寸h1的1/2以下。

而且，本发明的锥面形压力环用线材优选在由成为环的外周面的面和成为下表面的面所形成的角部具有台阶状或钩状的切除部。

另外，本发明的锥面形压力环的特征在于，在环外周面具有彼此相邻且向外周侧倾斜的第一锥部和第二锥部，所述第二锥部的倾斜角度θ2比所述第一锥部的倾斜角度θ1大，在所述第二锥部具有研磨加工面，所述研磨加工面相比所述第一锥部的外周侧端部沿半径方向突出0.001～0.048mm。所述第一锥部的倾斜角度θ1优选为1～5°的范围，所述第二锥部的倾斜角度θ2优选为3～10°的范围。而且，所述第二锥部优选为环宽度尺寸h1的1/2以下，所述研磨加工面优选具有0.005～0.3mm的接触宽度L’。

此外，本发明的锥面形压力环优选在由环的外周面和下表面所形成的角部具有台阶状或钩状的切除部。

发明效果

本发明的锥面形压力环用线材在成为环的外周面的第一锥部的下侧形成有第二锥部，因此在环的制造工序的研磨加工工序中，接触面形成于第二锥部。由于该第二锥部的存在，能够可靠且迅速地得到接触宽度进入到规定的范围的接触面。而且，由于该第二锥部的存在，成形后的环的相对于正圆度(精度)的研磨面的接触宽度或加工时间的灵敏度变得迟钝。而且，本发明的锥面形压力环由于形成规定的接触宽度L’的接触面，因此初期磨合所需的时间短，只要第二锥部存在，接触宽度就不会显著增加，因此实质上能够长期地维持向气缸壁的规定的面压，因而能够长期将油消耗量维持得较低。该能够将接触宽度维持得较小的功能尤其是在低张力规格的情况下能够减小摩擦力并对燃油经济性的提高作出较大贡献。

附图说明

图1(a)是表示本发明的锥面形压力环用线材的一例的剖视图。

图1(b)是在本发明的锥面形压力环的第二锥部的扩大剖视图中，在制造工序中对第二锥部进行研磨加工，形成宽度L’的接触面。

图2(a)是表示本发明的锥面形压力环用线材的另一例的剖视图，在由成为环的外周面的面和成为下表面的面所形成的角部形成台阶状的切除部。

图2(b)是表示本发明的锥面形压力环用线材的又一例的剖视图，在由成为环的外周面的面和成为下表面的面所形成的角部形成钩状的切除部。

图3是表示浮动套式摩擦测定用发动机的结构的概略图。

图4是表示以往的锥面形压力环的一例的剖视图。

具体实施方式

图1(a)是表示本发明的线材10的一实施方式的剖视图，图1(b)是在环制造工序中对第二锥部2进行研磨加工后的部分的放大图。在成为环的外周面的面上形成有彼此相邻且向外周侧倾斜的宽度M的第一锥部1和宽度L的第二锥部2。在此，第二锥部2的倾斜角度θ2比第一锥部1的倾斜角度θ1大。而且，成为外周面的面与成为上下表面的面之间的角部成形为倒角或圆角形状，尤其是第二锥部的下端优选尽量小的圆角形状(例如，R0.1mm)。在套筒中实施研磨加工时，第二锥部2优先与套筒内周面进行接触，在比较短的时间内形成宽度L’的接触面4。第二锥部2的外周侧端部A比第一锥部1的外周侧端部B更向外周侧突出，其突出量H设为0.005～0.05mm。当突出量H小于0.005mm时，由于研磨加工或在作为环的使用中，在短时间内第二锥部2会消失，在发动机运转中，在磨损发展的情况下，初期性能的维持变得困难，因此不优选。而且，在容易受到环的成形精度的影响的这一点上也不优选。当突出量H超过0.05mm时，由该线材制造出的环在活塞的上升行程中将附着于气缸壁的油拢起，使油消耗增加。突出量H优选为0.01～0.04mm。而且，第一锥部1的倾斜角度θ1优选为1～5°，第二锥部2的倾斜角度θ2优选为3～10°。而且，第二锥部2的轴向宽度L也优选为环宽度尺寸h1的1/2以下。而且，θ1/θ2更优选满足0.1～0.6的关系。

本发明的锥面形压力环用线材通过轧辊成形或基于模具的拉制加工来制造，但是在上述的特征部分以外，能够适用压力环通常所使用的截面形状。例如，能够在由成为环的外周面的面和成为下表面的面所形成的角部设置台阶状(刮油环)或钩状(讷氏环)的切除部。而且也可以适用产生“扭转”的上表面(下表面)内斜面或上表面(下表面)内台阶等的截面形状。如果考虑线材的成形工序，只要没有规格上的限制，角部就优选形成为倒角形状或圆形形状。图2(a)是表示本发明的线材的剖视图的例子，是在由成为环的外周面的面1～2和成为环的下表面的面6所形成的角部形成有台阶状(刮油环)的切除部7的例子，图2(b)是在角部形成有钩状(讷氏环)的切除部7的例子。

本发明的锥面形压力环将上述那样的线材成形为环形状，进行了侧面磨削、开口间隙磨削等加工之后，在具有与环标称直径相等的内径的套筒内进行研磨加工，在环外周面的第二锥部2形成带状的接触面4。为此，当然必须使第二锥部2的倾斜角度θ2大于第一锥部1的倾斜角度θ1。第一锥部1的倾斜角度θ1优选处于1～5°的范围，所述第二锥部2的倾斜角度θ2优选处于3～10°的范围。关于上述的线材，通常进行约0.002～0.01mm的去除量的研磨加工，因此研磨加工后残留于环的第二锥部2的研磨加工面从第一锥部的外周侧端面B沿半径方向以0.001～0.048mm的突出量H’突出。若突出量H’小于0.001mm，即，若在外周面几乎未残留第二锥部2，则在发动机运转中磨损发展的情况下，初期性能的维持变得困难，因此不优选。当突出量H’超过0.048mm时，在活塞的上升行程中，将附着于气缸壁的油拢起，会使油消耗增加。突出量H’优选为0.01～0.04mm。

本发明的锥面形压力环的第二锥部2的轴向宽度L与线材同样优选为环宽度尺寸h1的1/2以下。而且，研磨加工后的接触面4优选具有0.005～0.30mm的接触宽度L’。通过将研磨加工面的接触宽度L’调整成该范围，能够将环的向气缸壁的面压维持得较高，能够将油消耗维持得较低。当然，在低张力规格的情况下，能够将摩擦维持得较低并能够对燃油经济性的提高作出贡献。

本发明的锥面形压力环与本发明的线材同样，除了上述的特征部分以外，能够适用压力环通常所使用的截面形状。例如，能够在由环的外周面和下表面所形成的角部设置台阶状(刮油环)或钩状(讷氏环)的切除部。而且，也可以适用产生“扭转”的上表面(下表面)内斜面或上表面(下表面)内台阶等的截面形状。

实施例1(E1)及比较例1(C1)

作为实施例1，使用相当于JIS的钢种类SWOSC-V的钢材，通过轧辊成形及拉制成形来制作如下的宽度约1mm、厚度约2.3mm的锥面形压力环用线材10：在成为环的外周面的面的外周侧具有以倾斜角度2.5°(θ1)倾斜的第一锥部1和相邻且以倾斜角度5°(θ2)倾斜的第二锥部2，且第二锥部的外周侧端部相对于第一锥部的外周侧端部的突出量H为0.010mm。线材的成为环的上表面的面和成为外周面的面的角部3为比较大的倒角形状，第二锥部2的下端5为R0.1mm。而且，作为比较例1，使用相同钢材制作了具有以倾斜角度2.5°(θ1)倾斜的第一锥部但没有第二锥部的相同宽度尺寸、相同厚度尺寸的线材。由这些线材，作为标称直径(d1)71mm、宽度(h1)1.0mm、厚度(a1)2.3mm的锥面形压力环20，在进行了侧面加工、开口加工之后，使用71mm的内径的正圆套筒进行了研磨加工。在实施例1中，以使基于研磨的接触宽度L’成为0.074mm的方式调整了研磨条件。而且，在比较例1的不具有第二锥部2的线材中，以相同研磨条件得到了接触宽度0.302mm的研磨加工面。研磨加工面当然也影响到第二锥部下端5的圆角形状的部分。需要说明的是，作为表面处理，进行了整面磷酸锌处理。

实机试验(油消耗量的测定)

接着，将上述的锥面形压力环20作为第二环，使用1升3气缸的汽油发动机，以规定的运转条件，进行了200小时的实机试验，测定了油消耗量(LOC：Lubrication Oil Consumption)。顶环及油环使用了所用的发动机用的结构。实机试验进行2次，作为油消耗量而使用了2次的平均值。当比较例1的油消耗量设为100时，实施例1的油消耗量为50.5。

摩擦力测定试验(摩擦损失的测定)

为了确认本发明的锥面形压力环(第二环)的摩擦损失减少效果，将固定了顶环及油环的规格的活塞环组(顶环、第二环、油环)装入浮动套式摩擦测定用发动机，通过摩擦平均有效压力(FMEP：FrictionMean Effective Pressure)评价了摩擦损失。与活塞环进行滑动的对方构件使用铸铁气缸套，使用了面粗糙度以十点平均粗糙度(Rz)计为2～4μm的结构。图3是表示浮动套式摩擦测定用发动机的结构的图。通过与气缸套结合的载荷测定用传感器8测定了装配于活塞的活塞环沿上下方向滑动时向气缸套施加的摩擦力。在浮动套式摩擦测定用发动机中测定摩擦损失时的试验条件如以下所示。设比较例1的FMEP为100时，实施例1的FEMP为63.0。需要说明的是，环的张力在顶环、第二环、油环处分别设定为3N、2N、15N。

试验条件：

发动机转速：2000rpm

负载：15N·m

润滑油温度：87℃

试验时间：10小时

实施例2～18(E1～E18)及比较例2～5(C2～C5)

除了第一锥部和第二锥部的各倾斜角度、第二锥部的外周侧端部相对于第一锥部的外周侧端部的突出量H(因此，第二锥部的宽度L也)如表1所示那样进行了变更以外，与实施例1同样，制作了锥面形压力环用线材10，制作了锥面形压力环20。研磨加工也通过与实施例1同样的方法，以成为表1所示的接触宽度的方式调整去除量，对于实机试验及摩擦力测定试验也与实施例1同样地进行。关于试验结果，实施例1及比较例1的数据也一并表示在表1中。

[表1]

*由于在C1不存在第二锥部，因此接触面处于第一锥部。

实施例1～18及比较例2～5都具有第二锥部(3～10°的锥角度)，但是实施例1～18的第二锥部2的外周侧端部相对于第一锥部的外周侧端部的突出量H为0.005～0.050mm，相对于此，比较例2为0.08mm，比较例3为0.10mm，比较例4为0.60mm，比较例5为0.070mm。比较例2～4将研磨加工后的接触宽度L’抑制成0.116～0.175mm，预想到相对于气缸壁的面压维持得较高，但是第二锥部2的半径方向突出量H’残留得较大，因此尽管为较高的面压，也成为与以往例子(比较例1)大致同样的油消耗量。实施例1～18中，第二锥部的外周侧端部相对于第一锥部的外周侧端部的半径方向突出量H及H’进入规定的范围，且基于研磨加工的接触宽度L’也抑制成0.051～0.270mm，因此相对于比较例1，摩擦(FMEP)为8～54％，油消耗量为11～59％，得到了显著的改善。

Claims (7)

1.一种锥面形压力环用线材，是锥面形压力环的制造所使用的长条状的线材，其特征在于，

在成为环的外周面的面上具有彼此相邻且向外周侧倾斜的第一锥部和第二锥部，所述第二锥部的倾斜角度θ2比所述第一锥部的倾斜角度θ1大，所述第二锥部的外周侧端部相比所述第一锥部的外周侧端部向外周侧突出0.005～0.05mm，

所述第一锥部的倾斜角度θ1为1～5°，所述第二锥部的倾斜角度θ2为3～10°。

2.根据权利要求1所述的锥面形压力环用线材，其特征在于，

所述第二锥部的轴向宽度为环宽度尺寸h1的1/2以下。

3.根据权利要求1或2所述的锥面形压力环用线材，其特征在于，

在由成为环的外周面的面和成为下表面的面所形成的角部具有台阶状或钩状的切除部。

4.一种锥面形压力环，其特征在于，

在环外周面具有彼此相邻且向外周侧倾斜的第一锥部和第二锥部，所述第二锥部的倾斜角度θ2比所述第一锥部的倾斜角度θ1大，在所述第二锥部具有研磨加工面，所述研磨加工面相比所述第一锥部的外周侧端部沿半径方向突出0.001～0.048mm，

所述第一锥部的倾斜角度θ1处于1～5°的范围，所述第二锥部的倾斜角度θ2处于3～10°的范围。

5.根据权利要求4所述的锥面形压力环，其特征在于，

所述第二锥部的轴向宽度为环宽度尺寸h1的1/2以下。

6.根据权利要求4或5所述的锥面形压力环，其特征在于，

所述研磨加工面具有0.005～0.30mm的接触宽度。

7.根据权利要求4或5所述的锥面形压力环，其特征在于，

在由环的外周面和下表面所形成的角部具有台阶状或钩状的切除部。