CN107208794A

CN107208794A - 活塞环

Info

Publication number: CN107208794A
Application number: CN201680006521.5A
Authority: CN
Inventors: 藤田正显
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2017-09-26
Also published as: US20180017159A1; WO2016121483A1; JP6473335B2; EP3252351A4; JP2016138629A; US10415704B2; EP3252351A1

Abstract

提供一种通过防止顶环的颤振而能够充分地抑制窜气量和油的消耗量的活塞环。活塞环具备环状的主体部(2)，主体部(2)具有：彼此相对的侧面(2a)和侧面(2b)；及彼此相对的内周面(2c)及外周面(2d)，其中，在主体部(2)，在由侧面(2b)与外周面(2d)形成的角部(31)设置切口部(21)。切口部(21)具有朝向外周面(2d)侧的第一面(21a)和朝向侧面(2b)的第二面(21b)。由第一面(21a)与侧面(2b)形成的角度(θ1)为钝角，由第二面(21b)与外周面(2d)形成的角部(32)在主体部(2)的宽度方向上位于侧面(2b)与侧面(2a)之间。

Description

活塞环

技术领域

本发明涉及内燃机等使用的活塞环，尤其是涉及配置在顶环与油环之间的活塞环。

背景技术

汽车等的内燃机使用的活塞环设置于例如活塞外周面的环槽，具有抑制液压缸内壁的油从曲轴室侧进入燃烧室侧的情况(油上升)和窜气从燃料室侧进入曲轴室侧的情况的功能。作为具有这样的功能的活塞环，存在例如专利文献1记载的活塞环。该以往的活塞环也称为第二道环，具有设置于外周面中的上侧面侧的锥形部和与活塞的轴向平行的平坦部。并且，由锥形部与平坦部形成的角部及由平坦部与下侧面形成的角部分别成为带有圆角的形状。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-169388号公报

发明内容

发明要解决的课题

上述那样的第二道环在活塞的压缩行程中，随着环的惯性力而从环槽的下表面向上表面移动。通过该第二道环的移动，由顶环、第二道环、活塞及液压缸内壁形成的空间(第二槽脊)的压力下降，顶环与环槽的下表面紧贴。由此，发挥油上升及窜气量的抑制作用。

然而，伴随着近年来的发动机的高性能化，取代以往的铸铁制的第二道环而使用钢制的第二道环。钢制的第二道环如果因薄幅化而其惯性重量下降，则在压缩行程时，无法进行以往那样的第二道环的从环槽下表面向上表面的移动。

这样第二道环不从环槽的下表面向上表面移动的情况下，第二槽脊的压力无法充分下降，顶环不会紧贴于环槽的下表面，可能会产生该顶环的上浮现象(颤振)。当颤振产生时，可能会产生导致窜气量的增大和第二槽脊内的气体及油雾的逆流引起的油消耗量的增大的问题。

本发明的目的在于提供一种通过防止顶环的颤振而能够充分地抑制窜气量和油的消耗量的活塞环。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本发明的一形态的活塞环具备环状的主体部，该主体部具有：彼此相对的上侧面和下侧面；及彼此相对的内周面及外周面，在主体部，在由下侧面与外周面形成的第一角部设置切口部，切口部具有朝向外周面侧的第一面和朝向下侧面的第二面，由第一面与下侧面形成的角度θ1为钝角，由第二面与外周面形成的第二角部在主体部的宽度方向上位于下侧面与上侧面之间。

在该活塞环中，在由主体部的下侧面与外周面形成的第一角部设有切口部。例如在活塞的压缩行程中，利用第二角部从液压缸内壁刮掉的油经由该切口部向下侧面与环槽的下表面之间流入。此时，在该活塞环中，由下侧面与切口部中的朝向外周面侧的第一面形成的角度θ1成为钝角，因此上述油容易流入到下侧面与环槽的下表面之间。由此，活塞环下侧面与活塞槽下表面之间的附着力减弱而容易分离，因此在活塞的压缩行程中，即使因薄幅化而环的惯性力下降，也容易产生活塞环的从环槽的下表面向上表面的移动。通过将这样的活塞环使用于例如顶环与油环之间的第二道环，在活塞的压缩行程中，由顶环、第二道环、活塞及液压缸内壁形成的空间(第二槽脊)的压力充分下降，能够防止顶环的颤振。由此，能够充分地抑制窜气量和油的消耗量。

另外，上述活塞环也可以为第二道环。这种情况下，能够充分地抑制窜气量和油的消耗量。

另外，由第一面与第二面形成的角度θ2也可以为钝角。这种情况下，能抑制朝向下侧面与环槽的下表面之间流动的油停滞在切口部内的情况，该油更容易流入到下侧面与环槽的下表面之间。而且，用于形成切口部的工具的前端成为钝角，切口部的加工变得容易。

另外，由第一面与宽度方向的面形成的角度θ3也可以大于由第二面与下侧面形成的角度θ4。这种情况下，切口部内的油的流动难以受到第一面的阻碍，该油更容易流入到下侧面与环槽的下表面之间。而且，用于形成切口部的工具的前端成为钝角，切口部的加工变得容易。

另外，由下侧面与第一面形成的第三角部也可以为带有圆角的形状。这种情况下，朝向下侧面与环槽的下表面之间流动的油容易流动，在活塞的压缩行程中，从环槽的下表面向上表面的第二道环的移动容易产生。

另外，由第一面与第二面形成的第四角部也可以为带有圆角的形状。这种情况下，第四角部周边的油的流动变得良好，随着油惯性的从环槽的下表面向上表面的第二道环的移动容易产生。

另外，第二角部也可以为带有圆角的形状。这种情况下，能够抑制第二角部的破裂等，并能够防止液压缸内壁的仅特定的部分损伤的情况。

另外，在外周面也可以形成有硬质被膜。这种情况下，硬质被膜不会阻碍切口部内的油的流动，能够进一步确保主体部的耐磨损性及耐擦伤性。

发明效果

根据本发明的一形态，能够提供一种通过防止顶环的颤振而能够充分地抑制窜气量和油的消耗量的活塞环。

附图说明

图1是本发明的本实施方式的第二道环的立体图。

图2是图1的II-II线向视剖视图。

图3是表示使用了比较例的第二道环的活塞的动作的一例的示意图。

图4是表示使用了本实施方式的第二道环的活塞的动作的一例的示意图。

图5是本发明的变形例的第二道环的主体部的剖视图。

图6是本发明的变形例的第二道环的主体部的剖视图。

图7是本发明的变形例的第二道环的主体部的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图，详细地说明本发明的优选的实施方式。需要说明的是，在以下的说明中，对于同一要素或具有同一功能的要素，使用同一标号，省略重复的说明。

图1是本实施方式的活塞环的立体图。图1所示的活塞环例如在汽车的内燃机中被使用作为设置于活塞外周面的环槽的第二道环。在该第二道环1中，外周面2d相对于液压缸内壁进行滑动，由此发挥抑制液压缸内壁的油从曲轴室侧向燃烧室侧的进入(油上升)和窜气从燃料室侧向曲轴室侧的进入的功能。

第二道环1具有环状的主体部2和形成在主体部2的一部分上的开口部3。主体部2具有：宽度方向的端面即彼此相对的侧面(上侧面)2a及侧面(下侧面)2b；厚度方向的端面即彼此相对的内周面2c及外周面2d。该主体部2使用例如含有多个金属元素的铸铁或钢(steel)，以充分的强度、耐热性及弹性形成。而且，也可以对主体部2的表面实施基于例如硬质铬镀敷层、PVD层或铁的氮化物层等的表面改性。通过将这样的表面改性层(表面处理膜)至少形成于侧面2b，能够提高主体部2相对于活塞的环槽的耐磨损性。

开口部3是主体部2的一部分被截断而成的部分。开口部3作为使用第二道环1时的以第二道环1与液压缸之间的温度差为起因的主体部2的热膨胀部分的避让部发挥作用。在本实施方式中，例示出开口端面3a相对于内周面2c及外周面2d垂直地形成的直角开口。然而，也可以是开口端面3a相对于内周面2c及外周面2d倾斜地形成的倾斜开口，还可以是以一方的开口端面3a的侧面2a和另一方的开口端面的侧面2b侧相互向对方侧突出的方式形成的阶梯开口。

接下来，更详细地说明上述的主体部2。图2是图1的II-II线向视剖视图，是沿着第二道环1的径向的主体部2的剖视图。如图2所示，主体部2的外周面2d呈从侧面2a朝向侧面2b而向外方侧倾斜的形状(锥形形状)。即，外周面2d越接近侧面2b而越向外方侧倾斜。通过外周面2d具有这样的形状，该外周面2d在相对于液压缸内壁进行滑动时能够良好地刮掉液压缸内壁上的油。主体部2的内周面2c相对于侧面2a及侧面2b大致垂直。主体部2的各尺寸及角度可以使用接触式或非接触式(例如激光)的形状测定装置(包括表面粗糙度测定装置)进行测定。

如图2的假想线所示，在主体部2，在由侧面2b与外周面2d形成的角部(第一角部)31遍及整周地设有切口部21。即，切口部21设置在侧面2b侧且外周面2d侧的主体部2的一部分。例如通过切削用、磨削用或研磨用的工具等，对于侧面2b侧且外周面2d侧的主体部2的一部分遍及整周地进行切口，由此形成切口部21。而且，也可以通过轧制或拉深加工等对主体部2的上述一部分进行塑性加工，来形成作为切口部21的部分。

切口部21具有朝向外周面2d侧的第一面21a和朝向侧面2b的第二面21b。第一面21a在沿着径向的主体部2的剖面中，与外周面2d不平行。第一面21a从侧面2b朝向第二面21b而向外方侧倾斜。由第一面21a与侧面2b形成的角部(第三角部)33成为钝角。角度θ1成为例如90°～135°。

第二面21b在沿着径向的主体部2的剖面中，与侧面2b大致平行。第二面21b与第一面21a形成作为钝角的角度θ2的角部(第四角部)34。例如角度θ2成为90°～135°。需要说明的是，例如在第一面21a上形成表面处理膜的情况下，角度θ2相当于从表面处理膜的表面至第二面21b的角度。

由第二面21b与外周面2d形成的角部(第二角部)32在主体部2的宽度方向上位于侧面2a与侧面2b之间。角部32位于主体部2的宽度方向的中央侧，偏向侧面2b侧。

接下来，说明将本实施方式的活塞环作为第二道环1而实际装配于活塞的环槽时的作用效果。

图3是表示使用了比较例的活塞环的活塞的动作的一例的示意图。如图3(a)～图3(c)所示，在设置于比较例的活塞40的环槽41～43中分别装配有顶环102、第二道环101及油环103。顶环102、第二道环101及油环103分别与液压缸内壁45进行滑动接触。该比较例的第二道环101除了由侧面2b与切口部121的第一面121a形成的角度θ11成为直角以下的情况以外，具有与本实施方式的第二道环1相同的形状。

在将这样的第二道环101装配于环槽42的情况下，在图3(a)～(c)所示的活塞40的压缩行程中，液压缸内壁45的油被角部32刮掉，油通过惯性力而向箭头44所示的方向流动。该油被切口部121的第一面121a遮挡，难以流入到侧面2b与环槽42的下表面42a之间。

此时，在活塞的压缩行程中，第二道环101的侧面2b与环槽42的下表面42a的附着力比第二道环101的惯性力强，因此有时会产生不从环槽42的下表面42a向上表面42b移动的现象。在该现象产生的情况下，伴随着燃烧时的燃烧室S2的压力上升，由顶环102、第二道环101、活塞40及液压缸内壁45形成的空间(第二槽脊)S1的压力也上升，在图3(c)所示的活塞的压缩行程的后半，空间S1的压力比燃烧室S2的压力升高。需要说明的是，在第二道环101薄幅化时及第二道环101为钢制时，第二道环101的惯性重量减少，因此上述现象特别容易产生。

在活塞的压缩行程的后半而空间S1的压力比燃烧室S2的压力升高时，顶环102未紧贴于环槽41的下表面41a，可能会产生顶环102的上浮现象(颤振)。当颤振产生时，会导致窜气量的增大及空间S1内的气体及油雾的逆流引起的油消耗量的增大。

另一方面，图4是表示使用了本实施方式的活塞环的活塞的动作的一例的示意图。如图4(a)～(c)所示，在第二道环1中，由侧面2b与切口部21的第一面21a形成的角度θ1成为钝角。由此，在图4(a)～(c)所示的活塞40的压缩行程中，利用角部32从液压缸内壁45刮掉的油经由切口部21而容易流入到侧面2b与环槽42的下表面42a之间。在活塞40的压缩行程中，如箭头46所示，通过向第二道环1的侧面2b与环槽42的下表面42a之间导入油而第二道环1相对于环槽42的附着力减弱。由此，容易产生第二道环1的从环槽42的下表面42a向上表面42b的移动。通过使用这样的第二道环1，从而在活塞40的压缩行程中，空间S1的压力充分下降，能够防止顶环102的颤振。由此，能够充分地抑制窜气量和油的消耗量。

另外，在第二道环1中，由第一面21a与第二面21b形成的角度θ2成为钝角。这种情况下，能抑制朝向侧面2b与环槽42的下表面42a之间流动的油停滞在切口部21内的情况，该油更容易流入到侧面2b与环槽42的下表面42a之间。而且，能够容易地准备用于形成切口部21的工具，因此切口部21的加工变得容易。

接下来，说明上述实施方式的变形例。

例如，在上述实施方式中，例示了在主体部2的表面上未形成保护膜等的第二道环，但是也可以如图5所示，在主体部2的外周面2d上和切口部21的第一面21a上及第二面21b上形成硬度比主体部2高的硬质被膜51。通过将该硬质被膜51设置在外周面2d上及第一面21a上，能够进一步确保主体部2的耐磨损性及耐擦伤性。硬质被膜51的厚度为例如0.5μm～40μm。因此，例如即使在第一面21a上设有硬质被膜51的情况下，硬质被膜51也不会阻碍切口部21内的油的流动。需要说明的是，外周面2d上的硬质被膜51的膜厚比第一面21a上的硬质被膜51的膜厚大。

硬质被膜51只要仅设置在外周面2d上或第一面21a上的一方即可，也可以不设置在第二面21b上。而且，硬质被膜51除了外周面2d上或第一面21a上的至少一个之外，也可以设置于侧面2a、2b上、内周面2c上及第二面21b上的至少一个。即，硬质被膜也可以设置在主体部2及切口部21的表面的任意的部位。通过在主体部2的表面形成硬质被膜51，能够进一步确保主体部2的规定的表面的耐磨损性及耐擦伤性。需要说明的是，第二面21b上的硬质被膜51的膜厚可以比外周面2d上的硬质被膜51的膜厚及第一面21a上的硬质被膜51的膜厚小，也可以与第一面21a上的硬质被膜的膜厚相同。

硬质被膜51使用例如利用了物理蒸镀(PVD)法的被膜(PVD层)。更具体而言，硬质被膜51是通过Ti及Cr的至少一方及C、N、O的至少一种形成的离子镀膜。作为这样的膜，可列举例如Ti-N膜、Ti-C-N膜、Cr-N膜、Cr-C-N膜及Cr-O-N膜。其中，在重视耐磨损性及耐擦伤性的情况下，优选使用Cr-N膜。而且，为了提高主体部2与硬质被膜51的紧贴性，也可以对主体部2实施Cr膜或Ti膜等的底涂层。此外，也可以使用DLC(类金刚石碳)膜，为了提高初期磨合性，也可以在CrN系离子镀膜或TiN系离子镀膜上包覆DLC膜。

另外，如图6所示，切口部21A的第二面21b与主体部2A的侧面2b不平行。在主体部2A中，由第二面21b(更准确而言，从第二面21b向外方侧延伸的面54)与侧面2b(更准确而言，从侧面2b侧向外方侧延伸的面53)形成的角度θ4小于由第一面21a与宽度方向的面52形成的角度θ3。由此，与图2所示的主体部2同样，角度θ2维持在钝角的范围。这种情况下，切口部21A内的油的流动难以受到第一面21a的阻碍，该油容易流入到侧面2b与环槽42的下表面42a(参照图4)之间。而且，能够容易地准备用于形成切口部21A的工具，因此切口部21A的加工变得容易。需要说明的是，宽度方向的面52是在图6所示的沿着径向的主体部2A的剖面中，从第一面21a与第二面21b的交点沿着宽度方向延伸的假想的面。而且，角度θ4成为例如0°～30°。

在图6所示的主体部2A的情况下，在主体部2A的宽度方向上，角部32相比角部34而位于侧面2b侧。由此，主体部2A的厚度方向上的角部32的突出量比图1所示的主体部2的角部32大，主体部2A对油的刮掉性能进一步提高。

另外，如图7所示，主体部2B的角部32A～34A也可以分别是带有圆角的形状。这种情况下，在图7所示的沿着径向的主体部2B的剖面中，角部32A的曲率半径R1为例如1μm～100μm，角部33A的曲率半径R2为例如100μm～500μm，角部34A的曲率半径R3为例如100μm～500μm。由于角部32A为带有圆角的形状，因此能够抑制角部32A的破裂等，并能够防止液压缸内壁的仅特定的部分损伤的情况。由于角部33A为带有圆角的形状，朝向侧面2b与环槽42的下表面42a(参照图4)之间流动的油容易流动，随着油惯性的从环槽42的下表面42a向上表面42b的第二道环1的移动更可靠地产生。由于角部34A为带有圆角的形状，因此角部34A周边的油的流动变得良好，随着油惯性的从环槽42的下表面42a向上表面42b的第二道环1的移动更可靠地产生。

上述的各构成要素可以任意组合。例如，也可以将图5所示的硬质被膜51设置在图6所示的主体部2A及图7所示的主体部2B的表面。而且，图1所示的主体部2的角部32～34也可以是带有圆角的形状。

另外，本实施方式的活塞环除了第二道环以外，例如也可以使用作为柴油发动机的第三道环。

标号说明

1…第二道环，2、2A、2B…主体部，2a、2b…侧面，2c…内周面，2d…外周面，21、21A…切口部，21a…第一面，21b…第二面，31～34、32A～34A…角部，51…硬质被膜，52～54…面。

Claims

1.一种活塞环，具备环状的主体部，该主体部具有：彼此相对的上侧面和下侧面；及彼此相对的内周面及外周面，其中，

在所述主体部，在由所述下侧面与所述外周面形成的第一角部设置切口部，

所述切口部具有朝向所述外周面侧的第一面和朝向所述下侧面的第二面，

由所述第一面与所述下侧面形成的角度θ1为钝角，

由所述第二面与所述外周面形成的第二角部在所述主体部的宽度方向上位于所述下侧面与所述上侧面之间。

2.根据权利要求1所述的活塞环，其中，

所述活塞环为第二道环。

3.根据权利要求1或2所述的活塞环，其中，

由所述第一面与所述第二面形成的角度θ2为钝角。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的活塞环，其中，

由所述第一面与所述宽度方向的面形成的角度θ3大于由所述第二面与所述下侧面形成的角度θ4。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的活塞环，其中，

由所述下侧面与所述第一面形成的第三角部为带有圆角的形状。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的活塞环，其中，

由所述第一面与所述第二面形成的第四角部为带有圆角的形状。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的活塞环，其中，

所述第二角部为带有圆角的形状。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的活塞环，其中，

在所述外周面形成有硬质被膜。