CN117836542A - 油环 - Google Patents
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Abstract
一种油环，具备：一对刮片环，以环状的线材为基材以沿油环的周长方向的方式形成，并相互独立地在所述油环的轴向上排列设置；以及间隔扩张器，配置于一对刮片环彼此之间，与一对刮片环中的在内燃机中位于曲柄室侧的下侧刮片环的基材相比，一对刮片环中的在内燃机中位于燃烧室侧的上侧刮片环的基材的耐磨损性高。
Description
技术领域
本发明涉及具备一对刮片环的油环。
背景技术
普通汽车所搭载的内燃机采用将包括压缩环(压力环)和油环的活塞环(环状构件的一个例子)的组合装接于活塞的环槽而得到的构成。压缩环具有：通过保持气密来抑制燃烧气体从燃烧室侧向曲柄室侧流出(漏气)的气封功能、通过刮落油环未刮落尽的多余的油来抑制机油损失的油封功能。油环具有：通过将附着在气缸内壁面的多余的发动机油(润滑油)向曲柄侧刮落来抑制油向燃烧室侧的流出(机油损失)的油封功能、通过调整油量以使润滑油膜适当地保持在气缸内壁面上来防止伴随内燃机的运转的压缩环、活塞的烧结的功能。
在此，作为油环，广泛使用将相互独立地在油环的轴向上排列设置并且在气缸内壁面上滑动的一对刮片环(也称为侧轨)和设于一对刮片环彼此之间并且对一对刮片环向气缸的内壁面施力的间隔扩张器组合而成的三件的组合油环。与此相关，在专利文献1中公开了一种油环，该油环通过使一对刮片环中设于燃烧室侧的上侧刮片环与设于曲柄室侧的下侧刮片环的外周面形状不同，来减少油消耗量和摩擦力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2019/008780号
专利文献2：日本特开2019－124288号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在具备上下一对刮片环的油环的情况下，由于配置于燃烧室侧的上侧刮片环与配置于曲柄室侧的下侧刮片环相比在更恶劣的状况下滑动，因此有上侧刮片环比下侧刮片环更容易磨损的倾向。当由于长期的使用而上侧刮片环的上表面磨损较大时，环槽的上槽壁与上侧刮片环的间隙(侧隙)会扩大，因此油环的油封功能可能会降低。
本发明是鉴于上述的问题而完成的，其目的在于提供一种在具备一对刮片环的油环中，能防止油封功能的降低的技术。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明采用了以下的构成。即，本发明是一种油环，组装于内燃机中的活塞，具备：一对刮片环，以环状的线材为基材以沿所述油环的周长方向的方式形成，并相互独立地在所述油环的轴向上排列设置；以及间隔扩张器，配置于所述一对刮片环彼此之间，与所述一对刮片环中的在所述内燃机中位于曲柄室侧的下侧刮片环的基材相比，所述一对刮片环中的在所述内燃机中位于燃烧室侧的上侧刮片环的基材的耐磨损性高。
根据本发明，通过使配置于燃烧室侧的上侧刮片环的基材的耐磨损性高于配置于曲柄室侧的下侧刮片环的基材的耐磨损性，能减少在比下侧刮片环更恶劣的状况下滑动的上侧刮片环的磨损。其结果是，能防止油封功能的降低。
此外，在本发明中，也可以是，所述上侧刮片环的基材的硬度比所述下侧刮片环的基材的硬度高。
此外，在本发明中，也可以是，所述上侧刮片环的基材的硬度比所述下侧刮片环的基材的硬度高30Hv以上。
此外，在本发明中，也可以是，所述上侧刮片环的基材的表面中的碳化物占有面积率比所述下侧刮片环的基材的表面中的碳化物占有面积率高。
此外，在本发明中，也可以是，所述上侧刮片环的基材的材料与所述下侧刮片环的基材的材料不同。
发明效果
根据本发明，在具备一对刮片环的油环中，能防止油封功能的降低。
附图说明
图1是具备实施方式的油环的内燃机的局部剖视图。
图2是表示往复活动摩擦试验机的构成的示意图。
图3是表示磨损量比的图表。
图4是表示磨损量比的图表。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的优选的实施方式进行说明。需要说明的是，只要没有特别记载，以下的实施方式中记载的构成就不意味着将本发明的技术范围仅限定于它们。
[整体构成]
图1是具备实施方式的油环40的内燃机100的局部剖视图。在图1中，图示了与油环40的周长方向正交的截面。如图1所示，在内燃机100中，在气缸10的内壁面10a与装接于气缸10的活塞20的外周面20a之间预留规定的分离距离，由此形成活塞间隙PC1。此外，在活塞20的外周面20a形成有具有大致矩形的截面的环槽30。环槽30具有：上壁301，形成于燃烧室侧；下壁302，形成于曲柄室侧并与上壁301对置；以及连接壁303，连接上壁301和下壁302的内周缘彼此。本实施方式的油环40装接于该环槽30。
油环40通过装接于环槽30而组装于活塞20，是伴随活塞20的往复运动在气缸10的内壁面10a上滑动的滑动构件。油环40是所谓的三件式的组合油环，如图1所示，具备一对刮片环1、2和间隔扩张器3。
以下，如图1所示，将沿油环40的中心轴的方向(轴向)定义为“上下方向”。此外，在油环40的轴向中，将内燃机100中的燃烧室侧(图1中的上侧)定义为“上侧”，将其相反侧即曲柄室侧(图1中的下侧)定义为“下侧”。此外，在以下的油环40的说明中，只要没有特别指定，“周长方向”是指油环40的周长方向，“径向”是指油环40的径向，“轴向”是指油环40的轴向。此外，在本说明书中，将如图1所示在装接于内燃机的气缸的活塞上组装有油环的状态称为“使用状态”。此外，在本说明书中，“筒形形状”是指包括在活塞环中成为最大直径的顶部且以向径向外侧呈凸状的方式弯曲的面形状，设为包括顶部位于环的轴向宽度中的中央的“对称筒形形状”、顶部位于比环的轴向宽度中的中央更靠曲柄室侧的“偏心筒形形状”。此外，在本说明书中，“锥形形状”是指以随着趋向曲柄室侧而扩径的方式倾斜的面形状。
一对刮片环1、2以沿油环40的周长方向的方式形成为环状，并相互独立地在轴向上分离设置。如图1所示，作为一对刮片环1、2的一方的上侧刮片环1在内燃机100中设于上侧(燃烧室侧)，作为一对刮片环1、2的另一方的下侧刮片环2在内燃机100中设于下侧(曲柄室侧)。
如图1所示，上侧刮片环1包括由刮片环用的线材形成为环状而成的基材1a和成膜于基材1a的外周面的外周覆膜1b而构成。上侧刮片环1具有：外周面11、内周面12、上表面13以及下表面14。在外周面11形成有外周覆膜1b。由上表面13和下表面14规定上侧刮片环1的轴向上的宽度。上侧刮片环1设为在使用状态下上表面13与环槽30的上壁301对置，以外周面11为滑动面在气缸10的内壁面10a上滑动。
如图1所示，下侧刮片环2包括由刮片环用的线材形成为环状而成的基材2a和成膜于基材2a的外周面的外周覆膜2b而构成。下侧刮片环2具有：外周面21、内周面22、上表面23以及下表面24。在外周面21形成有外周覆膜2b。由上表面23和下表面24规定下侧刮片环2的轴向上的宽度。下侧刮片环2设为在使用状态下下表面24与环槽30的下壁302对置，以外周面21为滑动面在气缸10的内壁面10a上滑动。
如图1所示，间隔扩张器3设于一对刮片环1、2之间，具有自张力以便在使用状态下扩径。因此，上侧刮片环1和下侧刮片环2被间隔扩张器3向径向的外侧施力，上侧刮片环1的外周面11和下侧刮片环2的外周面21按压气缸10的内壁面10a。由此，得到油封功能，并以存在于气缸10的内壁面10a的发动机油成为适当的厚度的方式形成油膜。需要说明的是，本发明的间隔扩张器的形状没有特别的限定。
如图1所示，在本实施方式的油环40中，将一对刮片环1、2的外周面11、21设为摩擦力低的对称筒形形状。不过，在本发明中，一对刮片环的形状并不限于图1所示的形状。例如，也可以在一对刮片环中，将位于上侧的上侧刮片环的外周面设为刮油性能优良的偏心筒形形状，将位于下侧的下侧刮片环的外周面设为摩擦力低的对称筒形形状，也可以将两方的外周面设为偏心筒形形状。由此，能在抑制摩擦力的增加的同时减少内燃机100的油消耗量。此外，也可以将上侧刮片环的外周面设为对称筒形形状，将下侧刮片环的外周面设为偏心筒形形状。此外，也可以将上侧刮片环1的外周面11设为刮油性能优良的锥形形状，也可以将两方的外周面设为锥形形状。此外，也可以将上侧刮片环的外周面设为锥形形状，将下侧刮片环的外周面设为对称筒形形状。
本实施方式的油环40使上侧刮片环1的基材1a与下侧刮片环2的基材2a不同。更具体而言，基材1a的材料与基材2a的材料互不相同。上侧刮片环1的基材1a以SWRH72A为材料形成，其硬度为450Hv以上550Hv以下。另一方面，下侧刮片环2的基材2a以SUS440B为材料形成，其硬度为300Hv以上420Hv以下。基材1a的硬度比基材2a的硬度高，其差为30Hv以上150Hv以下。不过，刮片环的基材的材料不限于上述材料。作为刮片环的基材的材料，可以例示出SUS、SWRH等。此外，也可以使用马氏体系不锈钢、硅铬钢、铝合金等作为基材的材料。该情况下的基材1a与基材2a的硬度之差可以为270Hv以下，可以为200Hv以下，也可以为180Hv以下。
本例的外周覆膜1b和外周覆膜2b形成为耐磨损性高的DLC处理覆膜。需要说明的是，外周覆膜并不限于DLC处理覆膜，也可以形成为包括氮化处理覆膜、镀Ni－P处理覆膜、镀铬处理覆膜、PVD处理覆膜以及DLC处理覆膜中的至少任一层的硬质覆膜。需要说明的是，也可以使上侧刮片环1的外周覆膜1b和下侧刮片环2的外周覆膜2b的构成不同。此外，在本发明中，外周覆膜不是必须的构成，上侧刮片环、下侧刮片环中的任一方或两方也可以不具有外周覆膜。此外，也可以在上侧刮片环1的轴向端面(上表面13、下表面14)、下侧刮片环2的轴向端面(上表面23、下表面24)形成有包括涂膜、树脂覆膜、化成处理覆膜、氧化处理覆膜、氮化处理覆膜、镀Ni－P处理覆膜、镀铬处理覆膜、PVD处理覆膜以及DLC处理覆膜中的至少任一层的表面处理覆膜。需要说明的是，“涂膜”是指通过涂料(paint)的涂布形成的膜。此外，“树脂覆膜”是指由树脂材料形成的覆膜。作为“涂膜”、“树脂覆膜”的例子，可以举出由水性或油性的树脂涂料形成的树脂涂膜等。“化成处理覆膜”是指通过化成处理形成的覆膜。作为化成处理的例子，可以举出四氧化三铁处理(发黑)、磷酸盐处理、铬酸盐处理等。此外，作为磷酸盐处理的例子，可以举出磷酸锰处理、磷酸锌处理、磷酸铁处理等。“氮化处理覆膜”是指通过氮化处理使氮渗透到金属表面而形成的覆膜。“氧化处理覆膜”是指通过氧化处理使金属表面氧化而形成的覆膜。作为氧化处理的例子，可以举出氧化铝膜处理等。“镀Ni－P处理覆膜”是指通过无电解镀Ni－P形成的覆膜。此外，“镀铬处理覆膜”是指通过镀铬形成的覆膜。镀铬也被称为工业用镀铬。此外，“PVD(physical vapor deposition：物理气相沉积)处理覆膜”是指通过PVD法形成的覆膜。此外，“DLC(Diamond Like Carbon：类金刚石碳)处理覆膜”是指主要由烃、碳的同素异形体构成的非晶质的硬质碳覆膜。
[关于耐磨损性]
一般来说，在具备上下一对刮片环的油环的情况下，与配置于曲柄室侧的下侧刮片环相比，配置于燃烧室侧的上侧刮片环在更恶劣的状况下滑动，因此有上侧刮片环比下侧刮片环更容易磨损的倾向。因此，当由于长期的使用而上侧刮片环的上表面(燃烧室侧的面)磨损较大时，环槽的上槽壁与上侧刮片环的间隙(侧隙)会扩大，因此油环的油封功能会降低，内燃机的高速旋转区域处的油消耗恐怕会增大。
对此，本实施方式的油环40使基材1a与基材2a的材料不同，以使配置于燃烧室侧的上侧刮片环1的基材1a的耐磨损性高于配置于曲柄室侧的下侧刮片环2的基材2a的耐磨损性。具体而言，将基材1a的材料设为SWRH72A，并将下侧刮片环2的基材2a的材料设为SUS440B，由此使基材1a的硬度高于基材2a的硬度。由此，能减少上侧刮片环1的磨损，防止油封功能的降低。
通过使用往复活动摩擦试验机的往复活动摩擦试验，对刮片环的基材的耐磨损性进行了评价。图2是表示往复活动摩擦试验机的构成的示意图。由往复活动摩擦试验机进行的往复活动摩擦试验使用图2中示出概要的销盘(pin on plate)式往复活动摩擦试验机来进行。往复活动摩擦试验时使用的上试验片是模拟刮片环的基材的销，销的材料使用与刮片环用线材相同的材料。需要说明的是，用于该上试验片的销的直径为8mm，销的顶端部(滑动面)使用以曲率半径成为18mm的方式进行了镜面抛光的构件。此外，下试验片使用模拟活塞的盘(与AC8A材料相当)。
在往复活动摩擦试验中，利用活动块使下试验片产生行程，由此使下试验片相对于上试验片滑动。使用管式泵、空气分配器对上试验片与下试验片的滑动界面供给润滑油。此时的试验条件如下所示。
＜试验条件＞
·行程：50mm
·载重：50N
·速度：200cycle/min
·润滑油：0W－20
将模拟上侧刮片环1的基材1a的销设为上试验片A，将模拟下侧刮片环2的基材2a的销设为上试验片B，分别进行往复活动摩擦试验，对磨损量进行了比较。上试验片A的材料使用与基材1a相同的SWRH72A，上试验片B的材料使用与基材2a相同的SUS440B。图3是表示往复活动摩擦试验的结果的图表，是表示磨损量比的图表。测定的结果是，上试验片A与上试验片B的磨损量比如图3所示，为上试验片A：上试验片B＝0.2：1.0。由此可知，上侧刮片环1的基材1a的耐磨损性高于下侧刮片环2的基材2a的耐磨损性。
[作用/效果]
如上所述，本实施方式的油环40使一对刮片环1、2的基材的材料互不相同，以使上侧刮片环1的基材1a的耐磨损性高于下侧刮片环2的基材2a的耐磨损性。具体而言，将基材1a的材料设为比作为基材2a的材料的SUS系材料硬度高的SWRH系材料。通过使基材1a的耐磨损性高于基材2a的耐磨损性，能减少上侧刮片环1的磨损，能防止油封功能的降低。根据这样的特性，实施方式的油环40能适用于汽油发动机、使用了刮片环与环槽的内壁直接接触的机会多的低粘度油的发动机。不过，应用本发明的油环的内燃机并不限定于这些。在此，本实施方式的油环40使上侧刮片环1的基材1a的材料与下侧刮片环2的基材2a的材料不同来使基材1a的硬度高于基材2a的硬度，由此使基材1a的耐磨损性高于基材2a的耐磨损性。基材1a与基材2a的硬度差没有特别的限定，但优选如本实施方式的油环40那样，使上侧刮片环1的基材1a的硬度比下侧刮片环2的基材2a的硬度高30Hv以上。此外，在本实施方式的油环40中，通过使一对刮片环1、2的基材的材料不同，从而使一对刮片环1、2的表面颜色互不相同。由此，能提高一对刮片环1、2的辨别性。
[变形例]
以下，对实施方式的变形例进行说明。在以下的说明中，以与上述的油环的不同点为中心进行说明，对同样的构成省略详细的说明。
[变形例1]
变形例1的油环40使上侧刮片环1的基材1a的材料和下侧刮片环2的基材2a的材料相同，并且使一对刮片环1、2的基材的硬度互不相同，以使上侧刮片环1的基材1a的耐磨损性高于下侧刮片环2的基材2a的耐磨损性。在变形例1的情况下，例如，能通过使热处理的方法不同来使硬度不同。根据变形例1，通过使上侧刮片环1的基材1a的硬度高于下侧刮片环2的基材2a的硬度，能提高上侧刮片环1的耐磨损性，能防止油封功能的降低。基材1a与基材2a的硬度差没有特别的限定，但优选使上侧刮片环1的基材1a的硬度比下侧刮片环2的基材2a的硬度高30Hv以上。
[变形例2]
使一对刮片环1、2的基材表面中的碳化物占有面积率(碳化物析出率)互不相同，以使变形例2的油环40的上侧刮片环1的基材1a的耐磨损性高于下侧刮片环2的基材2a的耐磨损性。碳化物占有面积率是指碳化物在刮片环的表面所占的面积的比率。碳化物占有面积率例如通过在利用马布尔(Marble)试剂进行刻蚀处理后利用金属显微镜获取基材表面的图像，将获取到的图像二值化，计算白色部分的面积率而得到。不过，碳化物占有面积率的计算方法并不限于此。
在变形例2中，上侧刮片环1的基材1a和下侧刮片环2的基材2a使用碳含量和铬含量不同的不锈钢。更具体而言，上侧刮片环1的基材1a以作为含有较多铬的马氏体系不锈钢的17铬SUS材料为材料，下侧刮片环2的基材2a以作为铬含量稍少的不锈钢的13铬SUS材料为材料。不过，本发明的刮片环的材料并不限于此。在变形例2中，利用上述的计算方法，上侧刮片环1的基材1a的碳化物占有面积率为7.2％～15.3％，下侧刮片环2的基材2a的碳化物占有面积率为0.2％～2.0％。就是说，在变形例2中，上侧刮片环1的基材1a的碳化物占有面积率比下侧刮片环2的基材2a的碳化物占有面积率高，其差为5.2％以上。
需要说明的是，在变形例2中，上侧刮片环1的基材1a和下侧刮片环2的基材2a的材料也可以相同。在使基材1a和基材2a的材料相同的情况下，例如，通过使热处理的方法不同，能改变碳化物的大小，使碳化物占有面积率不同。此外，也可以通过在上侧刮片环1和下侧刮片环2使基材的材料互不相同来使碳化物占有面积率互不相同。
如上所述，在变形例2中，使一对刮片环1、2的基材互不相同，以使上侧刮片环1的基材1a的碳化物占有面积率高于下侧刮片环2的基材2a的碳化物占有面积率。通过使上侧刮片环1的基材1a的碳化物占有面积率高于下侧刮片环2的基材2a的碳化物占有面积率，能提高上侧刮片环1的耐磨损性，防止油封功能的降低。需要说明的是，基材1a与基材2a的碳化物占有面积率的差没有特别限定。此外，在变形例2中，通过使一对刮片环1、2的基材表面中的碳化物占有面积率不同，从而使一对刮片环1、2的表面颜色互不相同。由此，能提高一对刮片环1、2的辨别性。
通过上述的往复活动摩擦试验，对变形例2的刮片环的基材的耐磨损性进行了评价。将模拟上侧刮片环1的基材1a的销设为上试验片C，将模拟下侧刮片环2的基材2a的销设为上试验片D，分别进行往复活动摩擦试验，对磨损量进行了比较。上试验片C的材料使用了与基材1a相同的17铬SUS材料，上试验片D的材料使用了与基材2a相同的13铬SUS材料。此外，利用上述的计算方法，将上试验片C的碳化物占有面积率设为7.2％～15.3％，将上试验片D的碳化物占有面积率设为0.2％～2.0％，以使碳化物占有面积率的差成为5.2％以上。图4是表示往复活动摩擦试验的结果的图表，是表示磨损量比的图表。如图4所示，得到了碳化物占有面积率大的上侧刮片环1的上试验片C的耐磨损性高于下侧刮片环2的上试验片D的耐磨损性的结果。
＜其他＞
以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但上述的各种方式可以尽可能地组合。
附图标记说明：
100：内燃机；
10：气缸；
20：活塞；
30：环槽；
40：油环；
1：上侧刮片环；
2：下侧刮片环；
3：间隔扩张器；
1a、2a：基材。
Claims (5)
1.一种油环，组装于内燃机中的活塞，具备：
一对刮片环，以环状的线材为基材以沿所述油环的周长方向的方式形成，并相互独立地在所述油环的轴向上排列设置；以及间隔扩张器，配置于所述一对刮片环彼此之间，
与所述一对刮片环中的在所述内燃机中位于曲柄室侧的下侧刮片环的基材相比，所述一对刮片环中的在所述内燃机中位于燃烧室侧的上侧刮片环的基材的耐磨损性高。
2.根据权利要求1所述的油环，其中，
所述上侧刮片环的基材的硬度比所述下侧刮片环的基材的硬度高。
3.根据权利要求1或2所述的油环，其中，
所述上侧刮片环的基材的硬度比所述下侧刮片环的基材的硬度高30Hv以上。
4.根据权利要求1所述的油环，其中，
所述上侧刮片环的基材的表面中的碳化物占有面积率比所述下侧刮片环的基材的表面中的碳化物占有面积率高。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的油环，其中，
所述上侧刮片环的基材的材料与所述下侧刮片环的基材的材料不同。
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