DE112019005540T5

DE112019005540T5 - Kolbenring

Info

Publication number: DE112019005540T5
Application number: DE112019005540.2T
Authority: DE
Inventors: Kyoichi Ikeya; Ofuyu Sakai; Makoto Kajiwara
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-07-15
Also published as: US20220003316A1; JP7219776B2; CN112969873B; JP2022109981A; CN112969873A; US11739840B2; JPWO2020095807A1; WO2020095807A1

Abstract

Es wird ein Kolbenring für einen Verbrennungsmotor und insbesondere ein zweiter Kompressionsring vorgesehen, der eine hervorragende Verschleißbeständigkeit aufweist und sowohl einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch als auch eine effiziente Verbrennung erzielen kann. Das oben beschriebene Problem wird durch einen Kolbenring (1) für einen Verbrennungsmotor gelöst, der eine sich verjüngende Form einschließlich einer Umfangsfläche (14), die von einem oberen Ende zu einem unteren Ende allmählich nach außen vorsteht, und eine Radialquerschnittform eines Napier-Rings aufweist. Die Umfangsfläche (14) besteht aus einem Außenkantenendteil (14b), der eine sich nicht verjüngende Form aufweist und als eine Außengleitfläche in einen Gleitkontakt mit einem komplementären Material kommt, einem Außenumfang-Verjüngungsteil (14a), der mit einem vorbestimmten Verjüngungswinkel (a) über dem Außenkantenendteil (14b) ausgebildet ist, einem gekrümmten Flächenteil (14c), der einen sich von dem Außenkantenendteil (14b) zu einem unteren Ende in einer Axialrichtung allmählich nach innen verkleinernden Durchmesser aufweist, und einem unteren Endteil (14d), der einen Abschnitt des gekrümmten Flächenteils (14c) bildet. Die Distanz (d2) zwischen einer Position (A) des Außenendkantenteils (14b) und einer Position (C) des unteren Endteils (14d) in einer Ringaxialrichtung liegt im Bereich von 0,001 mm bis 0,05 mm, und die Kontaktbreite (d1) des Außenkantenendteils (14b) in der Ringaxialrichtung liegt im Bereich von 0,01 mm bis 0,3 mm.

Description

ERFINDUNGSFELD
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring für einen Verbrennungsmotor und insbesondere einen Kolbenring, der als ein zweiter Kompressionsring für einen Verbrennungsmotor verwendet wird.
STAND DER TECHNIK
In den letzten Jahren haben Umweltprobleme wie etwa die Klimaerwärmung weltweit zunehmend Beachtung gefunden. Für eine Reduktion der CO₂-Emissionen in die Atmosphäre muss auch der Kraftstoffverbrauch von Motoren reduziert werden. Und für eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs muss die Reibungskraft während des Gleitens von Kolbenringen an Zylinderlaufbuchsen reduziert werden. Außerdem muss mit der Entwicklung von höheren Motorleistungen ein Kolbenring eine bessere Qualität aufweisen und müssen die Gleiteigenschaften (wie etwa die Verschleißbeständigkeit, die Fresssicherheit usw.) verbessert werden. Vor diesem Hintergrund wurden Fortschritte bei der Entwicklung von Kolbenringen, die eine hervorragende Verschleißbeständigkeit und Fresssicherheit aufweisen und die Reibungskraft maximal reduzieren können, bei der Entwicklung einer Oberflächenbehandlungstechnologie für derartige Kolbenringe und bei der Entwicklung einer Oberflächenmodifikationstechnologie usw. erzielt.
Allgemein ist ein Kolben für einen Verbrennungsmotor mit drei Kolbenringen ausgestattet, nämlich mit einem ersten Kompressionsring und einem zweiten Kompressionsring, die als Kompressionsringe dienen, und mit einem Ölring. Ein dem JIS-Standard SUS 440 entsprechendes Stahlmaterial, das ein martensitischer Edelstahl ist, oder ähnliches wird in dem ersten Kompressionsring verwendet, der einer rauen Umgebung ausgesetzt wird. Im Gegensatz dazu wird ein Edelstahlmaterial, das ungefähr 9 bis 14 Massenprozent Cr enthält, in dem zweiten Kompressionsring verwendet, der einer kleinen thermischen Last und einer kleinen Drucklast ausgesetzt wird. Um einen Kolbenring zu erhalten, der auch dann vorteilhafte Gleiteigenschaften aufweist, wenn sich die thermische Last oder die Drucklast bei einer höheren Ausgabe wie oben beschrieben erhöht, ist es üblich, eine Nitrierungsbehandlung an einem Kolbenring-Basismaterial durchzuführen.
Wenn wenigstens eine Umfangsgleitfläche des Kolbenring-Basismaterials einer Nitrierungsbehandlung unterworfen wird, ist jedoch das Problem gegeben, dass die dimensionale Genauigkeit des Kolbenring-Basismaterials vermindert wird und eine Bearbeitung nach der Nitrierungsbehandlung sehr schwierig ist. Außerdem ist bei einer Nitrierungsbehandlung der Nachteil gegeben, dass hierfür viele Bearbeitungsprozesse durchgeführt werden müssen und die Kosten deshalb entsprechend hoch sind.
Um diese Probleme zu beseitigen, wird zum Beispiel in dem Patentdokument 1 ein Kolbenring vorgeschlagen, der aus einem Kohlenstoffstahlmaterial ausgebildet wird, das C: 0,50 bis 0,75 Massenprozent, Si: 0,15 bis 0,35 Massenprozent, Mn: 0,61 bis 0,95 Massenprozent, P: 0,03 Massenprozent oder weniger, S: 0,03 Massenprozent oder weniger und einen Rest aus Fe und unvermeidlichen Verunreinigungen enthält. In dem Patentdokument 1 schlägt der Anmelder vor, dass wenigstens eine Umfangsgleitfläche des zweiten Kompressionsrings einer Nitrierungsbehandlung oder einer Hartverchromung alternativ zu der Nitrierungsbehandlung unterworfen wird.
Weiterhin wird in dem Patentdokument 2 ein Kolbenring vorgeschlagen, der aus einem Kohlenstoffstahlmaterial ausgebildet wird, das Cr: 9,0 Massenprozent bis 11,0 Massenprozent und C: 0,45 Massenprozent bis 0,55 Massenprozent enthält, wobei eine Nitrierungsdiffusionsschicht mit einer Härte von 700 HV (0,05) oder mehr und mit einer Tiefe von 2 µm bis 25 µm an einer oberen Fläche, einer unteren Fläche, einer Umfangsfläche und einer inneren Fläche ausgebildet wird. Der in dem Patentdokument 2 vorgeschlagene Kolbenring wird als ein zweiter Kompressionsring ausgebildet. Dann wird das Kolbenring-Basismaterial durch das Kohlenstoffstahlmaterial mit der oben genannten Zusammensetzung ausgebildet, um eine dünne Nitrierungsdiffusionsschicht gleichmäßig und ohne Unregelmäßigkeiten um den gesamten Ring herum auszubilden und dabei die Erzeugung einer weißen Schicht zu unterdrücken. Deshalb ist ein Schleifen nach der Nitrierung unnötig, wodurch die Kosten beträchtlich reduziert werden.
Weiterhin wird in dem Patentdokument 3 ein Kolbenring für einen Verbrennungsmotor und insbesondere ein zweiter Kompressionsring vorgesehen, der eine hervorragende Verschleißbeständigkeit aufweist und mit geringen Kosten ausgebildet werden kann. Der Kolbenring wird derart ausgebildet, dass die Umfangsflächenform eine sich verjüngende Fläche ist und eine Querschnittform in der Radialrichtung ein rechteckiger Ring, ein Abstreifring oder ein Napier-Ring ist, und umfasst ein Kolbenring-Basismaterial und einen harten Film, der auf wenigstens einer Umfangsgleitfläche des Kolbenring-Basismaterials vorgesehen ist. Das Kolbenring-Basismaterial besteht aus einem niedriglegierten Stahl oder einem Kohlenstoffstahl mit einer Vickers-Härte von HV 350 bis HV 550. Die Umfangsgleitfläche ist mit einer sich verjüngenden Form ausgebildet, die von einem oberen Ende zu einem unteren Ende des Kolbenring-Basismaterials allmählich nach außen vorsteht, und ist derart ausgebildet, dass eine Länge in einer Axialrichtung zwischen einem Außenkantenendteil der sich verjüngenden Umfangsgleitfläche und einer imaginären Linie tangential zu einer unteren Endfläche oder einem unteren Endteil, wo eine gekrümmte Fläche einen sich von dem Außenkantenendteil zu einem unteren Ende in einer Axialrichtung parallel zu einer unteren Ringfläche allmählich nach innen verkleinernden Durchmesser aufweist, 0,01 mm bis 0,30 mm beträgt.
DOKUMENTE AUS DEM STAND DER TECHNIK
Patentdokumente

Patentdokument 1: Offen gelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2002-194500
Patentdokument 2: Offen gelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2007-270880
Patentdokument 3: Internationale Veröffentlichung WO2012/118036

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Problemstellung
Die Erfindungen des Patentdokuments 1 und des Patentdokuments 2 sind hervorragend, weil sie eine Ausbildung eines Kolbenrings für einen Verbrennungsmotor mit einer Verschleißbeständigkeit und einer hohen Festigkeit bei geringen Kosten ermöglichen. In dem Patentdokument 3 wird ein Kolbenring mit einer hervorragenden Verschleißbeständigkeit und geringen Kosten ausgebildet, ohne dass hierfür das Kolbenring-Basismaterial einer Nitrierungsbehandlung unterworfen wird.
Neben einer Reduktion des Kraftstoffverbrauchs in Fahrzeugen muss auch die Ölabstreiffunktion verbessert werden und außerdem ein Öllecken in andere Verbrennungsteile vermindert werden, um eine effiziente Verbrennung zu realisieren. Wenn jedoch die Kontaktbreite eines Ölring-Außenkantenendteils (auch als Kontaktfläche bezeichnet), der in Kontakt mit einer Zylinderlaufbuchse kommt, groß ist, wird der Kontaktdruck vermindert, was zu einem niedrigeren Kraftstoffverbrauch beiträgt, wobei jedoch ein Öllecken wahrscheinlich ist und die Verbrennungseffizienz beeinträchtigt ist. Wenn dagegen die Kontaktbreite des Außenkantenendteils klein ist, wird der Kontaktdruck größer und wird der Beitrag zu einem niedrigen Kraftstoffverbrauch verkleinert, wobei jedoch das Öllecken weniger wahrscheinlich ist und die Verbrennungseffizienz verbessert ist. Es wäre wünschenswert, eine gute Lösung für alle diese Anliegen zu finden.
Die vorliegende Erfindung nimmt auf die vorstehend geschilderten Probleme Bezug, wobei es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Kolbenring für einen Verbrennungsmotor und insbesondere einen zweiten Kompressionsring vorzusehen, der eine hervorragende Verschleißbeständigkeit aufweist und sowohl einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch als auch einen niedrigeren Schmierölverbrauch erzielen kann.
Problemlösung
Ein Kolbenring gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Kolbenring für einen Verbrennungsmotor, der derart geformt ist, dass er eine sich verjüngende Form einschließlich einer Umfangsfläche, die von einem oberen Ende zu einem unteren Ende allmählich nach außen vorsteht, und eine Radialquerschnittform eines Napier-Rings aufweist. Die Umfangsfläche besteht aus einem Außenkantenendteil, der eine sich nicht verjüngende Form aufweist und als eine Umfangsgleitfläche in einen Gleitkontakt mit einem komplementären Material kommt, einem Außenumfang-Verjüngungsteil, der mit einem vorbestimmten Verjüngungswinkel über dem Außenkantenendteil ausgebildet ist, einer gekrümmten Fläche, die einen sich von dem Außenkantenendteil zu einem unteren Ende in einer Axialrichtung allmählich nach innen verkleinernden Durchmesser aufweist, und einem unteren Endteil, der einen Abschnitt des gekrümmten Flächenteils bildet. Eine Distanz d2 zwischen einer Position des Außenkantenendteils und einer Position des unteren Endteils in einer Ringaxialrichtung liegt im Bereich von 0,001 mm bis 0,05 mm, und eine Kontaktbreite d1 des Außenkantenendteils in der Ringaxialrichtung liegt im Bereich von 0,01 mm bis 0,3 mm.
Gemäß der Erfindung liegt die Distanz d2 zwischen der Position des Außenkantenendteils und der Position des unteren Endteils in der Ringaxialrichtung in dem oben beschriebenen Bereich und liegt die Kontaktbreite d1 des Außenkantenendteils in der Ringaxialrichtung in dem oben beschriebenen Bereich, sodass eine Beziehung zwischen einem Kontaktdruck und einer Öldichtung eingestellt werden kann und sowohl ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch als auch ein niedrigerer Schmierölverbrauch erzielt werden können.
In dem Kolbenring gemäß der Erfindung liegt d2/d3 im Bereich von 0,20 bis 1,20, wobei d3 die Distanz zwischen einer Position des Außenkantenendteils und einer Position des unteren Endteils in einer Ringradialrichtung ist.
In dem Kolbenring gemäß der Erfindung liegt die Distanz d3 zwischen der Position des Außenkantenendteils und der Position des unteren Endteils in der Ringradialrichtung im Bereich von 0,010 mm bis 0,050 mm.
In dem Kolbenring gemäß der Erfindung enthält wenigstens die Umfangsfläche eine harte Behandlungsschicht. Vorzugsweise werden derartige Behandlungen an der Umfangsfläche durchgeführt, wobei die Behandlungen jedoch nicht durchgeführt zu werden brauchen, solange die Umfangsfläche die oben beschriebene Umfangsflächenform aufweist.
In dem Kolbenring gemäß der Erfindung ist die harte Behandlungsschicht ein Chromnitrid-basierter Film, ein Chromplattierungsfilm, ein harter Kohlenstofffilm oder ein laminierter Film mit einem harten Kohlenstofffilm auf einem Chromnitrid-basierten Film.
Effekt der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Kolbenring für einen Verbrennungsmotor (insbesondere ein zweiter Kompressionsring) vorgesehen werden, der eine hervorragende Verschleißbeständigkeit aufweist und sowohl einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch als auch einen niedrigeren Schmierölverbrauch (LOC) erzielen kann.
Figurenliste

1A und 1B sind schematische Ansichten der Querschnittkonfiguration, die ein Beispiel eines Kolbenrings gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
2 ist eine vergrößerte Querschnittansicht eines Bereichs a des Kolbenrings von 1A und 1B.
3A und 3B sind Querschnittansichten, die ein anderes Beispiel eines Kolbenrings zeigen. 3A zeigt ein Formbeispiel, in dem eine harte Behandlungsschicht vor allem an einer Umfangsfläche vorgesehen ist, und 3B zeigt ein Formbeispiel, in dem die harte Behandlungsschicht auch in anderen Bereichen als der Umfangsfläche vorgesehen ist.

Ausführungsformen der Erfindung
Im Folgenden wird ein Kolbenring gemäß der Erfindung im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die hier beschriebenen und in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen beschränkt ist und der Erfindungsumfang auch andere Ausführungsformen umfasst.
[Kolbenring]
Ein Kolbenring 1 ist wie in 1A und 1B und 2 gezeigt ein Kolbenring für einen Verbrennungsmotor, der derart geformt ist, dass er eine sich verjüngende Form einschließlich einer Umfangsfläche 14, die von einem oberen Ende (der Seite einer oberen Fläche 11) zu einem unteren Ende (der Seite einer unteren Fläche 12) allmählich nach außen vorsteht, und eine Radialquerschnittform eines Napier-Rings aufweist. Die Umfangsfläche 14 besteht aus einem Außenkantenendteil 14b, der eine sich nicht verjüngende Form aufweist und als eine Umfangsgleitfläche in einen Gleitkontakt mit einer als einem komplementären Material dienenden Zylinderlaufbuchse kommt, einem Außenumfang-Verjüngungsteil 14a, der mit einem vorbestimmten Verjüngungswinkel α über dem Außenkantenendteil 14b ausgebildet ist, einem gekrümmten Flächenteil 14c, der einen sich von dem Außenkantenendteil 14b zu einem unteren Ende in einer Axialrichtung Y allmählich nach innen verkleinernden Durchmesser aufweist, und einem unteren Endteil 14d, der einen Abschnitt des gekrümmten Flächenteils 14c bildet. Die Distanz d2 zwischen einer Position A des Außenkantenendteils 14b und einer Position C des unteren Endteils 14d in einer Ringaxialrichtung Y liegt im Bereich von 0,001 mm bis 0,05 mm, und die Kontaktbreite d1 des Außenkantenendteils 14b in der Ringaxialrichtung Y liegt im Bereich von 0,01 mm bis 0,3 mm.
Der eine Napier-Ring-Form aufweisende Kolbenring 1 gemäß der Erfindung wird als ein zweiter Kompressionsring verwendet und ist ein Gleitglied, das in einer in der Umfangsfläche eines Kolbens (nicht gezeigt) ausgebildeten Kolbenringnut montiert ist und sich nach oben und unten bewegt, während es sich an einer Innenfläche der Zylinderlaufbuchse (nicht gezeigt) in Entsprechung zu einer Auf- und Abbewegung (einer Hin- und Herbewegung) des Kolbens bewegt.
Bei diesem Kolbenring 1 liegt die Distanz d2 zwischen der Position A des Außenkantenendteils 14b und der Position C des unteren Endteils 14d in der Ringaxialrichtung Y in dem oben beschriebenen Bereich und liegt die Kontaktbreite d1 des Außenkantenendteils 14b in der Ringaxialrichtung Y in dem oben beschriebenen Bereich, sodass die Beziehung zwischen einem Kontaktdruck und einer Öldichtung eingestellt werden kann und sowohl ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch als auch eine effiziente Verbrennung erzielt werden können.
Es ist zu beachten, dass sich hier „oben“ und „unten“ jeweils auf die beiden Enden der Umfangsfläche 14 in der Axialrichtung Y des Kolbenrings 1 (oder in der Breitenrichtung der Umfangsfläche 14) beziehen und die obere Seite und die untere Seite der Umfangsfläche 14 in einer Draufsicht von 1A und 1B angeben. Weiterhin sind unter der „oberen Fläche 11“ und „der unteren Fläche 12“ die Flächen auf beiden Seiten des Kolbenrings 1 in der Axialrichtung zu verstehen, wobei es sich jeweils um eine Fläche auf einer oberen Seite und eine Fläche auf einer unteren Seite in einer Draufsicht von 1A und 1B handelt. Weiterhin sind unter der „Umfangsfläche 14“ und der „Innenfläche 13“ jeweils Flächen auf beiden Seiten des Kolbenrings 1 in einer Radialrichtung X zu verstehen, wobei es sich jeweils um eine Gleitfläche auf einer linken Seite und eine Fläche auf einer rechten Seite in einer Draufsicht von 1A und 1B handelt. Weiterhin ist in dem Napier-Ring ein stufenförmiger Vertiefungsteil 15 mit einer ausgeschnittenen Form an der unteren Seite der Umfangsfläche vorgesehen. Weiterhin kann wie in 1B gezeigt ein Abschrägungsteil 16 in einem unteren Teil der Innenfläche 13 vorgesehen sein. Die „Axialrichtung“ ist eine Richtung entlang einer virtuellen Mittenachse des Kolbenrings und erstreckt sich in der Oben-Unten-Richtung von 1A und 1B.Die „Radialrichtung“ ist die Richtung zu einer virtuellen Mittenachse des Kolbenrings und erstreckt sich in der „Links-Rechts-Richtung“ von 1A und 1B.
Im Folgenden werden die verschiedenen Komponenten beschrieben.
<Außenform des Kolbenrings>
Der Kolbenring 1 ist derart geformt, dass eine Umfangsflächenform eine sich verjüngende Flächenform ist und eine Querschnittform in der Radialrichtung ein Napier-Ring ist. Die Querschnittform ist wie in 1A und 1B gezeigt eine sich verjüngende Form einschließlich der Umfangsform 14, die von der oberen Fläche 11 zu der unteren Fläche 12 allmählich nach außen vorsteht.
Die Umfangsfläche 14 besteht wie in 2 gezeigt aus dem Außenkantenendteil 14b, der eine sich nicht verjüngende Form aufweist und als die Umfangsgleitfläche in einen Kontakt mit der als das komplementäre Material dienenden Zylinderlaufbuchse kommt, dem Außenumfang-Verjüngungsteil 14a, der mit einem vorbestimmten Verjüngungswinkel α über dem Außenkantenendteil 14b ausgebildet ist, dem gekrümmten Flächenteil 14c, der einen sich von dem Außenkantenendteil 14b zu dem unteren Ende in der Axialrichtung allmählich nach innen verkleinernden Durchmesser aufweist, und dem unteren Endteil 14d, der einen Abschnitt des gekrümmten Flächenteils 14c bildet. Der stufenförmige Vertiefungsteil 15 ist in einem unteren Teil der Umfangsfläche 14 ausgebildet.
Der Außenumfangs-Verjüngungsteil 14a ist mit einem Neigungswinkel ausgebildet, der ein Verjüngungswinkel α von 0,5° bis 4° und vorzugsweise 1° bis 3° zu einer vertikalen Linie L1 parallel zu der Axialrichtung Y des Kolbenrings 1 ist. Dieser Außenumfangs-Verjüngungsteil 14a ist an den Außenkantenendteil 14b anschließend an einer Position über dem weiter unten beschriebenen Außenkantenendteil 14b in der Axialrichtung Y ausgebildet.
Der Außenkantenendteil 14b ist ein Abschnitt, der als eine „Kontaktbreite“ dient, die als die Umfangsgleitfläche in einen Gleitkontakt mit der als das komplementäre Material dienenden Zylinderlaufbuchse kommt und mit einer sich nicht verjüngenden Form ausgebildet ist. Unter der „sich nicht verjüngenden Form“ ist zu verstehen, dass der Verjüngungswinkel 0° zu der vertikalen Linie L1 parallel zu der Axialrichtung Y des Kolbenrings 1 ist. Gemäß der Erfindung liegt die Kontaktbreite des Außenkantenendteils 14b in der Ringaxialrichtung, d.h. die Distanz d1 zwischen der unteren Endposition (Koordinatenposition) A und der oberen Endposition (Koordinatenposition) B des Außenkantenendteils 14b (die Kontaktbreite des Außenkantenendteils in der Ringaxialrichtung Y), im Bereich von 0,01 mm bis 0,3 mm. Durch das Setzen der Distanz d1 in diesem Bereich können in Kombination mit einem weiter unten beschriebenen Bereich der Distanz d2 ein Kontaktdruck an der Zylinderlaufbuchse und eine Ölabstreifperformanz in gemäßigten Zuständen gehalten werden. Wenn die Distanz d1 kleiner als 0,01 mm ist, ist die Kontaktbreite unter Umständen zu klein, was eine unzureichende Folgefähigkeit in Bezug auf die Zylinderlaufbuchse zur Folge hat. Wenn dagegen die Distanz d1 größer als 0,3 mm ist, kann der Kontaktdruck unter Umständen zu klein werden, wodurch die Ölabstreifperformanz vermindert wird. Es ist zu beachten, dass hinsichtlich der Folgefähigkeit und der Ölabstreifperformanz ein bevorzugter Bereich zwischen 0,05 und 0,3 mm liegt.
Der gekrümmte Flächenteil 14c ist ein kontinuierlicher Abschnitt mit einem Durchmesser, der sich von dem Außenkantenendteil 14b zu dem unteren Ende (nach unten) in der Axialrichtung Y allmählich verkleinert.
Der untere Endteil 14d ist ein Teil, der einen Abschnitt des gekrümmten Flächenteils 14c bildet. In der vorliegenden Erfindung liegt die Distanz d2 zwischen der unteren Endposition (Koordinatenposition) A des Außenkantenendteils 14b und der Position (Koordinatenposition) C des unteren Endteils 14d in der Ringaxialrichtung Y im Bereich von 0,001 mm bis 0,05 mm. Durch das Setzen der Distanz d2 in diesem Bereich können in Kombination mit dem Bereich der oben beschriebenen Distanz d1 der Kontaktdruck an der Zylinderlaufbuchse und die Ölabstreifperformanz in gemäßigten Zuständen gehalten werden. Wenn die Distanz d2 kleiner als 0,001 mm ist, weist ein Ende eine spitzwinklige Form auf, sodass ein Absplittern auftreten kann. Wenn dagegen die Distanz d2 größer als 0,05 mm ist, kann sich die Ölabstreifperformanz verschlechtern.
Der Vertiefungsteil 15 ist ein Abschnitt, der durch das Ausschneiden eines unteren Endabschnitts (unteren Abschnitts) der Umfangsfläche 14 nach innen in der Radialrichtung (Radialrichtung X) ausgebildet wird. Der derart ausgeschnittene Vertiefungsteil 15 wird durch eine gekrümmte oder flache Fläche 15a auf der Seite der oberen Fläche und eine vertikale Fläche 15b auf der Seite der Radialrichtung in dem Vertiefungsteil 15 gebildet. Die gekrümmte oder flache Fläche 15a wird durch eine gekrümmte oder flache Fläche, die glatt an den unteren Endteil 14d anschließt, gebildet. Der Vertiefungsteil 15 ist in dem unteren Teil der Umfangsfläche 14 ausgebildet, sodass der Außenkantenendteil 14b, die gekrümmte Fläche 14c und der untere Endteil 14d auf der äußersten Seite der Umfangsfläche 14 in der Radialrichtung eine auch als Nasenteil bezeichnete Form aufweisen. Es ist zu beachten, dass die „gekrümmte oder flache Fläche 15a auf der oberen Flächenseite“ in den Beispielen von 1A und 1B, 2 und 3A und 3B eine gekrümmte Fläche ist, wobei die Fläche aber auch eine flache Fläche sein kann.
Die Distanz d3 ist eine Distanz zwischen einer Position (Koordinatenposition) D des Außenkantenendteils 14b und einer Position (Koordinatenposition) E des unteren Endteils 14d in der Ringradialrichtung X, wobei d2/d3 vorzugsweise im Bereich von 0,20 bis 1,20 liegt. Der Außenkantenendteil 14b weist als die Umfangsgleitfläche eine Kontaktbreite auf, die in einen Gleitkontakt mit der als das komplementäre Material dienenden Zylinderlaufbuchse kommt und die Ölabstreifperformanz durch den Kontaktdruck während des Gleitens an der Zylinderlaufbuchse aufrechterhält. Wenn die Kontaktbreite d1 des Außenkantenendteils 14b allmählich in dem Bereich von 0,01 mm bis 0,3 mm größer wird und die obere Grenze (0,3 mm) erreicht, wird der Kontaktdruck kleiner und neigt die Abstreifperformanz basierend auf dem Kontaktdruck zu einer Verschlechterung. Aber auch wenn d1 allmählich größer wird und der Kontaktdruck kleiner wird, kann durch das Setzen von d2/d3 in dem oben beschriebenen Bereich die Abstreifperformanz ohne eine Verschlechterung aufrechterhalten werden, obwohl der Kontaktdruck fluktuiert. Daraus resultiert, dass sowohl ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch als auch ein niedrigerer Schmierölverbrauch (LOC) erzielt werden können.
Es ist zu beachten, dass d3 vorzugsweise im Bereich von 0,010 mm bis 0,050 mm liegt. Durch das Setzen von d3 in diesem Bereich kann die Abstreifperformanz ohne eine Verschlechterung auch dann aufrechterhalten werden, wenn der Kontaktdruck fluktuiert.
Wie in 2 gezeigt, ist die gekrümmte oder flache Fläche 15a auf der Seite der oberen Fläche des Vertiefungsteils 15 mit einem Winkel θ von 15° ± 3° ausgebildet. Der Winkel θ ist ein Winkel (auch als „Napier-Winkel“ bezeichnet), der durch eine parallele Linie L2 (eine parallele Linie orthogonal zu der oben beschriebenen vertikalen Linie L1), die sich von dem unteren Endteil 14d in der Ringradialrichtung X erstreckt, und eine anfängliche Neigung der gekrümmten oder flachen Fläche 15a, die sich von dem unteren Endteil 14d vertieft, gebildet wird. Die anfängliche Neigung ist eine Neigung bei einer Distanz von ungefähr 0,2 mm bis 0,5 mm von dem unteren Endteil 14d des Vertiefungsteils 15.
<Kolbenring-Basismaterial>
Für das Kolbenring-Basismaterial 10 kann ein Kohlenstoffstahlmaterial, ein niedriglegiertes Stahlmaterial oder ein Federstahlmaterial verwendet werden. Es können auch andere Stahlmaterialien mit ähnlichen Eigenschaften wie denjenigen der oben genannten Stahlmaterialien verwendet werden. Beispiele für das Kohlenstoffstahlmaterial sind ein hartes Drahtmaterial wie insbesondere SWRH62A und SWRH62B gemäß den JIS-Standards und andere Stahlmaterialien mit ähnlichen Eigenschaften wie diese Stahlmaterialien. Beispiele für das niedriglegierte Stahlmaterial sind ein ölgehärteter Draht für Ventilfedern wie insbesondere SWOSC-V gemäß den JIS-Standards und andere Stahlmaterialien mit ähnlichen Eigenschaften wie diese Stahlmaterialien. Beispiele für das Federstahlmaterial sind SUP9, SUP10 und SUP11 gemäß den JIS-Standards und andere Stahlmaterialien mit ähnlichen Eigenschaften wie diese Stahlmaterialien.
Es ist zu beachten, dass gemäß der Erfindung vorzugsweise ein Kohlenstoffmaterial, ein niedriglegiertes Stahlmaterial oder ein Federstahlmaterial verwendet wird, das wenigstens C: 0,2 Massenprozent bis 1,0 Massenprozent enthält. Weiterhin kann Cr in einem Bereich von 0,5 Massenprozent bis 1,1 Massenprozent verwendet werden. Während ein derartiges Kolbenring-Basismaterial 10 vor allem aus einem Kohlenstoffstahlmaterial, das Eisen und unvermeidliche Verunreinigungen enthält, besteht, kann das Kolbenring-Basismaterial auch andere Elemente wie zum Beispiel Si und Mn in Abhängigkeit von der gewünschten Verwendung enthalten, wobei bei Bedarf auch weitere Elemente wie etwa Molybdän (Mo), Nickel (Ni) oder Vanadium (V) enthalten sein können.
Das Kolbenring-Basismaterial 10 wird bei Bedarf vorzugsweise durch eine lonenbeschussbehandlung gereinigt, bevor ein Grundfilm, ein harter Film oder ähnliches wie weiter unten beschrieben auf seiner Oberfläche ausgebildet wird. Durch diese Behandlung kann ein passiver Film wie etwa ein Oxidfilm oder ein Hydroxidfilm auf der Oberfläche des Kolbenring-Basismaterials 10 zerstört werden, wodurch die Fläche gereinigt wird. Die lonenbeschussbehandlung wird durchgeführt, indem eine Bogenentladung zwischen einem Ziel für die Ausbildung eines Grundfilms, eines harten Films oder von ähnlichem und einer Kathode erzeugt wird und die Fläche des Kolbenring-Basismaterials 10 mit ionisierten Metallionen bestrahlt wird.
Das Kolbenring-Basismaterial 10 wird vorzugsweise mit einer Härte in einem Bereich einer Vickers-Härte von HV 350 bis HV 550 ausgebildet. Wenn die Vickers-Härte in diesem Bereich gesetzt ist, kann eine vorteilhafte Funktion als ein zweiter Kompressionsring auch dann erfüllt werden, wenn eine thermische Last oder eine Drucklast groß wird. Wenn ein Film aus einer physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) oder einem diamantartigen Kohlenstoff (DLC) aufgetragen wird, wird der Kolbenring erhalten, indem die lonenbeschussbehandlung durchgeführt wird, während eine Temperatur aufrechterhalten wird, bei der die Härte des Kolbenring-Basismaterials 10 nicht beeinträchtigt wird. Dementsprechend wird die Härte eines derartigen Kolbenring-Basismaterials 10 auch nicht durch eine lonenbeschussbehandlung vor einer Ausbildung eines harten Films oder von ähnlichem beeinträchtigt, sodass also ein Kolbenring 1, in dem ein harter Film an dem Kolbenring-Basismaterial 10 mit einer vorteilhaften Haftung ausgebildet ist, erhalten werden kann.
<Harte Behandlungsschicht>
Gemäß der Erfindung wird eine harte Behandlungsschicht 20 vorzugsweise wenigstens auf der Umfangsfläche 14 des Kolbenring-Basismaterials 10 vorgesehen. Die Erfindung ist durch eine Außenform des Kolbenrings 1 gekennzeichnet, wobei wie in 3A und 3B gezeigt die Form nach dem Vorsehen der harten Behandlungsschicht 20, die ein Grundfilm, ein harter Film, ein harter Kohlenstofffilm oder ähnliches wie weiter unten beschrieben sein kann, lediglich die oben beschriebene kennzeichnende Form sein muss. Es kann also gesagt werden, dass der Kolbenring 1 mit der oben beschriebenen kennzeichnenden Außenform im Erfindungsumfang unabhängig davon, ob die harte Behandlungsschicht 20 vorgesehen ist oder nicht, enthalten ist. Dementsprechend ist auch der nicht mit der harten Behandlungsschicht 20 versehene Kolbenring 1 im Erfindungsumfang enthalten, solange die auf die Form bezogene Wirkung geleistet wird. Die „harte Behandlungsschicht 20“ umfasst wenigstens einen harten Film und kann bei Bedarf auch einen Grundfilm und einen harten Kohlenstofffilm umfassen.
(Grundfilm)
Der Grundfilm ist ein beliebiger Film, der bei Bedarf an dem Kolbenring-Basismaterial 10 vorgesehen wird. Wenn ein harter Film an dem Kolbenring-Basismaterial 10 vorgesehen wird, verbessert der Grundfilm die Haftung und verhindert eine Ablösung. Der Grundfilm kann wenigstens in dem Bereich, in dem der harte Film vorgesehen ist, vorgesehen werden. Bevorzugte Beispiele für einen Grundfilm sind ein Cr-Film, ein Cr-B-Film, ein Cr-B-V-Film, ein Cr-B-V-Ti-Film, ein Cr-B-V-Ti-Mn-Film, ein Cr-B-V-Ti-Mo-Film, ein Cr-B-V-Ti-Mn-Mo-Film und ähnliches. Der Grundfilm kann durch verschiedene Ausbildungseinrichtungen und durch eine Filmausbildungsmethode wie etwa ein Sputteringmethode, eine Vakuumabscheidungsmethode und eine lonenplattierungsmethode ausgebildet werden. Hinsichtlich der Dicke des Grundfilms werden hier keine besonderen Vorgaben gemacht, wobei die Dicke zum Beispiel ungefähr 0,5 µm bis 2,0 µm betragen kann.
(Harter Film)
Der harte Film wird vorzugsweise an dem Kolbenring-Basismaterial 10 vorgesehen, wobei er jedoch nicht ausschlaggebend ist und wie oben beschrieben nur bei Bedarf vorgesehen werden kann. Hinsichtlich des harten Films werden hier keine besonderen Vorgaben gemacht, wobei er vorzugsweise ein Chromnitrid-basierter Film oder ein Chromplattierungsfilm ist. Bevorzugte Beispiele des Chromnitrid-basierten Films sind ein Cr-N-Film, ein Cr-B-N-Film, ein Cr-B-V-N-Film, ein Cr-B-V-Ti-N-Film, ein Cr-B-V-Ti-Mn-N-Film, ein Cr-B-V-T-Mo-N-Film, ein Cr-B-V-Ti-Mn-Mo-N-Film oder ähnliches. Diese harten Filme können durch verschiedene Methoden ausgebildet werden und können zum Beispiel durch eine lonenplattierungsmethode, eine Plattierungsmethode oder ähnliches ausgebildet werden. Der harte Film muss nur auf wenigstens der Umfangsfläche 14 vorgesehen werden, kann aber auch auf der oberen Fläche 11, der unteren Fläche 12 und der Innenfläche 13 zusätzlich zu der Umfangsfläche 14 vorgesehen werden.
Der harte Film wird vorzugsweise auf dem Grundfilm vorgesehen. Durch das Vorsehen des harten Films auf dem Grundfilm kann die Haftung weiter verbessert werden und kann eine Ablösung des harten Films bei einem hohen Kontaktdruck unterdrückt werden. Daraus resultiert, dass der Kolbenring 1 mit einer hohen Verschleißbeständigkeit und einer hohen Fresssicherheit versehen werden kann.
Bei einem Chromnitrid-basierten Film liegt die Dicke vorzugsweise im Bereich von 5 µm bis 30 µm und noch besser im Bereich von 7 µm bis 20 µm. Weiterhin liegt die Vickers-Härte vorzugsweise im Bereich von HV 800 bis HV 2300 und noch besser im Bereich von HV 1000 bis HV 2000. Und bei einem Chromplattierungsfilm liegt die Dicke vorzugsweise im Bereich von 5 µm bis 50 µm und noch besser im Bereich von 5 µm bis 30 µm. Weiterhin liegt die Vickers-Härte vorzugsweise im Bereich von HV 500 bis HV 1000 und noch besser im Bereich von HV 800 bis HV 1000.
(Harter Kohlenstofffilm)
Der harte Kohlenstofffilm kann an dem Grundfilm oder dem harten Film vorgesehen werden. Der harte Kohlenstofffilm ist ein sogenannter diamantartiger Kohlenstofffilm, der ein amorpher Kohlenstofffilm ist. Wenn der harte Kohlenstofffilm an dem harten Film ausgebildet wird, reduziert der harte Kohlenstofffilm eine anfängliche Reibung des Kolbenrings 1. Eine derartige Wirkung beruht auf der Tatsache, dass der harte Kohlenstofffilm einen geringen Reibungskoeffizienten in Bezug auf die Innenfläche der Zylinderlaufbuchse, die das komplementäre Material des Kolbenrings 1 ist, aufweist und eine vorteilhafte Laufeigenschaft mit dem komplementären Material vorsieht. Insbesondere kann die oben beschriebene Wirkung erzielt werden, indem der harte Kohlenstofffilm wenigstens an dem Außenkantenendteil 14b des Kolbenrings 1 vorgesehen wird. Die Oberflächenrauheit Ra (arithmetische durchschnittliche Rauheit Ra in JIS B0601-1994), nachdem der harte Kohlenstofffilm vorgesehen wurde, beträgt vorzugsweise 0,1 µm oder weniger und noch besser 0,05 µm oder weniger. Durch das Vorsehen eines derartig glatten harten Kohlenstofffilms kann die anfängliche Reibung an dem Außenkantenendteil 14b des Kolbenrings 1, der an der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse gleitet, weiter verbessert werden.
Als der harte Kohlenstofffilm kann vorzugsweise ein Film, der Silizium, Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoff und/oder Argon zusätzlich zu dem als Hauptkomponente dienenden Kohlenstoff enthält, verwendet werden. Der harte Kohlenstofffilm wird vorzugsweise durch eine lonenplattierungsmethode ähnlich wie der harte Film ausgebildet und kann durch verschiedene Ausbildungsmethoden wie etwa eine Sputteringmethode und eine chemische Dampfphasenabscheidungsmethode (CVD) ausgebildet werden. Hinsichtlich der Dicke des harten Kohlenstofffilms werden hier keine besonderen Vorgaben gemacht, wobei sie vorzugsweise im Bereich von ungefähr 0,5 µm bis 10 µm liegt.
(Herstellungsmethode)
Hinsichtlich der Methode zum Herstellen des Kolbenrings 1 gemäß der vorliegenden Erfindung werden hier keine besonderen Vorgaben gemacht. Zum Beispiel wird zuerst das oben genannte Kohlenstoffstahlmaterial geformt und poliert (einschließlich eines Läppens und Trockenhonens, falls gewünscht), um das Kolbenring-Basismaterial 10 auszubilden. Anschließend wird das Kolbenring-Basismaterial 10 bei Bedarf durch eine lonenbeschussbehandlung gereinigt. Anschließend wird bei Bedarf die harte Behandlungsschicht 20 ausgebildet. Zum Beispiel wird der Grundfilm auf wenigstens der Umfangsfläche 14 des Kolbenring-Basismaterials 10 ausgebildet. Anschließend wird ein harter Film wie etwa ein Chromnitridfilm oder ein Chromplattierungsfilm auf dem Grundfilm ausgebildet. Dann wird bei Bedarf der harte Kohlenstofffilm ausgebildet. Und schließlich werden bei Bedarf ein Polieren, Läppen und ähnliches durchgeführt, um den Kolbenring 1 herzustellen.
Beispiele
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung im größeren Detail mit Bezug auf Beispiele und ein Vergleichsbeispiel beschrieben.
[Beispiel 1]
Als das Kolbenring-Basismaterial 10 wurden das Kolbenring-Basismaterial 10 mit einer Napier-Ring-Form, das durch das Bearbeiten zu der Außendurchmesserform von 1A und 1B eines harten Stahldrahts aus C: 0,63 Massenprozent, Si: 0,25 Massenprozent, Mn: 0,75 Massenprozent, P: 0,01 Massenprozent, S: 0,01 Massenprozent und einem Rest aus Eisen und unvermeidlichen Verunreinigungen erhalten wurde, vorbereitet. Die Bearbeitung wurde durch ein Formen, Polieren und Trockenhonen durchgeführt. Anschließend wurde ein harter Film aus einer Cr-Plattierung mit einer Dicke von 25 µm an dem Kolbenring-Basismaterial 10 durch eine Elektroplattierungsmethode ausgebildet. Danach wurden ein Polieren und Läppen durchgeführt, um den Kolbenring 1 zu erhalten.
Bei der endgültigen Außendurchmesserform des derart erhaltenen Kolbenrings 1 hatte der Außenumfang-Verjüngungsteil 14a einen Verjüngungswinkel α von 2° zu der vertikalen Linie L1 parallel zu der Axialrichtung Y des Kolbenrings 1. Die Kontaktbreite d1 des Außenkanten-Endteils 14b in der Ringaxialrichtung (die Distanz zwischen der unteren Endposition A und der oberen Endposition B des Außenkantenendteils 14b) war auf 0,2 mm gesetzt. Die Distanz d2 zwischen der unteren Endposition (Koordinatenposition in der Y-Richtung) A des Außenkantenendteils 14b und der Position (Koordinatenposition in der Y-Richtung) C des unteren Endteils 14d in der Ringaxialrichtung Y war auf 0,005 mm gesetzt. Die Distanz d3 zwischen der Position (Koordinatenposition in der X-Richtung) D des Außenkantenendteils 14b und der Position (Koordinatenposition in der X-Richtung) E des unteren Endteils 14d in der Ringradialrichtung X war auf 0,015 mm gesetzt.
Es ist zu beachten, dass der Querschnitt des Kolbenrings 1 poliert wurde, um die Vickers-Härte zu messen. Die Vickers-Härte des Kolbenring-Basismaterials 10 betrug HV 454, und die Vickers-Härte des harten Films betrug HV 900.
[Beispiele 2 bis 7]
In den Beispielen 2 bis 7 wurde die Behandlungsschicht (Cr-Plattierung) der Umfangsgleitfläche des Beispiels 1 zu den Behandlungsschichten der in der Tabelle 1 angegebenen Typen geändert und wurden d2 und d3 zu den in der Tabelle 1 angegebenen Werten geändert, während ansonsten die Kolbenringe der Beispiele 2 und 7 in gleicher Weise wie in dem Beispiel 1 hergestellt wurden. Die Tabelle 1 gibt die Härte und die Filmdicke der harten Filme an.
Der wasserstofffreie DLC von Beispiel 2 war ein harter Kohlenstofffilm, der durch eine Bogenionenplattierungsmethode in einer Argongasatmosphäre unter Verwendung eines Kohlenstoffziels ausgebildet wurde. Der Wasserstoffinhalt betrug 3 Atomprozent. Das Cr-N des Beispiels 3 war ein harter Film aus Chromnitrid, der durch das Setzen des Kolbenring-Basismaterials 10 in einer Kammer einer lonenplattiereinrichtung, das Reinigen der Oberfläche durch einen lonenbeschuss und dann das Ausbilden eines Cr-Films mit einer Dicke von 1,0 µm als eines Grundfilms erhalten wurde und dann durch eine PVD-Methode (lonenplattiermethode) auf dem Grundfilm geformt wurde. Die Cr-Plattierung des Beispiels 4 war ein harter Film, der durch eine Elektroplattierungsmethode ausgebildet wurde. Der wasserstofffreie DLC des Beispiels 5 war ein harter Film, der in gleicher Weise wie in dem Beispiel 2 ausgebildet wurde. Das Cr-N des Beispiels 6 war ein harter Film, der in gleicher Weise wie in dem Beispiel 3 ausgebildet wurde. Der harte Film des Beispiels 7 war ein laminierter Film, der zuerst durch das Formen von Cr-N ähnlich wie in dem Beispiel 3 und dann durch das Formen des wasserstofffreien DLC des Beispiels 2 auf dem Cr-N erhalten wurde.
[Vergleichsbeispiel 1]
In dem Vergleichsbeispiel 1 wurde die Behandlungsschicht (Cr-N-basierte PVD) der Umfangsgleitfläche des Beispiels 3 zu den Behandlungsschichten der in der Tabelle 1 angegebenen Typen geändert und wurden d2 und d3 zu den in der Tabelle 1 angegebenen Werten geändert, während ansonsten der Kolbenring des Vergleichsbeispiels 1 in gleicher Weise wie in dem Beispiel 1 hergestellt wurde. Die Tabelle 1 gibt die Härte und die Filmdicke des harten Films an.
[Ölverbrauchstest]
Es wurde ein Ölverbrauchstest unter Verwendung der in den Beispielen 1 bis 7 und dem Vergleichsbeispiel 1 erhaltenen Kolbenringen durchgeführt. In dem Ölverbrauchstest wurde ein tatsächlicher Maschinentest eines Vier-Zylinder-Reihenmotors mit einem Hub von 2,0 I durchgeführt. Die Betriebsbedingungen des Motors enthielten einen Lastfaktor von 100% und eine Drehzahl von 6000 U/min, und der LOC (Ölverbrauch: g/h) wurde durch eine kontinuierliche gravimetrische Methode gemessen. Die Tabelle 1 gibt die relativen Verhältnisse der LOCs der Beispiele 1 bis 7 als LOC-Verhältnisse an, wobei 100 der LOC des Vergleichsbeispiels 1 ist.
Die Messung wurde durchgeführt, nachdem der erste Kompressionsring, der zweite Kompressionsring und der Ölring kombiniert wurden. Als der erste Kompressionsring wurde ein Kompressionsring verwendet, der aus einem SWOSC-V-Material bestand und durch das Setzen der Breite in der Ringaxialrichtung auf 1,2 mm, das Setzen der Breite in der Ringradialrichtung auf 2,9 mm, das Formen der Umfangsflächenform zu einer Faßform und das Behandeln der Umfangsfläche durch eine Cr-N-basierte PVD erhalten wurde. Als der zweite Kompressionsring wurden die in den Beispielen 1 bis 7 und dem Vergleichsbeispiel 1 erhaltenen Kolbenringe verwendet. Als der Ölring wurde ein dreiteiliger Ölring mit der kombinierten Breite in der Axialrichtung der Seitenschiene und des auf 2,0 mm gesetzten Abstandshalter-Expanders und der kombinierten Breite in der Radialrichtung der Seitenschiene und des auf 2,5 mm gesetzten Abstandshalter-Expanders verwendet. Die verwendete Seitenschiene wurde durch das Behandeln der Umfangsfläche eines SWRH72A-Materials gemäß dem JIS-Standard durch eine Cr-N-basierte PVD-Behandlung erhalten, und der verwendete Abstandshalter-Expander war ein SUS304-Material.

Wie aus den Ergebnissen der Tabelle 1 hervorgeht, hatten die Kolbenringe 1 der Beispiele 1 bis 7 innerhalb des Bereichs der Außenform gemäß der vorliegenden Erfindung ein LOC-Verhältnis von weniger als 100 und insbesondere von 70 bis 91 und wiesen stabile, niedrige LOCs auf. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass, weil die Distanz d2 zwischen der Position A des Außenkantenendteils 14b und der Position C des unteren Endteils 14d in der Ringaxialrichtung Y innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegt und die Kontaktbreite d1 des Außenkantenendteils 14b in der Ringaxialrichtung Y innerhalb des oben beschriebenen Bereichs liegt, die Beziehung zwischen dem Kontaktdruck und der Öldichtung eingestellt werden kann und sowohl ein niedrigerer Kraftstoffverbrauch als auch eine Reduktion des Schmierölverbrauchs (LOC) erzielt werden können. Während d1 in den Beispielen 1 bis 7 0,20 mm beträgt, liegt es vorzugsweise im Bereich von 0,01 mm bis 0,3 mm. Während d2 in den Beispiel 1 bis 7 im Bereich von 0,005 mm bis 0,045 mm liegt, liegt es vorzugsweise im Bereich von 0,001 mm bis 0,050 mm. Und während d3 in den Beispielen 1 bis 7 im Bereich von 0,015 mm bis 0,050 mm liegt, liegt es vorzugsweise im Bereich von 0,010 mm bis 0,050 mm. Während das Verhältnis d2/d3 in den Beispielen 1 bis 7 im Bereich von 0,33 bis 0,90 liegt, liegt es vorzugsweise im Bereich von 0,20 bis 1,20 und insbesondere in einem Bereich von 0,60 oder größer und kleiner als 1,00. [Tabelle 1]

	d1 (mm)	d2 (mm)	d3 (mm)	d2/d3	Umfangsgleitfläche			LOC-Verhältnis
	d1 (mm)	d2 (mm)	d3 (mm)	d2/d3	Behandlungsschicht	Härte (HV)	Filmdicke (µm)	LOC-Verhältnis
Beispiel 1	0,2	0,005	0,015	0,33	Cr-Plattierung	900	25,0	70
Beispiel 2	0,2	0,010	0,023	0,43	DLC	1500	1,0	75
Beispiel 3	0,2	0,015	0,025	0,60	Cr-N	1400	10,0	77
Beispiel 4	0,2	0,020	0,027	0,74	Cr-Plattierung	900	25,0	80
Beispiel 5	0,2	0,025	0,036	0,69	DLC	1500	1,0	80
Beispiel 6	0,2	0,034	0,038	0,89	Cr-N	1400	10,0	87
Beispiel 7	0,2	0,045	0,050	0,90	DLC auf Cr-N	1400: Cr-N 1500: DLC	20,0: Cr-N 15,0: DLC	91
Vergleichsbeispiel 1	0,2	0,055	0,060	0,92	Cr-N	900	10,0	100

Bezugszeichenliste

1, 1A, 1B, 1C, 1D: Kolbenring
10: Kolbenring-Basismaterial
11: obere Fläche
12: untere Fläche
13: Innenfläche
14: Umfangsfläche (Umfangsgleitfläche)
14a: Außenumfang-Verjüngungsteil
14b: Außenkantenendteil (Nasenteil)
14c: gekrümmter Flächenteil
14d: unterer Endteil
15: stufenförmiger Vertiefungsteil
15a: gekrümmte oder flache Fläche auf der Seite einer oberen Fläche
15b: vertikale Fläche auf der Seite der Radialrichtung
16: Abschrägungsteil
20, 20A, 20B: harte Behandlungsschicht
α: Verjüngungswinkel
L1: vertikale Linie
L2: parallele Linie orthogonal zu der vertikalen Linie L1
d1: Distanz zwischen A und B (Kontaktbreite des Außenkantenendteils in der Oben-Unten-Richtung)
d2: Distanz zwischen A und C (Distanz von dem unteren Endteil zu dem Außenkantenendteil in der Y-Richtung)
d3: Distanz zwischen D und E (Distanz von dem Außenkantenendteil zu dem unteren Endteil in der X-Richtung)
A: untere Endposition des Außenkantenendteils (Koordinatenposition in der Y-Richtung)
B: obere Endposition des Außenkantenendteils (Koordinatenposition in der Y-Richtung)
C: Position des unteren Endteils (Koordinatenposition in der Y-Richtung)
D: Position des Außenkantenendteils (Koordinatenposition in der X-Richtung)
E: Position des unteren Endteils (Koordinatenposition in der X-Richtung)
X: Ringradialrichtung
Y: Ringaxialrichtung (Oben-Unten-Richtung)
θ: Winkel des Vertiefungsteils

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2002194500 A [0007]
JP 2007270880 A [0007]
WO 2012/118036 [0007]

Claims

Kolbenring für einen Verbrennungsmotor, der derart ausgebildet ist, dass er eine sich verjüngende Form einschließlich einer Umfangsfläche, die von einem oberen Ende zu einem unteren Ende allmählich nach außen vorsteht, und eine Radialquerschnittform eines Napier-Rings aufweist, wobei die Umfangsfläche besteht aus: einem Außenkantenendteil, der eine sich nicht verjüngende Form aufweist und als eine Umfangsgleitfläche in einen Gleitkontakt mit einem komplementären Material kommt, einem Außenumfang-Verjüngungsteil, der mit einem vorbestimmten Verjüngungswinkel über dem Außenkantenendteil ausgebildet ist, einem gekrümmten Flächenteil, der einen sich von dem Außenkantenendteil zu einem unteren Ende in einer Axialrichtung allmählich nach innen verkleinernden Durchmesser aufweist, und einem unteren Endteil, der einen Abschnitt des gekrümmten Flächenteils bildet, wobei die Distanz d2 zwischen einer Position des Außenkantenendteils und einer Position des unteren Endteils in einer Ringaxialrichtung im Bereich von 0,001 mm bis 0,05 mm liegt, und wobei die Kontaktbreite d1 des Außenkantenendteils in der Ringaxialrichtung im Bereich von 0,01 mm bis 0,3 mm liegt.
Kolbenring nach Anspruch 1, wobei: d2/d3 im Bereich von 0,20 bis 1,20 liegt, wobei d3 die Distanz zwischen einer Position des Außenkantenendteils und einer Position des unteren Endteils in einer Ringradialrichtung ist.
Kolbenring nach Anspruch 2, wobei: die Distanz d3 zwischen der Position des Außenkantenendteils und der Position des unteren Endteils in der Ringradialrichtung im Bereich von 0,010 mm bis 0,050 mm liegt.
Kolbenring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: wenigstens die Umfangsfläche eine harte Behandlungsschicht umfasst.
Kolbenring nach Anspruch 4, wobei: die harte Behandlungsschicht ein Chromnitrid-basierter Film, ein Chromplattierungsfilm, ein harter Kohlenstofffilm oder ein laminierter Film mit einem harten Kohlenstofffilm auf einem Chromnitrid-basierten Film ist.