JP2001295699A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 合口部における高面圧状態が早期に解消し、
被膜の剥離が発生しにくい高Ｐｍａｘ対応ピストンリン
グの提供。 【解決手段】 ピストンリング１は、外周摺動面３と、
ピストンに対向する内周面４と、該略円形状を半径方向
に分断する１つの合口部２とを備えている。ピストンリ
ング母材１０の外周面１３には高硬度ＰＶＤ被膜２０が
備えられている。外周摺動面３の最外周部分に高硬度Ｐ
ＶＤ被膜２０に比べて摩耗性が大きい最外周被膜３０が
施され、初期の実働時には該合口部２付近のシリンダに
対する面圧が上昇することにより、該合口部２付近にお
ける該最外周被膜３０の摩耗が促進され、合口部２付近
における最外周被膜３０の偏摩耗によりシリンダに対す
る面圧が全体として等面圧分布となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はピストンリングに関し、
特に高Ｐｍａｘエンジン用のローポイントピストンリン
グに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のピストンリングの面圧分布として
は、図５に示す等面圧分布、図６に示す楕円面圧分布、
図７に示す桃型分布（合口高面圧分布）、図８に示すり
んご型分布などが知られている。

【０００３】図５に示される等面圧分布は、全周に亘り
均一に面圧が分布している。中高回転型４サイクルエン
ジンでは使用時のリング摩耗によって、合口部の面圧の
低下が生じるため、低回転型エンジンやコンプレッサ等
のリングに用いられる。

【０００４】図６に示される楕円面圧分布は、合口付近
とその反対側位置（１８０°位置）の面圧のみが高くな
るよう面圧が分布している。この分布は、合口部から９
０°位置と２７０°位置の２箇所で面圧が高くなるよう
分布させても良い。

【０００５】図７に示される桃型分布（合口高圧分布）
は、合口部における面圧が他の部分の面圧と比較して高
くなる面圧分布である。自動車を始めとする各種高回転
型のエンジンのリングに用いられている。

【０００６】図８に示されるりんご型分布は、合口部に
おける面圧が他の部分の面圧と比較して低くなる面圧分
布である。特に、合口部における面圧の変化率は０であ
り、合口部付近において面圧はなだらかに変化する。そ
して、合口部付近の両端側では、他の部分と比較して面
圧が高くなっている。りんご型分布のピストンリング
は、２サイクルエンジンや、合口部よりスカッフィング
の発生しやすい大型の舶用リングに用いられる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した等面圧分布等
のピストンリングでは、シリンダとピストンリングの温
度差による熱膨張量の差や、ピストンリングの内周側と
外周側の温度差による熱応力等により、ピストンリング
のリングカーブの曲率が小さくなり、合口部付近が高面
圧となる。

【０００８】特に、高Ｐｍａｘディーゼルエンジンのト
ップリングとして用いた場合では、極めて過酷な運転条
件にあるため、合口部のブローバイガスの吹き抜けによ
って合口部付近が極端に加熱される。このため、ピスト
ンリングの内周側と外周側の温度差による熱応力が極端
に大きくなると共に、合口部付近の周方向への熱膨張が
大きくなるため、合口部付近での曲率が極端に小さくな
り、筒内圧力作用時以外の行程では、図９に示すよう
に、ピストンリング４０の合口部４２の周辺位置である
ａ部とｂ部の中間位置においてシリンダボア４５に対す
る当たり抜けが発生する。一方で、このような状態で筒
内圧力が作用した場合は、ピストンリング背部に作用す
る筒内圧力によってピストンリングがシリンダボア４５
に押しつけられ、ピストンリングの摺動面がシリンダボ
ア４５に追従する。これにより、図９に示すａ部とｂ部
付近の面圧が高くなる。ここで、ａ部は特に、点接触状
態でシリンダボアに押しつけられるため、非常に高い接
触圧力となる。

【０００９】また、こうして、合口部におけるピストン
リング外周部の面圧が高くなり、摩耗が増大することに
より、ピストンリングの耐摩擦性を向上させる目的でピ
ストンリング外周面にイオンプレーティング被膜（ＰＶ
Ｄ被膜）を形成した場合には、該皮膜のクラック・剥離
の原因となり、合口端部に向かって極端に摩耗が増加し
ていく摩耗形状となる。ここで、特に外周面にクロムめ
っきを施したピストンリングの場合は、摩耗量が極端に
多くなり、シリンダ呼び径の治具に耐久運転後のピスト
ンリングを挿入した場合、合口部が当たり抜けして漏光
してしまう程になる。

【００１０】従って、高Ｐｍａｘディーゼルエンジンに
対しては、耐摩耗性の高いＣｒ−Ｎ系のＰＶＤ皮膜を施
したピストンリングを使用することになる。しかし、Ｐ
ＶＤ被膜を施したトップリングについては、合口部近傍
のＰＶＤ被膜のクラック・剥離等の問題が数多く発生す
る。具体的には、実機運転時にリングが熱変形し、合口
部周辺のボアに対する面圧が他の部分と比して非常に高
くなり、その状態で高Ｐｍａｘのガス圧力を受けるの
で、合口近傍で高面圧接触によるスカッフが発生し、Ｐ
ＶＤ被膜の剥離が発生しやすいという問題点があった。
そして、ＰＶＤ被膜の耐摩耗性能が高いために、合口近
傍が高面圧である状態が長く続いてしまうことにより、
より被膜の剥離が発生しやすくなっていた。

【００１１】上述した問題を克服するために、本出願人
は、特願２０００−８２３２０号において、略円形状を
なし、シリンダに対し摺動する外周摺動面と、ピストン
に対向する内周面と、略円形状を半径方向に分断する１
つの合口部とを備え、内周面側において、合口部の端面
を始端とする所定の周長部分に亘り、内周面の一部をな
す特殊形状の切欠部を形成することにより、所定周長部
分における半径方向の厚さが、該所定周長部分以外の部
分の半径方向の厚さに比較して小さくしたことを特徴と
するピストンリングを提供した。

【００１２】かかる構成によれば、合口部近傍のピスト
ンリング半径方向の厚さ寸法を小さくし、曲げ剛性を減
少させているので、合口端部の面圧を均一断面形状のピ
ストンリングよりも低減することができる。従って、実
動時において合口部における極端な面圧の上昇を抑える
ことができ、合口部の極端な摩耗を防止すると同時に、
特にピストンリング外周面にＰＶＤ被膜を施した場合に
は、膜のクラック、剥離等の障害を阻止することができ
る。

【００１３】本発明は、合口部付近における面圧を低減
し、実働時の合口部周辺における当たり抜けを防止する
とともに、外周面にイオンプレーティング被膜を形成し
た場合にそのクラックや剥離のない高Ｐｍａｘディーゼ
ルエンジン用ピストンリングを提供することを目的とす
るものであり、特願２０００−８２３２０号記載のピス
トンリングのように、ピストンリングの内周面側に特殊
形状の切欠部を形成するための特別な機械加工を要する
ことなく、合口部における高面圧状態が早期に解消で
き、被膜の剥離が発生しにくいピストンリングを提供す
ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、略円形状をなし、シリンダに対し摺動す
る外周摺動面と、ピストンに対向する内周面と、該略円
形状を半径方向に分断する１つの合口部とを備え、少な
くともピストンリング母材の外周面に高硬度ＰＶＤ被膜
を備えたピストンリングにおいて、該高硬度ＰＶＤ被膜
の外周面側に、該高硬度ＰＶＤ被膜に比べて摩耗性が大
きい最外周被膜が施されて該外周摺働面をなし、初期の
実働時には該合口部付近のシリンダに対する面圧が該合
口部付近以外のシリンダに対する面圧より高いことによ
り、該合口部付近における該最外周被膜の摩耗が促進さ
れ、なじみ運転後は該最外周被膜の該合口部付近の偏摩
耗によりシリンダに対する面圧が全体として等面圧分布
となる高Ｐｍａｘエンジン用ピストンリングを提供して
いる。

【００１５】ここで該合口部の端面を始端として該外周
面の中心軸で規定される中心角３０°の範囲に亘り形成
された該最外周被膜が、他の部分に形成された該最外周
被膜に比して厚く形成されているのが好ましい。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態によるピスト
ンリングについて図１乃至図４に基づき説明する。本実
施の形態では、ピストンリングの最外周側表面に、摩耗
し易いが剥離しにくい被膜を施し、実機運転時の初期な
じみにより、実機運転時にリングの熱変形により最も摩
耗しやすい合口近傍の高面圧接触部分を、他の部位より
も早く摩耗させ、なじみ運転後はいちはやく実機運転時
に一様な面圧分布となるピストンリングを得るものであ
る。ここで、最外周表面に形成した被膜の摩耗が早すぎ
るとＰＶＤ被膜が早期に露出してしまい、合口部分が高
面圧状態になりやすいので、最外周皮膜は、所定の摩耗
性及び厚さを備えることが必要である。

【００１７】図１は、製造直後のピストンリング１を示
す。ピストンリング１は、略円形状をなし、図示せぬシ
リンダに対し摺動する外周摺動面３と、図示せぬピスト
ンに対向する内周面４と、該略円形状を半径方向に分断
する１つの合口部２とを有する。ピストンリング１は、
ピストンリング母材１０、高硬度ＰＶＤ被膜２０、最外
周被膜３０よりなる。ピストンリング母材１０はスチー
ル製であり、略円形状をなし、ピストンリング１の合口
部２にて半径方向に分断されている。ピストンリング母
材１０は、外周面１３と、図示せぬピストンに対向する
内周面とを有し、ピストンリング母材１０の内周面は、
ピストンリング１の最内周面４をなす。

【００１８】ピストンリング母材１０の外周面１３には
高硬度ＰＶＤ被膜２０が形成される。高硬度ＰＶＤ被膜
２０の材質としては、耐クラック性、耐剥離性、耐スカ
ッフ性を考慮に入れて、Ｃｒ−Ｎ系の被膜中にＢ、Ｏ、
Ｃ等の中から１元素以上のものを固溶させたものが好ま
しい。高硬度ＰＶＤ被膜２０の硬度は、Ｈｖ１０００以
上であることが好ましい。

【００１９】また、高硬度ＰＶＤ被膜２０の外周側に
は、最外周被膜３０が形成される。最外周被膜３０は、
図示せぬシリンダに対し摺動するピストンリング１の最
外周面３をなす。最外周被膜３０は、初期なじみ性の良
いＣｒめっき、積層めっき、低硬度ＰＶＤ被膜（Ｃｒを
ベースとするＰＶＤ被膜）等からなる。これらの材料
は、耐摩耗性の高い高硬度ＰＶＤ被膜２０よりも低い硬
度を有するので、摩耗程度も高硬度ＰＶＤ被膜２０より
も大きい。最外周被膜３０の摩耗性は、高硬度ＰＶＤ被
膜２０の５倍程度であるのが好ましい。高硬度ＰＶＤ被
膜２０のみをリング外周面に施した場合には、実機運転
時には合口端部の面圧が他の部分に比して５倍乃至１０
倍程度になるからである。Ｃｒめっきは実際剥離が無
く、Ｃｒと高硬度ＰＶＤ被膜の摩耗比が５倍乃至１０倍
であることにその理由がある。また、摩耗性、耐剥離
性、製造コスト等を考慮すると、最外周被膜３０は、Ｃ
ｒめっきおよび低硬度ＰＶＤ被膜が最適と考えられる。
更に、高硬度ＰＶＤ被膜２０の硬度および最外周被膜３
０の好適な摩耗性の程度を考慮すると、最外周被膜３０
の硬度はＨｖ５００乃至８００程度が好ましい。加え
て、最外周被膜３０の表面粗さは、耐スカッフ性を考慮
すると、０．８μｍ以下であるのが好ましい。

【００２０】最外周被膜３０は、合口部２の端部を始点
として、ピストンリング１の略円形状の中心軸Ｏで規定
される中心角３０°の範囲に亘る部分においては、他の
部分に形成された最外周被膜３０と比較して、ピストン
リング１の半径方向に厚く形成されている。略円形状の
中心軸Ｏで規定される中心角３０°の範囲に亘り形成さ
れた最外周被膜３０は厚さ８μｍ程度であり、他の部分
に形成された最外周被膜３０の厚さは、３乃至８μｍの
範囲内である。この厚さはエンジンの種類およびリング
寸法によって変化する。最外周被膜３０が全周に亘り８
μｍよりも厚く形成されていると、摩耗量が増加するか
らである。また３μｍ未満であると、所望の初期なじみ
が達成される前に高硬度ＰＶＤ被膜が露出し、軽微なス
カッフイングからの剥離が発生するからである。また、
ピストンリング１の略円形状の中心軸Ｏで規定される中
心角３０°の範囲に亘り形成された最外周被膜３０の厚
さを８μｍ程度としたのは、最外周被膜が摩滅したとき
にりんご型面圧分布になるからである。尚、図には示さ
ないが、図に示された合口面に対向するもう一方の合口
面近辺においても、同様に最外周被膜３０が厚く形成さ
れている。

【００２１】略円形状の中心軸Ｏで規定される中心角３
０°の範囲に亘り形成された最外周被膜３０の厚さを厚
くする手法としては、高硬度ＰＶＤ被膜２０形成前のリ
ングのリングカーブをりんご型面圧分布にし、特に合口
部近傍が非接触になるようカーブを設定し、最外周被膜
３０形成時に、合口付近において集中的にコーティング
を行う方法がある。

【００２２】図２に、製造直後のピストンリング１をシ
リンダにはめ込んだ場合のシリンダボアに対する面圧状
態を示す。Ａ１はエンジン運転前の、ピストンリング１
自身の張力のみでピストンリング１がシリンダボアに接
しているときの面圧状態を示す。合口部２付近において
は高面圧となっており、合口部２から離れる方向に向か
い面圧は急激に下降し、図２のαの領域においてはピス
トンリング１はシリンダボアと接触していない。そし
て、αの領域を越えると等圧分布となる。

【００２３】Ｂ１はエンジン運転開始時の、ガスの圧力
が作用しているときの面圧状態を示す。合口部２付近に
おいては非常に高面圧となっており、合口部２から離れ
る方向に向かい面圧は急激に低く落ち込む。そして、そ
の後面圧は再度上昇し、図に示すβの領域では等面圧分
布となる。

【００２４】図３に初期なじみ運転後のピストンリング
１の形状を示す。最外周被膜３０はシリンダボア５に追
従する形状に摩耗している。即ち、最外周被膜３０は、
合口部２付近においては、合口端部に向かい徐々に薄く
なり、合口端部においては高硬度ＰＶＤ被膜２０が露出
している。

【００２５】図４に、初期なじみ運転後のピストンリン
グ１をシリンダにはめ込んだ場合のシリンダボアに対す
る面圧状態を示す。Ａ２はエンジン運転前の、ピストン
リング１自身の張力のみでピストンリング１がシリンダ
ボアに接しているときの面圧状態を示す。また、Ｂ２は
エンジン運転開始時の、ガスの圧力が作用しているとき
の面圧状態を示す。いずれも等面圧分布となっている。

【００２６】最外周被膜３０と高硬度ＰＶＤ被膜２０の
摩耗性が最適なバランスであれば、合口端部で高硬度Ｐ
ＶＤ被膜２０が露出した後、最外周被膜３０と高硬度Ｐ
ＶＤ被膜２０の硬度差、摩耗性の差より、ピストンリン
グ１の外周面３がほぼ均一に摩耗して行くこととなる。
これにより、均等面圧を維持することができる。また、
最外周被膜３０が全て摩耗し、高硬度ＰＶＤ被膜２０が
摺動部全周で露出しても、合口近傍は均等面圧となる状
態で摩耗しているので、合口部２近傍における面圧の上
昇が生じず、合口近傍のスカッフや、高硬度ＰＶＤ被膜
２０の剥離を阻止することができる。

【００２７】本発明によるピストンリングは上述した実
施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲
で種々の変形や改良が可能である。例えば、最外周被膜
の厚さは全周に亘り均一であっても良い。

【００２８】

【発明の効果】請求項１記載のピストンリングによれ
ば、外周面の最外周部分に高硬度ＰＶＤ被膜に比べて摩
耗程度が大きい最外周被膜が施され、初期の実働時には
合口部付近のシリンダに対する面圧が高いことにより、
合口部付近における最外周被膜の摩耗が促進され、合口
部付近の最外周被膜の偏摩耗によりシリンダに対する面
圧が全体として等面圧分布となるので、合口近傍のスカ
ッフや、高硬度ＰＶＤ被膜の剥離を阻止することができ
る。

【００２９】請求項２記載のピストンリングによれば、
合口部の端面を始端として該外周面の中心軸で規定され
る中心角３０°の範囲に亘り形成された最外周被膜が、
他の部分に形成された最外周被膜に比して厚く形成され
ているので、リングカーブが形成される前に高硬度ＰＶ
Ｄ被膜が露出することによるマイクロスカッフからの剥
離を防止することができる。また、最外周被膜が全周に
亘り厚く形成されることがないので、摩耗量の増加を阻
止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態によるピストンリングの製
造直後の形状を示す部分切欠図。

【図２】本発明の実施の形態によるピストンリングの製
造直後の形状におけるエンジン運転前の面圧分布と、エ
ンジン運転開始時の面圧分布を示す部分切欠図。

【図３】本発明の実施の形態によるピストンリングの初
期なじみ運転後の形状を示す部分切欠図。

【図４】本発明の実施の形態によるピストンリングの初
期なじみ運転後の形状におけるエンジン運転前の面圧分
布と、エンジン運転開始時の面圧分布を示す部分切欠
図。

【図５】等面圧分布の面圧分布を示す図。

【図６】楕円面圧分布の面圧分布を示す図。

【図７】桃型分布（合口高圧分布）の面圧分布を示す
図。

【図８】りんご型分布の面圧分布を示す図。

【図９】従来のピストンリングの機関動作中の合口部付
近の形状を示す図。

【符号の説明】

１ ピストンリング ２ 合口部 ３ 外周摺動面 ４ 内周面 １０ ピストンリング母材 １３ ピストンリング母材の外周面 ２０ 高硬度ＰＶＤ被膜 ３０ 最外周被膜

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 略円形状をなし、シリンダに対し摺動す
   る外周摺動面と、ピストンに対向する内周面と、該略円
   形状を半径方向に分断する１つの合口部とを備え、少な
   くともピストンリング母材の外周面に高硬度ＰＶＤ被膜
   を備えたピストンリングにおいて、 該高硬度ＰＶＤ被膜の外周面側に、該高硬度ＰＶＤ被膜
   に比べて摩耗性が大きい最外周被膜が施されて該外周摺
   働面をなし、初期の実働時には該合口部付近のシリンダ
   に対する面圧が該合口部付近以外のシリンダに対する面
   圧より高いことにより、該合口部付近における該最外周
   被膜の摩耗が促進され、なじみ運転後は該最外周被膜の
   該合口部付近の偏摩耗によりシリンダに対する面圧が全
   体として等面圧分布となることを特徴とする高Ｐｍａｘ
   エンジン用ピストンリング。
2. 【請求項２】 該合口部の端面を始端として該外周面の
   中心軸で規定される中心角３０°の範囲に亘り形成され
   た該最外周被膜が、他の部分に形成された該最外周被膜
   に比して厚く形成されていることを特徴とする請求項１
   記載の高Ｐｍａｘエンジン用ピストンリング。