JP2001295927A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】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、合口
部付近における摩耗が少なく、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エンジン用ピストンリングの提供。 【解決手段】略円形状をなし、シリンダに対し摺動する
外周摺動面５と、ピストンに対向する内周面６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、本
体２がスチール製のピストンリングであって、本体の全
周にガス窒化層３を形成して半径方向長さをａ１とした
後に、内周面側のガス窒化層３を内周面全面に亘って除
去して半径方向長さをａ２とし、ａ２はａ１の０．５乃
至０．９５倍とする。

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７に示す等面圧分布、図８に示す楕円面圧分布、
図９に示す桃型分布（合口高面圧分布）、図１０に示す
りんご型分布などが知られている。

【０００３】図７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８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９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１０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１１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
α部とβ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１１に示すα部とβ
部付近の面圧が高くなる。ここで、α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皮膜）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エンジンに対しては、
耐摩耗性の高いＣｒ−Ｎ系のイオンプレーティング皮膜
を施したピストンリングを使用することになる。しか
し、イオンプレーティング皮膜を施したトップリングに
ついては、合口部近傍のイオンプレーティング被膜のク
ラック・剥離等の問題が数多く発生しているという問題
がある。

【００１１】そこで本発明は、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、合口部付近における摩耗が少なく、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。

【００１２】

【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本体が
スチール製のピストンリングにおいて、該本体の全周に
窒化層を形成して半径方向長さをａ１とした後に、該内
周面側の窒化層を該内周面前面に亘って除去して半径方
向長さをａ２とし、ａ２はａ１の０．５乃至０．９５倍
である高Ｐｍａｘエンジン用ピストンリングを提供して
いる。

【００１３】ここで該窒化層の外周面側には、イオンプ
レーティング層が形成されており、該イオンプレーティ
ング層を含む半径方向の長さをａ１とした後に、該内周
面側の窒化層を該内周面全面に亘って除去して半径方向
長さをａ２とするのが好ましい。

【００１４】また、該合口部を低面圧とするため、ａ２
をａ１の０．８乃至０．９５倍とするのが好ましい。更
に、該合口部を極低面圧とするため、ａ２をａ１の０．
５乃至０．７倍とするのが好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態によるピスト
ンリング及びその製造方法について図１に基づき説明す
る。図１（ａ）は、加工前のピストンリング１’を示
し、断面が略長方形のスチール製リング母材１と、母材
２の全周に形成された厚さ３０〜１１０ミクロンのガス
窒化層３と、ガス窒化層３の外周面側に形成され図示せ
ぬピストンと摺働する厚さ１０〜１００ミクロンのイオ
ンプレーティング層４を備える。イオンプレーティング
層４は、耐摩擦性を向上させる目的で形成される。図１
（ａ）において、ａ１は、加工前のピストンリング１’
の半径方向の長さである。

【００１６】図１（ｂ）は、第１の実施の形態によるピ
ストンリング１を示し、図１（ａ）のピストンリング
１’の内周面側に研削加工を施し、内周面側の全周に亘
ってガス窒化層３を完全に除去している。よってピスト
ンリング１の半径方向の長さはａ２（ａ２ａ１）とな
る。なお、イオンプレーティング層４の表面がピストン
リング１の外周面５となり、研削加工後の面が内周面６
となる。

【００１７】また、図２（ａ）は、第２の実施の形態に
よる加工前のピストンリング１０’を示し、断面が略長
方形のスチール製リング母材１と、母材２の全周に形成
された厚さ３０〜１１０ミクロンのガス窒化層３を備え
る。図２（ａ）において、ａ１は、加工前のピストンリ
ング１０’の半径方向の長さである。

【００１８】図２（ｂ）は、第２の実施の形態によるピ
ストンリング１０を示し、図２（ａ）のピストンリング
１０’の内周面側に研削加工を施し、内周面側の全周に
亘ってガス窒化層３を完全に除去している。よってピス
トンリング１０の半径方向の長さはａ２（ａ２ａ１）と
なる。ガス窒化層３の外表面がピストンリング１の外周
面５となり、研削加工後の面が内周面６となる。

【００１９】第１及び第２の実施の形態のいずれも、内
周面側のガス窒化層３を除去することにより、ガス窒化
層３が備える圧縮応力が無くなるので、外周面側のガス
窒化層３又はガス窒化層３とイオンプレーティング層４
による圧縮応力によって、ピストンリング１、１０全体
の曲率が大きくなるように変化する。

【００２０】この状態で呼び径冶具にリングを挿入する
と、図３に示されるように、合口端面７からその近傍の
任意の位置まではシリンダボア４５に対して非接触とな
る。このようなリングカーブにより、エンジンの運転に
よってピストンリング１、１０の熱変形が生じても、ピ
ストンリング外周面側の合口端部とシリンダボアとの接
触面圧の上昇を抑制することができる。

【００２１】合口端部摩耗を考慮して合口端部を低面圧
とする場合は、熱負荷が高くない機関、例えばディーゼ
ル機関の場合は自然吸気機関、に対して有効である。こ
の場合ａ２をａ１の０．８乃至０．９５倍とするのが好
ましい。ａ２がａ１の０．９５倍を越えると漏光エリア
が過小となり、実機運転時の温度上昇時には合口端部の
面圧が高くなり、本リングの摩耗に対する効果を期待で
きない。一方０．８倍未満の場合は、熱負荷が高くない
機関では、実機運転時の温度上昇時に合口端部の面圧が
十分に発生するだけの熱変形が生じないので、潤滑油消
費量やガス漏れに対して問題となる。

【００２２】また合口端部の表面皮膜の損傷を考慮して
合口端部を極低面圧とする場合は、熱負荷が高い機関、
例えばディーゼル機関の場合過給器付きの高Ｐｍａｘ機
関、に対して有効である。この場合、ａ２をａ１の０．
５乃至０．７倍とするのが好ましい。ａ２がａ１の０．
７倍を越えると、漏光エリアが過小で、実機運転時の温
度上昇時には合口端部の面圧が高くなり、本リングの表
面処理損傷に対する効果を期待できない。一方０．５未
満であると、高熱負荷機関でも実機運転時の温度上昇時
に合口端部の面圧が十分に発生するだけの熱変形が生じ
ないので、潤滑油消費量やガス漏れに対して問題とな
る。

【００２３】上述した実施の形態によるピストンリング
１，１０によると、均一断面形状で曲げ剛性の減少及び
合口低面圧が可能となり、機関運転時には局部的摩耗、
イオンプレーティング皮膜のクラック、剥離などに対し
て優位となる。

【００２４】本発明によってａ１を所定の長さとするリ
ングを製造する方が、本発明以外の方法でａ１を所定の
長さとするリングを製造するよりも、合口低面圧リング
カーブが簡単にでき、合口のトラブルに対して有利なリ
ングとすることが可能となる。

【００２５】図４に示す面圧分布測定装置によって本発
明の第２の実施の形態によるピストンリング１０の面圧
分布と従来のピストンリングの面圧分布とを測定し、比
較した。尚、測定に際しては、各リングの軸方向厚さや
外周面形状、半径方向長さａ２が同一のものを用いた。
ここで従来のピストンリングの構成は、スチール製母材
の全周にガス窒化層を形成したものである。

【００２６】図４は、測定装置の左半分を示しており、
シリンダ１０２、１０３は、シリンダホルダ１０１に支
持され、シリンダ１０３の外周面の一部に凹部１０３ａ
が形成されて最薄部となる。テストピースであるピスト
ンリングを、ピストン１０５のリング溝１０５ａに装着
し、ピストンリングの外周面をシリンダ１０３の内周面
に当接させる。すると、シリンダ１０３の最薄部にはピ
ストンリングからの面圧が作用し、歪みが生じることと
なる。よって、凹部１０３ａの底部に歪みゲージ１０４
を貼りつけ、歪みゲージ１０４をストレインアンプ１０
７に接続し、ペンレコーダ１０８に歪みの値を記録する
ことによって、歪み値を面圧として測定した。また、ピ
ストンリング溝１０５ａ付近と、ピストンリングに対向
する位置にあるシリンダ１０３の内周面付近に、Ｊ型熱
電対１０９を備え、高速打点計１１０に接続すること
で、温度を計測した。更に、ピストンリングを保持する
ピストン１０５の上側に、ヒーター１０６を取付けて、
ピストンリングを加熱する一方で、シリンダ１０３の外
周側には冷却水を接触させてシリンダ１０３の冷却を行
い、ピストン１０５からシリンダ１０３まで実機運転時
に近い温度勾配を分布させた。

【００２７】図５、６は、縦軸が面圧、横軸が合口端面
７からの周方向角度を示す。また、黒丸は常温時（リン
グ・ライナともに２０℃）、白丸は実働時（ピストン２
５０℃、ライナ１２０℃）の実験結果を示す。従来例の
等面圧のピストンリングでは、図５に白丸で示すように
熱負荷の作用が働くと、合口端部付近の面圧が極端に上
昇した。そして、合口端部付近においてピストンリング
がシリンダに強く押しつけられるのに伴い、５°乃至２
０°の範囲において、当たり抜けが生じた。

【００２８】これに対して本発明の第２の実施の形態に
よるピストンリング１０では、図６から明らかなよう
に、黒丸で示す常温時の外周面のシリンダ１０３に対す
る面圧の分布は、合口端部からその近傍に亘ってゼロで
あり、合口端面７を始点として該中心角１５°の範囲に
亘り当たり抜けが生じている。また、中心角が大きくな
る方向へ向かって、ゼロから急激に上昇した後に最大値
を取り、その後なだらかに減少した後に略一定値とな
り、面圧が略一定値となり始める位置は、合口端面７を
始点として中心角が略８０°の位置である。また、合口
端面７を始点として該中心角１５°の位置における面圧
の変化率が不連続となっている。

【００２９】しかし、実働時とほぼ同様の熱負荷を与え
た時には、白丸に示されるように、合口端部近傍におけ
る面圧が上昇し、合口端部近傍における当たり抜けは見
られなくなった。また従来のピストンリングと比して、
合口端部の急激な面圧上昇が見られない。従って、これ
に伴い、合口端部の周辺における当たり抜けが生じなく
なっている。なお、この実験結果より、実働時の合口部
におけるブローバイガスの吹き抜けによる加熱を考慮し
ても、合口部における面圧の極端な上昇は見られないこ
とがわかる。

【００３０】以上の効果は、第１の実施の形態ではより
顕著となる。即ち、イオンプレーティング皮膜４を形成
したピストンリング１では、イオンプレーティング被膜
４とガス窒化膜３との両方が備える圧縮応力を利用し
て、合口部付近のリング曲率をより大きくすることがで
きるからである。

【００３１】尚、本実験においては常温時における合口
部近辺以外の部分の面圧が約１．５ｋｇｆ／ｃｍ²程度
のピストンリングを試作し、実験を行ったが、この数値
はその用途に応じて様々に設定しうることは言うまでも
ない。

【００３２】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、本実施の形
態では常温時に合口端部にて当たり抜けが生じるよう構
成したが、合口端部の面圧が他の部分に比して極端に小
さくなっていれば、当たり抜けが生じないよう構成して
も良い。また、窒化層としてはガス窒化層の他軟窒化層
等を含むものである。

【００３３】

【発明の効果】請求項１記載の高Ｐｍａｘエンジン用ピ
ストンリングによれば、ピストンリングの全周に形成さ
れた窒化層のうち、ピストンリング内周面側の窒化層を
該内周面全面に亘って除去し、内周面側で窒化層が備え
る圧縮応力が無くなるので、外周面側の窒化層による圧
縮応力によって、ピストンリング全体の曲率が大きくな
るように変化すること、及び、除去後のピストンリング
半径方向長さをａ２を除去前の半径方向長さａ１の０．
５乃至０．９５倍とすることにより、合口端部の面圧を
低減することができ、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るので、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
面にイオンプレーティング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。

【００３４】請求項２記載の高Ｐｍａｘエンジン用ピス
トンリングによれば、外周面側に窒化層のみならず、イ
オンプレーティング層が形成されているので、ピストン
リングの耐摩耗性が向上するのみならず、イオンプレー
ティング層とガズ窒化層の両方が備える圧縮応力を利用
して、合口付近のリング曲率をより大きくすることがで
き、合口部における極端な面圧の上昇をより有効に抑え
ることができるので、合口部極低面圧リングに適するも
のとなる。

【００３５】請求項３記載の高Ｐｍａｘエンジン用ピス
トンリングによれば、ａ２をａ１の０．８乃至０．９５
倍とすることにより、合口低面圧用のリングを提供する
ことができる。

【００３６】請求項４記載の高Ｐｍａｘエンジン用ピス
トンリングによれば、ａ２をａ１の０．５乃至０．７倍
とすることことにより、合口極低面圧用のリングを提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態によるピストンリン
グの断面図であり、（ａ）は、加工前、（ｂ）は加工後
の断面図。

【図２】本発明の第２の実施の形態によるピストンリン
グの断面図であり、（ａ）は、加工前、（ｂ）は加工後
の断面図。

【図３】本発明の実施の形態による常温時のピストンリ
ングの合口部付近の形状を示す図。

【図４】本発明の実施の形態によるピストンリングの面
圧分布と従来のピストンリングの面圧分布との測定に用
いた面圧分布測定装置を示す断面図。

【図５】従来のピストンリングの面圧分布を示す折線
図。

【図６】本発明の第２の実施の形態によるピストンリン
グの面圧分布を示す折線図。

【図７】等面圧分布の面圧分布を示す図。

【図８】楕円面圧分布の面圧分布を示す図。

【図９】桃型分布（合口高圧分布）の面圧分布を示す
図。

【図１０】りんご型分布の面圧分布を示す図。

【図１１】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、１０、 ピストンリング ２ 母材 ３ ガス窒化層 ４ イオンプレーティング層 ５ 外周面 ６ 内周面 ７ 合口端面

Claims (4)

【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本体が
   スチール製のピストンリングにおいて、 該本体の全周に窒化層を形成して半径方向長さをａ１と
   した後に、該内周面側の窒化層を該内周面全面に亘って
   除去して半径方向長さをａ２とし、 ａ２はａ１の０．５乃至０．９５倍とすることを特徴と
   する高Ｐｍａｘエンジン用ピストンリング。
2. 【請求項２】 該窒化層の外周面側には、イオンプレー
   ティング層が形成されており、該イオンプレーティング
   層を含む半径方向の長さをａ１とした後に、該内周面側
   の窒化層を該内周面前面に亘って除去して半径方向長さ
   をａ２とた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。
3. 【請求項３】 ａ２をａ１の０．８乃至０．９５倍とし
   て該合口部を低面圧としたことを特徴とする請求項１乃
   至２記載の高Ｐｍａｘエンジン用ピストンリング。
4. 【請求項４】 ａ２をａ１の０．５乃至０．７倍として
   該合口部を極低面圧としたことを特徴とする請求項１乃
   至２記載の高Ｐｍａｘエンジン用ピストンリング。