JP2003028299A - スペーサーエキスパンダおよびその製造方法 - Google Patents

スペーサーエキスパンダおよびその製造方法

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JP2003028299A
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Miyuki Usui
美幸樹 臼井
Nobuo Katayama
信夫 片山
Masanori Kurokawa
賢昇 黒川
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 サイドレールとスペーサーエキス
パンダとからなる組合せオイルリングにおいて、スペー
サーエキスパンダとサイドレールとが接触し、サイドレ
ールを径方向外方に押圧する押圧片のサイドレールとの
接触面に窒化層を生成する。 【解決手段】 金属製の帯材にNi、Cr又はC
u皮膜(6)を形成し、スペーサーエキスパンダ(1)
の形状に加工する。このスペーサーエキスパンダのサイ
ドレール(3)を押圧する押圧片(2)を剪断加工によ
り形成する。押圧片(2)のサイドレール(3)との接
触面(5)が剪断面となっており、この剪断面に窒化処
理層(4)を生成する。この結果、接触面(5)のみに
窒化処理層(4)が形成される。Ni、Cr又はCu皮
膜(6)を除去することなく、スペーサーエキスパンダ
(1)の保護膜とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関のピストン
に装着され、オイルコントロールを行う組合せ3ピース
オイルリングのスペーサーエキスパンダおよびその製造
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】3ピースオイルリングのスペーサーエキ
スパンダは周方向に圧縮された状態でシリンダ内に挿入
され、内周側に設けられた軸方向の押圧片を介し、その
反発力でサイドレールをシリンダ内周面に押圧するもの
である。それ故、該押圧片のサイドレール内周面との接
触面は摩耗しやすく、とりわけ、内燃機関の高出力化・
高性能化に伴って、サイドレール内周面に硬質Crメッ
キ皮膜や窒化層が設けられるようになってからは、その
摩耗はいっそう顕著になってきている。
【0003】このようなことから、スペーサーエキスパ
ンダの耐摩耗性向上を目的として、スペーサーエキスパ
ンダに窒化層を設けることや耐摩耗性イオンプレーティ
ング皮膜を設けることが試みられている。例えば特開平
5−33866号公報では、サイドレールの外周面のみ
にイオン窒化を施し、スペーサーエキスパンダの少なく
ともサイドレールの内周部分と接触する部分に窒化処理
を施すことを開示する。また、特開平9−170659
号公報には、スペーサーエキスパンダの押圧片に皮膜硬
さがHmv1300〜2000のCr2Nからなるイオンプ
レーティング皮膜を形成することが開示されている。
【0004】しかしながら、これら従来技術に於いて
は、以下のような欠点がある。即ち、後者のイオンプレ
ーティング法により耐摩耗性の硬質皮膜を設ける方法で
は、スペーサーエキスパンダの押圧片は、スペーサーエ
キスパンダ内周部に設けられているものであるから、外
周側から皮膜形成粒子が飛来するイオンプレーティング
方法では、皮膜形成速度が非常に遅くなり生産性を著し
く悪化させるので、このようなスペーサーエキスパンダ
は非常に高価なものとなってしまうという問題がある。
また前者にあっては、塩浴窒化法やガス窒化法ではスペ
ーサーエキスパンダ全体に窒化層が形成されることにな
り、スペーサーエキスパンダの折損が発生しやすくなる
ばかりではなく、オイルリングの張力バラツキを大きく
することになる。
【0005】現在、自動車エンジンに於いては、地球温
暖化防止の観点からCO2排出の削減が求められてお
り、自動車エンジンでは燃費の向上が図られている。こ
の一手段として、ピストンリングではピストンリングの
低張力化が望まれている。組合せオイルリングの低張力
化のためには、スペーサーエキスパンダの張力を低く設
計することと同時に製造工程での寸法バラツキを小さく
する必要がある。オイルリングの張力は前述のようにス
ペーサーエキスパンダ周方向での縮径の程度により決め
られるのであるから、スペーサーエキスパンダの周方向
の寸法バラツキがオイルリング張力のバラツキを生む原
因となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本願は以上のような考
えに基づきなされたものであって、スペーサーエキスパ
ンダの押圧片のサイドレールとの摺接面の耐摩耗性を向
上すると共に、製造工程でのスペーサーエキスパンダの
周方向寸法バラツキを抑え、スペーサーエキスパンダ張
力バラツキを極力抑えることを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】そのため、図1に示すよ
うに、本願第一の発明では、少なくともスペーサーエキ
スパンダ1の内周部の押圧片2のサイドレール3と摺接
する面等の剪断により形成された面5のみに窒化層4を
有し、スペーサーエキスパンダの上下面、内周面、外周
面には窒化層を有しないスペーサーエキスパンダとし
た。好ましくは、該押圧片(エキスパンダ押圧片2)の
サイドレール3との接触面5以外の面には、1μm〜5
μmの厚さのNi、Cr又はCu皮膜或いはガラス状皮
膜6を有することとした。本願第三の発明は上記第一の
発明の製造方法であって、母材の窒化を防止する皮膜を
形成させた素材を用い、サイドレール内周面との接触面
が素材の剪断によって形成されるという製造方法の特徴
を生かし本願目的を達成するスペーサーエキスパンダを
製造する方法であって、線材表面にNi、Cr又はCu
皮膜を1〜5μm施す第一工程、ギヤ成形により線材を
軸方向波形に形成する第二工程、波形線材の内周部分に
押圧片部を、剪断によって形成する第三工程、ついで窒
化処理を施す第四工程から成ることを特徴とするスペー
サーエキスパンダの製造方法である。
【0008】スペーサーエキスパンダの製造に伴う張力
バラツキの発生を低く押さえようとすれば、前述のよう
に、スペーサーエキスパンダ全体に窒化層が形成される
場合には、スペーサーエキスパンダ全体に均一な窒化層
を形成することが必要となる。しかしながら、スペーサ
ーエキスパンダ素材がステンレス鋼であり表面には各
種、いろいろな厚さの酸化膜が形成されていること、大
きな変形比の塑性加工が行われていることから、均一な
窒化層(窒化ムラ等がない)を形成するには高度な前処
理が必要になる。しかしながら、そのような工程を組む
ことは、高コストとなり得策ではない。そこで本発明者
たちは、必要な部分にのみ窒化層を形成させることを考
えた。しかしながら、窒化層形成箇所を除くスペーサー
エキスパンダ全体に窒化防止剤を塗布することや窒化防
止膜を形成することは、スペーサーエキスパンダの形状
から容易ではなくまたコストもかかる。本発明者らは、
エキスパンダ押圧片が素材の剪断によって新たに露出さ
れる面で形成されていることに着目し、この剪断面のみ
を窒化処理すれば良いことを見出し本願発明に到達し
た。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明のスペーサーエキスパンダ
では、スペーサーエキスパンダ押圧片のサイドレールと
の接触面5に窒化層4が形成されているため、サイドレ
ールと摺接による摩耗を防止することが出来る。さらに
スペーサーエキスパンダ押圧片のサイドレールとの接触
面5を除く部分には窒化層が形成されないため、スペー
サーエキスパンダは折損しにくいばかりではなく、窒化
層が形成されないので、窒化層の窒化ムラにより発生す
るスペーサーエキスパンダの張力のバラツキを低く押さ
えることが出来る。また、スペーサー押圧片のサイドレ
ール内周面との接触面以外に形成された窒化防止用の金
属膜はサイドレールやスペーサーエキスパンダの機能に
障害を与えるものではなく、寧ろ、存在することによっ
て、側面に窒化層が形成されたサイドレール等と組合せ
て使われる場合では、スペーサーエキスパンダの上下面
の耐摩耗性を向上する働きがある。この窒化防止膜は1
μm以下の膜厚さでは加工途中で摩滅し窒化防止の役割
を果たさなくなる。また、5μm以上の厚さがあるとギ
ア成型時に皮膜が剥離する可能性が高くなる。
【0010】本発明は押圧片のサイドレール内周面との
接触面が素材の剪断によって形成されるスペーサーエキ
スパンダにのみ適用できる。
【0011】またスペーサー押圧片部のみに窒化を施す
ため、スペーサーエキスパンダ製造時に寸法バラツキが
大きくならず、製造管理が容易である。
【0012】スペーサーエキスパンダのサイドレールと
の接触部分には窒化処理が施され、窒化処理層がそれそ
れ形成されており、スペーサーエキスパンダより高硬度
のサイドレールとの接触によるスペーサーエキスパンダ
の摩耗を防止している。
【0013】[実験例1]幅:2.35mm、厚さ:0.
275mmのSUS304材(硬度Hv240)の帯材を
脱脂処理後に酸洗いし水洗乾燥することで表面を清浄化
し、活性化処理をCrメッキ漕中で60秒行い、その後
Crメッキ漕の中で55℃を5分間保持した。その後乾
燥炉で90℃で10分間乾燥をさせ、およそ2〜3μm
厚さのCr膜を帯材の全表面に形成した。
【0014】この帯材を図2に示す通常の成形工程(ギ
ヤ成形方法で局部的な曲げと剪断による押圧片部成形→
コイリングにより真円に連続巻きし定寸切断→両端の合
口面部切断)を経て、1本ずつのエキスパンダ素材を得
た。帯材7をギヤ成形8→耳部成形9→ギヤ成形10→
コイリング→定寸切断11→両端の合口面部仕上げの工
程を経て(図2)、正確な形状と一定の展開長さとする
ことで、所定の張力が出せるようにしている。押圧片即
ち耳部2はギヤ成形の後に、母材を部分的に剪断しさら
にギヤ成形で曲げて作られている。テーパー面となって
いる接触面5は主として剪断時の破断面によって形成さ
れている。図3は、この状態のエキスパンダの断面を示
すもので、押圧片2のサイドレールとの接触面5は帯材
を局部的に剪断した面であるためCr膜6はこの面には
存在しない。それ以外の部分は、ギア成形による曲げ等
を受けているにもかかわらずCr膜6で覆われている。
次にエキスパンダ素材を、脱脂処理した後にガス窒化処
理炉にてアンモニアと窒素ガスを流気させながら570
℃で1時間保持した。図4は、窒化後の断面を示すもの
で、押圧片2のサイドレールとの接触面5のみが窒化さ
れており窒化層4の深さは、20μmであり、Cr膜6
を施した他の面には、窒化層は存在していない。
【0015】ボア径φ78.0、組合せ寸法2.0mm
(公差−0.050〜−0.020mm)、張力20.0
±3.0Nねらいの組合せオイルリングを作製した。作
成方法は実施例1の方法である。本発明のスペーサーエ
キスパンダのサイドレール接触部分等剪断により生じた
表面にのみ窒化層を施した製品(本発明仕様)と、スペ
ーサーエキスパンダ全表面に窒化層を施した製品(従来
品仕様)を作製した。両者の製造バラツキを比較するた
め、図5にそれぞれの製造方法でのスペーサーエキスパ
ンダとサイドレールとの軸方向組合せ寸法バラツキを示
した。
【0016】図5から解るようにスペーサー押圧片部お
よび突起部のみに窒化層を施すと、スペーサーエキスパ
ンダの寸法バラツキが大幅に小さくなった。
【0017】またそれぞれの製造方法の製品についてサ
イドレールとの組合せ張力について測定した結果を図6
に示す。このようにスペーサー押圧片部および突起部の
みに窒化層を施すと、張力バラツキも大幅に低減するこ
とが可能になる。
【0018】さらに耐折損性について確認を行うため、
両オイルリングを疲労試験機にセットし応力の差を確認
した。このS−N曲線を図7に示す。S−N曲線から本
発明仕様のスペーサーエキスパンダの方が耐折損性が良
好であることがわかる。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のスペーサ
ーエキスパンダによればスペーサーエキスパンダの耐折
損性が良好になり、製造上の寸法バラツキを小さくでき
る。また、本発明のエキスパンダの製造方法によれば、
サイドレールとの接触部分のみに容易に厚い窒化層を施
すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示し、スペーサーエキスパ
ンダの一部分を示す縦断面図である。
【図2】スペーサーエキスパンダの成形工程を示す図で
ある。
【図3】Ni、Crめっき又はCu皮膜のスペーサーエ
キスパンダを示す断面図である。
【図4】窒化処理後のスペーサーエキスパンダを示す断
面図である。
【図5】本発明品と従来品におけるスペーサーエキスパ
ンダとサイドレールとの軸方向組合せ寸法バラツキを示
すグラフ図である。
【図6】本発明品と従来品におけるスペーサーエキスパ
ンダとサイドレールとの組合せ張力バラツキを示すグラ
フ図である。
【図7】本発明品と従来品におけるスペーサーエキスパ
ンダのS−N曲線を示すグラフ図である。
【符号の説明】
1 スペーサーエキスパンダ 2 スペーサーエキスパンダ押圧片部 3 サイドレール 4 窒化層 5 サイドレールとの接触面 6 Ni、Crめっき又はCu皮膜或いはガラス状皮膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 黒川 賢昇 新潟県柏崎市北斗町1−37 株式会社リケ ン柏崎事業所内 Fターム(参考) 3J044 AA02 AA04 BA01 BB14 BB27 BB28 BB29 BB36 BC06 CB31 DA09 DA17 EA03

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スペーサーエキスパンダとスペーサーエ
    キスパンダに支持される一対のサイドレールからなる組
    合せオイルリングにおいて、スペーサーエキスパンダは
    金属製帯材によりピストン軸方向波形に形成されて周方
    向に延伸しており、内周部にはピストン軸方向に突出し
    て形成され、サイドレールを半径方向外側に押圧する押
    圧片を有するスペーサーエキスパンダであって、該押圧
    片の剪断により形成された面にのみ窒化処理層を有する
    ことを特徴とする組合せオイルリングのスペーサーエキ
    スパンダ。
  2. 【請求項2】 帯材の上下面、内周面及び外周面には、
    1μm〜5μmの厚さのNi、Cr又はCu皮膜を有する
    ことを特徴とする請求項1記載のスペーサーエキスパン
    ダ。
  3. 【請求項3】 スペーサーエキスパンダの内周部に、サ
    イドレールを軸線方向に支持する突起部を有する請求項
    1記載のスペーサーエキスパンダ。
  4. 【請求項4】 スペーサーエキスパンダの製造方法であ
    って、線材表面にNi、Cr又はCu皮膜を1〜5μm
    施す第一工程、ギヤ成形により線材を軸方向波形に形成
    する第二工程、波形線材の内周部分に押圧片部を剪断に
    よって形成する第三工程、ついで剪断面に窒化処理を施
    す第四工程から成ることを特徴とする請求項1記載のス
    ペーサーエキスパンダの製造方法。
  5. 【請求項5】 スペーサーエキスパンダの外周部に突起
    部を剪断により形成する工程を有する請求項4記載の製
    造方法。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005040645A1 (ja) * 2003-10-27 2005-05-06 Kabushiki Kaisha Riken 3ピース組合せオイルリング
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US10352446B2 (en) 2015-01-09 2019-07-16 Kabushiki Kaisha Riken Combined oil control ring

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