JP2006017287A

JP2006017287A - 内燃機関用ピストンリング

Info

Publication number: JP2006017287A
Application number: JP2004198417A
Authority: JP
Inventors: Masaki Yamada; 正樹山田
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2006-01-19
Also published as: TW200643293A; WO2006003976A1; EP1767834A1; US20070176371A1

Abstract

【課題】ピストンリングの開閉による摩擦力の発生を抑制し、テーパ形状のシリンダにおいても、低フリクションが維持できる内燃機関用ピストンリングを提供する。
【解決手段】本発明に係るピストンリング１０では、合い口端面１６と外周面１８とのエッジ部２０に、周方向幅Ｌ１が半径方向幅Ｌ２より大きい面取り２２が形成されていることを特徴とする。これにより油膜の形成が促進され、合い口の開閉運動に伴う円周方向の摩擦力を低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のピストンに装着されるピストンリングに関し、特に、組み合わせオイルリングに関する。

内燃機関のシリンダボアは、上部と下部の温度差やボルトの締め付けに起因して、通常、上部のボア径が広がり壺状（テーパ形状）に変形している。そのため、その内壁面をピストンが往復運動する際は、ピストンに装着されたピストンリングの合い口が開閉運動して、ボア径の変化に追従していると考えられる。合い口の形状は、直角合い口（ストレート）、斜め合い口（アングル）、および段付き合い口（ステップ）などがあり、これらが実用化されている。また、合い口部の外周エッジは、非特許文献１に開示されるように、Ｒ面取り又はＣ面取りが施されている。

図６(ａ)に示すように、ピストンリング２１０の合い口２１２が閉じる方向ｘ１に移動するとき、リング外周面には摩擦力ｆ１が生じる。一方、図６（ｂ）に示すように、ピストンリング２１０の合い口２１２が広がる方向ｘ２に移動するとき、ピストンリング外周面には摩擦力ｆ２が生じる。このため、ピストンリングの合い口が閉じる方向に移動するとき、すなわち、ボア径が小さくなる方向にピストンが移動するときには、ピストンリングが外周に張り出そうとする摩擦力ｆ１が付加されて摺動摩擦力が上昇する。

「内燃機関−小径ピストンリング−第４部：仕様の一般規定」、ＪＩＳＢ８０３２、平成１０年１２月２０日制定、ｐ１４−１５

そのため、従来のピストンリングでは、特に面圧の高い合口付近で摩擦力の影響が大きく、合口付近に偏摩耗を引き起こしたり、最悪の場合には焼き付きなどの原因となる可能性もある。

そこで本発明では、ピストンリングの開閉による摩擦力の発生を抑制し、テーパ形状のシリンダにおいても、低フリクションが維持できる内燃機関用ピストンリングを提供することを目的とする。

本発明に係るピストンリングは、ピストンリングの合い口端面と外周面とのエッジ部（合い口外周エッジ）に軸方向から見て周方向幅が、半径方向幅より大きい面が設けられていることを特徴とする。通常、このエッジ部には、欠け防止のためにＣ面取り又はＲ面取りが施されている。本発明では、合い口外周エッジ部に周方向幅が、半径方向幅より大きくなるように面取りを行い、外周摺動面側を微小角度で連続させることにより、油膜の形成が促進され、摩擦力を低減できることを見いだし完成された。

本発明は、圧力リング及びオイルリングのいずれにも適用されるが、特に組み合わせオイルリングに適用した場合には顕著なフリクション低減効果が得られる。オイルリングとして、上下レール部と、上下レール部を連結する柱部とからなるオイルリング本体と、オイルリング本体の内周側の溝に装着されるコイルエキスパンダで構成される組み合わせオイルリング、ならびに一対のサイドレールと、サイドレールを支持するスペーサエキスパンダからなる組み合わせオイルリングに適用され、これ以外の公知のオイルリングにも適用することができる。前者の組み合わせオイルリングに適用した場合には、オイルリング本体の上下レール部の合い口外周エッジ部に、周方向幅が軸方向幅よりも大きい面が形成され、後者の組み合わせオイルリングに適用した場合には、サイドレールの合い口外周エッジ部に、周方向幅が軸方向幅よりも大きい面が形成され、これにより本発明の効果を得ることができる。

ピストンリングおよび組み合わせオイルリングに形成される面の周方向幅Ｌ１と半径方向幅Ｌ２との比Ｌ２／Ｌ１は、０．１〜０．５の範囲であることが好ましく、０．１５〜０．３５がより好ましい。通常、この面は、面取り加工によって形成される。

本発明に係るピストンリングは、外周面と合い口端面とのエッジ部に周方向幅が、半径方向幅より大きい面が形成され、摺動面と合い口端面とのつなぎを滑らかにしているため、油膜が形成され易くなる。その結果、ボア径が上部と下部で異なる場合でも、合い口の開閉運動に伴う円周方向の摩擦力を低減でき、低フリクションが維持できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１（ａ）に本発明のピストンリングの合い口付近の斜視図を示し、図１（ｂ）にその平面図を示す。ピストンリング１０には、周方向に一定の隙間を有する合い口１２が形成されている。合い口１２は、直角合い口（ストレート）であり、ピストンリング１０の側面１４に対し合い口端面１６が直角である。

ピストンリングの外周面１８と合い口端面１６とが交差するエッジ部２０には、軸方向から見て、周方向幅Ｌ１が、半径方向幅Ｌ２より大きい面取り２２が施されている。

このような面取り２２を形成することにより、摺動面（外周面）と合い口端面１６とのつなぎを滑らかに連続させ、油圧発生時にピストンリング外周面とシリンダ内周面との間に油膜が形成され易くしている。

図２（ａ）及び（ｂ）にそれぞれ、Ｃ面取りが施されているピストンリング、及び本発明のピストンリングを装着した時の油圧発生時の油膜形成の模式図を示す。図２（ａ）に示す従来のピストンリングに形成されたＣ面取り３０は、外周面１８と合い口端面１６との傾斜が急なため（周方向幅Ｌ１＞半径方向幅Ｌ２の関係にない）、ピストンリングが軸方向下方に向けて運動する際に、面取り部３０で油が逃げやすく、シリンダ内周面３２との間で形成される油膜３４が薄くなる。

一方、本発明のピストンリング１０は、外周面１８から合い口端面１６に向けて微小角度で連続するため、面取り部２２でも油膜３４がのりやすく、従来に比べ厚い膜が形成される。

次に、コイルエキスパンダ付き組み合わせオイルリングを例として本発明を説明する。図３（ａ）に示すようにコイルエキスパンダ付き組み合わせオイルリング１２０は、軸方向上下に設けられた上下レール部１２２と、上下レール部１２２を連結し周方向に複数のオイル窓１２４が形成された柱部からなるオイルリング本体１２６と、オイルリング本体１２６の内周側の溝に装着され、オイルリング本体を半径方向外方に押圧するコイルエキスパンダ１２８で構成される。

図３（ｂ）に本発明のコイルエキスパンダ付き組み合わせオイルリングのオイルリング本体の一部拡大図を示す。オイルリング本体１２６の上下レール部１２２の合い口端面１３０と外周面１３２のエッジ部１３４に、軸方向から見て周方向幅Ｌ１が、半径方向幅Ｌ２より大きい面取り１３６が施されている。このため、上述したように従来のＣ面取りに比べ油膜の形成が促進され、合い口部周辺においても油膜が充分形成されているため、合い口閉じ運動による摩擦力の発生が抑制され、低フリクションが実現できる。

ここで、面取り部の周方向幅Ｌ１は０．１０〜０．３０ｍｍが好ましい。また、半径方向幅Ｌ２は０．０２〜０．１０ｍｍが好ましく、０．０３ｍｍ〜０．０７ｍｍとするのがより好ましい。また、合い口外周エッジ部１３４に設けられる面は平面としてもよいが、なだらかな曲面とすることにより油膜の形成がさらに促進され、より優れたフリクション低減効果が得られる。

図３（ａ）の断面を有するマルテンサイト系ステンレス鋼線材をボア径になるように巻いて、オイルリング本体を作製した。ここで、オイルリング本体の張力Ｆｔ１０Ｎ、リング呼び径７５．０mm、リング本体半径方向厚さ１．５mm、軸方向幅１．５mmとした。得られたオイルリング本体の上下レール部の合い口端面と外周面とのエッジ部にベルダ加工機を用いて面取り加工を行った。面取り部の周方向幅Ｌ１は０．２ｍｍで一定とし、半径方向幅Ｌ２を０．０２〜０．１５ｍｍの間で変えて各種オイルリング本体を作製した。また、比較として、周方向幅Ｌ１及び半径方向幅Ｌ２ともに０．２ｍｍのＣ面取りを施したオイルリング本体も作製した。それぞれのオイルリング本体とコイル径ｄ＝１．０６０mmのコイルエキスパンダと組み合わせて、ピストンに装着し、テーパ形状のシリンダを用いてピストンを往復運動させ、外周荷重を測定した。

図４に測定に用いた装置の概略図を示す。ピストンのストロークＳは４０ｍｍとし、上死点と、下死点に荷重センサー（ロードワッシャー）を埋め込み、シリンダ面圧を測定した。ピストンの上死点のボア径Ｄ１は、φ９３．０３ｍｍで、下死点のボア径Ｄ２は、φ９２．０８ｍｍであった。

比較例の組み合わせオイルリングでは、下死点付近で摩擦力が上昇する傾向が顕著に認められた。図５に比較例（半径方向幅０．２ｍｍ）のフリクション最大値を１００として、各実施例において測定されたフリクション最大値の比率をプロットした結果を示す。合い口外周エッジ部の面取りの半径方向幅を周方向幅より小さくしてダレ形状とすることにより、比較例に比べ、フリクションが低減することが確認された。特に、面取り部の半径方向幅を０．０２ｍｍ〜０．１０ｍｍとした場合にフリクションが低減し、０．０３ｍｍ〜０．０７ｍｍではより顕著なフリクション低減効果が得られることがわかった。

以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

本発明にピストンリングは、自動車、船舶、二輪車等の内燃機関用ピストンにおいて利用される。

図１（ａ）は本発明に係るピストンリングの合い口付近の斜視図、図１（ｂ）はその平面図である。図２（ａ）は従来のピストンリングを装着したときの油膜形成の模式図であり、図２（ｂ）は本発明のピストンリングを装着したときの油膜形成の模式図である。図３（ａ）はコイルエキスパンダ付き組み合わせオイルリングを示す断面図であり、図３（ｂ）は本発明の組み合わせオイルリングのオイルリング本体を示す拡大図である。図４は、外周荷重測定に用いた装置を示す概略図である。図５は外周荷重測定結果を示す図である。図６はテーパ形状のボア径におけるピストンリングの合い口部の開閉運動を説明する図である。

符号の説明

１０：ピストンリング
１２：合い口
１４：側面
１６、１３０：合い口端面
１８、１３２：外周面
２０、１３４：エッジ部
２２、１３６：面取り
１２０：組み合わせオイルリング
１２６：オイルリング本体
Ｌ１：周方向幅
Ｌ２：半径方向幅

Claims

ピストンリングの合い口端面と外周面とのエッジ部に、周方向幅が半径方向幅より大きい面が形成されていることを特徴とする内燃機関用ピストンリング。
上下レール部と、上下レール部を連結する柱部とからなるオイルリング本体と、オイルリング本体の内周側の溝に装着されるコイルエキスパンダとで構成される組み合わせオイルリングであって、
上下レール部の合い口端面と外周面とのエッジ部に、周方向幅が半径方向幅より大きい面が形成されていることを特徴とする組み合わせオイルリング。
一対のサイドレールと、サイドレールを支持するスペーサエキスパンダとからなる組み合わせオイルリングであって、
サイドレールの合い口端面と外周面とのエッジ部に、周方向幅が半径方向幅より大きい面が設けられていることを特徴とする組み合わせオイルリング。
前記面の周方向幅Ｌ１と半径方向幅Ｌ２の比Ｌ２／Ｌ１が０．１〜０．５であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用ピストンリング。
前記面の周方向幅Ｌ１と半径方向幅Ｌ２の比Ｌ２／Ｌ１が０．１〜０．５であることを特徴とする請求項２または３に記載の組み合わせオイルリング。