JP2009228691A - 圧力リング - Google Patents

Abstract

【課題】合口部の面厚上昇を抑制し、より高性能・高負荷のエンジンに対応した圧力リングの提供。
【解決手段】略円形状を成しシリンダに対し摺動する外周面３と、ピストンに対向する内周面４と、略円形状半径方向に分断する一つの合口部２とを備え、合口部２の端面に開口して始端とし該半径方向と交差する方向に延出されるスリット１ａが形成され、スリット１ａの終端位置１ｃにおける終端距離Ａが、リング厚さａ１の０．４０倍以上、０．７０倍以下に構成され、スリット１ａの始端位置における始端距離Ｘが、終端距離Ａ以下に構成され、スリット１ａの始端位置１ｂから終端位置１ｃまでの円形状の中心角が３°以上２０°以下に形成されると共に、スリット１ａの厚さがリング厚さａ１の０．０１倍以上０．３０倍以下に形成されている圧力リングを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関用ピストンリングを構成する圧力リングに関し、特にローポイント圧力リングに関する。

圧力リングはその面圧分布により、合口部近傍の面圧が他の部分と比較して高いハイポイント圧力リングと、合口部近傍の面圧が他の部分と比較して低いローポイント圧力リングの２つに大別される。両者はその使用環境、用途によって使い分けられるが、合口部近傍の摩耗が激しい高出力ディーゼル機関等においてはローポイント圧力リングを用いる傾向がある。従来は、圧力リングのシリンダボアに対する接触面圧分布が自由状態時の周方向形状によって変化する性質を利用して、均一断面形状で、周方向形状を変化させることにより、所望の面圧分布を呈する圧力リングが製造されていた。

しかし、従来の当面圧分布等の圧力リングでは、シリンダと圧力リングとの温度差による熱膨張量の差や圧力リングの内周側と外周側との温度差による熱応力等により、周方向形状が大きく変化するため、シリンダボアとの接触状態が変化し、特に合口部では温度が上昇するほど面圧が上昇して合口部端部の外周面に極端な摩耗を発生させていた。これに対して出願人は、特許文献１に示されるように、ピストンリングを構成する圧力リングの合口部の端面を始端とする所定の周長部分に亘り、スリットが形成されたピストンリングを開示している。
特開２００１−２７１９２８号公報

近年の排出ガスや燃費等の規制によってエンジンの高効率化が図られ熱負荷が増大している。エンジンのダウンサイジング（過給システムによる出力向上分を排気量で減少させ同レベルの出力を保つことでサイズダウンを図ることであり、ＣＯ_２の減少・燃費の改善を期待できるが、過給システムにより熱負荷が増大する。）によっても、熱負荷が高くなってきている。よって、合口部付近の耐高面圧等、ピストンリングを構成する圧力リングにもより高い性能が求められている。例えば特許文献１の出願時期である約１０年前に比べて、現状のガソリンエンジン・ディーゼルエンジンに求められる排気量当たりの出力は約１０ＫＷ／Ｌ程度上昇している。そこで本発明は、従来製品に比べて更に合口部の面圧上昇を抑制し、より高性能・高負荷のエンジンに対応した圧力リングを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、略円形状を成し、シリンダに対し摺動する外周面と、ピストンに対向する内周面と、該略円形状半径方向に分断する一つの合口部とを備え、該合口部の端面に開口して始端とし該半径方向と交差する方向に延出されるスリットが形成された圧力リングにおいて、該スリットの終端位置における該スリットの半径方向厚さの中心から該外周面までの該半径方向の距離である終端距離が、該半径方向における該内周面から該外周面までの距離である半径方向リング厚さの０．４０倍以上、０．７０倍以下に構成され、該合口部の端面に開口した該スリットの始端位置における該スリットの半径方向厚さの中心から該外周面までの該半径方向の距離である始端距離が、該終端距離以下に構成され、該スリットの該始端位置から該終端位置までの該円形状の中心角が３°以上２０°以下に形成されると共に、該スリットの半径方向厚さが該半径方向リング厚さの０．０１倍以上０．３０倍以下に形成されている圧力リングを提供する。

上記構成の圧力リングにおいて、該スリットは該始端位置から該終端位置に向けて略直線状に延出されていることが好ましい。

また少なくとも該外周面には硬質皮膜が被覆されていることが好ましい。

本発明の請求項１記載の圧力リングによれば、圧力リングのスリットが形成された部分のスリット終端位置に規定される終端距離が半径方向リング厚さの０．４０倍以上０．７０倍以下に構成され、始端距離が終端距離以下に構成され、スリットの半径方向厚さが半径方向リング厚さの０．０１倍以上０．３０倍以下に形成されることにより、合口部の面圧を低減することができ、熱負荷時における面圧上昇を抑制し、ガスシール性向上及び局所的摩耗を抑制することができる。また圧力リングのスリットが形成された部分であっても合口部面圧上昇を抑制する為、外周面を含む部分の折損を抑制することができる。また始端位置から終端位置までの中心角を３°以上２０°以下にすることにより、圧力リングのスリットが形成された部分であって外周面を含む部分のシリンダに対する圧力を適正に保つことができると共に折損を抑制することができる。

請求項２記載の圧力リングによれば、直線的にスリットを形成すればよいため、スリットの形成を容易にすることができる。

請求項３記載の圧力リングによれば、硬質皮膜を被覆することにより耐久性・耐摩耗性を向上させることができる。硬質皮膜としては、アークイオンプレーティング皮膜（Ｃｒ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系、Ｃｒ−Ｂ−Ｖ−Ｎ系、Ｔｉ−Ｎ系）や、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）皮膜等を被覆することが好ましい。

本発明の第１の実施の形態による圧力リングについて図１乃至図３に基づき説明する。図１に示す圧力リング１はスチール製の略円形状をなし、図示せぬシリンダに対し摺動する外周面３と、図示せぬピストンに対向する内周面４と、略円形状を半径方向に分断する１つの合口部２とを有しており、合口部２に開口して始端位置１ｂとし半径方向と交差する方向に直線状に延出されるスリット１ａが形成されている。圧力リング１の合口部２周辺において、スリット１ａによって二分割された部分であって外周面３を含む部分を外周部３Ａと規定し、スリット１ａで分割された部分であって内周面４を含む部分を内周部４Ａと規定する。スリット１ａは直線状であるため、このスリット１ａを形成する際には図示せぬ切断砥石等のカッタを用いることができ、容易にスリット１ａを形成することができる。尚、直線状とは、完全な直線でなくとも、スリット１ａを効率的に形成できる範囲であれば、若干の曲線を有していても構わない。

また圧力リング１は、その全周においてガス窒化処理がなされているとともに、外周面３においては、硬質皮膜としてＣｒ−Ｂ−Ｎ系のアークイオンプレーティング皮膜が形成されて、耐久性・耐摩耗性を向上している。

外周面３と内周面４との距離（圧力リング半径方向の厚さ寸法）をリング厚さａ_１と規定し、スリット１ａの半径方向厚さＢ中心を通りスリット１ａの延出方向と平行に延びる仮想の軸を中心軸Ｄと規定した時に、スリット１ａは、終端位置１ｃにおけるスリット１ａの中心軸Ｄから外周面３までの半径方向の距離である終端距離Ａが、０．４０ａ_１≦Ａ≦０．７０ａ_１となるように構成され、始端位置１ｂにおける中心軸Ｄから外周面３までの半径方向の距離である始端距離Ｘが、Ｘ≦Ａとなるように構成され、かつ半径方向厚さＢが０．０１ａ_１≦Ｂ≦０．３０ａ_１になるように構成されている。

終端距離Ａ＜０．４０ａ_１となった場合では、外周部３Ａの根元部分（スリット１ａの終端位置１ｃ近傍位置）が薄くなりすぎ、外周部３Ａが図示せぬシリンダに対し摺動した際に強度が充分ではなく、スリット１ａの終端位置１ｃで折損するおそれがある。終端距離Ａ＞０．７０ａ_１となった場合では、内周部４Ａの根元部分（スリット１ａの終端位置１ｃ近傍位置）が０．３０ａ_１未満となり、内周部４Ａが図示せぬピストンに当接した際に強度が充分ではなく、スリット１ａの終端位置１ｃで折損するおそれがあると共に、外周部３Ａのスリット１ａの終端位置１ｃ近傍位置が厚くなりすぎ、合口部２近傍の外周面３において、適正な圧力を得ることができなくなり、合口部２の面圧上昇を抑制することができなくなる。始端距離Ｘ＞Ａとなった場合では、外周部３Ａの始端部分（合口部２位置、始端位置１ｂ近傍位置）に対してスリット１ａの終端位置１ｃが薄くなる為、強度が充分ではなく、外周部３Ａがスリット１ａの終端位置１ｃで折損するおそれがある。半径方向厚さＢ＜０．０１ａ_１となった場合では、圧力リング１の一般的な径方向厚さ（４．０ｍｍ程度）に対して厚さが薄すぎる為、スリットを形成する加工が難しくなる。また半径方向厚さＢ＞０．３０ａ_１の場合には、外周部３Ａ、内周部４Ａの半径方向厚さが充分に確保できなくなり、折損するおそれがある。

また圧力リング１の円形状の中心点を点Ｏと規定し、スリット１ａは、始端位置１ｂから終端位置１ｃまでの点Ｏ回りの中心角Ｃが３°≦Ｃ≦２０°になるように形成されている。ここで中心角Ｃ＜３°とした場合には、合口部２付近の面圧上昇の抑制の効果を充分に得ることができず、外周面３において合口部２近傍の摩耗量が大きくなる傾向がある。また中心角Ｃ＞２０°とした場合は、外周部３Ａが図示せぬシリンダに対し摺動した際にスリット１ａの終端位置１ｃ近傍位置に過大な負荷がかかり折損するおそれがある。

上記構成の圧力リング１の構成を用いて実機試験を行い、折損の有無及び摩耗量から総合評価を行った。以下の条件で試験を行い、本件の圧力リング１にトップリングが該当する。セカンドリング、オイルリングについては、公知の製品を用いている。
使用エンジン：直噴式ディーゼルエンジン（排気量７０００ｃｃ、シリンダ径φ１１５ｍｍ）
試験時間：１００ｈｒ
試験パターン： ２５００ｒ．ｐ．ｍ．にて全負荷運転
トップリング（第一圧力リング）
ａ_１（径方向厚さ）：３．９５ｍｍ
ｈ_１（軸方向高さ）：３．００ｍｍ
摺動面形状：バレルフェース
表面処理：全周ガス窒化後、外周摺動面にＰＶＤ皮膜（Ｃｒ−Ｂ−Ｎ系）
材質：ＳＵＳ４１０Ｊ１相当材
＜セカンドリング（第二圧力リング）寸法＞
ａ_１（径方向厚さ）：２．５０ｍｍ
ｈ_１（軸方向高さ）：４．１５ｍｍ
摺動面形状：テーパーフェース
材質：ボロン鋳鉄
オイルリング寸法：コイルエキスパンダとオイルリング本体からなる２ピースオイルリング
ａ_１：（径方向厚さ）：２．３５ｍｍ
ｈ_１（軸方向高さ）：４．００ｍｍ
材質及び表面処理：ＳＵＳ４１０Ｊ１相当材にガス窒化処理

総合評価の判断基準については、以下に示す。
折損有無
○：折損なし。
△：折損はないが、目視にてクラックを確認。
×：折損あり。
摩耗量
○：反合口部の摩耗量を１．０とした時の合口部の摩耗が１．０以下。
△：反合口部の摩耗量を１．０とした時の合口部の摩耗量が１．０より大きく１．２以下。
×：反合口部の摩耗量を１．０とした時の合口部の摩耗量が１．２より大きい。

上記条件で中心角Ｃを一定の値（２°、３°、１２°、２０°、２２°）で固定し、各中心角Ｃに対して、始端距離Ｘ、終端距離Ａ、半径方向厚さＢを変化させて、上記判断基準に基づき総合評価を行った。

表１に示されるように、中心角２°としたときには、始端距離Ｘ、終端距離Ａ、半径方向厚さＢを何れの値に変化させた場合であっても摩耗量が大きくなっていた。またスリット半径方向厚さＢの増加に伴い、スリット半径方向厚さＢが０．３０ａ_１以上の場合は、折損が△若しくは×となった。折損の有無及び摩耗量を勘案した総合評価としては悪い結果（評価：×、評価：△）となった。

次に中心角Ｃを３°、１２°、２０°としたときは、表２（３°）、表３（１２°）、表４（２０°）に示されるように、スリット半径方向厚さＢが０．０１ａ_１、０．３０ａ_１であり、終端距離Ａが０．４０ａ_１、０．５０ａ_１、０．７ａ_１であり、始端距離Ｘが終端距離Ａ以下、の条件を満たす場合のみ、折損有無、摩耗量ともに評価：○となって総合評価としてよい結果（評価：○）になった。尚、上述の角度Ｃが３°、１２°、２０°の場合において、スリット半径方向厚さＢが大きくなるに従い、折損有無及び摩耗量で×が多くなり、スリット半径方向厚さＢが０．３５ａ_１以上になった状態では、表２〜表４の折損有無及び摩耗量において、大部分が評価：×若しくは評価：△になった。また始端距離Ｘが終端距離Ａより大きい場合においても、折損有無及び摩耗量においてすべて評価：×となった。

表５に示されるように中心角Ｃを２２°にしたときは、折損有無及び摩耗量において評価○がなく、折損の有無及び摩耗量を勘案した総合評価としては悪い結果（評価：×、評価：△）となった。

上記の実験結果から終端距離Ａが０．４０ａ_１≦Ａ≦０．７０ａ１となり、始端距離ＸがＸ≦Ａとなり、スリットの半径方向厚さＢが０．０１ａ_１≦Ｂ≦０．３０ａ_１となり、かつスリットの中心角Ｃが３°≦Ｃ≦２０°となるように、スリット１ａを形成することにより、合口部２の圧力を適正化して外周面３の摩耗量を全周に亘って均一にし、かつ合口部２の折損を抑制した圧力リング１を提供することができた。

尚、本発明の圧力リングは、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された範囲で種々の変形や改良が可能である。例えば図２に示されるように、スリット１ａを合口部２端面に対して斜めになるように構成してもよいし、図３に示されるように、スリット１ａにおいて、始端位置１ｂにおけるスリット厚さを終端位置１ｃにおけるスリット厚さより大きく構成してもよい。なお図３において、上述の実験におけるスリット半径方向厚さＢは、終端位置１ｃにおけるスリット厚さが該当する。また図１において、スリット１ａの終端位置１ｃは角部を備えているが、これに限らず、図２に示されるように。終端位置１ｃを滑らなＵ字形状となるように構成してもよい。

本発明の実施の形態に係る圧力リングの合口部周辺の形状を示す部分平面図。 本発明の実施の形態の第一の変形例に係る圧力リングの合口部周辺の形状を示す部分平面図 本発明の実施の形態の第二の変形例に係る圧力リングの合口部周辺の形状を示す部分平面図

符号の説明

１・・・・圧力リング
１ａ・・・スリット
１ｂ・・・始端位置
１ｃ・・・終端位置
２・・・・合口部
３・・・・外周面
３Ａ・・・外周部
４・・・・内周面
４Ａ・・・内周部

Claims (3)

1. 略円形状を成し、シリンダに対し摺動する外周面と、ピストンに対向する内周面と、該略円形状半径方向に分断する一つの合口部とを備え、該合口部の端面に開口して始端とし該半径方向と交差する方向に延出されるスリットが形成された圧力リングにおいて、
   該スリットの終端位置における該スリットの半径方向厚さの中心から該外周面までの該半径方向の距離である終端距離が、該半径方向における該内周面から該外周面までの距離である半径方向リング厚さの０．４０倍以上、０．７０倍以下に構成され、
   該合口部の端面に開口した該スリットの始端位置における該スリットの半径方向厚さの中心から該外周面までの該半径方向の距離である始端距離が、該終端距離以下に構成され、
   該スリットの該始端位置から該終端位置までの該円形状の中心角が３°以上２０°以下に形成されると共に、該スリットの半径方向厚さが該半径方向リング厚さの０．０１倍以上０．３０倍以下に形成されていることを特徴とする圧力リング。
2. 該スリットは該始端位置から該終端位置に向けて略直線状に延出されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力リング。
3. 少なくとも該外周面には硬質皮膜が被覆されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の圧力リング。

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