JP2011509386A - 溶射皮膜を備えたピストンリングの側面保護 - Google Patents

Abstract

ピストンリング（１００）が開示されており、このピストンリングは、半径方向に延びた上面（１１０）と、半径方向に延びた下面（１０２）と、上面と下面との間に延びた半径方向で最も内側の表面（１１４）と、上面と下面との間に延びた半径方向で最も外側の表面（１０６）とを有している。下面（１０２）は、溶射皮膜（１０４）を有しており、半径方向で最も外側の表面と上面とは皮膜を有していない。したがって、溶射皮膜（１０４）は、概して、リングの半径方向に延びた下面（１０２）だけに塗布されている。

Description

関連出願とのクロスリファレンス
本願は、引用したことにより開示内容全体が本明細書に記載されたものとする、２００８年１月８日に出願された米国特許仮出願第６１／０１９７３１号明細書、及び引用したことにより開示内容全体が本明細書に記載されたものとする、米国実用特許出願第１２／３３５０００号明細書の優先権を主張する。

技術分野
本開示は、内燃機関のためのピストンリング、及びピストンのための潤滑システムに関する。

背景
内燃機関のパワーシリンダアセンブリは、概して、エンジンブロックの円筒状キャビティ内に配置された往復運動するピストンを有する。円筒状キャビティの一方の端部は閉鎖されているのに対し、円筒状キャビティの別の端部は開放している。円筒状キャビティの閉鎖された端部と、ピストンの上側部分若しくはクラウンとは、燃焼室を規定している。円筒状キャビティの開放した端部は、オイルサンプに部分的に浸漬された、クランクシャフトにピストンの下側部分を結合するコネクティングロッドの揺動を可能にしている。クランクシャフトは、（燃焼室における燃料の燃焼により生じる）ピストンの直線運動を回転運動に変換する。

パワーシリンダアセンブリは、通常、１つ又は２つ以上のピストンリングと、エンジンブロック内に配置されておりかつ円筒状キャビティの側壁を形成した円筒状スリーブ又はシリンダライナとを有している。ピストンリングは、ピストンの側壁に形成された溝に配置されており、ピストン壁部と円筒状ライナとによって画設された環状空間内へピストンから延びている。円筒状キャビティ内でのピストン移動中、ピストンリングがシリンダライナに当接する。ピストンリングは２つの主な機能を有している。第１に、ピストンリングは、ピストンとシリンダライナとの間の環状空間を通ってオイルサンプ内へ燃焼室からガス流を阻止する。第２に、ピストンリングは、オイルサンプから燃焼室内へのオイルの流れを最小限に抑える。

ピストンリングは、概して、燃焼サイクルから生じる極度の温度及び圧力に耐えなければならない。したがって、シリンダライナ又はボア表面に当接するピストンリングの外面は、しばしば硬い表面皮膜が噴霧されているか、未処理の表面よりも耐久性がある硬化された外面を形成するように処理されている。噴霧によって提供された皮膜は、本来、正確に提供することが困難であり、ピストンリングは、噴霧される皮膜が、意図した外側ピストンリング面以外の面に付着するのを阻止するために、何らかの形式で遮蔽されなければならない。幸い、ピストンリング外面は、概して、単に複数のピストンリングを積み重ね、積み重ねたリングに同時に処理を提供することができるので、概して、他のピストンリング表面にスプレーしぶきが達するのを回避する。

エンジンに対する燃料経済性及び排ガスの要求の最近の高まりは、表面処理を、最も外側のピストンリング表面以外の表面のためにより望ましくした。しかしながら、処理のための所望の領域をマスクするという同様の困難が固有であり、その他のピストンリング表面は、外側のピストンリング表面の処理のためのように、同じ積み重ねアプローチを用いてマスクされることができない。

したがって、外側ピストンリング表面に互いの表面の耐久性を高めかつ大量生産環境における製造のために費用対効果の高いピストンリングが求められている。

図面の簡単な説明
請求項は例示された実施形態に限定されないが、発明の様々な例を論じることによって様々な態様が認められる。ここで図面を参照すると、例示としての実施形態が詳細に示されている。図面は実施形態を示しているが、図面は必ずしも実寸ではなく、ある特徴は、より詳細に示しかつ実施形態の革新的な態様を説明するために、誇張されている場合がある。さらに、ここで説明される実施形態は、排他的であるか、又は図面に示されかつ以下の詳細な説明に開示された正確な形状及び構成に制限又は限定されることは意図されていない。本発明の典型的な実施形態は、以下の図面を参照することによって詳細に説明される。

ピストンリング溝内に収容された典型的なピストンリングの断面図である。 ピストンリングにスプレー皮膜を提供するための、典型的な固定具の立面斜視図である。 図２Ａに示された典型的な固定具の断面図である。 図２Ｂの部分の拡大図である。 図２Ａの典型的な固定具を示す、図２Ａの部分の拡大図である。 固定具に配置された典型的なピストンリングを備えた、図２Ｄの拡大図である。 ピストンリングに皮膜を提供するための別の典型的な固定具を示す図である。 ピストンリングに皮膜を提供するためのさらに別の典型的な固定具を示す図である。 ピストンリングに皮膜を提供するための典型的な方法フローチャートである。

詳細な説明
請求項は、例示された例に限定されないが、様々な態様の認識は、発明の様々な例を論じることにより最もよく得られる。ここで以下の説明及び図面を参照すると、開示されたシステム及び方法への例示的なアプローチが詳細に示されている。図面は幾つかの可能なアプローチを示しているが、図面は必ずしも実寸ではなく、例の革新的な態様をよりよく例示及び説明するために、ある特徴は、誇張、除去、又は部分的に断面で示されている。さらに、ここで示される説明は、排他的であるか、又は図面に示されかつ以下の詳細な説明に開示された正確な形状及び構成に請求項を制限又は限定することは意図されていない。

さらに、以下の説明に導入された多数の定数又は変数が存在する。幾つかの場合、定数の例示的な値が提供されている。別の場合には、特定の値は与えられていない。定数の値は、関連するハードウェアの特性及びこのような特性の互いの相互関係、並びに開示されたシステムに関連する環境条件及び操作条件に依存する。

様々な典型的な例によれば、ピストンリングは、半径方向に延びた上面と、半径方向に延びた下面と、上面と下面との間に延びた半径方向で最も内側の表面と、上面と下面との間に延びた半径方向で最も外側の表面とを有している。下面は、溶射皮膜を有しており、半径方向で最も外側の表面と、上面とは、皮膜を有していない。したがって、溶射皮膜は、概して、リングの半径方向に延びた下面だけに提供されている。

付加的に、ピストンリングに皮膜を提供するための固定具が開示されている。固定具は、上面と座ぐり穴とを規定する部材を含んでよい。座ぐり穴は、外周部と内周部とを有しており、外周部は上面から下方へ延びている。座ぐり穴は、下面を有するピストンリングを収容する。固定具はさらに、外周部から内周部へ溶射材料を送るように構成された溶射トーチを有しており、噴霧は前記ピストンリングの下面に衝突する。外周部は、溶射材料が少なくとも部分的に上面によってブロックされるようにピストンリングよりも上方に延びており、これにより、ピストンリングの半径方向で最も外側の表面よりも半径方向内側で終わっている前記下面における皮膜層を形成しており、これにより、溶射皮膜と半径方向で最も外側の表面との間に皮膜が形成されない領域若しくはギャップを形成している。下面の一部はこのように、半径方向で最も外側の表面に隣接したところでは皮膜形成されておらず、この部分は前記半径方向で最も外側の表面まで延びている。

さらに、ピストンリングを固定具アセンブリに挿入することを含む、ピストンリングに皮膜を提供する典型的な方法が開示されている。固定具センブリは、上面と、ピストンリングを収容する座ぐり穴とを有している。この方法はさらに、ピストンリングの外径からリングの内径に向かってピストンリングに向かって皮膜を噴射し、皮膜を形成するためにピストンリングの露出した表面に噴霧を提供し、上面に噴霧の一部を選択的に接触させることを含む。典型的な方法はさらに、皮膜の端部と、ピストンリングの最も外側の直径との間において、下面に皮膜を有さない領域又はギャップを形成することを含む。皮膜が形成されない領域は、皮膜によって被覆されないままであり、ピストンリングの半径方向で最も外側の表面まで延びている。上面は、噴霧の一部がピストンリングに接触するのを妨げることによって、皮膜が形成されない領域の形成を容易にする。

概して、ピストンリングの側面、例えば半径方向に延びた下面と、収容するリング溝との間の摩耗環境は、リングの概して鉛直の、半径方向で最も外側の表面と、シリンダライナの対応する鋳鉄表面との典型的な摩耗環境と比較して、異なっている。例えば、機械加工されたピストンリングに係合する機械加工された鋼製のピストンリング溝の材料特性は、１つの相違を提供する。第２の相違は、ピストンが昇降するときの溝表面に対するピストンリングの鉛直方向の往復運動に関する。さらに、リングは、半径方向内方及び半径方向外方に撓み、ピストン作動中にピストンリング溝表面に対して摩擦される。

溶射プロセスは概して、溶融又は加熱された材料を表面に噴射することを含む。溶射皮膜は、概して、その他の皮膜に関連した欠点を最小限に抑えながらポジティブな耐摩耗性表面を提供する。例えば、皮膜層の厚さは、通常５〜２０μｍである、従来の摩耗皮膜よりも、溶射皮膜の場合は著しく大きいことができる。さらに、溶射皮膜において用いられるベース材料はより安価であることができる。さらに、疲労特性は、溶射皮膜によって不都合に影響されない。さらに、従来の摩耗皮膜よりも、溶射プロセスに関連した潜在的な環境問題は少ない。

ここで図１を参照すると、分割ピストンリング１００の横断面は、ピストン２００によって規定されたピストン溝２０２内に収容されている。ピストン２００は、内側ボア表面又はシリンダライナ表面２０４を規定するエンジンブロック２０６内に収容されている。ピストンリング１００の下面１０２は、皮膜層１０４、例えばプラズマ溶射皮膜、溶射皮膜を有している。リングの半径方向で最も外側の表面１０６は別個の摩耗皮膜１０８を有しているのに対し、リングの上面１１０と、半径方向で最も内側の表面１１２とはそれぞれ皮膜を有していない。溶射皮膜１０４は、ピストンリング１００の半径方向で最も外側の表面１０６の手前で終わっているので、皮膜層１０４の半径方向で最も外側の縁部１０５と、半径方向で最も外側表面１０６との間にはギャップ、ギャップ領域、若しくは皮膜が形成されない領域Ｇを規定している。しかし、これとは対照的に、皮膜１０４は、半径方向内方に、ピストンリング１００の半径方向で最も内側の表面１１４まで延びていてよく、ある場合には、下面１０２に隣接した半径方向で最も内側の表面１１４に沿って僅かに上方へ延びている。

皮膜の半径方向で最も外側の縁部１０５と、ピストンリング１００の半径方向で最も外側の表面１０６との間の皮膜を有さない領域Ｇは、ピストン溝の対応する表面との組合せにおけるピストンリング皮膜の性能に影響することなく可能である。なぜならば、ピストンリング１００は収容ピストン溝２０２から外方へ延びているからである。図１に示されているように、皮膜１０４の半径方向で最も外側の縁部１０５は、ピストン２００の作動中にはボア表面２０４に接触することはできない。なぜならば、皮膜を有さない領域Ｇは、常にボア表面２０４から離れた皮膜１０４を生じるからである。ピストンリング１００の半径方向で最も外側の表面１０６は、ピストン２００の往復運動中にボア表面２０４に沿って摺動する又はこするのに対し、皮膜１０４の半径方向で最も外側の縁部１０５は、皮膜を有さない領域Ｇによってボア表面２０４から必然的に間隔を置いて配置されている。

ピストンリングの半径方向で最も外側の下側の周方向縁部１０７は、皮膜層１０４によって被覆されていない。これは、有利には、ピストンリング１００とボア表面２０４との間の一定の境界面を提供し、皮膜層が最も外側の表面１０６及び／又は半径方向で最も外側の周方向縁部１０７まで延びているピストンリングと比較して、エンジン運転中にエンジンの表面、例えばボア表面２０４からオイルを掻き取るためのピストンリング１００の能力を高める。つまり、溶射皮膜層１０４が形成されていない半径方向で最も外側の周方向縁部１０７を提供することにより、ピストンリング１００は、ボア表面２０４からオイルをより効果的に掻き取り、エンジンの燃焼室へのオイルの逃げ込みを阻止する。

半径方向で最も外側の下側の周方向縁部１０７は、下面１０２と半径方向で最も外側の表面１０６との間の比較的鋭い移行部を規定している。例えば、図１に最もよく示されているように、下面１０２と半径方向で最も外側の表面１０６とは互いに対してほぼ垂直である。半径方向で最も外側の表面１０６はほぼ鉛直であり、下面１０２は、水平に対して小さな角度で規定されており、表面１０６，１０２は正確な直角を形成していないが、互いにほぼ垂直であり、水平に対して下面１０２によって規定された小さな角度は無視できる。したがって、特にピストンリング１００がボア表面２０４に対して下方へ移動する時に、ボア表面２０４からオイルを掻き取るピストンリング１００の有効性を高めるために、半径方向で最も外側の下側の周方向の縁部１０７は比較的鋭い。半径方向で最も外側の下側の周方向の縁部１０７は、下面１０２から半径方向で最も外側の表面１０６へ直接に移行部を規定しており、２つの表面１０２，１０６の間の移行部を"軟化"又は"丸味づけ"するおそれがある、下面１０２と半径方向で最も外側の表面１０６との間のあらゆる表面起伏、例えば面取り部、を有していない。したがって、半径方向で最も外側の周方向縁部１０７の半径は概して最小限であり、好適には、作動中にボア表面２０４からオイルを掻き取るために有効な最大量よりも大きくない。

皮膜層１０４は、ピストンリング１００とピストン溝２０２の下面２０８との間の境界面を提供している。同時に、皮膜層１０４、及び特に半径方向で最も外側の縁部１０５は、ボア表面２０４に接触しないか、又はさもなければ干渉しない。皮膜を有さない領域Ｇは、ボア表面２０４との皮膜層１０４の相互作用を回避し、これにより、ピストンの往復運動が皮膜層１０４、特に半径方向で最も外側の縁部１０５、をこする又は摩耗させるのを防ぐ。上述のように、ピストンリング１００の半径方向で最も外側の表面１０６には、別個の摩耗皮膜１０８が提供されていてよい。

上述のように、半径方向で最も外側の縁部１０５は、好適には、関連する半径方向ピストンリング表面、例えば半径方向で最も外側の表面１０６、の手前で終わっている。これに対して、ピストンリング１００の半径方向で最も内側の表面１１４は、概して非機能的な表面であり、例えば、ピストン溝２０２の半径方向内側の表面２１０との最も内側の表面１１４の相互作用による、半径方向で最も内側の表面１１４における著しい摩耗を生じない。例えば皮膜１０４の溶射の間に、半径方向で最も内側の表面１１４の一部が、僅かな皮膜１０４を受け取ると、これは、ピストンリング１００の性能に不都合な影響を与える。

概して、溶射皮膜１０４は、溶射トーチを使用してピストンリング１００の下面１０２に提供される。場合によっては、下面１０２にボンディングコート（図示せず）を提供し、次いで皮膜１０４を提供することも望ましい。別の場合には、皮膜１０４を直接に提供することが望ましい。概して、溶射作業は、均一に提供された、すなわち、ほぼ均一な厚さを有する、皮膜１０４を生ぜしめる。さらに、このような均一な厚さは、概して、比較的厚い層で、例えば（適用可能であれば、可能な厚さの挿入範囲）で皮膜１０４を提供する場合でさえも可能である。例えば、溶射された材料は１００ミクロンまでの厚さを有しており、望まれるならばさらに厚くてもよい。１つの例では、２５〜７５ミクロンの厚さが皮膜層１０４のために採用されている。層１０４の比較的厚い被覆がしばしば望ましい。なぜならば、皮膜層１０４を提供した後に、研磨又は平滑化作業によって皮膜１０４の露出した外側部分を除去することが望ましいからである。このように、皮膜１０４は、作動中に、対応するピストン溝の表面、例えば下面２０８を意図せず摩耗させることがない。さらに、溶射プロセスは概してボンディングコートと耐摩耗皮膜との使用を許容するので、より安価なベース材料が使用される。さらに、溶射皮膜は、潜在的なリング疲労の問題を最小限にする傾向がある。

広範囲の可能な摩耗皮膜が、皮膜層１０４のために使用される。可能な摩耗皮膜の代表的な例は以下のものを含む：
・モリブデンベース
・ニッケルベース
・クロムベース
・タングステンベース
・鉄ベース
・コバルトベース
・銅ベース
・炭化物（クロム、タングステン、チタン、バナジウム等を含む）
・酸化物（クロム、アルミニウム、チタン等を含む）
・窒化物（クロム、アルミニウム、チタン等を含む）。

さらに、可能なボンディングコートの代表的な例は以下のものを含む：
・モリブデンベース
・ニッケルベース
・クロムベース
・タングステンベース
・鉄ベース
・コバルトベース
・銅ベース
便利なその他のあらゆるタイプの摩耗皮膜及びボンディングコートが使用されてよい。

概して、リングの下面１０２の所望の部分に適切に皮膜形成するために、ピストンリング１００は、噴射される時に、噴射される材料がリング１００の所望の表面だけに接触するように遮蔽されなければならない。

ここで、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ及び図２Ｄを参照すると、ピストンリング１００に皮膜形成するための第１の典型的なアプローチが示されている。固定具センブリ３００は、ほぼＬ字形の横断面を有する座ぐり穴３０４を有する第１の円筒状部材３０２を有している。図２Ｂに最もよく示されているように、円筒状部材３０２の座ぐり穴３０４は、第１の周壁３０８から半径方向内方へ延びていてこの第１の周壁３０８よりも小さい半径を有する第２の周壁３１０において終わった肩部３０６を有している。第１の円筒状部材は、好都合なあらゆる材料から形成されていてよい。例えば、溶射プロセスにおいて固有の高温に耐えるために、一般的に金属材料が望ましい。

座ぐり穴３０４は、ピストンリング、例えば図２Ｂに示されたようなピストンリング１００が、ピストンリング１００の半径方向で最も外側の表面１０６が第１の円筒状部材３０２の第１の周壁３０８にほぼ接触するように、挿入されてよい。図２Ｂに示されているように、ピストンリング１００の最も内側の表面１１４を規定する直径Ｄ₁が座ぐり穴３０４の第２の周壁Ｒを規定する直径Ｄ₂よりも小さくなるように、第１の円筒状部材３０２の第２の周壁３１０よりも半径方向内方に配置されたピストンリング１００の半径方向で最も内側の表面１１４を有することが望ましい。これにより、ピストンリング１００の一部は、座ぐり穴の肩部３０６から概して張り出し、第２の周壁３１０よりも半径方向内方へ延びている。第２の周壁３１０よりも半径方向内方へピストンリング１００が延びていることにより、概して、溶射作業、例えばピストンリング１００に関連した溶射作業に関連したスプレーしぶきが、第１の円筒状部材３０２の部分に接触することを妨げ、さもないとスプレーしぶきはこの第１の円筒状部材３０２の部分に付着するので望ましくない。

図２Ｂに示されているように、ピストンリング１００の上面若しくは露出した表面は、図１に関して上述した下面１０２である。つまり、ピストンリング１００は、座ぐり穴３０４内に概して上下逆さに配置されている。

図２Ｃに示されているように、座ぐり穴３０４の第１の周壁３０８は、ピストンリング１００の露出した下面１０２よりも上方へ鉛直方向に距離Ｈだけ延びており、これにより、リップ部分３１２を形成している。第１の円筒状部材３０２のリップ部分３１２は、第１の円筒状区分３０２と一体であるか、又は概して１つの部材から形成されているように示されているが、リップ部分３１２はその代わりに、第１の円筒状部材３０２から選択的に取外し可能な第２の別個の円筒状区分として形成されていてもよい。選択的に取外し可能なリップ部分３１２は、固定具センブリ３００の洗浄及び保守を単純化するために望ましい。例えば、溶射材料は、溶射サイクルが繰り返された後固定具３００の上面３１４に堆積し、皮膜を有さない領域Ｇの半径方向範囲を拡大するので望ましくない。したがって、上面３１４から蓄積した溶射材料を除去する必要がある。リップ部分３１２が円筒状部材３０２から選択的に取外し可能である場合には、上面３１４は、洗浄又は交換のために円筒状部材３０２から全体が容易に取り外される。

概して、皮膜材料は、第１の円筒状部材３０２がリング１００によって規定された回転軸線Ａ−Ａを中心に回転させられながら、固定具３００を使用して塗布される。例えば、モータ（図示せず）は、第１の円筒状部材３０２の全体が回転するように、スピンドル上で第１の円筒状部材３０２を駆動し、これにより、リング１００も軸線Ａ−Ａを中心に回転させる。溶射トーチ３９０は、円筒状部材３０２よりも高い位置を維持し、ピストンリング１００に前後の溶射移動を提供するために、例えばリング１００に対して半径方向に揺動する。

リング１００が座ぐり穴３０４内に配置されると、リング１００はまず、リング１００への皮膜の付着を促進するためにグリットブラストが行われる。通常、第１の円筒状部材３０２は軸線Ａ−Ａを中心に回転させられるのに対し、ブラストノズル（図示せず）は、リング及び第１の円筒状部材の上方の位置へ移動させられ、グリットをリングに噴射する。

選択的なグリットブラストが行われると、リング１００と第１の円筒状部材３０２とは噴霧ブース内へ移動させられる。上述のように、溶射又はプラズマ皮膜形成作業は、耐摩耗性皮膜又はボンディングコートと耐摩耗性皮膜との組合せを塗布する。望まれるならば両皮膜のために同じ溶射トーチ、例えば溶射トーチ３９０が使用される。図２Ａ及び図２Ｂに最もよく示されているように、溶射トーチ３９０は、リングの上方に、鉛直方向に対して角度αを成して配置されている。さらに、溶射トーチ３９０は、溶射トーチ３９０のノズルから出た材料がリング１００の最も外側の直径１０６から所定の角度で内径、すなわちリング１００の軸線Ａ−Ａ及びリング１００の最も内側の表面１１４に向かって噴霧されるように、配置されている。つまり、噴霧は、溶射トーチ３９０からリング１００に向かって真っすぐに向けられるのではなく、鉛直方向及びリングの回転軸線Ａ−Ａに対して角度αを成して向けられる。以下で説明するように、固定具アセンブリは、リップ部分３１２及び／又は上面３１４によって遮蔽機能を行い、リングの望ましくない部分（すなわち皮膜が形成されない領域Ｇ）に衝突するはずの溶射材料は、その代わりにリップ部分３１２である非リング部材に接触する。つまり、座ぐり穴３０４の鉛直方向深さと、リップ３１２及び／又は上面３１４の横方向範囲は、リップ部分３１２及び／又は上面３１４によって提供される"陰"の横方向範囲を規定する。例えば、図２Ｃに最もよく示されているように、上面１０２に対する座ぐり穴３０４の高さＨは、少なくとも部分的に、皮膜が形成されない領域Ｇの水平方向の幅を規定する。つまり、リップ部分３１２は、マスクとして働き、概して噴射材料がリング１０の皮膜が形成されない領域Ｇに接触又は付着するのを阻止する。概して、層１０４の厚さは層１０４の半径方向範囲に沿って一定であるが、層１０４の塗布方法に応じて僅かな変動を生じることもある。

時間が経過するとともに、噴射材料は、固定具３００の上面３１４に堆積するので、上面３１４による"陰"の投影が皮膜が形成されない領域Ｇの水平方向範囲を増大させるのを阻止するために上面３１４から周期的に除去される必要がある。さらに、上述のように、リップ部分３１２は、リップ部分３１２の洗浄又は交換を単純化するために第１の円筒状部分３０２から選択的に取外し可能であってもよい。このような取外し可能なリップ部分３１２は、異なる材料から形成されていてもよいし、最初に、上面３１４における噴射材料の堆積を概して阻止する、何らかのタイプの剥離剤を有していてもよい。

ここで図２Ｄ及び図２Ｅを参照すると、円筒状部材３０２の座ぐり穴３０４が、機械加工された中断部若しくは溝３６０を有している。溝３６０は、少なくとも円筒状部材３０２の一部に鉛直方向で下方へ延びており、ピストンリング１００の分割部の下方に配置されている。つまり、ピストンリング１００が固定具３００に配置されている時には、ピストンリング１００の自由端部１７０，１７２は溝３６０の上方に配置されている。これにより、溝３６０は、溶射材料を、ピストンリング１００と接触している表面、例えば第１の円筒状部材３０２の肩部３０６に付着することなく、ピストンリング１００の分割部によって、例えば自由端部１７０，１７２の間に形成されたギャップに流過させる。溝３６０、又は円筒状部材３０２の肩部３０６に設けられたあらゆる溝、中断部又は凹所が設けられていることにより、余分な皮膜材料は、望ましくない表面、例えば自由端部１７０，１７２の対向する面に定着されることなく、リング１００から自由端部１７０，１７２の間を通って滴下する。

ここで図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、溶射皮膜固定具の択一的な例が示されている。図３Ａを参照すると、１つの例は、固定具センブリ３００と溶射トーチ３９０との間において固定具センブリ３００に固定された遮蔽板４００を有している。したがって、リップ部分３１２ではなく、遮蔽板の上面４０２が、溶射トーチ３９０からの噴射材料を概してブロックする。遮蔽板４００は第１の円筒状部材３０２と共に回転するようにこの第１の円筒状部材３０２に固定されており、第１の円筒状部材３０２の設置面と同じ円筒形状をも有している。固定具センブリ３００に関して上述したように、第１の円筒状部材３０２が回転軸線Ａ−Ａを中心に回転しながら、溶射トーチ３９０はピストンリング１００の露出した下面１０２に向かって皮膜を噴射する。しかしながら、噴射材料をブロックするリップ部分３１２とは対照的に、マスク４００は概して、上述の皮膜が形成されない領域Ｇを規定するリング１００の表面１０２の部分に皮膜材料が到達するのを阻止する。リップ部分３１２の選択的に取外し可能な例と同様に、遮蔽板４００は有利には選択的に取り外され、これにより、遮蔽板４００の上面４０２における噴射材料の堆積を回避するために有効な洗浄又は交換のために、遮蔽板は取り外される。遮蔽板４００は、図示のように直径Ｄ₃を備えるほぼ円形の開口を有しており、この開口を通って、噴射材料が固定具３００及び／又はピストンリング１００に衝突する。しかし、遮蔽板４００は異なる形状を有していてもよく、ピストンリング１００の皮膜材料１０４における皮膜が形成されない領域Ｇを形成するための縁部又はその他の障害物を提供するために単に溶射トーチ３９０の下方に配置された板であってもよい。さらに、図３Ａに示されているように、ピストンリング１００を収容するスペーサリング４２０が設けられている。スペーサリング４２０が設けられていることにより、固定具の周面３０８よりも小さな外径を有するピストンリングを固定具３００において使用することができる。ピストンリング１００を固定具３００内に配置することにより、スペーサリング４２０は部分的にピストンリング１００の皮膜が形成されない領域Ｇの半径方向範囲を規定する。

図３Ｂを参照すると、第１の円筒状部材３０２に固定されない遮蔽板４５０を使用する別の択一的なアプローチが示されている。むしろ、遮蔽板４５０は第１の円筒状部材３０２の上方に、固定された位置に配置されている。遮蔽板４５０は、上述のようにスピンドル上で回転する第１の円筒状部材３０２と共に回転しない。遮蔽板４５０は、ピストンリング１００に対して偏心して配置されている。開口４５４は、ピストンリング１００の内径、すなわち最も内側の半径面１１４の間の直径よりも小さく、ピストンリング１００の露出した部分１９０に向けられた噴射材料はピストンリング１００の他の部分に達しない。溶射作業の間に、第１の円筒状部材３０２は回転させられ、リング１００全体は徐々に露出領域１９０に提供され、スプレーはリング１００の露出した部分に衝突する。さらに、溶射トーチは、リング１００の長手方向軸線Ａ−Ａに対して傾斜させられており、これにより、上述のように完成したリング１００の皮膜１０４における皮膜が形成されない領域Ｇを形成する。

より小さな固定具又はその他のタイプ又は構成の取外し可能な遮蔽板を含むその他の遮蔽アプローチが可能である。しかしながら、各アプローチにおいて、皮膜が形成されない領域Ｇは、噴射される皮膜材料の半径方向で最も外側の縁部とピストンリングの半径方向で最も外側の表面との間に形成される。つまり、少なくともリング１００の下面の小さな部分又は皮膜が形成されない領域Ｇは皮膜形成されないままである。

皮膜１０４が提供され、リング１００が固定具から取り外されると、遮蔽板における過剰な皮膜は、例えば皮膜１０４を所望の厚さ又は表面平滑度にまで研磨又はサンダー仕上げすることによって容易に除去される。付加的な皮膜厚さが望まれるならば、皮膜形成作業は、リングが取り外される前に２回以上行われ、これにより、リング１００の皮膜層１０４の全体的な厚さを増大させる。

ここで説明されているような固定具アセンブリは、様々な方式での大量生産環境において利用される。例えば、リング１００に皮膜層１０４を塗布した後、リング１００は取り外され、別のリング１００が次に皮膜層１０４の塗布のために固定具に挿入される。その代わりに、固定具アセンブリがフィード機構を有していてもよく、この場合、複数の第１の円筒状部材３０２が設けられており、それぞれの円筒状部材３０２がリング１００を収容し、グリットブラスト及び１回又は２回以上の皮膜形成作業（例えばボンディングコート作業及び耐摩耗性皮膜作業）を含む噴射作業が異なるステーションにおいて行われてもよい。

ここで図４を参照すると、ピストンリングを形成するための典型的なプロセス８００が示されている。プロセス８００はステップ８０２において開始するが、このステップ８０２は選択的である。ステップ８０２において、溶射皮膜とは別の表面皮膜がピストンリングに塗布される。例えば、ピストンリング１００の半径方向で最も外側の表面１０６に摩耗皮膜が塗布される。プロセス８００は次いでステップ８０４に進む。ステップ８０２が存在しない典型的な方法においては方法はステップ８０４において開始する。

ステップ８０４において、ピストンリングは固定具センブリに挿入される。例えば、上述のように、ピストンリング１００は、上面３１４とピストンリング１００を収容する座ぐり穴３０４とを有する固定具センブリ３００に挿入される。方法は次いでステップ８０６に進む。

ステップ８０６において、ピストンリングの外径からリングの内径に向かってピストンに向かって皮膜が噴射される。例えば、溶射トーチ３９０が溶射皮膜をピストンリング１００に向かって方向付け、噴霧は、座ぐり穴３０４の外周面、例えば第１の周面３０８から内周面、例えば第２の周面３１０に向かって所定の角度で方向づけられる。プロセス８００は次いでステップ８０８に進む。

ステップ８０８において、噴霧は、皮膜層を形成するためにピストンリングの露出した表面に塗布される。上述のように、溶射トーチ３９０は溶射噴霧をピストンリング１００の下面１０２に方向付け、これにより、皮膜層１０４を形成する。プロセス８００は次いでステップ８１０に進む。

ステップ８１０において、上面には噴霧の一部が選択的に接触する。例えば、上述のように、固定具３００の上面３１４は概して溶射トーチ３９０からの噴霧の一部をブロックする。プロセス８００は次いでステップ８１２に進む。

ステップ８１２において、皮膜が形成されない領域が、ピストンリングの下面の、皮膜の端部とピストンリングの最も外側の直径との間に形成される。上述のように、概して皮膜層１０４によって皮膜が形成されない領域Ｇが形成され、この皮膜が形成されない領域はピストンリング１００の半径方向で最も外側の表面１０６まで延びている。上面３１４は、この上面３１４に接触する噴霧の部分がピストンリングに接触するのを妨げることによって、皮膜が形成されない領域Ｇの形成を促進する。皮膜が形成されない領域Ｇを形成するために、噴霧は、ピストンリング１００の回転軸線、例えば上述の軸線Ａ−Ａに対して所定の角度、例えば角度αを成して方向づけられる。角度αは、皮膜が形成されない領域Ｇの半径方向の範囲若しくは幅を規定するために上面３１４と協働する。上面３１４の高さＨ（図２Ｃ参照）は、付加的に、皮膜が形成されない領域Ｇの半径方向の範囲若しくは幅を部分的に規定する。さらに、噴霧は、概してピストンリング１００の全周にわたって塗布され、皮膜が形成されない領域も、ピストンリング１００の全周にわたって延びている。プロセス８００は次いでステップ８１４に進む。

ステップ８１４において、座ぐり穴のリップ部分が選択的に取り外される。例えば、上述のように、リップ部分３１２は概して座ぐり穴３０４の別体の部分であり、洗浄及び／又は交換のためにリップ部分３１２を取り外すことができる。さらに、リップ部分３１２は概して上面３１４を規定している。

選択的なステップ８１６に進むと、上面を規定するマスクが座ぐり穴に又は座ぐり穴の上方に固定される。例えば、遮蔽板４００は、座ぐり穴３０４を規定する第１の円筒状部材３０２に、この第１の円筒状部材３０２と一緒に回転するように固定される。択一的に、遮蔽板４５０は、第１の円筒状部材３０２の上方の固定された位置に配置され、第１の円筒状部材３２０は、例えば溶射トーチ３９０を使用して溶射噴霧が塗布されながら回転する。プロセス８００は次いで選択的なステップ８１８に進む。

ステップ８１８において、座ぐり穴がピストンリングの回転軸線を中心に回転させられる一方で、噴霧は選択的に上面に接触する。例えば、座ぐり穴３０４は、スピンドル上で第１の円筒状部材３０２を回転させることによって回転させられ、座ぐり穴３０４は、ピストンリング１００によって規定された回転軸線Ａ−Ａを中心に回転する。プロセス８００は次いで終了する。

上述の典型的なピストンリング１００は、固定具３００と、皮膜が形成されない領域Ｇを形成するために少なくとも噴霧の一部を遮蔽又は選択的にブロックすることを含む溶射方法とを使用して、製造される。単なる例として、皮膜が形成されない領域Ｇは、最初に溶射材料で皮膜形成され、皮膜が形成されない領域Ｇを形成するために後から研磨、サンダー仕上げ等によって除去されてもよい。

明細書における、"１つの例"、"例"、"１つの実施形態"、又は"実施形態"は、例と関連した特定の特徴、構造又は特性が少なくとも１つの例に含まれることを意味する。明細書の様々な箇所における表現"１つの例において"は、必ずしもこの表現が現れるたびに同じ例を示すわけではない。

ここに記載されたプロセス、システム、方法、発見的方法に関して、このようなプロセスのステップ等はある順序に従って行われるように説明されているが、このようなプロセスは、記載されたステップが、ここに記載された順序とは異なる順序で行われることによって実行できることが理解されるべきである。さらに、あるステップを同時に行うことができるか、他のステップを加えることができるか、又はここで記載されたあるステップを省略できることが理解されるべきである。言い換えれば、ここでのプロセスの説明は、ある実施形態を例示する目的で提供されており、請求項に記載された発明を限定するものと解釈されるべきではない。

したがって、上記説明は例示的であり限定的ではないことが意図されていることが理解されるべきである。提供された例以外の多くの実施形態及び用途が、上記説明を読んだ場合に当業者に明らかになるであろう。発明の範囲は、上記説明に関して決定されるべきではなく、添付の請求項に関して、このような請求項が権利を与えられた均等物の全ての範囲にしたがって、決定されるべきである。ここで説明された技術において将来の発展が生じ、開示されたシステム及び方法がこのような将来の実施形態に組み込まれることが予期及び意図されている。要するに、本発明は、変更が可能であり、以下の請求項によってのみ限定されることが理解されるべきである。

請求項において使用された全ての用語は、そうでないとの明確な表示がここでなされない限り、当業者によって理解されるような最も広い合理的な構成及び通常の意味が与えられていることが意図されている。特に、"ａ"、"ｔｈｅ"、"ｓａｉｄ"等の単数形の冠詞の使用は、請求項がそうでないとの明確な限定を述べていない限り、１つ又は２つ以上の示されたエレメントを述べるように読まれるべきである。

１００ ピストンリング、 １０２ 下面、 １０４ 皮膜層、 １０５ 半径方向で最も外側の縁部、 １０６ 半径方向で最も外側の表面、 １０７ 半径方向で最も外側の下側の周方向縁部、 １０８ 摩耗皮膜、 １１０ 上面、 １１２ 半径方向で最も内側の表面、 １１４ 半径方向で最も内側の表面、 １７０，１７２ 自由端部、 １９０ 露出領域、 ２００ ピストン、 ２０２ ピストン溝、 ２０４ シリンダライナ表面、 ２０６ エンジンブロック、 ２０８ 下面、 ２１０ 半径方向内側の表面、 ３００ 固定具アセンブリ、 ３０２ 第１の円筒状部材、 ３０４ 座ぐり穴、 ３０６ 肩部、 ３０８ 第１の周壁、 ３１０ 第２の周壁、 ３１２ リップ部分、 ３１４ 上面、 ３６０ 溝、 ３９０ 溶射トーチ、 ４００ マスク、 ４０２ 上面、 ４２０ スペーサリング、 ４５０ 遮蔽板、 ４５４ 開口、 Ｇ 皮膜が形成されない領域

Claims (19)

1. ピストンリングにおいて、
   半径方向に延びた上面と、
   半径方向に延びた下面と、
   前記上面と前記下面との間に延びた半径方向で最も内側の表面と、
   前記上面と前記下面との間に延びた半径方向で最も外側の表面とが設けられており、
   前記下面が、溶射皮膜を有しており、前記半径方向で最も外側の表面と、前記上面とが、前記皮膜を有していないことを特徴とする、ピストンリング。
2. 前記最も外側の表面が、前記下面に関連した前記溶射皮膜とは別の表面皮膜を選択的に有している、請求項１記載のピストンリング。
3. 前記溶射皮膜が、前記半径方向で最も外側の表面よりも半径方向内方で終わっており、これにより、前記溶射皮膜と、前記半径方向で最も外側の表面との間に、皮膜が形成されない領域を形成しており、前記下面の一部が、前記半径方向で最も外側の表面に隣接して皮膜が形成されておらず、前記一部が前記半径方向で最も外側の表面まで延びている、請求項１記載のピストンリング。
4. 関連するエンジンボア表面からオイルを掻き取るように構成された、半径方向で最も外側の下側の周方向縁部が設けられており、該半径方向で最も外側の下側の周方向縁部が、前記皮膜が形成されない領域に配置されている、請求項３記載のピストンリング。
5. 前記溶射皮膜の一部が、前記下面に隣接した前記最も内側の表面の一部に沿って僅かに上方へ選択的に延びている、請求項１記載のピストンリング。
6. 前記ピストンリングが、２つの互いに隣接した自由端部を形成している分割ピストンリングである、請求項１記載のピストンリング。
7. 方法において、
   ピストンリングを固定具アセンブリに挿入し、該固定具アセンブリが、上面と、前記ピストンリングを受容する座ぐり穴とを有しており、
   前記ピストンリングに向かって皮膜を噴霧し、前記皮膜が、前記ピストンリングの外径から前記ピストンリングの内径に向かって方向づけられ、
   前記皮膜を形成するために前記ピストンリングの露出した表面に噴霧を提供し、
   前記上面に噴霧の一部を選択的に接触させ、
   前記皮膜の端部と前記ピストンリングの最も外側の直径との間において前記下面に皮膜が形成されない領域を形成し、該皮膜が形成されない領域が、前記皮膜を有しておらず、前記皮膜が形成されない領域が、半径方向で最も外側の表面まで延びており、前記上面が、噴霧の一部が前記ピストンリングに接触するのを阻止することにより前記皮膜が形成されない領域の形成を促進することを特徴とする、方法。
8. 前記座ぐり穴のリップ部分を選択的に取り外し、該リップ部分が前記上面を形成している、請求項７記載の方法。
9. 前記最も外側の表面に、前記溶射皮膜とは別の表面皮膜を提供する、請求項７記載の方法。
10. 前記座ぐり穴にマスクを固定し、該マスクが前記上面を形成している、請求項７記載の方法。
11. 前記上面に噴霧を選択的に接触させる間に前記ピストンリングの回転軸線を中心に前記座ぐり穴を回転させる、請求項７記載の方法。
12. 前記皮膜を噴霧することが、前記ピストンリングの回転軸線に対して所定の角度を成して噴霧を方向づけることを含む、請求項７記載の方法。
13. 前記ピストンリングにおける前記皮膜が形成されない領域の半径方向範囲を規定するために、噴霧の前記角度が前記上面と協働する、請求項１２記載の方法。
14. 前記皮膜が形成されない領域を、前記ピストンリングの全周にわたって延びているように形成する、請求項７記載の方法。
15. ピストンリングアセンブリ固定具において、
    上面と座ぐり穴とを形成する部材が設けられており、前記座ぐり穴が、外周面と内周面とを有しており、前記外周面が前記上面から下方へ延びており、
    前記座ぐり穴内に収容されたピストンリングが設けられており、該ピストンリングが、半径方向に延びた上面と、半径方向に延びた下面と、前記上面と前記下面との間に延びた半径方向で最も内側の表面と、前記上面と前記下面との間に延びた半径方向で最も外側の表面とを有しており、
    前記外周面から前記内周面に向かって溶射噴霧を方向付けるように構成された溶射トーチが設けられており、前記溶射噴霧が前記ピストンリングの前記下面に衝突し、前記外周面が前記ピストンリングよりも上方に延びており、これにより、溶射噴霧が少なくとも部分的に前記上面によってブロックされ、前記ピストンリングの前記半径方向で最も外側の表面よりも半径方向内方で終わった皮膜層を前記下面に形成し、前記溶射皮膜と前記半径方向で最も外側の表面との間に皮膜が形成されない領域を形成し、前記半径方向で最も外側の表面に隣接した前記下面の一部に皮膜が形成されておらず、該一部が前記半径方向で最も外側の表面まで延びていることを特徴とする、ピストンリングアセンブリ固定具。
16. 前記座ぐり穴がリップ部分を有しており、前記リップ部分が前記上面を形成しており、溶射噴霧が少なくとも部分的に前記リップ部分によってブロックされ、前記リップ部分が前記座ぐり穴から選択的に取外し可能である、請求項１５記載の固定具。
17. 前記リップ部分が、前記リップ部分からの前記溶射皮膜の除去を促進するように構成された剥離剤を有している、請求項１６記載の固定具。
18. 前記部材が、前記ピストンリングの回転軸線を中心に選択的に回転可能である、請求項１５記載の固定具。
19. 前記溶射トーチが、溶射噴霧を前記外周面から前記内周面に向かって所定の角度で方向づけるように構成されており、前記角度が、前記皮膜が形成されない領域の半径方向範囲を規定するように前記上面と協働する、請求項１５記載の固定具。

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