JP2013513771A - ピストンリング及びサポートリングを備えたピストン - Google Patents

Abstract

従来のピストンにおいては、サポートリングの摩耗が進行する場合に、摩耗により生じるピストンの横方向運動により、シリンダに沿ったピストンの走行を防ぐために、ピストンとシリンダとの間に、十分な間隙が設けられている必要がある。しかし大きな遊びは、ピストンとシリンダとの間のギャップ内へのピストンリングの不都合な押出しに繋がることがある。組み立てられたピストンにおける他の問題は、必要とされる多数の個別部材により、組み立てられたピストンの製造及び組付けが困難になるという点にある。この問題を解決するために、本発明により、サポートリング（１２）及びピストンリング（１１）を、ピストンボディ（１５）に設けられている周方向の溝（２０）内に配置するようにした。この構成において、周方向の溝（２０）の軸線方向の幅は、サポートリング（１２）及びピストンリング（１１）の軸線方向の全長よりも大きく、サポートリング（１２）は半径方向内側に、ピストンボディ（１５）から半径方向に離間されて配置されていて、かつ、切断されていないリングとしてピストンボディ（１５）から旋削により切り出されている。

Description

本発明は、ピストンボディと、複数のピストンリング及び複数のサポートリングとを備えたピストンに関し、１つのピストンリング及び１つのサポートリングが、ピストンボディに設けられている周方向の溝内に配置されており、ピストンリングはサポートリングに支持される。また、本発明は、上記ピストンボディ若しくはピストンを製造するための方法に関する。

例えばピストン型コンプレッサのために従来構成されてきたピストン１（図１参照）において、ピストンリング２は剛性の高いＬ字形のディスク３に取り付けられる。この構成において、ピストンリング２はＬ字形のディスク３の半径方向の脚部に支持される。Ｌ字形のディスク３は、この構成において、ピストンロッド６に直接的に配置されて位置固定される。ピストン１はシリンダ５内で支持リング４により案内される。したがって、シリンダ５に沿ってのピストン１の走行は防がれる。しかし支持リングの摩耗が増大するに伴い、ストローク運動（双方向矢印）に対する横方向のピストン１の運動性が高まる。したがって上記ピストン１においては、支持リングの最大限の摩耗が達成することができるように、ピストン１（若しくはＬ字形のディスク３）と、シリンダ５との間の遊びは可能な限り大きいことが必要不可欠である。しかしこの必要不可欠性に基づき、ピストン１とシリンダ５との間には強制的に大きな遊びが生じる。しかしこれにより、通常、例えばＰＴＦＥといったプラスチックから製造されているピストンリング２が、Ｌ字形のディスク３とシリンダ５との間の上記間隙内に押し出されることがある。したがってこの遊びは、ピストンリング２が（特に高圧において）間隙に押し出されないように、可能な限り小さいことが望ましい。この矛盾する要求を上記公知のピストン１でもって満たすために、付加的なバックアップリングをピストンリング溝内に配置することができる。しかしこの構成はピストンの長さを拡大する。

欧州特許出願公開第５４１４８２号明細書に記載のピストンは、スリット付けされた調節可能なピストンリングにより上記問題を解決する。さらにこのピストンリングは、Ｌ字形のチャンバリングに配置されており、チャンバリングの制限面から半径方向内側に離間されて配置されている。ピストンリングは隣り合うチャンバリングにより挟まれる。これにより形成される環状室内に、作業圧が導入される。したがってピストンリングはシリンダの走行面に対して押圧される。ピストンリングの端面は、Ｌ字形のチャンバリングの半径方向の脚部のように傾斜付けされている。出発状態において２つの平行な斜めの面は互いに離間されて配置されている。ピストンリングの摩耗が増大するにつれて、２つの斜めの面は互いに相対するまで次第に接近する。したがって摩耗限界に達する。ピストンの軸線方向の可動性は、ピストンがシリンダにおいてピストンリングにより案内されていることにより阻止される。しかしこれによりピストンとシリンダとの間の遊び、ひいては押し出される恐れを減じることができる。その理由は、ピストンがシリンダに沿って走行することは、調節可能なピストンリングにより防がれるからである。しかしこのようなピストンは傾斜面、及び環状室内へのガス圧の必要な供給に基づき製造技術的に手間がかかる。さらに隣り合うチャンバリングによりピストンリングを軸線方向において挟むことが必要になることで、二重フィッティングの問題（Doppelpassungsproblem）が生じる。このことは同様に製造技術的な困難性に繋がる。さらにこのことは、ピストンリングが種々異なる圧着力によってシリンダに押し付けられるということに繋がることがある。これによりまた、ピストンリングの望まない種々異なる摩耗率に繋がることがある。

さらに、ピストンは極めて多くの個別部材からなっているという問題も有する。このことは上記ピストンの製造及び組立を困難にする。

したがって本発明の目的は、ピストンとシリンダとの間の大きな遊びの一方で、ピストンリングの少しの押出しという２つの矛盾する要求を達成し、簡単かつコンパクトに構成されていて、また少ない個別部材だけで足りるピストン若しくはピストンボディ、及びこれらを製造するための方法を提供することである。

本発明によりピストンのための上記目的は、周方向の溝の軸線方向の幅がサポートリング及びピストンリングの軸線方向の全幅よりも大きく、サポートリングが半径方向内側にピストンボディから半径方向に離間されて配置されていて、かつサポートリングが、ピストンボディから旋削により切り出された切断されていないリングであるということにより達成される。本発明に係る方法は、ピストンボディを周方向の溝状の刻み目を備えて製造し、次いで周方向の溝が所望の幅になるまで、周方向の溝状の刻み目に切込みを旋削加工し、周方向の溝状の刻み目の旋削加工された部分を、サポートリングを形成するために分離する。したがって本発明に係る構成により、一方でサポートリングは、ストローク運動に対して横方向のピストンの運動時にピストンと連動するのではなく、単にピストンボディだけがサポートリングに対して相対的に運動するということが達成される。したがってサポートリングはピストン運動によりシリンダの走行面に押し付けられないので、サポートリングと走行面との間の半径方向の遊びを著しく縮小することができる。他方、サポートリングをピストンボディから旋削により切り出し、必要な個別部材の数を劇的に減じることできる。なぜならばピストンボディはサポートリングと共に一部材として製造することができるからである。したがってピストンを完全にするために、ピストンリング、場合によっては他のリングだけが必要となる。サポートリングと共にピストンボディの製造後に、有利にはピストンを完全にするために、単に１つのピストンリングを周方向の溝内に挿入する。このように製造されたピストン若しくはピストンボディは、これまで公知であったように、ピストン中央部分に配置することができ、場合によってはピストン中央部分においてピストン端部分と共に取り付けることができる。

先行技術に基づくピストンを示す図である。 本発明に係るピストンを示す図である。 本発明に係るピストンの詳細図である。 ピストンに使用されるリングの実施の形態を示す図である。 ピストンに使用されるリングの実施の形態を示す図である。 ピストンに使用されるリングの実施の形態を示す図である。 本発明に係るピストンのピストンボディを製造する工程を示す概略図である。 本発明に係るピストンのピストンボディを製造する工程を示す概略図である。

以下に対象となる発明の有利な実施の形態を、図１〜７に基づいて概略的に、例示的にかつ限定せず説明する。

以下に本発明に係るピストンの有利な実施の形態を、図２，３に基づいて説明する。ピストン１は、本発明においては中空筒状のボディとして一部材から成るピストンボディ１５から成っている。ピストンボディ１５は、図示の実施の形態において同時にピストン端部部分１３でもあるピストン中央部分１４に配置されている。しかし公知であるように、ピストン端部部分１３は、ピストン中央部分１４に、例えばねじ被せられる独立した部分として構成されているということも当然に可能である。ピストン１の軸線方向の端部は、公知であるように、ピストン１が使用される機械の構造に応じて、コネクティングロッド又はピストンロッドに結合されていてよい。圧縮室１６内の有効圧は、ピストン１をピストンロッドと接触したままにし、ひいては連動するということをもたらすので、ピストンロッドにおいて、ピストン１はピストンロッドに不動に（例えば簡単なねじ山を介して）結合されている必要はなく、ピストンロッドに単に緩く載置することもできる。しかしまた、ピストン中央部分１４をピストンロッドから製造することも可能であり、ピストンボディ１５、この実施の形態においては同時にピストン中央部分１４をピストンロッドに取り付けるために、ピストン端部部分１３を使用することも可能である。

ピストンボディ１５に複数のピストンリング１１が配置されている。これらのピストンリング１１は、基本的に任意に構成されていてよい。有利には、調整式のピストンリング１１が使用される。これらのピストンリング１１は、摩耗が進行する場合に、例えば有効圧により常に半径方向外側にシリンダ５に向かって押し付けられる。上記ピストンリング１１の可能な実施の形態は、例えばオーストリア特許第５０５５４９号から看取することができる。

ピストンボディ１５には、１つのピストンリング１１と１つのサポートリング１２とが配置される周方向の溝２０が設けられている。この周方向の溝２０の幅は、サポートリング１２の幅と、ピストンリング１１の幅との全幅よりも少し大きくなっている。これにより、サポートリング１２及びピストンリング１１は、軸線方向の遊びを持って周方向の溝２０に配置されており、軸線方向において挟まれておらず、とりわけピストンボディ１５は、妨げられることなくサポートリング１２に対して相対的に可動のままである。ピストンボディ１５の自由な相対的な可動性に対して、存在する圧力に基づいてサポートリング１２と周方向の溝２０との間に生じる摩擦力だけが対抗する。したがって、ストローク方向に対して横方向にピストン１が運動する場合、ピストンボディ１５だけが運動し、サポートリング１２は連動しない。したがってサポートリング１２は、最悪の場合、サポートリング１２固有の極めて小さな質量でもってシリンダ壁に当接している。しかしいかなる力も、ピストンボディ１５からサポートリング１２に伝達されない。サポートリング１２は、隣り合う２つの周方向の溝の間にもたらされる、ピストンボディ１５に設けられている周方向のウェブ１７に支持されるか、若しくは最後のサポートリング１２はピストンボディ１５自体に支持される。

サポートリング１２は、中実な切断されていないリングとして構成されている。このリングを１つの部材から成るピストンボディ１５の周方向の溝２０内に獲得するために、サポートリング１２はピストンボディ１５の製造時に、以下により詳細に説明するように、ピストンボディから旋削により切り出される。

ストローク運動に対して横方向にピストン１が運動する場合、ピストンボディ１５は、サポートリング１２が連動しないように、サポートリング１２と周方向の溝２０の底部との間の半径方向の遊びＸにより、サポートリング１２に対して相対的に半径方向に運動することができる。したがって、サポートリング１２は上記横方向運動により高められた力でもってシリンダ５に押し付けられるという恐れはないので、１つのサポートリング１２は、シリンダ５と、サポートリング１２の外側の周面との間の極めて小さい遊びＹを設けることができる。本発明に係る配置によって、遊びＹは問題なく０．１ｍｍにまで縮小することができる。遊びＹの自然な限界はサポートリング１２の熱膨張である。この熱膨張により、サポートリング１２がシリンダ５において半径方向で挟まれるということは当然にもたらされてはならない。しかし可能な小さな遊びＹにより、サポートリング１２とシリンダ５との間の間隙内への、ピストンリング１１の押出しを有利には阻止することもできる。ピストンリング１１は、例えばオーストリア特許第５０５５４９号に開示されているピストンリングを使用する場合、同様にピストンボディ１５から半径方向に離間されて配置されていてもよいので、ピストンリング１１とピストンボディ１５との間に同様に、ピストンリングの摩耗が増大するに連れて大きくなる半径方向の遊びが生じる。これにより生じる環状室内に、ピストンリング１１を外方にシリンダ５に向かって押圧する有効圧が存在している。したがってピストンボディ１５の起こり得るあらゆる横方向運動は、ピストンリング１１に作用しない。

本発明に係るピストン１の有利な実施の形態において、圧縮室１６寄りのピストン１の端部に、作業圧の動的な圧力成分をシールするために、切断されていないリング２１が配置されている。切断されていないリング２１は、サポートリング２４に当接することもできる。さらに切断されていないリング２１は、ピストン中央部分１４若しくはピストン端部部分１３の周方向の溝２８に配置することもでき、また付属の周方向の溝２８の底部から半径方向に離間されて配置されている。周方向の溝２８の幅は、ピストンボディ１５の妨げられない横方向運動を可能にするために切断されていないリング２１の幅よりも広幅である。切断されていないリング２１は、同様に周方向の溝２８内にあり、かつ周方向の溝２８の底部から半径方向に離間されて配置されているサポートリング２４に軸線方向において当接している。またサポートリング２４と切断されていないリング２１とは、サポートリング２４及び切断されていないリング２１が軸線方向において挟まれないように、周方向の溝２８において軸線方向の遊びを伴う。

ピストンボディ１５にさらに支持リング４が配置されている。また、この支持リング４及び／又は他の支持リング４は、ピストン中央部分１４若しくはピストン端部部分１３又はクランク室側においてピストンボディ１５に配置されていてもよい。

使用されるリングの可能な実施の形態を図４〜６に示す。切断されていないリング２１（図４）に圧力補償孔３０が設けられていてよい。切断されていないリング２１は、有利にはＰＴＦＥから製造されていてよい。その理由は、ＰＴＦＥリングは所定の摩耗を調整することができるからである。図５に示した支持リング４は切断されて構成されていてよく、半径方向外側の周面に沿って、軸線方向に貫通する溝２９を有することができる。これにより支持リング４において差圧が形成されることを防ぐために、有効圧がピストンリング１１に案内される。図６に示すピストンリング１１の実施の形態は、オーストリア特許第５０５５４９号の記載に一致する。しかしピストンリング１１の他のあらゆる実施の形態が可能でもある。

本発明に係るピストン１の製造時に、有利にはピストンボディ１５は全ての段部、及び後にピストンリング１１とサポートリング１２と（少なくとも１つのピストンリング１１とサポートリング１２と）を収容するための周方向の溝状の刻み目３５、また場合によってはピストン中央部分１４を後に収容するための中央孔と共に、半製品から旋削加工される（図７）。このステップにおいて既に、個々のピストン部分の外径を製造することができる。これと同時に別の可能な周方向の溝若しくは段部を、例えば支持リング又は他のリングを収容するために製造することもできる。しかし上記第１の作業ステップによれば、後のサポートリング１２は隣り合う２つの周方向の溝２０の間の周方向のウェブ１７に依然として結合されている。こうして周方向の溝状の刻み目３５の軸線方向の端部（この領域は後にサポートリング１２になる）が、例えば溝入れロッド（Stechbohrstange）３２又は他の類似の工具といった適切な工具でもって、旋削加工により周方向の溝２０が所望の最終的な幅になるように切込み（アンダカット）が形成される。この旋削加工部３６は、周方向の溝２０の底部と同じ半径にもたらされる。したがって後のサポートリング１２は周方向の溝２０の底部と、サポートリング１２の内側の周方向の面３４との間に間隔を既に確保している。この実施の形態において、周方向の溝状の刻み目３５の向かい合う２つの軸線方向の端面３０，３１を、例えば表面品質（例えばＲａ０．８）及び平行性といった必要とされる許容公差を持ったシール面を形成するために製造することが可能である。ピストンが完成した状態において端面３０，３１において、サポートリング１２がピストンボディ１５に軸線方向において当接している。したがって特に、サポートリング１２及びピストンボディ１５は金属から製造されていて、良好なシール作用のために正確に製造された端面３０，３１が必要であるので有利である。次いで、サポートリング１２を形成するために、周方向の溝状の刻み目３５の旋削加工された部分は、例えば切断ディスクといった適切な工具でもって切込みまで切断することにより、ピストンボディ１５から分離される。したがってこのように形成されたサポートリングは、周方向の溝２０において自由に運動することができる。また、サポートリング１２を備えた周方向の溝２０を他の周方向の溝の後に製造するということも当然に可能である。この実施の形態において使用される作業ステップは同じままである。

上述のように、ピストンボディ１５及びサポートリング１２は、１つの部材から製造することが可能である。これにより個々の部品の数は劇的に減じられる。ピストン１を完成させるために、引き続きピストンリング１１を周方向の溝２０内に、場合によっては設けられる支持リング４を付属の周方向の溝内に挿入することだけが必要である。さらに２つの端面３０，３１が軸線方向に隣り合って配置されているように、予めサポートリング１２を軸線方向に移動させることができる。次いでピストンボディ１５はピストン中央部分１４に取り付けることができ、場合によっては、例えばピストン端部部分１３を介してピストン中央部分１４に固定することができる。

Claims (8)

1. ピストンボディ（１５）と、該ピストンボディ（１５）に軸線方向で相並んで配置されている複数のピストンリング（１１）と、複数のサポートリング（１２）とを備えたピストンであって、１つのピストンリング（１１）及び１つのサポートリング（１２）は、前記ピストンボディ（１５）に設けられている周方向の溝（２０）に配置されており、前記ピストンリング（１１）は前記サポートリング（１２）に支持される、ピストンにおいて、
   前記周方向の溝（２０）の軸線方向の幅は、前記サポートリング（１２）及び前記ピストンリング（１１）の軸線方向の全幅よりも大きく、前記サポートリング（１２）は半径方向内方に、前記ピストンボディ（１５）から半径方向に離間して配置されており、前記サポートリング（１２）は、旋削により前記ピストンボディ（１５）から切り出されている切断されていないリングであることを特徴とする、ピストン。
2. 前記ピストンボディ（１５）に少なくとも１つの支持リング（４）が設けられていることを特徴とする、請求項１記載のピストン。
3. 前記ピストンボディ（１５）はピストン中央部分（１４）に配置されていることを特徴とする、請求項１又は２記載のピストン。
4. 前記ピストン（１）の軸線方向の一方の端部に、前記ピストンボディ（１５）を前記ピストン中央部分（１４）に位置固定するピストン端部部分（１３）が設けられていることを特徴とする、請求項３記載のピストン。
5. ピストンボディ（１５）に設けられている周方向の溝（２０）に配置されている少なくとも１つのサポートリング（１２）を備えたピストン（１）のためのピストンボディ（１５）を製造するための方法において、
   ａ）周方向の溝状の刻み目（３５）を備えた前記ピストンボディ（１５）を製造し、
   ｂ）前記周方向の溝（２０）の所望の幅になるように、旋削加工により前記周方向の溝状の刻み目（３５）に切込みを形成し、
   ｃ）前記サポートリング（１２）を形成するために、前記周方向の溝状の刻み目（３５）の旋削加工された部分を分離する、
   方法ステップを有することを特徴とする方法。
6. 前記周方向の溝状の刻み目（３５）の旋削加工された部分を分離する前に、シール面を形成するために前記周方向の溝状の刻み目（３５）の向かい合う２つの端面（３０，３１）を、必要とされる公差を備えて製造することを特徴とする、請求項５記載の方法。
7. ピストンボディ（１５）に設けられている周方向の溝（２０）に配置されている、少なくとも１つのピストンリング（１１）及び少なくとも１つのサポートリング（１２）を備えたピストン（１）を製造する方法において、
   ａ）周方向の溝状の刻み目（３５）を備えた前記ピストンボディ（１５）を製造し、
   ｂ）前記周方向の溝（２０）の所望の幅になるように、旋削加工により前記周方向の溝状の刻み目（３５）に切込みを形成し、
   ｃ）前記サポートリング（１２）を形成するために、前記周方向の溝状の刻み目（３５）の旋削加工された部分を分離し、
   ｄ）前記ピストンリング（１１）を前記周方向の溝（２０）内に挿入する、
   方法ステップを有することを特徴とする方法。
8. 前記周方向の溝状の刻み目（３５）の旋削加工された部分を分離する前に、シール面を形成するために前記周方向の溝状の刻み目（３５）の向かい合う２つの端面（３０，３１）を、必要とされる公差を備えて製造することを特徴とする、請求項７記載の方法。

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