JP2013540242A - ピストンリングの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、環状の金属製の本体の、少なくとも外側の周面（２）の領域に少なくとも１つの硬質の層（２′）を備えることにより、合口（５）を備えたピストンリング（１）を製造する方法であって、上記コーティングに続いて、ピストンリング（１）の内側の周面（３）を、少なくとも部分的に材料除去により壁厚を減じるように加工する、合口を備えたピストンリングの製造方法に関する。

Description

本発明は、合口を備えたピストンリングの製造方法に関する。

オットーエンジンにおいてもディーゼルエンジンにおいても出力密度が増大することにより、耐摩耗性及び耐熱性に関するピストンリングの負担は同程度上昇する。このことに対抗するために、摺動面側で何重にもクロームメッキが施された又は窒化処理されたピストンリングが製造される。このピストンリングは、既に高い硬度を必然的に伴っている。さらに、要求される出力密度を考慮しても、例えばＰＶＤ（Physical Vapour Deposition：物理蒸着）層又はＨＶＯＦ（Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen：高速フレーム溶射）層といった極めて硬質の層系を含むピストンリングが今では使用されている。上記硬度には、リング形状及び半径方向圧の分布（Radialdruckverteilung）に影響を与えることになる高い残留応力が伴う。

高い残留応力は、製造時にも、またエンジン使用においても、リング形状及び半径方向圧の分配の不都合な変化をもたらす。特に、ピストンリング基礎材料と比べて著しく小さい熱膨張により、いわゆるバイメタル作用が起こる。このバイメタル作用は、現状の運転温度の下で、合口の領域に高められた圧力が発生する、ということをもたらす。このことはまた、上記区分における高められた摺動面の摩耗に繋がる。

可能な対抗措置は、極端な事例において合口における半径方向圧を、ライトギャップ形成（Lichtspaltbildung）まで減じることができるピストンリングの幾何学形状（ネガティブな楕円性（negative Ovalitaet））の適切な設計が挙げられる。しかしこの方法は、特に異形ワイヤから形成された圧縮ピストンリングと相俟って、製造技術的な観点から実現可能ではない。とりわけ円筒ラッピング加工（Rundlaeppen）による摺動面加工時には、合口における十分な半径方向圧が、加工結果にとって重要である。

狭幅になっていく合口遊び及び合口遊び公差に基づいて、高い残留応力に対抗するために、ネガティブな楕円性を形成するという技術的な有効性は、ラッピングライナ（Laeppbuchse）を極めて短い時間で交換しなければならないので、経済的に実現可能ではない。

ＤＥ１００６３１において、一貫して同じ横断面のシールリングにおいて、シール面への全面での均等な圧着を達成する方法が開示されている。この構成において、リングが内方又は外方に弾発するか否かに応じて、外面又は内面における打撃加工又はローリング加工によりリングは圧縮され、この圧縮は、とりわけリングの端部と相対する個所において最大でありかつそこから端部に向かって徐々に減じられる。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第３６１２４５４号において、ガスシールするピストンリングが公知になっている。リングは合口端部に向かって内側半径から先細りして、慣性力に基づく合口端部の浮上り時に、浮上り個所にねじれモーメントは全く生じ得ないか又は単に減じられたねじれモーメントしか生じ得ず、リングの合口の構成は上方に向かって拡開されているので、上側面における当接時に、リングはトップランド（Feuersteg）に対して極めてガス不密である。

本発明の目的は、摺動面領域に設けられている硬質のコーティング層を備えたピストンリングを製造するための経済的な方法を提供することである。この方法は、オットーエンジン、またディーゼルエンジンにおける、常に上昇する出力密度に適している。

上記目的は、環状の金属製の本体に、少なくともその外側の周面の領域において少なくとも１つの硬質の層を設け、このコーティングに続いて、ピストンリングの内側の周面を、少なくとも部分的に材料除去により壁厚を減じるように加工する、合口を備えたピストンリングの製造方法により達成される。

本発明に係る方法の有利な改良形は、付属の従属請求から見て取ることができる。

特に合口領域における内側の周面の加工は、仕上げの円筒ラッピングプロセス後に実施される、ということは特に有利である。この加工は、合口端部を起点にして、最大１２０°、特に９０°まで、両周方向に合口から出発して行うことができる。

本発明は専ら、冒頭で述べた問題をもたらす極度に硬質の摺動面コーティング層（例えばＰＶＤ、ＨＶＯＦ）を備えたピストンリング、特に圧縮ピストンリングに基づく。

特に合口付近の周面領域における材料除去により、半径方向の面慣性モーメントは減じられる。特に合口付近の領域における面慣性モーメントの減少は、半径方向圧の所望の減少に繋がる。

これと同時に、肉厚になっている材料の割合は小さくなるので、ピストンリングの運転温度において、付加的にバイメタル作用により得られる形状変化は減じられる。

窒化層は残留圧縮応力を有するので、内側の周面が窒化処理されているピストンリングにおいては、上記作用効果は付加的に促進される、ということは特に有利である。窒化層の部分的な除去により、上記応力が取り除かれると、摺動面における半径方向圧は同様に減じられる。

作業プロセスの最後に半径方向合口圧（Radialstossdruck）を減じることができる手段により、ピストンリングは、製造プロセスに対して比較的高い合口圧を持って（例えば円形又はポジティブな楕円に）設計することができる。これにより特に、摺動面のトライボロジ特性にとって重要なラッピングプロセスにポジティブな影響を与える。

さらに既述した合口における減じられた摺動面摩耗の他に、例えばシリンダ摺動ライナといった摩擦パートナの摩耗減少も、ピストンリングの摺動面コーティング層の改良されたトライボロジ特性によりもたらされる。

さらに、改良されたラッピング結果を、ピストンリングにおいて小さな接線方向力でもって達成することができる。

ピストンリングを示す図である。

図面に本発明の対象を実施の形態に基づいて記載し、以下に説明する。

唯一の図面に、ピストンリング１、特に圧縮ピストンリングを根本的に示す。このピストンリング１は、図面において摺動面２と、内側の周面３と、上側のリング面４とを有する。さらにピストンリング１は合口５を有する。この例示的記載において、ピストンリング１には、摺動面２の領域に提供されているＰＶＤ層２′が備え付けられているようになっている。既述したように、上記硬質の摺動面層は、ピストンリング１の残留応力に影響を与える。このことは特に、ピストンリングの（比較的軟質の）基礎材料と、（比較的硬質の）ＰＶＤ層との間に、別の熱膨張率がもたらされている、という観点に基づく。この別の熱膨張率は、特に合口領域５に負の（ネガティブな）作用をもたらす。つまり、合口領域５は、半径方向外側に向かって弾発するので、この領域において摩擦パートナ、例えばシリンダ摺動ライナへの高められた圧接力を形成する。上記負の作用に対抗するために、本発明によれば、ピストンリングの表面コーティング、特に摺動面２のＰＶＤ層２′によるコーティング及びラッピングプロセスに続いて、ピストンリング１の問題ある領域、つまりピストンリング１の合口付近の領域５′，５″を、合口５の合口エッジ６，７を起点に、例えば２０°の円周角αに亘って材料除去が行われるように、加工することが提案される。この実施の形態において材料除去量は、各合口エッジ６，７の領域において最大であり、終結部（Auslauf）６′，７′の方向で最小となる。リングの実施の形態及び使用状況に応じて、角度αは最大９０°となる。

上記手段により、比較的硬質の材料でもって比較的軟質の本体をコーティングすることによりもたらされる、種々異なる材料の組合せに基づくいわゆるバイメタル作用に対抗する。

多くの実施の形態において、ピストンリングを窒化処理する必要がある。この実施の形態において、窒化処理の過程を通じて、既に硬質の表面層が形成される。上記窒化層にさらにＰＶＤ層又はＨＶＯＦ層を析出する場合には、次いで付与される高い残留応力を減じるために、材料除去により少なくとも部分的にピストンリングの内側の周面における窒化層も減じるか、又は少なくとも部分的に完全に取り除くことが必要である。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第３６１２４５４号公報において、ガスシールをするピストンリングが公知になっている。リングは合口端部に向かって内側半径から先細りして、慣性力に基づく合口端部の浮上り時に、浮上り個所にねじれモーメントは全く生じ得ないか又は単に減じられたねじれモーメントしか生じ得ず、リングの合口の構成は上方に向かって拡開され、上側面における当接時に、リングはトップランド（Feuersteg）に対して極めてガス不密である。
米国特許出願公開第２００９／００２６７１１号公報から、両合口端部の領域において、工具により所定の材料除去が行われる圧縮ピストンリングを看取可能である。ピストンリングには、耐磨耗性の層が設けられる。

上記目的は、環状の金属製の本体に、少なくともその外側の周面の領域において、少なくとも１つの硬質の層を設け、このコーティングに続いて、ピストンリングの内側の周面を、少なくとも部分的に材料除去により壁厚を減じるように加工し、この材料除去を、合口を起点として、夫々１０〜１２０°、特に９０°の周範囲に亘って行い、ピストンリングの少なくとも内側の周面に窒化層を設け、この窒化層に、ピストンリングの外側の周面のコーティングに続いて材料除去を施す、合口を備えたピストンリングの製造方法により達成される。

Claims (6)

1. 環状の金属製の本体に、少なくともその外側の周面（２）の領域において少なくとも１つの硬質の層（２′）を設け、このコーティングに続いて、ピストンリング（１）の内側の周面（３）を、少なくとも部分的に材料除去により壁厚を減じるように加工する、合口（５）を備えたピストンリング（１）の製造方法。
2. 内側の摺動面の材料除去前に、コーティングされた摺動面にラッピングプロセスを施すことを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記ピストンリング（１）の、前記合口（５）を夫々向いている領域（５′，５″）の内側の周面（３）に、材料除去を施すことを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記材料除去を、前記合口（５）を起点として夫々、１０〜１２０°、特に９０°の周範囲（α）に亘って行うことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記合口（５）を起点として、前記ピストンリング（１）の周方向に見て、前記材料除去を減らしてくことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記ピストンリング（１）の少なくとも内側の周面（３）に窒化層（２″）を設け、該窒化層（２″）に、前記ピストンリング（１）の外側の周面（２）のコーティング（２′）に続いて材料除去を施すことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。

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