JP2016512309A - ダイクスタイプピストンリングおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、仕上げられた外径および無視できる接線方向の張力を有するダイクスタイプピストンリング（２０）を提供する。当該方法は、ピストンリング（２０）の仕上げられた外径よりも若干大きい初期外径へとストックバーを機械加工するステップと、仕上げられた外径と等しい公称直径を有する丸いプロファイルにストックバーの初期外径を仕上げるステップと、好ましい断面へとストックバーを機械加工するステップとを含む。ダイクスタイプピストンリングは、くさび石形状または半くさび石形状の断面を有し得る。上記方法は、上記のステップを含む張力を引き起こすすべての動作の完了に応答して、分離工具を使用して、ストックバーからピストンリング（２０）を分離することによって継続する。上記方法は、最終の長手方向厚さ（４８）へとピストンリングをラッピングするステップと、最終ギャップ（５０）を形成するようピストンリングを長手方向に切断するステップとを継続する。

Description

技術分野
本発明は、低張力ピストンリングを製造するための方法を提供し、具体的には、仕上げられた外径および無視できる接線方向の張力を有するダイクスタイプピストンリング（dykes-type piston ring）を製造するための方法を提供する。

背景
ピストンリングは、内燃エンジンの重要な構成要素である。エンジンは少なくとも１つのシリンダとピストンとを含む。ピストンリングは、クランクケースから燃焼室をシールするとともにピストンからシリンダへの伝熱を促進するためにシリンダ壁とピストンとの間に配置される金属シールである。ピストンリングの他の機能は、潤滑に必要とされない油がクランクケースから燃焼室へ通過することを防止することと、シリンダボア表面上に均一の油膜を提供することとである。これを達成するために、ピストンリングは、シリンダとピストンとに接したままでなければならない。半径方向の接触は一般に、ピストンリングの固有のばね力によって達成される。ピストンリングはさらに、回転シャフトのための金属シールとして使用されており、収縮シールおよび膨張シールの両方として使用される。

今日、ピストンリングは典型的に２つの方法のうちの１つで製造される。１つの方法では、ピストンリングは個々のリングとして非円形の形状で鋳造される。このようなリングは典型的に、軸方向に既に研削されたリングブランクが内径および外径上にて同時にカムターニングされるプロセスであるダブルカムターニングによって、必要とされる形状に機械加工される。自由ギャップと同等のセグメントがピストンリングから切断された後、ピストンリングは、シリンダに嵌合されると必要とされる半径方向圧力分布を与える自由形状を取る。ひとたびシリンダの内部に配置されると、ピストンリングは、シリンダ壁に対して予め規定された半径方向圧力を加える。ダブルカムターニングの使用に加えて、内径および外径を別個に機械加工することによって、リングブランクが形状決めされ得る。これは、非円形のブランクの外径をカムターニングすることと、ピストンリングを圧縮状態にして内径を機械加工することとを含む。自由ギャップが外径の機械加工と内径の機械加工との間のステップにおいて切り取られる。

異なる方法によれば、鋼ピストンリングがプロファイルされたワイヤー（profiled wire）から形成される。当該リングはまず、円形形状へと巻かれ、次いでギャップが切り取られる。必要な半径方向圧力分布を与えるように適切に設計されたアーバ上にリングがマウントされる熱処理プロセスを使用して、必要な形状が得られる。プロファイル切断工具を使用して自動外径旋盤またはプロファイル研削マシン上で、ピストンリングの設計に依存して外径のプロファイル付けが行なわれる。

上に記載された方法に従ってピストンリングを製造することに関する問題は、ピストンリングが、接線方向の張力が残留する状態で製造されるということである。接線方向の張力が残留するピストンリングの製造は、このようなピストンリングはねじれるまたは反る傾向があるので問題である。このようなリングのねじれまたは反りは、過度の油消費と、燃焼ガスがピストンリングとシリンダ壁との間をピストンに沿って通過することによって燃焼室から逃げる状態であるブローバイとにつながり得る。したがって、接線方向の張力が残留するピストンリングはエンジンの効率、性能、エミッションおよび／または信頼性に悪影響を及ぼし得る。

ねじれまたは反りの傾向が低減されたピストンリングを製造することを目的とする方法が開発されている。このような１つの方法は、鋳造歪みおよび硬点を取り除くために、たとえば華氏１１００度（摂氏５９３．３３度）といった高温で、鋳鉄から形成されるストックバーを熱処理するステップを含む。ストックバーが熱処理された後、ピストンリングブランクはストックバーから切断される。当該方法は、ピストンリングブランクがひとたびストックバーから分離されると、最終の外径および内径へとピストンリングブランクに対して従来の機械加工および仕上げを行うステップを継続する。最後のステップは、ピストンリングになるように最終自由ギャップを切断することである。この方法は、ねじれまたは反りの傾向がより少ないリングを製造するが、かなりの接線方向の張力がまだピストンリングに残留する。

無視できる量の接線方向の残留張力のみが完成品に残留するピストンリングを製造する方法が必要とされている。残留張力がなければ、リングはねじれまたは反りの傾向を有さなくなるであろう。残留張力は特に、Ｌ形断面を有するダイクタイプピストンリングのような、従来にはない断面を有するピストンリングに関する懸念事項である。

ダイクスタイプピストンリングは、より高いエンジンスピードおよび燃焼圧でのより良好なシーリングを可能にする。しかしながら、ダイクスタイプピストンリングの非対称の形状によって、ピストンリングは従来のピストンリングよりもねじれやすくまたは反りやすくなる。したがって、接線方向の張力が無視できるピストンリング、特にダイクスタイプピストンリングの必要性が存在する。

本発明の好ましい実施形態に従うと、初期外径へとストックバーを機械加工するステップと、所定のプロファイルへとストックバーを仕上げするステップと、所定の断面へとストックバーを機械加工するステップとを含む張力を引き起こすすべての動作の完了後に、ピストンリングが分離工具を使用してストックバーから分離される。ピストンリングは、機械加工および仕上げステップのすべてが完了した後まで、ストックバーから分離されない。この態様により、機械加工および仕上げ動作に関連付けられる応力は、ピストンリングが分離される前に、より厚いストックバーによって耐えられる。

特にダイクスタイプピストンリングに関して、本発明は、自由かつ非圧縮状態で０〜２５ニュートンの範囲の測定可能な接線方向の張力を有する環状リング本体を含むダイクスタイプピストンリングを提供することができる。この設計に従うと、ダイクスタイプピストンリングは、環状リング本体が自由かつ非圧縮状態にある場合、０〜０．４ミリメートルの範囲の、側面の対同士の間で測定可能なギャップ幅を有する最終ギャップを規定する。

本発明のこれらの特徴および利点ならびに他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を参照して添付の図面に関連して考慮するとよりよく理解されるので、容易に理解されるであろう。

例示的なダイクスタイプピストンリングの斜視図である。 例示的なダイクスタイプピストンリングの断面図である。 ピストンリング反りまたはピストンリングねじれとして公知の条件を経験している例示的なダイクスタイプピストンリングの斜視図である。 ピストンリングを形成するためにストックバーを機械加工するステップを示す斜視図である。 ピストンリングを形成するためにストックバーを機械加工するステップを示す斜視図である。 ピストンリングを形成するためにストックバーを機械加工するステップを示す斜視図である。 Ｌ形断面へとストックバーを機械加工する例示的なステップを示す斜視立面図である。 ストックバーからピストンリングを分離する例示的なステップを示す斜視立面図である。 最終の長手方向の厚さへとピストンリングをラッピングする例示的なステップを示す斜視図である。 最終ギャップを形成するためにピストンリングを長手方向に切断する例示的なステップを示す斜視立面図である。 熱処理の間に所定の寸法に最終ギャップをサイズ決めするようマンドレル上にピストンリングを設置する例示的なステップを示す斜視図である。 従来のピストンリングを有する例示的なピストンを示す図である。 ダイクスタイプピストンリングを有する例示的なピストンを示す図である。

実施形態の詳細な説明
図１２は、従来のピストンリング１８がマウントされた従来のピストン１００を示す。図１３は、ダイクスタイプピストンリング２０が位置決めされたピストン２００を示す。

これらの図において同様の数字は、いくつかの図面にわたって、対応する部分を示す。図１および図２において、仕上げられた外径を有するダイクスタイプピストンリング２０が示される。ピストンリング２０は形状が円形であり円周部２４を有することが認識されるべきである。仕上げられた外径は、円周部２４に沿って延在する。

本発明の好ましい方法の実施形態が図４〜図６に示される。当該方法は、ピストンリング２０の仕上げられた外径よりも若干大きい初期外径２８へとストックバー２６を機械加工するステップと、公称直径３２を有する所定のプロファイル３０へとストックバー２６の初期外径を仕上げるステップとを含む。直径３２は、仕上げられた外径２２と等しい。また、ストックバー２６は、Ｌ形断面を有する構造を形成するよう機械加工される。当該方法は、初期外径２８へとストックバー２６を機械加工するステップと、所定のプロファイル３０へとストックバー２６を仕上げするステップと、Ｌ形断面３４へとストックバー２６を機械加工するステップとを含む張力を引き起こすすべての動作の完了に応答して、ストックバー２６からピストンリング２０を分離するステップを継続する。

典型的に、機械加工および仕上げ動作によってピストンリングのような薄いワークピースに残留張力が残るということが分かっている。この残留張力は、ピストンリングの円周部に対して接線方向に発生する。結果として、ピストンリングは、内燃エンジンのシリンダに拘束されると、円周部の周りにおいてねじれまたは反りやすくなる。これは、図３において誇張された形態で示される。

機械加工および仕上げステップのすべてが完了した後までピストンリングがストックバー２６から分離されない本発明によれば、機械加工および仕上げ動作に関連付けられる応力は、より厚くより剛性のストックバー２６によって耐えられる。機械加工および仕上げ動作によって引き起こされる接線方向の張力は、この態様でより良好に制御および最小化され得ることが分かった。結果として、先行技術と比較して、ピストンリング２０は、ストックバー２６から分離される際に、無視できる量の接線方向の張力のみを有する。

ピストンリングのねじれまたは反りは特に、リングの非対称（「Ｌ形」）の断面形状によりダイクスタイプピストンリングを利用する用途において有害である。

ダイクスタイプピストンリングを製造するための本発明の１つの局面に従うと、Ｌ形断面へとストックバーを機械加工する方法ステップは、長手方向に延在するリップセクションと、リップセクションから半径方向内方に延在するテールセクションとを機械加工することを含み得る。テールセクションは、１つまたは２つの内方にテーパする側によって規定されるくさび石（keystone）形状の断面を提示するよう機械加工され得る。

仕上げられた外径と等しい公称直径を有する所定のプロファイルへとストックバーの初期外径を仕上げする方法は、さまざまな形状を有する所定のプロファイルにストックバーの初期外径を仕上げることを含み得る。当該所定のプロファイルは丸形状を有し得る。対称または非対称曲線プロファイルを有する。たとえば、図６に示されるように、例示的な丸いプロファイルの非対称の曲線プロファイルが接点４４にて収束する弧４２の対によって規定され得る。弧４２は異なる半径を有し得る。代替的には、所定のプロファイルは、長手方向に沿って配されるか、または、長手方向に対してある角度で傾斜する平坦な直線形状を有し得る。所定のプロファイルの形状にかかわらず、「公称直径」という用語は、本願明細書において使用されるように、所定のプロファイルの最大の外径を指す。

１つの好ましい実施形態において、ピストンリング２０の仕上げられた外径２２よりも若干大きい初期外径２８へとストックバー２６を機械加工するステップは、初期外径２８が、０．４ｍｍと３．０ｍｍとの間だけ、ピストンリング２０の仕上げられた外径２２より大きくなるようにストックバー２６を機械加工することを含み得る。これにより、ストックバー２６の初期外径２８がピストンリング２０の仕上げられた外径２２に近い場合にプロファイル付けによって取り除かれる材料がより少なくなるので、当該プロファイル付けステップはより速く完了し得る。さらに、取り除かなければならない材料の厚さが小さい場合には、当該プロファイル付けステップでは、ストックバー２６上に引き起こされる接線方向の張力が小さくなる。

上記方法は、最終の長手方向厚さへとピストンリング２０をラッピングするステップと、最終ギャップ５０を形成するようピストンリング２０を長手方向に切断するステップとをさらに含み得る。ラッピングステップは、研磨材でピストンリング２０を摩擦することを含み得るということが認識されるべきである。当該ラッピングステップは、研磨材面を示す回転ラッピングパッドを有するデュアルアクションラッピングマシン（図示せず）を使用することを含み得る。ピストンリングおよびラッピングパッドは反対方向に回転され得、ピストンリング２０は、回転ラッピングパッドにわたって横断方向において前後に往復運動され得る。

図９および図１０に示されるように、切断ステップは、最終ギャップ５０を形成するためにピストンリング２０のＬ形断面全体を通るように長手方向の切断を行うよう円形のソーブレード５６を使用することを含み得る。最終ギャップ５０は、エンジンの動作温度でのピストンリング２０の端部衝突（end butting）を防止するのに十分なサイズである必要があるだけである。したがって、この方法によって製造されるダイクスタイプピストンリング２０の最終ギャップ５０は、従来のピストンリングの最終ギャップよりも何倍も小さくあり得る。

本発明に従うと、上記方法はさらに、ピストンリング２０に残る如何なる残留張力も軽減するために、摂氏４００度〜４５０度の間で、非酸化雰囲気にピストンリング２０を配置することによってピストンリング２０を熱処理するステップを含み得る。非酸化雰囲気においてピストンリング２０を熱処理するステップは、窒素のような非酸化ガスで充填されたオーブンにおいてピストンリング２０をベークすることによって達成され得る。上記方法はさらに、熱処理ステップの間に最終ギャップ５０を所定寸法にサイズ決めするようマンドレル５８上にリングを設置するステップを含み得る。これは図１１に示される。

初期外径へとストックバーを機械加工する方法ステップは、機械加工工具に対してストックバーをターニングすることを含み得る。同様に、所定のプロファイルへと初期外径を仕上げるステップは、プロファイル付け工具６２（図５）に対してストックバー２６をターニングすることを含み得る。Ｌ形断面へとストックバー２６を機械加工するステップは、機械加工工具６０に対してストックバー２６をターニングすることを含み得、ストックバー２６からピストンリング２０を分離するステップは、分離工具６４（図８）に対してストックバー２６をターニングすることを含み得る。ターニングという用語は、本願明細書において使用されるように、旋盤を使用してピストンリングが工具に対して回転される特定の機械加工プロセスである。提供される機械加工、仕上げおよび分離ステップは、ターニングに限定されず、さまざまな他の工具および動作を使用して達成され得るということが認識されるべきである。

さまざまな材料がピストンリング２０の製造に適しているのが分かった。本発明のある局面によれば、ストックバー２６は微細粒子の球状鋳鉄から形成され得る。しかしながら、他の材料が使用され得ることが考えられる。

本発明の方法は、低張力ダイクスタイプピストンリングの製造にだけでなく、同様に他のタイプの低張力ピストンリングの製造にも適用されるということが認識されるべきである。したがって、仕上げられた外径を有する低張力ピストンリングを製造するための方法も提供される。上記方法は、ピストンリングの仕上げられた外径よりも若干大きい初期外径へとストックバーを機械加工するステップと、仕上げられた外径と等しい公称直径を有する所定のプロファイルへとストックバーの初期外径を仕上げをするステップと、所定の断面へとストックバーを機械加工するステップとを含む。上記方法は、張力を引き起こすすべての動作の完了に応答してストックバーからピストンリングを分離するステップを継続する。これらの動作は、初期外径へとストックバーを機械加工することと、所定のプロファイルへとストックバーを仕上げることと、所定の断面へとストックバーを機械加工することとを含む。この方法の１つの局面に従うと、ピストンリングの仕上げられた外径よりも若干大きい初期外径へとストックバーを機械加工するステップは、丸い形状を有する所定のプロファイルにストックバーの初期外径を仕上げることを含み得る。この方法の別の局面に従うと、所定の断面へとストックバーを機械加工するステップは、くさび石形状の断面または半くさび石（semi-keystone）形状の断面へとストックバーを機械加工することを含み得る。

上に記載された方法は、ユニークな特性を有する新規なダイクスタイプピストンリング２０を製造する。図１および図２に示されるように、製造されるダイクスタイプピストンリング２０は、概してＬ形断面３４を示す環状リング本体６８を含む。Ｌ形断面３４は、リング本体６８に対して長手方向に延在するリップセクション３６と、リップセクション３６から半径方向内方に延在する側４０の対を有するテールセクション３８とにより構成および規定される。環状リング本体６８はさらに、最終ギャップ５０をその間に規定する側面７０の対を提示する。最終ギャップ５０は、分離されたピストンリング２０を長手方向に切断する方法ステップによって、上に論じられたように作製されるということが認識されるべきである。側面７０の対は、対向して間隔をおいた関係で互いに面するように配される。環状リング本体６８には、自由かつ非圧縮状態において０〜２５ニュートン（Ｎ）までの範囲で、接線方向の張力がほとんどないまたはまったくない。この範囲は、先行技術の方法によって製造されたピストンリング２０に残留する接線方向の張力よりもかなり小さい。さらに、この低い接線方向の張力によって、先行技術のダイクスタイプピストンリングを含む従来のピストンリングと比較して、ピストンリング２０が極めて小さい最終ギャップ５０を有することが可能になる。本発明に従うと、最終ギャップ５０は、環状リング本体６８が自由かつ非圧縮状態にある場合、側面７０同士の間で測定可能な０〜０．４ミリメートルの範囲のギャップ幅７２を有する。本発明の別の局面に従うと、ギャップ幅７２は、環状リング本体６８が自由かつ非圧縮状態にある場合、０〜０．１ミリメートルの範囲であり得る。これらの範囲は、従来のピストンリングの最終ギャップより約３０倍小さい。

本発明のダイクスタイプピストンリング２０は、さまざまな形状を有するテールセクション３８をさらに含み得る。テールセクション３８の側は各々、くさび石形状の断面を規定するように内方にテーパする。代替的には、テールセクションの側の１つは、半くさび石形状の断面を規定するよう内方にテーパし得る。本発明のダイクスタイプピストンリング２０は、弓形形状の所定のプロファイルを有する外周表面をさらに含み得る。所定のプロファイルの弓形または丸い形状は、対称または非対称曲線に追従し得る。たとえば、所定のプロファイルは、曲線が接点４４にて収束する弧４２の対によって規定される図５および図６に示されるように、非対称曲線に追従し得る。弧４２は、異なる半径４６を有し得る。代替的には、所定のプロファイル３０は、長手方向に沿って配されるか、または、長手方向に対してある角度で傾斜する平坦な直線形状を有し得る。

上記の教示に鑑みて、添付の特許請求の範囲内で、本発明の多くの修正例および変形例が可能であり、具体的に記載されたのとは異なる態様で実施されてもよいことは明らかである。

Claims (26)

1. 仕上げられた外径を有する低張力ダイクスタイプピストンリングを製造するための方法であって、
   初期外径へとストックバーを機械加工するステップと、
   前記初期外径より小さい公称直径を有する所定のプロファイルへと前記ストックバーの前記初期外径を仕上げするステップと、
   前記ストックバーの残っている部分に従って、ダイクスタイプピストンリングを製造するよう、概してＬ形断面へと前記ストックバーを機械加工するステップと、
   前記初期外径へと前記ストックバーを機械加工するステップと、所定のプロファイルへと前記ストックバーを仕上げするステップと、Ｌ形断面へと前記ストックバーを機械加工するステップとを完了した後でのみ、前記ストックバーから前記ピストンリングを分離するステップとを含む、方法。
2. 前記所定のプロファイルは、接点にて収束する弧の対によって規定される丸い形状を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記Ｌ形断面は、長手方向に延在するリップセクションと、前記リップセクションから半径方向内方に延在するテールセクションとを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記テールセクションは、くさび石形状の断面へと機械加工される、請求項３に記載の方法。
5. 前記テールセクションは、半くさび石形状の断面へと機械加工される、請求項３に記載の方法。
6. 機械加工の後の前記ストックバーの前記初期外径は、前記ピストンリングの仕上げられた外径よりも、０．４ｍｍと３ｍｍとの間だけ大きい、請求項１に記載の方法。
7. 前記初期外径へと前記ストックバーを機械加工するステップは、機械加工工具に対して前記ストックバーをターニングすることを含む、請求項１に記載の方法。
8. 所定のプロファイルへと前記初期外径を仕上げするステップは、プロファイル付け工具に対して前記ストックバーをターニングすることを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記Ｌ形断面へと前記ストックバーを機械加工するステップは、機械加工工具に対して前記ストックバーをターニングすることを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記ストックバーから前記ピストンリングを分離するステップは、分離工具に対して前記ストックバーをターニングすることを含む、請求項１に記載の方法。
11. 最終の長手方向厚さへと前記ピストンリングをラッピングするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 最終ギャップを形成するよう前記ピストンリングを長手方向に切断するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記ピストンリングに残る如何なる残留張力も軽減するために、摂氏４００度〜４５０度の間で、非酸化雰囲気に前記ピストンリングを配置することによって、前記ピストンリングを熱処理するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 熱処理の間に所定寸法に前記最終ギャップをサイズ決めするよう、マンドレル上に前記ピストンリングを設置するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記ストックバーは、微細粒子の球状鋳鉄から形成される、請求項１に記載の方法。
16. 仕上げられた外径を有する低張力ピストンリングを製造するための方法であって、
    初期外径へとストックバーを機械加工するステップと、
    前記初期外径より小さい公称直径を有する所定のプロファイルへと前記ストックバーの前記初期外径を仕上げするステップと、
    前記ストックバーの残っている部分に従って、ダイクスタイプピストンリングを製造するよう、概してＬ形断面へと前記ストックバーを機械加工するステップと、
    前記初期外径へと前記ストックバーを機械加工するステップと、所定のプロファイルへと前記ストックバーを仕上げするステップと、Ｌ形断面へと前記ストックバーを機械加工するステップとを完了した後でのみ、前記ストックバーから前記ピストンリングを分離するステップとを含む、方法。
17. 前記所定のプロファイルは丸い形状を有する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記所定の断面はくさび石形状である、請求項１６に記載の方法。
19. 前記所定の断面は半くさび石形状である、請求項１６に記載の方法。
20. 機械加工の後の前記ストックバーの前記初期外径は、前記ピストンリングの仕上げられた外径よりも、０．４ｍｍと３ｍｍとの間だけ大きい、請求項１６に記載の方法。
21. ダイクスタイプピストンリングであって、
    概してＬ形断面を示す環状リング本体を含み、前記Ｌ形断面は、前記リング本体に対して長手方向に延在するリップセクションと、前記リップセクションから半径方向内方に延在する側の対を有するテールセクションとを有しており、
    前記環状リング本体は、その間に最終ギャップを規定する側面の対を有しており、
    前記環状リング本体は、自由かつ非圧縮状態で０〜２５ニュートンまでの範囲の測定可能な接線方向の張力を有する、ダイクスタイプピストンリング。
22. 前記最終ギャップは、前記環状リング本体が前記自由かつ非圧縮状態にある場合、前記側面同士の間で測定可能な０〜０．４ミリメートルの範囲のギャップ幅を有する、請求項２１に記載のダイクスタイプピストンリング。
23. 前記環状リング本体が前記自由かつ非圧縮状態にある場合、前記ギャップ幅は０〜０．１ミリメートルの範囲である、請求項２２に記載のダイクスタイプピストンリング。
24. 前記テールセクションの側の前記対は各々、くさび石形状の断面を規定するよう内方にテーパする、請求項２１に記載のダイクスタイプピストンリング。
25. 前記テールセクションの側の前記対のうちの１つは、半くさび石形状の断面を規定するよう内方にテーパする、請求項２１に記載のダイクスタイプピストンリング。
26. 前記環状リング本体は、弓形形状の所定のプロファイルを有する外周表面を含む、請求項２１に記載のダイクスタイプピストンリング。

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