JP2019120403A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンリングがピストンに対して円周方向に回転する場合であっても、ピストンの摩耗粉の凝着を抑制できるピストンリングを提供する。【解決手段】ピストンリング１は、径方向Ｃ外側を向く外周面１０と、径方向Ｃ内側を向く内周面２０と、外周面１０及び内周面２０と連続し、軸方向Ｂの一方を向く上面３０と、外周面１０及び内周面２０と連続し、軸方向Ｂの他方を向く下面４０と、を備え、上面３０及び下面４０のうち少なくとも一方の面には、軸方向Ｂから見た平面視で、径方向Ｃに対して傾斜し、連続的又は断続的に、直線状に延在する延在凹部５０が形成されており、延在凹部５０は、内周面２０及び外周面１０には到達していない。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関用のピストンリングに関し、特に、上下面の表面微細構造によりピストンの摩耗粉の凝着、並びに自己及び相手部品の摩耗、を抑制できる内燃機関用ピストンリングに関する。

内燃機関の構成部品として、ピストンリング（以下、単に「リング」ともいう。）が使用される。ピストンリングは、金属製のピストンの外周に周方向に沿って設けられたリング溝に装着される。ピストンリングは、ピストンが軸方向に往復運動するとき、シリンダ内壁との摺動抵抗によってリング溝の上下面と衝突する。これにより、ピストンのリング溝が摩耗し、ピストンリングの上下面に摩耗粉が凝着する可能性がある。摩耗粉の凝着は、ピストンの材料として、軽量化等のためにアルミ合金を用いた場合には、特に顕著となる。

このような凝着を抑制するために、例えば特許文献１及び２には、ピストンリングの下面に溝等の凹部を設けた構成が開示されている。

特開平６−１５９１３５号公報 実開平６−５６５６５号公報

特許文献１及び２に記載のピストンリングによると、下面に形成した凹部に潤滑油を保持することで、摩耗粉の凝着を抑制すると共に、自己及び相手部品（ここではピストン）の摩耗を抑制することができる。ところで、ピストンリングは、ピストンが軸方向に往復運動するとき、ピストンに対して円周方向に回転し、ピストンリングの上面又は下面と、ピストンのリング溝の上面又は下面と、が摺動することがある。ピストンリングがピストンに対して円周方向に回転し、両者が摺動することで、凹部の形状や形成される位置によっては、ピストンのリング溝からの摩耗粉が発生し易くなる場合がある。かかる場合には、ピストンリングへの摩耗粉の凝着を十分に抑制できない可能性があった。

本発明は、このような点を解決することを課題とするものであり、その目的は、ピストンリングがピストンに対して円周方向に回転する場合であっても、ピストンの摩耗粉の凝着を抑制すると共に、自己及び相手部品の摩耗を抑制することができるピストンリングを提供することにある。

本発明のピストンリングは、径方向外側を向く外周面と、径方向内側を向く内周面と、軸方向の一方を向く上面と、軸方向の他方を向く下面と、を備え、前記上面及び前記下面のうち少なくとも一方の面には、軸方向から見た平面視で、径方向に対して傾斜し、連続的又は断続的に、直線状に延在する延在凹部が形成されており、前記延在凹部は、前記内周面及び前記外周面には到達していないことを特徴とする。

本発明は、上記構成において、前記延在凹部の延在方向は、前記平面視で、径方向に対して３０°以上６０°以下傾斜していることが好ましい。

本発明は、上記構成において、前記延在凹部が、断続的に直線状に延在しており、前記平面視での最近接距離が１００μｍ以下となるように断続することが好ましい。

本発明は、上記構成において、前記少なくとも一方の面には、前記延在凹部が複数形成されており、前記複数の延在凹部のうち、前記平面視で隣接する任意の２つの延在凹部の最近接距離が、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。

本発明は、上記構成において、前記延在凹部が、前記平面視で、内周縁から径方向厚さの１／１０以上、外周縁側の位置に形成されていることが好ましい。

本発明は、上記構成において、前記延在凹部が、前記平面視で、外周縁から径方向厚さの１／１０以上、内周縁側の位置に形成されていることが好ましい。

本発明は、上記構成において、前記少なくとも一方の面には、前記外周面に到達し、かつ、前記内周面には到達しない外凹部が更に形成されていることが好ましい。

本発明は、上記構成において、前記少なくとも一方の面には、前記内周面に到達し、かつ、前記外周面には到達しない内凹部が更に形成されていることが好ましい。

本発明は、上記構成において、合口部が更に形成され、前記延在凹部が、前記合口部に到達していないことが好ましい。

本発明は、上記構成において、前記少なくとも一方の面における、凹部が形成されていない部分を凹部非形成部としたとき、前記平面視で、前記凹部の総面積が、前記凹部非形成部の総面積に対して、５０％以上９０％以下であることが好ましい。

本発明は、上記構成において、前記延在凹部の最大深さが、１μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。

本発明は、上記構成において、前記少なくとも一方の面には、硬質被膜層又は樹脂製の被膜層が設けられていることが好ましい。

本発明によれば、ピストンリングがピストンに対して円周方向に回転する場合であっても、ピストンの摩耗粉の凝着を抑制すると共に、自己及び相手部品の摩耗を抑制することができるピストンリングを提供することができる。

本発明の一実施形態としてのピストンリングの平面図である。 ピストンに装着され、シリンダ内に挿入された状態の、図１に示すピストンリングを示す断面図である。 図１に示すピストンリングに形成された延在凹部の第１の態様を示す平面図である。 図１に示すピストンリングに形成された延在凹部の第２の態様を示す平面図である。 図４に示す第２の態様としての延在凹部を構成する複数の構成凹部それぞれの変形例を示す図である。 図１に示すピストンリングに形成された延在凹部の第３の態様を示す平面図である。 図１に示すピストンリングに形成された延在凹部の第４の態様を示す平面図である。 アルミ凝着試験の概要を示す図である。 アルミ凝着試験の結果を示すグラフである。

以下、本発明の各実施形態について、図面を参照して説明する。各図において共通の構成には、同一の符号を付している。

図１は、本発明の一実施形態としてのピストンリング１の平面図である。図２は、ピストン１００に装着され、シリンダ２００内に挿入された状態のピストンリング１を示す断面図である。以下、ピストンリング１の中心軸をＯとし、ピストンリング１の円周方向をＡとし、中心軸Ｏに沿う軸方向をＢとし、ピストンリング１の径方向をＣとする。

図１及び図２に示すように、ピストンリング１は、径方向Ｃの外側を向く外周面１０と、径方向Ｃの内側を向く内周面２０と、軸方向Ｂの一方側（図１の紙面手前側、図２の上側）を向く上面３０と、軸方向Ｂの他方側（図１の紙面奥側、図２の下側）を向く下面４０と、を有する。本実施形態の上面３０は、外周面１０及び内周面２０と連続する。また、本実施形態の下面４０は、外周面１０及び内周面２０と連続する。図１に示すように、ピストンリング１は、合口部６が形成された割りリング形状に形成されている。

図２に示すように、ピストンリング１の外周面１０は、軸方向Ｂの中心位置に頂点を有する、凸状の湾曲面（バレルフェイス）形状に形成されている。ピストンリング１の内周面２０は、軸方向Ｂに平行な円筒面形状に形成されている。ピストンリング１の上面３０及び下面４０は、それぞれ径方向Ｃに平行な平坦面に形成されている。上面３０及び下面４０の少なくともいずれか一方の面には、延在凹部５０（図３〜図７参照）が形成されている。なお、延在凹部５０の詳細については後述する。ここで、延在凹部５０が形成された面における、延在凹部５０を含むいかなる凹部も形成されていない部分を、凹部非形成部６０ａ〜６０ｄ（図３〜図７参照）とする。

ピストンリング１は、例えば自動車等のエンジン（内燃機関）のピストン１００にトップリング（第１圧力リング）として装着して使用される。具体的に、図２に示すように、ピストンリング１は、ピストン１００の外周で周方向に沿って形成されたリング溝１１０に装着される。より詳細には、図２に示すように、リング溝１１０に装着された状態のピストンリング１は、内周面２０全体を含む径方向Ｃの内側の一部分がリング溝１１０の内部に位置し、外周面１０全体を含む径方向Ｃの外側の他の部分がリング溝１１０の外部に位置する。図２に示すように、リング溝１１０に装着された状態のピストンリング１は、ピストン１００が軸方向Ｂに往復運動するとき、外周面１０を摺動面として、シリンダ２００の内壁２１０（以下、単に「シリンダ内壁２１０」ともいう。）と摺動しながら、軸方向Ｂに沿って往復運動する。また、ピストンリング１は、軸方向Ｂに沿って往復運動する際、ピストン１００に対して円周方向Ａ（図１参照）に回転することがある。

図２に示すように、ピストンリング１の上面３０と下面４０との間の幅は、リング溝１１０の上面１１１と下面１１２との間の幅よりも小さい。そのため、ピストンリング１がリング溝１１０に装着された状態で軸方向Ｂに沿って往復運動すると、ピストンリング１の上面３０の一部及びリング溝１１０の上面１１１の一部が接触しつつピストンリング１の下面４０及びリング溝１１０の下面１１２が離れた状態と、ピストンリング１の下面４０の一部及びリング溝１１０の下面１１２の一部が接触しつつピストンリング１の上面３０及びリング溝１１０の上面１１１が離れた状態と、が繰り返される。このとき、ピストンリング１の上面３０は、外周面１０の最大外径部１１から内周面２０側に向かって、径方向厚さＤの１／１０より手前の位置から内周面２０側の全範囲に亘って、リング溝１１０の上面１１１と接触する。同様に、ピストンリング１の下面４０は、外周面１０の最大外径部１１から内周面２０側に向かって、径方向厚さＤの１／１０より手前の位置から内周面２０側の全範囲に亘って、リング溝１１０の下面１１２と接触する。ここで、径方向厚さＤは、ピストンリング１の内周面２０の最小内径部２１から外周面１０の最大外径部１１までの径方向Ｃにおける厚さである。最大外径部１１は、外周面１０の最も外径の大きい位置であり、図２に示す例では、外周面１０の軸方向Ｂの中心位置である。最小内径部２１は、内周面２０の最も内径の小さい位置であり、図２に示す例では、内周面２０が軸方向Ｂに平行であるため、内周面２０の任意の位置である。

以下、図３〜７を参照して、ピストンリング１の上面３０及び下面４０の少なくともいずれか一方の面に形成された延在凹部５０の各態様を例示して説明する。詳細は後述するが、図３〜図７に示す延在凹部５０は、いずれも、軸方向Ｂから見た平面視（図１参照）で、径方向Ｃに対して傾斜し、連続的又は断続的に、直線状に延在している。また、図３〜図７に示す延在凹部５０は、いずれも、内周面２０及び外周面１０には到達していない。換言すれば、図３〜図７に示す延在凹部５０は、いずれも、軸方向Ｂから見た平面視で、内周縁及び外周縁には到達していない。

図３は、ピストンリング１に形成された延在凹部５０の第１の態様としての延在凹部５０ａを示す平面図である。ここで、ピストンリング１の平面視において、実際には円周方向Ａは湾曲しているが、図３では、説明の便宜上、円周方向Ａを直線状に示している。このことは、以下で参照する図４、図６及び図７においても同様である。

図３に示すように、軸方向Ｂから見た平面視（以下、単に「平面視」ともいう。）で、延在凹部５０ａは、径方向Ｃに対して傾斜し、連続的に、かつ直線状に延在する。図３に示す例では、複数の延在凹部５０ａが、円周方向Ａに等間隔に、かつ互いに平行に延在するように形成されている。また、図３に示すように、複数の延在凹部５０ａそれぞれは、内周面２０及び外周面１０には到達していない。

ピストンリング１は、上記したように、軸方向Ｂ（図２参照）に沿って往復運動する際、ピストン１００（図２参照）に対して円周方向Ａに回転し、ピストンリング１の上面３０又は下面４０と、図２に示すピストン１００のリング溝１１０の上面１１１又は下面１１２と、が摺動することがある。ここで、仮に、ピストンリング１の上面３０又は下面４０に、径方向Ｃに延在する延在凹部が形成されている場合、ピストンリング１がピストン１００に対して円周方向Ａに回転する際に、延在凹部の幅方向の端部により、ピストン１００のリング溝１１０の上面１１１又は下面１１２が削られ易く、ピストン１００の摩耗粉（以下、単に「摩耗粉」ともいう。）が発生し易い。ピストンリング１に、径方向Ｃに対して傾斜した方向に直線状に延在する延在凹部５０ａを形成すれば、上述のような径方向Ｃに延在する延在凹部を形成する場合と比較して、幅方向の端部によりリング溝１１０の上面１１１又は下面１１２が削られることが抑制できる。よって、延在凹部５０ａを形成することで、摩耗粉の発生を抑制できる。

また、ピストンリング１がピストン１００に対して円周方向Ａの一方に回転し、ピストンリング１の上面３０又は下面４０と、図２に示すピストン１００のリング溝１１０の上面１１１又は下面１１２と、が摺動する際に、上面３０又は下面４０に形成された凹部内の潤滑油は、円周方向Ａの他方に向かって排出され易い。ここで、仮に、ピストンリング１の上面３０又は下面４０に、円周方向Ａに延在する延在凹部が形成されている場合、延在凹部内の潤滑油は、径方向Ｃの一部の幅のみで、円周方向Ａに向かって排出される。ピストンリング１に、径方向Ｃに対して傾斜した方向に直線状に延在する延在凹部５０ａを形成すれば、上述のような円周方向Ａに延在する延在凹部を形成する場合と比較して、円周方向Ａに向かって排出される潤滑油の径方向Ｃの排出幅が拡がり易くなる。よって、延在凹部５０ａを形成することで、ピストンリング１及びピストン１００の摺動面に対して、径方向Ｃの広い範囲に亘って潤滑油を供給でき、摩耗粉の発生を抑制し、凝着を抑制できる。

また、上記したように、図３に示す延在凹部５０ａは、内周面２０及び外周面１０には到達していない。すなわち、延在凹部５０ａがピストンリング１の上面３０に形成されている場合には、上面３０とリング溝１１０（図２参照）の上面１１１（図２参照）とが接触するとき、延在凹部５０ａは、上面３０の延在凹部５０ａの径方向Ｃの内側及び外側に位置する凹部非形成部６０ａとリング溝１１０の上面１１１とが接触する領域によって、径方向Ｃの内側及び外側が閉じられた凹部となり得る。同様に、延在凹部５０ａがピストンリング１の下面４０に形成されている場合には、下面４０とリング溝１１０の下面１１２（図２参照）とが接触するとき、延在凹部５０ａは、下面４０の凹部５０ａの径方向Ｃの内側及び外側に位置する凹部非形成部６０ａとリング溝１１０の下面１１２とが接触する領域によって、径方向Ｃの内側及び外側が閉じた凹部となり得る。つまり、延在凹部５０ａは、径方向Ｃの内側及び両側が閉じられた凹部となり得る。これにより、延在凹部５０ａ内の潤滑油が内周面２０側及び外周面１０側から排出されることが抑制され、潤滑油を延在凹部５０ａ内に保持し易くなる。延在凹部５０ａ内に保持された潤滑油は、動圧効果によって延在凹部５０ａの周囲の凹部非形成部６０ａの表面に油膜を形成するため、ピストンリング１とリング溝１１０との接触応力が緩和される。よって、ピストン１００のリング溝１１０のフレッティングによる摩耗が抑制されて摩耗粉が減少するため、リング溝１１０からの摩耗粉のピストンリング１への凝着を抑制することができる。

上記のように、ピストンリング１は、延在凹部５０ａを形成することで、ピストンリング１がピストン１００に対して円周方向Ａに回転する場合であっても、ピストン１００の摩耗粉の凝着を抑制できる。

図３に示すように、複数の延在凹部５０ａそれぞれの延在方向Ｅ１が平面視で径方向Ｃに対して傾斜する傾斜角θ１は、３０°以上６０°以下であることが好ましく、３５°以上５５°以下であることがより好ましく、４５°であることが特に好ましい。傾斜角θ１が上記下限値以上であれば、延在凹部５０ａの幅方向の端部によりリング溝１１０の上面１１１又は下面１１２が削られることがより抑制でき、摩耗粉の発生をより抑制できる。また、傾斜角θ１が上記上限値以下であれば、延在凹部５０ａから円周方向Ａに向かって排出される潤滑油の径方向Ｃの排出幅がより拡がり易くなり、ピストンリング１及びピストン１００の摺動面に対して、径方向Ｃのより広い範囲に亘って潤滑油を供給できる。

図３に示すように、複数の延在凹部５０ａのうち、平面視で隣接する任意の２つの延在凹部５０ａの最近接距離Ｆ１は、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。ここで、本明細書において、任意の２つの凹部の最近接距離は、平面視で、２つの凹部それぞれが最も近接する位置同士を結ぶ直線の距離である。最近接距離Ｆ１が上記下限値以上であれば、隣接する２つの延在凹部５０ａ間に位置する凹部非形成部６０ａが幅狭な凸部を形成して図２に示すピストン１００のリング溝１１０の上面１１１又は下面１１２を削ることを抑制し、摩耗粉の発生を抑制することができる。また、最近接距離Ｆ１が上記上限値以下であれば、隣接する２つの延在凹部５０ａ間に位置する凹部非形成部６０ａの全域に油膜を形成し易くすることができる。

図３に示すように、複数の延在凹部５０ａのうち、任意の隣り合う延在凹部５０ａは、径方向Ｃに沿って重なる部分を有するように形成されている。換言すれば、ピストンリング１の上面３０及び下面４０のうち、延在凹部５０ａが形成された面は、径方向Ｃに沿って２つ以上の延在凹部５０ａが形成された領域を有する。これにより、円周方向Ａにおいて延在凹部５０ａが形成されない領域がなくなる。そのため、潤滑油の円周方向Ａにおける形成ムラが抑制される。

図３に示すように、複数の延在凹部５０ａそれぞれは、平面視で、内周縁から径方向厚さＤの１／１０以上、外周縁側の位置に形成されている。なお、図３、並びに以下で参照する図４、図６、及び図７の平面視における外周縁は、外周面１０の最大外径部１１により構成されている。また、図３、並びに以下で参照する図４、図６、及び図７の平面視における内周縁は、内周面２０の最小内径部２１により構成されている。これにより、延在凹部５０ａから内周面２０側を通じて潤滑油及び燃焼ガスが漏れ出ることをより確実に抑制することができる。

図３に示すように、複数の延在凹部５０ａそれぞれは、平面視で、外周縁を構成する、外周面１０の最大外形部１１から径方向厚さＤの１／１０以上、内周縁を構成する、内周面２０の最小内径部２１側の位置に形成されている。ここで、上述の通り、ピストンリング１の上面３０は、外周面１０の最大外径部１１から内周面２０側に向かって、径方向厚さＤの１／１０より手前の位置から内周面２０側の全範囲に亘って、リング溝１１０（図２参照）の上面１１１（図２参照）と接触する。従って、延在凹部５０ａがピストンリング１の上面３０に形成されている場合には、上面３０とリング溝１１０の上面１１１とが接触するとき、延在凹部５０ａの径方向Ｃの外側の位置で、上面３０とリング溝１１０の上面１１１とが接触する領域が存在する。つまり、延在凹部５０ａは、上面３０の延在凹部５０ａよりも径方向Ｃの外側に位置する凹部非形成部６０ａとリング溝１１０の上面１１１とが接触する領域によって、外周面１０側が確実に封鎖される。

また、上述の通り、ピストンリング１の下面４０は、外周面１０の最大外径部１１から内周面２０側に向かって、径方向厚さＤの１／１０より手前の位置から内周面２０側の全範囲に亘って、リング溝１１０（図２参照）の下面１１２（図２参照）と接触する。従って、延在凹部５０ａがピストンリング１の下面４０に形成されている場合には、下面４０とリング溝１１０の下面１１２とが接触するとき、延在凹部５０ａの径方向Ｃの外側の位置で、下面４０とリング溝１１０の下面１１２とが接触する領域が存在する。つまり、延在凹部５０ａは、下面４０の延在凹部５０ａよりも径方向Ｃの外側に位置する凹部非形成部６０ａとリング溝１１０の下面１１２とが接触する領域によって、外周面１０側が確実に封鎖される。

従って、ピストンリング１の上面３０又は下面４０の凹部非形成部６０ａと、リング溝１１０の上面１１１又は下面１１２との接触によって、延在凹部５０ａから外周面１０側へ通じる流路が封鎖されるので、延在凹部５０ａを通じて潤滑油及び燃焼ガスが外周面１０側に漏れ出ることが抑制される。

複数の延在凹部５０ａは、いずれも合口部６（図１参照）には到達していないことが好ましい。これにより、ピストンリング１の上面３０又は下面４０の凹部非形成部６０ａと、リング溝１１０（図２参照）の上面１１１（図２参照）又は下面１１２（図２参照）との接触によって、延在凹部５０ａから合口部６を通じて潤滑油及び燃焼ガスが漏れ出ることが抑制される。よって、潤滑油及び燃焼ガスのシール性をより向上させることができる。なお、上述したように、複数の延在凹部５０ａは、いずれも内周面２０及び外周面１０にも到達していないため、径方向Ｃの内側及び外側も閉じられている。つまり、複数の延在凹部５０ａそれぞれは、円周方向Ａの両側、並びに、径方向Ｃの内側及び外側、が閉じられた凹部（以下、「閉凹部」ともいう。）となる。

延在凹部５０ａの最大深さは、表面粗さＲｚ以上である必要があり、１μｍ以上であることが好ましく、４μｍ以上であることがより好ましく、５μｍ以上であることが特に好ましい。延在凹部５０ａの最大深さが上記下限値以上であれば、延在凹部５０ａを形成することによる上述の効果を得ることができる。また、延在凹部５０ａの最大深さは、５０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましい。延在凹部５０ａの最大深さが上記上限値以下であれば、延在凹部５０ａ内に潤滑油が流れ込むことによる凹部非形成部６０ａの表面の油膜切れを抑制し、リング溝１１０の摩耗を抑制することができる。

ピストンリング１の上面３０及び下面４０のうち、延在凹部５０ａが形成された面には、外周面１０に到達し、かつ、内周面２０には到達しない外凹部が更に形成されていてもよい。この場合、外凹部は、外周面１０側で潤滑油の経路を形成するため、外周面１０から外凹部への潤滑油の導入と、外凹部から外周面１０への潤滑油の排出とが円滑に行われる。これにより、ピストンリング１とリング溝１１０との接触面の熱が、外凹部内の潤滑油を媒介して外周面１０からシリンダ２００へ逃げるので、ピストンリング１とリング溝１１０との接触面の温度の上昇が抑制される。よって、リング溝１１０の摩耗が抑制されて、摩耗粉のピストンリング１への凝着を抑制することができる。

外凹部と延在凹部５０ａとの最近接距離は、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。外凹部と延在凹部５０ａとの最近接距離が上記下限値以上であれば、外凹部と延在凹部５０ａとの間に位置する凹部非形成部６０ａが幅狭な凸部を形成して図２に示すピストン１００のリング溝１１０の上面１１１又は下面１１２を削ることを抑制し、摩耗粉の発生を抑制することができる。また、外凹部と延在凹部５０ａとの最近接距離が上記上限値以下であれば、延在凹部５０ａ内の潤滑油が、外凹部と延在凹部５０ａとの間に位置する凹部非形成部６０ａに形成された油膜を通じて、外凹部内の潤滑油と循環するので、延在凹部５０ａ内の余分な潤滑油及び摩耗粉を、外凹部を経て外周面１０側から排出することができる。

ピストンリング１の上面３０及び下面４０のうち、延在凹部５０ａが形成された面には、内周面２０に到達し、かつ、外周面１０には到達しない内凹部が更に形成されていてもよい。この場合、内凹部は、内周面２０側で潤滑油の経路を形成するため、内周面２０から内凹部への潤滑油の導入と、内凹部から内周面２０への潤滑油の排出とが円滑に行われる。内凹部内に保持された潤滑油は、動圧効果によって内凹部の周囲の凹部非形成部６０ａの表面に油膜を形成するため、ピストンリング１とリング溝１１０（図２参照）との接触応力が緩和される。よって、ピストン１００のリング溝１１０のフレッティングによる摩耗が抑制されて摩耗粉が減少するため、リング溝１１０からの摩耗粉のピストンリング１への凝着を抑制することができる。

内凹部と延在凹部５０ａとの最近接距離は、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。内凹部と延在凹部５０ａとの最近接距離が上記下限値以上であれば、内凹部と延在凹部５０ａとの間に位置する凹部非形成部６０ａが幅狭な凸部を形成して図２に示すピストン１００のリング溝１１０の上面１１１又は下面１１２を削ることを抑制し、摩耗粉の発生を抑制することができる。また、内凹部と延在凹部５０ａとの最近接距離が上記上限値以下であれば、延在凹部５０ａ内の潤滑油が、内凹部と延在凹部５０ａとの間に位置する凹部非形成部６０ａに形成された油膜を通じて、内凹部内の潤滑油と循環するので、延在凹部５０ａ内の余分な潤滑油及び摩耗粉を、内凹部を経て内周面２０側から排出することができる。

上記した外凹部及び内凹部は、いずれも合口部６（図１参照）には到達していないことが好ましい。これにより、ピストンリング１の上面３０又は下面４０の凹部非形成部６０ａと、リング溝１１０（図２参照）の上面１１１（図２参照）又は下面１１２（図２参照）との接触によって、外凹部または内凹部から合口部６を通じて潤滑油及び燃焼ガスが漏れ出ることが抑制される。

上記した外凹部及び内凹部それぞれの最大深さは、表面粗さＲｚ以上である必要があり、１μｍ以上であることが好ましく、４μｍ以上であることがより好ましく、５μｍ以上であることが特に好ましい。外凹部及び内凹部それぞれの最大深さが上記下限値以上であれば、外凹部及び内凹部それぞれを形成することによる上述の効果を得ることができる。また外凹部及び内凹部それぞれの最大深さは、５０μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましい。外凹部及び内凹部それぞれの最大深さが上記上限値以下であれば、リング溝１１０の摩耗を抑制することができる。

図３に示すように、ピストンリング１の上面３０及び下面４０のうち、延在凹部５０ａが形成された面における、延在凹部５０ａを含む凹部の総面積は、凹部非形成部６０ａの総面積に対して、５０％以上９０％以下であることが好ましい。ここで、延在凹部５０ａを含む凹部は、延在凹部５０ａの他に、上記した外凹部及び内凹部を含む。延在凹部５０ａを含む凹部の総面積を上記範囲内とすることで、ピストンリング１とリング溝１１０との接触応力をより一層緩和できるため、リング溝１１０からの摩耗粉のピストンリング１への凝着をより一層抑制することができる。

なお、ピストンリング１の上面３０及び下面４０のうち、延在凹部５０ａが形成された面には、外周面１０及び内周面２０の両方に到達する連通凹部は、形成されていないことが好ましい。連通凹部を形成しないことで、延在凹部５０ａが形成された面では、凹部非形成部６０ａが、合口部６以外の位置で円周方向Ａに亘って切れ目なく連続する。これにより、延在凹部５０ａが形成された面で、外周面１０側と内周面２０側とを相互に通じて潤滑油及び燃焼ガスが漏れ出ることを抑制することができる。

図４は、ピストンリング１に形成された延在凹部５０の第２の態様に係る延在凹部５０ｂを示す平面図である。図４に示すように、平面視で、延在凹部５０ｂは、径方向Ｃに対して傾斜し、断続的に、かつ直線状に延在する。換言すれば、延在凹部５０ｂは、平面視で、径方向Ｃに対して傾斜した延在方向Ｅ２に沿って、互いに離れて配置された複数の構成凹部５１ｂで構成されている。複数の構成凹部５１ｂそれぞれは、図４に示す例では平面視で矩形状に形成されている。また、図４に示す例では、複数の延在凹部５０ｂが、円周方向Ａに等間隔に、かつ互いに平行に延在するように形成されている。また、図４に示すように、複数の延在凹部５０ｂそれぞれは、内周面２０及び外周面１０には到達していない。

図４に示すように、延在凹部５０ｂは、上述の通り断続的に直線状に延在しており、平面視での最近接距離Ｇが１００μｍ以下となるように断続している。換言すれば、最近接距離Ｇは、延在凹部５０ｂを構成する複数の構成凹部５１ｂ同士の平面視での最近接距離である。最近接距離Ｇが上記上限値以下であれば、延在凹部５０ｂを構成する複数の構成凹部５１ｂ同士が十分に近接するため、構成凹部５１ｂ間で潤滑油及び摩耗粉が移動可能となる。従って、断続する延在凹部５０ｂを形成することで、連続する延在凹部５０ａ（図３参照）を形成したことによる上記効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、ピストンリング１は、延在凹部５０ａを形成することで、ピストンリング１がピストン１００に対して円周方向Ａに回転する場合であっても、ピストン１００の摩耗粉の凝着を抑制できる。

図４に示すように、複数の延在凹部５０ｂそれぞれの延在方向Ｅ２が平面視で径方向Ｃに対して傾斜する傾斜角θ２は、図３に示す複数の延在凹部５０ａそれぞれの延在方向Ｅ１が平面視で径方向Ｃに対して傾斜する傾斜角θ１と同様に、３０°以上６０°以下であることが好ましく、３５°以上５５°以下であることがより好ましく、４５°であることが特に好ましい。傾斜角θ２が上記範囲内であれば、延在方向Ｅ１が上記範囲内であることによる効果と同様の効果が得られる。

図４に示すように、複数の延在凹部５０ｂのうち、平面視で隣接する任意の２つの延在凹部５０ｂの最近接距離Ｆ２は、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。最近接距離Ｆ２が上記範囲内であれば、上述の最近接距離Ｆ１（図３参照）が上記範囲内であることによる効果と同様の効果を得ることができる。

図４に示すように、複数の延在凹部５０ｂのうち、任意の隣り合う延在凹部５０ｂは、径方向Ｃに沿って重なる部分を有するように形成されている。換言すれば、ピストンリング１の上面３０及び下面４０のうち、延在凹部５０ｂが形成された面は、径方向Ｃに沿って２つ以上の延在凹部５０ｂが形成された領域を有する。これにより、円周方向Ａにおいて延在凹部５０ｂが形成されない領域がなくなる。そのため、潤滑油の円周方向Ａにおける形成ムラが抑制される。

図４に示すように、複数の延在凹部５０ｂそれぞれは、平面視で、内周縁を構成する、内周面２０の最小内径部２１から径方向厚さＤの１／１０以上、外周縁を構成する、外周面１０の最大外形部１１側の位置に形成されている。これにより、延在凹部５０ｂから内周面２０側を通じて潤滑油及び燃焼ガスが漏れ出ることをより確実に抑制することができる。

図４に示すように、複数の延在凹部５０ｂそれぞれは、図３に示す延在凹部５０ａと同様に、平面視で、外周縁を構成する、外周面１０の最大外形部１１から径方向厚さＤの１／１０以上、内周縁を構成する、内周面２０の最小内径部２１側の位置に形成されている。従って、延在凹部５０ｂは、図３に示す延在凹部５０ａと同様に、上面３０の延在凹部５０ｂよりも径方向Ｃの外側に位置する凹部非形成部６０ｂとリング溝１１０の上面１１１とが接触する領域によって、外周面１０側が確実に封鎖される。

従って、ピストンリング１の上面３０又は下面４０の凹部非形成部６０ｂと、リング溝１１０の上面１１１又は下面１１２との接触によって、延在凹部５０ｂから外周面１０側へ通じる流路が封鎖されるので、延在凹部５０ｂを通じて潤滑油及び燃焼ガスが外周面１０側に漏れ出ることが抑制される。

複数の延在凹部５０ｂは、いずれも合口部６（図１参照）には到達していないことが好ましい。これにより、ピストンリング１の上面３０又は下面４０の凹部非形成部６０ｂと、リング溝１１０（図２参照）の上面１１１（図２参照）又は下面１１２（図２参照）との接触によって、延在凹部５０ｂから合口部６を通じて潤滑油及び燃焼ガスが漏れ出ることが抑制される。よって、潤滑油及び燃焼ガスのシール性をより向上させることができる。なお、上述したように、複数の延在凹部５０ｂは、いずれも内周面２０及び外周面１０にも到達していないため、径方向Ｃの内側及び外側も閉じられている。つまり、複数の延在凹部５０ｂそれぞれは、円周方向Ａの両側、並びに、径方向Ｃの内側及び外側、が閉じられた凹部（以下、「閉凹部」ともいう。）となる。

延在凹部５０ｂの最大深さの好適範囲は、延在凹部５０ａ（図３参照）の最大深さの好適範囲と同じであり、それにより得られる効果も同様である。また、ピストンリング１の上面３０及び下面４０のうち、延在凹部５０ｂが形成された面には、延在凹部５０ａ（図３参照）が形成された面と同様に、外凹部が形成されていてもよく、それにより得られる効果も同様である。また、外凹部と延在凹部５０ｂとの最近接距離の好適範囲は、外凹部と延在凹部５０ａとの最近接距離の好適範囲と同じであり、それにより得られる効果も同様である。また、ピストンリング１の上面３０及び下面４０のうち、延在凹部５０ｂが形成された面には、延在凹部５０ａが形成された面と同様に、内凹部が形成されていてもよく、それにより得られる効果も同様である。また、内凹部と延在凹部５０ｂとの最近接距離の好適範囲は、内凹部と延在凹部５０ａとの最近接距離の好適範囲と同じであり、それにより得られる効果も同様である。また、延在凹部５０ｂが形成された面に形成される外凹部及び内凹部は、延在凹部５０ａが形成された面に形成される外凹部及び内凹部と同様に、いずれも合口部６（図１参照）には到達していないのが好ましく、それにより得られる効果も同様である。また、延在凹部５０ｂが形成された面に形成される外凹部及び内凹部それぞれの最大深さの好適範囲は、延在凹部５０ａが形成された面に形成される外凹部及び内凹部と同じであり、それにより得られる効果も同様である。

図４に示すように、ピストンリング１の上面３０及び下面４０のうち、延在凹部５０ｂが形成された面における、延在凹部５０ｂを含む凹部の総面積は、凹部非形成部６０ｂの総面積に対して、５０％以上９０％以下であることが好ましい。延在凹部５０ｂを含む凹部の総面積を上記範囲内とすれば、延在凹部５０ａ（図３参照）を含む凹部の総面積を上記範囲内としたのと同様の効果が得られる。

なお、ピストンリング１の上面３０及び下面４０のうち、延在凹部５０ｂが形成された面には、外周面１０及び内周面２０の両方に到達する連通凹部は、形成されていないことが好ましい。延在凹部５０ｂが形成された面に連通凹部を形成しないことで、延在凹部５０ａ（図３参照）が形成された面に連通凹部を形成しないことによる効果と同様の効果が得られる。

図５は、図４に示す延在凹部５０ｂを構成する複数の構成凹部５１ｂそれぞれの変形例を示す図である。図５に示すように、構成凹部５１ｂの形状は、平面視で図４に示すような矩形状には限定されずに任意の形状であってよく、例えば平面視で構成凹部５１ｂ１〜５１ｂ１３のいずれか１つの形状に形成されていてもよい。具体的に、構成凹部５１ｂ１及び構成凹部５１ｂ４は、それぞれ図４に示す構成凹部５１ｂとは異なる形状の矩形状である。構成凹部５１ｂ２は、平行四辺形状である。構成凹部５１ｂ３、構成凹部５１ｂ５、構成凹部５１ｂ８及び構成凹部５１ｂ９は、それぞれ台形状である。構成凹部５１ｂ６は、ひし形状である。構成凹部５１ｂ７及び構成凹部５１ｂ１１は、それぞれ六角形状である。構成凹部５１ｂ１０は、矩形の対向する２辺が一方向に凸となる半円で置換されてなる形状である。構成凹部５１ｂ１２は、円形状である。構成凹部５１ｂ１３は、楕円形状である。

図６は、ピストンリング１に形成された延在凹部５０の第３の態様に係る延在凹部５０ｃを示す平面図である。図６に示すように、延在凹部５０ｃは、図３に示す延在凹部５０ａに対して、径方向Ｃに延在する直線を対称軸とする線対称な凹部である。ピストンリング１に形成された延在凹部５０ｃのその他の構成、及びそれにより得られる効果は、ピストンリング１に形成された延在凹部５０ａの構成、及びそれにより得られる効果と同様である。例えば、図６に示すように、複数の延在凹部５０ｃそれぞれの延在方向Ｅ３が平面視で径方向Ｃに対して傾斜する傾斜角θ３は、３０°以上６０°以下であることが好ましく、３５°以上５５°以下であることがより好ましく、４５°であることが特に好ましい。

図７は、ピストンリング１に形成された延在凹部５０の第４の態様に係る延在凹部５０ｄを示す平面図である。図７に示すように、延在凹部５０ｄは、図４に示す延在凹部５０ｂに対して、径方向Ｃに延在する直線を対称軸とする線対称な凹部である。ピストンリング１に形成された延在凹部５０ｄのその他の構成、及びそれにより得られる効果は、ピストンリング１に形成された延在凹部５０ｂの構成、及びそれにより得られる効果と同様である。例えば、図７に示すように、複数の延在凹部５０ｄそれぞれの延在方向Ｅ４が平面視で径方向Ｃに対して傾斜する傾斜角θ４は、３０°以上６０°以下であることが好ましく、３５°以上５５°以下であることがより好ましく、４５°であることが特に好ましい。また、延在凹部５０ｄを構成する構成凹部５１ｄの形状は、平面視で図７に示すような矩形状には限定されずに任意の形状であってよく、例えば平面視で構成凹部５１ｂ１〜５１ｂ１３（図５参照）のいずれか１つの形状に形成されていてもよい。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、ピストンリング１の外周面１０は、バレルフェイス形状であるとして説明したが、バレルフェイス形状には限定されず、例えば、プレーン形状、テーパーフェイス形状等、他の任意の形状であってもよい。また、ピストンリング１の内周面２０、上面３０、及び下面４０の各形状は、上記した各形状には限定されない。

また、上面３０及び下面４０のうち、少なくとも延在凹部５０が形成された面には、硬質被膜層又は樹脂製の被膜層が設けられていてもよい。硬質皮膜層としては、例えば、窒化処理層、ＰＶＤ処理層、硬質クロムめっき処理層およびＤＬＣ層のうち少なくともいずれか１つの層を備えた構成を採用することができる。このような硬質被膜層を設けることにより、上面３０又は下面４０の摩耗による延在凹部５０の消失を長期間に亘って防止して、凝着、並びに自己及び相手部品の摩耗、を抑制することができる。なお、「ＰＶＤ処理層」とは「物理気相成長（Physical Vapor Deposition）により形成された層」を意味し、「ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）層」とは主として炭化水素や炭素の同素体から成る非晶質の硬質炭素膜を意味する。

被膜層は、延在凹部５０が形成された後で、表面処理によって設けられてもよい。或いは、被膜層は、延在凹部５０が形成される前に表面処理によって設けられ、その後、延在凹部５０が形成されてもよい。

次に、本発明に係るピストンリングの実施例について説明する。

［実施例１〜８］
弁ばね用シリコンクロム鋼オイルテンパー線（ＳＷＯＳＣ−Ｖ）から呼称径７３ｍｍ、幅２．５ｍｍ、厚さ３．８ｍｍの矩形断面で、外周面をバレルフェイス形状とし、その外周面にＣｒＮ系のイオンプレーティング皮膜を成膜したピストンリングを作製した。上記「厚さ」とは、径方向の最大厚さを意味する。さらに、リングの下面のみに、径方向に対して傾斜し、連続的又は断続的に、直線状に延在する延在凹部を形成し、リングの上面及び下面を含む表面にリン酸塩化成処理を行った。このように作製された実施例１〜８としてのピストンリングを用いて、アルミ凝着試験を行った。

実施例１〜８のピストンリングは、凹部の形状、凹部深さ、凹部幅寸法、非凹部寸法、凹部角度において異なるが、その他の構成は共通する。「凹部の形状」とは、延在凹部の形状を意味し、ここでは斜めに連続的に延在する形状か、斜めに断続的に延在する形状か、を意味している。「凹部深さ」とは、延在凹部の深さ寸法の最大値を意味し、「凹部幅寸法」とは、延在凹部の幅寸法の最大値を意味する。また、「非凹部寸法」とは、平面視で隣接する任意の２つの延在凹部の最近接距離を意味する。「凹部角度」とは、径方向に対する延在凹部の延在方向の傾斜角度を意味する。

［比較例１］
上述の実施例１〜８とは別に、リング側面に延在凹部が形成されていない比較例１としてのピストンリングを作製した。この比較例１としてのピストンリングは、リング側面に延凹部が形成されていないことを除けば、上記実施例１〜８のピストンリングと同じ仕様である。

アルミ凝着試験は、図８に示す装置（例えば、株式会社リケン製のトライボリックＩＶ）を用い、リング（圧力リング）を低速で回転する軸上に同軸に載置し、所定の温度に調節したピストン材（ＡＣ８Ａ材）を一定の周期で軸方向に往復動させ、リングとピストン材とに面圧荷重を周期的に発生させて、アルミ凝着が発生するまで継続する試験である。アルミ凝着が発生すれば回転軸のトルクが変動し、また温度も上昇する。その時の負荷サイクル数で寿命を評価する。試験条件としては、試験温度２４０℃、面圧負荷振れ幅０〜１．１ＭＰａ、面圧負荷サイクル数３．３Ｈｚ、リング回転速度３．３ｍ／ｓｅｃ（一方向回転）とし、さらに潤滑剤として無添加ベースオイルＳＡＥ３０をリング表面に０．０８ｃｃ塗布した。その結果を［表１］及び図９に示す。耐アルミ凝着性能を示す指標となるアルミ凝着発生までのサイクル数は、実施例１〜６の延在凹部を有する場合、延在凹部を有しない比較例１に比べて最大９０％、実施例７及び８の断続する延在凹部を有する場合は、最大１２４％向上した。これは、凹部を大きくすることによって、ピストン溝の摩耗分がリングの延在凹部に流れ込み、接触部である非凹部へのアルミの付着が抑制されたためと考えられる。

また、［表１］に示す結果から、非凹部寸法（平面視で隣接する任意の２つの延在凹部の最近接距離）を１００μｍ以下に小さくすることで、付着アルミの成長を阻害し、アルミ凝着を抑制できることが分かる。更に、非凹部寸法は５０μｍ以下にすることで、更に耐アルミ凝着性能が改善されることが分かる。非凹部寸法を５０μｍ以下にした場合においても、延在凹部の幅寸法は５０μｍ以上が好ましく、２５０μｍ以上にすることで、更に耐アルミ凝着性能は改善されることが分かる。

更に、上記［表１］には、エンジン試験におけるアルミ凝着の発生時間についても併せて示している。このエンジン試験では、実施例２、実施例３、比較例１のピストンリングそれぞれをトップリングとして使用した。また、このエンジン試験は、１．５Ｌの４気筒水冷４サイクルエンジンを用いて、所定の運転条件（回転数５５００ｒｐｍ、全負荷（ＷＯＴ：Wide Open Throttle））で１００ｈｒ行った。なお、セカンドリング及びオイルリングは、当該エンジン用の既存のリングを使用した。このエンジン試験では、トップリングのリング側面にアルミ凝着が発生するまで試験を行った。その結果、実施例２のピストンリングでは、１００ｈｒの運転においてアルミ凝着が発生しなかった。また、実施例３のピストンリングでは、試験開始から７５ｈｒが経過するまでアルミ凝着が発生しなかった。これに対して、比較例１のピストンリングでは、試験開始から２０ｈｒでアルミ凝着が発生した。

本発明は、内燃機関用のピストンリングに関する。

１：ピストンリング
６：合口部
１０：外周面
１１：最大外径部（外周縁）
２０：内周面
２１：最小内径部（内周縁）
３０：上面
４０：下面
５０、５０ａ〜５０ｄ：延在凹部
５１ｂ、５１ｄ、５０ｂ１〜５０ｂ１３：構成凹部
６０ａ〜６０ｄ：凹部非形成部
１００：ピストン
１１０：リング溝
１１１：リング溝の上面
１１２：リング溝の下面
２００：シリンダ
２１０：シリンダ内壁
Ａ：円周方向
Ｂ：軸方向
Ｃ：径方向
Ｄ：径方向厚さ
Ｅ１〜Ｅ４：延在凹部の延在方向
Ｆ１、Ｆ２：２つの延在凹部の最近接距離
Ｇ：断続する延在凹部の最近接距離
Ｏ：中心軸
θ１〜θ４：延在凹部の延在方向の径方向に対する傾斜角

Claims (12)

1. 径方向外側を向く外周面と、
   径方向内側を向く内周面と、
   軸方向の一方を向く上面と、
   軸方向の他方を向く下面と、を備え、
   前記上面及び前記下面のうち少なくとも一方の面には、軸方向から見た平面視で、径方向に対して傾斜し、連続的又は断続的に、直線状に延在する延在凹部が形成されており、
   前記延在凹部は、前記内周面及び前記外周面には到達していないことを特徴とする、ピストンリング。
2. 前記延在凹部の延在方向は、前記平面視で、径方向に対して３０°以上６０°以下傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載のピストンリング。
3. 前記延在凹部は、断続的に直線状に延在しており、前記平面視での最近接距離が１００μｍ以下となるように断続することを特徴とする、請求項１又は２に記載のピストンリング。
4. 前記少なくとも一方の面には、前記延在凹部が複数形成されており、
   前記複数の延在凹部のうち、前記平面視で隣接する任意の２つの延在凹部の最近接距離は、１０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のピストンリング。
5. 前記延在凹部は、前記平面視で、内周縁から径方向厚さの１／１０以上、外周縁側の位置に形成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のピストンリング。
6. 前記延在凹部は、前記平面視で、外周縁から径方向厚さの１／１０以上、内周縁側の位置に形成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のピストンリング。
7. 前記少なくとも一方の面には、前記外周面に到達し、かつ、前記内周面には到達しない外凹部が更に形成されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のピストンリング。
8. 前記少なくとも一方の面には、前記内周面に到達し、かつ、前記外周面には到達しない内凹部が更に形成されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のピストンリング。
9. 合口部が更に形成され、
   前記延在凹部は、前記合口部に到達していないことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のピストンリング。
10. 前記少なくとも一方の面における、凹部が形成されていない部分を凹部非形成部としたとき、前記平面視で、前記凹部の総面積は、前記凹部非形成部の総面積に対して、５０％以上９０％以下であることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のピストンリング。
11. 前記延在凹部の最大深さは、１μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のピストンリング。
12. 前記少なくとも一方の面には、硬質被膜層又は樹脂製の被膜層が設けられていることを特徴とする、請求項１から１１のいずれ一項に記載のピストンリング。

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