JP2636421B2 - ピストンリングの製造方法 - Google Patents
ピストンリングの製造方法Info
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- JP2636421B2 JP2636421B2 JP13267689A JP13267689A JP2636421B2 JP 2636421 B2 JP2636421 B2 JP 2636421B2 JP 13267689 A JP13267689 A JP 13267689A JP 13267689 A JP13267689 A JP 13267689A JP 2636421 B2 JP2636421 B2 JP 2636421B2
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- piston ring
- piston
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- inner peripheral
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ピストンリングの製造方法に関する。
〔従来の技術〕 一般に、内燃機関等のエンジンにはピストンリングが
使用されており、そのピストンリングには、圧力リング
及び油掻きリングがあり、シリンダとピストンとの間の
気密、熱伝達、潤滑、ベアリング等の機能を果たしてい
る。そして、このピストンリングには、矩形断面等の種
々の断面形状のものが開示されている。また、ピストン
とシリンダとの間の気密を保つため、シリンダ壁面に対
して気密に必要な接触即ち密着するようにピストンリン
グには自己張力を有するように構成されている。また、
ピストンリングは自由状態即ちピストンとシリンダとの
間に装着されていない状態では真円でなく自由合い口す
きまは大きくなっており、装着された状態で初めて押し
縮められてほぼ真円状態になるように構成されている。
そして、ピストンリングについては、シリンダに装着さ
れない状態の自由形状によって装着時のリングの面圧分
布が決定されるようになっている。
使用されており、そのピストンリングには、圧力リング
及び油掻きリングがあり、シリンダとピストンとの間の
気密、熱伝達、潤滑、ベアリング等の機能を果たしてい
る。そして、このピストンリングには、矩形断面等の種
々の断面形状のものが開示されている。また、ピストン
とシリンダとの間の気密を保つため、シリンダ壁面に対
して気密に必要な接触即ち密着するようにピストンリン
グには自己張力を有するように構成されている。また、
ピストンリングは自由状態即ちピストンとシリンダとの
間に装着されていない状態では真円でなく自由合い口す
きまは大きくなっており、装着された状態で初めて押し
縮められてほぼ真円状態になるように構成されている。
そして、ピストンリングについては、シリンダに装着さ
れない状態の自由形状によって装着時のリングの面圧分
布が決定されるようになっている。
一般に、ピストンリングについては、リングの寸法を
表すのに、第９図及び第12図に示すように、自由状態で
の呼び径Ｄ、幅Ｂ、厚さＴを用いて、Ｄ×Ｂ×Ｔで示
し、また、ピストンリングの自由合い口すきまをＬで示
す。また、ピストンリング15の装着及び使用時には、第
10図に示すように、呼び径D1及び合い口すきまＣは小さ
くなり、ピストンリング15の最外周部に掛かる引張応力
は、第10図及び第11図に示すようになる。第11図は第10
図の線Ａ−Ａにおいて掛かる応力分布を示す。図示のよ
うに、ピストンリング15の装着及び使用時には、ピスト
ンリング15が全周一様な断面であれば、最大応力f1は合
い口すきまＣの対向側即ち反対側の部位に掛かることに
なる。詳しくは、ピストンリング15の外周側には引張応
力ｈが掛かり、また、ピストンリング15の内周側には圧
縮応力ｊが掛かる。該最大応力f1、合い口７に掛かる張
力Ｗ、及び面圧Ｐは、次式で表すことができる。
表すのに、第９図及び第12図に示すように、自由状態で
の呼び径Ｄ、幅Ｂ、厚さＴを用いて、Ｄ×Ｂ×Ｔで示
し、また、ピストンリングの自由合い口すきまをＬで示
す。また、ピストンリング15の装着及び使用時には、第
10図に示すように、呼び径D1及び合い口すきまＣは小さ
くなり、ピストンリング15の最外周部に掛かる引張応力
は、第10図及び第11図に示すようになる。第11図は第10
図の線Ａ−Ａにおいて掛かる応力分布を示す。図示のよ
うに、ピストンリング15の装着及び使用時には、ピスト
ンリング15が全周一様な断面であれば、最大応力f1は合
い口すきまＣの対向側即ち反対側の部位に掛かることに
なる。詳しくは、ピストンリング15の外周側には引張応
力ｈが掛かり、また、ピストンリング15の内周側には圧
縮応力ｊが掛かる。該最大応力f1、合い口７に掛かる張
力Ｗ、及び面圧Ｐは、次式で表すことができる。
Ｐ＝200W/DB 但し、E;ヤング率を示す。
従来、実開昭61−29040号公報には、セラミック製リ
ングが開示されている。該セラミック製リングは、ピス
トン頂面に最も近いトップリング溝に、複数に分割した
セラミック製リングと、このリングの内側に位置して拡
張力を付与する金属製リングとを嵌め付けたものであ
る。
ングが開示されている。該セラミック製リングは、ピス
トン頂面に最も近いトップリング溝に、複数に分割した
セラミック製リングと、このリングの内側に位置して拡
張力を付与する金属製リングとを嵌め付けたものであ
る。
また、特開昭63−92868号公報に開示されたセラミッ
ク製ピストンリングは、外周面側の部分を強度の大きい
セラミック材料で構成し、内周面側の部分を強度の小さ
いセラミック材料から構成したものであり、その製造方
法は、第１素材を押圧成形し、次いで第２素材を第１素
材の軸方向の面を接触させた状態で押圧成形し、これら
の素材を焼結して製造したものである。
ク製ピストンリングは、外周面側の部分を強度の大きい
セラミック材料で構成し、内周面側の部分を強度の小さ
いセラミック材料から構成したものであり、その製造方
法は、第１素材を押圧成形し、次いで第２素材を第１素
材の軸方向の面を接触させた状態で押圧成形し、これら
の素材を焼結して製造したものである。
ところで、金属のヤング率Ｅは、21000kg/mm2であ
り、セラミック材料である窒化珪素（Si3N4）のヤング
率Ｅは、30000kg/mm2である。従って、セラミック材料
等の高弾性率を有する材料でピストンリングを製作した
場合に、ヤング率Ｅが大きいため、使用時にピストンリ
ングの合い口すきまＣの対向側に掛かる最大応力f1が大
きくなり、ピストンリングの折損等の原因になる。そこ
で、ピストンリングに掛かる最大応力f1を小さくするに
は、セラミック材のピストンリングは金属材のピストン
リングよりも、厚さＴ及び自由合い口すきまＬを小さく
形成しなければならない。
り、セラミック材料である窒化珪素（Si3N4）のヤング
率Ｅは、30000kg/mm2である。従って、セラミック材料
等の高弾性率を有する材料でピストンリングを製作した
場合に、ヤング率Ｅが大きいため、使用時にピストンリ
ングの合い口すきまＣの対向側に掛かる最大応力f1が大
きくなり、ピストンリングの折損等の原因になる。そこ
で、ピストンリングに掛かる最大応力f1を小さくするに
は、セラミック材のピストンリングは金属材のピストン
リングよりも、厚さＴ及び自由合い口すきまＬを小さく
形成しなければならない。
しかしながら、ピストンリングの厚さＴ及び自由合い
口すきまＬを小さい寸法で形成すると、張力Ｗ及び面圧
Ｐは小さくなってしまう。そのため、ピストンリングの
機能である気密保持、潤滑油調整、熱伝達等の問題が発
生する。
口すきまＬを小さい寸法で形成すると、張力Ｗ及び面圧
Ｐは小さくなってしまう。そのため、ピストンリングの
機能である気密保持、潤滑油調整、熱伝達等の問題が発
生する。
前掲実開昭61−29040号公報に開示されたセラミック
製リングは、複数に分割したセラミック製リングを金属
製リングで拡張力を付与しているが、セラミック製リン
グは自由状態から使用状態にセットされた場合には、従
来と同様に、セラミック製リングには第11図に示すよう
な大きな応力を付与された状態になるから、従来の単体
のセラミック製ピストンリングと同様に強度上の問題点
を有していることは明らかである。
製リングは、複数に分割したセラミック製リングを金属
製リングで拡張力を付与しているが、セラミック製リン
グは自由状態から使用状態にセットされた場合には、従
来と同様に、セラミック製リングには第11図に示すよう
な大きな応力を付与された状態になるから、従来の単体
のセラミック製ピストンリングと同様に強度上の問題点
を有していることは明らかである。
この発明の目的は、上記の課題を解決することであ
り、セラミック材料の特性である圧縮強度が引張強度よ
りも大きいこと、金属材料がセラミック材料よりも強度
上強いこと、セラミック材料が金属材料に比較して摺動
特性及び耐摩耗性に関して優れていることに着眼し、ピ
ストンリングをセラミック製リング部分でシリンダに対
する摺動面を提供し且つ該セラミック製リング部分に使
用時に掛かる応力を無くして強度上の問題を解決し、更
に、金属製リング部分でピストンのリング溝に対して面
圧を受け持つ上下面を提供すると共にシリンダに対する
ピストンリング摺動面を押圧状態に設定する作用を持た
せて、ピストンリングの強度と摺動特性及び耐摩耗性を
向上させると共に、ピストンリングの気密保持、潤滑油
調整、熱伝達等の特性を向上させるピストンリングの製
造方法を提供することである。
り、セラミック材料の特性である圧縮強度が引張強度よ
りも大きいこと、金属材料がセラミック材料よりも強度
上強いこと、セラミック材料が金属材料に比較して摺動
特性及び耐摩耗性に関して優れていることに着眼し、ピ
ストンリングをセラミック製リング部分でシリンダに対
する摺動面を提供し且つ該セラミック製リング部分に使
用時に掛かる応力を無くして強度上の問題を解決し、更
に、金属製リング部分でピストンのリング溝に対して面
圧を受け持つ上下面を提供すると共にシリンダに対する
ピストンリング摺動面を押圧状態に設定する作用を持た
せて、ピストンリングの強度と摺動特性及び耐摩耗性を
向上させると共に、ピストンリングの気密保持、潤滑油
調整、熱伝達等の特性を向上させるピストンリングの製
造方法を提供することである。
この発明は、上記の目的を達成するために、次のよう
に構成されている。即ち、この発明は、自由合い口すき
まを合い口すきまになるまで外径を縮径した使用状態に
維持した金属製リング本体の外周部に、スパッタリング
等の薄膜形成法によってセラミック層を接合したことを
特徴とするピストンリングの製造方法に関する。
に構成されている。即ち、この発明は、自由合い口すき
まを合い口すきまになるまで外径を縮径した使用状態に
維持した金属製リング本体の外周部に、スパッタリング
等の薄膜形成法によってセラミック層を接合したことを
特徴とするピストンリングの製造方法に関する。
また、このピストンリングの製造方法は、前記リング
本体の外周部と前記セラミック層の内周部との境界部分
を内周部から外周部に向かってセラミック材の含有率が
漸次に多くなる構造に製作したものである。
本体の外周部と前記セラミック層の内周部との境界部分
を内周部から外周部に向かってセラミック材の含有率が
漸次に多くなる構造に製作したものである。
この発明によるピストンリングの製造方法は、以上の
ように構成されており、次のように作用する。即ち、こ
のピストンリングの製造方法は、外径を縮径した使用状
態に維持した金属製リング本体の外周部にセラミック層
を接合したので、ピストンリングの自由状態ではセラミ
ック層に大きな応力が付与されているが、使用状態では
セラミック層には応力が掛かっておらず、セラミック材
料の強度上の問題を解決することができる。従って、セ
ラミック層のリング部分でシリンダに対する摺動面を提
供して摺動特性及び耐摩耗性を向上させることができ、
更に、金属製リング部分でピストンのリング溝に対して
面圧を受け持つ上下面を提供すると共にシリンダに対す
るピストンリング摺動面を押圧状態に設定する作用を持
たせてピストンリングの気密保持、潤滑油調整、熱伝達
等の特性を向上させることができる。
ように構成されており、次のように作用する。即ち、こ
のピストンリングの製造方法は、外径を縮径した使用状
態に維持した金属製リング本体の外周部にセラミック層
を接合したので、ピストンリングの自由状態ではセラミ
ック層に大きな応力が付与されているが、使用状態では
セラミック層には応力が掛かっておらず、セラミック材
料の強度上の問題を解決することができる。従って、セ
ラミック層のリング部分でシリンダに対する摺動面を提
供して摺動特性及び耐摩耗性を向上させることができ、
更に、金属製リング部分でピストンのリング溝に対して
面圧を受け持つ上下面を提供すると共にシリンダに対す
るピストンリング摺動面を押圧状態に設定する作用を持
たせてピストンリングの気密保持、潤滑油調整、熱伝達
等の特性を向上させることができる。
また、前記リング本体の外周部と前記セラミック層の
内周部との境界部分を、内周部から外周部に向かってセ
ラミック材の含有量が漸次に多くなった構造に製作した
ので、前記リング本体の外周部と前記セラミック層の内
周部との接合強度を向上できる。
内周部との境界部分を、内周部から外周部に向かってセ
ラミック材の含有量が漸次に多くなった構造に製作した
ので、前記リング本体の外周部と前記セラミック層の内
周部との接合強度を向上できる。
以下、図面を参照して、この発明によるピストンリン
グの製造方法の実施例を詳述する。
グの製造方法の実施例を詳述する。
第１図はこの発明による製造方法によって製作したピ
ストンリングの一例を示す断面図、第３図は第１図のピ
ストンリングの使用状態における平面図、及び第４図は
第１図のピストンリングの自由状態を示す平面図であ
る。
ストンリングの一例を示す断面図、第３図は第１図のピ
ストンリングの使用状態における平面図、及び第４図は
第１図のピストンリングの自由状態を示す平面図であ
る。
この発明によるピストンリングの製造方法は、自由合
い口すきまＬを使用状態の合い口すきまＣになるまで外
径D2を縮径した使用状態に維持した金属製リング本体を
構成する内周リング部分２の外周部に、スパッタリン
グ、化学蒸着（CVD）等の薄膜形成法によってセラミッ
ク層である外周リング部分１を接合したものである。
い口すきまＬを使用状態の合い口すきまＣになるまで外
径D2を縮径した使用状態に維持した金属製リング本体を
構成する内周リング部分２の外周部に、スパッタリン
グ、化学蒸着（CVD）等の薄膜形成法によってセラミッ
ク層である外周リング部分１を接合したものである。
まず、金属製リング本体即ち内周リング部分２に対し
て、第５図に示すように、自由合い口すきまＬを使用状
態の合い口すきまＣになるまで外径D2を縮径した使用状
態を作るため、例えば、第６図に示すような、金属製リ
ング本体の縮径工具を用いる。該縮径工具における上下
の挟持部材11,12によってピストンリングの金属製リン
グ本体である内周リング部分２の上下面8,9を緩く挟持
し、次いで、適当な工具によって内周リング部分２の自
由合い口すきまＬが使用状態の合い口すきまＣになるま
で外径D2を縮径して使用状態の時のサイズを作る。ここ
で、ピストンリングの使用状態とは、該ピストンリング
をピストンのピストンリング溝に嵌入し、該ピストンリ
ングを嵌入したピストンをシリンダ内に挿入装填した状
態をいうものであり、この使用状態でのピストンリング
は、第３図に示すように、呼び径D1、合い口すきまＣと
なる。内周リング部分２を使用状態にまで縮径した状態
で、該内周リング部分２の上下面8,9を上下の挟持部材1
1,12によって不動の状態になるまで、例えば、第６図に
示すように、ボルト14及びナット13によって強固に緊締
する。上記のように、内周リング部分２の使用状態を再
現した状態で、該内周リング部分２の外周部10に、スパ
ッタリング、化学蒸着（CVD）等の薄膜形成法によって
セラミック材料の薄膜を形成するために、使用状態に保
持した状態の該内周リング部分２をスパッタリング、化
学蒸着（CVD）等のセラミック材料の薄膜形成炉に収容
する。該薄膜形成炉において、反応性ガスを用いて内周
リング部分２の外周部10に対してスパッタリング等を行
い、内周リング部分２の外周部10に、例えば、窒化珪素
（Si3N4）等のセラミック層即ち外周リング部分１を密
着状態に接合して形成する。この状態では、内周リング
部分２と外周リング部分１とから成るピストンリング
は、第３図に示すように、使用状態と同一サイズに形成
され、呼び径はD1及び合い口すきまはＣに形成されてい
る。次いで、薄膜形成炉から取り出し、縮径工具におけ
るボルト14、ナット13による上下の挟持部材11,12の緊
締状態を緩めて、縮径工具からピストンリングを取り外
して製造行程を終了する。この状態でのピストンリング
は、第４図に示すように、自由状態であり、呼び径はＤ
及び自由合い口すきまはＬに形成されている。上記のよ
うに、ピストンリングを内周リング部分２と外周リング
部分１とから製作したので、ピストンリングに掛かる応
力については、自由状態では、第８図に示すように、外
周リング部分１のセラミック層に大きく付与されている
が、これに対して、ピストンリングがシリンダ内で過酷
な往復運動を行う使用状態では、第７図に示すように、
外周リング部分１のセラミック層には応力が付与されて
いないので、セラミック層が原因で使用中にピストンリ
ングが折損等を引き起こすことがなく、強度上の問題が
解決される。しかも、ピストンリングがシリンダ壁面に
対して摺動面となるのは、セラミック層から形成されて
いるので、ピストンリングの摺動特性を向上でき、耐摩
耗性を向上できる。しかも、シリンダの壁面に対するピ
ストンリングの接触力は、金属製リング部材の内周リン
グ部分２によって十分に与えられるので、気密保持、潤
滑油調整、熱伝達等の特性を向上させることができる。
て、第５図に示すように、自由合い口すきまＬを使用状
態の合い口すきまＣになるまで外径D2を縮径した使用状
態を作るため、例えば、第６図に示すような、金属製リ
ング本体の縮径工具を用いる。該縮径工具における上下
の挟持部材11,12によってピストンリングの金属製リン
グ本体である内周リング部分２の上下面8,9を緩く挟持
し、次いで、適当な工具によって内周リング部分２の自
由合い口すきまＬが使用状態の合い口すきまＣになるま
で外径D2を縮径して使用状態の時のサイズを作る。ここ
で、ピストンリングの使用状態とは、該ピストンリング
をピストンのピストンリング溝に嵌入し、該ピストンリ
ングを嵌入したピストンをシリンダ内に挿入装填した状
態をいうものであり、この使用状態でのピストンリング
は、第３図に示すように、呼び径D1、合い口すきまＣと
なる。内周リング部分２を使用状態にまで縮径した状態
で、該内周リング部分２の上下面8,9を上下の挟持部材1
1,12によって不動の状態になるまで、例えば、第６図に
示すように、ボルト14及びナット13によって強固に緊締
する。上記のように、内周リング部分２の使用状態を再
現した状態で、該内周リング部分２の外周部10に、スパ
ッタリング、化学蒸着（CVD）等の薄膜形成法によって
セラミック材料の薄膜を形成するために、使用状態に保
持した状態の該内周リング部分２をスパッタリング、化
学蒸着（CVD）等のセラミック材料の薄膜形成炉に収容
する。該薄膜形成炉において、反応性ガスを用いて内周
リング部分２の外周部10に対してスパッタリング等を行
い、内周リング部分２の外周部10に、例えば、窒化珪素
（Si3N4）等のセラミック層即ち外周リング部分１を密
着状態に接合して形成する。この状態では、内周リング
部分２と外周リング部分１とから成るピストンリング
は、第３図に示すように、使用状態と同一サイズに形成
され、呼び径はD1及び合い口すきまはＣに形成されてい
る。次いで、薄膜形成炉から取り出し、縮径工具におけ
るボルト14、ナット13による上下の挟持部材11,12の緊
締状態を緩めて、縮径工具からピストンリングを取り外
して製造行程を終了する。この状態でのピストンリング
は、第４図に示すように、自由状態であり、呼び径はＤ
及び自由合い口すきまはＬに形成されている。上記のよ
うに、ピストンリングを内周リング部分２と外周リング
部分１とから製作したので、ピストンリングに掛かる応
力については、自由状態では、第８図に示すように、外
周リング部分１のセラミック層に大きく付与されている
が、これに対して、ピストンリングがシリンダ内で過酷
な往復運動を行う使用状態では、第７図に示すように、
外周リング部分１のセラミック層には応力が付与されて
いないので、セラミック層が原因で使用中にピストンリ
ングが折損等を引き起こすことがなく、強度上の問題が
解決される。しかも、ピストンリングがシリンダ壁面に
対して摺動面となるのは、セラミック層から形成されて
いるので、ピストンリングの摺動特性を向上でき、耐摩
耗性を向上できる。しかも、シリンダの壁面に対するピ
ストンリングの接触力は、金属製リング部材の内周リン
グ部分２によって十分に与えられるので、気密保持、潤
滑油調整、熱伝達等の特性を向上させることができる。
第１図において、この発明によるピストンリングの製
造方法によって製作したピストンリングが示されてい
る。このピストンリングは、窒化珪素（Si3N4）等のセ
ラミック材料から製作された外周部位に配置された外周
リング部分１と、金属材料から製作された外周部位に配
置された内周リング部分２とから構成され、第４図に示
すように、自由状態では合い口７は自由合い口すきまＬ
を有している。そして、外周リング部分１と内周リング
部分２との境界面４は、互いに密着状態に接合されてい
る。更に、セラミック製の外周リング部分１の厚さT
1は、図では誇張して作図されているが、内周リング部
分２に比較して厚さは極めて薄い薄膜に形成されている
ものである。また、金属製の内周リング部分２の厚さT2
は、厚さが厚く製作され、全体としてピストンリングは
所定の合計の厚さＴに構成される。
造方法によって製作したピストンリングが示されてい
る。このピストンリングは、窒化珪素（Si3N4）等のセ
ラミック材料から製作された外周部位に配置された外周
リング部分１と、金属材料から製作された外周部位に配
置された内周リング部分２とから構成され、第４図に示
すように、自由状態では合い口７は自由合い口すきまＬ
を有している。そして、外周リング部分１と内周リング
部分２との境界面４は、互いに密着状態に接合されてい
る。更に、セラミック製の外周リング部分１の厚さT
1は、図では誇張して作図されているが、内周リング部
分２に比較して厚さは極めて薄い薄膜に形成されている
ものである。また、金属製の内周リング部分２の厚さT2
は、厚さが厚く製作され、全体としてピストンリングは
所定の合計の厚さＴに構成される。
更に、このピストンリングについては、外周リング部
分１の外周面３がシリンダのライナに対して摺動面を提
供するものである。また、内周リング部分２について
は、外周リング部分１の内周部に密着状態に接合され、
ピストンに形成されたピストンリング溝に接触嵌入して
面圧を受ける上下面8,9を形成している。
分１の外周面３がシリンダのライナに対して摺動面を提
供するものである。また、内周リング部分２について
は、外周リング部分１の内周部に密着状態に接合され、
ピストンに形成されたピストンリング溝に接触嵌入して
面圧を受ける上下面8,9を形成している。
このピストンリングは、上記のように、セラミック製
の外周リング部分１と金属製の内周リング部分２から成
る複合構造から上記の製造方法によって構成されている
ので、ピストンリングの自由状態では、例えば、第８図
に示すような応力部分となっているものであり、セラミ
ック層である外周リング部分１には全体として圧縮応力
ｇが付与され、金属製の内周リング部分２の外周部には
セラミック層によって発生する引張応力が且つ内周部に
は圧縮応力が付与される場合もあるが、内周リング部分
２の外周部には小さな内部圧縮応力ｄが且つ内周部には
内部引張応力ｅが付与されている。このピストンリング
について、第３図に示すように、該ピストンリングをピ
ストンのピストンリング溝に嵌め込んでシリンダのライ
ナに挿入した使用状態において、ピストンリングの自由
状態の呼び径Ｄは、自由合い口すきまＬから使用状態の
合い口すきまＣにまで呼び径D1が縮小された状態にな
り、ピストンリングの外周リング部分１の外周面３がシ
リンダのライナ壁面に密接した状態に組み込まれて摺動
面を提供する。また、内周リング部分２の上下面8,9
は、ピストンの往復運動工程時に、面圧力を受け、シー
ル性即ち気密保持の機能を確保する機能を果たしてい
る。そして、ピストンリングの使用状態において、ピス
トンリングの合い口７と反対側の部位に発生する応力分
布は、第７図に示すように、外周リング部分１の外周部
に応力が付与されない状態になり、また、内周リング部
分２の外周部に引張応力ａが且つ内周部に圧縮応力ｂの
ストレスが付与される。従って、従来のピストンリング
15が、第11図に示すように、使用状態で外周部に大きな
引張応力ｈが且つ内周部に大きな圧縮応力ｊが付与され
た状態になり、ピストンリング15をセラミック材料で製
作した場合には強度上の問題が発生するが、この発明に
より製作したピストンリングは、該ピストンリングを構
成するセラミック製の外周リング部分１が、上記のよう
な使用状態で応力を殆ど受けていない状態に構成される
ので、ピストンリングの破壊、折損等の強度上の問題は
発生しない。しかも、セラミック製の外周リング部分１
が、シリンダに対する摺動面を提供するので、摺動特性
を向上させることができる。
の外周リング部分１と金属製の内周リング部分２から成
る複合構造から上記の製造方法によって構成されている
ので、ピストンリングの自由状態では、例えば、第８図
に示すような応力部分となっているものであり、セラミ
ック層である外周リング部分１には全体として圧縮応力
ｇが付与され、金属製の内周リング部分２の外周部には
セラミック層によって発生する引張応力が且つ内周部に
は圧縮応力が付与される場合もあるが、内周リング部分
２の外周部には小さな内部圧縮応力ｄが且つ内周部には
内部引張応力ｅが付与されている。このピストンリング
について、第３図に示すように、該ピストンリングをピ
ストンのピストンリング溝に嵌め込んでシリンダのライ
ナに挿入した使用状態において、ピストンリングの自由
状態の呼び径Ｄは、自由合い口すきまＬから使用状態の
合い口すきまＣにまで呼び径D1が縮小された状態にな
り、ピストンリングの外周リング部分１の外周面３がシ
リンダのライナ壁面に密接した状態に組み込まれて摺動
面を提供する。また、内周リング部分２の上下面8,9
は、ピストンの往復運動工程時に、面圧力を受け、シー
ル性即ち気密保持の機能を確保する機能を果たしてい
る。そして、ピストンリングの使用状態において、ピス
トンリングの合い口７と反対側の部位に発生する応力分
布は、第７図に示すように、外周リング部分１の外周部
に応力が付与されない状態になり、また、内周リング部
分２の外周部に引張応力ａが且つ内周部に圧縮応力ｂの
ストレスが付与される。従って、従来のピストンリング
15が、第11図に示すように、使用状態で外周部に大きな
引張応力ｈが且つ内周部に大きな圧縮応力ｊが付与され
た状態になり、ピストンリング15をセラミック材料で製
作した場合には強度上の問題が発生するが、この発明に
より製作したピストンリングは、該ピストンリングを構
成するセラミック製の外周リング部分１が、上記のよう
な使用状態で応力を殆ど受けていない状態に構成される
ので、ピストンリングの破壊、折損等の強度上の問題は
発生しない。しかも、セラミック製の外周リング部分１
が、シリンダに対する摺動面を提供するので、摺動特性
を向上させることができる。
次に、この発明によるピストンリングの製造方法の別
の実施例について、第２図を参照して説明する。この例
に示すピストンリングは、外周リング部分１と内周リン
グ部分２との境界部４における構造が相違する以外は、
第１図に示した実施例のものと全く構成及び機能は同一
のものであるので、同一の構成及び機能を有する要素に
は同一の符号を付して、それらの説明は省略する。即
ち、金属製リング本体である内周リング部分２の外周部
と、セラミック層である外周リング部分１の内周部との
境界部４は、セラミック層と金属層が混合している状態
であり、該境界部４の内周部５から外周部６に向かって
セラミック材の含有量が漸次に多くなった構造を有して
いるものである。この製造方法において、ピストンリン
グの境界部４に対して、セラミック材料の含有量の相違
した構造を製作するには、例えば、スパッタリングを行
う時に、時間経過に応じて反応性ガスの組成を変化させ
てスパッタリングを行うことによって達成してもよく、
或いは、内周リング部分２の外周部の構造を内周部から
外周部に向かって漸次にポーラスの状態が大きくなるよ
うに構成しておき、該内周リング部分２に対してセラミ
ック材料のスパッタリングを行って達成することもで
き、又は逆にセラミック材料のポーラスな内周部に金属
材が浸入した状態に製作してもよいものである。
の実施例について、第２図を参照して説明する。この例
に示すピストンリングは、外周リング部分１と内周リン
グ部分２との境界部４における構造が相違する以外は、
第１図に示した実施例のものと全く構成及び機能は同一
のものであるので、同一の構成及び機能を有する要素に
は同一の符号を付して、それらの説明は省略する。即
ち、金属製リング本体である内周リング部分２の外周部
と、セラミック層である外周リング部分１の内周部との
境界部４は、セラミック層と金属層が混合している状態
であり、該境界部４の内周部５から外周部６に向かって
セラミック材の含有量が漸次に多くなった構造を有して
いるものである。この製造方法において、ピストンリン
グの境界部４に対して、セラミック材料の含有量の相違
した構造を製作するには、例えば、スパッタリングを行
う時に、時間経過に応じて反応性ガスの組成を変化させ
てスパッタリングを行うことによって達成してもよく、
或いは、内周リング部分２の外周部の構造を内周部から
外周部に向かって漸次にポーラスの状態が大きくなるよ
うに構成しておき、該内周リング部分２に対してセラミ
ック材料のスパッタリングを行って達成することもで
き、又は逆にセラミック材料のポーラスな内周部に金属
材が浸入した状態に製作してもよいものである。
この発明によるピストンリングの製造方法は、以上の
ように構成されているので、次のような効果を有する。
即ち、この発明は、自由合い口すきまを合い口すきまに
なるまで外径を縮径した使用状態に維持した金属製リン
グ本体の外周部に、スパッタリング等の薄膜形成法によ
ってセラミック層を接合したので、完成したピストンリ
ングの自由状態ではセラミック層に大きな圧縮応力が付
与されているが、該セラミック製ピストンリングをピス
トンのピストンリング溝に嵌め込んでシリンダに装着し
た使用状態ではセラミック層には該圧縮応力は解消され
掛かっていない状態になり、セラミック材料に関する強
度上の問題は解決でき、最も強度を必要とする部分即ち
合い口の反対側の部分は十分な強度に耐えることができ
る。従って、セラミック層のリング部分でシリンダに対
する摺動面を提供して摺動特性及び耐摩耗性を向上さ
せ、所定の強度レベルを保障することができ、高い信頼
性のあるピストンリングを提供することができる。更
に、金属製リング部分でピストンのリング溝に対して面
圧を受け持つ上下面を提供すると共にシリンダに対する
ピストンリング摺動面を押圧状態に設定する作用を持た
せてピストンリングの気密保持、潤滑油調整、熱伝達等
の特性を向上させることができる。
ように構成されているので、次のような効果を有する。
即ち、この発明は、自由合い口すきまを合い口すきまに
なるまで外径を縮径した使用状態に維持した金属製リン
グ本体の外周部に、スパッタリング等の薄膜形成法によ
ってセラミック層を接合したので、完成したピストンリ
ングの自由状態ではセラミック層に大きな圧縮応力が付
与されているが、該セラミック製ピストンリングをピス
トンのピストンリング溝に嵌め込んでシリンダに装着し
た使用状態ではセラミック層には該圧縮応力は解消され
掛かっていない状態になり、セラミック材料に関する強
度上の問題は解決でき、最も強度を必要とする部分即ち
合い口の反対側の部分は十分な強度に耐えることができ
る。従って、セラミック層のリング部分でシリンダに対
する摺動面を提供して摺動特性及び耐摩耗性を向上さ
せ、所定の強度レベルを保障することができ、高い信頼
性のあるピストンリングを提供することができる。更
に、金属製リング部分でピストンのリング溝に対して面
圧を受け持つ上下面を提供すると共にシリンダに対する
ピストンリング摺動面を押圧状態に設定する作用を持た
せてピストンリングの気密保持、潤滑油調整、熱伝達等
の特性を向上させることができる。
また、前記リング本体の外周部と前記セラミック層の
内周部との境界部分を、内周部から外周部に向かってセ
ラミック材の含有量が漸次に多くなった構造に構成した
ので、前記リング本体の外周部と前記セラミック層の内
周部との境界部における金属材料とセラミック材料との
接合強度を向上できる。
内周部との境界部分を、内周部から外周部に向かってセ
ラミック材の含有量が漸次に多くなった構造に構成した
ので、前記リング本体の外周部と前記セラミック層の内
周部との境界部における金属材料とセラミック材料との
接合強度を向上できる。
第１図はこの発明によるピストンリングの製造方法によ
って製作したピストンリングの一例を示す断面図、第２
図はこの発明によるピストンリングの製造方法によって
製作したピストンリングの別の例を示す断面図、第３図
はこの発明によるピストンリングの製造方法によって製
作したピストンリングの使用状態を示す平面図、第４図
は第３図のピストンリングの自由状態を示す平面図、第
５図はこの発明によるピストンリングの製造方法におけ
る金属製リング本体の使用状態の形状を示す平面図、第
６図は第５図の使用状態を作るピストンリングの縮径工
具の一例を示す説明図、第７図は第３図のピストンリン
グの合い口の反対側の部分である線Ａ−Ａにおける応力
状態を示す説明図、第８図は第４図のピストンリングの
合い口の反対側の部分である線Ｂ−Ｂにおける応力状態
を示す説明図、第９図は従来の基本的なピストンリング
を示す平面図、第10図は従来の基本的なピストンリング
の応力分布を示す説明図、第11図は第10図の線Ａ−Ａに
おける応力分布を示す説明図、及び第12図は第９図のピ
ストンリングの断面図である。 １……外周リング部分、２……内周リング部分、３……
外周面、４……境界部、５……内周部、６……外周部、
７……合い口、8,9……上下面、10……外周部、Ｂ……
リングの幅、Ｃ……合い口すきま、D,D1……呼び径、D2
……外径、Ｌ……自由合い口すきま、Ｔ……リングの厚
さ。
って製作したピストンリングの一例を示す断面図、第２
図はこの発明によるピストンリングの製造方法によって
製作したピストンリングの別の例を示す断面図、第３図
はこの発明によるピストンリングの製造方法によって製
作したピストンリングの使用状態を示す平面図、第４図
は第３図のピストンリングの自由状態を示す平面図、第
５図はこの発明によるピストンリングの製造方法におけ
る金属製リング本体の使用状態の形状を示す平面図、第
６図は第５図の使用状態を作るピストンリングの縮径工
具の一例を示す説明図、第７図は第３図のピストンリン
グの合い口の反対側の部分である線Ａ−Ａにおける応力
状態を示す説明図、第８図は第４図のピストンリングの
合い口の反対側の部分である線Ｂ−Ｂにおける応力状態
を示す説明図、第９図は従来の基本的なピストンリング
を示す平面図、第10図は従来の基本的なピストンリング
の応力分布を示す説明図、第11図は第10図の線Ａ−Ａに
おける応力分布を示す説明図、及び第12図は第９図のピ
ストンリングの断面図である。 １……外周リング部分、２……内周リング部分、３……
外周面、４……境界部、５……内周部、６……外周部、
７……合い口、8,9……上下面、10……外周部、Ｂ……
リングの幅、Ｃ……合い口すきま、D,D1……呼び径、D2
……外径、Ｌ……自由合い口すきま、Ｔ……リングの厚
さ。
Claims (2)
- 【請求項１】自由合い口すきまを合い口すきまになるま
で外径を縮径した使用状態に維持した金属製リング本体
の外周部に、スパッタリング等の薄膜形成法によってセ
ラミック層を接合したことを特徴とするピストンリング
の製造方法。 - 【請求項２】前記リング本体の外周部と前記セラミック
層の内周部との境界部分を内周部から外周部に向かって
セラミック材の含有率が漸次に多くなる構造に製作した
ことを特徴とする請求項１に記載のピストンリングの製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13267689A JP2636421B2 (ja) | 1989-05-29 | 1989-05-29 | ピストンリングの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13267689A JP2636421B2 (ja) | 1989-05-29 | 1989-05-29 | ピストンリングの製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03954A JPH03954A (ja) | 1991-01-07 |
| JP2636421B2 true JP2636421B2 (ja) | 1997-07-30 |
Family
ID=15086901
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13267689A Expired - Lifetime JP2636421B2 (ja) | 1989-05-29 | 1989-05-29 | ピストンリングの製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2636421B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10256063A1 (de) * | 2002-11-30 | 2004-06-17 | Mahle Gmbh | Verfahren zum Beschichten von Kolbenringen für Verbrennungsmotoren |
-
1989
- 1989-05-29 JP JP13267689A patent/JP2636421B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03954A (ja) | 1991-01-07 |
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