JP2745150B2 - ピストン及びピストンリングアセンブリ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の分野〕 本発明は内燃機関等に使用されるピストンと当該ピス
トンに使用するピストンリングとのアセンブリに関す
る。

〔従来技術の説明〕

現在ピストンリング設計には２つの一般的方策が存在
する。一つの方策においては、シールリングをシリンダ
壁に押付けてシール状態を生じさせるためのばね力を発
生する空間伸長リングが使用される。この形式のリング
は、米国特許第3,608,911号に開示されており、燃焼ガ
スの圧力下でシール作用をなすべく外側に拡張する可撓
性プラスチック支持体を利用している。上記方策におけ
る機械的ばね負荷は連続的なものであり、従って望まし
くない連続的な摩擦損失が生ずる。他の米国特許におい
ては、シール力がシールに負荷されるガス圧力に比例す
るよう構成されているが、損耗、摩擦の増大そしてシー
ル劣化を引起こす摩擦抵抗その他流体力学的な力は考慮
されていない。さらに、伝統的なリングの全ては組み付
けを可能とするために割り型となっており、この割り型
構造はリングによるガス逃出の追加的通路を形成すると
いう問題がある。

〔発明の目的〕

本発明の主たる目的の一つは、シールの改良、磨耗の
低減、使用寿命の延長、及び摩擦の低下を実現すべく、
軸受的様式において流体力学的に作動するピストンリン
グを用いた、ピストン及びピストンリングアセンブリを
提供することにある。

本発明の別の目的は、高温環境及び或いは腐蝕的な化
学的環境において作動するシールを提供することにあ
る。

本発明の別の目的は、リングの割り部分を通してのガ
ス逃出の恐れを除去すべく連続リングとして組み付けし
得るピストンリングを含む、ピストン及びピストンリン
グアセンブリを提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明のピストン及びピストンリングアセンブリに用
いるピストンリングにおいては、シール面部材は可撓性
の支持部材によってピストンから離間される。この支持
部材は、摩擦負荷及び圧力負荷状況下でシール面の後行
縁（ピストンの移動方向についてみて後方側となる縁）
に沿ってシール作用を果たす一方で、摩擦及び磨耗を低
減すべく、流体薄膜を維持する潤滑楔を形成するようシ
ール面部材が移動する。

本発明の第１の態様によれば、シリンダ内で往復運動
可能で且つ少なくとも１つのリング溝を有するピストン
と当該ピストンのためのピストンリングとのアセンブリ
であって、前記ピストンリングは、前記ピストンの周囲
を周方向に延び且つ前記ピストンからは可撓性の支持部
材によって離間されるシール面部材を具備しており、当
該シール面部材は前記ピストンの外径よりも大きな直径
を有する円筒外周面を有しており、前記支持部材は一対
の第１支持部を有しており、各第１支持部は、截頭円錐
の形状をなすとともに、他方の第１支持部に近い方の内
側面と、当該他方の第１支持部に遠い方の外側面とを有
しており、前記ピストンリングの横切り方向断面におい
て、前記外側面は、前記シール面部材に対して角度をな
して延びるとともに、当該外側面の延長線は、前記シー
ル面部材の径方向外方の仮想点において交差しており、
前記各第１支持部は、前記シール面部材の周方向に延び
る両端縁部から軸方向に離間した位置において前記シー
ル面部材に連結されており、前記支持部材は負荷状態下
において前記シール面部材の揺動を可能ならしめ、それ
により前記シール面部材の前記両端縁部の一方をシール
状態にて前記シリンダの対向面へと接近せしめ、それに
よってシールを生じせしめ且つ摩擦低減を可能とするよ
うにした、ピストン及びピストンリングアセンブリが提
供される。

本発明の第２の態様によれば、シリンダ内で往復運動
可能で且つ少なくとも１つのリング溝を有するピストン
と当該ピストンのためのピストンリングとのアセンブリ
であって、前記ピストンリングは、前記ピストンの周囲
を周方向に延び且つ前記ピストンからは可撓性の支持部
材によって離間されるシール面部材を具備しており、当
該シール面部材は、周方向に延び且つ軸方向に相互に離
間された複数の外部掻き取り部を備えるとともに、これ
ら外部掻き取り部の間において前記ピストンの外径より
も大きな直径を有する円筒外周面を有しており、前記支
持部材は、一対の第１支持部を有しており、各第１支持
部は、截頭円錐の形状をなすとともに、他方の第１支持
部に近い方の内側面と、当該他方の第１支持部に遠い方
の外側面とを有しており、前記ピストンリングの横切り
方向断面において、前記外側面は、前記シール面部材に
対して角度をなして延びるとともに、前記外側面の延長
線は、前記外部掻き取り部の径方向最外点に位置する頂
部間を結ぶ延長線上の仮想点において交差し、前記支持
部材は前記ピストンが前記シリンダの対向面に対して相
対移動したときに、過剰回転を防止すべく前記外部掻き
取り部を保持するようにした、ピストン及びピストンリ
ングアセンブリが提供される。

上記いずれの態様においても、ピストンリングは360
゜連続リングとし、前記シール面部材と前記支持部材と
は一体構成とすることができる。

本発明の好適な実施例においては、前記支持部材は、
前記各第１支持部の径方向の内端から延びる折り曲げ状
の第２支持部をさらに備えている。また、前記支持部材
は、前記シール面部材の両端縁部に押圧荷重をかけたと
きに、当該支持部材の内径が増大するように構成されて
おり、これにより連続状のピストンリングを都合よく組
み立てることができる。

また、本発明のピストン及びピストンリングアセンブ
リにおいては、前記ピストンリングを前記ピストンのリ
ング溝に受容するようにしてもよい。さらに、本発明
は、前記ピストンリングを前記ピストンのリング溝に受
容させる組み立て方法であって、前記シール面部材の両
端縁部に押圧荷重をかけることにより、前記支持部材の
内径を増大させることよりなるピストンリングのピスト
ンへの組み立て方法をも提供する。

以下、本発明の具体的実施例を添付図面を参照しなが
ら説明する。

〔実施例の説明〕 第１図において、内燃機関その他で使用される形式の
ピストン10が例示される。ピストン10は複数の円周方向
に延びるリング溝12、13及び14を具備する。これらの各
リング溝は、そこから外方に突出しピストン及び該ピス
トンが受容されるシリンダ間のシールを提供するピスト
ンリングを受容する。ピストンリングはリング16及び17
の如き圧縮形式のものでも、或いはリング18のようにオ
イル制御リングであってもよい。

第２図には、本発明に従うピストンリングの改良構造
が示される。該ピストンリングはリング溝12の如き溝に
受容され、参照番号20で示される平坦な円筒形状のシー
ル面部材を具備する。シール面部材20は支持部材によっ
て支持される。同図においては、当該支持部材は、円周
方向に延びる一対の第１支持部22及び24から成る。第2A
図の斜視図に示されるように、第１支持部22及び24の各
々は、截頭円錐（中空）の側面を成すように構成されて
いる。同図から明らかなように、各第１支持部は、他方
の第１支持部に相対的に近い内側面と、相対的に遠い外
側面とを有している。これら第１支持部の各外側面を径
方向に切断すると、その切り口の形状は直線となってい
る（図２参照）。各第１支持部は、その外側面がシール
面部材20に対しある角度を成すように当該シール面部材
に接続している。したがって、上記直線状の切り口を径
方向外側に延長した延長線は、図２の破線で示すよう
に、ピストンリングのシール面部材20の径方向外方の仮
想点25で交差する。

以上の構造のピストンリングにおいて、シール面部材
20は、移動に際しピストン10が矢印30で示されるように
上昇するに従い、参照番号28の仮想線で示されるよう
に、その後行縁がシリンダ壁に向って径方向外方に移動
するように変形する。その理由は、矢印30方向のピスト
ン運動による引きずり作用のために、支持部22について
はより大きな傾斜となるよう変位する一方、支持部24に
ついてはより小さな傾斜となるように変位し、両支持部
22、24に連結されたシール面部材20について交差点25を
中心とするモーメントが生じるからである。この結果、
シール面部材20及びシリンダ壁間にオイル薄膜の楔が形
成される。また、ピストン下降の際にはその逆の状態が
生じる。仮想線で例示される変形の度合は、その原理を
例示するために誇張されたものであり、シール面部材の
引きずりの移動量が0.025mm（0.001in）以上ではない限
り、図示された変形の度合いは実際の変形の度合いを表
すものと理解してはならない。

第３図には、円周方向に延びる支持部が、円筒形状の
シール面部材への効果的な予備負荷を可能とするべく僅
かに異なる様式で形成されたピストンリングが例示され
る。ピストンリングのシール面部材32には第１支持部34
及び36が連結されている。これら第１支持部の径方向の
内端からは曲がり状の第２支持部が延びている。図３の
径方向断面図から明らかなように、当該第２支持部は、
前記第１支持部の径方向内端からピストンの軸方向に延
びる第１部分と、当該第１部分から径方向に延びる第２
部分とを有している。このピストンリングの場合も、前
記第１支持部の各々は、他方の第１支持部に相対的に近
い内側面と、相対的に遠い外側面とを有している。各外
側面は、その半径方向延長線がピストンリングのシール
面部材32の径方向外方の仮想点35で交差するように傾斜
している。事実上、ピストンリングの円筒形のシール面
部材は、先に言及された具体例の場合と同様に変形し、
潤滑オイルからなる流体力学的楔を形成する。

第４図には、第３図に示されるピストンリングの変形
例が示される。この変形例ではシール面部材32aは、そ
の各両端縁部において該シール面部材32aの円周方向に
沿って延びる掻き取り部42及び44を具備している。これ
ら掻き取り部42及び44は軸方向に離間している。各掻き
取り部は、ピストンの径方向外向きに突出する形状であ
り、径方向の最外点を頂点とする。これら頂点を結ぶも
のとして慴動面49が定義される。シール面部材32aを支
持する支持部45及び46のシリンダ軸方向の外側面に対す
る仮想延長線は、前記摺動面49において交差する。これ
によりシール面部材32aの過剰回転を排除し且つ両掻き
取り面での接触を保証する。この場合の支持部材も、シ
ール面部材32a及び掻き取り部42、44への予備負荷を可
能とすべく、先の例に示されるような折り曲げ状の第２
支持部47、48を具備している。また、オイルシールリン
グとして使用するよう設計された特定構造のピストンリ
ングである場合、ピストンの凹所14内へのオイルの流入
を可能とするオイルダクト50及びシール面部材32aを貫
いてオイルを両掻き取り部42、44に供給することを可能
とする更に別のダクト51を設けてもよい。

第５図は、ピストンリングを組み付ける際の負荷方向
及び変形状態を例示する。組み付けに際し、ピストンリ
ングにおけるシール面部材の上下の両端縁部に、２つの
矢印によって示される方向から圧縮負荷が加えられる。
これにより、支持部材が変形して、その内径が増大す
る。尚、以上は好ましい実施例における変形状態を説明
したが、組み付けに際しての内径増加を図るために種々
の負荷方法及び支持構造設計を採用し得る。また、実際
の変形量は１ないし2mm程度の比較的小さいものであ
る。さらに、リング溝の深さは、現在の技術水準におい
て使用されるそれよりも浅いものである。

ここに記載されたピストンリングは、例えば鋼、ポリ
イミド或いはp.t.f.e.系列の高温プラスチックの如き種
々の材料或いはセラミックから作成し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、シリンダに受容された、多数のピストンリン
グを具備する標準的なピストンの断面図である。 第２図は、本発明のピストンリングの部分拡大断面図で
あり、ピストンリングが非変形状態にある場合と変形状
態にある場合の双方を示す。 第2A図は、第２図に示されるピストンリングを一部切除
した状態で示す斜視図である。 第３図は、本発明のピストンリングの部分拡大断面図で
あり、シール面部材への予備負荷を可能とする支持構造
を示す。 第４図は、本発明に従って作成されたオイル制御リング
の部分拡大断面図である。 第５図は、組み付けを行うための圧縮力を加える方向が
矢印で示される、本発明のピストンリングの部分拡大断
面図である。 10:ピストン 12、13、14:リング溝 16、17、18:ピストンリング 20、32、32a:シール面部材 22、24、34、36、45、46:第１支持部 25、35:交点 37、38、47、48:第２支持部 49:摺動面 50:オイルダクト

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダ内で往復運動可能で且つ少なくと
   も１つのリング溝を有するピストンと当該ピストンのた
   めのピストンリングとのアセンブリであって、前記ピス
   トンリングは、前記ピストンの周囲を周方向に延び且つ
   前記ピストンからは可撓性の支持部材によって離間され
   るシール面部材を具備しており、当該シール面部材は前
   記ピストンの外径よりも大きな直径を有する円筒外周面
   を有しており、前記支持部材は一対の第１支持部を有し
   ており、各第１支持部は、截頭円錐の形状をなすととも
   に、他方の第１支持部に近い方の内側面と、当該他方の
   第１支持部に遠い方の外側面とを有しており、前記ピス
   トンリングの横切り方向断面において、前記外側面は、
   前記シール面部材に対して角度をなして延びるととも
   に、当該外側面の延長線は、前記シール面部材の径方向
   外方の仮想点において交差しており、前記各第１支持部
   は、前記シール面部材の周方向に延びる両端縁部から軸
   方向に離間した位置において前記シール面部材に連結さ
   れており、前記支持部材は負荷状態下において前記シー
   ル面部材の揺動を可能ならしめ、それにより前記シール
   面部材の前記両端縁部の一方をシール状態にて前記シリ
   ンダの対向面へと接近せしめ、それによってシールを生
   じせしめ且つ摩擦低減を可能とするようにした、ピスト
   ン及びピストンリングアセンブリ。
2. 【請求項２】シリンダ内で往復運動可能で且つ少なくと
   も１つのリング溝を有するピストンと当該ピストンのた
   めのピストンリングとのアセンブリであって、前記ピス
   トンリングは、前記ピストンの周囲を周方向に延び且つ
   前記ピストンからは可撓性の支持部材によって離間され
   るシール面部材を具備しており、当該シール面部材は、
   周方向に延び且つ軸方向に相互に離間された複数の外部
   掻き取り部を備えるとともに、これら外部掻き取り部の
   間において前記ピストンの外径よりも大きな直径を有す
   る円筒外周面を有しており、前記支持部材は、一対の第
   １支持部を有しており、各第１支持部は、截頭円錐の形
   状をなすとともに、他方の第１支持部に近い方の内側面
   と、当該他方の第１支持部に遠い方の外側面とを有して
   おり、前記ピストンリングの横切り方向断面において、
   前記外側面は、前記シール面部材に対して角度をなして
   延びるとともに、前記外側面の延長線は、前記外部掻き
   取り部の径方向最外点に位置する頂部間を結ぶ延長線上
   の仮想点において交差し、前記支持部材は前記ピストン
   が前記シリンダの対向面に対して相対移動したときに、
   過剰回転を防止すべく前記外部掻き取り部を保持するよ
   うにした、ピストン及びピストンリングアセンブリ。
3. 【請求項３】ピストンリングは360゜連続リングであ
   る、特許請求の範囲第１項又は第２項に記載のピストン
   及びピストンリングアセンブリ。
4. 【請求項４】前記シール面部材と前記支持部材とは一体
   である、特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか
   １つに記載のピストン及びピストンリングアセンブリ。
5. 【請求項５】前記支持部材は、前記各第１支持部の径方
   向の内端から延びる第２支持部をさらに備えており、当
   該第２支持部は前記第１支持部から軸方向に延びる第１
   部分と、当該第１部分から径方向に延びる第２部分とを
   有している、特許請求の範囲第１項ないし第４項のいず
   れか１つに記載のピストン及びピストンリングアセンブ
   リ。
6. 【請求項６】前記ピストンリングが前記ピストンのリン
   グ溝に受容されている、特許請求の範囲第１項ないし第
   ５項のいずれか１つに記載のピストン及びピストンリン
   グアセンブリ。
7. 【請求項７】特許請求の範囲第１項ないし第６項のいず
   れか１つに記載のピストン及びピストンリングアセンブ
   リにおけるピストンリングを前記ピストンのリング溝に
   受容させる組み立て方法であって、前記シール面部材の
   両端縁部に押圧荷重をかけることにより、前記支持部材
   の内径を増大させる、ピストンリングのピストンへの組
   み立て方法。