JP4064504B2

JP4064504B2 - 組合せオイルリング

Info

Publication number: JP4064504B2
Application number: JP27794697A
Authority: JP
Inventors: 健治氷見山; 正彦和田
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2017-09-26
Also published as: JPH11101344A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のシリンダー内を往復動するピストンに装着される組合せオイルリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピストンに装着される組合せオイルリングは、一般には、周方向にかつ軸線方向に山と谷とを連続させた波形のスペーサエキスパンダ即ちエキスパンダ、或いは、周方向にかつ径方向に山と谷とを連続させたエキスパンダと、該エキスパンダの上下面に配された二枚のサイドレールとからなり、サイドレールの内周面はエキスパンダの耳部に当接しかつサイドレールの外周面がシリンダー内周面に適正な面圧の下で摺接する構成となっている。この組合せオイルリングは、エキスパンダの幅寸法が大であることから、ピストンの全長を短くし、ピストンを軽量化するとともにエンジンの高出力化を図るという目的に合致しない。
【０００３】
そこで、サイドレールの数を一枚とし、エキスパンダの下面を直接ピストンリング溝に接触させる組合せオイルリングが提案される。
その例を図３と図４に示す。ピストン１３のリング溝１８に装着される組合せオイルリングのエキスパンダ１はその内周側の上部に耳部６と、その外周側の上部に突起部としての座７と、リング溝１８の下壁面１７に接する下面８を有す。サイドレール２の内周面は耳部６の傾斜面５に接し、その外周面１２がシリンダー１４の内周面１５に面圧Ｐの下で摺接し、サイドレール２の下面９が座７に着座する。傾斜面５は法線４に対し角度α傾いている。
【０００４】
図３はオイルリングの幅寸法、ｈ１を薄くするため、エキスパンダが一枚でサイドレールが一枚にした組合せオイルリングを、シリンダー１４内のピストンのリング溝１８に装着させたもので、サイドレール２がシリンダーの内周面１２に面圧Ｐを作用することにより、エキスパンダ１の耳部６のサイドレール２との接点ｑに反力Ｆｈと分力Ｆｖが、エキスパンダ１の下面の外周ｖにＦｎなる力が生じて、エキスパンダ１の下面の内周ｓにＦｗなる力が生じている状態を示している。
【０００５】
図４は図３のエキスパンダ１の関係だけを取り出したもので、ここでのＬａはエキスパンダ１の下面の内周ｓとエキスパンダ１の耳部６のサイドレール２との接点ｑとの半径方向の距離、Ｌｂはエキスパンダの下面の内周ｓとエキスパンダ１の耳部６のサイドレール２との接点ｑとの径方向の距離、Ｌはエキスパンダの厚さ寸法である。
エキスパンダの下面の内周ｓまわりのモーメントのつりあいから次の式が成り立つ。
Ｆｖ・Ｌｂ−Ｆｈ・Ｌａ−Ｆｎ・Ｌ＝０ ……………………… １）
エキスパンダの下面の外周ｖまわりのモーメントのつりあいから次の式が成り立つ。
Ｆｖ（Ｌ−Ｌｂ）＋Ｆｈ・Ｌａ−Ｆｗ・Ｌ＝０ ……………… ２）
１）式より、エキスパンダの下面の外周ｖのＦｎなる力は
Ｆｎ＝（Ｆｖ・Ｌｂ−Ｆｈ・Ｌａ）／Ｌ ……………………… ３）
２）式より、エキスパンダの下面の内周ｓのＦｗなる力は
Ｆｗ＝（Ｆｖ（Ｌ−Ｌｂ）＋Ｆｈ・Ｌａ）／Ｌ ……………… ４）
である。
ここでのエキスパンダの下面の内周ｓのＦｗなる力は常に正であるが、一般的な組合せオイルリングでは耳角度αが４５度より小さいので
Ｆｖ＜Ｆｈ ………………………………………………………… ５）
であるため
Ｆｖ・Ｌｂ＜Ｆｈ・Ｌａ ………………………………………… ６）
となるので、エキスパンダの下面の外周ｖのＦｎ力は負になる。エキスパンダの下面の外周ｖのＦｎなる力とエキスパンダの下面の内周ｓのＦｗなる力の符号が異なるため、モーメントのつりあいがなくなり、エキスパンダ１はエキスパンダ１の下面の内周ｓを基点として回転し、回転モーメントＭを生ずる。
この回転モーメントの大きさは以下である。
Ｍ＝Ｆｖ・Ｌａ−Ｆｈ・Ｌｂ …………………………………… ７）
また、回転モーメントＭにより、エキスパンダ１の上面の外周ｕでサイドレール２の下面９に過大なＦｎ′なる力を作用する。
エキスパンダ１の下面の内周ｓのＦｗなる力の大きさは
Ｆｗ＝Ｆｖ＋Ｆｎ′ ……………………………………………… ８）
であり、Ｆｎ′の増加とともに過大となる。
【０００６】
このため、エキスパンダの下面の内周ｓのＦｗなる力はピストンのリング溝下面１５に作用するので、サイドレール２はピストンのリング溝上面１６とエキスパンダの上面の外周の突起部７との間で拘束された状態となる。
このような状況下なので、実機においては、ピストンは往復運動とともに首振り運動もするが、ピストンリングが外周のシール性を確保しオイルコントロールを機能するには、ピストンのリング溝１３内ではピストンリングは半径方向に滑らかに動けなければならないが、エキスパンダ１とサイドレール２との半径方向の動きが阻害されるので、サイドレール外周１２がシリンダー壁１５に追従しにくくなり、オイルコントロールができなくなるとともに、エキスパンダの下面の内周ｓのＦｗなる力によって、ピストンのリング溝下面１７に著しい摩耗が生ずるとともに、オイル消費が増加してしまう。
また、エキスパンダの幅寸法が薄くなり、ピストンのリング溝１８内でエキスパンダ１がねじれやすくなったので、図１０のようにサイドレール２をエキスパンダの下面８とピストンのリング溝下面１７との間に、誤って装着しやすくなってしまった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述した従来技術の不具合を解消させることを解決すべき課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述した課題を解決するため、基本的には、エキスパンダの成形時にエキスパンダに前もってねじれを与えておく手段を採用する。即ち、自由状態時、本発明によるエキスパンダの底面はリング溝壁面に対して傾斜面となっているのに、従来のエキスパンダはリング溝壁面に対して平行となっている点に、本発明の特徴がある。
【０００９】
具体的には、本発明は、環状にして合い口を有する一枚のサイドレールと、ピストンのリング溝内に装着されかつその上下面の一方の内周側に傾斜した面を有する耳部とその外周側に座を有するエキスパンダとを備え、サイドレールの内周面を耳部の傾斜面に当接させかつサイドレールの外周面をピストンが装着されるシリンダーの内周面に摺接自在とさせ、サイドレールの平坦面を座に着座自在とさせ、エキスパンダの上下面の他方の面がピストンのリング溝に接する組合せリングであって、合い口を閉じた自由状態のエキスパンダがその外周側の下縁を基点として内周側の下縁が浮上るように設定されたねじれを有し、該浮上り量がサイドレールの幅寸法を越えない組合せオイルリングを提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１に示すように、エキスパンダ１に対し、合い口を閉じエキスパンダ１を水平盤上に置いたとき、エキスパンダ１の外周側下縁のＶ点が水平盤上に着座し、エキスパンダ１の下面８が水平盤に対し−β０のねじれ角を作るようねじれがエキスパンダ１に予め付与されている。エキスパンダ１のその他の構成やサイドレール２の構成は図３の例と同じなので、その説明を省略する。
【００１１】
図１に示す如く、ねじれ角−β０だけねじれた形状を持つエキスパンダ１を用いた組合せオイルリングをシリンダー１４内のピストンのリング溝１８に装着させ、サイドレール２がシリンダー１４の内周面１５に任意の面圧Ｐを作用させた場合においては、エキスパンダ１の耳部６のサイドレール２との接点ｑに反力Ｆｈと分力Ｆｖが生じて、モーメントのつりあいから、エキスパンダの下面の外周ｖを基点として、回転モーメントＭ′が作用するが、あらかじめ、エキスパンダ１にねじれ角−β０が持たせてあるので、ピストン溝に装着した時点でエキスパンダ１には回転モーメント−Ｍ０が生じており、これと相殺され、生ずる回転モーメントＭ′は零となり、エキスパンダの上面の外周ｕに作用する力、つまりサイドレールに作用する力はＦｎ０′零となり、またエキスパンダの下面の内周ｓにＦｗ０なる力が作用する。

また、エキスパンダの下面の内周ｓのＦｗ０なる力は
Ｆｗ０＝Ｆｈ０ …………………………………………………… １０）
と小さくすることができる。
オイルリングの幅寸法、ｈ１を薄くするため、エキスパンダが一枚でサイドレールが一枚にした組合せオイルリングのをシリンダー１４内のピストンのリング溝１８に装着させ、サイドレール２がシリンダー壁１５に任意の面圧Ｐ０を作用することより得られる回転モーメント−Ｍ０によるねじれ角−β０を持つエキスパンダ１を、任意の面圧Ｐ０よりさらに大きい所定の面圧Ｐをシリンダー壁に作用させた場合において、エキスパンダの耳部のサイドレールとの接点ｑに反力Ｆｈと分力Ｆｖが作用し、エキスパンダの下面の外周ｖを基点として、回転モーメントＭ０の大きさにつりあうまで回転モーメントＭを作用させるが、その後、エキスパンダの下面の内周ｓにＦｗなる力が生じて、エキスパンダの下面の内周ｓを基点として、エキスパンダ１がねじられ、エキスパンダの上面の外周の突起部ｕにおいて、サイドレールの下面の外周にＦｎ′なる力を作用し、つりあい状態になる。この状態を図２に示す。
【００１２】
ここでの、モーメントのつりあい関係から以下の式が成り立つ。
エキスパンダの下面の内周ｓまわりのモーメントのつりあいから
Ｆｖ・Ｌｂ−Ｆｈ・Ｌａ−Ｆｎ′・Ｌ−Ｍ０＝０ …………… １１）
エキスパンダの下面の外周ｖまわりのモーメントのつりあいから
Ｆｖ（Ｌ−Ｌｂ）＋Ｆｈ・Ｌａ＋Ｆｗ・Ｌ−Ｍ０＝０ ……… １２）
エキスパンダの下面の外周ｖのＦｎ′なる力つまりサイドレールに作用する力は
Ｆｎ′＝（（Ｆｖ−Ｆｖ０）・Ｌｂ−（Ｆｈ−Ｆｈ０）・Ｌａ）／Ｌ ……………………………… １３）
エキスパンダの下面の内周ｓのＦｗなる力は
ＦＷ＝（（Ｆｖ−Ｆｖ０）（Ｌ−Ｌｂ）＋（Ｆｈ−Ｆｈ０）・Ｌａ）／Ｌ ………………………… １４）
このように、任意の面圧Ｐ０を設定により、ねじれ角−β０をエキスパンダ１に付すことにより、所定の面圧Ｐになるとき、エキスパンダの上面の外周の突起部ｕにおいて、サイドレールの下面の外周に作用するＦｎ′なる力と、エキスパンダの下面の内周ｓにおいて、ピストン溝下面１７に作用する力Ｆｗなる力の大きさを任意に定めることができる。
【００１３】
オイルリングの幅寸法、ｈ１を薄くするため、エキスパンダが一枚でサイドレールが一枚にした組合せオイルリングをシリンダー内１４のピストンのリング溝１８にサイドレール２とエキスパンダ１を組合せ装着し、サイドレールの外周１２がシリンダー壁１５に面圧Ｐを作用することにより、エキスパンダ１の耳部６のサイドレール２との接点ｑに反力Ｆｈと分力Ｆｖが作用するが、あらかじめ、エキスパンダ１にねじれ角−β０が持たせてあるので、ピストン溝１８に装着した時点でエキスパンダ１には回転モーメント−Ｍ０が生じている。これにより、回転モーメントＭがエキスパンダ１はエキスパンダの下面の外周ｖを基点として作用し、エキスパンダの下面の外周ｖでピストン溝下面１７にＦｎなる力を作用させるが、回転モーメントＭの大きさが回転モーメント−Ｍ０の大きさと同じくなった後、エキスパンダの下面の内周ｓにＦｗなる力が生じて、エキスパンダの下面の内周ｓを基点として、回転モーメントがＭ−Ｍ０の大きさで作用し、エキスパンダ１がねじられ、エキスパンダの下面の外周ｖのＦｎなる力はなくなり、エキスパンダの上面の外周の突起部ｕのＦｎ′なる力がサイドレールの下面の外周に作用し、エキスパンダの下面の内周ｓのＦｗなる力がピストンのリング溝下面１７に作用するが、ここでのエキスパンダ上面の外周ｕのＦｎ′なる力は１３）式よって、エキスパンダの下面の内周ｓのＦｗなる力は１４）式よって定めることができるので、サイドレールに作用するＦｎ′なる力や、ピストン溝下面１７のＦｗなる力の大きさを、任意の面圧Ｐ０の設定により、ねじれ角−β０をエキスパンダ１に付すことによって決めることができる。
【００１４】
【実施例】
リングの寸法を以下の通りとする。
リング呼び径８０mm
リング幅寸法ｈ１＝１.２mm
Ｌａ＝１.１５４mm
Ｌｂ＝０.５mm
Ｌ＝２.２mm
耳角度α＝１５°
面圧Ｐ＝１０kg／cm²
任意の面圧Ｐ０＝４kg／cm²
ねじれ角−β０＝１０°
力の大きさは次の通りである。
反力Ｆｈ＝１１.３kg
分力Ｆｖ＝３.０３kg
Ｆｎ′＝０.９７kg
Ｆｗ＝４.００kg
【００１５】
従来品の場合を比較例として次に示す。
任意の面圧Ｐ０＝０
ねじれ角−β０＝０°
その他の寸法は前述の例と同じである。
反力Ｆｈ＝１１.３kg
分力Ｆｖ＝３.０３kg
Ｆｎ′＝３.６４kg
Ｆｗ＝６.６７kg
本発明の実施品と比較例との対比から、Ｆｎ′ならびにＦｗにおいて著しい改善が見られた。
【００１６】
【発明の効果】
このように、任意の面圧Ｐ０を設定により、ねじれ角−β０をエキスパンダ１に付してやり、所定の面圧Ｐのときにエキスパンダの下面の外周ｖのＦｎ′なる力つまりサイドレールに作用する力やエキスパンダの下面の内周ｓのＦｗなる力を小さくすることができるので、サイドレール２はピストンのリング溝上面１６とエキスパンダの上面の外周の突起部７との間での拘束された状態はなくなり、実機においての首振り運動に対しても、ピストンのリング溝１３内でのエキスパンダ１とサイドレール２との半径方向の動きが良くなり、サイドレール外周１２がシリンダー壁１５に追従し、ピストンのリング溝内のサイドレールの挙動が安定し、オイルコントロールが従来のものと同等のオイルコントロール機能ができた。またシリンダー壁への摩擦力が低減し、ピストンの軽量化もはかられたので、往復動内燃機関の高出力化の対応ができた。
ここでの、エキスパンダのねじれ角−β０によってピストン溝にエキスパンダを積み込んだ後、サイドレールを組み込むときに生ずる誤組みがなくなり、装着性の改善が果たせた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の組合せリングに用いられるエキスパンダの自由状態時の断面図である。
【図２】ピストンのリング溝に装着された組合せオイルリングの断面図である。
【図３】従来例の断面図である。
【図４】従来例の力の分布を示す図である。
【符号の説明】
１エキスパンダ
２サイドレール
６耳部
７座
−β０ねじれ角

Claims

環状で合い口を有する一枚のサイドレールと、内周側上面に突出した突起部で、外周側に傾斜面を有する耳部と外周側上面に突出した座を有し、下面がピストンのリング溝に接して装着されるエキスパンダを備え、サイドレールの内周面がエキスパンダの耳部の傾斜面に当接し、サイドレールの平坦面がエキスパンダの座に着座し、サイドレールの外周面がシリンダーの内周面に摺接する組合せオイルリングであって、エキスパンダが合い口を閉じた自由状態で、外周側の下縁を基点として内周側の下縁が浮き上るねじれを有し、浮き上り時のエキスパンダの外周側の下縁と内周側の下縁との間の軸方向寸法である浮上り量がサイドレールの軸方向寸法を超えず、サイドレールがシリンダーの内周面に接したときの面圧Ｐとエキスパンダのねじれにより、エキスパンダの内周下縁に力Ｆｗが作用し、かつエキスパンダの座に力Ｆｎ′が作用するようエキスパンダのねじれ角が設定されたことを特徴とする組合せオイルリング。
環状で合い口を有する一枚のサイドレールと、内周側上面に突出した突起部で、外周側に傾斜面を有する耳部と外周側上面に突出した座を有し、下面がピストンのリング溝に接して装着されるエキスパンダを備え、サイドレールの内周面がエキスパンダの耳部の傾斜面に当接し、サイドレールの平坦面がエキスパンダの座に着座し、サイドレールの外周面がシリンダーの内周面に摺接する組合せオイルリングであって、エキスパンダが合い口を閉じた自由状態で、外周側の下縁を基点として内周側の下縁が浮き上るねじれを有し、浮き上り時のエキスパンダの外周側の下縁と内周側の下縁との間の軸方向寸法である浮上り量がサイドレールの軸方向寸法を超えず、エキスパンダの外周側下縁に作用する力Ｆｎをエキスパンダの内周下縁を基点とする回転モーメントにより消失させることを特徴とする組合せオイルリング。