JP4132815B2 - サイドレール及び組合せオイルリング - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サイドレール、特にスペーサエキスパンダと共にオイルリングを構成し、優れたオイルコントロール機能を発揮するサイドレール及びこのサイドレールを使用した組合せオイルリングに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ピストンのリング溝に嵌装され内燃機関のシリンダ内の潤滑油を制御するオイルリングは、スペーサエキスパンダと、スペーサエキスパンダに取り付けられる１枚又は一対のサイドレールとから成る組合せオイルリングが主流となっている。内燃機関の作動中、組合せオイルリングのスペーサエキスパンダの弾性によりサイドレールはリング溝の側面又はシリンダ内周曲面に押圧され保持され、ピストンの上下動と共にシリンダ内を移動し、その際に、サイドレールの外周摺動面はシリンダ内壁に対して摺接される。この結果、サイドレールの外周摺動面は、シリンダの内周壁に潤滑油膜を形成する働きを行うと共に、燃焼室側への潤滑油の油上がりを防止し、シリンダ内周壁に付着した余分な潤滑油をクランク室側に掻き落とす働きもある。
【０００３】
最近では、ピストンリングとシリンダ内壁との摩擦力を低減して、内燃機関の燃料消費率を低減することが要求され、ピストンに設けられた複数のリング溝の内最上部に取り付けられるトップリング又は２番目のリング溝に取り付けられるセカンドリングに比べて、更に下方に設けられるリング溝に装着されるオイルリングは、シリンダ内壁への押圧力、即ち張力が高く設定されるが、燃料消費率低減の要求から、コイルエキスパンダの張力を低く設定するようになった。コイルエキスパンダの張力を低下させることはピストンの軽快な往復運動に好ましい反面、シリンダ壁に対するサイドレールの外周摺動面の追従性が悪化して、潤滑油の消費量が増大する難点がある。そのため、今日では、コイルエキスパンダを低張力に設定しつつ、サイドレールの高シリンダ壁追従性を確保するために、オイルリングのリング幅又はレール幅をより減少する傾向にある。
【０００４】
例えば、特開平６−２７２７６３号公報には、高合金の平線を割れの発生なく、効率的に得られる平線の製造方法及びオイルリング用サイドレールが開示されている。この平線の製造方法では、円形断面のまま冷間又は温間で引抜きによって所定寸法の円形断面の線材に加工した後、冷間又は温間圧延にて厚さ１mm以下の平線が成型され、通常リング形状にした場合に内外周摺動面に相当する面がバレル形状（凸曲面）の平線のスチール材が素材として用いられ、これをほぼ真円形状に巻き、切断してサイドレール素材に加工されるので、外周摺動面及び内周曲面はバレル形状に形成される。また、摺動面に潤滑油膜を形成するには、サイドレールの外周摺動面はバレル形状が有利であるとの考えから、表面改質を行い摺動性能が向上しても、図７に示すように、サイドレールの外周摺動面全面をバレル形状(30)に仕上げていた。バレル形状(30)はサイドレールを圧延成形する際に外周摺動面及び内周曲面が半径方向に膨出して形成されるものである。
【０００５】
また、特開２０００−３２０６７２公報は、シリンダ内壁面の変形による凹凸に対して十分に追従して良好なシール性を保持する薄幅低張力の３ピース型組合せオイルリングが示されている。この組合せオイルリングは、スペーサエキスパンダと、スペーサエキスパンダを上下から挟むように配した２枚のサイドレールからなり、上側及び下側サイドレールの外周端部の先端間軸方向距離をサイドレールの中心間軸方向距離よりも小さくして、上側及び下側サイドレールのシリンダ内壁面への追従性を向上する意図にあるが、実用的な効果をあげていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
動作の際に、シリンダの内周壁に対するサイドレールの外周摺動面の摩擦力はピストンの移動方向とは反対方向に作用するため、ピストンの上昇行程では、組合せオイルリングは、リング溝内でクランク室側に移動する。このとき、下側サイドレールは、リング溝の下部側面にほぼ平行に当接し、サイドレールの上下方向の中央部でシリンダ壁と摺動面する一方、上側サイドレールはリング溝の幅とオイルリングの当初設定されたクリアランス及びスペーサエキスパンダの変形等によりクランク室側に傾斜し、上側サイドレールの外周摺動面の摺動部はサイドレールの上下方向の中央部よりも上側部分がシリンダ内壁と摺接する。逆に、ピストンの下降行程では、オイルリングは、リング溝内で燃焼室側に移動し、その結果、上側サイドレールはリング溝の上部側面にほぼ平行に当接して、サイドレールの上下方向の中央部でシリンダ壁と摺動する一方、下側サイドレールでは、サイドレールの外周摺動面の中央部よりも下側部分がシリンダ内壁と摺接する。
【０００７】
しかしながら、圧延によって形成される従来のサイドレールは、外周摺動面及び内周曲面が圧延によってそれぞれ径方向外側及び内側に膨出する湾曲面として形成されるため、外周摺動面は、図７に示すように、圧延による湾曲面によってほぼ一定の曲率半径で全面バレル形状(30)に形成される。従って、ピストンの上昇行程又は下降行程に関係なく、ほぼ一定の曲率半径で形成された外周摺動面でシリンダ内壁に摺動接触するため、サイドレールの外周摺動面とシリンダの内壁との間に適当な厚さの油膜を形成することができず、また外周摺動面によって十分な量の潤滑油を掻き上げ又は掻き下げることができなかった。特に、オイルリングを低張力に設定し、シリンダの内壁へのサイドレールの押圧力を減少した場合には、潤滑油の消費量が増大する問題が判明した。
本発明は、オイルリングの低張力に設定しても優れたオイルコントロール機能を生ずるサイドレール及びこのサイドレールを使用するオイルリングを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によるサイドレールは、互いに平行な一対の側面(2a,2b)と、一対の側面(2a,2b)の外周部間に設けられてシリンダ (16) の内壁 (17) に接触する外周摺動面と、一対の側面(2a,2b)の内周部間に設けられてオイルコントロールリングのスペーサエキスパンダ (10) に接触する内周曲面(4)とを有し、ほぼ矩形の断面で環状に形成され、スペースエキスパンダ(10)と組み合わせて組合せオイルリング(11)を構成する。外側摺動面(3)は、側面(2a,2b)に接続する一対の縁面(5)と、一対の縁面(5)間に形成された中間面(6)と、一対の縁面 (5) の各々と中間面 (6) との間に形成された境界部 (6a) とを備える。縁面(5)は、サイドレール (1) のレール幅(h₆)の５分の１〜５分の８に相当する半径で形成される。中間面(6)は、実質的に一定の半径で形成された円柱面又は縁面(5)の曲率半径より大きな一定の曲率半径で形成されたバレルフェース面であり、バレルフェース面は、０.０１mm以下の距離だけ境界部 (6a)から外側に僅かに突出する極微小凸曲面として形成される。中間面(6)の軸方向幅(h₇)は、レール幅(h₆)の３０%〜７０%に相当する。サイドレール(1)の傾斜時に、縁面(5)は、従来のバレル形状(30)より小さな曲率半径で形成されるため、油膜に乗り易く、サイドレール(1)を円滑に摺動させる。従来のバレル形状(30)より大きな曲率半径で形成される中間面(6)は、サイドレール(1)の非傾斜時に潤滑油を効率よく除去すると共に、サイドレール(1)とシリンダ(16)の内壁(17)との間で必要最小限度の厚さの潤滑油膜を形成する。また、シリンダ(16)の内壁(17)と接触する際に、従来より曲率半径が大きい中間面(6)は、大きな接触面積で内壁(17)と接触するため、耐摩耗性が向上する。
【０００９】
レール幅(h₆)の５分の１に満たない半径では、ダイスの引き抜き曲面を確保できないため、縁面(5)を形成できず、レール幅(h₆)の５分の８を超える半径で縁面(5)を形成すると、縁面(5)と中間面(6)との境界部(6a)が鋭利な環状線となり適当な油膜を形成できない。外周摺動面(3)の平坦な中間面(6)の幅がサイドレール(1)のレール幅(h₆)の３０%に満たないと、中間面(6)で潤滑油の掻き上げ作用、掻き下げ作用共に弱く、潤滑油の消費量が増加する。中間面(6)の幅がサイドレール(1)のレール幅(h₆)の７０%を超えると、ピストン(12)の上昇行程で、サイドレール(1)の傾斜角度に無関係に上側サイドレール(1)の縁面(5)がシリンダ(16)の内壁(17)に当接せず、シリンダ(16)の内壁(17)に当接する中間面(6)又は縁面(5)に近い平坦面が潤滑油を燃焼室側に掻き上げるため、潤滑油の消費量が増大する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるサイドレール及びこのサイドレールを使用する組合せオイルリングの実施の形態を図１〜図６について説明する。
【００１１】
図１に示すように、本発明による組合せオイルリング用サイドレール(1)は、互いに平行な一対の側面(2a, 2b)と、両側面(2a, 2b)の外周部間に設けられた外周摺動面(3)と、両側面(2a, 2b)の内周部間に設けられた内周曲面(4)とを有するほぼ矩形の断面で環状に形成される。図４に示すように、一対のサイドレール(1)は、スペーサエキスパンダ(10)と組み合わせて組合せオイルリング(11)を構成する。外周摺動面(3)は、従来のサイドレールの外周摺動面に形成されるバレル形状(30)の中間外周部を更に圧延又はプレス加工によって、一対の縁面(5)と、両縁面(5)の間に形成される中間面(6)とにより構成される。従って、中間面(6)は従来のサイドレールのバレル形状(30)に比べて実質的に一定の半径で形成された平坦な円柱面又は曲率半径の大きな極微小凸曲面として形成される。縁面(5)は、本来圧延による膨出面として形成されたものであるが、外周摺動面(3)の中央部に中間面(6)を形成することによって、縁面(5)は、従来のサイドレールのバレル形状(30)に比べてより小さな曲率半径で形成される曲面となる。断面上、縁面(5)と中間面(6)とに接する単一の円弧面又は複数の組合せ円弧面からなる連続的な曲面によって、縁面(5)と中間面(6)との境界部(6a)を曲面で形成し、縁面(5)と中間面(6)とを円滑に接続するとよいが、図示の例では、縁面(5)と中間面(6)との境界部(6a)はあまり鋭利でない端部で不連続な環状線を突出させてもよい。
レール幅(h₆)は、０.３〜０.６５mmがよい。レール幅(h₆)が０.３mmに満たないと十分な機械的強度が得られず、０.６５mmを超えると低張力に形成したオイルリングのシリンダ(16)の壁面(17)に対する追従性能が悪く、潤滑油の消費量が増大する。圧延により径方向内側に膨出した内周曲面(4)は、レール幅(h₆)のほぼ２分の１の曲率半径で形成される圧延形状のままでもよいが、図３に示すように、圧延材料の製造工程での取扱いを容易にし又は製造機械への誤装着を防止するため、外周摺動面(3)と対称の形状又は同等の形状を与えてもよい。
【００１２】
組合せオイルリング(11)は、ピストン(12)に形成されたリング溝(7)内に配置され、上側サイドレール(1)はスペーサエキスパンダ(10)の弾力によりリング溝(7)の上部側面(8)とシリンダ(16)の内壁(17)に向かって押圧される。下側サイドレール(1)はスペーサエキスパンダ(10)の弾力によりリング溝(7)の下部側面(9)とシリンダ(16)の内壁(17)に向かって押圧される。
【００１３】
図１に示すように、外周摺動面(3)は、一対の縁面(5)と、両縁面(5)の間に形成されかつレール幅(h₆)の３０%〜７０%に相当する高さを有する中間面(6)とを備えている。中間面(6)は、実質的に一定の半径で形成された円柱面となる。また、図２は、サイドレールの外径方向に極わずか(d)の寸法だけ境界部 (6a)から外側に突出する極微小凸曲面として中間面(6)を形成する例を示す。中間面(6)を極微小凸曲面として形成するとき、図２に示すように、縁面(5)との接続部から外側に僅かに突出する量(d)は、０.０１mm以下である。突出量が０.０１mmを超えると、平坦な中間面(6)による潤滑油の掻き下げ作用が弱くなるからである。外周摺動面(3)は、幅方向に２分する面、即ち中間面(6)の中心を通る平面(P)に対して対称に形成されるので、上部縁面(5)及び下部縁面(5)は対称に形成され、サイドレール(1)を反転してスペーサエキスパンダ(10)に取り付けることができる。
【００１４】
内燃機関の稼動の際に、図４に示すピストン(12)の上昇行程では、上側サイドレール(1)の外周摺動面(3)とシリンダ(16)の内壁(17)間に働く摩擦力により、上側サイドレール(1)は、スペーサエキスパンダ(10)に対して押圧され、スペーサエキスパンダ(10)の弾力に抗して、上側サイドレール(1)の上部側面(2a)は、リング溝(7)の上部側面(8)から離間する。このため、シリンダ(16)内壁(17)に当接する外周摺動面(3)側は、スペーサエキスパンダ(10)と共に進行方向に対して下方のクランク室側に後退し、この場合に、ピストン(12)のリング溝(7)の幅とオイルリングの当初設定クリアランスやスペーサエキスパンダ(10)の変形等により、上側サイドレール(1)の外周部(3)はクランク室側に多く傾くので、外周摺動面(3)では進行方向に対して前方に配置される上方の縁面(5)がシリンダ(16)の内壁(17)に当接する。この結果、シリンダ(16)の内壁(17)と当接する上側サイドレール(1)の縁面(5) は、油膜に乗り易い形状に形成されるため、縁面(5)と内壁(17)との摺動面に十分な厚さの潤滑油膜が形成されると共に、縁面(5)による潤滑油の掻き上げ量は少ない。
【００１５】
これに対し、リング溝(7)の下部側面(9)に当接し保持される下側サイドレール(1)は、上側サイドレール(1)に比べてクランク室側への傾きは小さく、下側サイドレール(1)の外周摺動面(3)を構成する平坦な中間面(6)のほぼ中央部でシリンダ(16)の内壁(17)と当接するから、潤滑油を効率よく掻き上げると共に、必要最小限度の厚さの潤滑油膜を形成する。下側サイドレール(1)によって掻き上げられた潤滑油は、スペーサエキスパンダ(10)に形成された間隙及びリング溝(7)に形成された図示しない通路を通りクランク室に送られる。
【００１６】
図５に示すピストン(12)の下降行程では、上昇行程とは反対に、下側サイドレール(1)の外周摺動面(3)とシリンダ(16)の内壁(17)間に働く摩擦力により、下側サイドレール(1)は、スペーサエキスパンダ(10)に対して押圧され、スペーサエキスパンダ(10)の弾力に抗して、下側サイドレール(1)の下部側面(2b)は、リング溝(7)の下部側面(9)から離間する。このため、シリンダ(16)の内壁(17)に当接する外周摺動面(3)側は、スペーサエキスパンダ(10)と共に進行方向に対して上方の燃焼室側に後退するので、外周摺動面(3)では進行方向に対して前方に配置される下方の縁面(5)がシリンダ(16)の内壁(17)に当接する。この結果、シリンダ(16)の内壁(17)と当接する下側サイドレール(1)の縁面(5) は、油膜に乗り易い形状のため、縁面(5)と内壁(17)との摺動面に十分な厚さの潤滑油膜を形成すると共に、縁面(5)による潤滑油の掻き上げる量は少ない。
【００１７】
これに対し、リング溝(7)の上部側面(8)に当接し保持される上側サイドレール(1)は、下側サイドレール(1)に比べてクランク室側への傾きは小さく、上側サイドレール(1)の外周摺動面(3)を構成する平坦な中間面(6)のほぼ中央部でシリンダ(16)の内壁(17)と当接するから、潤滑油を効率よく掻き下げると共に、必要最小限度厚さの潤滑油膜を形成するので、潤滑油の掻き落とし効果が大きい。下側サイドレール(1)によって掻き下げられた潤滑油は、スペーサエキスパンダ(10)に形成された間隙及びリング溝(7)に形成された図示されない通路を通りクランク室に送られる。
【００１８】
いずれにしても、本発明では、動作の際に、何れかの側面(2a, 2b)がリング溝(7)の対応する径方向面(8, 9)から離間し、進行方向に対して外周摺動面(3)が内周曲面(4)より後退するように変形したとき、進行方向に対して前方に配置される縁面(5)がシリンダ(16)の内壁(17)に当接して、縁面(5)が油膜上を摺動する。従って、サイドレール(1)のレール幅(h₆)が小さくても、作動時にサイドレール(1)の良好な追従性が得られる。また、何れかの側面(2a, 2b)がリング溝(7)の対応する径方向面(8, 9)に当接するとき、中間面(6)がシリンダ(16)の内壁(17)に当接して、潤滑油を確実に掻き上げ又は掻き下げて燃焼室への潤滑油の流入を抑制するため、潤滑油消費量を低減することができる。
【００１９】
組合せオイルリングの上側サイドレール(1)の片側のみに本発明を適用すると、潤滑油消費量の低減効果が得られるが、上側サイドレール(1)及び下側サイドレール(1)の両方に適用すれば更に潤滑油消費量を低減する効果が得られる。また、誤装着を防止し又は組み立て勝手を制限しないため、上側と下側とに同一のサイドレール(1)を使用することが望ましい。
【００２０】
【実施例】
本発明の効果を確認するために、排気量１８００cc、水冷４気筒実機エンジンを使用し、６０００rpm−ＷＯＴ（Wide Open Throttle）で各１０時間の潤滑油の消費量テストを行った。本発明のサイドレールを図１に示す断面で作成し、図６に示すリング幅(h₁)を全て２.０mmとし、サイドレール(1)のレール幅(h₆)を０.３〜０.６５mmで作成した。マルテンサイト系ステンレス鋼製でトップリングの外周摺動面(3)に窒化処理を行い、セカンドリングは鋳鉄製の外周テーパリングである。前記リングをテスト毎に交換した。組合せオイルリングは呼称径φ７９で組合せ寸法(h₁)が２mmであり、スペーサエキスパンダは上下波形とし、組合せ張力を約２０Ｎとした。上側及び下側サイドレール(1)のレール幅(h₆)を０.３mm、０.４mm、０.５mmの３点とし、サイドレール(1)を真円状に形成した後、リング幅(h₁)の約２０%、約３０%、約４０%、約５０%、約６０%、約７０%の割合の平坦な中間面(6)で、外周摺動面(3)を研磨し作成した。平坦面率（h₆／h₇）をＰ_r、オイル消費量をＯ_cとして、実機テストに用いたオイルリングと潤滑油消費テストの結果を表１に示す。外周摺動面がバレル形状の従来のサイドレールも同様にテストし、そのオイル消費量を１とした比率で比較して表示する。Ｐ_r＝０のサンプル番号１、８及び１５は従来品である。
表１の実験結果から次の事実が判明した。1)サンプル番号３〜７、１０〜１４、１７〜２１のサイドレールを使用する組合せオイルリングでは、同一レール幅(h₆)を有するサンプル番号１、２、８、９、１５及び１６より潤滑油消費低減効果が優れている。2)中間面(6)の幅がレール幅(h₆)の３０%に満たない場合に潤滑油消費量が増加する。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【発明の効果】
前記の通り、本発明では、サイドレールの薄肉化を達成すると共に、潤滑油膜を介してシリンダの内壁にサイドレールの縁面を接触させて、サイドレールを円滑に摺動させかつシリンダの内壁に付着した潤滑油の必要量を中間面により除去して、シリンダの内壁の油膜量を最小限度に抑制できるので、著しく潤滑油消費量を低減できる。従って、サイドレールのレール幅を小さくし又は張力を減少させても、本発明のサイドレールは潤滑油コントロール機能に優れかつシリンダの内壁に対する追従性が低下せず、内燃機関の性能を向上することができる。また、シリンダの内壁と大きな面積で接触する中間面は耐摩耗性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 組合せオイルリングに使用する本発明によるサイドレールの断面図
【図２】 本発明によるサイドレールの他の実施の形態を示す断面図
【図３】 本発明によるサイドレールの別の実施の形態を示す断面図
【図４】 ピストンが上昇行程にある状態を示す組合せオイルリングの断面図
【図５】 ピストンが下降行程にある状態を示す組合せオイルリングの断面図
【図６】 組合せオイルリングの断面図
【図７】 従来のサイドレールの断面図
【符号の説明】
(1)・・サイドレール、 (2a, 2b)・・側面、 (3)・・外周摺動面、 (4)・・内周曲面、 (5)・・縁面、 (6)・・中間面、 (7)・・リング溝、 (8)・・上部側面、 (9)・・下部側面、 (10)・・スペーサエキスパンダ、 (11)・・組合せオイルリング、 (16)・・シリンダ、 (17)・・内壁、

Claims (6)

1. 互いに平行な一対の側面と、一対の該側面の外周部間に設けられてシリンダの内壁に接触する外周摺動面と、一対の前記側面の内周部間に設けられてオイルコントロールリングのスペーサエキスパンダに接触する内周曲面とを有し、ほぼ矩形の断面で環状に形成され、前記スペースエキスパンダと組み合わせて組合せオイルリングを構成するサイドレールにおいて、
   前記外側摺動面は、前記側面に接続する一対の縁面と、一対の該縁面間に形成された中間面と、一対の前記縁面の各々と中間面との間に形成された境界部とを備え、
   前記縁面は、前記サイドレールのレール幅の５分の１〜５分の８に相当する半径で形成され、
   前記中間面は、実質的に一定の半径で形成された円柱面又は前記縁面の曲率半径より大きな一定の曲率半径で形成されたバレルフェース面であり、バレルフェース面は、０.０１mm以下の距離だけ前記境界部から外側に僅かに突出する極微小凸曲面として形成され、
   前記中間面の軸方向幅は、レール幅の３０%〜７０%に相当することを特徴とするサイドレール。
2. レール幅は、０.３〜０.６５mmである請求項１に記載のサイドレール。
3. 内周曲面は、レール幅の２分の１の曲率半径で形成される請求項１又は２に記載のサイドレール。
4. 内周曲面は、外周摺動面と同等の形状に形成される請求項１又は２に記載のサイドレール。
5. 縁面は、圧延による膨出面として形成される請求項１〜４の何れか１項に記載のサイドレール。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載のサイドレールを使用したことを特徴とする組合せオイルリング。

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