JP4749048B2 - 組合せオイルリング - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用組合せオイルリングに関し、特にシリンダボアとの間で低フリクション化を可能にする組合せオイルリングに関する。

内燃機関には、オイルリングとエキスパンダとからなる２ピース形の鋼製組合せオイルリングが使用されている。この組合せオイルリングはディーゼルエンジンに多く使用されているが、最近では、摩耗による張力減退率が低く、耐久性に優れていることからガソリンエンジンでも多く使用されている。そして、近年の低燃費化の要求から、オイルリングにおいても低フリクションを目的とした低張力化が進められている。

２ピース組合せオイルリングにおいて、張力を低下させると、オイルリングがエキスパンダとのフリクションの影響によりシリンダボアに対する追従性が低下し、オイルリング内周面とエキスパンダ外周面のなじみがでるまでオイルリングの機能が低下し、オイル消費が多くなってしまう傾向がある。特に近年の低張力化でその傾向は大きくなっている。オイルリングの内周面とエキスパンダとのなじみや耐摩耗性を改善する方法として、以下の特許文献にあるように、各種の表面処理が提案されている。

（１）滑り特性の向上及びクッション効果を狙って、オイルリング内周面に耐摩耗性合成樹脂皮膜を施す（特許文献１）。
（２）耐摩耗性向上のために、オイルリング内周面とコイルエキスパンダとにＣｒめっき皮膜又は窒化層を形成する（特許文献２）。
（３）耐摩耗性向上のために、オイルリング内周面及びコイルエキスパンダに窒化層を形成する（特許文献３）。
（４）摩擦抵抗を低減して、ピストンへの組付け性の改善を図るために、オイルリング内周面に燐酸塩皮膜を形成し、コイルエキスパンダに窒化層を形成する（特許文献４）。
（５）耐摩耗性向上のために、オイルリング内周面にＮｉ系合金めっき皮膜を形成する（特許文献５）。
（６）耐摩耗性向上のため、オイルリング内周面とコイルエキスパンダとにＣｒめっき皮膜を形成する（特許文献６）。
実公昭４８−８９６３号公報 特公平３−２９９７９号公報 実開昭６０−６５４７４号公報 実開昭６３−１６８３６２号公報 特開平９−４２４５１号公報 実開昭４８−１４１１４号公報

オイルリング外周面とシリンダ内周面のフリクション低減のためには、コイルエキスパンダの押圧力を低下させ、オイルリングの張力を低くすると効果がある。しかしながら、張力を低下させると、オイルリング内周とコイルエキスパンダとのフリクションが大きい場合、オイルリングがエキスパンダとのフリクションの影響によりシリンダボアに対する追従性が低下し、オイルリング内周面とエキスパンダ外周面のなじみがでるまでオイルリングの機能が低下し、オイル消費が多くなってしまう傾向がある。なじみがでるまでに長時間を要すると、オイル消費が多くなる。

特許文献１，４では、オイルリング内周面に合成樹脂皮膜や燐酸塩皮膜を形成することが提案されているが、耐摩耗性が低く、摩耗による径の変化から張力値が減少してしまうため、短時間で機能低下を招く場合がある。

特許文献２，３，５，６では、オイルリング内周面にＣｒめっき皮膜、窒化層、あるいはＮｉ系合金めっき皮膜を形成することが提案され、特許文献２，３，６ではエキスパンダに窒化層やＣｒめっき皮膜を形成することが提案されている。これらの皮膜は、処理後の表面あらさが大きくなり、エキスパンダによる押圧力が低い場合には、なじみがでるまでに長時間を要することが多いため、オイル消費が多くなってしまう傾向がある。

本発明が解決しようとする課題は、低張力オイルリングの性能を初期から保持し、かつ長時間維持できる組合せオイルリングを提供することである。

上記課題を解決するために本発明は次の解決手段を採る。すなわち、
本発明は、オイルリングとこれを半径方向外方に押圧するエキスパンダとを有する組合せオイルリングにおいて、エキスパンダと接触する面であるオイルリングの内周面に非晶質硬質炭素系皮膜が形成され、オイルリングに設けられエキスパンダと接触するオイル戻し孔の内周側エッジが円弧形状を有することを特徴とする。

上記非晶質硬質炭素系皮膜の硬度はＨＶ７００〜２０００で、膜厚は０．８〜１０μｍであることが望ましい。

本発明の組合せオイルリングは、オイルリングの内周面に低摩擦係数を有する非晶質硬質炭素系皮膜が形成されているので、低張力であっても、エキスパンダがオイルリング内周面に対して抵抗少なく摺動できるため、オイルリングのシリンダボアへの追従性が良好で、優れたオイル消費性能を初期から発揮できる。また、非晶質硬質炭素系皮膜は耐摩耗性に優れているため、オイル消費性能を長時間維持できる。このように、非晶質硬質炭素系皮膜は低摩擦係数を有し、耐摩耗性が高く、また、処理後の表面粗さを０．５μｍＲｚ以下の薄く均一な皮膜を形成できるため、低張力オイルリングであっても優れたオイル消費性能を初期から長時間維持できる。ただし、非晶質硬質炭素系皮膜は、オイルリングに設けられているオイル戻し孔の内周側エッジにおいてそのエッジ効果から皮膜が厚く形成される場合があり、摩擦係数の低い皮膜でも段差となり、コイルエキスパンダが引っかかり追従性の妨げとなるので、オイル戻し孔の内周側エッジは円弧形状とする。

非晶質硬質炭素系皮膜の硬度はＨＶ７００より小さいと摩耗速度が速くなり、ＨＶ２０００より高くなると皮膜の欠け、剥離の発生が見られる場合がある。したがって、皮膜の硬度はＨＶ７００〜ＨＶ２０００の範囲とするのが好ましい。皮膜の厚さは０．８μｍより小さいと耐久性が不足し、１０μｍを越える皮膜は必要ない。よって、皮膜の厚さは０．８〜１０μｍとするのが好ましい。

なお、エキスパンダの外周面に非晶質硬質炭素系皮膜を形成することも考えられるが、エキスパンダは常にオイルリングに押し付けられながら動いているので、皮膜の密着性が悪いと剥離が発生し、オイルリング内周面とコイルエキスパンダ外周面の摺動抵抗が大きくなり、シリンダボアへの追従性が悪化し、オイル消費を増加させる可能性がある。

以下、本発明の好ましい一実施形態を図面に基いて説明する。

図１において、組合せオイルリングは鋼製のオイルリング１と、コイルエキスパンダ２とからなっている。オイルリング１は断面略Ｉ字形をなし、上下のレール３，４と、これらを連結する薄肉の真直ぐなウェブ５とからなっている。ウェブ５には円周方向に等間隔をおいてオイル戻し孔６が複数、形成されている。７は、上下のレール３，４の外周摺動面で掻き取ったオイルの受容溝で、上下のレール３，４の外周側突起部とウェブ５とで形成されている。

８は、上下のレール３，４の内周側突起部とウェブ５とで形成されたコイルエキスパンダ２の収容溝である。コイルエキスパンダ２はこの収容溝８に配置され、オイルリング１を半径方向外方に押圧付勢し、オイルリング１の外周摺動面をシリンダ内周面に押接させる。コイルエキスパンダ２は円形断面の線材をコイル状に巻いたものを環状に形成したものである。なお、本実施形態では、コイルエキスパンダ収容溝８は円弧面に形成されているが、これに限られることはない。また、コイルエキスパンダ２の線材の断面形状も円の他、一部切欠円、矩形等の形状が適宜選択される。

オイルリング１の外周摺動面には所定の耐摩耗性皮膜９が形成されている。オイルリング１の内周面においてコイルエキスパンダ２と接触する部分には非晶質硬質炭素系皮膜１０が形成されている。図２に示されているように、オイル戻し孔６の内周側エッジは母材面が円弧形状に形成されており、非晶質硬質炭素系皮膜１０の表面も円弧形状とされている。非晶質硬質炭素系皮膜１０の硬度はＨＶ７００〜２０００、皮膜の厚さは０．８〜１０μｍの範囲で選定されている。コイルエキスパンダ２の外表面には耐摩耗性を付与する表面処理は施されていない。なお、コイルエキスパンダ２の外表面にはＣｒめっきや窒化層等の耐摩耗性表面処理を施す場合もある。

以下、本発明に係る組合せオイルリングと各種比較例の組合せオイルリングとについて、２０時間運転後の張力減退率を求めた試験について説明する。

表１に示す本発明及び比較例の組合せオイルリングがそれぞれ装着されたエンジンを使用した単気筒モータリング試験において、２０時間の連続運転を実施し、各オイルリングの試験前張力と試験後張力を測定し、張力減退率を求めた。
張力減退率（％）＝（試験前張力−試験後張力）／試験前張力×１００
このモータリング試験は、図３に示されているように、モータ１１でエンジン１２を駆動するものである。試験条件は、ヘッド開放・水、オイルポンプ別駆動・オイル５Ｗ３０・油、水温度８０℃である。初期の状態から安定した張力を発生させることができれば、時間経過後での張力の低下がなく、オイルリングの機能を保つことができる。張力減退率が小さければその効果が大きい。表１に試験結果を示す。

注１）比較例２の膜厚は窒化深さである。
注２）比較例７はコイルエキスパンダ外周に３．０μｍの膜厚で非晶質硬質炭素系皮膜が形成され、オイルリング内周に１０．０μｍの膜厚でＣｒめっき皮膜を形成したものである。
注３）実施例及び比較例とも、オイルリング内周面に皮膜形成後、ブラスト等の後処理は未実施である。
注４）実施例及び比較例（比較例７を除く。）のコイルエキスパンダの外表面には耐摩耗性を付与する表面処理は施されていない。
注５）張力減退率には、皮膜摩耗によるものの他に、オイルリング内周面とコイルエキスパンダとのなじみによるものが含まれる。

上記試験結果によれば、Ｃｒめっき皮膜（比較例１）、窒化層（比較例２）、非晶質硬質炭素系皮膜でオイル戻し孔の内周側エッジが鋭角（比較例５）のものは、いずれもなじみによる張力減退率が大きい。燐酸塩皮膜（比較例３）や樹脂皮膜（比較例４）のものは皮膜摩耗による張力減退率が大きい。非晶質硬質炭素系皮膜の硬度が大きい皮膜（比較例６）やコイルエキスパンダに非晶質硬質炭素系皮膜を形成（比較例７）のものは、剥離が発生し、張力減退率が大きい。これらに対して、実施例のものは張力減退率が低い。

本発明の組合せオイルリングの一実施形態を示す断面図である。 図１の部分拡大図である。 モータリング試験機を示す図である。

符号の説明

１・・オイルリング、２・・コイルエキスパンダ、３・・上レール、４・・下レール、５・・ウェブ、６・・オイル戻し孔、７・・オイル受容溝、８・・コイルエキスパンダ収容溝、９・・耐摩耗性皮膜、１０・・非晶質硬質炭素系皮膜、１１・・モータ、１２・・エンジン。

Claims (4)

1. オイルリングとこれを半径方向外方に押圧するエキスパンダとを有する組合せオイルリングにおいて、エキスパンダと接触する面であるオイルリングの内周面に非晶質硬質炭素系皮膜が形成され、オイルリングに設けられエキスパンダと接触するオイル戻し孔の内周側エッジが円弧形状を有することを特徴とする組合せオイルリング。
2. 前記非晶質硬質炭素系皮膜の硬度がＨＶ７００〜２０００で、膜厚が０．８〜１０μｍであることを特徴とする請求項１記載の組合せオイルリング。
3. 前記オイルリングが上下のレールとこれらを連結するウェブとからなる断面略Ｉ字形をなし、前記オイル戻し孔がウェブに形成され、前記エキスパンダがコイルエキスパンダであることを特徴とする請求項１又は２記載の組合せオイルリング。
4. 前記非晶質硬質炭素系皮膜の表面粗さが０．５μｍＲｚ以下であることを特徴とする請求項１，２又は３記載の組合せオイルリング。

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