JP4775691B2

JP4775691B2 - オイルリング用線材およびその製造方法

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Publication number: JP4775691B2
Application number: JP2005003879A
Authority: JP
Inventors: 淳佐々木; 伸一和井; 正典落合
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2025-01-11
Also published as: JP2006194272A

Description

本発明は、各種内燃機関のピストンに装着されるオイルリングに用いられる線材に係わり、特に２ピース型オイルリングに用いられる異形状の線材に好適なものである。

内燃機関用オイルリングは、上下２枚の薄板状リングとその間のスペーサエキスパンダーがセットになった３ピース型と、１本の異形断面リングとその内周側のコイルスプリングがセットになった２ピース型の２種類があり、それらの構造は周知である。

図４に、シリンダ側壁４に接した状態の２ピース型のオイルリング９を示す。このオイルリング９に用いられるオイルリング２は、対向するフランジ部ａ，ａと両フランジ部ａ，ａの中間を繋ぐウエブ部ｂを有する断面が略Ｈ字状又は略Ｉ字状の異形状の線材を用い、ウエブ部ｂを円周方向にＣ字形に曲げて形成されている。両フランジ部ａ，ａの外周側を向くリップの先端がシリンダ側壁４と当接し、ウエブ部ｂの内周面に当接するようにコイルスプリング３が装着される。ピストンのリング溝（図示せず）内に装着されたオイルリング２は、コイルスプリング３の拡張力により、オイルリング２の両フランジ部ａ，ａのリップの先端がシリンダ側壁４に適当な圧力で押し付けられ、ピストンの往復運動によりシリンダ側壁４に接しつつ上下に摺動し、シリンダ側壁４の余剰のオイルを掻き落し、適正な膜厚のオイル膜を形成する。掻き落されたオイルの一部は、両フランジ部ａ，ａの外周側とウエブ部ｂの外周面で形成される凹部ｃに溜まるが、ウエブ部ｂには、このオイルをピストンのリング溝の底部に形成されたオイル戻路（図示せず）を通じて排出する多数の貫通油孔ｄが形成されている。一般的に、この貫通油孔ｄは打抜きで成形され、貫通油孔ｄの壁面ｄ１、ｄ２は互いに平行になっている。また、貫通油孔ｄは開口面積が広い程オイルの通過流量が多くなるためオイルリング２の長手方向に沿い溝状に形成されるが、オイルリング２としての強度面と打抜き成形法による加工面とから、溝寸法（幅×長さ）とピッチが決められている。

貫通油孔ｄは、シリンダ内へのオイルの侵入やスラッジの発生などを防止するため、オイルの流通性を良好にしなければならない。ここで言う流通性とは、単位時間当たりにオイルをどれだけ多く流すことができるか、という能力を言い、通過性、排出性とも言うことができ、通過流量で評価することができる。特許文献１には、ウエブ部ｂにオイル逃げ孔部（貫通油孔ｄ）が形成されたオイルリング２において、オイル逃げ孔部の外周側角部に半径ｒの丸味を持たせることが開示されている。これにより、オイル逃げ孔部への開口面積を広くし、かつ流量係数を大きくし、シリンダライナとオイルリング２の二つの当り面との間に貯まった過剰のオイルを、オイルアップすることなくオイル逃げ孔部を通してピストンリング溝の底面側に円滑に送ることができる、と説明されている。
実開昭４７−３８２０４号公報（３ページ、８行〜１７行。図面）

従来、２ピース型のオイルリング９は、トラック、バス等の大型のディーゼルエンジンに用いられており、オイルリング２の断面寸法は幅ｗが３．５〜５．０ｍｍ、厚さｈが２．５〜３．０ｍｍと大きいものであった。しかしながら、近年、部品点数の減少や組立工数の削減によるコスト低減等を目的として、小型デイーゼル機関やガソリン機関についても適用されるようになり、さらには、燃費の改善を目的とし摩擦損失低減のためにオイルリング２の薄幅化が図られており、幅ｗが１．５ｍｍ以下、厚さｈが１．２ｍｍ以下というような極めて小断面のオイルリング２も使用されている。この場合、貫通油孔ｄが形成されるウエブ部ｂの幅は１ｍｍ以下となる。このようにウエブ部ｂの幅が狭くなると、必然的に許容される貫通油孔ｄの溝幅は小さくなる。そのため貫通油孔ｄの開口面積が減少し貫通油孔ｄへのオイルの流入が阻害されるとともに貫通油孔ｄの中をオイルが流れるときの貫通油孔ｄの壁面ｄ１とオイルとの間に生じる流体的な抵抗が増加し、その結果、オイルの流通性が低下するという問題が生じる。

狭幅化にともなう貫通油孔ｄの開口面積の減少は、特許文献１のオイルリング２のように貫通油孔ｄのオイルの入口にＲ部を設けることにより解消することは可能である。しかしながら、貫通油孔ｄとオイルとの間の流体的な抵抗を減少させ、オイルの流通性を改善することは特許文献１には開示されていない。

本発明は、上記従来の技術の問題点を鑑み、オイルの流通性が改善されるオイルリング２に用いられるオイルリング用線材を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、少なくとも一方から他方にオイルを流通させる貫通油孔を備えた内燃機関のピストンの２ピース型オイルリングとして使用される、前記貫通油孔が形成されたオイルリング用線材であって、一対のフランジ部と両フランジ部の中間を連結するとともに前記オイルリング用線材で形成してなる２ピース型オイルリングがピストンに装着されたときにピストン側となるべき面に当接するようにコイルスプリングが装着されるウエブ部を有し、前記ウエブ部に形成された前記貫通油孔は、前記オイルの流通方向に対し前記貫通油孔の相対する側壁の少なくとも一方が実質的に傾斜したテーパ部を有し、前記テーパ部は、前記オイルリング用線材で形成してなる２ピース型オイルリングがピストンに装着されたときにシリンダの側からピストンの側に向けて開いた形状をなし、前記相対する側壁は直線部分を含み、該直線部分が交差する角度は３°以上で１３°以下であるオイルリング用線材である。ここで、貫通油孔の側壁は、直線部分のみで構成されていてもよいし、直線部分と曲線部分とで構成されていてもよい。オイルリング用線材の貫通油孔にテーパ部を設けることにより、該オイルリング用線材から形成してなるオイルリングをピストンに装着したとき、貫通油孔の中をオイルが流れるときの貫通油孔の壁面とオイルとの流体的な抵抗が減少し、オイルの流通性が改善される。

テーパ部は必ずしもオイルの流通方向において貫通油孔の全長に渡り形成されていなくてもよく、例えば、貫通油孔の途中からテーパ部が形成され、その途中までの側壁はテーパ部と逆形状のテーパであってもよいし、側壁同士が平行であってもよい。

本発明の別の態様は、上記のオイルリング用線材の製造方法であって、前記オイルの流通方向に対し前記貫通油孔の側壁をテーパ状に形成する条件のレーザを貫通油孔形成予定部に照射するオイルリング用線材の製造方法である。本態様の製造方法によれば、特に、上記ピストンリング用線材を製造するに好ましく、上記態様の貫通油孔を有するピストンリング用線材を実現できる。

本発明によれば、上記説明のように貫通油孔をテーパ状にすることでオイルの流通性が改善される。したがって、特に、薄幅化されたオイルリングのように貫通油孔の開口面積が大きくとれないようなものに対して特に効果的である。

以下、本発明についてその実施態様に基づいて説明する。図１は本発明に係る第１態様および第２態様のオイルリング用線材の断面形状を模式的に示す図、図２は図１の第１態様のオイルリング用線材をオイルリングとして使用した場合のオイル流通性を確認する試験の試験装置の概略構成を示す図、図３は図２の試験装置を使用して確認したオイル流通性の結果を示す図、である。なお、図４と同様な構成については同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

［第１態様］
本態様のオイルリング用線材１は、図１（ａ）に示すように、対向するフランジ部ａ，ａと両フランジ部ａ，ａの中間を繋ぐウエブ部ｂを有する断面が略Ｈ字状又は略Ｉ字状のものであり、ウエブ部ｂに、テーパ部Ｄ１を有する貫通油孔ｄが形成されている。ここで、テーパ部とは、オイルの流通方向（図において鉛直方向）に対し貫通油孔ｄの傾斜した側壁ｄ１と該側壁ｄ１に相対する側壁ｄ２で画定される部位をいい、以下でいうテーパ角度とは、側壁ｄ１と側壁ｄ２とが交差する符号Θで示す角度のことをいう。図１（ａ）の貫通油孔ｄには、鉛直方向において全長に渡りテーパ部Ｄ１が形成されている。

テーパ部Ｄ１について更に詳述する。図１（ａ）のテーパ部Ｄ１は、テーパ部Ｄ１の相対する側壁ｄ１、ｄ２が直線部分のみで構成され、オイルが流入するシリンダ側の上部開口Ｄｉの溝幅が、オイルが流出するピストン側の下部開口Ｄｏの溝幅よりも小さな末広がり状に形成されたものである。なお、上部開口Ｄｉ又は下部開口ＤｏにＲ部や面取り部を形成しておけば貫通油孔ｄの開口面積が増加するとともにオイルが円滑に流出するので好ましい。また、本態様のテーパ部Ｄ１の側壁ｄ１、ｄ２は、オイルリング用線材の幅方向において該オイルリング用線材の中心線から見て対称に形成されている。しかしながら、側壁ｄ１、ｄ２は対称に形成されている必要はなく、図１（ｂ）に示すように、テーパ部Ｄ１−２の一方の側壁ｄ１−２が傾斜しているのみで他方の側壁ｄ２−２は鉛直方向に沿い形成されていてもよい。また、図１（ｃ）に示すように、鉛直方向において貫通油孔ｄの途中からテーパ部Ｄ１−３が形成され、途中までの側壁ｄ１−３、ｄ２−３は互いに平行なものであってもよい。さらに、図１（ｄ）に示すように、テーパ部Ｄ１−４の側壁ｄ１−４、ｄ２−４は、直線部分のみならず曲線部分のみで構成されていてもよいし、さらにまた、直線部分と曲線部分とを組み合わせて構成されていてもよい。

上記のような態様のテーパ部Ｄ１とした理由について説明する。オイルリングが装着されるピストンは、駆動中は常時往復動をしており、そのストローク数の変化も激しいものがある。このため、両フランジ部ａ，ａとウエブ部ｂで形成される凹部ｃに溜まるオイルは、凹部ｃ内で複雑な動きをしつつ貫通油孔ｄから流出される。そのため、ピストンリングの形状の決定要素の一つとしてこのオイルの動的状態が考慮される。図１（ａ）〜（ｄ）の貫通油孔ｄの形状は、ピストン移動時の動的状態にあるオイルの慣性に着目したものである。即ち、ピストンが往復動をする度に凹部ｃの内部のオイルは慣性により逆方向に移動し、凹部ｃの内部で攪拌された状態となっている。このため、凹部ｃ内のオイルは、貫通油孔ｄ（すなわちテーパ部Ｄ１）の入口である上部開口Ｄｉに沿って移動したり、一部は直接テーパ部Ｄ１へ向かい移動したりする。このような状態において、上記テーパ部Ｄ１は、オイルが流入し易く流出し易い向きに開いた末広がり状であるので、相対する側壁が平行な通常の貫通油孔（以下通常の貫通油孔と称する。）に比べ凹部ｃのオイルは速やかに流出され、その結果、オイルの流通性が改善される。

［第２態様］
本発明の第２態様について説明する。図１（ｅ）の貫通油孔ｄのテーパ部Ｄ２は、図１（ａ）の場合とは逆に、オイルが流入するシリンダ側の上部開口Ｄｉの溝幅が、オイルが流出するピストン側の下部開口Ｄｏの溝幅よりも大きな先細り状に形成されたものである。このテーパ部Ｄ２は、テーパ部Ｄ１と異なり静的状態にあるオイルが貫通油孔ｄ（すなわちテーパ部Ｄ２）を通過する時のオイルと側壁ｄ１、ｄ２との摩擦損失に着目したものである。即ち、凹部ｃ内のオイルが増えてレベルが上がっていくような場合、テーパ部Ｄ２は入口側からオイルで徐々に満たされていくので実質的な貫通油孔ｄの長さが短くなっていく。したがって、通常の貫通油孔に比べてオイルと側壁ｄ１、ｄ２との摩擦損失が小さくオイルが排出され易くなり、その結果、オイルの流通性が改善される。

なお、図１（ｆ）に示すように、上述したいずれのオイル状態であっても対応できるよう、上記第１態様のテーパ部Ｄ１と第２態様のテーパ部Ｄ２とを組み合せたテーパ部Ｄ３を貫通油孔ｄに形成してもよい。この場合、テーパ部Ｄ３は、図示するようにテーパ部Ｄ１とテーパ部Ｄ２をその先端で直接接合した構成、又はテーパ部Ｄ１とテーパ部Ｄ２を直線部分を介して接合した構成とすることができる。

［試験例］
上記した貫通油孔のオイル流通性を確認するには、貫通油孔を形成したオイルリング用線材で形成したオイルリングをピストンに装着し、実際にピストンを動作させて貫通油孔からのオイル流出量を測定するのがよい。しかしながら、実動中にオイル流出量を測定することは困難であるので、図２に示す試験装置でオイル流通性を評価した。

オイル流通性の試験装置は、底面が開口したオイル容器５と、所定寸法で貫通油孔ｄが形成された板材６と、貫通油孔ｄから流出するオイル７を受けるオイルパン８とから構成されている。オイル流通性は、オイル容器５の中心に貫通油孔ｄが位置するように板材６で該オイル容器５の底を封じるとともに、オイル容器５にＳＡＥ１０Ｗ（ＪＩＳ規格）のオイル７を所定量だけ満たし、一定時間に貫通油孔ｄからオイル７が流出する量を測定し、評価する。この試験では、第１態様の貫通油孔ｄ、すなわちテーパ部Ｄ１が形成されたものについて評価試験を行なった。試験に供したテーパ部Ｄ１の寸法は下記のとおりである。なお、本試験では、上部開口Ｄｉの幅を固定し、下部開口Ｄｏの幅を変えることによりテーパ角度Θを変化させた。
１）貫通油孔ｄの長さ（図１において紙面垂直方向の長さ）：１．５ｍｍ
２）貫通油孔ｄの上部開口Ｄｉの幅：０．５ｍｍ
３）貫通油孔ｄの下部開口Ｄｏの幅：０．５ｍｍ（テーパ角度：０°）、０．５３（同：３．４°）、０．５６ｍｍ（同６．７°）、０．５９ｍｍ（同：１０．３°）、０．６２ｍｍ（同：１３．７°）、０．６５ｍｍ（同：１７．１°）

試験結果を表１及び図３に示す。流出量は、テーパ角度Θが０°の試料の流出量を１００とし、それを基準とした割合で示している。

この試験では貫通油孔ｄからのオイル７の流出は圧力ヘッドによるのに対し、ピストンが作動している状態では、オイルリングの凹部ｃから主として速度ヘッドでオイルは流出するという違いがある。しかし、流体力学的に圧力ヘッドは速度ヘッドに変換されるので、この試験でテーパ部Ｄ１の効果について評価することができる。この試験の結果によれば、テーパ部のテーパ角度Θが０°より大きく１５°以下とすれば、オイル流通性が特に改善されることが判った。

上記オイルリング用線材１の製造方法について説明する。
オイルリング用線材１の貫通油孔ｄのテーパ部は、テーパ部の側壁の傾斜に合わせた雄型を用いて打抜きで行なってもよい。しかしながら、オイルリング用線材には難加工性のバネ鋼やステンレス鋼などの高合金が使用され、更に貫通油孔ｄが微小化すると機械的な加工は困難となる。したがって、レーザビーム、プラズマ、電子ビーム等でオイルリング用線材を溶融加工し、貫通油孔ｄを形成することが好ましい。さらに、微小なレーザスポットを形成でき容易に高出力が得られるＹＡＧ、半導体または炭酸ガスレーザを用いれば微小な貫通油孔ｄを形成するうえで好適である。なお、レーザ加工において、アシストガスを用いて溶融物を吹き飛ばすとともに被加工部を冷却すれば、シャープで熱影響部が小さい健全な貫通油孔ｄを得ることができ好ましい。

レーザ加工では、レーザビームのスポット径、焦点位置または照射方向等を所定の条件に設定し、所望の形状、テーパ角度Θを有するテーパ部を形成する。したがって、図１で説明した第１態様のテーパ部Ｄ１、第２態様のテーパ部Ｄ２、又はそれらが組み合わされたテーパ部Ｄ３を有する貫通油孔ｄを形成できる。さらに、レーザビームは、例えば光学的に走査して自由な経路で移動できる。したがって、レーザ加工では、打抜きではできない大きさや形状の貫通油孔ｄ、例えば丸状、楕円状、矩形状など種々の形状、大きさの貫通油孔ｄを形成することができる。

本発明のオイルリング用線材の貫通油孔形状を示す縦断面である。オイル流通性を評価する実験を説明する図である。オイル流通性評価実験の結果を示す図である。２ピース型オイルリングを説明する図である。

符号の説明

１：オイルリング用線材
２：異形断面リング
３：コイルスプリング
４：シリンダ内壁
５：オイル容器
６：供試材
７：エンジンオイル
８：オイルパン
９：２ピース型オイルリング
ａ：フランジ部
ｂ：ウエブ部
ｃ：凹部
ｄ：貫通油孔
ｄ１（ｄ２）：側壁
Ｄ１（Ｄ２、Ｄ３）：テーパ部
Ｄｉ：貫通油孔の上部開口
Ｄｏ：貫通油孔の下部開口
ｈ：リング厚さ
ｗ：リング幅

Claims

少なくとも一方から他方にオイルを流通させる貫通油孔を備えた内燃機関のピストンの２ピース型オイルリングとして使用される、前記貫通油孔が形成されたオイルリング用線材であって、一対のフランジ部と両フランジ部の中間を連結するとともに前記オイルリング用線材で形成してなる２ピース型オイルリングがピストンに装着されたときにピストン側となるべき面に当接するようにコイルスプリングが装着されるウエブ部を有し、前記ウエブ部に形成された前記貫通油孔は、前記オイルの流通方向に対し前記貫通油孔の相対する側壁の少なくとも一方が実質的に傾斜したテーパ部を有し、前記テーパ部は、前記オイルリング用線材で形成してなる２ピース型オイルリングがピストンに装着されたときにシリンダの側からピストンの側に向けて開いた形状をなし、前記相対する側壁は直線部分を含み、該直線部分が交差する角度は３°以上で１３°以下であるオイルリング用線材。
請求項１に記載のオイルリング用線材の製造方法であって、前記オイルの流通方向に対し前記貫通油孔の側壁をテーパ状に形成する条件のレーザを貫通油孔形成予定部に照射するオイルリング用線材の製造方法。