JPH03954A - ピストンリングの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ピストンリングの製造方法に関する。

〔従来の技術〕

−ａに、内燃機関等のエンジンにはピストンリングが使
用されており、そのピストンリングには、圧力リング及
び油掻きリングがあり、シリンダとピストンとの間の気
密、熱伝達、潤滑、ベアリング等の機能を果たしている
。そして、このピストンリングには、矩形断面等の種々
の断面形状のものが開示されている。また、ピストンと
シリンダとの間の気密を保つため、シリンダ壁面に対し
て気密に必要な接触即ち密着するようにピストンリング
には自己張力を有するように構成されている。

また、ピストンリングは自由状態即ちピストンとシリン
ダとの間に装着されていない状態では真円でなく自由合
い口すきまは大きくなっており、装着された状態で初め
て押し縮められてほぼ真円状態になるように構成されて
いる。そして、ピストンリングについては、シリンダに
装着されない状態の自由形状によって装着時のリングの
面圧分布が決定されるようになっている。

一般に、ピストンリングについては、リングの寸法を表
すのに、第９図及び第１２図に示すように、自由状態で
の呼び径Ｄ、幅Ｂ５厚さＴを用いて、ＤＸＢＸＴで示し
、また、ピストンリングの自由合い口すきまをして示す
。また、ピストンリング１５の装着及び使用時には、第
１０図に示すように、呼び径Ｄ１及び合い口すきまＣは
小さくなり、ピストンリング１５の最外周部に掛かる引
張応力は、第１０図及び第１１図に示すようになる。第
１１図は第１０図の線Ａ−Ａにおいて掛かる応力分布を
示す６図示のように、ピストンリング１５の装着及び使
用時には、ピストンリング１５が全周一様な断面であれ
ば、最大応力ｆ、は合い口すきまＣの対向側即ち反対側
の部位に掛かることになる。詳しくは、ピストンリング
１５の外周側には引張応力りが掛かり、また、ピストン
リング１５の内周側には圧縮応力ｊが掛かる。該最大応
力「３、合いロアに掛かる張力Ｗ、及び面圧Ｐは、次式
で表すことができる。

２．３５　　（Ｄ−Ｔ）” １４．１４（Ｄ／Ｔ−１） Ｐ＝２００Ｗ／ＤＢ 但し、Ｅ；ヤング率を示す。

従来、実開昭６１−２９０４０号公報には、セラミック
製リングが開示されている。該セラミック製リングは、
ピストン頂面に最も近いトップリング溝に、複数に分割
したセラミック製リングと、このリングの内側に位置し
て拡張力を付与する金属製リングとを嵌め付けたもので
ある。

また、特開昭６３−９２８６８号公報に開示されたセラ
ミック製ピストンリングは、外周面側の部分を強度の大
きいセラミック材料で構成し、内周面側の部分を強度の
小さいセラミック材料から構成したものであり、その製
造方法は、第１素材を押圧成形し、次いで第２素材を第
１素材の軸方向の面を接触させた状態で押圧成形し、こ
れらの素材を焼結して製造したものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、金属のヤング率Ｅは、２１０００　ｋｇ／ｍ
ｍ”であり、セラミック材料である窒化珪素（ＳｉＪ４
）のヤング率Ｅは、３００００　ｋｇ／ｍｍ”である、
従って、セラミック材料等の高弾性率を有する材料でピ
ストンリングを製作した場合に、ヤング率Ｅが大きいた
め、使用時にピストンリングの合い口すきまＣの対向側
に掛かる最大応力ｆ、が大きくなり、ピストンリングの
折損等の原因になる。そこで、ピストンリングに掛かる
最大応力ｆ１を小さくするには、セラミック材のピスト
ンリングは金属材のピストンリングよりも、厚さＴ及び
自由合い口すきましを小さ（形成しなければならない。

しかしながら、ピストンリングの厚さＴ及び自由合い口
すきましを小さい寸法で形成すると、張力Ｗ及び面圧Ｐ
は小さくなってしまう。そのため、ピストンリングの機
能である気密保持、潤滑油調整、熱伝達等の問題が発生
する。

前掲実開昭６１−２９０４０号公報に開示されたセラミ
ック製リングは、複数に分割したセラミック製リングを
金属製リングで拡張力を付与してい名が、セラミック製
リングは自由状態から使用状態にセントされた場合には
、従来と同様に、セラミック製リングには第１１図に示
すような太きな応力を付与された状態になるから、従来
の重体のセラミック製ピストンリングと同様に強度上の
問題点を有していることは明らかである。

この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、
セラミック材料の特性である圧縮弾度が引張強度よりも
大きいこと、金属材料がセラミック材料よりも強度上強
いこと、セラミック材料が金属材料に比較して摺動特性
及び耐摩耗性に関して優れていることに着眼し、ピスト
ンリングをセラミック製リング部分でシリンダに対する
摺動面を提供し且つ該セラミック製リング部分に使用時
に掛かる応力を無くして強度上の問題を解決し、更に、
金属製リング部分でピストンのリング溝に対して面圧を
受は持つ上下面を提供すると共にシリンダに対するピス
トンリング摺動面を押圧状態に設定する作用を持たせて
、ピストンリングの強度と摺動特性及び耐摩耗性を向上
させると共に、ピストンリングの気密保持、潤滑油調整
、熱伝達等の特性を向上させるピストンリングの製造方
法を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、上記の目的を達成するために、次のように
構成されている。即ち、この発明は、自由合い口すきま
を合い口すきまになるまで外径を縮径した使用状態に維
持した金属製リング本体の外周部に、スパッタリング等
の薄膜形成法によってセラミック層を接合したことを特
徴とするピストンリングの製造方法に関する。

また、このピストンリングの製造方法は、前記リング本
体の外周部と前記セラミック層の内周部との境界部分を
内周部から外周部に向かってセラミック材の含有率が漸
次に多くなる構造に製作したものである。

〔作用〕

この発明によるピストンリングの製造方法は、以上のよ
うに構成されており、次のように作用する。即ち、この
ピストンリングの製造方法は、外径を縮径した使用状態
に維持した金属製リング本体の外周部にセラミック層を
接合したので、ピストンリングの自由状態ではセラミッ
ク層に大きな応力が付与されているが、使用状態ではセ
ラミック層には応力が掛かっておらず、セラミック材料
の強度上の問題を解決することができる。従って、セラ
ミック層のリング部分でシリンダに対する摺動面を提供
して摺動特性及び耐摩耗性を向上させることができ、更
に、金属製リング部分でピストンのリング溝に対して面
圧を受は持つ上下面を提供すると共にシリンダに対する
ピストンリング摺動面を押圧状態に設定する作用を持た
せてピストンリングの気密保持、潤滑油調整、熱伝達等
の特性を向上させることができる。

また、前記リング本体の外周部と前記セラミック層の内
周部との境界部分を、内周部から外周部に向かってセラ
ミック材の含有量が漸次に多くなった構造に製作したの
で、前記リング本体の外周部と前記セラミック層の内周
部との接合強度を向上できる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明によるピストンリング
の製造方法の実施例を詳述する。

第１図はこの発明による製造方法によって製作したピス
トンリングの一例を示す断面図、第３図は第１図のピス
トンリングの使用状態における平面図、及び第４図は第
１図のピストンリングの自由状態を示す平面図である。

この発明によるピストンリングの製造方法は、自由合い
口すきましを使用状態の合い口すきまＣになるまで外径
Ｄ２を縮径した使用状態に維持した金属製リング本体を
構成する内周リング部分２の外周部に、スパッタリング
、化学蒸着（ＣＶＤ）等の薄膜形成法によってセラミッ
ク層である外周リング部分１を接合したものである。

まず、金属製リング本体即ち内周リング部分２に対して
、第５図に示すように、自由合い口すきましを使用状態
の合い口すきまＣになるまで外径Ｄ２を縮径した使用状
態を作るため、例えば、第６図に示すような、金属製リ
ング本体の縮径工具を用いる。該縮径工具における上下
の挟持部材１１．１２によってピストンリングの金属製
リング本体である内周リング部分２の上下面８．９を暖
く挟持し、次いで、適当な工具によって内周リング部分
２の自由合い口すきましが使用状態の合い口すきまＣに
なるまで外径Ｄｔを縮径して使用状態の時のサイズを作
る。ここで、ピストンリングの使用状態とは、該ピスト
ンリングをピストンのピストンリング溝に嵌入し、該ピ
ストンリングを嵌入したピストンをシリンダ内に挿入装
填した状態をいうものであり、この使用状態でのピスト
ンリングは、第３図に示すように、呼び径Ｄ１、合い口
すきまＣとなる。内周リング部分２を使用状態にまで縮
径した状態で、該内周リング部分２の上下面８．９を上
下の挟持部材１１．１２によって不動の状態になるまで
、例えば、第６図に示すように、ポル１−１４及びナツ
ト１３によって強固に緊締する。上記のように、内周リ
ング部分２の使用状態を再現した状態で、該内周リング
部分２の外周部１０に、スパッタリング、化学蒸着（Ｃ
ＶＤ）等の薄膜形成法によってセラミック材料の薄膜を
形成するために、使用状態に保持した状態の該内周リン
グ部分２をスパッタリング、化学蒸着（ＣＶＤ）等のセ
ラミック材ｆ４の薄膜形成炉に収容する。該薄膜形成炉
において、反応性ガスを用いて内周リング部分２の外周
部１０に対してスパツタリング等を行い、内周リング部
分２の外周部１０に、例えば、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）
等のセラミック層即ち外周リング部分ｌを密着状態に接
合して形成する。この状態では、内周リング部分２と外
周リング部分１とから成るピストンリングは、第３図に
示すように、使用状態と同一サイズに形成され、呼び径
はり、及び合い口すきまはＣに形成されている。次いで
、薄膜形成炉から取り出し、縮径工具におけるボルト１
４、ナツト１３による上下の挾持部材１１１２の緊締状
態を緩めて、縮径工具からピストンリングを取り外して
製造行程を終了する。この状態でのピストンリングは、
第４図に示すように、自由状態であり、呼び径はＤ及び
自由合い口すきまはＬに形成されている。

上記のように、ピストンリングを内周リング部分２と外
周リング部分工とから製作したので、ピストンリングに
掛かる応力については、自由状態では、第８図に示すよ
うに、外周リング部分１のセラミック層に大きく付与さ
れているが、これに対して、ピストンリングがシリンダ
内で過酷な往復運動を行う使用状態では、第７図に示す
ように、外周リング部分１のセラミック層には応力が付
与されて１いないので、セラミック層が原因で使用中に
ピストンリングが折損等を引き起こすことがなく、強度
上の問題が解決される。しかも、ピストンリングがシリ
ンダ壁面に対して摺動面となるのは、セラミック層から
形成されているので、ピストンリングの摺動特性を向上
でき、耐摩耗性を向上できる。しかも、シリンダの壁面
に対するピストンリングの接触力は、金属製リング部材
の内周リング部分２によって十分に与えられるので、気
密保持、潤滑油調整、熱伝達等の特性を向上させること
ができる。

第１図において、この発明によるピストンリングの製造
方法によって製作したピストンリングが示されている。

このピストンリングは、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ＊）等のセ
ラミック材料から製作された外周部位に配置された外周
リング部分ｌと、金属材料から製作された外周部位に配
置された内周リング部分２とから構成され、第４図に示
すように、自由状態では合いロアは自由合い口すきまＬ
を存している。そして、外周リング部分１と内周リング
部分２との境界面４は、互いに密着状態に接合されてい
る。更に、セラミック類の外周リング部分１の厚さＴ１
は、図では誇張して作図されているが、内周リング部分
２に比較して厚さは極めて薄い薄膜に形成されているも
のである。また、金属製の内周リング部分２の厚さＴ、
は、厚さが厚く製作され、全体としてピストンリングは
所定の合計の厚さＴに構成される。

更に、このピストンリングについては、外周リング部分
１の外周面３がシリンダのライナに対して摺動面を提供
するものである。また、内周リング部分２については、
外周リング部分１の内周部に密着状態に接合され、ピス
トンに形成されたピストンリング溝に接触嵌入して面圧
を受ける上下面８．９を形成している。

このピストンリングは、上記のように、セラミック類の
外周リング部分１と金属製の内周リング部分２から成る
複合構造から上記の製造方法によって構成されているの
で、ピストンリングの自由状態では、例えば、第８図に
示すような応力部分となっているものであり、セラミッ
ク層である外周リング部分ｌには全体として圧縮応力ｇ
が付与され、金属製の内周リング部分２の外周部にはセ
ラミック層によって発生する引張応力が且つ内周部には
圧縮応力が付与される場合もあるが、内周リング部分２
の外周部には小さな内部圧縮応力ｄが且つ内周部には内
部引張応力ｅが付与されている。このピストンリングに
ついて、第３図に示すように、該ピストンリングをピス
トンのピストンリング溝に嵌め込んでシリンダのライナ
に挿入した使用状態において、ピストンリングの自由状
態の呼び径りは、自由合い口すきましから使用状態の合
い口すきまＣにまで呼び径、Ｄ　＋が縮小された状態に
なり、ピストンリングの外周リング部分１の外周面３が
シリンダのライナ壁面に密接した状態に組み込まれて摺
動面を提供する。また、内周リング部分２の上下面８．
９は、ピストンの往復運動工程時に、面圧力を受け、シ
ール性即ち気密保持の機能を確保する［を果たしている
。そして、ピストンリングの使用状態において、ピスト
ンリングの合いロアと反対側の部位に発生する応力分布
は、第７図に示すように、外周リング部分１の外周部に
応力が付与されない状態になり、また、内周リング部分
２の外周部に引張応力ａが且つ内周部に圧縮応力すのス
トレスが付与される。

従って、従来のピストンリング１５が、第１１図に示す
ように、使用状態で外周部に大きな引張応力りが且つ内
周部に大きな圧縮応力ｊが付与された状態になり、ピス
トンリング１５をセラミック材料で製作した場合には強
度上の問題が発生するが、この発明により製作したピス
トンリングは、該ピストンリングを構成するセラミック
製の外周リング部分１が、上記のような使用状態で応力
を殆ど受けていない状態に構成されるので、ピストンリ
ングの破壊、折損等の強度上の問題は発生しない。しか
も、セラミック製の外周リング部分１が、シリンダに対
する摺動面を提供するので、摺動特性を向上させること
ができる。

次に、この発明によるピストンリングの製造方法の別の
実施例について、第２図を参照して説明する。この例に
示すピストンリングは、外周リング部分ｌと内周リング
部分２との境界部４における構造が相違する以外は、第
１図に示した実施例のものと全く構成及び機能は同一の
ものであるので、同一の構成及び機能を有する要素には
同一の符号を付して、それらの説明は省略する。即ち、
金属製リング本体である内周リング部分２の外周部と、
セラミック層である外周リング部分１の内周部との境界
部４は、セラミンク層と金属層が混合している状態であ
り、該境界部４の内周部５から外周部６に向かってセラ
ミック材の含存量が漸次に多くなった構造を有している
ものである。この製造方法において、ピストンリングの
境界部４に対して、セラミック材料の含［１の相違した
構造を製作するには、例えば、スパッタリングを行う時
に、時間経過に応して反応性ガスの組成を変化させてス
パッタリングを行うことによって達成してもよく、或い
は、内周リング部分２の外周部の構造を内周部から外周
部に向かって漸次にポーラスの状態が大きくなるように
構成しておき、該内周リング部分２に対してセラミック
材料のスパッタリングを行って達成することもでき、又
は逆にセラミック材料のポーラスな内周部に金属材が浸
入した状態に製作してもよいものである。

〔発明の効果〕

この発明によるピストンリングの製造方法は、以上のよ
うに構成されているので、次のような効果を有する。即
ち、この発明は、自由合い口すきまを合い口すきまにな
るまで外径を縮径した使用状態に維持した金属製リング
本体の外周部に、スパッタリング等の薄膜形成法によっ
てセラミック層を接合したので、完成したピストンリン
グの自由状態ではセラミック層に大きな圧縮応力が付与
されているが、該セラミック製ピストンリングをピスト
ンのピストンリング溝に嵌め込んでシリンダに装着した
使用状態ではセラミック層には該圧縮応力は解消され掛
かっていない状態になり、セラミック材料に関する強度
上の問題は解決でき、最も強度を必要とする部分即ち合
い口の反対側の部分は十分な強度に耐えることができる
。従って、セラミンク層のリング部分でシリンダに対す
る摺動面を提供して摺動特性及び耐摩耗性を向上させ、
所定の強度レベルを保障することができ、高い信頼性の
あるピストンリングを提供することができる。更に、金
属製リング部分でピストンのリング溝に対して面圧を受
は持つ上下面を提供すると共にシリンダに対するピスト
ンリング摺動面を押圧状態に設定する作用を持たせてピ
ストンリングの気密保持、潤滑油調整、熱伝達等の特性
を向上させることができ７る。

また、前記リング本体の外周部と前記セラミック層の内
周部との境界部分を、内周部から外周部に向かってセラ
ミック材の含有、量が漸次に多（なった構造に構成した
ので、前記リング本体の外周部と前記セラミック層の内
周部との境界部における金属材料とセラミック材料との
接合強度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるピストンリングの製造方法によ
って製作したピストンリングの一例を示す断面図、第２
図はこの発明によるピストンリングの製造方法によって
製作したピストンリングの別の例を示す断面図、第３図
はこの発明によるピストンリングの製造方法によって製
作したピストンリングの使用状態を示す平面図、第４図
は第３図のピストンリングの自由状態を示す平面図、第
５図はこの発明によるピストンリングの製造方法におけ
る金属製リング本体の使用状態の形状を示す平面図、第
６図は第５図の使用状態を作るピストンリングの縮径工
具の一例を示す説明図、第７図は第３図のピストンリン
グの合い口の反対側の部分である線Ａ−Ａにおける応力
状態を示す説明図、第８図は第４図のピストンリングの
合い口の反対側の部分である線Ｂ−Ｂにおける応力状態
を示す説明図、第９図は従来の基本的なピストンリング
を示す平面図、第１０図は従来の基本的なピストンリン
グの応力分布を示す説明図、第１１図は第１０図の線Ａ
−Ａにおける応力分布を示す説明図、及び第１２図は第
９功のピストンリングの断面図である。 １−・・−外周リング部分、２−　内周リング部分、３
−一一一一外周面、４・・−−−−一境界部、５・・−
・・内周部、６外周部、７−　・合い口、８．９−−−
一上下面、１０　・−・・外周部、Ｂ−・−リングの幅
、Ｃ−一一−−合い口すきま、Ｄ、　Ｄ、−−−−一呼
び径、Ｄ２・−−−ｍ−外径、Ｌ−・−・・自由合い口
すきま、Ｔ−〜−−−−−リングの厚さ。 出願人　　　いす−自動車株式会社 代理人　　弁理士　尾　仲　−宗 １図 第　　２　　図 第 図 第 図 ３　　図 第　　４　　図 第 ５　　図 第　　６　　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）自由合い口すきまを合い口すきまになるまで外径
   を縮径した使用状態に維持した金属製リング本体の外周
   部に、スパッタリング等の薄膜形成法によってセラミッ
   ク層を接合したことを特徴とするピストンリングの製造
   方法。
2. （２）前記リング本体の外周部と前記セラミック層の内
   周部との境界部分を内周部から外周部に向かってセラミ
   ック材の含有率が漸次に多くなる構造に製作したことを
   特徴とする請求項１に記載のピストンリングの製造方法
   。