JPH04105666U - ピストンリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ピストンリングを軽量化し、かつブローバイ
を少なくする。 【構成】 チタン合金からなるピストンリング本体の少
なくともシリンダライナーと摺動する面に硬質皮膜を施
す。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、内燃機関に用いられる軽量化されたピストンリングに関する。

【０００２】

【従来の技術】

ピストンリングとしては、一般に鋳鉄製のものが使用され、一部には高炭素ス テンレス鋼などのスチール製ものも使用されている。又、ピストンリングにはＣ ｒメッキ、Ｍｏ溶射、フェロクロム溶射などの耐摩耗性、耐焼付性向上のための 表面処理が施されている。

【０００３】 一方、鉄鋼及びアルミニウムと並らぶ代表的工業材料であるチタン合金はリテ ーナ、コンロッドの用途例が知られている（「日経ニューマテリアル）１９９０ ．１２−３号、第６５〜７０頁）が、ピストンリングとして使用することは知ら れていない。

【０００４】 （ピストンリング一般の性質） エンジンの高速回転化のためには、可動部品の軽量化が不可欠であるので、ピ ストンリングの厚さを小さくしたいという要求がある。これは、ピストンリング が薄くなった分ピストンの寸法を小さくできるので、ピストンリングとピストン 両方での軽量化が期待できるからである。 また、エンジンを高速回転化したとき、ピストンリングの重量が大きいと、慣 性力によりピストンリングがフラッタリングを起こし、フローバイが増加するの で、この面からもピストンリングの軽量化が要求されている。 また、ピストンリングは燃焼ガス圧力によりシリンダーに押しつけられるよう な力を受け、この力によってガスをシールしている。またピストンリングはシリ ンダーの変形等に追従して行ける力を常時維持する必要がある。このため、ピス トンリングは、自由状態では真円よりも少し開いた形状に加工され、これをシリ ンダー内径に沿って弾性的に真円に閉じて嵌合される。

【０００５】 （スチールピストンリングの現状） トップリングに関して言えば、１０年前は厚さが１．５〜２．０mmだったもの が、現在では１．５〜１．０mmのものが多く使われるようになってきている。さ らに最近では厚さが０．８mmあるいは０．６mmのトップリングが要求されている 。ところが、ピストンリングを薄肉化すれば、当然ピストンリング溝幅も小さく なり、切削刃物も薄い物を使うことになる。すると、ビビリ等が発生しやすくな り、ピストンの加工精度が十分でなく、シール性を損なうこととなる。このため 、現在では０．６mmがスチールリングの厚さの限界と言われ、これ以上の薄肉化 即ち軽量化は不可能である。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

従来の鉄系材料に代えて、比重の小さいチタンニウム合金をピストンリングに 使用すると、薄肉化をしないで軽量化を実現することができると考えられる。し かしピストンリングの使用条件については、ピストンリングはエンジン内で燃焼 ガスをシールするため、運転時にはその温度が３００℃近くまで昇温すること、 燃焼生成物等がアブレーシブ粒子として存在するため、アブレーシブな摩耗にさ らされることを考慮しなければならない。したがって、チタン合金製ピストンリ ングには優れた高温機械的特性と優れた摺動特性が要求されるが、チタン合金は 摺動特性に劣り、そのままではピストンリングとしては用いることができなかっ た。

【０００７】

【課題を解決するための手段および作用】

本考案はこのような状況に鑑みて実施されたもので、シリンダーとの摺動面に 硬質表面処理を実施することによりチタン合金の摺動特性の不足を補い、大幅に 軽量化したピストンリングを提供する。したがって、本考案は、チタン合金から なるピストンリング本体の、少なくともシリンダーとの摺動面に硬質表面処理を 施したことを特徴とするピストンリングに係わる。 ピストンに装着されて、高圧の燃焼ガスをシールしながらシリンダー内を高速 で上下運動をするピストンリングは３００℃近くまで温度が上昇し、燃焼生成物 等がアプレーシブ粒子として摺動面に存在するため、ピストンリングの摺動条件 は厳しい。このような厳しい摺動条件に耐えるためにはピストンリングは母材の 表面処理上の対策として少なくともシリンダーとの摺動表面には耐摩耗性、耐焼 付性の向上を目的とした硬質表面処理を施すことが不可欠となる。さらに、最近 の高出力エンジンでは燃焼室内の温度が高くなり、ピストン溝とピストンリング の間の凝着、摩耗が問題となることがあるので、ピストン溝と摺動する部分のピ ストンリングにも硬質表面処理を施すことが必要になることもある。

【０００８】 なお、ピストン溝と摺動する部分のピストンリングには硬質表面処理に代えて 自己潤滑性皮膜処理を施すこともできる。 この硬質表面処理皮膜はその使用される条件に応じて、Ｃｒメッキ、Ｆｅ基メ ッキ、Ｎｉ基メッキ等の電解法あるいは無電解法による湿式メッキ皮膜やスパッ タリング法あるいはイオンプレーティング法などによる金属、あるいはそれらの 炭化物、窒化物、酸化物、それらの複合化合物の乾式表面処理から選択すること ができる。これらの皮膜の厚みはＣｒメッキでは１００μｍ程度、イオンプレー ティングでは２０μｍ程度であることが好ましい。

【０００９】 構造用チタン合金はα＋β型合金とβ型合金の２種類に大別される。何れの合 金もピストンリングとして必要な機械的特性を充分満足する。 本考案に係るピストンリングは、トップリング、セカンドリング、オイルリン グの何れか一つにも用いられ、また全部にも用いられる。すなわち、本考案のピ ストンリングと従来のピストンリングも組み合わせも可能であり、全て本考案の ピストンリングとすることもできる。 また、本考案のピストンリングをオイルリングに使用するときは、スチールリ ングの場合と同様に張力を付与する必要があり、バネを組込む必要があり、バネ を組込む必要がある。一方、本考案のピストンリングをトップリングに使用する ときは、バネを組込むのは好ましくない。オイルリングは従来のスチールリング の場合と同様に組合わせリングとすることができる。

【００１０】 また、ピストンリングの寸法は公知の計算公式で計算される。ここで使用され る諸定数のうちＴｉ合金に特有のものは、弾性率Ｅ＝約１１、０００kg/mm²であ る。その他の諸定数は内燃機関の設計により決まる。なお、厚さ（Ｔ寸法）はス チール製ピストンすなわち現用ピストンリングのＴ寸法と同等以下とすることに よりブローバイ量が極めて少ないピストンリングを提供することができる。 本考案のピストンリングは、例えば図１、２に示すようにシリンダーライナー との摺動面に硬質皮膜３を形成したコンプレッションリング１、図３、４に示す 上下面及びシリンダライナーとの摺動面に硬質皮膜３を形成したオイルリング４ 、図５、６に示す全面に硬質皮膜を形成したレール６をステンレス鋼製スペーサ と組み合わせたリックベント５などであり、これら図示以外にも各種形状のピス トンリングとして構成される。

【００１１】

【実施例】

塑性加工性の優れたβ型チタン合金を用いてピストンリングを製作した。熱間 および冷間塑性加工により、断面が１．３mm×３．３mmの線材を得、その後冷間 でピストンリング形状にコイルリングし、溶体化・時効熱処理を実施し、仕上加 工を実施した。このピストンリングの外周面と上下面に、アーク式イオンプレー ティング法によりＣｒとＮの化合物からなる表面処理皮膜を形成した。このよう にして製作したチタン製ピストンリングは、スチール製ピストンリングに比較し て約４５％の軽量化が実現できた。

【００１２】 このピストンリングを実際の４サイクル水冷、容量１３００ccのエンジンに装 着し、従来の鉄系材料（ＪＩＳ−ＳＷＯＳＣ−Ｖ（弁バネ用シリクロム銅オイル テンパー線）＋Ｃｒメッキ）を用いたピストンリングの場合とブローバイ量を比 較した。ここでは、トップリングの軽量化の効果をはっきりさせるために、トッ プリングのみをスチールとチタン合金で入れ代え、セカンド、オイルリングは同 一のスチール材を使用した。図７にはフルロードでの結果を、図８にはノーロー ドでの結果を示す。図７より、鉄系ピストンリングの場合でも、厚さを小さくし てトップリングの重量を小さくすることにより、ブローバイ量が減少しているこ とがわかる。そして、チタン合金を用いてさらに軽量化したピストンリングとす ることにより、一層ブローバイ量が減少することがわかる。

【００１３】 図８に示すように、ノーロードの条件ではフラッタリングがさらに発生しやす いため、高回転域で急激にブローバイ量が増加する。しかし、ピストンリングの 重量を小さくするほど高回転域まで少ないブローバイ量が維持され、ピストンリ ングの軽量化の効果がわかる。そして、ここで用いたチタン合金製ピストンリン グは、試験後も外観に異常はなく、摩耗もほとんど認められなかった。 Ｔｉ合金では硬質処理をしないで上記エンジンに組み込み試験したところ、焼 付を発生して運転することが出来なかった。

【００１４】

【考案の効果】

本考案によれば、耐摩耗性、耐焼付性などについては鉄系ピストンリングと同 等の特性を有し、ブローバイガスやフラッタリングについては鉄系ピストンリン グをしのぐ特性を有するピストンリングが得られる。

【提出日】平成３年４月１８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】 （ピストンリング一般の性質） エンジンの高速回転化のためには、可動部品の軽量化が不可欠であるので、ピ ストンリングの厚さを小さくしたいという要求がある。これは、ピストンリング が薄くなった分ピストンの寸法を小さくできるので、ピストンリングとピストン 両方での軽量化が期待できるからである。 また、エンジンを高速回転化したとき、ピストンリングの重量が大きいと、慣 性力によりピストンリングがフラッタリングを起こし、ブローバイが増加するの で、この面からもピストンリングの軽量化が要求されている。 また、ピストンリングは燃焼ガス圧力によりシリンダーに押しつけられるよう な力を受け、この力によってガスをシールしている。またピストンリングはシリ ンダーの変形等に追従して行ける力を常時維持する必要がある。このため、ピス トンリングは、自由状態では真円よりも少し開いた形状に加工され、これをシリ ンダー内径に沿って弾性的に真円に閉じて嵌合される。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

従来の鉄系材料に代えて、比重の小さいチタン合金をピストンリングに使用す ると、薄肉化をしないで軽量化を実現することができると考えられる。しかしピ ストンリングの使用条件については、ピストンリングはエンジン内で燃焼ガスを シールするため、運転時にはその温度が３００℃近くまで昇温すること、燃焼生 成物等がアブレーシブ粒子として存在するため、アブレーシブな摩耗にさらされ ることを考慮しなければならない。したがって、チタン合金製ピストンリングに は優れた高温機械的特性と優れた摺動特性が要求されるが、チタン合金は摺動特 性に劣り、そのままではピストンリングとしては用いることができなかった。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】 構造用チタン合金はα＋β型合金とβ型合金の２種類に大別される。何れの合 金もピストンリングとして必要な機械的特性を充分満足する。 本考案に係るピストンリングは、トップリング、セカンドリング、オイルリン グの何れか一つにも用いられ、また全部にも用いられる。すなわち、本考案のピ ストンリングと従来のピストンリングも組み合わせも可能であり、全て本考案の ピストンリングとすることもできる。 また、本考案のピストンリングをオイルリングに使用するときは、スチールリ ングの場合と同様に張力を付与する必要があり、バネを組込む必要がある。一方 、本考案のピストンリングをトップリングに使用するときは、バネを組込むのは 好ましくない。オイルリングは従来のスチールリングの場合と同様に組合わせリ ングとすることができる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】 また、ピストンリングの寸法は公知の計算公式で計算される。ここで使用され る諸定数のうちＴｉ合金に特有のものは、弾性率Ｅ＝約１１、０００kg/mm²であ る。その他の諸定数は内燃機関の設計により決まる。なお、厚さ（Ｔ寸法）はス チール製ピストンリングすなわち現用ピストンリングのＴ寸法と同等以下とする ことによりブローバイ量が極めて少ないピストンリングを提供することができる 。 本考案のピストンリングは、例えば図１、２に示すようにシリンダーライナー との摺動面に硬質皮膜３を形成したコンプレッションリング１、図３、４に示す 上下面及びシリンダライナーとの摺動面に硬質皮膜３を形成したオイルリング４ 、図５、６に示す全面に硬質皮膜を形成したレール６をステンレス鋼製スペーサ と組み合わせたリックベント５などであり、これら図示以外にも各種形状のピス トンリングとして構成される。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】 このピストンリングを実際の４サイクル水冷、容量１３００ccのエンジンに装 着し、従来の鉄系材料（ＪＩＳ−ＳＷＯＳＣ−Ｖ（弁バネ用シリクロム鋼オイル テンパー線）＋Ｃｒメッキ）を用いたピストンリングの場合とブローバイ量を比 較した。ここでは、トップリングの軽量化の効果をはっきりさせるために、トッ プリングのみをスチールとチタン合金で入れ代え、セカンド、オイルリングは同 一のスチール材を使用した。図７にはフルロードでの結果を、図８にはノーロー ドでの結果を示す。図７より、鉄系ピストンリングの場合でも、厚さを小さくし てトップリングの重量を小さくすることにより、ブローバイ量が減少しているこ とがわかる。そして、チタン合金を用いてさらに軽量化したピストンリングとす ることにより、一層ブローバイ量が減少することがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】コンプレッションリングの図である。

【図２】表面に硬質皮膜を施したチタン合金からなるコ
ンプレッションリングの断面図である。

【図３】オイルリングの図である。

【図４】表面に硬質皮膜を施したチタン合金からなるオ
イルリングの断面図である。

【図５】リックベントの図である。

【図６】表面に硬質皮膜を施したチタン合金からなるレ
ールの断面図である。

【図７】４／４負荷で各種ピストンリングのブローバイ
を測定した図である。

【図８】０／４負荷で各種ピストンリングのブローバイ
を測定した図である。

【符号の説明】

１ コンプレッションリング ２ チタン合金 ３ 硬質皮膜 ４ オイルリング ５ リックベント ６ レール ７ ステンレススペーサ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 チタン合金（２）からなるピストンリン
   グ本体の、少なくともシリンダーとの摺動面に硬質被膜
   （３）を施したことを特徴とするピストンリング。