JPH0533866A

JPH0533866A - 組合せオイルリング

Info

Publication number: JPH0533866A
Application number: JP21001791A
Authority: JP
Inventors: Masao Ishida; 政男石田
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1991-07-26
Filing date: 1991-07-26
Publication date: 1993-02-09

Abstract

(57)【要約】【目的】サイドレール外周、オイルリング溝内壁、ス
ペーサエキスパンダのサイドレールとの接触部のいずれ
の摩耗量も低減することができる３ピース型の組合せオ
イルリングを提供する。【構成】上下のサイドレール１３、１５の外周面にの
みイオン窒化処理による窒化処理層２１を形成して、サ
イドレール外周の摩耗を防止し、かつ、オイルリング溝
内壁の摩耗を防止する。また、サイドレール１３、１５
の間に配置するスペーサエキスパンダ１７には、少なく
ともサイドレール１３、１５の内周と接触する部分に窒
化処理層３３を形成して、スペーサエキスパンダ１７の
摩耗を防止し、張力が減退することを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関やコンプレッ
サなどのピストンに装着され、オイルコントロールを行
なう組合せオイルリングに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、内燃機関は、ますます高性能化さ
れ、高速、高荷重のものが開発されている。これに伴っ
て、シリンダやピストンリング等の摺動部材の耐熱性、
耐摩耗性、耐焼き付き性等を向上させるべく様々な改善
がなされている。最近では、これに加えて燃料消費量
や、潤滑油消費量の一層の低減が求められている。この
ため、特にガソリンエンジン等においては、３ピース型
の組合せオイルリングが多用されるようになってきた。

【０００３】３ピース型の組合せオイルリングは、上下
２本のサイドレールの間にスペーサエキスパンダを配置
した構造をなし、上下レールが別々であるので、ボアの
微小な変形にも追従しやすく、上下レールがピストンの
オイルリング溝の上面にも下面にも接触するので、シー
ル効果に優れており、上下レールの合い口を180 °ずら
せて組み付けることができるので、合い口のところが開
くということがなく、その結果、潤滑油消費量の低減が
図られるという利点を有している。

【０００４】図７には、このような組合せオイルリング
の一例が示されている。この組合せオイルリング１１
は、環状のサイドレール１３、１５を上下に配し、この
サイドレール１３、１５の間に断面がコ字状をなすスペ
ーサエキスパンダ１７を圧縮した状態で装着したもので
ある。サイドレール１３、１５としては、シリンダボア
との摺動に対して耐久性をもたすために、マルテンサイ
ト系ステンレス鋼などが用いられている。スペーサエキ
スパンダ１７としては、サイドレール１３、１５に比べ
てより高いバネ性、靭性をもたす必要があるために、オ
ーステナイト系ステンレス鋼などが用いられている。な
お、スペーサエキスパンダ１７には、潤滑油をオイルリ
ング溝内に導く役割をなす切欠き１９が形成されてい
る。

【０００５】サイドレール１３、１５は、耐摩耗性を向
上させるために、その表面の全体あるいは部分的に硬質
被膜２１を形成することが多く行われている。例えば、
特開昭５８−１３６７７１号には、サイドレールの全表
面に窒化層を設けることが開示されており、実開昭５３
−１４７３０９号には、サイドレールの内周面及び外周
面に焼き入れ又は窒化処理による硬化層を形成すること
が開示されている。更に、スペーサエキスパンダ１７
も、サイドレール１３、１５との接触面等において耐摩
耗性を付与するため、硬質被膜を形成することが行われ
ている。例えば、実開昭５３−１４７３０８号には、ス
ペーサエキスパンダの外表面に焼き入れ又は窒化処理に
よる硬化層を形成することが開示されており、また、特
開昭５８−５４５６号には、サイドレールとスペーサエ
キスパンダの両方に軟窒化処理を施すことが開示されて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
５８−１３６７７１号、特開昭５８−５４５６号に示さ
れるように、サイドレールの表面の全体を窒化処理した
場合には、サイドレールが脆化してクラックなどが生じ
やすくなり、また、サイドレールとピストンのオイルリ
ング溝との接触により、オイルリング溝が摩耗しやすく
なるという問題点があった。

【０００７】また、実開昭５３−１４７３０９号に示さ
れるように、サイドレールの内周面及び外周面に窒化処
理を施した場合は、表面全体を窒化処理する場合に比べ
て、脆化の問題は軽減されるが、内周面が硬質となるこ
とにより、オイルリング溝の摩耗という問題は解決され
なかった。すなわち、オイルリング溝の上下の内壁に
は、サイドレールの内周面及び合い口の内周角部が当た
りやすく、これらによってオイルリング溝が削られるか
らである。

【０００８】更に、実開昭５３−１４７３０８号、特開
昭５８−５４５６号に示されるように、スペーサエキス
パンダの外表面に窒化処理を施した場合には、サイドレ
ールとの接触面における耐摩耗性は向上するが、サイド
レールも窒化処理されたものである場合には、より硬質
なサイドレールによる摩耗を防止しきれず、十分な耐摩
耗性を得ることはできなかった。なお、スペーサエキス
パンダが摩耗すると、オイルリングの張力が低下して、
オイル消費量が増大する。

【０００９】したがって、本発明の目的は、サイドレー
ルを脆化させることなく、耐摩耗性を向上させ、オイル
リング溝の摩耗を防止し、かつ、スペーサエキスパンダ
の摩耗も少なくして、優れた耐久性を付与した組合せオ
イルリングを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、上下２本のサイドレールの間にスペーサ
エキスパンダを配置した３ピース型の組合せオイルリン
グにおいて、前記サイドレールの外周にのみイオン窒化
処理を施し、かつ、前記スペーサエキスパンダの少なく
とも前記サイドレールの内周と接触する部分に窒化処理
を施したことを特徴とする。

【００１１】また、本発明の好ましい態様においては、
前記サイドレールがＣｒ１３〜２２％を含む焼戻マルテ
ンサイト系ステンレス鋼からなり、前記スペーサエキス
パンダがオーステナイト系ステンレス鋼からなる。

【００１２】以下、本発明について更に詳細に説明す
る。

【００１３】本発明の組合せオイルリングにおいて用い
られるサイドレールは、その外周面にのみイオン窒化処
理が施される。イオン窒化法は、低真空中で窒素ガス単
体又は窒素ガスと微量の炭化水素系ガスの混合ガスを使
って、グロー放電させて窒化又は軟窒化する方法であ
る。より具体的に説明すると、例えば炉内を10^-2〜10^-3
Torr程度まで真空にした後、窒素と水素の混合ガスを導
入し、炉内圧力を処理条件に合わせて１〜10Torrにコン
トロールする。この中で炉体を陽極とし、処理品を陰極
として、両者間にグロー放電を発生させることにより、
イオン化した窒素を加速して、高速度で処理品に衝突さ
せ、処理品の表面を窒化する方法である。本発明におい
ては、イオン窒化法を採用することにより、例えば後述
する実施例に記載された方法により、サイドレールの外
周面にのみ効率的に窒化処理を施すことができる。

【００１４】このイオン窒化法は、短時間の処理で厚
い窒化層が得られる、処理温度が低い、表面に化合
物層が生成しない、イオン窒化層の摩擦係数は、他の
窒化処理層に比べて小さい、Ｈ⁺ 、Ｎ⁺ イオンのスパ
ッタリング作用により前処理の必要がない、無公害で
ある、という優れた利点を有している。また、サイドレ
ールの材質として焼戻マルテンサイト系ステンレス鋼を
用いた場合には、窒化層としてFe₄Nの単層が形成され、
疲れ強さの限界が高く、耐久性に優れた硬質被膜とする
ことができる。

【００１５】また、本発明では、上下２本のサイドレー
ルの間に配置されるスペーサエキスパンダの少なくとも
サイドレール内周との接触部分にも窒化処理が施され
る。スペーサエキスパンダに施される窒化処理は、イオ
ン窒化処理に限定されることはなく、ガス窒化法、塩浴
軟窒化法、ガス軟窒化法など、公知の各種方法を採用す
ることができる。この場合、スペーサエキスパンダの上
記サイドレールとの接触面だけに窒化処理を施してもよ
く、あるいはスペーサエキスパンダの全表面に窒化処理
を施してもよい。

【００１６】なお、本発明において、窒化層の厚さは、
特に限定されないが、サイドレール外周面においては、
30〜90μｍが好ましく、スペーサエキスパンダの上記サ
イドレールとの接触面においては、12〜25μｍとするこ
とが好ましい。

【００１７】サイドレールは、シリンダボアと接触する
ため、耐熱性、耐摩耗性に優れた材質が好ましく、例え
ばＣｒ１３〜２２％を含む焼戻マルテンサイト系ステン
レス鋼が好ましく採用される。この焼戻マルテンサイト
系ステンレス鋼を用いた場合には、前述したように、イ
オン窒化層としてFe₄Nの単層が形成されるという利点が
得られる。また、スペーサエキスパンダは、サイドレー
ルに張力を付与するため、耐熱性、耐摩耗性とともに、
バネ性及び靭性に優れた材質が好ましく、例えばオース
テナイト系ステンレス鋼が好ましく採用される。

【００１８】

【作用】本発明の組合せオイルリングは、サイドレール
の外周面、すなわちシリンダボアとの接触面にのみイオ
ン窒化処理を施し、サイドレールの内周面及び上下面に
はイオン窒化処理を行なわないので、サイドレールの脆
化を防止して耐久性を維持することができる。

【００１９】また、オイルリング溝の内壁と接触するサ
イドレールの上下面や内周部分、合い口の端面などは、
窒化処理されていないので、オイルリング溝の摩耗も防
止できる。

【００２０】一方、サイドレールがスペーサエキスパン
ダと接触する部分も窒化処理されていないが、一般に、
サイドレールの材質は、スペーサエキスパンダの材質よ
りも硬質のものが採用されるので、そのままでは、スペ
ーサエキスパンダの摩耗を防止できない。

【００２１】本発明では、スペーサエキスパンダの少な
くともサイドレールの内周と接触する部分に窒化処理を
施したことにより、スペーサエキスパンダの摩耗も防止
することができ、摩耗によるスペーサエキスパンダの張
力の低下を防止することができる。

【００２２】このように、本発明によれば、ボアと接触
するサイドレールの外周面においてはイオン窒化処理に
よる耐摩耗性をもたせ、オイルリング溝と接触する部分
においては窒化処理を行わずにオイルリング溝の摩耗を
防止し、スペーサエキスパンダとの接触部分において
は、サイドレールに窒化処理を施さず、スペーサエキス
パンダに窒化処理を施すことによって、スペーサエキス
パンダの摩耗を防止し、これらの作用によって耐久性に
優れ、オイル消費量を長期に亙って低く維持できる組合
せオイルリングを提供することができる。

【００２３】

【実施例】図１には、本発明の組合せオイルリングの一
実施例が示されている。

【００２４】この組合せオイルリング３１は、上下２本
の厚さ0.5mm 程度の薄いスチールリボンによって形成さ
れた環状のサイドレール１３、１５を上下に配し、この
サイドレール１３、１５の間に断面がコ字状をなすスペ
ーサエキスパンダ１７を圧縮した状態で装着したもので
ある。

【００２５】サイドレール１３、１５は、Ｃｒ１３〜２
２％を含む焼戻マルテンサイト系ステンレス鋼からな
り、その外周面、すなわち、シリンダボアに接触する部
分にのみイオン窒化法により窒化処理が施され、窒化処
理層２１が形成されている。このため、サイドレールの
表面全体に窒化処理を施した場合に比べて、脆化を防止
して耐久性を向上させることができる。なお、窒化処理
の施されていない面、すなわちサイドレール１３、１５
の外周面以外の面には、必要に応じて、なじみ性をもた
せるように四三酸化鉄層の形成、パーカライジング、す
ずめっき等による表面処理を施してもよい。

【００２６】スペーサエキスパンダ１７は、オーステナ
イト系ステンレス鋼からなり、所定間隔で切欠き１９が
形成されており、サイドレール１３、１５でかき集めら
れた潤滑油をオイルリング溝内に導くようになってい
る。スペーサエキスパンダ１７の内周側には耳部２３が
形成されており、この耳部２３が上下に配置されたサイ
ドレール１３、１５と係合するようになっている。な
お、スペーサエキスパンダ１７の形状は、図示した断面
コ字状のものに限定されることはなく、波形スペーサエ
キスパンダなど他の形状のものを採用してもよい。

【００２７】スペーサエキスパンダ１７のサイドレール
１３、１５との接触部分、特に上記耳部２３には窒化処
理が施され、窒化処理層３３がそれぞれ形成されてお
り、より硬度の高い材質からなるサイドレール１３、１
５との接触によるスペーサエキスパンダ１７の摩耗を防
止している。なお、スペーサエキスパンダ１７に窒化処
理を施す場合には、ガス窒化法、塩浴軟窒化法、ガス軟
窒化法など各種方法を採用することができる。また、ス
ペーサエキスパンダ１７は、その表面全体に窒化処理を
施してもよい。

【００２８】図２には、図１に示す組合せオイルリング
をピストンのオイルリング溝内に装着した状態が示され
ている。

【００２９】ピストンのオイルリング溝３５内に装着さ
れた組合せオイルリング３１は、スペーサエキスパンダ
１７の拡張力によって、その外周面がシリンダボア３７
に圧接され、余分なオイルをかき落とす。このとき、サ
イドレール１３、１５の外周面にはイオン窒化法による
窒化処理層が形成されているため摩耗を防止することが
できる。

【００３０】一方、スペーサエキスパンダ１７の拡張力
は、サイドレール１３、１５を上下に押す方向にも作用
し、サイドレール１３の内周側の上面をオイルリング溝
３５の内壁上面に、サイドレール１５の内周側の下面を
オイルリング溝３５の内壁下面にそれぞれ圧接させる。
このとき、サイドレール１３、１５の外周面以外の部分
には窒化処理層が形成されていないので、リング溝３５
の内壁の摩耗を防止することができる。

【００３１】また、サイドレール１３、１５内周の合い
口部分にも窒化処理層が形成されていないので、合い口
部分がオイルリング溝３５の内壁に接触することによる
オイルリング溝３５の摩耗も防止される。

【００３２】一方、スペーサエキスパンダ１７の耳部２
３のサイドレール１３、１５との接触部分には窒化処理
層３３が形成されているので、サイドレール１３、１５
との接触によるスペーサエキスパンダ１７の摩耗を防止
することができ、スペーサエキスパンダの摩耗による張
力の低下を防止できる。

【００３３】実験例１図３に示すように、焼戻マルテンサイト系ステンレス鋼
からなるサイドレール４３を、支持板４１上に立設され
た円筒４７外周に巻き付けて上下に積層し、その上面に
押え板４５を載置して、サイドレール４３を上下に密着
させた。この状態でサイドレール４３の外方から外周面
４３ａに対してイオン窒化法により窒化処理を行ない窒
化処理層を形成した。

【００３４】図４には、この方法によって窒化処理を行
なったサイドレール４３が示されている。サイドレール
４３は、上下に密着した状態で外周面４３ａに窒化処理
がなされるので、サイドレール４３の上下面及び内周面
４３ｂには窒化処理はなされず、サイドレール４３の外
周面４３ａにのみ窒化処理層２１が形成される。

【００３５】図５には、図３におけるサイドレール４３
の積層位置Ａ〜Ｅと、各位置において形成された窒化処
理層の深さとの関係が示されている。すなわち、図３に
おけるＡ〜Ｅの箇所からそれぞれサンプルを取出し、そ
れぞれのサイドレール４３に形成された窒化処理層２１
の深さを測定したものである。

【００３６】この結果、サイドレール４３の外周面４３
ａに形成された窒化処理層２１の深さは、サンプル位置
にかかわらず全て60μm 程度であり、サイドレール４３
に対してほぼ均一の深さで窒化処理層２１が形成されて
いることがわかる。

【００３７】図６には、サイドレール４３の外周面４３
ａに形成された窒化処理層２１の外周からの深さと断面
の硬度との関係が示されている。

【００３８】この結果、サイドレール４３の母材の硬度
が Hv372であるのに対して、イオン窒化法による窒化処
理層２１を形成した場合には、窒化処理層２１の外周面
から60μm 程度の深さの箇所では Hv1000 以上の硬度を
示し、イオン窒化処理を施さない場合に比べて硬度が極
めて高いことがわかる。

【００３９】実験例２直径86mm、直列４気筒、2000 cc のエンジンのピストン
に、表１に示すピストンリングを装着し、5200r.p.m.×
W.O.T.×30時間、水温105 ℃、油温125 ℃の条件で運転
を行った。なお、表１中、「ＴＯＰ」はトップリング、
「２ＮＤ」はセカンドリング、「ＯＩＬ」はオイルリン
グ、「総Ｒ」はバレルが円弧状であること、スペーサの
「ピッチ７mm」は耳部と耳部の円周方向の間隔、「Ｂ」
は各リングの厚さ方向の長さ、「Ｔ」は各リングの半径
方向の幅を意味している。なお、サイドレール上下面
は、ベルトサンダー加工なしとした。

【００４０】

【表１】

【００４１】運転終了後、各ピストンリングの摩耗量を
測定した結果を図８に示す。図中、「CYL 」は、エンジ
ンの気筒番号を意味する。また、図の上欄に記載された
値は、４気筒の平均値を意味する。このように、オイル
リングの外周の摩耗量、及びオイルリングのスペーサの
耳部接触摩耗量は、いずれも極めて小さい値にすること
ができた。

【００４２】また、オイルリング溝の摩耗量を測定した
結果を図９に示す。なお、図９において、「F 」はFron
t 、「Th」はThrust、「R 」はRear、「AT」はAnti Thr
ustを表している。サイドレールは、合い口部のピスト
ン側に高さ最大７μｍのバリのあるものを使用した。こ
のように、オイルリング溝の摩耗量は、いずれも検出不
可能であるほど小さいものであった。

【００４３】更に、各ピストンリングの張力減退率を測
定した結果を図１０に示す。このように、オイルリング
の張力減退率は、低く維持することができた。

【００４４】実験例３外周面にのみイオン窒化処理したサイドレールと、表面
が無処理のスペーサエキスパンダと、表面を塩浴軟窒化
処理（タフトライド処理）したスペーサエキスパンダと
を組み合わせ、２種類のオイルリングを作製した。

【００４５】これらのオイルリングを、実験例２と同じ
エンジンのピストンに装着し、実験例２と同じ条件で運
転を行い、スペーサエキスパンダとサイドレールの摩耗
量を測定した。この結果を図１１に示す。

【００４６】このように、スペーサエキスパンダを窒化
処理することにより、スペーサエキスパンダの耳部摩耗
量は大幅に減少し、一方、サイドレール内周摩耗量はわ
ずかに増加する程度であった。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の組合せオ
イルリングによれば、サイドレールの外周面にのみイオ
ン窒化処理を施し、スペーサエキスパンダの少なくとも
サイドレール内周と接触する部分に窒化処理を施したこ
とにより、サイドレール外周、オイルリング溝、スペー
サエキスパンダの耳部のいずれの摩耗量も低減すること
ができ、耐久性に優れ、潤滑油消費量を長期に亙って低
く維持できるオイルリングを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の組合せオイルリングの一実施例を示す
斜視図である。

【図２】図１に示す組合せオイルリングをピストンのオ
イルリング溝内に装着した状態を示す断面図である。

【図３】サイドレールの外周面のみにイオン窒化処理層
を形成する方法を示す説明図である。

【図４】図３に示す方法により窒化処理を施したサイド
レールを示す部分拡大断面図である。

【図５】図３に示す方法により形成された窒化処理層の
深さとサイドレールの積層位置との関係を示す図であ
る。

【図６】図３に示す方法により形成された窒化処理層の
外周からの深さと断面の硬度との関係を示す図である。

【図７】従来の組合せオイルリングの一例を示す斜視図
である。

【図８】エンジンのピストンにピストンリングを装着し
て所定の条件で運転した後、各ピストンリングの摩耗量
を測定した結果を示す図である。

【図９】上記実験においてオイルリング溝の摩耗量を測
定した結果を示す図である。

【図１０】上記実験において各ピストンリングの張力減
退率を測定した結果を示す図である。

【図１１】スペーサエキスパンダに窒化処理を施した場
合と、施さない場合について、上記と同様な実験を行
い、スペーサエキスパンダの耳部接触摩耗量と、サイド
レールの内周接触摩耗量とを測定した結果を示す図であ
る。

【符号の説明】

１３、１５サイドレール１７スペーサエキスパンダ２１窒化処理層２３耳部３１組合せオイルリング３３窒化処理層４３サイドレール４３ａサイドレール外周面４３ｂサイドレール内周面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上下２本のサイドレールの間にスペーサ
エキスパンダを配置した３ピース型の組合せオイルリン
グにおいて、前記サイドレールの外周にのみイオン窒化
処理を施し、かつ、前記スペーサエキスパンダの少なく
とも前記サイドレールの内周と接触する部分に窒化処理
を施したことを特徴とする組合せオイルリング。
【請求項２】前記サイドレールがＣｒ１３〜２２％を
含む焼戻マルテンサイト系ステンレス鋼からなり、前記
スペーサエキスパンダがオーステナイト系ステンレス鋼
からなる請求項１記載の組合せオイルリング。