WO2003014600A1 - Segment de piston en acier - Google Patents

Description

明細書 スチール製ビス トンリング 技術分野

この発明は、 ピス トンリングに関し、 更に詳しくは、 改良されたスチ ール製ビストンリングに関する。

背景技術

往復動内燃機関に使用されるピス トンリングは、 その機能から、 圧力 リングとオイルリングとに区別される。自動車用エンジン等においては、 この圧カリングは、 最も燃焼室側に近く位置する第一圧力リングとその 下部側 （クランク室側） に位置する第二圧力リングからなるものが一般 的である。

第一圧カリングは、 燃焼室に近く高温となること、 潤滑油も十分に供 給されないことから、高強度と優れた摺動特性が要求される。従来では、 摺動面に硬質クロムめつき層を形成させた铸鉄製のビストンリングが多 用されていたが、 近年、 内燃機関はますます高速化、 高出力化、 且つ、 低燃費化を追求する趨勢にあり、 それに伴って、 ピス トンリングへの要 求も過酷なものとなってきている。 そのため、 第一圧力リングでは、 従 来のクロムめつき層を有する铸鉄製ビストンリングでは、 強度面ゃ耐摩 耗特性の面で充分でなくなつてきており、 錶鉄製ビストンリングに代わ つて、 マルテンサイ トステンレス鋼からなるビス トンリング本体に窒化 処理層を施したスチール製ビス トンリングが多く使われるようになった _c 一方、 第二圧力リ ングの摺動環境は、 第一圧力リングに比べて厳しく なく、 今曰でも片状黒鉛铸鉄等の铸鉄製ビス トンリングが使われるのが 一般的でスチール材への移行が遅れていた。 しかし、 地球温暖化防止の 観点から、 自動車エンジンでは一層の低燃費化が求められるようになつ てきており、 ピス トンリングの軽量化が望まれている。

このため、 第一圧力リング同様に第二圧力リングの母材を錶鉄からス チールに変え、 錄鉄製ピス トンリングよりも厚さが薄く軽量なスチール 製ビス トンリングにすることが行われるようになってきている。

ところで、 第一圧力リングと第二圧カリングは燃焼ガスのシール機能 が求められるが、 同時にオイルリングによってシリンダ内周面に塗布さ れた潤滑油をクランクケース側に搔き落とす機能も重要である。それ故、 ピス トンリング上昇工程では該塗布された潤滑油上に乗りやすく、 ビス トンリング下降工程時には、 潤滑油の搔き落としが行なわれ易いように する必要がある。

この必要要件を満たすため、 ピス トンリング外周摺動面をバレル面又 は、燃焼室側に向かって縮径されて傾斜している所謂テーパー面とさせ、 ピス トンリング下側面と外周摺動面で形成される下面側コーナー部は銳 角である所謂シャープエッジが望ましいとされている。 従来の鎵鉄材は 被切削性に優れることから、 このような形状のビストンリングを加工す ることは容易であった。

しかしながら、 第一圧力リング又は第二圧力リングの母材を鎊鉄から スチールに変更すると、 上記のシャープエッジのピス トンリングを製造 することは、 铸鉄材に比べスチール材の被削性が劣るために、 研削や研 磨加工において、 パリの発生が起こりやすく、 生産性を著しく悪化させ ることが解ってきた。

一般的に、 矩形断面のスチール製ビス トンリングの素材となるスチー ル線材は特開平 1一 0 3 5 1 7 3号 「ピス トンリング材の製造方法」 に 記載されているように、 鋼材を伸線及び/又は圧延して製造される。 こ の線材をリング状にコィリングした後切断し、 研磨、 切削等の加工を施 し、 所定寸法のピス トンリングが製造される。

従って、 図 1と図 3に示す如く、 コィリングされただけのピス トンリ ング 1の各コーナー部 2は、 線材時の R面となっており、 シャープエツ ジのピストンリングとするためには、 少なくともピストンリング片側面 全面或いは外周面全面を R量だけ研磨、 切削加工により落とさなければ ならない。

し力 しながら、前述したように、 素材がスチール材であるため、粘く、 被切削粉がビス トンリングから取れにくい、 所謂バリの発生が多くなる ので、 錄鉄素材の時に比べ、 研削速度や一度の研削量を少なくする等の バリ発生を押さえる工夫をしなければならず、 そのため、 加工の生産性 を著しく悪く していた。

一方、 ピス トンリ ングのオイル搔き性能を向上させるため、 特開 2001-124204号公報に開示されるように、 外周摺動面と下側面とのコー ナ部にバレル形状の最頂部迄軸方向に延びかつ合い口で途切れている溝 を設けるピス トンリングは公知である。 しかし、 この溝は半径方向の深 さが 0 . 5 mm以上であり、 通常の中断アンダーカット形状のピス トン リングと称せられるものの一つである。

この公報は、 ピス トンリ ングの材質について、 特に触れていないが、 中断アンダーカツトのビストンリングを作るための切削作業から考えて、 踌鉄製のものであり、 スチール製のビストンリングのための具体的示唆 はない。 この公知技術をスチール製のビストンリングに応用した場合、 前述した如く、 バリの発生を抑えること及び加工生産性に問題を残して いる。

また性能面で言えば、

(1) 大きなアンダーカツ トのために、 合い口部からのオイル消費とブ ローバイガス対策として合い口部でアンダー力ットを中断する必要があ ること、

(2) 大きなアンダーカツトの場合は、 使用状態でネジレが発生するた めに、 内周側にインナ一力ットを設けてバランスさせている。

などの余分な形状を必要とする問題点を有している。

本願は上記問題点に鑑みなされたものであって、 オイル搔き落とし性 能に優れた、 且つ、 生産性に優れたスチール製ピス トンリ ングを提供す ることを目的とする。 発明の開示

上記課題を解決するために、 本願発明は、 スチール製のピス トンリン グであって、 ビストンリング本体外周面と下側面とで形成されるコーナ 一部に、 一辺の長さが 0 . 0 5〜 0 . 4 mmの断面略四角形状又は半径 が 0 . 0 5〜 0 . 4 mmの断面略 1 Z 4円形状の溝が合い口迄連続して 設けてあることを特徴とするスチール製ビス トンリングを提供する。 好ましくは、 外周摺動面をバレル形状又は、 テーパー形状とさせる。 さらに、 本発明は、 複数の圧力リングを有するピストンリングの組み 合わせに於いては、 少なく とも 2本が上記の構成要件を備えていること を特徴とするピス トンリングの組み合わせを推奨している。

例えば、 トツプリングがビストンリング本体のバレル又はテーパ形状 の外周面と下側面とで形成されるコーナ部に、 一辺の長さが 0 . 0 5〜 0 . 4 mniの断面略四角形状の溝を有し、 セカンドリングがピス トンリ ング本体のテーパ形状の外周面と下側面とで形成されるコーナ部に一辺 の長さが 0 . 0 5〜 0 . 4 mmの断面略四角形状にしてかつ合い口迄連 続する溝を有することを特徴とするスチール製ビス トンリングの組み合 わせ、 を提供する。 また、 さらに、 本発明は、 トップリングがピス トンリング本体のバレ ル又はテーパ形状の外周面と下側面とで形成されるコーナ部に、 半径が

0 . 0 5〜0 . 4 mmの断面略 1 4円形状の溝を有し、 セカンドリン グがビストンリング本体のテーパ形状の外周面と下側面とで形成される コーナ部に半径が 0 . 0 5〜0 . 4 mmの断面略 1 Z 4円形状にしてか つ合い口迄連続する溝を有することを特徴とするスチール製ビストンリ ングの組み合わせを提供する。

もちろん技術的には、 複数の圧力リングの少なくとも 2本、 あるいは 全てに、 矩形断面の圧力リングを含めて、 本構成要件を満たす多様なピ ストンリングの組み合わせを提供することができる。 図面の簡単な説明

図 1は、 バレル形状のビス トンリングの基本形を示す部分断面図であ る。

図 2は、 図 1の例でコーナー部に溝を設けた例を示す部分断面図であ る。

図 3は、 テーパ形状のビストンリングの基本形を示す部分断面図であ る。

図 4は、 図 3の例でコーナー部に溝を設けた例を示す部分断面図であ る。

図 5は、 図 2に示す例の溝の詳細構造を示す部分拡大断面図である。 図 6は、 図 2に示す例の溝の詳細構造の別の例を示す部分拡大断面図 である。

図 7は、 図 4に示す例の溝の詳細構造を示す部分拡大断面図である。 図 8は、 図 4に示す例の溝の詳細構造の別の例を示す部分拡大断面図 である。 図 9は、 ガソリン機関での 6 0 0 O rpm全負荷とパターンの条件下で のオイル消費量 （テスト 1〜4 ) を示す図である。

図 1 0は、 図 9と同じ条件下で、 テーパー形状の第一と第二圧力リン グを用いてのオイル消費量 （テスト 5と 6 ) を示す図である。

図 1 1は、 3 6 0 O rpm全負荷と 2 0 0 O rpm 1 / 2負荷の条件下で のオイル消費量 （テスト 7〜1 0 ) を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

本発明では、 外周摺動面がバレル形状又はテーパー形状のビス トンリ ング 1の下側面 3及び外周面 4の切削量、 即ちシャープエッジのコーナ 一部 2を得るための切削量を低く抑えるために、 少なくとも、 コーナ一 部 2に残った R量に相当する部分だけ、 即ちビストンリング 1の外周摺 動面 4とリング下側面 3とのコーナー部 2を一辺の長さが 0 . 0 5〜0 .

4 mmの断面略四角形状の溝 5 (図 2、 図 4、 図 5、 図 7参照） 又は半 径が 0 . 0 5〜0 . 4 mmの断面略 1 / 4円形状の溝 6 (図 6、 図 8参 照） に切削又は研磨削除する技術を採用する。 溝 5は合い口迄中断する ことなく連続して形成される。

これにより、

(1) 外周摺動面下端部は削除された部分と外周面とで形成された新た なコーナー部がシャープエッジ 9 (図 5乃至図 8参照） となるので、 確 実な潤滑油搔き落とし性能が得られる、

(2) リング側面ゃリング外周面 4の研削量を少なくできるのでバリの 発生は少ない、

利点が得られる。

加えて、 この溝によっては捻れが生じないという利点もあるし、 この サイズの溝であれば、 合い口近傍からの、 オイル消費とブローバイガス については何ら対策を要しないという利点もある。

研削する断面略四角形の溝 5の一辺の長さを 0. 0 5mm以上 0. 4 mm以下としたのは、ピス トンリング用線材の R面取り量が 0. 0 5 mm から 0. 4mmの範囲で伸線及び Z又は圧延できるからである。 一辺の 長さが 0. 0 5mm以下では、 線材の R面が十分に削除されないのでシ ヤープエッジ 9にならず、 十分な潤滑油搔き落とし性能が得られない。 また、 両側面や外周面の研削で残るコーナー部 2の R量は、 最大でも もとの線材の R量より多いことはないので、 一辺の長さは 0. 4mm以 下でよい。 尚、 一辺の長さを 0. 4mm以上にすると、 バリの発生が多 くなり、 かえって、 生産性を悪化させることになる。

尚、 本発明による溝部分すなわち削除部分は実質的には 2 n d (セカ ンド） ランド又は、 3 r d (サード） ランドの容積をわずかといえども 拡大することになるので、 この部分のオイル圧を下げることになり、 潤 滑油の T o p (トップ） ランド又は、 2 n d (セカンド） ランドへの上 昇を抑え、 よって、 潤滑油消費を減らす役割をする。

この意味では、 単純な錡物材料によるシャープエッジ品よりも、 オイ ル搔き下げ効果 （オイル消費低減効果） は大きい。

さらに、 ピス トンリング 1の外周面 4にバレル面 7又は、 テーパー面 8を設けると良い。 溝 5は合い口端面に開放されるよう中断することな く連続して設ける。図 7と図 8に示す外周面に形成された直線部 は、 外周ラッビング工程において形成されるものでマクロ的にはほとんど認 識できないが、 注意深く観察すると認識できる。

以下、 実施例に基づき説明する。

ガソリン機関の第一圧力リングに呼称外径 Φ 75 X幅 1. 2mmX厚 さ 2. 3 mmのスチール製バレル形状リング （図 5と図 6参照） とテ一 パー形状リング （図 7と図 8参照） を製造。 ガソリン機関の第二圧力リングには呼称外径 φ 7 5 X幅 1. 5mmX 厚さ 2. 6mmのスチール製テーパー形状リング （図 7と図 8参照） を ディーゼル機関の第一圧力リングに呼称外径 φ 9 9 · 2 X幅 2. 5 mm X厚さ 3. 9 mmのスチール製バレル形状リ ング （図 5と図 6参照） を ディーゼル機関の第二圧力リングに呼称外径 φ 9 9. 2 X 2. Omm X厚さ 4. 1 mmのスチール製テーパー形状リング （図 7と図 8参照） を製造。

これらのスチール製ピストンリングをエンジンテストによって、 本発 明の効果を確認した （図 9乃至図 1 1参照）。

製造に用いた素材としての線材は材質が C： 0 · 5 9〜0. 66重量％、 S i ： 0. 1 5〜0. 35重量％、 Mn ： 0. 3〜0. 6重量％、 P及 び Sが 0. 0 3重量％以下のスチール材で、 ガソリン機関の第一圧カリ ングは幅約 1. 25mmX厚さ約 2. 4 mm、 ガソリン機関の第二圧カリ ングは幅約 1. 5 5mmX厚さ約 2. 7 mm、 ディーゼル機関の第一圧力 リングに幅約 2. 55mmX厚さ約 4. 0 mm、 ディーゼル機関の第二圧 力リングに幅約 2. 05mmX厚さ約 4. 2 mm、 の矩形の線材で、 いず れの線材もコーナー Rは約 0. 3 Ommであった。

従来品及び本発明品を次の工程で製造した。

(従来品）

バレル形状リング： コィリング→熱処理 → 側面研磨→バレル研 磨 → 合口隙間加工→ 外周ラッピング加工

テーパー形状リング： コィリング → 熱処理 → 側面研磨 → テーパ —研磨 → 合口隙間加ェ→ 外周ラッピング加工

(本発明品） バレル形状リング： コイリング → 熱処理 → 側面研磨→バレル研 磨 → 下面コーナー部切削 → 合口隙間加工 → 外周ラッピング加工 テーパー形状リング： コィリング → 熱処理 → 側面研磨 → テーパ 一研磨 → 下面コーナー部切削 → 合口隙間加工 → 外周ラッピング加 ェ

側面研磨加工後ではコーナー部 2は約 0. 26〜0. 28mmの で あった。 従来品では、 バレル研磨又はテーパー研磨後に外周ラッピング 加工が施されるが、 下側面のコーナー部は殆ど加工されることはないの で、 約 0. 26〜0. 28mmRのコーナー部となっている。

本願発明品では、 超硬のコーティングバイ トを用いて下面コーナー部 2を一辺が約 0. 3 nunの断面略四角形となるように切削した （図 5及 び図 7参照）。 また、 これとは別に、 バイ トの先端形状を変え切削された 部分の断面形状が半径約 0. 3mmの 1ノ 4円形状の溝のものを作った (図 6と図 8参照）。

上記記載のピス トンリングを 2 Lガソリン機関と 3. 3 Lのディーゼ ル機関の T o p (トップ） リング、 2 n d (セカンド） リングとし、 ォ ィルリングは常用のものを用い、オイル消費に対する本発明品の効果（従 来リ ングの組合せであるテス ト 1、 5、 7に対する） を確認した。 尚、 従来リングは本発明リングと同材質、 同寸法 （但し溝 5, 6なし） のも のを用いている。

ガソリン機関で第一圧力リングがバレル形状と第二圧力リングがテー パー形状の組み合わせで 600 Orpm全負荷とモード条件 （パターン） でのオイル消費テストを行った結果を図 9に示す。 従来リングの組合せ はテスト 1として示す。

第一圧カリングがバレル形状の本願発明品で第二圧カリングがテーパ —形状の従来品との組み合わせで、 60 0 Orpm全負荷では 30%の低 減効果、 モード条件では 2 1%の低減効果が確認された （テス ト 2)。 次に、 第一圧力リングがバレル形状の従来品と第二圧力リングがテー パー形状の本願発明品での組み合わせでは、 600 Orpm全負荷では 3 6%の低減効果、 モード条件では 30%の低減効果が確認された （テス ト 3)。

更に第一圧カリングがバレル形状の本願発明品と第二圧カリングがテ —パー形状の本願発明品での組み合わせでは、 600 Orpm全負荷では 45%の低減効果、 モード条件では 44%の低減効果が確認された （テ ス ト 4)。

同一機関で第一圧力リングと第二圧カリングがテーパー形状の 600 Orpm全負荷とモード条件 （パターン） でのオイル消費テス トを行った 結果を図 1 0に示す。 従来リングの組合せはテスト 5として示す。 第一圧力リングと第二圧力リングがテーパー形状の本願発明品での組 み合わせでは、 600 Orpm全負荷では 4 3%の低減効果、 モード条件 では 44 %の低減効果が確認された （テス ト 6)。

ディーゼル機関では第一圧力リングがバレル形状と第二圧力リングが テーパー形状の組み合わせで 3 60 Orpm全負荷と 200 Orpm 1 / 2負荷でのオイル消費テス トを行った結果を図 1 1に示す。 従来リング の組合せはテスト 7として示す。

第一圧カリングがバレル形状の本願発明品で第二圧カリングがテ―パ 一形状の従来品との組み合わせで、 360 Orpm全負荷では 2 2 %の低 減効果、 20 0 Orpm 1/2負荷では 3 9 %の低減効果が確認された (テス ト 8)。

次に、 第一圧カリングがバレル形状の従来品と第二圧力リングがテー パー形状の本願発明品での組み合わせでは、 360 Orpm全負荷では 2 6%の低減効果、 200 Orpm 1/2負荷では 49 %の低減効果が確認 された （テスト 9 )。

更に、 第一圧カリングがバレル形状の本願発明品と第二圧カリングが テーパー形状の本願発明品での組み合わせでは、 3 6 0 O rpm全負荷で は 3 6 %の低減効果、 2 0 0 O rpm 1 / 2負荷では 5 8 %の低減効果が 確認された （テス ト 1 0 )。

以上のテストから明らかなように、 第一圧力リングと第二圧力リング と組合せ、 たとえば、 バレル形状に断面四角形の溝を付けたピス トンリ ングとテーパ形状に断面四角形の溝を付けたビストンリングとの組合せ がオイル消費量の低減に有効である。 さらに、 実施したテストから、 図 9乃至図 1 1に示したその他のビストンリングの組合せもオイル消費の 低減効果が高いことが確認されている。

Claims

請求の範囲

1. スチール製のピス トンリングであって、 ピス トンリ ング本体 外周面と下側面とで形成されるコーナー部に、 一辺の長さが 0. 05〜 0. 4mmの断面略四角形状又は半径が 0. 05〜0. 4mmの断面略 1Z4円形状の溝が合い口迄連続して設けてあることを特徴とするスチ ール製ビス トンリ ング。

2. 外周摺動面がバレル形状又は、 テーパー形状であることを特 徴とする請求項 1に記載のスチール製ビストンリング。

3. ピス トンリングが圧カリングである請求項 1又は 2に記載の スチール製ビス トンリング。

4.複数の圧力リングを有するビス トンリングの組み合わせに於 いて、 少なくとも 2本が請求項 1又は 2の構成要件を備えることを特徴 とするビス トンリ ングの組み合わせ。