WO2014073430A1 - ピストンリング - Google Patents

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WO2014073430A1
WO2014073430A1 PCT/JP2013/079400 JP2013079400W WO2014073430A1 WO 2014073430 A1 WO2014073430 A1 WO 2014073430A1 JP 2013079400 W JP2013079400 W JP 2013079400W WO 2014073430 A1 WO2014073430 A1 WO 2014073430A1
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piston ring
dimples
sliding contact
piston
outer peripheral
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Inventor
飯島　章
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いすゞ自動車株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/12—Details
    • F16J9/20—Rings with special cross-section; Oil-scraping rings

Definitions

  • the present invention relates to a piston ring mounted on a piston of an internal combustion engine, and more particularly to a piston ring having a sliding surface provided with a large number of dimples.
  • the piston ring sliding speed is low near the top dead center and bottom dead center of the piston, so an oil film due to lubricating oil is generated by the pressing force due to the tension of the piston ring.
  • an oil film due to lubricating oil is generated by the pressing force due to the tension of the piston ring.
  • dimples on the sliding surface of the piston ring due to the pressing force due to the tension of the piston ring, dimples outside the range where hydraulic pressure is actually generated from the smooth portion (the portion without the dimple) on the sliding surface of the piston ring And the lubricating oil escapes (see FIG. 2). Therefore, in the vicinity of the top dead center and the bottom dead center of the piston, the oil film thickness is reduced on the sliding surface of the piston ring, and the wear coefficient of the piston ring is increased.
  • the sliding speed of the piston ring is fast, so that the lubricating oil is sufficiently supplied to the sliding surface from the top and bottom (traveling direction side) of the piston ring, and dynamic pressure is generated in the dimples. Therefore, in the vicinity of the center of the piston stroke, the oil film thickness increases on the sliding surface of the piston ring, and the friction coefficient of the piston ring decreases.
  • an object of the present invention is to secure a necessary oil film thickness on the outer peripheral surface of the piston ring with dimples near the top dead center and bottom dead center of the piston, and to suppress an increase in the friction coefficient.
  • a piston ring according to the present invention has a piston ring body whose outer peripheral surface has a barrel face shape, and a large number of dimples formed on the outer peripheral surface of the piston ring main body.
  • the area ratio of the dimple outside the initial sliding contact range that is in sliding contact with the sliding surface at the beginning of use of the piston ring is smaller than the area ratio of the dimple within the initial sliding contact range. Is.
  • the area ratio of the dimples within the initial sliding contact range may be 40 to 50%.
  • the area ratio of the dimples outside the initial sliding contact range may be 0 to 30%.
  • the initial sliding contact range is a range including the apex of the barrel face shape on the outer peripheral surface of the piston ring body, and is one third of the ring width of the piston ring body with respect to the width direction of the piston ring body.
  • the range may be doubled.
  • (A) is a top view of the piston ring which concerns on one Embodiment of this invention
  • (b) is a side view of a piston ring
  • (c) is the sectional view on the AA line of (a). It is explanatory drawing of the oil film thickness reduction
  • FIG. 1 shows a piston ring 10 according to this embodiment.
  • the piston ring (piston ring with dimples) 10 is attached to a piston of an internal combustion engine (for example, a diesel engine or a gasoline engine).
  • the piston ring 10 according to the present embodiment is a first ring (top ring) attached to a first ring groove (top ring groove) located at the uppermost stage among a plurality of piston ring grooves provided in the piston.
  • the piston ring 10 includes a piston ring main body 11, a large number of minute dimples 13 regularly provided on the outer peripheral surface (outer peripheral sliding surface) 12 of the piston ring main body 11, and (See FIG. 1B).
  • the shape of the outer peripheral surface 12 of the piston ring main body 11 is a barrel face shape (R shape) in consideration of wear due to sliding and the like (see FIG. 1C).
  • the initial sliding contact range 14 dimples outside the range (hereinafter referred to as the initial sliding contact range) 14 in which the hydraulic pressure is actually generated by sliding contact with the sliding surface (cylinder bore) 20 at the beginning of use of the piston ring 10.
  • the area ratio of 13 is smaller than the area ratio of the dimples 13 in the initial sliding contact range 14.
  • “Dimple area ratio” refers to the ratio of the area of the dimple 13 to the area of the outer peripheral surface 12 of the piston ring body 11.
  • the initial sliding contact range 14 is a range including a barrel face apex 15 on the outer peripheral surface 12 of the piston ring main body 11 in the center, and in the width direction of the piston ring main body 11. On the other hand, it is set as the range of 1/3 times the ring width ht of the piston ring main body 11 (refer FIG.1 (b) and (c)).
  • the area ratio of the dimples 13 within the initial sliding contact range 14 is 40 to 50%, and the area ratio of the dimples 13 outside the initial sliding contact range 14 is 0 to 30%.
  • the area ratio of the dimple 13 is set to 50% in the initial sliding contact range 14, and the dynamic pressure is sufficient in the dimple 13 in the initial sliding contact range 14 when the piston ring 10 slides. To occur. Further, as the operating time of the internal combustion engine increases, the piston ring 10 wears out and the range in which the hydraulic pressure is actually generated by sliding contact with the sliding surface 20 increases.
  • the dimples 13 are provided with an area ratio of 30%.
  • the area ratio of the dimple 13 may be adjusted by changing the size and shape of the dimple 13 inside and outside the initial sliding contact range 14, and by changing the quantity of the dimple 13 inside and outside the initial sliding contact range 14. You may adjust it.
  • the dimple 13 has a round shape with a diameter of 0.1 mm, and the area ratio of the dimple 13 is adjusted by changing the number of dimples 13 within and outside the initial sliding contact range 14 ( (Refer FIG.1 (b)). That is, the number of dimples 13 per unit area outside the initial sliding contact range 14 is smaller than the number of dimples 13 per unit area within the initial sliding contact range 14.
  • the area ratio of the dimples 13 outside the initial sliding contact range 14 is made smaller than the area ratio of the dimples 13 within the initial sliding contact range 14.
  • the dimple 13 is provided with an area ratio of 10 to 30% instead of setting the area ratio of the dimple 13 outside the initial sliding contact range 14 to 0%. Yes.
  • the piston ring is the first ring.
  • the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to second rings and oil rings other than the far string. Since the first ring has a larger outer peripheral surface than the second ring or the oil ring, the present invention is suitably applied to the first ring.

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Abstract

　ディンプル付きピストンリングにおいて、ピストンの上死点及び下死点付近でも、外周面に必要な油膜厚さを確保し、摩擦係数の増大を抑制する。　外周面１２の形状がバレルフェース形状とされるピストンリング本体１１と、ピストンリング本体１１の外周面１２に形成される多数のディンプル１３とを有するピストンリング１０において、ピストンリング１０の使用開始初期に被摺動面２０と摺接する初期摺接範囲１４外のディンプル１３の面積率が、初期摺接範囲１４内のディンプル１３の面積率よりも小さくなっている。

Description

ピストンリング
　本発明は、内燃機関のピストンに装着されるピストンリングに係り、特に、摺動面に多数のディンプルが施されたピストンリングに関する。
　内燃機関（エンジン）において、ピストンリング（ファーストリング）のフリクションを低減するために、ピストンリングの摺動面（外周面）に多数のディンプルを施す（設ける）ことが知られている。摺動面に多数のディンプルが施されたピストンリング（ディンプル付きピストンリング）は、例えば特許文献１に記載されている。
特開２００４－６０８７３号公報
　しかしながら、ピストンリングの摺動面にディンプルを設けた場合に、ピストンの上死点及び下死点付近ではピストンリングの摩擦係数が大きくなることも知られている（図３参照）。ピストンの上死点及び下死点付近ではピストンリングの摺動速度が遅いので、ピストンリングのフリクションは増加しないが、摩耗が増加する虞がある。
　ピストンの上死点及び下死点付近ではピストンリングの摺動速度が遅いため、潤滑油による油膜はピストンリングの張力による押し付け力により発生する。しかしながら、ピストンリングの摺動面にディンプルがあると、ピストンリングの張力による押し付け力により、ピストンリングの摺動面における平滑部（ディンプルの無い部分）から実際に油圧が発生する範囲外のディンプルへと潤滑油が逃げる（図２参照）。そのため、ピストンの上死点及び下死点付近では、ピストンリングの摺動面において油膜厚さが薄くなり、ピストンリングの摩耗係数が大きくなる。
　一方、ピストンのストローク中央付近では、ピストンリングの摺動速度が速いため、潤滑油はピストンリングの上下（進行方向側）から摺動面に充分に供給され、且つディンプルで動圧が生じる。そのため、ピストンのストローク中央付近では、ピストンリングの摺動面において油膜厚さが厚くなり、ピストンリングの摩擦係数が低くなる。
　そこで、本発明の目的は、ディンプル付きピストンリングにおいて、ピストンの上死点及び下死点付近でも、外周面に必要な油膜厚さを確保し、摩擦係数の増大を抑制することにある。
　上述の目的を達成するために、本発明に係るピストンリングは、外周面の形状がバレルフェース形状とされるピストンリング本体と、前記ピストンリング本体の外周面に形成される多数のディンプルとを有するピストンリングにおいて、前記ピストンリングの使用開始初期に被摺動面と摺接する初期摺接範囲外の前記ディンプルの面積率が、前記初期摺接範囲内の前記ディンプルの面積率よりも小さくなっているものである。
　前記初期摺接範囲内の前記ディンプルの面積率を４０～５０％としても良い。
　前記初期摺接範囲外の前記ディンプルの面積率を０～３０％としても良い。
　前記初期摺接範囲は、前記ピストンリング本体の外周面におけるバレルフェース形状の頂点を含む範囲であり、且つ、前記ピストンリング本体の幅方向に対して前記ピストンリング本体のリング幅の３分の１倍の幅の範囲とされても良い。
　本発明によれば、ディンプル付きピストンリングにおいて、ピストンの上死点及び下死点付近でも、外周面に必要な油膜厚さを確保し、摩擦係数の増大を抑制することができるという優れた効果を奏する。
（ａ）は本発明の一実施形態に係るピストンリングの平面図であり、（ｂ）はピストンリングの側面図であり、（ｃ）は（ａ）のＡ－Ａ線断面図である。 ピストンの上死点及び下死点付近における油膜厚さ減少の説明図である。 ピストンリングの軸受特性数と摩耗係数との関係を示すストライベック線図である。
　以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
　図１に本実施形態に係るピストンリング１０を示す。
　本実施形態に係るピストンリング（ディンプル付きピストンリング）１０は、内燃機関（例えば、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等）のピストンに装着されるものである。また、本実施形態に係るピストンリング１０は、ピストンに設けられる複数のピストンリング溝のうち最上段に位置するファーストリング溝（トップリング溝）に取り付けられるファーストリング（トップリング）である。
　図１に示すように、本実施形態に係るピストンリング１０は、ピストンリング本体１１と、ピストンリング本体１１の外周面（外周摺動面）１２に規則的に設けられる多数の微小なディンプル１３とを有する（図１（ｂ）参照）。ピストンリング本体１１の外周面１２の形状は、摺動による摩耗等を考慮して、バレルフェース形状（Ｒ形状）とされている（図１（ｃ）参照）。
　本実施形態に係るピストンリング１０では、ピストンリング１０の使用開始初期に被摺動面（シリンダボア）２０と摺接して実際に油圧が発生する範囲（以下、初期摺接範囲という）１４外のディンプル１３の面積率が、初期摺接範囲１４内のディンプル１３の面積率よりも小さくなっている。「ディンプルの面積率」とは、ピストンリング本体１１の外周面１２の面積に占めるディンプル１３の面積の割合をいう。本実施形態に係るピストンリング１０では、初期摺接範囲１４は、ピストンリング本体１１の外周面１２におけるバレルフェース形状の頂点１５を中央に含む範囲であり、且つ、ピストンリング本体１１の幅方向に対してピストンリング本体１１のリング幅ｈｔの３分の１倍の幅の範囲とされる（図１（ｂ）及び（ｃ）参照）。
　初期摺接範囲１４内のディンプル１３の面積率は４０～５０％とし、初期摺接範囲１４外のディンプル１３の面積率は０～３０％とする。本実施形態に係るピストンリング１０では、初期摺接範囲１４内においては、ディンプル１３の面積率を５０％とし、ピストンリング１０の摺動時に初期摺接範囲１４内のディンプル１３で動圧が充分に発生するようにする。また、内燃機関の運転時間が増えると共にピストンリング１０が摩耗していき、被摺動面２０と摺接して実際に油圧が発生する範囲が増えるので、初期摺接範囲１４外においては、１０～３０％の面積率でディンプル１３を設けておく。
　ディンプル１３の面積率は、ディンプル１３の大きさや形状等を初期摺接範囲１４の内外で変更することで調整しても良く、ディンプル１３の数量を初期摺接範囲１４の内外で変更することで調整しても良い。本実施形態に係るピストンリング１０では、ディンプル１３を直径０．１ｍｍの丸形とし、ディンプル１３の数量を初期摺接範囲１４の内外で変更することでディンプル１３の面積率を調整している（図１（ｂ）参照）。即ち、初期摺接範囲１４外における単位面積当たりのディンプル１３の数量が、初期摺接範囲１４内における単位面積当たりのディンプル１３の数量よりも少なくなっている。
　次に、本実施形態の作用効果を説明する。
　本実施形態に係るピストンリング１０では、初期摺接範囲１４外のディンプル１３の面積率を初期摺接範囲１４内のディンプル１３の面積率よりも小さくしている。このようにディンプル１３を構成することにより、ピストンの上死点及び下死点付近においても、初期摺接範囲１４外のディンプル１３への潤滑油の逃げが減り、ピストンリング本体１１の外周面１２に必要な油膜厚さを確保することができる。よって、ピストンの上死点及び下死点付近でも、ピストンリング本体１１の外周面１２への潤滑油の供給を潤沢にし、ピストンリング１０の摩擦係数が大きくなることを抑制することができ、ひいては摩耗が増える虞を低減することができる。
　また、本実施形態に係るピストンリング１０では、初期摺接範囲１４外はディンプル１３の面積率を０％とするのではなく、１０～３０％の面積率でディンプル１３を設けておくようにしている。このようにディンプル１３を構成することにより、内燃機関の運転時間が増えると共にピストンリング１０が摩耗していき、被摺動面２０と摺接して実際に油圧が発生する範囲が増えた際に、ピストンリング１０のフリクションが過大になることを抑制することができる。
　以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。
　例えば、上述の実施形態では、ピストンリングはファーストリングであるとしたが、これには限定はされず、本発明はファ－ストリング以外のセカンドリングやオイルリングに適用することも可能である。なお、ファーストリングはセカンドリングやオイルリングと比較して外周面が大きいので、本発明はファーストリングに好適に適用される。
１０　ピストンリング
１１　ピストンリング本体
１２　ピストンリング本体の外周面（外周摺動面）
１３　ディンプル
１４　初期摺接範囲
１５　バレルフェース形状の頂点
２０　被摺動面（シリンダボア）

Claims (4)

  1. 　外周面の形状がバレルフェース形状とされるピストンリング本体と、前記ピストンリング本体の外周面に形成される多数のディンプルとを有するピストンリングにおいて、前記ピストンリングの使用開始初期に被摺動面と摺接する初期摺接範囲外の前記ディンプルの面積率が、前記初期摺接範囲内の前記ディンプルの面積率よりも小さくなっていることを特徴とするピストンリング。
  2. 　前記初期摺接範囲内の前記ディンプルの面積率を４０～５０％とした請求項１に記載のピストンリング。
  3. 　前記初期摺接範囲外の前記ディンプルの面積率を０～３０％とした請求項１又は２記載のピストンリング。
  4. 　前記初期摺接範囲は、前記ピストンリング本体の外周面におけるバレルフェース形状の頂点を含む範囲であり、且つ、前記ピストンリング本体の幅方向に対して前記ピストンリング本体のリング幅の３分の１倍の幅の範囲とされる請求項１から３に記載のピストンリング。
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