WO2015199183A1 - ピストンリング - Google Patents

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実 川西
掛川　聡
大志 清水
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株式会社リケン
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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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F5/00—Piston rings, e.g. associated with piston crown

Definitions

  • the present invention relates to a piston ring, and more particularly to a pressure ring having a barrel surface-shaped outer peripheral sliding surface.
  • the piston ring groove is slightly downward from the direction perpendicular to the axial direction due to thermal deformation and combustion pressure due to thermal expansion of the upper part of the piston, and wear of the piston groove (combustion chamber).
  • the top ring tends to be tilted downward (in the direction opposite to the combustion chamber) due to the pressure in the cylinder. That is, the top ring tends to come into sliding contact with the cylinder wall on the combustion chamber side from the center position of the axial width of the outer peripheral sliding surface.
  • so-called edge loading also referred to as “periphery on the outer periphery” may occur in which the contact surface of the top ring deviates from the outer peripheral sliding surface.
  • the outer peripheral slip surface is composed of a composite surface whose cross-sectional shape is composed of arcs of first, second and third different radii of curvature from the top, and the second radius of curvature is the first.
  • the axial width of the second peripheral slip surface that is larger than the first and third curvature radii and defined by the second curvature radius is approximately half of the axial width of the piston ring, and the second peripheral slip
  • the center of curvature of the cross-section arc of the surface is located within the axial width of the piston ring and below the center of the width, and the first, second and third outer peripheral slip surfaces are connected in a state where no recess is formed at the boundary.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2002-39384 discloses that a piston ring having a barrel-shaped outer peripheral sliding surface and chamfered corner portions intersecting with the upper and lower side surfaces is a surface treatment layer of a nitride layer or a PVD layer on the outer peripheral sliding surface.
  • the corner portion has a radius of 0.05 mm or more than the barrel surface radius.
  • a piston ring is disclosed in which a small curved surface shape is formed and a corner portion and a barrel portion are continuously connected without a ridge line portion.
  • JP-A-2009-91927 also prevents an increase in the amount of blow-by gas due to insufficient gas sealing capacity between the outer peripheral surface of the piston ring and the sliding surface of the cylinder liner.
  • the piston rings disclosed in Japanese Utility Model Publication Nos. 57-196238, 2002-39384, and 2009-91927 connect the outer peripheral barrel surface and the corner portion with a smooth curve, or make the radius of curvature of the barrel surface more uniform than before. Although it is large, it is not sufficient because it is not a scuff countermeasure or edge loading countermeasure focusing on the behavior of the piston or piston ring.
  • the inventors of the present invention have a shape that reduces Hertz stress on the ring contact surface, and a shape that allows sufficient oil film formation while avoiding edge loading. It was conceived that a piston ring excellent in scuff resistance and wear resistance could be provided.
  • the first curved surface of the outer peripheral sliding surface that appears in a cross section passing through the central axis of the piston ring and parallel to the central axis is convex outwardly, and the radius of curvature of the first curved surface is Is characterized by continuously increasing or decreasing from the crank chamber side to the combustion chamber side.
  • the apex of the first curved surface that appears in the cross section is preferably located closer to the crank chamber than the center position in the axial width.
  • each of the first curved surface and the combustion chamber side upper side surface and the crank chamber side lower side surface has a chamfered portion, or has a second curved surface and a third curved surface that protrude outwardly, respectively. It is preferable.
  • the amount of retreat in the radial direction from the top of the first curved surface appearing in the cross section to the combustion chamber side end (t) (hereinafter simply referred to as “the amount of retreat in the radial direction” or “the outer sliding surface of the combustion chamber side)
  • the “retraction amount” is also preferably 0.001% to 0.015% of the nominal diameter (d1) of the piston ring.
  • the first piston ring of the present invention has a large curvature radius on the combustion chamber side because the first curved shape of the outer peripheral sliding surface continuously increases from the crank chamber side to the combustion chamber side. Even if the maximum pressure in the cylinder is loaded and sliding contact with the cylinder wall on the combustion chamber side, the curvature radius on the combustion chamber side is increased, so that the contact (hertz) stress due to ring load can be reduced, Avoid scuffing and avoid serious damage. Further, when the curvature radius on the combustion chamber side is large, the oil film is also formed thick, so that the oil remains up to the vicinity of the top dead center, and further contributes to avoiding scuffing.
  • the first curved surface shape of the outer peripheral sliding surface has a curvature radius that continuously decreases from the crank chamber side to the combustion chamber side. Is relatively small, and therefore the amount of retreat in the radial direction is also large, so that edge loading during the combustion stroke in which the maximum pressure in the cylinder is applied can be avoided, and serious damage can be avoided.
  • the retreat amount in the radial direction on the combustion chamber side is large, the oil flowing in from the skirt side tends to accumulate when the piston descends, so this accumulated oil remains near the top dead center, contributing to avoiding scuffing. To do.
  • both the first piston ring and the second piston ring represent the first curved surface shape by, for example, a curve obtained by deforming the involute curve, the radius of curvature can be continuously changed within a desired range.
  • it can be formed by machining by numerical control, or it can be formed by a grinding wheel having a shape formed by numerical control, and the radius of curvature is continuously and reliably from the crank chamber side to the combustion chamber side. It is possible to form a first curved surface with increased or decreased.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the piston ring according to the embodiment of the present invention (the outer peripheral sliding surface is constituted by a first curved surface). It is sectional drawing (the vertex of an outer peripheral sliding surface is located in a lower surface side end) of the piston ring concerning another embodiment of this invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a piston ring according to another embodiment of the present invention (having chamfered portions between a first curved surface, a combustion chamber side upper side surface, and a crank chamber side lower side surface).
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a piston ring according to another embodiment of the present invention (having second and third curved surfaces protruding outwardly between the first curved surface and the combustion chamber side upper side surface and the crank chamber side lower side surface, respectively); is there.
  • FIG. 1 to 4 show a section of a piston ring (1) having an axial width (h1) and a radial thickness (a1) according to an embodiment of the present invention.
  • the cross section is a cross section parallel to the central axis passing through the central axis of the piston ring (1), and the outer peripheral sliding surface includes an outwardly convex first curved surface (2).
  • the first curved surface (2) has a curvature radius (R) continuously increasing from the crank chamber side (lower part of the figure) to the combustion chamber side (upper part of the figure) (the first piston ring of the present invention). ) Or decreased (second piston ring of the present invention).
  • the radius of curvature of the first curved surface (2) on the combustion chamber side is increased, and the first curved surface (2) is in sliding contact with the cylinder wall on the combustion chamber side of the first curved surface (2).
  • the contact Hertz stress due to the ring load can be reduced, and as a result, the PV value (product of the surface pressure P and the piston speed V) can be reduced, and scuffing can be avoided.
  • the first curved surface (2) has a small radius of curvature on the combustion chamber side, a large radial retreat amount (t), and a combustion in which the maximum pressure in the cylinder is loaded. Edge loading during the process can be avoided.
  • the involute curve refers to the trajectory drawn by the end points of the yarn as it is unwound while tightly winding the yarn wrapped around a circle.
  • the above curve is deformed using parameters a, b, ⁇ , and ⁇ .
  • the x axis is set to the a1 direction (direction perpendicular to the ring axis), and the y axis is set to the h1 direction (ring axis direction).
  • a curve can be drawn in which the radius of curvature continuously increases or decreases with the vertex of the first curved surface (2) as the origin.
  • the curve clearly expressed by the mathematical formula as described above, when forming the first curved surface, enables processing by numerical control and molding processing by a grindstone having a shape formed by numerical control, thus facilitating manufacture, Improve manufacturing quality.
  • FIGS. 2 to 4 show a piston ring according to an embodiment different from FIG. 1 of the present invention.
  • the outer peripheral sliding surface is composed only of the first curved surface, and the vertex (2) of the first curved surface is located between the upper side surface and the lower side surface in FIG. In 2, it is located at the lower side edge.
  • 3 has chamfered portions (5, 5) between the first curved surface (2) and the combustion chamber side upper side surface (3) and the crank chamber side lower side surface (4), respectively.
  • the vertex of the first curved surface is preferably located closer to the crank chamber than the center position in the axial width.
  • the receding amount (t) of the outer peripheral sliding surface on the combustion chamber side is preferably 0.001% or more and 0.015% or less of the nominal diameter (d1) of the piston ring.
  • the retraction amount (t) is more preferably 0.004% or more, and in the case of the second piston ring, the retraction amount (t) is more preferably 0.01 or less, and 0.007% or less. More preferably.
  • the piston ring of the present invention can be preferably used in a large diesel engine having a large maximum pressure in the cylinder and a nominal diameter of 200 mm or more and less than 1100 mm, but if the outer peripheral sliding surface satisfies a predetermined shape, the applicable engine can be used. Without limitation, it can also be used for medium-sized diesel engines with a nominal diameter of less than 200 mm.
  • the base material of the piston ring of the present invention can be applied to either cast iron or steel, but it is effective for high power and high efficiency. It is preferable to do.
  • the steel material is applied to the base material, it is preferably a steel selected from carbon steel, low alloy steel, spring steel, bearing steel, and martensitic stainless steel.
  • High carbon steel with C of about 0.6 to 0.8 mass% for carbon steel, SUP9, SUP10, SUP12 etc. for spring steel, SUJ2 for bearing steel, SUS420J2 or SUS440B for martensitic stainless steel Is done.
  • a steel material suitable for required characteristics such as high-temperature strength, thermal conductivity, and heat resistance is selected.
  • the piston ring of the present invention preferably has one or more coatings selected from the group consisting of a nitride coating, a plating coating, a thermal spray coating, a chemical conversion coating, and an ion plating coating.
  • Plating coating includes hard chrome plating coating, multilayer chrome plating coating, nickel composite plating coating, thermal spray coating includes molybdenum spray coating and cermet spray coating, and ion plating coating includes CrN coating and TiN coating. It is.
  • Example 1 (first piston ring) The material composition is mass%, C: 0.48%, Si: 0.21%, Mn: 0.79%, Cr: 1.02%, V: 0.22%.
  • a cylindrical material was prepared by machining and machined to produce a steel top ring with a rectangular cross section having a nominal diameter (d1) of 330 mm, a width (h1) of 5 mm, and a thickness (a1) of 9 mm.
  • a nitride layer of about 70 ⁇ m is formed on the entire ring surface by gas nitriding at 460 ° C. for 5 hours, and the outer periphery mainly comprises composite particles in which fine Cr carbide particles are dispersed in a Ni alloy matrix by high-speed flame spraying.
  • a cermet sprayed coating having a constituent particle (SM5241 powder from Sulzer Metco Co., Ltd.) was formed to a thickness of about 500 ⁇ m, and final polishing was performed to a final coating thickness of about 350 ⁇ m.
  • the compound layer (white layer) formed on the surface by gas nitriding was removed by grinding.
  • the coordinate axis of the deformed involute curve is appropriately rotated and translated so that the vertex of the first curved surface (with a distance of 3.5 mm from the combustion chamber side upper surface) is the origin of the coordinate axis. I draw.
  • the radius of curvature at a position 0.5 mm from the lower side is 70 mm
  • the radius of curvature at the apex position is 300 mm
  • the radius of curvature at a position 0.5 mm from the upper side is 460 mm.
  • a first grindstone was formed using this shaped grinding wheel, and 0.5 mm from the top and bottom sides was chamfered to complete finish polishing.
  • the retreat amount (t) of the outer peripheral sliding surface on the combustion chamber side was 0.009 mm, which was 0.002% of the nominal diameter (d1).
  • a steel top ring was produced.
  • the radius of curvature at a position 0.5 mm from the lower side is 340 mm
  • the radius of curvature at the apex position is 270 mm
  • the radius of curvature at a position 0.5 mm from the upper side is 100 mm.
  • the retreat amount (t) of the outer peripheral sliding surface on the combustion chamber side was 0.016 mm, which was 0.0048% of the nominal diameter (d1). Further, as a result of conducting an actual machine test similar to that in Example 1, there was no trouble in any of the cylinders, and there was no abnormality in the sliding surface of the top ring.
  • Example 3-5 (first piston ring) Steel top rings of Examples 3 to 5 were produced in the same manner as in Example 1 except that the parameters a, b, ⁇ , and ⁇ of the modified involute curve were changed to the values shown in Table 1.
  • Example 1 to Example 5 are also shown in Example 1 for the lower radius side (position 0.5 mm from the lower side), the apex position, the curvature radius on the upper side side (position 0.5 mm from the upper side), and the retreat amount (t). It is shown in Table 1 together with the results of 1 and 2.
  • the amount of retreat means the amount of retreat (t) of the outer peripheral sliding surface on the combustion chamber side.
  • Example 6 (first piston ring) Material composition is mass%, C: 3.7%, Si: 2.7%, Mn: 0.6%, P: 0.04%, S: 0.01%, Cr: 0.10%, Ni: 0.90%, V: 0.07%, Cu: 2.39% cast iron was melted, cast, and machined to produce a CV graphite cast iron top ring with a nominal diameter (d1) of 330 mm, width (h1) of 7 mm, and thickness (a1) of 10 mm.
  • the coordinate axis of the modified involute curve is appropriately rotated and drawn in parallel.
  • the radius of curvature at a position 0.5 mm from the lower surface is 65 mm
  • the radius of curvature at the apex position is 280 mm
  • the radius of curvature at a position 0.5 mm from the upper surface is 450 mm.
  • a first grindstone was formed using this shaped grinding wheel, and 0.5 mm from the top and bottom sides was chamfered to complete finish polishing.
  • the retreat amount (t) of the outer peripheral sliding surface on the combustion chamber side was 0.024 mm, which was 0.007% of the nominal diameter (d1).
  • a CV graphite cast iron top ring was produced.
  • the radius of curvature at a position 0.5 mm from the lower side is 360 mm
  • the radius of curvature at the apex position is 300 mm
  • the radius of curvature at a position 0.5 mm from the upper side is 50 mm.
  • the retreat amount (t) of the outer peripheral sliding surface on the combustion chamber side was 0.035 mm, which was 0.011% of the nominal diameter (d1).

Abstract

圧力や熱負荷の増大した過酷な使用環境下においても、優れた耐スカッフ性及び耐摩耗性を示すピストンリング、またエッジ・ローディングを回避できるピストンリングを提供するため、ピストンリングの中心軸を通り前記中心軸に平行な断面に現れる外周摺動面の第1の曲面を外に凸とし、前記第1の曲面の曲率半径がクランク室側から燃焼室側に連続的に増加又は減少させる。

Description

ピストンリング
　本発明は、ピストンリングに関し、特に、バレル面形状の外周摺動面を有する圧力リングに関する。
　舶用エンジンを含む大型ディーゼルエンジンは、地球環境問題の顕在化とともに、近年ますます高出力化、高効率化（CO2低減）の傾向にある。具体的には、シリンダ有効圧力や最高圧力の上昇、熱負荷増大による作用応力の増大、あるいは平均ピストン速度の上昇などであり、特に、シリンダ内最高圧力は22 MPaにまで達し、将来は30 MPaまでさらに上昇することが計画されている。第１圧力リング（以下「トップリング」ともいう。）がシリンダライナ面に押し付けられる荷重（以下「リング荷重」ともいう。）は、このシリンダ内最高圧力にほぼ比例的に増大するため、圧力リングの使用環境は非常に過酷になる。
　また、上記のような過酷な使用環境下では、ピストンのリング溝はピストン上部の熱膨張に基づく熱変形や燃焼圧力の影響、ピストン溝の摩耗により軸方向に垂直な方向からやや下向き（燃焼室と反対の方向）に変形する傾向にあり、さらにトップリングはシリンダ内圧力により下向き（燃焼室と反対の方向）に倒される傾向になる。すなわち、トップリングは外周摺動面の軸方向幅の中央位置より燃焼室側でシリンダ壁と摺動接触する傾向となる。極端な場合には、トップリングの当たり面が外周摺動面から外れる、いわゆるエッジ・ローディング（「外周上当たり」ともいう。）が起きることもある。
　大型ディーゼルエンジンにおけるトラブルは、ピストンリングを含むピストン、シリンダライナに集中し、特に、ピストンリングとシリンダライナのスカッフの問題から重大損傷に至ることが多い。スカッフは、上記のようにリング荷重が増大したとき、エッジ・ローディングが起きたとき、また上死点及び下死点の近傍で境界潤滑状態になるときに発生しやすい。
　これまでの大型ディーゼルエンジン用トップリングは、外周摺動面にめっきや溶射により硬質皮膜を被覆し、さらにバレル面形状に研磨加工して、耐久性と油膜生成機能の向上を図ってきた。例えば、実開昭57-196238は、外周すべり面を、その断面形状が上方から第1、第2及び第3の異なる曲率半径の円弧からなる複合面で構成し、第2の曲率半径が第1及び第3の曲率半径より大きく、且つ第2の曲率半径によって画定される第2の外周すべり面の軸方向幅がピストンリングの軸方向幅のほぼ1/2であり、第2の外周すべり面の断面円弧の曲率中心がピストンリングの軸方向幅内で幅中央以下の位置にあり、かつ、第1、第2及び第3の外周すべり面がその境界部に凹部が形成されない状態で連なっていることを特徴とするピストンリングを開示している。
　また、特開2002-39384は、外周摺動面がバレル形状で、上下側面と交差する部分に面取り加工したコーナー部を有するピストンリングにおいて、外周摺動面に窒化層やPVD層の表面処理層を形成した場合に、バレル面とコーナー部の境界のエッジ部で表面処理層のクラックや剥離が生じないピストンリングを提供することを目的に、コーナー部が半径0.05 mm以上でバレル面半径よりは小さい曲面形状をなすとともに、コーナー部とバレル部とが稜線部が存在することなく連続的につながって形成されているピストンリングを開示している。
　また、特開2009-91927は、ピストンリングの外周面とシリンダライナの摺動面との間のガスシール能力不足による吹き抜けガス量の増大を防止し、ピストンリングバック部の汚れや、吹き抜けガス中の亜硫酸ガスによるシリンダライナの腐食を防止し、且つ、接触圧力を低減したピストンリングを提供することを目的に、ピストンリングの外周面を、曲率半径R=1.18D～1.35D（D：シリンダ内径）の円弧プロファイルに設定したピストンリングを開示している。ガスシール能力を表す漏れ流量Qが円弧プロファイルの曲率半径Rの3乗に反比例することを考慮し、曲率半径Rを大きくしたことに特徴を有するものである。
　しかし、実開昭57-196238、特開2002-39384及び特開2009-91927のピストンリングは、外周バレル面とコーナー部を滑らかな曲線で繋ぎ、又はバレル面の曲率半径を従来よりも一律に大きくしているものの、ピストンやピストンリングの挙動に注目したスカッフ対策やエッジ・ローディング対策とはなっていないため、十分とはいえない状況にある。
　本発明は、圧力や熱負荷の増大した過酷な使用環境下においても、優れた耐スカッフ性及び耐摩耗性を示すピストンリング、またエッジ・ローディングを回避できるピストンリングを提供することを課題とする。
　本発明者らは、ピストンリングの外周摺動面の形状について鋭意研究の結果、リング当たり面のヘルツ応力を低減する形状や、エッジ・ローディングを回避し十分な油膜形成を可能とする形状の、耐スカッフ性及び耐摩耗性に優れたピストンリングを提供できることに想到した。
　すなわち、本発明のピストンリングは、ピストンリングの中心軸を通り前記中心軸に平行な断面に現れる外周摺動面の第1の曲面が外に凸であって、前記第1の曲面の曲率半径がクランク室側から燃焼室側に連続的に増加又は減少していることを特徴とする。
　前記断面に現れる前記第1の曲面の頂点は、軸方向幅の中央位置よりクランク室側に位置することが好ましい。
　前記第1の曲面の前記断面に現れる曲線は、インボリュート曲線を変形した曲線で表されることが好ましく、前記曲線は、
　　　　　x = a(cosθ+θb・sinθ)/α、
　　　　　y = a(sinθ-θ/cosθ)/β、
　　　　　a、b、α、βは定数、
なる関係式を用いて表されることがより好ましい。
　また、前記第1の曲面と燃焼室側上側面及びクランク室側下側面の間は、それぞれに面取り部を有することが好ましく、又は、それぞれに外に凸の第2及び第3の曲面を有することが好ましい。
　また、前記断面に現れる前記第1の曲面の頂点から燃焼室側端までの半径方向の後退量（t）（以下、単に「半径方向の後退量」又は「燃焼室側の外周摺動面の後退量」ともいう。）は、ピストンリングの呼び径（d1）の0.001％以上0.015％以下であることが好ましい。
　本発明の第1のピストンリングは、外周摺動面の第1の曲面形状が、クランク室側から燃焼室側に曲率半径が連続的に増加しているため、燃焼室側の曲率半径が大きく、シリンダ内最高圧力が負荷され燃焼室側でシリンダ壁と摺動接触しても、燃焼室側の曲率半径を大きくしてあるので、リング荷重による接触（ヘルツ）応力を低減することができ、スカッフを回避し、重大損傷に至ることが避けられる。また、燃焼室側の曲率半径が大きいと油膜も厚く形成されるので、オイルが上死点付近まで残って、さらにスカッフの回避にも貢献する。また、本発明の第2のピストンリングは、外周摺動面の第1の曲面形状が、クランク室側から燃焼室側に曲率半径が連続的に減少しているため、燃焼室側の曲率半径が比較的小さく、よって半径方向の後退量も大きくなっているので、シリンダ内最高圧力が負荷される燃焼行程時のエッジ・ローディングを回避することができ、重大損傷に至ることが避けられる。また、燃焼室側の半径方向の後退量が大きいと、ピストン下降時にスカート側から流入したオイルが蓄積しやすいため、この蓄積されたオイルが上死点付近まで残って、スカッフの回避にも貢献する。一方、クランク室側の曲率半径は大きく、リング荷重によるヘルツ応力が低減され、油膜も厚く形成されるので、優れた耐摩耗性を示すことができる。さらに、第1のピストンリングも第2のピストンリングも、第1の曲面形状を、例えば、インボリュート曲線を変形した曲線で表せば、曲率半径を所望の範囲で連続的に変えることが可能となり、さらに数値制御による加工によって形成すること、あるいは数値制御により形成した形状の砥石により成形加工することも可能となって、確実に、且つ効率よく、クランク室側から燃焼室側に連続的に曲率半径が増加又は減少した第1の曲面を形成することが可能となる。
本発明の実施態様にかかるピストンリングの断面図（外周摺動面が第1の曲面で構成されている）である。 本発明の別の実施態様にかかるピストンリングの断面図（外周摺動面の頂点が下側面側端に位置する）である。 本発明の別の実施態様にかかるピストンリングの断面図（第1の曲面と燃焼室側上側面及びクランク室側下側面の間それぞれに面取り部を有する）である。 本発明の別の実施態様にかかるピストンリングの断面図（第1の曲面と燃焼室側上側面及びクランク室側下側面の間それぞれに外に凸の第2及び第3の曲面を有する）である。
　図1～図4は、本発明の実施態様にかかる、軸方向幅（h1）、径方向厚さ（a1）のピストンリング(1)の断面を示している。断面はピストンリング(1)の中心軸を通る中心軸に平行な断面であり、外周摺動面は外に凸の第1の曲面(2)を含んでいる。そして、この第1の曲面(2)は、曲率半径（R）がクランク室側（図の下部）から燃焼室側（図の上部）に連続的に増加し（本発明の第1のピストンリング）、又は、減少し（本発明の第2のピストンリング）ている。これにより、本発明の第1のピストンリングでは、第1の曲面(2)の燃焼室側の曲率半径が大きくなり、第1の曲面(2)の燃焼室側でシリンダ壁と摺動接触しても、リング荷重による接触ヘルツ応力を低減し、結果的にPV値（面圧Pとピストン速度Vの積）を低減し、スカッフを回避することができる。また、本発明の第2のピストンリングでは、第1の曲面(2)の燃焼室側の曲率半径が小さく、半径方向の後退量（t）が大きくなり、シリンダ内最高圧力が負荷される燃焼行程時のエッジ・ローディングを回避することができる。
　曲率半径（R）が連続的に増加する曲線としては、例えば、インボリュート曲線が挙げられる。インボリュート曲線は、円に巻き付けた糸をぴんと張った状態でほどいていくときの糸の端点が描く軌跡をいい、
　　　　　x = cosθ+θsinθ
　　　　　y = sinθ-θcosθ
で表されるが、本発明のピストンリングの外周摺動面の第1の曲面(2)に適した曲率変化とするためには、上記曲線をパラメータa、b、α、βを用いて変形し、
　　　　　x = a(cosθ+θb・sinθ)/α
　　　　　y = a(sinθ-θ/cosθ)/β
　　　　　a、b、α、βは定数
なる関係式で表される曲線（変形インボリュート曲線）を用いることが好ましい。ここで、a、b、α、βは適用するピストンリングに応じて適宜設定できるが、aは3000～10000、bは2～3、αは1～2、βは1～5とすることが好ましい。上記関係式の座標軸を所定量回転し、且つ所定量平行移動し、又は反転することにより、例えばx軸をa1方向（リング軸に垂直な方向）、y軸をh1方向（リング軸方向）として、第1の曲面(2)の頂点を原点とし、曲率半径が連続的に増加又は減少する曲線を描くことができる。
　上記のように明確に数式で表される曲線は、第1の曲面の形成に際し、数値制御による加工や、数値制御により形成した形状の砥石による成形加工を可能とするため、製造を容易にし、製造品質を向上する。
　図2～図4は、本発明の図1とは別の実施態様にかかるピストンリングを示している。図1及び図2は、外周摺動面が第1の曲面からのみ構成され、第1の曲面の頂点(2)は、図1では上側面と下側面の間に位置しているが、図2では下側面側端に位置している。図3は、第1の曲面(2)と、燃焼室側上側面(3)及びクランク室側下側面(4)の間それぞれに、面取り部(5,5)を有しており、図3は、面取り部(5,5)の代わりに外に凸の第2及び第3の曲面(6,6)を有している。
　本発明のピストンリングは、基本的に、第1の曲面の頂点は軸方向幅の中央位置よりクランク室側に位置することが好ましい。燃焼室側の外周摺動面の後退量（t）はピストンリングの呼び径（d1）の0.001％以上0.015％以下であることが好ましい。第1のピストンリングの場合、後退量（t）は0.004％以上であることがより好ましく、第2のピストンリングの場合、後退量（t）は0.01以下であることがより好ましく、0.007％以下であることがさらに好ましい。
　本発明のピストンリングは、シリンダ内最高圧力の大きな、呼び径が200 mm以上1100 mm未満の大型ディーゼルエンジンで好ましく使用できるが、外周摺動面が所定の形状を満足すれば、その適用エンジンを限定するものではなく、呼び径200 mm未満の中型ディーゼルエンジンにも使用できる。
　また、本発明のピストンリングの母材は、鋳鉄材でも鋼材でも適用可能であるが、高出力化や高効率化に有効に対応し、さらに軽量化や低張力化を目指すには鋼材を適用することが好ましい。鋼材を母材に適用する場合、炭素鋼、低合金鋼、バネ鋼、軸受鋼、マルテンサイト系ステンレスから選択された鋼であることが好ましい。炭素鋼であればCが0.6～0.8質量％程度の高炭素鋼、バネ鋼であればSUP9、SUP10、SUP12等、軸受鋼であればSUJ2、マルテンサイト系ステンレスであればSUS420J2やSUS440Bが好ましく使用される。高温強度、熱伝導率、耐熱ヘタリ性等、求められる要求特性により適した鋼材が選択される。
　本発明のピストンリングは、窒化皮膜、めっき皮膜、溶射皮膜、化成処理皮膜、及びイオンプレーティング皮膜からなるグループから選択された1又は2以上の皮膜を有していることが好ましい。めっき皮膜には、硬質クロムめっき皮膜、多層クロムめっき皮膜、ニッケル複合めっき皮膜が含まれ、溶射皮膜には、モリブデン溶射皮膜やサーメット溶射皮膜、イオンプレーティング皮膜には、CrN皮膜やTiN皮膜が含まれる。
実施例1（第1のピストンリング）
　材料組成が、質量％で、C：0.48％、Si：0.21％、Mn：0.79％、Cr：1.02％、V：0.22％で、外径110 mm、長さ200 mmの棒鋼から、リングローリング加工により筒状素材を作製し、機械加工を施し、呼び径（d1）330 mm、幅（h1）5 mm、厚さ（a1）9mmの矩形断面の鋼製トップリングを作製した。次に、460℃、5時間のガス窒化によりリング全面に窒化層を約70μm形成し、さらに外周には、高速フレーム溶射によりNi合金基地中に微細なCr炭化物粒子が分散した複合材粒子を主たる構成粒子（スルザーメテコ社のSM5241粉末）とするサーメット溶射皮膜を約500μm形成し、最終的には溶射皮膜の膜厚約350μmまで仕上研磨を施した。ここで、ガス窒化により表面に生成した化合物層（白層）は研削除去した。
　仕上研磨により形成した外周摺動面の第1の曲面は、
　　　　　x = a(cosθ+θb・sinθ)/α
　　　　　y = a(sinθ-θ/cosθ)/β
　　　　　a = 7000、b = 3、α= 1、β= 2
なる変形インボリュート曲線を用い、第1の曲面の頂点（燃焼室側上側面から3.5 mmの距離とした）が座標軸の原点となるように、上記変形インボリュート曲線の座標軸を適宜回転させ、平行移動して描いている。また、この場合、下側面から0.5 mmの位置の曲率半径が70 mm、頂点位置の曲率半径が300 mm、上側面から0.5 mmの位置の曲率半径が460 mmとなる。この形状に成形した成形砥石を用いて、第1の曲面を形成し、上下側面から0.5 mmの領域は面取り加工を施し、仕上研磨を完了した。また、燃焼室側の外周摺動面の後退量（t）は0.009 mmで、呼び径（d1）の0.002％であった。
実機試験
　実機試験は、ボア径330 mmの6気筒4ストローク中速ディーゼルエンジンの試験機において、6気筒全てに実施例1のトップリングを装着したピストンを使用して行った。トップリング以外は、従来から使用されてきたピストンリングを使用した。300時間の運転中はスカッフ等のトラブルは無く、トップリングを取り出して摺動面を観察した結果も特に異常はなかった。
実施例2（第2のピストンリング）
　変形インボリュート曲線のパラメータをa = 6000、b = 3、α= 1、β= 1.5とし、第1の曲面を曲率半径がクランク室側から燃焼室側に減少するように反転して形成した以外は、実施例1と同様にして、鋼製トップリングを作製した。この場合、下側面から0.5 mmの位置の曲率半径が340 mm、頂点位置の曲率半径が270 mm、上側面から0.5 mmの位置の曲率半径が100 mmとなる。燃焼室側の外周摺動面の後退量（t）は0.016 mmで、呼び径（d1）の0.0048％であった。さらに、実施例1と同様な実機試験を行った結果、いずれの気筒においてもトラブルは無く、またトップリングの摺動面も異常はなかった。
実施例3-5（第1のピストンリング）
　変形インボリュート曲線のパラメータa、b、α、βを表1に示す値とした以外は実施例1と同様にして実施例3～5の鋼製トップリングを作製した。実施例3～5の下側面側（下側面から0.5 mmの位置）、頂点位置、上側面側（上側面から0.5 mmの位置）における曲率半径と、後退量（t）についても、実施例1及び2の結果とともに表1に示す。さらに、実施例3～5のトップリングを2気筒ずつ装着して実施例1と同様に実機試験を行った結果、いずれのトップリングを使用した気筒においてもトラブルは無く、またトップリングの摺動面も異常はなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　　　＊　後退量は燃焼室側の外周摺動面の後退量（t）を意味する。
実施例6（第1のピストンリング）
　材料組成が、質量％で、C：3.7％、Si：2.7％、Mn：0.6％、P：0.04％、S：0.01％、Cr：0.10％、Ni：0.90％、V：0.07％、Cu：2.39％の鋳鉄を溶解、鋳造、機械加工して、呼び径（d1）330 mm、幅（h1）7 mm、厚さ（a1）10 mmの矩形断面のCV黒鉛鋳鉄製トップリングを作製した。変形インボリュート曲線のパラメータをa = 6000、b = 3、α= 1、β= 1.7として、燃焼室側上側面から4.5 mmの距離とした第1の曲面の頂点が座標軸の原点となるように、上記変形インボリュート曲線の座標軸を適宜回転させ、平行移動して描いている。また、この場合、下側面から0.5 mmの位置の曲率半径が65 mm、頂点位置の曲率半径が280 mm、上側面から0.5 mmの位置の曲率半径が450 mmとなる。この形状に成形した成形砥石を用いて、第1の曲面を形成し、上下側面から0.5 mmの領域は面取り加工を施し、仕上研磨を完了した。また、燃焼室側の外周摺動面の後退量（t）は0.024 mmで、呼び径（d1）の0.007％であった。
実施例7（第2のピストンリング）
　変形インボリュート曲線のパラメータをa = 3000、b = 3、α= 1、β= 2とし、第1の曲面を曲率半径がクランク室側から燃焼室側に減少するように反転して形成した以外は、実施例6と同様にして、CV黒鉛鋳鉄製トップリングを作製した。この場合、下側面から0.5 mmの位置の曲率半径が360 mm、頂点位置の曲率半径が300 mm、上側面から0.5 mmの位置の曲率半径が50 mmとなる。燃焼室側の外周摺動面の後退量（t）は0.035 mmで、呼び径（d1）の0.011％であった。
　実施例6及び7についても、トップリングを3気筒ずつ装着して実施例1と同様な実機試験を行った結果、いずれの気筒においてもトラブルは無く、またトップリングの摺動面も異常はなかった。

Claims (7)

  1. ピストンリングの中心軸を通り前記中心軸に平行な断面に現れる外周摺動面の第1の曲面が外に凸であって、前記第1の曲面の曲率半径がクランク室側から燃焼室側に連続的に増加又は減少していることを特徴とするピストンリング。
  2. 請求項1に記載のピストンリングにおいて、前記断面に現れる前記第1の曲面の頂点が軸方向幅の中央位置よりクランク室側に位置することを特徴とするピストンリング。
  3. 請求項1又は2に記載のピストンリングにおいて、前記第1の曲面の前記断面に現れる曲線がインボリュート曲線を変形した曲線で表されることを特徴とするピストンリング。
  4. 請求項3に記載のピストンリングにおいて、前記曲線が
    　　　　　x = a(cosθ+θb・sinθ)/α
    　　　　　y = a(sinθ-θ/cosθ)/β
    　　　　　a、b、α、βは定数
    なる関係式を用いて表されることを特徴とするピストンリング。
  5. 請求項1～4のいずれかに記載のピストンリングにおいて、前記第1の曲面と燃焼室側上側面及びクランク室側下側面の間それぞれに面取り部を有することを特徴とするピストンリング。
  6. 請求項1～4のいずれかに記載のピストンリングにおいて、前記第1の曲面と燃焼室側上側面及びクランク室側下側面の間それぞれに外に凸の第2及び第3の曲面を有することを特徴とするピストンリング。
  7. 請求項1～6のいずれかに記載のピストンリングにおいて、前記断面に現れる前記第1の曲面の頂点から燃焼室側端までの半径方向の後退量（t）が、ピストンリングの呼び径（d1）の0.001％以上0.015％以下であることを特徴とするピストンリング。
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