(57)【要約】【課題】温度上昇に伴う熱膨張によって摺動抵抗が大きく変化することを避けることができるようにする。【解決手段】ピストン３のリング溝２３内に嵌挿されてシリンダボア２ａに摺接するアウタリング２１と、このアウタリングとリング溝の底面との間に介装されてアウタリングを径方向外向きに付勢するエキスパンダ２２とから構成されるピストンリングにおいて、エキスパンダが、内周側部材２５と外周側部材２６とを貼り合わせてなり、内周側部材が熱膨張率が大きい材料で、外周側部材が熱膨張率が小さい材料でそれぞれ形成されたものとする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンのリング溝内に嵌挿されてシリンダボアに摺接するアウタリングと、このアウタリングと前記リング溝の底面との間に介装されて前記アウタリングを径方向外向きに付勢するエキスパンダとから構成されるピストンリングであって、
前記エキスパンダが、熱膨張率が異なる複数の部材からなり、熱膨張率が大きい材料からなる部材が主に内周側に、熱膨張率が小さい材料からなる部材が主に外周側にそれぞれ配置されたことを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
前記エキスパンダは、内周側部材と外周側部材とを貼り合わせてなり、前記内周側部材が熱膨張率が大きい材料で、前記外周側部材が熱膨張率が小さい材料でそれぞれ形成されたことを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
【請求項３】
前記エキスパンダは、芯部材の外面を鞘部材で覆ってなり、この鞘部材と芯部材とが、熱膨張率が互いに異なる材料で形成されると共に、その鞘部材と芯部材との熱膨張率の大小に応じて、前記芯部材が前記鞘部材の内周側及び外周側のいずれかの側にずらして配置されたことを特徴とする請求項１に記載のピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンリングに関し、特に、アウタリングとエキスパンダとから構成されるピストンリングに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ピストンのリング溝内に挿入されてシリンダボアに摺接するアウタリングと、このアウタリングとリング溝の底面との間に介装されてアウタリングを外向きに付勢するエキスパンダとから構成される、いわゆる組合せピストンリングが知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−０５２９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような組合せピストンリングにおいては、エキスパンダのばね特性を変更することによってシリンダボアに対する面圧を容易に調整することができる利点を有するものの、スリーブとピストンが熱膨張率が異なる材質からなる場合、例えばピストンがアルミニウム系合金材料からなり、シリンダボアを形成するスリーブが鉄系合金材料からなる場合には、温度上昇に伴って、ピストンがスリーブより大きく熱膨張することから、リング溝の底面とスリーブの内周面との間隔が小さくなり、これに応じてピストンリングの張力が大きくなるため、過大な摺動抵抗を発生させる原因となる。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、温度上昇に伴う熱膨張によって摺動抵抗が大きく変化することを避けることができるように構成されたピストンリングを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような課題を解決するために、本発明においては、請求項１に示すとおり、ピストン（３）のリング溝（２３）内に嵌挿されてシリンダボア（２ａ）に摺接するアウタリング（２１）と、このアウタリングと前記リング溝の底面との間に介装されて前記アウタリングを径方向外向きに付勢するエキスパンダ（２２）とから構成されるピストンリングにおいて、前記エキスパンダが、熱膨張率が異なる複数の部材からなり、熱膨張率が大きい材料からなる部材（２５・６２・６７）が主に内周側に、熱膨張率が小さい材料からなる部材（２６・６３・６６）が主に外周側にそれぞれ配置されたものとした。
【０００６】
これによると、温度上昇に伴ってエキスパンダにおいて外周側に比較して内周側が大きく熱膨張しようとするため、組み付け状態でリング溝の底面とアウタリングの内面との間に挟み込まれることによる撓み変形によって発生する張力が実質的に小さくなる。このため、温度上昇に伴ってリング溝の底面とスリーブの内周面との間隔が小さくなる場合に、撓み変形が大きくなることで張力が増大する分が、撓み変形量に応じて発生する張力が低減する分で相殺されるため、実際の張力は大きく変化せず、温度上昇に伴ってシリンダボアに対するアウタリングの面圧が過度に増大して、過大な摺動抵抗が発生することを防止することができる。
【０００７】
前記ピストンリングにおいては、請求項２に示すとおり、前記エキスパンダは、内周側部材（２５）と外周側部材（２６）とを貼り合わせてなり、前記内周側部材が熱膨張率が大きい材料で、前記外周側部材が熱膨張率が小さい材料でそれぞれ形成された構成とすることができる。
【０００８】
これによると、温度上昇に伴うエキスパンダの張力の増大を抑制する上で大きな効果が得られる。また、外周側部材と内周側部材とを貼り合わせれば良く、製造が容易であり、製造コストの増大を小さく抑えることができる。
【０００９】
前記ピストンリングにおいては、請求項３に示すとおり、前記エキスパンダは、芯部材（６２・６６）の外面を鞘部材（６３・６７）で覆ってなり、この鞘部材と芯部材とが、熱膨張率が互いに異なる材料で形成されると共に、その鞘部材と芯部材との熱膨張率の大小に応じて、前記芯部材が前記鞘部材の内周側及び外周側のいずれかの側にずらして配置された構成とすることができる。
【００１０】
これによると、芯部材が鞘部材で覆われるため、熱膨張率の違いにより２つの部材の接合面に発生するせん断力で２つの部材が分離し難くなり、信頼性を高めることができる。
【００１１】
この場合、鞘部材が熱膨張率が小さい材料で、芯部材が熱膨張率が大きい材料でそれぞれ形成される場合には、芯部材を鞘部材の内周側寄りの位置に配置すれば良く、これとは逆に、鞘部材が熱膨張率が大きい材料で、芯部材が熱膨張率が小さい材料でそれぞれ形成される場合には、芯部材を鞘部材の外周側寄りの位置に配置すれば良い。
【発明の効果】
【００１２】
このように本発明によれば、温度上昇に伴ってエキスパンダにおいて外周側に比較して内周側が大きく熱膨張しようとするため、組み付け状態でリング溝の底面とアウタリングの内面との間に挟み込まれることによる撓み変形によって発生する張力が実質的に小さくなる。このため、温度上昇に伴ってリング溝の底面とスリーブの内周面との間隔が小さくなる場合に、撓み変形が大きくなることで張力が増大する分が、撓み変形量に応じて発生する張力が低減する分で相殺されるため、実際の張力は大きく変化せず、温度上昇に伴ってシリンダボアに対するアウタリングの面圧が過度に増大して、過大な摺動抵抗が発生することを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は、本発明によるピストンが適用される内燃機関の要部を示す断面図である。この内燃機関では、シリンダブロック１にシリンダボア２ａを形成する円筒状のスリーブ２が設けられ、このスリーブ２の内部にピストン３が摺動可能に収容されている。ピストン３には、ピストンピン４を介してコネクティングロッド５の上端が連結され、コネクティングロッド５の下端はクランクピン６を介してクランクシャフト７に連結されている。
【００１５】
シリンダブロック１の上側には、吸気バルブ及び排気バルブによりそれぞれ開閉される吸気ポート及び排気ポートが設けられたシリンダヘッド（図示せず）が結合され、このシリンダヘッドの内壁面とピストン３の上面とシリンダボア２ａとで燃焼室９が画成される。
【００１６】
ピストン３は、燃焼ガスの圧力が作用する頂部１１と、この頂部１１から垂下した態様で設けられた一対のスカート部１２と、この一対のスカート部１２を互いに連結する態様で設けられた一対のサイドウォール部１３と、この一対のサイドウォール部１３に設けられた一対のピンボス部１４とを有している。頂部１１の外周には、ピストンリング１５〜１７がそれぞれ取り付けられている。なお、ピストンリング１５・１６はコンプレッションリングであり、ピストンリング１７はオイルリングである。
【００１７】
図２は、図１に示したピストンをその軸線に直交し且つリング溝を通る平面で切断して示す横断面図である。図３は、図２に示したピストンリングの周辺部をピストンの軸線に沿った平面で切断して示す要部縦断面図である。
【００１８】
ピストンリング１５は、ピストン３の外周面に環状に凹設されたリング溝２３に嵌挿されており、シリンダボア２ａに摺接するアウタリング２１と、このアウタリング２１とリング溝２３の底面との間に介装されてアウタリング２１を径方向外向きに付勢するエキスパンダ２２とからなっている。アウタリング２１及びエキスパンダ２２は共に、一部が切り欠かれたＣ字形状をなしている。
【００１９】
エキスパンダ２２は、折曲部２２ａが所定の間隔をおいて複数形成された多角形状をなしており、アウタリング２１とリング溝２３の底面との間に挟み込まれることで弾性変形して、アウタリング２１をシリンダボア２ａに圧接させる向きに付勢する張力（ばね付勢力）を発生し、シリンダボア２ａに収容されることで縮径方向に弾性変形するアウタリング２１自身が発生する張力と協働して、シリンダボア２ａに対するアウタリング２１の面圧が確保される。
【００２０】
図４は、図２に示したピストンリングの周辺部を拡大して示す横断面図である。エキスパンダ２２は、多角形の辺に相当する真直部２２ｂの内面がリング溝２３の底面に当接すると共に、多角形の頂点に相当する折曲部２２ａの外面がアウタリング２１の内面に当接し、アウタリング２１の内面とリング溝２３の底面とに挟まれることで撓み変形して、アウタリング２１を外向きに付勢する張力を発生する。
【００２１】
ここで、ピストン３がアルミニウム系材料からなり、スリーブ２が鉄系材料からなる場合には、温度上昇に伴ってピストン３がスリーブ２より大きく熱膨張するため、リング溝２３の底面とシリンダボア２ａとの間隔が小さくなり、同時にリング溝２３の底面とアウタリングの内面との隙間間隔（径方向寸法）Ｄが小さくなるため、従来構成のエキスパンダでは、温度上昇に伴って撓み変形量が大きくなるため、エキスパンダの張力が増大して、シリンダボア２ａに対するアウタリング２１の面圧が高くなる問題がある。
【００２２】
これに対して、本発明によるエキスパンダ２２は、外周側に比較して内周側で熱膨張率が大きくなるように形成されて、撓み変形に応じて発生する張力が温度上昇に伴って小さくなるように工夫されており、特にここでは、内周側部材２５と外周側部材２６とを貼り合わせてなり、内周側部材２５が熱膨張率が大きい材料、例えば鉄系合金材料で形成され、外周側部材２６が熱膨張率が小さい材料、例えばインバー合金材料で形成されている。内周側部材２５と外周側部材２６と貼り付けは、接着や溶着、圧着、溶接などにより行えば良い。
【００２３】
図５は、図２に示したエキスパンダの自由状態での熱膨張状況を示す模式的な要部平面図であり、（Ａ）に熱膨張前を、（Ｂ）に熱膨張後をそれぞれ示している。エキスパンダ２２においては、温度が高くなると、外周側部材２６に比較して内周側部材２５が大きく熱膨張しようとするため、折曲部２２ａの角度αが大きくなるように変形する。また、エキスパンダ２２の径方向寸法Ｄ０、すなわち折曲部２２ａの外面上を通る円弧の径と、真直部２２ｂの内面上を通る円弧の径との差が小さくなる。
【００２４】
したがって、図４に示したように、リング溝２３の底面とアウタリング２１の内面との間に挟み込まれた組み付け状態で、温度が高くなると、エキスパンダ２２に生じる撓み変形によって発生する張力が実質的に小さくなる。このため、前記のように、温度上昇に伴ってリング溝２３の底面とアウタリング２１の内面との隙間間隔Ｄが小さくなる場合には、撓み変形が大きくなることで張力が増大する分が、撓み変形量に応じて発生する張力が低減する分で相殺されるため、実際の張力は大きく変化せず、温度上昇に伴ってシリンダボア２ａに対するアウタリング２１の面圧が過度に増大することを防止することができる。
【００２５】
図６は、本発明によるピストンリングの別の例を示す、図３と同様の要部縦断面図である。図６（Ａ）に示す例では、エキスパンダ６１が、芯部材６２とその外面を覆う鞘部材６３とからなり、鞘部材６３が熱膨張率が小さい材料で、芯部材６２が熱膨張率が大きい材料でそれぞれ形成されると共に、芯部材６２が鞘部材６３の内周側寄りの位置に配置されている。
【００２６】
図６（Ｂ）に示す例では、図６（Ａ）の例と同様に、エキスパンダ６５が、芯部材６６と鞘部材６７とからなるが、図６（Ａ）の例とは逆に、鞘部材６７が熱膨張率が大きい材料で、芯部材６６が熱膨張率が小さい材料でそれぞれ形成されると共に、芯部材６６が鞘部材６７の外周側寄りの位置に配置されている。
【００２７】
エキスパンダ６１・６５の断面構造は周方向に一定であり、このような断面構造のものを製造するには、例えば鞘部材６３・６７を中心線に直交する分割面で２分割した状態の分割体をコ字形状断面に成形し、この分割体に芯部材６２・６６を嵌め込んだ上で分割体を接合すれば良い。
【００２８】
このように構成されたエキスパンダ６１・６５では、前記の例と同様に、温度上昇に伴って外周側に比較して内周側が大きく熱膨張しようとするため、組み付け状態で、リング溝２３の底面とアウタリング２１の内面との間に挟み込まれることにより生じる撓み変形によって発生する張力が実質的に小さくなり、温度上昇に伴ってリング溝２３の底面とシリンダボア２ａとの間隔が小さくなる場合でも、張力の増大によりシリンダボア２ａに対するピストンリング１５の面圧が過度に増大することを防止することができる。
【００２９】
なお、表面処理により母材と異なる熱膨張率が得られることが考えられるため、前記の構成に加えてエキスパンダの内周側や外周側に表面処理を施すようにしても良い。この場合、エキスパンダの内周側に母材よりも熱膨張率が大きくなる表面処理を施し、また、エキスパンダの外周側に母材よりも熱膨張率の小さくなる表面処理を施し、あるいは、これらの表面処理を内周側と外周側の双方に施せば良い。母材よりも熱膨張率の大きくなる表面処理としては、例えばアルミニウムの蒸着が考えられる。また、母材よりも熱膨張率の小さい表面処理としては、例えばＳＵＳ３０４等の高線膨張係数を持つステンレスの母材にＮｉめっきを施すことが考えられる。
【００３０】
以上、ピストンに装着されるピストンリングのうち、燃焼室側のコンプレッションリングであるトップリングに関する例について説明したが、セカンドリングについても同様の構成を採用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明によるピストンが適用される内燃機関の要部を示す断面図である。
【図２】図１に示したピストンをその軸線に直交し且つリング溝を通る平面で切断して示す横断面図である。
【図３】図２に示したピストンリングの周辺部をピストンの軸線に沿った平面で切断して示す要部縦断面図である。
【図４】図２に示したピストンリングの周辺部を拡大して示す横断面図である。
【図５】図２に示したエキスパンダの自由状態での熱膨張状況を示す模式的な要部平面図である。
【図６】本発明によるピストンリングの別の例を示す、図３と同様の要部縦断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
２  スリーブ、２ａ  シリンダボア
３  ピストン
１５〜１７  ピストンリング
２１  アウタリング
２２  エキスパンダ、２２ａ  折曲部、２２ｂ  真直部
２３  リング溝
２５  内周側部材
２６  外周側部材
６１・６５  エキスパンダ
６２・６６  芯部材
６３・６７  鞘部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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