(57)【要約】【課題】  リング本体の内周の環状溝とエキスパンダとの組み合わせ構造を適正化したピストンリングを提供する。【解決手段】  内周に環状溝７が設けられたリング本体２と、エキスパンダの線材３ａをコイル状に巻いて形成され、かつ環状溝７に配置されてリング本体２を外周側に付勢するエキスパンダ３と、を備え、リング本体２には、環状溝７の溝壁７ａを環状溝７の溝底７ｂまで達しない範囲で半径方向外周側に後退させた複数の後退部８がそれらの間に肉厚部９が残るようにしてリング本体２の周方向に間隔を空けて設けられるとともに、リング本体２を半径方向に貫いて環状溝７内に開口するオイル戻し孔１０が後退部８と周方向の位置を合わせて設けられ、エキスパンダ３は、エキスパンダの線材３ａが形成するコイルの半径方向外周側の各頂点３ｂが肉厚部９と周方向に位置を合わせるようにして環状溝７に嵌め合わされている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周に環状溝が設けられたリング本体と、線材をコイル状に巻いて形成され、かつ前記環状溝に配置されて前記リング本体を外周側に付勢するエキスパンダと、を備え、
前記リング本体には、前記環状溝の溝壁を当該環状溝の溝底まで達しない範囲で半径方向外周側に後退させた複数の後退部がそれらの間に肉厚部が残るようにして前記リング本体の周方向に間隔を空けて設けられるとともに、当該リング本体を半径方向に貫いて前記環状溝内に開口するオイル戻し孔が前記後退部と前記周方向の位置を合わせて設けられ、前記エキスパンダは、前記線材が形成するコイルの前記半径方向外周側の各頂点が前記肉厚部と前記周方向に位置を合わせるようにして前記環状溝に嵌め合わされていることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
前記肉厚部において前記溝壁が前記エキスパンダの中心を超えて半径方向中心側に延びている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】
前記エキスパンダの隣接する頂点が一つの肉厚部内に位置していることを特徴とする請求項１又は２に記載のピストンリング。
【請求項４】
前記線材の一部が、前記周方向において前記肉厚部から前記後退部にはみ出るように前記後退部の当該周方向の幅が設定されていることを特徴とする請求項３に記載のピストンリング。
【請求項５】
前記肉厚部を前記リング本体の軸線方向に貫く貫通孔が、前記エキスパンダの線材間の隙間と前記周方向に位置を合わせるようにして設けられていることを特徴とする請求項３又は４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、ピストンリング本体とコイル状のエキスパンダとを備えたピストンリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のピストンに装着されるピストンリングとして、リング本体の内周に環状溝を設け、その環状溝にコイル状のエキスパンダを配置してリング本体に半径方向外周側へ向かうリング張力を付加する、いわゆる２ピース構造の組み合わせ型ピストンリングが知られている。この種のピストンリングにおいて、リング本体を鋼板から一体的に成形し、リング本体の内周にスリット状の切り欠き部を周方向に所定の間隔で設けることにより、リング本体の剛性の適正化を図ったピストンリングが提案されている（例えば特許文献１参照）。リング本体の内周に切り欠き部を設けたピストンリングを開示する先行技術文献としては、その他に特許文献２及び３が存在する。
【０００３】
【特許文献１】実開昭６２−８３５０号公報
【特許文献２】実開平５−８１２８号公報
【特許文献３】特開平８−２００５００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のピストンリングでは、リング本体の内周を切り欠き部によって環状溝の溝底に至るまで分断している。従って、例えば、リング本体に作用するリング張力が切り欠き部を境として不連続に変化し、あるいは、エキスパンダをリング本体へ組み付ける際にはエキスパンダの線材が切り欠き部へ嵌り込んで位置合わせ作業の手間が増すといった種々の不都合が生じる可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明は、リング本体の内周の環状溝とエキスパンダとの組み合わせ構造を適正化したピストンリングを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のピストンリングは、内周に環状溝が設けられたリング本体と、線材をコイル状に巻いて形成され、かつ前記環状溝に配置されて前記リング本体を外周側に付勢するエキスパンダとを備え、前記リング本体には、前記環状溝の溝壁を当該環状溝の溝底まで達しない範囲で半径方向外周側に後退させた複数の後退部がそれらの間に肉厚部が残るようにして前記リング本体の周方向に間隔を空けて設けられるとともに、当該リング本体を半径方向に貫いて前記環状溝内に開口するオイル戻し孔が前記後退部と前記周方向の位置を合わせて設けられ、前記エキスパンダは、前記線材が形成するコイルの前記半径方向外周側の各頂点が前記肉厚部と前記周方向に位置を合わせるようにして前記環状溝に嵌め合わされることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
本発明のピストンリングによれば、環状溝の溝底と溝壁の一部はリング本体の全周に亘って連続するように残されるため、環状部を切り欠き部で分断した場合に生じる種々の不都合を回避することができる。例えば、リング本体の張力が周方向に不連続に変化するおそれがない。さらに、溝底が切り欠かれていないので、エキスパンダが切り欠きに嵌り込むこともなく、リング本体に対してエキスパンダを適切な位置に容易に配置することができる。また、エキスパンダの線材が肉厚部にて環状溝の内面と接触しているので、後退部の位置でエキスパンダの線材を環状溝に嵌め合わせる場合と比較して、エキスパンダをより広い範囲でリング本体と接触させ、それによりエキスパンダの張力をリング本体に対して効率よく伝達することができる。さらに、オイル戻し孔が後退部と位置を合わせて設けられているので、溝深さが大きい肉厚部にオイル戻し孔を設ける場合と比較してオイル戻し孔の加工が容易に行える利点がある。ピストンリングの重量とオイル消費量との間には、重量が小さいほどオイル消費量も減少する関係があるため、後退部を設けてリング本体を軽量化することにより、オイル消費量の削減を図ることもできる。
【０００８】
前記肉厚部において前記溝壁が前記エキスパンダの中心を超えて半径方向中心側に延びていてもよい（請求項２）。エキスパンダを肉厚部の溝壁で十分に抱え込むことができるため、エキスパンダの張力をリング本体に対して効率よく伝えることができる。特に、エキスパンダが形状記憶合金製の可変張力型に構成されている場合には、リング本体の軸線の方向におけるエキスパンダの温度上昇に伴う膨張変位を環状溝の溝壁で受け止めてリング本体の張力の変化に確実に反映させ、それによりリング張力の変動幅を大きく確保することができる。
【０００９】
本発明の一形態において、前記エキスパンダの隣接する頂点が一つの肉厚部内に位置していてもよい（請求項３）。この形態によれば、各肉厚部において線材がより長い範囲に亘って環状溝に嵌め合わされるので、リング本体とエキスパンダの密着力を向上させることができる。特に、線材の線径が細いエキスパンダを使用した場合には有効であり、これによりピストンリング全体の体格あるいは重量を小さくすることができ、内燃機関のピストンの全高も低くすることができる。よって、ピストン軸方向幅を薄くし、ピストンの高さを薄くさせ、ピストンの軽量化による内燃機関の出力を向上させることができる。この場合、前記線材の一部が、前記周方向において前記肉厚部から前記後退部にはみ出るように前記後退部の当該周方向の幅を設定してもよい（請求項４）。各肉厚部においてリング本体とエキスパンダとの十分な密着力を確保しつつ、各肉厚部の幅を減少させてリング本体の軽量化を図ることができる。
【００１０】
エキスパンダの隣接する頂点が一つの肉厚部内に位置する形態において、前記肉厚部を前記リング本体の軸線方向に貫く貫通孔が、前記エキスパンダの線材間の隙間と周方向に位置を合わせるようにして設けられてもよい（請求項５）。リング本体の軽量化を図るとともに、肉厚部の剛性を適度に低下させ、それにより肉厚部と後退部との間の剛性の差を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上に説明したように、本発明のピストンリングによれば、リング本体の環状溝の溝底と溝壁の一部はリング本体の全周に亘って連続するように残されているため、例えばリング本体の張力が周方向に不連続に変化するおそれがなく、エキスパンダが切り欠きに嵌り込むこともないといったように、環状部を切り欠き部で分断した場合に生じる種々の不都合を回避できる。また、エキスパンダの線材が肉厚部で環状溝の内面と接触しているため、後退部で接触する場合と比較して、エキスパンダをより広い範囲でリング本体と接触させ、それによりエキスパンダの張力をリング本体に対して効率よく伝達できる。さらに、オイル戻し孔が後退部と位置を合わせて設けられているため、溝深さが大きい肉厚部にオイル戻し孔を設ける場合よりもオイル戻し孔の加工が容易に行える。後退部を設けてリング本体を軽量化することにより、オイル消費量の削減を図ることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（第１の形態）
図１は本発明の第１の形態に係るピストンリングの部分断面図、図２は図１のピストンリングの一部をリング軸線の方向（図１の上下方向）から見た平面図である。本形態のピストンリング１Ａは、内燃機関のシリンダ壁１００に付着したオイルを掻き落とすオイルリングとして機能すべくその内燃機関のピストン１０１に設けられたピストンリング溝１０２に装着される。なお、ピストンリング１Ａの上方、つまり内燃機関の燃焼室側には圧力漏れを防止するコンプレッションリングが配置されるが、その図示は省略した。
【００１３】
ピストンリング１Ａは、リング本体２と、リング本体２の内周側に配置されてリング本体２に半径方向外周側へ向かうリング張力を付与するエキスパンダ３とを備えている。リング本体２は合い口を有するＣ字型に形成されている。一方、エキスパンダ３は、ばね性を有する線材３ａを一定ピッチでコイル状に巻いて形成されている。リング本体２は、一例として、素材となる鋼材を図示の断面形状にプレス成型等で加工し、これをピストンリング溝１０２に合わせた長さに切断する方法により製造される。エキスパンダ３については、その線材３ａをＮｉ−Ｔｉ系等の形状記憶合金にて形成することにより、可変張力コイルエキスパンダとして構成されてもよい。
【００１４】
リング本体２の外周には、シリンダ壁１００に接してオイルを掻き落とす上レール４及び下レール５がリング軸線の方向に間隔を空けて設けられている。レール４、５はいずれもリング本体２の全周に亘って延びており、それらの間にはリング本体２の全周に亘って延びる環状の凹部６が形成されている。一方、リング本体２の内周にはエキスパンダ３を受け入れるための環状溝７が設けられている。環状溝７の断面形状は、溝壁７ａから溝底７ｂまでエキスパンダ３の半径ｒと同一か又は幾らか大きい曲率半径の円弧を描いて湾曲するように定められている。但し、環状溝７の断面形状はエキスパンダ３を受け入れることができるものであればよい。例えば溝底７ｂに向うに従ってリング軸線方向の幅が漸次減少するように溝壁７ａを傾斜させてもよい。環状溝７もまたリング本体２の全周に亘って延びている。エキスパンダ３は、環状溝７に沿ってリング本体２の全周に延びるようにしてリング本体２の内周に取り付けられる。
【００１５】
リング本体２の内周には、環状溝７の上下の溝壁７ａを溝底７ｂに達しない範囲で半径方向外周側に後退させた複数の後退部８が周方向に一定の間隔を空けて設けられている。上下の溝壁７ａの間において、後退部８の周方向の位置は、上下で一致している。つまり、図２から明らかなように、リング軸線の方向から見て上下の後退部８は互いに重なり合い、後退部８に挟まれる肉厚部９もまたリング軸線の方向に重なり合っている。図１に示したように、肉厚部９において、上下の溝壁７ａは、環状溝７に装着されたエキスパンダ３の中心ＣＰを超えて半径方向中心側（図１の左方）へ幾らか延びるように設けられている。換言すれば、肉厚部９における環状溝７の深さｄはエキスパンダ３の半径ｒよりも幾らか大きい。なお、肉厚部９において、エキスパンダ３の中心ＣＰを超えて半径方向中心側に延ばされた溝壁７ａ同士のリング軸線方向における間隔はエキスパンダ３の直径以上である。
【００１６】
図１に示す上下の溝壁７ａのそれぞれにおいて、図２に示す後退部８の周方向の間隔は、エキスパンダ３を環状溝７に組み付けた状態におけるエキスパンダ３の線材３ａのピッチＰと一致している。なお、図２ではエキスパンダ３の線材３ａが形成するコイルの半径方向外周側の頂点３ｂを基準としてピッチＰを定義している。そして、エキスパンダ３は、その線材３ａの各頂点３ｂが肉厚部９と周方向に位置を合わせるようにして環状溝７に嵌め合わされている。これにより、エキスパンダ３の線材３ａは、肉厚部９において溝壁７ａ及び溝底７ｂと接触するように環状溝７に嵌り込み、その一方、後退部８においては線材３ａが環状溝７よりも半径方向中心側に後退する。
【００１７】
さらに、図１に示したように、リング本体２には、凹部６から環状溝７の溝底７ｂまでリング本体２を半径方向に貫くようにして複数のオイル戻し孔１０が設けられている。オイル戻し孔１０は、レール４、５によって掻き落とされて凹部６に収容されたオイル（潤滑油）をリング本体２の内周側に導くために設けられている。オイル戻し孔１０を通過したオイルはピストン１０１のドレン路１０３（図１参照）を介して不図示のクランク室に排出される。
【００１８】
オイル戻し孔１０はリング本体２の周方向に関して後退部８と位置を合わせて設けられている。つまり、オイル戻し孔１０は、リング軸線の方向から見て後退部８の位置で凹部６と環状溝７とを結ぶように設けられている。なお、本形態では各後退部８に対して１本ずつオイル戻し孔１０が設けられているが、周方向に関して２以上の後退部８に対して１本のオイル戻し孔１０が設けられてもよい。
【００１９】
以上のように構成されたピストンリング１Ａによれば、エキスパンダ３の線材３ａが肉厚部９にて環状溝７の内面、つまり溝壁７ａ及び溝底７ｂと接触しているので、後退部８の位置でエキスパンダ３の線材３ａを環状溝７に嵌め合わせる場合と比較して、エキスパンダ３をより広い範囲でリング本体２と接触させ、それによりエキスパンダ３の張力をリング本体２に対して効率よく伝達することができる。また、エキスパンダ３を肉厚部９にて十分に覆うことができるので、ピストンリング１Ａをピストンリング溝１０２に装着する際にエキスパンダ３がリング本体２からはみ出るおそれが少なく、ピストンリング溝１０２に対するピストンリング１Ａの組み付け作業を容易に行うことができる。後退部８を設けることにより、リング本体２の軽量化を図ることもできる。ピストンリングの重量とオイル消費量との間には、図３に示したように重量が小さいほどオイル消費量も減少する関係がある。従って、後退部８を設けてリング本体２を軽量化することにより、オイル消費量の削減を図ることもできる。なお、ピストンリングのシリンダ壁に対する追従性は下式（１）に示す追従性係数Ｋにて評価することができる。
【００２０】
Ｋ＝（Ｗ・Ｄ）／（Ｅ・Ｉ）      …（１）
ここに、Ｗはリング張力、Ｄはシリンダ内径、Ｅはリング本体の縦弾性係数、Ｉはリング本体の断面係数であり、断面係数Ｉはリング本体２の半径方向の厚さＴ（図１参照）が小さいほど小さくなる。後退部８の形成位置において厚さＴが小さくなることにより、ピストンリング１Ａの追従性係数Ｋは全体として増加するから、ピストンリング１Ａのシリンダ壁１００に対する追従性が向上してオイル消費量が減少する。
【００２１】
本形態のピストンリング１Ａにおいては、線材３ａがオイル戻し孔１０に対して周方向にずれ、しかも、オイル戻し孔１０の形成位置では環状溝７の溝深さが小さいので、レール４、５によって掻き落とされたオイルをオイル戻し孔１０からドレン路１０３を経由してクランク室まで速やかに排出することができる。従って、レール４、５の周囲にオイルが滞留せず、レール４、５によるオイルの掻き残しに起因するオイル消費量の増加、あるいはフリクションの増加を抑えることができる。さらに、オイル戻し孔１０が後退部８と位置を合わせて設けられているので、溝深さｄが大きい肉厚部９にオイル戻し孔を設ける場合と比較してオイル戻し孔１０の加工が容易に行える利点がある。例えば、リング本体２をプレス成型加工にて製造する場合には、オイル戻し孔１０を形成するためのプレス型の抜き取りが容易に行える。
【００２２】
本形態のピストンリング１Ａにおいては、後退部８が溝底７ｂに達しない範囲で設けられているので、環状溝７の溝底７ｂと溝壁７ａの一部はリング本体２の全周に亘って連続するように残される。このため、リング本体２の張力が周方向に不連続に変化するおそれがない。さらに、後退部８が溝底７ｂまで切り欠かれていないので、エキスパンダ３が切り欠きに嵌り込むような不都合が生じず、リング本体２に対してエキスパンダ３を適切な位置に容易に配置することができる。
【００２３】
さらに、本形態のピストンリング１Ａにおいては、肉厚部９において環状溝７の溝壁７ａがエキスパンダ３の中心ＣＰを超えて半径方向中心側へ延ばされているので、エキスパンダ３の張力をリング本体２に対して効率よく伝えることができる。特に、エキスパンダ３が形状記憶合金製の可変張力型に構成されている場合には、リング軸線の方向におけるエキスパンダ３の温度上昇に伴う膨張変位（図１の矢印Ｆ参照）を環状溝７の溝壁７ａで受け止めることができる。このため、エキスパンダ３の張力がリング本体２のレール４、５に与える半径方向外向きの力をより大きく伝えることができる。仮に、エキスパンダ３の中心ＣＰが溝壁７ａよりも半径方向中心側に配置されている場合には、リング軸線の方向の膨張変位を溝壁７ａで受けることができず、そのためエキスパンダ３が環状溝７から逃げるようにずれ、エキスパンダ３の張力の変化がリング本体２に正しく伝わらないおそれが生じる。これに対して本形態のピストンリング１Ａによればエキスパンダ３の変位をリング本体２の張力の変化に確実に反映させ、それによりリング張力の変動幅を大きく確保することができる。
【００２４】
（第２の形態）
図４は本発明の第２の形態に係るピストンリングの一部をリング軸線の方向から見た平面図である。なお、図４において第１の形態と共通する部分には同一符号を付してそれらの説明を省略する。第２の形態のピストンリング１Ｂにおいては、エキスパンダ３の線材３ａが形成するコイルの半径方向外周側の隣接する２つの頂点３ｂが１つの肉厚部９内に位置するように、エキスパンダ３がリング本体２の環状溝７に嵌め合わされている点が第１の形態と異なっている。エキスパンダ３を環状溝７に組み付けられた状態におけるエキスパンダ３の線材３ａのピッチＰは、肉厚部９のリング本体２の周方向に関する幅ＷＴよりも小さく設定される。なお、図４では、肉厚部９の幅ＷＴは、後退部８の溝壁７ｃに沿ったリング本体２の周方向の基準線ＲＬ上の長さとして定義している。
【００２５】
以上の形態のピストンリング１Ｂによれば、各肉厚部９において線材３ａがより長い範囲に亘って環状溝７に嵌め合わされるので、リング本体２とエキスパンダ３の密着力を向上させることができる。本形態のピストンリング１Ｂは、線材３ａの線径が細いエキスパンダ３を使用した場合には特に有効である。線材３ａの線径が細いエキスパンダ３を使用することにより、ピストンリング１Ｂ全体の体格あるいは重量を小さくすることができ、内燃機関のピストン１０１の全高も低くすることができる。このため、ピストン１０１の軽量化による内燃機関の出力を向上させることができる。なお、１つの肉厚部９内に線材３ａの頂点３ｂは３つ以上配置させてもよい。
【００２６】
（第３の形態）
図５は本発明の第３の形態に係るピストンリングの一部をリング軸線の方向から見た平面図である。なお、図５において第１の形態又は第２の形態と共通する部分には同一符号を付してそれらの説明を省略する。第３の形態のピストンリング１Ｃにおいては、エキスパンダ３の線材３ａの一部がリング本体２の周方向において肉厚部９から後退部８にはみ出るように後退部８のリング本体２の周方向の幅ＷＲが設定されている。つまり、後退部８の幅ＷＲは、第２の形態における後退部８の幅ＷＲについて肉厚部９を通るエキスパンダ３の線材３ａの一部が肉厚部９の半径方向に関する側面から後退部８にはみ出る範囲まで広げてられている。図４又は図５では、後退部８の幅ＷＲは、後退部８の溝壁７ｃに沿ったリング本体２の周方向の基準線ＲＬ上の長さとして定義している。
【００２７】
以上の形態のピストンリング１Ｃによれば、第２の形態と同様に各肉厚部９において線材３ａがより長い範囲に亘って環状溝７に嵌め合わされることにより、リング本体２とエキスパンダ３との十分な密着力を確保しつつ、各肉厚部９の幅ＷＲを減少させることにより、第２の形態に比してリング本体２の軽量化を図ることができる。
【００２８】
（第４の形態）
図６は本発明の第４の形態に係るピストンリングの一部をリング軸線の方向から見た平面図である。なお、図６において第２の形態と共通する部分には同一符号を付してそれらの説明を省略する。第４の形態のピストンリング１Ｄでは、リング本体２の全周に亘って設けられた各肉厚部９にリング軸線の方向に貫く貫通孔１１が設けられている。貫通孔１１は肉厚部９の溝壁７ａを通るエキスパンダ３の線材３ａ間の隙間に後退部９と周方向に位置を合わせて設けられている。貫通孔１１のリング本体２の周方向の位置は、上下の溝壁７ａの間において、互いに一致している。つまり、図６から明らかなように、リング軸線の方向から見て上下の貫通孔１１は互いに重なり合っている。
【００２９】
以上の形態のピストンリング１Ｄによれば、第２の形態に比してリング本体２の軽量化を図ることができる。また、貫通孔１１が設けられることにより、肉厚部９の剛性を第２の形態のそれと比して適度に低下させ、それにより肉厚部９と後退部８との間の剛性の差を小さくすることができる。従って、リング本体２の全周に亘ってシリンダ壁に対する面圧分布がより均一になるため、リング本体２の全周に亘って良好なオイル掻き性能をより確実に発揮させることができる。
【００３０】
本発明は上述した形態に限定されることなく、各種の形態にて実施してもよい。例えば、第４の形態で示した貫通孔１１を第３の形態に設けてもよいし、第１の形態と第２の形態又は第１の形態と第３の形態といったように各々の形態を組み合わせてもよい。
【００３１】
本発明は内燃機関に限らず、ピストンリングを使用する限りにおいて各種の往復動型機関に適用することができる。例えば、外燃機関、コンプレッサ、ピストンポンプ等のピストンリングに対して本発明を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の形態に係るピストンリングの部分断面図。
【図２】図１のピストンリングの一部をリング軸線の方向から見た平面図。
【図３】ピストンリングの重量とオイル消費量との関係を示す図。
【図４】本発明の第２の形態に係るピストンリングの一部をリング軸線の方向から見た平面図。
【図５】本発明の第３の形態に係るピストンリングの一部をリング軸線の方向から見た平面図。
【図６】本発明の第４の形態に係るピストンリングの一部をリング軸線の方向から見た平面図。
【符号の説明】
【００３３】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ  ピストンリング
２  リング本体
３  エキスパンダ
３ａ  エキスパンダの線材
３ｂ  線材が形成するコイルの半径方向外周側の頂点
７  環状溝
７ａ  溝壁
７ｂ  溝底
８  後退部
９  肉厚部
１０  オイル戻し孔
【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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