(57)【要約】【課題】  合口部での面圧上昇の抑制効果を発揮でき、リング溝から脱落することがなくリングの組み付け性を確保でき、加工が容易で、フラッタリングが生じず、シール性が良好な圧力リング、及びその製造方法の提供。【解決手段】  合口部５が閉じている状態で合口部端面を通る圧力リング１の直径方向において反合口部の厚さは、圧力リングの外径の２．５〜５．０％である。合口部が閉じている状態で圧力リングの外周３および内周２は共に真円である。外周の中心８は合口部端面を通る圧力リングの直径方向において内周の中心９よりも反合口部側にずれており、合口部側がもっとも薄く反合口部側がもっとも厚い。合口部の直径方向の厚さは反合口部の直径方向の厚さの５０〜７０％である。直径方向厚さ一定のリング素体の外周面を切削又は研削加工するのみで製造できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合口部を有し、合口部端面を通るリングの直径方向においてリングの直径方向の厚さが合口部から該合口部の直径方向反対側部位である反合口部に向かうに従って徐々に大きくなり、該反合口部で厚さが最大となる圧力リングにおいて、
該合口部が閉じている状態で該合口部端面を通る該圧力リングの直径方向において該反合口部の厚さは、該圧力リングの外径の２．５〜５．０％であり、
該合口部が閉じている状態で該圧力リングの外周および内周は共に真円であり、該外周の中心は該合口部端面を通る該圧力リングの直径方向において該内周の中心よりも該反合口部側にずれており、該合口部の直径方向の厚さは該反合口部の直径方向の厚さの５０〜７０％であることを特徴とする圧力リング。
【請求項２】
直径方向の厚さが略一定をなすような外周と内周を有すると共に合口部を備えた圧力リング素材を製造する工程と、
該圧力リング素材の合口部を閉じた状態にするとともに、閉じた該圧力リング素材の中心位置よりも該合口部の端面を通る圧力リング素材の直径方向において合口部とは直径方向反対側部位である反合口部方向に回転中心を所定量変位させた状態で該圧力リング素材を切削機又は研削機に保持する工程と、
該切削機又は該研削機に保持された該圧力リング素材を変位した回転中心を中心に回転させて該外周面を切削又は研削する工程とを有し、該所定量は該合口部側の削り代または研削代分の１／２に対応し、合口部での切削量又は研削量が最大であり、反合口部での切削量又は研削量が実質的にゼロであることを特徴とする圧力リングの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧力リング及びその製造方法に関し、特に、ディーゼル機関、ガソリン機関及びガス機関等の内燃機関の圧力ピストンリング及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧力リングはその径方向の厚さが全周にわたり同一であるのが一般的である。ここで実機運転時に特に熱負荷の高い高出力ディーゼル機関等においては、熱膨張によって合口部の突っ張り、合口部近傍の面圧が上昇することが知られている。そのために、偏摩耗、スカッフ、クラック、表面処理皮膜の剥離が発生しやすい。そこで合口部近傍の摩耗が激しい合口部近傍の面圧を他の部分と比較して低いローポイントピストンリングとするために、圧力リングの内周面側において、合口部の端面を始端とする所定の周長部分に亘り、内周面の一部をなす切欠部が形成されており、所定周長部分における半径方向の厚さが、所定周長部分以外の部分の半径方向の厚さに比較して薄いピストンリングが提案されている。しかしピストンリングの内周の加工は一般に困難であり、特に小径リングになるにつれ加工しづらくなるという問題点がある。
【０００３】
特許文献１は、ピストンリングの重量を増大させることなく圧力リングの強度や耐久性を高めるために、ピストンリングの径方向厚さが合口部近傍ほど薄く、かつ合口部から遠ざかるにつれて徐々に厚くなっており、合口部に対してリング直径方向反対側の部分が最大となる圧力リングを提案している。かかるリングは従来の径方向厚さが一定のリングと比較して、ピストンリング径方向において合口部の厚さがより薄く、合口部の直径方向反対側の部位（反合口部）の厚さはより厚くなっている。
【特許文献１】特開平９−１９６１７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の圧力リングは従来の径方向の厚さが一定のリングと同等な重量であるため、依然その重量が重く、ピストン上下運動から受ける慣性力により、リングがピストン溝内で浮き上がるフラッタリング現象が起こりやすく、そのためにシール性が悪化し、オイル消費、ブローバイガス増加の問題がある。
【０００５】
更に、反合口部側のリング厚さが従来の径方向の厚さ一定のリングの厚さよりも厚いために、その分リングを装着するリング溝の深さも深くなる。通常、圧力リングはピストン軸方向に複数並んでピストンに装着されており、リング溝が深くなると第１リング溝と第２リング溝との間のピストンランド部のピストン半径方向の突出長さが大きくなり、その基部付近で折損が生じるおそれがあり、折損すると圧力リングも折損するおそれがある。加えて、リング径方向の厚さが不均一であるため、その加工方法も困難が予想されるが、その具体的な加工方法の提案もない。
【０００６】
そこで本発明は、合口部での面圧上昇の抑制効果を発揮でき、ピストンランド部の基部付近での折損や圧力リングの折損がなくリングの組み付け性を確保でき、加工が容易で、フラッタリングが生じず、シール性が良好な圧力リング、及びその製造方法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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、合口部を有し、合口部端面を通るリングの直径方向においてリングの直径方向の厚さが合口部から該合口部の直径方向反対側部位である反合口部に向かうに従って徐々に大きくなり、該反合口部で厚さが最大となる圧力リングにおいて、該合口部が閉じている状態で該合口部端面を通る該圧力リングの直径方向において該反合口部の厚さは、該圧力リングの外径の２．５〜５．０％であり、該合口部が閉じている状態で該圧力リングの外周および内周は共に真円であり、該外周の中心は該合口部端面を通る該圧力リングの直径方向において該内周の中心よりも該反合口部側にずれており、該合口部の直径方向の厚さは該反合口部の直径方向の厚さの５０〜７０％である圧力リングを提供している。
【０００８】
本発明は更に、直径方向の厚さが略一定をなすような外周と内周を有すると共に合口部を備えた圧力リング素材を製造する工程と、該圧力リング素材の合口部を閉じた状態にするとともに、閉じた該圧力リング素材の中心位置よりも該合口部の端面を通る圧力リング素材の直径方向において合口部とは直径方向反対側部位である反合口部方向に回転中心を所定量変位させた状態で該圧力リング素材を切削機又は研削機に保持する工程と、該切削機又は該研削機に保持された該圧力リング素材を変位した回転中心を中心に回転させて該外周面を切削又は研削する工程とを有し、該所定量は該合口部側の削り代または研削代分の１／２に対応し、合口部での切削量又は研削量が最大であり、反合口部での切削量又は研削量が実質的にゼロである圧力リングの製造方法を提供している。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の圧力リングによれば、リング外周のみならず、リング内周も真円なので、リング溝に対して内周全周が良好に接触してシール性を高めることができ、また切削や研削などによるリングの加工も容易である。
【００１０】
また圧力リングの直径方向の厚さが合口部から反合口部に向かうに従って徐々に大きくなり、合口部の直径方向の厚さは反合口部の直径方向の厚さの７０％以下であるので、熱負荷が作用したときの合口部での面圧上昇の抑制効果を発揮できる。更に合口部の直径方向の厚さは反合口部の直径方向の厚さの５０％以上であるので、合口部付近の部位がリング溝から脱落することがなく、リングの組み付け性を確保できる。
【００１１】
また反合口部の厚さは、圧力リングの外径の２．５〜５．０％であることから、反対側部位の厚さは、従来の厚さ一定の圧力リングの厚さと同等である。よってリング全周にわたりその厚さが一定のリングや、合口部側を薄く反合口部側をより厚くして厚さ一定のリングと同一の重量とした特許文献１のリングと比較して、合口部側が薄肉となった分だけ軽量となるので、慣性力を低減でき、慣性力によるフラッタリングを抑制でき、シール性能の向上や、オイル消費の低減、ブローバイガスの低減が可能となる。更に、反合口部の厚さを従来の厚さ一定のリングよりも厚くする必要がないので、リング溝を深く形成する必要がなく、ピストンリングがピストン軸方向に複数並んでピストンに装着されている場合において、第１リング溝と第２リング溝との間のピストンランド部のピストン半径方向の突出長さを大きくする必要がなく、ピストンランド部の折損を防止できる。
【００１２】
請求項２記載の圧力リングの製造方法によれば、直径方向の厚さが略一定となる外周と内周を有すると共に合口部を備えた従来の圧力リングを圧力リング素材として用いているので、素材の寸法に格別な要求がなく低コストでの製造が可能である。
【００１３】
また切削機又は研削機に所定量所定の方向に回転中心を偏心させてセットし、しかる後に外周加工するのみなので、外周面の加工が極めて容易である。なお、反合口部での切削量又は研削量が実質的にゼロである、というのは、切削機又は研削機で反合口部をわずかに不可避的に切削または研削してしまう場合を含むものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施の形態による圧力リングについて図１に基づき説明する。圧力リング１は、鉄系好ましくはスチール製のリングであり、内周２と外周３とにより形状が画成され、合口部５を備える。合口部５が閉じている状態で合口部５端面を通る圧力リング１の直径方向において、合口部の反対側部位（反合口部６と称す）の厚さは、圧力リング１の外径の２．５〜５．０％である。この比率は従来の径方向の厚さが一定の圧力リングにおける外径と厚さの比と等しい。例えば圧力リングの外径が６０ｍｍ〜１５０ｍｍである自動車用圧力リングの場合に、反合口部の厚さは２．５ｍｍ〜６．０ｍｍの範囲である。
【００１５】
また、合口部端面を通るリングの直径方向７においてリングの直径方向の厚さが合口部５から合口部の直径方向反対側部位の反合口部６に向かうに従って徐々に大きくなり、反合口部６で厚さが最大となる。換言すれば、合口部５付近の肉厚が従来の径方向の厚さが一定の圧力リングにおける厚さよりも小さい。更に反合口部側は従来の径方向厚さが一定のリングの厚さと同じであるため、リング全体の質量は従来の径方向厚さが一定のリングよりも小さくなる。よってリング全周にわたりその厚さが一定のリングや、合口部側を薄く反合口部側をより厚くして厚さ一定のリングと同一の重量とした特許文献１のリングと比較して、合口部側が薄肉となった分だけ軽量となるので、慣性力を低減でき、慣性力によるフラッタリングを抑制でき、シール性能の向上や、オイル消費の低減、ブローバイガスの低減が可能となる。更に、反合口部６の厚さを従来の厚さ一定のリングよりも厚くする必要がないので、リング溝を深く形成する必要がなく、ピストンリングがピストン軸方向に複数並んでピストンに装着されている場合において、第１リング溝と第２リング溝との間のピストンランド部のピストン半径方向の突出長さを大きくする必要がなく、ピストンランド部の折損を防止できる。また、リングの径方向の厚さが反合口部６から合口部５に向かって徐々に薄くなる形状なので、従来の厚さ一定のリングと同一の張力を持たせた状態でリング折損につながる最大使用応力を同一のままに、軽量化が可能である。
【００１６】
そして合口部５の直径方向の厚さは、反合口部６の直径方向の厚さの５０〜７０％である。５０％未満であると、厚さが小さすぎ、合口部５側の部位がリング溝内に保持される性能である組み付け性が低下し、合口部側の部位がリング溝から脱落する可能性がある。一方７０％を越えると合口部での面圧上昇の抑制効果を発揮し得なくなる。
【００１７】
また合口部５が閉じている状態で圧力リング１の外周３および内周２は共に真円であり、外周３の中心８は合口部端面を通る圧力リングの直径方向７において内周２の中心９よりも反合口部６側にＸ／２だけずれている。ここでＸとは、中心９で従来の厚さ一定のリングの外径ｄ２と中心８の本実施の形態のリング１の外径ｄ１の差であり、後述する合口部の削り代となる。なお内周２の中心９は、従来の径方向厚さ一定のリング（図１の波線）の外周の中心でもある。
【００１８】
リング外周３のみならず、リング内周２も真円なので、リング溝に対して内周全周が良好に接触してシール性を高めることができ、また切削や研削などによるリングの加工も容易であり工法の自由度が増し低コストでの加工が可能となる。なおここで真円とは、被加工物を所定の回転軸を中心に回転させて切削又は研削加工を行った場合に得られる程度の真円度を備えた円をいう。
【００１９】
従来の径方向厚さが一定のリング２０と、特許文献１の圧力リング３０と本実施の形態による圧力リング１とについて、リングの外径を同一として図２の断面図に比較した。図２から明らかなように、本実施の形態による圧力リング１は、反合口部６側は従来の径方向厚さが一定のリング２０の厚さと同じであるが、合口部５の肉厚は従来の径方向の厚さが一定の圧力リング２０における厚さよりも薄い。これに対し特許文献１の圧力リング３０は、反合口部側は従来の径方向厚さが一定のリング２０の厚さよりも厚く、合口部５の肉厚は従来の径方向の厚さが一定の圧力リング２０における厚さよりも薄い。従って本実施の形態による圧力リング１は、従来の圧力リング２０、３０よりも質量が小さいことは明らかである。
【００２０】
次に本実施の形態による圧力リング１の製造方法について説明する。はじめに直径方向の厚さ（ａ１寸法）が略一定となる外周４と内周２を有すると共に合口部を備えたスチール製の圧力リング素材を製造する。この圧力リング素材は合口部を閉じた状態で外径がｄ２であり中心は９である。
次に、圧力リング素材の合口部を閉じた状態にするとともに、閉じた圧力リング素材の中心位置９よりも合口部の端面を通る圧力リング素材の直径方向７において反合口部方向に回転中心８を所定量Ｘ／２変位させた状態で圧力リング素材を図示せぬ切削機に保持する。ここでＸは、合口部５側の外周の削り代分である。
【００２１】
次に切削機に保持された圧力リング素材を変位した回転中心８を中心に回転させて外周面を切削する。従って合口部の径方向厚さはａ１―Ｘとなり、反合口部の径方向厚さはａ１のままであり、結果的に圧力リング１が閉じた時の外径がｄ１となる（ｄ２＞ｄ１）。このように、切削機に所定量所定の方向に回転中心を偏心させてセットし、しかる後に外周加工するのみなので、周面の加工が極めて容易である。
【００２２】
次に、本実施の形態による圧力リングの性能試験について説明する。供試材は次のとおりである。
材料：ＳＵＳ４４０にガス窒化
摺動面表面処理：ＰＶＤ被膜（Ｃｒ−Ｎ系）
リング外径：  １１２ｍｍ
リング軸方向高さ（ｈ１）：２．５ｍｍ
反合口部の径方向厚さ：４．１５ｍｍ
各供試材の合口部寸法は以下のとおりである。
供試材Ａ（従来品）    合口部寸法ａ１＝４．１５ｍｍ  （径方向厚さ一定）
供試材Ｂ（比較例１）  合口部寸法ａ１＝３．３２ｍｍ
（反合口部の直径方向厚さの８０％）
供試材Ｃ（本発明品１）合口部寸法ａ１＝２．９０５ｍｍ
（反合口部の直径方向厚さの７０％）
供試材Ｄ（本発明品２）合口部寸法ａ１＝２．０７５ｍｍ
（反合口部の直径方向厚さの５０％）
供試材Ｅ（比較例２）合口部寸法ａ１＝１．２４５ｍｍ
（反合口部の直径方向厚さの３０％）
供試材Ｆ（比較例３）  合口部寸法ａ１＝０．８３０ｍｍ
（反合口部の直径方向厚さの２０％）
【００２３】
図３に示す面圧分布測定装置によって各供試材の面圧分布を測定し比較した。図３に示すように、シリンダ１０１の一部を切欠いて、シリンダ１０１の切欠部１０１ａ（最薄部）に歪みゲージ１０２を貼り、供試材の接触加重による歪みを面圧として測定した。圧力リングを保持するピストン１０３の上下にヒーター１０４を取り付けて圧力リングを加熱する一方で、シリンダ１０１の外周には冷却水を流してシリンダ１０１の冷却を行い、ピストン１０３からシリンダ１０１まで実機運転時に近い温度勾配を分布させた。試験結果を表１に示すと共に、図４にグラフで表した。図４は、縦軸が面圧、横軸が合口部からの周方向角度を示す。なお供試材Ａの合口部の面圧を基準として面圧比で表した。
【００２４】
表１並びに図４から明らかなように、供試材Ｃ、Ｄは実働時の合口部付近で起きる面圧の上昇の抑制効果を発揮でき、合口部近傍で発生しやすい偏摩耗、スカッフ、クラック、硬質皮膜の剥離を阻止することが可能である。供試材Ａや供試材Ｂは面圧比の範囲が０．２〜１．０、並びに０．２〜０．９３と大きく、熱負荷の作用により、合口部付近で急激な面圧変動が生じた。この傾向は温度を上げると更に顕著となることが予想される。これに対し供試材Ｃ、Ｄは面圧比の範囲がそれぞれ、０．２１〜０．８１及び０．２４〜０．６８と狭くなり、合口部付近での面圧変動の程度が低いことがわかる。また供試材Ｅ、Ｆは面圧比の範囲が０．３３〜０．４８及び０．３８〜０．４２と極端に狭く、面圧上昇の抑制効果の点では優れているが、後述するように組み付け性において問題点が認められる。
【００２５】
次に供試材Ａ〜Ｆについて、装着時応力を測定した。装着時応力は合口部の合口端面間をリング径方向厚さの８倍広げたときの反合口部における応力をいい、次式で表される。f1 = E・a1(8a1―m)／2.35(d?a1)2 (MPa)
ここでＥはヤング率、a1は合口部におけるリング径方向の厚さ、ｍは自由合口隙間、ｄはリングの外径である。なお、装着時応力の詳細については、平成９年１０月６日株式会社山海堂発行の「自動車用ピストンリング」（著者：自動車用ピストンリング編集委員会）に詳述されている。
【００２６】
測定結果を表２並びに図５のグラフに示す。なお、供試材Ａの反合口部での最大応力を基準として応力比として表した。表２と図５から明らかなように、供試材Ｃ、Ｄは、供試材Ａ、Ｂと比較して最大応力を低く抑えることができる。供試材Ｅ、Ｆの最大応力は一番低いが後述するように組み付け性において問題点が認められる。
【００２７】
次に、供試材Ａ〜Ｅ、並びに供試材Ｇ、Ｈの組み付け性について表３に示す。表３は供試材Ａの重量を基準とした重量比もあわせて示している。供試材Ｇ、Ｈは以下のとおりであり、材料、摺動面表面処理、リング外径、リング軸方向高さ、反合口部の径方向厚さは供試材Ａ〜Ｅと同じである。
供試材Ｇ（比較例３）  合口部寸法ａ１＝１．９９２ｍｍ
（反合口部の直径方向厚さの４８％）
供試材Ｈ（比較例４）  合口部寸法ａ１＝１．６６ｍｍ
（反合口部の直径方向厚さの４０％）
【００２８】
表３から明らかなように、供試材Ａ〜Ｄについては、ピストンのリング溝内に装着が可能であったが、供試材Ｇ、Ｈ、Ｅについては、リング内周内接円がリング溝径よりも大きくなり、供試材がリング溝に収まらずに脱落した。従って、リング溝への組み付け性を考慮すると、供試材Ｇ、Ｈ、Ｅ並びに供試材Ｅよりも合口部の厚さが小さい供試材Ｆについては組み付け性の点で不適切であり、組み付け性に関しては合口部の直径方向の厚さの最小値は反合口部の５０％であることが必要であることがわかる。なお、リング外径８６ｍｍ、反合口部の径方向厚さ２．５ｍｍ、及びリング外径１３５ｍｍ、反合口部の径方向厚さ５．４ｍｍについて、同様の試験を行ったが、反合口部の直径方向の厚さに対して合口部の直径方向の厚さを５０〜７０％とすることで、上記試験と同様の試験結果が得られた。
【００２９】
本発明による圧力リングは上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形が可能である。例えば、上述した実施の形態では切削による外周面加工を行ったが、切削に代えて研削機による研削を行ってもよい。
また、表面処理として、圧力リング素材を外周加工をした後に全周に窒化処理を施し、更に外周面側にＰＶＤ皮膜を施して窒化処理層の上にＰＶＤ被膜を形成するか、リング素材の全周に窒化処理を施してから外周加工を行って外周の窒化処理層を除去した後に、外周にＰＶＤ被膜を施してもよい。また本発明は断面矩形のピストンリングのみならず、燃焼室側のリング上側面にのみテーパをつけたハーフキーストンリングや、燃焼室側と反燃焼室側の両側面にテーパをつけたフルキーストンリングなど様々なリングに適用できる。
【００３０】
またスチール製の圧力リングについて説明したが、圧力リングを鋳物リングとした場合には、あらかじめ所望形状の圧力リングを鋳型により鋳造した後に、外周面及び内周面の仕上げ加工を行えばよい。
【表１】
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【表２】
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【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態による圧力リングを示す平面図。
【図２】従来の径方向厚さ一定の圧力リング、従来の径方向の厚さを変化させた圧力リング、本実施の形態による圧力リングをそれぞれ示す断面図。
【図３】圧力リング供試材Ａ〜Ｆの面圧分布の測定に用いた面圧分布測定装置を示す断面図。
【図４】供試材Ａ〜Ｆの面圧分布を示すグラフ。
【図５】供試材Ａ〜Ｅ、Ｇ、Ｈの装着時応力を示すグラフ
【符号の説明】
【００３２】
１：圧力リング、２：内周、３：外周、５：合口部、６：反合口部、  ８：外周の中心、９：内周の中心
【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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