(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円形状をなし、シリンダに対し摺動する外周摺動面と、ピストンに対向する内周面と、該略円形状を半径方向に分断する１つの合口部とを備え、
該内周面側において、該合口部の端面を始端とする所定の周長部分に亘り、該内周面の一部をなす切欠部が形成されており、該所定周長部分以外の部分の半径方向の厚さは一定であり、該所定周長部分における半径方向の厚さが、該所定周長部分以外の部分の半径方向の厚さに比較して小さくなっているピストンリングであって、
該切欠部は該合口部端面に向かって徐々に該外周摺動面に近づく円弧面状をなし、
該合口部端面における半径方向厚さが、該所定周長部分以外の部分における半径方向の厚さの０．６乃至０．８倍であり、
該所定周長部分は該外周摺動面の中心軸で規定される中心角３０°乃至５０°の範囲に亘り形成されていることを特徴とするピストンリング。
【請求項２】
略円形状をなし、シリンダに対し摺動する外周摺動面と、ピストンに対向する内周面と、該略円形状を半径方向に分断する１つの合口部とを備え、
該内周面側において、該合口部の端面を始端とする所定の周長部分に亘り、該内周面の一部をなす切欠部が形成されており、該所定周長部分以外の部分の半径方向の厚さは一定であり、該切欠部形成部分における半径方向の厚さが、該所定周長部分以外の部分の半径方向の厚さに比較して小さくなっているピストンリングであって、
該切欠部は該内周面側に略等間隔に複数箇所形成されて、該所定周長部分の内周面が交互に連続する凹凸状をなし、
該所定周長部分は該外周摺動面の中心軸で規定される中心角２０°乃至４０°の範囲に亘り形成されていることを特徴とするピストンリング。
【請求項３】
略円形状をなし、シリンダに対し摺動する外周摺動面と、ピストンに対向する内周面と、該略円形状を半径方向に分断する１つの合口部とを備え、
該内周面側において、該合口部の端面から所定距離離れた位置を中心点として、所定の周長部分に亘り対称に該内周面の一部をなす切欠部が形成されており、該所定周長部分における半径方向の厚さが、該所定周長部分以外の部分の半径方向の厚さに比較して小さくなっているピストンリングであって、
該切欠部の所定周長部分は外周摺動面に略平行な直線状又は曲面状をなし、該中心点は、合口端面を始点として中心角２０°乃至４０°の範囲に位置していることを特徴とするピストンリング。
【請求項４】
スチール母材に窒化処理を施してその後該外周摺動面にＰＶＤ膜を形成したことを特徴とする請求項１乃至３記載のピストンリング。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はピストンリングに関し、特にローポイントピストンリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のピストンリングの面圧分布としては、図７に示す等面圧分布、図８に示す楕円面圧分布、図９に示す桃型分布（合口高面圧分布）、図１０に示すりんご型分布などが知られている。
【０００３】
図７に示される等面圧分布は、全周に亘り均一に面圧が分布している。中高回転型４サイクルエンジンでは使用時のリング摩耗によって、合口部の面圧の低下が生じるため、低回転型エンジンやコンプレッサ等のリングに用いられる。
【０００４】
図８に示される楕円面圧分布は、合口付近とその反対側位置（１８０°位置）の面圧のみが高くなるよう面圧が分布している。この分布は、合口部から９０°位置と２７０°位置の２箇所で面圧が高くなるよう分布させても良い。
【０００５】
図９に示される桃型分布（合口高圧分布）は、合口部における面圧が他の部分の面圧と比較して高くなる面圧分布である。自動車を始めとする各種高回転型のエンジンのリングに用いられている。
【０００６】
図１０に示されるりんご型分布は、合口部における面圧が他の部分の面圧と比較して低くなる面圧分布である。特に、合口部における面圧の変化率は０であり、合口部付近において面圧はなだらかに変化する。そして、合口部付近の両端側では、他の部分と比較して面圧が高くなっている。りんご型分布のピストンリングは、２サイクルエンジンや、合口部よりスカッフィングの発生しやすい大型の舶用リングに用いられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述した等面圧分布等のピストンリングでは、シリンダとピストンリングの温度差による熱膨張量の差や、ピストンリングの内周側と外周側の温度差による熱応力等により、ピストンリングのリングカーブの曲率が小さくなり、合口部付近が高面圧となる。
【０００８】
特に、高Ｐｍａｘディーゼルエンジンのトップリングとして用いた場合では、極めて過酷な運転条件にあるため、合口部のブローバイガスの吹き抜けによって合口部付近が極端に加熱される。このため、ピストンリングの内周側と外周側の温度差による熱応力が極端に大きくなると共に、合口部付近の周方向への熱膨張が大きくなるため、合口部付近での曲率が極端に小さくなり、筒内圧力作用時以外の行程では、図１１に示すように、ピストンリング４０の合口部４２の周辺位置であるα部とβ部の中間位置においてシリンダボア４５に対する当たり抜けが発生する。一方で、このような状態で筒内圧力が作用した場合は、ピストンリング背部に作用する筒内圧力によってピストンリングがシリンダボア４５に押しつけられ、ピストンリングの摺動面がシリンダボア４５に追従する。これにより、図１１に示すα部とβ部付近の面圧が高くなる。ここで、α部は特に、点接触状態でシリンダボアに押しつけられるため、非常に高い接触圧力となる。
【０００９】
また、こうして、合口部におけるピストンリング外周部の面圧が高くなり、摩耗が増大することにより、ピストンリングの耐摩擦性を向上させる目的でピストンリング外周面に被覆したＰＶＤ被膜のクラック・剥離の原因となり、合口端部に向かって極端に摩耗が増加していく摩耗形状となる。ここで、特に外周面にクロムめっきを施したピストンリングの場合は、摩耗量が極端に多くなり、シリンダ呼び径の治具に耐久運転後のピストンリングを挿入した場合、合口部が当たり抜けして漏光してしまう程になる。
【００１０】
従って、高Ｐｍａｘディーゼルエンジンに対しては、耐摩耗性の高いＣｒ−Ｎ系のＰＶＤコーティングを施したピストンリングを使用することになる。しかし、ＰＶＤコーティングを施したトップリングについては、合口部近傍のＰＶＤ被膜のクラック・剥離等の問題が数多く発生しているという問題がある。
【００１１】
そこで本発明は、合口部付近における面圧を低減し、実働時の合口部周辺における当たり抜けを防止するとともに、合口部付近における摩耗の少ない高Ｐｍａｘディーゼルエンジン用ピストンリングを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、略円形状をなし、シリンダに対し摺動する外周摺動面３と、ピストンに対向する内周面４と、該略円形状を半径方向に分断する１つの合口部２とを備え、該内周面側４において、該合口部２の端面を始端とする所定の周長部分に亘り、該内周面４の一部をなす切欠部４ａが形成されており、該所定周長部分以外の部分の半径方向の厚さは一定であり、該所定周長部分における半径方向の厚さが、該所定周長部分以外の部分の半径方向の厚さａ1に比較して小さくなっているピストンリングであって、該切欠部４ａは該合口部２端面に向かって徐々に該外周摺動面３に近づく円弧面状をなし、該合口部２端面における半径方向厚さが、該所定周長部分以外の部分における半径方向の厚さａ1の０．６乃至０．８倍であり、該所定周長部分は該外周摺動面４の中心軸Ｏ1で規定される中心角３０°乃至５０°の範囲に亘り形成されているピストンリングを提供している。
【００１３】
また、略円形状をなし、シリンダに対し摺動する外周摺動面１３と、ピストンに対向する内周面１４と、該略円形状を半径方向に分断する１つの合口部１２とを備え、該内周面１４側において、該合口部１２の端面を始端とする所定の周長部分に亘り、該内周面１４の一部をなす切欠部１４ａ、１４ｂ、……が形成されており、該所定周長部分以外の部分の半径方向の厚さは一定であり、該切欠部形成部分における半径方向の厚さが、該所定周長部分以外の部分の半径方向の厚さａ1に比較して小さくなっているピストンリングであって、該切欠部１４ａ、１４ｂ、……は該内周面１４側に略等間隔に複数箇所形成されて、該所定周長部分の内周面１４が交互に連続する凹凸状をなし、該所定周長部分は該外周摺動面の中心軸で規定される中心角２０°乃至４０°の範囲に亘り形成されているピストンリングを提供している。
【００１４】
更に、略円形状をなし、シリンダに対し摺動する外周摺動面２３と、ピストンに対向する内周面２４と、該略円形状を半径方向に分断する１つの合口部２２とを備え、該内周面２４側において、該合口部２２の端面から所定距離離れた位置を中心点として、所定の周長部分に亘り対称に該内周面２４の一部をなす切欠部２４ａが形成されており、該所定周長部分における半径方向の厚さが、該所定周長部分以外の部分の半径方向の厚さａ1に比較して小さくなっているピストンリングであって、該切欠部２４ａの所定周長部分は外周摺動面に略平行な直線状又は曲面状をなし、該中心点は、合口端面を始点として中心角２０°乃至４０°の範囲に位置しているピストンリングを提供している。
【００１５】
これらのピストンリングは、スチール母材に窒化処理を施してその後該外周摺動面３、１３、２３にＰＶＤ膜を形成するのが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態によるピストンリングについて図１に基づき説明する。図１に示すピストンリング１は、略円形状をなし、図示せぬシリンダに対し摺動する外周面（外周摺動面）３と、図示せぬピストンに対向する内周面４と、略円形状を半径方向に分断する１つの合口部２とを有し、呼び径の半分はＲ1である。
【００１７】
外周面３と内周面４との距離（ピストンリング半径方向の厚さ寸法）がａ1であるが、内周面４側において、合口部２の端面を始端とする所定の周長部分に亘り（図１のＡ乃至Ｂに亘り）、内周面４の一部をなす切欠部４ａが形成されており、該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小さく形成されている。
【００１８】
具体的には、切欠部４ａは合口部２の端面に向かって徐々に外周面３に近づく円弧面Ａ−Ｂをなしている。Ｂにおけるリング半径方向の厚さはａ1であるが、合口部２の端面上に存在するＡに向かってリング半径方向の厚さが徐々に減少し、Ａでは０．６乃至０．８ａ1となる。０．６ａ1未満では半径方向曲げ剛性低減幅が大きすぎ、また、削除体積が大きいので合口近傍の曲率変化が大きく漏光が過大となってしまうが、実機運転による温度上昇時でも合口端部付近の面圧が十分でなくなる。０．８ａ1を越えると、半径方向曲げ剛性低減幅が十分でなく、また削減体積が小さいので、漏光エリアが過小で、実機運転による温度上昇時では合口端部の面圧が高くなり本リングの効果を発揮できない。そのため、０．６乃至０．８ａ1とする必要がある。
【００１９】
円弧面Ａ−Ｂは、本実施の形態では、ピストンリング１の外周面の中心軸Ｏ1に平行で、この中心軸Ｏ1から合口部２方向へｂ＝３ｍｍ乃至５ｍｍ離れた軸Ｏ2を中心とし、半径Ｒ2＝Ｒ1−０．６ａ1−ｂの円周面の一部をなす。また、円弧面Ａ−Ｂは、合口面を始点とし、外周面３の中心軸Ｏ1で規定される中心角３０°乃至５０°（本実施の形態では３０°）の範囲に亘り形成されている。ここで、中心角が３０°未満では半径方向曲げ剛性低減幅が十分でなく、機関運転時に面圧上昇が発生する。一方、中心角が５０°を越えると、合口端部の面圧が機関運転時であっても十分に上昇しないので潤滑油消費量に対し問題となる。
【００２０】
このピストンリング１によると、合口部付近の曲げ剛性を減少させることができ、合口端部の面圧が均一断面形状のピストンリングよりも小さくなることから、機関運転時には局所的摩耗、ＰＶＤ皮膜のクラック、剥離等に対して優位となる。尚、図面には示さないが、図に示された合口面に対向するもう一方の合口面からも、同様の切欠部４ａが形成される。
【００２１】
本発明の第２の実施の形態によるピストンリングについて図２に基づき説明する。図２に示すピストンリング１０は、略円形状をなし、図示せぬシリンダに対し摺動する外周面（外周摺動面）１３と、図示せぬピストンに対向する内周面１４と、略円形状を半径方向に分断する１つの合口部１２とを有する。
【００２２】
内周面１４側において、合口部１２の端面を始端とする中心角２０°乃至４０°の周長部分に亘り、内周面１４の一部をなす切欠部１４ａ、１４ｂ……が形成されており、切欠部形成部分における半径方向の厚さが、合口面を始点とする中心角２０°乃至４０°の周長部分以外の部分の半径方向の厚さａ1に比較して小さくなっている。この実施の形態の場合、中心角が２０°未満では合口近傍の曲率変化が小さく曲げ剛性低減幅が小さいので、実機運転による温度上昇時は合口端部の面圧が高くなってしまう。４０°を超えると、合口近傍の曲率変化が大きく、曲げ剛性低減の幅も大きくなりすぎるので、温度上昇時に十分な面圧が発生しにくくなる。
【００２３】
切欠部１４ａ、１４ｂ、……は内周面１４側に略等間隔に複数箇所形成されて、所定周長部分の内周面が交互に連続する凹凸状をなしている。尚、図面には示さないが、図に示された合口面に対向するもう一方の合口面からも、同様の切欠部が形成される。
【００２４】
本発明の第３の実施の形態によるピストンリングについて図３に基づき説明する。図３に示すピストンリング２０は、略円形状をなし、図示せぬシリンダに対し摺動する外周面（外周摺動面）２３と、図示せぬピストンに対向する内周面２４と、略円形状を半径方向に分断する１つの合口部２２とを有する。
【００２５】
内周面２４側において、合口部２２の端面から中心角２０°乃至４０°離れた位置を中心点として、中心角２０°の周長部分に亘り対称に内周面２４の一部をなす切欠部２４ａが形成されており、当該切欠部２４ａ形成部分における半径方向の厚さが、当該切欠部２４ａ形成部分以外の部分の半径方向の厚さａ1に比較して小さくなっている。切欠部２４ａの所定周長部分は外周摺動面に略平行な直線状又は曲面状をなしている。尚、図面には示さないが、図に示された合口面に対向するもう一方の合口面から中心角２０°乃至４０°の範囲にも、同様の切欠部が形成される。この中心角２０°乃至４０°の範囲に限定する理由は図２に示した実施の形態と同様の理由に基づくものである。
【００２６】
図４に示す面圧分布測定装置によって本発明の第１の実施の形態によるピストンリングの面圧分布と従来例のピストンリングの面圧分布とを測定し、比較した。尚、測定に際しては、各リングの軸方向厚さや外周面形状、半径方向厚さａ1が同一のものを用いた。
【００２７】
図４は、測定装置の左半分を示しており、シリンダ１０２、１０３は、シリンダホルダ１０１に支持され、シリンダ１０３の外周面の一部に凹部１０３ａが形成されて最薄部となる。テストピースであるピストンリングを、ピストン１０５のリング溝１０５ａに装着し、ピストンリングの外周面をシリンダ１０３の内周面に当接させる。すると、シリンダ１０３の最薄部にはピストンリングからの面圧が作用し、歪みが生じることとなる。よって、凹部１０３ａの底部に歪みゲージ１０４を貼りつけ、歪みゲージ１０４をストレインアンプ１０７に接続し、ペンレコーダ１０８に歪みの値を記録することによって、歪み値を面圧として測定した。また、ピストンリング溝１０５ａ付近と、ピストンリングに対向する位置にあるシリンダ１０３の内周面付近に、Ｊ型熱電対１０９を備え、高速打点計１１０に接続することで、温度を計測した。更に、ピストンリングを保持するピストン１０５の上側に、ヒーター１０６を取付けて、ピストンリングを加熱する一方で、シリンダ１０３の外周側には冷却水を接触させてシリンダ１０３の冷却を行い、ピストン１０５からシリンダ１０３まで実機運転時に近い温度勾配を分布させた。
【００２８】
図５、６は、縦軸が面圧、横軸が合口部からの周方向角度を示す。また、黒丸は常温時（リング・ライナともに２０℃）、白丸は実働時（ピストン２５０℃、ライナ１２０℃）の実験結果を示す。従来例の等面圧のピストンリングでは、図５に白丸で示すように熱負荷の作用が働くと、合口端部付近の面圧が極端に上昇した。そして、合口端部付近においてピストンリングがシリンダに強く押しつけられるのに伴い、５°乃至２０°の範囲において、当たり抜けが生じた。
【００２９】
これに対して本発明の第１の実施の形態によるピストンリング１では、図６から明らかなように、黒丸で示す常温時の外周面３のシリンダ１０３に対する面圧の分布は、合口部２からその近傍に亘ってゼロであり、合口部２端面を始点として該中心角１５°の範囲に亘り当たり抜けが生じている。また、中心角が大きくなる方向へ向かって、ゼロから急激に上昇した後に最大値を取り、その後なだらかに減少した後に略一定値となり、面圧が略一定値となり始める位置は、合口部１２端面を始点として中心角が略８０°の位置である。また、合口部１２端面を始点として該中心角１５°の位置における面圧の変化率が不連続となっている。
【００３０】
しかし、実働時とほぼ同様の熱負荷を与えた時には、白丸に示されるように、合口端部近傍における面圧が上昇し、合口端部近傍における当たり抜けは見られなくなった。また従来のピストンリングと比して、合口端部の急激な面圧上昇が見られない。従って、これに伴い、合口端部２の周辺における当たり抜けが生じなくなっている。なお、この実験結果より、実働時の合口部におけるブローバイガスの吹き抜けによる加熱を考慮しても、合口部における面圧の極端な上昇は見られないことがわかる。
【００３１】
本実施の形態では単にピストンリング合口部の内周側に切欠部を形成することのみを説明したが、このような加工を、スチールに窒化処理を施してその後摺動面にＰＶＤ被膜を形成したピストンリングに対して行うことにより、更に顕著な効果を得ることができる。ＰＶＤ被膜と窒化膜の持つ圧縮応力を利用して合口付近のリング曲率をより大きくすることができるからである。
【００３２】
尚、本実験においては常温時における合口部近辺以外の部分の面圧が約１．５ｋｇｆ／ｃｍ2程度のピストンリングを試作し、実験を行ったが、この数値はその用途に応じて様々に設定しうることは言うまでもない。
【００３３】
本発明によるピストン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や改良が可能である。例えば、本実施の形態では常温時に合口端部にて当たり抜けが生じるよう構成したが、合口端部の面圧が他の部分に比して極端に小さくなっていれば、当たり抜けが生じないよう構成しても良い。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のピストンリングによれば、合口端部の高面圧を抑制するために、合口部近傍のピストンリング半径方向の厚さ寸法ａ1を小さくし、曲げ剛性を減少させている。これにより、合口端部の面圧を均一断面形状のピストンリングよりも低減することができる。従って、実動時において合口部における極端な面圧の上昇を抑えることができ、合口部の極端な摩耗を防止すると同時に、特にピストンリング外周面にＰＶＤ被膜を施した場合には、膜のクラック、剥離等の障害を阻止することができる。更に、請求項１記載のピストンリングによると、ピストンリングの半径方向厚さが緩やかに減少しているので、曲げ剛性の変化も緩やかな減少となり、応力集中を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態によるピストンリングの合口部近傍の形状を示す平面図。
【図２】  本発明の第２の実施の形態によるピストンリングの合口部近傍の形状を示す平面図。
【図３】  本発明の第３の実施の形態によるピストンリングの合口部近傍の形状を示す平面図。
【図４】  本発明の実施の形態によるピストンリングの面圧分布と従来例のピストンリングの面圧分布との測定に用いた面圧分布測定装置を示す断面図。
【図５】  従来のピストンリングの面圧分布を示す折線図。
【図６】  本発明の第１の実施の形態によるピストンリングの面圧分布を示す折線図。
【図７】  等面圧分布の面圧分布を示す図。
【図８】  楕円面圧分布の面圧分布を示す図。
【図９】  桃型分布（合口高圧分布）の面圧分布を示す図。
【図１０】  りんご型分布の面圧分布を示す図。
【図１１】  従来のピストンリングの機関動作中の合口部付近の形状を示す図。
【符号の説明】
１、１０、２０、３０  ピストンリング
２、１２、２２  合口部
３、１３、２３  外周面
４、１４、２４  内周面
４ａ、１４ａ、１４ｂ、２４ａ、  切欠部
【図１】
0004209575.tif 000002
【図２】
0004209575.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004209575.tif 000008
【図８】
0004209575.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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