(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いピストンリングにおいて、
該切欠部は、第１面と第２面とを有し、
該第１面は、該合口部端面と接し、該外周面と中心軸を同じくする略円弧面をなし、該外周面と該第１面との間で規定される半径方向の厚さは、該所定周長部分以外の部分における半径方向の厚さの０．７倍乃至０．８倍であり、該外周面の中心軸で規定される中心角１５°乃至２０°の範囲に亘って形成されて、運転時と常温時における該外周面の全周の当り抜けを防止できると共に熱負荷時における該合口部の面圧上昇を抑制できる範囲に設定され、
該第２面は、該第１面が該合口部端面と接する部分と反対側端にて該第１面に接する任意の曲面をなし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いピストンリングにおいて、
該切欠部は該合口部端面に向かって徐々に該外周面に近づく平面状をなし、
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０．５倍乃至０．６倍であり、
該所定周長部分は該外周面の中心軸で規定される中心角２０°乃至３０°の範囲に亘り形成されて、運転時と常温時における該外周面の全周の当り抜けを防止できると共に熱負荷時における該合口部の面圧上昇を抑制できる範囲に設定されていることを特徴とするピストンリング。
【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】
ピストンリングはその面圧分布により、合口部近傍の面圧が他の部分と比較して高いハイポイントピストンリングと、合口部近傍の面圧が他の部分と比較して低いローポイントピストンリングの２つに大別される。両者はその使用環境、用途によって使い分けられるが、合口部近傍の摩耗が激しい高出力ディーゼル機関等においてはローポイントピストンリングを用いる傾向がある。従来は、ピストンリングのシリンダボアに対する接触面圧分布が自由時の周方向形状によって変化する性質を利用して、均一断面形状で、周方向形状を変化させることにより、所望の面圧分布を呈するピストンリングが製造されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、機関運転時には以下のようにピストンリングが熱変形するため、ピストンリングとシリンダとの接触状態が常温時と比較して変化し、これによって面圧分布も大きく変化する。この変化により、機関実動時のピストンリングの面圧分布は、合口端部の面圧が上昇し、ローポイントピストンリングであってもハイポイントピストンリングと同様の面圧分布に移行する傾向を持つ。
【０００４】
まず、シリンダとピストンリングとの温度差による熱膨張差から、見かけ上シリンダ径よりもピストンリング径の方が大きくなる変形を生じる。又、シリンダとピストンとの温度差によってピストンリング外内周温度差が生じ（全負荷時で６０℃乃至７０℃）、内周面と外周面との熱膨張差から、曲率が小さくなる変形を生じる。これらの作用によって見かけ上ボア径より大きい呼び径のピストンリングが挿入された場合と同様の効果を生じる。即ち、合口端部の面圧が上昇し、合口端部の脇の部位でシリンダボアとは接しなくなるいわゆる当り抜けが生じやすくなる。
【０００５】
更に、ブローバイガスの吹き抜けによる加熱から合口部付近は他の部分より温度上昇し（約３０℃乃至５０℃）、合口部付近が他の部分に比較して大きく熱膨張し、曲率が小さくなる変形を生じる。この作用によって合口端部の面圧が極端に大きくなるような面圧分布となる。又、この作用が極端に強いと合口端部の脇の部位で当り抜けが生じる。
【０００６】
又、上記のような熱負荷によるピストンリング全体の膨張やピストンリング内外周側温度差から生じる熱応力等によって、周方向形状が大きく変化するため、シリンダボアとの接触状態が変化し、特に合口部では温度が上昇するほど面圧が上昇する。従って、潤滑的にきわめて厳しい条件で機関運転が行われた場合などには、合口部は特に極端な摩耗状態を示し、時にはピストンリング外周面に形成されたＰＶＤ被膜のクラック、剥離等の障害を発生させる。
【０００７】
一方、熱負荷時の面圧を考慮して冷間時に合口部が極端に低面圧となるよう設計すると、製造上合口部の当り抜けが生じやすい（不良率が高い）。このため、量産に適さない。又、高負荷運転時に等圧面分布となるよう、合口部を意図的に非接触とし、熱負荷作用時に接触するように考慮されたピストンリングもあるが、始動時やアイドリング時のオイル上がりが問題となり、製造上の管理も困難であり、これも量産に適さない。更に、これらのピストンリングでは、合口部の当り抜けにより、燃焼ガスが圧力リングでシールされずクランクケースへ逃げるといういわゆるブローバイが生じ、潤滑油の劣化や、生ガスの排出による公害等の問題が生じていた。
【０００８】
従って、従来のような周方向形状を調整しただけのローポイントピストンリングでは、当り抜けが生じないよう考慮して設計すれば摩耗対策には十分ではなく、合口端部の面圧上昇を抑制しようとすると当り抜けを生じてしまっていた。特に機関運転によって顕著な摩耗を生じるピストンリング合口部付近の設計は非常に困難であった。
【０００９】
そこで本発明は、常温時においても全周当り抜けが無く、熱負荷時においても合口部の面圧上昇が生じないピストンリングを提供することを目的とする。
【００１０】
【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いピストンリングにおいて、該切欠部は、第１面と第２面とを有し、該第１面は、該合口部端面と接し、該外周面と中心軸を同じくする略円弧面をなし、該外周面と該第１面との間で規定される半径方向の厚さは、該所定周長部分以外の部分における半径方向の厚さの０．７倍乃至０．８倍であり、該外周面の中心軸で規定される中心角１５°乃至２０°の範囲に亘って形成されて、運転時と常温時における該外周面の全周の当り抜けを防止できると共に熱負荷時における該合口部の面圧上昇を抑制できる範囲に設定され、該第２面は、該第１面が該合口部端面と接する部分と反対側端にて該第１面に接する任意の曲面をなしているピストンリングを提供している。
【００１１】
本発明は更に、略円形状をなし、シリンダに対し摺動する外周面と、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いピストンリングにおいて、該切欠部は該合口部端面に向かって徐々に該外周面に近づく平面状をなし、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０．５倍乃至０．６倍であり、該所定周長部分は該外周面の中心軸で規定される中心角２０°乃至３０°の範囲に亘り形成されて、運転時と常温時における該外周面の全周の当り抜けを防止できると共に熱負荷時における該合口部の面圧上昇を抑制できる範囲に設定されているピストンリングを提供している。
【００１３】
【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。
【００１４】
図１に示すピストンリング１は、スチール製の略円形状をなし、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とを有する。
【００１５】
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、内周面４の一部をなす切欠部４ａ、Ａ−Ｂ−Ｃ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。
【００１６】
具体的には、切欠部４ａは、第１面Ａ−Ｂと第２面Ｂ−Ｃとを有する。第１面Ａ−Ｂは、合口部２の端面と接し、外周面３と中心軸を同じくする略円弧面をなし、外周面３と該第１面との間で規定される半径方向の厚さは、所定周長部分以外の部分における半径方向の厚さａ1の０．７倍乃至０．８倍である。ここで、厚さが０．７倍未満では合口端部の面圧が機関運転時に低下しすぎるので、潤滑油消費量に対して問題となる。又、リング下面部のガスシール性が低下する。一方、厚さが０．８倍を越えると、曲げ剛性低減が十分でなく、機関運転時に面圧上昇が発生する。第１面Ａ−Ｂ形成部分の厚さ寸法をピストンリング１全体の厚さ寸法より２０％乃至３０％減少させることにより、断面２次モーメントを約１／２とすることができ、半径方向曲げ剛性も約１／２となる。半径方向曲げ剛性を約１／２に減少させることによって合口端部の面圧が均一断面形状のピストンリングの約１／２となり、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。
【００１７】
又、第１面Ａ−Ｂは、外周面３の中心軸Ｏで規定される中心角１５°乃至２０°（本実施の形態では１５°）の範囲に亘って形成されている。ここで、中心角が１５°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２０°を越えると、合口端部の面圧が機関運転時に低下しすぎるので、潤滑油消費量に対し問題となる。
【００１８】
第２面Ｂ−Ｃは、第１面Ａ−Ｂが合口部２の端面と接する部分とは反対側の端にて第１面Ａ−Ｂに接する任意の曲面である。
【００１９】
又、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。
【００２０】
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。
【００２１】
図２に示すピストンリング１０は、第１の実施形態のピストンリング１とは切欠部１４ａの形状が異なる。切欠部１４ａは合口部１２の端面に向かって徐々に外周面１３に近づく平面Ａ’−Ｂ’をなしている。即ち、Ｂ’におけるリング半径方向の厚さはａ1であるが、合口部１２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０．５乃至０．６ａ1となる。又、平面Ａ’−Ｂ’は、外周面１３の中心軸Ｏ’で規定される中心角２０°乃至３０°（本実施の形態では２０°）の範囲に亘り形成されている。ここで、中心角が２０°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３０°を越えると、合口端部の面圧が機関運転時に低下しすぎるので潤滑油消費量に対し問題となる。
【００２２】
このピストンリング１０も、第１の実施の形態のピストンリング１と同様に、曲げ剛性を約１／２に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の約１／２となることから、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。
【００２３】
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１４ａが形成される。
【００２４】
図３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、軸方向厚さ及び外周面形状、半径方向厚さａ1が同一のものを用いた。
【００２５】
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、本発明のピストンリング１又は従来例のピストンリングの接触加重による歪みを面圧として測定した。ピストンリングを保持するピストン１０３の上下にヒーター１０４を取り付けてピストン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。
【００２６】
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。図４から明らかなように、従来例のような一様な断面形状のピストンリングでは冷間時には合口部が低面圧でも、熱負荷の作用が働くと合口端部付近の面圧が急激に上昇した。又、この傾向は、温度を上げると更に強まった。
【００２７】
これに対して本発明のピストンリング１では、図５から明らかなように、冷間時に合口部の面圧は従来例のピストンリングの面圧より低く、曲げ剛性の低下による面圧低減が実現していた。熱負荷を与えた時には面圧上昇が見られたが、従来のピストンリングのような合口端部が極端に突出したような面圧上昇はみられず、等面圧的な分布となった。又、冷間時においても合口端部における面圧は０とはならず、当り抜けが生じないことがわかる。
【００２８】
尚、本実験においては冷間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。
【００２９】
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、第１の実施の形態における切欠部４ａの一部を構成する第１面Ａ−Ｂは、外周面３と中心軸を同じくする略円弧面をなしているが、上述した厚さの範囲にある限り円弧面に代えて平面としてもよい。又、第２面Ｂ−Ｃは、曲面でなくとも、平面であってもよい。ただし、第２面Ｂ−Ｃは、平面であるよりも曲面である方が製造が容易である。更に、本発明のピストンリングは、スチール製、鋳鉄製、いずれにおいても製造可能で、所望の効果を得ることができる。
【００３０】
【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２０％乃至３０％程度小さくし、曲げ剛性を約１／２に減少させている。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の約１／２とすることができる。従って、冷間時においても全周当り抜けが無く、熱負荷時においても合口部の面圧上昇が生じない。冷間時においても全周当り抜けがないことから、機関運転初期においても所望のシール性を発揮し、ブローバイを防止することができる。又、熱負荷時においても合口部の面圧上昇が生じないことから、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皮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。
【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の測定に用いた面圧分布測定装置を示す断面図。
【図４】従来例のピストンリングの面圧分布を示す折線図。
【図５】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。
【符号の説明】
１、１０  ピストンリング
２、１２  合口部
３、１３  外周面
４、１４  内周面
４ａ、１４ａ  切欠部
【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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