JP5772584B2

JP5772584B2 - ピストンリング

Info

Publication number: JP5772584B2
Application number: JP2011288913A
Authority: JP
Inventors: 飯島　章; 章飯島
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: JP2013137080A

Description

本発明は、内燃機関のピストンに装着されるピストンリングに関する。

通常内燃機関においては、ピストンにピストンリングが装着され、ピストンリングによりガスシール及びオイルシールを行う。近年燃費向上が要求されているが、燃費向上にはピストンリングのフリクション低減も重要な技術である。もちろんピストンリングの張力を下げるとピストンリングのフリクションは下がるが、むやみにピストンリングの張力を下げると、ピストンリングのガスシール性及びオイルシール性が低下する。

そこで、ピストンリングの外周摺動面に微細な凹み（ディンプル）を多数設けることで、ディンプルがオイルを保持する機能を発揮し、ピストンリングのフリクションが下がることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−６０８７３号公報

しかしながら、ディンプルの深さが単一の場合、図７に示すように、低軸受特性数領域ではかえって摩擦係数が増えてしまう。これは、ピストンの上下死点（特に上死点）付近で摩擦が増え、ピストンリングの摩耗も増える可能性があることを示唆していると考えられる。オイル粘度μ（即ち、潤滑油の粘度）及び荷重Ｗ（即ち、ピストンリングの張力）はほぼ一定とみなすことができるので、低軸受特性数領域は摺動速度Ｕ（即ち、ピストンの速度）が低い領域に相当するためである。なお、図７の「ディンプル付き」は、ディンプルの直径が１００μｍであり、ディンプルの深さが５μｍである場合である。

一方、ディンプルの深さを浅くすると、低軸受特性数領域の摩擦係数を下げることはできる。ただし、ディンプルが浅すぎる場合は、ディンプルがオイルを保持する機能が弱くなり、内燃機関の長時間運転後に、ディンプルがピストンリングの摩耗により消失する可能性がある。

そこで、本発明の目的は、低フリクションで且つ耐摩耗性の高いディンプル付きピストンリングを提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明は、ピストンリング本体と、前記ピストンリング本体の外周摺動面に形成された多数のディンプルとを有するピストンリングにおいて、前記多数のディンプルは、深さが複数種類となるように形成され、且つ、深さの異なる複数種類のディンプルが前記ピストンリング本体の周方向に交互に配設されるものである。

前記多数のディンプルは、深さが第１深さに形成された第１ディンプルと、深さが前記第１深さより浅い第２深さに形成された第２ディンプルとを含み、前記第１深さが４〜５μｍとされ、前記第２深さが２〜３μｍとされても良い。

前記多数のディンプルは、深さが前記第２深さより浅い第３深さに形成された第３ディンプルをさらに含み、前記第３深さが１〜１．５μｍとされても良い。

本発明によれば、低フリクションで且つ耐摩耗性の高いディンプル付きピストンリングを提供することができるという優れた効果を奏する。

（ａ）は本発明の一実施形態に係るピストンリングの平面図であり、（ｂ）はピストンリングの側面図であり、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。（ａ）は本実施形態のディンプルのパターン図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。（ａ）は深さが３種類の例を示すディンプルのパターン図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。ディンプルの形成方法の一例を示す説明図である。（ａ）及び（ｂ）は変形例に係るディンプルのパターン図である。（ａ）及び（ｂ）は変形例に係るディンプルのパターン図である。ピストンリングの軸受特性数−摩耗係数線図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に本実施形態に係るピストンリング１０を示す。

本実施形態に係るピストンリング（ディンプル付きピストンリング）１０は、内燃機関（例えば、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等）のピストンに装着されるものである。また、本実施形態に係るピストンリング１０は、ピストンに設けられる複数のピストンリング溝のうち最上段に位置するトップリング溝に取り付けられるトップリングである。

図１に示すように、本実施形態に係るピストンリング１０は、ピストンリング本体１１と、シリンダボア２０の内周面２１（図１（ｃ）参照）に摺接するピストンリング本体１１の外周摺動面１２に規則的に設けられた多数のディンプル（微細な凹み）１３（図１（ｂ）参照）とを有する。

ピストンリング本体１１は、リングの一部を切り欠いて形成された合い口すきま（合い口）１４を有する形状とされる。ピストンリング本体１１は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ材）からなる。

ピストンリング本体１１の外周面には、耐摩耗性の向上のための硬質被膜１５が形成されている。硬質被膜１５は、例えば、ＰＶＤ或いはメッキによるＣｒＮ被膜からなる。硬質被膜１５の厚さＴ（図１（ｃ）参照）は、例えば、３０〜４０μｍとされる。係る硬質被膜１５が、ピストンリング１０（ピストンリング本体１１）の外周摺動面１２を構成する。

ピストンリング１０の外周摺動面１２（即ち、硬質被膜１５）の表面には、多数のディンプル１３が形成されている。本実施形態では、多数のディンプル１３は、ピストンリング１０（ピストンリング本体１１）の周方向に関して等ピッチＰｘ（図１（ｂ）参照）で配置されていると共に、ピストンリング１０（ピストンリング本体１１）の軸方向に関して等ピッチＰｙ（図１（ｂ）参照）で配置されている。

本実施形態に係るピストンリング１０においては、深さが複数種類（本実施形態では、２種類）となるようにディンプル１３を形成すると共に、深さの異なる複数種類のディンプル（第１ディンプル１３ａ、第２ディンプル１３ｂ）をピストンリング１０の周方向に交互に配設している（図２参照）。

図２に本実施形態のディンプル１３のパターン図を示す。なお、図２（ａ）中、ハッチングを付した丸が深めのディンプル（第１ディンプル１３ａ）を示し、白丸が浅めのディンプル（第２ディンプル１３ｂ）を示す。

即ち、本実施形態では、多数のディンプル１３は、深さが第１深さＤ１に形成された第１ディンプル１３ａと、深さが第１深さＤ１より浅い第２深さＤ２に形成された第２ディンプル１３ｂとを含んでいる。

例えば、第１深さＤ１は４〜５μｍ（好ましくは、５μｍ程度）とし、第２深さＤ２は２〜３μｍ（好ましくは、２．５μｍ程度）とする。即ち、本実施形態では、第２深さを第１深さの約１／２倍（約０．５倍）とする。また、多数のディンプル（第１ディンプル１３ａ、第２ディンプル１３ｂ）の直径Ｒ１、Ｒ２は、比較的大きくするものとし、深さの種類に拘わらず同じ径（例えば、１００μｍ程度）とする。さらに、多数のディンプル（第１ディンプル１３ａ、第２ディンプル１３ｂ）の断面形状は、略円弧状とするのではなく、ディンプル１３の容積を大きくするために略Ｕ字状とした（図２（ｂ）参照）。

図２（ａ）においては、深さの種類が同じディンプル（第１ディンプル１３ａ、第２ディンプル１３ｂ）を、ピストンリング１０の外周摺動面１２にピストンリング１０の軸方向に対して傾斜配置している。即ち、複数の第１ディンプル１３ａを、ピストンリング１０の軸方向と平行な方向に対して角度をつけて直線配置し、複数の第２ディンプル１３ｂを、ピストンリング１０の軸方向と平行な方向に対して角度をつけて直線配置している。

また、図３にディンプル１３の深さを３種類にした例（パターン図）を示す。なお、図３（ａ）中、ハッチングを付した丸が深めのディンプル（第１ディンプル１３ａ）を示し、白丸が中くらいの深さのディンプル（第２ディンプル１３ｂ）を示し、×印を付した丸が浅めのディンプル（第３ディンプル１３ｃ）を示す。

即ち、多数のディンプル１３は、深さが第１深さＤ１に形成された第１ディンプル１３ａと、深さが第１深さＤ１より浅い第２深さＤ２に形成された第２ディンプル１３ｂと、深さが第２深さＤ２より浅い第３深さＤ３に形成された第３ディンプル１３ｃとを含んでいても良い。

例えば、第１深さＤ１は４〜５μｍ（好ましくは、５μｍ程度）とし、第２深さＤ２は２〜３μｍ（好ましくは、２．５μｍ程度）とし、第３深さＤ３は１〜１．５μｍ（好ましくは、１．２５μｍ程度）とする。即ち、第２深さを第１深さの約１／２倍（約０．５倍）とし、第３深さを第２深さの約１／２倍（約０．５倍）としている。また、多数のディンプル（第１ディンプル１３ａ、第２ディンプル１３ｂ、第３ディンプル１３ｃ）の直径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、比較的大きくするものとし、深さの種類に拘わらず同じ径（例えば、１００μｍ程度）とする。さらに、多数のディンプル（第１ディンプル１３ａ、第２ディンプル１３ｂ、第３ディンプル１３ｃ）の断面形状は、略円弧状とするのではなく、ディンプル１３の容積を大きくするために略Ｕ字状としている（図３（ｂ）参照）。

図３（ａ）においては、深さの種類が同じディンプル（第１ディンプル１３ａ、第２ディンプル１３ｂ、第３ディンプル１３ｃ）を、ピストンリング１０の外周摺動面１２にピストンリング１０の軸方向に対して傾斜配置している。即ち、複数の第１ディンプル１３ａを、ピストンリング１０の軸方向と平行な方向に対して角度をつけて直線配置し、複数の第２ディンプル１３ｂを、ピストンリング１０の軸方向と平行な方向に対して角度をつけて直線配置し、複数の第３ディンプル１３ｃを、ピストンリング１０の軸方向と平行な方向に対して角度をつけて直線配置している。

次に、ディンプル１３の形成方法を例示する。

〔１〕レーザー
ディンプル１３の深さを３種類（第１深さＤ１、第２深さＤ２、第３深さＤ３）とした場合について説明する。

レーザーとしては、例えば、エキシマレーザー等のガスレーザーを用いることができる。

レーザーの場合は照射時間によってディンプル１３の深さが変わる。そのため、パターンに応じてそれぞれのディンプル（第１ディンプル１３ａ、第２ディンプル１３ｂ、第３ディンプル１３ｃ）の照射時間を変えることで、ディンプル１３の深さをコントロールする。

〔２〕エッチング
ディンプル１３の深さを３種類（第１深さＤ１、第２深さＤ２、第３深さＤ３）とした場合について説明する。

図４に示す３種類のフォトマスクＡ〜Ｃを用いて、それぞれのディンプル（第１ディンプル１３ａ、第２ディンプル１３ｂ、第３ディンプル１３ｃ）のエッチング時間を変えることで、ディンプル１３の深さをコントロールする。

まず、光硬化樹脂に、第１ディンプル１３ａ、第２ディンプル１３ｂ及び第３ディンプル１３ｃのパターンを露光し、ピストンリング１０の外周摺動面１２上にフォトマスクＡを作る。フォトマスクＡを用いてエッチングし、全てのディンプル１３にエッチングを行うことにより、全てのディンプル１３を浅い状態（第３深さＤ３）にする。

次に、光硬化樹脂に第１ディンプル１３ａ及び第２ディンプル１３ｂのパターンを露光し、フォトマスクＡ上にフォトマスクＢを作る。フォトマスクＢを用いてエッチングし、浅く残したいディンプル（第３ディンプル１３ｃ）以外のディンプル１３にエッチングを行うことにより、浅く残したいディンプル（第３ディンプル１３ｃ）以外のディンプル１３を中くらいの深さの状態（第２深さＤ２）とする。

次に、光硬化樹脂に第１ディンプル１３ａのパターンを露光し、フォトマスクＢ上にフォトマスクＣを作る。フォトマスクＣを用いてエッチングし、深くしたいディンプル（第１ディンプル１３ａ）のみにエッチングを行うことにより、深くしたいディンプル（第１ディンプル１３ａ）のみを深い状態（第１深さＤ１）とする。

最後に、フォトマスクＡ〜Ｃをピストンリング１０の外周摺動面１２から剥離させることにより、ディンプル１３の深さを３種類（第１深さＤ１、第２深さＤ２、第３深さＤ３）としたピストンリング１０が得られる。なお、フォトマスクＢ及びＣをフォトマスクＡ上に順次重ねていくのではなく、エッチングが完了したフォトマスクＡを剥離させ、フォトマスクＢ及びＣを直接外周摺動面１２上に作っても良い。

〔３〕ショットブラスト
ディンプル１３の深さを３種類（第１深さＤ１、第２深さＤ２、第３深さＤ３）とした場合について説明する。

エッチングの場合と同様に図４に示す３種類のフォトマスクＡ〜Ｃを用いて、それぞれのディンプル（第１ディンプル１３ａ、第２ディンプル１３ｂ、第３ディンプル１３ｃ）のショットブラスト時間を変えることで、ディンプル１３の深さをコントロールする。なお、フォトマスク以外のマスクを用いてピストンリング１０の外周摺動面１２にマスキングを施しても良い。

まず、光硬化樹脂に、第１ディンプル１３ａ、第２ディンプル１３ｂ及び第３ディンプル１３ｃのパターンを露光し、ピストンリング１０の外周摺動面１２上にフォトマスクＡを作る。フォトマスクＡを用いてショットブラストをし、全てのディンプル１３にショットブラストを行うことにより、全てのディンプル１３を浅い状態（第３深さＤ３）にする。

次に、光硬化樹脂に第１ディンプル１３ａ及び第２ディンプル１３ｂのパターンを露光し、フォトマスクＡ上にフォトマスクＢを作る。フォトマスクＢを用いてショットブラストをし、浅く残したいディンプル（第３ディンプル１３ｃ）以外のディンプル１３にショットブラストを行うことにより、浅く残したいディンプル（第３ディンプル１３ｃ）以外のディンプル１３を中くらいの深さの状態（第２深さＤ２）とする。

次に、光硬化樹脂に第１ディンプル１３ａのパターンを露光し、フォトマスクＢ上にフォトマスクＣを作る。フォトマスクＣを用いてショットブラストをし、深くしたいディンプル（第１ディンプル１３ａ）のみにショットブラストを行うことにより、深くしたいディンプル（第１ディンプル１３ａ）のみを深い状態（第１深さＤ１）とする。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態に係るピストンリング１０は、ピストンリング本体１１と、ピストンリング本体１１の外周摺動面１２に形成された多数のディンプル１３とを有するので、ディンプル１３がオイルを保持する機能を発揮し、ピストンリング１０のフリクションを下げることができる。

特に、本実施形態に係るピストンリング１０では、多数のディンプル１３は、深さが複数種類（本実施形態では、２種類）となるように形成され、且つ、深さの異なる複数種類のディンプル（第１ディンプル１３ａ、第２ディンプル１３ｂ）がピストンリング１０（ピストンリング本体１１）の周方向に交互に配設されるので、低フリクションで且つ耐摩耗性の高いディンプル付きピストンリングを製作することが可能となる。

即ち、多数のディンプル１３は、深さが複数種類（本実施形態では、２種類）となるように形成されるので、深めのディンプル（第１ディンプル１３ａ）によりピストンリング１０の耐摩耗性を確保しつつ、浅めのディンプル（第２ディンプル１３ｂ）によりピストンリング１０のフリクションを下げることができる。

また、深さの異なる複数種類のディンプル（第１ディンプル１３ａ、第２ディンプル１３ｂ）がピストンリング１０（ピストンリング本体１１）の周方向に交互に配設されるので、ピストンリング１０（ピストンリング本体１１）の外周摺動面１２（硬質被膜１５）の周方向に関する偏摩耗が抑制される。また、内燃機関の長時間運転後に、たとえ浅めのディンプル（第２ディンプル１３ｂ）がピストンリング１０の摩耗により消失してしまったとしても、残りのディンプル（第１ディンプル１３ａ）がピストンリング１０（ピストンリング本体１１）の周方向に等ピッチ（Ｐｘの２倍）で配置されている状態は維持される。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

図５及び図６にディンプル１３の変形例を示す。図５（ａ）及び図５（ｂ）においては、深さの種類が同じディンプル（第１ディンプル１３ａ、第２ディンプル１３ｂ、第３ディンプル１３ｃ）を、ピストンリング１０の外周摺動面１２にピストンリング１０の軸方向と平行な方向に沿って千鳥配置している。また、図６（ａ）及び図６（ｂ）においては、深さの種類が同じディンプル（第１ディンプル１３ａ、第２ディンプル１３ｂ、第３ディンプル１３ｃ）を、ピストンリング１０の外周摺動面１２にピストンリング１０の軸方向と平行な方向に沿って直線配置している。

また、上述の実施形態では、ピストンリング１０はトップリングであるとしたが、これには限定はされず、本発明はトップリング以外のセカンドリングやオイルリングに適用することも可能である。なお、トップリングはセカンドリングやオイルリングと比較して外周摺動面が大きいので、本発明はトップリングに好適に適用される。

１０ピストンリング
１１ピストンリング本体
１２外周摺動面
１３ａ第１ディンプル（ディンプル）
１３ｂ第２ディンプル（ディンプル）
１３ｃ第３ディンプル（ディンプル）

Claims

ピストンリング本体と、前記ピストンリング本体の外周摺動面に形成された多数のディンプルとを有するピストンリングにおいて、
前記多数のディンプルは、深さが複数種類となるように形成され、且つ、深さの異なる複数種類のディンプルが前記ピストンリング本体の周方向に交互に配設されることを特徴とするピストンリング。
前記多数のディンプルは、深さが第１深さに形成された第１ディンプルと、深さが前記第１深さより浅い第２深さに形成された第２ディンプルとを含み、
前記第１深さが４〜５μｍとされ、前記第２深さが２〜３μｍとされる請求項１に記載のピストンリング。
前記多数のディンプルは、深さが前記第２深さより浅い第３深さに形成された第３ディンプルをさらに含み、
前記第３深さが１〜１．５μｍとされる請求項２に記載のピストンリング。