JPH0329979B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は内燃機関用ピストンリング、特にシリ
ンダ内壁から過剰のオイルを掻き取るためのコイ
ルエキスパンダ付オイルリングに関する。 ピストンリングはピストンとシリンダの内周壁
との間に置かれるものであるが、特に自動車用エ
ンジンの場合には各ピストンに対し１個または２
個のオイル掻きリングが設けられるのが普通であ
る。オイルリングはそのオイル掻きという機能上
シリンダ内壁に常時押し付けておく必要がある。
そのためオイルリングの内周にはオイルリングを
シリンダ内壁に押し当てるための環状のコイルエ
キスパンダが設けられる。 斯かるオイルリングは一般に上下のサイドレー
ルと、これら両サイドレールを連結するウエブと
から構成される。サイドレールとウエブとの外側
には掻き落としたオイルを受容するための外周溝
が形成される。一方、それらの内周側にはコイル
エキスパンダを嵌挿するための内周溝が形成され
る。ウエブには掻き落としたオイルを外周溝から
内周溝に逃がすための数個の細長いオイル孔が形
成される。尚、オイルリングの内周溝にきたオイ
ルはピストンのリンゲ構内に設けられるオイルド
レンを通してピストン内部にもたらされ、そこか
ら最終的にはエンジンのオイルパンに戻される。 上述の如きピストンリングにおいて、従来はオ
イルリングは一般に鋳鉄製でありかつその内周溝
の形状はコイルエキスパンダの断面円形形状に対
応した円弧状を呈していた。即ち、コイルエキス
パンダをその断面円弧の一部、例えば略半周に亘
つてオイルリングの内周溝内に密着するようにし
て抱持していた。しかしながらこのようにコイル
エキスパンダとオイルリングとが大きな面積に亘
つて面接触するとオイルリングのウエブに形成さ
れるオイル孔が大部分に亘つて塞がれてしまうこ
とになる。そのため掻き落としたオイルがオイル
孔を通つてオイルリングの外周溝から内周溝に逃
れにくくなり、その結果、時にはオイル孔がオイ
ルスラツジによつて完全に塞がれてしまうことに
もなつていた。こうなるともはやオイルリングの
オイル掻き効果はほとんど期待できず。その結果
オイル消費量の増大をきたしていた。 また、従来の鋳鉄製のオイルリングにおいては
必要な強度を確保するためにはウエブの肉厚をあ
る程度大きくする必要があり、従つてピストンリ
ングの軽量化という要求に逆行することになる。
更にまた、上述の如き鋳鉄製オイルリングにあつ
ては長時間使用するとコイルエキスパンダがオイ
ルリングの内周部を容易にけずりとりあるいは摩
耗させる結果、コイルエキスパンダが全体的にオ
イルリングに食い込む状態となりコイルエキスパ
ンダの張力減退を招来し易かつた。 本発明の目的は上述の如き欠点を解消すること
にある。そのため本発明によれば鋼製オイルリン
グの内周部は従来の如く丸味を帯びた弧状ではな
く角形を呈している。そのためオイルリングの内
周に配設されるコイルエキスパンダはその横断面
で見た場合に２点のみでオイルリングに接触保持
され、しかもウエブから僅かに離されている。こ
のような２点接触とすることにより、コイルエキ
スパンダの大きさが異なつてもその接触点が移動
するだけであるから種々の大きさ（径）のコイル
エキスパンダを適用できることになる。従来はオ
イルリングの内周とコイルエキスパンダとは前述
の如く相当の面積に亘つて密着するようになつて
いたのでコイルエキスパンダとオイルリングとは
一対一で対応し、オイルリングの径が異なるとそ
れに対応したコイルエキスパンダを用意しなけれ
ばならなかつた。本発明に係るオイルリングは鉄
道レールに似た断面略Ｉ形を呈する。 しかしながら、上述の如きオイルリングとコイ
ルエキスパンダとの２点接触方式は従来の相当な
面積の面接触に比してオイルリングの摩耗を促進
することになろう。何となればオイルリングに作
用するコイルエキスパンダの接触圧力はこれら両
者間の接触面積に逆比例するからである。このよ
うなオイルリングの摩耗増大を防止するために本
発明によればオイルリングは従来の鋳鉄製に対し
鋼（スチール）で形成される。更にまた好ましく
はコイルエキスパンダの表面及びそれに接触する
オイルリングの表面は耐摩耗処理が施される。そ
して好ましくはオイルリングの内周に接触するコ
イルエキスパンダの部分には接触面積を確保する
目的で平坦表面部が設けられ、それによりオイル
リングの摩耗を抑制してコイルエキスパンダがオ
イルリング内周に食い込まないようにする。ま
た、鋼製オイルリングであれば鋳鉄製オイルリン
グに比し強度がはるかに大きいのでウエブの肉厚
を相当薄くしても所要の強度が得られる。ウエブ
の肉厚を薄くできるということはオイルリング全
体の可撓性あるいはシリンダ内壁に対する追従性
を増大ることができるということを意味するの
で、高いオイル掻き効果が発揮できる。上下のサ
イドレール自体は剛性の塊として形成されるので
オイルリングの変形を防止することができ、かつ
シリンダ内壁への所定の押圧力を確保することが
できる。 本発明の他の特徴あるいは利点等は添付図面を
参照して行う以下の説明により明らかとなろう。 第１図、２図にはデイゼルエンジンに用いた本
発明のコイルエキスパンダ４０とオイルリング１
が示される。このオイルリング１はエンジンのピ
ストン５０のシリング周溝５１内に置かれる。ピ
ストン５０はシリンダ６０のシリンダボア６３内
を往復動する。オイルリング１は一体成形され、
上下のサイドレール３Ａ，３Ｂとこれら両サイド
レールを連結するウエブ５とを有する。サイドレ
ールは剛性の塊であり、一方、ウエブは相当薄肉
でかつ好ましくは真つすぐに延びている。その結
果、本発明に係るオイルリングは図示の如く略Ｉ
形を呈する。サイドレール３Ａ，３Ｂはピストン
５０の往復動時にシリンダ６０の内壁６１に摺接
する突出周端摺動面部７Ａ，７Ｂを有する。これ
ら摺動面部７Ａ，７Ｂには好ましくは耐摩耗層９
Ａ，９Ｂが施される。耐摩耗層９Ａ，９Ｂは例え
ばクロムめつき、あるいは硼化物、炭化物、窒化
物、セラミツクス等を分散させたニツケル、ニツ
ケル−リン、クロムあるいは鉄を主成分とする複
合めつき、或いはモリブデン、自溶合金、ステン
レス鋼、フエロクロム合金等の単独又は混合溶射
層（プラズマ溶射）により形成される。プラズマ
溶射を施す場合には予めニツケルアルミナイド、
モリブデン−ニツケル系合金等の下地層を設けて
おくことも可能である。これとは別に、耐摩耗層
９Ａ，９Ｂを焼入（レーザ、高周波）、窒化（窒
化、ガス又は塩浴による軟窒化）、あるいは滲硫
窒化処理してもよい。更にまた、第１図に示す耐
摩耗層９Ａ，９Ｂの代りに第４図に示す如く摺動
面部７Ａ，７Ｂに周溝３０Ａ，３０Ｂを形成し
て、そこに耐摩耗性物質を充填するようにしても
よい。その充填物質としては上述の耐摩耗層９
Ａ，９Ｂと同様の材料を用いればよい。 摺動面部７Ａ，７Ｂは好ましくは第１図に示す
如く梯形をなす。この梯形部にはシリンダ壁６１
上のオイルの掻き落としを保証すべく鋭利な端縁
を具えた狭い平坦支承面８Ａ，８Ｂが形成され
る。本発明ではウエブの肉厚が従来に比し相当薄
いのでオイルリングの可撓性が増大し、従つて支
承面８Ａ，８Ｂの表面積は相当小さくしても必要
な面圧を確保できる。しかもその面圧もオイルリ
ングの高可撓性によりシリンダ壁面に均一に作用
する。耐摩耗層９Ａ，９Ｂが施される場合には支
承面８Ａ，８Ｂはこの耐摩耗層上に設けられるこ
とは勿論である。 オイルリング１はサイドレール３Ａ，３Ｂとウ
エブ５とによつて形成される外周溝１５を有し、
摺動面部７Ａ，７Ｂによつて掻き取られたオイル
はこの外周溝内に受容される。また、オイルリン
グ１の内周側にはサイドレール３Ａ，３Ｂとウエ
ブ５とによつて形成される内周溝１７が形成され
る。内周溝１７を形成するサイドレール３Ａ，３
Ｂの内側対向壁は傾斜平胆面１１Ａ，１１Ｂとし
て形成される。これら傾斜平坦面のなす角は60゜
〜120゜、好ましくは90゜である。傾斜平坦面１１
Ａ，１１Ｂにはコイルエキスパンダ４０がこすり
つけられるので好ましくは耐摩耗処理層１３Ａ，
１３Ｂが設けられる。耐摩耗処理層としては例え
ばクロムめつき、あるいは窒化（滲硫窒化を含
む）処理層でよい。 オイルリング１のウエブ５には好ましくは第３
図に示す如くその周方向に沿つて小さな矩形楕円
形あるいは円形のオイル孔２１が多数配列され
る。鋼製オイルリングの場合には鋳鉄製オイルリ
ングに比し強度が大きいので、オイル孔２１の数
を相当増やすことができる。オイル孔２１はオイ
ルリングの内周溝１７と外周溝１５とを連結する
もので、掻き取られたオイルはオイル孔２１を通
つてオイルリングの内周側に流れ込む。従つてオ
イル孔２１の数を増やすことができるということ
は、オイルのスムーズな通過を保証し得るという
ことを意味する。尚、オイルリングの内側にきた
オイルはコイルエキスパンダ４０の巻線の間を通
り、更にピストン５０に設けられたオイル逃がし
孔（図示せず）を通つてピストン内にもたらされ
る。オイルリングはウエブ５の周方向中心線Ｌ
（第３図）に関して対称形となつている。 コイルエキスパンダ４０は第１図に示す如く、
好ましくは円の一部を切欠いた断面の線材４３を
コイル状に巻いたもので、その切欠部により平坦
接触表面部４５を形成する。即ち、コイルエキス
パンダ４０はこの平坦接触表面部４５によりオイ
ルリングの傾斜平坦表面１１Ａ，１１Ｂと２点で
面接触する。平坦接触表面部４５を設けるのは、
接触表面積を大きくすることによりオイルリング
に作用する２点での圧力を小さくすることを目的
としたものである。線材４３の断面形状は円に限
らず、矩形、正方形あるいはその他の形状でもよ
い。 コイルエキスパンダ４０はオイルリング１の内
周溝１７内に置かれ、オイルリングをシリンダ壁
に押し付ける。本発明によればコイルエキスパン
ダ４０は、従来技術の如くオイルリングの内周に
相当な面積に亘つて面接触するのではなく、サイ
ドレールの傾斜平坦面１１Ａ，１１Ｂに断面図で
見て２点のみ接触するようになつている。即ち、
本発明によればコイルエキスパンダ４０はオイル
リング１のウエブ５には接触せず僅かなギヤツプ
１９だけ隔てられている。ウエブ５には好ましく
はギヤツプ１９を形成するための丸味を帯びたコ
ーナ１８′を有する凹所１８が設けられる。丸コ
ーナ１８′は内部応力の集中によるきれつを起こ
し易い角コーナよりも好ましい。コイルエキスパ
ンダ４０、即ち線材４３の外周には第１図に４１
で示す如くクロムめつきあるいは窒化処理（滲硫
窒化を含む）等の耐摩耗処理層を設けるのが望ま
しい。従来技術の如くもしもギヤツプ１９がない
と、オイル孔２１はそのほとんど大部分がコイル
エキスパンダにより塞がれ従つてオイルの通りが
悪くなるが、本発明によれば斯かる欠点は解消さ
れる。 本発明のオイルリングは例えばJIS規格で
SWRS，SWRH，SWOSC，SWOCV，SK，
SUP，SUSなどの鋼材で形成し得る。また本発
明のオイルリングは均一断面を有する、棒状、線
状あるいは帯状の鋼材から通常の引き抜きあるい
は圧延方法により簡単に製造し得る。第１図に示
す如き断面形状に引き抜き加工あるいは圧延され
た素材は熱処理によつて硬化されるが、一般には
オイル孔２１は硬化工程の前にポンチ加工され
る。しかしながら本発明ではウエブの肉厚は相当
薄いので硬化処理後にオイル孔２１をポンチ加工
することさえ可能である。オイル孔をポンチ加工
したら素材をコイル状に巻いて所定の長さに切断
し、合口にピンを挿入して合口を衝合すれば環状
のコイルエキスパンダが得られる。 尚、従来の鋳鉄製オイルリングの場合はポンチ
加工ができないのでオイル孔はフライス加工にら
ざるを得なかつた。しかしながら周知の如くフラ
イス加工で孔を穿けると孔の縁にばりが生じ易
く、しかも孔近傍の肉厚が他の部分に比し盛り上
り、従つて均一なオイルリングの幅寸法（第５図
のＢ寸法に相当）及び平坦度が得られなかつた。
ばりはエンジンの稼動中にはがれてピストンリン
グとシリンダ壁との間に入り込みエンジントラブ
ルの原因を惹き起こす。オイル孔をポンチ加工す
ればこの種の問題はすべて解消される。 本発明に係るオイルリングの他の主たる利点を
要約すれば以下の通りである。 １ 薄肉ウエブとすることによりオイルリング全
体としての軽量化がはかれる。 ２ 薄肉ウエブとすることによりシリンダ壁に対
するオイルリングの追従性が良くなる。 ３ オイルリングとコイルエキスパンダとの２点
接触により、また薄肉ウエブとすることにより
コイルエキスパンダの径を大きくすることがで
きる。コイルエキスパンダの径が大きくなると
そのばね定数が小さくなり、従つて使用中にお
けるコイルエキスパンダの張力の減少度合が小
さくなる。 ４ オイルリングをピストンに組み込む際及び使
用中におけるオイルリングの変形あるいはひず
みに対する抵抗が強くなる。これはオイル孔を
フライス加工に代えてポンチ加工により形成す
ることにより、内部応力が減少されることによ
る。 ５ オイル孔をポンチ加工することにより、また
薄肉ウエブとしたことにより、鋳鉄製オイルリ
ングにおけるフライス加工では困難であつたオ
イルリングの真円度及び上下サイドレールの上
下面の平坦度が容易に得られる。またそれによ
り全体的な摩耗量が減り更に上下面のシール性
が向上するためオイル消費量の低減に通じる。 ６ 鋼製オイルリングを引抜きあるいは圧延加工
により製造ることにより精確な輪郭形状のオイ
ルリングが容易に得られる。 ７ シリンダ壁に対する所定の面圧を小さな面積
のサイドレール摺動面により得ることができ
る。 ８ 全体的にオイルリングを小さくできるので適
用範囲が広がり、従来の鋳鉄製オイルリングで
は無理であつたオートバイの如き二輪車用の小
さなピストンに対してさえ用いることができ
る。 ９ オイルリングの剛性が高いのでより薄幅のリ
ングが制作できる結果、シリンダボアに対する
オイルリングの摩耗抵抗（フリクシヨンロス）
を小さくできる。 10 全体的にオイルリングを小さくできるのでそ
れを嵌め込むピストングループが小さくでき延
いてはピストンの小型、軽量化に通じる。 尚、本発明においてはコイルエキスパンダの代
りに例えば波形スプリング等の所謂“均等圧スプ
リング”を用いることもできる。その場合にはオ
イルリングの傾斜平坦面１１Ａ，１１Ｂと接触す
る部分を平坦表面とすればよい。 下表は本発明に係る、ガソリン、デイーゼルあ
るいはその他の多目的エンジン用として作られた
ピストンリングの各部の３種の寸法例を示すもの
である。

【表】
〓単位：mm〓
尚、表中の文字記号の意味するところは以下の
通りである。 D₁〓…オイルリングの外径 Ｂ…オイルリングの幅 Ｔ…断面におけるオイルリングの半径方向厚さ ｂ…サイドレールの最外支承表面の幅 ｔ…ウエブの厚さ D₁〓…コイルエキスパンダの外径 ｘ…サイドレールの梯形の底長 ｙ…傾斜平坦面の底長 一般に鋳鉄製オイルリングのウエブの厚さは
0.8mmより小さくすることができなかつた。本発
明によればウエブの厚さｔはすべて0.8mm以下で
あり、従つてシリンダ壁に対する追従性が良くな
ることは前述の通りである。しかしながら強度の
関係でウエブ厚さｔの下限値は0.3mm以上である
ことが望ましい。即ち0.3mm≦ｔ≦0.8mmが望まし
いということは実験的に確認されている。更にま
た、ｘとｂ、及びｙとｔとの関係が夫々2.5≦
ｘ／ｂ≦8.0、2.0≦ｙ／ｔ≦5.5の範囲にあるとき
がサイドレールの支承面の摩耗量を小さくし従つ
てオイル消費量を低減する上で最も好ましいとい
うことも実験的に確認されている。 第６，７図はオイルリングの外周摩耗量とオイ
ル消費量とに関する実験結果を示すものである。
第６図において従来技術としてはコイルエキスパ
ンダが密着する弧状の円周溝を有する鋳鉄製のオ
イルリングが用いられた。また本発明のものとし
ては上記表の第２番目の例が用いられた。第６図
から明らかな如く本発明においては摩耗量が従来
技術に比し低減される。 第７図に示す実験においてはピストンリング全
体としてのオイル消費量を見るために、第１、第
２コンプレツシツンリングと１個のオイルリング
とから成るピストンリングの組合せが用いられ
た。第１、第２コンプレツシツンリングについて
は当然のことながら本発明、従来技術ともに同じ
ものが用いられた。オイルリングについては第６
図の実験と同じものが用いられた。尚、第７図中
における測定値は平均値である。使用したエンジ
ンの仕様は以下の通りである。 排気量2188c.c.の４サイクルデイーゼルエンジン シリンダボア…（90〓（mm））×ストローク（86
mm） 馬力…72PS 第７図から明らかな如く本発明におけるオイル
消費量は従来技術に比し少くなつている。 第８図Ａ，Ｂは更に別の条件下での第７図と同
様の実験結果を示すもので、この実験においては
従来品と本発明のリング仕様は第９図Ａ，Ｂ、第
１０図Ａ，Ｂに示す通りである。尚、第８図、第
９図、第１０図において夫々Ａは従来技術、Ｂは
本発明を夫々示す。実験は２時間のならし運転の
後に500時間の耐久試験を行つたもので、口径
95φmm×ストローク110mm・６シリンダ排気量
4700c.c.、のデイーゼルエンジンを使用して同一の
運転条件のもとで行なわれた。テスト条件は第８
図に示される通りである。 この実験結果からも明らかな如く本発明に係る
鋼製のオイルリングは従来の鋳鉄製オイルリング
に比しオイル消費量が約４分の１と格段に少い。
更にまた、リング外周面の摩耗量も従来の鋳鉄製
オイルリングの24.9μに対し、本発明では17.7μと
はるかに少いことが確認された。 第１１図は面圧とオイル消費量（Ｌ，Ｏ，Ｃ）
との関係についての実験結果を示すもので、この
実験における使用デイーゼルエンジンの仕様は以
下の通りである。 使用デイーゼルエンジン 口径119φmm×ストローク135mm×Ｖ型８気筒エ
ンジン・排気量：12010c.c. 280ps／2400rpm ターボチヤージヤ搭載 また実験は（2400rpm×スロツトル全開×
12hr）並びに（1800rpm×スロツトル全開×
12hr）の条件で夫々２度繰り返した。 第１１図から明らかな如く、オイル消費量は
夫々のオイルリングにおける面圧の変化によつて
僅かに変動するが、いずれにしても本発明におい
てはオイル消費量は従来のものに比し少くなつて
いる。

【図面の簡単な説明】

第１図はピストンとシリンダ壁との間に置かれ
た、本発明に係るコイルエキスパンダ付オイルリ
ングの要部断面図、第２図は第１図に示されるコ
イルエキスパンダ付オイルリングの要部斜視図、
第３Ａ図は第１図に示されるオイルリングのみを
示す斜視図、第３Ｂ図は第３Ａ図のＡ部拡大図、
第４図はオイルリングの別の実施例を示す断面
図、第５図は本発明に係るコイルエキスパンダ及
びオイルリングの各部の寸法関係を示す図、第６
図は本発明に係るコイルエキスパンダ付オイルリ
ングの摩耗量を従来技術との比較において示す線
図、第７図は本発明に係るコイルエキスパンダ付
オイルリングのオイル消費量を従来技術との比較
において示す線図、第８図Ａ，Ｂは従来技術と本
発明とのオイル消費量の差を示す実験結果の線図
でＡが従来技術、Ｂが本発明を示し、第９図Ａ，
Ｂ及び第１０図Ａ，Ｂは夫々第８図Ａ，Ｂに示す
実験に使用したオイル掻きリングのリング仕様並
びに断面形状を示すものでＡが従来技術、Ｂが本
発明を示し、第１１図は面圧とオイル消費量との
関係についての実験結果を示す線面。 １…オイルリング、３Ａ，３Ｂ…サイドレー
ル、５…ウエブ、１９…ギヤツプ、２１…オイル
孔、４０…コイルエキスパンダ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コイルエキスパンダ付オイルリングに関し
   て、 サイドレール最外支承表面の幅をｂ、 サイドレールの梯形の底長をｘ、 サイドレールの傾斜平坦面の底長をｙ、 ウエブの厚さをｔ、 としたとき、2.5＜ｘ／ｂ＜8.0かつ2.0＜ｙ／ｔ／
   5.5の関係を満たす剛性の塊である上下のサイド
   レールとこれら両サイドレールを連結する多数の
   オイル孔を備えた、0.3mm以上0.8mm以下の薄肉ウ
   エブとから構成される断面略Ｉ形の鋼製オイル掻
   きリングを有し、該オイル掻きリングの外周には
   掻き取つたオイルを受容するための周溝が形成さ
   れ、他方、内周には環状のコイルエキスパンダを
   収容するための周溝が形成され、該コイルエキス
   パンダは横断面で見て上下のサイドレールと実質
   上二点のみで接触し、これら接触点以外の部分に
   おいてコイルエキスパンダは上記ウエブから隔て
   られ該ウエブとの間に微小間〓が形成されている
   ことを特徴とするコイルエキスパンダ付オイルリ
   ング。