JP2020041573A - Piston ring and method of manufacturing piston ring - Google Patents
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Abstract
【課題】外周面に凹凸構造を有していても摺動相手材の摩耗を抑制することが可能なピストンリングを提供する。
【解決手段】ピストンリングは、外周面に所定の方向に延在する溝部と陸部とを交互に有する凹凸構造が形成されたピストンリングであって、前記外周面は、前記ピストンリングの中心軸を含む断面による輪郭形状において、外径の寸法が最大となる最外径部を備え、前記凹凸構造は、前記最外径部には形成されていないことを特徴とする。
【選択図】図3BAn object of the present invention is to provide a piston ring capable of suppressing abrasion of a sliding partner material even if the outer peripheral surface has an uneven structure.
The piston ring is a piston ring in which a concave / convex structure having grooves and land portions extending in a predetermined direction alternately formed on an outer peripheral surface, wherein the outer peripheral surface has a central axis of the piston ring. In a contour shape having a cross section including: an outermost diameter portion having the largest outer diameter dimension, the uneven structure is not formed at the outermost diameter portion.
[Selection diagram] FIG. 3B
Description
本発明は、ピストンリング、及びピストンリングの製造方法に関する。 The present invention relates to a piston ring and a method for manufacturing the piston ring.
内燃機関に使用される摺動部材として、ピストンリングがある。ピストンリングは、金属等で構成されたピストンの外周に周方向に沿って設けられたリング溝に、装着される。ピストンリングの外周面は、ピストンが軸方向に往復運動するとき、シリンダ内壁に対して摺動する。そのため、ピストンリングの外周面とシリンダ内壁との間では、摺動抵抗が発生する。 As a sliding member used in an internal combustion engine, there is a piston ring. The piston ring is mounted in a ring groove provided along the circumferential direction on the outer periphery of a piston made of metal or the like. The outer peripheral surface of the piston ring slides against the cylinder inner wall when the piston reciprocates in the axial direction. Therefore, sliding resistance occurs between the outer peripheral surface of the piston ring and the inner wall of the cylinder.
そこで、ピストンリングの外周面とシリンダ内壁との間での摺動抵抗を低減させるために、潤滑油を保持可能な凹凸構造を外周面に形成したピストンリングが開発されている(例えば、特許文献1〜3参照)。 Therefore, in order to reduce the sliding resistance between the outer peripheral surface of the piston ring and the inner wall of the cylinder, a piston ring in which an uneven structure capable of holding lubricating oil is formed on the outer peripheral surface has been developed (for example, Patent Document 1). 1-3).
特許文献1〜3に記載のピストンリングによれば、外周面に形成された凹凸構造に潤滑油が保持されることで、当該潤滑油を介してシリンダ等の相手材との間の摺動抵抗を低減させることができる。しかしながら、摺動面に形成された凹凸構造が相手材に対して摺動することが繰り返されることにより、相手材をより摩耗させてしまう。ことに、ピストンリングにおいては、シリンダ内壁が摩耗する場合がある。シリンダ内壁が摩耗した場合には、シリンダの内径が拡大するため、ピストンリングが拡径して合口の隙間が大きくなり得る。ピストンリングの合口の隙間が大きくなると、シール機能が低下し、ブローバイガス量の増加又はオイル消費量の増加等が生じてしまうという問題があった。
According to the piston rings described in
本発明は、このような問題を解決することを課題とするものであり、その目的は、外周面に凹凸構造を有していても相手材の摩耗を抑制することが可能なピストンリング、及びピストンリングの製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a piston ring capable of suppressing wear of a mating material even if the outer peripheral surface has an uneven structure, and An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a piston ring.
本発明のピストンリングは、外周面に所定の方向に延在する溝部と陸部とを交互に有する凹凸構造が形成されたピストンリングであって、前記外周面は、前記ピストンリングの中心軸を含む断面による輪郭形状において、外径の寸法が最大となる最外径部を備え、前記凹凸構造は、前記最外径部には形成されていないことを特徴とする。 The piston ring of the present invention is a piston ring in which a concave-convex structure having grooves and land portions extending in a predetermined direction alternately formed on an outer peripheral surface, wherein the outer peripheral surface defines a central axis of the piston ring. In the contour shape including the cross section, an outermost diameter portion having a maximum outer diameter is provided, and the uneven structure is not formed on the outermost diameter portion.
本発明は、上記構成において、前記外周面が、前記最外径部及びその近傍からなる前記凹凸構造が形成されていない凹凸構造非形成領域と、前記凹凸構造非形成領域の上側面側又は下側面側の少なくとも一方に隣接して前記凹凸構造が形成された凹凸構造形成領域と、を有することが好ましい。 According to the present invention, in the above-described configuration, the outer peripheral surface is formed of the outermost diameter portion and the vicinity thereof, in which the uneven structure is not formed, in which the uneven structure is not formed, and the upper or lower side of the uneven structure non-formed region. And a concavo-convex structure forming region in which the concavo-convex structure is formed adjacent to at least one of the side surfaces.
本発明は、上記構成において、凹凸構造形成領域が、凹凸構造非形成領域よりも下側面側のみに有することが好ましい。 According to the present invention, in the above structure, preferably, the uneven structure forming region is provided only on the lower surface side of the uneven structure non-forming region.
本発明は、上記構成において、前記外周面の断面による輪郭形状が、前記最外径部から上側面側又は下側面側に向かうにつれて、前記外径が順次小さくなるような形状を有し、前記凹凸構造非形成領域が、前記最外径部から少なくとも0.5μm以上径方向内側に前記外周面が位置する領域まであることが好ましい。 The present invention, in the above configuration, the contour shape of the cross-section of the outer peripheral surface has a shape such that the outer diameter gradually decreases as going from the outermost diameter portion toward the upper surface side or the lower surface side, It is preferable that the region where the uneven structure is not formed is at least 0.5 μm or more from the outermost diameter portion to the region where the outer peripheral surface is located radially inward.
本発明は、上記構成において、前記凹凸構造が、前記外周面において前記溝部と前記陸部とが周方向に周期的に形成されていることが好ましい。 According to the present invention, in the above configuration, it is preferable that the groove structure and the land portion are periodically formed in the outer peripheral surface in the circumferential direction.
本発明は、上記構成において、前記溝部と前記陸部とが交互に形成された繰り返し単位が、100μm以下であることが好ましい。 In the present invention, in the above-described configuration, it is preferable that a repeating unit in which the groove portions and the land portions are formed alternately has a size of 100 μm or less.
本発明は、上記構成において、前記凹凸構造の前記溝部の最深部から前記陸部までの高低差が、0.01μm以上100μm以下であることが好ましい。 According to the present invention, in the above structure, it is preferable that a height difference from a deepest portion of the groove portion of the concavo-convex structure to the land portion is 0.01 μm or more and 100 μm or less.
本発明は、上記構成において、前記溝部及び前記陸部の少なくとも一方の表面には、前記凹凸構造の前記溝部の最深部から前記陸部までの高低差よりも小さい高低差の微細凹凸構造が形成されていることが好ましい。 According to the present invention, in the above structure, a fine uneven structure having a height difference smaller than a height difference from a deepest portion of the groove portion of the uneven structure to the land portion is formed on at least one surface of the groove portion and the land portion. It is preferred that
本発明は、上記構成において、前記溝部及び前記陸部が、中心軸方向に沿って延在していることが好ましい。 According to the present invention, in the above configuration, it is preferable that the groove portion and the land portion extend along a central axis direction.
本発明は、上記構成において、前記凹凸構造の少なくとも一部が、前記最外径部よりも径方向内側に向かって100μmを超えない位置にある前記外周面の一部の領域に形成されていることが好ましい。 In the present invention, in the above configuration, at least a part of the uneven structure is formed in a part of the outer peripheral surface at a position not exceeding 100 μm radially inward from the outermost diameter portion. Is preferred.
本発明は、上記構成において、前記外周面が、前記最外径部から上側面側又は下側面側に向かうにつれて径方向内側に近づくように傾斜する傾斜部を、前記最外径部に対して中心軸方向の両側に備えることが好ましい。 The present invention, in the above configuration, the outer peripheral surface, the inclined portion inclined so as to approach radially inward as going from the outermost diameter portion toward the upper surface side or the lower surface side, with respect to the outermost diameter portion It is preferable to provide on both sides in the central axis direction.
本発明は、上記構成において、前記外周面が、前記最外径部から上側面側又は下側面側に向かうにつれて径方向内側に近づくように傾斜する傾斜部を、前記最外径部に対して中心軸方向の一方側にのみ備えることが好ましい。 The present invention, in the above configuration, the outer peripheral surface, the inclined portion inclined so as to approach radially inward as going from the outermost diameter portion toward the upper surface side or the lower surface side, with respect to the outermost diameter portion It is preferable to provide only one side in the central axis direction.
本発明は、上記構成において、前記最外径部が前記外周面の前記中心軸方向における中心を含まない領域に位置していることが好ましい。 Preferably, in the above configuration, the outermost diameter portion is located in a region not including the center of the outer peripheral surface in the central axis direction.
本発明は、上記構成において、前記外周面が、前記最外径部を含むバレル状部と、中心軸方向の一端において前記バレル状部に連なるとともに、前記中心軸方向に対して17°以上27°以下の角度で傾斜するテーパ状部と、を備えることが好ましい。 According to the present invention, in the above configuration, the outer peripheral surface is connected to the barrel-shaped portion including the outermost diameter portion and the barrel-shaped portion at one end in a central axis direction, and is 17 ° or more to the central axis direction. And a tapered portion inclined at an angle of not more than °.
本発明は、上記構成において、前記外周面が、硬質皮膜で構成されていることが好ましい。 According to the present invention, in the above configuration, it is preferable that the outer peripheral surface is formed of a hard coating.
本発明のピストンリングの製造方法は、ピストンリングの外周面に硬質皮膜を形成する工程と、前記ピストンリングの中心軸を含む断面による輪郭形状において、前記硬質皮膜が形成された後の外周面のうち外径の寸法が最も大きい最外径部以外の位置に凹凸構造を形成する工程と、を含むことを特徴とする。 The method for manufacturing a piston ring according to the present invention includes a step of forming a hard coating on an outer peripheral surface of the piston ring, and a step of forming an outer peripheral surface after the hard coating is formed in a contour shape including a cross section including a central axis of the piston ring. Forming a concavo-convex structure at a position other than the outermost diameter portion having the largest outer diameter.
本発明によれば、外周面に凹凸構造を有していても相手材の摩耗を抑制することが可能なピストンリング、及びピストンリングの製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if it has an uneven | corrugated structure on an outer peripheral surface, the piston ring which can suppress abrasion of a partner material, and a manufacturing method of a piston ring can be provided.
以下、本発明の各実施形態について、図面を参照して説明する。各図において共通の構成には、同一の符号を付している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The same reference numerals are given to the common components in each drawing.
[ピストンリングの構成]
図1は、本発明の一実施形態としての上側面80側から見たときのピストンリング1の平面図である。図2は、内燃機関用のシリンダ200のボア内に挿入されたピストン100のピストンリング溝101に装着された状態で、シリンダ200のボア内に挿入された状態のピストンリング1を示す断面図である。具体的に、図2は、ピストンリング1の中心軸O(図1参照)を含む断面におけるピストンリング1の輪郭形状を示す図である。
[Configuration of piston ring]
FIG. 1 is a plan view of a
以下、ピストンリング1を上側面80側から見て、ピストンリング1の外周面が描く曲線を円で近似した際における円の中心をピストンリング1の中心軸を「O」とし、ピストンリング1の周方向を「A」とし、中心軸Oに沿う中心軸方向を「B」とし、ピストンリング1の径方向を「C」とする。径方向Cは、中心軸方向Bに直交する方向である。中心軸方向Bにおいて、ピストンリング1に対して燃焼室が位置する側(図2の上側)を燃焼室側(上側面80側)Dとし、ピストンリング1に対してクランクケースが位置する側(図2の下側)をクランクケース側(下側面90側)Eとする。後述するピストンリング1の外周面10から見て径方向Cの内側の方向を径方向内側Fとし、その反対方向を径方向外側Gとする。なお、図2は、ピストン100の一部の断面を示すが、ピストン100には図2に図示されたピストンリング溝101以外にもピストンリング溝が設けられている。ピストンリング溝101以外のピストンリング溝は、ピストンリング溝101に対して、シリンダ200のボアとピストン100のトップ面とで囲まれた燃焼室側Dの空間が位置する側とは逆側、すなわちクランクケース側Eに設けられている。そして、そのピストンリング溝にも別の形態のピストンリングが装着されている。
Hereinafter, when the
図1及び図2に示すように、ピストンリング1は、外周面10と、外周面10よりも径方向内側Fにある内周面70と、燃焼室側Dの上側面80と、クランクケース側Eの下側面90と、を備える。本実施形態の上側面80は、ピストン100への装着時に外周面10と内周面70との間に位置する燃焼室側Dの面である。また、本実施形態の下側面90は、ピストン100への装着時に外周面10と内周面70との間に位置するクランクケース側Eの面である。図1に示すように、ピストンリング1には、合口6が形成されている。図2に示すように、本実施形態のピストンリング1の外周面10は、凸状の湾曲面(バレルフェイス)形状に形成されている。ピストンリング1の内周面70は、中心軸方向Bに略平行な円筒面形状に形成されている。ピストンリング1の上側面80及び下側面90は、それぞれ径方向Cに略平行な平坦面形状に形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図2に示すピストン100は、内燃機関の動作時には、シリンダ200内で中心軸方向Bに沿って燃焼室側D及びクランクケース側Eに繰り返し往復運動する。ピストンリング1は、ピストン100に追従して、シリンダ200内でシリンダ200の内壁に対して摺動しながら、中心軸方向Bに沿って繰り返し往復移動する。ピストンリング1は、シリンダ200の内壁に対して摺動する際、外周面10の後述する最外径部11(図3B等参照)を含む一部の領域で摺動する。
The
本実施形態のピストンリング1の基材は、鋳鉄材、鋼材、樹脂材料のいずれであってもよい。樹脂材料は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリベンゾイミダゾール(PBI)、ポリアミド(PA)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン(PEKEKK)、及び、液晶ポリマー(LCP)からなる群から選ばれる少なくとも一種の樹脂成分と、ガラス繊維、合成繊維及びカーボン繊維からなる群から選ばれる少なくとも一種の繊維とを含む樹脂組成物からなることが好ましい。鋼材は、例えば、SUP材などのバネ鋼、シリコンクロム鋼SWOSC−V材、炭素鋼、低合金鋼、軸受鋼、マルテンサイト系ステンレスから選択された鋼であることが好ましい。炭素鋼は、炭素が0.6〜0.8質量%程度の高炭素鋼であることが好ましく、バネ鋼は、SUP9、SUP10、SUP12等であることが好ましく、軸受鋼はSUJ2であることが好ましく、マルテンサイト系ステンレスは、SUS420J2又はSUS440Bであることが好ましい。
The base material of the
図3A及び図3Bは、図1及び図2に示す本実施形態のピストンリング1の合口6をピストンリング1の外径寸法が呼称径になるまで狭めた状態で、シリンダ200のボアに収めた状態を示す図である。具体的に、図3Aは、ピストンリング1の中心軸Oを含む断面による全体断面図である。図3Bは、図3Aの一部を拡大して示す断面図である。
FIGS. 3A and 3B show a state in which the
図3Aに示すように、外周面10は、ピストンリング1の中心軸Oを含む断面の輪郭形状で、ピストンリング1の外径D1が最大となる最外径部11を備える。図3Aでは、最外径部11におけるピストンリング1の外径D1を、外径D1maxとして示す。ここで、本明細書において、「ピストンリング1の外径D1」とは、中心軸方向Bの各々の位置における、ピストンリング1の外周面10の直径を意味する。また、本明細書において、「ピストンリング1の最外径部11」とは、ピストンリング1の外径D1が最大となる中心軸方向Bの位置に対応する、外周面10の領域である。なお、本実施形態では、最外径部11は、ピストンリング1の内周面70から外周面10までの厚さ方向(径方向C)の寸法が最大となる外周面10の位置と同じになっている。外周面10における最外径部11から中心軸方向Bに沿って移動したときの外周面の位置では、最外径部11よりもその外径D1が小さい。すなわち、外周面10の断面形状は、最外径部11から上側面側D又は下側面側Eに向かうにつれて、外径D1が順次小さくなるような形状を有する。
As shown in FIG. 3A, the outer
図4Aは、本実施形態のピストンリング1の凹凸構造30を含む外周面10を示す側面図である。図3B及び図4Aに示すように、本実施形態のピストンリング1の最外径部11は、外周面10の中心軸方向Bにおける中心(言い換えると、ピストンリングの幅寸法において、一方の側面から幅寸法の1/2の位置に相当)を含む領域に位置している。また、本実施形態のピストンリング1の最外径部11は、周方向Aに連なるように、ピストンリング1の周方向Aのそれぞれの位置毎に存在している。但し、ピストンリング1の最外径部11は、中心軸方向Bに略平行な円柱面を有していてもよいし、外周面10の中心軸方向Bにおける中心から上側面側D及び下側面側Eに所定の幅を有していてもよい。かかる場合のピストンリング1の最外径部11は、環状帯により構成される。
FIG. 4A is a side view showing the outer
本実施形態のピストンリング1の外周面10は、図3Bに示すように、ピストンリング1の中心軸Oを含む断面の輪郭形状で、最外径部11からピストンリング1の側面(上側面80又は下側面90)に向かうにつれて外周面10の径方向Cにおける位置が最外径部11よりも径方向内側Fに近づくような傾斜面を有する傾斜部12を、最外径部11の上下両側に備えている。また、図3Bに示すように、ピストンリング1の外周面10は、ピストンリング1の中心軸Oを含む断面の輪郭形状における全体が、シリンダ200が位置する方向(径方向Cにおける径方向外側G)に凸状の湾曲面形状のバレル状部14で構成されている。すなわち、バレル状部14は、最外径部11と、傾斜部12とを含む。なお、傾斜部12は、バレル状部14のように中心軸Oを含む断面において、その輪郭が曲線で形成された形状のみには限定されず、その輪郭が直線状に形成された形状であってもよい。
As shown in FIG. 3B, the outer
図3B及び図4Aに示すように、ピストンリング1の外周面10には、凹凸構造30が形成されている。図4に示すように、凹凸構造30は、溝部31と陸部41とを有し、それぞれ所定の方向に延在した形状を有している。また、溝部31及び陸部41は、外周面10において周方向Aに周期的に交互に形成されていることが好ましい。これにより、後述する凹凸構造30の機能を周方向Aに亘って均等に発揮することができる。溝部31及び陸部41の詳細については後述する。
As shown in FIGS. 3B and 4A, an
凹凸構造30は、図3Bに示すように、少なくとも最外径部11には形成されていない。特に、最外径部11は、ピストン100が上下運動することにより、シリンダ200のボアと最も摺動し易い場所である。この場所に凹凸構造30が形成されていないため、シリンダ200のボアへの攻撃性を低減させ、シリンダ200のボアの摩耗によるピストンリング1の合口6の隙間寸法の拡大を抑制させることができる。
The concavo-
なお、本実施形態におけるピストンリング1では、凹凸構造30は、図3Bに示すように、最外径部11から径方向内側Fに向かって第1距離L1以内に存在する外周面の領域(以下、「最外径部11及びその近傍」とも記載する。)には形成されていない。図3Bに示すように、最外径部及びその近傍を含み、ピストンリング1の外周面10においてピストンリング1の周方向Aに連なる帯状の領域であって、凹凸構造30が形成されていない領域を凹凸構造非形成領域Sと称する。この凹凸構造非形成領域Sにおける最外径の位置から最も径方向内側Fの位置までの径方向Cに沿った第1距離L1は、0.5μm以上であることが好ましく、1μm以上であることがより好ましく、3μm以上であることがより一層好ましく、10μm以上であることが特に好ましい。なお、第1距離L1は、後述する第2距離L2よりも小さい。このように、凹凸構造30が最外径部11及びその近傍には形成されていないので、ピストンリング1の摺動相手材であるシリンダ200の内壁に対して凹凸構造30が摺動する機会を更に抑制することができる。これにより、シリンダ200の内径拡大によるピストンリング1の拡径を抑制し、ひいてはピストンリング1の合口6の隙間の拡大によるシール機能の低下をより確実に抑制することができる。
In the
本実施形態では、凹凸構造30の最も最外径部11寄りに位置する端部(すなわち、凹凸構造30の径方向外側Gの端部)は、図3Bに示すように、最外径部11よりも上側面側D又は下側面側Eに位置し、かつ最外径部11から径方向内側Fに向かって第2距離L2以内にある外周面の領域に形成されている。なお、図3Bに示すように、本実施形態では、凹凸構造30の径方向外側Gの端部は、下側面側Eに形成されている。第2距離L2は、100μm以下であることが好ましく、50μm以下であることがより好ましい。凹凸構造30の径方向外側Gの端部は、図3Bに示すように、最外径部11から径方向内側Fに向かって0.5μmの地点に位置するようにした。ここで、シリンダ200のボアには、エンジンオイル等の潤滑油による油膜が形成されており、当該油膜の膜厚は、約50μm以上、約100μm以下である。従って、凹凸構造30の径方向外側Gの端部が、最外径部11から上側面側D又は下側面側Eへ、最外径部11から径方向内側Fに向かって第2距離L2以内にある領域に形成されていれば、シリンダ200のボアに形成されている油膜のうち表面近傍の油膜が凹凸構造30の一部を浸すことになる。それにより、凹凸構造30の溝部31にオイルを効率的に供給することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3B, the end of the concave-
また、凹凸構造30の溝部31に流入して保持された潤滑油が、ピストンリング1の中心軸方向Bに沿う往復移動による慣性又は毛管現象によって、最外径部11及びその近傍の凹凸構造非形成領域Sに供給される。そのため、ピストンリング1とシリンダ200のボアとの間の潤滑状態は良好なまま維持されるため、ピストンリング1の摺動抵抗を低減させることができる。また、凹凸構造30の径方向外側G(凹凸構造非形成領域S側)の端部が常に油膜と接触する状態になりうるので、油膜が凹凸構造30の溝部31に入り込んだ燃焼ガスを堰き止める効果が生ずる。それゆえ、燃焼ガスが凹凸構造30の溝部31に沿って漏れるような状態を低減することができ、ピストンリング1とシリンダボアとの密封性の向上も期待できる。
Further, the lubricating oil flowing into and held in the
また、本実施形態のピストンリング1では、凹凸構造30に含まれる溝部31と陸部41の延在方向が、ピストンリング1の中心軸方向Bと略等しくなるように設定されている。このような構成によれば、ピストンリング1の中心軸方向Bに沿う往復運動により、凹凸構造30の溝部31に保持された潤滑油が凹凸構造非形成領域Sに排出されやすくなる。なお、本実施形態のピストンリング1においては、凹凸構造30は、凹凸構造非形成領域Sの下側面側Eに隣接して形成されている。このように、凹凸構造非形成領域Sの上側面側D又は下側面側Eの少なくとも一方に隣接して凹凸構造30が形成された領域を、凹凸構造形成領域Pと称する。
Further, in the
図3B及び図4Aに示すように、本実施形態の凹凸構造30は、最外径部11に対して中心軸方向Bの一方側のみに形成されている。具体的に、本実施形態のピストンリング1は、凹凸構造30が最外径部11に対して中心軸方向Bのクランクケース側Eのみに形成されたトップリングである。仮に、凹凸構造30が最外径部11に対して中心軸方向Bの燃焼室側Dに形成されている場合、凹凸構造30に保持された潤滑油が、上死点で慣性によって油滴として燃焼室側Dに飛散する可能性がある。本実施形態のピストンリング1には、最外径部11に対して中心軸方向Bの燃焼室側Dに凹凸構造30が形成されていないので、潤滑油が油滴として燃焼室側Dに飛散することが抑制される。そのため、潤滑油の消費の増大を抑制できる。
As shown in FIGS. 3B and 4A, the
また、ピストンリング1をトップリングとして用いる場合、ピストンリング1は、ピストン100の燃焼室側Dの端部付近に装着される。ピストン100(図2参照)は、シリンダ200(図2参照)に対して中心軸方向Bに沿って往復運動する際、ピストン100の上昇行程(特に、排気行程)では、ピストン100のピストンリング溝101(図2参照)の下側面又は上側面に、ピストンリング1の下側面90又は上側面80が全面的に接触せずに、ピストンリング溝101の中で傾いた姿勢で、シリンダ200に摺動することがある。そのため、ピストン100がシリンダ200に対して傾いた状態でシリンダ200と摺動する際には、ピストンリング1の外周面10は、最外径部11に対して中心軸方向Bのクランクケース側Eよりも燃焼室側Dの方がシリンダ200の内壁と強く当たり易くなる。そこで、本実施形態のピストンリング1は、凹凸構造30が最外径部11に対して中心軸方向Bのクランクケース側Eのみに形成されているため、凹凸構造30が摩耗しにくく、長期間に亘って機能を発揮し易い。
When the
溝部31及び陸部41が延在する方向は、上述のような中心軸方向Bには限定されず、中心軸方向Bと周方向Aの間の方向に延在していてもよい。但し、図4Aに示すように、溝部31が中心軸方向Bに沿って延在していれば、最外径部11及びその近傍に、溝部31に溜まった潤滑油がより供給され易い点で好ましい。
The direction in which the
一方、図4Bは、図4Aに示す凹凸構造30とは異なる方向に延在した凹凸構造30’を有するピストンリング1の外周面10を示す側面図である。図4Bに示すように、凹凸構造30’が有する溝部31又は陸部41の延在方向は、ピストンリング1の中心軸方向Bに対して角度を持って設定されていてもよい。中心軸方向Bに対して溝部31又は陸部41の延在方向がなす角度は、45°以下であれば、最外径部11及びその近傍に潤滑油が供給され易いので、好ましい。
On the other hand, FIG. 4B is a side view showing the outer
図4Cは、凹凸構造30及び凹凸構造30’とは異なる配置の凹凸構造30’’を含む場合の、ピストンリング1の外周面10を示す側面図である。図4Cに示すように、凹凸構造30’’の溝部31は、必ずしもピストンリング1の上側面80(図3B参照)又は下側面90(図3B参照)まで連通していなくてもよい。この場合であっても、溝31内にオイルを保持する機能を有するので、ピストン100の往復運動により、最外径部11に対して溜まったオイルを供給することができる。但し、図4A及び図4Bに示すように、溝部31が上側面80又は下側面90まで連通していれば、摩耗粉が溝部31から排出され易いので、ピストンリング1を長寿命化させ易い。
FIG. 4C is a side view showing the outer
また、図4Cに示すように、溝部31は、凹凸構造形成領域P内で、延在方向の途中で途切れていてもよい。但し、図4A及び図4Bに示すように、溝部31が延在方向の途中で途切れていなければ、溝部31に保持された潤滑油が、溝部31の延在方向に沿って移動し易く、ひいては最外径部11及びその近傍に供給され易いので、好ましい。
Further, as shown in FIG. 4C, the
また、図4Cに示すように、凹凸構造形成領域P内における複数の溝部31の延在方向は、必ずしも、全ての溝部31について同一方向ではなくてもよい。図4Cに示す例では、境界線X1、境界線X2、境界線X3、及び境界線X4をそれぞれ境として、溝部31の延在方向が変化している。
Further, as shown in FIG. 4C, the extending direction of the plurality of
また、後述する図8に示すように、凹凸構造30が形成された凹凸構造形成領域Pは、最外径部11に対して中心軸方向Bの燃焼室側D及びクランクケース側Eの両方に形成されていてもよい。但し、ピストンリング1をトップリングとして用いる場合は、上述の効果が得られる点で、クランクケース側Eのみに形成されていることが好ましい。
Further, as shown in FIG. 8 described later, the uneven structure forming region P in which the
なお、仮に、凹凸構造30が最外径部11及びその近傍を含む凹凸構造非形成領域Sに対して中心軸方向Bの燃焼室側Dに形成されている場合、ピストン100(図2参照)がシリンダ200(図2参照)に対して上昇する際に、潤滑油を最外径部11及びその近傍に供給し易い。従って、船舶又は発電機等、潤滑油の消費の増大が問題となり難い内燃機関においては、凹凸構造30が最外径部11に対して中心軸方向Bの燃焼室側Dに形成されたピストンリングをトップリングとして用いることが好ましい場合がある。
If the
図5は、ピストンリング1の外周面10に形成された凹凸構造30を拡大して示す斜視図である。図6は、凹凸構造30を示す断面図である。図5及び図6に示すように、本実施形態の凹凸構造30は、所定方向に延在する溝部31と陸部41とが、溝部31の幅方向に交互に形成されており、周期性を有する凹凸構造として構成されている。また、図4Aに示す本実施形態の凹凸構造30のパターンは、ピストンリング1がピストン100に装着された際、ピストンリング1のシリンダ200への摺動方向と溝部31の延在方向とが略平行になるように形成されている。溝部31は、例えばレーザ加工等によって形成される。溝部31は、溝部31の幅方向に離間して複数形成されている。そのため、陸部41は、隣接する2つの溝部31間に形成されている。なお、本実施形態の凹凸構造30は、中心軸方向Bに延在する溝部31と陸部41とが周方向Aに交互に形成されているので、前述のようにピストンリング1の中心軸方向Bに沿う往復移動によって潤滑油が溝部31に流入し、ピストンリング1の往復移動による慣性力、及び毛管現象によって、潤滑油が溝部31を流路として最外径部11及びその近傍に供給され易い。これにより、凹凸構造30に蓄えられた潤滑油が、ピストン運動により最外径部11及びその近傍に供給されやすくなるため、潤滑油として低粘度オイルなどを用いても、潤滑状態を良好に保つことが可能となる。特に、ピストンリング1をトップリングとして用いる場合には、特に上死点付近の摺動抵抗が低減する。
FIG. 5 is an enlarged perspective view showing the concavo-
溝部31と陸部41とが幅方向に交互に形成された繰り返し単位Iは、100μm以下であることが好ましく、10μm以下であることがより好ましい。また、凹凸構造30の高低差Jとしての溝部31と陸部41との高低差は、0.01μm以上100μm以下であることが好ましく、0.05μm以上10μm以下であることがより好ましい。繰り返し単位I又は高低差Jが上記範囲内であれば、潤滑油が溝部31により保持され易く、また毛管現象がより発生し易い。溝部31の幅は、陸部41の幅よりも大きいことが好ましい。溝部31の幅が広いほど、最外径部11及びその近傍に潤滑油がより供給されやすく、陸部41の幅が狭いほど、焼き付きが起こり難い。
The repeating unit I in which the
溝部31及び陸部41は、外周面10の周方向Aの合口6に隣接する合口端を含む全周に亘って交互に形成されていることが好ましい。このような構成により、溝部31及び陸部41を形成することによる上記効果を、外周面10の周方向Aの全周に亘って得ることができる。なお、勿論、溝部31及び陸部41が、必ずしも合口端に至るまで周方向Aに形成されていなくても、上述の効果が得られることは言うまでもない。
The
図7A〜図7Cは、凹凸構造30の変形例を示す断面図である。具体的に、図7Aは、凹凸構造30の第1の変形例としての凹凸構造30aを示す断面図である。図7Bは、凹凸構造30の第2の変形例としての凹凸構造30bを示す断面図である。図7Cは、凹凸構造30の第3の変形例としての凹凸構造30cを示す断面図である。
7A to 7C are cross-sectional views showing a modification of the concavo-
図7A〜図7Cに示す例では、溝部31及び陸部41の少なくとも一方の表面には、図6に示す凹凸構造30の高低差Jよりも小さい高低差Kと、図6に示す凹凸構造30の繰り返し単位Iよりも小さい繰り返し単位とを有する微細凹凸構造50が形成されている。微細凹凸構造50は、微細凹部51と微細凸部61とを備える。具体的に、図7Aに示す凹凸構造30aでは、溝部31の表面としての底面に微細凹凸構造50が形成されている。図7Bに示す凹凸構造30bでは、陸部41の表面に微細凹凸構造50が形成されている。図7Cに示す凹凸構造30cでは、溝部31の表面としての底面及び陸部41の表面に微細凹凸構造50が形成されている。微細凹凸構造50が形成されているとき、凹凸構造30の高低差Jは0.1μm以上であることが好ましく、微細凹凸構造50の高低差Kは0.1μm未満であることが好ましい。このように、溝部31及び陸部41の少なくとも一方の表面に微細凹凸構造50が形成されていれば、毛管現象による潤滑油の供給機能を向上させることができる。なお、図7A〜図7Cにおける凹凸構造30の高低差Jは、微細凹凸構造50の微細凸部61を基準とした長さを意味する。具体的に、図7Aにおける凹凸構造30の高低差Jは、陸部41の表面から、溝部31の微細凹凸構造50の微細凸部61までの高低差を意味する。また、図7Bにおける凹凸構造30の高低差Jは、陸部41の微細凹凸構造50の微細凸部61から、溝部31の表面までの高低差を意味する。更に、図7Cにおける凹凸構造30の高低差Jは、陸部41の微細凹凸構造50の微細凸部61から、溝部31の微細凹凸構造50の微細凸部61までの高低差を意味する。また、図示はされていないが、溝部31の断面形状がU字状の場合、溝部31の最深部と陸部41の高低差が、凹凸構造30の高低差Jとなる。
In the example shown in FIGS. 7A to 7C, at least one surface of the
微細凹部51は、例えばレーザ加工等によって形成されている。微細凸部61は隣接する2つの微細凹部51に形成されている。微細凹部51及び微細凸部61の形状は特に限定されないが、微細凹部51及び微細凸部61は、それぞれ溝部31と平行な方向に延在し、かつ、微細凹部51の幅方向に交互に形成されていてもよい。また、微細凹部51及び微細凸部61の延在方向は、溝部31及び陸部41の延在方向と異なっていてもよいし、同じでもよい。例えば、微細凹凸構造50が、図7Aに示す凹凸構造30a又は図7Cに示す凹凸構造30cのように溝部31の底面に形成され、かつ、微細凹部51及び微細凸部61の延在方向が、溝部31の延在方向と異なっている場合、溝部31内の潤滑油が微細凹凸構造50によって保持され易くなる。なお、微細凹凸構造50は、周期的に凹凸が所定の方向に現れる周期的な凹凸構造であることが好ましい。また、この微細凹凸構造50が後述する硬質被膜上に形成されることで、シリンダボアと微細凹凸構造50とが仮に摺動したときには、トライボ皮膜の形成が促進されやすくなり、低摩擦化に寄与することができる。
The fine
本実施形態のピストンリング1の外周面10は、硬質皮膜で構成されている。具体的に、例えば、ピストンリングの基材の外周面に硬質皮膜を直接形成下後に、硬質皮膜で構成された外周面10に上記いずれかの凹凸構造(凹凸構造30、30’、30’’、30a、30b、30cのいずれか)を形成することで、その凹凸構造を備えるピストンリング1が得られる。ピストンリング1の外周面10を硬質皮膜で構成することで、外周面10の摩耗を抑制することができる。
The outer
硬質皮膜は、例えば非晶質硬質炭素皮膜(DLC皮膜)であってもよい。非晶質硬質炭素皮膜は、水素含有非晶質硬質炭素皮膜であってもよいし、水素の含有量が10at%以下の水素非含有非晶質硬質炭素皮膜であってもよい。また、硬質皮膜は、非晶質炭素皮膜以外であってもよく、例えば、無電解めっき、無電解めっきと電解めっきとの組み合わせ、硬質塗料コーティング、物理蒸着(PVD)、化学蒸着(CVD)、スパッタ法等により形成した皮膜であってもよい。皮膜の材質としては、窒化クロム膜(CrN)、窒化チタン膜(TiN)、炭化チタン(TiC)、窒化アルミチタン(TiAlN)、窒化クロム(CrN)、TiCN、AlCrN、TiC、又はニッケル(Ni)若しくはニッケルリン(NiP)などのニッケル合金からなるめっき等が挙げられる。また、硬質皮膜は、無機材料による皮膜以外、例えばポリイミド等の高分子皮膜であってもよい。高分子皮膜は、カーボンファイバー又はグラスファイバーなどのフィラーを混入させたものであってもよい。なお、本実施形態のピストンリング1では、基材に硬質被膜を形成する前に、凹凸構造30を形成していてもよい。
The hard coating may be, for example, an amorphous hard carbon coating (DLC coating). The amorphous hard carbon film may be a hydrogen-containing amorphous hard carbon film or a hydrogen-free amorphous hard carbon film having a hydrogen content of 10 at% or less. The hard coating may be other than the amorphous carbon coating, for example, electroless plating, a combination of electroless plating and electrolytic plating, hard paint coating, physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), It may be a film formed by a sputtering method or the like. As the material of the film, chromium nitride film (CrN), titanium nitride film (TiN), titanium carbide (TiC), aluminum titanium nitride (TiAlN), chromium nitride (CrN), TiCN, AlCrN, TiC, or nickel (Ni) Alternatively, plating made of a nickel alloy such as nickel phosphorus (NiP) may be used. Further, the hard coating may be a polymer coating such as polyimide, other than the coating made of an inorganic material. The polymer film may be one in which a filler such as carbon fiber or glass fiber is mixed. In the
図8は、ピストンリング1の第1の変形例としてのピストンリング1aを示す断面図である。図8に示すように、ピストンリング1aの中心軸O(図1等参照)を含む断面による、外周面10aの輪郭形状は、シリンダ200が位置する方向(径方向Cにおける径方向外側G)に凸状の湾曲面形状のバレル状部14aと、バレル状部14aに対して中心軸方向Bの両側に位置するテーパ状部15aと、を備える。バレル状部14aは、最外径部11を含む。本実施形態の第1の変形例における傾斜部12aは、最外径部11よりも上側面80側及び下側面90側に備えられ、バレル状部14aの一部とテーパ状部15aとからなる。なお、凹凸構造30が形成された凹凸構造形成領域Pは、傾斜部12aの上側面側D及び下側面側Eに形成されており、最外径部11とその近傍には凹凸構造非形成領域Sが設定されている。なお、最外径部11から凹凸構造形成領域Pまでの径方向Cにおける第1距離L1は、0.5μm以上100μm以下の範囲に設定されている。ピストンリング1aは、凹凸構造30が最外径部11に対して中心軸方向Bの燃焼室側D及びクランクケース側Eの両側に形成されたトップリングである。すなわち、ピストンリング1aは、凹凸構造非形成領域Sの上側面側D及び下側面側Eの両方に隣接する凹凸構造形成領域Pを有する。ピストンリング1aの上記以外の構成は、上述のピストンリング1の構成と同様であるので、説明を省略する。
FIG. 8 is a sectional view showing a
図9は、ピストンリング1の第2の変形例としてのピストンリング1bを示す断面図である。図10は、ピストンリング1bの外周面10bを示す側面図である。図9及び図10に示すように、ピストンリング1bの中心軸O(図1等参照)を含む断面による外周面10bの輪郭形状は、最外径部11と、最外径部11から中心軸方向Bに向かうにつれて径方向内側Fに近づくように傾斜する傾斜部12bと、を備える。この傾斜部12bは、図9に示す断面視では直線上に表すことができる輪郭を有している。図9及び図10に示す傾斜部12bは、最外径部11に対して中心軸方向Bの一方側のみに位置する。より具体的に、図9及び図10に示す傾斜部12bは、最外径部11に対して中心軸方向Bの燃焼室側Dのみに位置し、他方、最外径部11よりもクランクケース側Eは下側面90となっている。本実施形態の第2の変形例におけるピストンリング1bは、凹凸構造非形成領域Sに最外径部11とその近傍の傾斜部12bの一部を含んでおり、凹凸構造非形成領域Sの上側面側Dに隣接する傾斜部12bに凹凸構造形成領域Pを有する。なお、最外径部11から凹凸構造形成領域Pまでの径方向Cにおける第1距離L1は、0.5μm以上100μm以下の範囲に設定され、凹凸構造30は、凹凸構造非形成領域Sに隣接する位置(凹凸構造形成領域P)に形成されている。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a
図9及び図10に示すように、ピストンリング1bは、凹凸構造30が最外径部11に対して中心軸方向Bの燃焼室側Dのみに形成されたセカンドリングである。従って、ピストンリング1bは、ピストンリングを収容可能なピストンリング溝が側面に3本以上形成されたピストンのピストンリング溝のうち、燃焼室側Dから2番目に位置するピストンリング溝に装着される。なお、ピストンリング1bが装着されるピストンの最も燃焼室側Dに位置するピストンリング溝には、ピストンリング1bとは異なるピストンリングが装着されることが想定される。ピストンリング1bは、ピストン100(図2参照)がシリンダ200(図2参照)に対して特に上昇する際に、潤滑油を最外径部11及びその近傍に供給し易い。また、ピストンリング1bはセカンドリングであるので、凹凸構造30に保持された潤滑油に上死点で慣性力が働いても、燃焼室側Dに位置するトップリングによって飛散が抑制される。ピストンリング1bの上記以外の構成は、上述のピストンリング1の構成と同様であるので、説明を省略する。
As shown in FIGS. 9 and 10, the
図11は、ピストンリング1の第3の変形例としてのピストンリング1cを示す断面図である。なお、図11において、図9と同一符号の構成については、図9に示すピストンリング1bの構成と同じなので、その説明を省略する。なお、第3の変形例としてのピストンリング1cは、第2の変形例としてのピストンリング1bと比較して、下側面側Eにも、傾斜部12cが形成されている。そして、傾斜部12cには、傾斜部12bに形成された凹凸構造30とは別の凹凸構造30が形成されている。傾斜部12cに形成された凹凸構造30の径方向外側Gの端部は、最外径部11から径方向内側Fに向かって第1距離L1の位置に形成されている。従って、第3の変形例としてのピストンリング1cでは、最外径部11を含む凹凸構造非形成領域Sの上側面側D及び下側面側Eの両方に、凹凸構造形成領域Pが形成されている。このような断面形状を有するピストンリング1cであっても、前述のピストンリング1bと同様の効果を有する。第3の変形例としてのピストンリング1cにおける第1距離L1及び第2距離L2は、第2の変形例のピストンリング1bと同じ寸法値の範囲が好ましい。また、第3の変形例としてのピストンリング1cは、第2の変形例としてのピストンリング1bと同様に、セカンドリングとして用いることが好ましい。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a
図12は、ピストンリング1の第4の変形例としてのピストンリング1dを示す断面図である。図12に示すように、ピストンリング1dは、2ピースタイプのオイルリングであり、リング本体2と、コイルエキスパンダー3とを備える。コイルエキスパンダー3は、リング本体2を径方向外側Gに向けて付勢する。
FIG. 12 is a sectional view showing a
リング本体2は、その内周面にウェブ部4が形成されており、また、その外周面には一対のレール部5が形成されている。リング本体2にはある間隔をもって、孔部8が形成されている。また、図示されてはいないが、リング本体2の一部には合口が設けられている。一対のレール部5は、それぞれウェブ部4に対して中心軸方向Bの燃焼室側D及びクランクケース側Eのリング本体2と一体に設けられている。一対のレール部5の最も外周よりの領域には、それぞれランド部7が形成されている。ランド部7は、図12に示す破線で囲まれた領域に形成されている。これらのランド部7は、それぞれ対応するレール部5の外周端から径方向外側Gに向けて突出するとともにレール部5の全周に亘って延びる環状に形成されている。また、燃焼室側Dに形成されたランド部7と上側面80との間に位置する外周面、及び、クランクケース側Eに形成されたランド部7と下側面90との間に位置する外周面には、どちらも側面からランド部7に向かうにつれ、拡径するように形成された傾斜面40が形成されている。
The
図13は、図12に示したピストンリング1dの一方のランド部7を拡大して示す断面図である。なお、燃焼室側Dのレール部5に設けられるランド部7とクランクケース側Eのレール部5に設けられるランド部7は、基本的に同一の形状を有しているので、以下では、燃焼室側Dのレール部5に設けられるランド部7に基づいて説明する。
FIG. 13 is an enlarged sectional view showing one
図13に示すように、ランド部7は、中心軸方向Bの燃焼室側Dの上側面側軸方向側部80cと、中心軸方向Bのクランクケース側Eの下側面側軸方向側部90cと、上側面側軸方向側部80cと下側面側軸方向側部90cとの間にテーパ状部15cとバレル状部14cとが備えられている。上側面側軸方向側部80c及び下側面側軸方向側部90cは、テーパ状部15c及びバレル状部14cを傾斜面40よりも外周側(径方向外側G)に位置させるために、テーパ状部15c及びバレル状部14cに向けて拡径するように形成されており、中心軸方向Bに対する傾斜角度は傾斜面40やテーパ状部15cよりも大きな角度となっている。また、テーパ状部15cも、図13に示すように、クランクケース側Eに向けて拡径するような傾斜面を有しており、バレル状部14cがテーパ状部15cよりも外周側に突出する位置関係になっている。
As shown in FIG. 13, the
図13に示すように、第4の変形例であるピストンリング1dの最外径部11は、バレル状部14cとなる。中心軸方向B(図13に示す例では燃焼室側D)に向けてバレル状部14cに連なるテーパ状部15cが形成されている。バレル状部14cは、凸状の湾曲面(バレルフェイス)形状に形成されている。テーパ状部15cの中心軸方向Bに対する傾斜角αは、17°以上27°以下である。
As shown in FIG. 13, the
ピストンリング1dのテーパ状部15cには、上述のピストンリング1と同様に、凹凸構造30が形成された凹凸構造形成領域Pが形成されている。ピストンリング1dの凹凸構造30が形成される領域等の詳細は、図3B等で示す実施形態のピストンリング1と同様であるので説明を省略する。なお、図13に示すピストンリング1dの形状では、テーパ状部15cの最外径位置と最外径部11との段差dHが1μm以上100μm以下に設定されているので、テーパ状部15cのみを凹凸構造形成領域Pとしている。なお、段差dHがより小さければ、バレル状部14cの上側面側Dの一部にも凹凸構造30を形成してもよい。
In the tapered
また、図13に示す外周面形状及び構造は、3ピースタイプのオイルコントロールリングセットの上下両方のレール部材に適用することでも同様な効果が達成できる。この場合、上側面とランド部7との間、又は下側面とランド部7との間には、傾斜面40を形成する必要は必ずしもない。そのため、レール部材の上側面から外周面を経て下側面に向けて、上側面側軸方向側部80c、テーパ状部15c、バレル状部14c、下側面側軸方向側部90cの配置関係で外周面形状が構成されていることが好ましい。また、上下両方のレール部材の各々の外周面に形成されるランド部7は断面方向において1か所のみでよい。
The same effect can be achieved by applying the outer peripheral surface shape and structure shown in FIG. 13 to both upper and lower rail members of a three-piece type oil control ring set. In this case, it is not always necessary to form the
ところで、本発明の実施の形態における外周面の好適な輪郭形状は、最外径部11での外径と、最外径部11から中心軸方向Bに0.3mm離れた傾斜部12の位置での外径との差が、0.002mm以上0.050mm以下が好ましい。なお、最外径部11が中心軸方向Bに所定の幅を有する場合は、「最外径部11から中心軸方向Bに0.3mm離れた傾斜部12の位置」とは、最外径部11の中心軸方向Bの中心から中心軸方向Bに0.3mm離れた傾斜部12の位置を意味する。
By the way, the preferred contour shape of the outer peripheral surface in the embodiment of the present invention is the outer diameter at the
なお、本実施形態における外周面の構造は、ピストンリング以外の摺動部材にも適用できる。例えば、摺動時に相手材と摺動する領域を含む外周面と、当該外周面の摺動方向及び摺動方向と反対方向に、当該外周面の面方向と異なる方向に向いた側面とを有した摺動部材において、その外周面に、上述のように凹凸構造非形成領域と凹凸構造形成領域とを設定あるいは形成することで、相手材の摩耗を防ぎつつ、良好な摺動特性を得ることができる。なお、このような摺動部材であっても、相手材と摺動する外周面の摺動領域は、摺動時においてそれぞれの側面のいずれか一方と隣接した領域に比して、相手材に近接するような形状を有していることが良い。このように側面に隣接した外周面に比して、相手材に近接するような形状、例えば、外周面の一部が凸形状を有するものにおいて、摺動時に相手材に近接するような凸部位の頂上及びその付近には、凹凸構造を設けず、その凸部位である摺動領域に隣接した領域に凹凸構造形成領域を設けることが好ましい。 The structure of the outer peripheral surface in the present embodiment can be applied to a sliding member other than the piston ring. For example, it has an outer peripheral surface including a region that slides with a counterpart material during sliding, and a side surface oriented in a direction different from the surface direction of the outer peripheral surface in a sliding direction of the outer peripheral surface and a direction opposite to the sliding direction. By setting or forming the uneven structure non-forming region and the uneven structure forming region on the outer peripheral surface of the sliding member as described above, it is possible to obtain good sliding characteristics while preventing the mating material from being worn. Can be. In addition, even with such a sliding member, the sliding area of the outer peripheral surface that slides with the mating material is smaller than the area adjacent to one of the side surfaces during sliding. It is good to have a shape which is close to. Thus, in a shape that is closer to the mating material than the outer circumferential surface adjacent to the side surface, for example, in a portion having a convex shape in the outer circumferential surface, a convex portion that is close to the mating material when sliding. It is preferable that an uneven structure is not provided on the top of and in the vicinity thereof, and an uneven structure forming region is provided in a region adjacent to the sliding region which is a convex portion thereof.
[ピストンリングの製造方法]
図14は、本発明の一実施形態としてのピストンリングの製造方法の一部の工程を示すフローチャートである。図14に示すように、本実施形態のピストンリングの製造方法は、皮膜形成工程S1と、凹凸形成工程S2と、を含む。
[Production method of piston ring]
FIG. 14 is a flowchart showing some steps of a method of manufacturing a piston ring as one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 14, the method for manufacturing a piston ring of the present embodiment includes a film forming step S1 and an unevenness forming step S2.
皮膜形成工程S1は、硬質皮膜を形成する前のピストンリングの外周面に、硬質皮膜を形成する工程である。本実施形態の硬質皮膜は、上述のピストンリング1の外周面10を構成する硬質皮膜と同様の材料であってもよく、ピストンリング1の外周面10を構成する硬質被膜と同様の形成方法により形成することができる。
The film forming step S1 is a step of forming a hard film on the outer peripheral surface of the piston ring before forming the hard film. The hard coating of the present embodiment may be made of the same material as the hard coating forming the outer
凹凸形成工程S2は、皮膜形成工程S1の後に、硬質皮膜が形成された後の外周面のうち外径が最も大きい最外径部及びその近傍以外の位置に凹凸構造を形成する工程である。本実施形態の凹凸構造は、上述のピストンリング1の凹凸構造30と同様の構成であってもよく、凹凸構造30と同様の形成方法により形成することができる。
The unevenness forming step S2 is a step of forming an uneven structure at a position other than the outermost diameter portion having the largest outer diameter on the outer peripheral surface after the hard film is formed and the vicinity thereof after the film forming step S1. The concavo-convex structure of the present embodiment may have the same configuration as the concavo-
このように、本実施形態のピストンリングの製造方法では、ピストンリングの外周面に硬質皮膜を形成した後で、当該外周面に凹凸構造を形成する。これにより、外周面に所望の凹凸構造をより精細に形成させることができる。なお、凹凸構造の上に硬質皮膜を形成しても凹凸構造が現れるように、硬質皮膜の厚さや成膜方法を調整すれば、ピストンリングの外周面に凹凸構造を形成した後で、硬質皮膜を形成してもよい。本実施形態のピストンリングの製造方法は、上記実施形態のピストンリング1及びピストンリング1a〜1dいずれの製造方法にも適用することができる。
As described above, in the piston ring manufacturing method of the present embodiment, after forming the hard coating on the outer peripheral surface of the piston ring, the uneven structure is formed on the outer peripheral surface. Thereby, a desired uneven structure can be formed more finely on the outer peripheral surface. By adjusting the thickness of the hard film and the method of film formation so that the uneven structure appears even when the hard film is formed on the uneven structure, the hard film is formed after forming the uneven structure on the outer peripheral surface of the piston ring. May be formed. The manufacturing method of the piston ring of the present embodiment can be applied to any of the manufacturing methods of the
本発明の効果を確認するために、本発明の実施例1〜3を用意し、以下の評価試験を行った。なお、本発明はこれらの実施例には限定されない。 In order to confirm the effects of the present invention, Examples 1 to 3 of the present invention were prepared and the following evaluation tests were performed. Note that the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
まず、バレルフェイス形状の外周面を有するリングを用意し、硬質被膜として、非晶質硬質炭素皮膜を形成した。次に、凹凸構造30(図5等参照)を、図3Bに示すように、最外径部11とその近傍を含む凹凸構造非形成領域Sよりも下側面側Eの位置における硬質炭素被膜上に形成した。なお、凹凸構造30が形成された外周面10での外径が最も大きい位置と、凹凸構造非形成領域S内の最外径部11(図3B等参照)との径方向Cにおける第1距離L1は、0.004mmとした。当該ピストンリングは、最外径部11での外径と、最外径部11から中心軸方向B(図3B等参照)に0.3mm離れた位置での外径との差が、0.005mmであった。また、当該ピストンリングのサイズは、最外径部11での外径が86mm、中心軸方向Bの長さが1.2mm、径方向Cの長さが3.3mmであった。
(Example 1)
First, a ring having an outer peripheral surface in a barrel face shape was prepared, and an amorphous hard carbon film was formed as a hard film. Next, as shown in FIG. 3B, the concavo-convex structure 30 (see FIG. 5 and the like) is formed on the hard carbon coating at a position on the lower side E side of the concavo-convex structure non-forming region S including the
図15は、実施例1の試験方法を説明する図である。図15に示すように、上記得られたピストンリングを径方向Cに沿って切断し、リングピースQとした。リングピースQの外周面を、摺動相手材としてのシリンダ切り出し片200’に向けて荷重Wを印加しながら、シリンダ切り出し片200’の表面で摺動試験を行った。この際、滴下オイルの粘度を0W−20、摺動時間を10時間、荷重Wを100N、とした。また、比較例1として、凹凸構造30を、実施例1で形成した領域の他に、最外径部11を含め、実施例1では凹凸構造非形成領域Sとして凹凸構造を形成していない領域にも形成した。なお、凹凸構造の溝部については、摺動方向に沿って延在するように形成しているものとした。その他の条件はリングピースQと同様に作成したリングピースを用意した。比較例1のリングピースについても、上記摺動試験を行った。その結果、実施例1では、比較例1に対して、相手材摩耗量が約60%であった。
FIG. 15 is a diagram illustrating the test method of the first embodiment. As shown in FIG. 15, the obtained piston ring was cut along the radial direction C to obtain a ring piece Q. A sliding test was performed on the surface of the cylinder cut piece 200 'while applying a load W to the outer peripheral surface of the ring piece Q toward the cylinder cut piece 200' as a sliding partner. At this time, the viscosity of the dropped oil was set to 0W-20, the sliding time was set to 10 hours, and the load W was set to 100N. In Comparative Example 1, the
(実施例2)
実施例1と同様にして、ピストンリングを得た。当該ピストンリングのサイズは、最外径部11の外径が78mm、中心軸方向Bの長さが1.2mm、径方向Cの長さが2.5mmであったが、その他の条件は実施例1のピストンリングと同様であった。本実施例のピストンリングを組み込んだ内燃機関をガソリンエンジンで長時間運転させた後のブローバイ量を、下記の条件で測定した。すなわち、水冷4サイクルのガソリンエンジン(排気量1.5L、4気筒)を用いて、回転数4000rpm、全負荷(Wide Open Throttle)条件にて、運転時間10時間として運転した。また、比較例2として、凹凸構造30を、最外径部11から径方向内側Fに向かって0.004mmの地点までの間にも形成し、その他の条件は本実施例のピストンリングと同様に作成したピストンリングを用意した。比較例1のピストンリングを組み込んだ内燃機関についても、上記測定を行った。測定結果から、経年後のブローバイ量を算出した。その結果、実施例2では、比較例2に対して、ブローバイ量が約70%であった。
(Example 2)
A piston ring was obtained in the same manner as in Example 1. Regarding the size of the piston ring, the outer diameter of the
(実施例3)
図16は、実施例3で用いる摩擦係数を測定するための単体往復動試験機300の一部断面図である。本実施例のピストンリング301として、実施例1と同様のピストンリングを用意した。また、比較例3のピストンリングとして、ピストンリングの基材に実施例1と同じ硬質皮膜を形成し、その後、外周面には一切の凹凸構造を形成しないピストンリングを用意した。図16に示すように、本実施例のピストンリング301及び比較例3のピストンリングを、それぞれ、単体往復動試験機300のピストン302に装着して、評価試験を行った。具体的に、図16に示す単体往復動試験機300を用いて、円筒状のシリンダライナー303の内周面に本実施例のピストンリング301又は比較例3のピストンリングを装着したピストン302を挿入し、ピストン302を上下方向に往復運動させた。そのときのシリンダライナー303に固定されたブロック304の変位又はブロック304に掛かる荷重を、ロードセンサー(Load Sensor)306で検出することで、摩擦係数を算出した。図16に示す単体往復動試験機300の試験条件は、ボア×ストロークがφ86×86mm、回転数が500rpm、潤滑油の粘度が0W−20、リング単体評価であった。その結果、実施例3では、比較例3に対して、上死点付近での摩擦係数が約60%であった。
(Example 3)
FIG. 16 is a partial cross-sectional view of a single
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、ピストンリングの外周面の形状は、上述の各態様には限定されず、他の任意の形状であってもよい。また、ピストンリングの内周面、上側面、及び下側面の各形状は、上述の各態様の形状には限定されない。 The present invention is not limited to the above embodiment, and it goes without saying that various changes can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the shape of the outer peripheral surface of the piston ring is not limited to the above-described embodiments, and may be any other shape. Further, the shapes of the inner peripheral surface, the upper surface, and the lower surface of the piston ring are not limited to the shapes of the above-described embodiments.
本発明は、ピストンリング、及びピストンリングの製造方法に関する。 The present invention relates to a piston ring and a method for manufacturing the piston ring.
1、1a、1b、1c、1d:ピストンリング
2:リング本体
3:コイルエキスパンダー
4:ウェブ部
5:レール部
6:合口
7:ランド部
8:孔部
10、10a、10b、10c:外周面
11:最外径部
12、12a、12b、12c:傾斜部
14a、14c:バレル状部
15a、15c:テーパ状部
30、30’、30’’、30a、30b、30c:凹凸構造
31:溝部
40:傾斜面
41:陸部
50:微細凹凸構造
51:微細凹部
61:微細凸部
70:内周面
80:上側面
80c:上側面側軸方向側部
90:下側面
90c:下側面側軸方向側部
100:ピストン
101:ピストンリング溝
200:シリンダ
200’:シリンダ切り出し片
300:単体往復動試験機
301:ピストンリング
302:ピストン
303:シリンダライナー
304:ブロック
306:ロードセンサー
A:周方向
B:中心軸方向
C:径方向
D:燃焼室側(上側面側)
E:クランクケース側(下側面側)
F:径方向内側
G:径方向外側
I:溝部と陸部との繰り返し単位
J:凹凸構造の高低差
K:微細凹凸構造の高低差
L1:第1距離
L2:第2距離
D1:ピストンリングの外径
D1max:最外径部での外径
dH:テーパ状部の最外径位置と最外径部との段差
O:中心軸
P:凹凸構造形成領域
Q:リングピース
S:凹凸構造非形成領域
X1、X2、X3、X4:境界線
α:テーパ状部の中心軸方向に対する傾斜角
1, 1a, 1b, 1c, 1d: Piston ring 2: Ring body 3: Coil expander 4: Web part 5: Rail part 6: Abutment 7: Land part 8:
E: Crankcase side (lower side)
F: Radial inner side G: Radial outer side I: Repetition unit of groove and land J: Height difference of uneven structure K: Height difference of fine uneven structure L1: First distance L2: Second distance D1: Piston ring Outer diameter D1max: Outer diameter at outermost diameter part dH: Step between outermost diameter position and outermost diameter part of tapered part O: Central axis P: Uneven structure forming area Q: Ring piece S: Uneven structure not formed Areas X1, X2, X3, X4: boundary line α: inclination angle of tapered portion with respect to central axis direction
Claims (16)
前記外周面は、前記ピストンリングの中心軸を含む断面による輪郭形状において、外径の寸法が最大となる最外径部を備え、
前記凹凸構造は、前記最外径部には形成されていないことを特徴とする、ピストンリング。 A piston ring having an uneven structure having grooves and land portions extending alternately in a predetermined direction formed on an outer peripheral surface,
The outer peripheral surface, in a contour shape by a cross-section including the central axis of the piston ring, includes an outermost diameter portion having a maximum outer diameter dimension,
The said uneven structure is not formed in the said outermost diameter part, The piston ring characterized by the above-mentioned.
前記凹凸構造非形成領域は、前記最外径部から少なくとも0.5μm以上径方向内側に前記外周面が位置する領域まであることを特徴とする、請求項2又は3に記載のピストンリング。 The contour shape by the cross section of the outer peripheral surface has a shape such that the outer diameter is gradually reduced as going from the outermost diameter portion toward the upper surface side or the lower surface side,
4. The piston ring according to claim 2, wherein the uneven structure non-forming region extends to a region where the outer peripheral surface is located at least 0.5 μm or more radially inward from the outermost diameter portion. 5.
前記ピストンリングの中心軸を含む断面による輪郭形状において、前記硬質皮膜が形成された後の外周面のうち外径の寸法が最も大きい最外径部以外の位置に凹凸構造を形成する工程と、
を含むピストンリングの製造方法。 Forming a hard coating on the outer peripheral surface of the piston ring;
A step of forming a concavo-convex structure at a position other than the outermost diameter portion where the dimension of the outer diameter is the largest among the outer peripheral surfaces after the hard coating is formed, in the contour shape by the cross section including the central axis of the piston ring,
A method for manufacturing a piston ring including:
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