JP4480369B2 - スペーサエキスパンダ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のピストンに装着され、オイルコントロールを行う３ピースタイプの組合せオイルリングのスペーサエキスパンダに関する。

内燃機関のピストンに装着される一般的なピストンリングの断面構成を図９に示す。ピストン１００には、ピストンリングを挿入するためのリング溝１１０、１２０、１３０が形成され、これらのリング溝内に、ガスシール作用を主目的とする２本の圧力リング２００、２１０と、オイルコントロール及びオイルシール作用を主目的とする３ピースオイルリング２２０が挿入される。ピストン１００の往復動に伴い、これらリングの外周摺動面がシリンダ３００の内壁と摺動される。

３ピースタイプの組合せオイルリング２２０は、軸方向上下一対のサイドレール２３０、２４０と、その間に組み合わされ、サイドレール２３０、２４０を内周側から押圧し、サイドレール２３０、２４０に張力を発生させるスペーサエキスパンダ２５０とからなる。これらの各部の形状等に関しては、例えば非特許文献１の３〜５頁に記載されている。

サイドレール２３０、２４０は、スペーサエキスパンダ２５０の軸方向に突出するように角度を持って形成された耳部２５２により、シリンダ壁面に向かう半径方向及びリング溝上下面に向かう軸方向に分力をもって押圧される。これにより、サイドレール２３０、２４０は、シリンダの壁面及びリング溝１３０の上下面においてシール機能を発揮する。

このような組合せオイルリングのスペーサエキスパンダの構成は、例えば特許文献１に開示されている。このスペーサエキスパンダは、帯板状金属をギア加工して軸方向に波形を形成し、この波形部の張力により、サイドレールの外周をシリンダ内周面に圧接し、シール性を確保する。また、この波形部はオイルの出入り口となりスティック防止に有効に機能する。さらに、スペーサエキスパンダの内周部にはサイドレールを半径方向外側に押圧するピストン軸方向突出部（耳部）を形成し、外周部にはサイドレールを軸方向に支持する突起部を形成している。

近年のエンジンの低燃費化に伴い、オイルリングの薄幅化・軽量化が望まれている。３ピースタイプの組合せオイルリングの軸方向薄幅化の一例として特許文献２が報告されている。このオイルリングのエキスパンダは、軸方向波形の鋼製帯板で構成され、上部片と下部片とが軸方向に離間して環状に交互に配置され、両者は軸方向に伸びる中間部片で接続されている。エキスパンダは、２本のレールの間に挿入されず、エキスパンダの外周に設けられた上下一対のテーパ面により上下のレールを内周側から押圧してレールをシリンダ内周面に接触させている。エキスパンダが上下のレール間に挿入されないため、オイルリングの軸方向の幅を小さくすることができる。

特許文献３には、断面略横倒しＴ字型鋼材から形成される薄幅３ピースオイルリングのスペーサエキスパンダが報告されている。このスペーサエキスパンダは、外周側肥大部の上下にサイドレール支承面を形成し、内周側端面を交互に上下に折り曲げてサイドレールを押圧する上下のパッドを形成している。パッド部は、塑性加工により曲げ成形したもので肉厚が薄くて剛性が低く、変位の自由度が大きいため、パッド部の弾性によりサイドレールをシリンダ内周面に押圧する追従性に優れ、従来のオイルリングに比べ低張力でも高いシール性を維持することができる。

さらに、特許文献４は、外周側が厚く、内周側が薄い型鋼材の原板の内周側と外周側から交互にスリットを切り込み、外周側スリットを挟む外周側部分及び内周側スリットを挟む内周側部分を交互に上下に折り曲げ、外周側を向く面でサイドレールを支える薄幅３ピースオイルリングのスペーサエキスパンダを開示している。このスペーサエキスパンダは、内周側部分の剛性が高く、弾性変形しやすいため、サイドレールをシリンダ内周面の凹凸に対して確実に追従させることを可能にしている。

「内燃機関−小径ピストンリング−第１３部：スチール組合せオイルコントロールリング」、ＪＩＳ Ｂ ８０３２−１３、平成１０年１２月２０日制定、ｐ．１−１４ 特開平６−８１９５０号 特開平４−３００４６７号 特開平５−８７２４０号 特開平５−１０６７３４号

特許文献１に示すような組合せオイルリングでは、サイドレールの内周面がスペーサエキスパンダの耳部に接するように組合され、オイルリングの組合せ時の軸方向幅は、スペーサエキスパンダの波形の上部片と下部片を連結する連結部の軸方向幅に依存する。従って、スペーサエキスパンダの連結部の軸方向幅を小さくすることができれば、スペーサエキスパンダとサイドレールを組み合わせたときの軸方向幅を小さくすることが可能である。しかし、従来のスペーサエキスパンダでは、ギア加工により波形形状を作製するため、製造上、連結部の軸方向幅を小さくすることは難しく、組合せ時の軸方向幅を小さくすることに限界があった。

また、特許文献２に示すエキスパンダの形状においては、レールとエキスパンダの接触部分はレール内周面とエキスパンダのテーパ面のみであるため、シリンダ内で上下レールの外周部分の軸方向移動量を制御することが困難である。シリンダ内周面におけるレール外周面の移動量が大きいと、レール外周面とシリンダ内周面間に振動現象が生じやすくなり、薄幅化によるオイル消費低減効果が得られないばかりか、異音発生の原因となることもある。

さらに、特許文献３および４に示すような型鋼材を用いる方法では、通常鋼材自体が、高価であり、また、スペーサエキスパンダの張力を外周側及び内周側に交互に形成されるスリットの幅及び数により調整する必要があるため、加工工程が複雑で自由度が低くなる。さらに型鋼材自体の厚みや重量により薄幅化及び軽量化には限界がある。

そこで本発明は、追従性および安定性に優れ、エンジンの低燃費化に有効な軸方向薄幅組合せオイルリングのスペーサエキスパンダを簡略な工程により低コストで提供することを目的とする。

本発明は、スペーサエキスパンダとスペーサエキスパンダに支持される一対のサイドレールからなる軸方向薄幅化が可能な組合せオイルリングのスペーサエキスパンダであって、平板状金属により内周部はサイドレールを半径方向外側に押圧するようなピストン軸方向突出部が形成され、軸方向突出部に隣接する外周部分がくり抜かれており、くり抜き部分（スリット）に隣接する外周部にはサイドレールを軸方向に支持する突起部が形成されていることを特徴とする。

本発明のスペーサエキスパンダは内周側には接続部分を介して交互に軸方向上下に突出する内周部突出部分が形成され、内周部突出部分の外周側にはスリットが設けられ、接続部分は外周側に向かって伸延していることを特徴とする。好ましくは接続部分の外周側に軸方向に突出する上下支持部が形成されている。さらに、内周部突出部分の外周側にテーパ面が設けられている。

本発明のスペーサエキスパンダは帯板状金属から構成され、内周側耳部（内周部突出部分）の軸方向波形形状により張力が付与されるため、従来のように外周側に張力調整用の波形形状を形成する必要がない。そのため、組合せ軸方向幅は、上下サイドレールの軸方向幅の和とスペーサエキスパンダを構成する帯板状金属の厚さ或いはスペーサエキスパンダの外周部幅とを合わせた寸法となり、従来形状のスペーサエキスパンダを用いる場合に比べ、組合せオイルリングの軸方向幅を大幅に薄くすることができ、その結果、ピストンの小型化、軽量化を図り、エンジンの低燃費化を実現することができる。また、接続部分が外周側に伸延しているため装着性及び安定性に優れ、さらに、スペーサエキスパンダにサイドレールを支持するための上下支持部を形成することにより、より優れた安定性及び追従性が得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図1は、本発明の実施例に係る３ピースタイプの組合せオイルリングの構成を示す断面図、図２はスペーサエキスパンダの一部拡大斜視図、図３は図２のＸ−Ｘ線で切り取ったときのスペーサエキスパンダの縦断面図である。図１において、ピストン１０のオイルリング溝１２内には、オイルシールおよびオイルコントロールのために、オイルリング２０が装着される。

ピストン１０のオイルリング溝１２内に組合せオイルリング２０が取付けられたとき、一対のサイドレール３０、４０の外周面が一定の面圧でシリンダ１４の内周面に接触する。

スペーサエキスパンダ５０は、図２に示すように帯板状金属を加工したもので、その内周側に一定間隔でピストンの軸方向（以下、軸方向）に突出する複数の内周部突出部分５１を有する。内周部突出部分５１は、円弧状の突出面を上方に向けて突出させた内周部上側突出部分５２と、下方に向けて突出させた内周部下側突出部分５３を有し、これらの突出部分５２、５３が平坦な接続部分５５を介して周方向に交互に配置され、波形形状（以下、内周波形という）を形成している。

内周部上下突出部分５２、５３の外周側には矩形のスリット（空間部）５４が設けられている。接続部分５５の外周側には外周部突出部分５６が形成されている。外周部突出部分５６は、接続部分５５から軸方向に上方に突出する外周部上側突出部分５７と、軸方向に下方に突出する外周部下側突出部分５８とからなる。図２に示す例は、接続部分５５の外周側に、外周部上側突出部分５７と外周部下側突出部分５８が形成され、隣接する接続部分５５間において、上側突出部分５７と下側突出部分５８のパターンが反転され、隣接する接続部分５５を一組または一対として、複数対の接続部分５５が周方向に配置されている。上側突出部分５７と下側突出部分５８は、それぞれ平坦な突出面を含み、この面によりサイドレールを支持する。

図中では接続部分５５は平坦で外周側先端部に上下突出部分（支持部）５６が形成されているが、本発明はこのような構成には限定されない。例えば、上下支持部が形成されていない平坦な接続部分であっても外周側に伸延していれば、組合せオイルリングのピストンへの組み付け性は向上し、サイドレールの安定性も向上する。さらに、この場合の組合せ軸方向幅は、上下サイドレールの軸方向幅とスペーサエキスパンダを構成する帯板状金属の厚さを合わせた寸法となり、大幅な薄幅化が可能となる。また、上下支持部が形成されるのは外周側先端部には限られない。例えば、軸方向上下に突出する径方向の溝を接続部分５５に放射状に形成することもできる。この溝は接続部分５５の外周端から内周端まで、径方向全域に亘り形成してもよいし、径方向の一部にのみ形成してもよい。

内周部上下突出部分５２、５３の側面のうち、スリット側の側面５９、言い換えれば、サイドレールと接触する外周側側面５９には、テーパ面が形成されている。テーパ面のテーパ角θは、図３に示すように、軸方向の垂線に対する傾きであり、最適値は１０°〜３０°の範囲である。但し、本発明のスペーサエキスパンダにおいては、内周波形のみでも外周側への張力が十分付与されるため、側面をテーパ面とせず、軸方向に水平な面（θ＝０°）とすることもできる。

本実施例のスペーサエキスパンダ５０は、内周部上下突出部分５２、５３からなる内周波形により外周側への張力を付与するものであり、スリット５４が張力に及ぼす影響はわずかである。そのため、特許文献３および４に示すように内外周に交互にスリット（空間部）を形成して張力を調整する必要はなく、外周側だけにスリットを形成すれば良いため、その加工工程を簡略化することができる。勿論、本実施例のスペーサエキスパンダ５０においても内周側にスリットを形成することは可能である。

スペーサエキスパンダ５０の張力は、特に、（１）内周波形のピッチ数、（２）内周波形の軸方向幅、（３）内周波形の径方向の幅、及び（４）帯板状金属の板厚によって調整される。図４（ａ）、（ｂ）は、スペーサエキスパンダの概略平面図および概略側面図であり、これを参照して各部のサイズを説明する。

（１）内周波形のピッチ幅Ｐとは、図４に示すように、内周部上側突出部分５２または内周部下側突出部分５３の中心から次の内周部下側突出部分５３または内周部上側突出部分５２の中心までの幅である。張力の面圧ばらつきを少なくするためには内周波形のピッチ数を５０以上とするのが好ましく、７０以上とするのがさらに好ましい。ピッチ幅Ｐはこのようなピッチ数になるように設定される。通常のピッチ幅Ｐは、２．５ｍｍ〜３．５ｍｍ程度である。

（２）内周波形の軸方向幅、即ち接続部分５５を基準にしたとき、そこから内周部上側突出部分５２及び下側突出部分５３の軸方向最大値までの幅（高さ）Ｈによってもスペーサエキスパンダの張力を制御することができる。張力付与のためには、内周波形の軸方向幅Ｈを大きくすることが望ましい。但し、図１に示すように、組合せオイルリング２０をリング溝１２に組み込んだ状態で、サイドレール３０、４０の上下面が内周波形の突出面よりも突出する関係でなければならない。

（３）スペーサエキスパンダの張力は、内周波形の径方向の幅Ｄによって制御することもできる。内周波形の半径方向幅Ｄは、サイドレールの半径方向幅と、ピストンのリング溝１２の半径方向幅により適宜設計される。

（４）最適な張力を得るためには、スペーサエキスパンダを形成する帯板状金属の板厚は０．１０ｍｍ〜０．２５ｍｍであることが望ましい。０．１ｍｍ未満ではスペーサエキスパンダの強度に問題が生じる可能性があり、０．２５ｍｍを越えると充分な張力を出すことが困難となる。

本実施例のスペーサエキスパンダ５０は、図２に示すように、内周波形の上下突出部分５２、５３の突出面の形状を円弧状（Ｒ形状）としているが、必ずしもこのような形状に限らない。図６および図７に示すようにメサ形状としてもよいし、サイドレールとの摩耗、応力発生等の関係を考慮して、たとえば三角形、矩形状の突出部分にしてもよい。

再び図１を参照し、スペーサエキスパンダ５０を用いて２本のサイドレール３０、４０を組合せたオイルリング２０がオイルリング溝１２内に装着されたとき、サイドレール３０、４０はそれぞれリング溝１２の上面１６、下面１８側にそれぞれ配置される。サイドレール３０、４０の内周面が、スペーサエキスパンダ５０の内周部突出部分５２、５３のテーパ面５９に接触し、テーパ角θに応じて半径方向外側及び軸方向へ押圧される。同時に、スペーサエキスパンダ５０の外周部突出部分５７、５８が、サイドレール３０、４０に接することで、サイドレール３０、４０が軸方向に支持される。こうして、サイドレール３０、４０は、シリンダ１４の内周面のオイル掻きとオイルリング溝１２の上下面１６、１８のシールを行うことができる。

スペーサエキスパンダ５０にサイドレールを組み合わせたときの斜視図を図５に示す。組合せオイルリングの軸方向幅Ｗは、外周部突出部分５６の突出高さ（上側突出部５７の上端から下側突出部分５８の下端までの高さ）と、サイドレール３０、４０（サイドレール２枚分）の軸方向幅の和となり、組合せオイルリングの軸方向幅を非常に薄くすることができる。

外周部突出部分５６の突出高さにより組合せオイルリング２０の軸方向幅Ｗが決定される。外周部突出部分５６の突出高さは２０μm〜１２０μmが望ましい。２０μm未満ではオイルの流通路が小さすぎて、スティックを発生しやすくなり、１２０μmを越えるとレール軸方向移動量が大きくなり異音が発生しやすくなるためである。

上述したように、スペーサエキスパンダ５０は内周波形により張力を調整しているため、外周側のスリット５４（空間部）の形状・寸法は、強度、軽量化等の観点のみから設計することができ、その自由度が大きい。図２に示すスペーサエキスパンダのスリット５４の形状は矩形であるが、矩形以外の形状であってもよい。例えば、図６及び図７に示すように、スリット５４ａの形状を略Ｔ字型とすることで、内周側では周方向の幅を広くして、外周側では周方向の幅を狭くすることもできる。このような形状にすることにより、スペーサエキスパンダを軽量化しつつ、外周側においてはサイドレールとの接触面積を確保し、サイドレールの軸方向移動を制御し安定したシール特性を得ることができる。

さらに、図２に示す例では、外周部上側突出部分５７と外周部下側突出部分５８の一組が、接続部分５５の外周端部に形成されたが、必ずしもこのような配列に限らない。例えば、図７に示すように、接続部分５５ａの外周端部には、上側突出部分５７とその両側に２つの下側突出部分５８が形成され、接続部分５５ａに隣接する接続部分５５ｂの外周端部には、下側突出部分５８とその両側に２つの上側突出部分５７が形成され、このような接続部分５５ａ、５５ｂを一対とする接続部分が周方向に配列されてもよい。

外周部突出部分５７、５８の形状は、サイドレールとの接触面積を確保するため、平坦な面を有することが望ましいが、これ以外の湾曲形状等を用いることも可能である。

次に、本発明に係るスペーサエキスパンダと、従来のスペーサエキスパンダとを用いた組合せオイルリングの性能を対比する。

比較例として、板厚０．２ｍｍの帯板金属を用いギア加工により外周側連結部分が波形形状に形成されている従来のスペーサエキスパンダを成形した。ここで、ピッチ幅２．５ｍｍ、ピッチ数９１、軸方向幅２．０ｍｍ、径方向幅２．２ｍｍとした。このスペーサエキスパンダと半径方向長さ１．９３ｍｍ、軸方向幅０．３ｍｍのサイドレール２枚を組み合わせた。得られた組合せオイルリングは、張力１０Ｎ、リング呼び径７５.０ｍｍ、組合せ半径方向長さ２．５５ｍｍ、組合せ軸方向幅２．０ｍｍであった。

実施例として、板厚０．２ｍｍの帯板金属を用いてプレス加工により、図２に示すスペーサエキスパンダを形成した。ここで、ピッチ幅３．０ｍｍ、ピッチ数７８、軸方向幅０．８９ｍｍ、径方向幅２．４５ｍｍとした。このスペーサエキスパンダに比較例と同様のレール２枚を組み合わせた。得られた組合せオイルリングの張力１０Ｎ、リング呼び径７５.０ｍｍ、組合せ半径方向長さ２．５５ｍｍ、組合せ軸方向幅１．０ｍｍであった。

エンジン性能テストとして、比較例と実施例の組合せオイルリングを用いて、排気量１９８８cc、直列４気筒、ガソリンエンジンにおいて回転数６０００rpm全負荷、水温（出口）９０℃、油温１００℃として１００時間運転を行った。

図８にエンジン運転終了後のオイル消費量を示す。実施例のスペーサエキスパンダを用いると測定３回の平均値が２８．３(ｇ/Ｈｒ)となり、比較例のスペーサエキスパンダを用いた場合の測定３回の平均値３４．３(ｇ/Ｈｒ)よりオイル消費量が１７．５％低減した。また、実施例の組合せオイルリングを用いた場合にも比較例と同様、レール外周面とシリンダ内周面間の振動現象による異音発生は生じなかった。

以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

本発明によれば、安定した追従性を保ちながら、組合せオイルリングを軸方向に薄幅化することができる。この結果、ピストンの小型化、軽量化を図り、燃費効率の良い内燃機関エンジン用の組合せオイルリングを提供することができる。

本発明の実施例に係る組合せオイルリングの断面構成を示す図である。 図１のスペーサエキスパンダの一部拡大斜視図である。 図２に示すスペーサエキスパンダをＸ−Ｘ線で切断したときの断面図である。 スペーサエキスバンダの各部を説明するための概略平面図および概略側面図である。 スペーサエキスパンダとサイドレールとを組み合わせたときの斜視図である。 スペーサエキスパンダの変形例を示す図である。 スペーサエキスパンダの他の変形例を示す図である。 オイル消費性能テストの比較を示す図である。 従来のオイルリングの一例を示す断面図である。

符号の説明

１０ ピストン １２ オイルリング溝
１４ シリンダ １６ 上面
１８ 下面 ３０、４０ サイドレール
５０ スペーサエキスパンダ ５１ 外周部突出部分
５２ 外周部上側突出部分 ５３ 外周部下側突出部分
５４ スリット ５５ 接続部分
５６ 内周部突出部分 ５７ 内周部上側突出部分
５８ 内周部下側突出部分 ５９ テーパ面

Claims (2)

1. 内周側には接続部分を介して交互に軸方向上下に突出する内周部突出部分が形成され、当該内周部突出部分の外周側にテーパ面およびスリットが設けられ、前記接続部分は外周側に向かって伸延していることを特徴とするスペーサエキスパンダ。
2. 前記接続部分の外周側に軸方向に突出する上下支持部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のスペーサエキスパンダ。

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