JP2002039384A

JP2002039384A - ピストンリング

Info

Publication number: JP2002039384A
Application number: JP2000229310A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Kanemitsu; 圭一金光
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2002-02-06

Abstract

(57)【要約】【課題】過酷な出力条件で動作するピストンリングの
バレル状摺働面において、表面処理層のクラックや剥離
が生じないピストンリングの提供。【解決手段】外周バレル面形状の摺働面４と、エンジ
ン燃焼室側に対向する上面５と、エンジンクランクケー
ス側に対向する下面６とを備え、摺働面と上面及び下面
との角部が除去された形状のコーナー部４Ｂを有するピ
ストンリングであり、コーナー部４Ｂは、半径が０．０
５ｍｍ以上でバレル部４Ａの半径よりは小さい曲面形状
をなす。またコーナー部とバレル部とは稜線部が存在す
ることなく連続的につながって形成される。バレル部と
コーナー部は窒化層又はＰＶＤ層又は両者の層にて形成
され、コーナー部の窒化層やＰＶＤ層の厚さは、バレル
面の窒化層やＰＶＤ層の厚さの１／２以下である。

Description

【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、
特に外周がバレル面形状をなす摺働面を備えるピストン
リングに関する。

【０００２】

【従来の技術】ピストンは、クランクシャフトの回転運
動により、ピストンロッドを介してシリンダ軸方向に対
して斜めの力を受ける。よって、ピストンに装着された
ピストンリングがシリンダに対して摺働するときも、シ
リンダ軸方向に対して斜めの力が作用することになる。
以上を考慮し、図７に示されるようにピストンリング１
０１の外周摺働面１０４は、シリンダとの摺働関係を良
好にするために、ラッピング等によりバレル面形状に研
磨加工されている。即ち、ピストンリングの軸方向中央
部の外径が最大で、ピストンリングのエンジン燃焼室側
に対向する上面１０５に向って、及び、ピストンリング
のエンジンクランクケース側に対向する下面１０６に向
って徐々に外径が減少するバレル形状をなす。更に、最
大外径部がピストンリングの軸方向中央部からずれた場
所にある偏心バレル形状のピストンリングもある。

【０００３】ここで、バレル形状の端縁部即ちバレル面
１０４Ａと上面１０５及び下面１０６とが交差する部分
が、シリンダに対してかじり等の摺働上の悪影響を与え
ないようにするために、この交差部分を平面状に面取り
加工したコーナー部１０４Ｂとし、交差部分をより鈍角
に形成することが一般に行われている。

【０００４】また、ピストンリング母材を製造するため
に、断面長方形のスチール線材を用いて、曲げ加工する
方法がある。ここでスチール線材の製造には、引抜き加
工や圧延加工が行われるが、これらの加工を容易にする
ために、引抜き後又は圧延後の線材の断面は四角形では
なく、図８に示されるように線材２００の４隅の角部２
０４が鈍角化された形状をなしている。そしてこの線材
２００を曲げ加工してリング形状とし、外周面相当部を
研磨加工して、バレル面が形成される。

【０００５】更に高回転、高出力エンジン用のピストン
リングは、外周面の耐摩耗性や耐スカッフィング性を高
めるために、一般にバレル状摺働面には表面処理層、例
えば窒化層１０７又はＰＶＤ層又は両方の層が形成され
る。これらの表面処理を行うためには、ピストンリング
母材を洗浄する必要があるが、バレル面加工の際に生じ
たスラッジ状の加工滓やオイルがバレル面端部に残留す
る傾向があるので、上述した面取り加工は、これら残滓
を除去できる点でも有利である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来のピストン
リング１０１では、図７に示されるように、平面状のコ
ーナー部１０４Ｂとバレル面１０４Ａとの境界は、鈍角
を形成し依然として稜線のような不連続なエッジ部１０
４Ｃが存在する。このようなリングを過酷な高温、高圧
力条件で動作させると、このエッジ部１０４Ｃにおいて
窒化層やＰＶＤ層が剥離したり、エッジ部１０４Ｃがク
ラック発生の起点となり、窒化層１０７やＰＶＤ層内を
クラックが伝播して、ピストンリングの欠損が生じるこ
とが判明した。

【０００７】そこで本発明は、過酷な出力条件で動作す
るピストンリングのバレル状摺働面において、表面処理
層のクラックや剥離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。

【０００８】

【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、外周バレル面形状の摺働面と、エンジン
燃焼室側に対向する上面と、エンジンクランクケース側
に対向する下面とを備え、該摺働面と該上面との角部及
び該摺働面と該下面との角部が除去された形状のコーナ
ー部を有するピストンリングにおいて、該コーナー部
は、半径が０．０５ｍｍ以上でバレル面半径よりは小さ
い曲面形状をなすと共に、該コーナー部と該バレル面と
は稜線部が存在することなく連続的につながって形成さ
れているピストンリングを提供している。

【０００９】ここで、少なくとも該バレル面と該コーナ
ー部には窒化層が形成され、該コーナー部の窒化層の厚
さは、該バレル面の窒化層の厚さの１／２以下であるの
が好ましい。

【００１０】又は、該窒化層上には、ＰＶＤ層が形成さ
れ、該コーナー部のＰＶＤ層の厚さは、該バレル面のＰ
ＶＤ層の厚さの１／２以下であるのが好ましい。

【００１１】又は、少なくとも該バレル面と該コーナー
部にはＰＶＤ層が直接形成され、該コーナー部のＰＶＤ
層の厚さは、該バレル面のＰＶＤ層の厚さの１／２以下
であるのが好ましい。

【００１２】

【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乃至図３に基づき説明す
る。ピストンリング母材はスチール製であり、図１に示
されるように、断面略四角形状をなしている。この断面
形状は完全な長方形ではなく、ピストンリング母材の内
周面３側の周方向長さが、外周面４側の周方向長さより
も短く、よって上面５及び下面６が互いに平行ではな
く、上下面間の距離が半径方向内方に向って短くなるよ
うな形状をなす。なお、上面５はエンジン燃焼室側に対
向し、下面６は、エンジンクランクケース側に対向する
面である。このような形状のピストンリング１は、一般
にキーストンリングと称される。

【００１３】ピストンリング１の外周面４は、ピストン
リングの軸方向中央部又は略中央部の外径が最大で、ピ
ストンリングの上面５に向って、及びピストンリングの
下面に向って徐々に外径が減少するバレル形状をなすバ
レル部４Ａを有する。また、バレル部４Ａの端部と上面
５及び下面６とが交差するコーナー部４Ｂは、図２に示
されるようにバレル部半径Ｒよりは半径Ｒ１の小さい曲
面形状をなすと共に、コーナー部４Ｂとバレル部４Ａと
は稜線部（エッジ部）が存在することなく互いに連続的
につながって形成されている。

【００１４】以上のピストンリング母材２には窒化層７
が形成される。ここで窒化層７は、ピストンリング母材
２の全面に形成されると共に、コーナー部４Ｂの窒化層
７の厚さｔ１は、バレル部４Ａの窒化層の厚さｔ２の１
／２以下である。厚さが１／２を越えると、窒化層７に
内在する応力を十分に減少させることができず、コーナ
ー部４Ｂの窒化層に過大な負荷が作用して、窒化層が十
分な疲労強度を備えなくなるから、それを避けるためで
ある。

【００１５】また窒化層形成後のコーナー部４Ｂは、半
径が０．０５ｍｍ以上でバレル部半径Ｒよりは小さい曲
面形状をなすと共に、コーナー部４Ｂとバレル部４Ａと
は稜線部が存在することなく連続的につながって形成さ
れている。コーナー部の半径を０．５ｍｍ以上としたの
は、この値未満では、バレル部との境界が不連続とな
り、エッジが存在する可能性があるからである。

【００１６】以上の構成のピストンリングの製造に際し
ては、ピストンリング母材の外周摺働面をラッピングな
どによって外周面全面をバレル面形状に研磨する。なお
このとき、コーナー部相当部を更に曲面形状に研磨し
て、コーナー部相当部の半径をバレル面の半径よりも小
さい曲面形状をなすと共に、コーナー部相当部とバレル
面とは稜線部（エッジ部）が存在することなく互いに連
続的につながるような形状としてもよい。

【００１７】次に、ピストンリング母材２全面に窒化処
理７を施し、母材全周に均等厚さの窒化層を形成した
後、図３に示されるようなピストンリングの最終外周形
状に倣う砥石８を用いて、ピストンリングの外周面を研
磨する。図１に示されるように、研磨により、コーナー
部４Ｂの窒化層７の厚さｔ１をバレル部４Ａの窒化層７
の厚さｔ２の１／２以下とすると共に、図２に示される
ように、コーナー部４Ｂの半径Ｒ１が０．０５ｍｍ以上
でバレル部４Ａの半径Ｒよりは小さい曲面形状をなすと
共に、コーナー部４Ｂとバレル部４Ａとの境界には稜線
部が存在することなく連続的につながった形状が得られ
る。

【００１８】以上の構成によれば、コーナー部４Ｂとバ
レル部４Ａとは連続的につながって形成されており両者
の境界部において稜線のようなエッジ部が存在しないの
で、コーナー部４Ｂとバレル部４Ａとの境界が、窒化層
７の亀裂発生の起点とはなりえず、窒化層７に欠けが発
生する可能性を減少させることができる。また、コーナ
ー部４Ｂの窒化層７の厚さをバレル部４Ａの厚さの１／
２以下としているので、窒化層７に十分な疲労強度を具
備させることができる。

【００１９】本発明の第２の実施の形態によるピストン
リング１１について図４に基づき説明する。第２の実施
の形態もキーストンリングに係わり、ピストンリング母
材１２の外周摺働面（バレル部及びコーナー部）に、窒
化層に代えてＰＶＤ層１９を設けている。第２の実施の
形態においては、ピストンリング１１の上面１５と下面
１６と内周面１３とには、厚さ一様の窒化層１７が形成
される。そして、バレル部１４Ａとコーナー部１４Ｂに
はＰＶＤ層１９が形成される。ここでＰＶＤ層１９の外
周面は、バレル面形状をなすと共に、コーナー部１４Ｂ
の半径は０．０５ｍｍ以上であってバレル部１４Ａの半
径よりも小さい曲面形状をなすと共に、コーナー部１４
Ｂとバレル部１４Ａとは稜線部（エッジ部）が存在する
ことなく互いに連続的につながるような形状となってい
る。またコーナー部１４ＢのＰＶＤ層１９の厚さは、バ
レル部１４ＡのＰＶＤ層１９の厚さの１／２以下であ
る。厚さが１／２を越えると、ＰＶＤ層１９に内在する
応力を十分に減少させることができず、コーナー部１４
Ｂに過大な負荷が作用して、ＰＶＤ層１９が十分な疲労
強度を備えなくなるから、それを避けるためである。

【００２０】以上の構成のピストンリングの製造に際し
ては、断面略長方形のピストンリング母材の全面に図示
せぬ窒化防止剤を塗布し、次に上面、下面、内周面相当
部を所望形状に研削する。このとき上面、下面、内周面
相当部の窒化防止剤が除去される。次に、この母材に窒
化処理を行うと、上面、下面、内周面に窒化層が形成さ
れる。次に、ピストンリング母材の外周摺働面をラッピ
ングなどによって外周面全面をバレル面形状に研磨する
と共に、コーナー部を更に曲面形状に研磨して、コーナ
ー部の半径をバレル面の半径よりも小さい曲面形状をな
すと共に、コーナー部とバレル面とは稜線部（エッジ
部）が存在することなく互いに連続的につながるような
形状とする。最後に、バレル面とコーナー部にＰＶＤ層
を形成する。この場合、多数のピストンリング母材を軸
方向に同軸的にそろえ、外周面がそろっている状態で成
膜がなされる。ここで成膜には方向性があるので、ＰＶ
Ｄ層はコーナー部には薄く、バレル部には厚く形成され
る。

【００２１】第２の実施の形態においても、コーナー部
１４Ｂとバレル部１４Ａとは連続的につながって形成さ
れており、両者の境界部において稜線のようなエッジ部
が存在しないので、コーナー部１４Ｂとバレル部１４Ａ
との境界が、ＰＶＤ層１９の亀裂発生の起点とはなりえ
ず、ＰＶＤ層１９に欠けが発生する可能性を減少させる
ことができる。また、コーナー部１ＢのＰＶＤ層１９の
厚さをバレル部１４Ａの厚さの１／２以下としているの
で、ＰＶＤ層成膜時に、ＰＶＤ層１９内に内在する応力
を低減でき、ＰＶＤ層に十分な疲労強度を具備させるこ
とができる。

【００２２】図５は、本発明によるピストンリングにお
いて、コーナー部とバレル部の窒化層の厚さの比及びコ
ーナー部の半径を変えた場合の耐折損指数を示すグラフ
であり、図６は、生産性指数を示すグラフである。また
試料１は比較例である。試料１〜４におけるコーナー部
とバレル部の窒化層の厚さの比（ｔ２／ｔ１）及びコー
ナー部の半径Ｒ１を表１に示す。なお試料４は、バレル
部及びコーナー部の窒化層を完全に除去した場合であ
り、第２の実施の形態におけるＰＶＤ層成膜前の状態で
ある。図３に示されるような砥石を用い、その研削量を
変更することにより、試料１〜４におけるコーナー部と
バレル部の窒化層の厚さの比（ｔ２／ｔ１）が得られ
る。

【００２３】表１ｔ２／ｔ１Ｒ１（ｍｍ）試料１２／３０．０５試料２１／２０．３０試料３１／３０．３０試料４０／１０．３０

【００２４】以上の試料１〜４を多数製造し、疲労強度
試験機にセットして耐折損指数を得た。試料２〜４は試
料１に比較して、耐折損指数が大幅に向上したことが判
った。

【００２５】また、以上の試料１〜４について、完成品
として良品となった良品率を意味する生産性指数を調べ
た。生産性指数につても、試料２〜４は試料１に比較し
て、大幅に向上していることが判った。

【００２６】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
の形態では、ピストンリングの外周面側に窒化層７のみ
が形成されており、第２の実施の形態では、ＰＶＤ層１
９のみが形成されているが、窒化層をまず形成し、その
上にＰＶＤ層を形成してもよい。この場合、コーナー部
の窒化層の厚さは、バレル面の窒化層の厚さの１／２以
下とし、窒化層上のＰＶＤ層のコーナー部の厚さは、バ
レル面のＰＶＤ層の厚さの１／２以下とする。そのこと
により、窒化層及びＰＶＤ層の両方についての疲労強度
を確保することができる。

【００２７】

【発明の効果】請求項１記載のピストンリングによれ
ば、コーナー部はその半径が０．０５ｍｍ以上でバレ
ル面半径よりは小さい曲面形状をなすと共に、コーナー
部とバレル面とは稜線部が存在することなく連続的につ
ながって形成されているので、コーナー部とバレル部と
の境界が、窒化層やＰＶＤ層の亀裂発生の起点とはなり
えず、層内に欠けが発生する可能性を減少させることが
できる。

【００２８】請求項２記載のピストンリングによれば、
少なくともバレル面とコーナー部に窒化層が形成され、
コーナー部の窒化層の厚さは、バレル面の窒化層の厚さ
の１／２以下としたので、窒化層に十分な疲労強度を具
備させることができる。請求項３記載のピストンリング
によれば、窒化層上には、ＰＶＤ層が形成され、コーナ
ー部のＰＶＤ層の厚さを、バレル面のＰＶＤ層の厚さの
１／２以下としたので、窒化層のみならず、ＰＶＤ層に
も十分な疲労強度を具備させることができる。

【００２９】請求項４記載のピストンリングによれば、
少なくともバレル面とコーナー部にＰＶＤ層が直接形成
され、コーナー部のＰＶＤ層の厚さを、バレル面のＰＶ
Ｄ層の厚さの１／２以下としたので、ＰＶＤ層に十分な
疲労強度を具備させることができる。

【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
グを示す断面図。

【図２】本発明の第１の実施の形態によるピストンリン
グのバレル部及びコーナー部を示す説明図。

【図３】本発明の第１の実施の形態によるピストンリン
グを製造する過程を示す断面図。

【図４】本発明の第２の実施の形態によるピストンリン
グを示す断面図。

【図５】本発明の第１の実施の形態によるピストンリン
グにおいて、コーナー部とバレル部の窒化層の厚さの比
及びコーナー部の半径を変えた場合及び比較例の耐折損
指数を示すグラフ。

【図６】本発明の第１の実施の形態によるピストンリン
グにおいて、コーナー部とバレル部の窒化層の厚さの比
及びコーナー部の半径を変えた場合及び比較例の生産性
指数を示すグラフ。

【図７】バレル部とコーナー部との境界に稜線部（エッ
ジ部）が存在する従来のピストンリングを示す断面図。

【図８】従来のピストンリング用線材を示す断面図。

【符号の説明】

１、１１ピストンリング４Ａ、１４Ａバレル部４Ｂ１４Ｂコーナー部５、１５上面６、１６下面７、１７窒化層１９ＰＶＤ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｃ２３Ｃ 8/24 Ｃ２３Ｃ 8/24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外周バレル面形状の摺働面と、エンジン
燃焼室側に対向する上面と、エンジンクランクケース側
に対向する下面とを備え、該摺働面と該上面との角部及
び該摺働面と該下面との角部が除去された形状のコーナ
ー部を有するピストンリングにおいて、該コーナー部は、半径が０．０５ｍｍ以上でバレル面半
径よりは小さい曲面形状をなすと共に、該コーナー部と
該バレル面とは稜線部が存在することなく連続的につな
がって形成されていることを特徴とするピストンリン
グ。
【請求項２】少なくとも該バレル面と該コーナー部に
は窒化層が形成され、該コーナー部の窒化層の厚さは、
該バレル面の窒化層の厚さの１／２以下であることを特
徴とする請求項１記載のピストンリング。
【請求項３】該窒化層上には、ＰＶＤ層が形成され、
該コーナー部のＰＶＤ層の厚さは、該バレル面のＰＶＤ
層の厚さの１／２以下であることを特徴とする請求項２
記載のピストンリング。
【請求項４】少なくとも該バレル面と該コーナー部に
はＰＶＤ層が直接形成され、該コーナー部のＰＶＤ層の
厚さは、該バレル面のＰＶＤ層の厚さの１／２以下であ
ることを特徴とする請求項１記載のピストンリング。