JP4101105B2 - オイルリング及びその製造方法並びにそれを用いたピストン構造 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に使用されるオイルリングに関し、詳しくは２ピースオイルリングの摺動面の形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境保護の一貫として、自動車の燃費向上や排気ガス浄化が強く求められている。そのため内燃機関各部の摩擦力（フリクション）低減やエンジンオイル消費量の低減は重要な課題となっており、これらの課題を解決するうえでピストンリングの果たす役割は大きい。ピストンリングの設計においては、摩擦力低減のためのピストンリングの低張力化やオイル消費改善のためのピストンリングの薄幅化が注目されている。薄幅化は、ピストンリングの断面係数（Ｚ）を小さくし、シリンダ壁への追従性を向上させることによりオイル消費を改善する。
【０００３】
内燃機関における一般的なピストンリングの断面構成を図８に示す。同図（ａ）は、３ピースタイプのオイルリングを装着したピストン構造の断面を示し、同図（ｂ）は２ピースタイプのオイルリングを装着したピストン構造の断面を示し、同図（ｃ）は２ピースタイプのオイルリングの断面を示す。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１組の組合せオイルリング２２０または２３０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。
【０００４】
同図（ａ）に示す組合せオイルリング２２０は、一般に、軸方向上下一対のサイドレール２２２と、その間に組み合わされ、サイドレール２２２の内周側から押圧し、サイドレール２２２に張力を発生させるスペーサエキスパンダ２２４とを含む３ピースから構成される。また同図（ｂ）および（ｃ）に示す組合せオイルリング２３０は、軸方向上下に一対のレール部２３２を備えたオイルリング本体２３４と、その内周側に組み合わされて、オイルリング本体２３４を押圧し張力を発生させるコイルエキスパンダ２３６とを含む２ピースから構成される。
【０００５】
３ピースタイプのオイルリングに関して、例えば非特許文献１の３〜５頁に、各部の形状等が記載されている。また、２ピースタイプのオイルリングに関して、例えば非特許文献２の２〜１１頁に、２ピースタイプの複数の種類について、それらの各部の形状等が記載されている。
【０００６】
一般に、３ピースタイプのサイドレール摺動面２２２の形状としては、図９（ａ）に示すようなバレル状又は略半円形状のものが使用され（図中の数値の単位はｍｍ）、２ピースタイプのレール部の摺動面２３２の形状としては、図９（ｂ）に示すような平面状のものが使用されている。その理由は、次のように説明されている。
【０００７】
３ピースタイプのサイドレール２２２は、サイドレールを押圧するスペーサエキスパンダ２２４の耳部２２４ａの角度により、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。よって、サイドレール２２２はシリンダ壁面及びリング溝上下面においてシール機能を発揮する。一方、２ピースタイプでは、コイルエキスパンダ２３６の押圧方向は半径方向のみなので、リング溝上下面におけるシール機能は十分ではない。よって、摺動面におけるオイル掻き性能を重視し、オイルが流入し難くまた油膜が厚くならないように、摺動面エッジ部を鋭角に仕上げることが行われてきた。
【０００８】
また、３ピースタイプの上下のサイドレール２２２は、それぞれ独立した挙動が可能で、リング溝内で軸方向に傾いた状態でも摺動するので、最初の摺動面が平面であっても、長時間運転後には摩耗した摺動面は、平面ではなく図９（ａ）のような曲率をもった面となる。これに対し、２ピースタイプのレール部２３２の摺動面は、オイルリング本体の一部として形成され、運転時もほぼ傾くことなく摺動するので図９（ｂ）のような平面となる。
【０００９】
特許文献１では、２ピースオイルリングのレール部摺動面の形状について検討され、断面が略半円形状の場合はシリンダ内壁との摺動によって摩耗してくると接触面積が増大して面圧が減少するという問題が起こるので、摩耗しても面圧が変化しないような平面状摺動面を提案している。
【００１０】
【非特許文献１】
「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
【非特許文献２】
「内燃機関−小径ピストンリング−第12部：コイルエキスパンダ付き組合せオイルコントロールリング」、ＪＩＳ Ｂ ８０３２−１２、平成１０年１２月２０日制定、ｐ．１−４３
【特許文献１】
実開平５−８７３６６号
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、３ピースタイプと２ピースタイプのオイルリングに関して、ガソリンエンジンの摺動摩擦力について同一張力条件で測定、比較した最近の研究では、２ピースタイプの摩擦力が３ピースタイプのそれに比べ高いことが確認されている。すなわち、２ピースタイプのオイルリングにおいては、摩擦力の低減がより強く求められている。ここで、摩擦力が低減されるとオイル消費が増大する問題もあるので、オイル消費についても同時に考慮した対策が必要である。
【００１２】
そこで本発明は、オイル消費を増大させることなく、すなわち、オイルシール機能を損なわずに摩擦力低減機能に優れたオイルリングを提供することを目的とする。
さらに本発明は、レール部の外周摺動面を改良し、オイルシール機能および摩擦力低減機能に優れた２ピースオイルリングを提供することを目的とする。
さらに本発明は、オイルシール機能を損なわずに摩擦力低減機能に優れたオイルリングの製造方法を提供することを目的とする。
さらに本発明は、オイルシール機能および摩擦力低減機能に優れたオイルリングを用いたピストン構造を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
２ピースタイプの摩擦力が３ピースタイプのそれに比べ高いことの理由は、３ピースタイプのサイドレール摺動面の形状がシリンダとの摺動において油膜を形成しやすい略半円形状であるのに対し、２ピースタイプのレール部摺動面は油膜を形成し難い平面状であることによる。よって、２ピースタイプでは、内燃機関の燃焼各行程における流体潤滑領域が３ピースタイプに比べ狭く（少なく）なり、トータルの摩擦力が高くなるものと推測される。
【００１４】
そこで、本発明者等は、２ピースタイプのオイルリングにおいてレール部摺動面が油膜を形成しやすい形状について鋭意研究した結果、レール部摺動面の両端に微小な曲面を形成することにより、オイルシール機能を損なわない範囲で摩擦力低減機能を改善できることを見いだした。
【００１５】
本発明に係る２ピースオイルリングは、以下の構成を有する。すなわち、軸方向上下に形成された一対のレール部および合口を有する円環状のオイルリング本体と、該オイルリング本体の内周側に組み合わせられるコイルエキスパンダとを含むオイルリングであって、前記一対のレール部の外周摺動面は、中央に幅が０．０５ｍｍ以上の略平坦な平坦領域と、前記平坦領域の両側に延在される曲面領域とを有する。好ましくは、平坦領域が外周摺動面の３３％以上９０％未満の範囲を占める。また、本発明に係るオイルリングは、軸方向の上下に一対のレール部および合口を備えた円環状のオイルリング本体と、該オイルリング本体の内周側に組み合わせられるコイルエキスパンダとを有するオイルリングであって、該レール部の外周摺動面の半径方向に切断した断面形状の摺動領域が中央に０．０５ｍｍ以上の略直線領域と該略直線領域の両側に形成された二つの曲線領域とを有する。また、好ましくは、略直線領域が摺動領域の３３％以上９０％未満の範囲を占める。さらに詳しくいえば、曲線領域を軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大して測定したとき、略直線領域に接する曲線領域の曲率半径が３ｍｍ以上である。
【００１６】
本発明においては、レール部外周摺動面の両端部を曲面にすることにより楔効果を活用して摺動面にオイルを導入し易くし、且つ非常に薄い油膜とすることによりオイル導入部においても摺動油圧が発生しやすいような構成としている。それによって、摩擦力を低減することができる。外周摺動面の中央に０．０５ｍｍ以上の略直線領域を持たせるのは、略直線領域が０．０５ｍｍ未満であると面圧が高くなりすぎて摩擦力の低減が得られないからである。別の表現をすれば、略直線領域が摺動領域の３３％未満であると同様の理由により摩擦力の低減が得られない。また、略直線領域が摺動領域の９０％以上であると、曲線領域が短すぎて摩擦力の低減が得られない。
【００１７】
曲線領域を軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大して測定もしくは観察したとき、略直線領域に接する曲線領域の曲率半径が３ｍｍ以上であればオイル導入部において摺動油圧が発生することにより摩擦力の低減が得られるが、曲線領域の曲率半径が３ｍｍ未満であればオイル導入部に摺動油圧が発生しにくく摩擦力の低減が得られない。好ましくは、略直線領域に接する曲線領域の曲率半径を５ｍｍ以上とする。
【００１８】
これらは、軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大して測定もしくは観察したときの曲線領域の形状についての特徴だが、別の表現を用いれば、略直線領域を曲線領域方向に延長した仮想直線Ｌに対する曲線領域の後退量Ｍが、軸方向距離１５μｍ以上にわたって、１．５μｍ以下である。曲線領域の後退量Ｍが軸方向距離１５μｍ未満であるうちに１．５μｍを超えるようであれば、オイル導入部に摺動油圧が発生しにくく摩擦力の低減が得られない。好ましくは、略直線領域を曲線領域方向に延長した仮想直線に対する曲線領域の後退量Ｍを、軸方向距離５０μｍ以上にわたって、５μｍ以下とする。
【００１９】
本発明に係るオイルリングの製造方法は、以下のステップを有する。複数のオイルリング本体と該オイルリング本体より小径のリング状スペーサーを交互に重ね、該オイルリング本体の外周が真円となるように治具を用いて整列、拘束させるステップと、複数のオイルリング本体の外周摺動面を、表面に硬質粒子を含むフィルムを介して弾性部材にて押圧するとともに、整列させたオイルリング本体を回転させて、前記外周摺動面に略平坦な平坦領域と該平坦領域の両側に延在される曲面領域とを形成するステップとを有する。
【００２０】
好ましくは、弾性部材はウレタンゴムを含む。また、硬質粒子はアルミナ粒子又は炭化珪素粒子を含む。さらに好ましくは、整列させたオイルリング本体をその軸方向に移動もしくは揺動させるステップを含む。
【００２１】
本発明の他の製造方法は、複数のオイルリング本体と該オイルリング本体より小径のリング状スペーサーを交互に重ね、該オイルリング本体の外周が真円となるように治具を用いて整列、拘束させるステップと、整列させたオイルリング本体を回転させ、バフ又は弾性砥石を用いて複数のオイルリング本体の外周摺動面に略平坦な平坦領域と該平坦領域の両側に延在される曲面領域とを形成するステップとを有する。
【００２２】
好ましくは、バフまたは弾性砥石を回転させることにより、外周摺動面の形状加工を行う。また、バフまたは弾性砥石の回転方向は、治具の回転方向と直交するものであってよい。あるいは、バフまたは弾性砥石の回転方向は、治具の回転方向と平行であるものでもよい。
【００２３】
本発明に係るピストン構造は、上記したような特徴を有するオイルリングと、少なくともオイルリングを収容するためのリング溝が形成されたピストンと、ピストンが往復動される空間が形成されたシリンダとを有する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１に本発明の実施の形態に係る２ピースオイルリング本体に形成された一対のレール部の外周摺動面を半径方向に切断したときの断面図を示す。図１（ａ）は２ピースオイルリング全体の断面図、図１（ｂ）はＡ部を軸方向及び半径方向に等倍したときの拡大図、図１（ｃ）はＡ部を軸方向２００倍、半径方向２０００倍に変倍したときの拡大図、図１（ｄ）はＢ部の等倍拡大図である。
【００２５】
本実施の形態に係るオイルリング１は、軸方向上下に形成された一対のレール部１２および合口（図中省略）を含むオイルリング本体１０と、オイルリング本体１０の内周側に組み合わせられるコイルエキスパンダ２０とを有する。オイルリング本体１０のレール部１２の外周摺動領域は、図１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）において“ｆ”で示される。本発明のオイルリング本体１０は、その外周摺動領域ｆに、中央の略直線領域ｆ１と、略直線領域ｆ１の両側に形成された二つの曲線領域ｆ２を有することを特徴としている。図１（ｂ）に示すＢ部は、略直線領域ｆ１の一部とここから延在する曲線領域ｆ２を示している。
【００２６】
曲線領域ｆ２を、形状測定器等により軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大して表すと、図１（ｃ）のように曲線領域ｆ２の曲率半径ｒを比較的容易に測定することができる。本発明においては、曲線領域ｆ２の特定方法の一つとして、軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大したときの曲線領域の曲率半径で特定し、該曲率半径をｒと定義する。すなわち、曲線領域ｆ２は、曲率半径ｒによって規定される面をもつと定義される。また、別の特定方法としては、図１（ｄ）に示すように、直線領域ｆ１を曲線領域ｆ２方向に延長した仮想直線Ｌに対する曲線領域の後退量Ｍを、曲線領域の軸方向距離ｆ２＝(ｆ-ｆ１)／２との関係で特定する。図１（ｄ）において、曲線領域ｆ２の有効範囲は、略直線領域ｆ１に接する点Ｅに始まり点Ｊで終わる領域であるが、図１（ｃ）の軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大したときに現れない点Ｋまでの領域も存在する。しかし、これらＪＫ間の領域は仮想直線Ｌに対する後退量Ｍも大きくなりフリクション低減にはほとんど影響しない領域である。図からも明らかなように、点Ｊは、図１（ｃ）の軸方向２００倍、半径方向２０００倍したときの外周摺動領域ｆで規定される長さに対応する位置であり、点Ｋは、軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大しない場合の仮想直線Ｌ上の外周摺動領域ｆの点Ｊに対応する端点からレール部側面に接線を引いたときの接点の位置である。
【００２７】
このように、オイルリング本体１０のレール部１２の外周摺動面ｆに、中央の平坦な面の領域ｆ１と、この両側に延在する曲面領域ｆ２とを形成することにより、後述するように、オイル消費を増大させることなく、シリンダ内壁との間の摩擦力を低減することができる。
【００２８】
図２は、本発明の実施の形態に係る２ピースオイルリングの製造方法を模式的に示したものである。なお、集団化したオイルリング本体の上半分の断面構造を表している。オイルリング加工装置３０は、治具４０を含み、治具４０の一端は回転装置４２に接続され、その他端が軸受け４４によって支持され、回転装置４２により治具４０が回転される構成となっている。
【００２９】
治具４０上に、複数のオイルリング本体１０とオイルリング本体より小径のリング状スペーサー１４（当業者においては、ディスタンスカラーとも呼ばれている）を交互に重ねて、オイルリング本体１０の外周が真円となるように絞った状態に合口を拘束する。このように外周を整列させて取り付けることで、オイルリング本体１０を集団加工することができる。レール部１２の外周摺動面の両端部に曲線領域ｆ２を形成するには、集団化したオイルリング本体１０を回転装置４２により回転させ、集団化したオイルリング本体１０とウレタンゴム４６の間に、表面に硬質粒子を分散したフィルム４８を挟んで押圧し、研磨加工する。硬質粒子は、一般に研磨材として使用されるアルミナや炭化珪素が使用できる。
【００３０】
軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大したときの曲線領域ｆ２の曲率半径ｒ、あるいは、曲線領域の軸方向距離ｆ２＝(ｆ−ｆ１)／２）における仮想直線Ｌに対する後退量Ｍは、加工時間、硬質粒子の粒度、ウレタンゴムの硬さ、押圧力を変えることにより任意に制御することが可能である。さらに治具４０を軸方向に移動させて、集団化したオイルリング本体１０を揺動させれば、短時間で外周摺動面の加工をすることができる。また、集団化したオイルリング本体において、レール部１２間の距離Ｓ１と、スペーサー１４の幅Ｓ２（あるいはスペーサー１４を跨ぐレール部１２間の距離）を等しくすることで、各レールの外周摺動領域を対称形状に加工することができる。逆に、リング状スペーサーの幅Ｓ２を変えることにより外周摺動領域を非対称形状に加工することもできる。
【００３１】
図３は、本発明第２の実施の形態に係る２ピースオイルリングの製造方法を模式的に示したものであり、集団化したオイルリング本体の上半分の断面構造を示している。本実施の形態の加工装置は、レール部の外周摺動面の両端部に曲線領域を形成するために、バフや弾性砥石５０を用いて加工する。なお、図２と同一構成については同一参照番号を附してある。同図（ａ）では、バフまたは弾性砥石５０の回転軸が、治具４０の回転軸と直交する例を示している。この場合、バフまたは弾性砥石５０を治具４０の軸方向に移動あるいは揺動させて加工することができる。
【００３２】
図３（ｂ）では、バフまたは弾性砥石５２の回転軸と治具４０の回転軸とが平行な例を示している。この場合にも、バフまたは弾性砥石５２を、治具４０の軸方向に移動あるいは揺動させて加工することができる。
【００３３】
（実施例）
所定形状のマルテンサイト系ステンレス鋼の線材から、呼び径８６ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ２ｍｍの２ピースオイルリング本体を成形し、外周ラッピング、合口隙間研削、側面研削等の加工を施した。レール部の外周摺動面の幅（軸方向長さ）を０．１５〜０．３０ｍｍの範囲として多数のサンプルを作製した。
【００３４】
これら２ピースオイルリング本体を該オイルリング本体より小径のリング状スペーサーを交互に重ねて該オイルリング本体の外周が真円になるように絞った状態に治具を用いて両端を拘束した。このとき、集団化したオイルリング本体のレール間距離が等しくなるようにリング状スペーサーの幅を選択した。集団化したオイルリング本体を回転装置により、１５００ｒｐｍで回転させ、集団化したオイルリング本体とショア硬度７０ＨＳのウレタンゴムローラーの間に表面に＃１０００のアルミナ砥粒を分散した５０ｍｍ幅のフィルムを挟み、１００Ｎの荷重で押圧して研磨加工を施し、レール部摺動領域の両端に曲線領域を形成した。このとき、一部のサンプルについては、大きな曲線領域が得られるよう、３０ｒｐｍ当たり１ｍｍ幅の揺動運動を与えた。
【００３５】
作製したサンプルの曲線領域の形状については、他に加工時間や面圧等を変えることにより、軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大したときの曲線領域の曲率半径ｒが２ｍｍ以下のもの（比較例）、３〜４ｍｍのもの及び５〜９ｍｍのもの（実施例）に分類した。ここで、曲率半径３ｍｍは、軸方向１５μｍ、半径方向１．５μｍに対応する。同様に、曲率半径５ｍｍは、軸方向５０μｍ、半径方向５μｍに対応する。また、従来技術と対比させるためレール部の摺動領域が略直線領域のみのサンプルも作製した。
【００３６】
（摺動摩擦力試験）
上記の様々なレール部摺動領域の形状についての摺動摩擦力の評価は、オイルリングのみをピストンに装着させシリンダ内を往復運動させる単体モデルによる摺動摩擦力試験機を用いて行った。図４に試験機の模式的な断面図を示す。試験機は、ボア径８６ｍｍ、ストローク４０ｍｍの単気筒で、シリンダ６０の上部を解放した無圧縮条件でピストン６２を往復運動させ、３つのピエゾ式ワッシャータイプの荷重センサ６４により摺動摩擦力を検出するものである。摺動摩擦力は、摩擦平均有効圧（ＦＭＥＰ：Friction Mean Effective Pressure）で評価した。摩擦平均有効圧は、２回転の往復運動における摩擦力の積分値を機関の排気量で除したもので圧力として表わされる。運転は、潤滑油として３０℃で６センチストークス（6 cSt/30℃）レベルの低粘度油をシリンダ上部より摺動面に十分に滴下し、回転数を６００ｒｐｍ、行程中央部のボア温度を３０℃に管理して行った。
【００３７】
図５は、同一張力条件での上記摺動摩擦力試験の結果を、レール部の外周摺動領域の略直線領域の長さｆ１と摩擦平均有効圧との関係として示したものである。従来技術におけるレール部の外周摺動領域が曲線領域を持たない略直線領域ｆ’のみのサンプルについての結果も（ｆ’をｆ１と同様、横軸にして）同時に示し、また、略直線領域の長さｆ１と摩擦平均有効圧の値は、従来技術における代表的なレール部の摺動領域寸法と摩擦平均有効圧（従来仕様）を1とし、その相対値を示している。さらに、代表的な３ピースタイプのオイルリングでの同張力時の摩擦平均有効圧比（０．７３）についても図中に破線にて示している。
【００３８】
グラフから明らかなように、本摺動摩擦力試験においても、２ピースタイプが３ピースタイプよりも摩擦力の高いことが確認されたことになる。また、レール部の外周摺動領域が曲線領域を持たない略直線領域（ｆ’）のみの摺動面形状でも摺動領域（ｆ’）を大きくすれば、摩擦力は低下して３ピースタイプと同等のレベルまで達することができる。これは摺動面の面圧が低下し油膜厚さが増加するためと考えられるが、逆にオイル消費を増加させてしまうことが予測される。
【００３９】
本発明による、軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大したときの曲線領域の曲率半径ｒが３〜４ｍｍのもの及び５〜９ｍｍのもの（実施例）では、略直線領域ｆ１の長さが従来仕様の１より小さくても略直線領域ｆ１の長さが０．０５ｍｍより大きければ、摩擦力が低くなることが確認された。これは、オイル導入部として機能する本発明による曲線領域において摺動油圧が発生することによると考えられる。軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大したときの曲線領域の曲率半径ｒが２ｍｍ以下のもの（比較例）では、略直線領域ｆ１の長さが従来仕様レベルでは摩擦力も同等であり、また略直線領域ｆ１の長さが小さければ摩擦力が高くなってしまう。
【００４０】
図６は、図５に示したデータについて、略直線領域（ｆ１又はf’）にかかる面圧を横軸にして摩擦平均有効圧との関係を示したものである。これによると、本発明による、軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大したときの曲線領域の曲率半径ｒが３〜４ｍｍのもの及び５〜９ｍｍのもの（実施例）では、従来仕様（面圧１．０）より面圧が高くても摩擦力が低くなることがわかる。
【００４１】
（オイル消費試験）
本発明による２ピースオイルリングのオイルシール機能を確認するため、２．５リットルのガソリンエンジンを用いてオイル消費試験を行った。図７に、１００ｋｍ／ｈｒ走行相当の運転条件での代表的な試験結果を示すが、本発明による２ピースオイルリングの場合、曲線領域を含んだレール部の外周摺動領域ｆが従来仕様の略直線領域f’と同じであれば、同張力の条件下で、同等のオイル消費量を示すことが確認された。同等のオイル消費が得られた理由は、レール部の摺動領域を中央の略直線領域ｆ１とその両側の曲線領域ｆ２という構成にすることにより、曲線領域のオイル導入性向上に基づくオイル消費増大作用が、中央の略直線領域の高面圧化に基づくオイル消費低減作用により相殺されたことによると推察される。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、オイルリングの本体のレール部の外周摺動領域を、その半径方向の断面で見たときに、中央に０．０５ｍｍ以上の略直線領域とその両側に形成された二つの曲線領域を形成したことにより、楔効果を活用して摺動面にオイルを導入し易くしなり、且つ非常に薄い油膜とすることによりオイル導入部においても摺動油圧が発生し易くなり、その結果、摩擦力を低減することが可能となる。また、摺動領域が従来仕様よりも大きくなければ、曲線領域のオイル導入性向上に基づくオイル消費増大作用が、中央の略直線領域の高面圧化に基づくオイル消費低減作用により相殺され、オイル消費を増大させることなく摩擦力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る２ピースオイルリングを示す図であり、同図（ａ）は２ピースオイルリング全体の断面図、同図（ｂ）はＡ部を軸方向及び半径方向に等倍したときの拡大図、同図（ｃ）はＡ部を軸方向２００倍、半径方向２０００倍に変倍したときの拡大図、同図（ｄ）はＢ部の等倍拡大図である。
【図２】第１の実施の形態に係る、ウレタンゴムを用いたフィルム研磨による２ピースオイルリング本体のレール部の外周研磨方法を説明する模式図であり、同図（亜）（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。
【図３】第２の実施の形態に係る、バフ又は弾性砥石による２ピースオイルリング本体のレール部の外周研磨方法を説明する模式図であり、同図（ａ）はオイルリング本体を取り付ける治具の回転軸とバフ又は弾性砥石の回転軸とが直交する例を示し、同図（ｂ）は治具の回転軸とバフ又は弾性砥石の回転軸とが平行な例を示す図である。
【図４】摺動摩擦力試験機の構成を示す模式図である。
【図５】摺動摩擦力試験結果を示すグラフであり、同一張力条件でのレール部の外周摺動領域の略直線領域の長さ（ｆ１又はf’）と摩擦平均有効圧との関係を示す。
【図６】摺動摩擦力試験結果を示すグラフであり、同一張力条件でのレール部の外周摺動領域の略直線領域（ｆ１又はf’）にかかる面圧と摩擦平均有効圧との関係を示す。
【図７】曲線領域を含むレール部の外周摺動領域ｆが従来仕様の略直線領域f’と同じ大きさであるときのオイル消費試験結果を示すグラフである。
【図８】従来のピストンリングが装着されたピストンがシリンダ内にあるときの状態を示す断面図であり、同図（ａ）はオイルリングが３ピースタイプの場合を示し、同図（ｂ）はオイルリングが２ピースタイプの場合を示し、同図（ｃ）は２ピースタイプのオイルリングのレール部の外周摺動面を示す。
【図９】従来のオイルリングにおける外周摺動面形状の詳細を示し、同図（ａ）は３ピースタイプのレールの外周摺動面形状を示し、同図（ｂ）は２ピースタイプのレール部の外周摺動面形状を示す。
【符号の説明】
１ ２ピースオイルリング
１０ オイルリング本体
１２ レール部
１４ リング状スペーサー
２０ コイルエキスパンダ
３０ 加工装置
４０ 治具
４２ 回転装置
４４ 軸受け
４６ ウレタンゴム
４８ ラッピングフィルム
５０ バフまたは弾性砥石
５２ バフまたは弾性砥石
６０ シリンダ
６２ ピストン
６４ 荷重センサ
ｆ 外周摺動領域
ｆ１ 略直線領域
ｆ２ 曲線領域
ｒ 曲線領域の曲率半径
ｆ’ 曲線領域を持たない従来のレール部の外周摺動領域
Ｅ 曲線領域の略直線領域と接する開始点
Ｊ 外周摺動領域を軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大したときの曲線領域の終了点
Ｋ 外周摺動領域を等倍拡大したときの曲線領域の終了点
Ｌ 外周摺動領域の略直線領域を曲線領域方向に延長した仮想直線
Ｍ 外周摺動領域の略直線領域を曲線領域方向に延長した仮想直線に対する曲線領域の後退量
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に使用されるオイルリングに関し、詳しくは２ピースオイルリングの摺動面の形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境保護の一貫として、自動車の燃費向上や排気ガス浄化が強く求められている。そのため内燃機関各部の摩擦力（フリクション）低減やエンジンオイル消費量の低減は重要な課題となっており、これらの課題を解決するうえでピストンリングの果たす役割は大きい。ピストンリングの設計においては、摩擦力低減のためのピストンリングの低張力化やオイル消費改善のためのピストンリングの薄幅化が注目されている。薄幅化は、ピストンリングの断面係数（Ｚ）を小さくし、シリンダ壁への追従性を向上させることによりオイル消費を改善する。
【０００３】
内燃機関における一般的なピストンリングの断面構成を図８に示す。同図（ａ）は、３ピースタイプのオイルリングを装着したピストン構造の断面を示し、同図（ｂ）は２ピースタイプのオイルリングを装着したピストン構造の断面を示し、同図（ｃ）は２ピースタイプのオイルリングの断面を示す。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１組の組合せオイルリング２２０または２３０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。
【０００４】
同図（ａ）に示す組合せオイルリング２２０は、一般に、軸方向上下一対のサイドレール２２２と、その間に組み合わされ、サイドレール２２２の内周側から押圧し、サイドレール２２２に張力を発生させるスペーサエキスパンダ２２４とを含む３ピースから構成される。また同図（ｂ）および（ｃ）に示す組合せオイルリング２３０は、軸方向上下に一対のレール部２３２を備えたオイルリング本体２３４と、その内周側に組み合わされて、オイルリング本体２３４を押圧し張力を発生させるコイルエキスパンダ２３６とを含む２ピースから構成される。
【０００５】
３ピースタイプのオイルリングに関して、例えば非特許文献１の３〜５頁に、各部の形状等が記載されている。また、２ピースタイプのオイルリングに関して、例えば非特許文献２の２〜１１頁に、２ピースタイプの複数の種類について、それらの各部の形状等が記載されている。
【０００６】
一般に、３ピースタイプのサイドレール摺動面２２２の形状としては、図９（ａ）に示すようなバレル状又は略半円形状のものが使用され（図中の数値の単位はｍｍ）、２ピースタイプのレール部の摺動面２３２の形状としては、図９（ｂ）に示すような平面状のものが使用されている。その理由は、次のように説明されている。
【０００７】
３ピースタイプのサイドレール２２２は、サイドレールを押圧するスペーサエキスパンダ２２４の耳部２２４ａの角度により、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。よって、サイドレール２２２はシリンダ壁面及びリング溝上下面においてシール機能を発揮する。一方、２ピースタイプでは、コイルエキスパンダ２３６の押圧方向は半径方向のみなので、リング溝上下面におけるシール機能は十分ではない。よって、摺動面におけるオイル掻き性能を重視し、オイルが流入し難くまた油膜が厚くならないように、摺動面エッジ部を鋭角に仕上げることが行われてきた。
【０００８】
また、３ピースタイプの上下のサイドレール２２２は、それぞれ独立した挙動が可能で、リング溝内で軸方向に傾いた状態でも摺動するので、最初の摺動面が平面であっても、長時間運転後には摩耗した摺動面は、平面ではなく図９（ａ）のような曲率をもった面となる。これに対し、２ピースタイプのレール部２３２の摺動面は、オイルリング本体の一部として形成され、運転時もほぼ傾くことなく摺動するので図９（ｂ）のような平面となる。
【０００９】
特許文献１では、２ピースオイルリングのレール部摺動面の形状について検討され、断面が略半円形状の場合はシリンダ内壁との摺動によって摩耗してくると接触面積が増大して面圧が減少するという問題が起こるので、摩耗しても面圧が変化しないような平面状摺動面を提案している。
【００１０】
【非特許文献１】
「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
【非特許文献２】
「内燃機関−小径ピストンリング−第12部：コイルエキスパンダ付き組合せオイルコントロールリング」、ＪＩＳ Ｂ ８０３２−１２、平成１０年１２月２０日制定、ｐ．１−４３
【特許文献１】
実開平５−８７３６６号
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、３ピースタイプと２ピースタイプのオイルリングに関して、ガソリンエンジンの摺動摩擦力について同一張力条件で測定、比較した最近の研究では、２ピースタイプの摩擦力が３ピースタイプのそれに比べ高いことが確認されている。すなわち、２ピースタイプのオイルリングにおいては、摩擦力の低減がより強く求められている。ここで、摩擦力が低減されるとオイル消費が増大する問題もあるので、オイル消費についても同時に考慮した対策が必要である。
【００１２】
そこで本発明は、オイル消費を増大させることなく、すなわち、オイルシール機能を損なわずに摩擦力低減機能に優れたオイルリングを提供することを目的とする。
さらに本発明は、レール部の外周摺動面を改良し、オイルシール機能および摩擦力低減機能に優れた２ピースオイルリングを提供することを目的とする。
さらに本発明は、オイルシール機能を損なわずに摩擦力低減機能に優れたオイルリングの製造方法を提供することを目的とする。
さらに本発明は、オイルシール機能および摩擦力低減機能に優れたオイルリングを用いたピストン構造を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
２ピースタイプの摩擦力が３ピースタイプのそれに比べ高いことの理由は、３ピースタイプのサイドレール摺動面の形状がシリンダとの摺動において油膜を形成しやすい略半円形状であるのに対し、２ピースタイプのレール部摺動面は油膜を形成し難い平面状であることによる。よって、２ピースタイプでは、内燃機関の燃焼各行程における流体潤滑領域が３ピースタイプに比べ狭く（少なく）なり、トータルの摩擦力が高くなるものと推測される。
【００１４】
そこで、本発明者等は、２ピースタイプのオイルリングにおいてレール部摺動面が油膜を形成しやすい形状について鋭意研究した結果、レール部摺動面の両端に微小な曲面を形成することにより、オイルシール機能を損なわない範囲で摩擦力低減機能を改善できることを見いだした。
【００１５】
本発明に係る２ピースオイルリングは、以下の構成を有する。すなわち、軸方向上下に形成された一対のレール部および合口を有する円環状のオイルリング本体と、該オイルリング本体の内周側に組み合わせられるコイルエキスパンダとを含むオイルリングであって、前記一対のレール部の外周摺動面は、中央に幅が０．０５ｍｍ以上の略平坦な平坦領域と、前記平坦領域の両側に延在される曲面領域とを有する。好ましくは、平坦領域が外周摺動面の３３％以上９０％未満の範囲を占める。また、本発明に係るオイルリングは、軸方向の上下に一対のレール部および合口を備えた円環状のオイルリング本体と、該オイルリング本体の内周側に組み合わせられるコイルエキスパンダとを有するオイルリングであって、該レール部の外周摺動面の半径方向に切断した断面形状の摺動領域が中央に０．０５ｍｍ以上の略直線領域と該略直線領域の両側に形成された二つの曲線領域とを有する。また、好ましくは、略直線領域が摺動領域の３３％以上９０％未満の範囲を占める。さらに詳しくいえば、曲線領域を軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大して測定したとき、略直線領域に接する曲線領域の曲率半径が３ｍｍ以上である。
【００１６】
本発明においては、レール部外周摺動面の両端部を曲面にすることにより楔効果を活用して摺動面にオイルを導入し易くし、且つ非常に薄い油膜とすることによりオイル導入部においても摺動油圧が発生しやすいような構成としている。それによって、摩擦力を低減することができる。外周摺動面の中央に０．０５ｍｍ以上の略直線領域を持たせるのは、略直線領域が０．０５ｍｍ未満であると面圧が高くなりすぎて摩擦力の低減が得られないからである。別の表現をすれば、略直線領域が摺動領域の３３％未満であると同様の理由により摩擦力の低減が得られない。また、略直線領域が摺動領域の９０％以上であると、曲線領域が短すぎて摩擦力の低減が得られない。
【００１７】
曲線領域を軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大して測定もしくは観察したとき、略直線領域に接する曲線領域の曲率半径が３ｍｍ以上であればオイル導入部において摺動油圧が発生することにより摩擦力の低減が得られるが、曲線領域の曲率半径が３ｍｍ未満であればオイル導入部に摺動油圧が発生しにくく摩擦力の低減が得られない。好ましくは、略直線領域に接する曲線領域の曲率半径を５ｍｍ以上とする。
【００１８】
これらは、軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大して測定もしくは観察したときの曲線領域の形状についての特徴だが、別の表現を用いれば、略直線領域を曲線領域方向に延長した仮想直線Ｌに対する曲線領域の後退量Ｍが、軸方向距離１５μｍ以上にわたって、１．５μｍ以下である。曲線領域の後退量Ｍが軸方向距離１５μｍ未満であるうちに１．５μｍを超えるようであれば、オイル導入部に摺動油圧が発生しにくく摩擦力の低減が得られない。好ましくは、略直線領域を曲線領域方向に延長した仮想直線に対する曲線領域の後退量Ｍを、軸方向距離５０μｍ以上にわたって、５μｍ以下とする。
【００１９】
本発明に係るオイルリングの製造方法は、以下のステップを有する。複数のオイルリング本体と該オイルリング本体より小径のリング状スペーサーを交互に重ね、該オイルリング本体の外周が真円となるように治具を用いて整列、拘束させるステップと、複数のオイルリング本体の外周摺動面を、表面に硬質粒子を含むフィルムを介して弾性部材にて押圧するとともに、整列させたオイルリング本体を回転させて、前記外周摺動面に略平坦な平坦領域と該平坦領域の両側に延在される曲面領域とを形成するステップとを有する。
【００２０】
好ましくは、弾性部材はウレタンゴムを含む。また、硬質粒子はアルミナ粒子又は炭化珪素粒子を含む。さらに好ましくは、整列させたオイルリング本体をその軸方向に移動もしくは揺動させるステップを含む。
【００２１】
本発明の他の製造方法は、複数のオイルリング本体と該オイルリング本体より小径のリング状スペーサーを交互に重ね、該オイルリング本体の外周が真円となるように治具を用いて整列、拘束させるステップと、整列させたオイルリング本体を回転させ、バフ又は弾性砥石を用いて複数のオイルリング本体の外周摺動面に略平坦な平坦領域と該平坦領域の両側に延在される曲面領域とを形成するステップとを有する。
【００２２】
好ましくは、バフまたは弾性砥石を回転させることにより、外周摺動面の形状加工を行う。また、バフまたは弾性砥石の回転方向は、治具の回転方向と直交するものであってよい。あるいは、バフまたは弾性砥石の回転方向は、治具の回転方向と平行であるものでもよい。
【００２３】
本発明に係るピストン構造は、上記したような特徴を有するオイルリングと、少なくともオイルリングを収容するためのリング溝が形成されたピストンと、ピストンが往復動される空間が形成されたシリンダとを有する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１に本発明の実施の形態に係る２ピースオイルリング本体に形成された一対のレール部の外周摺動面を半径方向に切断したときの断面図を示す。図１（ａ）は２ピースオイルリング全体の断面図、図１（ｂ）はＡ部を軸方向及び半径方向に等倍したときの拡大図、図１（ｃ）はＡ部を軸方向２００倍、半径方向２０００倍に変倍したときの拡大図、図１（ｄ）はＢ部の等倍拡大図である。
【００２５】
本実施の形態に係るオイルリング１は、軸方向上下に形成された一対のレール部１２および合口（図中省略）を含むオイルリング本体１０と、オイルリング本体１０の内周側に組み合わせられるコイルエキスパンダ２０とを有する。オイルリング本体１０のレール部１２の外周摺動領域は、図１（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）において“ｆ”で示される。本発明のオイルリング本体１０は、その外周摺動領域ｆに、中央の略直線領域ｆ１と、略直線領域ｆ１の両側に形成された二つの曲線領域ｆ２を有することを特徴としている。図１（ｂ）に示すＢ部は、略直線領域ｆ１の一部とここから延在する曲線領域ｆ２を示している。
【００２６】
曲線領域ｆ２を、形状測定器等により軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大して表すと、図１（ｃ）のように曲線領域ｆ２の曲率半径ｒを比較的容易に測定することができる。本発明においては、曲線領域ｆ２の特定方法の一つとして、軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大したときの曲線領域の曲率半径で特定し、該曲率半径をｒと定義する。すなわち、曲線領域ｆ２は、曲率半径ｒによって規定される面をもつと定義される。また、別の特定方法としては、図１（ｄ）に示すように、直線領域ｆ１を曲線領域ｆ２方向に延長した仮想直線Ｌに対する曲線領域の後退量Ｍを、曲線領域の軸方向距離ｆ２＝(ｆ-ｆ１)／２との関係で特定する。図１（ｄ）において、曲線領域ｆ２の有効範囲は、略直線領域ｆ１に接する点Ｅに始まり点Ｊで終わる領域であるが、図１（ｃ）の軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大したときに現れない点Ｋまでの領域も存在する。しかし、これらＪＫ間の領域は仮想直線Ｌに対する後退量Ｍも大きくなりフリクション低減にはほとんど影響しない領域である。図からも明らかなように、点Ｊは、図１（ｃ）の軸方向２００倍、半径方向２０００倍したときの外周摺動領域ｆで規定される長さに対応する位置であり、点Ｋは、軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大しない場合の仮想直線Ｌ上の外周摺動領域ｆの点Ｊに対応する端点からレール部側面に接線を引いたときの接点の位置である。
【００２７】
このように、オイルリング本体１０のレール部１２の外周摺動面ｆに、中央の平坦な面の領域ｆ１と、この両側に延在する曲面領域ｆ２とを形成することにより、後述するように、オイル消費を増大させることなく、シリンダ内壁との間の摩擦力を低減することができる。
【００２８】
図２は、本発明の実施の形態に係る２ピースオイルリングの製造方法を模式的に示したものである。なお、集団化したオイルリング本体の上半分の断面構造を表している。オイルリング加工装置３０は、治具４０を含み、治具４０の一端は回転装置４２に接続され、その他端が軸受け４４によって支持され、回転装置４２により治具４０が回転される構成となっている。
【００２９】
治具４０上に、複数のオイルリング本体１０とオイルリング本体より小径のリング状スペーサー１４（当業者においては、ディスタンスカラーとも呼ばれている）を交互に重ねて、オイルリング本体１０の外周が真円となるように絞った状態に合口を拘束する。このように外周を整列させて取り付けることで、オイルリング本体１０を集団加工することができる。レール部１２の外周摺動面の両端部に曲線領域ｆ２を形成するには、集団化したオイルリング本体１０を回転装置４２により回転させ、集団化したオイルリング本体１０とウレタンゴム４６の間に、表面に硬質粒子を分散したフィルム４８を挟んで押圧し、研磨加工する。硬質粒子は、一般に研磨材として使用されるアルミナや炭化珪素が使用できる。
【００３０】
軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大したときの曲線領域ｆ２の曲率半径ｒ、あるいは、曲線領域の軸方向距離ｆ２＝(ｆ−ｆ１)／２）における仮想直線Ｌに対する後退量Ｍは、加工時間、硬質粒子の粒度、ウレタンゴムの硬さ、押圧力を変えることにより任意に制御することが可能である。さらに治具４０を軸方向に移動させて、集団化したオイルリング本体１０を揺動させれば、短時間で外周摺動面の加工をすることができる。また、集団化したオイルリング本体において、レール部１２間の距離Ｓ１と、スペーサー１４の幅Ｓ２（あるいはスペーサー１４を跨ぐレール部１２間の距離）を等しくすることで、各レールの外周摺動領域を対称形状に加工することができる。逆に、リング状スペーサーの幅Ｓ２を変えることにより外周摺動領域を非対称形状に加工することもできる。
【００３１】
図３は、本発明第２の実施の形態に係る２ピースオイルリングの製造方法を模式的に示したものであり、集団化したオイルリング本体の上半分の断面構造を示している。本実施の形態の加工装置は、レール部の外周摺動面の両端部に曲線領域を形成するために、バフや弾性砥石５０を用いて加工する。なお、図２と同一構成については同一参照番号を附してある。同図（ａ）では、バフまたは弾性砥石５０の回転軸が、治具４０の回転軸と直交する例を示している。この場合、バフまたは弾性砥石５０を治具４０の軸方向に移動あるいは揺動させて加工することができる。
【００３２】
図３（ｂ）では、バフまたは弾性砥石５２の回転軸と治具４０の回転軸とが平行な例を示している。この場合にも、バフまたは弾性砥石５２を、治具４０の軸方向に移動あるいは揺動させて加工することができる。
【００３３】
（実施例）
所定形状のマルテンサイト系ステンレス鋼の線材から、呼び径８６ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ２ｍｍの２ピースオイルリング本体を成形し、外周ラッピング、合口隙間研削、側面研削等の加工を施した。レール部の外周摺動面の幅（軸方向長さ）を０．１５〜０．３０ｍｍの範囲として多数のサンプルを作製した。
【００３４】
これら２ピースオイルリング本体を該オイルリング本体より小径のリング状スペーサーを交互に重ねて該オイルリング本体の外周が真円になるように絞った状態に治具を用いて両端を拘束した。このとき、集団化したオイルリング本体のレール間距離が等しくなるようにリング状スペーサーの幅を選択した。集団化したオイルリング本体を回転装置により、１５００ｒｐｍで回転させ、集団化したオイルリング本体とショア硬度７０ＨＳのウレタンゴムローラーの間に表面に＃１０００のアルミナ砥粒を分散した５０ｍｍ幅のフィルムを挟み、１００Ｎの荷重で押圧して研磨加工を施し、レール部摺動領域の両端に曲線領域を形成した。このとき、一部のサンプルについては、大きな曲線領域が得られるよう、３０ｒｐｍ当たり１ｍｍ幅の揺動運動を与えた。
【００３５】
作製したサンプルの曲線領域の形状については、他に加工時間や面圧等を変えることにより、軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大したときの曲線領域の曲率半径ｒが２ｍｍ以下のもの（比較例）、３〜４ｍｍのもの及び５〜９ｍｍのもの（実施例）に分類した。ここで、曲率半径３ｍｍは、軸方向１５μｍ、半径方向１．５μｍに対応する。同様に、曲率半径５ｍｍは、軸方向５０μｍ、半径方向５μｍに対応する。また、従来技術と対比させるためレール部の摺動領域が略直線領域のみのサンプルも作製した。
【００３６】
（摺動摩擦力試験）
上記の様々なレール部摺動領域の形状についての摺動摩擦力の評価は、オイルリングのみをピストンに装着させシリンダ内を往復運動させる単体モデルによる摺動摩擦力試験機を用いて行った。図４に試験機の模式的な断面図を示す。試験機は、ボア径８６ｍｍ、ストローク４０ｍｍの単気筒で、シリンダ６０の上部を解放した無圧縮条件でピストン６２を往復運動させ、３つのピエゾ式ワッシャータイプの荷重センサ６４により摺動摩擦力を検出するものである。摺動摩擦力は、摩擦平均有効圧（ＦＭＥＰ：Friction Mean Effective Pressure）で評価した。摩擦平均有効圧は、２回転の往復運動における摩擦力の積分値を機関の排気量で除したもので圧力として表わされる。運転は、潤滑油として３０℃で６センチストークス（6 cSt/30℃）レベルの低粘度油をシリンダ上部より摺動面に十分に滴下し、回転数を６００ｒｐｍ、行程中央部のボア温度を３０℃に管理して行った。
【００３７】
図５は、同一張力条件での上記摺動摩擦力試験の結果を、レール部の外周摺動領域の略直線領域の長さｆ１と摩擦平均有効圧との関係として示したものである。従来技術におけるレール部の外周摺動領域が曲線領域を持たない略直線領域ｆ’のみのサンプルについての結果も（ｆ’をｆ１と同様、横軸にして）同時に示し、また、略直線領域の長さｆ１と摩擦平均有効圧の値は、従来技術における代表的なレール部の摺動領域寸法と摩擦平均有効圧（従来仕様）を1とし、その相対値を示している。さらに、代表的な３ピースタイプのオイルリングでの同張力時の摩擦平均有効圧比（０．７３）についても図中に破線にて示している。
【００３８】
グラフから明らかなように、本摺動摩擦力試験においても、２ピースタイプが３ピースタイプよりも摩擦力の高いことが確認されたことになる。また、レール部の外周摺動領域が曲線領域を持たない略直線領域（ｆ’）のみの摺動面形状でも摺動領域（ｆ’）を大きくすれば、摩擦力は低下して３ピースタイプと同等のレベルまで達することができる。これは摺動面の面圧が低下し油膜厚さが増加するためと考えられるが、逆にオイル消費を増加させてしまうことが予測される。
【００３９】
本発明による、軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大したときの曲線領域の曲率半径ｒが３〜４ｍｍのもの及び５〜９ｍｍのもの（実施例）では、略直線領域ｆ１の長さが従来仕様の１より小さくても略直線領域ｆ１の長さが０．０５ｍｍより大きければ、摩擦力が低くなることが確認された。これは、オイル導入部として機能する本発明による曲線領域において摺動油圧が発生することによると考えられる。軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大したときの曲線領域の曲率半径ｒが２ｍｍ以下のもの（比較例）では、略直線領域ｆ１の長さが従来仕様レベルでは摩擦力も同等であり、また略直線領域ｆ１の長さが小さければ摩擦力が高くなってしまう。
【００４０】
図６は、図５に示したデータについて、略直線領域（ｆ１又はf’）にかかる面圧を横軸にして摩擦平均有効圧との関係を示したものである。これによると、本発明による、軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大したときの曲線領域の曲率半径ｒが３〜４ｍｍのもの及び５〜９ｍｍのもの（実施例）では、従来仕様（面圧１．０）より面圧が高くても摩擦力が低くなることがわかる。
【００４１】
（オイル消費試験）
本発明による２ピースオイルリングのオイルシール機能を確認するため、２．５リットルのガソリンエンジンを用いてオイル消費試験を行った。図７に、１００ｋｍ／ｈｒ走行相当の運転条件での代表的な試験結果を示すが、本発明による２ピースオイルリングの場合、曲線領域を含んだレール部の外周摺動領域ｆが従来仕様の略直線領域f’と同じであれば、同張力の条件下で、同等のオイル消費量を示すことが確認された。同等のオイル消費が得られた理由は、レール部の摺動領域を中央の略直線領域ｆ１とその両側の曲線領域ｆ２という構成にすることにより、曲線領域のオイル導入性向上に基づくオイル消費増大作用が、中央の略直線領域の高面圧化に基づくオイル消費低減作用により相殺されたことによると推察される。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、オイルリングの本体のレール部の外周摺動領域を、その半径方向の断面で見たときに、中央に０．０５ｍｍ以上の略直線領域とその両側に形成された二つの曲線領域を形成したことにより、楔効果を活用して摺動面にオイルを導入し易くしなり、且つ非常に薄い油膜とすることによりオイル導入部においても摺動油圧が発生し易くなり、その結果、摩擦力を低減することが可能となる。また、摺動領域が従来仕様よりも大きくなければ、曲線領域のオイル導入性向上に基づくオイル消費増大作用が、中央の略直線領域の高面圧化に基づくオイル消費低減作用により相殺され、オイル消費を増大させることなく摩擦力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る２ピースオイルリングを示す図であり、同図（ａ）は２ピースオイルリング全体の断面図、同図（ｂ）はＡ部を軸方向及び半径方向に等倍したときの拡大図、同図（ｃ）はＡ部を軸方向２００倍、半径方向２０００倍に変倍したときの拡大図、同図（ｄ）はＢ部の等倍拡大図である。
【図２】第１の実施の形態に係る、ウレタンゴムを用いたフィルム研磨による２ピースオイルリング本体のレール部の外周研磨方法を説明する模式図であり、同図（亜）（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。
【図３】第２の実施の形態に係る、バフ又は弾性砥石による２ピースオイルリング本体のレール部の外周研磨方法を説明する模式図であり、同図（ａ）はオイルリング本体を取り付ける治具の回転軸とバフ又は弾性砥石の回転軸とが直交する例を示し、同図（ｂ）は治具の回転軸とバフ又は弾性砥石の回転軸とが平行な例を示す図である。
【図４】摺動摩擦力試験機の構成を示す模式図である。
【図５】摺動摩擦力試験結果を示すグラフであり、同一張力条件でのレール部の外周摺動領域の略直線領域の長さ（ｆ１又はf’）と摩擦平均有効圧との関係を示す。
【図６】摺動摩擦力試験結果を示すグラフであり、同一張力条件でのレール部の外周摺動領域の略直線領域（ｆ１又はf’）にかかる面圧と摩擦平均有効圧との関係を示す。
【図７】曲線領域を含むレール部の外周摺動領域ｆが従来仕様の略直線領域f’と同じ大きさであるときのオイル消費試験結果を示すグラフである。
【図８】従来のピストンリングが装着されたピストンがシリンダ内にあるときの状態を示す断面図であり、同図（ａ）はオイルリングが３ピースタイプの場合を示し、同図（ｂ）はオイルリングが２ピースタイプの場合を示し、同図（ｃ）は２ピースタイプのオイルリングのレール部の外周摺動面を示す。
【図９】従来のオイルリングにおける外周摺動面形状の詳細を示し、同図（ａ）は３ピースタイプのレールの外周摺動面形状を示し、同図（ｂ）は２ピースタイプのレール部の外周摺動面形状を示す。
【符号の説明】
１ ２ピースオイルリング
１０ オイルリング本体
１２ レール部
１４ リング状スペーサー
２０ コイルエキスパンダ
３０ 加工装置
４０ 治具
４２ 回転装置
４４ 軸受け
４６ ウレタンゴム
４８ ラッピングフィルム
５０ バフまたは弾性砥石
５２ バフまたは弾性砥石
６０ シリンダ
６２ ピストン
６４ 荷重センサ
ｆ 外周摺動領域
ｆ１ 略直線領域
ｆ２ 曲線領域
ｒ 曲線領域の曲率半径
ｆ’ 曲線領域を持たない従来のレール部の外周摺動領域
Ｅ 曲線領域の略直線領域と接する開始点
Ｊ 外周摺動領域を軸方向２００倍、半径方向２０００倍に拡大したときの曲線領域の終了点
Ｋ 外周摺動領域を等倍拡大したときの曲線領域の終了点
Ｌ 外周摺動領域の略直線領域を曲線領域方向に延長した仮想直線
Ｍ 外周摺動領域の略直線領域を曲線領域方向に延長した仮想直線に対する曲線領域の後退量
Claims (8)
- 軸方向上下に形成された一対のレール部および合口を有する円環状のオイルリング本体と、該オイルリング本体の内周側に組み合わせられるコイルエキスパンダとを含むオイルリングの製造方法であって、
複数のオイルリング本体と該オイルリング本体より小径のリング状スペーサーを交互に重ね、該オイルリング本体の外周が真円となるように治具を用いて整列、拘束させるステップと、
前記複数のオイルリング本体の外周摺動面を、表面に硬質粒子を含むフィルムを介して弾性部材にて押圧するとともに、整列させたオイルリング本体を回転させて、前記外周摺動面に略平坦な平坦領域と該平坦領域の両側に延在される曲面領域とを形成するステップ、とを有するオイルリングの製造方法。 - 前記弾性部材は、ウレタンゴムを含む、請求項１に記載のオイルリングの製造方法。
- 前記硬質粒子が、アルミナ粒子又は炭化珪素粒子を含む、請求項１に記載のオイルリングの製造方法。
- 前記製造方法はさらに、前記整列させたオイルリング本体をその軸方向に移動もしくは揺動させるステップを含む、請求項１、２、または３に記載のオイルリングの製造方法。
- 軸方向上下に形成された一対のレール部および合口を有する円環状のオイルリング本体と、該オイルリング本体の内周側に組み合わせられるコイルエキスパンダとを含むオイルリングの製造方法であって、
複数のオイルリング本体と該オイルリング本体より小径のリング状スペーサーを交互に重ね、該オイルリング本体の外周が真円となるように治具を用いて整列、拘束させるステップと、
整列させたオイルリング本体を回転させ、バフ又は弾性砥石を用いて前記複数のオイルリング本体の外周摺動面に略平坦な平坦領域と該平坦領域の両側に延在される曲面領域とを形成するステップと、を有するオイルリングの製造方法。 - 前記バフまたは弾性砥石を回転させることにより、前記外周摺動面の形状加工を行う、請求項５に記載のオイルリングの製造方法。
- 前記バフまたは弾性砥石の回転方向は、前記治具の回転方向と直交する、請求項５に記載のオイルリングの製造方法。
- 前記バフまたは弾性砥石の回転方向は、前記治具の回転方向と平行である、請求項５に記載のオイルリングの製造方法。
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