JP5371582B2

JP5371582B2 - ピストンロッド用オイル掻きリング及びその製造方法、並びに当該オイル掻きリングを備えたスタフィングボックス

Info

Publication number: JP5371582B2
Application number: JP2009157567A
Authority: JP
Inventors: 俊英伊原; 聡掛川
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2029-07-02
Also published as: JP2011012758A

Description

本発明は、ピストンロッド用オイル掻きリングに関し、更に詳しくは、特に船舶用の大型２サイクルディーゼルエンジンなどにおいて使用されるピストンロッド用オイル掻きリング及びその製造方法、並びに当該オイル掻きリングを備えたスタフィングボックスに関する。

一般に船舶用の大型２サイクルディーゼルエンジンでは、エンジンの掃気室とクランク室との間に仕切り板が設けられており、ピストンロッドは、その仕切り板直上に設けられた気密リングやオイル掻きリングを収容するスタフィングボックスを通して往復動する。例えば、特許文献１に開示された、図３に示すような一般的なスタフィングボックスでは、気密リング100はスタフィングボックスの掃気室側に配置されて掃気室の気密を保持し、オイル掻きリング110はスタフィングボックスのクランク室側に配置されてピストンロッド300の往復動に伴うクランク室から掃気室側への潤滑油の流出を阻止する機能を有している。

図３に示されている従来のオイル掻きリングは、2本のレール部を有する3分割されたリング本体の組合せで構成され、外周にコイルスプリング200を配接し、且つ重ね合わせてリング溝に装着される。そして、それはコイルスプリングの収縮力によりその内周面がピストンロッドの外周面に押圧付勢され、ピストンロッドの往復動に際して該ピストンロッド表面に付着して掃気室側に移動する潤滑油を掻き落とし、潤滑油の過剰の消費を防止する。なお、掻き落とされた潤滑油の除去排出を容易にするため、2本のレール部の間に内周側と外周側を貫通するオイル通し穴210が設けられたものが一般的である。

スタフィングボックスに使用されるオイル掻きリングは、これまで様々な改良が提案されてきた。例えば、特許文献２には合成樹脂で作られたオイル掻きリングが、特許文献３には分割のない鋼材の1本リングが、特許文献４には従来のオイル掻きリングを軸方向上下に2分割して周方向3分割部にひし形の間隔片を挿入することが、特許文献５には摺動部に耐摩耗コーティングを施すことが、特許文献６には小型軽量、柔構造とすることが提案されている。

しかしながら、実用されている従来のオイル掻きリングにおいては、概して次の問題点が挙げられる。

オイル掻きリングは、一般に、鋳鉄、銅合金等の金属又は樹脂材で製作されているが、樹脂材、例えば、四フッ化エチレン樹脂をオイル掻きリングの材料とする場合、剛性が低くピストンロッド外周面への当たりが良好で、従って、初期においては、初期なじみが良く良好なオイル掻き性能を期待できるが、使用する間に潤滑油を吸収して軟化し、摩耗を増大させ、逆に時間のかかる部品交換の頻度が高くなってしまうという問題がある。一方、金属製オイル掻きリングの場合、リング本体は分割型の剛性の高いブロック状に製作されるため、環状コイルスプリングの収縮作用によってしてもピストンロッド外周面への追従性が悪く、リング本体内周の曲率とピストンロッド外周の曲率とが相違する場合には十分なオイル掻き性能が得られないという問題がある。その問題の解決のため、前述した特許文献３、４及び６のように、追従性の良いリング本体の開発が種々試みられてきたが、それでもリング本体内周とピストンロッド外周の曲率の違いはできるだけ小さく製造する必要があった。よって、両者の曲率をあわせるため、製造工程の中で歪取り熱処理を施したり、加工後に内部応力によって生じる歪みを除去するための修正加工を更に施したり、あるいはオイル掻きリングの組付けに際して現物摺り合わせを行ったりして煩雑な工程とせざるを得なく、工数の増加を伴い、コストの増大を招いているのが現状である。

特開昭６０−１８６６４号公報特許第３０８３５５８号公報特開平９−１５９０２８号公報特開平１０−１４８２６２号公報特開２０００−２９１８０７号公報特開２００８−２６１３６４号公報

本発明は、特許文献６において試みられた「小型軽量、柔構造としてオイル掻きリングのピストンロッドへの追従性を向上する」という概念を更に進歩させた構造のオイル掻きリングを提供するとともに、高精度のオイル掻きリングを提供する手段として、製造工程において歪み又は内部応力の導入を極力抑えたオイル掻きリングの製造方法を提供することを課題とする。さらに、部品交換を容易にする構造としたオイル掻きリングを備えたスタフィングボックスを提供することを課題とする。すなわち、最終的には、オイル消費量の低減と長寿命化を達成し、メンテナンス性に優れたピストンロッド用オイル掻きリング、及びその製造方法、並びに当該オイル掻きリングを備えたスタフィングボックスを提供することを課題とする。

オイル掻きリング本体のピストンロッドへの追従性Fは、梁の撓みの式を応用し、次の（1）式に近似される。
F ＝ (3・P・D²)／(E・h₁・a₁ ³) ………………………………（1）
Pはコイルスプリングの荷重、Dはリング本体の呼び径、Eはリング本体のヤング率、h₁はリング本体の断面の軸方向幅、a₁はレール部を含む径方向厚さである。
ここで、h₁・a₁ ³はリング本体の断面が矩形の場合の断面2次モーメントに係る量である。オイル掻きリングは通常オイル通し穴を有しているので、厳密にはそれらのオイル通し穴を考慮した断面2次モーメントを計算すべきであるが、ここでは簡単のため上記のように表し、近似されるものとする。

前記式（1）によれば、リング本体の設計に係る変数は、断面2次モーメントに係るh₁・a₁ ³である。すなわち、断面の軸方向幅及び径方向厚さを共に小さくすることによって、追従性を向上することができる。

特許文献６では、従来のオイル掻きリングとして、例えば、ピストンロッド径が約235 mm程度の場合に、断面の軸方向幅h₁が20 mm、径方向厚さa₁が21.5 mm程度であったものを、その断面の軸方向幅h₁を14mm、径方向厚さa₁を別体のレール部を含み19 mmに小型化することによって、リング本体の追従性を向上したものであった。図４の（a）が特許文献６の従来リング410、（b）が改良リング510を示している。

本発明者らは、上記基本的考え方に従って鋭意研究の結果、断面の軸方向幅と径方向厚さでは、従来、2本のレール部を有していたリング本体を軸方向に2分割して1本レールとすることによってリング本体の軸方向幅h₁を1/2以下に小さくし、径方向厚さに関しては、特許文献６と同様にレール部も含む径方向厚さは17 mm以上23 mm以下としても、レール部を除く径方向厚さを極力小さくして追従性Fを向上させることに想到した。また、周方向の分割数を従来の3分割から2分割にすると、1本レールの場合のスタフィングボックス装着性の困難性を解決し、部品交換が可能になって好ましいということを発見した。

すなわち、本発明のピストンロッド用オイル掻きリングは、往復動するピストンロッドの外周面に摺接するレール部を有するリング本体と、前記レール部を前記ピストンロッドの外周面に対して押圧付勢する環状のコイルスプリングを有し、前記リング本体の断面の軸方向幅が5 mm以上10 mm以下、前記レール部を除く径方向厚さが10 mm以上20 mm以下のピストンロッド用オイル掻きリングにおいて、前記リング本体が、周方向に少なくとも2つ以上に分割され、内周側軸方向中央部に1本の前記レール部と、外周側軸方向中央部に前記コイルスプリングの収容溝と、上下側面の片側のみに複数のオイル通し溝を備え、前記オイル通し溝が、前記リング本体軸方向に平行な円筒の底面及び側面の一部からなることを特徴とする。ここで、レール部はリング本体に一体に又はリング本体の内周側の溝に装着して形成してもよい。また、内周側及び外周側の周長に対する開口率が10〜60％であることが好ましい。

また、本発明のピストンロッド用オイル掻きリングの製造方法は、オイル通し溝をエンドミル加工により形成することを特徴とする。オイル通し溝のエンドミル加工においては、加工軸及び加工方向を前記オイル掻きリングの軸に平行にして加工することが好ましい。これにより径方向歪み又は径方向歪みを生じさせる内部応力の導入を極力抑え、高精度のオイル掻きリングを提供することが可能となる。

本発明のピストンロッド用オイル掻きリングは、従来、2本のレール部を有していたリング本体を軸方向に2分割して1本レールとすることによってリング本体の幅寸法を1/2以下に小さくし、且つレール部を除く径方向厚さを極力小さくしたので、断面2次モーメントが小さくなって、追従性が向上する。よって、小さなコイルスプリング荷重でも初期から良好なオイル掻き性能を発揮し、オイル消費量の低減と長寿命化に寄与する。また、1つのリング本体としては、特許文献６の従来のリング本体と比較しても、断面積を小さくしているので、当然に特許文献６で得られた慣性重量（質量）軽減による効果も更に向上している。すなわち、ピストンロッドの横振れへの追従性や、リング溝内の軸方向の移動による叩かれ摩耗の低減により、オイル掻き性能の向上によるオイル消費量の低減と長寿命化に貢献する。なお、1本レールの場合に周方向3分割リングではリング外周のコイルスプリング荷重により倒れが発生して極めて困難であったスタフィングボックスのピストンロッドへの装着が、周方向に2分割した場合には容易になって好ましい。さらに、図３や図４の従来のリング本体の形状に比べて形状が単純で、複雑な加工が不要のためリング本体の製作が容易である。最終的には、オイル掻きリングの軸方向幅及び径方向厚さが小さくなることにより、スタフィングボックス自体を小型化でき、将来的には、船舶用の大型２サイクルディーゼルエンジンの小型化にも寄与する可能性を有している。

本発明のピストンロッド用オイル掻きリングの製造方法は、オイル通し溝をエンドミル加工により加工軸及び加工方向を前記オイル掻きリングの軸に平行にして加工するため、リングの径方向に穴開け加工をしたりミリング加工をしたりするのに比べて、直接的なリング径方向への力が作用しないため、径方向歪み、すなわち、リング本体内周摺接面の曲率変化を極力小さく抑えることができる。

本発明のピストンロッド用オイル掻きリングを装着したスタフィングボックスを模式的に示す断面図であり、同図１（a）は従来のオイル掻きリングが収容されたリング溝に合わせて本発明のオイル掻きリングを各リング溝に3段に重ねて収容した断面図、同図１（b）は小型・軽量化した従来改良型オイル掻きリングが収容されたリング溝に合わせて本発明のオイル掻きリングを各リング溝に2段に重ねて収容した断面図である。本発明のピストンロッド用オイル掻きリングを示す図であり、同第２図（a）はオイル掻きリングを軸方向から見た平面図、同第２図（b）は同リングのA-A断面図である。従来のピストンロッド用オイル掻きリングを装着したスタフィングボックスを模式的に示す断面図である。従来のピストンロッド用オイル掻きリングを装着したスタフィングボックスを模式的に示す断面図であり、同図４（b）は、同図4（a）を小型・軽量化した改良型オイル掻きリングが収容された断面図である。

図１は、本発明の実施態様を示すピストンロッド用オイル掻きリングを装着したスタフィングボックスの断面を模式的に示したものである。（a）は従来のオイル掻きリングを収容したスタフィングボックス10に合わせ、本発明のオイル掻きリング11を各リング溝に3段に重ねて収容したもの、（b）は特許文献６に開示された小型・軽量化されたオイル掻きリングを収容したスタフィングボックス20に合わせ、本発明のオイル掻きリング21を各リング溝に2段に重ねて収容したものである。オイル掻きリング11及び21は、往復動するピストンロッドの外周面に摺接する1本のレール部12及び22を内周側軸方向中央部に有し、前記レール部を前記ピストンロッドの外周面に対して押圧付勢する環状のコイルスプリング13及び23を外周側軸方向中央部に形成されたコイルスプリング収容溝に備えている。また、オイル掻きリング11及び21の上下側面の片側（図１では上側面）にオイル通し溝14及び24が形成されている。本発明のオイル掻きリング11及び21は、従来の2本レールのオイル掻きリングを基本的に軸方向に2分割して、1本レールとすることによってリング本体の軸方向幅h₁を小さくしたこと、また径方向厚さa₁もリング本体がスタフィングボックスのリング溝内に安定装着を維持出来る程度に小さくして追従性の向上を図っている。なお、図１（b）において、スタフィングボックス20の下部の空間25はスタフィングボックス軸方向の小型化が可能であることを示唆しており、またオイル掻きリング後方の空間26は上段の気密リングの小型化を考慮すればスタフィングボックス全体の小型化が可能であることを示唆している。逆に、更なるオイル消費低減効果を期待して、空いた空間25にリング溝を追加することも可能である。

図２の（a）は本発明のオイル掻きリングを軸方向から見た平面図であり、（b）はA-A断面を示す。図２では、オイル通し溝14又は24が周方向に2分割した一方のリング本体の上下側面の片面に11個形成され、溝深さはレール部に架からない程度までとしている。オイル通し溝は、エンドミル加工によって加工軸及び加工方向をオイル掻きリングの軸に平行にして加工しているので、リング軸方向に平行な円筒の底面31及び側面の一部32から構成される。この加工方法によりリング径方向の加工による歪みの導入は極力抑えられる。また、オイル通し溝のリング内周側及びリング外周側の周長に対する開口率は10〜60％とする。開口率が10％より小さい場合はオイルのクランク室への戻しが不十分でオイル消費量が多くなり、逆に開口率が60％を超える場合には側面の平坦部分が少なくなって、リング溝又は重なり合う別体のオイル掻きリング側面部との当たりが不均一になって側面摩耗を促進して好ましくない。開口率は20〜50％が好ましい。

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。

実施例１、比較例１
ボア径800 mm、ストローク2800 mmの7気筒大型2サイクル低速ディーゼルエンジン用に、内径310 mmφ、外径345 mmφ、幅6 mm、レール部を含まない厚さ13 mm、レール部の幅1.5 mm、レール部の厚さ約4.5 mmの周方向2分割した鋳鉄製オイル掻きリング本体（実施例１）を作製した。リング本体の側面の一方には、直径22φのエンドミルで1.5 mm深さのオイル通し溝を12個、リング全体で24個掘った。このオイル掻きリングを図１（a）のように上記エンジンの2気筒分のスタフィングボックスに3段に重ねて装着し、初期なじみ性も評価できる72時間のエンジン試験を行った。なお、残りの気筒には、図４（a）の従来型のオイル掻きリング（比較例１）を使用した。オイル消費量は、従来型のオイル掻きリングを使用した気筒の平均を1とすると、本発明のオイル掻きリングを使用した気筒では、0.23と0.19であった。本発明のオイル掻きリングではオイル消費量が1/4以下に低減されたことが分かる。

実施例２、比較例２
ボア径700 mm、ストローク2600 mmの6気筒大型2サイクル低速ディーゼルエンジン用に、内径270 mmφ、外径305 mmφ、幅6 mm、レール部を含まない厚さ13 mm、レール部の幅1.5 mm、レール部の厚さ約4.5 mmの周方向2分割した鋳鉄製オイル掻きリング本体（実施例２）を作製した。リング本体の側面の一方には、直径22φのエンドミルで1.5 mm深さのオイル通し溝を11個、リング全体で22個掘った。このオイル掻きリングを図１（b）のように上記エンジンの2気筒分のスタフィングボックスに2段に重ねて装着し、72時間のエンジン試験を行った。なお、残りの気筒には、図４（b）の特許文献６に開示された従来の改良型オイル掻きリング（比較例２）を使用した。オイル消費量は、従来改良型のオイル掻きリングを使用した気筒の平均を1とすると、本発明のオイル掻きリングを使用した気筒では、0.64と0.57であった。本発明のオイル掻きリングではオイル消費量が従来改良型に対して30〜40%低減されたことが分かる。

実施例３〜実施例８
リング本体の側面の一方に形成したオイル通し溝の数以外は、実施例２と同じ鋳鉄製オイル掻きリング本体（実施例３〜８）を作製し、実施例２と同じエンジン試験を行った。その結果を表１に示す。なおオイル通し溝の数、内周側及び外周側開口率も表３に示すとおりである。開口率が20％を超えるとオイル消費量の低減率は比較例２のオイル消費量に対して30%を超え、開口率が60％を超えると側面摩耗が大きくなった。

10, 20 スタフィングボックス
11, 21 オイル掻きリング
12, 22 レール部
13, 23 コイルスプリング
14, 24 オイル通し溝
31 リング軸方向に平行の円筒の底面
32 リング軸方向に平行な円筒の側面

Claims

往復動するピストンロッドの外周面に摺接するレール部を有するリング本体と、前記レール部を前記ピストンロッドの外周面に対して押圧付勢する環状のコイルスプリングを有し、前記リング本体の断面の軸方向幅が5 mm以上10 mm以下、前記レール部を除く径方向厚さが10 mm以上20 mm以下のピストンロッド用オイル掻きリングにおいて、前記リング本体が、周方向に少なくとも2つ以上に分割され、内周側軸方向中央部に1本の前記レール部と、外周側軸方向中央部に前記コイルスプリングの収容溝と、上下側面の片側のみに複数のオイル通し溝を備え、前記オイル通し溝が、前記リング本体軸方向に平行な円筒の底面及び側面の一部からなることを特徴とするピストンロッド用オイル掻きリング。
前記オイル通し溝の内周側及び外周側の開口率が10〜60％であることを特徴とする請求項１に記載のピストンロッド用オイル掻きリング。
リング本体が、周方向に少なくとも2つ以上に分割され、内周側軸方向中央部に1本のレール部と、外周側軸方向中央部にコイルスプリングの収容溝と、上下側面の片側のみに複数のオイル通り溝を備えたピストンロッド用オイル掻きリングの製造方法において、前記オイル通し溝をエンドミル加工により形成することを特徴とするピストンロッド用オイル掻きリングの製造方法。
前記オイル通し溝のエンドミル加工において、エンドミル加工軸及び加工方向を前記オイル掻きリングの軸に平行にして加工することを特徴とする請求項３に記載のピストンロッド用オイル掻きリングの製造方法。
請求項１又は２に記載のピストンロッド用オイル掻きリングを複数個重ねて1つのリング溝に装着したことを特徴とするスタフィングボックス。