JPH0324940Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は機関等に用いるピストンリングの構造
に関し、詳しくは本体を金属製とし、シリンダボ
アとの摺動部をセラミツクス製としたピストンリ
ングの構造に関する。

〔従来の技術〕

ピストンリングは、従来は、鋳鉄製であつた
が、近年、車両の機関用には軽量化、コンパクト
化等により、鋼材を使用してその当接面にメツキ
等を施した複合材からなるものが多用されてい
る。第６図ａは従来のピストンリングの平面図
で、第６図ｂはピストンリング７０をピストン８
０のリング溝に挿着した状態を示す要部断面図で
あり、図中９０はシリンダボアを示す。シリンダ
ボア９０の表面の材質とピストンリング７０の当
接材との組み合わせは種々あるが、特に金属同士
の組み合わせでは焼き付き、耐摩耗性等多くの問
題点を内包してる。

これらの問題点を解決するために、どちらか一
方をセラミツクス材とすることが望ましいという
ことが古くから知られている。そこで、シリンダ
ボア側をセラミツクスとすることが考えられが、
仕上げ加工上困難であため、ピストンリング側を
セラミツクスとすることが通常試みられている。

金属製の基材上にいわゆる「セラミツクス溶
射」と称する各種セラミツクスを溶射し、耐摩耗
性を向上させる方法は歴史がながく、各種機能部
位に使用されているが、厳しい使用条件下で使用
されるピストンリングのような小部品に適用する
ことは耐久信頼性の上で非常に難しいことであ
る。また、この溶射法自体が量産にあまり向いて
いる加工法ではないこともあり、実験レベルでは
セラミツクス溶射法をピストンリングに適用する
ことが可能であるが、量産レベルでは不可能とさ
れていた。

近年、セラミツクス材、例えば窒化ケイ素
（Si₃N₄）、炭化ケイ素（SiC）、ジルコニア
（ZrO₂）、アルミナ（Ａ₂O₃）等の高強度のいわ
ゆるフアインセラミツクス材が実用化レベルで
種々の部品に多用されている。しかし、単に上記
セラミツクスでピストンリングを形成した場合、
高強度ではあるが弾性に乏しいため、該ピストン
リングをピストンに嵌めるときに割れてしまうと
いう問題が残されている。

〔考案が解決しようとする問題〕

セラミツクス材は鉄等の金属材料に比して耐摩
耗性等には優れていが弾性変形等の点においては
本質的に劣ることは否めず、ピストンリングのコ
ンパクト化が困難である。

本考案は上記の問題点に鑑みてなされたもので
あり、現在のコンパクトなピストンリングとほぼ
同程度の寸法で、かつ耐摩耗性に優れ、耐久信頼
性の高い、シリンダボアとの摺動部にセラミツク
スを有するピストンリングを提供することを課題
とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本考案のピストンリングは、環状体の一部を切
離した形状の金属製ピストンリング本体とセラミ
ツクスリングとからなり、該ピストンリング本体
の外周に沿つて形成した凹部に該セラミツクスリ
ングを嵌着し、該嵌着したセラミツクスリングの
外周面は、前記ピストンリング本体の外周面より
突出しており、前記セラミツクスリングとピスト
ンリング本体との嵌着部をろう付けするととも
に、該ピストンリング本体に設けた結合孔内に、
前記セラミツクスリングと一体的に結合し、該セ
ラミツクスリングから延びるセラミツクスの突出
部を貫通係合させることにより該ピストンリング
本体とセラミツクスリングとを結合固定したこと
を特徴とする。

本考案に於て金属製ピストンリング本体に用い
る金属としては、弾性に優れた金属、例えば鋼材
が望ましい。またセラミツクスリングの材質とし
ては、例えば、Si₃N₄、SiC、ZrO₂、Ａ₂O₃等を
挙げることができる。セラミツクスリングの製造
方法としては、例えば焼成時の収縮を考慮して焼
成後目的の大きさになるような寸法にセラミツク
ス原料を成形する方法や焼成して得られたセラミ
ツクスを所定の寸法に切削加工する方法等が採用
される。

成形されるセラミツクスリングの断面形状は円
形、四角形等適宜の形状のものが選択されるが、
特に円形及び四角形のものが好ましい。セラミツ
クスリングの断面形状が円形である場合には、金
属製ピストンリング本体の外周に沿つて形成する
凹部は、断面円形のセラミツクスリングを嵌合で
きるような曲率半径を有し、該セラミツクスリン
グの外周面が、金属製ピストンリング本体の外周
面より突出して、シリンダボアと摺動できるよう
な深さのＵ字状の溝とするのが好ましい。

また、セラミツクスリングの断面形状が四角形
である場合も金属製ピストンリング本体の外周面
に沿つて形成する凹部は、断面が四角形のセラミ
ツクスリングに対応し、該リングを嵌合できる形
状のものとされるが、この場合凹部はピストンリ
ングの外周を段差状に切り欠いた形状のものであ
つても良い。そして、この段差状に形成した凹部
形状は、該凹部に断面が四角形のセラミツクスリ
ングを嵌合した場合にセラミツクスリングの外周
面は、ピストンリング本体の外周面より突出する
が、セラミツクスリングの側面とピストンリング
本体の側面とは同一平面を構成するような形状と
するのが好ましい。

本考案に於ては、金属製ピストンリング本体と
セラミツクスリングの嵌着部はろう付けするが、
このろう付けは、金属製ピストンリング本体とセ
ラミツクスリングとを密着させてピストンの激し
い上下動にともなう摺動によつて生じる力を該嵌
着部全面で伝達させるためで、単に密着していれ
ばよく、特別に強い接合強度がなくてもよい。

更に、本考案に於ては、金属製ピストンリング
本体とセラミツクスリングとの一体化を確実にす
るために、ピストンリング本体に設けた結合孔内
にセラミツクスリングと一体的に結合し、セラミ
ツクスリングから延びるセラミツクスの突出部を
貫通係合させることにより、金属製ピストンリン
グ本体とセラミツクスリングとを結合させるが、
結合させるための結合孔を設ける位置は、例えば
本体外周に設ける凹部をＵ字状の溝とする場合は
該銭属製ピストンリング本体と該セラミツクスリ
ングの切離し部分の両端に結合部を形成して該部
分に設け、また前記凹部を本体外周の片側に段査
状に設ける場合には段差状凹部の側面に、周方向
に一定間隔で複数個設けるのが好ましい。

該結合孔内にセラミツクスリングから延びる突
出部を貫通係合させるためには、例えば、結合孔
近辺のセラミツクスリングの部分をレーザービー
ム等により溶融して、該溶融したセラミツクスを
結合孔内に侵入貫通させるか、或いはセラミツク
スリングに予め結合孔に嵌合する突出部を設け、
該突出部を結合孔に貫通させた後該突出部を溶融
させる等の手段が採用される。

〔作用〕

本考案のピストンリングは、セラミツクスリン
グを、金属製ピストンリング本体の外周に形成し
た凹部に取り付けて一体化したため、ピストンに
該ピストンリングを嵌めるとき、該ピストンリン
グに曲げの力が加わるが、大部分の応力を内側の
金属製ピストンリング本体に受け持たせ、外側の
セラミツクスピストンリングに発生する応力を小
さくすることができ、セラミツクスピストンリン
グの弾性変形を可能とし、その結果、該セラミツ
クスリングを割らずにピストンリングをピストン
に嵌めることができる。また、ピストンの激しい
上下動の際の応力は主に、弾性に優れた金属製ピ
ストンリング本体が受け持ち、ピストンリングの
外周に設けた、耐熱、耐摩耗性に優れたセラミツ
クスリングやシリンダボアと摺動するため、強
度、耐熱性及び耐摩耗性に優れる。

更にまた、セラミツクスリングを金属製ピスト
ンリング本体外周の凹部に嵌着させ、該嵌着部を
ろう付けして密着させ、更にピストンリング本体
に設けた結合孔内に、セラミツクスリングと一体
的に結合し、該セラミツクスリングから延びるセ
ラミツクスの突出部を貫通係合して両部材を結合
させるため、セラミツクスリングが金属製ピスト
ンリング本体にしつかり保持され、耐久信頼性が
高い。

〔実施例〕

本考案を実施例により図面を参照して説明す
る。

実施例 １ まず、第２図に示すような断面が円形でその直
径を金属製ピストンリング本体の厚さより小さく
し、かつ切離し端部に結合部１１を有するセラミ
ツクスリング１０を形成するために、焼成時の20
％の収縮を見込んだ大きさのセラミツクスリング
の型に、Si₃N₄を射出成形し、成形品を焼成す
る。次いで、両端の内側を切削して第３図に示す
ような凹部を有する結合部１１を形成する。

次に、鋼鉄でピストンリング本体２０を作り、
その両端の外側にセラミツクスリング１０の結合
部１１の凹部に嵌合し、かつ結合孔を有する凸部
を切削により形成して第３図に示すような結合部
２１を設ける。次いで、第４図ａ及びｂに示すよ
うに、金属製ピストンリング本体２０の外周に、
セラミツクスリング１０を全周にわたつて突出さ
せて嵌合するような曲率半径及び深さを有するＵ
字状の溝２２を切削して形成する。

次に金属製ピストンリング本体２０のＵ字状の
溝２２にセラミツクピストンリング１０を、間に
ろうを入れて温度差嵌めにより、第１図及び第４
図ｂに示すように嵌める。次いで加熱炉で加熱し
て全周にわたつてろう付けをする。次いで金属製
ピストンリング本体２０の外周縁をプレスにより
かしめて、第４図ｃに示すようにセラミツクスリ
ング１０をかかえ込ませて、該セラミツクスリン
グ１０が離脱しない構造にする。更に、第３図に
示すように金属製ピストンリング本体２０の結合
部２１の凸部に設けた結合孔めがけてレーザービ
ームをセラミツクスリング１０の結合部１１にあ
て、上記結合孔にセラミツクスを溶かし込んで両
結合部１１，１２を結合する。

次にセラミツクスリング１０のシリンダボアと
の摺動面に研摩仕上げ加工を施して、第１図に示
すような金属製ピストンリング本体２０の外周に
セラミツクスリング１０を取り付けて一体化した
ピストンリングが得られる。

第４図ｃは、上記のようにして製作したピスト
ンリングをピストン３０に嵌めた状態を示す断面
図で、金属製ピストンリング本体２０の外周に取
り付けられたセラミツクスリングはシリンダボア
４０と摺動する。

実施例 ２ まず、第５図に示すような円柱状の結合部５１
を周方向に一定間隔で有し、断面が長方形のセラ
ミツクスリング５０を形成するために、焼成時の
20％の収縮を見込んだ大きさのセラミツクスリン
グの型にSiNを射出成形し、成形品を焼成する。

次に、鋼鉄を用いて金属製ピストンリング本体
を作る。次いで、このピストンリング本体の外周
を段差状に切削して、上記セラミツクスリング５
０が、金属製ピストンリング本体６０の外周に突
出して嵌合するような凹部を形成する。更に、該
セラミツクスリング５０の結合部５１が嵌合する
ように周方向に一定間隔で結合孔をあけ、この孔
の、凹部と反対側の部分を円錐状に広げて結合部
６１を形成する。

次に上記のように形成した金属製ピストンリン
グ本体６０の凹部と結合部６１にセラミツクスリ
ング５０を、それらの間にろうを入れて嵌着させ
る。次いで加熱してろう付けをし、密着させる。
次いで金属製ピストンリング本体６０の結合部６
１の円錘状の結合孔の中にあるセラミツクスリン
グ５０の円柱状の結合部５１にレーザービームを
あてて、セラミツクスを溶融し、該円錘状の孔に
広げることにより両結合部５１，６１を結合して
金属製ピストンリング本体６０とセラミツクスリ
ング５０を一体化する。

〔考案の効果〕

本考案のピストンリングは上記したように内周
を弾性に優れた金属製ピストンリング本体とし、
外周のシリンダボアとの摺動部を耐熱、耐摩耗性
に優れたセラミツクスリングとする構造にしたの
で耐熱、耐摩耗性及び強度に優れ、またセラミツ
クスリングを割らずにピストンに嵌めることがで
きる。

更に、金属製ピストンリング本体の外周の凹部
にセラミツクスリングを嵌着し、ろう付けをし、
結合孔を用いて両者を結合固定したので耐久信頼
性に優れる。

また、本考案の構成をとるピストンリングに於
ては、金属製ピストンリング本体とセラミツクス
リングとで、従来の金属製ピストンリングのバネ
定数を有するように設計することが可能であり、
これにより、従来の金属製ピストンリングとほぼ
同程度の大きさのコンパクトなピストンリングと
することができる。

更にまた、金属製ピストンリング本体とセラミ
ツクスリングとの嵌着部をろう付けしたので熱膨
張係数の異なる部材の組み合わせも可能であり、
セラミツクスの材料の選択の幅が大きい。また、
ピストンリングの摺動部をセラミツクスリングと
したので金属と金属の相性の問題がなくなり、シ
リンダライナの材料の選択の自由度が大きくなつ
た。

更に、本考案のピストンリングは特殊な製造方
法を必要としないので量産化も可能であるなど多
くの利点を併有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の実施例１の金属製ピストンリ
ングとセラミツクスリングとを一体化したピスト
ンリングを示す平面図、第２図は本考案の実施例
１のセラミツクスリングを示す斜視図、第３図は
本考案の実施例１の金属製ピストンリング本体及
びセラミツクスリングの結合部を示す斜視図、第
４図ａは本考案の実施例１のＵ字状の溝を形成し
た金属製ピストンリング本体を示す断面図、第４
図ｂは本考案の実施例１のピストンリングをＵ字
のの溝に嵌合した金属製ピストレリング本体を示
す断面図、第４図ｃは本考案の実施例１のピスト
ンリングを装着したピストン及びシリンダを示す
断面図、第５図は本考案の実施例２の金属製ピス
トンリング本体にセラミツクスリングを結合して
いるピストンリングを示す斜視図、第６図は従来
の金属製ピストンリングを示す平面図、第６図ｂ
は従来の金属製ピストンリングを装着したピスト
ン及びシリンダを示す断面図を表す。 図中、１０，５０……セラミツクスリング、１
１，２１，５１，６１……結合部、２０，６０…
…金属製ピストンリング本体、２２……Ｕ字状
溝、３０，８０……ピストン、４０，９０……シ
リンダボア、７０……ピストンリング。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 環状体の一部を切離した形状の金属製ピスト
   ンリング本体とセラミツクスリングとからな
   り、該ピストンリング本体の外周に沿つて形成
   した凹部に該セラミツクスリングを嵌着し、該
   嵌着したセラミツクスリングの外周面は前記ピ
   ストンリング本体の外周面より突出しており、
   前記セラミツクスリングとピストンリング本体
   との嵌着部をろう付けするとともに、該ピスト
   ンリング本体に設けた結合孔内に、前記セラミ
   ツクスリングと一体的に結合し、該セラミツク
   スリングから延びるセラミツクスの突出部を貫
   通係合させることにより該ピストンリング本体
   とセラミツクスリングとを結合固定したことを
   特徴とするピストンリング。 (2) セラミツクスリングの断面が円形で、金属製
   ピストンリング本体の外周に沿つて設けた凹部
   が該本体外周の凹部に形成したＵ字状の溝であ
   り、両部材を結合するための結合孔が該ピスト
   ンリングの切離し部の両端にあることを特徴と
   する実用新案登録請求の範囲第１項記載のピス
   トンリング。 (3) セラミツクスリングの断面が四角形で、金属
   製ピストンリング本体外周に沿つて設けた凹部
   が該本体外周に段差状に形成してなり、両部材
   を結合するための結合孔が該ピストンリング本
   体に周方向に一定間隔で形成されたことを特徴
   とする実用新案登録請求の範囲第１項記載のピ
   ストンリング。