JPH09196171A - ピストンリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピストンリングの重量を増加させることな
く、強度、耐久性を向上させ、且つ径方向固有振動数を
高い値に設定することにより、ピストンリングの径方向
運動の共振回転数を実用運転範囲外としたピストンリン
グの提供。 【解決手段】 合い口部２を有するピストンリング１の
径方向厚さＴは、合い口部２近傍程薄く、合い口部２か
ら遠ざかる程徐々に厚く、合い口部２の反対側３におい
てほぼ最大になっている。従って、ピストン１の重量は
増加することはない。また曲げ応力σは合い口部２の反
対側３は小さく、合い口部２近傍程大きくなり、曲げ応
力全体としては均一となる。よって、曲げ応力の最大値
は減少するため、ピストンリングの強度と耐久性を向上
させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼル機関、
ガソリン機関及びガス機関等の内燃機関のピストンリン
グに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の内燃機関は、図１２に示すよう
に、ピストン２０の上部に３本のリング溝２１，２２，
２３が設けられており、これらのリング溝にはピストン
リング２４，２５，２６が嵌合されている。上、中の２
本のピストンリング２４，２５は圧力リングと呼ばれシ
リンダ内の混合気や爆発ガス、及び排気ガスのピストン
２０下方への漏洩を防止し、下のピストンリング２６は
オイルリングと呼ばれ、シリンダ壁面に残るオイルをか
き落とす。そして、２本の圧力リング２４，２５を使用
してリングの隙間から漏れるガスを２段構えで防止する
ようにしている。

【０００３】上記圧力リング２４，２５は、図１３に示
すように、円環輪形状をしており、ピストン２０への組
付け、及び熱膨張を考慮して合い口部２７が設けられて
いる。一般に、圧力リング２４，２５の形状は、外周半
径Ｒ、径方向リング厚さＴ、リング幅Ｂにて表現されて
いる。図１４は、ピストン２０とピストンリング２４，
２５，２６が内燃機関本体に組込まれている状態を示し
たものである。ピストンリング２４，２５，２６を組付
けたピストン２０は内燃機関本体の円筒ボア２８内に嵌
合されており、機関の運転中は円筒ボア２８内を往復運
動する。そして、該円筒ボア２８は、ボア製作加工上の
精度、ヘッドボルトの締付け、熱変形、荷重変形、及
び、摩耗等により正確な円筒形をしておらず、円筒ボア
２８の内面は、変形部分３０が生じている。該円筒ボア
２８内の変形部分３０をピストン２０が往復運動する
と、図１５に示すように、圧力リング２４，２５には、
円筒ボア２８の円筒内径の変化により、圧力リング２
４，２５の合い口隙間２７が大きくなったり小さくなる
ような力Ｆが作用する。

【０００４】図１６は、圧力リングの合い口部２７に力
Ｆが作用した場合のモーメントの分布状態を示した図で
あり、図１６（ａ）は圧力リングに曲げモーメント
（Ｍ）が作用した場合の分布図、図１６（ｂ）は圧力リ
ングに曲げ応力（σ）が作用した場合の分布図である。
圧力リングに作用する曲げモーメント（Ｍ）の分布は合
い口部２７と反対の方向３１で最大となる。従来の圧力
リングは、径方向リング厚さＴ寸法、及び、リング幅Ｂ
寸法が一定であり、且つ、圧力リングの断面積と断面係
数が一定となっている。そして、圧力リングに作用する
曲げ応力（σ）は、 σ＝Ｍ／Ｚ 但し、Ｚ：リング断面係数 で示されるため、曲げ応力（σ）の分布は、図１３
（ｂ）で示すように、曲げモーメント（Ｍ）の分布と同
様、合い口部２７の反対の方向３１で最大となる。曲げ
応力（σ）の大きさは、圧力リングの強度や耐久性を決
定する要因であり、従来の圧力リングにおいては、曲げ
応力の最大となる合い口部２７の反対方向３１が最も弱
く且つ破損し易いことになる。従って、圧力リングの強
度や耐久性を強くするためには、リング幅Ｂ寸法、径方
向リング厚さＴ寸法を大きな値とするのが有効である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、リング
幅Ｂ寸法、径方向リング厚さＴ寸法を大きくすると、圧
力リングの重量が増加し、ピストンのリング溝内を圧力
リングが上下運動する現象、いわゆる、フラッタリング
現象等の新たな問題が生起する。また、図１４に示した
ように、ピストン２０が円形ボア２８内の変形部３０を
往復運動すると、圧力リング２４，２５には、合い口部
２７の隙間が変化する径方向の運動が生ずる（図１７参
照）。このとき、圧力リング２４，２５の径方向の運動
周期は内燃機関の往復運動周期の２倍の周期となる。そ
して、機関は、通常６００回転／分から８０００回転／
分の回転数にて使用され、それに応じて圧力リングの径
方向運動の周期が変化する。圧力リングの径方向運動周
期が圧力リングの径方向固有振動数に近い場合、圧力リ
ングの径方向運動に共振が発生し、圧力リングの径方向
運動の振幅が大きくなるため、圧力リングが円筒ボア周
面から離れる現象が発生する。ところで、ピストンリン
グは、（１）機関の燃焼室内の高圧ガスをシールする機
能、（２）円筒ボアの内側壁面に付着している潤滑オイ
ルを掻き落す機能、（３）機関のオイルパン内の潤滑オ
イルが燃焼室内へ進入するのを阻止する機能、の３つの
機能を有しているが、ピストンリングが円筒ボア内周面
から離れると、この３つの機能が低下し、ブローバイガ
ス増加等の機関の性能低下と、オイル消費量が増大する
という問題が惹起する。

【０００６】これに対して、気密性を保持し、オイル消
費量を少なくするために、ピストンリング部材を密着さ
せて略１回半程度巻回し、両端面を互いに平行面とし、
且つ、外周面を両端面に対して直角に形成したピストン
リングが特開平５−２２３１７１号公報に記載されてい
る。しかしながら、このピストンリングも製作と強度と
耐久性に問題点を有する。

【０００７】本発明は、叙上の問題点に鑑みて創出され
たものであり、その目的とするところは、ピストンリン
グの重量を増加させることなく、ピストンリングの強
度、耐久性を向上させ、且つ、ピストンリングの径方向
固有振動数を高い値に設定することにより、ピストンリ
ングの径方向運動の共振回転数を実用運転範囲外とした
ピストンリングを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の手段を採用することができる。この
手段によると、ピストンリングの径方向厚さを可変とし
ているため、ピストンリングの重量を増加させることは
ない。また、曲げ応力は合い口部の反対側は小さく、合
い口部近傍程大きくなり、曲げ応力全体としては均一と
なる。従って、曲げ応力の最大値は減少するため、ピス
トンリングの強度と耐久性を向上させることができる。
更に、ピストンリングの径方向固有振動数を高く設定す
ることができるため、共振周波数を機関の実用回転範囲
より高くすることができる。また、上記課題を解決する
ために、請求項２記載の手段を採用することができる。
この手段によると、ピストンリングの軸方向幅を可変と
しているため、ピストンリングの重量を増加させること
はない。また、曲げ応力は合い口部の反対側は小さく、
合い口部近傍程大きくなり、曲げ応力全体としては均一
となる。従って、曲げ応力の最大値は減少するため、ピ
ストンリングの強度と耐久性を向上させることができ
る。更に、ピストンリングの径方向固有振動数を高く設
定することができるため、共振周波数を機関の実用回転
範囲より高くすることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明のピストンリングの第１の
実施形態を図１及び図２（ａ），（ｂ）に基づいて説明
する。図において、合い口部２を有するピストンリング
１の径方向厚さＴは、合い口部２近傍程薄く、合い口部
２から遠ざかる程徐々に厚く、合い口部２の反対側３に
おいてほぼ最大となっている。従って、図２（ａ）に示
すように、合い口部２に力Ｆが作用した場合、曲げモー
メント（Ｍ）は従来のピストンリングと同様、合い口部
２の反対方向３で最大となるが、断面積、断面係数Ｚは
合い口部２近傍程小さく、合い口部２の反対方向３程大
きいため、曲げ応力（σ）は、図２（ｂ）に示すよう
に、従来のピストンリングと比較して合い口部２の反対
側３は小さく、合い口部２近傍程大きくなり、曲げ応力
（σ）全体としては均一となる。この構成により、曲げ
応力（σ）の最大値は減少するため、ピストンリングの
強度と耐久性を向上させることができる。

【００１０】このように、本実施形態においては、合い
口部２の反対方向３の径方向厚さ寸法Ｔは大きいもの
の、合い口部２近傍は小さくしてあるため、ピストンリ
ング１の重量を増加させることなく、ピストンリング１
の強度と耐久性を向上させることができるばかりでな
く、ピストンリング１の径方向固有振動数を高く設定で
きるため、共振振動数を機関の実用回転範囲より高くす
ることにより、ピストンリング１の機関の円周ボア内周
面離れによるブローバイガスの増加、オイル消費量の増
加を防止することができる。

【００１１】本実施形態のピストンリング１を嵌装した
ピストン５を機関本体６に装着すると、図３に示すよう
に、ピストンリング溝７とピストンリング１との隙間に
片寄りが生ずるが、ピストンリング１外周面は機関本体
６の円周ボア８の円周面と接触しているため、前述した
ピストンリングの３つの機能を低下させることはなく大
きな問題とはならない。

【００１２】しかしながら、上記隙間の片寄りに関して
は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、隙間の片寄りを
補助するためのバックアップリング１０を合い口部２内
側に配置して使用したり（バックアップリング方式）、
図５（ａ），（ｂ）に示すように、合い口部分２近傍の
ピストンリング幅Ｔ′寸法のみを大きくして填め合せ部
１１を形成することにより（合い口填め合い方式）、容
易に解決することができる。

【００１３】図６は本発明の第２の実施形態を示したも
のである。図１に示される第１の実施形態においては、
ピストンリング１の径方向厚さＴを合い口部２近傍程薄
く、合い口部２の反対方向３程厚くしたが、第２の実施
形態においては、ピストンリング軸方向幅Ｂは、合い口
部２近傍程狭く、合い口部２から遠ざかる程徐々に広
く、合い口部２の反対方向３においてほぼ最大となって
いる。従って、図７（ａ）に示すように、合い口部２に
力Ｆが作用した場合、曲げモーメント（Ｍ）は従来のピ
ストンリングと同様、合い口部２の反対方向３で最大と
なるが、断面積、断面係数Ｚは合い口部２近傍程小さ
く、合い口部２の反対方向３程大きいため、曲げ応力
（σ）は、図７（ｂ）に示すように、従来のピストンリ
ングと比較して合い口部２の反対方向３は小さく、合い
口部２近傍程大きくなり、曲げ応力（σ）全体としては
均一となる。この構成により、曲げ応力（σ）の最大値
は減少するため、ピストンリングの強度と耐久性を向上
させることができる。

【００１４】このように、本実施形態においては、合い
口部２の反対方向３のピストンリング軸方向幅Ｂ寸法は
大きいものの、合い口部２近傍は小さくしてあるため、
ピストンリング１の重量を増加させることなく、フラッ
タリング等の問題も生起させることはない。更に、合い
口部２の反対方向３のピストンリング軸方向幅Ｂ寸法が
大きいことによる曲げ剛性増加と、合い口部２の上記幅
Ｂ寸法が小さいことによる合い口部２近傍の軽量化によ
り、ピストンリングの径方向固有振動数を高くすること
ができる。これにより、リング径方向運動の共振の発生
する内燃機関回転数を実用範囲外の高い回転数にするこ
とができるため、ピストンリング１の機関の円周ボア内
周面離れによるブローバイガスの増加・オイル消費量の
増加を防止することができる。

【００１５】本実施形態のピストンリング１を嵌装した
ピストン５を機関本体６に装着すると、図８に示すよう
に、ピストンリング溝７とピストンリング１との間に軸
方向隙間に片寄りが生ずるが、ピストンリング１外周面
は機関本体６の円周ボア８の内周面と接触しているた
め、前述したピストンリングの３つの機能を低下させる
ことはなく大きな問題とはならない。

【００１６】しかしながら、上記軸方向隙間の片寄りに
関しては、図９（ａ），（ｂ）に示すように、軸方向隙
間の片寄りを補助するための、バックアップリング１２
を合い口部２側に重ね合せたり（バックアップリング方
式）、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、合い口部２
近傍のピストンリング軸方向幅Ｂ′寸法のみを大きくし
て填め合せ部１３を形成することにより（合い口填め合
い方式）容易に解決することができる。

【００１７】図１１は本発明の第３の実施形態を示した
ものである。第１の実施形態においては、ピストンリン
グ１の径方向厚さＴ寸法を変化させ、また、第２の実施
形態においては、ピストンリング１の軸方向幅Ｂ寸法を
変化させているが、本実施形態においては、ピストンリ
ング１の径方向厚さＴ寸法と、軸方向幅Ｂ寸法の両方を
変化させるようにしたものである。このような構成によ
っても本発明の目的を達成し得ることは言うまでもない
ことである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のピストンリングの第１の実施形態を示
す斜視図である。

【図２】本発明のピストンリングの第１の実施形態の曲
げモーメントと曲げ応力の分布図であり、図２（ａ）は
曲げモーメントの分布図、図２（ｂ）は曲げ応力の分布
図を示したものである。

【図３】第１の実施形態を機関本体に装着した状態図で
ある。

【図４】第１の実施形態を補助するための一実施例の説
明図であり、図４（ａ）はその平面図、図４（ｂ）は図
４（ａ）の実施例を機関本体に装着した状態図である。

【図５】第１の実施形態を補助するための他の実施例の
説明図であり、図５（ａ）はその平面図、図５（ｂ）は
図４（ａ）の実施例を機関本体に装着した状態図であ
る。

【図６】本発明のピストンリングの第２の実施形態を示
す斜視図である。

【図７】本発明のピストンリングの第２の実施形態の曲
げモーメントと曲げ応力の分布図であり、図７（ａ）は
曲げモーメントの分布図、図７（ｂ）は曲げ応力の分布
図、図７（ｃ）は本実施形態のピストンリングの側面図
を示したものである。

【図８】第２の実施形態を機関本体に装着した状態図で
ある。

【図９】第２の実施形態を補助するための一実施例の説
明図であり、図９（ａ）はその分解斜視図、図９（ｂ）
は図９（ａ）の実施例を機関本体に装着した状態図であ
る。

【図１０】第２の実施形態を補助するための他の実施例
の説明図であり、図１０（ａ）はその斜視図、図１０
（ｂ）は図１０（ａ）の実施例を機関本体に装着した状
態図である。

【図１１】本発明のピストンリングの第３の実施形態を
示す斜視図である。

【図１２】従来の内燃機関のピストンを示す正面図であ
り、図１２（ａ）はピストンリングが嵌装されていない
ピストンの平面図、図１２（ｂ）はピストンリングが嵌
装されたピストンの平面図である。

【図１３】従来のピストンリングを説明した図であり、
図１３（ａ）はピストンリングの平面図、図１３（ｂ）
はピストンリングの側面図である。

【図１４】ピストンリングを嵌装したピストンが内燃機
関本体に組込まれた状態図である。

【図１５】従来のピストンリングを示す斜視図である。

【図１６】従来のピストンリング曲げモーメントと曲げ
応力の分布図であり、図１６（ａ）は曲げモーメントの
分布図、図１６（ｂ）は曲げ応力の分布図を示したもの
である。

【図１７】従来のピストンリングの作動状態を示す説明
図である。

【符号の説明】

１…ピストンリング ２…合い口部 ３…合い口部の反対側 ７…ピストンリング溝 １０，１２…バックアップリング １１，１３…填め合せ部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 守野 哲也 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 鈴木 孝男 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 土屋 亜砂美 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 高井 正徳 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 合い口部を有するピストンリングにおい
   て、該ピストンリングの径方向厚さは上記合い口部近傍
   程薄く、且つ、上記合い口部から遠ざかるにつれて徐々
   に厚くなっており、上記合い口部の反対側の径方向厚さ
   は最大となっていることを特徴とするピストンリング。
2. 【請求項２】 合い口部を有するピストンリングにおい
   て、該ピストンリングの軸方向幅は上記合い口部近傍程
   狭く、且つ、上記合い口部から遠ざかるにつれて徐々に
   広くなっており、上記合い口部の反対側の軸方向幅は最
   大となっていることを特徴とするピストンリング。
3. 【請求項３】 上記ピストンリングの軸方向幅は、上記
   合い口部近傍程狭く、且つ、上記合い口部から遠ざかる
   につれて徐々に広くなっており、上記合い口部の反対側
   の軸方向幅は最大となっていることを特徴とする請求項
   １記載のピストンリング。
4. 【請求項４】 上記合い口部の内周側に、上記ピストン
   リングとピストンリング溝との径方向隙間の片寄りを補
   助するためのバックアップリングが配置されていること
   を特徴とする請求項１又は請求項３記載のピストンリン
   グ。
5. 【請求項５】 上記ピストンリングの合い口部近傍の径
   方向厚さ寸法を大きくした填め合せ部を形成したことを
   特徴とする請求項１又は請求項３記載のピストンリン
   グ。
6. 【請求項６】 上記合い口部側に、上記ピストンリング
   とピストンリング溝との軸方向隙間の片寄りを補助する
   ためのバックアップリングが配置されていることを特徴
   とする請求項２又は請求項３記載のピストンリング。
7. 【請求項７】 上記ピストンリングの合い口部近傍の軸
   方向幅寸法を大きくした填め合せ部を形成したことを特
   徴とする請求項２又は請求項３記載のピストンリング。