專利名稱：內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)及活塞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及安裝到例如汽車用發(fā)動機(jī)等的內(nèi)燃機(jī)的活塞上的活塞環(huán)，尤其涉及配 置用于刮除潤滑油以防潤滑油進(jìn)入燃燒室的油環(huán)。而且，本發(fā)明涉及將這種油環(huán)與壓縮環(huán) 一起搭載的活塞。
背景技術(shù)：
降低汽車用發(fā)動機(jī)等的內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械損失有助于降低燃油消耗，因而針對各種零 件進(jìn)行了降低摩擦的試驗。例如，使內(nèi)燃機(jī)的活塞與汽缸筒間的常用區(qū)域的摩擦損失達(dá)到內(nèi)燃機(jī)整體的實際 機(jī)械損失的20 30%，尤其為了減小活塞環(huán)與汽缸筒間的摩擦，廣泛采用降低活塞環(huán)張力 的手法?；钊h(huán)張力與燃燒室內(nèi)的密封性密切相關(guān)，影響發(fā)動機(jī)油的消耗量。因此，采用不 僅降低活塞環(huán)張力而且使用活塞環(huán)張力偏差小且耐磨性優(yōu)良的CrN等硬質(zhì)薄膜對活塞環(huán) 實施表面處理的方法、或降低活塞環(huán)的表面粗糙度的方法等(參照專利文獻(xiàn)1)。專利文獻(xiàn)1 (日本)特開2006-275269號公報。作為針對活塞環(huán)外周部的表面處理，一般采用鍍Cr。與此相對，上述的耐磨性優(yōu)良 的CrN等硬質(zhì)薄膜處理以往與降低張力一起被采用。但是，以往只不過是將表面處理從鍍Cr簡單地置換為鍍CrN等，幾乎見不到對伴 隨耐磨性的提高而使形狀變更等進(jìn)行研究的例子。因此，從發(fā)明者們的分析可知，無法期待 基于此能夠獲得使活塞環(huán)與汽缸筒間的摩擦降低到初始張力設(shè)定降低的程度。一般來說有如下的趨勢，由于活塞環(huán)外周部與汽缸筒的滑動，活塞環(huán)外周部進(jìn)行 磨損，由于活塞環(huán)外周部的前端部磨損，進(jìn)而使活塞環(huán)截面的凸形狀平坦化。另一方面，在實施高硬度且耐磨性優(yōu)良的CrN膜等硬質(zhì)表面處理的情況下，磨損 速度顯著減小，環(huán)外周部的前端形狀在通常范圍內(nèi)不會發(fā)生平坦化，而是維持初始的狀態(tài)。尤其，在是油環(huán)(刮油環(huán)、控油環(huán))的情況下，由于與壓縮環(huán)(壓力環(huán))相比接觸 范圍狹小、易磨損，為了提高刮油性能，進(jìn)行上述的硬質(zhì)表面處理意義較大。另外，不僅是刮油性能，即使從降低摩擦力的觀點(diǎn)來看，維持油環(huán)外周部的凸形狀 可以抑制活塞環(huán)與汽缸筒接觸幅度，因而滑動時的油粘性阻力變小，與磨損而發(fā)生平坦化 的情況相比，能夠得到理想的形狀。但是，發(fā)明者們在實際使用發(fā)動機(jī)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，與以往考慮的觀點(diǎn)大相徑庭，并 不是油環(huán)外周部前端的凸形狀越銳利越能降低摩擦力。也就是說，在單獨(dú)考慮油環(huán)的情況下，上述觀點(diǎn)成立，但是油環(huán)的刮油性能越高， 供給到壓縮環(huán)的油量越減少，從而會給壓縮環(huán)與汽缸筒之間的油膜形成帶來不良影響。以往分析油環(huán)外周部的形狀的影響的試驗，都是使用馬達(dá)環(huán)試驗或相當(dāng)于環(huán)/缸 徑的試驗片的模擬試驗，均提示了與理論上的預(yù)測匹配的結(jié)果。另一方面，報告了發(fā)動機(jī)燃燒狀態(tài)下的活塞的壓縮環(huán)與汽缸筒之間的油膜實際比
3幾何計算得出的厚度要薄的多。也就是說，過去的試驗例與實際的發(fā)動機(jī)不同，由于油供給 量充足，因而沒有正確反映針對壓縮環(huán)的影響。也就是說，作為降低活塞與汽缸筒之間的摩擦的手段，不僅要降低油環(huán)的摩擦，而 且同時需要考慮降低壓縮環(huán)的摩擦。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是著眼于這種現(xiàn)有技術(shù)的問題點(diǎn)而提出，其目的在于提供一種不僅能夠 降低自身的摩擦而且能夠降低壓縮環(huán)與汽缸筒之間的摩擦的內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)。另外，本發(fā)明提供一種具有與壓縮環(huán)一起作為活塞環(huán)的這種油環(huán)，且能夠降低這 種活塞環(huán)與汽缸筒之間的摩擦力的內(nèi)燃機(jī)用活塞。本發(fā)明的發(fā)明者們?yōu)榻鉀Q上述課題，反復(fù)對油環(huán)的材質(zhì)、形狀進(jìn)行專心的分析、實 驗，從而得出以下結(jié)論。即，不一定將油環(huán)的前端做成尖銳的凸形狀，就能很好地保持向壓 縮環(huán)適當(dāng)供給油的水平。也就是說，得出的結(jié)論與以往的定論相反。本發(fā)明是基于上述見解而得到的發(fā)明，本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)的特征在于，通過 將從硬質(zhì)碳、CrN及TiN組成的組中選擇的至少一種涂覆在外周面而形成，外周前端的滑動 方向的曲率半徑R大于或等于0. 3mm。另外，本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)用活塞的特征在于，上述油環(huán)與壓縮環(huán)分別至少有一個。根據(jù)本發(fā)明，由于將從硬質(zhì)碳、CrN及TiN組成的組中選擇的至少一種涂覆在內(nèi)燃 機(jī)用油環(huán)的外周面，并且外周前端的滑動方向的曲率半徑R大于或等于0. 3mm,因此，能夠 向壓縮環(huán)的滑動面供給適量的油，從而降低內(nèi)燃機(jī)用活塞與汽缸筒之間的摩擦力。


圖IA是表示本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)的形狀例的剖面圖；圖IB是表示本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)的形狀例的內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)的組合圖；圖2是表示用于本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)用活塞的壓縮環(huán)的形狀例的立體圖；圖3是表示本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)用活塞的壓縮環(huán)/油環(huán)的配置例的側(cè)視圖；圖4是基于實施例1 3、15、16、比較例1 3的結(jié)果表示油環(huán)曲率半徑與平均摩 擦力的關(guān)系的圖。
具體實施例方式下面，進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)及活塞，同時說明發(fā)明特定事項的 作用及各種數(shù)值的限定理由等。本發(fā)明是基于以下發(fā)現(xiàn)而得到的發(fā)明。即，在至少配置壓縮環(huán)與油環(huán)兩個活塞環(huán) 構(gòu)成的內(nèi)燃機(jī)用活塞中，通過將油環(huán)外周形狀的前端曲率半徑R設(shè)置為大于或等于0. 3mm, 能夠顯著降低活塞環(huán)與汽缸筒之間的摩擦力。也就是說，由于油環(huán)的前端外周面的前端曲率半徑R大于或等于0. 3mm,因而油環(huán) 不會完全刮除汽缸筒面的潤滑油而是適度存留潤滑油來降低汽缸筒面與壓縮環(huán)之間的摩 擦，從而降低了活塞整體的摩擦力。此時，在上述曲率半徑R小于0. 3mm的情況下，潤滑油存留量變少，因而不能充分降低活塞的摩擦力。另一方面，即使曲率半徑R變大，活塞整體的摩擦力并不會增大。但是，一旦曲率 半徑R過大，則存在油環(huán)相對缸徑面的接觸阻力增大從而損害油環(huán)本來功能的可能性。因 此，曲率半徑R優(yōu)選小于或等于6mm，更優(yōu)選小于或等于3mm。此外，在本發(fā)明中，所謂“曲率半徑R”是指在圖IA所示的油環(huán)Ro的外周部的縱向 截面，在以外周徑最大部T為中心的滑動方向(板厚方向)寬度200 μ m的范圍測定徑向高 低差Z，利用下面的公式(1)算出的平均曲率半徑。R = Z/2+OX104)/8Z (單位μπι) (1)另外，在本發(fā)明中，由于使用硬質(zhì)碳、CrN、TiN覆蓋油環(huán)Ro的外周面1，所以能夠使 磨損導(dǎo)致的形狀變化顯著減少，從而防止油環(huán)Ro的前端形狀平坦化。由此，能夠長時間維 持汽缸筒面與壓縮環(huán)Rc(參照圖幻之間的摩擦力降低的效果。此外，類金剛石碳(下面略 稱為“DLC”)等硬質(zhì)碳覆膜適合使用。另外，在本發(fā)明中，由于使油環(huán)Ro的前端外周形狀的前端曲率半徑R小于或等于 6mm，進(jìn)一步使其小于或等于3mm，所以油環(huán)Ro與汽缸筒之間的摩擦力進(jìn)一步降低。也就是說，由于油環(huán)Ro的前端外周面1的曲率半徑R大于或等于0. 3mm、小于或等 于6_，其進(jìn)一步大于或等于0. 3_、小于或等于3_，因而油環(huán)Ro不會完全刮除汽缸筒面的 潤滑油而是適當(dāng)?shù)卮媪魸櫥?，從而能夠降低活塞P(參照圖幻整體的摩擦力。另外，在本發(fā)明中，由于油環(huán)Ro的外周面的硬度大于或等于2000HV，因而能夠顯 著減小因磨損導(dǎo)致的油環(huán)R0的形狀變化，從而防止油環(huán)Ro的前端形狀平坦化。由此，能夠 長時間維持汽缸筒面與壓縮環(huán)Rc之間的摩擦力降低的效果。反之，在油環(huán)Ro的外周面的硬度小于2000HV的情況下，存在以下問題，即、即使將 初始環(huán)外周形狀平坦化，成為大于或等于0. 3mm的曲率半徑R，油環(huán)Ro的外周部的磨損與行 駛距離成比例而加劇進(jìn)行，進(jìn)一步平坦化導(dǎo)致摩擦力增大，油的消耗量也會增大。從能可靠實現(xiàn)降低摩擦力的效果的觀點(diǎn)來看，作為油環(huán)Ro的外周面1的表面粗糙 度，中心線平均粗糙度Ra優(yōu)選小于或等于0. 1 μ m。由于不僅能夠得到用于提高耐磨性所需要的硬度，而且滑動特性優(yōu)良、能夠大幅 度地降低摩擦，因而優(yōu)選將上述硬質(zhì)覆蓋膜中的DLC膜覆蓋在油環(huán)Ro的外周面1。這種DLC 覆膜能夠通過例如等離子CVD法來成膜。此時，由于當(dāng)DLC覆膜中的氫元素含量增加，則存在硬度降低且摩擦系數(shù)增大的 趨勢，所以優(yōu)選使DLC覆膜中的氫元素含量小于或等于10at%。并且，為了進(jìn)一步提高硬 度，進(jìn)一步使?jié)櫥椭械哪Σ料禂?shù)減小來確保更加穩(wěn)定的滑動特性，優(yōu)選使DLC覆膜中的 氫元素含量小于或等進(jìn)一步優(yōu)選使其小于或等于Iat%。通過利用例如噴鍍法或離子鍍膜法等物理蒸鍍(PVD)法，即利用實質(zhì)上不使用氫 或含氫化合物的方法成膜，得到這種含氫量低的DLC膜。在這種情況下，為了減少覆膜中的 含氫量，優(yōu)選不僅在成膜時使用不含氫的氣體，而且根據(jù)不同情況充分進(jìn)行反應(yīng)容器、基材 支承裝置的干燥以及基材表面的清潔后成膜。如上所述，當(dāng)在油環(huán)Ro的外周面1上形成硬質(zhì)覆膜的情況下，外周面1的表面粗 糙度大致取決于基材成膜面的粗糙度。因此，為了使油環(huán)Ro的外周面1的表面粗糙度Ra 小于或等于0. 1 μ m，需要使基材面的表面粗糙度也小于或等于0. 1 μ m。
以上，說明了油環(huán)Ro。在本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)用活塞P中，從耐磨性/摩擦特性的觀 點(diǎn)來看，與上述油環(huán)Ro —起使用的壓縮環(huán)Rc的外周面2 (參照圖2、的硬度及粗糙度分別 優(yōu)選大于或等于2000Hv、小于或等于0. 1 μ m。而且，壓縮環(huán)Rc的外周面2具有類金剛石碳 (DLC)覆膜，這種DLC覆膜中的含氫量優(yōu)選為10at%。實施例下面，根據(jù)實施例及比較例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但是本發(fā)明并不僅限于這些實 施例。[油環(huán)R0的制作]冷拔JIS G 3506 (硬鋼線材)規(guī)定的碳鋼材料SWRH72后，對其實施淬火回火處 理。得到使0.4mmX2. Omm的矩形截面中寬度0.4mm的一面為圖IB的外周面的曲率半徑 R(0.2 2mm)的線材。然后，使該線材成形為外形(標(biāo)稱直徑)93mm的環(huán)狀，切削接縫部 分。然后，在實施消除應(yīng)力熱處理并進(jìn)行外周研磨之后，利用離子鍍膜法在各自的外 周面實施CrN膜或DLC膜的覆膜處理，然后通過拋光得到各自的表面粗糙度。此外，通過改 變原料中的氫濃度來調(diào)整DLC膜的含氫量。如圖IB所示，通過在按照上述要領(lǐng)制作的兩個側(cè)導(dǎo)軌A之間組合由SUS304構(gòu)成 的隔墊B，制作組裝時具有20N的張力的油環(huán)Ro。[壓縮環(huán)Rc的制作]冷拔JIS G 3561 (閥簧用油回火線)規(guī)定的Cr_V系耐熱彈性材料SWOSC-V后，對 其實施淬火回火處理。得到具有1. 2mmX2. 5mm的矩形截面的線材。接著，將該線材成形為環(huán)狀，以使當(dāng)組裝到內(nèi)徑為93mm的汽缸襯墊時具有ION的 張力，切削成為接縫的部分，來制作如圖2所示的壓縮環(huán)Re。利用與上述油環(huán)Ro中使用的 方法相同的方法在壓縮環(huán)Rc的外周面實施CrN膜或DLC膜的覆膜處理。[第二壓縮環(huán)Rc的制作]通過切削灰口鐵將其加工成截面形狀為1. 5mmX2. 5mm。將該灰口鐵成形為環(huán)狀， 以使當(dāng)組裝到內(nèi)徑為93mm的汽缸襯墊時具有ION的張力，切除成為接縫的部分。[滑動試驗]如圖3所示，作為汽車用發(fā)動機(jī)的活塞，準(zhǔn)備了日產(chǎn)汽車制VQ30DE發(fā)動機(jī)用活塞 P。并且，將通過上述方法制作的兩個壓縮環(huán)Re、Rc作為第一環(huán)及第二環(huán)，分別安裝到環(huán)槽 Gl及環(huán)槽G2中。并且，將通過上述方法制作的一個油環(huán)Ro安裝到環(huán)槽Gl及環(huán)槽G2下方 側(cè)的環(huán)槽G3，利用單體摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行活塞P與汽缸筒之間的滑動試驗。這里，單體摩擦磨損試驗機(jī)具有安裝到活塞的測力傳感器檢測通過利用液壓驅(qū)動 使汽缸筒側(cè)振動而在活塞P與汽缸筒之間產(chǎn)生的摩擦力的結(jié)構(gòu)。并且，作為潤滑油，可以使 用市面銷售的5W30粘度的發(fā)動機(jī)油，通過在上述試驗時施加每分鐘700次的振動來分別測 定其平均摩擦力。表1表示了其結(jié)果和壓縮環(huán)Rc及油環(huán)Ro規(guī)格的組合。[表1]
權(quán)利要求
1.一種內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)，其特征在于，其通過將從硬質(zhì)碳、CrN及TiN組成的組中選擇的 至少一種涂覆在外周面而形成，外周前端的滑動方向的曲率半徑R大于或等于0. 3mm。
2.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)，其特征在于，所述曲率半徑R小于或等于6mm。
3.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)，其特征在于，所述曲率半徑R小于或等于3mm。
4.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)，其特征在于，所述外周面的硬度大于或等于 2000Hv。
5.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)，其特征在于，所述外周面的粗糙度Ra小于或等 于 0. 1 μ m。
6.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)，其特征在于，涂覆在所述外周面的所述硬質(zhì)碳 為類金剛石碳，所述類金剛石碳膜中的含氫量小于或等于10at%。
7.如權(quán)利要求6所述的內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)，其特征在于，所述類金剛石碳膜中的含氫量小 于或等于5at%。
8.如權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)，其特征在于，所述類金剛石碳膜中的含氫量小 于或等于lat%。
9.如權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)，其特征在于，當(dāng)在以作為所述外周面的所述外 周前端的外周徑最大部為中心的所述油環(huán)滑動方向?qū)挾?00 μ m的范圍，測量徑向高低差Z 時，通過下面的公式(1)艮P、R = Z/2+(2X104)/8Z (1)計算所述曲率半徑R，其中，R的單位為ym。
10.一種內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，其包括權(quán)利要求1所述的油環(huán)和至少兩個壓縮環(huán) 的活塞環(huán)。
11.如權(quán)利要求10所述的內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，在所述壓縮環(huán)的外周面上具有 類金剛石碳膜。
12.如權(quán)利要求11所述的內(nèi)燃機(jī)用活塞，其特征在于，所述壓縮環(huán)的所述外周面的所 述類金剛石碳膜的含氫量小于或等于10at%。
全文摘要
本發(fā)明的內(nèi)燃機(jī)用油環(huán)(Ro)的特征在于，通過將從硬質(zhì)碳、CrN及TiN組成的組中選擇的至少一種涂覆在外周面(1)而形成，且外周前端(T)的滑動方向的曲率半徑(R)大于或等于0.3mm。
文檔編號F02F5/00GK102066817SQ200980123870
公開日2011年5月18日 申請日期2009年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月23日
發(fā)明者吉田誠, 樋口毅, 馬淵豐 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社