专利名称：衬套扩展器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内燃机中活塞的进行控油等三段式组合活塞环的衬套扩展器。
背景技术：
图9所示为内燃机中活塞所装设的一般活塞环剖面构成图。在活塞100上形成用于插入活塞环的环沟110、120、130。而这些环沟中，由以封住气体为主要目的的两个压力环200、210以及由控油并封油为主要目的的三段式活塞环220所插入。伴随着活塞100反复动作，这些环的外周滑动面在气缸(cylinder)300的内壁滑动。
三段式活塞环220，由轴方向上下一对的侧轨230、240，与于其间所组成。将侧轨230、240由内侧加以施压，于侧轨230、240所产生张力以形成衬套扩展器250。关于这些各部份的形状，乃记载于非专利文献1中的第3～5页。
侧轨230、240是通过于衬套扩展器250轴方向形成具有角度的耳部252，乃面向气缸(cylinder)壁面的半径方向以及面向环沟上下的轴方向，通过分力(component force)加以施压。因此，侧轨230、240能在气缸(cylinder)壁面以及环沟130的上下面发挥密封(seal)效能。
这些组合活塞环的衬套扩展器构成，公布在专利文献1中。衬套扩展器将带状金属板以齿轮加工，于轴方向形成波纹，并通过波纹部分的张力，将侧轨外周衔接气缸(cylinder)内周面，以确保其密封性。且，波纹部形成油的出入口，能有效防止其粘着。再者，衬套扩展器的内周中，将侧轨施压至半径方向外侧，形成活塞轴方向突出部(耳部)，则外周则形成一支撑侧轨轴方向的突起部。
近年来随着引擎低耗油化，活塞环的薄体化、轻量化也为大众所期待。以三段式活塞环轴方向薄体化的实例公布在专利文献2中。这种活塞环的扩展器，为轴方向呈波纹的钢制带状板所构成，上方片和下方片于轴方向间隔成环状相互配置，两者乃朝轴方向延伸于中间片接续。扩展器不插入于两轨间，而是通过设于扩展器外周的上下一对锥面，由内侧将上下轨加以施压，让轨道接触至气缸(cylinder)内周面。扩展器因为无插入上下轨间，故可以缩小活塞环的轴方向的幅度。
于专利文献3中公布了由剖面略呈横倒T字型钢材所形成的薄体化三段式活塞环的衬套扩展器。这种衬套扩展器，在外侧隆起处上下形成侧轨支撑面，其内侧端面上下交错曲折，将侧轨加以施压形成上下的衬垫(pad)。衬垫部是通过塑性材料曲折加工所形成，故厚度薄且刚性低，所以变形自由度大。通过衬垫部的弹性将侧轨加压至气缸(cylinder)内周面，故嵌合性优异，与现有的活塞环相比较，即使其张力低亦可维持高度密封性效能。
再者，如专利文献4中所公开的一种衬套扩展器，其外侧为厚、内侧为薄的钢板内侧和外侧交互切入的切缝口(slit)；而夹住外侧切缝口(slit)的外侧部分以及夹住内侧切缝口(slit)的内侧部分交互上下曲折，朝向外侧面支撑侧轨的薄体三段式活塞环。此衬套扩展器，其内侧部分的刚性高，为使其容易产生弹性变形，故侧轨对应于气缸(cylinder)内周面的凹凸，可以确实地嵌合。
《非专利文献1》“内燃机—小孔径活塞环—第13部钢制组合控油环”、JIS B 8032-13、平成10年12月20日制定、p.1-14《专利文献1》特开平6-81950号《专利文献2》特开平4-300467号《专利文献3》特开平5-87240号《专利文献4》特开平5-106734号发明内容如专利文献1所示的组合活塞环中，乃由侧轨的内周面与衬套扩展器的耳部相接而组成；其中，活塞环组合时轴方向的幅度，则会依照连结衬套扩展器的波纹上方片和下方片连结部轴方向的幅度。因此，若能够将衬套扩展器连结部的轴方向幅度缩小的话，亦能将衬套扩展器和侧轨组合时的轴方向幅度缩小。但，现有的衬套扩展器是通过齿轮加工制作呈波纹状；所以，在制造上难以将连结部的幅度在轴方向缩小，因此组合时缩小轴方向的幅度是有限制的。
且，专利文献2所示的扩展器形状，轨道(rail)和扩展器的接触部分只有轨道(rail)内周面和扩展器的锥面，所以难以控制气缸(cylinder)内上下轨道(rail)外周部分轴方向的移动量。气缸(cylinder)内周面中，轨道(rail)外周面移动量大，轨道(rail)外周面和气缸(cylinder)内周面间容易产生振动现象，不仅因薄体化而不会有降低油耗的效果，更会形成产生异音的原因。
再者，利用如专利文献3及4所示的钢材方法中，通常钢材本身价格高，而且外侧及内侧交互形成一定幅度和数量的切缝口(slit)，因有必要调整衬套扩展器的张力，故加工工程复杂且自由度降低。再者，因为钢材本身的厚度和重量，所以薄体化和轻量化有所限制。
因此本发明的目的是为提供具有优异的嵌合性和安定性，并通过简单的工程达至低耗油，提供低成本，轴方向有效的薄体化的组合活塞环的衬套扩展器。
本发明是为衬套扩展器，是由一对侧轨构成可轴方向薄体化的组合活塞环衬套扩展器，其特征是藉由平板状金属，其内周将侧轨往半径方向外侧加压以形成活塞轴方向突出部，邻接轴方向突出部的外周部分则会被挖离，邻接挖离部分(切缝口(slit))的外周形成轴方向支撑侧轨的突起部。
本发明的衬套扩展器其特征是内侧透过接续部分在轴方向上下交互形成内周突出部，内周突出部的外侧则设有切缝口(slit)，接续部分则面向外侧延伸。其中，接续部分的外侧朝轴方向突出以形成上下支持部为适宜。另外，内周突出部的外侧为锥面。
本发明的衬套扩展器是由带状金属板所构成，利用内侧耳部(内周突出部分)的轴方向波纹状的张力，因此不必像现有技术一般于外侧形成调整张力用的波纹形状。因此，组合轴方向幅度会构成上下侧轨轴方向幅度的总和与构成衬套扩展器的带状金属板的厚度或配合衬套扩展器外周幅度的尺寸，所以比起使用现有衬套扩展器的情形下，能够大幅度的缩减组合活塞环的轴方向幅度，其结果是能够将活塞小型化、轻量化，且能够实现引擎低油耗化。且，接续部分延伸至外侧，故具有优异的安装性和安定性，再者，通过为支撑侧轨而形成于衬套扩展器的上下支持部，更能够得到优异的安定性和嵌合性。
图1是有关于本发明实施例的组合活塞环的剖面构成图；图2是表示图1中衬套扩展器的部份扩大斜视图；图3是表示于图2的沿X-X线的纵剖面图；图4是表示衬套扩展器各部分的概略平面图和概略侧面图；图5是表示衬套扩展器和侧轨组合时的斜视图；图6是表示衬套扩展器变形例的示意图；图7是表示本发明的衬套扩展器的其它变化例的示意图；图8是表示比较油品消耗性能测验的示意图；图9是表示一现有活塞环的剖面图。
附图标记说明10活塞；12环沟；14气缸(cylinder)；16上面；18下面；20组合活塞环；30、40侧轨；50衬套扩展器；51内周突出部；52内周上侧突出部；53内周下侧突出部；54切缝口(slit)；55接续部分；56外周突出部；57外周上侧突出部；58外周下侧突出部；59锥面。
具体实施例方式
以下，乃针对本发明的实施型态，通过附图加以详细说明。
实施例图1是有关于本发明的实施例，表示三段式组合活塞环的构成剖面图，图2是为衬套扩展器的部分扩大斜视图，图3是为图2的沿X-X线的衬套扩展器纵剖面图。图1中，于活塞10的活塞环沟12内中，因为油封(oil seal)及控油的缘故，安装活塞环20。
于活塞10的活塞环沟12内装上组合活塞环20时，一对侧轨30、40的外周面以一定的表面压来接触气缸(cylinder)14的内周面。
衬套扩展器50，如图2所示为带状金属板的加工，其内侧以一定的间隔突出于活塞的轴方向(以下称轴方向)，以具有多个的内周突出部51。内周突出部51具有朝圆弧状突出面突出于上方的内周上侧突出部52，和朝下方突出的内周下侧突出部53，这些突出部52、53会透过平坦的接续部分55交互配置于周边方向，形成波纹状(以下称内周波纹)。
内周上下突出部52、53的外侧设有矩形切缝口(空处)54。接续部分55的外侧形成外周突出部56。外周突出部56，由接续部分55突出于轴方向上方的外周上侧突出部57，和突出于轴方向下方的外周下侧突出部58所构成。如图2所示的实例，其外周上侧突出部57和外周下侧突出部58乃形成于接续部分55的外侧，邻接接续部分55，上侧突出部57和下侧突出部58会反转，多个的接续部分55以一组或一对的方式邻接接续部分55配置至周边方向。上侧突出部57和下侧突出部58，其各自具有平坦的突出面，通过此面支撑侧轨。
图中接续部分55会在平坦的外侧前端部形成上下突出部(支持部)56，但本发明并不仅限于此构造。例如，即使上下支持部尚未形成平坦接续部分，若是延伸至外侧，对组合活塞环活塞的附着性亦会提高，其侧轨的安定性亦会相对提高。再者，这种组合的轴方向幅度，会适合于上下侧轨轴方向幅度和衬套扩展器的带状金属板厚度的尺寸，可大幅地薄体化。且，形成上下支持部并非只限定于外侧前端部。举例而言，亦能够将接续部分55中，突出于轴方向上下径方向的沟形成放射状。此沟从接续部分55的外周端至内周端，可以形成于径方向全区或形成于径方向的部分。
内周上下突出部52、53侧面中，切缝口(slit)的侧面59，换言之，乃和侧轨接触的外侧侧面59中形成锥面。锥面的锥角θ，如图3所示，对轴方向的垂线略倾斜，最适当值为10°～30°范围内。但于本发明的衬套扩展器中，即使只有内周波纹亦能够对外侧施予张力，所以不将侧面当锥面，而能够在轴方向形成水平面(θ＝0°)。
本实施例的衬套扩展器50，乃通过内周上下突出部52、53所构成的内周波纹对外侧施予张力，所以切缝口(slit)54波及至张力的影响微乎其微。因此，如专利文献3和4所示，在内外周交互形成切缝口(空处)，不需要调整张力，且因仅需在外侧形成切缝口(slit)，故能简化其加工工程。当然，即使在本实施例衬套扩展器50中，亦可在内侧形成切缝口(slit)。
衬套扩展器50的张力，特别是通过(1)内周波纹的节数、(2)内周波纹的轴方向幅度、(3)内周波纹径方向幅度、以及(4)带状金属厚度来调整。图4(a)、图4(b)为衬套扩展器概略平面及概略侧面图，并参考此图来说明各部分的尺寸。
(1)内周波纹的节幅P，如图4所示，为内周上侧突出部52或内周下侧突出部53中心，至内周下侧突出部53或内周上侧突出部52中心的幅度。为了减少张力表面压的杂乱不堪，最好将内周波纹的节数设定在50以上，以70以上为最佳。节幅P这样加以设定，一般而言其节幅P为2.5mm～3.5mm。
(2)内周波纹的轴方向幅度，亦即，以接续部分55为基准时，即使内周上侧突出部52以及下侧突出部53轴方向最大值的幅度(高度)H不同，也能够控制衬套扩展器的张力。为了施予张力，故最好将内周波纹的轴方向幅度H加大。但是，如图1所示，将组合活塞环20组装至环沟12的状态时，侧轨30、40的上下面必须比内周波纹的突出面更来的突出。
(3)衬套扩展器的张力，可通过内周波纹的径方向幅度D来控制。内周波纹的半径方向幅度D，依据侧轨半径方向幅度和活塞环沟12的半径方向幅度适宜的设计。
(4)为了得到最适合的张力，构成衬套扩展器的带状金属板其厚度以0.10mm～0.25mm为佳。不到0.1mm的，则可能产生衬套扩展器刚性强度问题，如果超过0.25mm，则难以充分表现出张力。
本实施例的衬套扩展器50，如图2所示，将内周波纹上下突出部52、53突出面形状设成圆弧状(R形状)，但不一定都是这种形状。如图6、图7所示，可设成台面(mesa)形状，但考虑到和侧轨产生摩耗、应力等关系，所以也可设成三角形、矩形的突出部。
再参考图1，使用衬套扩展器50，将两条侧轨30、40组合而成的活塞环20安装至活塞环沟12内时，侧轨30、40会各自配置至环沟12的上面16、下面18的侧边。侧轨30、40的内周面，接触至衬套扩展器50内周突出部52、53的锥面59，因应锥角θ，会施压至半径方向外侧及轴方向。同时，因为衬套扩展器50外周突出部57、58，接触至侧轨30、40的关系，所以会在轴方向支撑着侧轨30、40。像这样，侧轨30、40能对气缸(cylinder)14内周面进行刮油动作和封住活塞环沟12的上下面16、18。
将侧轨组合至衬套扩展器50时的斜视图如图5所示。组合活塞环的轴方向幅度W，成为外周突出部56的突出高度(上侧突出部57上端至下侧突出部58下端的高度)和侧轨30、40(两条侧轨)轴方向幅度的和，所以能够将组合活塞环的轴方向幅度缩小到极小。
通过外周突出部56的突出高度来决定组合活塞环20轴方向幅度W。外周突出部56的突出高度最好为20μm～120μm。若未满20μm则油的流通道会太小，容易产生粘着(stick)。若超过120μm的话，则轨道(rail)轴方向移动量会加大，容易产生异音。
如上述，衬套扩展器50会通过内周波纹来调整张力，故外侧的切缝口(slit)54(空处)的形状，尺寸能够从强度、轻量化等观点来设计，所以有很大的自由度。如图2所示，衬套扩展器的切缝口(slit)54的形状为矩形，但其它形状也可以。比如说，图6、图7所示，将切缝口(slit)54a的形状设计成略呈T字型，内侧则将周边方向的幅度加宽，外侧则将周边方向的幅度变窄。通过设定形状，一面将衬套扩展器轻量化，在外侧则确保和侧轨的接触面积，能够控制侧轨的轴方向移动并得到稳定的密封性效能。
再者，图2所示，外周上侧突出部57和外周下侧突出部58的一组会形成于接续部分55的外周端部，但并不仅限定于这种排列。例如，如图7所示，接续部分55a的外周端部形成上侧突出部57和其两侧两个下侧突出部58，邻接接续部分55a的接续部分55b的外周端部，则形成下侧突出部58和其两侧两个上侧突出部57，故像这样将接续部分55a、55b为一对的接续部分亦可排列于周边方向。
外周突出部57、58的形状，为确保和侧轨的接触面积，乃以平坦面为佳，但亦可以使用除此之外的弯曲形状。
此外，将本发明的衬套扩展器与现有的衬套扩展器所使用的组合活塞环的性能来作一比较。
于比较例中，使用厚度0.2mm的带状金属板，通过齿轮加工，其外侧连结部形成波纹形状的现有衬套扩展器。此节幅为2.5mm、节数为91、轴方向幅度为2.0mm、径方向为2.2mm。此衬套扩展器和半径方向长度1.93mm、轴方向幅度0.3mm的两条侧轨组合。所得到的组合活塞环，张力为10N、环径为75.0mm，组合半径方向长度为2.55mm，组合轴方向幅度为2.0mm。
实施例中，使用厚度0.2mm的带状金属板通过加压加工，如图2所示，形成衬套扩展器。在此，节幅为3.0mm、节数为78、轴方向幅度为0.89mm、径方向幅度2.45mm。此衬套扩展器和比较例一样的两条侧轨所组合。所得到的组合活塞环的张力为10N、环径为75.0mm、组合半径方向长度为2.55mm、组合轴方向幅度为1.0mm。
引擎性能测试中，使用比较例和实施例中组合活塞环，以排气量1988cc、直列式4气缸、全负荷量引擎回转数6000rpm、水温(出口)90℃、油温100℃运转100小时。
图8中为表示引擎运转后的油品消耗量。使用实施例的衬套扩展器，测验3次的平均值为28.3(g/Hr)，比较例的衬套扩展器，测验3次的平均值为34.3(g/Hr)，相较的下乃减少17.5％的油品消耗量。且，使用实施例的组合活塞环的情形下也和比较例一样，会因轨道(rail)外周面和气缸(cylinder)内周面间的振动现象而不会产生异音现象。
以上是针对本发明最佳实施状态加以详述，但本发明并非仅限于特定的实施型态，凡符合本发明所记载于专利请求的范围，亦可作各种适当的能变更、变化。
通过本发明，可一边保持安定的嵌合性，一边能够将组合活塞环朝轴方向薄体化。其结果，能够达成活塞的小型化、轻量化，并能够提供低油耗率的内燃机引擎用组合活塞环。
权利要求
1.一种衬套扩展器，其特征在于内侧透过接续部分在轴方向上下交互形成内周突出部，内周突出部的外侧则设有切缝口，接续部分则面向外侧延伸；其中，上述的接续部分朝外侧延伸。
2.如权利要求1所述的衬套扩展器，其特征在于上述接续部分朝轴方向突出以形成上下支持部。
3.如权利要求1或2所述的衬套扩展器，其特征在于上述内周突出部分的外侧为锥面。
全文摘要
本发明是提供一种具有优异的嵌合性和安定性，提供引擎低耗油，并有效将轴方向薄体化组合活塞环的衬套扩展器。安装于上下一对的侧轨30、40间的衬套扩展器的组合活塞环中，沿着其周边突出于轴方向的多个内周突出部51、52、53形成于衬套扩展器50内侧中。这些内侧突出部加压侧轨的内周面。其次，衬套扩展器的外侧中，形成多个的切缝口(slit)54，通过切缝口(slit)54将多个接续部分55配置至隔离的周边方向，其多个接续部分55则突出于轴方向的外周形成突出部56、57、58。
文档编号F02F5/00GK1839273SQ20048002394
公开日2006年9月27日 申请日期2004年8月16日 优先权日2003年8月21日
发明者臼井美幸树, 片山信夫, 中沢政弘 申请人:株式会社理研