专利名称：螺旋撑环用线材和螺旋撑环的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制造内燃机的活塞所使用的活塞环的线材，特别是涉及用于制造组合油环(oil ring)的线材。
背景技术：
在活塞环中，一般有压力环和油环。作为这样的活塞环，有例如特殊的2个环(压力环1个，油环1个)的情况，和在柴油机的顶环等中，使用具有耐热性的材料，例如钢材所形成的螺旋撑环(coil expander)等的情况。另外，在油环中，作为众所周知的2个油环等时使用螺旋撑环。
在这样的活塞环中，例如油环中，为了满足油环的机能，即刮油机能和控油机能，其需要有比其他压力环都高的张力。为此要通过缩小接触宽度，减小接触面积而提升表面压力，使密封性、刮油性提高。然而，仅仅只提升张力，成为使摩擦增大的主要原因。因此，若以实现摩擦的降低为目的而降低张力，则特别是在高速旋转区域中，不能充分获得油封(oilseal)性和控油(oil contro1)等的机能。
由此在低转速区域中为低张力，在高转速区域中为高张力的“可变张力环”的研究被推进。在作为公知的现有文献的专利文献1中，开示有在使用了采用Ni-Ti系的形状记忆合金而形成的螺旋撑环的油环中，使螺旋撑环在低温保持收缩状态，在高温保持伸展状态，如此而处理的技术。
如此，通过采用形状记忆合金而形成螺旋撑环，因为能够根据温度，使向其径向外方按压油环的力变化，所以可以使发动机的起动性提高，对于摩擦的降低有效。然而，形状记忆合金材料的横弹性系数，在Ni-Ti系的2元系中，作为低温相(马氏体相)时约为6000～9000MPa左右，在高温相(奥氏体相)中大约为20000MPa左右。因为该数值与由通常所用的钢线材构成的螺旋撑环比较，只有1/4左右，所以为了取得与钢线材的情况同程度的张力，必须使由形状记忆合金构成的线材的线宽，成为钢线材的线宽的4倍。另一方面，近来的油环中，为了随动性提高而有宽度薄化的倾向，由于尺寸上的制约，采用形状记忆合金而形成的螺旋撑环难以供于实用。
为了解决这样的问题点，提出了将截面形状作为矩形的螺旋撑环。然而，截面形状为矩形的，通过由弯曲成螺旋状而产生的拉伸和压缩等的应力，例如，在螺旋撑环的外周面，有其截面形状成为凹状的变形产生的情况。
如此，若变形成凹状，则因为相对于配置有螺旋撑环的油环的内周槽，局部滑动变强，所以异常磨损发生，随之而来具有强度降低的问题。因此，为了防止由变形所致的局部滑动，进行如下的方法采用相对于螺旋撑环的径向被较厚地形成的线材，将这样的线材绕制后，通过对外周面进行无心(centerless)加工而成为面滑动，但是，具有由加工所致的材料的损失和伴随切割加工的工序数的增加这样的问题，而不为优选。
另外，在作为无关螺旋撑环，但涉及弹簧的截面形状的技术的专利文献2中，公开有用于内燃机的操作阀装置的螺旋弹簧的线材的截面形状。在专利文献2中，使内瓣(inner valve)弹簧的线材的截面形状为非对称的形状，对各自的部分赋予不同的特性。如此的阀弹簧和螺旋撑环，具有同样的弹簧的形态，但因为它们的使用目的和机能完全不同，所以不能将上述螺旋弹簧的技术应用于螺旋撑环。
另外，在专利文献3中，公开了具有由曲率不同的曲面构成的截面形状的密封环。其与上述螺旋撑环的情况相同，会对应使线材形成为环状时而产生的截面形状的变化。然而，密封环和螺旋撑环，由于用途和机能完全不同，成为线圈形状时的曲率也完全不同，所要求的特性也不同，所以专利文献3所开示的技术也不能应用到螺旋撑环。
专利文献1实公平3-41078号公报专利文献2实开昭63-92011号公报专利文献3实开昭52-1933号公报发明内容本发明鉴于上述的目的，其主要目的在于，提供一种螺旋撑环用线材，其无需复杂的工序，便可以制造难以有所谓异常磨损和随之而来的强度的降低的缺陷产生的螺旋撑环。
本发明鉴于上述目的，提供一种螺旋撑环用线材，截面形状为矩形，被用于组合活塞环的上述螺旋撑环，该组合活塞环具有活塞环；和将上述活塞环压向其径向外方的螺旋撑环，其中，采用上述螺旋撑环用线材形成螺旋撑环时，成为螺旋撑环的外周面的上述螺旋撑环用线材的表面，被形成为凸状的曲面状。
本发明的螺旋撑环用线材，考虑到弯曲成螺旋状时，在成为螺旋撑环的外周面的部分产生的变形，而被加工成上述的形状。因此，通过采用本发明的螺旋撑环用线材，能够防止卷绕之后，由于变形截面形状成为凹状，即使不对外周面实施切削或研磨等的后处理，也能够制造配置有螺旋撑环的、例如相对于油环的内周槽成为面滑动的螺旋撑环。因而，对于抑制所谓异常磨损和随之而来的强度的降低的缺陷的发生，削减成本和制造效率的提高有效。
此外在本发明中，被形成为上述凸状的曲面状的上述螺旋撑环用线材的表面的曲面的高度，优选在0.03～0.1mm的范围内。这是因为如果是具有上述范围的曲面的高度的螺旋撑环用线材，弯曲成螺旋状后的螺旋撑环中的外周面的形状，不会由于变形而成为凹状，例如，对于油环来说，能够成为可面滑动的平面形状。
另外在本发明中，采用上述螺旋撑环用线材形成螺旋撑环时，成为螺旋撑环的内周面的上述螺旋撑环用线材的表面，优选被形成为凹状的曲面状。若将螺旋撑环用线材弯曲成螺旋状，则在成为螺旋撑环的内周面的部分，力作用于使之压缩的方向，有时会形成有内周面变形成凸状的螺旋撑环。这样的螺旋撑环，因为对于插入到内侧的芯材会成为一端接触，所以在内周面的磨损和破坏等产生的可能性高。因此，在本发明中，通过将成为螺旋撑环的内周面的螺旋撑环用线材的表面，形成为凹状的曲面状，作为螺旋撑环被形成时，可以防止内周面变形成凸状，实现内周面的磨损和破坏的降低。
此外还有在本发明中，若将被形成为上述凸状的曲面状的上述螺旋撑环用线材的表面的曲面的高度作为a，被形成为上述凹状的曲面状的上述螺旋撑环用线材的表面的曲面的高度作为b，则优选a≥b+0.005mm。因为，通过使形成曲面状的两方的表面的曲面的高度的关系成为上述这样，在形成螺旋撑环时，能够使外周面和内周面的形状成为平面，所以，例如能够相对于油环的内周槽和芯材等成为面滑动，整体实现磨损量的降低。
在本发明中，优选被形成为上述凸状的曲面状的上述螺旋撑环用线材的表面的、位于上述螺旋撑环用线材宽度方向的两端部的外周面侧表面端部的曲面的曲率半径，比位于上述螺旋撑环用线材宽度方向的中央部的外周面侧表面中央部的曲面的曲率半径小。因为，通过使螺旋撑环用线材的外周面侧表面端部形成带有圆度的形状，能够使应力分散，所以能够使端部的强度提高。
另外，在本发明中，优选被形成为上述凹状的曲面状的上述螺旋撑环用线材的表面的、位于上述螺旋撑环用线材宽度方向的两端部的内周面侧表面端部的曲面的曲率半径，比位于上述螺旋撑环用线材宽度方向的中央部的内周面侧表面中央部的曲面的曲率半径小。如此，通过使成为螺旋撑环的内周面的内周面侧表面端部形成带有圆度的形状，能够加大配置于螺旋撑环的内侧的接合(joint)芯材的直径。
此外，在本发明中，优选上述螺旋撑环用线材的侧面为平面状。通过使上述侧面成为平面状，能够使上述螺旋撑环用线材形成为螺旋状，防止作为螺旋撑环时的线材的扭曲。
另外，在本发明中，优选上述活塞环为油环。从而能够实现摩擦的降低，能够得到刮油和控油机能优异的组合油环。
此外在本发明中，上述螺旋撑环用线材，优选由形状记忆合金而形成。采用形状记忆合金形成的螺旋撑环用线材，由于在弯曲成螺旋状时产生的拉伸和压缩等的力导致的变形特别地大，所以能够充分地发挥本发明的效果。
在本发明中，提供一种螺旋撑环，其特征在于，是采用上述的螺旋撑环用线材而成形。如上述，因为上述螺旋撑环用线材，预想到被形成作为螺旋撑环时的变形而形成，所以，如果是采用上述螺旋撑环用线材所制造的螺旋撑环，那么异常磨损和强度的降低这些缺陷便难以产生，对于削减本成和制造工序的简化有效果。
在本发明中，提供一种螺旋撑环，用于具有油环，和将上述油环压向其径向外方的螺旋撑环的组合油环，其中，上述螺旋撑环由形状记忆合金形成，截面形状为矩形，其外周面为平面。
在本发明中，由于截面形状是矩形，外周面是平面，所以相对于配置有螺旋撑环的油环的内周槽，能够成为面滑动。因此，能够解决异常磨损的发生，还有随之而来的所谓强度的降低的问题，对组合油环中的机能的提高有效。此外，由于是由形状记忆合金构成的螺旋撑环，因为能够使之根据发动机的运转状态而变化张力，所以除刮油机能和控油机能的提高外，还能够实现摩擦的降低。
此外在本发明中，优选上述螺旋撑环的外周面是塑性加工面。因为在卷绕后不实施所谓的研磨和切削加工，也能够得到外周面形状为平面形状的螺旋撑环，所以材料的浪费少，在成本和效率方面有效。
如果是本发明的螺旋撑环用线材，则无需复杂的工序，也可以容易地制造难以有异常磨损和随之而来的强度的降低这些缺陷产生的螺旋撑环。
图1是表示本发明的螺旋撑环用线材的一例的概略剖面图。
图2是表示把螺旋撑环用线材弯曲成螺旋状时的状况的说明图。
图3是说明本发明中螺旋撑环用线材的宽度和厚度的说明图。
图4是表示本发明的螺旋撑环用线材的其他例的概略剖面图。
图5是具有本发明的螺旋撑环的一例的组合油环的概略剖面图。
图6是说明本发明的螺旋撑环的说明图。
图7是表示实施例中的滑动特性确认试验的状况的说明图。
图8是表示实施例中的疲劳强度的结果的图表。
图中1-螺旋撑环用线材；2-外周面侧表面；3-内周面侧表面；4一侧面。
具体实施例方式
以下，说明本发明的螺旋撑环用线材和螺旋撑环。
A.螺旋撑环用线材首先，说明本发明的螺旋撑环用线材。
本发明的螺旋撑环用线材，截面形状为矩形，被用于具有活塞环，和将所述活塞环压向其径向外方的螺旋撑环的组合活塞环的所述螺旋撑环，其中，采用所述螺旋撑环用线材形成螺旋撑环时，成为螺旋撑环的外周面的所述螺旋撑环用线材的表面(以下，有作为外周面侧表面的情况)，被形成为凸状的曲面状。
使用附图，说明如此的本发明的螺旋撑环用线材。图1是表示本发明的螺旋撑环用线材的一例的概略剖面图。如图1所例示，本发明的螺旋撑环用线材1，在被形成为螺旋状而成为螺旋撑环时，由成为此螺旋撑环的外周面的外周面侧表面2，和成为螺旋撑环的内周面的表面(以下，有作为内周面侧表面的情况)3，和2个的侧面4构成。
本发明的螺旋撑环用线材，如图1所示，其特征在于，其外周面侧表面2被形成为凸状的曲面。这是由于如作为说明将本发明的螺旋撑环用线材弯曲成螺旋状时的状况的说明图2所示，将螺旋撑环用线材1弯曲成螺旋状，制作螺旋撑环时，因为在成为螺旋撑环的外周面的部分10，有力在拉伸方向起作用，所以避免由该力导致的变形的影响。即，通过提前预见到由这样的力导致的形状变化，将成为螺旋撑环的外周面的螺旋撑环用线材1的外周面侧表面2，如图1所示，形成为具有厚度的凸状的曲面，从而在弯曲成螺旋状时，即使拉伸应力作用，也能够防止变形成凹状。
此外，如图2所示，将螺旋撑环用线材1弯曲成螺旋状时，在螺旋涨五的内周面11上，有力在压缩方向作用。因此，在本发明的螺旋撑环用线材1中，考虑到这种力，如图1所示，通过将内周面侧表面3形成为凹状的曲面状，能够制造截面矩形的螺旋撑环。
用图说明如此的本发明中的上述螺旋撑环用线材的厚度和宽度。图3是采用如上述的螺旋撑环用线材所形成的螺旋撑环的、含螺旋撑环的轴向y的截面的概略剖面图。图3中的螺旋撑环用线材的截面形状61，是相当于上述图1所示的螺旋撑环用线材1的概略剖面图。在本发明中，所谓螺旋撑环用线材的厚度，如图3所示，意思是卷曲成螺旋状时，在螺旋撑环的径向x中的螺旋撑环用线材的长度，所谓螺旋撑环用线材的宽度，意思是在螺旋撑环的轴向y中的螺旋撑环用线材的长度。具体来说，在螺旋撑环用线材的截面形状61中，螺旋撑环的径向x中的长度相当于螺旋撑环用线材的厚度63，螺旋撑环的轴向y中的长度相当于螺旋撑环用线材的宽度62。
以下，详细说明本发明的螺旋撑环用线材。
本发明的螺旋撑环用线材，被用于具有活塞环，和将所述活塞环侧压向其径向外方的螺旋撑环的组合活塞环的所述螺旋撑环，截面形状为矩形。
作为具有采用本发明的螺旋撑环用线材制作的螺旋撑环的组合活塞环，至少具有由本发明的螺旋撑环用线材形成的螺旋撑环，和活塞环即可，没有特别限定。另外，作为被用于本发明中的组合活塞环的活塞环，优选为油环。这是由于能够充分地发挥本发明的效果，能够得到摩擦的降低，刮油机能和控油机能等优异的组合油环。因此，本发明中的组合活塞环，优选为组合油环，具体来说就是作为组合油环，除2个油环以外，还能够列举3个油环或4个油环等。
另外，本发明的螺旋撑环用线材的截面形状为矩形，其特征在于，形成螺旋撑环时，成为螺旋撑环的外周面的螺旋撑环用线材的外周面侧表面，被形成为凸状的曲面状。
在本发明中，将螺旋撑环用线材弯曲成螺旋状时，考虑到在螺旋撑环的外周面产生的拉伸应力导致的螺旋撑环用线材的变形，而将成为螺旋撑环的外周面的螺旋撑环用线材的外周面侧表面，形成为凸状的曲面状。由此，卷绕之时，即使上述外周面侧表面伸长，变形，也不会变形成凹状，螺旋撑环得以配置。例如，能够解除对于油环的内周槽有局部滑动的问题。还有，这里所说的矩形，意思是正方形和长方形等，包含能够全部掌控为正方形和长方形等的矩形的程度，也包含角或面持有若干曲率带有圆度这样的情况。
另外，具体地说，在被形成为凸状的曲面状的外周面侧表面中，此曲面的高度，在弯曲成螺旋状时不会变形为凹状的程度即可，没有特别限定，但优选在0.03mm～0.1mm的范围内，首选在0.04mm～0.08mm的范围内。这是因为如果被形成为上述范围的曲面，则在最终得到的螺旋撑环中，不实施切削等的无心加工，也能够使外周面的形状成为平面形状，螺旋撑环得以配置，例如，相对于油环的内周槽能够成为面滑动。
还有，所谓上述曲面的高度，表示被形成凸状的曲面状的外周面侧表面之内，膨胀部最大的部分的膨胀的程度。具体来说，如图1所示，是表示连结被形成为凸状的曲面的外周面侧表面的端部c和d的直线e，与凸状的曲面的顶点f的距离a。
此外，在被形成为凸状的曲面状的外周面侧表面中，该曲面的曲率半径R，优选在0.8mm～1.4mm的范围内，首选在0.8mm～1.2mm的范围内。当曲率半径R比上述范围小时，作为螺旋撑环而形成时，有变形后的形状成为凸状的曲面的情况，因为接触面积变小而不为优选。另一方面，曲率半径R比上述范围大时，因为有变形成凹状的情况而不为优选。这里，所谓外周面侧表面的曲率半径，是由图1波状线表示的弧R2的曲率半径。
采用本发明的螺旋撑环用线材制作螺旋撑环时，成为螺旋撑环的内周面的螺旋流线型环用线材的内周面侧表面的形状，没有特别被限定。例如，如图4所例示，内周面侧表面3可以形成平面状、凹状的曲面状、凸状的曲面状等的各种的形状。在本发明中，优选其中内周面侧表面被形成为凹状的曲面状。弯曲成螺旋状时，如图2所示，在外周面10中，拉伸应力工作，但在内周面11中，力在压缩方向作用。若这样的力作用，则作为螺旋撑环被形成时，螺旋撑环的内周面变形成凸状。如此的螺旋撑环，因为对于插入到内侧的芯材会成为一端接触，所以需要缩小用于与芯材嵌合在一起的芯材的直径。因此，在本发明中，通过使成为螺旋撑环的内周面的螺旋用线材的内周面侧表面，形成为凹状的曲面状，在作为螺旋撑环被形成时，可防止内周面变形成凸状，实现在螺旋撑环的内周面中的磨损和破坏的降低。这里，所谓内周面侧表面的曲率半径，是由图1波状线所示的弧R3的曲率半径。
如此，当把成为螺旋撑环的内周面的螺旋撑环用线材的内周面侧表面，形成为凹状的曲面状时，被形成为曲面状的外周面侧表面，和内周面侧表面的曲面的高度的关系，优选为如下若将被形成为上述凸状的曲面状的外周面侧表面的曲面的高度作为a，被形成为上述凹状的曲面状的内周面侧表面的曲面的高度作为b，则a≥b+0.005mm。
使被形成为曲面状的外周面侧表面和内周面侧表面，为相互相对的位置关系。这是由于被形成为凸状的曲面的外周面侧表面，是成为螺旋撑环的外周面的部分，被形成为凹状的曲面的内周面侧表面，是成为螺旋撑环的内周面的部分。通过使这样的两者的表面中的曲面的高度的关系如上述形成，因为在作为螺旋撑环被形成时，能够将外周面和内周面的形状作为平面，所以，例如对于油环的内周槽和芯材等成为面滑动，能够全面地实现磨损量的降低。
还有，这里所说的所谓被形成为上述凹状的曲面状的内周面侧表面的曲面的高度，意思是在被形成为凹状的曲面状的内周面侧表面中，最凹陷部分中凹陷的程度。具体来说，如图1所示，指的是连结被形成为凹状的曲面的内周面侧表面的端部h和i的直线j，与凹状的曲面的顶点k的距离b。
本发明的螺旋撑环用线材，截面形状为矩形，但其中，优选螺旋撑环用线材宽度方向端部带有圆度而形成(参照图4)。这是由于能够避免来自边缘的局部滑动，能够实现磨损量的降低。这种圆润的形状没有被特别限定，但优先被形成为上述凸状的曲面状的上述螺旋撑环用线材的表面的、位于上述螺旋撑环用线材宽度方向的两端部的外周面侧表面端部的曲面的曲率半径，比位于上述螺旋撑环用线材宽度方向的中央部的外周面侧表面中央部的曲面的曲率半径小(以下，将这样的形状作为螺旋撑环用线材的第1形态)。具体来说，如图4(a)例示，把作为外周面侧表面2的全体的形成曲面形状的部分，作为外周面侧表面中央部5，将位于外周面侧表面2的宽度方向的两端部、具有与上述外周面侧表面中央部5不同的曲率半径的曲面，作为外周面侧表面端部6。
这时，上述各曲面的曲率半径，优选为对于外周面侧表面中央部5的曲率半径为与上述外周面侧表面2的曲率半径相同的0.8mm～1.4mm的范围内，特别为0.8mm～1.2mm的范围内，外周面侧表面端部6的曲率半径在0.03mm～0.2mm的范围内，特别在0.05mm～0.1mm的范围内。若外周面侧表面端部6的曲率半径比上述范围小，则有不能够充分地得到形成带有圆度的形状的效果的情况。另一方面，若曲率半径比上述范围大，则有难以将外周面侧表面端部6加工成这样的形状的情况。
在上述外周面侧表面2中，上述这样的外周面侧表面端部6，和外周面侧表面中央部5所占的比例没有特别被限定，但如图4(a)所示，分别将外周面侧表面2的长度，即螺旋撑环用线材的宽度62作为L，外周面侧表面中央部5的长度作为M，位于其两端的外周面侧表面端部6的长度作为N时，L∶M∶2N在1∶0.7～0.95∶0.05～0.3的范围内，其中优选L∶M∶2N在1∶0.75～0.9∶0.1～0.25的范围内。
另外，在螺旋撑环用线材的内周面侧表面由凹状的曲面形成时，与上述外周面侧表面的情况相同，优选被形成为上述凹状的曲面状的上述螺旋撑环用线材的表面的、位于上述螺旋撑环用线材宽度方向的两端部的内周面侧表面部的曲面的曲率半径，比位于上述螺旋撑环用线材宽度方向的中央部的内周面侧表面中央部的曲面的曲率半径小(以下，将这样的形状作为螺旋撑环用线材的第2形态)，还有，这种情况如图4(b)所示，作为内周面侧表面3的形成全体的曲面形状的部分的内周面侧表面中央部7，对于凹状的曲面，位于上述内周面侧表面3的两端部，具有与上述内周面侧表面中央部7不同的曲率半径的内周面侧表面端部8，由凸状曲面形成。通过如此形成内周面侧表面3，能够防止配置于螺旋撑环的内侧的接合芯材，与螺旋撑环用线材的内周面侧表面3的边缘部分接触而破损等的缺陷。为此，即使螺旋撑环的内径相同时，也可以采用比现有的粗的直径的上述接合芯材。
具体来说，优选为对于内周面侧表面中央部7的曲率半径为0.8mm～1.4mm的范围内，特别为0.8mm～1.2mm的范围内，内周面侧表面端部8的曲率半径为0.05mm～0.2mm的范围内，特别为0.05mm～0.1mm的范围内。
在上述内周面侧表面3中，上述这样的内周面侧表面端部8和内周面侧表面中央部7所占比例没有特别限定，但如图4(b)所示，分别将内周面侧表面3的长度，即螺旋撑环用线材的宽度62作为L，内周面侧表面中央部7的长度作为S，位于其两端的内周面侧表面端部8的长度作为T时，L∶S∶2T为1∶0.7～0.95∶0.05～0.3的范围内，特别优选L∶S∶2T在1∶0.75～0.9∶0.1～0.25的范围内。
此外，如图4(c)所示，与螺旋撑环用线材的内周侧表面3，形成为凸状的曲面状的情况，同样优选内周面侧表面端部8的曲面的曲率半径，比内周面侧表面中央部7的曲面的曲率半径小(以下，将这样的形状作为螺旋撑环用线材的第3形态)。通过如此形成内周面侧表面3，因为能够加大螺旋撑环用线材的断面积，所以能够得到可发挥更强张力的螺旋撑环用线材。
具体来说，优选为对于内周面侧表面中央部8的曲率半径为0.8mm～1.4mm的范围内，特别在0.8mm～1.2mm的范围内，内周面侧表面端部7的曲率半径为0.05mm～0.2mm的范围内，特别在0.05mm～0.1mm的范围内。
在上述内周面侧表面3中，上述这样的内周面侧表面端部8和内周面侧表面中央部7所占比例没有特别限定，但如图4(c)所示，将内周面侧表面3的长度，即螺旋撑环用线材的宽度62作为L，内周面侧表面中央部7的长度作为S，位于其两端的内周面侧表面端部8的长度分别作为T时，L∶S∶2T为1∶0.7～0.95∶0.05～0.3的范围内，特别优选L∶S∶2T为1∶0.75～0.9∶0.1～0.25的范围内。
如上述，外周面侧表面和、或内周面侧表面的端部为带有圆度的形状时，上述外周面侧表面的曲面的高度a，作为上述外周面侧表面中央部的高度，内周面侧表面的曲面的高度b，作为上述内周面侧表面中央部的高度。总之，在上述外周面侧表面的端部不带有圆度的形状中，上述高度a是“连结外周面侧表面的端部彼此(图1中的端部c和d)的直线，与曲面的顶点(图1中的顶点f)的距离”。另一方面，外周面侧表面的端部为带有圆度的形状时，不考虑外周面侧表面端部的形状，所谓上述高度a，指的是连结外周面侧表面中央部的端部彼此的直线，与曲面的顶点的距离，例如图4中的高度a。另外，内周面侧表面的曲面的高度b也同样，指的是连结内周面侧表面中央部的端部彼此的直线，与曲面的顶点的距离，例如图4中的高度b。
在本发明中，优选螺旋撑环用线材的侧面为平面状。由于侧面是平面状，能够防止将上述螺旋撑环用线材形成为螺旋状而作为螺旋撑环时所产生的螺旋撑环用线材的扭曲。这时，作为平面状的侧面的长度没有特别被限定，但如图4所例示，优选侧面的长度作为W时，W在0.3mm～0.8mm的范围内。另外，上述侧面4的长度W，优选在图4等所示的螺旋撑环用线材的厚度63的35％～80％的范围内。使上述W的值和比率在上述范围内，能够更确实地防止螺旋撑环用线材的扭曲。
作为形成这样的螺旋撑环用线材的材料，一般所使用的即可，没有特别被限定。例如，阀簧钢、工具钢、不锈钢之外，还能够列举钛材、铝材和形状记忆合金等。特别优选形状记忆合金。由于形状记忆合金，在上述金属之中软性高，弯曲成螺旋状时产生的拉伸和压缩等的力所致的变形特别大，所以能够充分发挥本发明的效果。另外，因为通过采用形状记忆合金，能够使之对应发动机的运转状态而使张力变化，所以例如在将本发明中的组合活塞环作为组合油环时，除刮油机能和控油机能的提高以外，还能够实现摩擦的降低。
以下，说明关于本发明的螺旋撑环用线材由形状记忆合金形成的情况。
一般来说，形状记忆合金，在室温下为马氏体状态(M相)，在高温中成为奥氏体状态(A相)。从此马氏体状态向奥氏体状态的相变，叫做逆马氏体相变，从奥氏体状态向马氏体状态的相变叫做马氏体相变。以下，称这样的相变产生的温度，为马氏体相变温度。此马氏体相变温度，具有一定的温度幅度，通过试探性热分析由吸热反应和放热反应的峰值求得。
这样的形状记忆合金，在上述马氏体相变温度以下，除去使合金变形的载荷后，通过加热到一定温度(例如，在Ti-Ni系中马氏体相变温度为-10℃～100℃)以上，具有返回至原来的形状的现象，即形状记忆效果。
在本发明中，利用这样的形状记忆效果，在由本发明的螺旋撑环用线材制作的螺旋撑环中，螺旋撑环自身的温度，变得比马氏体相变温度高时，优选使螺旋撑环以在其长度方向伸长的方式，而处理螺旋撑环用线材。其理由，在后述的“B.螺旋撑环”中详细记述。
具体地说，作为可以使用于本发明的螺旋撑环用线材的形状记忆合金，能够列举出Ti-Ni系、Cu-Zn-Al系、Fe-Mn-Si系等。特别是，在本发明中，最优选为Ti-Ni系。这是因为从强度、耐疲劳、耐腐蚀性的观点出发，其最为优异。
使用由Ti-Ni组成的形状记忆合金时，作为其比率，优选为Ti-50原子％Ni～Ti-51原子％Ni。
作为上述马氏体相变温度，在本发明中优选为从-10℃至200℃的范围，例如，在Ti-Ni系的情况下为-10℃～100℃，其中优选在30℃～90℃的范围内。这是因为马氏体相变温度，能够通过形状记忆合金的组成和制造形状记忆合金时的热处理等使之变化，不过，在通过将马氏体相变温度调整到上述范围内，采用本发明的螺旋撑环用线材制作的螺旋撑环中，例如，以组合油环的机能被充分发挥的程度的表面压力所需要的温度，在螺旋撑环产生马氏体相变，能够得到充分的张力。
在由本发明的形状记忆合金构成的螺旋撑环用线材中，优选截面形状中的厚度和宽度的比在1∶1～1∶4的范围内，其中优选在1∶2～1∶3.5的范围内，特别优选在1∶2.5～1∶3的范围内。与上述范围相比，宽的长度的比率大的情况，在制作螺旋撑环时，在规定的螺距中，因为相邻线材相互间的空隙狭小，所以有时难以按规定的曲率弯曲，故不为优选。另一方面，若与上述范围相比减小宽度的比，则以规定的螺距卷绕时，因为相邻线材相互间所形成的空隙变大，所以有不能得到充分的张力的情况，故不为优选。
还有，这里所说的所谓螺距，意思是在将螺旋撑环用线材卷绕成螺旋状时，在线材一个回转中的、从线材的中心至相邻线材的中心的长度。详细情况在后述的“B.螺旋撑环”之中说明。
另外，在由本发明的形状记忆合金构成的螺旋撑环用线材中，作为具有例如图5所示的h1尺寸宽度被薄化至2mm以下的油环的组合油环时，其厚度优选在0.2mm～0.5mm的范围内，特别优选在0.25mm～0.3mm的范围内。若比上述范围薄，则作为螺旋撑环被形成时，有作为弹簧的反力变弱而无法得到充分张力的情况，所以不为优选，另一方面，若比上述范围厚，则有不能够成为规定的螺径的螺旋撑环的情况，所以不为优选。
B.螺旋撑环接下来，说明本发明的螺旋撑环。本发明的螺旋撑环，能够分为2个实施方式。以下，分为第1实施方式和第2实施方式，说明本发明的螺旋撑环。
1.第1实施方式本实施方式的螺旋撑环，其特征在于，是采用上述的螺旋撑环用线材而形成。
如上述，上述螺旋撑环用线材，因为其形成已预见到被形成作为螺旋撑环时的变形，所以在卷绕后，即使不实施所谓研磨或切削的后处理，也能够得到外周面形状为平面形状的螺旋撑环。因此，如果是采用上述的螺旋撑环用线材制造的螺旋撑环，则难以有异常磨损和强度的降低这种缺陷产生，可以削减成本和简化制造工序。
使用图纸，说明采用了这种本实施方式的螺旋撑环的一例的组合油环。图5是图示采用了本实施方式的螺旋撑环的组合油环的一例的概略说明图。本实施方式中的组合油环，具有采用上述螺旋撑环用线材制作的螺旋撑环40；和由柱状的网(web)44连结了二个轨道(rail)41、42的截面呈大致I字形的油环45。
该油环45，在滑动面46滑动汽缸内径(cylinder bore)20的内壁21。另外，由网44连结轨道41和42而形成的外周槽47，是收容由滑动面46从汽缸内壁21刮落的润滑油的槽，此外，被收容到外周槽47的润滑油，通过大量被设置于网44的油孔48，向油环45的内周侧移动。
此外，在由网44连结轨道41和42被而在内周侧形成的内周槽49中，将油环45压向油环45的径向外方，在汽缸内壁21配置有推压油环45的螺旋撑环40。在本实施方式中，此螺旋撑环40采用上述的螺旋撑环用线材而形成。在制作螺旋撑环时，由于弯曲成螺旋状时产生的拉伸和压缩等的力的作用，在外周面和内周面有变形产生，但是，上述的螺旋撑环用线材，因为被形成为考虑到如此的变形的形状，所以可以形成截面形状为矩形的螺旋撑环。
此外，在本实施方式中，在上述螺旋撑环用线材，由形状记忆合金构成时，若螺旋撑环自身的温度变得比马氏体相变温度高，则螺旋撑环材的横弹性系数有大的变化，而作为螺旋撑环的扩张的力(张力)很大地改变。具体来说，作为Ni-Ti系形状记忆合金的情况，在低温相(马氏体相)中为6000～9000MPa，在高温相(奥氏体相)中约为20000MPa，作为螺旋撑环，约有2～3倍的张力变化。
即，在发动机起动时，因为内燃机温度等比马氏体相变温度低，所以螺旋撑环基于低的横弹性系数，能够降低成为低张力的活塞环和汽缸内径的滑动摩擦，能够减少发动机的暖状态时产生的滑动面的摩擦。
另外，发动机的转速高时，和发动机负荷高，发动机温度高时，因为内燃机温度等比马氏体相变温度高，所以螺旋撑环基于在高温下的横弹性系数，成为高张力，既使得气封性和油封性良好，又能够发挥油环的机能。
具有如此优点的本实施方式的螺旋撑环，是采用上述的螺旋撑环用线材制作。另外，上述螺旋撑环用线材的形成材料，由于优选为形状记忆合金，所以在本实施方式的螺旋撑环中，也优选为由形状记忆合金构成。
以下，说明本实施方式的螺旋撑环由这样的形状记忆合金构成的情况。
形状记忆合金，如上述，在上述马氏体相变温度以下，除去使合金变形的载荷后，通过加热到一定温度(例如，在Ti-Ni系中马氏体相变温度为-10℃～100℃)以上，具有返回至原来的形状的现象，即形状记忆效果。在如此的形状记忆效果中，把合金返回到使之预先记忆的形状的温度作为马氏体相变温度。
在本实施方式中，利用这样的形状记忆效果，当螺旋撑环自身的温度变得比马氏体相变温度高时，优选以能取得希望的张力的方式进行处理。以螺旋撑环能够在高温相(奥氏体相)中取得希望的张力的方式考虑收缩余量，而实施记忆处理。把螺旋撑环作为活塞环装配时，螺旋撑环的两端部作为接口成为抵接的状态，以伸缩状态被装配于活塞。发动机起动时，如上述一样为低张力，但若发动机温度形成高的状态，则成为如上述一样的高张力。就是说，螺旋撑环因为高温时及低温时，均作为螺旋撑环两端部被固定而呈伸缩状态，横弹性系数的变化，从而张力变化产生。在发动机起动时，润滑油的温度和内燃机的温度处于缓缓上升的阶段，与从发动机的起动到经过一定程度的时间充分驱动之后的情况相比较，其温度低，润滑油的粘度处于高的状态。另外，这时的温度比本实施方式中的马氏体相变温度也低。由于通常的螺旋撑环，即使在发动机起动时，也体现出与发动机充分驱动的状态同程度的张力，所以在发动机起动时，例如，油环的作用过度工作而成为损坏内燃机的起动性的主要原因。然而，在本实施方式中，因为发动机起动时的内燃机温度等比马氏体相变温度低，所以螺旋撑环不会在其长度方向伸长，不能发挥充分的张力。因此，因为使起动性降低最能提高油环的表面压力，所以具有能够使内燃机的起动性提高的效果。
另一方面，在发动机充分驱动的阶段，例如，油环的情况，为了得到刮油机能和控油机能，希望一定程度高的表面压力，但伴随着内燃机温度的上升，若螺旋撑环自身的温度超过马氏体相变温度，则由于螺旋撑环返回到记忆的状态，作为弹簧的反力增加，能够使张力增加。其结果，油环能够得到可使其机能充分显现的程度的表面压力。根据这样的理由，在本实施方式中，当螺旋撑环自身的温度变得比马氏体相变温度高时，优选以返回到螺旋撑环的记忆状态的方式进行处理。
另外，在本实施方式中的螺旋撑环的张力，在马氏体相变前(低温相)，例如，作为用于图5所示的h1尺寸2.0mm以下的螺旋撑环的情况，优选在1N～30N的范围内，其中优选为1N～15N的范围内。这是因为马氏体相变前，发动机处于暖机状态，处于内燃机温度缓缓上升的阶段，所以如果是具有上述范围内的张力的螺旋撑环，能够使内燃机的起动性提高。
此外，马氏体相变后(高温后)的张力，例如，将本发明中的组合活塞环作为组合油环时，只要是不损害油环的机能的程度即可，没有特别被限定，但是具体来说，作为用于图5所示的h1尺寸2.0mm以下的螺旋撑环的情况，在3N～40N的范围内，其中优选为3N～20N的范围内。这是因为一般来说为了摩擦的降低，降低油环的表面压力有效，通过将螺旋撑环的马氏体相变后的张力调整到上述范围内，能够实现摩擦的降低，能够实现燃油使用率的提高。
此外，对于形成本实施方式中的螺旋撑环的材料和马氏体相变温度，因为与上述“A.螺旋撑环用线材”之中记载的相同，所以这里省略说明。
此外本实施方式中的螺旋撑环，由于采用上述的螺旋撑环用线材制作，所以截面形状能够形成矩形。据此，例如，即使是在宽度被薄化的油环的内周槽以可设置的程度减小螺旋撑环的螺径时，也能够显现充分的张力，能够解决由形状记忆合金构成的螺旋撑环的张力不足的问题。
此外，当采用上述的螺旋撑环用线材，制造本实施方式的螺旋撑环时，作为弯曲成螺旋状时的螺距，根据螺旋撑环的螺径，被大体决定在规定的范围内。还有，这里所说的所谓螺距，意思是在将线材卷绕成螺旋状时，在线材一个回转中的、从线材的中心至相邻线材的中心的长度。具体来说，如图6所示，指的是从A到B的一个回转中，从在A的位置的线材的中心，到B的位置的线材的中心的间隔p。另外，这里所说的所谓螺旋撑环的螺径，意思是螺旋撑环的径向中的长度中，最外侧的长度，具体来说，指的是图6所示的d14，不过具体地说，作为此螺径，在图5所示的h1尺寸2.0mm以下的螺旋撑环中，在0.3mm～1.8mm的范围内，其中优选为0.3mm～1.4mm的范围内。这是因为如果是上述范围内的螺径，即使是例如宽度被薄化的油环也能够适应。使螺旋撑环的螺径在上述范围内时，例如在h1尺寸2mm以下的螺旋撑环中，螺距在0.3mm～1.8mm的范围内，其中大致被规定在0.3mm～1.4mm的范围内。此外，优选螺距均一。
另外，作为将上述的螺旋撑环用线材卷绕成螺旋状形成螺旋撑环时的卷曲方法，优选以螺旋撑环用线材的截面形状中的长边侧形成螺旋撑环的周方向的方式进行卷绕。这是因为如此的卷曲方法，使螺旋撑环的螺径最小，且为了能够充分地体现作为弹簧的反力，从而能够得到理想的张力。
2.第2实施方式本实施方式的螺旋撑环，被用于具有油环，和将所述油环压向其径向外方的螺旋撑环的组合油环，其特征在于，所述螺旋撑环由形状记忆合金形成，截面形状是矩形，其外周面为平面。
在本实施方式中，由于截面形状是矩形，外周面为平面，所以能够相对于配置有螺旋撑环的油环的内周槽成为面滑动。因此，能够解决异常磨损的发生，还有随之而来所谓强度降低的问题，对组合油环的机能的提高有效。此外，由于是由形状记忆合金构成的螺旋撑环，因为能够使之根据发动机的运转状态使张力变化，所以除刮油机能和控油机能的提高以外，还能够实现摩擦的降低。
在这样的螺旋撑环中，优选外周面为塑性加工面。这里所说的所谓塑性加工面，意思是没有实施研磨和切削等的处理的面。在本实施方式中，通过使外周面形成这样的塑性加工面，卷绕后不实施所说的研磨和切削加工，就能够得到外周面形状为平面形状的螺旋撑环，所以材料的浪费少，在成本面和效率面有效。
作为形成这样的螺旋撑环的线材，优选为在弯曲成螺旋状时，即使由于拉伸和压缩等的力的作用有变形产生时，也不用实施研磨或切削等的处理，就可以使螺旋撑环的外周面形成平面的线材。具体地说，通过采用上述的螺旋撑环用线材，而可以形成这样的螺旋撑环。
还有，本发明并不限定于上述的实施方式。上述的实施方式是例示，具有本说明书的专利请示的范围所记载的技术思想和实质上相同的结构，起到相同的效果的任何一种都包含于本发明的技术的范围。
实施例以下，例举实施例和比较例具体地说明本发明。
首先，通过以下所示的方法进行滑动特性确认试验。采用成为螺旋撑环的外周面的螺旋撑环用线材的外周面侧表面，为下述表1所示的截面形状的螺旋撑环用线材，制作螺旋撑环，将制作好的螺旋撑环组装到油环，进行图7所示的单体试验。
·油环规格材料 17Cr材尺寸 d179mm，h11.5mm，轨道宽0.2mm·螺旋撑环规格材料 Ti-50原子％Ni材所用的螺旋撑环用线材的尺寸，图4所示的尺寸的63为0.3mm，62为0.85mm，图6所示的d14为1.1mm。
(试验方法)在图7所示的单体试验中，D1径82mm，D2径79mm，转速700rpm，在活塞70上组装油环71，将其设置在汽缸内径72内。使马达(未图示)的旋转变换成活塞70的冲程(上下移动的运动)，随着此上下移动，在82mm～79mm之间反复使油环71扩张、收缩。
在上述范围的汽缸内径72内使之滑动5×105次后，取出螺旋撑环确认滑动特性。这时用放大镜确认“螺旋撑环的滑动面位置”入“螺旋撑环的滑动面大小”。滑动面的大小根据面积计算，如下述表1所示进行了评价。
还有，在上述表1中，所谓外周面侧表面曲率半径(mm)，表示所用的螺旋撑环用线材的外周面侧表面的曲率半径(在外周面侧表面的端部为圆形的实施例8～13中，为外周面侧表面中央部)。所谓a(mm)，表示螺旋撑环用线材的外周面侧表面的曲面的高度(在实施例8～13中，为外周面侧表面中央部的高度)。
还有，实施例4、5、10和11，内周面侧表面是凹状的曲面形状，在备注栏中表示外周面侧表面的高度a和内周面侧表面的高度b的差。另外，在实施例12和实施例13中，内周面侧表面，是与各个的外周面侧表面同样的凸状的曲面形状。而且，在外周面侧表面的端部是带有圆度的形状的实施例8～13中，备注栏中表示各个的截面形状的形态(参照形态1～形态3，图4(a)～(c))。对于外周面侧表面和外周面侧表面端部的曲率半径、a值和M值，采用形状测定由测定图表求得。
此外，对于滑动面为整个面，且滑动面积大的实施例2、实施例4、实施例6、实施例7、实施例8、实施例10和实施例12，与比较例，实施了疲劳试验。图8表示其结果。
(评价)由上述表1所示的结果可知，在实施例1至实施例5，和实施例8至实施例13中，通过使螺旋撑环用线材的外周面侧表面形状形成凸形状，使外周面侧表面的曲率半径在0.8～1.4mm的范围内，此外使外周面侧表面的高度a在0.03～0.1mm的范围内，螺旋撑环的外周面和油环的滑动面变大，局部滑动能够解除。
此外，由图8所示的结果可知，在实施例2、实施例4、实施例8、实施例10和实施例12中，疲劳强度显著高于比较例。此外，若仅外周面侧表面的曲率半径比实施例2和实施例4低的实施例6，和外周面侧表面的曲率半径和外周面侧表面的高度a比实施例2和实施例4高的实施例7比较，则可知疲劳强度进一步提高。
由如此的结果可知，通过使螺旋撑环线材的外周面侧表面形成凸形状，能够得到抑制局部滑动的效果，此外，通过使外周面侧表面的曲率半径在0.8～1.4mm的范围内，再使外周面侧表面的高度a在0.03～0.1mm的范围内，从而能够进一步加大螺旋撑环外周面和油环的滑动面，此外对于疲劳强度的提高也有效。
权利要求
1.一种螺旋撑环用线材，截面形状为矩形，被用于具有活塞环，和将所述活塞环压向其径向外方的螺旋撑环的组合活塞环的所述螺旋撑环，其特征在于，采用所述螺旋撑环用线材形成螺旋撑环时，成为螺旋撑环外周面的所述螺旋撑环用线材的表面，被形成为凸状的曲面状。
2.根据权利要求1记载的螺旋撑环用线材，其特征在于，被形成为所述凸状的曲面状的所述螺旋撑环用线材的表面的曲面的高度，在0.03～0.1mm的范围内。
3.根据权利要求1或权利要求2记载的螺旋撑环用线材，其特征在于，采用所述螺旋撑环用线材形成螺旋撑环时，成为螺旋撑环的内周面的所述螺旋撑环用线材的表面，被形成为凹状的曲面状。
4.根据权利要求3记载的螺旋撑环用线材，其特征在于，将被形成为所述凸状的曲面状的所述螺旋撑环用线材的表面的曲面的高度作为a，将被形成为所述凹状的曲面状的所述螺旋撑环用线材的表面的曲面的高度作为b时，a≥b+0.005mm。
5.根据权利要求1至权利要求4中的任一项记载的螺旋撑环用线材，其特征在于，被形成为所述凸状的曲面状的所述螺旋撑环用线材的表面的、位于所述螺旋撑环用线材宽度方向的两端部的外周面侧表面端部的曲面的曲率半径，比位于所述螺旋撑环用线材宽度方向的中央部的外周面侧表面中央部的曲面的曲率半径小。
6.根据权利要求3至权利要求5中的任一项记载的螺旋撑环用线材，其特征在于，被形成为所述凹状的曲面状的所述螺旋撑环用线材的表面的、位于所述螺旋撑环用线材宽度方向的两端部的内周面侧表面端部的曲面的曲率半径，比位于所述螺旋撑环用线材宽度方向的中央部的内周面侧表面中央部的曲面的曲率半径小。
7.根据权利要求1至权利要求6中的任一项记载的螺旋撑环用线材，其特征在于，所述螺旋撑环用线材的侧面为平面状。
8.根据权利要求1至权利要求7中的任一项记载的螺旋撑环用线材，其特征在于，所述活塞环为油环。
9.根据权利要求1至权利要求8中的任一项记载的螺旋撑环用线材，其特征在于，所述螺旋撑环用线材由形状记忆合金形成。
10.一种螺旋撑环，其特征在于，使用所述权利要求1至权利要求9中的任一项记载的螺旋撑环用线材形成。
11.一种螺旋撑环，被用于具有油环，和将所述油环压向其径向外方的螺旋撑环的组合油环，其特征在于，所述螺旋撑环由形状记忆合金形成，截面形状为矩形，其外周面是平面。
12.根据权利要求11记载的螺旋撑环，其特征在于，所述螺旋撑环的外周面是塑性加工面。
全文摘要
本发明主要目的在于，提供一种螺旋撑环用线材，其无需复杂的工序，便可以制造难以有异常磨损和随之而来的强度的降低这种缺陷产生的螺旋撑环。本发明提供一种截面形状为矩形的螺旋撑环用线材，被用于具有活塞环，和将上述活塞环压向其径向外方的螺旋撑环的组合活塞环的上述螺旋撑环，其中，采用上述螺旋撑环用线材形成螺旋撑环时，成为螺旋撑环的外周面的螺旋撑环用线材的表面，被形成为凸状的曲面状，本发明据此解决上述课题。
文档编号F16J9/00GK1910360SQ20058000212
公开日2007年2月7日 申请日期2005年1月7日 优先权日2004年1月9日
发明者松岛伸行, 笹生亲子, 铃木孝男 申请人:日本活塞环株式会社, 丰田自动车株式会社