组合控油环的制作方法

本发明涉及安装于汽车用发动机的活塞的组合控油环，尤其涉及由一对侧轨和在轴向波形上形成有峰部和谷部的间隔扩张器构成的组合控油环。

背景技术

作为对于现代社会来说最重要的课题，积极推进与降低地球环境负荷相关的措施。其中，二氧化碳(co2)排放量的减少、石油资源的节约等被重视，尤其是在汽车发动机中，小型轻量化及各种损失降低带来的燃料消耗量的降低被更强烈地要求。另一方面，对排出气体的净化的要求也更高，排出气体中含有的有害物质的降低、因此的润滑油消耗量的降低成为大的课题。

在汽车发动机中，随着长时间的运转，润滑油被加热，暴露于窜气中，因此成为在润滑油中混合有碳化氢的未燃烧物质、油添加剂的变性物(下面，将这些总称为“油泥”。在此，油泥也包括粘性比较低的油泥的前驱体。)的状态。若油泥附着/堆积于发动机零件，则使零件磨损，或者堵塞润滑油的通路，对组合控油环(下面，只要没有特别的意图，称为“油环”)等的发动机零件的功能带来障碍。在油环中，尤其在严重的情况下，间隔扩张器和侧轨粘着，阻碍侧轨的移动而不能充分发挥控油功能。

如图6(b)所示，以往的油环由具有开口的一对圆环状侧轨(120a、120b)和支撑侧轨的间隔扩张器(101)构成。另外，如图6(a)所示，间隔扩张器(101)由在轴向波形上形成的峰部(102)和谷部(103)、以及连接峰部和谷部的腿部(104)构成。在峰部及谷部的内周侧形成有耳部(105a、105b)，在外周侧形成有支撑侧轨的突起部(106a、106b)，在耳部与突起部之间形成有凹陷的中间部(107a、107b)。当将间隔扩张器和侧轨组合时，在耳部、突起部、中间部、侧轨之间形成间隙状的空间部(108a、108b)。

就油环而言，由于间隔扩张器(101)的耳部(105a、105b)的角度，侧轨(120a、102b)被半径方向及轴向的分力按压，在气缸壁面及活塞的油环槽侧面发挥密封功能。尤其是，轴向宽度尺寸小的窄幅油环相对于气缸壁面的追随性良好，也具有侧密封功能，所以即使低张力，也不会增加油消耗，能够降低摩擦损失。但是，在油环中，易于在前述的间隔扩张器与侧轨之间的空间部(108a、108b)堆积油泥，尤其是在薄宽度化的情况下，由于堆积的油泥而使侧轨(120a、120b)与间隔扩张器(101)粘着的可能性变高。当发生粘着时，侧轨对气缸壁面的追随性非常低，油消耗量急剧增大。

作为防止油泥附着及堆积于油环的方法，在现有技术中公开了对间隔扩张器、侧轨的表面实施用于防止粘着的涂敷的方法、在设计方面将间隔扩张器形成为难以堆积油泥的尺寸的方法。

例如，在专利文献1、专利文献2中公开了涂敷氟类的树脂被膜或含有氟类树脂的树脂被膜的方法，在专利文献3中公开了涂敷含有氟烷基取代烷氧基(fluoroalkylgroup-substitutedalkoxide)的被膜的方法，在专利文献4中公开了涂敷含有无机聚硅氮烷的前驱体聚合物的亲水性被膜的方法，在专利文献5中公开了涂敷表面自由能和氢键合力低的金属被膜的方法。这些被膜是疏水疏油性、或者与这些相反的亲水性的被膜，或着重于油泥的附着力而研究的粘着防止方法。

另一方面，作为油环的设计方面的对策，在专利文献6中给出了如下的启示，从使流入油环槽内的油在曲轴箱侧环流的观点来看，将间隔扩张器的耳部的角度形成为10～20°，并且将分别支撑第1及第2侧轨的突起部的轴向突出距离x的总计距离2x与两耳部的轴向端面之间的距离y之比2x/y形成为0.04～0.15，进而与油环槽连通的多个排泄孔的开口在活塞的推入侧比推入侧的相反侧形成得多。另外，专利文献7也给出了如下的启示，将上述比2x/y形成为0.13～0.25，并且将间隔扩张器的凸部(峰部)之间或凹部(谷部)之间的间距p与所述距离y之比p/y形成为1.35～1.65，进而将油环的组合标称宽度(h1)和组合厚度(a6)之积与耳部、突起部、中间部、侧轨之间的空间部的截面积之比形成为12～71。

但是，如上所述，关于比2x/y，在专利文献6中形成为0.04～0.15，而在专利文献7中形成为0.13～0.25，各自要求范围不同，实验证据不充分。另外，在专利文献6和专利文献7中，也没有考虑其他参数的影响。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002-310299号公报

专利文献2：日本特开2003-254155号公报

专利文献3：日本特开2000-027995号公报

专利文献4：日本特开2006-258110号公报

专利文献5：wo2011/043364a1号公报

专利文献6：日本专利4633639号公报

专利文献7：日本特开2013-155829号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

本发明的课题在于提供在发动机长期运转中也不会发生间隔扩张器与侧轨间的粘着且能够维持优异的控油功能的汽车发动机用的组合控油环。

用于解决课题的技术方案

本发明者们在对流入到安装有油环的活塞的油环槽的油向形成于油环槽内径侧的油返回孔环流的状况进行了研究，由于油返回孔的数量比间隔扩张器的峰部及谷部的数量少得多，因而着重于在间隔扩张器的圆周方向上的油的流动比半径方向上的油的流动更重要来进行数值流体解析，结果是发现了，在耳部、突起部、中间部、侧轨之间的间隙中流动的油的流速与附着/堆积于该间隙的油泥的排出有密切的关系。此外，能够想到不仅能够维持防粘着功能，还能够通过可改善侧轨的追随性的控油环的尺寸设计来维持优异的控油功能的组合控油环。

即，本发明的组合控油环由一对侧轨和在轴向波形上形成有峰部和谷部的间隔扩张器构成，其特征在于，所述间隔扩张器的所述峰部及所述谷部分别由按压所述侧轨的内周面的耳部、支撑所述侧轨的突起部及位于所述耳部与所述突起部之间的中间部构成，在所述中间部与相对的所述侧轨的侧面之间形成的空间部的最小轴向截面积(smin)与从安装有所述组合控油环的活塞的油环槽的槽底到气缸套内壁为止的轴向截面积(s0)之比(smin/s0)为1.9％以上。优选所述比(smin/s0)为4.5％以下。

另外，优选所述耳部的耳高度(a10)为所述间隔扩张器的扩张器高度(a9)的28.9～34.2％。

另外，优选所述突起部的突起高度(c)为所述间隔扩张器的扩张器高度(a9)的5.3～26.3％，优选所述突起部的突起宽度(a)为所述间隔扩张器的扩张器宽度(h9)的6.7～13.9％，优选所述中间部高度(b)为所述间隔扩张器的扩张器高度(a9)的39.5～55.3％，优选所述突起宽度(a)为0.12～0.25mm。

而且，优选在大致圆周方向上，所述中间部相对于所述侧轨倾斜，优选在大致圆周方向上，所述中间部呈凸形状。

发明效果

本发明的油环设计为，在间隔扩张器的中间部与相对的侧轨的侧面之间形成的空间部的最小轴向截面积(smin)与从安装有油环的活塞的油环槽的槽底到气缸套内壁为止的轴向截面积(s0)之比(smin/s0)为1.9％以上，由于此时在该空间中流动的油的流速增加，附着/堆积于该空间的油泥的排出被急剧改善，能够防止间隔扩张器与侧轨的粘着。另外，通过将间隔扩张器的耳部的耳高度(a10)设计为所述间隔扩张器的扩张器高度(a9)的28.9～34.2％，间隔扩张器的稳定度稳定，且侧轨的厚度(a1)变薄，能够显著提高追随性，即使低张力化也能够大幅降低油消耗。此外，使中间部在大致圆周方向上倾斜，另外形成为凸形状，由此能够使油可靠地流出。

附图说明

图1是示出组合一对侧轨和间隔扩张器而成的本发明的油环的一个例子的剖视图。

图2是示出插入气缸套中的活塞的油环槽的剖视图。

图3(a)是示出构成本发明的油环的间隔扩张器的另一个例子的一部分的立体图。

图3(b)是示出组合图3(a)的间隔扩张器和侧轨而成的本发明的油环的剖视图。

图4(a)是示出构成本发明的油环的间隔扩张器的又一个例子的一部分的立体图。

图4(b)是示出组合图4(a)的间隔扩张器和侧轨而成的本发明的油环的剖视图。

图5(a)是示出smin/s0与开口间隙比(m2/m1)之间的关系的图。

图5(b)是示出smin/s0与油泥附着量之间的关系的图。

图6(a)是示出现有的间隔扩张器的一部分的立体图。

图6(b)是示出现有的油环的剖视图。

具体实施方式

下面，参照附图，说明本发明的油环的实施方式。

图1示出本发明的油环的一个实施方式。间隔扩张器(11)与现有的间隔扩张器同样，峰部及谷部分别由耳部(12a、12b)、突起部(13a、13b)及中间部(14a、14b)构成，在中间部(14a、14b)与相对的侧轨(20a、20b)的侧面之间形成有空间部(15a、15b)。该空间部(15a、15b)的轴向截面积(sa、sb：由于上下对称，所以sa＝sb)，尤其是最小的轴向截面积(smin)影响在该空间部(15a、15b)中流动的油的流速，在防止粘着方面成为重要的参数。以从图2所示的油环槽的槽底到气缸套内壁的轴向截面积(s0)为基准进行实验研究的结果是，通过将比(smin/s0)形成为1.9％以上，能够可靠地避免侧轨与间隔扩张器间的粘着，相反，若比(smin/s0)形成为小于1.9％，则避免粘着是困难的。比(smin/s0)虽未设置上限，但优选比(smin/s0)为4.5％以下。

另外，在本发明的油环中，为了提高侧轨的追随性，并且降低油消耗，优选使侧轨的宽度尺寸(a1)比较小。在该情况下，优选对应的间隔扩张器的耳部(12a、12b)的耳高度(a10)形成为间隔扩张器的扩张器高度(a9)的28.9～34.2％。

如上所述，在通过调整耳高度(a10)而侧轨(20、20)的厚度(a1)变小的情况下，从油环槽上下表面的密封功能的观点来看，优选调整耳部(12a、12b)的角度θ，对于本发明的油环而言，θ优选为10～30°，更优选为15～25°。

另外，在本发明的油环中，为了使比(smin/s0)形成为1.9％以上，优选增大间隔扩张器的突起部(13a、13b)的突起宽度(a)，增大中间部(14a、14b)的中间部高度(b)。在该情况下，优选关联的突起部(13a、13b)的突起高度(c)形成为间隔扩张器的扩张器高度(a9)的5.3～26.3％，更优选形成为间隔扩张器的扩张器高度(a9)的5.3～15.8％。

另外，具体地说，间隔扩张器的突起部(13a、13b)的突起宽度(a)优选为0.12～0.25mm，更优选为0.15～0.20mm。另外，对于间隔扩张器的扩张器宽度(h9)，优选为6.7～13.9％，更优选为8.3～11.5％。

图3(a)及图3(b)示出作为另一实施方式的间隔扩张器(21)。在大致圆周方向上，中间部(24a、24b)倾斜，使中间部的油易于向圆周方向一侧流动。在大致圆周方向上，相邻的中间部的倾斜角度变大(上升)或减小(下降)都可以，或可以交替地反复变大(上升)和减小(下降)。由此，在中间部(24a、24b)与相对的侧轨(20a、20b)的侧面之间形成的空间部(25a、25b)的最小轴向截面积(smin)为所述空间部(25a、25b)的端部的轴向截面积。

图4(a)及图4(b)示出作为又一实施方式的间隔扩张器(31)。在大致圆周方向上，中间部(35a、35b)呈倒v形状的凸形状，使中间部的油易于向圆周方向两侧流动。与所述凸形状的顶点部分对应的位置的轴向截面积成为空间部(35a、35b)的最小的轴向截面积(smin)。

上述的间隔扩张器能够通过线材的塑性加工形成。

实施例

实施例1～10(e1～e10)及比较例1～4(c1～c4)

间隔扩张器由1.90mm×0.25mm(其中，比较例1为1.60mm×0.25mm)的轧制带材(sus304材料)使用利用齿轮的成形方法制造，另外侧轨由1.62mm×0.35mm(其中，实施例2～3、5～6、8～10为1.72mm×0.35mm，比较例1为1.37mm×0.35mm)的轧制带材(sus440b)通过卷绕制造，由此制造组合油环的标称直径(d1)为87mm、组合宽度(h1)为2.0mm、组合厚度(a6)为2.2mm(其中，比较例1为1.9mm)的组合油环。在此，间隔扩张器的从峰部(谷部)到峰部(谷部)的间距为2.7mm，耳角度为20°(其中，比较例1为25°)，中间部形成为与侧轨侧面大致平行的平面形状。张力值以23n作为目标值来调整间隔扩张器的展开长度。关于各实施例1～10及比较例1～4，在表1示出间隔扩张器的细微部分尺寸，在表2示出侧轨的宽度尺寸及厚度尺寸。

[表1]

[表2]

[1]实机试验

将实施例1～4的组合油环分别安装于2.4升4缸发动机的第1气缸到第4气缸。试验中，发动机油使用从市场回收的劣化油，并以将模式运转实施规定时间(规定循环数)的条件进行试验，所述模式运转使从停止状态到最高输出转速的运转条件及从低温到高温的油水温条件连续地反复。在经过规定时间后按照下面的评价方法，对侧轨的开口间隙进行测定，并且对油泥附着量进行测定。在此，顶环及第二环使用下面规格的环。

(1)顶环

材质：swosc-v，外周面氮化铬离子电镀处理

尺寸：d1＝87.0mm，h1＝1.2mm，a1＝3.1mm

(2)第二环

材质：swosc-v，外周面镀铬处理

尺寸：d1＝87.0mm，h1＝1.2mm，a1＝3.4mm

对于实施例5～10及比较例1～4的组合油环，分为实施例5～8、实施例9～10及比较例1～2、比较例3～4及实施例1～2、实施例3～6、实施例7～10、以及比较例1～4的组合，使用上述2.4升4气缸发动机，与实施例1～4的组合同样，进行实机试验。由此，各实施例及比较例的试验次数为两次。

[2]侧轨开口间隙的测定

在实机试验结束后，在将活塞从气缸拔出的状态下，测定油环的上下的侧轨的开口间隙(m2)，求出与组装于实机试验前的活塞的状态的开口间隙(m1)(实机试验前等于自由状态的开口间隙)之比(m2/m1)。针对一对侧轨分别求出m2/m1，算出两次实机试验的平均值。

[3]油泥附着量的测定方法

在实机试验结束后，从活塞拆下油环，在电炉中以200℃干燥一小时，在干燥器中冷却到室温，然后测定油环的质量。算出与预先测定的实机试验前的油环的质量之差，将两次实机试验的平均值作为油泥附着量。

在表3示出实施例1～10及比较例1～4的实机试验结果。开口间隙将实施例1的m2/m1设为100，油泥的附着量也将实施例1的附着量设为100，用相对值表示各试验结果。

[表3]

根据表3可知，就实机试验后的开口间隙比(m2/m1)而言，对于实施例1～10的100～126，在比较例1～4中减少为27～58，就油泥附着量而言，对于实施例1～10的81～107，在比较例1～4中增加为169～359。即，认为在比较例1～4中，由于油泥的堆积，侧轨被限制，因此即使在将活塞从气缸拔出的状态下，开口也难以恢复(扩大)为原来的状态，而在实施例1～10中，油泥的附着/堆积减少，由此油环的限制程度降低，易于恢复(扩大)为原来的状态。

为了研究上述的评价结果，在表4中示出在由间隔扩张器的各尺寸决定的中间部与相对的侧轨侧面之间形成的空间部的最小轴向截面积(smin)、从活塞的油环槽的槽底到气缸套内壁的轴向截面积(s0)、比(smin/s0)、耳高度(a10)与扩张器高度(a9)之比(a10/a9)、突起部高度(c)与扩张器高度(a9)之比(c/a9)、突起宽度(a)与扩张器高度(a9)之比(a/a9)、中间部高度(b)与扩张器高度(a9)之比(b/a9)。

[表4]

在图5(a)中示出smin/s0与开口间隙比(m2/m1)的关系，在图5(b)中示出smin/s0与油泥附着量比的关系。可知，smin/s0从1.5％到1.9％，开口间隙比(m2/m1)急剧上升，smin/s0在1.9％以上，开口间隙比(m2/m1)难以产生对侧轨的限制。另一方面，在smin/s0到1.9％为止，油泥附着量单调地减小，在smin/s0为1.9％以上，油泥附着量不变化，因此可知在smin/s0为1.9％以上，抑制油泥的附着/堆积。

实施例11(e11)

除了形成为使中间部如图3(a)及图3(b)所示在大致圆周方向上倾斜的间隔扩张器以外，与实施例1同样地制造组合油环。将突起部的圆周方向一端的突起宽度a1形成为0.12mm，将其他端的突起宽度a2形成为0.15mm。由此，smin与实施例1相同。

实施例12(e12)

除了如图4(a)及图4(b)所示中间部形成为在大致圆周方向上呈凸形状的间隔扩张器以外，与实施例1同样地制造组合油环。将突起部的圆周方向中央的突起宽度a3形成为0.12mm，将圆周方向两端的突起宽度a4形成为0.15mm。由此，smin与实施例1相同。

针对实施例11(e11)及实施例12(e12)也进行了与实施例1同样的实机试验。在此，将实施例11的组合油环安装于2.4升4气缸发动机的第1气缸及第3气缸，将实施例12的组合油环安装于第2气缸及第4气缸。在表5示出试验结果。

[表5]

标号说明

1活塞

2气缸

3活塞环槽

11、21、31、101间隔扩张器

12a、12b、22a、22b、32a、32b、105a、105b耳部

13a、13b、23a、23b、33a、33b、106a、106b突起部

14a、14b、24a、24b、34a、34b、107a、107b中间部

15a、15b、25a、25b、35a、35b、108a、108b空间部

20a、20b、120a、120b侧轨

a1侧轨厚度

a6组合油环的组合厚度

a9间隔扩张器的扩张器高度

a10间隔扩张器的耳高度

h1组合油环的组合宽度

h9间隔扩张器的扩张器宽度

a间隔扩张器的突起宽度

b间隔扩张器的中间部高度

c间隔扩张器的突起高度

θ间隔扩张器的耳角度

smin空间部的最小轴向截面积

s0到气缸套内壁的油环槽的轴向截面积

m1实机试验前的侧轨的开口间隙

m2实机试验后的侧轨的开口间隙。