本發(fā)明涉及活塞環(huán)，尤其是涉及具有桶面形狀的外周滑動(dòng)面的壓力環(huán)。

背景技術(shù)：

包含船舶用發(fā)動(dòng)機(jī)的大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)伴隨著地球環(huán)境問(wèn)題的明顯化，近年來(lái)處于越發(fā)高輸出化、高效率化(CO₂降低)的傾向。具體而言，計(jì)劃了缸有效壓力或最高壓力的上升、由熱負(fù)荷增大產(chǎn)生的作用應(yīng)力的增大、或者平均活塞速度的上升等，尤其是計(jì)劃了缸內(nèi)最高壓力達(dá)到22MPa，將來(lái)進(jìn)一步上升至30MPa的情況。將第一壓力環(huán)(以下也稱為“頂環(huán)”)壓緊于缸套面的載荷(以下也稱為“環(huán)載荷”)與該缸內(nèi)最高壓力大致成比例地增大，因此壓力環(huán)的使用環(huán)境非?？量獭?/p>

另外，在上述那樣的苛刻的使用環(huán)境下，活塞的環(huán)槽由于活塞上部的基于熱膨脹的熱變形或燃燒壓力的影響、活塞槽的磨損而處于從與軸向垂直的方向稍向下(與燃燒室相反的方向)變形的傾向，此外，頂環(huán)由于缸內(nèi)壓力而成為向下(與燃燒室相反的方向)倒下的傾向。即，頂環(huán)成為在比外周滑動(dòng)面的軸向?qū)挾鹊闹醒胛恢每咳紵覀?cè)處與缸壁進(jìn)行滑動(dòng)接觸的傾向。在極端的情況下，有時(shí)也會(huì)發(fā)生頂環(huán)的抵碰面從外周滑動(dòng)面脫離的所謂邊緣載荷(也稱為“外周上抵碰”)。

大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中的故障集中于包含活塞環(huán)的活塞、缸套，尤其是由于活塞環(huán)與缸套的擦傷的問(wèn)題而導(dǎo)致重大損傷的情況較多。擦傷在上述那樣環(huán)載荷增大時(shí)，發(fā)生邊緣載荷時(shí)，另外在上止點(diǎn)及下止點(diǎn)的附近成為交界潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)容易發(fā)生。

目前為止的大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)用頂環(huán)通過(guò)鍍敷或噴鍍而在外周滑動(dòng)面上包覆硬質(zhì)保護(hù)膜，此外研磨加工成桶面形狀，實(shí)現(xiàn)了耐久性和油膜生成功能的提高。例如，日本實(shí)開昭57-196238公開了一種活塞環(huán)，其特征在于，外周滑動(dòng)面的截面形狀由從上方起的第一、第二及第三的不同曲率半徑的圓弧組成的復(fù)合面構(gòu)成，第二曲率半徑比第一及第三曲率半徑大，且由第二曲率半徑劃定的第二外周滑動(dòng)面的軸向?qū)挾葹榛钊h(huán)的軸向?qū)挾鹊拇笾?/2，第二外周滑動(dòng)面的截面圓弧的曲率中心在活塞環(huán)的軸向?qū)挾葍?nèi)位于寬度中央以下的位置，且第一、第二及第三外周滑動(dòng)面以在其交界部未形成凹部的狀態(tài)相連。

另外，日本特開2002-39384是在外周滑動(dòng)面為桶形狀且在與上下側(cè)面交叉的部分具有進(jìn)行了倒角加工的拐角部的活塞環(huán)中，以提供一種在外周滑動(dòng)面上形成有氮化層、PVD層的表面處理層的情況下在桶面與拐角部的交界的邊緣部不會(huì)產(chǎn)生表面處理層的裂紋或剝離的活塞環(huán)為目的，公開了如下的活塞環(huán)：拐角部呈半徑0.05mm以上且比桶面半徑小的曲面形狀，并且拐角部與桶部不存在棱線部而連續(xù)地相連形成。

另外，日本特開2009-91927以提供一種防止活塞環(huán)的外周面與缸套的滑動(dòng)面之間的氣封能力不足引起的漏氣量的增大，防止活塞環(huán)背部的污垢、漏氣中的亞硫酸氣體引起的缸套的腐蝕，且降低接觸壓力的活塞環(huán)為目的，公開了將活塞環(huán)的外周面設(shè)定為曲率半徑R＝1.18D～1.35D(D：缸內(nèi)徑)的圓弧外形的活塞環(huán)。具有如下的特征：考慮到表示氣封能力的泄漏流量Q與圓弧外形的曲率半徑R的立方成反比例的情況而增大曲率半徑R。

然而，日本實(shí)開昭57-196238、日本特開2002-39384及日本特開2009-91927的活塞環(huán)利用平滑的曲線將外周桶面與拐角部連接，或者與以往相比都增大了桶面的曲率半徑，但是并未采取關(guān)注于活塞或活塞環(huán)的行跡的擦傷對(duì)策或邊緣載荷對(duì)策，因此處于無(wú)法說(shuō)是充分的狀況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的課題

本發(fā)明的課題在于提供一種即使在壓力、熱負(fù)荷增大的苛刻的使用環(huán)境下，也表現(xiàn)出優(yōu)異的耐擦傷性及耐磨損性的活塞環(huán)，而且能夠避免邊緣載荷的活塞環(huán)。

用于解決課題的方案

本發(fā)明者們對(duì)于活塞環(huán)的外周滑動(dòng)面的形狀進(jìn)行仔細(xì)研究的結(jié)果是，想到了能夠提供一種降低環(huán)抵碰面的赫茲應(yīng)力的形狀、避免邊緣載荷并能夠進(jìn)行充分的油膜形成的形狀的耐擦傷性及耐磨損性優(yōu)異的活塞環(huán)。

即，本發(fā)明的活塞環(huán)的特征在于，在通過(guò)活塞環(huán)的中心軸且與所述中心軸平行的截面中呈現(xiàn)的外周滑動(dòng)面的第一曲面向外凸出，所述第一曲面的曲率半徑從曲柄室側(cè)向燃燒室側(cè)連續(xù)地增加或減少。

優(yōu)選在所述截面中呈現(xiàn)的所述第一曲面的頂點(diǎn)位于比軸向?qū)挾鹊闹醒胛恢每壳覀?cè)處。

優(yōu)選所述第一曲面的在所述截面中呈現(xiàn)的曲線由對(duì)漸開線曲線進(jìn)行了變形的曲線表示，所述曲線更優(yōu)選使用如下關(guān)系式表示：

x＝a(cosθ+θ^b·sinθ)/α

y＝a(sinθ-θcosθ)/β

a、b、α、β為常數(shù)。

另外，所述第一曲面與燃燒室側(cè)上側(cè)面及所述第一曲面與曲柄室側(cè)下側(cè)面之間優(yōu)選分別具有倒角部，或者優(yōu)選分別具有向外凸出的第二曲面及第三曲面。

另外，從在所述截面中呈現(xiàn)的所述第一曲面的頂點(diǎn)至燃燒室側(cè)端的在半徑方向上的后退量(t)(以下，也僅稱為“半徑方向的后退量”或者“燃燒室側(cè)的外周滑動(dòng)面的后退量”)優(yōu)選為活塞環(huán)的標(biāo)稱直徑(d1)的0.001％以上且0.015％以下。

發(fā)明效果

本發(fā)明的第一活塞環(huán)的外周滑動(dòng)面的第一曲面形狀的曲率半徑從曲柄室側(cè)向燃燒室側(cè)而連續(xù)地增加，因此燃燒室側(cè)的曲率半徑大，即使負(fù)荷缸內(nèi)最高壓力而在燃燒室側(cè)與缸壁發(fā)生滑動(dòng)接觸，由于增大了燃燒室側(cè)的曲率半徑，因此也能夠降低由環(huán)載荷產(chǎn)生的接觸(赫茲)應(yīng)力，避免擦傷，能夠避免造成重大損傷的情況。而且，如果燃燒室側(cè)的曲率半徑大，則油膜也形成得厚，因此油殘留于上止點(diǎn)附近，進(jìn)而對(duì)于擦傷的避免也能作出貢獻(xiàn)。而且，本發(fā)明的第二活塞環(huán)的外周滑動(dòng)面的第一曲面形狀的曲率半徑從曲柄室側(cè)向燃燒室側(cè)而連續(xù)地減少，因此燃燒室側(cè)的曲率半徑比較小，由此半徑方向的后退量也增大，因此能夠避免負(fù)荷缸內(nèi)最高壓力的燃燒行程時(shí)的邊緣載荷，能夠避免造成重大損傷的情況。而且，如果燃燒室側(cè)的半徑方向的后退量大，則在活塞下降時(shí)從裙部側(cè)流入的油容易蓄積，因此該蓄積的油殘留至上止點(diǎn)附近，對(duì)于擦傷的避免也能作出貢獻(xiàn)。另一方面，曲柄室側(cè)的曲率半徑大，降低由環(huán)載荷產(chǎn)生的赫茲應(yīng)力，油膜也形成得厚，因此能夠表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨損性。此外，無(wú)論是第一活塞環(huán)還是第二活塞環(huán)，第一曲面形狀如果由例如對(duì)漸開線曲線進(jìn)行了變形的曲線表示，則能夠使曲率半徑在所希望的范圍內(nèi)連續(xù)地變化，此外，能夠通過(guò)基于數(shù)值控制的加工來(lái)形成，或者能夠通過(guò)利用數(shù)值控制形成的形狀的砂輪進(jìn)行成形加工，從而能夠可靠且高效地形成曲率半徑從曲柄室側(cè)向燃燒室側(cè)連續(xù)地增加或減少的第一曲面。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式的活塞環(huán)的剖視圖(外周滑動(dòng)面由第一曲面構(gòu)成)。

圖2是本發(fā)明的另一實(shí)施方式的活塞環(huán)的剖視圖(外周滑動(dòng)面的頂點(diǎn)位于下側(cè)面?zhèn)榷?。

圖3是本發(fā)明的另一實(shí)施方式的活塞環(huán)的剖視圖(在第一曲面與燃燒室側(cè)上側(cè)面及曲柄室側(cè)下側(cè)面之間分別具有倒角部)。

圖4是本發(fā)明的另一實(shí)施方式的活塞環(huán)的剖視圖(在第一曲面與燃燒室側(cè)上側(cè)面及曲柄室側(cè)下側(cè)面之間分別具有向外凸出的第二及第三曲面)。

具體實(shí)施方式

圖1～圖4示出本發(fā)明的實(shí)施方式的軸向?qū)挾?h1)、徑向厚度(a1)的活塞環(huán)(1)的截面。截面是通過(guò)活塞環(huán)(1)的中心軸且與中心軸平行的截面，外周滑動(dòng)面包含向外凸出的第一曲面(2)。并且，該第一曲面(2)的曲率半徑(R)從曲柄室側(cè)(圖的下部)向燃燒室側(cè)(圖的上部)連續(xù)地增加(本發(fā)明的第一活塞環(huán))或從曲柄室側(cè)(圖的下部)向燃燒室側(cè)(圖的上部)連續(xù)地減少(本發(fā)明的第二活塞環(huán))。由此，在本發(fā)明的第一活塞環(huán)中，第一曲面(2)的燃燒室側(cè)的曲率半徑增大，即使在第一曲面(2)的燃燒室側(cè)與缸壁進(jìn)行滑動(dòng)接觸，也能降低由環(huán)載荷產(chǎn)生的接觸赫茲應(yīng)力，結(jié)果是能降低PV值(表面壓力P與活塞速度V之積)，能夠避免擦傷。而且，在本發(fā)明的第二活塞環(huán)中，第一曲面(2)的燃燒室側(cè)的曲率半徑小，半徑方向的后退量(t)增大，能夠避免負(fù)荷缸內(nèi)最高壓力的燃燒行程時(shí)的邊緣載荷。

作為曲率半徑(R)連續(xù)增加的曲線，可列舉例如漸開線曲線。漸開線曲線是指將卷纏于圓的線以繃直地拉伸的狀態(tài)解開時(shí)的線的端點(diǎn)描繪的軌跡，由

x＝cosθ+θsinθ

y＝sinθ-θcosθ

表示，但是為了形成為與本發(fā)明的活塞環(huán)的外周滑動(dòng)面的第一曲面(2)相適的曲率變化，使用參數(shù)a、b、α、β對(duì)上述曲線進(jìn)行變形，優(yōu)選使用由

x＝a(cosθ+θ^b·sinθ)/α

y＝a(sinθ-θcosθ)/β

a、b、α、β為常數(shù)

的關(guān)系式表示的曲線(變形漸開線曲線)。在此，a、b、α、β根據(jù)適用的活塞環(huán)而可以適當(dāng)設(shè)定，但是優(yōu)選a為3000～10000，b為2～3，α為1～2，β為1～5。通過(guò)使上述關(guān)系式的坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)規(guī)定量，且平行移動(dòng)規(guī)定量或反轉(zhuǎn)，能夠描繪出例如以x軸為a1方向(與環(huán)軸垂直的方向)、以y軸為h1方向(環(huán)軸方向)、以第一曲面(2)的頂點(diǎn)為原點(diǎn)、且曲率半徑連續(xù)地增加或減少的曲線。

上述那樣明確地由數(shù)學(xué)式表示的曲線在第一曲面的形成時(shí)，能夠進(jìn)行基于數(shù)值控制的加工、基于通過(guò)數(shù)值控制而形成的形狀的砂輪的成形加工，因此制造容易，并提高制造品質(zhì)。

圖2～圖4示出與本發(fā)明的圖1不同的實(shí)施方式的活塞環(huán)。圖1及圖2中，外周滑動(dòng)面僅由第一曲面構(gòu)成，第一曲面的頂點(diǎn)(2)在圖1中位于上側(cè)面與下側(cè)面之間，但是在圖2中位于下側(cè)面?zhèn)榷恕D3在第一曲面(2)與燃燒室側(cè)上側(cè)面(3)及第一曲面(2)與曲柄室側(cè)下側(cè)面(4)之間分別具有倒角部(5、5)，圖4取代倒角部(5、5)而具有向外凸出的第二及第三曲面(6、6)。

本發(fā)明的活塞環(huán)基本上優(yōu)選第一曲面的頂點(diǎn)位于比軸向?qū)挾鹊闹醒胛恢每壳覀?cè)處。燃燒室側(cè)的外周滑動(dòng)面的后退量(t)優(yōu)選為活塞環(huán)的標(biāo)稱直徑(d1)的0.001％以上且0.015％以下。在第一活塞環(huán)的情況下，后退量(t)更優(yōu)選為0.004％以上，在第二活塞環(huán)的情況下，后退量(t)更優(yōu)選為0.01以下，進(jìn)一步優(yōu)選為0.007％以下。

本發(fā)明的活塞環(huán)能夠優(yōu)選使用于缸內(nèi)最高壓力較大的標(biāo)稱直徑為200mm以上且小于1100mm的大型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，但是只要外周滑動(dòng)面滿足規(guī)定的形狀即可，其適用發(fā)動(dòng)機(jī)不受限定，也可以使用于標(biāo)稱直徑小于200mm的中型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

另外，本發(fā)明的活塞環(huán)的母材既可以適用鑄鐵材料，也可以適用鋼材，但是為了有效地應(yīng)對(duì)高輸出化、高效率化，進(jìn)而以輕量化、低張力化為目標(biāo)而優(yōu)選適用鋼材。在將鋼材適用于母材的情況下，優(yōu)選為從碳素鋼、低合金鋼、彈簧鋼、軸承鋼、馬氏體系不銹鋼中選擇的鋼。如果是碳素鋼，則優(yōu)選使用C為0.6～0.8質(zhì)量％左右的高碳素鋼，如果是彈簧鋼，則優(yōu)選使用SUP9、SUP10、SUP12等，如果是軸承鋼，則優(yōu)選使用SUJ2，如果是馬氏體系不銹鋼，則優(yōu)選使用SUS420J2或SUS440B。根據(jù)高溫強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)率、耐熱疲勞性等需要的要求特性而選擇適合的鋼材。

本發(fā)明的活塞環(huán)優(yōu)選具有選自由氮化保護(hù)膜、鍍敷保護(hù)膜、噴鍍保護(hù)膜、化學(xué)轉(zhuǎn)化處理保護(hù)膜及離子鍍敷保護(hù)膜構(gòu)成的組中的1個(gè)或2個(gè)以上的保護(hù)膜。鍍敷保護(hù)膜包括硬質(zhì)鉻鍍敷保護(hù)膜、多層鉻鍍敷保護(hù)膜、鎳復(fù)合鍍敷保護(hù)膜，噴鍍保護(hù)膜包括鉬噴鍍保護(hù)膜、金屬陶瓷噴鍍保護(hù)膜，離子噴鍍保護(hù)膜包括CrN保護(hù)膜、TiN保護(hù)膜。

實(shí)施例

實(shí)施例1(第一活塞環(huán))

由材料組成以質(zhì)量％計(jì)含有C：0.48％、Si：0.21％、Mn：0.79％、Cr：1.02％、V：0.22％、外徑為110mm、長(zhǎng)度為200mm的棒鋼，通過(guò)環(huán)件軋制加工來(lái)制造筒狀原料，實(shí)施機(jī)械加工，制造出標(biāo)稱直徑(d1)為330mm、寬度(h1)為5mm、厚度(a1)為9mm的矩形截面的鋼制頂環(huán)。接下來(lái)，通過(guò)460℃、5小時(shí)的氣體氮化而在環(huán)整面形成約70μm的氮化層，此外在外周形成約500μm的金屬陶瓷噴鍍保護(hù)膜，該金屬陶瓷噴鍍保護(hù)膜以通過(guò)高速火焰噴鍍而在Ni合金基底中分散有微細(xì)的Cr碳化物粒子的復(fù)合材料粒子為主要的構(gòu)成粒子(蘇爾壽美科(Sulzer Metco)公司的SM5241粉末)，最終實(shí)施了精加工研磨至噴鍍保護(hù)膜的膜厚約350μm。在此，由于氣體氮化而在表面生成的化合物層(白層)進(jìn)行磨削除去。

通過(guò)精加工研磨而形成的外周滑動(dòng)面的第一曲面使用

x＝a(cosθ+θ^b·sinθ)/α

y＝a(sinθ-θcosθ)/β

a＝7000，b＝3，α＝1，β＝2

的變形漸開線曲線，以使第一曲面的頂點(diǎn)(距燃燒室側(cè)上側(cè)面為3.5mm的距離)成為坐標(biāo)軸的原點(diǎn)的方式，使上述變形漸開線曲線的坐標(biāo)軸適當(dāng)旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行平行移動(dòng)地描繪。而且，這種情況下，距下側(cè)面為0.5mm的位置的曲率半徑成為70mm，頂點(diǎn)位置的曲率半徑成為300mm，距上側(cè)面為0.5mm的位置的曲率半徑成為460mm。使用成形為該形狀的成形砂輪，形成第一曲面，距上下側(cè)面為0.5mm的區(qū)域?qū)嵤┑菇羌庸ぃ瓿闪司庸ぱ心ァ６?，燃燒室?cè)的外周滑動(dòng)面的后退量(t)為0.009mm，為標(biāo)稱直徑(d1)的0.002％。

實(shí)機(jī)試驗(yàn)

實(shí)機(jī)試驗(yàn)在孔徑為330mm的6氣缸4沖程中速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)機(jī)中，使用6氣缸全部裝配有實(shí)施例1的頂環(huán)的活塞來(lái)進(jìn)行。頂環(huán)以外使用了一直以來(lái)使用的活塞環(huán)。在300小時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)中，沒有擦傷等故障，取出頂環(huán)而觀察了滑動(dòng)面的結(jié)果也沒有特別異常。

實(shí)施例2(第二活塞環(huán))

除了將變形漸開線曲線的參數(shù)設(shè)為a＝6000、b＝3、α＝1、β＝1.5，并將第一曲面以使曲率半徑從曲柄室側(cè)向燃燒室側(cè)減少的方式反轉(zhuǎn)而形成以外，與實(shí)施例1同樣地制造了鋼制頂環(huán)。這種情況下，距下側(cè)面為0.5mm的位置的曲率半徑成為340mm，頂點(diǎn)位置的曲率半徑成為270mm，距上側(cè)面為0.5mm的位置的曲率半徑成為100mm。燃燒室側(cè)的外周滑動(dòng)面的后退量(t)為0.016mm，為標(biāo)稱直徑(d1)的0.0048％。此外，進(jìn)行了與實(shí)施例1同樣的實(shí)機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果是，所有的氣缸都沒有故障，而且頂環(huán)的滑動(dòng)面也沒有異常。

實(shí)施例3-5(第一活塞環(huán))

除了將變形漸開線曲線的參數(shù)a、b、α、β設(shè)為表1所示的值以外，與實(shí)施例1同樣地制造了實(shí)施例3～5的鋼制頂環(huán)。關(guān)于實(shí)施例3～5的下側(cè)面?zhèn)?距下側(cè)面為0.5mm的位置)、頂點(diǎn)位置、上側(cè)面?zhèn)?距上側(cè)面為0.5mm的位置)處的曲率半徑、后退量(t)，也與實(shí)施例1及2的結(jié)果一起如表1所示。此外，將實(shí)施例3～5的頂環(huán)裝配于各2個(gè)氣缸而與實(shí)施例1同樣地進(jìn)行了實(shí)機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果是，所有的使用了頂環(huán)的氣缸都沒有故障，而且頂環(huán)的滑動(dòng)面也沒有異常。

[表1]

*后退量是指燃燒室側(cè)的外周滑動(dòng)面的后退量(t)。

實(shí)施例6(第一活塞環(huán))

對(duì)于材料組成以質(zhì)量％計(jì)含有C：3.7％、Si：2.7％、Mn：0.6％、P：0.04％、S：0.01％、Cr：0.10％、Ni：0.90％、V：0.07％、Cu：2.39％的鑄鐵進(jìn)行熔化、鑄造、機(jī)械加工，制造了標(biāo)稱直徑(d1)為330mm、寬度(h1)為7mm、厚度(a1)為10mm的矩形截面的CV石墨鑄鐵制頂環(huán)。將變形漸開線曲線的參數(shù)設(shè)為a＝6000、b＝3、α＝1、β＝1.7，以使距燃燒室側(cè)上側(cè)面為4.5mm的距離的第一曲面的頂點(diǎn)成為坐標(biāo)軸的原點(diǎn)的方式，使上述變形漸開線曲線的坐標(biāo)軸適當(dāng)旋轉(zhuǎn)、平行移動(dòng)地描繪。而且，這種情況下，距下側(cè)面為0.5mm的位置的曲率半徑成為65mm，頂點(diǎn)位置的曲率半徑成為280mm，距上側(cè)面為0.5mm的位置的曲率半徑成為450mm。使用成形為該形狀的成形砂輪，形成第一曲面，距上下側(cè)面為0.5mm的區(qū)域?qū)嵤┑菇羌庸?，完成了精加工研磨。而且，燃燒室?cè)的外周滑動(dòng)面的后退量(t)為0.024mm，為標(biāo)稱直徑(d1)的0.007％。

實(shí)施例7(第二活塞環(huán))

除了將變形漸開線曲線的參數(shù)設(shè)為a＝3000、b＝3、α＝1、β＝2，并將第一曲面以使曲率半徑從曲柄室側(cè)向燃燒室側(cè)減少的方式反轉(zhuǎn)而形成以外，與實(shí)施例6同樣地制造了CV石墨鑄鐵制頂環(huán)。這種情況下，距下側(cè)面為0.5mm的位置的曲率半徑成為360mm，頂點(diǎn)位置的曲率半徑成為300mm，距上側(cè)面為0.5mm的位置的曲率半徑成為50mm。燃燒室側(cè)的外周滑動(dòng)面的后退量(t)為0.035mm，為標(biāo)稱直徑(d1)的0.011％。

關(guān)于實(shí)施例6及7，也將頂環(huán)裝配于各3個(gè)氣缸而進(jìn)行了與實(shí)施例1同樣的實(shí)機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果是，所有的氣缸都沒有故障，而且頂環(huán)的滑動(dòng)面也沒有異常。