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WO2020050336A1 - ピストンリング、及びピストンリングの製造方法 - Google Patents

ピストンリング、及びピストンリングの製造方法 Download PDF

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Publication number
WO2020050336A1
WO2020050336A1 PCT/JP2019/034853 JP2019034853W WO2020050336A1 WO 2020050336 A1 WO2020050336 A1 WO 2020050336A1 JP 2019034853 W JP2019034853 W JP 2019034853W WO 2020050336 A1 WO2020050336 A1 WO 2020050336A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piston ring
outer peripheral
peripheral surface
uneven structure
outermost diameter
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/034853
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
大志 清水
朋孝 大出
Original Assignee
株式会社リケン
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社リケン filed Critical 株式会社リケン
Publication of WO2020050336A1 publication Critical patent/WO2020050336A1/ja

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F5/00—Piston rings, e.g. associated with piston crown
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/12—Details
    • F16J9/20—Rings with special cross-section; Oil-scraping rings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
    • F16J9/26—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials

Definitions

  • the present invention relates to a piston ring and a method for manufacturing the piston ring.
  • a piston ring is a sliding member used in an internal combustion engine.
  • the piston ring is mounted in a ring groove provided along the circumferential direction on the outer periphery of a piston made of metal or the like.
  • the outer peripheral surface of the piston ring slides against the cylinder inner wall when the piston reciprocates in the axial direction. Therefore, sliding resistance occurs between the outer peripheral surface of the piston ring and the inner wall of the cylinder.
  • Patent Document 1 a piston ring in which an uneven structure capable of holding lubricating oil is formed on the outer peripheral surface.
  • the lubricating oil is held in the uneven structure formed on the outer peripheral surface, so that the sliding resistance between the lubricating oil and a counterpart material such as a cylinder via the lubricating oil. Can be reduced.
  • repetition of sliding of the concavo-convex structure formed on the sliding surface with respect to the mating material further wears the mating material.
  • the inner wall of the cylinder may be worn.
  • the inner diameter of the cylinder increases, so that the diameter of the piston ring increases and the gap at the abutment may increase.
  • the gap at the abutment of the piston ring becomes large, there is a problem that the sealing function is reduced, and an increase in the amount of blow-by gas or an increase in oil consumption occurs.
  • An object of the present invention is to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a piston ring capable of suppressing wear of a mating material even if the outer peripheral surface has an uneven structure, and An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a piston ring.
  • the piston ring of the present invention is a piston ring in which a concave-convex structure having grooves and land portions extending in a predetermined direction alternately formed on an outer peripheral surface, wherein the outer peripheral surface defines a central axis of the piston ring.
  • a concave-convex structure having grooves and land portions extending in a predetermined direction alternately formed on an outer peripheral surface, wherein the outer peripheral surface defines a central axis of the piston ring.
  • an outermost diameter portion having a maximum outer diameter is provided, and the uneven structure is not formed on the outermost diameter portion.
  • the outer peripheral surface is formed of the outermost diameter portion and the vicinity thereof, in which the uneven structure is not formed, in which the uneven structure is not formed, and the upper or lower side of the uneven structure non-formed region.
  • a concavo-convex structure forming region in which the concavo-convex structure is formed adjacent to at least one of the side surfaces.
  • the uneven structure forming region is provided only on the lower surface side of the uneven structure non-forming region.
  • the contour shape of the cross-section of the outer peripheral surface has a shape such that the outer diameter gradually decreases as going from the outermost diameter portion toward the upper surface side or the lower surface side, It is preferable that the region where the uneven structure is not formed is at least 0.5 ⁇ m from the outermost diameter portion to the region where the outer peripheral surface is located radially inward.
  • the groove portion and the land portion are periodically formed in the circumferential direction on the outer peripheral surface.
  • the repeating unit in which the groove portions and the land portions are alternately formed is preferably 100 ⁇ m or less.
  • a height difference from the deepest part of the groove of the concavo-convex structure to the land part is 0.01 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • a fine uneven structure having a height difference smaller than a height difference from a deepest portion of the groove portion of the uneven structure to the land portion is formed on at least one surface of the groove portion and the land portion. It is preferred that
  • the groove portion and the land portion extend along a central axis direction.
  • At least a part of the uneven structure is formed in a part of the outer peripheral surface at a position not exceeding 100 ⁇ m radially inward from the outermost diameter portion. Is preferred.
  • the present invention in the above configuration, the outer peripheral surface, the inclined portion inclined so as to approach radially inward as going from the outermost diameter portion toward the upper surface side or the lower surface side, with respect to the outermost diameter portion It is preferable to provide on both sides in the central axis direction.
  • the present invention in the above configuration, the outer peripheral surface, the inclined portion inclined so as to approach radially inward as going from the outermost diameter portion toward the upper surface side or the lower surface side, with respect to the outermost diameter portion It is preferable to provide only one side in the central axis direction.
  • the outermost diameter portion is located in a region not including the center of the outer peripheral surface in the central axis direction.
  • the outer peripheral surface is connected to the barrel-shaped portion including the outermost diameter portion and the barrel-shaped portion at one end in a central axis direction, and is 17 ° or more to the central axis direction. And a tapered portion inclined at an angle of not more than °.
  • the outer peripheral surface is formed of a hard coating.
  • the method for manufacturing a piston ring according to the present invention includes a step of forming a hard coating on an outer peripheral surface of the piston ring, and a step of forming an outer peripheral surface after the hard coating is formed in a contour shape including a cross section including a central axis of the piston ring. Forming a concavo-convex structure at a position other than the outermost diameter portion having the largest outer diameter.
  • a piston ring capable of suppressing abrasion of a mating material even if the outer peripheral surface has an uneven structure, and a method of manufacturing the piston ring.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the piston ring of FIG. 1 mounted on a piston and inserted into a cylinder.
  • FIG. 3 is an overall sectional view of a section including a central axis in a state where the piston ring of FIG. 2 is housed in a bore of a cylinder. It is sectional drawing which expands and shows a part of FIG. 3A. It is a side view which shows the outer peripheral surface containing the uneven
  • FIG. 4B is a side view showing the outer peripheral surface of the piston ring of FIG.
  • FIG. 4B is a side view showing the outer peripheral surface of the piston ring of FIG. 1 in a case where the uneven structure shown in FIG. 4A and the uneven structure shown in FIG. 4B are included.
  • FIG. 2 is an enlarged perspective view showing an uneven structure formed on an outer peripheral surface of the piston ring of FIG. 1. It is sectional drawing which shows the uneven structure shown in FIG. It is sectional drawing which shows the 1st modification of the uneven structure shown in FIG. It is sectional drawing which shows the 2nd modification of the uneven structure shown in FIG. It is sectional drawing which shows the 3rd modification of the uneven structure shown in FIG. FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a first modification of the piston ring of FIG. 1.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a second modification of the piston ring of FIG. 1. It is a side view which shows the outer peripheral surface of the piston ring of FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a third modification of the piston ring of FIG. 1.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a fourth modification of the piston ring of FIG. 1. It is sectional drawing which expands and shows the land part of the piston ring of FIG. It is a flowchart which shows some processes of the manufacturing method of the piston ring as one Embodiment of this invention.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining a test method of Example 1.
  • FIG. 13 is a partial cross-sectional view of a single reciprocating motion tester used in a third embodiment.
  • FIG. 1 is a plan view of a piston ring 1 as viewed from the upper side surface 80 as one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the piston ring 1 inserted into the bore of the cylinder 200 with the piston 100 being inserted into the piston ring groove 101 of the piston 100 inserted into the bore of the cylinder 200 for an internal combustion engine. is there.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a contour shape of the piston ring 1 in a cross section including the central axis O (see FIG. 1) of the piston ring 1.
  • the center of the circle is set to the central axis of the piston ring 1 and “O”.
  • the circumferential direction is “A”
  • the central axis direction along the central axis O is “B”
  • the radial direction of the piston ring 1 is “C”.
  • the radial direction C is a direction orthogonal to the central axis direction B.
  • the side (upper side in FIG.
  • FIG. 2 shows a partial cross section of the piston 100.
  • the piston 100 is provided with a piston ring groove other than the piston ring groove 101 shown in FIG.
  • the piston ring grooves other than the piston ring groove 101 are on the opposite side of the piston ring groove 101 from the side where the space on the combustion chamber side D surrounded by the bore of the cylinder 200 and the top surface of the piston 100 is located, It is provided on the crankcase side E.
  • a piston ring of another form is also mounted in the piston ring groove.
  • the piston ring 1 includes an outer peripheral surface 10, an inner peripheral surface 70 located radially inward F from the outer peripheral surface 10, an upper side surface 80 of the combustion chamber side D, and a crankcase side. E lower surface 90.
  • the upper side surface 80 of the present embodiment is a surface on the combustion chamber side D located between the outer peripheral surface 10 and the inner peripheral surface 70 when mounted on the piston 100.
  • the lower side surface 90 of the present embodiment is a surface on the crankcase side E located between the outer peripheral surface 10 and the inner peripheral surface 70 when mounted on the piston 100.
  • an abutment 6 is formed in the piston ring 1.
  • FIG. 1 an abutment 6 is formed in the piston ring 1.
  • the outer peripheral surface 10 of the piston ring 1 of the present embodiment is formed in a convex curved surface (barrel face) shape.
  • the inner peripheral surface 70 of the piston ring 1 is formed in a cylindrical shape substantially parallel to the central axis direction B.
  • the upper surface 80 and the lower surface 90 of the piston ring 1 are each formed in a flat surface shape substantially parallel to the radial direction C.
  • the piston 100 shown in FIG. 2 reciprocates repeatedly in the cylinder 200 along the central axis direction B toward the combustion chamber D and the crankcase E during operation of the internal combustion engine.
  • the piston ring 1 follows the piston 100 and reciprocates repeatedly along the central axis direction B while sliding within the cylinder 200 against the inner wall of the cylinder 200.
  • the piston ring 1 slides on the inner wall of the cylinder 200, it slides on a part of the outer peripheral surface 10 including an outermost diameter portion 11 (see FIG. 3B and the like) described later.
  • the base material of the piston ring 1 of the present embodiment may be any of cast iron, steel, and resin.
  • the resin material is polytetrafluoroethylene (PTFE), polyether ether ketone (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS), polyimide (PI), polyamide imide (PAI), polybenzimidazole (PBI), polyamide (PA), poly At least one resin component selected from the group consisting of ether ketone (PEK), polyether ketone ether ketone ketone (PEKEKK), and liquid crystal polymer (LCP), and selected from the group consisting of glass fiber, synthetic fiber, and carbon fiber It is preferable that the resin composition contains at least one kind of fiber.
  • the steel is preferably steel selected from, for example, spring steel such as SUP, silicon chrome steel SWOSC-V, carbon steel, low alloy steel, bearing steel, and martensitic stainless steel.
  • the carbon steel is preferably a high carbon steel containing about 0.6 to 0.8% by mass of carbon
  • the spring steel is preferably SUP9, SUP10, SUP12, etc.
  • the bearing steel is SUJ2.
  • the martensitic stainless steel is SUS420J2 or SUS440B.
  • FIGS. 3A and 3B show a state in which the abutment 6 of the piston ring 1 of the present embodiment shown in FIGS. 1 and 2 is narrowed down to the nominal diameter of the piston ring 1 in the bore of the cylinder 200. It is a figure showing a state.
  • FIG. 3A is an overall cross-sectional view including a cross section including the center axis O of the piston ring 1.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing a part of FIG. 3A in an enlarged manner.
  • the outer peripheral surface 10 has a contour shape of a cross section including the central axis O of the piston ring 1 and includes an outermost diameter portion 11 in which the outer diameter D1 of the piston ring 1 is maximum.
  • the outer diameter D1 of the piston ring 1 at the outermost diameter portion 11 is shown as the outer diameter D1max.
  • the “outer diameter D1 of the piston ring 1” means the diameter of the outer peripheral surface 10 of the piston ring 1 at each position in the central axis direction B.
  • the “outermost diameter portion 11 of the piston ring 1” is a region of the outer peripheral surface 10 corresponding to a position in the central axis direction B where the outer diameter D1 of the piston ring 1 is maximum.
  • the outermost diameter portion 11 is the same as the position of the outer peripheral surface 10 at which the dimension in the thickness direction (radial direction C) from the inner peripheral surface 70 to the outer peripheral surface 10 of the piston ring 1 is maximum. Has become.
  • the outer diameter D1 is smaller than the outermost diameter portion 11 at the position of the outer peripheral surface when the outer peripheral surface 10 moves along the central axis direction B from the outermost diameter portion 11. That is, the cross-sectional shape of the outer peripheral surface 10 has a shape such that the outer diameter D ⁇ b> 1 decreases gradually from the outermost diameter portion 11 toward the upper surface D or the lower surface E.
  • FIG. 4A is a side view showing the outer peripheral surface 10 including the uneven structure 30 of the piston ring 1 of the present embodiment.
  • the outermost diameter portion 11 of the piston ring 1 of the present embodiment is located at the center of the outer peripheral surface 10 in the central axis direction B (in other words, in the width dimension of the piston ring, from one side surface). (Corresponding to half the width).
  • the outermost diameter portion 11 of the piston ring 1 of the present embodiment exists at each position in the circumferential direction A of the piston ring 1 so as to be continuous in the circumferential direction A.
  • the outermost diameter portion 11 of the piston ring 1 may have a cylindrical surface substantially parallel to the central axis direction B, or may have an upper surface side D and a lower surface from the center of the outer peripheral surface 10 in the central axis direction B.
  • the side E may have a predetermined width.
  • the outermost diameter portion 11 of the piston ring 1 in such a case is constituted by an annular band.
  • the outer peripheral surface 10 of the piston ring 1 of the present embodiment has a cross-sectional shape including the central axis O of the piston ring 1.
  • the inclined portion 12 having the inclined surface such that the position of the outer peripheral surface 10 in the radial direction C approaches the radially inner side F than the outermost diameter portion 11 toward the lower side surface 90), and the upper and lower sides of the outermost diameter portion 11 In preparation.
  • the outer peripheral surface 10 of the piston ring 1 is entirely in the contour shape of the cross section including the central axis O of the piston ring 1 in the direction in which the cylinder 200 is located (radially outward G in the radial direction C).
  • the barrel-shaped part 14 includes the outermost diameter part 11 and the inclined part 12.
  • the inclined part 12 is not limited to the shape whose contour is formed by a curve, but is the shape whose contour is formed in a straight line. You may.
  • an uneven structure 30 is formed on the outer peripheral surface 10 of the piston ring 1.
  • the concavo-convex structure 30 has a groove 31 and a land 41, and each has a shape extending in a predetermined direction. Further, it is preferable that the groove portions 31 and the land portions 41 are formed on the outer peripheral surface 10 alternately in the circumferential direction A periodically. Thereby, the function of the concavo-convex structure 30 described later can be exerted uniformly in the circumferential direction A. Details of the groove 31 and the land 41 will be described later.
  • the uneven structure 30 is not formed at least on the outermost diameter portion 11.
  • the outermost diameter portion 11 is a place where the piston 100 is most easily slid with the bore of the cylinder 200 due to the vertical movement. Since the concavo-convex structure 30 is not formed at this location, the aggressiveness of the bore of the cylinder 200 can be reduced, and the increase in the gap size of the joint 6 of the piston ring 1 due to the wear of the bore of the cylinder 200 can be suppressed.
  • the uneven structure 30 has an outer peripheral surface region (hereinafter, referred to as a region within a first distance L1 from the outermost diameter portion 11 toward the radially inner side F). , "The outermost diameter portion 11 and its vicinity" are also not formed.
  • a band-shaped region including the outermost diameter portion and the vicinity thereof and continuing in the circumferential direction A of the piston ring 1 on the outer peripheral surface 10 of the piston ring 1, where the uneven structure 30 is not formed Is referred to as an uneven structure non-forming region S.
  • the first distance L1 in the radial direction C from the position of the outermost diameter to the position of the radially innermost F in the uneven structure non-forming region S is preferably 0.5 ⁇ m or more, and more preferably 1 ⁇ m or more. Is more preferably 3 ⁇ m or more, further preferably 10 ⁇ m or more. Note that the first distance L1 is smaller than a second distance L2 described later. As described above, since the concavo-convex structure 30 is not formed in the outermost diameter portion 11 and the vicinity thereof, there is an opportunity for the concavo-convex structure 30 to slide against the inner wall of the cylinder 200 which is a sliding partner of the piston ring 1. It can be further suppressed.
  • the end of the concave-convex structure 30 closest to the outermost diameter portion 11 is, as shown in FIG. It is located on the upper surface side D or the lower surface side E, and is formed in a region of the outer peripheral surface within a second distance L2 from the outermost diameter portion 11 toward the radially inner side F.
  • an end portion on the radially outer side G of the uneven structure 30 is formed on the lower side surface E.
  • the second distance L2 is preferably equal to or less than 100 ⁇ m, and more preferably equal to or less than 50 ⁇ m.
  • the end of the concavo-convex structure 30 on the radially outer side G was located at a point of 0.5 ⁇ m from the outermost diameter part 11 toward the radially inner side F.
  • an oil film made of lubricating oil such as engine oil is formed in the bore of the cylinder 200, and the film thickness of the oil film is about 50 ⁇ m or more and about 100 ⁇ m or less. Therefore, the end of the radially outer side G of the concavo-convex structure 30 is within the second distance L2 from the outermost diameter portion 11 to the upper surface side D or the lower surface side E, and from the outermost diameter portion 11 to the radially inner side F. If the oil film is formed in the area of the oil film near the surface of the oil film formed in the bore of the cylinder 200, a part of the uneven structure 30 is immersed. Thereby, oil can be efficiently supplied to the groove 31 of the uneven structure 30.
  • the lubricating oil flowing into and held in the groove portion 31 of the uneven structure 30 is subjected to inertia or capillary action due to reciprocating movement of the piston ring 1 along the central axis direction B, thereby preventing the outermost diameter portion 11 and the uneven structure near the outermost portion 11. It is supplied to the formation region S. Therefore, the lubricating state between the piston ring 1 and the bore of the cylinder 200 is maintained in a good state, so that the sliding resistance of the piston ring 1 can be reduced.
  • the oil film dams the combustion gas entering the groove 31 of the concave-convex structure 30. The effect occurs. Therefore, the state in which the combustion gas leaks along the groove 31 of the uneven structure 30 can be reduced, and the improvement of the sealing performance between the piston ring 1 and the cylinder bore can be expected.
  • the extending direction of the groove portion 31 and the land portion 41 included in the uneven structure 30 is set to be substantially equal to the central axis direction B of the piston ring 1. According to such a configuration, the lubricating oil held in the groove portion 31 of the uneven structure 30 is easily discharged to the uneven structure non-formation region S by the reciprocating motion along the central axis direction B of the piston ring 1.
  • the uneven structure 30 is formed adjacent to the lower surface side E of the uneven structure non-formed area S. A region where the uneven structure 30 is formed adjacent to at least one of the upper surface side D and the lower surface side E of the uneven structure non-formed region S in this way is referred to as an uneven structure forming region P.
  • the uneven structure 30 of the present embodiment is formed only on one side of the outermost diameter portion 11 in the central axis direction B.
  • the piston ring 1 of the present embodiment is a top ring in which the uneven structure 30 is formed only on the crankcase side E in the center axis direction B with respect to the outermost diameter portion 11. If the concavo-convex structure 30 is formed on the combustion chamber side D in the central axis direction B with respect to the outermost diameter portion 11, the lubricating oil held in the concavo-convex structure 30 becomes oil droplets due to inertia at the top dead center. There is a possibility of scattering to the combustion chamber side D.
  • the uneven structure 30 is not formed on the combustion chamber side D in the central axis direction B with respect to the outermost diameter portion 11, the lubricating oil scatters as oil droplets on the combustion chamber side D. Is suppressed. Therefore, an increase in consumption of lubricating oil can be suppressed.
  • the piston ring 1 When the piston ring 1 is used as a top ring, the piston ring 1 is mounted near the end of the piston 100 on the combustion chamber side D.
  • the piston 100 (see FIG. 2) reciprocates along the central axis direction B with respect to the cylinder 200 (see FIG. 2), the piston 100 has a piston ring groove during the upward stroke (particularly, the exhaust stroke).
  • the lower surface 90 or the upper surface 80 of the piston ring 1 does not completely contact the lower surface or the upper surface of the piston ring 101 (see FIG. 2). May move. Therefore, when the piston 100 slides on the cylinder 200 while being inclined with respect to the cylinder 200, the outer peripheral surface 10 of the piston ring 1 is positioned on the crankcase side E in the center axis direction B with respect to the outermost diameter portion 11.
  • the combustion chamber side D more easily hits the inner wall of the cylinder 200 than the combustion chamber side D. Therefore, in the piston ring 1 of the present embodiment, since the uneven structure 30 is formed only on the crankcase side E in the central axis direction B with respect to the outermost diameter portion 11, the uneven structure 30 is hardly worn, It is easy to exhibit functions over a wide range.
  • the direction in which the groove 31 and the land 41 extend is not limited to the central axis direction B as described above, and may extend in a direction between the central axis direction B and the circumferential direction A. However, as shown in FIG. 4A, if the groove portion 31 extends along the central axis direction B, the lubricating oil accumulated in the groove portion 31 is more easily supplied to the outermost diameter portion 11 and the vicinity thereof. preferable.
  • FIG. 4B is a side view showing the outer peripheral surface 10 of the piston ring 1 having the uneven structure 30 'extending in a direction different from the uneven structure 30 shown in FIG. 4A.
  • the extending direction of the groove portion 31 or the land portion 41 included in the uneven structure 30 ′ may be set to have an angle with respect to the central axis direction B of the piston ring 1. It is preferable that the angle formed by the extending direction of the groove portion 31 or the land portion 41 with respect to the central axis direction B is 45 ° or less, since lubricating oil is easily supplied to the outermost diameter portion 11 and its vicinity.
  • FIG. 4C is a side view showing the outer peripheral surface 10 of the piston ring 1 in a case where the uneven structure 30 and the uneven structure 30 ′′ are arranged differently from the uneven structure 30 ′.
  • the groove 31 of the uneven structure 30 ′′ does not necessarily have to communicate with the upper surface 80 (see FIG. 3B) or the lower surface 90 (see FIG. 3B) of the piston ring 1.
  • the oil has the function of retaining the oil in the groove 31, the accumulated oil can be supplied to the outermost diameter portion 11 by the reciprocating motion of the piston 100.
  • FIGS. 4A and 4B if the groove 31 communicates with the upper surface 80 or the lower surface 90, the wear powder is easily discharged from the groove 31, and the life of the piston ring 1 is easily extended.
  • the groove 31 may be interrupted in the extending direction in the uneven structure forming region P.
  • the lubricating oil held in the groove 31 can easily move along the extending direction of the groove 31. This is preferable because it is easily supplied to the outermost diameter portion 11 and its vicinity.
  • the extending direction of the plurality of groove portions 31 in the uneven structure forming region P does not necessarily have to be the same direction for all the groove portions 31.
  • the extending direction of the groove 31 changes with the boundary line X1, the boundary line X2, the boundary line X3, and the boundary line X4 as boundaries.
  • the uneven structure forming region P in which the uneven structure 30 is formed is located on both the combustion chamber side D and the crankcase side E in the central axis direction B with respect to the outermost diameter portion 11. It may be formed. However, when the piston ring 1 is used as a top ring, it is preferable that the piston ring 1 is formed only on the crankcase side E from the viewpoint of obtaining the above-described effects.
  • the piston 100 When the cylinder rises with respect to the cylinder 200 (see FIG. 2), it is easy to supply the lubricating oil to the outermost diameter portion 11 and its vicinity. Therefore, in an internal combustion engine in which increase in consumption of lubricating oil is unlikely to become a problem, such as a ship or a generator, a piston ring in which the uneven structure 30 is formed on the combustion chamber side D in the central axis direction B with respect to the outermost diameter portion 11. It may be preferable to use as a top ring.
  • FIG. 5 is an enlarged perspective view showing the concavo-convex structure 30 formed on the outer peripheral surface 10 of the piston ring 1.
  • FIG. 6 is a sectional view showing the concavo-convex structure 30.
  • the groove portions 31 and the land portions 41 extending in the predetermined direction are formed alternately in the width direction of the groove portion 31, and the periodicity is improved. It has a concavo-convex structure. 4A, when the piston ring 1 is attached to the piston 100, the sliding direction of the piston ring 1 to the cylinder 200 and the extending direction of the groove 31 are substantially the same. It is formed so as to be parallel.
  • the groove 31 is formed by, for example, laser processing.
  • the plurality of groove portions 31 are formed apart from each other in the width direction of the groove portion 31. Therefore, the land portion 41 is formed between two adjacent groove portions 31.
  • the central axis direction of the piston ring 1 is changed.
  • the lubricating oil flows into the groove 31 by the reciprocating movement along B, and the lubricating oil is supplied to the outermost diameter portion 11 and its vicinity through the groove 31 by the inertia force and the capillary phenomenon caused by the reciprocating movement of the piston ring 1. easy.
  • the lubricating oil stored in the concave-convex structure 30 is easily supplied to the outermost diameter portion 11 and its vicinity by the movement of the piston. Therefore, even if a low-viscosity oil or the like is used as the lubricating oil, the lubricating state is maintained well. It becomes possible. In particular, when the piston ring 1 is used as a top ring, the sliding resistance particularly near the top dead center is reduced.
  • the repeating unit I in which the groove portions 31 and the land portions 41 are alternately formed in the width direction is preferably 100 ⁇ m or less, more preferably 10 ⁇ m or less.
  • the height difference between the groove 31 and the land 41 as the height difference J of the uneven structure 30 is preferably 0.01 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less, more preferably 0.05 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the width of the groove 31 is preferably larger than the width of the land 41. As the width of the groove 31 is wider, lubricating oil is more easily supplied to the outermost diameter portion 11 and the vicinity thereof, and as the width of the land portion 41 is smaller, seizure is less likely to occur.
  • the groove 31 and the land 41 are preferably formed alternately over the entire circumference including the abutment end adjacent to the abutment 6 in the circumferential direction A of the outer peripheral surface 10. With such a configuration, the above-described effect of forming the groove portion 31 and the land portion 41 can be obtained over the entire circumference of the outer peripheral surface 10 in the circumferential direction A. Needless to say, the above-described effects can be obtained even if the groove 31 and the land 41 are not necessarily formed in the circumferential direction A up to the abutment end.
  • FIG. 7A to 7C are cross-sectional views showing modified examples of the concavo-convex structure 30.
  • FIG. 7A is a cross-sectional view illustrating a concavo-convex structure 30a as a first modified example of the concavo-convex structure 30.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view showing a concavo-convex structure 30b as a second modified example of the concavo-convex structure 30.
  • FIG. 7C is a cross-sectional view illustrating a concavo-convex structure 30c as a third modification of the concavo-convex structure 30.
  • the fine concave-convex structure 50 includes a fine concave portion 51 and a fine convex portion 61.
  • the fine concavo-convex structure 50 is formed on the bottom surface as the surface of the groove 31.
  • a fine concavo-convex structure 50 is formed on the surface of the land portion 41.
  • the fine concavo-convex structure 50 is formed on the bottom surface as the surface of the groove 31 and on the surface of the land portion 41.
  • the height difference J of the concavo-convex structure 30 is preferably 0.1 ⁇ m or more
  • the height difference K of the fine concavo-convex structure 50 is preferably less than 0.1 ⁇ m.
  • the height difference J of the concave-convex structure 30 means a length based on the fine convex portion 61 of the fine concave-convex structure 50.
  • the height difference J of the concavo-convex structure 30 in FIG. 7A means the height difference from the surface of the land portion 41 to the fine protrusion 61 of the fine concavo-convex structure 50 of the groove 31.
  • the height difference J of the concave-convex structure 30 in FIG. 7B means a vertical difference from the fine convex portion 61 of the fine concave-convex structure 50 of the land portion 41 to the surface of the groove portion 31.
  • the minute concave portion 51 is formed by, for example, laser processing or the like.
  • the minute convex portions 61 are formed in two adjacent minute concave portions 51.
  • the shapes of the fine concave portions 51 and the fine convex portions 61 are not particularly limited, but the fine concave portions 51 and the fine convex portions 61 respectively extend in a direction parallel to the groove portions 31 and are formed alternately in the width direction of the fine concave portions 51. It may be. Further, the extending direction of the minute concave portion 51 and the minute convex portion 61 may be different from the extending direction of the groove portion 31 and the land portion 41, or may be the same.
  • the fine concavo-convex structure 50 is formed on the bottom surface of the groove portion 31 like the concavo-convex structure 30a shown in FIG. 7A or the concavo-convex structure 30c shown in FIG. If the extending direction is different from the extending direction of the groove 31, the lubricating oil in the groove 31 is easily held by the fine uneven structure 50.
  • the fine uneven structure 50 is preferably a periodic uneven structure in which unevenness periodically appears in a predetermined direction. Further, since the fine uneven structure 50 is formed on the hard coating described later, when the cylinder bore and the fine uneven structure 50 are slid, the formation of the tribo coating is easily promoted, which contributes to low friction. be able to.
  • the outer peripheral surface 10 of the piston ring 1 of the present embodiment is formed of a hard coating. Specifically, for example, after a hard film is directly formed on the outer peripheral surface of the base material of the piston ring, any of the above-described uneven structures (the uneven structures 30, 30 ′, and 30 ′′) is formed on the outer peripheral surface 10 formed of the hard film. , 30a, 30b, 30c), the piston ring 1 having the uneven structure is obtained. By configuring the outer peripheral surface 10 of the piston ring 1 with a hard coating, it is possible to suppress wear of the outer peripheral surface 10.
  • the hard coating may be, for example, an amorphous hard carbon coating (DLC coating).
  • the amorphous hard carbon film may be a hydrogen-containing amorphous hard carbon film or a hydrogen-free amorphous hard carbon film having a hydrogen content of 10 at% or less.
  • the hard coating may be other than the amorphous carbon coating, for example, electroless plating, a combination of electroless plating and electrolytic plating, hard paint coating, physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), It may be a film formed by a sputtering method or the like.
  • the material of the film chromium nitride film (CrN), titanium nitride film (TiN), titanium carbide (TiC), aluminum titanium nitride (TiAlN), chromium nitride (CrN), TiCN, AlCrN, TiC, or nickel (Ni)
  • plating made of a nickel alloy such as nickel phosphorus (NiP) may be used.
  • the hard coating may be a polymer coating such as polyimide, other than the coating made of an inorganic material.
  • the polymer film may be one in which a filler such as carbon fiber or glass fiber is mixed.
  • the uneven structure 30 may be formed before forming the hard coating on the base material.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a piston ring 1 a as a first modification of the piston ring 1.
  • the contour shape of the outer peripheral surface 10 a by a cross section including the central axis O (see FIG. 1 and the like) of the piston ring 1 a is in the direction in which the cylinder 200 is located (radially outward G in the radial direction C).
  • a barrel-shaped part 14a having a convex curved surface shape and tapered parts 15a located on both sides of the barrel-shaped part 14a in the central axis direction B are provided.
  • the barrel-shaped portion 14a includes the outermost diameter portion 11.
  • the inclined portion 12a in the first modification of the present embodiment is provided on the upper surface 80 side and the lower surface 90 side of the outermost diameter portion 11, and includes a part of the barrel-shaped portion 14a and the tapered portion 15a. .
  • the uneven structure forming region P in which the uneven structure 30 is formed is formed on the upper surface side D and the lower surface side E of the inclined portion 12a. S is set. Note that the first distance L1 in the radial direction C from the outermost diameter portion 11 to the uneven structure forming region P is set in a range from 0.5 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the piston ring 1a is a top ring in which the uneven structure 30 is formed on both sides of the combustion chamber side D and the crankcase side E in the central axis direction B with respect to the outermost diameter portion 11. That is, the piston ring 1a has the uneven structure forming region P adjacent to both the upper surface side D and the lower surface side E of the uneven structure non-forming region S.
  • the other configuration of the piston ring 1a is the same as the configuration of the piston ring 1 described above, and thus the description is omitted.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing a piston ring 1b as a second modification of the piston ring 1.
  • FIG. 10 is a side view showing the outer peripheral surface 10b of the piston ring 1b.
  • the contour shape of the outer peripheral surface 10 b in a cross section including the central axis O (see FIG. 1 and the like) of the piston ring 1 b includes an outermost diameter portion 11, and a central axis extending from the outermost diameter portion 11.
  • An inclined portion 12b that is inclined so as to approach the radially inner side F as going in the direction B.
  • the inclined portion 12b has a contour that can be represented on a straight line in the sectional view shown in FIG.
  • the piston ring 1b according to the second modified example of the present embodiment includes the outermost diameter portion 11 and a part of the inclined portion 12b in the vicinity thereof in the uneven structure non-forming region S, and is located above the uneven structure non-forming region S.
  • the inclined portion 12b adjacent to the side surface D has a concavo-convex structure forming region P.
  • the first distance L1 in the radial direction C from the outermost diameter portion 11 to the uneven structure forming region P is set in a range of 0.5 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less, and the uneven structure 30 is adjacent to the uneven structure non-forming region S. (The uneven structure forming region P).
  • the piston ring 1b is a second ring in which the uneven structure 30 is formed only on the combustion chamber side D in the central axis direction B with respect to the outermost diameter portion 11. Accordingly, the piston ring 1b is mounted in the piston ring groove located second from the combustion chamber side D among the piston ring grooves of the piston in which three or more piston ring grooves capable of accommodating the piston ring are formed on the side surface. . It is assumed that a piston ring different from the piston ring 1b is mounted in the piston ring groove located closest to the combustion chamber D of the piston on which the piston ring 1b is mounted. When the piston 100 (see FIG. 2) particularly rises relative to the cylinder 200 (see FIG.
  • the piston ring 1b easily supplies the lubricating oil to the outermost diameter portion 11 and its vicinity. Further, since the piston ring 1b is a second ring, even if an inertial force acts on the lubricating oil held in the uneven structure 30 at the top dead center, scattering is suppressed by the top ring located on the combustion chamber side D.
  • the other configuration of the piston ring 1b is similar to the configuration of the piston ring 1 described above, and thus the description is omitted.
  • FIG. 11 is a sectional view showing a piston ring 1c as a third modification of the piston ring 1.
  • the piston ring 1c according to the third modification has an inclined portion 12c formed also on the lower side E as compared with the piston ring 1b according to the second modification.
  • the uneven structure 30 different from the uneven structure 30 formed in the inclined part 12b is formed in the inclined part 12c.
  • the end of the concave-convex structure 30 formed on the inclined portion 12c on the radially outer side G is formed at a first distance L1 from the outermost diameter portion 11 toward the radially inner side F.
  • the uneven structure forming region P is formed on both the upper surface side D and the lower surface side E of the uneven structure non-forming region S including the outermost diameter portion 11. I have. Even the piston ring 1c having such a cross-sectional shape has the same effect as the above-described piston ring 1b. It is preferable that the first distance L1 and the second distance L2 in the piston ring 1c according to the third modification have the same dimensional values as those of the piston ring 1b according to the second modification. Further, the piston ring 1c as the third modification is preferably used as a second ring, similarly to the piston ring 1b as the second modification.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a piston ring 1d as a fourth modification of the piston ring 1.
  • the piston ring 1 d is a two-piece type oil ring, and includes a ring main body 2 and a coil expander 3.
  • the coil expander 3 urges the ring main body 2 toward the outside G in the radial direction.
  • the ring body 2 has a web portion 4 formed on the inner peripheral surface thereof, and a pair of rail portions 5 formed on the outer peripheral surface thereof. Holes 8 are formed in the ring body 2 at certain intervals. Although not shown, an abutment is provided on a part of the ring main body 2.
  • the pair of rail portions 5 are provided integrally with the ring main body 2 on the combustion chamber side D and the crankcase side E in the central axis direction B with respect to the web portion 4, respectively.
  • Land portions 7 are formed in the outermost regions of the pair of rail portions 5, respectively. The land portion 7 is formed in a region surrounded by a broken line shown in FIG.
  • Each of the lands 7 is formed in a ring shape that protrudes radially outward from the outer peripheral end of the corresponding rail 5 and extends over the entire periphery of the rail 5. Further, an outer peripheral surface located between the land portion 7 formed on the combustion chamber side D and the upper side surface 80 and an outer peripheral surface located between the land portion 7 formed on the crankcase side E and the lower side surface 90. On each of the surfaces, an inclined surface 40 is formed so as to increase in diameter from the side surface toward the land portion 7.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing, on an enlarged scale, one land portion 7 of the piston ring 1d shown in FIG.
  • the land 7 provided on the rail section 5 on the combustion chamber side D and the land section 7 provided on the rail section 5 on the crankcase side E have basically the same shape. Description will be made based on the land portion 7 provided on the rail portion 5 on the room side D.
  • the land portion 7 includes an upper axial side portion 80c on the combustion chamber side D in the central axial direction B and a lower axial side portion 90c on the crankcase side E in the central axial direction B.
  • a tapered portion 15c and a barrel-shaped portion 14c are provided between the upper side axial portion 80c and the lower axial side portion 90c.
  • the upper axial side portion 80c and the lower axial side portion 90c are tapered so as to position the tapered portion 15c and the barrel-shaped portion 14c on the outer peripheral side (radially outer side G) of the inclined surface 40.
  • the tapered portion 15c also has an inclined surface that increases in diameter toward the crankcase side E, and the barrel-shaped portion 14c protrudes more outward than the tapered portion 15c. It is in a positional relationship.
  • the outermost diameter portion 11 of the piston ring 1d according to the fourth modification is a barrel-shaped portion 14c.
  • a tapered portion 15c is formed so as to be continuous with the barrel-shaped portion 14c in the central axis direction B (the combustion chamber side D in the example shown in FIG. 13).
  • the barrel-shaped part 14c is formed in a convex curved surface (barrel face) shape.
  • the inclination angle ⁇ of the tapered portion 15c with respect to the central axis direction B is 17 ° or more and 27 ° or less.
  • an uneven structure forming region P in which the uneven structure 30 is formed is formed in the tapered portion 15c of the piston ring 1d.
  • the details of the region of the piston ring 1d where the uneven structure 30 is formed are the same as those of the piston ring 1 of the embodiment shown in FIG.
  • the step dH between the outermost diameter position of the tapered portion 15c and the outermost diameter portion 11 is set to 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less, only the tapered portion 15c is used.
  • the uneven structure forming region P is used. If the step dH is smaller, the concavo-convex structure 30 may be formed on a part of the upper side D of the barrel-shaped portion 14c.
  • the outer peripheral surface shape and structure shown in FIG. 13 can be applied to both upper and lower rail members of a three-piece type oil control ring set.
  • the outer peripheral surface is formed by the arrangement relationship of the upper surface side axial side portion 80c, the tapered portion 15c, the barrel-shaped portion 14c, and the lower surface side axial side portion 90c. It is preferable that the surface shape is configured. Further, only one land portion 7 formed on the outer peripheral surface of each of the upper and lower rail members is required in the sectional direction.
  • the preferred contour shape of the outer peripheral surface in the embodiment of the present invention is the outer diameter at the outermost diameter part 11 and the position of the inclined part 12 separated from the outermost diameter part 11 by 0.3 mm in the central axis direction B. Is preferably 0.002 mm or more and 0.050 mm or less.
  • the outermost diameter portion 11 has a predetermined width in the central axis direction B
  • “the position of the inclined portion 12 that is 0.3 mm away from the outermost diameter portion 11 in the central axis direction B” means the outermost diameter. It means the position of the inclined portion 12 that is 0.3 mm away from the center of the portion 11 in the central axis direction B in the central axis direction B.
  • the structure of the outer peripheral surface in the present embodiment can be applied to sliding members other than the piston ring.
  • it has an outer peripheral surface including a region that slides with a counterpart material during sliding, and a side surface oriented in a direction different from the surface direction of the outer peripheral surface in a sliding direction of the outer peripheral surface and a direction opposite to the sliding direction.
  • FIG. 14 is a flowchart showing some steps of a method of manufacturing a piston ring as one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 14, the method for manufacturing a piston ring of the present embodiment includes a film forming step S1 and an unevenness forming step S2.
  • Coating forming step S1 is a step of forming a hard coating on the outer peripheral surface of the piston ring before forming the hard coating.
  • the hard coating of the present embodiment may be made of the same material as the hard coating forming the outer peripheral surface 10 of the piston ring 1 described above, and by the same forming method as the hard coating forming the outer peripheral surface 10 of the piston ring 1. Can be formed.
  • the unevenness forming step S2 is a step of forming an uneven structure at a position other than the outermost diameter portion having the largest outer diameter on the outer peripheral surface after the hard film is formed and the vicinity thereof after the film forming step S1.
  • the concavo-convex structure of the present embodiment may have the same configuration as the concavo-convex structure 30 of the piston ring 1 described above, and can be formed by the same forming method as the concavo-convex structure 30.
  • the uneven structure is formed on the outer peripheral surface.
  • a desired uneven structure can be formed more finely on the outer peripheral surface.
  • the hard film is formed after forming the uneven structure on the outer peripheral surface of the piston ring. May be formed.
  • the method for manufacturing a piston ring of the present embodiment can be applied to any of the manufacturing methods of the piston ring 1 and the piston rings 1a to 1d of the above embodiment.
  • Example 1 First, a ring having an outer peripheral surface in a barrel face shape was prepared, and an amorphous hard carbon film was formed as a hard film.
  • the concavo-convex structure 30 (see FIG. 5 and the like) is formed on the hard carbon coating at a position on the lower side E side of the concavo-convex structure non-forming region S including the outermost diameter portion 11 and its vicinity. Formed.
  • the difference between the outer diameter at the outermost diameter portion 11 and the outer diameter at a position 0.3 mm away from the outermost diameter portion 11 in the central axis direction B is 0. 005 mm.
  • the outer diameter of the piston ring at the outermost diameter portion 11 was 86 mm, the length in the central axis direction B was 1.2 mm, and the length in the radial direction C was 3.3 mm.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating the test method of the first embodiment.
  • the obtained piston ring was cut along the radial direction C to obtain a ring piece Q.
  • a sliding test was performed on the surface of the cylinder cut piece 200 'while applying a load W to the outer peripheral surface of the ring piece Q toward the cylinder cut piece 200' as a sliding partner.
  • the viscosity of the dropped oil was set to 0W-20
  • the sliding time was set to 10 hours
  • the load W was set to 100N.
  • the uneven structure 30 is the area where the uneven structure is not formed as the uneven structure non-formed area S in Example 1, including the outermost diameter portion 11 in addition to the area formed in Example 1. Also formed.
  • Example 1 the wear amount of the mating member was about 60% as compared with Comparative Example 1.
  • Example 2 A piston ring was obtained in the same manner as in Example 1. Regarding the size of the piston ring, the outer diameter of the outermost diameter portion 11 was 78 mm, the length of the central axis direction B was 1.2 mm, and the length of the radial direction C was 2.5 mm. It was similar to the piston ring of Example 1.
  • the blow-by amount after the internal combustion engine incorporating the piston ring of the present embodiment was operated for a long time by a gasoline engine was measured under the following conditions. That is, using a water-cooled 4-cycle gasoline engine (displacement 1.5 L, 4 cylinders), the operation time was 10 hours under the conditions of a rotation speed of 4000 rpm and a full load (Wide Open Throttle).
  • the concavo-convex structure 30 is also formed between the outermost diameter portion 11 and the point of 0.004 mm inward in the radial direction F, and other conditions are the same as those of the piston ring of the present embodiment.
  • the prepared piston ring was prepared. The above measurement was also performed on an internal combustion engine incorporating the piston ring of Comparative Example 1. From the measurement results, the amount of blow-by after aging was calculated. As a result, in Example 2, the blow-by amount was about 70% of Comparative Example 2.
  • FIG. 16 is a partial cross-sectional view of a single reciprocating motion tester 300 for measuring a friction coefficient used in the third embodiment.
  • a piston ring similar to that of the first embodiment was prepared.
  • a piston ring of Comparative Example 3 a piston ring was prepared in which the same hard coating as that of Example 1 was formed on the base material of the piston ring, and thereafter, no irregular structure was formed on the outer peripheral surface.
  • an evaluation test was performed by attaching the piston ring 301 of the present example and the piston ring of Comparative Example 3 to the piston 302 of the single-unit reciprocating tester 300, respectively.
  • the piston ring 301 of this embodiment or the piston 302 having the piston ring of Comparative Example 3 mounted thereon is inserted into the inner peripheral surface of a cylindrical cylinder liner 303 using a single reciprocating motion tester 300 shown in FIG. Then, the piston 302 was reciprocated vertically.
  • the friction coefficient was calculated by detecting the displacement of the block 304 fixed to the cylinder liner 303 or the load applied to the block 304 at that time by a load sensor 306.
  • the test conditions of the single reciprocating motion tester 300 shown in FIG. 16 were bore x stroke ⁇ 86 ⁇ 86 mm, rotation speed 500 rpm, lubricating oil viscosity 0 W-20, and ring single evaluation. As a result, in Example 3, the friction coefficient near the top dead center was about 60% as compared with Comparative Example 3.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that various changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
  • the shape of the outer peripheral surface of the piston ring is not limited to the above-described embodiments, and may be any other shape.
  • the shapes of the inner peripheral surface, the upper surface, and the lower surface of the piston ring are not limited to the shapes of the above-described embodiments.
  • the present invention relates to a piston ring and a method for manufacturing the piston ring.
  • Piston ring 2 Ring body 3: Coil expander 4: Web part 5: Rail part 6: Abutment 7: Land part 8: Hole part 10, 10a, 10b, 10c: Outer peripheral surface 11 : Outer diameter portion 12, 12a, 12b, 12c: Inclined portion 14a, 14c: Barrel shaped portion 15a, 15c: Tapered portion 30, 30 ', 30'', 30a, 30b, 30c: Concavo-convex structure 31: Groove portion 40 : Inclined surface 41: land portion 50: fine uneven structure 51: fine concave portion 61: fine convex portion 70: inner peripheral surface 80: upper surface 80 c: upper surface side axial side portion 90: lower surface 90 c: lower surface side axial direction Side part 100: Piston 101: Piston ring groove 200: Cylinder 200 ': Cylinder cut piece 300: Single reciprocating motion tester 301: Piston ring 302: Piston 303: Siri Daraina

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Abstract

本発明に係るピストンリングは、外周面に所定の方向に延在する溝部と陸部とを交互に有する凹凸構造が形成されたピストンリングであって、前記外周面は、前記ピストンリングの中心軸を含む断面による輪郭形状において、外径の寸法が最大となる最外径部を備え、前記凹凸構造は、前記最外径部には形成されていないことを特徴とする。

Description

ピストンリング、及びピストンリングの製造方法
　本発明は、ピストンリング、及びピストンリングの製造方法に関する。
　内燃機関に使用される摺動部材として、ピストンリングがある。ピストンリングは、金属等で構成されたピストンの外周に周方向に沿って設けられたリング溝に、装着される。ピストンリングの外周面は、ピストンが軸方向に往復運動するとき、シリンダ内壁に対して摺動する。そのため、ピストンリングの外周面とシリンダ内壁との間では、摺動抵抗が発生する。
　そこで、ピストンリングの外周面とシリンダ内壁との間での摺動抵抗を低減させるために、潤滑油を保持可能な凹凸構造を外周面に形成したピストンリングが開発されている（例えば、特許文献１～３参照）。
特開平５－３４０４７３号公報 特開２０１６－２００２４６号公報 特許５６２０７９４号公報
　特許文献１～３に記載のピストンリングによれば、外周面に形成された凹凸構造に潤滑油が保持されることで、当該潤滑油を介してシリンダ等の相手材との間の摺動抵抗を低減させることができる。しかしながら、摺動面に形成された凹凸構造が相手材に対して摺動することが繰り返されることにより、相手材をより摩耗させてしまう。ことに、ピストンリングにおいては、シリンダ内壁が摩耗する場合がある。シリンダ内壁が摩耗した場合には、シリンダの内径が拡大するため、ピストンリングが拡径して合口の隙間が大きくなり得る。ピストンリングの合口の隙間が大きくなると、シール機能が低下し、ブローバイガス量の増加又はオイル消費量の増加等が生じてしまうという問題があった。
　本発明は、このような問題を解決することを課題とするものであり、その目的は、外周面に凹凸構造を有していても相手材の摩耗を抑制することが可能なピストンリング、及びピストンリングの製造方法を提供することにある。
　本発明のピストンリングは、外周面に所定の方向に延在する溝部と陸部とを交互に有する凹凸構造が形成されたピストンリングであって、前記外周面は、前記ピストンリングの中心軸を含む断面による輪郭形状において、外径の寸法が最大となる最外径部を備え、前記凹凸構造は、前記最外径部には形成されていないことを特徴とする。
　本発明は、上記構成において、前記外周面が、前記最外径部及びその近傍からなる前記凹凸構造が形成されていない凹凸構造非形成領域と、前記凹凸構造非形成領域の上側面側又は下側面側の少なくとも一方に隣接して前記凹凸構造が形成された凹凸構造形成領域と、を有することが好ましい。
　本発明は、上記構成において、凹凸構造形成領域が、凹凸構造非形成領域よりも下側面側のみに有することが好ましい。
　本発明は、上記構成において、前記外周面の断面による輪郭形状が、前記最外径部から上側面側又は下側面側に向かうにつれて、前記外径が順次小さくなるような形状を有し、前記凹凸構造非形成領域が、前記最外径部から少なくとも０．５μｍ以上径方向内側に前記外周面が位置する領域まであることが好ましい。
　本発明は、上記構成において、前記凹凸構造が、前記外周面において前記溝部と前記陸部とが周方向に周期的に形成されていることが好ましい。
　本発明は、上記構成において、前記溝部と前記陸部とが交互に形成された繰り返し単位が、１００μｍ以下であることが好ましい。
　本発明は、上記構成において、前記凹凸構造の前記溝部の最深部から前記陸部までの高低差が、０．０１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。
　本発明は、上記構成において、前記溝部及び前記陸部の少なくとも一方の表面には、前記凹凸構造の前記溝部の最深部から前記陸部までの高低差よりも小さい高低差の微細凹凸構造が形成されていることが好ましい。
　本発明は、上記構成において、前記溝部及び前記陸部が、中心軸方向に沿って延在していることが好ましい。
　本発明は、上記構成において、前記凹凸構造の少なくとも一部が、前記最外径部よりも径方向内側に向かって１００μｍを超えない位置にある前記外周面の一部の領域に形成されていることが好ましい。
　本発明は、上記構成において、前記外周面が、前記最外径部から上側面側又は下側面側に向かうにつれて径方向内側に近づくように傾斜する傾斜部を、前記最外径部に対して中心軸方向の両側に備えることが好ましい。
　本発明は、上記構成において、前記外周面が、前記最外径部から上側面側又は下側面側に向かうにつれて径方向内側に近づくように傾斜する傾斜部を、前記最外径部に対して中心軸方向の一方側にのみ備えることが好ましい。
　本発明は、上記構成において、前記最外径部が前記外周面の前記中心軸方向における中心を含まない領域に位置していることが好ましい。
　本発明は、上記構成において、前記外周面が、前記最外径部を含むバレル状部と、中心軸方向の一端において前記バレル状部に連なるとともに、前記中心軸方向に対して１７°以上２７°以下の角度で傾斜するテーパ状部と、を備えることが好ましい。
　本発明は、上記構成において、前記外周面が、硬質皮膜で構成されていることが好ましい。
　本発明のピストンリングの製造方法は、ピストンリングの外周面に硬質皮膜を形成する工程と、前記ピストンリングの中心軸を含む断面による輪郭形状において、前記硬質皮膜が形成された後の外周面のうち外径の寸法が最も大きい最外径部以外の位置に凹凸構造を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
　本発明によれば、外周面に凹凸構造を有していても相手材の摩耗を抑制することが可能なピストンリング、及びピストンリングの製造方法を提供することができる。
本発明の一実施形態としての上側面側から見たピストンリングの平面図である。 ピストンに装着され、シリンダ内に挿入された状態の、図１のピストンリングを示す断面図である。 図２のピストンリングをシリンダのボアに収めた状態における、中心軸を含む断面による全体断面図である。 図３Ａの一部を拡大して示す断面図である。 図１のピストンリングの凹凸構造を含む外周面を示す側面図である。 図４Ａに示す凹凸構造とは異なる配置の凹凸構造を含む場合の、図１のピストンリングの外周面を示す側面図である。 図４Ａに示す凹凸構造及び図４Ｂに示す凹凸構造とは異なる配置の凹凸構造を含む場合の、図１のピストンリングの外周面を示す側面図である。 図１のピストンリングの外周面に形成された凹凸構造を拡大して示す斜視図である。 図５に示す凹凸構造を示す断面図である。 図５に示す凹凸構造の第１の変形例を示す断面図である。 図５に示す凹凸構造の第２の変形例を示す断面図である。 図５に示す凹凸構造の第３の変形例を示す断面図である。 図１のピストンリングの第１の変形例を示す断面図である。 図１のピストンリングの第２の変形例を示す断面図である。 図９のピストンリングの外周面を示す側面図である。 図１のピストンリングの第３の変形例を示す断面図である。 図１のピストンリングの第４の変形例を示す断面図である。 図１２のピストンリングのランド部を拡大して示す断面図である。 本発明の一実施形態としてのピストンリングの製造方法の一部の工程を示すフローチャートである。 実施例１の試験方法を説明する図である。 実施例３で用いる単体往復動試験機の一部断面図である。
　以下、本発明の各実施形態について、図面を参照して説明する。各図において共通の構成には、同一の符号を付している。
［ピストンリングの構成］
　図１は、本発明の一実施形態としての上側面８０側から見たときのピストンリング１の平面図である。図２は、内燃機関用のシリンダ２００のボア内に挿入されたピストン１００のピストンリング溝１０１に装着された状態で、シリンダ２００のボア内に挿入された状態のピストンリング１を示す断面図である。具体的に、図２は、ピストンリング１の中心軸Ｏ（図１参照）を含む断面におけるピストンリング１の輪郭形状を示す図である。
　以下、ピストンリング１を上側面８０側から見て、ピストンリング１の外周面が描く曲線を円で近似した際における円の中心をピストンリング１の中心軸を「Ｏ」とし、ピストンリング１の周方向を「Ａ」とし、中心軸Ｏに沿う中心軸方向を「Ｂ」とし、ピストンリング１の径方向を「Ｃ」とする。径方向Ｃは、中心軸方向Ｂに直交する方向である。中心軸方向Ｂにおいて、ピストンリング１に対して燃焼室が位置する側（図２の上側）を燃焼室側（上側面８０側）Ｄとし、ピストンリング１に対してクランクケースが位置する側（図２の下側）をクランクケース側（下側面９０側）Ｅとする。後述するピストンリング１の外周面１０から見て径方向Ｃの内側の方向を径方向内側Ｆとし、その反対方向を径方向外側Ｇとする。なお、図２は、ピストン１００の一部の断面を示すが、ピストン１００には図２に図示されたピストンリング溝１０１以外にもピストンリング溝が設けられている。ピストンリング溝１０１以外のピストンリング溝は、ピストンリング溝１０１に対して、シリンダ２００のボアとピストン１００のトップ面とで囲まれた燃焼室側Ｄの空間が位置する側とは逆側、すなわちクランクケース側Ｅに設けられている。そして、そのピストンリング溝にも別の形態のピストンリングが装着されている。
　図１及び図２に示すように、ピストンリング１は、外周面１０と、外周面１０よりも径方向内側Ｆにある内周面７０と、燃焼室側Ｄの上側面８０と、クランクケース側Ｅの下側面９０と、を備える。本実施形態の上側面８０は、ピストン１００への装着時に外周面１０と内周面７０との間に位置する燃焼室側Ｄの面である。また、本実施形態の下側面９０は、ピストン１００への装着時に外周面１０と内周面７０との間に位置するクランクケース側Ｅの面である。図１に示すように、ピストンリング１には、合口６が形成されている。図２に示すように、本実施形態のピストンリング１の外周面１０は、凸状の湾曲面（バレルフェイス）形状に形成されている。ピストンリング１の内周面７０は、中心軸方向Ｂに略平行な円筒面形状に形成されている。ピストンリング１の上側面８０及び下側面９０は、それぞれ径方向Ｃに略平行な平坦面形状に形成されている。
　図２に示すピストン１００は、内燃機関の動作時には、シリンダ２００内で中心軸方向Ｂに沿って燃焼室側Ｄ及びクランクケース側Ｅに繰り返し往復運動する。ピストンリング１は、ピストン１００に追従して、シリンダ２００内でシリンダ２００の内壁に対して摺動しながら、中心軸方向Ｂに沿って繰り返し往復移動する。ピストンリング１は、シリンダ２００の内壁に対して摺動する際、外周面１０の後述する最外径部１１（図３Ｂ等参照）を含む一部の領域で摺動する。
　本実施形態のピストンリング１の基材は、鋳鉄材、鋼材、樹脂材料のいずれであってもよい。樹脂材料は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）、及び、液晶ポリマー（ＬＣＰ）からなる群から選ばれる少なくとも一種の樹脂成分と、ガラス繊維、合成繊維及びカーボン繊維からなる群から選ばれる少なくとも一種の繊維とを含む樹脂組成物からなることが好ましい。鋼材は、例えば、ＳＵＰ材などのバネ鋼、シリコンクロム鋼ＳＷＯＳＣ－Ｖ材、炭素鋼、低合金鋼、軸受鋼、マルテンサイト系ステンレスから選択された鋼であることが好ましい。炭素鋼は、炭素が０．６～０．８質量％程度の高炭素鋼であることが好ましく、バネ鋼は、ＳＵＰ９、ＳＵＰ１０、ＳＵＰ１２等であることが好ましく、軸受鋼はＳＵＪ２であることが好ましく、マルテンサイト系ステンレスは、ＳＵＳ４２０Ｊ２又はＳＵＳ４４０Ｂであることが好ましい。
　図３Ａ及び図３Ｂは、図１及び図２に示す本実施形態のピストンリング１の合口６をピストンリング１の外径寸法が呼称径になるまで狭めた状態で、シリンダ２００のボアに収めた状態を示す図である。具体的に、図３Ａは、ピストンリング１の中心軸Ｏを含む断面による全体断面図である。図３Ｂは、図３Ａの一部を拡大して示す断面図である。
　図３Ａに示すように、外周面１０は、ピストンリング１の中心軸Ｏを含む断面の輪郭形状で、ピストンリング１の外径Ｄ１が最大となる最外径部１１を備える。図３Ａでは、最外径部１１におけるピストンリング１の外径Ｄ１を、外径Ｄ１ｍａｘとして示す。ここで、本明細書において、「ピストンリング１の外径Ｄ１」とは、中心軸方向Ｂの各々の位置における、ピストンリング１の外周面１０の直径を意味する。また、本明細書において、「ピストンリング１の最外径部１１」とは、ピストンリング１の外径Ｄ１が最大となる中心軸方向Ｂの位置に対応する、外周面１０の領域である。なお、本実施形態では、最外径部１１は、ピストンリング１の内周面７０から外周面１０までの厚さ方向（径方向Ｃ）の寸法が最大となる外周面１０の位置と同じになっている。外周面１０における最外径部１１から中心軸方向Ｂに沿って移動したときの外周面の位置では、最外径部１１よりもその外径Ｄ１が小さい。すなわち、外周面１０の断面形状は、最外径部１１から上側面側Ｄ又は下側面側Ｅに向かうにつれて、外径Ｄ１が順次小さくなるような形状を有する。
　図４Ａは、本実施形態のピストンリング１の凹凸構造３０を含む外周面１０を示す側面図である。図３Ｂ及び図４Ａに示すように、本実施形態のピストンリング１の最外径部１１は、外周面１０の中心軸方向Ｂにおける中心（言い換えると、ピストンリングの幅寸法において、一方の側面から幅寸法の１／２の位置に相当）を含む領域に位置している。また、本実施形態のピストンリング１の最外径部１１は、周方向Ａに連なるように、ピストンリング１の周方向Ａのそれぞれの位置毎に存在している。但し、ピストンリング１の最外径部１１は、中心軸方向Ｂに略平行な円柱面を有していてもよいし、外周面１０の中心軸方向Ｂにおける中心から上側面側Ｄ及び下側面側Ｅに所定の幅を有していてもよい。かかる場合のピストンリング１の最外径部１１は、環状帯により構成される。
　本実施形態のピストンリング１の外周面１０は、図３Ｂに示すように、ピストンリング１の中心軸Ｏを含む断面の輪郭形状で、最外径部１１からピストンリング１の側面（上側面８０又は下側面９０）に向かうにつれて外周面１０の径方向Ｃにおける位置が最外径部１１よりも径方向内側Ｆに近づくような傾斜面を有する傾斜部１２を、最外径部１１の上下両側に備えている。また、図３Ｂに示すように、ピストンリング１の外周面１０は、ピストンリング１の中心軸Ｏを含む断面の輪郭形状における全体が、シリンダ２００が位置する方向（径方向Ｃにおける径方向外側Ｇ）に凸状の湾曲面形状のバレル状部１４で構成されている。すなわち、バレル状部１４は、最外径部１１と、傾斜部１２とを含む。なお、傾斜部１２は、バレル状部１４のように中心軸Ｏを含む断面において、その輪郭が曲線で形成された形状のみには限定されず、その輪郭が直線状に形成された形状であってもよい。
　図３Ｂ及び図４Ａに示すように、ピストンリング１の外周面１０には、凹凸構造３０が形成されている。図４に示すように、凹凸構造３０は、溝部３１と陸部４１とを有し、それぞれ所定の方向に延在した形状を有している。また、溝部３１及び陸部４１は、外周面１０において周方向Ａに周期的に交互に形成されていることが好ましい。これにより、後述する凹凸構造３０の機能を周方向Ａに亘って均等に発揮することができる。溝部３１及び陸部４１の詳細については後述する。
　凹凸構造３０は、図３Ｂに示すように、少なくとも最外径部１１には形成されていない。特に、最外径部１１は、ピストン１００が上下運動することにより、シリンダ２００のボアと最も摺動し易い場所である。この場所に凹凸構造３０が形成されていないため、シリンダ２００のボアへの攻撃性を低減させ、シリンダ２００のボアの摩耗によるピストンリング１の合口６の隙間寸法の拡大を抑制させることができる。
　なお、本実施形態におけるピストンリング１では、凹凸構造３０は、図３Ｂに示すように、最外径部１１から径方向内側Ｆに向かって第１距離Ｌ１以内に存在する外周面の領域（以下、「最外径部１１及びその近傍」とも記載する。）には形成されていない。図３Ｂに示すように、最外径部及びその近傍を含み、ピストンリング１の外周面１０においてピストンリング１の周方向Ａに連なる帯状の領域であって、凹凸構造３０が形成されていない領域を凹凸構造非形成領域Ｓと称する。この凹凸構造非形成領域Ｓにおける最外径の位置から最も径方向内側Ｆの位置までの径方向Ｃに沿った第１距離Ｌ１は、０．５μｍ以上であることが好ましく、１μｍ以上であることがより好ましく、３μｍ以上であることがより一層好ましく、１０μｍ以上であることが特に好ましい。なお、第１距離Ｌ１は、後述する第２距離Ｌ２よりも小さい。このように、凹凸構造３０が最外径部１１及びその近傍には形成されていないので、ピストンリング１の摺動相手材であるシリンダ２００の内壁に対して凹凸構造３０が摺動する機会を更に抑制することができる。これにより、シリンダ２００の内径拡大によるピストンリング１の拡径を抑制し、ひいてはピストンリング１の合口６の隙間の拡大によるシール機能の低下をより確実に抑制することができる。
　本実施形態では、凹凸構造３０の最も最外径部１１寄りに位置する端部（すなわち、凹凸構造３０の径方向外側Ｇの端部）は、図３Ｂに示すように、最外径部１１よりも上側面側Ｄ又は下側面側Ｅに位置し、かつ最外径部１１から径方向内側Ｆに向かって第２距離Ｌ２以内にある外周面の領域に形成されている。なお、図３Ｂに示すように、本実施形態では、凹凸構造３０の径方向外側Ｇの端部は、下側面側Ｅに形成されている。第２距離Ｌ２は、１００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましい。凹凸構造３０の径方向外側Ｇの端部は、図３Ｂに示すように、最外径部１１から径方向内側Ｆに向かって０．５μｍの地点に位置するようにした。ここで、シリンダ２００のボアには、エンジンオイル等の潤滑油による油膜が形成されており、当該油膜の膜厚は、約５０μｍ以上、約１００μｍ以下である。従って、凹凸構造３０の径方向外側Ｇの端部が、最外径部１１から上側面側Ｄ又は下側面側Ｅへ、最外径部１１から径方向内側Ｆに向かって第２距離Ｌ２以内にある領域に形成されていれば、シリンダ２００のボアに形成されている油膜のうち表面近傍の油膜が凹凸構造３０の一部を浸すことになる。それにより、凹凸構造３０の溝部３１にオイルを効率的に供給することができる。
　また、凹凸構造３０の溝部３１に流入して保持された潤滑油が、ピストンリング１の中心軸方向Ｂに沿う往復移動による慣性又は毛管現象によって、最外径部１１及びその近傍の凹凸構造非形成領域Ｓに供給される。そのため、ピストンリング１とシリンダ２００のボアとの間の潤滑状態は良好なまま維持されるため、ピストンリング１の摺動抵抗を低減させることができる。また、凹凸構造３０の径方向外側Ｇ（凹凸構造非形成領域Ｓ側）の端部が常に油膜と接触する状態になりうるので、油膜が凹凸構造３０の溝部３１に入り込んだ燃焼ガスを堰き止める効果が生ずる。それゆえ、燃焼ガスが凹凸構造３０の溝部３１に沿って漏れるような状態を低減することができ、ピストンリング１とシリンダボアとの密封性の向上も期待できる。
　また、本実施形態のピストンリング１では、凹凸構造３０に含まれる溝部３１と陸部４１の延在方向が、ピストンリング１の中心軸方向Ｂと略等しくなるように設定されている。このような構成によれば、ピストンリング１の中心軸方向Ｂに沿う往復運動により、凹凸構造３０の溝部３１に保持された潤滑油が凹凸構造非形成領域Ｓに排出されやすくなる。なお、本実施形態のピストンリング１においては、凹凸構造３０は、凹凸構造非形成領域Ｓの下側面側Ｅに隣接して形成されている。このように、凹凸構造非形成領域Ｓの上側面側Ｄ又は下側面側Ｅの少なくとも一方に隣接して凹凸構造３０が形成された領域を、凹凸構造形成領域Ｐと称する。
　図３Ｂ及び図４Ａに示すように、本実施形態の凹凸構造３０は、最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの一方側のみに形成されている。具体的に、本実施形態のピストンリング１は、凹凸構造３０が最外径部１１に対して中心軸方向Ｂのクランクケース側Ｅのみに形成されたトップリングである。仮に、凹凸構造３０が最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄに形成されている場合、凹凸構造３０に保持された潤滑油が、上死点で慣性によって油滴として燃焼室側Ｄに飛散する可能性がある。本実施形態のピストンリング１には、最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄに凹凸構造３０が形成されていないので、潤滑油が油滴として燃焼室側Ｄに飛散することが抑制される。そのため、潤滑油の消費の増大を抑制できる。
　また、ピストンリング１をトップリングとして用いる場合、ピストンリング１は、ピストン１００の燃焼室側Ｄの端部付近に装着される。ピストン１００（図２参照）は、シリンダ２００（図２参照）に対して中心軸方向Ｂに沿って往復運動する際、ピストン１００の上昇行程（特に、排気行程）では、ピストン１００のピストンリング溝１０１（図２参照）の下側面又は上側面に、ピストンリング１の下側面９０又は上側面８０が全面的に接触せずに、ピストンリング溝１０１の中で傾いた姿勢で、シリンダ２００に摺動することがある。そのため、ピストン１００がシリンダ２００に対して傾いた状態でシリンダ２００と摺動する際には、ピストンリング１の外周面１０は、最外径部１１に対して中心軸方向Ｂのクランクケース側Ｅよりも燃焼室側Ｄの方がシリンダ２００の内壁と強く当たり易くなる。そこで、本実施形態のピストンリング１は、凹凸構造３０が最外径部１１に対して中心軸方向Ｂのクランクケース側Ｅのみに形成されているため、凹凸構造３０が摩耗しにくく、長期間に亘って機能を発揮し易い。
　溝部３１及び陸部４１が延在する方向は、上述のような中心軸方向Ｂには限定されず、中心軸方向Ｂと周方向Ａの間の方向に延在していてもよい。但し、図４Ａに示すように、溝部３１が中心軸方向Ｂに沿って延在していれば、最外径部１１及びその近傍に、溝部３１に溜まった潤滑油がより供給され易い点で好ましい。
　一方、図４Ｂは、図４Ａに示す凹凸構造３０とは異なる方向に延在した凹凸構造３０’を有するピストンリング１の外周面１０を示す側面図である。図４Ｂに示すように、凹凸構造３０’が有する溝部３１又は陸部４１の延在方向は、ピストンリング１の中心軸方向Ｂに対して角度を持って設定されていてもよい。中心軸方向Ｂに対して溝部３１又は陸部４１の延在方向がなす角度は、４５°以下であれば、最外径部１１及びその近傍に潤滑油が供給され易いので、好ましい。
　図４Ｃは、凹凸構造３０及び凹凸構造３０’とは異なる配置の凹凸構造３０’’を含む場合の、ピストンリング１の外周面１０を示す側面図である。図４Ｃに示すように、凹凸構造３０’’の溝部３１は、必ずしもピストンリング１の上側面８０（図３Ｂ参照）又は下側面９０（図３Ｂ参照）まで連通していなくてもよい。この場合であっても、溝３１内にオイルを保持する機能を有するので、ピストン１００の往復運動により、最外径部１１に対して溜まったオイルを供給することができる。但し、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、溝部３１が上側面８０又は下側面９０まで連通していれば、摩耗粉が溝部３１から排出され易いので、ピストンリング１を長寿命化させ易い。
　また、図４Ｃに示すように、溝部３１は、凹凸構造形成領域Ｐ内で、延在方向の途中で途切れていてもよい。但し、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、溝部３１が延在方向の途中で途切れていなければ、溝部３１に保持された潤滑油が、溝部３１の延在方向に沿って移動し易く、ひいては最外径部１１及びその近傍に供給され易いので、好ましい。
　また、図４Ｃに示すように、凹凸構造形成領域Ｐ内における複数の溝部３１の延在方向は、必ずしも、全ての溝部３１について同一方向ではなくてもよい。図４Ｃに示す例では、境界線Ｘ１、境界線Ｘ２、境界線Ｘ３、及び境界線Ｘ４をそれぞれ境として、溝部３１の延在方向が変化している。
　また、後述する図８に示すように、凹凸構造３０が形成された凹凸構造形成領域Ｐは、最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄ及びクランクケース側Ｅの両方に形成されていてもよい。但し、ピストンリング１をトップリングとして用いる場合は、上述の効果が得られる点で、クランクケース側Ｅのみに形成されていることが好ましい。
　なお、仮に、凹凸構造３０が最外径部１１及びその近傍を含む凹凸構造非形成領域Ｓに対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄに形成されている場合、ピストン１００（図２参照）がシリンダ２００（図２参照）に対して上昇する際に、潤滑油を最外径部１１及びその近傍に供給し易い。従って、船舶又は発電機等、潤滑油の消費の増大が問題となり難い内燃機関においては、凹凸構造３０が最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄに形成されたピストンリングをトップリングとして用いることが好ましい場合がある。
　図５は、ピストンリング１の外周面１０に形成された凹凸構造３０を拡大して示す斜視図である。図６は、凹凸構造３０を示す断面図である。図５及び図６に示すように、本実施形態の凹凸構造３０は、所定方向に延在する溝部３１と陸部４１とが、溝部３１の幅方向に交互に形成されており、周期性を有する凹凸構造として構成されている。また、図４Ａに示す本実施形態の凹凸構造３０のパターンは、ピストンリング１がピストン１００に装着された際、ピストンリング１のシリンダ２００への摺動方向と溝部３１の延在方向とが略平行になるように形成されている。溝部３１は、例えばレーザ加工等によって形成される。溝部３１は、溝部３１の幅方向に離間して複数形成されている。そのため、陸部４１は、隣接する２つの溝部３１間に形成されている。なお、本実施形態の凹凸構造３０は、中心軸方向Ｂに延在する溝部３１と陸部４１とが周方向Ａに交互に形成されているので、前述のようにピストンリング１の中心軸方向Ｂに沿う往復移動によって潤滑油が溝部３１に流入し、ピストンリング１の往復移動による慣性力、及び毛管現象によって、潤滑油が溝部３１を流路として最外径部１１及びその近傍に供給され易い。これにより、凹凸構造３０に蓄えられた潤滑油が、ピストン運動により最外径部１１及びその近傍に供給されやすくなるため、潤滑油として低粘度オイルなどを用いても、潤滑状態を良好に保つことが可能となる。特に、ピストンリング１をトップリングとして用いる場合には、特に上死点付近の摺動抵抗が低減する。
　溝部３１と陸部４１とが幅方向に交互に形成された繰り返し単位Ｉは、１００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがより好ましい。また、凹凸構造３０の高低差Ｊとしての溝部３１と陸部４１との高低差は、０．０１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、０．０５μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましい。繰り返し単位Ｉ又は高低差Ｊが上記範囲内であれば、潤滑油が溝部３１により保持され易く、また毛管現象がより発生し易い。溝部３１の幅は、陸部４１の幅よりも大きいことが好ましい。溝部３１の幅が広いほど、最外径部１１及びその近傍に潤滑油がより供給されやすく、陸部４１の幅が狭いほど、焼き付きが起こり難い。
　溝部３１及び陸部４１は、外周面１０の周方向Ａの合口６に隣接する合口端を含む全周に亘って交互に形成されていることが好ましい。このような構成により、溝部３１及び陸部４１を形成することによる上記効果を、外周面１０の周方向Ａの全周に亘って得ることができる。なお、勿論、溝部３１及び陸部４１が、必ずしも合口端に至るまで周方向Ａに形成されていなくても、上述の効果が得られることは言うまでもない。
　図７Ａ～図７Ｃは、凹凸構造３０の変形例を示す断面図である。具体的に、図７Ａは、凹凸構造３０の第１の変形例としての凹凸構造３０ａを示す断面図である。図７Ｂは、凹凸構造３０の第２の変形例としての凹凸構造３０ｂを示す断面図である。図７Ｃは、凹凸構造３０の第３の変形例としての凹凸構造３０ｃを示す断面図である。
　図７Ａ～図７Ｃに示す例では、溝部３１及び陸部４１の少なくとも一方の表面には、図６に示す凹凸構造３０の高低差Ｊよりも小さい高低差Ｋと、図６に示す凹凸構造３０の繰り返し単位Ｉよりも小さい繰り返し単位とを有する微細凹凸構造５０が形成されている。微細凹凸構造５０は、微細凹部５１と微細凸部６１とを備える。具体的に、図７Ａに示す凹凸構造３０ａでは、溝部３１の表面としての底面に微細凹凸構造５０が形成されている。図７Ｂに示す凹凸構造３０ｂでは、陸部４１の表面に微細凹凸構造５０が形成されている。図７Ｃに示す凹凸構造３０ｃでは、溝部３１の表面としての底面及び陸部４１の表面に微細凹凸構造５０が形成されている。微細凹凸構造５０が形成されているとき、凹凸構造３０の高低差Ｊは０．１μｍ以上であることが好ましく、微細凹凸構造５０の高低差Ｋは０．１μｍ未満であることが好ましい。このように、溝部３１及び陸部４１の少なくとも一方の表面に微細凹凸構造５０が形成されていれば、毛管現象による潤滑油の供給機能を向上させることができる。なお、図７Ａ～図７Ｃにおける凹凸構造３０の高低差Ｊは、微細凹凸構造５０の微細凸部６１を基準とした長さを意味する。具体的に、図７Ａにおける凹凸構造３０の高低差Ｊは、陸部４１の表面から、溝部３１の微細凹凸構造５０の微細凸部６１までの高低差を意味する。また、図７Ｂにおける凹凸構造３０の高低差Ｊは、陸部４１の微細凹凸構造５０の微細凸部６１から、溝部３１の表面までの高低差を意味する。更に、図７Ｃにおける凹凸構造３０の高低差Ｊは、陸部４１の微細凹凸構造５０の微細凸部６１から、溝部３１の微細凹凸構造５０の微細凸部６１までの高低差を意味する。また、図示はされていないが、溝部３１の断面形状がＵ字状の場合、溝部３１の最深部と陸部４１の高低差が、凹凸構造３０の高低差Ｊとなる。
　微細凹部５１は、例えばレーザ加工等によって形成されている。微細凸部６１は隣接する２つの微細凹部５１に形成されている。微細凹部５１及び微細凸部６１の形状は特に限定されないが、微細凹部５１及び微細凸部６１は、それぞれ溝部３１と平行な方向に延在し、かつ、微細凹部５１の幅方向に交互に形成されていてもよい。また、微細凹部５１及び微細凸部６１の延在方向は、溝部３１及び陸部４１の延在方向と異なっていてもよいし、同じでもよい。例えば、微細凹凸構造５０が、図７Ａに示す凹凸構造３０ａ又は図７Ｃに示す凹凸構造３０ｃのように溝部３１の底面に形成され、かつ、微細凹部５１及び微細凸部６１の延在方向が、溝部３１の延在方向と異なっている場合、溝部３１内の潤滑油が微細凹凸構造５０によって保持され易くなる。なお、微細凹凸構造５０は、周期的に凹凸が所定の方向に現れる周期的な凹凸構造であることが好ましい。また、この微細凹凸構造５０が後述する硬質被膜上に形成されることで、シリンダボアと微細凹凸構造５０とが仮に摺動したときには、トライボ皮膜の形成が促進されやすくなり、低摩擦化に寄与することができる。
　本実施形態のピストンリング１の外周面１０は、硬質皮膜で構成されている。具体的に、例えば、ピストンリングの基材の外周面に硬質皮膜を直接形成下後に、硬質皮膜で構成された外周面１０に上記いずれかの凹凸構造（凹凸構造３０、３０’、３０’’、３０ａ、３０ｂ、３０ｃのいずれか）を形成することで、その凹凸構造を備えるピストンリング１が得られる。ピストンリング１の外周面１０を硬質皮膜で構成することで、外周面１０の摩耗を抑制することができる。
　硬質皮膜は、例えば非晶質硬質炭素皮膜（ＤＬＣ皮膜）であってもよい。非晶質硬質炭素皮膜は、水素含有非晶質硬質炭素皮膜であってもよいし、水素の含有量が１０ａｔ％以下の水素非含有非晶質硬質炭素皮膜であってもよい。また、硬質皮膜は、非晶質炭素皮膜以外であってもよく、例えば、無電解めっき、無電解めっきと電解めっきとの組み合わせ、硬質塗料コーティング、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、スパッタ法等により形成した皮膜であってもよい。皮膜の材質としては、窒化クロム膜（ＣｒＮ）、窒化チタン膜（ＴｉＮ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、窒化アルミチタン（ＴｉＡｌＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、ＴｉＣＮ、ＡｌＣｒＮ、ＴｉＣ、又はニッケル（Ｎｉ）若しくはニッケルリン（ＮｉＰ）などのニッケル合金からなるめっき等が挙げられる。また、硬質皮膜は、無機材料による皮膜以外、例えばポリイミド等の高分子皮膜であってもよい。高分子皮膜は、カーボンファイバー又はグラスファイバーなどのフィラーを混入させたものであってもよい。なお、本実施形態のピストンリング１では、基材に硬質被膜を形成する前に、凹凸構造３０を形成していてもよい。
　図８は、ピストンリング１の第１の変形例としてのピストンリング１ａを示す断面図である。図８に示すように、ピストンリング１ａの中心軸Ｏ（図１等参照）を含む断面による、外周面１０ａの輪郭形状は、シリンダ２００が位置する方向（径方向Ｃにおける径方向外側Ｇ）に凸状の湾曲面形状のバレル状部１４ａと、バレル状部１４ａに対して中心軸方向Ｂの両側に位置するテーパ状部１５ａと、を備える。バレル状部１４ａは、最外径部１１を含む。本実施形態の第１の変形例における傾斜部１２ａは、最外径部１１よりも上側面８０側及び下側面９０側に備えられ、バレル状部１４ａの一部とテーパ状部１５ａとからなる。なお、凹凸構造３０が形成された凹凸構造形成領域Ｐは、傾斜部１２ａの上側面側Ｄ及び下側面側Ｅに形成されており、最外径部１１とその近傍には凹凸構造非形成領域Ｓが設定されている。なお、最外径部１１から凹凸構造形成領域Ｐまでの径方向Ｃにおける第１距離Ｌ１は、０．５μｍ以上１００μｍ以下の範囲に設定されている。ピストンリング１ａは、凹凸構造３０が最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄ及びクランクケース側Ｅの両側に形成されたトップリングである。すなわち、ピストンリング１ａは、凹凸構造非形成領域Ｓの上側面側Ｄ及び下側面側Ｅの両方に隣接する凹凸構造形成領域Ｐを有する。ピストンリング１ａの上記以外の構成は、上述のピストンリング１の構成と同様であるので、説明を省略する。
　図９は、ピストンリング１の第２の変形例としてのピストンリング１ｂを示す断面図である。図１０は、ピストンリング１ｂの外周面１０ｂを示す側面図である。図９及び図１０に示すように、ピストンリング１ｂの中心軸Ｏ（図１等参照）を含む断面による外周面１０ｂの輪郭形状は、最外径部１１と、最外径部１１から中心軸方向Ｂに向かうにつれて径方向内側Ｆに近づくように傾斜する傾斜部１２ｂと、を備える。この傾斜部１２ｂは、図９に示す断面視では直線上に表すことができる輪郭を有している。図９及び図１０に示す傾斜部１２ｂは、最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの一方側のみに位置する。より具体的に、図９及び図１０に示す傾斜部１２ｂは、最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄのみに位置し、他方、最外径部１１よりもクランクケース側Ｅは下側面９０となっている。本実施形態の第２の変形例におけるピストンリング１ｂは、凹凸構造非形成領域Ｓに最外径部１１とその近傍の傾斜部１２ｂの一部を含んでおり、凹凸構造非形成領域Ｓの上側面側Ｄに隣接する傾斜部１２ｂに凹凸構造形成領域Ｐを有する。なお、最外径部１１から凹凸構造形成領域Ｐまでの径方向Ｃにおける第１距離Ｌ１は、０．５μｍ以上１００μｍ以下の範囲に設定され、凹凸構造３０は、凹凸構造非形成領域Ｓに隣接する位置（凹凸構造形成領域Ｐ）に形成されている。
　図９及び図１０に示すように、ピストンリング１ｂは、凹凸構造３０が最外径部１１に対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄのみに形成されたセカンドリングである。従って、ピストンリング１ｂは、ピストンリングを収容可能なピストンリング溝が側面に３本以上形成されたピストンのピストンリング溝のうち、燃焼室側Ｄから２番目に位置するピストンリング溝に装着される。なお、ピストンリング１ｂが装着されるピストンの最も燃焼室側Ｄに位置するピストンリング溝には、ピストンリング１ｂとは異なるピストンリングが装着されることが想定される。ピストンリング１ｂは、ピストン１００（図２参照）がシリンダ２００（図２参照）に対して特に上昇する際に、潤滑油を最外径部１１及びその近傍に供給し易い。また、ピストンリング１ｂはセカンドリングであるので、凹凸構造３０に保持された潤滑油に上死点で慣性力が働いても、燃焼室側Ｄに位置するトップリングによって飛散が抑制される。ピストンリング１ｂの上記以外の構成は、上述のピストンリング１の構成と同様であるので、説明を省略する。
　図１１は、ピストンリング１の第３の変形例としてのピストンリング１ｃを示す断面図である。なお、図１１において、図９と同一符号の構成については、図９に示すピストンリング１ｂの構成と同じなので、その説明を省略する。なお、第３の変形例としてのピストンリング１ｃは、第２の変形例としてのピストンリング１ｂと比較して、下側面側Ｅにも、傾斜部１２ｃが形成されている。そして、傾斜部１２ｃには、傾斜部１２ｂに形成された凹凸構造３０とは別の凹凸構造３０が形成されている。傾斜部１２ｃに形成された凹凸構造３０の径方向外側Ｇの端部は、最外径部１１から径方向内側Ｆに向かって第１距離Ｌ１の位置に形成されている。従って、第３の変形例としてのピストンリング１ｃでは、最外径部１１を含む凹凸構造非形成領域Ｓの上側面側Ｄ及び下側面側Ｅの両方に、凹凸構造形成領域Ｐが形成されている。このような断面形状を有するピストンリング１ｃであっても、前述のピストンリング１ｂと同様の効果を有する。第３の変形例としてのピストンリング１ｃにおける第１距離Ｌ１及び第２距離Ｌ２は、第２の変形例のピストンリング１ｂと同じ寸法値の範囲が好ましい。また、第３の変形例としてのピストンリング１ｃは、第２の変形例としてのピストンリング１ｂと同様に、セカンドリングとして用いることが好ましい。
　図１２は、ピストンリング１の第４の変形例としてのピストンリング１ｄを示す断面図である。図１２に示すように、ピストンリング１ｄは、２ピースタイプのオイルリングであり、リング本体２と、コイルエキスパンダー３とを備える。コイルエキスパンダー３は、リング本体２を径方向外側Ｇに向けて付勢する。
　リング本体２は、その内周面にウェブ部４が形成されており、また、その外周面には一対のレール部５が形成されている。リング本体２にはある間隔をもって、孔部８が形成されている。また、図示されてはいないが、リング本体２の一部には合口が設けられている。一対のレール部５は、それぞれウェブ部４に対して中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄ及びクランクケース側Ｅのリング本体２と一体に設けられている。一対のレール部５の最も外周よりの領域には、それぞれランド部７が形成されている。ランド部７は、図１２に示す破線で囲まれた領域に形成されている。これらのランド部７は、それぞれ対応するレール部５の外周端から径方向外側Ｇに向けて突出するとともにレール部５の全周に亘って延びる環状に形成されている。また、燃焼室側Ｄに形成されたランド部７と上側面８０との間に位置する外周面、及び、クランクケース側Ｅに形成されたランド部７と下側面９０との間に位置する外周面には、どちらも側面からランド部７に向かうにつれ、拡径するように形成された傾斜面４０が形成されている。
　図１３は、図１２に示したピストンリング１ｄの一方のランド部７を拡大して示す断面図である。なお、燃焼室側Ｄのレール部５に設けられるランド部７とクランクケース側Ｅのレール部５に設けられるランド部７は、基本的に同一の形状を有しているので、以下では、燃焼室側Ｄのレール部５に設けられるランド部７に基づいて説明する。
　図１３に示すように、ランド部７は、中心軸方向Ｂの燃焼室側Ｄの上側面側軸方向側部８０ｃと、中心軸方向Ｂのクランクケース側Ｅの下側面側軸方向側部９０ｃと、上側面側軸方向側部８０ｃと下側面側軸方向側部９０ｃとの間にテーパ状部１５ｃとバレル状部１４ｃとが備えられている。上側面側軸方向側部８０ｃ及び下側面側軸方向側部９０ｃは、テーパ状部１５ｃ及びバレル状部１４ｃを傾斜面４０よりも外周側（径方向外側Ｇ）に位置させるために、テーパ状部１５ｃ及びバレル状部１４ｃに向けて拡径するように形成されており、中心軸方向Ｂに対する傾斜角度は傾斜面４０やテーパ状部１５ｃよりも大きな角度となっている。また、テーパ状部１５ｃも、図１３に示すように、クランクケース側Ｅに向けて拡径するような傾斜面を有しており、バレル状部１４ｃがテーパ状部１５ｃよりも外周側に突出する位置関係になっている。
　図１３に示すように、第４の変形例であるピストンリング１ｄの最外径部１１は、バレル状部１４ｃとなる。中心軸方向Ｂ（図１３に示す例では燃焼室側Ｄ）に向けてバレル状部１４ｃに連なるテーパ状部１５ｃが形成されている。バレル状部１４ｃは、凸状の湾曲面（バレルフェイス）形状に形成されている。テーパ状部１５ｃの中心軸方向Ｂに対する傾斜角αは、１７°以上２７°以下である。
　ピストンリング１ｄのテーパ状部１５ｃには、上述のピストンリング１と同様に、凹凸構造３０が形成された凹凸構造形成領域Ｐが形成されている。ピストンリング１ｄの凹凸構造３０が形成される領域等の詳細は、図３Ｂ等で示す実施形態のピストンリング１と同様であるので説明を省略する。なお、図１３に示すピストンリング１ｄの形状では、テーパ状部１５ｃの最外径位置と最外径部１１との段差ｄＨが１μｍ以上１００μｍ以下に設定されているので、テーパ状部１５ｃのみを凹凸構造形成領域Ｐとしている。なお、段差ｄＨがより小さければ、バレル状部１４ｃの上側面側Ｄの一部にも凹凸構造３０を形成してもよい。
　また、図１３に示す外周面形状及び構造は、３ピースタイプのオイルコントロールリングセットの上下両方のレール部材に適用することでも同様な効果が達成できる。この場合、上側面とランド部７との間、又は下側面とランド部７との間には、傾斜面４０を形成する必要は必ずしもない。そのため、レール部材の上側面から外周面を経て下側面に向けて、上側面側軸方向側部８０ｃ、テーパ状部１５ｃ、バレル状部１４ｃ、下側面側軸方向側部９０ｃの配置関係で外周面形状が構成されていることが好ましい。また、上下両方のレール部材の各々の外周面に形成されるランド部７は断面方向において１か所のみでよい。
　ところで、本発明の実施の形態における外周面の好適な輪郭形状は、最外径部１１での外径と、最外径部１１から中心軸方向Ｂに０．３ｍｍ離れた傾斜部１２の位置での外径との差が、０．００２ｍｍ以上０．０５０ｍｍ以下が好ましい。なお、最外径部１１が中心軸方向Ｂに所定の幅を有する場合は、「最外径部１１から中心軸方向Ｂに０．３ｍｍ離れた傾斜部１２の位置」とは、最外径部１１の中心軸方向Ｂの中心から中心軸方向Ｂに０．３ｍｍ離れた傾斜部１２の位置を意味する。
　なお、本実施形態における外周面の構造は、ピストンリング以外の摺動部材にも適用できる。例えば、摺動時に相手材と摺動する領域を含む外周面と、当該外周面の摺動方向及び摺動方向と反対方向に、当該外周面の面方向と異なる方向に向いた側面とを有した摺動部材において、その外周面に、上述のように凹凸構造非形成領域と凹凸構造形成領域とを設定あるいは形成することで、相手材の摩耗を防ぎつつ、良好な摺動特性を得ることができる。なお、このような摺動部材であっても、相手材と摺動する外周面の摺動領域は、摺動時においてそれぞれの側面のいずれか一方と隣接した領域に比して、相手材に近接するような形状を有していることが良い。このように側面に隣接した外周面に比して、相手材に近接するような形状、例えば、外周面の一部が凸形状を有するものにおいて、摺動時に相手材に近接するような凸部位の頂上及びその付近には、凹凸構造を設けず、その凸部位である摺動領域に隣接した領域に凹凸構造形成領域を設けることが好ましい。
［ピストンリングの製造方法］
　図１４は、本発明の一実施形態としてのピストンリングの製造方法の一部の工程を示すフローチャートである。図１４に示すように、本実施形態のピストンリングの製造方法は、皮膜形成工程Ｓ１と、凹凸形成工程Ｓ２と、を含む。
　皮膜形成工程Ｓ１は、硬質皮膜を形成する前のピストンリングの外周面に、硬質皮膜を形成する工程である。本実施形態の硬質皮膜は、上述のピストンリング１の外周面１０を構成する硬質皮膜と同様の材料であってもよく、ピストンリング１の外周面１０を構成する硬質被膜と同様の形成方法により形成することができる。
　凹凸形成工程Ｓ２は、皮膜形成工程Ｓ１の後に、硬質皮膜が形成された後の外周面のうち外径が最も大きい最外径部及びその近傍以外の位置に凹凸構造を形成する工程である。本実施形態の凹凸構造は、上述のピストンリング１の凹凸構造３０と同様の構成であってもよく、凹凸構造３０と同様の形成方法により形成することができる。
　このように、本実施形態のピストンリングの製造方法では、ピストンリングの外周面に硬質皮膜を形成した後で、当該外周面に凹凸構造を形成する。これにより、外周面に所望の凹凸構造をより精細に形成させることができる。なお、凹凸構造の上に硬質皮膜を形成しても凹凸構造が現れるように、硬質皮膜の厚さや成膜方法を調整すれば、ピストンリングの外周面に凹凸構造を形成した後で、硬質皮膜を形成してもよい。本実施形態のピストンリングの製造方法は、上記実施形態のピストンリング１及びピストンリング１ａ～１ｄいずれの製造方法にも適用することができる。
　本発明の効果を確認するために、本発明の実施例１～３を用意し、以下の評価試験を行った。なお、本発明はこれらの実施例には限定されない。
（実施例１）
　まず、バレルフェイス形状の外周面を有するリングを用意し、硬質被膜として、非晶質硬質炭素皮膜を形成した。次に、凹凸構造３０（図５等参照）を、図３Ｂに示すように、最外径部１１とその近傍を含む凹凸構造非形成領域Ｓよりも下側面側Ｅの位置における硬質炭素被膜上に形成した。なお、凹凸構造３０が形成された外周面１０での外径が最も大きい位置と、凹凸構造非形成領域Ｓ内の最外径部１１（図３Ｂ等参照）との径方向Ｃにおける第１距離Ｌ１は、０．００４ｍｍとした。当該ピストンリングは、最外径部１１での外径と、最外径部１１から中心軸方向Ｂ（図３Ｂ等参照）に０．３ｍｍ離れた位置での外径との差が、０．００５ｍｍであった。また、当該ピストンリングのサイズは、最外径部１１での外径が８６ｍｍ、中心軸方向Ｂの長さが１．２ｍｍ、径方向Ｃの長さが３．３ｍｍであった。
　図１５は、実施例１の試験方法を説明する図である。図１５に示すように、上記得られたピストンリングを径方向Ｃに沿って切断し、リングピースＱとした。リングピースＱの外周面を、摺動相手材としてのシリンダ切り出し片２００’に向けて荷重Ｗを印加しながら、シリンダ切り出し片２００’の表面で摺動試験を行った。この際、滴下オイルの粘度を０Ｗ－２０、摺動時間を１０時間、荷重Ｗを１００Ｎ、とした。また、比較例１として、凹凸構造３０を、実施例１で形成した領域の他に、最外径部１１を含め、実施例１では凹凸構造非形成領域Ｓとして凹凸構造を形成していない領域にも形成した。なお、凹凸構造の溝部については、摺動方向に沿って延在するように形成しているものとした。その他の条件はリングピースＱと同様に作成したリングピースを用意した。比較例１のリングピースについても、上記摺動試験を行った。その結果、実施例１では、比較例１に対して、相手材摩耗量が約６０％であった。
（実施例２）
　実施例１と同様にして、ピストンリングを得た。当該ピストンリングのサイズは、最外径部１１の外径が７８ｍｍ、中心軸方向Ｂの長さが１．２ｍｍ、径方向Ｃの長さが２．５ｍｍであったが、その他の条件は実施例１のピストンリングと同様であった。本実施例のピストンリングを組み込んだ内燃機関をガソリンエンジンで長時間運転させた後のブローバイ量を、下記の条件で測定した。すなわち、水冷4サイクルのガソリンエンジン（排気量１．５Ｌ、４気筒）を用いて、回転数４０００ｒｐｍ、全負荷（Ｗｉｄｅ　Ｏｐｅｎ　Ｔｈｒｏｔｔｌｅ）条件にて、運転時間１０時間として運転した。また、比較例２として、凹凸構造３０を、最外径部１１から径方向内側Ｆに向かって０．００４ｍｍの地点までの間にも形成し、その他の条件は本実施例のピストンリングと同様に作成したピストンリングを用意した。比較例１のピストンリングを組み込んだ内燃機関についても、上記測定を行った。測定結果から、経年後のブローバイ量を算出した。その結果、実施例２では、比較例２に対して、ブローバイ量が約７０％であった。
（実施例３）
　図１６は、実施例３で用いる摩擦係数を測定するための単体往復動試験機３００の一部断面図である。本実施例のピストンリング３０１として、実施例１と同様のピストンリングを用意した。また、比較例３のピストンリングとして、ピストンリングの基材に実施例１と同じ硬質皮膜を形成し、その後、外周面には一切の凹凸構造を形成しないピストンリングを用意した。図１６に示すように、本実施例のピストンリング３０１及び比較例３のピストンリングを、それぞれ、単体往復動試験機３００のピストン３０２に装着して、評価試験を行った。具体的に、図１６に示す単体往復動試験機３００を用いて、円筒状のシリンダライナー３０３の内周面に本実施例のピストンリング３０１又は比較例３のピストンリングを装着したピストン３０２を挿入し、ピストン３０２を上下方向に往復運動させた。そのときのシリンダライナー３０３に固定されたブロック３０４の変位又はブロック３０４に掛かる荷重を、ロードセンサー（Load Sensor）３０６で検出することで、摩擦係数を算出した。図１６に示す単体往復動試験機３００の試験条件は、ボア×ストロークがφ８６×８６ｍｍ、回転数が５００ｒｐｍ、潤滑油の粘度が０Ｗ－２０、リング単体評価であった。その結果、実施例３では、比較例３に対して、上死点付近での摩擦係数が約６０％であった。
　本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、ピストンリングの外周面の形状は、上述の各態様には限定されず、他の任意の形状であってもよい。また、ピストンリングの内周面、上側面、及び下側面の各形状は、上述の各態様の形状には限定されない。
　本発明は、ピストンリング、及びピストンリングの製造方法に関する。
　１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ：ピストンリング
　２：リング本体
　３：コイルエキスパンダー
　４：ウェブ部
　５：レール部
　６：合口
　７：ランド部
　８：孔部
　１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ：外周面
　１１：最外径部
　１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ：傾斜部
　１４ａ、１４ｃ：バレル状部
　１５ａ、１５ｃ：テーパ状部
　３０、３０’、３０’’、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ：凹凸構造
　３１：溝部
　４０：傾斜面
　４１：陸部
　５０：微細凹凸構造
　５１：微細凹部
　６１：微細凸部
　７０：内周面
　８０：上側面
　８０ｃ：上側面側軸方向側部
　９０：下側面
　９０ｃ：下側面側軸方向側部
　１００：ピストン
　１０１：ピストンリング溝
　２００：シリンダ
　２００’：シリンダ切り出し片
　３００：単体往復動試験機
　３０１：ピストンリング
　３０２：ピストン
　３０３：シリンダライナー
　３０４：ブロック
　３０６：ロードセンサー
　Ａ：周方向
　Ｂ：中心軸方向
　Ｃ：径方向
　Ｄ：燃焼室側（上側面側）
　Ｅ：クランクケース側（下側面側）
　Ｆ：径方向内側
　Ｇ：径方向外側
　Ｉ：溝部と陸部との繰り返し単位
　Ｊ：凹凸構造の高低差
　Ｋ：微細凹凸構造の高低差
　Ｌ１：第１距離
　Ｌ２：第２距離
　Ｄ１：ピストンリングの外径
　Ｄ１ｍａｘ：最外径部での外径
　ｄＨ：テーパ状部の最外径位置と最外径部との段差
　Ｏ：中心軸
　Ｐ：凹凸構造形成領域
　Ｑ：リングピース
　Ｓ：凹凸構造非形成領域
　Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４：境界線
　α：テーパ状部の中心軸方向に対する傾斜角

Claims (16)

  1. 　外周面に所定の方向に延在する溝部と陸部とを交互に有する凹凸構造が形成されたピストンリングであって、
    　前記外周面は、前記ピストンリングの中心軸を含む断面による輪郭形状において、外径の寸法が最大となる最外径部を備え、
    　前記凹凸構造は、前記最外径部には形成されていないことを特徴とする、ピストンリング。
  2. 　前記外周面は、前記最外径部及びその近傍からなる前記凹凸構造が形成されていない凹凸構造非形成領域と、前記凹凸構造非形成領域の上側面側又は下側面側の少なくとも一方に隣接して前記凹凸構造が形成された凹凸構造形成領域と、を有することを特徴とする、請求項１に記載のピストンリング。
  3. 　前記凹凸構造形成領域は、前記凹凸構造非形成領域よりも下側面側のみに有することを特徴とする、請求項２に記載のピストンリング。
  4. 　前記外周面の断面による輪郭形状は、前記最外径部から上側面側又は下側面側に向かうにつれて、前記外径が順次小さくなるような形状を有し、
    　前記凹凸構造非形成領域は、前記最外径部から少なくとも０．５μｍ以上径方向内側に前記外周面が位置する領域まであることを特徴とする、請求項２又は３に記載のピストンリング。
  5. 　前記凹凸構造は、前記外周面において前記溝部と前記陸部とが周方向に周期的に形成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のピストンリング。
  6. 　前記溝部と前記陸部とが交互に形成された繰り返し単位は、１００μｍ以下であることを特徴とする、請求項５に記載のピストンリング。
  7. 　前記凹凸構造の前記溝部の最深部から前記陸部までの高低差は、０．０１μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする、請求項６に記載のピストンリング。
  8. 　前記溝部及び前記陸部の少なくとも一方の表面には、前記凹凸構造の前記溝部の最深部から前記陸部までの高低差よりも小さい高低差の微細凹凸構造が形成されていることを特徴とする、請求項５から７のいずれか一項に記載のピストンリング。
  9. 　前記溝部及び前記陸部は、中心軸方向に沿って延在していることを特徴とする、請求項５から８のいずれか一項に記載のピストンリング。
  10. 　前記凹凸構造の少なくとも一部は、前記最外径部よりも径方向内側に向かって１００μｍを超えない位置にある前記外周面の一部の領域に形成されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のピストンリング。
  11. 　前記外周面は、前記最外径部から上側面側又は下側面側に向かうにつれて径方向内側に近づくように傾斜する傾斜部を、前記最外径部に対して中心軸方向の両側に備えることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のピストンリング。
  12. 　前記外周面は、前記最外径部から上側面側又は下側面側に向かうにつれて径方向内側に近づくように傾斜する傾斜部を、前記最外径部に対して中心軸方向の一方側にのみ備えることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のピストンリング。
  13. 　前記最外径部が前記外周面の前記中心軸方向における中心位置を含まない領域に位置していることを特徴とする、請求項１１又は１２に記載のピストンリング。
  14. 　前記外周面は、前記最外径部を含むバレル状部と、中心軸方向の一端において前記バレル状部に連なるとともに、前記中心軸方向に対して１７°以上２７°以下の角度で傾斜するテーパ状部と、を備えることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のピストンリング。
  15. 　前記外周面は、硬質皮膜で構成されていることを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載のピストンリング。
  16. 　ピストンリングの外周面に硬質皮膜を形成する工程と、
    　前記ピストンリングの中心軸を含む断面による輪郭形状において、前記硬質皮膜が形成された後の外周面のうち外径の寸法が最も大きい最外径部以外の位置に凹凸構造を形成する工程と、
    を含むピストンリングの製造方法。
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