JP2001182830A - ピストンピン及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軽量化を図りつつ加工工具の寿命を長くする
ピストンピンを提供すること。 【解決手段】 ピストンピン本体１０の軸方向端１０ａ
から連結部分１０ｂまでの各区間１０ｃ、１０ｃにおい
て、該区間１０ｃの中空穴１１の内周面形状が、ピスト
ンピン本体１０の軸方向端１０ａで中空穴１１の内径が
最大となり、連結部分１０ｂに向かって順次内径が小さ
くなるように、連続した凸曲面により漏斗状に形成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車、農耕機
械、航空機等に使用されるレシプロ型内燃機関のピスト
ンとコネクティング・ロッドとを連結するピストンピン
に係り、詳しくは軽量化を図り、エンジン運転時のピス
トン系の慣性力を低減する一方、加工性に優れたピスト
ンピン及びその製造方法に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】軽量化を図り、エンジ
ン運転時のピストン系の慣性力を低減するために、従来
より種々のピストンピンが提案されている。例えば、図
９乃至図１２に示すピストンピンがある。

【０００３】図９に示すピストンピン５０は、クロム鋼
等の鋼製の棒状素材を冷間鍛造、機械加工により、棒状
素材の中心部に、外周面と同軸状に軽量化のための穴５
１を形成した後、熱処理及び外周面の研削加工を施して
製造される。また、図１０に示すピストンピン５０は、
棒状素材の軸方向中央部分を残して、棒状素材の軸方向
両端部分に軽量化のための穴５２を形成し、棒状素材の
軸方向中央部分には穴５２よりも小径の穴５３をピアシ
ングにより成形して製造される。

【０００４】図１１に示すピストンピン５０は、図９に
示すピストンピンの穴５１の軸方向両端部分（開口部付
近）にテーパー状（円錐台状）穴５４を形成して更に軽
量化を図ったものである。また、図１２に示すピストン
ピン５０は、同じく図１０に示すピストンピンの穴５２
の開口部付近にテーパー状（円錐台状）穴５５を形成し
て更に軽量化を図ったものである。

【０００５】図９乃至図１２に示す各ピストンピン５０
は、材料歩留まり、生産性の観点から、通常、機械加工
よりも冷間鍛造によって製造されている。なお、穴５
４、５５をパンチを打ち込んで冷間鍛造により形成する
場合、穴５４と穴５１との境界部分、穴５５と穴５２と
の境界部分には適当な丸みが形成され、パンチの打ち込
み時、パンチのこれら境界部分に対応する箇所に応力集
中が生じるのを回避するようにしている。

【０００６】図１３及び図１４は、ピストンピン５０に
よってピストン６０とコネクティング・ロッド６５とを
連結する状態を示している。ピストンピン５０を、ピス
トン６０の一方の取付穴６１からコネクティング・ロッ
ド６５の挿通穴６６を通してピストン６０の他方の穴６
２に挿入することにより、ピストン６０とコネクティン
グ・ロッド６５とが連結される。ピストン６０の作動時
に、ピストンピン５０は、その軸線と直角な断面にせん
断応力、圧縮応力を受けるが、これら応力は、ピストン
ピン５０上のピストン６０とコネクティング・ロッド６
５との境界部分（コネクティング・ロッド６５が連結さ
れるピストンピン５０上の連結部分５６）で最大とな
り、該連結部分５６から離れるにしたがって小さくな
る。したがって、強度上の観点からすると、ピストンピ
ン５０上の連結部分５６において、最大せん断応力、最
大圧縮応力に耐える肉厚があればよく、他の部分は軽量
化を図るために肉厚を薄くすることが可能である。図１
１、図１２に示すピストンピン５０において、テーパー
状の穴５４、５５を形成するのはこの理由による。

【０００７】図１５及び図１６は、ダイス７０とパンチ
８０を利用して、図１１に示すピストンピン５０を製造
する過程の一例を示している。パンチ８０は、穴５４を
テーパー状に成形する成形部８１と、案内部８２とを有
する。案内部８２は、パンチ８０を穴５１内に押し込む
過程で穴５１の内径が縮小するのを防止する。先ず図９
に示すピストンピン５０をダイス７０の穴７１内に挿入
してセットし（図１５参照）、次いで穴７１の軸方向両
端からパンチ８０，８０をピストンピン５０の穴５１内
に同時に押し込んで（図１６参照）、該穴５１の軸方向
両端部分をそれぞれテーパー状に成形して穴５４を形成
する（図１１参照）。

【０００８】パンチ８０を穴５１内に押し込む過程で
は、図１７に示すように、先ず成形部８１と案内部８２
との間の遷移部分８３が穴５１の開口端縁に接触し、次
いで成形部８１が穴５１内に進入するにつれて穴５１を
押し広げる。成形部８１が穴５１内に所定の加工距離Ｌ
だけ進入したら、それ以上の押し込みを停止する。この
とき、成形部８１が受ける接触圧力は、成形部８１のテ
ーパー面と穴５１の中心軸Ｘとの間の角度θにより決ま
り、角度θが大きいとそれだけ接触圧力が大きくなる。
パンチ８０が受ける摩擦負荷は、接触圧力角θや摩擦距
離が大きいほど大きくなり、遷移部分８３付近で最大と
なる。このことは、図１２に示すピストンピン５０を製
造する場合にも同様にである。

【０００９】上述したパンチ８０では、冷間鍛造時にお
ける摩擦負荷について、充分に注意が払われておらず、
成形部８１と案内部８２との間の遷移部分８３における
丸みの直径（図１８参照）が僅かであり（遷移部分８３
に僅かに凸曲面が存在するだけで、この凸曲面が形成さ
れる範囲は、ピストンピン５０の連結部分５６から軸方
向端までの距離の１０分の１程度であり）、上述した加
工を長期間繰り返すことによって、遷移部分８３がピス
トンピン５０（穴５１の内周面）との摩擦によって摩耗
したり、焼き付き等によって損傷したりするおそれがあ
る。

【００１０】パンチ８０の寿命を長くするには、摩擦負
荷を軽減すればよく、この場合には角度θを小さくする
か、加工距離Ｌを短くすることが考えられるが、これで
はピストンピンの穴の軸方向両端部でテーパー状に形成
することによって必要な機械的強度を確保しつつ軽量化
を図ることが出来なくなる。

【００１１】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、軽量化を図りつつ加工工具の寿命を長くすることが
できる、ピストンピン及びその製造方法を提供すること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明は、ピストンとコネクティング・ロッドとを連結する
ピストンピンにおいて、中空穴を有するピストンピン本
体の軸方向両端から前記コネクティング・ロッドが連結
される連結部分までの各区間において、該区間における
前記中空穴の内周面形状を、それぞれ前記ピストンピン
本体の軸方向両端で前記中空穴の内径が最大となり、前
記連結部分に向かって順次内径が小さくなるように、連
続曲面によって略テーパー状に形成してなることを特徴
とする。

【００１３】本発明のピストンピンによれば、ピストン
ピンとしての機械的強度を維持しつつ軽量化を図ること
が可能となる一方、ピストンピンを加工する加工工具の
寿命を長くすることができる。すなわち、ピストンピン
本体の軸方両向端で中空穴の内径が最大となり、連結部
分に向かって順次内径が小さくなるように連続曲面によ
って略テーパー状に形成してなるので、加工工具として
パンチを使用して塑性加工（冷間鍛造）する場合、パン
チはその外周面形状を中空穴の内周面形状これに合わせ
て形成する必要があるが、この場合、パンチが受ける摩
擦負荷を一様にすることができると同時にパンチに作用
する最大摩擦負荷を減少させることが出来る。

【００１４】上記ピストンピンにおいて、前記連続曲面
の範囲が、前記連結部分から少なくとも前記区間の略４
分の１以上の範囲であれば、ピストンピン本体の軸方向
両端部分の中空穴を加工する際にパンチが受ける摩擦負
荷を一様にすることができ、また最大摩擦負荷を減少さ
せることが可能となる。

【００１５】また、上記目的を達成する本発明のピスト
ンピンの製造方法は、ピストンとコネクティング・ロッ
ドとを連結するピストンピンを冷間鍛造によって製造す
る方法において、中空穴を有するピストンピン本体をダ
イス内にセットする工程と、一対のパンチを前記ダイス
内にセットされたピストンピン本体の中空穴の軸方向両
端から押し込む工程とを有し、前記一対のパンチは、前
記中空穴の内径と略等しい外径を有する案内部と、該案
内部から順次外径が大きくなるように案内部から連続し
た連続曲面によって略テーパー状に形成された成形部と
を備えてなり、前記案内部によりパンチを前記ピストン
ピン本体の中空穴内に案内しつつ、前記成形部により、
前記ピストンピン本体の軸方向端から前記コネクティン
グ・ロッドが連結される連結部分までの各区間におい
て、該区間における前記中空穴の内周面を、それぞれ前
記ピストンピン本体の軸方向両端で前記中空穴の内径が
最大となり、前記連結部分に向かって順次内径が小さく
なるように、連続曲面によって略テーパー状に形成する
ことを特徴とする。

【００１６】本発明のピストンピンの製造方法によれ
ば、ピストンピンの軽量化を図ることが出来る一方、パ
ンチの受ける負荷を軽減することが出来るので、長期間
冷間鍛造を繰り返しても、パンチの摩耗や焼き付きが少
なく、パンチの寿命を長くすることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下本発明の一実施例について添
付図面を参照して説明する。図１乃至図６に本発明のピ
ストンピンの一実施例を示す。図１は本発明のピストン
ピンの一実施例を示す縦断面図、図２は図１のＡ部分
（区間１０ｃの部分）の部分拡大断面図、図３及び図４
はピストンピンをダイスとパンチを使用して冷間鍛造に
より製造する工程を説明するための縦断面図、図５は図
３及び図４に示す製造工程で使用するパンチの部分側面
図、図６はパンチをピストンピン本体の中空穴内に押し
込む過程を詳細に説明するための図である。

【００１８】本実施例のピストンピンは、図１、図２に
示すように、例えばクロム鋼等の鋼製の中空状ピストン
ピン本体１０から構成される。このピストンピン本体１
０の中空穴１１の軸方向両端部分における内壁面は、そ
れぞれ連続した凸曲面によって漏斗状に形成される。

【００１９】すなわち、ピストンピン本体１０の軸方向
端１０ａ、１０ａからコネクティング・ロッド４５（図
８参照）が連結される連結部分１０ｂ、１０ｂまでの各
区間１０ｃ、１０ｃにおいて、該区間１０ｃ全体の中空
穴１１の内周面形状が、ピストンピン本体１０の軸方向
端１０ａで中空穴１１の内径が最大となり、連結部分１
０ｂに向かって順次内径が小さくなるように、連続した
凸曲面により略テーパー状に形成されている。連結部分
１０ｂの肉厚は、ピストン４０（図８参照）の作動時
に、ピストンピン（ピストンピン本体１０）が受ける最
大せん断応力や、最大圧縮応力等に耐えるように設定さ
れる。

【００２０】区間１０ｃにおける中空穴１１の内周面形
状を、図２を参照して詳細に説明すると、円弧状の曲線
からなる連続した凸曲面によって形成され、また連結部
分１０ｂ、１０ｂ間である中空穴１１の中央部分は、直
線からなるストレートな円筒状曲面によって形成され、
中空穴１１の区間１０ｃと中央部分は、連結部分１０ｂ
で滑らかに連続している。すなわち、ストレートな円筒
状曲面を構成する直線は、連結部分１０ｂにおいて、連
続凸曲面を構成する曲線から該曲線の接線方向に延びる
ようにして連続している。

【００２１】次に、図３、図４を参照して上述したピス
トンピンを冷間鍛造によって製造する方法の一実施例を
説明する。先ず、第１工程で、図３に示すように、ダイ
ス２０内にピストンピン本体１０をセットし、次いで、
第２工程で、図４に示すように、ダイス２０内のピスト
ンピン１０の中空穴１１の両端開口部から該中空穴１１
内に、所定深さ、パンチ３０を圧入するが、これら工程
は従来と同じである。

【００２２】本実施例では、図５に示すパンチ３０を利
用する点に特徴を有している。パンチ３０は、中空穴１
１の連結部分１０ｂ、１０ｂ間の内径と略等しいか、若
干小径に形成された円柱状の案内部３１と、該案内部３
１に案内されつつ中空穴１１の区間１０ｃを成形するテ
ーパー状（円錐台形状）の成形部３２とからなる。成形
部３２の外周面は、曲線からなる連続した凹曲面によっ
て形成され、この凹曲面により中空穴１１の区間１０ｃ
の連続凸曲面が成形される。案内部３１と成形部３２
は、それらの間の遷移部分３３において滑らかに連続す
るように形成されている。すなわち、案内部３１の円柱
状外周面を構成する直線は、遷移部分３３において、成
形部３２の凹曲面を構成する曲線の接線方向に延びるよ
うに、成形部３２から連続している。

【００２３】なお、案内部３１は、成形部３２によって
中空穴１１を加工する際、該中空穴１１の内径が縮小す
るのを防止する。したがって、成形部３２によって中空
穴１１の加工が進行するにつれて、ピストンピン本体１
０の軸方向端１０ａが盛り上がる。

【００２４】次に、図６を参照してパンチ３０をピスト
ンピン本体１０の中空穴１１内に圧入する過程（軽量化
のための穴の成形過程）を詳細に説明する。案内部３１
により案内されてパンチ３０がピストンピン本体１０の
中空穴１１内に進入すると、まず案内部３１と成形部３
２との間の遷移部分３３が中空穴１１の開口端縁１１ａ
に接触し、次いで成形部３２が中空穴１１の開口端部分
を押し広げるように塑性加工しつつ、パンチ３０が加工
距離Ｌだけ進入した時点（遷移部分３３が加工距離Ｌだ
け進入した時点）で加工が終了する。加工終了時、中空
穴１１の開口端縁１１ａは、ピストンピン本体１０の軸
方向端１０ａの盛り上がりに伴って図６の一点鎖線に示
す位置１１ａ’に移動する。

【００２５】パンチ３０の成形部３２が最初に中空穴１
１の開口端縁１１ａに接触するときの接触圧力角θは、
遷移部分３３付近の成形部３２の凹曲面を構成する円弧
の接線と、パンチ３０の中心軸線Ｘとの間の角度に等し
いので、開口端縁１１ａ付近での接触圧力角θは極めて
小さいものとなる。

【００２６】また、パンチ３０が中空穴１１内に進入す
るにつれて、開口端縁１１ａは位置１１ａ’に移動し
て、パンチ３０の開口端縁１１ａに接触する部分での接
触圧力角θは順次大きくなる一方、該部分の塑性加工終
了時点までの摩擦距離は順次小さくなる。

【００２７】したがって、パンチ３０とピストンピン本
体１０との接触において、加工距離Ｌだけ移動する、遷
移部分３３近傍が小さな接触角度θとなり、遷移部分３
３付近（遷移部分３３及び該遷移部分３３近傍の成形部
３２）が受ける摩擦負荷を、図１７に示す遷移部分８３
近傍が受ける摩擦負荷に比して、小さくすることが出来
る。また、パンチ３０の成形部３２全体の摩擦負荷は、
図１７に示す成形部８１が受ける摩擦負荷に比して、局
部的に大きくなる所がなく、略一様とすることができ
る。

【００２８】図８は、図１に示すピストンピンを利用し
てピストン４０とコネクティング・ロッド４５とを接続
して組み立てた、ピストン・アッセンブリである。この
ピストン・アッセンブリでも、図１３に示す場合と同様
に、ピストンピン本体１０を、ピストン４０の一方の取
付穴４１からコネクティング・ロッド４５の挿通穴４６
を通してピストン４０の他方の穴４２に挿入することに
より、ピストン４０とコネクティング・ロッド４５とが
連結される。ピストン４０の作動時に、ピストンピン本
体１０は、その軸線と直角な断面にせん断応力、圧縮応
力を受けるが、これら応力はピストンピン本体１０の連
結部分１０ｂで最大となり、該連結部分１０ｂから離れ
るにしたがって小さくなる。連結部分１０ｂではピスト
ンピン本体１０の肉厚が厚く形成されていることから、
ピストン４０の作動時に作用するせん断応力、圧縮応力
に耐えることができる。また、ピストンピン本体１０の
連結部分１０ｂから軸方向端１０ａまでの区間１０ｃで
は肉厚が順次薄くなって軽量化が図られており、エンジ
ン運転時のピストン系の慣性力を低減することができ
る。

【００２９】図７は本発明のピストンピンの他の実施例
を示す、図２に対応する部分拡大断面図である。図１に
示す実施例では、ピストンピン本体１０の区間１０ｃ部
分の中空穴１１の内周面を、連結部分１０ｂから軸方向
端１０ａに至る全範囲で連続した凸曲面により構成した
場合を示したが、図７に示す他の実施例では、ピストン
ピン本体１０の区間１０ｃ部分の中空穴１１の内周面
を、連結部分１０ｂから軸方向端１０ａの手前まで、連
続した凸曲面に構成するが、軸方向端１０ａ付近の点１
０ｄから軸方向端１０ａにかけては、凸曲面を構成する
曲線の接線方向に延びる直線Ｔ１に略近い直線Ｔ２から
なる円錐面によって形成する。換言すれば、ピストンピ
ン本体１０の区間１０ｃ部分の中空穴１１の内周面を、
連結部分１０ｂから軸方向端１０ａまでの距離Ｌ１の略
４分の３の範囲Ｌ２において、連続した凸曲面により形
成している。

【００３０】上記他の実施例に示す中空穴１１を加工す
る場合でも、中空穴１１の開口端縁１１ａに最初に接触
する、パンチ３０の遷移部分３３及び該遷移部分３３近
傍の成形部３２が受ける摩擦負荷を小さくすることがで
きる。また、加工過程で、パンチ３０の成形部３２が受
ける摩擦負荷を略一様とすることができる。

【００３１】なお、図１に示す実施例では、ピストンピ
ン本体１０の区間１０ｃ部分の中空穴１１の内周面を、
連結部分１０ｂから軸方向端１０ａまでの距離の全範囲
において、連続した凸曲面により形成し、また図７に示
す実施例では、連結部分１０ｂから軸方向端１０ａまで
の距離Ｌ１の略４分の３の範囲Ｌ２において、連続した
凸曲面により形成した場合を示したが、少なくとも連結
部分１０ｂから軸方向端１０ａまでの距離の略４分の１
の範囲において連続した凸曲面を形成すれば、中空穴１
１を加工するパンチ３０が受ける摩擦負荷を軽減するこ
とができる。

【００３２】ちなみに、従来の場合、図１８に示すよう
に、境界部分５６に僅かに凸曲面が存在するだけで、こ
の凸曲面が形成される範囲Ｌ２は、連結部分から軸方向
端までの距離Ｌ１の１０分の１程度である。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ピストンピン本体の軸方両向端で中空穴の内径が最大と
なり、連結部分に向かって順次内径が小さくなるように
連続曲面によって略テーパー状に形成してなるので、ピ
ストンピンとしての機械的強度を維持しつつ軽量化を図
ることが可能となる一方、中空穴を塑性加工（冷間鍛
造）する加工工具としてパンチを使用する場合、このパ
ンチが受ける摩擦負荷を一様にすることができると同時
に最大摩擦負荷を減少させることが出来、パンチの寿命
を長くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のピストンピンの一実施例を示す縦断面
図である。

【図２】図１のＡ部分（区間１０ｃの部分）の部分拡大
断面図である。

【図３】図１のピストンピンをダイスとパンチを使用し
て冷間鍛造により製造する工程を説明するための縦断面
図である。

【図４】図１のピストンピンをダイスとパンチを使用し
て冷間鍛造により製造する工程を説明するための縦断面
図である。

【図５】図３及び図４に示す製造工程で使用するパンチ
の部分側面図である。

【図６】パンチをピストンピン本体の中空穴内に押し込
む過程を詳細に説明するための図である。

【図７】本発明のピストンピンの他の実施例を示す、図
２に対応する部分拡大断面図である。

【図８】図１に示すピストンピンを使用してピストンと
コネクティング・ロッドとを接続して組み立てた、ピス
トン・アッセンブリの部分拡大縦断面図である。

【図９】従来のピストンピンの縦断面図である。

【図１０】従来の別のピストンピンの縦断面図である。

【図１１】従来の別のピストンピンの縦断面図である。

【図１２】従来の別のピストンピンの縦断面図である。

【図１３】図１１に示すピストンピンを使用してピスト
ンとコネクティング・ロッドとを接続して組み立てた、
ピストン・アッセンブリの部分拡大縦断面図である。

【図１４】図１１に示すピストンピンを使用してピスト
ンとコネクティング・ロッドとを接続して組み立てた、
ピストン・アッセンブリの一部切り欠いて示した斜視図
である。

【図１５】図１１のピストンピンをダイスとパンチを使
用して冷間鍛造により製造する工程を説明するための縦
断面図である。

【図１６】図１１のピストンピンをダイスとパンチを使
用して冷間鍛造により製造する工程を説明するための縦
断面図 である。

【図１７】従来技術において、パンチをピストンピン本
体の中空穴内に押し込む過程を詳細に説明するための図
である。

【図１８】図１１に示すピストンピンのテーパー部と案
内部との間の遷移部分を説明する部分断面図である。

【符号の説明】

１０ ピストンピン本体 １０ａ 軸方向端 １０ｂ 連結部分 １０ｃ 区間 １１ 中空穴 １１ａ 開口端縁 ２０ ダイス ３０ パンチ ３１ 成形部 ３２ 案内部 ３３ 遷移部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲垣 孝雄 愛知県西春日井郡豊山町豊場志水117 シ ャトー豊山606号 Ｆターム(参考） 3J044 AA06 AA18 CA25 DA09 EA10 4E087 CB03 HA35

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストンとコネクティング・ロッドとを
   連結するピストンピンにおいて、 中空穴を有するピストンピン本体の軸方向両端から前記
   コネクティング・ロッドが連結される連結部分までの各
   区間において、該区間における前記中空穴の内周面形状
   を、それぞれ前記ピストンピン本体の軸方向両端で前記
   中空穴の内径が最大となり、前記連結部分に向かって順
   次内径が小さくなるように、連続曲面によって略テーパ
   ー状に形成してなることを特徴とするピストンピン。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のピストンピンにして、 前記連続曲面の範囲が、前記連結部分から少なくとも前
   記区間の略４分の１以上の範囲であることを特徴とする
   ピストンピン。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載のピストンピンに
   して、 前記区間における中空穴の内周面は、前記ピストンピン
   本体の前記区間内の中空穴内にパンチを打ち込んで、該
   中空穴を塑性加工することによって形成されることを特
   徴とするピストンピン。
4. 【請求項４】 請求項３に記載のピストンピンにして、 前記塑性加工は、冷間鍛造であることを特徴とするピス
   トンピン。
5. 【請求項５】 ピストンとコネクティング・ロッドとを
   連結するピストンピンを冷間鍛造によって製造する方法
   において、 中空穴を有するピストンピン本体をダイス内にセットす
   る工程と、 一対のパンチを前記ダイス内にセットされたピストンピ
   ン本体の中空穴の軸方向両端から押し込む工程とを有
   し、 前記一対のパンチは、前記中空穴の内径と略等しい外径
   を有する案内部と、該案内部から順次外径が大きくなる
   ように案内部から連続した連続曲面によって略テーパー
   状に形成された成形部とを備えてなり、 前記案内部により前記パンチを前記ピストンピン本体の
   中空穴内に案内しつつ、前記成形部により、前記ピスト
   ンピン本体の軸方向端から前記コネクティング・ロッド
   が連結される連結部分までの各区間において、該区間に
   おける前記中空穴の内周面を、それぞれ前記ピストンピ
   ン本体の軸方向両端で前記中空穴の内径が最大となり、
   前記連結部分に向かって順次内径が小さくなるように、
   連続曲面によって略テーパー状に形成することを特徴と
   するピストンピンの製造方法。