JP2004176573A - 内燃機関用のピストン - Google Patents
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Abstract
【課題】爆発荷重や慣性荷重によりスカート部などに変形や亀裂などの損傷を生じにくいピストン本体の構造を提供する。
【解決手段】一対のピンボス部は、ピストンヘッドの下端面から垂下形成される。ピストンヘッドの外周上に部分的に一対のスカート部が形成され、一対のスカート部を相互に連結する壁部が形成される。このとき、ピンボス部は、スカート部やスカート部を支持するための壁部と連結されることなく、スカート部や壁部と独立して形成される。この構造により、ピストンヘッドに与えられる爆発荷重やその応力などはピストンヘッドからピンボス部のみに伝わり、スカート部へ伝わることがないので、スカート部の変形などを防止することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】一対のピンボス部は、ピストンヘッドの下端面から垂下形成される。ピストンヘッドの外周上に部分的に一対のスカート部が形成され、一対のスカート部を相互に連結する壁部が形成される。このとき、ピンボス部は、スカート部やスカート部を支持するための壁部と連結されることなく、スカート部や壁部と独立して形成される。この構造により、ピストンヘッドに与えられる爆発荷重やその応力などはピストンヘッドからピンボス部のみに伝わり、スカート部へ伝わることがないので、スカート部の変形などを防止することができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用のピストンに関し、特にピストン本体の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ピストン本体の構造としては、ピストンピンを挿入するためのピンボス部と、ピストンヘッドの外周に設けられたスカート部とをリブ又は壁部により連結し、一体的に形成する構造（例えば、特許文献１又は２参照）や、ピンボス部とスカート部とを連結せずに一体的に形成する構造（例えば、特許文献２参照）が知られている。
【０００３】
また、他のピストン本体の構造としては、ピンボス部とスカート部とを一体的に形成した後、それらの下端部において特定の部材により連結する構造が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
さらに、他のピストン本体の構造としては、スカート部（ピストン円周部）を有するピストン本体に、後からピンボス部を接合して一体的に形成する構造（例えば、特許文献４参照）や、ピンボス部を有するピストン本体に、後からスカート部を連結し一体的に形成する構造が知られている（例えば、特許文献５参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０９−２４２６０３号公報（第４頁、図２又は図３）。
【０００６】
【特許文献２】
特開２００１−２６３１５７号公報（第８頁、図２又は図１０）。
【０００７】
【特許文献３】
特開平０９−１００９１２号公報（第３−４頁、図１乃至図４）。
【０００８】
【特許文献４】
特開昭６０−４７８４８号公報（第５頁、図２乃至図５）。
【０００９】
【特許文献５】
実開昭５７−１３７７５２号公報（第８頁、図１乃至図３）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したピストン本体の構造において、ピンボス部とスカート部とをリブ又は壁部により連結して一体的に形成する構造を採るとすれば、ピストン本体を構成するピストンヘッドの上端面に爆発荷重などが加わることにより、ピンボス部及びスカート部の双方に直接応力が作用し、その影響でピンボス部とスカート部との連結部分（リブ又は壁部）において変形、磨耗、又は亀裂などが生じ易くなる。
【００１１】
また、ピンボス部とスカート部とを連結せずに一体的に形成する構造を採るとすれば、ピンボス部とスカート部とが連結されていないためスカート部の剛性が低下し、ピストンヘッドの上端面に加わる爆発荷重などにより、スカート部において変形、又は磨耗などが生じ易くなる。
【００１２】
さらに、ピンボス部とスカート部とを一体的に形成した後、それらの下端部において壁部（ストラット部材など）により連結する構造を採るとすれば、ピストンヘッドの上端面に加わる爆発荷重などにより、壁部及びスカート部の双方に直接応力が作用し、壁部及びスカート部おいて変形、磨耗、又は亀裂などが生じ易くなる。
【００１３】
また、スカート部（ピストン円周部）を有するピストン本体に、後からピンボス部を接合して一体的に形成する構造を採るとすれば、ピストンヘッドの上端面に加わる爆発荷重などにより、ピストンヘッドと一体的に形成されたスカート部に直接応力が作用し、スカート部において変形が生じ易くなると共に、変形したスカート部がシリンダ面と摺動することによって、そのスカート部には、磨耗、又は焼き付きなどが生じ易くなる。さらに、ピンボス部（アーム部）を有するピストン本体に、後からスカート部を連結し一体的に形成する構造を採用した場合も同様である。
【００１４】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、爆発荷重やその応力などにより、スカート部などに変形や亀裂などの損傷を生じにくいピストン本体の構造を提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの観点では、内燃機関用のピストンにおいて、断面が略円形のピストンヘッドと、前記ピストンヘッドの一端面に形成された一対のスカート部と、前記一対のスカート部の端部同士をそれぞれ連結する一対の壁部と、前記ピストンヘッドの一端面に前記一対のスカート部及び前記壁部とは独立に形成され、ピストンピンを回動自在に挿通するための挿通穴を設けたピンボス部と、を備える。
【００１６】
上記の内燃機関用のピストンによれば、ピンボス部は、ピストンヘッドの一端面に、スカート部及び壁部とは独立して形成されているため、ピストンヘッドの一端面に爆発荷重や慣性力などが加わったとしても、その力がスカート部や壁部に直接及ぶことはない。よって、スカート部及び壁部は、爆発荷重などにより変形、歪、あるいは亀裂などが生じることはないため、スカート部のプロフィル（外形形状）及び壁部の形状の適正化を図ることができる。さらに、スカート部及び壁部には、爆発荷重が直接加わらないような構造になっているため、それらの肉厚を薄く形成でき、ピストンの軽量化を図ることができる。
【００１７】
また、一対のスカート部の端部と一対の壁部の端部同士を連結しているため、それらの剛性力が向上し、壁部はスカート部を十分に支持することができる。さらに、ピンボス部に形成された挿通穴にピストンピンを回動自在に挿通してピストンヘッドを支持しているため、ピストンヘッドの一端面に爆発荷重や慣性力などが加わったとしても、ピストンヘッドを十分に支持することができ、ピストンヘッドには変形、歪、あるいは亀裂などが生じない。
【００１８】
上記内燃機関用のピストンの一態様では、前記一対のスカート部は、前記ピストンピンが前記ピンボス部の前記挿通穴に挿通する方向と直交する方向に作用するスラスト力及び反スラスト力が、それぞれ作用する位置に設けられている。
【００１９】
この態様によれば、ピストン運動により発生するスラスト力及び反スラスト力が、一対のスカート部にそれぞれ作用したとしても、壁部により一対のスカート部は十分に支持されるため、一対のスカート部には変形、歪、あるいは亀裂など生じることなく、一対のスカート部のプロフィルの適正化を図ることができる。
【００２０】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記一対の壁部は、前記スラスト力及び前記反スラスト力が作用する方向に対して略平行に形成されている。
【００２１】
この態様によれば、一対の壁部は、その長さ方向がスラスト力及び反スラスト力の作用方向と一致するため、壁部がその長さ方向にスカート部を支持する構造となり、スカート部の強度を任意に支持することが可能となる。
【００２２】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記スカート部と前記壁部とが連結された位置において前記スカート部の面と前記壁部の面が前記壁部の内側になす角は略直角とすることができる。
【００２３】
この態様によれば、スカート部と壁部とが連結された位置において、スカート部の面と壁部との面によって形成される角度が略直角であるため、一対の壁部により、スラスト力及び反スラスト力が作用する位置に存する一対のスカート部の支持力の向上を図ることができる。
【００２４】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記スカート部と前記壁部とが連結された位置において前記スカート部の面と前記壁部の面が前記壁部の内側になす角は鋭角とすることができる。
【００２５】
この態様によれば、スカート部と壁部とが連結された位置において、スカート部の面と壁部との面によって形成される角度が鋭角であるため、当該角度が略直角の場合と同様に、一対の壁部により、スラスト力及び反スラスト力が作用する位置に存する一対のスカート部の支持力の向上を図ることができる。
【００２６】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記一対のスカート部は、前記ピストンヘッドの一端面の中心点を通り、前記ピストンピンが前記ピンボス部の前記挿通穴に挿通する方向と平行な直線に対してそれぞれ対称的な位置に設けられている。
【００２７】
この態様によれば、一対のスカート部は、ピストンヘッドの一端面の中心点を通り、ピストンピンがピンボス部の挿通穴に挿通する方向と平行な直線に対してそれぞれ対称的な位置に設けられているため、一対のスカート部と一対の壁部とを連結することによって形成される部分は略矩形の構造をなす。よって、スカート部の面と壁部との面によって形成されるピストンヘッドの一端面の中心点側のなす角度が略直角となり、一対の壁部により、スラスト力及び反スラスト力が作用する位置に存する一対のスカート部の支持力の向上を図ることができる。
【００２８】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記一対のスカート部は、部分円筒形状をなし、前記ピストンヘッドの周縁近傍から垂下形成される。
【００２９】
この態様によれば、ピストン運動による上下方向の応力に対しての支持力の向上を図ることができる。
【００３０】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記一対の壁部には、前記ピストンピンを挿通するための挿通穴が形成されると共に、前記一対の壁部は、前記ピンボス部とは独立に前記ピストンヘッドの一端面から垂下形成されるように設けられている。
【００３１】
この態様によれば、一対の壁部は、ピストンピンを挿通するための挿通穴が形成されているので、ピストンピンと接触しないような構造とすることができる。そのため、ピストンヘッドの一端面に爆発荷重が加わることにより、その影響を受けてピンボス部及びピストンピンには直接応力が作用するが、壁部にはピストンピンからの応力が作用しないため、壁部には変形、歪、あるいは亀裂などが生じることはない。しかも、一対の壁部は、ピンボス部とは独立にピストンヘッドの一端面から垂下形成されるように設けられているので、一対のスカート部を十分に支持することができる。
【００３２】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記一対の壁部は、前記ピストンヘッドの一端面とは連結することなく形成されると共に、前記一対のスカート部の端部と一体的に連結するように設けられている。
【００３３】
この態様によれば、一対の壁部は、ピストンヘッドとは連結せずに壁部の上側を空洞とするような構成にすることができるので、壁部の余肉部分を省くことができ、ピストンの軽量化を図ることができる。また、壁部の上側を空洞とするような構成であれば、ピストン内部のピンボス部に穴を形成する場合などの型抜き作業も容易に行うことができるので、製造工数低減、低コスト化をも図ることができる。さらに、一対の壁部は、一対のスカート部の端部と一体的に連結するように設けられているので、一対のスカート部を支持する部位の剛性力の向上が図れ、スカート部の変形、歪、あるいは焼き付きなどを有効に防止することができる。
【００３４】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記ピンボス部は、前記壁部の外側に設けられ、且つ前記ピストンヘッドの一端面の中心点を通り前記壁部と平行な直線に対して対称的な位置に一対設けられている。
【００３５】
この態様によれば、ピストンヘッドの一端面に爆発荷重が加わったとしても、それらの一対のピンボス部は、ピストンヘッドの広い面積にわたってピストンヘッドを十分に支持することができる。そのため、ピストンヘッドの変形、歪、あるいは亀裂などを有効に防止することができる。
【００３６】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記ピンボス部は、前記一対の壁部の間に１つ設けられている。
【００３７】
この態様によれば、ピンボス部は、一対の壁部の間に少なくとも１つ介在させるようにしているので、ピストンヘッドの下端面とピンボス部の上端部との間のピストンヘッドの肉厚は、当該部分以外のピストンヘッドの肉厚に比べて厚くなる。そのため、燃焼室側のピストンヘッドの上端面の形状を、所望する形状に形成することが可能となる。さらに、ピストンヘッドの形状を凹型にすることにより、当該部分の余肉を省くことができるため、ピストンの軽量化を図ることができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００３９】
（第１実施形態）
まず、本発明に係るピストン本体の第１実施形態について図１、図２及び図３を参照して説明する。
【００４０】
図１（ａ）は、本実施形態に係るピストン本体１の正面図を示すものであり、図１（ｂ）は、ピストン本体１の下面図を示すものである。また、図２（ａ）及び２（ｂ）は、図１（ｂ）のピストン本体１のスカート部１３及び壁部１４の部分拡大図を示すものであり、図３は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線に沿ったピストン本体１の切断面図を示すものである。
【００４１】
ピストン本体１は、アルミ合金などの材料からなるものであり、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、ピストンヘッド１１と、ピストンリング溝１２と、一対のスカート部１３と、一対の壁部１４と、一対のピンボス部１５と、から構成される。
【００４２】
ピストンヘッド１１は、略真円形状を成しており、図１（ａ）に示すように、シリンダ燃焼室からの爆発荷重Ｆをピストンヘッド１１の上端面１１ｂ全体で受けるようになっている。
【００４３】
ピストンリング溝１２は、図１（ａ）に示すように、ピストンヘッド１１の上端面１１ｂから下端面１１ａに向かって、所定の間隔毎に通常３つ形成されると共に、それらの各ピストンリング溝１２の径は、ピストンヘッド１１の直径よりも若干小さくなるように形成される。そして、その各ピストンリング溝は、図１（ａ）に示すように、例えば、上方から下方に向かって順に第１のピストンリング溝１２ａと、第２のピストンリング溝１２ｂと、オイルリング溝１２ｃと、を備える。第１及び第２のピストンリング溝１２ａ、１２ｂは、ピストンリング（図示略）を係合させるための溝であり、それらの各溝にピストンリングを係合させて使用することにより、シリンダ燃焼室からの高圧の燃焼ガス、混合気、及び排気ガスなどをシールドする役割を果たすものである。また、オイルリング溝１２ｃは、オイルリング（図示略）を係合させるための溝であり、その溝にオイルリングを係合させて使用することにより、シリンダ内に供給された潤滑用オイルが燃焼室内に進入するのを防止するなどの役割を果たす。
【００４４】
スカート部１３は、シリンダ内面と直接摺動するピストン本体１の構成要素である。スカート部１３は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、部分円筒形状をなし、１つのスカート部１３の下端面１３ａは一定の厚みからなる。一対のスカート部１３は、ピストンヘッド１１の略中心点Ｏ１を通る中心線１００を基準に略対称的な位置に設けられる。また、スカート部１３は、図１（ｂ）に示すように、スラスト力Ｆｓ１及び反スラスト力Ｆｓ２がそれぞれ作用する位置に分割して形成されると共に、図１（ａ）に示すように、ピストンヘッド１１の下端面１１ａの周縁近傍から垂下形成される。即ち、図１（ａ）に示すように、本実施形態に係るピストン本体１は、一対のスカート部１３を有するいわゆるセミスリッパ構造をなすタイプである。
【００４５】
なお、スラスト力とは、ピストンがコンロッドにより斜め下方から力を受け、ボア内面と接触する力を言う。また、ピストン下降工程時にピストンとボア内面との接触力及び爆発力の両方が発生する側をスラスト側といい、その逆方向でピストン上昇工程時にスカートとボア内面が摺動する力のみが発生する側を反スラスト側と言う。
【００４６】
スカート部１３の厚みは、ピストン本体１の軽量化を図るため、なるべく薄く形成するのが好ましい。但し、スカート部１３の厚みを薄くしすぎると、ピストンヘッド１１に加わる爆発荷重Ｆや慣性力などからの影響を受けてスカート部１３に直接応力が作用することにより、スカート部１３には変形や歪などが生じ易くなるので、後述する壁部１４と連結するか、あるいは壁部１４と一体形成することにより剛性を保つようにする必要がある。
【００４７】
壁部１４は、スカート部１３の剛性を保つためのピストン本体１の構成要素であり、正面視すると、図１（ａ）に示すように、ピストンヘッド１１の下端面１１ａから垂下形成される。また、図１（ｂ）に示すように、１つの壁部１４の下端部１４ａは、ピストンヘッド１１の直径より若干小なる長さ及び一定の厚みからなる。一対の壁部１４は、中心点Ｏ１を通る中心線１００に対して相互に略対称的な位置に形成される。また、各壁部１４には、図１（ｂ）に示すように、ピストンピン２を挿通するための挿通穴１４ｂが形成されるが、ピストンピン２の直径よりも若干大なる直径となるように挿通穴１４ｂが形成されているため、ピストンピン２と直接接触することはない。
【００４８】
さらに、壁部１４は、図１（ｂ）に示すように、スラスト力Ｆｓ１及び反スラスト力Ｆｓ２が作用する方向に対して略平行に形成されると共に、壁部１４の両端部とスカート部１３の両端部同士をそれぞれ連結するように一体的に形成される。
【００４９】
壁部１４の両端部とスカート部１３の両端部同士をそれぞれ連結した部分拡大図を図２（ａ）及び（ｂ）に示す。壁部１４の両端部とスカート部１３の両端部同士は、図２（ａ）に示すように、壁部１４の一端部近傍とスカート部１３の一端部近傍とのなす角度が鋭角（θ１）、あるいは図２（ｂ）に示すように、略直角（θ２）となるように連結される。つまり、壁部１４の一端部近傍とスカート部１３の一端部近傍とのなす角度が鈍角とならないように、それらを連結する必要がある。これにより、一対のスカート部１３に対してスラスト力Ｆｓ１及び反スラスト力Ｆｓ２が加わったとしても、壁部１４がその長さ方向に一対のスカート部１３を十分に支持するだけの剛性力を確保することができる。
【００５０】
なお、壁部１４の厚みは、前述したスカート部１３の厚みと同様にピストン本体１の軽量化を図るため、なるべく薄く形成するのが好ましい。但し、壁部１４の厚みを薄くしすぎると、ピストンヘッド１１に加わる爆発荷重Ｆや慣性力などからの影響を受けて、壁部１４及びスカート部１３の双方に直接応力が作用し、スカート部１３に変形や歪など生じ易くなるため、壁部１４は、そのスカート部１３を十分に支持できる厚みにする必要がある。
【００５１】
一対のピンボス部１５は、図３に示すように、ピストンピン２を回動自在に支持するためのピストン本体１の構成要素であり、ピストンヘッド１１の周縁近傍の下端面１１ａから各々突出して垂下形成される。また、各ピンボス部１５には、図１（ａ）に示すように、ピストンピン２を挿通するための挿通穴１５ａが形成される。よって、ピストンピン２は、図３に示すように、一対のピンボス部１５と、それらの間に介在する一対の壁部１４と、コンロッドのピストンピン側の端部３（以下、「コンロッド小端部３」と呼ぶ。）とを貫通するようにして挿通穴に挿通されることになる。
【００５２】
ピストンの運動により、ピストンヘッド１１の上端面１１ｂには、図１（ａ）に示すように爆発荷重Ｆが加わるが、それにともなってピンボス部１５に形成された挿通穴１５ａには、爆発荷重Ｆに対抗する応力Ｆｗ１が生じる。また、ピストン運動の圧縮行程あるいは排気行程時には、ピンボス部１５に形成された挿通穴１５ａには引っ張り荷重Ｆｗ２が作用する。
【００５３】
したがって、ピンボス部１５に形成された挿通穴１５ａには、ピストンの運動に伴って常時それぞれ応力Ｆｗ１、又は引っ張り荷重Ｆｗ２が作用することになるが、上記したように壁部１４にはピンボス部１５に形成された挿通穴１５ａよりも大なる挿通穴１４ｂが形成されているため、ピンボス部１５に挿通されたピストンピン２がスカート部１３や壁部１４に直接的に応力や歪などを及ぼすことはない。
【００５４】
また、各ピンボス部１５は、図１（ｂ）に示すように、下方視するとスカート部１３や壁部１４とは連結することなく独立に形成される。即ち、各ピンボス部１５は、ピストンヘッド１１の下端面１１ａの周縁近傍に形成され、且つ一対の壁部１４の外側にスカート部１３や壁部１４とはそれぞれ独立に形成される。これにより、ピストンヘッド１１の上端面１１ｂに爆発荷重Ｆが加わったとしても、ピンボス部１５に作用する前述の応力Ｆｗ１や引っ張り荷重Ｆｗ２が壁部１４やスカート部１３に直接作用することはない。よって、スカート部１３や壁部１４は、変形や歪などの発生を抑えることができるので、スカート部１３のプロフィル及び壁部１４の形状の適正化を図ることが可能となる。
【００５５】
さらに、各ピンボス部１５は、図１（ｂ）に示すように、ピストンヘッド１１の下端面１１ａの周縁近傍に設けられており、且つそれらの各ピンボス部１５はコンロッド小端部３と共にピストンピン２が挿通されて支持されている。よって、ピストンヘッド１１の上端面１１ｂに爆発荷重Ｆが作用したときに、その荷重をピストンヘッド１１の全体において広い面積で支持することになり、ピストンヘッド１１の変形や歪なども効果的に防止することができる。
【００５６】
（第２実施形態）
次に、本発明に係るピストン本体の第２実施形態について図４を参照して説明する。
【００５７】
図４（ａ）は、第２実施形態に係るピストン本体６の正面図を示すものであり、図４（ｂ）は、ピストン本体６の下面図を示すものである。
【００５８】
本実施形態に係るピストン本体６の構造は、図４（ａ）に示すように、一対の壁部６４の上端面６４ａがピストンヘッド６１の下端面６１ａと連結されていない点を除き、第１実施形態と略同等の構造である。即ち、一対の壁部６４は、図４（ａ）に示すように、その上端面６４ａの上側に空洞６４ｂを有し、その左右の端部において一対のスカート部６３の下端部６３ａ近傍と連結され一体的に形成される。このように、壁部６４の上方を空洞化することにより、ピストン本体６の軽量化が可能となる。一対の壁部６４の高さ又は厚みは、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、スカート部６３を支持するために、ピストンヘッド６１の上端面６１ｂに加わる爆発荷重Ｆや一対のスカート部６３に加わるスラスト力Ｆｓ１、及び反スラスト力Ｆｓ２に十分耐えうるだけの高さ又は厚みに決定される。これにより、スカート部６３や壁部６４は、変形や歪などの発生を抑えることができるので、スカート部６３のプロフィル及び壁部６４の形状の適正化を図ることが可能となる。
【００５９】
また、本実施形態に係るピストン本体６の構造は、第１実施形態のピストン本体１と同様に、ピンボス部６５が、スカート部６３及び壁部６４と独立して形成されているため、ピストンヘッド６１の上端面６１ｂに対して爆発荷重Ｆが加わったとしても、それがスカート部６３や壁部６４に直接応力を及ぼすことはない。そして、スカート部６３は、その下端部６３ａにおいて壁部６４により支持されているので、変形や歪の防止、あるいはシリンダ内面との摺動による焼き付きなどを防止することができる。
【００６０】
このように、第２実施形態に係るピストン本体６の構造によれば、第１実施形態のピストン本体１と比較し、壁部６４は、第１実施形態のピストン本体１と同等の十分な剛性力を確保でき、さらに壁部６４の上端面６４ａからピストンヘッド６１の下端面６１ａまでの余肉を省くように構成しているので更なる軽量化を図ることができる。また、壁部６４の上端面６４ａの上側の余肉を省き空洞化しているため、ピストン本体６の製造過程において、ピストン本体６の内部を中空にするなどの型抜き作業が容易になるという面も併せ持つ。具体的には、第１実施形態の場合は、図３に示すように、一対のピンボス１５及び一対の壁部１４にそれぞれピストンピン挿通用の穴１５ａ及び１４ａを形成する必要がある。これに対し、本実施形態の場合は、壁部６４の上方の空洞部をピストンピン２が貫通すればよいので、一対のピンボス部６５に対して挿通穴を形成するだけでよい。また、壁部６４の上方の空洞部のスペースにより、ピンボス部６５に挿通穴を形成する作業も容易となる。よって、ピストン本体６を製造するときに、ピストン本体６の型抜きをする製造工程の省力化により、製造工数削減及び低コスト化を図ることが可能となる。
【００６１】
（第３実施形態）
次に、本発明に係るピストン本体の第３実施形態について図６及び図７を参照して説明する。尚、図７においては、説明の便宜上、スカート部８３の切断面図を省略してある。
【００６２】
図６（ａ）は、本実施形態に係るピストン本体８の正面図を示すものであり、図６（ｂ）は、ピストン本体８の下面図を示すものである。また、図７は、図６（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿ったピストン本体８の切断面図を示すものである。
【００６３】
本実施形態に係るピストン本体８の構造は、図６（ａ）及び（ｂ）、並びに図７に示すように、１つのピンボス部８５をピストンヘッド８１の下端面８１ａの略中央付近から突出するように垂下形成している点、ピストンピン２を回動自在に支持する２つの挿通穴を有するコンロッド小端部９（即ち、フォークタイプのコンロッド）によってピストンヘッド８１を支持している点、及び、ピストンヘッド８１の上端面８１ｂが凹部８１ｃを形成している点を除き、第２実施形態と構造や作用・効果は同等である。本実施形態に係るピストン本体８は、例えば、低燃費・高出力を実現するリーンバーンエンジンである高効率直噴ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどに好適に使用できる。
【００６４】
ピンボス部８５は、図６（ｂ）に示すように、一対の壁部８４の間に１つ形成される。また、ピンボス部８５には、図６（ａ）に示すように、ピストンピン２を回動自在に支持するための挿通穴８５ａが形成されており、コンロッド小端部９に形成された挿通穴と共にピストンピン２をそれらの挿通穴に挿入することによりピストン本体８を支持する構成にしている。
【００６５】
また、本実施形態のピンボス部８５は、第１実施形態や第２実施形態と同様にスカート部８３及び壁部８４と連結することなく独立して形成されているので、ピストンヘッド８１の上端面８１ｂに爆発荷重Ｆが加わったとしても、それがスカート部８３や壁部８４に直接応力を及ぼすことがなく、スカート部８３や壁部８４の変形や歪などを抑えることができる。
【００６６】
なお、一般的に、本実施形態のようにピストンヘッドの略中央に１つのピンボス部を設けてピストンヘッドを中央部のみで支持する構造では、爆発荷重Ｆをピストンヘッドの中央部付近のみで受けるため、ピストンヘッドの外周部付近での支持力が低く、その分スカート部に変形が生じやすいという問題がある。しかし、本実施形態では、上述のように、ピンボス部をスカート部や壁部と別体に構成して爆発荷重がスカート部へ及びにくい構造としているので、スカート部には変形は生じにくい。
【００６７】
さらに、ピンボス部８５をピストンヘッド８１の下端面８１ａの略中央付近に突出させて垂下形成しているため、第１実施形態や第２実施形態のピストンヘッドと比較して、図７に示すように、ピストンヘッド８１の中央部が肉厚となる。よって、ピンボス部８５の上端部とピストンヘッド８１の上端面８１ｂとの間のピストンヘッド８１の肉厚部分について剛性を維持しつつ深い凹部８１ｃの形成をすることができる。これにより、ピストンヘッド８１の上端面８１ｂの形状の形成自由度が向上する。よって、特に直噴型エンジンなどにおいて、燃焼室内に適切な過流の生成を促進して、混合気の燃焼効率の向上を図ることができる。
【００６８】
また、ピストンヘッド８１の上端面８１ｂに凹部８１ｃを形成することにより、当該部分の余肉を省くことができるので、その分のピストン本体８の軽量化も図ることができる。
【００６９】
なお、上記した第３実施形態のピストン本体においては、第２実施形態の場合と同様に、一対の壁部８４の上方を空洞化しているが、その代わりに、壁部８４を第１実施形態と同様に空洞化しない構成、即ち、ピストンヘッド８１の下端面８１ａからスカート部８３の下端部近傍まで垂下形成するような構成にしてもよい。
【００７０】
［変形例］
上記した第１、第２、及び第３実施形態によれば、それらに対応する一対のスカート部１３、６３、８３のプロフィル（外形形状）をそれぞれ対称になるように構成しているが、これに限らず、それらの一対のスカート部１３、６３、８３のプロフィルがそれぞれ非対称的となるように構成してもよい。
【００７１】
一対のスカート部のプロフィルを非対称的な構成にしたピストン本体の構造の一例を図５に示す。尚、図５（ａ）は、ピストン本体７の正面図であり、図５（ｂ）は、ピストン本体７の下面図である。
【００７２】
図５（ａ）に示すピストン本体７の構造は、図５（ｂ）に示すように、一対のスカート部７３のうちいずれか一方のスカート部７３のプロフィルを変形させると共に、一対のスカート部７３と一対の壁部７４とを連結して一体形成したものである。即ち、スカート部７３は、図５（ｂ）に示すように、下方視すると左側に有するスカート部７３の下端面７３ａのプロフィルと右側に有するスカート部７３の下端面７３ｂのプロフィルとが非対称的になるように形成したものである。この場合、スラスト力が作用する側のスカート部７３ａを大きくし、反スラスト力が作用する側のスカート部７３ｂを小さくすることが好ましい。
【００７３】
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、右側のスカート部７３の下端面７３ｂの面積は、左側のスカート部７３の下端面７３ａの面積より小さくなるように形成されている。このように、スラスト力が作用する側のスカート部と比較して、反スラスト力が作用する側のスカート部を小さくすることにより、一対のスカート部７３は、上記した実施形態の一対のスカート部１３、６３、８３と比較して、シリンダ内面と摺動する部位が少なくなり、低摩擦（低フリクション）を図ることができる。これにより、一対のスカート部７３の磨耗を減少することができるため、スカート部７３の耐久寿命を延ばすことができ、これに連動してピストン本体７の長寿命化を図ることができる。
【００７４】
尚、図５（ａ）及び（ｂ）に示すピストン本体７の構造や作用・効果は、前記した部分を除けば第２実施形態に示すピストン本体６と略同等である。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ピストン本体のピンボス部は、スカート部及び壁部にそれぞれ連結することなく、ピストンヘッドの下端面から垂下形成するようにピストンヘッドと一体的に形成しているため、ピストンヘッドの上端面に爆発荷重Ｆや慣性力が加わったとしても、それが壁部やスカート部に直接応力を及ぼすことがない。また、スカート部は、壁部によって支持されるため剛性を確保することができ、スカート部のプロフィル（外形形状）の適正化を図ることができる。さらに、スカート部に作用する力を減少させることにより、スカート部の厚みを薄くできるので、ピストン本体の軽量化を図ることができる。
【００７６】
また、ピストン本体において壁部の上側を空洞とするような構成にすれば、更なるピストン本体の軽量化を図ることができ、且つピストン内部を中空にするなどの型抜き作業も容易に行うことができるので、製造工数低減、低コスト化をも図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態によるピストン本体の構造の正面図及び下面図を示す。
【図２】図１に示す壁部とスカート部とを連結した部分拡大図の一例を示す。
【図３】図１に示すピストン本体のＡ−Ａ’に沿った切断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態によるピストン本体の構造の正面図及び下面図を示す。
【図５】本発明によるピストン本体の構造の変形例を示す。
【図６】本発明の第３実施形態によるピストン本体の構造の正面図及び下面図を示す。
【図７】図６に示すピストン本体のＢ−Ｂ’に沿った切断面図である。
【符号の説明】
１ ピストン本体
２ ピストンピン
３ コンロッド小端部
１１ ピストンヘッド
１２ ピストンリング溝
１３ スカート部
１４ 壁部
１５ ピンボス部
Ｆ 爆発荷重
Ｆｓ１ スラスト力
Ｆｓ２ 反スラスト力
Ｆｗ１ 応力
Ｆｗ２ 引っ張り荷重
Ｏ１ 中心点
１００、１０１ 中心線
θ１ 鋭角
θ２ 直角
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関用のピストンに関し、特にピストン本体の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ピストン本体の構造としては、ピストンピンを挿入するためのピンボス部と、ピストンヘッドの外周に設けられたスカート部とをリブ又は壁部により連結し、一体的に形成する構造（例えば、特許文献１又は２参照）や、ピンボス部とスカート部とを連結せずに一体的に形成する構造（例えば、特許文献２参照）が知られている。
【０００３】
また、他のピストン本体の構造としては、ピンボス部とスカート部とを一体的に形成した後、それらの下端部において特定の部材により連結する構造が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
さらに、他のピストン本体の構造としては、スカート部（ピストン円周部）を有するピストン本体に、後からピンボス部を接合して一体的に形成する構造（例えば、特許文献４参照）や、ピンボス部を有するピストン本体に、後からスカート部を連結し一体的に形成する構造が知られている（例えば、特許文献５参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０９−２４２６０３号公報（第４頁、図２又は図３）。
【０００６】
【特許文献２】
特開２００１−２６３１５７号公報（第８頁、図２又は図１０）。
【０００７】
【特許文献３】
特開平０９−１００９１２号公報（第３−４頁、図１乃至図４）。
【０００８】
【特許文献４】
特開昭６０−４７８４８号公報（第５頁、図２乃至図５）。
【０００９】
【特許文献５】
実開昭５７−１３７７５２号公報（第８頁、図１乃至図３）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したピストン本体の構造において、ピンボス部とスカート部とをリブ又は壁部により連結して一体的に形成する構造を採るとすれば、ピストン本体を構成するピストンヘッドの上端面に爆発荷重などが加わることにより、ピンボス部及びスカート部の双方に直接応力が作用し、その影響でピンボス部とスカート部との連結部分（リブ又は壁部）において変形、磨耗、又は亀裂などが生じ易くなる。
【００１１】
また、ピンボス部とスカート部とを連結せずに一体的に形成する構造を採るとすれば、ピンボス部とスカート部とが連結されていないためスカート部の剛性が低下し、ピストンヘッドの上端面に加わる爆発荷重などにより、スカート部において変形、又は磨耗などが生じ易くなる。
【００１２】
さらに、ピンボス部とスカート部とを一体的に形成した後、それらの下端部において壁部（ストラット部材など）により連結する構造を採るとすれば、ピストンヘッドの上端面に加わる爆発荷重などにより、壁部及びスカート部の双方に直接応力が作用し、壁部及びスカート部おいて変形、磨耗、又は亀裂などが生じ易くなる。
【００１３】
また、スカート部（ピストン円周部）を有するピストン本体に、後からピンボス部を接合して一体的に形成する構造を採るとすれば、ピストンヘッドの上端面に加わる爆発荷重などにより、ピストンヘッドと一体的に形成されたスカート部に直接応力が作用し、スカート部において変形が生じ易くなると共に、変形したスカート部がシリンダ面と摺動することによって、そのスカート部には、磨耗、又は焼き付きなどが生じ易くなる。さらに、ピンボス部（アーム部）を有するピストン本体に、後からスカート部を連結し一体的に形成する構造を採用した場合も同様である。
【００１４】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、爆発荷重やその応力などにより、スカート部などに変形や亀裂などの損傷を生じにくいピストン本体の構造を提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの観点では、内燃機関用のピストンにおいて、断面が略円形のピストンヘッドと、前記ピストンヘッドの一端面に形成された一対のスカート部と、前記一対のスカート部の端部同士をそれぞれ連結する一対の壁部と、前記ピストンヘッドの一端面に前記一対のスカート部及び前記壁部とは独立に形成され、ピストンピンを回動自在に挿通するための挿通穴を設けたピンボス部と、を備える。
【００１６】
上記の内燃機関用のピストンによれば、ピンボス部は、ピストンヘッドの一端面に、スカート部及び壁部とは独立して形成されているため、ピストンヘッドの一端面に爆発荷重や慣性力などが加わったとしても、その力がスカート部や壁部に直接及ぶことはない。よって、スカート部及び壁部は、爆発荷重などにより変形、歪、あるいは亀裂などが生じることはないため、スカート部のプロフィル（外形形状）及び壁部の形状の適正化を図ることができる。さらに、スカート部及び壁部には、爆発荷重が直接加わらないような構造になっているため、それらの肉厚を薄く形成でき、ピストンの軽量化を図ることができる。
【００１７】
また、一対のスカート部の端部と一対の壁部の端部同士を連結しているため、それらの剛性力が向上し、壁部はスカート部を十分に支持することができる。さらに、ピンボス部に形成された挿通穴にピストンピンを回動自在に挿通してピストンヘッドを支持しているため、ピストンヘッドの一端面に爆発荷重や慣性力などが加わったとしても、ピストンヘッドを十分に支持することができ、ピストンヘッドには変形、歪、あるいは亀裂などが生じない。
【００１８】
上記内燃機関用のピストンの一態様では、前記一対のスカート部は、前記ピストンピンが前記ピンボス部の前記挿通穴に挿通する方向と直交する方向に作用するスラスト力及び反スラスト力が、それぞれ作用する位置に設けられている。
【００１９】
この態様によれば、ピストン運動により発生するスラスト力及び反スラスト力が、一対のスカート部にそれぞれ作用したとしても、壁部により一対のスカート部は十分に支持されるため、一対のスカート部には変形、歪、あるいは亀裂など生じることなく、一対のスカート部のプロフィルの適正化を図ることができる。
【００２０】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記一対の壁部は、前記スラスト力及び前記反スラスト力が作用する方向に対して略平行に形成されている。
【００２１】
この態様によれば、一対の壁部は、その長さ方向がスラスト力及び反スラスト力の作用方向と一致するため、壁部がその長さ方向にスカート部を支持する構造となり、スカート部の強度を任意に支持することが可能となる。
【００２２】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記スカート部と前記壁部とが連結された位置において前記スカート部の面と前記壁部の面が前記壁部の内側になす角は略直角とすることができる。
【００２３】
この態様によれば、スカート部と壁部とが連結された位置において、スカート部の面と壁部との面によって形成される角度が略直角であるため、一対の壁部により、スラスト力及び反スラスト力が作用する位置に存する一対のスカート部の支持力の向上を図ることができる。
【００２４】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記スカート部と前記壁部とが連結された位置において前記スカート部の面と前記壁部の面が前記壁部の内側になす角は鋭角とすることができる。
【００２５】
この態様によれば、スカート部と壁部とが連結された位置において、スカート部の面と壁部との面によって形成される角度が鋭角であるため、当該角度が略直角の場合と同様に、一対の壁部により、スラスト力及び反スラスト力が作用する位置に存する一対のスカート部の支持力の向上を図ることができる。
【００２６】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記一対のスカート部は、前記ピストンヘッドの一端面の中心点を通り、前記ピストンピンが前記ピンボス部の前記挿通穴に挿通する方向と平行な直線に対してそれぞれ対称的な位置に設けられている。
【００２７】
この態様によれば、一対のスカート部は、ピストンヘッドの一端面の中心点を通り、ピストンピンがピンボス部の挿通穴に挿通する方向と平行な直線に対してそれぞれ対称的な位置に設けられているため、一対のスカート部と一対の壁部とを連結することによって形成される部分は略矩形の構造をなす。よって、スカート部の面と壁部との面によって形成されるピストンヘッドの一端面の中心点側のなす角度が略直角となり、一対の壁部により、スラスト力及び反スラスト力が作用する位置に存する一対のスカート部の支持力の向上を図ることができる。
【００２８】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記一対のスカート部は、部分円筒形状をなし、前記ピストンヘッドの周縁近傍から垂下形成される。
【００２９】
この態様によれば、ピストン運動による上下方向の応力に対しての支持力の向上を図ることができる。
【００３０】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記一対の壁部には、前記ピストンピンを挿通するための挿通穴が形成されると共に、前記一対の壁部は、前記ピンボス部とは独立に前記ピストンヘッドの一端面から垂下形成されるように設けられている。
【００３１】
この態様によれば、一対の壁部は、ピストンピンを挿通するための挿通穴が形成されているので、ピストンピンと接触しないような構造とすることができる。そのため、ピストンヘッドの一端面に爆発荷重が加わることにより、その影響を受けてピンボス部及びピストンピンには直接応力が作用するが、壁部にはピストンピンからの応力が作用しないため、壁部には変形、歪、あるいは亀裂などが生じることはない。しかも、一対の壁部は、ピンボス部とは独立にピストンヘッドの一端面から垂下形成されるように設けられているので、一対のスカート部を十分に支持することができる。
【００３２】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記一対の壁部は、前記ピストンヘッドの一端面とは連結することなく形成されると共に、前記一対のスカート部の端部と一体的に連結するように設けられている。
【００３３】
この態様によれば、一対の壁部は、ピストンヘッドとは連結せずに壁部の上側を空洞とするような構成にすることができるので、壁部の余肉部分を省くことができ、ピストンの軽量化を図ることができる。また、壁部の上側を空洞とするような構成であれば、ピストン内部のピンボス部に穴を形成する場合などの型抜き作業も容易に行うことができるので、製造工数低減、低コスト化をも図ることができる。さらに、一対の壁部は、一対のスカート部の端部と一体的に連結するように設けられているので、一対のスカート部を支持する部位の剛性力の向上が図れ、スカート部の変形、歪、あるいは焼き付きなどを有効に防止することができる。
【００３４】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記ピンボス部は、前記壁部の外側に設けられ、且つ前記ピストンヘッドの一端面の中心点を通り前記壁部と平行な直線に対して対称的な位置に一対設けられている。
【００３５】
この態様によれば、ピストンヘッドの一端面に爆発荷重が加わったとしても、それらの一対のピンボス部は、ピストンヘッドの広い面積にわたってピストンヘッドを十分に支持することができる。そのため、ピストンヘッドの変形、歪、あるいは亀裂などを有効に防止することができる。
【００３６】
上記内燃機関用のピストンの他の一態様では、前記ピンボス部は、前記一対の壁部の間に１つ設けられている。
【００３７】
この態様によれば、ピンボス部は、一対の壁部の間に少なくとも１つ介在させるようにしているので、ピストンヘッドの下端面とピンボス部の上端部との間のピストンヘッドの肉厚は、当該部分以外のピストンヘッドの肉厚に比べて厚くなる。そのため、燃焼室側のピストンヘッドの上端面の形状を、所望する形状に形成することが可能となる。さらに、ピストンヘッドの形状を凹型にすることにより、当該部分の余肉を省くことができるため、ピストンの軽量化を図ることができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００３９】
（第１実施形態）
まず、本発明に係るピストン本体の第１実施形態について図１、図２及び図３を参照して説明する。
【００４０】
図１（ａ）は、本実施形態に係るピストン本体１の正面図を示すものであり、図１（ｂ）は、ピストン本体１の下面図を示すものである。また、図２（ａ）及び２（ｂ）は、図１（ｂ）のピストン本体１のスカート部１３及び壁部１４の部分拡大図を示すものであり、図３は、図１（ａ）のＡ−Ａ’線に沿ったピストン本体１の切断面図を示すものである。
【００４１】
ピストン本体１は、アルミ合金などの材料からなるものであり、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、ピストンヘッド１１と、ピストンリング溝１２と、一対のスカート部１３と、一対の壁部１４と、一対のピンボス部１５と、から構成される。
【００４２】
ピストンヘッド１１は、略真円形状を成しており、図１（ａ）に示すように、シリンダ燃焼室からの爆発荷重Ｆをピストンヘッド１１の上端面１１ｂ全体で受けるようになっている。
【００４３】
ピストンリング溝１２は、図１（ａ）に示すように、ピストンヘッド１１の上端面１１ｂから下端面１１ａに向かって、所定の間隔毎に通常３つ形成されると共に、それらの各ピストンリング溝１２の径は、ピストンヘッド１１の直径よりも若干小さくなるように形成される。そして、その各ピストンリング溝は、図１（ａ）に示すように、例えば、上方から下方に向かって順に第１のピストンリング溝１２ａと、第２のピストンリング溝１２ｂと、オイルリング溝１２ｃと、を備える。第１及び第２のピストンリング溝１２ａ、１２ｂは、ピストンリング（図示略）を係合させるための溝であり、それらの各溝にピストンリングを係合させて使用することにより、シリンダ燃焼室からの高圧の燃焼ガス、混合気、及び排気ガスなどをシールドする役割を果たすものである。また、オイルリング溝１２ｃは、オイルリング（図示略）を係合させるための溝であり、その溝にオイルリングを係合させて使用することにより、シリンダ内に供給された潤滑用オイルが燃焼室内に進入するのを防止するなどの役割を果たす。
【００４４】
スカート部１３は、シリンダ内面と直接摺動するピストン本体１の構成要素である。スカート部１３は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、部分円筒形状をなし、１つのスカート部１３の下端面１３ａは一定の厚みからなる。一対のスカート部１３は、ピストンヘッド１１の略中心点Ｏ１を通る中心線１００を基準に略対称的な位置に設けられる。また、スカート部１３は、図１（ｂ）に示すように、スラスト力Ｆｓ１及び反スラスト力Ｆｓ２がそれぞれ作用する位置に分割して形成されると共に、図１（ａ）に示すように、ピストンヘッド１１の下端面１１ａの周縁近傍から垂下形成される。即ち、図１（ａ）に示すように、本実施形態に係るピストン本体１は、一対のスカート部１３を有するいわゆるセミスリッパ構造をなすタイプである。
【００４５】
なお、スラスト力とは、ピストンがコンロッドにより斜め下方から力を受け、ボア内面と接触する力を言う。また、ピストン下降工程時にピストンとボア内面との接触力及び爆発力の両方が発生する側をスラスト側といい、その逆方向でピストン上昇工程時にスカートとボア内面が摺動する力のみが発生する側を反スラスト側と言う。
【００４６】
スカート部１３の厚みは、ピストン本体１の軽量化を図るため、なるべく薄く形成するのが好ましい。但し、スカート部１３の厚みを薄くしすぎると、ピストンヘッド１１に加わる爆発荷重Ｆや慣性力などからの影響を受けてスカート部１３に直接応力が作用することにより、スカート部１３には変形や歪などが生じ易くなるので、後述する壁部１４と連結するか、あるいは壁部１４と一体形成することにより剛性を保つようにする必要がある。
【００４７】
壁部１４は、スカート部１３の剛性を保つためのピストン本体１の構成要素であり、正面視すると、図１（ａ）に示すように、ピストンヘッド１１の下端面１１ａから垂下形成される。また、図１（ｂ）に示すように、１つの壁部１４の下端部１４ａは、ピストンヘッド１１の直径より若干小なる長さ及び一定の厚みからなる。一対の壁部１４は、中心点Ｏ１を通る中心線１００に対して相互に略対称的な位置に形成される。また、各壁部１４には、図１（ｂ）に示すように、ピストンピン２を挿通するための挿通穴１４ｂが形成されるが、ピストンピン２の直径よりも若干大なる直径となるように挿通穴１４ｂが形成されているため、ピストンピン２と直接接触することはない。
【００４８】
さらに、壁部１４は、図１（ｂ）に示すように、スラスト力Ｆｓ１及び反スラスト力Ｆｓ２が作用する方向に対して略平行に形成されると共に、壁部１４の両端部とスカート部１３の両端部同士をそれぞれ連結するように一体的に形成される。
【００４９】
壁部１４の両端部とスカート部１３の両端部同士をそれぞれ連結した部分拡大図を図２（ａ）及び（ｂ）に示す。壁部１４の両端部とスカート部１３の両端部同士は、図２（ａ）に示すように、壁部１４の一端部近傍とスカート部１３の一端部近傍とのなす角度が鋭角（θ１）、あるいは図２（ｂ）に示すように、略直角（θ２）となるように連結される。つまり、壁部１４の一端部近傍とスカート部１３の一端部近傍とのなす角度が鈍角とならないように、それらを連結する必要がある。これにより、一対のスカート部１３に対してスラスト力Ｆｓ１及び反スラスト力Ｆｓ２が加わったとしても、壁部１４がその長さ方向に一対のスカート部１３を十分に支持するだけの剛性力を確保することができる。
【００５０】
なお、壁部１４の厚みは、前述したスカート部１３の厚みと同様にピストン本体１の軽量化を図るため、なるべく薄く形成するのが好ましい。但し、壁部１４の厚みを薄くしすぎると、ピストンヘッド１１に加わる爆発荷重Ｆや慣性力などからの影響を受けて、壁部１４及びスカート部１３の双方に直接応力が作用し、スカート部１３に変形や歪など生じ易くなるため、壁部１４は、そのスカート部１３を十分に支持できる厚みにする必要がある。
【００５１】
一対のピンボス部１５は、図３に示すように、ピストンピン２を回動自在に支持するためのピストン本体１の構成要素であり、ピストンヘッド１１の周縁近傍の下端面１１ａから各々突出して垂下形成される。また、各ピンボス部１５には、図１（ａ）に示すように、ピストンピン２を挿通するための挿通穴１５ａが形成される。よって、ピストンピン２は、図３に示すように、一対のピンボス部１５と、それらの間に介在する一対の壁部１４と、コンロッドのピストンピン側の端部３（以下、「コンロッド小端部３」と呼ぶ。）とを貫通するようにして挿通穴に挿通されることになる。
【００５２】
ピストンの運動により、ピストンヘッド１１の上端面１１ｂには、図１（ａ）に示すように爆発荷重Ｆが加わるが、それにともなってピンボス部１５に形成された挿通穴１５ａには、爆発荷重Ｆに対抗する応力Ｆｗ１が生じる。また、ピストン運動の圧縮行程あるいは排気行程時には、ピンボス部１５に形成された挿通穴１５ａには引っ張り荷重Ｆｗ２が作用する。
【００５３】
したがって、ピンボス部１５に形成された挿通穴１５ａには、ピストンの運動に伴って常時それぞれ応力Ｆｗ１、又は引っ張り荷重Ｆｗ２が作用することになるが、上記したように壁部１４にはピンボス部１５に形成された挿通穴１５ａよりも大なる挿通穴１４ｂが形成されているため、ピンボス部１５に挿通されたピストンピン２がスカート部１３や壁部１４に直接的に応力や歪などを及ぼすことはない。
【００５４】
また、各ピンボス部１５は、図１（ｂ）に示すように、下方視するとスカート部１３や壁部１４とは連結することなく独立に形成される。即ち、各ピンボス部１５は、ピストンヘッド１１の下端面１１ａの周縁近傍に形成され、且つ一対の壁部１４の外側にスカート部１３や壁部１４とはそれぞれ独立に形成される。これにより、ピストンヘッド１１の上端面１１ｂに爆発荷重Ｆが加わったとしても、ピンボス部１５に作用する前述の応力Ｆｗ１や引っ張り荷重Ｆｗ２が壁部１４やスカート部１３に直接作用することはない。よって、スカート部１３や壁部１４は、変形や歪などの発生を抑えることができるので、スカート部１３のプロフィル及び壁部１４の形状の適正化を図ることが可能となる。
【００５５】
さらに、各ピンボス部１５は、図１（ｂ）に示すように、ピストンヘッド１１の下端面１１ａの周縁近傍に設けられており、且つそれらの各ピンボス部１５はコンロッド小端部３と共にピストンピン２が挿通されて支持されている。よって、ピストンヘッド１１の上端面１１ｂに爆発荷重Ｆが作用したときに、その荷重をピストンヘッド１１の全体において広い面積で支持することになり、ピストンヘッド１１の変形や歪なども効果的に防止することができる。
【００５６】
（第２実施形態）
次に、本発明に係るピストン本体の第２実施形態について図４を参照して説明する。
【００５７】
図４（ａ）は、第２実施形態に係るピストン本体６の正面図を示すものであり、図４（ｂ）は、ピストン本体６の下面図を示すものである。
【００５８】
本実施形態に係るピストン本体６の構造は、図４（ａ）に示すように、一対の壁部６４の上端面６４ａがピストンヘッド６１の下端面６１ａと連結されていない点を除き、第１実施形態と略同等の構造である。即ち、一対の壁部６４は、図４（ａ）に示すように、その上端面６４ａの上側に空洞６４ｂを有し、その左右の端部において一対のスカート部６３の下端部６３ａ近傍と連結され一体的に形成される。このように、壁部６４の上方を空洞化することにより、ピストン本体６の軽量化が可能となる。一対の壁部６４の高さ又は厚みは、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、スカート部６３を支持するために、ピストンヘッド６１の上端面６１ｂに加わる爆発荷重Ｆや一対のスカート部６３に加わるスラスト力Ｆｓ１、及び反スラスト力Ｆｓ２に十分耐えうるだけの高さ又は厚みに決定される。これにより、スカート部６３や壁部６４は、変形や歪などの発生を抑えることができるので、スカート部６３のプロフィル及び壁部６４の形状の適正化を図ることが可能となる。
【００５９】
また、本実施形態に係るピストン本体６の構造は、第１実施形態のピストン本体１と同様に、ピンボス部６５が、スカート部６３及び壁部６４と独立して形成されているため、ピストンヘッド６１の上端面６１ｂに対して爆発荷重Ｆが加わったとしても、それがスカート部６３や壁部６４に直接応力を及ぼすことはない。そして、スカート部６３は、その下端部６３ａにおいて壁部６４により支持されているので、変形や歪の防止、あるいはシリンダ内面との摺動による焼き付きなどを防止することができる。
【００６０】
このように、第２実施形態に係るピストン本体６の構造によれば、第１実施形態のピストン本体１と比較し、壁部６４は、第１実施形態のピストン本体１と同等の十分な剛性力を確保でき、さらに壁部６４の上端面６４ａからピストンヘッド６１の下端面６１ａまでの余肉を省くように構成しているので更なる軽量化を図ることができる。また、壁部６４の上端面６４ａの上側の余肉を省き空洞化しているため、ピストン本体６の製造過程において、ピストン本体６の内部を中空にするなどの型抜き作業が容易になるという面も併せ持つ。具体的には、第１実施形態の場合は、図３に示すように、一対のピンボス１５及び一対の壁部１４にそれぞれピストンピン挿通用の穴１５ａ及び１４ａを形成する必要がある。これに対し、本実施形態の場合は、壁部６４の上方の空洞部をピストンピン２が貫通すればよいので、一対のピンボス部６５に対して挿通穴を形成するだけでよい。また、壁部６４の上方の空洞部のスペースにより、ピンボス部６５に挿通穴を形成する作業も容易となる。よって、ピストン本体６を製造するときに、ピストン本体６の型抜きをする製造工程の省力化により、製造工数削減及び低コスト化を図ることが可能となる。
【００６１】
（第３実施形態）
次に、本発明に係るピストン本体の第３実施形態について図６及び図７を参照して説明する。尚、図７においては、説明の便宜上、スカート部８３の切断面図を省略してある。
【００６２】
図６（ａ）は、本実施形態に係るピストン本体８の正面図を示すものであり、図６（ｂ）は、ピストン本体８の下面図を示すものである。また、図７は、図６（ａ）のＢ−Ｂ’線に沿ったピストン本体８の切断面図を示すものである。
【００６３】
本実施形態に係るピストン本体８の構造は、図６（ａ）及び（ｂ）、並びに図７に示すように、１つのピンボス部８５をピストンヘッド８１の下端面８１ａの略中央付近から突出するように垂下形成している点、ピストンピン２を回動自在に支持する２つの挿通穴を有するコンロッド小端部９（即ち、フォークタイプのコンロッド）によってピストンヘッド８１を支持している点、及び、ピストンヘッド８１の上端面８１ｂが凹部８１ｃを形成している点を除き、第２実施形態と構造や作用・効果は同等である。本実施形態に係るピストン本体８は、例えば、低燃費・高出力を実現するリーンバーンエンジンである高効率直噴ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどに好適に使用できる。
【００６４】
ピンボス部８５は、図６（ｂ）に示すように、一対の壁部８４の間に１つ形成される。また、ピンボス部８５には、図６（ａ）に示すように、ピストンピン２を回動自在に支持するための挿通穴８５ａが形成されており、コンロッド小端部９に形成された挿通穴と共にピストンピン２をそれらの挿通穴に挿入することによりピストン本体８を支持する構成にしている。
【００６５】
また、本実施形態のピンボス部８５は、第１実施形態や第２実施形態と同様にスカート部８３及び壁部８４と連結することなく独立して形成されているので、ピストンヘッド８１の上端面８１ｂに爆発荷重Ｆが加わったとしても、それがスカート部８３や壁部８４に直接応力を及ぼすことがなく、スカート部８３や壁部８４の変形や歪などを抑えることができる。
【００６６】
なお、一般的に、本実施形態のようにピストンヘッドの略中央に１つのピンボス部を設けてピストンヘッドを中央部のみで支持する構造では、爆発荷重Ｆをピストンヘッドの中央部付近のみで受けるため、ピストンヘッドの外周部付近での支持力が低く、その分スカート部に変形が生じやすいという問題がある。しかし、本実施形態では、上述のように、ピンボス部をスカート部や壁部と別体に構成して爆発荷重がスカート部へ及びにくい構造としているので、スカート部には変形は生じにくい。
【００６７】
さらに、ピンボス部８５をピストンヘッド８１の下端面８１ａの略中央付近に突出させて垂下形成しているため、第１実施形態や第２実施形態のピストンヘッドと比較して、図７に示すように、ピストンヘッド８１の中央部が肉厚となる。よって、ピンボス部８５の上端部とピストンヘッド８１の上端面８１ｂとの間のピストンヘッド８１の肉厚部分について剛性を維持しつつ深い凹部８１ｃの形成をすることができる。これにより、ピストンヘッド８１の上端面８１ｂの形状の形成自由度が向上する。よって、特に直噴型エンジンなどにおいて、燃焼室内に適切な過流の生成を促進して、混合気の燃焼効率の向上を図ることができる。
【００６８】
また、ピストンヘッド８１の上端面８１ｂに凹部８１ｃを形成することにより、当該部分の余肉を省くことができるので、その分のピストン本体８の軽量化も図ることができる。
【００６９】
なお、上記した第３実施形態のピストン本体においては、第２実施形態の場合と同様に、一対の壁部８４の上方を空洞化しているが、その代わりに、壁部８４を第１実施形態と同様に空洞化しない構成、即ち、ピストンヘッド８１の下端面８１ａからスカート部８３の下端部近傍まで垂下形成するような構成にしてもよい。
【００７０】
［変形例］
上記した第１、第２、及び第３実施形態によれば、それらに対応する一対のスカート部１３、６３、８３のプロフィル（外形形状）をそれぞれ対称になるように構成しているが、これに限らず、それらの一対のスカート部１３、６３、８３のプロフィルがそれぞれ非対称的となるように構成してもよい。
【００７１】
一対のスカート部のプロフィルを非対称的な構成にしたピストン本体の構造の一例を図５に示す。尚、図５（ａ）は、ピストン本体７の正面図であり、図５（ｂ）は、ピストン本体７の下面図である。
【００７２】
図５（ａ）に示すピストン本体７の構造は、図５（ｂ）に示すように、一対のスカート部７３のうちいずれか一方のスカート部７３のプロフィルを変形させると共に、一対のスカート部７３と一対の壁部７４とを連結して一体形成したものである。即ち、スカート部７３は、図５（ｂ）に示すように、下方視すると左側に有するスカート部７３の下端面７３ａのプロフィルと右側に有するスカート部７３の下端面７３ｂのプロフィルとが非対称的になるように形成したものである。この場合、スラスト力が作用する側のスカート部７３ａを大きくし、反スラスト力が作用する側のスカート部７３ｂを小さくすることが好ましい。
【００７３】
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、右側のスカート部７３の下端面７３ｂの面積は、左側のスカート部７３の下端面７３ａの面積より小さくなるように形成されている。このように、スラスト力が作用する側のスカート部と比較して、反スラスト力が作用する側のスカート部を小さくすることにより、一対のスカート部７３は、上記した実施形態の一対のスカート部１３、６３、８３と比較して、シリンダ内面と摺動する部位が少なくなり、低摩擦（低フリクション）を図ることができる。これにより、一対のスカート部７３の磨耗を減少することができるため、スカート部７３の耐久寿命を延ばすことができ、これに連動してピストン本体７の長寿命化を図ることができる。
【００７４】
尚、図５（ａ）及び（ｂ）に示すピストン本体７の構造や作用・効果は、前記した部分を除けば第２実施形態に示すピストン本体６と略同等である。
【００７５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ピストン本体のピンボス部は、スカート部及び壁部にそれぞれ連結することなく、ピストンヘッドの下端面から垂下形成するようにピストンヘッドと一体的に形成しているため、ピストンヘッドの上端面に爆発荷重Ｆや慣性力が加わったとしても、それが壁部やスカート部に直接応力を及ぼすことがない。また、スカート部は、壁部によって支持されるため剛性を確保することができ、スカート部のプロフィル（外形形状）の適正化を図ることができる。さらに、スカート部に作用する力を減少させることにより、スカート部の厚みを薄くできるので、ピストン本体の軽量化を図ることができる。
【００７６】
また、ピストン本体において壁部の上側を空洞とするような構成にすれば、更なるピストン本体の軽量化を図ることができ、且つピストン内部を中空にするなどの型抜き作業も容易に行うことができるので、製造工数低減、低コスト化をも図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態によるピストン本体の構造の正面図及び下面図を示す。
【図２】図１に示す壁部とスカート部とを連結した部分拡大図の一例を示す。
【図３】図１に示すピストン本体のＡ−Ａ’に沿った切断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態によるピストン本体の構造の正面図及び下面図を示す。
【図５】本発明によるピストン本体の構造の変形例を示す。
【図６】本発明の第３実施形態によるピストン本体の構造の正面図及び下面図を示す。
【図７】図６に示すピストン本体のＢ−Ｂ’に沿った切断面図である。
【符号の説明】
１ ピストン本体
２ ピストンピン
３ コンロッド小端部
１１ ピストンヘッド
１２ ピストンリング溝
１３ スカート部
１４ 壁部
１５ ピンボス部
Ｆ 爆発荷重
Ｆｓ１ スラスト力
Ｆｓ２ 反スラスト力
Ｆｗ１ 応力
Ｆｗ２ 引っ張り荷重
Ｏ１ 中心点
１００、１０１ 中心線
θ１ 鋭角
θ２ 直角
Claims (11)
- 内燃機関用のピストンにおいて、
断面が略円形のピストンヘッドと、
前記ピストンヘッドの一端面に形成された一対のスカート部と、
前記一対のスカート部の端部同士をそれぞれ連結する一対の壁部と、
前記ピストンヘッドの一端面に前記一対のスカート部及び前記壁部とは独立に形成され、ピストンピンを回動自在に挿通するための挿通穴を設けたピンボス部と、を備えることを特徴とする内燃機関用のピストン。 - 前記一対のスカート部は、前記ピストンピンが前記ピンボス部の前記挿通穴に挿通する方向と直交する方向に作用するスラスト力及び反スラスト力が、それぞれ作用する位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用のピストン。
- 前記一対の壁部は、前記スラスト力及び前記反スラスト力が作用する方向に対して略平行に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用のピストン。
- 前記スカート部と前記壁部とが連結された位置において前記スカート部の面と前記壁部の面が前記壁部の内側になす角は略直角であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。
- 前記スカート部と前記壁部とが連結された位置において前記スカート部の面と前記壁部の面が前記壁部の内側になす角は鋭角であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。
- 前記一対のスカート部は、前記ピストンヘッドの一端面の中心点を通り、前記ピストンピンが前記ピンボス部の前記挿通穴に挿通する方向と平行な直線に対してそれぞれ対称的な位置に設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。
- 前記一対のスカート部は、部分円筒形状をなし、前記ピストンヘッドの周縁近傍から垂下形成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。
- 前記一対の壁部には、前記ピストンピンを挿通するための挿通穴が形成されると共に、前記一対の壁部は、前記ピンボス部とは独立に前記ピストンヘッドの一端面から垂下形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。
- 前記一対の壁部は、前記ピストンヘッドの一端面とは連結することなく形成されると共に、前記一対のスカート部の端部と一体的に連結するように設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。
- 前記ピンボス部は、前記壁部の外側に設けられ、且つ前記ピストンヘッドの一端面の中心点を通り前記壁部と平行な直線に対して対称的な位置に一対設けられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。
- 前記ピンボス部は、前記一対の壁部の間に１つ設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の内燃機関用のピストン。
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| WO2017045991A1 (de) * | 2015-09-18 | 2017-03-23 | Mahle International Gmbh | Kolben für eine brennkraftmaschine |
-
2002
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