JP2005248806A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】ピン穴にかかる応力を低減することができるとともに、ピストンピンの潤滑と抜け防止を確保しつつピストンを軽量化する。
【解決手段】ピストンヘッド１１と、ピストンピンを挿通するピン穴１６を有した一対のピンボス１５と、ピン穴１６内周面に凹設されたスナップリング溝１６ａとを備えたピストン１０において、ピンボス１５は、当該ピンボス１５外面からスナップリング溝１６ａに至る複数の切り欠き部１７，１８，１９を備える。切り欠き部１７，１８は、ピン穴１６の中心軸Ｃよりも上側または下側に設けられ、かつ当該中心軸Ｃとピストン１０の中心軸Ｌとを含む中心面Ｃｐに対して所定の中心角θをなすようにそれぞれ対称に設けられている。切り欠き部１９は、中心面Ｃｐに対して直交するピン穴１６の直径の両端部近傍に設けられている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、内燃機関用ピストンに関し、更に詳しくは、ピン穴にかかる応力を低減することができるとともに、ピストンピンの潤滑と抜け防止を確保しつつピストンを軽量化することができる内燃機関用ピストンに関する。

ピストンピンが挿通されるピン穴内面の内側と外側に条痕加工を施し、ピストンピンのピン抜け防止とピン穴内面下部の圧縮応力を低減する技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

なお、ピン穴にコニカル加工を施してピンボスにかかる応力を緩和する技術（たとえば、特許文献２参照）や、ピン穴内周面での受圧面積の確保や潤滑機能を確保すべく、ピン穴に潤滑油供給用の溝を設けた技術（たとえば、特許文献３、特許文献４参照）が提案されている。

特開平５−５４６０号公報 特開平１１−３０３９９３号公報 特開平９−３１０６４０号公報 実開昭５８−６９４０号公報

しかしながら、上記特許文献１に係る従来技術にあっては、上記条痕の深さ程度では、ピン穴での圧縮応力を低減する効果は微小である。また、深い条痕を形成すると、ピストンピンとの接触面積が減少して面圧が高くなり、ピン穴の摩耗が増加する。その結果、ピン長さを更に確保する必要が生じ、重量増となってしまう。

また、上記条痕が更に深くなると、面粗さが粗くなり摩擦係数が大きくなるので、コンロッドのいわゆる首振り運動がしにくくなる。その結果、ピストンとシリンダボアの摺動面の摩耗が増加し、燃費も悪化してしまう。

そして、条痕部とピストンピンの端面が接触すると、ピストンピンの回転が鈍り、同一箇所でピン穴と接触するため偏摩耗が生じ、当該ピストンピンとピン穴間で焼き付きが生じやすくなってしまう。

また、上記特許文献２〜４に係る従来技術にあっては、ピン穴での応力緩和や潤滑機能に関しては実現可能であるものの、これらと同時にピストン全体を軽量化する手段については具体的に開示されていない。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ピン穴にかかる応力を低減することができるとともに、ピストンピンの潤滑と抜け防止を確保しつつピストンを軽量化することができる内燃機関用ピストンを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明の請求項１に係る内燃機関用ピストンは、少なくともピストンヘッドと、前記ピストンヘッドの裏側から下方に延設され、ピストンピンを挿通するピン穴を有した一対のピンボスと、前記ピン穴内周面の前記ピンボス外面近傍に凹設され、前記ピストンピンの軸方向の移動を規制するスナップリングを嵌入するスナップリング溝とを備えた内燃機関用ピストンにおいて、前記ピンボスは、当該ピンボス外面から前記スナップリング溝に至る複数の切り欠き部を備え、前記切り欠き部は、前記ピン穴の中心軸よりも上側に設けられ、かつ当該ピン穴の中心軸と前記ピストンの中心軸とを含む中心面に対して所定の中心角をなすように対称に設けられた一対の上側切り欠き部と、前記ピン穴の中心軸よりも下側に設けられ、かつ前記中心面に対して所定の中心角をなすように対称に設けられた一対の下側切り欠き部と、前記中心面に対して直交する前記ピン穴の直径の両端部近傍に設けられた一対の中間切り欠き部とからなることを特徴とするものである。

したがって、この発明によれば、切り欠き部がピンボス外面からスナップリング溝に至るように設けられているので、当該切り欠き部が潤滑油路となり、ピストンピンへの潤滑機能を確保している。また、切り欠き部は、スナップリング溝に嵌入されるスナップリングに何ら悪影響を及ぼさないように設けられているので、ピン穴からのピストンピンの抜け防止も確保している。

また、内燃機関運転時にピストンヘッドに爆発荷重が作用すると、ピン穴の上部の中心位置には非常に大きな圧縮荷重がかかるが、上側切り欠き部が上記位置に設けられているので、その応力を分散させることができ、ピン穴等の変形や亀裂の発生を回避することができる。

また、内燃機関の回転数が高い時には、ピン穴の下部の中心位置に非常に大きな引っ張り荷重がかかるが、下側切り欠き部が上記位置に設けられているので、その応力を分散させることができ、ピン穴等の変形や亀裂の発生を回避することができる。

更に、上記圧縮荷重や引っ張り荷重がほとんど作用しない位置にも中間切り欠き部が設けられているので、上記上側切り欠き部および下側切り欠き部とともにピストンの軽量化に資することができる。

また、この発明の請求項２に係る内燃機関用ピストンは、請求項１に記載の発明において、前記中間切り欠き部の開口面積を前記上側切り欠き部および前記下側切り欠き部の開口面積よりも大きくしたことを特徴とするものである。

したがって、この発明によれば、内燃機関運転時には、ピン穴は上記圧縮荷重および引っ張り荷重によりピストンの中心軸方向につぶれて変形するが、ピンボスが中間切り欠き部によって多く肉盗みされていることで強度が所定量低下し、結果としてピン穴はほぼ円形となる。これにより、ピン穴の摩耗を低減することができるとともに、ピストンの更なる軽量化を実現することができる。

また、この発明の請求項３に係る内燃機関用ピストンは、請求項１または２に記載の発明において、前記切り欠き部の開口形状をほぼ円形としたことを特徴とするものである。

したがって、この発明によれば、切り欠き部をドリルにて加工することができるため、加工性が向上し、製作コストを低減することができる。また、切り欠き部に潤滑油が溜まりやすい。また、上記切り欠き部を鋳造によっても形成できるので、製作コストを低減することができる。

また、この発明の請求項４に係る内燃機関用ピストンは、請求項３に記載の発明において、前記上側切り欠き部および前記下側切り欠き部の開口形状をほぼ円形とするとともに、前記中間切り欠き部の開口形状を前記ピストンの中心軸方向に延びる長円形としたことを特徴とするものである。

したがって、この発明によれば、上側切り欠き部および下側切り欠き部をドリルにて加工することができるため、加工性が向上し、製作コストを低減することができる。また、これらの切り欠き部に潤滑油が溜まりやすい。

また、内燃機関運転時には、ピン穴は上記圧縮荷重および引っ張り荷重によりピストンの中心軸方向につぶれて変形するが、ピンボスが長円形の中間切り欠き部によって多く肉盗みされていることで強度が所定量低下し、結果としてピン穴はほぼ円形となる。これにより、ピン穴の摩耗を低減することができるとともに、ピストンの更なる軽量化を実現することができる。

また、この発明の請求項５に係る内燃機関用ピストンは、請求項１〜４のいずれか一つに記載の発明において、前記上側切り欠き部および前記下側切り欠き部が前記中心面に対してなす前記所定の中心角をほぼ２０度としたことを特徴とするものである。

したがって、この発明によれば、上側切り欠き部および下側切り欠き部によってピン穴に作用する圧縮または引っ張り荷重を効果的に分散させることができる。

この発明に係る内燃機関用ピストン（請求項１）によれば、ピン穴にかかる応力を低減することができるとともに、ピストンピンの潤滑と抜け防止を確保しつつピストンを軽量化することができる。

また、この発明に係る内燃機関用ピストン（請求項２）によれば、ピン穴の摩耗を低減することができるとともに、ピストンの更なる軽量化を実現することができる。

また、この発明に係る内燃機関用ピストン（請求項３）によれば、切り欠き部をドリルにて加工することができるため、加工性が向上し、製作コストを低減することができる。

また、この発明に係る内燃機関用ピストン（請求項４）によれば、上側切り欠き部および下側切り欠き部をドリルにて加工することができるため、加工性が向上し、製作コストを低減することができる。また、ピン穴の摩耗を低減することができるとともに、ピストンの更なる軽量化を実現することができる。

また、この発明に係る内燃機関用ピストン（請求項５）によれば、ピン穴に作用する圧縮または引っ張り荷重を効果的に分散させることができる。

以下に、この発明に係る内燃機関用ピストンの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、この発明の実施例１に係る内燃機関用ピストンを示す正面図、図２は、図１のＡ−Ａ断面を示す部分断面図である。なお、これらの図においては、説明の便宜上、後述する一対のピンボスの一方のみについて示してある。

図１および図２に示すように、内燃機関用ピストン（以下、ピストンと記す）１０は、リング溝１２を有するピストンヘッド１１と、ピストンヘッド１１の裏側から下方に延設された一対のスカート１３と、ピストンヘッド１１の裏側から下方に延設され、これら一対のスカート１３を連結する一対のスカート連結部１４と、このスカート連結部１４にそれぞれ設けられ、ピストンピン（図示せず）を挿通するピン穴１６を有した一対のピンボス１５と、ピン穴１６内周面のピンボス１５外面近傍に凹設され、上記ピストンピンの軸方向の移動を規制するスナップリング（図示せず）を嵌入するスナップリング溝１６ａとを備えている。

そして、このピンボス１５は、当該ピンボス１５外面からスナップリング溝１６ａに至るように、上側切り欠き部１７、下側切り欠き部１８および中間切り欠き部１９をそれぞれ一対ずつ備えている。

このピンボス１５外面からスナップリング溝１６ａに至る部分は、ピストンピンが直接接触しないので、ピンボス１５を強度上問題のない範囲で肉抜きするべく、これらの切り欠き部１７，１８，１９を設けている。また、切り欠き部１７，１８，１９は、スナップリング溝１６ａに嵌入されるスナップリングに、ピン抜けの原因を生じさせる等の悪影響を及ぼさないように設けられている。

これらの切り欠き部１７，１８，１９の開口形状は、円環状のピンボス１５外面を横切るほぼ矩形としてある。これらの切り欠き部１７，１８，１９の開口面積は、ほぼ同一としてある。

また、上記一対の上側切り欠き部１７は、ピン穴１６の中心軸Ｃよりも上側に設けられ、かつ当該ピン穴１６の中心軸Ｃとピストン１０の中心軸Ｌとを含む中心面Ｃｐに対して所定の中心角θをなすように対称に設けられている。

内燃機関運転時にピストンヘッド１１に爆発荷重が作用すると、ピン穴１６上部の中心位置Ｐｕには非常に大きな圧縮荷重がかかるので、この応力を効果的に分散できるように上記中心角θが設定されている。たとえば、この中心角θをほぼ２０度程度に設定することが好ましい。

また、上記一対の下側切り欠き部１８は、ピン穴１６の中心軸Ｃよりも下側に設けられ、かつ当該ピン穴１６の中心軸Ｃとピストン１０の中心軸Ｌとを含む中心面Ｃｐに対して所定の中心角θをなすように対称に設けられている。

内燃機関回転数が高い時には、ピン穴１６の下部の中心位置Ｐｄには非常に大きな引っ張り荷重がかかるので、この応力を効果的に分散できるように上記中心角θが設定されている。たとえば、この中心角θをほぼ２０度程度に設定することが好ましい。

また、上記一対の中間切り欠き部１９は、上記中心面Ｃｐに対して直交するピン穴１６の直径の両端部近傍に設けられている。中間切り欠き部１９をこのような位置に設けたのは、上記圧縮荷重や引っ張り荷重がほとんど作用しないので強度上問題がないとともに、ピンボス１５の切り欠き量を増やすことでピストン１０の更なる軽量化を実現するためである。

つぎに、上記切り欠き部１７，１８，１９の作用について説明する。切り欠き部１７，１８，１９は、ピンボス１５外面からスナップリング溝１６ａに至るように設けられているので、当該切り欠き部１７，１８，１９が潤滑油路となり、ピストンピンへの潤滑機能を確保している。

また、切り欠き部１７，１８，１９は、スナップリング溝１６ａに嵌入されるスナップリングに何ら悪影響を及ぼさないように設けられているので、ピン穴１６からのピストンピンの抜け防止も確保している。

また、内燃機関運転時にピストンヘッド１１に爆発荷重が作用すると、ピン穴１６の上部の中心位置Ｐｕには、非常に大きな圧縮荷重がかかるが、上側切り欠き部１７が上記位置に設けられているので、その応力を分散させることができ、ピン穴１６等の変形や亀裂の発生を回避することができる。

また、内燃機関回転数が高い時には、ピン穴１６の下部の中心位置Ｐｄに非常に大きな引っ張り荷重がかかるが、下側切り欠き部１８が上記位置に設けられているので、その応力を分散させることができ、ピン穴１６等の変形や亀裂の発生を回避することができる。

更に、上記圧縮荷重や引っ張り荷重がほとんど作用しない水平位置にも中間切り欠き部１９が設けられているので、上記上側切り欠き部１７および下側切り欠き部１８とともにピストン１０の軽量化に資することができる。

以上のように、この実施例１に係る内燃機関用ピストンによれば、ピン穴１６にかかる応力を低減することができるとともに、ピストンピンの潤滑と抜け防止を確保しつつピストン１０を軽量化することができる。また、このピストン１０の軽量化は、内燃機関の燃費や出力の向上、スラスト力減少による振動低減、始動性の向上等を実現することができる。

図３は、この発明の実施例２に係る内燃機関用ピストンを示す正面図である。なお、以下の説明において、すでに説明した部材と同一の部材または相当する箇所には、同一の符号を付して重複説明を省略する。

本実施例２は、中間切り欠き部１９ａの開口面積が、上側切り欠き部１７および下側切り欠き部１８の開口面積よりも大きくなるように、中間切り欠き部１９ａの開口形状をピストン１０の中心軸Ｌ方向に延びるほぼ矩形に形成したものである。

また、中間切り欠き部１９ａの開口面積は、当該部分の強度が必要以上に低下しないように設定されている。その他の構成および作用は、上記実施例１の場合と同様であるので、重複説明を省略する。

つぎに、中間切り欠き部１９ａの作用について説明する。内燃機関運転時には、ピン穴１６は、前述した圧縮荷重および引っ張り荷重によりピストン１０の中心軸Ｌ方向につぶれて変形するが、ピンボス１５が中間切り欠き部１９ａによって多く肉盗みされていることで強度が所定量低下し、結果としてピン穴１６はほぼ円形となる。これにより、ピン穴１６の摩耗を低減することができるとともに、ピストン１０の更なる軽量化を実現することができる。

以上のように、この実施例２に係る内燃機関用ピストンによれば、上記実施例１の奏する効果と同様の効果を奏するほか、ピン穴１６の摩耗を低減することができるとともに、上記実施例１の場合と比べ、ピストン１０の更なる軽量化を実現することができる。

図４は、この発明の実施例３に係る内燃機関用ピストンを示す正面図である。図４に示すように、本実施例３は、上側切り欠き部２０、下側切り欠き部２１および中間切り欠き部２２の開口形状をほぼ円形とし、かつそれらの開口面積をほぼ同一に形成したものである。その他の構成および作用は、上記実施例１の場合と同様であるので、重複説明を省略する。

以上のように、この実施例３に係る内燃機関用ピストンによれば、上記実施例１の奏する効果と同様の効果を奏するほか、上記切り欠き部２０，２１，２２を同一径のドリルにて加工することができるため、加工性が向上し、製作コストを低減することができる。

また、上記切り欠き部２０，２１，２２の形状が円形であるので、潤滑油が溜まりやすい。また、上記切り欠き部２０，２１，２２を鋳造によっても形成できるので、製作コストを低減することができる。

図５は、この発明の実施例４に係る内燃機関用ピストンを示す正面図である。図５に示すように、本実施例４は、上記実施例３の構成における中間切り欠き部２２に代えて中間切り欠き部２２ａを設けたものである。

すなわち、中間切り欠き部２２ａの開口面積が上側切り欠き部２０および下側切り欠き部２１の開口面積よりも大きくなるように、中間切り欠き部２２ａの開口形状をピストン１０の中心軸Ｌ方向に延びる長円形に形成したものである。その他の構成および作用は、上記実施例３の場合と同様であるので、重複説明を省略する。

つぎに、中間切り欠き部２２ａの作用について説明する。内燃機関運転時には、ピン穴１６は、前述した圧縮荷重および引っ張り荷重によりピストン１０の中心軸Ｌ方向につぶれて変形するが、ピンボス１５が中間切り欠き部２２ａによって多く肉盗みされていることで強度が所定量低下し、結果としてピン穴１６はほぼ円形となる。

これにより、ピン穴１６の摩耗を低減することができる。また、中間切り欠き部２２ａは、上記実施例３の中間切り欠き部２２よりも切り欠き量が多いので、ピストン１０が更に軽量化される。

以上のように、この実施例４に係る内燃機関用ピストンによれば、上記実施例３の奏する効果と同様の効果を奏するほか、ピン穴１６の摩耗を低減することができるとともに、上記実施例３の場合と比べ、ピストン１０の更なる軽量化を実現することができる。

以上のように、この発明に係る内燃機関用ピストンは、ピン穴にかかる応力を低減することができるとともに、ピストンピンの潤滑と抜け防止を確保しつつピストンを軽量化することができる内燃機関に有用であり、特に、燃費や出力の向上、スラスト力減少による振動低減、始動性の向上等を目指す内燃機関に適している。

この発明の実施例１に係る内燃機関用ピストンを示す正面図である。 図１のＡ−Ａ断面を示す部分断面図である。 この発明の実施例２に係る内燃機関用ピストンを示す正面図である。 この発明の実施例３に係る内燃機関用ピストンを示す正面図である。 この発明の実施例４に係る内燃機関用ピストンを示す正面図である。

符号の説明

１０ ピストン
１１ ピストンヘッド
１５ ピンボス
１６ ピン穴
１６ａ スナップリング溝
１７ 上側切り欠き部
１８ 下側切り欠き部
１９ 中間切り欠き部
１９ａ 中間切り欠き部
２０ 上側切り欠き部
２１ 下側切り欠き部
２２ 中間切り欠き部
２２ａ 中間切り欠き部
Ｃ、Ｌ 中心軸
Ｃｐ 中心面

Claims (5)

1. 少なくともピストンヘッドと、
   前記ピストンヘッドの裏側から下方に延設され、ピストンピンを挿通するピン穴を有した一対のピンボスと、
   前記ピン穴内周面の前記ピンボス外面近傍に凹設され、前記ピストンピンの軸方向の移動を規制するスナップリングを嵌入するスナップリング溝と、
   を備えた内燃機関用ピストンにおいて、
   前記ピンボスは、当該ピンボス外面から前記スナップリング溝に至る複数の切り欠き部を備え、
   前記切り欠き部は、
   前記ピン穴の中心軸よりも上側に設けられ、かつ当該ピン穴の中心軸と前記ピストンの中心軸とを含む中心面に対して所定の中心角をなすように対称に設けられた一対の上側切り欠き部と、
   前記ピン穴の中心軸よりも下側に設けられ、かつ前記中心面に対して所定の中心角をなすように対称に設けられた一対の下側切り欠き部と、
   前記中心面に対して直交する前記ピン穴の直径の両端部近傍に設けられた一対の中間切り欠き部と、
   からなることを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 前記中間切り欠き部の開口面積を前記上側切り欠き部および前記下側切り欠き部の開口面積よりも大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
3. 前記切り欠き部の開口形状をほぼ円形としたことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用ピストン。
4. 前記上側切り欠き部および前記下側切り欠き部の開口形状をほぼ円形とするとともに、前記中間切り欠き部の開口形状を前記ピストンの中心軸方向に延びる長円形としたことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関用ピストン。
5. 前記上側切り欠き部および前記下側切り欠き部が前記中心面に対してなす前記所定の中心角をほぼ２０度としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の内燃機関用ピストン。

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