JP2013015079A - エンジン用ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】軽量でありながら剛性の高いエンジン用ピストンの提供を課題とする。
【解決手段】円盤状のピストンヘッド部１１と、このピストンヘッド部１１の周縁に沿って、交互に位置している一対のスカート部１２及び一対のピンボス部１４と、一対のスカート部１２の周方向両端から隣接する一対のピンボス部１４まで延びている、それぞれ一対のスカート延長部１３と、が一体に形成されたエンジン用ピストン１０である。一対のピンボス部１４は、コネクティングロッドを連結するためのピンを取付ける部分である。スカート部の厚さＴ１は、スカート延長部の厚さＴ２の１．０５倍から１．５０倍の範囲に設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンに用いられるピストンに関する。

エンジン用ピストンは、シリンダブロックに形成されているシリンダボアの中に往復動自在に装着されている。このピストンにはピンによってコネクティングロッドが連結され、このコネクティングロッドにクランクシャフトが連結されている。ピストンの直線的な往復動は、コネクティングロッドによってクランクシャフトの回転運動に変換される。

詳しく述べると、ピストンには、コネクティングロッド連結用ピンを嵌合によって取り付けるためのピンボス部と、このピンボス部に隣接するスカート部と、このスカート部の周方向の端からピンボス部まで延びているスカート延長部とが、一体に形成されている。ダイカストによってピストンを製造する場合には、ピストンの品質を確保するために、鋳造時の湯流れ性に十分に配慮する必要がある。そのためには、スカート延長部の厚さを比較的大きく設定することになる。スカート部の厚さに対してスカート延長部の厚さが過大であると、両者の剛性の差が過大になる。この結果、エンジンの作動中には、スカート部とスカート延長部との間に、局部的な応力集中が発生し得る。応力集中によってスカート部に微小な変形が発生すると、スカート部の外周面がシリンダボアに摺接する面圧が高くなる。このことは、両者の摩耗が促進される要因となり得るので好ましくない。つまり、スカート部の外周面には、応力ができるだけ均一に分布することが求められる。

局部的な応力集中を防止するためには、スカート延長部の剛性とスカート部の剛性とのバランスをとるようにすることが考えられる。そのためには、スカート部の厚さを、スカート延長部の厚さに近づけるように大きくすればよい。しかし、スカート部の厚さを大きくすると、ピストン全体の重量が増す、つまり振動系のマスが増えるので、エンジンの振動を抑制するためには不利である。

特許文献１に示される、エンジン用ピストンは、ピストンヘッド部と、このピストンヘッド部の周縁に沿って下げられる一対のピンボス部と、これらのピンボス部の端部からピストンヘッド部の周方向に向かって延びる延長部と、これらの延長部の先端同士を繋ぐように且つピストンヘッド部の周縁に沿って形成される一対のスカート部とからなる。

このエンジン用ピストンは、必要な部位にのみ強度の高い素材を用いると共に、その他の部位には軽量な素材を用いている。必要な部位にのみ強度の高い素材を用いることで、軽量でありながら強度の高いピストンを提供することができる。

しかし、このエンジン用ピストンは、２つの素材を用いる必要があり、これらを一体化するために複雑な工程を経る必要がある。複雑な工程を経ることで、エンジン用ピストンのコストが上昇する。容易に製造することができると共に、軽量且つ剛性の高いエンジン用ピストンの提供が望まれる。

特開平１０−２８８０８５号公報

本発明は、容易に製造することができると共に、軽量且つ剛性の高いエンジン用ピストンの提供を課題とする。

請求項１に係る発明は、円盤状のピストンヘッド部と、このピストンヘッド部の周縁に沿って、交互に位置している一対のスカート部及び一対のピンボス部と、前記一対のスカート部の周方向両端から、隣接する前記一対のピンボス部まで延びている、それぞれ一対のスカート延長部とが一体に形成され、前記一対のピンボス部は、コネクティングロッドを連結するためのピンを取付ける部分である、エンジン用ピストンにおいて、前記スカート部の厚さは、前記スカート延長部の厚さの１．０５倍から１．５０倍の範囲に設定されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、スカート部の厚さをスカート延長部の厚さの１．０５倍から１．５０倍の範囲に設定することで、エンジン用ピストンの重量増加を抑制しつつ、両者の剛性を極力近付けることができる。この結果、軽量且つ剛性の高いピストンを提供することができる。

加えて、軽量且つ剛性の高いエンジン用ピストンを提供するのに、一つの素材だけ用いればよい。エンジン用ピストンを容易に製造することができる。

さらに、スカート部の厚さとスカート延長部の厚さとの厚みの差を少なくすることで、スカート部とスカート延長部との接続部分にかかる応力集中を軽減することができる。

本発明に係るエンジン用ピストンの断面図である。 図１の２−２線断面図である。 本発明に係るエンジン用ピストンの実験について説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

実施例に係るエンジン用ピストンの構造について、図１及び図２に基づき説明する。エンジン用ピストン１０は、例えばアルミニウム合金のダイカスト鋳造品であり、汎用エンジンに用いられる。このエンジン用ピストン１０は、円盤状のピストンヘッド部１１と、このピストンヘッド部１１から下方に延びるように形成される一対のスカート部１２，１２と、これらのスカート部１２，１２の両端からそれぞれ延びるスカート延長部１３と、これらのスカート延長部１３に繋がれコネクティングロッド（図示せず）を連結するためのピンが支持される一対のピンボス部１４，１４とからなる。

ピストンヘッド部１１は、凹形状部２２が、凹状に形成されることで吸気バルブや排気バルブからの干渉を防ぐことができる、いわゆるリセス（ｒｅｃｅｓｓ）と称される部位である。１７は、ピストンヘッド部１１の中心軸である。

さらに、ピストンヘッド部１１には、ピストンヘッド部１１の側面であり最上部のトップランド２４と、このトップランド２４の下方に形成されトップリングが嵌められるトップリング溝２５と、このトップリング溝２５の下方に形成されているセカンドランド２６と、このセカンドランド２６の下方に形成されセカンドリングが嵌められるセカンドリング溝２７と、このセカンドリング溝２７の下方に形成されているサードランド２８と、このサードランド２８の下方に形成されオイルリングが嵌められるオイルリング溝２９と、このオイルリング溝２９の底部に向かって形成されスカート部１２，１２の内周面に連通するオイル戻し溝３１とが形成されている。オイル戻し溝３１は、ピストンヘッド部１１に複数設けられている。

スカート部１２は、ピストンヘッド部１１から下方に延びると共にピストンヘッド部１１の周方向の縁部に沿って形成されている上部スカート部３５と、この上部スカート部３５の下端から下方に延び上部スカート部３５よりも厚みの薄い下部スカート部３６とからなる。

一対の上部スカート部３５の周方向両端から、それぞれスカート延長部１３が延びている。スカート延長部１３は、４つ形成されている。下部スカート部３６からは、スカート延長部１３が延びていない。

ピンボス部１４，１４は、ピストン１０の中心線１７上に位置している。このピンボス部１４，１４には、図１に想像線によって示されるピン４２を嵌合によって取り付けるためのピン穴４１，４１がそれぞれ開けられている。これら２つのピン穴４１，４１にピン４２を通すことにより、ピン４２はピンボス部１４，１４に支持される。４２ｃは、ピン４２の軸を示している。

ここで、図２に示されるように、ピストン１０の中心線１７を通るとともにピン穴４１，４１の中心線４２に直交する直線４３のことを、直交線４３ということにする。スカート延長部１３は、直交線４３に対して近づくように傾斜しながら、スカート部１２からピンボス部１４に向かって延びている。スカート部１２とスカート延長部１３との接続部４５は、円弧形状に形成されている。

スカート延長部１３を、傾斜させながら延ばすことで、スカート部１２を大きくすることができる。また、スカート部１２とスカート延長部１３とを、円弧形状に滑らかに接続することで、接続部４５にかかる応力集中を軽減することができる。

スカート部１２は、厚さＴ１で均一に形成されている。また、スカート延長部は、厚さＴ２で均一に形成されている。スカート部の厚さＴ１は、スカート延長部１３の厚さＴ２よりも若干大きく設定されることが好ましい。特に好ましくは、スカート部の厚さＴ１は、スカート延長部の厚さＴ２の１．０５倍から１．５０倍の範囲に設定される。つまり、スカート部１２の厚さＴ１は、スカート延長部１３の厚さＴ２に対して、（１．０５×Ｔ２）≦Ｔ１≦（１．５０×Ｔ２）の条件を満足するよう設定される。例えば、スカート部１２の厚さＴ１は２．５ｍｍに設定され、スカート延長部１３の厚さＴ２は２．０（ｍｍ）に設定される。なお、スカート部１２とスカート延長部１３との接続部４５は、徐々に厚さが変化するよう形成されている。

スカート部１２の厚さＴ１をスカート延長部１３の厚さＴ２の１．０５倍から１．５０倍の範囲に設定することで、エンジン用ピストン１０の重量増加を抑制しつつ、両者の剛性を極力近付けることができる。この結果、軽量且つ剛性の高いエンジン用ピストン１０を提供することができる。
加えて、軽量且つ剛性の高いエンジン用ピストン１０を提供するのに、一つの素材だけ用いればよい。エンジン用ピストン１０を容易に製造することができる。

本発明者らは、本発明の効果について確認すべく、実験を行った。以下に実験について説明する。

（実験例）
本発明に係る実験例を以下に述べる。なお、本発明は実験例に限定されるものではない。実験について図３に沿って説明する。図３（ａ）は、上記図１に示されるピストン１０と実質的に同じ構成の実験用ピストン５０の断面を示している。図３（ｂ）は、図３（ａ）のｂ−ｂ線断面を示している。

図３（ａ）及び（ｂ）に示されるように、実験用ピストン５０の大きさは、ピストンヘッド５１の直径Ｄが９０ｍｍ、ピストン高さｈが６０ｍｍである。スカート延長部５２の厚さＴ２は、２ｍｍである。複数種のピストン５０を製作し、それぞれの実験用ピストン５０のスカート部（上部スカート部）５３の厚さＴ１を変化させた。スカート部５３の厚さＴ１は、一度製作したピストンのスカート部５３を切削することによって調節した。詳細を表１に沿って説明する。

実験番号１では、スカート部の厚さＴ１を１．３ｍｍとし、スカート延長部の厚さＴ２を２．０ｍｍとした。Ｔ２に対するＴ１の比を示すＴ１／Ｔ２の値は０．６５である。このような実験番号１にかかるピストンは、重量が軽く、大変良好であったことを示す◎であった。一方、剛性は低く、不合格を示す×であった。

重量及び剛性は、◎、○、△、×の４段階で評価され、大変良好である◎は３点、良好である○は２点、普通である△は１点、不合格を示す×は０点とした。これらの結果を基に評価を行った。評価は、重量の結果の点数と剛性の結果の点数をかけ合わせて行った。０点が不合格を示す×、１点又は２点が普通である△、３点又は４点が良好である○、５点以上は大変良好である◎とした。

実験番号１に係るピストンは、重量が◎の３点、剛性が×の０点であり、これらをかけ合わせた点数は０点であった。実験番号１にかかるピストンの評価は、不合格を示す×である。

実験番号２では、Ｔ１を１．４ｍｍとした。Ｔ１／Ｔ２は、０．７０である。
実験番号２にかかるピストンは、重量が◎であり、剛性が△であった。
実験番号２にかかるピストンの評価は、３×１＝３点で○であった。

実験番号３では、Ｔ１を１．６ｍｍとした。Ｔ１／Ｔ２は、０．８０である。
実験番号３にかかるピストンは、重量が◎であり、剛性が△であった。
実験番号３にかかるピストンの評価は、３×１＝３点で○であった。

実験番号４では、Ｔ１を１．９ｍｍとした。Ｔ１／Ｔ２は、０．９５である。
実験番号４にかかるピストンは、重量が◎であり、剛性が△であった。
実験番号４にかかるピストンの評価は、３×１＝３点で○であった。

実験番号５では、Ｔ１を２．０ｍｍとした。Ｔ１／Ｔ２は、１．００である。
実験番号５にかかるピストンは、重量が○であり、剛性が△であった。
実験番号５にかかるピストンの評価は、２×１＝２点で△であった。

実験番号６では、Ｔ１を２．１ｍｍとした。Ｔ１／Ｔ２は、１．０５である。
実験番号６にかかるピストンは、重量が○であり、剛性が◎であった。
実験番号６にかかるピストンの評価は、２×３＝６点で◎であった。

実験番号７では、Ｔ１を２．６ｍｍとした。Ｔ１／Ｔ２は、１．３０である。
実験番号７にかかるピストンは、重量が○であり、剛性が◎であった。
実験番号７にかかるピストンの評価は、２×３＝６点で◎であった。

実験番号８では、Ｔ１を３．０ｍｍとした。Ｔ１／Ｔ２は、１．５０である。
実験番号８にかかるピストンは、重量が○であり、剛性が◎であった。
実験番号８にかかるピストンの評価は、２×３＝６点で◎であった。

実験番号９では、Ｔ１を３．１ｍｍとした。Ｔ１／Ｔ２は、１．５５である。
実験番号９にかかるピストンは、重量が×であり、剛性が◎であった。
実験番号９にかかるピストンの評価は、０×３＝０点で×であった。

実験番号６〜実験番号８で非常に良好な結果を得ることができた。即ち、ピストンの重量を考慮しつつ、スカート部及びスカート延長部の剛性のバランスを考えた場合、スカート部の厚さＴ１を、スカート延長部の厚さＴ２に対して１．０５倍〜１．５０倍とすることが望ましいことが分かった。

また、実験番号２〜実験番号４で良好な結果を得ることができた。即ち、ピストンの重量考慮しつつ、スカート部及びスカート延長部の剛性のバランスを考えた場合、スカート部の厚さＴ１を、スカート延長部の厚さＴ２に対して０．７０倍〜０．９５倍とすることも良好であることが分かった。

尚、本発明に係るエンジン用ピストンは、汎用エンジンを例に説明したが、車両にも適用可能であり、これらの形式のものに限られるものではない。

本発明のエンジン用ピストンは、汎用エンジンに好適である。

１０…エンジン用ピストン、１１…ピストンヘッド部、１２…スカート部、１３…スカート延長部、１４…ピンボス部。

Claims (1)

1. 円盤状のピストンヘッド部と、
   このピストンヘッド部の周縁に沿って、交互に位置している一対のスカート部及び一対のピンボス部と、
   前記一対のスカート部の周方向両端から、隣接する前記一対のピンボス部まで延びている、それぞれ一対のスカート延長部とが一体に形成され、
   前記一対のピンボス部は、コネクティングロッドを連結するためのピンを取付ける部分である、エンジン用ピストンにおいて、
   前記スカート部の厚さは、前記スカート延長部の厚さの１．０５倍から１．５０倍の範囲に設定されていることを特徴とするエンジン用ピストン。

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