JP2015025382A - ピストンの摺動部潤滑構造 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダ側の内周面にディンプル加工を施す対策と、ピストン側に縞模様の低摩擦コーティングを施す対策とを両立させ、夫々の対策を単独で講じた場合よりも摩擦力低減効果を大幅に高めて燃費の改善を図る。【解決手段】潤滑性を向上するためのディンプル加工を内周面に施したシリンダ１内で往復動するピストン２の摺動部潤滑構造に関し、ピストン２のスカート７における少なくとも反スラスト側の外周面に前記スカート７の摺動方向に向かって延びる縞模様を成すように低摩擦コーティングを施し、そのコーティング部８の相互間に前記スカート７の摺動方向に潤滑油を逃がす非コーティング部９を残す一方、前記ピストン２の反スラスト側におけるスカート７上部の中央付近に複数列の非コーティング部９に亘る低摩擦コーティングを施して複数列分のコーティング部８に相当する連続的なコーティングエリア１１を追加する。【選択図】図１

Description

本発明は、ピストンの摺動部潤滑構造に関するものである。

図３に示す如く、自動車等における一般的なエンジンでは、シリンダ１内に収容されたピストン２がピストンピン３を介しコンロッド４の小端部４ａにより揺動自在に支持されており、該コンロッド４の大端部４ｂがクランクピン５を介しクランクシャフト６と連結されている。

そして、クランクピン５はクランクアーム６ａによりクランクシャフト６の中心からずらした位置に支持されており、クランクピン５がクランクシャフト６の中心回りに円軌道（図３中の一点鎖線を参照）を描いて移動するようになっているので、コンロッド４がピストンピン３を中心に揺動しつつピストン２がシリンダ１内を昇降することになる。

一般的に、ピストン２側とシリンダ１側とが別素材により製作されていることで両者の熱膨張差が大きい場合には、ピストン２側が大きく熱膨張して焼付きを起こすような事態を未然に回避し得るようピストンクリアランスを多く確保する必要があるが、ピストンクリアランスを多く確保してしまうと、ピストンスラップ時に打音が生じてしまうという不具合が生じる。

このため、従来においては、ピストン２のスカート７（ピストン２のピストンリング装着部より下の部分）の外周面に耐焼付き性及び低摩擦特性を有する低摩擦コーティングを施してピストンクリアランスを詰め、これによりピストンスラップ時の打音低減とピストン２の摩擦低減を図るようにしている。

ところが、爆発圧力Ｐにより下方に押し下げられるピストン２は、コンロッド４の傾斜によりピストン２の図中左側が強くシリンダ１の内壁に押し付けられ、このような側圧を受けるスラスト側において、金属接触が発生する混合潤滑の状態が支配的となり、反スラスト側では、油膜を挟んで摩擦面同士が離れて滑る流体潤滑の状態が支配的となるため、流体潤滑が支配的な反スラスト側にまで全域に低摩擦コーティングを施してしまうことで摺動抵抗が増し、これにより燃費の更なる向上を図り得る余地が損なわれているという事実が本発明の出願人により既に見い出されている。

そこで、本発明の出願人は、図４及び図５に示すように、ピストン２のスカート７における反スラスト側の外周面に、前記スカート７の摺動方向に向かって延びる縞模様を成すように低摩擦コーティングを施し、そのコーティング部８の相互間に前記スカート７の摺動方向に潤滑油を逃がす非コーティング部９を残すことを創案するに到り、これを下記の特許文献１として既に出願している。

このようにすれば、コーティング部８と非コーティング部９との境界にコーティング厚さ分の段差ｇ（図５参照）が生じ、実質的なシリンダライナ側との潤滑面が各コーティング部８の存在する領域だけに限定され、これによりピストンのスカート７における潤滑面積が低減されて摩擦力が大幅に減少することになる。

即ち、各コーティング部８の相互間に残る非コーティング部９は、スカート７の摺動方向に開放されていて潤滑油を自由に逃がし得るようになっているため、各非コーティング部９では、流体潤滑の状態にすらならず、潤滑油の粘度も殆ど影響しない非常に摩擦抵抗の少ない状態となるため、シリンダ１の内周面に対する実質的な潤滑面は、各コーティング部８の存在する領域だけに限定されることになる。

しかも、各コーティング部８とシリンダ１の内周面との間は、油膜を挟んで摩擦面同士が離れて滑っている状態の流体潤滑の状態となるが、各コーティング部８の存在する領域では、ピストンクリアランスが詰まってピストン２の摺動時における油膜厚さが薄くなり、これにより摩擦係数が小さく抑えられて摩擦力がより少なくなる。

即ち、図６に縦軸を摩擦係数とし横軸を油膜厚さとしたストライベック線図で示す通り、流体潤滑の領域では、油膜厚さが薄くなるほど摩擦係数μが小さくなるため、各コーティング部８の存在によりピストンクリアランスが詰まって油膜厚さが薄くなれば、その摩擦係数μが小さくなって摩擦力が少なくなる。

尚、スカート７の周方向複数箇所に各コーティング部８が存在してピストンクリアランスが詰まっているので、従来通りの適切なコーティング厚を確保すれば、ピストンスラップ時の打音を従来と同等レベルに低減することが可能となる。

一方、このようにピストン２側に摩擦力を低減する対策を施す以外に、図７に示す如く、潤滑性を向上するためのディンプル加工をシリンダ１の内周面に施すことも特許文献２として既に提案されており、このようにする場合には、前記シリンダ１の内周面のうち、前記ピストン２（図３参照）の上死点における最下位のピストンリングのリング溝の下面位置から、前記ピストン２の下死点における最上位のピストンリングのリング溝の上面位置までの間の領域を成す行程中央部領域Ａに、複数の凹部１０をシリンダ１の軸方向に所定の間隔で形成するようにしている。

即ち、ピストン２の移動速度が比較的小さい上死点付近及び下死点付近では、シリンダ１の内周面の表面粗さを小さくすることにより往復動摩擦の低減を図ることができるが、シリンダ１の内周面とピストンリングとの摺動速度が大きい領域である行程中央部領域Ａでは、潤滑油の剪断抵抗の影響が大きくなるため、シリンダ１の内周面のうちの行程中央部領域Ａにのみ凹部１０を形成することで、ピストンリングとシリンダ１の内周面との接触面積を小さくし、潤滑油の剪断抵抗の影響を低減することができる。

また、前記各凹部１０相互の間隔は、シリンダ１の内周面を摺動するピストンリングの中で、その摺動方向の厚さが最も小さいピストンリングの厚さよりも小さく設定してあり、このように前記各凹部１０相互の間隔を設定しておけば、複数の凹部１０のうちの何れかとピストンリングとが常に重なり合う状態を維持することができ、摩擦力低減という効果を安定的に発揮せしめることができる。

特許第５１２２４２０号公報 特許第５１５５９２４号公報

しかしながら、潤滑性を向上するためのディンプル加工を内周面に施したシリンダ１内で往復動するピストン２の反スラスト側の外周面に、前述した図４の縞模様の低摩擦コーティングを施した構造を併用すると、シリンダ１側とピストン２側での摩擦力低減の対策を夫々単独で講じた場合よりも摩擦力が増加し、全体として摩擦力低減効果を目減りさせてしまって、意図した通りの燃費の改善に繋がらないという問題があった。

即ち、シリンダ１側の内周面にディンプル加工を施す対策も、ピストン２側に縞模様の低摩擦コーティングを施す対策も、実質的な摺動面積（接触面積）を減らすことで潤滑油の剪断抵抗に起因する摩擦力を小さくするというものであったため、両方の対策を併用することでシリンダ１側とピストン２側との摺動面積が部分的に小さくなり過ぎてしまい、その面圧が過剰に高まることで部分的に混合潤滑状態が生じ、これにより摩擦係数μが急激に増加して摩擦力の大幅な増加を招いてしまっていた。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、シリンダ側の内周面にディンプル加工を施す対策と、ピストン側に縞模様の低摩擦コーティングを施す対策とを両立させ、夫々の対策を単独で講じた場合よりも摩擦力低減効果を大幅に高めて燃費の改善を図り得るようにすることを目的としている。

本発明は、潤滑性を向上するためのディンプル加工を内周面に施したシリンダ内で往復動するピストンの摺動部潤滑構造であって、ピストンのスカートにおける少なくとも反スラスト側の外周面に前記スカートの摺動方向に向かって延びる縞模様を成すように低摩擦コーティングを施し、そのコーティング部の相互間に前記スカートの摺動方向に潤滑油を逃がす非コーティング部を残す一方、前記ピストンの反スラスト側におけるスカート上部の中央付近に複数列の非コーティング部に亘る低摩擦コーティングを施して複数列分のコーティング部に相当する連続的なコーティングエリアを追加したことを特徴とするものである。

而して、このようなディンプル加工を内周面に施したシリンダ内で往復動するピストンの摺動部潤滑構造にあっては、シリンダ内を往復動するピストンがピストンピンを中心として微小な首振り挙動を起こす結果、主として圧縮行程と排気行程でピストンの反スラスト側におけるスカート上部の中央付近がシリンダの内周面に対し強く当たっている事実が本発明者の鋭意研究により突き止められているが、この部分に複数列の非コーティング部に亘る低摩擦コーティングを施して複数列分のコーティング部に相当する連続的なコーティングエリアを追加しているので、シリンダの内周面に対する摺動面積が部分的に小さくなり過ぎてしまう事態を未然に回避することが可能となり、その面圧が軽減されて部分的な混合潤滑状態の発生を抑制することが可能となる。

また、本発明においては、ピストンのスカートにおけるスラスト側の外周面全域に低摩擦コーティングを施すことが好ましく、このようにすれば、金属接触が発生する混合潤滑の状態が支配的となる前記スカートのスラスト側において、その全域が低摩擦コーティングで被覆されていることにより従来通りの耐焼付き性及び低摩擦特性を発揮させることが可能となる。

上記した本発明のピストンの摺動部潤滑構造によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。

（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、ピストンの反スラスト側におけるスカート上部の中央付近がシリンダの内周面に対し強く当たっても、シリンダの内周面に対する摺動面積が部分的に小さくなり過ぎてしまう事態を未然に回避することができ、その面圧を軽減して部分的な混合潤滑状態の発生を抑制することができるので、このような部分的な混合潤滑状態の発生により摩擦係数が急激に増加して摩擦力の大幅な増加を招いてしまう事態を防ぐことができ、これによって、シリンダ側の内周面にディンプル加工を施す対策と、ピストン側に縞模様の低摩擦コーティングを施す対策とを両立させ、夫々の対策を単独で講じた場合よりも摩擦力低減効果を大幅に高めて燃費の改善を図ることができる。

（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、金属接触が発生する混合潤滑の状態が支配的となるピストンのスカートにおけるスラスト側において、その全域を低摩擦コーティングで被覆して従来通りの耐焼付き性及び低摩擦特性を発揮させることができる。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図１のＩＩ−ＩＩ矢視の断面図である。 一般的なエンジンの一例を示す概略図である。 ピストン側に縞模様の低摩擦コーティングを施した例を示す側面図である。 図４のＶ−Ｖ矢視の断面図である。 縦軸を摩擦係数とし横軸を油膜厚さとしたストライベック線図である。 シリンダ側にディンプル加工を施した例を示す断面図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図４及び図５と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

図１及び図２に示す如く、本形態例においては、先に図７で説明した潤滑性を向上するためのディンプル加工を内周面に施したシリンダ１内で往復動するピストン２を適用対象としており、ピストン２のスカート７における反スラスト側の外周面に前記スカート７の摺動方向に向かって延びる縞模様を成すように低摩擦コーティングを施し、そのコーティング部８の相互間に前記スカート７の摺動方向に潤滑油を逃がす非コーティング部９を残す一方、前記ピストン２の反スラスト側におけるスカート７上部の中央付近に複数列の非コーティング部９に亘る低摩擦コーティングを施して複数列分のコーティング部８に相当する連続的なコーティングエリア１１を追加し、前記ピストン２のスカート７におけるスラスト側の外周面全域には低摩擦コーティングを施すようにしている。

このようなディンプル加工を内周面に施したシリンダ１内で往復動するピストン２の摺動部潤滑構造にあっては、シリンダ１内を往復動するピストン２がピストンピン３（図３参照）を中心として微小な首振り挙動を起こす結果、主として圧縮行程と排気行程でピストン２の反スラスト側におけるスカート７上部の中央付近がシリンダ１の内周面に対し強く当たっている事実が本発明者の鋭意研究により突き止められている。

即ち、微視的に捉えると、スカート７より上側のピストンリングが外嵌装着される部分は、前記スカート７よりも僅かに小径に作られているので、該スカート７の微小な首振り挙動により反スラスト側で最も強く当たる部分は、スカート７上部の中央付近ということになるのである。

このため、ピストン２の反スラスト側におけるスカート７上部の中央付近に、複数列の非コーティング部９に亘る低摩擦コーティングを施して複数列分のコーティング部８に相当する連続的なコーティングエリア１１を追加しておけば、シリンダ１の内周面に対する摺動面積が部分的に小さくなり過ぎてしまう事態を未然に回避することが可能となり、その面圧が軽減されて部分的な混合潤滑状態の発生を抑制することが可能となる。

従って、上記形態例によれば、ピストン２の反スラスト側におけるスカート７上部の中央付近がシリンダ１の内周面に対し強く当たっても、シリンダ１の内周面に対する摺動面積が部分的に小さくなり過ぎてしまう事態を未然に回避することができ、その面圧を軽減して部分的な混合潤滑状態の発生を抑制することができるので、このような部分的な混合潤滑状態の発生により摩擦係数が急激に増加して摩擦力の大幅な増加を招いてしまう事態を防ぐことができ、これによって、シリンダ１側の内周面にディンプル加工を施す対策と、ピストン２側に縞模様の低摩擦コーティングを施す対策とを両立させ、夫々の対策を単独で講じた場合よりも摩擦力低減効果を大幅に高めて燃費の改善を図ることができる。

また、本形態例においては、ピストン２のスカート７におけるスラスト側の外周面全域に低摩擦コーティングを施しているので、金属接触が発生する混合潤滑の状態が支配的となる前記スカート７のスラスト側において、その全域を低摩擦コーティングで被覆して従来通りの耐焼付き性及び低摩擦特性を発揮させることができる。

即ち、先に説明した図６のストライベック線図に示されている通り、流体潤滑の領域においては、油膜厚さが薄くなるに従い摩擦係数μが小さくなるが、所定の油膜厚さを越えて金属接触が発生する混合潤滑に移行してしまうと、油膜厚さが薄くなるに従い摩擦係数μが急激に増加してしまう。

このため、混合潤滑が支配的なスラスト側にあっては、非コーティング部９を残してしまうことにより該非コーティング部９がシリンダ１の内周面と金属接触を起こして焼付きや摩耗損失を招いてしまうデメリットの方が大きいと考えられ、このようなデメリットを回避することを優先している。

尚、本発明のピストンの摺動部潤滑構造は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ シリンダ
２ ピストン
７ スカート
８ コーティング部
９ 非コーティング部
１１ コーティングエリア

Claims (2)

1. 潤滑性を向上するためのディンプル加工を内周面に施したシリンダ内で往復動するピストンの摺動部潤滑構造であって、ピストンのスカートにおける少なくとも反スラスト側の外周面に前記スカートの摺動方向に向かって延びる縞模様を成すように低摩擦コーティングを施し、そのコーティング部の相互間に前記スカートの摺動方向に潤滑油を逃がす非コーティング部を残す一方、前記ピストンの反スラスト側におけるスカート上部の中央付近に複数列の非コーティング部に亘る低摩擦コーティングを施して複数列分のコーティング部に相当する連続的なコーティングエリアを追加したことを特徴とするピストンの摺動部潤滑構造。
2. ピストンのスカートにおけるスラスト側の外周面全域に低摩擦コーティングを施したことを特徴とする請求項１に記載のピストンの摺動部潤滑構造。

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