JP2016038022A - 内燃機関のピストンピン及びこれを備えた内燃機関のピストンとコンロッドとの連結構造 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関のピストンピンにおける剛性の確保と軽量化の促進とを両立する。【解決手段】ピストン２１とコンロッド１４とを連結するためのピストンピン１５に、爆発荷重方向にピストンピンの直径方向に貫通し、所定の幅ｂをもって軸線Ｘ方向に延在する長孔３１を設ける。ピストンピンの軽量化を促進することができると共に、ピストンピンの軸線方向視の断面形状において長孔の両側部分が直径方向に沿うように延在し、その両側部分によりピストンピンが爆発荷重を圧縮荷重として受けることができるため、ピストンピンの潰れ剛性の低下を抑制することができ、長孔を設けて軽量化した場合の剛性を確保し得る。円筒状ピストンピンの場合には、軽量化した重量分をピストンピンの肉厚に還元することにより、孔無しの円筒状ピストンピンと同じ重量で、潰れ剛性及び曲げ剛性を高めたピストンピンを提供することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関におけるピストンとコンロッドとを連結するピストンピン及びこれを備えた内燃機関のピストンとコンロッドとの連結構造に関するものである。

内燃機関において、シリンダ内を往復運動するピストンとシリンダ軸とがコンロッドを介して連結され、ピストンとコンロッド小端部とを連結するためにピストンピンが設けられている。ピストンに形成された一対のピストンピンボス部のピン孔によりピストンピンの軸線方向両端部が支持され、ピストンピンの軸線方向中間部にコンロッド小端部が連結されることから、膨張行程での爆発力及び慣性力が荷重としてピストンピンに加わる。

このように、ピストンピンには上記荷重に抗し得る剛性（曲げ剛性・潰れ剛性）が求められる。さらにピストンピンは、内燃機関の往復運動する部分に用いられ、運動部分の質量に直結するために軽量化も求められている。

このようなピストンピンの剛性確保と軽量化とを実現するために、ピストンピンの形状を円筒状として、円筒状体の内部に、円筒状体の中心で十字状に交差し、円筒状体の内壁に結合され、円筒状体の軸線方向に延在する複数の区画室を区画するリブを設けたものがある（例えば特許文献１参照）。また、円筒状ピストンピンの軸線方向中央に壁を形成するとともに、軸線方向両端に内向フランジを一体的に形成し、壁の両側を円筒状に刳り貫いて２個の凹所を形成したものがある（例えば特許文献２参照）。

特開２００４−３５３５００号公報 特開平７−１３９６２９号公報

上記特許文献１のピストンピンによれば、円筒状体の内部に十字状のリブが形成されていることにより剛性を高めることができる。しかしながら、構造が複雑で製造コストが高騰化するという問題がある。また、ピストンピンとコンロッド及びピストンとの間にクリアランスを設けるフルフロート構造にした場合には、ピストンピンが曲がり易くまたは潰れ易い角度になったときに、大きく曲がりまたは潰れるという虞がある。一方、ピストンとピストンピンとを摺動させるクリアランスを設けたセミフロート構造にした場合には、ピストンピンを位置決めできない場合には高剛性を必要とする方向にリブが延在する保証がなく、位置決めできる場合には高剛性を必要としない方向のリブが無駄であるという問題があった。

本発明は、以上の背景に鑑み、内燃機関のピストンピンにおける剛性の確保と軽量化とを両立することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、シリンダ（１２）内を往復運動するピストン（１３）と、前記ピストンとクランク軸（１１）とを連結するコンロッド（１４）とを有する内燃機関（１）における、前記ピストンと前記コンロッドとを連結するピストンピン（１５）であって、当該ピストンピンは、前記ピストンから受ける爆発荷重方向に当該ピストンピンの直径方向に貫通し、かつ軸線方向に長い長孔（３１）を有することを特徴とする。

この構成によれば、コンロッドと連結されるピストンピンにおいて、爆発荷重方向にピストンピンの直径方向に貫通しかつ軸線方向に長い長孔を設けたことから、ピストンピンを軽量化できると共に、ピストンピンの軸線方向視の断面形状において長孔の両側部分が直径方向に沿うように延在し、その両側部分によりピストンピンが爆発荷重を圧縮荷重として受けることができるため、ピストンピンの潰れ剛性の低下を抑制することができ、長孔を設けて軽量化しても剛性を確保し得る。

また、上記の発明において、当該ピストンピン（１５）は、円筒状をなすとよい。この構成によれば、同等質量の円筒状ピストンピンに対して、ピストンピンの潰れ剛性の低下を抑制しつつピストンピンを軽量化することができる。また、軽量化した重量分をピストンピンの肉厚に還元することにより、孔無しの円筒状ピストンピンと同じ重量で、潰れ剛性及び曲げ剛性を高めたピストンピンを提供することができる。

また、上記の発明において、前記長孔（３１）は、一定の幅（ｂ）で当該ピストンピンの軸線方向に延在する部分を有し、前記幅は、当該ピストンピンの外径（Ｄ）の２０％以上であり、かつ当該ピストンピンの内径（ｄ）を超えないとよい。この構成によれば、孔無しの円筒状ピストンピンに対して、軽量化した場合の潰れ剛性低下の抑制を向上でき、より一層ピストンピンを軽量化し得る。

また、上記いずれかの発明のピストンピンを備えた内燃機関における前記ピストンと前記コンロッドとの連結構造であって、前記ピストンピンは、前記コンロッドのピン挿通孔（２９）に挿通され、前記ピン挿通孔の内周面に、前記長孔に突入し、前記ピストンピンの軸線周りの回転を規制する凸部（３２）が形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、長孔と凸部との係合によりピストンピンを回り止めすることができるため、簡単な構造で長孔を爆発荷重方向に対応する位置に保持することができる。

このように本発明によれば、内燃機関のピストンピンにおける剛性の確保と軽量化とを両立することができる。

本発明が適用された内燃機関の要部を破断して示す正面図 図１のII−II線に沿って破断して見た要部拡大断面図 （ａ）はピストンピンを示す斜視図、（ｂ）は（ａ）の軸線Ｘに沿って破断して矢印IIIｂ線方向に見た断面図、（ｃ）は（ｂ）の軸線Ｚに沿って破断して矢印IIIｃ線方向に見た断面図 ピストンピンの質量割合の変化に対する潰れ剛性割合の変化を示す図 （ａ）はピストンピンの回り止め構造を示す図３（ｂ）に対応する図、（ｂ）は図３（ｃ）に対応する図

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明が適用された内燃機関１の要部を破断して示す正面図である。なお、以下の説明において方向を示す場合には図の矢印により示される方向を用いる。

図に示されるように、内燃機関１は、本体をなすシリンダブロック２と、シリンダブロック２の上部に設けられたシリンダヘッド３と、シリンダブロック２の下部に設けられたオイルパン４と、シリンダヘッド３の上部に設けられたヘッドカバー５とを有する。シリンダブロック２の下部は、下方に向けて開口したクランクケース６をなし、オイルパン４によって閉じられている。シリンダヘッド３の上部と、ヘッドカバー５との間には動弁室７が画成されている。動弁室７には動弁機構が設けられているが、公知のオーバーヘッドカムシャフトの機構を用いたものであってよく、その説明を省略する。

シリンダブロック２のクランクケース６には、クランクシャフト１１が回転可能に支持されている。なお、図における内燃機関１は、クランクシャフト１１の軸線が車幅方向（左右方向）に延在するように、車体に対して横置きに配置されている。

シリンダブロック２には円筒状のシリンダ１２が形成されており、シリンダ１２にはピストン１３が同軸的に摺動自在に受容されている。ピストン１３とクランクシャフト１１とはコンロッド１４により連結されている。コンロッド１４の小端部がピストンピン１５を介してピストン１３に連結され、コンロッド１４の大端部が、クランクシャフト１１に形成されたクランクピン１１ａに連結されている。

シリンダヘッド３の下端面には、シリンダ１２と連続する燃焼室１８が凹設されている。燃焼室１８は、凹状の略円錐面により形成され、燃焼室１８には、動弁機構を構成する吸気バルブ７ａ及び排気バルブ７ｂにより開閉される吸気ポート３ａ及び排気ポート３ｂが開口している。また、燃焼室１８の中央部には、図示省略の点火プラグの接地電極が露出している。

図２は、図1のII−II線に沿って破断して示すピストン１３の要部拡大断面図である。ピストン１３は、円形状のピストン頭頂部（クラウン部）２１と、ピストン頭頂部２１から互いに離間して垂下し、かつ対向する左右一対の壁状のピンボス部２２と、ピストン頭頂部２１の周縁部から下方へと延出された一対のスカート部２３とを有している。ピストン１３の中心軸線である軸線Ｚは上下方向と一致している。

なお、ピストン頭頂部２１は、円板状の天板２５と、天板２５の周縁部から下方へと突出すると共に、周縁部に沿って延設された円筒壁２６とを有している。円筒壁２６の外周面には、上下方向に互いに離間して周方向に延在する３本の環状溝が設けられており、上側の２本の環状溝にはコンプレッションリングが、下側の環状溝にはオイルリングが、それぞれ嵌め付けられる。

上記一対のピンボス部２２には、図２における左右方向に同軸に貫通するピン孔２７がそれぞれ形成されている。ピン孔２７には円筒状のピストンピン１５が挿入されている。ピストンピン１５は、両ピン孔２７による軸線方向全長よりは短い軸線方向長さを有し、両ピン孔２７の軸線方向両端近傍に形成されたリング溝に嵌め込まれた各スナップリング２８により、ピン孔２７内に位置決めされている。

一対のピンボス部２２間にはコンロッド１４の小端部１４ａが突入している。小端部１４ａにはピストンピン１５が挿通されるピン挿通孔２９が形成されている。ピストンピン１５の軸線方向両端部がピンボス部２２のピン孔２７により支持され、中間部がコンロッド１４のピン挿通孔２９により支持される。

図３は、本発明が適用されたピストンピン１５を示す斜視図である。図３（ａ）に示されるように、ピストンピン１５の軸線Ｘ方向における中間部分には、所定の幅ｂをもって軸線Ｘ方向に延在する長孔３１が形成されている。長孔３１は、ピストンピン１５の円筒状の周壁１５ａを図における上下の直径方向（軸線Ｚ方向）に貫通し、図３（ｂ）・（ｃ）に示されるように上下一対設けられ、同じ形状に形成されている。軸線Ｚ方向は、爆発力及び慣性力が荷重として作用する方向である。

また、長孔３１は、所定の幅ｂの互いに平行な一対の直線部分と、一対の直線部分の軸線Ｘ方向両端側に形成された半円状部分とにより、長孔形状に形成されている。半円状部分は、ドリルやエンドミル等により容易に加工可能であり、また半円でなくてもよいが、一対の直線部分の両端間を滑らかに連続する曲線で結ぶ形状にするとよい。このような形状とすることにより、応力集中部分を無くすことができる。

図４は、横軸をピストンピン１５の質量割合とし、縦軸を潰れ剛性割合として示すグラフである。なお、潰れ剛性割合とはピストンピン１５の円形を保つ剛性である。外径（図３（ｂ）のＤ）＝２０ｍｍ、内径（図３（ｂ）のｄ）＝１２ｍｍ、全長（軸線Ｘ方向長さ）＝４６ｍｍで形成したピストンピン１５であって、孔無しの円筒状体からなるもの（以下、孔無し円筒状ピストンピンと称する。）を基準とする。図の点Ｐは、上記寸法形状の孔無し円筒状ピストンピンの質量割合＝１とし、潰れ剛性割合＝１とする点である。潰れ剛性割合は、組み付け状態を再現した状態で、所定の荷重を小端部１４ａの上半分に軸線Ｚ方向に掛けた場合のピストンピン１５の軸線Ｘ方向中間部分の潰れ難さを表すものである。

図のプロット無しの実線は、孔無し円筒状ピストンピンの外径と全長とを一定とし、内径ｄを変えることにより質量割合を変えた場合の潰れ剛性割合の変化を示す。孔無し円筒状ピストンピンの場合には、内径ｄを大きくすることで軽量化を図ることができる。ただし、図に示されるように、例えば１０％の軽量化に対して、潰れ剛性割合は約１５％低下し、２０％を超える軽量化に対しては、潰れ剛性割合は６０％程度低下する。

それに対して、本発明による長孔３１を設けて軽量化した場合について以下に説明する。本発明では、上記荷重方向（軸線Ｚ方向）に長孔３１が貫通する。それに対して、荷重方向に直交する方向となる軸線Ｙ方向に貫通する長孔を設けたものを比較対象の参考例として示す。

図４では、長孔３１の外径Ｄに対する幅ｂの割合が８％（ひし形プロット）の場合と、２３％（丸形プロット）の場合と、４４％（四角形プロット）の場合との３パターンについて、本発明のものは塗り潰しで、参考例は中抜きで表す。幅ｂが同じ割合のもので質量割合を示す各プロットの違いは、長孔３１の長さ（軸線Ｘ方向長さ）を段階的に変化させたことによるものである。図では、その長さを質量割合＝１から１１段階で変化させ、幅ｂの割合が異なるもの同士でも、それぞれのものについて同じ長さで段階的に変化させ、それぞれのものについて１１段階の長さの変化における結果を示している。

幅ｂの割合が８％（ひし形プロット）の場合、本発明及び参考例共、質量割合の低下に対して潰れ剛性割合が大きく低下している。この場合には、孔無し円筒状ピストンピン（実線）の下の領域になり、孔無し円筒状ピストンピンに対する優位性が見られない。

幅ｂの割合が２３％（丸形プロット）の場合、本発明では、質量割合の低下に対して潰れ剛性割合はそれ程大きく低下せず、孔無し円筒状ピストンピン（実線）より上の領域にあり、孔無し円筒状ピストンピンに対して優位である。一方、参考例では、質量割合の低下に対して潰れ剛性割合が大きく低下し、質量割合が７％を超えた辺りで孔無し円筒状ピストンピン（実線）の下の領域になり、孔無し円筒状ピストンピンに対する優位性が見られない。

幅ｂの割合が４４％（四角形プロット）の場合、本発明及び参考例共、質量割合の低下に対する潰れ剛性割合の低下が孔無し円筒状ピストンピン（実線）より上の領域にある。しかしながら、参考例の場合には孔無し円筒状ピストンピン（実線）より少し上にあるだけである。また、同じ段階（長孔の長さが同じ）のものでは長孔の幅が大きい程潰れ剛性が低下する（同じ段階のプロットを結ぶ線が左下がりとなる）。それに対して、本発明では質量割合の低下に対して潰れ剛性割合の低下が極めて小さく、また、同じ段階（長孔の長さが同じ）のものでは長孔の幅が大きい程潰れ剛性の低下率が小さい（同じ段階のプロットを結ぶ線が左上がりとなる）。具体的には、質量割合が２３％の低下に対して潰れ剛性割合の低下は１０％程度であり、参考例に対して、潰れ剛性割合の改善（図のＡ）が生じる。例えば、長孔３１による軽量化分を周壁の肉厚分に還元することにより、孔無し円筒状ピストンピンと同じ重量で、かつ潰れ剛性を高めたものを製造することができる。

このように、ピストンピン１５においてピストン１３からの爆発荷重をコンロッド１４との間で受ける部分に、その荷重を受ける方向に貫通する長孔３１を設けたことから、コンロッド１４の小端部１４ａからの押圧力が大きく作用する孔無し円筒状ピストンピンにおける円弧状部分を取り除くことができる。本発明によるピストンピン１５では、軸線Ｘ方向視でピストンピン１５の周壁における長孔３１の両側となる部分は、図３（ｃ）に示されるように軸線Ｚ方向に起立する縦壁状部分となり、上記荷重を縦壁状部分の起立方向に圧縮荷重として受けるようになるため、大きな耐荷重性が確保される。これにより、長孔３１を設けたことによるピストンピン１５の剛性低下が抑制される。

孔無し円筒状ピストンピンの場合には、荷重を受ける円弧状部分が荷重方向（軸線Ｚ方向）と直交する部分に存在し、かつ小端部１４ａのピン挿通孔２９の内周面に接しているため、小端部１４ａからの荷重により円弧状部分に潰れが生じ易い。幅ｂが８％の場合には長孔３１を設けた部分に円弧状部分がある程度存在するため、円弧状部分が存在する参考例の場合と略同じ変化となっている。

それに対して、長孔３１の幅ｂを大きくすることにより、荷重方向（軸線Ｚ軸方向）と直交するように延在する円弧状部分による影響が小さくなる。上述したように、幅ｂの割合が２３％の場合には孔無し円筒状ピストンピンに対する優位性があることから、長孔３１の外径Ｄに対する幅ｂの割合を２０％以上とするとよい。さらに、幅ｂの割合が４４％の場合には、ピストンピン１５の耐荷重性を確保しつつ軽量化を大きく促進することができる。なお、長孔３１の幅ｂを内径ｄよりも大きくするとピストンピン１５の上記縦壁状部分の肉厚が減少するため、長孔３１の幅は内径ｄを超えないとするとよい。

また、長孔３１の軸線Ｘ方向の範囲は、図２には、小端部１４ａよりも長いがピンボス部２２（ピン孔２７）には至らないようにしたものが示されているが、これに限られるものではない。例えば、長孔３１の軸線Ｘ方向に延在する長さを、小端部１４ａ内に収まる長さであってもよく、またはピンボス部２２（ピン孔２７）と重複する部分を有する長さであってもよい。

また、上記実施形態では孔無し円筒状ピストンピンの内径ｄ＝１２ｍｍの場合について比較したが、内径ｄ＝１０ｍｍの場合や１１ｍｍの場合についても同様の結果が得られ、外径Ｄに対する長孔幅ｂの割合を２０％以上にすることにより、軽量化及び剛性確保において有効である。

本発明によるピストンピン１５は、長孔３１の貫通方向が爆発荷重を受ける方向となるため、稼働中に回転しないように組み付ける必要がある。通常は、ピストンピン１５をコンロッド１４のピン挿通孔２９に圧入することで組み付けるが、より確実な回り止めとして、例えばスチールボールまたはピンをピン挿通孔２９とピストンピン１５との間に打ち込み、加締めるとよい。あるいは、小端部１４ａの外周面からピン挿通孔２９に向けてねじ込んだボルトによりピストンピン１５を軸線Ｘ周りに対して回り止めすることができる。

図５は、上記回り止めの他の例を示す図３（ｂ）に対応する図である。なお、上記と同様の部分については同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。この例では、ピン挿通孔２９の内周面に、長孔３１内に突入する凸部３２が形成されている。これにより、ピストンピン１５の軸線Ｘ周りの回転方向に対して長孔３１と凸部３２とが係合するため、ピストンピン１５を容易に回り止めし得る。なお、図示例では上下一対の長孔３１の上側に突入する凸部３２を設けたが、下側または両側に設けてもよい。なお、凸部３２を設けた場合には、ピストンピン１５の圧入時にはピストンピン１５の外周面を凸部３２が乗り越えるようになるため、凸部３２の突出量を乗り越え可能な程度にするとよい。

以上、本発明を、その好適実施形態の実施例について説明したが、当業者であれば容易に理解できるように、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。上記実施形態では、円筒状のピストンピン１５に適用した例を示したが、中実のピストンピンにも適用し得る。また、ピストンピン１５の回り止めとしてコンロッド１４との間に回り止め構造を設けたが、ピストン１３との間に同様の回り止め構造を設けてもよい。また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

１ 内燃機関
１１ クランク軸
１３ ピストン
１４ コンロッド
１５ ピストンピン
２９ ピン挿通孔
３１ 長孔
３２ 凸部
ｂ 幅
ｄ 内径
Ｄ 外径

Claims (4)

1. シリンダ内を往復運動するピストンと、前記ピストンとクランク軸とを連結するコンロッドとを有する内燃機関における、前記ピストンと前記コンロッドとを連結するピストンピンであって、
   当該ピストンピンは、前記ピストンから受ける爆発荷重方向に当該ピストンピンの直径方向に貫通し、かつ軸線方向に長い長孔を有することを特徴とする内燃機関のピストンピン。
2. 当該ピストンピンは、円筒状をなすことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストンピン。
3. 前記長孔は、一定の幅で当該ピストンピンの軸線方向に延在する部分を有し、
   前記幅は、当該ピストンピンの外径の２０％以上であり、かつ当該ピストンピンの内径を超えないことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関のピストンピン。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のピストンピンを備えた内燃機関における、前記ピストンと前記コンロッドとの連結構造であって、
   前記ピストンピンは、前記コンロッドのピン挿通孔に挿通され、
   前記ピン挿通孔の内周面に、前記長孔に突入し、前記ピストンピンの軸線周りの回転を規制する凸部が形成されていることを特徴とするピストンピンを備えた内燃機関のピストンとコンロッドとの連結構造。

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