JP2016128663A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】 スカート付近の重量の増加を抑え、さらにピストンに加わる応力を分散させることにより、ピストンの姿勢を安定させること、ピストンとピストンピンとの摩耗や焼きつきを抑えることができる内燃機関用ピストンを提供する。【解決手段】 燃焼室からの燃焼圧を受ける冠面１１を有する冠部と、シリンダボア２ａと摺動する摺動面を有するスカート部１４Ａと、ピストンピンボスを有するピンボス部１２と、前記スカート部１４Ａと前記ピンボス部１２とを連結させるサイドウォール１５とを備える内燃機関用ピストンであって、前記サイドウォール１５の厚さは前記サイドウォール１５のスカート部１４Ａ側では最も薄くなり、ピンボス部１２側では最も厚くなるように変化させて構成したことにある。【選択図】 図３

Description

本発明は、内燃機関のピストンに関する。

従来、内燃機関のピストンの姿勢を安定させる技術として、ピストンスカート部の肉厚をスカート下端部に行くにしたがって徐々に厚くし、剛性を最適化してピストンスラップ衝撃を抑える技術（特許文献１参照）、スカート部の横方向剛性がスカート部下部で大、スカート部上部で小となるようにし、スカート下端部の変形を抑えることでシリンダボアとのクリアランス低減および油膜切れや、オイルリングのシール性低下を抑制できる技術（特許文献２参照）が知られている。

特開平１０−１５９９７４号公報 特開平４−２１９５７０号公報

しかしながら、上述した技術ではスカート付近の重量が増して重量バランスが悪化することにより、ピストンの姿勢が安定せず、ピストンがシリンダボアに接触し、異音が発生したり、キズの原因となるおそれや、ピンボス部で応力集中が発生してピストンピンが摩耗したり焼き付く恐れがある。さらに、上述したピストンを製造する際、鋳造では抜き方向に逆テーパがついてしまうため製造するのが困難である。
このように、先行技術文献の構成ではスカート付近の重量が増加してしまい、ピストンの姿勢が安定しなくなる課題がある。

本発明は、スカート付近の重量の増加を抑え、さらにピストンに加わる応力を分散させることにより、ピストンの姿勢を安定させること、ピストンとピストンピンとの摩耗や焼きつきを抑え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。

本発明は、上記課題を解決するため、燃焼室からの燃焼圧を受ける冠面を有する冠部と、シリンダボアと摺動する摺動面を有するスカート部と、ピストンピンボスを有するピンボス部と、前記スカート部と前記ピンボス部とを連結させるサイドウォールとを備える内燃機関用ピストンであって、前記サイドウォールの厚さは前記サイドウォールのスカート部側では最も薄くなり、ピンボス部側では最も厚くなるように変化させて構成したことにある。

本発明によるサイドウォールの外壁は、サイドウォールが最も厚くなる最肉厚部でピンボス部の外壁よりも外側方向にせり出したのち、ピンボス部の外壁に接続していることにある。

本発明によるサイドウォールが最も薄くなる最肉薄部の厚さは、サイドウォールとスカート部とが接続する始端部の厚さよりも薄く、サイドウォールが最も厚くなる最肉厚部の厚さは、サイドウォールとピンボス部とが接続する終端部の厚さよりも厚いことにある。

本発明によるサイドウォールはサイドウォールの内壁と外壁とが湾曲形状を有するように連続的に形成され、最肉厚部よりもスカート部側ではサイドウォールの内壁の湾曲方向と、サイドウォールの外壁の湾曲方向とが反対方向であることにある。

本発明による最肉厚部よりもピンボス部側では、サイドウォールの内壁の湾曲方向と、サイドウォールの外壁の湾曲方向とが同方向となることにある。

本発明による最肉厚部よりもスカート部側のサイドウォールの内壁の曲率半径は、最肉厚部よりもスカート部側のサイドウォールの外壁の曲率半径よりも小さいと共に、最肉厚部よりもピンボス部側のサイドウォールの外壁の曲率半径よりも大きいことにある。

本発明によるスカート部はスラスト側スカート部であることにある。

本発明では、シリンダボアからの側圧を受けた場合にサイドウォールの肉薄部で変形しやすくすることにより、スカート部に加わる応力を緩和でき、スカート部の重量を増やすこと無くスカート下端部の変形を抑えることができるため、ピストンの姿勢悪化を抑えることができる。さらにピンボス部側ではサイドウォールを最も厚くして、ピストンピンボスとピストンピンの回転軸に近い部分の重量が増加することにより、回転軸周りに発生する慣性モーメントを効率よく分散させることができるため、ピストンの姿勢悪化を抑えることができる。結果的にピストンの姿勢悪化によってピストンのスカート部がシリンダボアに接触し、異音が発生したり、キズの原因になることを防ぐことができる。

本発明の実施の形態による内燃機関用ピストンを備えた内燃機関の構造を示す概念図である。 本発明の実施の形態による内燃機関用ピストンを示す正面図である。 図２に示された内燃機関用ピストンの底面図である。 図３の部分拡大図である。 （ａ）は、本発明の実施例のサイドウォールの応力を比較例の内燃機関用ピストンの壁部の応力と比較して示す解析図、（ｂ）は本発明の実施例のサイドウォールの変形量を比較例の内燃機関用ピストンのスカート部の変形量と比較して示す解析図である。 本発明の他の実施の形態による内燃機関用ピストンを示す底面図である。 図５（ａ）（ｂ）の解析図に示された比較例の内燃機関用ピストンの底面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は内燃機関の一例を示したもので、図２および図３は本発明の実施の形態によるピストン１を示したものである。
図１において、内燃機関等に用いられるピストン１は、シリンダ２内に摺動自在に設けられており、ピストン本体１０の上端部１０ａには燃焼圧Ｐｂを受ける冠面１１ａを有する冠部１１が設けられている。ピストン本体１０の冠面１１ａで受けた燃焼圧Ｐｂは、コンロッド３を介してクランクシャフト４に伝達されるもので、ピストン１には、コンロッド３とピストン本体１０を連結するピストンピン５が設けられている。このピストンピン５は、ピストン本体１０の下面側に互いに対向して設けられたピストンピンボスを有する一対のピンボス部１２の挿通穴１３に挿通されて前記コンロッド３を回動自在に支持している。ピストン本体１０にはシリンダ２側面から側圧Ｐｓが作用する。

ピストン１の構造を図２ないし図４に従って説明する。
ピストン１の下部側周囲には、ピンボス部１２を避けてピストン本体１０の周縁部に下方向、すなわち鉛直方向に向けて互いに対向するように一対の薄壁部１４が設けられている。この薄壁部１４は所謂、スカート部と呼ばれており、シリンダ２内面のシリンダボア２ａと摺動するものである。スカート部は、スラスト側方向Ａのスカート部１４Ａと反スラスト側方向Ｂのスカート部１４Ｂで構成され、スラスト側方向Ａのスカート部１４Ａの両側部と一対のピンボス部１２は、それぞれサイドウォール１５と呼ばれる、外側に円弧を描いて、せり出すように湾曲した壁部でピンボス部外壁１２ａに連結されている。サイドウォール１５は、下方向に延びる壁部で、壁部の外壁面がサイドウォール内壁１５ａとサイドウォール外壁１５ｂとで構成されている。サイドウォール１５の壁部の肉厚１５ｔは、スカート部１４Ａ付近で薄い薄肉部１５ｔａで、ピンボス部１２付近で厚い厚肉部１５ｔｂに形成されている。薄肉部１５ｔａの位置は、スカート部１４Ａからピンボス部１２中心までの距離の約四分の一の距離が好ましい。

サイドウォール内壁１５ａの湾曲部１５ａｄは、図４に示すように、ピストン本体１０の内側に向けて凹面の円弧で湾曲するようにサイドウォール内壁曲率半径１５ａｒで湾曲して形成されている。一方、サイドウォール外壁１５ｂは、図４に示すように、スカート部１４Ａに近い付近の湾曲部１５ｂｄではピストン本体１０の外側に向けて凹面の円弧で湾曲するようにサイドウォール外壁曲率半径１５ｂｒで湾曲して形成されている。また、サイドウォール外壁１５ｂは、図４に示すように、ピンボス部１２に近い付近の湾曲部１５ｃｄではピストン本体１０の内側に向けて凹面（曲率方向）で湾曲するようにサイドウォール外壁曲率半径１５ｃｒで湾曲して形成されている。

サイドウォール内壁曲率半径１５ａｒとサイドウォール外壁曲率半径１５ｂｒは、それぞれ異なる曲率半径で凹面（曲率方向）の円弧を成すように湾曲方向が互いに逆向きに形成されている。サイドウォール１５の曲率半径は、サイドウォール外壁曲率半径１５ｂｒ＞サイドウォール内壁曲率半径１５ａｒ＞サイドウォール外壁曲率半径１５ｃｒに形成されている。

図４では、図示左側のサイドウォール１５について説明したが、これと対称に設けられた図３の右側のサイドウォール１５についても同様の構成で形成されている。

図２−図４に示した実施の形態では、サイドウォール１５は、スラスト側方向Ａのスカート部１４Ａに適用し、反スラスト側方向Ｂのスカート部１４Ｂでは、薄壁部１４から直線的な壁部１６でピンボス部１２に連結されている。

上記のように、サイドウォール内壁１５ａの湾曲部１５ａｄおよび、サイドウォール外壁１５ｂの湾曲部１５ｂｄの湾曲方向、サイドウォール内壁曲率半径１５ａｒとサイドウォール外壁曲率半径１５ｂｒは、サイドウォール内壁１５ａとサイドウォール外壁１５ｂで異なり、サイドウォール１５がピンボス部１２よりも外側にせり出してピンボス部外壁１２ａに連結されるような構造に形成されている。

上記の構成によれば、サイドウォール内壁１５ａの湾曲部１５ａｄおよび、サイドウォール外壁１５ｂの湾曲部１５ｂｄの湾曲方向、サイドウォール内壁曲率半径１５ａｒとサイドウォール外壁曲率半径１５ｂｒが異なることで、サイドウォール１５の壁部の肉厚１５ｔが急激に変化している。こうして、スカート部１４Ａ付近で最も薄い薄肉部１５ｔａが形成され、ピンボス部１２付近で最も厚い厚肉部１５ｔｂが形成されている。

図５（ａ）（ｂ）は、図３に示した実施例の内燃機関用ピストンのサイドウォール１５と、図７に示した比較例の内燃機関用ピストンの壁部とで、応力（図５（ａ））と変形量（図５（ｂ））を比較したグラフである。図７の内燃機関用ピストンは、図３に示す実施例の内燃機関用ピストンのサイドウォール１５と異なり、一定の厚みの壁部１５０で繋がれている。この壁部１５０は、ピストンのスカート部１４Ａ，１４Ｂとピンボス部１２とを繋ぐ壁部で、スカート部１４Ａ，１４Ｂの両側からそれぞれ内側に入り込むように壁が伸びてピンボス部１２の周囲に結合されている。この比較例の壁部１５０は、壁の厚みがほぼ一定に形成されてピンボス部１２がある内側に入り込むように延びている。

ピストン本体１０は、図１の矢印方向の側圧Ｐｓを受けたときに最も薄い薄肉部１５ｔａの部分で変形しやすくなる。図５（ａ）に示すようにピンボス部１２に近いところで比較例の壁部１５０の応力が大きいことが示されている。これに対して、実施例ではピンボス部１２に近いところで応力が緩和されていることが示されている。
そして、スカート部１４Ａ付近に加わる応力が緩和されて図５（ｂ）に示すように本発明の実施例は、比較例に比べてスカート下端部（Ｚ部分）の変形を抑制することができる（Ｙ部分）。また、ピンボス部外壁１２ａからサイドウォール１５を連結した接続部によって図５（ａ）に示すようにピンボス部１２周辺の応力を分散させられ、さらにピンボス部１２とピストンピン５の摺動面積が増加するため、摩耗や焼き付きを抑えられる。図５（ａ）のＸ部分は、ピンボス部１２周辺で、比較例の応力が大きいことが示されており、実施例では比較例に比べて応力集中が抑制されたことを示している。加えてピンボス部１２周辺でサイドウォール１５の壁部の肉厚１５ｔを変えることで、回転モーメントによる重量バランスの悪化を低減でき、姿勢が安定する。そのうえ、応力集中個所をサイドウォール１５のスカート部１４Ａ付近の最も薄い薄肉部１５ｔａに設けることができるため、サイドウォール１５の最も薄い薄肉部１５ｔａの変形をより効果的にすることができる。

また、シリンダボア２ａからの側圧Ｐｓを受けた場合にサイドウォール１５の薄肉部１５ｔａで変形しやすくすることにより、スカート部１４Ａに加わる応力を緩和でき、スカート部１４Ａの重量を増やすこと無くスカート下端部の変形を抑えることができる。そのため、ピストン１の姿勢悪化を抑えることができる。さらにピンボス部１２側ではサイドウォール１５を最も厚くして、ピストン１のピンボス部１２とピストンピン５の回転軸に近い部分の重量を増加することにより、回転軸周りに発生する慣性モーメントを効率よく分散させることができるため、ピストン１の姿勢悪化を抑えることができる。結果的にピストン１の姿勢悪化によってピストン１のスカート部１４Ａ，１４Ｂがシリンダボア２ａに接触し、異音が発生したり、キズの原因になることを防げる。

サイドウォール１５の外壁は、サイドウォール１５が最も厚くなる最厚肉部１５ｔｂでピンボス部１２の外壁１２ａよりも外側方向にせり出したのち、ピンボス部１２の外壁１２ａに接続している。こうして、ピンボス部１２の外壁１２ａで接続することにより、ピストン１のピンボス部１２とピストンピン５との摺動面積を増やすことができる。そのため、ピンボス部１２周辺の応力を分散でき、ピンボス部１２の摩耗や、ピストンピン５の焼付きを抑えることができる。

サイドウォール１５が最も薄くなる最薄肉部１５ｔａの厚さは、サイドウォール１５とスカート部１４Ａとが接続する始端部の厚さよりも薄く、サイドウォール１５が最も厚くなる最厚肉部１５ｔｂの厚さは、サイドウォール１５とピンボス部１２とが接続する終端部の厚さよりも厚い。これは、サイドウォール１５とスカート部１４Ａとが接続する始端部の厚さが最も薄かったり、サイドウォール１５とピンボス部１２とが接続する終端部の厚さが最も厚いと、スカート部やピンボス部１２に応力が集中し、応力が分散しないおそれがある。そのため、サイドウォール１５の接続部分から少しずれた位置に最肉薄部・最肉厚部を設けることにより、効率よく応力を分散できる。

サイドウォール１５の最厚肉部１５ｔｂよりもスカート部１４Ａ側ではサイドウォール１５の内壁の湾曲方向と、サイドウォール１５の外壁の湾曲とが反対方向である。そのため、効率よく応力を分散でき、例えばピストンを鋳造する場合に抜き方向(ピストン下端に向かう方向)に逆テーパー形状を付ける必要が無いため、製造が容易である。

サイドウォール１５の最厚肉部１５ｔｂよりもスカート部側１４Ａのサイドウォール１５の内壁１５ａの曲率半径１５ａｒは、最厚肉部１５ｔｂよりもスカート部側１４Ａのサイドウォール１５の外壁１５ｂの曲率半径１５ｂｒよりも小さいと共に、最厚肉部１５ｔｂよりもピンボス部１２側のサイドウォール１５の外壁１５ｂの曲率半径１５ｃｒよりも大きい。そのため、効率よく応力集中を分散できる。

ピストン１のスカート部１４Ａ，１４Ｂがシリンダボア２ａに接触することにより異音が発生したり、キズの原因になることは、特にピストン降下時にスラスト側スカート部１４Ａがシリンダボア２ａに接触することにより起こりやすい。そのため、スラスト側スカート部１４Ａに本発明を適応すると効果的である。

なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、例えば、上記実施の形態では、サイドウォール内壁１５ａの湾曲部１５ａｄおよび、サイドウォール外壁１５ｂの湾曲部１５ｂｄの湾曲方向、サイドウォール内壁曲率半径１５ａｒとサイドウォール外壁曲率半径１５ｂｒが異なる場合について説明したが、サイドウォール内壁１５ａの湾曲部１５ａｄおよび、サイドウォール外壁１５ｂの湾曲部１５ｂｄの湾曲方向が同じ方向でも、サイドウォール内壁曲率半径１５ａｒとサイドウォール外壁曲率半径１５ｂｒを大きく変えることで、サイドウォール１５の壁部の肉厚１５ｔに薄い肉厚部１５ｔａと厚い肉厚部１５ｔｂが形成されていれば、スカート下端部の変形を抑制することができる。

また、図６に示すようにサイドウォール内壁１５ａの湾曲部１５ａｄを複数のサイドウォール内壁曲率半径１５ａｒ_１、１５ａｒ_２の湾曲面からなるように形成してもよく、さらに、スラスト側方向Ａのスカート部１４Ａと反スラスト側方向Ｂのスカート部１４Ｂの両方にサイドウォール１５を形成してもよい。等、その他、本発明の実施形態を変更しない範囲内で適宜、変更して実施し得ることは言うまでもない。

１ ピストン
２ シリンダ
３ コンロッド
４ シリンダ
５ ピストンピン
１０ ピストン本体
１１ 冠面
１２ ピンボス部
１３ 挿通穴
１４ 薄壁部
１４Ａ，１４Ｂ スカート部
１５ サイドウォール
１５ａ サイドウォール内壁
１５ｂ サイドウォール外壁
１５ｔａ 最薄肉部
１５ｔｂ 最厚肉部
１５ａｄ、１５ｂｄ 湾曲部
１５ａｒ サイドウォール内壁曲率半径
１５ｂｒ サイドウォール外壁曲率半径
１５ｃｒ サイドウォール外壁曲率半径

Claims (8)

1. 燃焼室からの燃焼圧を受ける冠面を有する冠部と、シリンダボアと摺動する摺動面を有するスカート部と、ピストンピンボスを有するピンボス部と、前記スカート部と前記ピンボス部とを連結させるサイドウォールとを備える内燃機関用ピストンであって、前記サイドウォールの厚さは前記サイドウォールのスカート部側では最も薄くなり、ピンボス部側では最も厚くなるように変化させて構成したことを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 前記サイドウォールの外壁は、前記サイドウォールが最も厚くなる最肉厚部で前記ピンボス部の外壁よりも外側方向にせり出したのち、前記ピンボス部の外壁に接続していることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関用ピストン。
3. 前記サイドウォールが最も薄くなる最肉薄部の厚さは、前記サイドウォールと前記スカート部とが接続する始端部の厚さよりも薄く、前記サイドウォールが最も厚くなる最肉厚部の厚さは、前記サイドウォールと前記ピンボス部とが接続する終端部の厚さよりも厚いことを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関用ピストン。
4. 前記サイドウォールは前記サイドウォールの内壁と外壁とが湾曲形状を有するように連続的に形成され、前記最肉厚部よりもスカート部側では前記サイドウォールの内壁の湾曲方向と、前記サイドウォールの外壁の湾曲方向とが反対方向であることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストン
5. 前記最肉厚部よりもピンボス部側では、前記サイドウォールの内壁の湾曲方向と、前記サイドウォールの外壁の湾曲方向とが同方向となることを特徴とする、請求項４に記載の内燃機関用ピストン。
6. 前記最肉厚部よりもスカート部側の前記サイドウォールの内壁の曲率半径は、前記最肉厚部よりもスカート部側の前記サイドウォールの外壁の曲率半径よりも小さいと共に、前記最肉厚部よりもピンボス部側の前記サイドウォールの外壁の曲率半径よりも大きいことを特徴とする、請求項５に記載の内燃機関用ピストン。
7. 前記スカート部はスラスト側スカート部であることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストン。
8. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載の内燃機関用ピストンを有する内燃機関。

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