JP2019173604A - 内燃機関用ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】適度な変形性を有し，剛性が大きく偏ることなく分布していると共に，必要な強度を備えたスカート部を有する内燃機関用ピストンを提供する。【解決手段】ピストン１のスカート部２０ａ，２０ｂの少なくとも幅方向の中央付近を下端側から上端側に向かって厚みを減じるテーパ状に形成すると共に，スカート部２０ａ，２０ｂの幅方向両端間を連結する一対のサイドウォール３０，３０に，ピン穴３１の形成位置の肉厚を厚くした厚肉部３２と，前記厚肉部３２と前記スカート部とを連通する薄肉部３３を設けると共に，前記厚肉部３２から前記薄肉部３３に向かって段差なく曲線的に厚みを減じる形状に形成した。【選択図】図１０

Description

本発明は，自動車のエンジン等の内燃機関で使用するピストンに関する。

図１７を参照して既知の一般的な内燃機関用ピストン１００の構成について説明する。なお，本明細書では，エンジンのヘッド側（燃焼室側）を「上」，これとは反対側（クランクケース側）を「下」として説明し，ここに記載する上下は，実際の使用状態におけるエンジンに搭載された際の上下とは必ずしも一致しない。

内燃機関に使用される一般的なピストン１００は，図１７に示すように，燃焼圧を受ける頂面１１１ａを有するクラウン部１１０と，このクラウン部１１０より下方側に突設されたスラスト側スカート部１２０ａ及び反スラスト側スカート部１２０ｂから成るスカート部１２０，ピン穴１３１やピンボス１３２，ピンボス１３２をクラウン部１１０の裏面１１１ｂに連結するピンボスリブ１３３が形成されていると共に，前記スラスト側スカート部１２０ａと反スラスト側スカート部１２０ｂの両端間を連結するサイドウォール１３０を備え，クラウン部１１０の頂面１１１ａにおいて燃焼ガスのガス圧を受けてシリンダ１５０内を下降し，ピンボス１３２のピン穴１３１にピストンピン１４５及び連結棒１５１を介して連結されたクランク軸（図示せず）を回転させると共に，クランク軸の回転に伴いシリンダ１５０内を昇降して，４サイクルエンジンでは排気，吸入，圧縮，燃焼・膨張の各行程が行われる。

このピストン１００は，シリンダ１５０の内径に対し僅かに小径に形成されていることから，連結棒１５１の傾きに応じて上昇，下降の行程において首振りを起こすが，クラウン部１１０の下方に設けられている前述のスカート部１２０がシリンダ１５０の内壁と摺接することでピストン１００の首振りが抑制され，ピストン１００はシリンダ１５０内を円滑に上下運動することができるようになっている。

このように，内燃機関のピストン１００は，シリンダ１５０内を上下動することにより燃料の燃焼によって生じた燃焼ガス圧を機械的な運動に変換するものであることから，燃焼ガス圧を効率良く機械的な運動エネルギーに変換するためには，ピストン１００が軽量であることが望ましい。

そのため，このような軽量化を目的として，ピストン１００の材質として近年ではアルミニウム合金等の軽金属の使用が主流となっていると共に，ピストン１００各部の薄肉化が行われている。

また，ピストン１００は，前述したようにスカート部１２０をシリンダ１５０の内壁と摺接させた状態でシリンダ１５０内を上下動することから，スカート部１２０とシリンダ１５０内壁間の摩擦抵抗は，燃焼によって生じた燃焼ガス圧を機械的な運動に変換する際のエネルギー損失を生じさせると共に，高い摩擦抵抗は摺接部分に焼き付きを生じるおそれもあることから，摩擦抵抗を可及的に低減することが望ましい。

このような摩擦抵抗の低減方法としては，シリンダ１５０内壁面との接触面積を減少させる形状にスカート部１２０を設計する他，シリンダ１５０内壁と摺接する部分のスカート部１２０表面の摩擦係数を低下させる構成，シリンダ１５０内壁に対するスカート部１２０の面圧を低下させる構成等の採用も提案されている。

このうち，シリンダ１５０内壁に摺接する部分のスカート部表面の摩擦係数を低下させる構成としては，スカート部１２０の表面に潤滑性を有するコーティング層を所定のパターンで形成し，コーティング層の形成に伴う摩擦抵抗の低減と，コーティング層の非形成部に生じた凹部を，潤滑油を保持する油溜まりとして機能させることによって潤滑性の向上を図ったピストンが提案されている（特許文献１）。

また，シリンダ１５０内壁面に対するスカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の面圧を低減する方法としては，図１８に示すように，スカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の幅方向両端とサイドウォール１３０の幅方向両端間に，耐熱性樹脂，ゴム，バネ材，マグネ鋼等のピストンを構成する軽合金材料よりも弾性が高いダンパー材１６０を設けることで，シリンダ内壁面に対するスカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の幅方向両端部の接触圧力を低減することが提案されている（特許文献２）。

特開２００５−３２０９３４号公報 特開２００４−１５０３２６号公報

前掲の特許文献１として紹介したピストン１００のように，スカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の表面に潤滑性を有するコーティング層を形成する構成では，コーティング層の形成によってスカート部表面の摩擦係数が低下することで，摩擦抵抗を効果的に低減することができる。

しかし，この構成では，スカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の表面に形成されたコーティング層が経時によって摩滅等すると摩擦抵抗を低減する効果が失われてしまい，燃費の悪化や出力の低下，ひいては焼き付きが生じるおそれもある。

従って，コーティング層の形成による摩擦抵抗の低減は，シリンダ１５０内壁に対するスカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の面圧を低減する等の，他の方法と組み合わせて採用することが好ましい。

ここで，近年のピストン素材の主流となりつつあるアルミニウム合金等の軽金属材料は，鋼等の材料に比較して剛性（ヤング率）が低く，しかも，軽量化の要請より，ピストン１００各部の薄肉化が行われていることから，シリンダ１５０の内壁に高い面圧で摺接されるピストン１００のスカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）はこの面圧によって変形し易くなっている。

このようなスカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の変形は，面圧を逃がして緩和する作用を有するものの，スカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の剛性に偏りがあると，高剛性の部分は変形が生じ難い一方，低剛性の部分で大きく変形することで，シリンダ１５０内壁に対する接触面積が増大すると共に，剛性の高い部分の面圧が局部的に高くなることで摩擦抵抗が高まると共に，焼き付きが生じ易くなる。

すなわち，ピストン１００のスカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）は，その中央付近においてシリンダ１５０内壁面と接触し，この部分の接触面積を小さくして摩擦抵抗を小さくすることができるようその形状が設計されている。

しかし，スカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）は，その上端がクラウン部１１０に連結されて支持されていると共に，幅方向の両端がサイドウォール１３０，１３０に連結されて支持されているため，図１９に示すように，スカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の高さ方向の剛性は，上端側に向かうに従い高く，下端側に向かうに従い低くなり，幅方向の剛性は，中央側において低く，幅方向両端側に向かうに従い高くなる。

このように，スカート部の剛性は，スカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の下端部側の幅方向中央部分において相対的に低くなっていることから，この部分に大きな変形が生じることでシリンダ１５０内壁面との接触面積が増大すると共に，変形部分周囲の接触圧力が高まることで，摩擦抵抗の増大や焼き付きが生じ易くなる。

前掲の特許文献２に記載のピストン１１０は，このようにして接触圧力が高まる部分のうち，前述したスカート部１２０（１２０ａ，１２０ｂ）の幅方向両端付近の接触圧力を低下させるべく，前述したようにスカート部１２０ａ，１２０ｂの幅方向両端とサイドウォール１３０，１３０間に耐熱性樹脂やゴム，バネ等の高弾性の材料によって形成されたダンパー材１６０を介在させる構成を採用する。

しかし，この構成では，スカート部１２０ａ，１２０ｂの幅方向両端側の剛性が低下することで，スカート部１２０ａ，１２０ｂの幅方向両端側における接触圧力を低下させることはできるが，依然としてスカート部１２０ａ，１２０ｂの上下方向に存在する剛性の偏りは改善されていないことから，スカート部１２０ａ，１２０ｂの高さ方向における局部的な接触圧力の上昇によって摩擦抵抗の増大や焼き付きが生じ得る。

また，特許文献２に記載の構成では，前述したダンパー材１６０の存在によりスカート部１２０ａ，１２０ｂの幅方向両端を支持する力が弱まることで，面圧を受けた際のスカート部全体の変形量が大きくなる。

その結果，スカート部１２０ａ，１２０ｂの変形量の増大に伴い，ピストン１１０の首振り角が増大することとなるため，この首振りに伴う振動や騒音も増大する。

しかも，サイドウォール１３０，１３０によるスカート部１２０ａ，１２０ｂの幅方向両端側を支持する力が弱まることで，スカート部１２０ａ，１２０ｂに面圧が加わると，スカート部１２０ａ，１２０ｂの上端とクラウン部１１０の連結部分（肩部）に応力が集中することとなるため，この部分の強度が低いとピストン１００が破損する。

その結果，スカート部１２０ａ，１２０ｂとクラウン部１１０との連結部分を厚肉に形成する等して補強する必要が生じるが，このような補強は，ピストン１００の重量を増大させる点で軽量化の要求に反するだけでなく，スカート部１２０ａ，１２０ｂの上端側の剛性を高めることになるため，高さ方向におけるスカート部１２０ａ，１２０ｂの剛性の偏りをより一層高めることとなり，その結果，スカート部１２０ａ，１２０ｂに局部的な面圧の上昇が生じ易くなる。

更に，特許文献２に記載の構成では，スカート部１２０ａ，１２０ｂとサイドウォール１３０，１３０とを，耐熱性樹脂やゴム，バネ等のピストンを構成する金属材料とは異なるダンパー材１６０によって連結する複雑な構造であることや，これに伴う部品点数の増加，及び製造時の工程数の増加が製造コストを高めることとなり価格競争力を失わせる原因ともなる。

このように，スカート部が変形することは，スカート部にかかる面圧を逃がして緩和することで摩擦抵抗を低減させる作用があるものの，過度な変形はピストンの首振りを助長して振動や騒音を発生させる原因となることから，変形は，適度に行われる必要がある。

また，スカート部の剛性に偏りがあり剛性の低い部分で局部的に変形が生じると，接触面積が増大すると共に剛性の高い部分の面圧が局部的に上昇することになり，却って摩擦抵抗を上昇させたり焼き付きを発生させたりする原因となることから，スカート部は，上下方向及び幅方向のいずれの方向においても剛性が大きく偏ることなく分布していることが望ましい。

しかも，このようにスカート部の適度な変形性や，偏りのない剛性分布を実現しつつ，ピストン全体の軽量化や，応力が集中する部分に必要な強度を持たせるという，相反する要求をも満足させる必要がある。

そこで本発明は，スカート部が適度な変形性を有すると共に，上下方向及び幅方向のいずれの方向においてもスカート部の剛性が大きく偏ることなく分布している内燃機関用ピストンを提供することを第１の目的とする。

また，本発明は，スカート部が前述したように適度な変形性と大きな偏りのない剛性の分布を有するものでありながら，強度的にも優れた内燃機関用ピストンを提供することを更なる目的とする。

以下に，課題を解決するための手段を，発明を実施するための形態で使用する符号と共に記載する。この符号は，特許請求の範囲の記載と，発明を実施するための形態の記載との対応を明らかにするためのものであり，言うまでもなく，本願発明の技術的範囲の解釈に制限的に用いられるものではない。

上記目的を達成するために，本発明の内燃機関用ピストン１は，
燃焼圧を受ける頂面１１ａを有するクラウン部１０と，
上端を前記クラウン部１０に連結されたスラスト側スカート部２０ａ及び反スラスト側スカート部２０ｂと，
前記スラスト側スカート部２０ａの幅方向両端と前記反スラスト側スカート部２０ｂの幅方向両端間をそれぞれ連通する一対のサイドウォール３０，３０と，
前記両スカート部２０ａ，２０ｂ間の中間位置において前記サイドウォール３０，３０の肉厚を貫通するピン穴３１を備え，
前記スカート部２０ａ，２０ｂの少なくとも幅方向の中央付近（図３のテーパ部２１参照）が下端側から上端側に向かって厚みを減じるテーパ状に形成されていると共に，
前記サイドウォール３０，３０には，前記ピン穴３１の形成位置における肉厚を厚くした厚肉部３２が上下方向に連続して形成されていると共に，前記厚肉部３２と前記スカート部とを連通する薄肉部３３が設けられており（図１０，１１参照），前記厚肉部３２から前記薄肉部３３に向かって段差なく曲線的に厚みを減じる形状に形成されていることを特徴とする（請求項１）。

上記構成の内燃機関用ピストン１において，前記クラウン部１０が，前記頂面１１ａを有する円盤状の頂部１１と，前記頂部１１の裏面１１ｂ周縁部より突出した円筒部１２を備え，（図８，９参照），
前記スカート部２０ａ，２０ｂの前記上端を，前記円筒部１２の開口縁に連続して形成すると共に，
前記サイドウォール３０，３０の上端を，前記円筒部１２内において前記頂部１１の裏面１１ｂに連結すると共に，前記サイドウォール３０の前記薄肉部３３を前記円筒部１２の内周面に連結し，
前記スラスト側スカート部２０ａ及び前記反スラスト側スカート部２０ｂのうち，少なくとも一方のスカート部（例えばより高い面圧を受ける側のスカート部）と連結される前記薄肉部３３の内壁面と，前記頂部１１裏面１１ｂ，及び前記円筒部１２内周面によって画成される隅角部Ｃに補強用の肉盛り４１（図１２，１３参照）を行うものとしても良い（請求項２）。

この場合，前記補強用の肉盛り４１を，図１３に示すように前記隅角部Ｃから前記サイドウォール３０の前記薄肉部３３の内壁面及び前記頂部１１裏面１１ｂに向かって段差なくなだらかな曲線で厚みを減少するように行うことが好ましい（請求項３）。

前述のスカート部２０ａ，２０ｂは，それぞれ，平面視した前記ピストン１のスラスト方向における直径を基準線ＬＳとし，該基準線ＬＳを０°として，ピストンピンの軸線ＬＣと前記基準線ＬＳとの交点Ｏを中心に，該基準線ＬＳに対し±２０°〜５０°の範囲に形成することが好ましく（請求項４），スカート部２０ａ，２０ｂの形成範囲が広すぎると摺動面積の増大によりフリクションが大きくなる一方，狭すぎると面圧の増大によって焼き付きが生じ易くなる。

また，スカート部２０ａ，２０ｂに設けるテーパ部２１は，前記基準線を０°として，ピストンピンの軸線ＬＣと前記基準線ＬＳとの交点Ｏを中心に，該基準線ＬＳに対し±２０°〜４０°の範囲に設けることが好ましい（請求項５）。

このテーパ部２１は，スラスト側スカート部２０ａに設けるテーパ部２１を幅広に，反スラスト側スカート部２０ｂに設けるテーパ部２１をこれよりも幅狭に形成するものとしても良い。すなわち，スラスト側スカート部２０ａは，燃焼荷重を大きく受けるため，スラスト側スカート部２０ａに設けるテーパ部２１を幅広に形成することで面圧を下げられる可能性があり，焼付きに有利になる。一方，反スラスト側スカート部２０ｂでは，荷重は小さいので面積を狭くし，摺動面積を減らすことで，フリクションの低下が期待できる。

以上で説明した本発明の構成により，本発明の内燃機関用ピストン１によれば，以下の顕著な効果を得ることができた。

サイドウォール３０に薄肉部３３を設けることで，スカート部２０ａ，２０ｂに適度な変形性を与えることができると共に，スカート部２０ａ，２０ｂの幅方向における剛性の偏りを改善することができ，更に，スカート部２０ａ，２０ｂの少なくとも幅方向の中央付近（テーパ部２１）を下端側から上端側に向かって厚みを減じるテーパ状に形成して上下方向における剛性の偏りを改善することで，適度に変形しつつ，剛性の偏りが少ない，従って，局部的な変形等が生じ難いスカート部２０ａ，２０ｂを備えたピストン１を提供することができた。

その結果，騒音や振動の原因となるピストン１の首振りを抑制しつつ，適度な変形によってスカート部２０ａ，２０ｂの面圧を逃がすと共に，局部的に高い面圧が生じる部分の発生を防止することで，摩擦抵抗を低減することができ，低燃費，高出力を実現することができると共に，焼き付きの生じ難い内燃機関用ピストン１を提供することができた。

特に，スカート部２０ａ，２０ｂに局部的に剛性の高い部分が存在すると，スカート部２０ａ，２０ｂがシリンダの内壁と接触した際に，剛性の高い部分が高い面圧でシリンダ内壁と当接することで焼き付きが発生し易くなるだけでなく，騒音も増大する。

これに対し，本発明の内燃機関用ピストン１では，スカート部２０ａ，２０ｂの上端側（肩部側）の剛性をピンセンタの剛性に近付けることで局部的に面圧の高い部分が発生し難くなることで，焼き付きの発生が抑制できるだけでなく，騒音の発生を低減することができる点でも有利となる。

また，このように，剛性の均一化によって騒音の低減や焼き付き発生を抑制することができることで，スカート形状（プロフィール）の設計の自由度についても増大させることができた。

しかも上記構成では，サイドウォール３０に設けられた厚肉部３２が図１７及び図１８を参照して説明した従来のピストン１００におけるピンボス１３２やピンボスリブ１３３に対応する機能を有するだけでなく，これらが一体的に段差なく形成され，従来構造のピストン１００では，破損の起点となり易くなっていたピンボス１３２とサイドウォール１３０の連結部に生じていた角部Ｄが消滅していることで，強度的にも優れたピストン１とすることができた。

特に，クラウン部１０を，前記頂面１１ａを有する円盤状の頂部１１と，外周面にリング溝１３が形成される円筒部１２を備えた構成とし，前記スカート部２０ａ，２０ｂの上端を，前記円筒部１２の開口縁に連続して形成すると共に，サイドウォール３０，３０の上端を，前記円筒部１２内において前記頂部１１の裏面１１ｂと前記円筒部１２の内周面に連結させた構成では，少なくとも一方のスカート部（２０ａ又は２０ｂ）と連結される側の前記薄肉部３３の内壁面と前記頂部１１裏面１１ｂ，及び前記円筒部１２内周面によって画成される隅角部Ｃに補強用の肉盛り４１を行うことにより，薄肉部３３の形成によって強度が低下しているサイドウォール３０の上端部分を補強することができた。

しかも，この肉盛り４１による補強は，クラウン部１０の円筒部１２内で行っているため，円筒部１２の開口縁よりも下方に設けられているスカート部２０ａ，２０ｂの剛性に影響を与えないことから，スカート部２０ａ，２０ｂの上下方向における剛性の偏りを拡大させることなく補強を行うことが可能である。

特に，前述した肉盛り４１を，前記隅角部Ｃから前記サイドウォール３０の前記薄肉部３３の内壁面，及び，前記頂部１１裏面１１ｂに向かって段差なくなだらかな曲線で変化するように厚みを減少させることで，より広範囲に高強度の補強をスカート部２０ａ，２０ｂの剛性に影響を与えることなく行うことができた。

交点Ｏを中心に基準線ＬＳ（０°）に対し±２０°〜５０°の範囲に前記スカート部２０ａ，２０ｂを形成したことで，比較的幅広に形成されたスカート部２０ａ，２０ｂは変形し易く，かつ，剛性の偏りをより一層是正することができた。

また，交点Ｏを中心に基準線ＬＳ（０°）に対して，±２０°〜４０°の範囲でテーパ部２１を設けた構成では，シリンダ内壁面と接触する部分のスカート部２０ａ，２０ｂの上下方向における剛性の偏りを是正することができると共に，スカート部２０ａ，２０ｂの強度が低下することを好適に防止することができた。

本発明のピストンの正面図。 本発明のピストンの平面図。 本発明のピストンの底面図。 本発明のピストンの右側面図（反スラスト側）。 本発明のピストンの左側面図（スラスト側）。 図２のVI−VI線断面図。 図２のVII−VII線断面図。 図２のVI−VI線断面図（クラウン部のみ実線で表したもの）。 図２のVII−VII線断面図（クラウン部のみ実線で表したもの）。 本発明のピストンの底面図（サイドウォールのみ実線で表したもの）。 図２のVI−VI線断面図（サイドウォールのみ実線で表したもの）。 図６のXII−XII線要部断面図。 図６のXII−XII線要部断面図（変形例）。 スカート部の剛性測定結果のグラフ。 １５００min^-1のフリクションの測定結果を示すグラフ（縦軸の１目盛は２kPa）。 ２０００min^-1のフリクションの測定結果を示すグラフ（縦軸の１目盛は２kPa）。 ピストンの説明図（従来一般）であり，（Ａ）はシリンダ内に装着した状態の正面要部断面図，（Ｂ）は底面図。 従来のピストン（特許文献２）の説明図であり，（Ａ）は正面図，（Ｂ）は底面図。 従来のピストンにおけるスカート部の剛性分布の説明図。

次に，本発明の実施形態につき添付図面を参照しながら以下説明する。

本発明の対象である内燃機関用ピストン１は，内燃機関用のものであれば特に限定されず，ガソリンエンジン用，ディーゼルエンジン用のいずれのものであっても対象とすることができ，また，その用途も特に限定されるものではないが，以下では一例として自動車用のエンジンを例に挙げて説明する。

また，本発明の対象である内燃機関用ピストン１は，その材質についても特に限定されるものではなく，内燃機関用ピストンの材質として一般的に使用されている既知の各種の材質のものを対象とすることができるが，以下の説明では，内燃機関用ピストンの材質として主流となりつつあるアルミ−珪素系合金製のピストンを例に取り説明する。

〔ピストンの全体構造〕
この内燃機関用のピストン１は，図１〜図７に示すように，燃焼ガスのガス圧を受ける頂面１１ａを備えたクラウン部１０と，このクラウン部１０より下方に伸びる，シリンダ内壁に摺接されるスラスト側スカート部２０ａ及び反スラスト側スカート部２０ｂから成るスカート部２０，及び前記スラスト側スカート部２０ａと反スラスト側スカート部２０ｂの幅方向における両端間を連結すると共に，ピン穴３１が形成されたサイドウォール３０が一体的に形成された構造を有する。

〔クラウン部〕
図８及び図９中に，実線で示した部分がクラウン部１０であり，このクラウン部１０は，燃焼ガス圧を受ける前述の頂面１１ａを有する円盤状の頂部１１と，この頂部１１の裏面１１ｂの周縁部より突出した円筒部１２を備え，この円筒部１２の外周にピストンリングが嵌合されるリング溝１３が形成されている。

前述の頂面１１ａには，必要に応じてバルブとの干渉を避けるためのバルブリセス１４（図１及び図２参照）や，ピストンボウル（窪み）を設けるものとしても良く，図示のピストンはバルブリセス１４を備えた高圧縮比エンジン用のピストンとして構成されている。

〔スカート部〕
前述のクラウン部１０に設けられた円筒部１２の開口縁からは，図６及び図８に示すように前記円筒部１２と一体的にスラスト側スカート部２０ａと反スラスト側スカート部２０ｂがそれぞれ突出形成されている。

このスカート部２０は，スラスト側スカート部２０ａ及び反スラスト側スカート部２０ｂのいずれともに適度な変形性を得るために比較的幅広に形成することが好ましく，図２の平面視，又は図３の底面視におけるピストン１のスラスト方向における直径を基準線ＬＳとし，この基準線ＬＳを０°として，前記ピストンピンの軸線ＬＣと前記基準線ＬＳとの交点Ｏを中心に，該基準線ＬＳに対し±２０°〜５０°の範囲にスカート部２０ａ，２０ｂを形成することが好ましく，本実施形態ではスラスト側スカート部２０ａを±２５°の範囲に，反スラスト側スカート部２０ｂを±３０°の範囲にそれぞれ形成している。

スラスト側，反スラスト側のスカート部２０ａ，２０ｂのいずれとも，図６に示すように少なくとも幅方向の中央付近の厚みが下端側から上端側に向かって徐々に厚みを減ずるテーパ状に形成されており，これにより，クラウン部１０の円筒部１２と一体的に形成されることで剛性が高まっているスカート部の上端側の剛性を低下させることで，スカート部の上下方向における剛性の偏りの改善が図られている。

このようなテーパ形状は，各スカート部２０ａ，２０ｂ全体を下端側から上端側に向かって厚みを減じるテーパ形状に形成するものとしても良いが，少なくともシリンダの内壁と接触する幅方向の中央付近，一例として前述した基準線ＬＳに対し２０°〜４０°の範囲を前述したテーパ状に形成すれば良い。

本実施形態では，スラスト側スカート部２０ａ及び反スラスト側スカート部２０ｂのいずれ共に，前述した基準線ＬＳに対し±２０°の範囲におけるスカート部２０ａ，２０ｂを前述のテーパ形状としたテーパ部２１（図３参照）を設けている。

このようにスカート部２０ａ，２０ｂの一部にテーパ部２１を設けることで，シリンダ内壁と接触する部分のスカート部の上下方向における剛性の偏りが改善される一方，スカート部２０ａ，２０ｂの全体が強度低下することを防止できる。

なお，図４及び図５中，符合２２は，固体潤滑剤を含有する樹脂を付着させて形成した潤滑性コーティング層である。

〔サイドウォール〕
図１０及び図１１中，実線で示した部分がサイドウォール３０，３０であり，このサイドウォール３０，３０は，図１０に示すようにスラスト側スカート部２０ａと反スラスト側スカート部２０ｂの幅方向両端間を連結している。

図１０及び図１１に示すように，サイドウォール３０，３０には，スラスト側スカート部２０ａと反スラスト側スカート部２０ｂ間の中間位置において，その肉厚を貫通してピン穴３１が設けられており，サイドウォール３０，３０間に挿入された連結棒（図示せず）の小端部に設けた軸穴と，サイドウォール３０，３０に設けたピン穴３１に，共にピストンピン（図示せず）を挿入することで，ピストン１に連結棒を連結することができるように構成されている。

このサイドウォール３０，３０は，図１０に示すように底面視において前記ピン穴の形成位置を含む所定範囲の肉厚を内向きに膨出させた厚肉部３２を有し，この厚肉部３２を，図１１に示すようにサイドウォール３０の内壁面側の上下方向に連続して形成すると共に，この厚肉部３２と前記スカート部２０ａ，２０ｂ間を連通する部分のサイドウォール３０，３０を相対的に薄肉に形成して薄肉部３３とし，かつ，図１０に示すように前記厚肉部３２から前記薄肉部３３に向かって段差なく曲線的に厚みを減じる形状に形成している。

このサイドウォール３０，３０の上端は，図１１に示すようにクラウン部１０の頂部１１裏面１１ｂに一体的に連結されていると共に，サイドウォール３０，３０の幅方向両端の上端側の所定範囲はクラウン部１０の円筒部１２の内壁に一体的に連結されている。

このようにしてサイドウォール３０，３０に設けられた厚肉部３２は，ピストンピンを支えるピンボスとしての機能を有するだけでなく，ピンボスをクラウン部１０の頂部１１裏面１１ｂに連結するピンボスリブとしての機能を持つ一方，図１０に示したように厚肉部３２から薄肉部３３に曲線的に移り変わるように構成したことで，ピンボス１３２とサイドウォール１３０の連結部分に角部Ｄが生じている，図１７（Ｂ）及び図１８（Ｂ）に示す従来のピストンのように，サイドウォールの内面に応力の集中する部分が設けられていないことで，強度的にも優れたものになっている。

また，厚肉部３２と各スカート部２０ａ，２０ｂ間に薄肉部３３を設けたことで，特許文献２として紹介した従来技術とは異なり，スカート部２０ａ，２０ｂの幅方向の両端をサイドウォール３０，３０によって直接連結した構成とすることで，スカート部２０ａ，２０ｂの過度な変形を防止してピストン１の首振り角が増大することに伴う振動や騒音の増大を防止しつつ，スカート部２０ａ，２０ｂと共に薄肉部３３が変形することにより，スカート部２０ａ，２０ｂの幅方向両端側の剛性が低下する結果，スカート部２０ａ，２０ｂの幅方向中央部における剛性と幅方向両端側における剛性を近付けることができるものとなっている。

本実施形態では，図１０に示すように前述の厚肉部３２は，外壁側の曲率に対し内壁側の曲率が大きいナツメ型に形成されて内向きに膨出する形状に形成されており，図３に示すようにスラスト側スカート部２０ａと反スラスト側スカート部２０ｂ，及び一対のサイドウォール３０，３０の内壁によって囲まれた部分が，全体として略８の字状の空間に形成されている。

〔肉盛り補強〕
以上のように，本発明の内燃機関用ピストン１では，スカート部２０ａ，２０ｂの幅方向の両端をサイドウォール３０，３０によって直接支持したことで，特許文献２に記載のピストンのように耐熱性の樹脂やゴム等によって形成されたダンパーによってスカート部の幅方向両端を支持する構成に比較してスカート部２０ａ，２０ｂの上端とクラウン部１０との連結部分に応力が集中することが防止できることから，この部分に対する補強は特に必要ではない。

一方，本願の内燃機関用のピストン１では，サイドウォール３０，３０に薄肉部３３を設けていることで，スカート部２０ａ，２０ｂに適度な変形性が与えられると共に，スカート部２０ａ，２０ｂの幅方向における剛性の偏りを是正していることから，スカート部２０ａ，２０ｂと共に変形するサイドウォール３０，３０の薄肉部３３上端とクラウン部１０の頂部１１裏面１１ｂとの連結部分に応力が集中する。

その一方で，スカート部２０ａ，２０ｂの背面においてサイドウォール３０，３０の薄肉部３３を補強すると，この補強によってスカート部２０ａ，２０ｂの剛性を高めることとなり，スカート部２０ａ，２０ｂの剛性に偏りが生じることになる。

そこで，本発明の内燃機関用ピストン１では，クラウン部１０の円筒部１２の開口縁に対し上方にあるサイドウォール３０，３０の薄肉部３３の内壁面と，前記頂部１１の裏面１１ｂ，及び前記円筒部１２の内周面とによって画成される隅角部Ｃに，図中にクロスハッチングで表示したように補強用の肉盛り４１を行うことで，サイドウォール３０，３０の薄肉部３３上端部分の補強を行っている。

前述した隅角部Ｃは，クラウン部１０の円筒部１２内に設けられていることから，この部分に肉盛り４１を行って補強しても，円筒部１２の開口縁よりも下側に設けられているスカート部２０ａ，２０ｂの剛性に影響を与えることなく，サイドウォール３０，３０の薄肉部３３上端部分の補強が可能である。

この肉盛りは，図１２に示すように前述した隅角部Ｃの部分にのみ肉盛り４１を行うものとしても良いが，図１３に示すように，前述した隅角部Ｃから前記サイドウォール３０，３０の前記薄肉部３３の内壁面及び前記頂部１１裏面１１ｂに向かって徐々に厚みを減じて段差なくなだらかな曲線で変化するように比較的広範囲に肉盛り４１を行うことが好ましく，これによりピストン１の強度を更に高めることができる。

〔作用等〕
以上のように構成された本発明の内燃機関用のピストン１では，スラスト側スカート部２０ａと反スラスト側スカート部２０ｂの幅方向両端間をサイドウォール３０，３０によって連結する構成を維持しつつ，サイドウォール３０，３０に薄肉部３３を設けたことで，スカート部２０ａ，２０ｂに適度な変形性を付与することで，スカート部２０ａ，２０ｂの幅方向における剛性の偏りを是正することができると共に，少なくともスカート部２０ａ，２０ｂの幅方向中央付近に，下端側（インロー側）から上端側（肩側）に向かって肉厚を減じるテーパ状に形成したテーパ部２１を設けたことで，スカート部２０ａ，２０ｂの上下方向における剛性の偏りを是正することができた。

また，前述したように，サイドウォール３０，３０に前述した形状の厚肉部３２を設けてサイドウォール３０の内壁面に段差を生じさせることなくピンボスとピンボスリブに相当する構成を設けたことで，ピンボスとサイドウォールの連結部分に破壊の起点となり易い角部Ｄが形成されることなく，ピストンの強度を高めることができた。

更に，クラウン部の円筒内においてサイドウォール３０の薄肉部３３上端と頂部１１底面１１ｂ，及び円筒部１２内面によって画成される隅角部Ｃに肉盛りを行って補強した構成では，前述したように剛性の偏りを是正したスカート部の剛性に影響を与えることなく，応力が集中するサイドウォール３０の薄肉部３３の上端とクラウン部１０の頂部１１裏面１１ｂ間の連結部分を好適に補強することができた。

次に，本発明の内燃機関用ピストンのスカート部の剛性，摩擦抵抗，及び強度（安全率）を評価した結果を以下に示す。

〔剛性の評価〕
（１）試験の目的
本発明の内燃機関用ピストンにおいて，スカート部の高さ方向及び幅方向のいずれの方向においても剛性の偏りが是正されていることを確認する。

（２）試験方法
図１２に示す補強を行った本発明のピストン（実施例１），図１３に示す補強を行った本発明のピストン（実施例２），及び既知の一般的なピストン（比較例１）の三種類のピストン（いずれも直径８０mm）を使用して，スラスト側及び反スラスト側のスカート部それぞれの高さ方向〔ピストンピン中心に対応する高さ位置（ピンセンタ），上端，下端〕の剛性，及び，スカート部の幅方向〔幅方向中心（０°），１０°，２０°〕における剛性をそれぞれ測定した。

剛性は，各測定部位のスカート部の外壁面に対し内向き方向の荷重をかけてその変位量から１μmの変位を生じさせるために必要な荷重（N/μm）を算出して剛性として評価した。

（３）試験結果
上記試験の測定結果を下記の表１に，測定結果をグラフにまとめたものを図１４にそれぞれ示す。

以上の結果から，実施例１及び実施例２のピストンでは，スラスト側及び反スラスト側のいずれにおいてもスカート部の剛性のばらつき，特に，シリンダ内壁面と接触する０°〜±１０°の範囲内における剛性のばらつきが大幅に改善されており，０°〜±１０°の範囲において，中心(０°位置)に対する幅方向の剛性の変化，及びピンセンタの剛性に対する上端（肩）側，及び下端（インロー）側の剛性の変化を，いずれも１０N/μm以下に抑えることができた。

〔摩擦抵抗の評価〕
（１）試験の目的
本発明の内燃機関用ピストンにおいて摩擦抵抗性の低減が得られることを確認する。

（２）試験方法
浮動ライナー法によるフリクション測定装置（８０．５mm浮動ライナー）を使用して，前掲の比較例１及び実施例２のピストンのフリクションを測定した。

（３）試験結果
測定結果を図１５及び図１６に示す。

図１５及び図１６に示したように，図示平均有効圧（IMEP）を変化させた場合，及び回転速度を変化（１５００min^-1，２０００min^-1）させた場合のいずれにおいても，実施例２のピストンは，比較例１のピストンに比較して低い摩擦損失平均有効圧（FMEP）を示しており，負荷を変化させた場合，及び回転速度を変化させた場合のいずれにおいてもフリクションの低減が得られることが確認された。

〔強度の評価〕
実施例１及び実施例２のピストンに対し，有限要素法（ＦＥＭ）による強度解析を行うと共に，安全率の計算を行った結果，実施例１及び実施例２のいずれのピストン共，各部において必要な強度が得られていることが確認された。

特に，実施例２のピストンでは，実施例１のピストンに比較してより高い強度が得られており，より過酷な使用条件（実施例１に対し，実施例２では１．２５倍の設計筒内圧）において必要な強度と安全率が得られることが確認された。

１ （内燃機関用）ピストン
１０ クラウン部
１１ 頂部
１１ａ 頂面
１１ｂ 裏面
１２ 円筒部
１３ リング溝
１４ バルブリセス
２０ スカート部
２０ａ スラスト側スカート部
２０ｂ 反スラスト側スカート部
２１ テーパ部
２２ 潤滑性コーティング層
３０ サイドウォール
３１ ピン穴
３２ 厚肉部
３３ 薄肉部
４１ 肉盛り
１００ （内燃機関用）ピストン
１１０ クラウン部
１１１ａ 頂面
１１１ｂ 裏面
１２０ スカート部
１２０ａ スラスト側スカート部
１２０ｂ 反スラスト側スカート部
１３０ サイドウォール
１３１ ピン穴
１３２ ピンボス
１３３ ピンボスリブ
１４５ ピストンピン
１５０ シリンダ
１５１ 連結棒
１６０ ダンパー材
ＬＳ 基準線
ＬＣ ピストンピンの軸線
Ｏ 交点（基準線ＬＳとピストンピンの軸線ＬＣの）
Ｃ 隅角部
Ｄ 角部（ピンボスとサイドウォールの連結部の）

Claims (5)

1. 燃焼圧を受ける頂面を有するクラウン部と，
   上端を前記クラウン部に連結されたスラスト側スカート部及び反スラスト側スカート部と，
   前記スラスト側スカート部の幅方向両端と前記反スラスト側スカート部の幅方向両端間をそれぞれ連通する一対のサイドウォールと，
   前記両スカート部間の中間位置において前記サイドウォールの肉厚を貫通するピン穴を備え，
   前記スカート部の少なくとも幅方向の中央付近が下端側から上端側に向かって厚みを減じるテーパ状に形成されていると共に，
   前記サイドウォールには，前記ピン穴の形成位置における肉厚を厚くした厚肉部が上下方向に連続して形成されていると共に，前記厚肉部と前記スカート部とを連通する薄肉部が設けられており，前記厚肉部から前記薄肉部に向かって段差なく曲線的に厚みを減じる形状に形成されていることを特徴とする内燃機関用ピストン。
2. 前記クラウン部が，前記頂面を有する円盤状の頂部と，前記頂部の裏面周縁部より突出した円筒部を備え，
   前記スカート部の前記上端が，前記円筒部の開口縁に連続して形成されていると共に，
   前記サイドウォールの上端が，前記円筒部内において前記頂部の裏面に連結されていると共に，前記サイドウォールの前記薄肉部が前記円筒部の内周面に連結されており，
   前記スラスト側スカート部及び前記反スラスト側スカート部のうち，少なくとも一方のスカート部と連結される前記薄肉部の内壁面と，前記頂部裏面，及び前記円筒部内周面によって画成される隅角部に補強用の肉盛りがされていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関用ピストン。
3. 前記補強用の肉盛りが，前記隅角部から前記サイドウォールの前記薄肉部の内壁面及び前記頂部裏面に向かって段差なくなだらかな曲線で厚みを減少するように行われていることを特徴とする請求項２記載の内燃機関用ピストン。
4. 平面視した前記ピストンのスラスト方向における直径を基準線とし，該基準線を０°として，ピストンピンの軸線と前記基準線との交点を中心に，該基準線に対し±２０°〜５０°の範囲に前記スカート部を形成したことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の内燃機関用ピストン。
5. 平面視した前記ピストンのスラスト方向における直径を基準線とし，該基準線を０°として，ピストンピンの軸線と前記基準線との交点を中心に，該基準線に対し±２０°〜４０°の範囲の前記スカート部を，下端側から上端側に向かって厚みを減じる前記テーパ状に形成したことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の内燃機関用ピストン。
   

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