JP2020159470A - 内燃機関のピストンピン - Google Patents

Abstract

【課題】高剛性を維持しつつ、軽量化を可能とする内燃機関のピストンピンを提供すること。【解決手段】内燃機関のピストン１００を軸支するピストンピン２００であって、ピン本体２０１を軸方向に貫通するように形成された複数の穴部２０２を有し、複数の穴部２０２は、ピン本体２０１の周方向に沿って等間隔に配設されている。【選択図】図３

Description

本開示は、内燃機関のピストンピンに関する。

内燃機関のピストンを軸支し、当該ピストンとコンロッドとを連結するピストンピンが知られている。

近年、内燃機関全体の重量を軽量化する観点から、ピストンピンの軽量化が検討されている。従来、このピストンピンを軽量化するため、ピストンピンの内部を中空状とする手法（肉抜きとも称される）が知られている。ピストンピンの内部に形成する中空形状としては、典型的には、段付き穴形状、テーパ形状又は内径ストレート形状が検討されている（例えば、特許文献１を参照）。

国際公開第２０１７／１５４３７５号

ところで、この種のピストンピンにおいては、当該ピストンピンの軽量化に加えて、当該ピストンピンの、高剛性を維持する要請がある。

この点、ピストンピンの軽量化を図るために、ピストンピンの内部に形成する中空部の内径を拡大した場合、ピストンピンの剛性が低下するという課題がある。

特に、ピストンピンは、燃焼行程時にピストンのヘッド部に作用する爆発力に起因して、湾曲するように撓む場合がある。そして、ピストンピンが撓んだ場合には、当該ピストンピンを挿通するピストンのピン嵌入穴に高い応力が発生し、当該ピン嵌入穴に亀裂が生じ、ピストンの疲労破壊を招くおそれがある。

本開示は、上記問題点に鑑みてなされたもので、高剛性を維持しつつ、軽量化を可能とする内燃機関のピストンピンを提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本開示は、
内燃機関のピストンを軸支するピストンピンであって、
ピン本体を軸方向に貫通するように形成された複数の穴部を有し、
複数の前記穴部は、前記ピン本体の周方向に沿って等間隔に配設されている、
ピストンピンである。

本開示に係るピストンピンによれば、高剛性を維持しつつ、軽量化が可能である。

第１の実施形態に係るピストンの構成を模式的に示す図 第１の実施形態に係るピストンの構成を模式的に示す図 第１の実施形態に係るピストンピンの構成を示す斜視図 第１の実施形態に係るピストンピンの長手方向に対して直交する切断面における断面図 第１の実施形態に係るピストンピンを長手方向に沿って切断した切断面における断面図 シミュレーションに使用した従来技術に係るピストンピンの構造を示す図 ピストンピンの楕円変形量［ｍｍ］に係るシミュレーション結果を示す図 ピストンピンの撓み変形量［ｍｍ］に係るシミュレーション結果を示す図 第２の実施形態に係るピストンピンの構成を示す図

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１の実施形態）
［ピストンの全体構成］
まず、図１〜図２を参照して、本実施形態に係るピストンピンを適用するピストンの全体構成の一例について説明する。

図１及び図２は、本実施形態に係るピストン１００の構成を模式的に示す図である。図１は、ピストン１００の正面図であり、図２は、ピストン１００の内部の構成を表す断面図である。

ピストン１００は、シリンダブロック（図示せず）内において、往復移動可能に収容されている。

ピストン１００は、頂部１０１及び外周面１０２を有するクラウン部１１０、及び、クラウン部１１０の外周面１０２から底部側に延在するスカート部１２０を備えている。

クラウン部１１０は、頂部１０１の中央部の領域に形成された燃焼室１５０、当該クラウン部１１０内に中空状に形成されたオイルギャラリ１６０、及び、外周面１０２の外周に形成されたピストンリング溝１０３を備えている。

スカート部１２０は、外周面１０２からピストン１００の底部側に延在する壁状部材であり、クランクシャフト（図示せず）のクランク回転軸方向に開放された中空部１４０をピストン１００の内部に形成する。スカート部１２０は、中空部１４０に面して、互いに対向する位置に２つのピン嵌入穴１３０を有している。ピン嵌入穴１３０は、ピストンピン２００を挿通可能な内径を有する。尚、ピン嵌入穴１３０には、ピンボス部（図示せず）が形成されている。

ピストンピン２００は、ピストン１００に形成された２つのピン嵌入穴１３０、及び、コンロッド３００の小端孔３３０に挿通され、これらを回転可能に軸支している。即ち、ピストンピン２００は、ピストン１００とコンロッド３００とを連結する。

コンロッド３００は、軸部３１０の両端に、互いに大きさが異なる小端部３２０及び大端部（図示せず）を有している。小端部３２０には、ピストンピン２００を挿通可能な内径を有する小端孔３３０が形成されている。又、大端部には、コンロッド３００とクランクシャフト（図示せず）とを連結するためのクランクピンを挿通可能な大端孔が形成されている。

［ピストンピンの構成］
次に、本実施形態に係るピストンピン２００の詳細構成について、説明する。

図３は、本実施形態に係るピストンピン２００の構成を示す斜視図である。図４は、本実施形態に係るピストンピン２００の長手方向に対して直交する切断面における断面図である。図５は、本実施形態に係るピストンピン２００を長手方向に沿って切断した切断面における断面図である。

ピストンピン２００は、ピストンピン２００の本体であるピン本体２０１と、ピン本体２０１を軸方向に貫通するように形成された複数の穴部２０２、２０３と、を有している。

ピン本体２０１は、典型的には、略円柱形状を呈している。ピン本体２０１は、例えば、アルミニウム−珪素合金、アルミ−銅合金、チタン合金、鉄、又は鋼等の公知の材料を鋳造又は鍛造するなどの公知の方法で作製されている。

複数の穴部２０２、２０３は、ピン本体２０１の中心軸の位置に配設された１つの中心穴２０３と、中心穴２０３の周囲を囲繞するように配設された複数（ここでは、６つ）の周辺穴２０２と、を含む。そして、複数の周辺穴２０２は、ピン本体２０１の周方向に沿って等間隔に形成されている。

穴部２０２、２０３は、例えば、ピン本体２０１の長手方向に対して直交する切断面において略円形状を呈している。そして、穴部２０２、２０３は、ピン本体２０１内で略円柱形状を呈している。

穴部２０２、２０３の直径は、例えば、ピン本体２０１の直径に対して、１／６以上で且つ１／３以下である。但し、軽量化と高剛性化の観点からは、中心穴２０３の直径の方が、周辺穴２０２の直径よりも大きい方が望ましい。尚、穴部２０２、２０３は、開口端においてテーパ部を有していてもよい。

本実施形態に係るピストンピン２００においては、穴部２０２、２０３を複数設けることによって、中空領域を大きく確保している。そして、本実施形態に係るピストンピン２００においては、これらの複数の穴部（ここでは、周辺穴）２０２を、当該ピストンピン２００の周方向に沿って等間隔に配設する構成とすることによって、互いに隣接する穴部２０２間に、ピストンピン２００の形状変化を抑制する支柱が形成される構造としている。尚、中心穴２０３と周辺穴２０２との間にも支柱が形成され、当該支柱も、ピストンピン２００の形状変化を抑制するように機能する。

これによって、ピストンピン２００の剛性を高く維持することが可能である。特に、かかる支柱構造は、ピストンピン２００の楕円変形及び撓み変形に対する強度の維持に資する。

ここで、図６〜図８を参照して、本実施形態に係るピストンピン２００の重量及び剛性を、従来技術に係るピストンピンの重量及び剛性と比較したシミュレーション結果を示す。

図６は、本シミュレーションに使用した従来技術に係るピストンピンの構造を示す図である。図６Ａのピストンピン２００Ａは、ピン本体の中心に、両端の穴径を中央部分の穴径よりも拡大した段付き穴部２１０Ａを有するピストンピン（以下、「比較例１」と称する）である。図６Ｂのピストンピン２００Ｂは、ピン本体の中心に、両端の穴形状をテーパ状とした穴部２１０Ｂを有するピストンピン（以下、「比較例２」と称する）である。図６Ｃのピストンピン２００Ｃは、ピン本体の中心に、略円柱状に形成した穴部２１０Ｃを有するピストンピン（以下、「比較例３」と称する）である。尚、図６では、ピストンピンを長手方向に沿って切断した切断面における断面図により、各比較例を示している。

本シミュレーションでは、本実施形態に係るピストンピン２００、比較例１に係るピストンピン２００Ａ、比較例２に係るピストンピン２００Ｂ、及び比較例３に係るピストンピン２００Ｃそれぞれにおいて、コンロッド３００との接触部の位置を固定（即ち、拘束）した状態で、両端部にピストン１００からの荷重（即ち、燃焼室１５０での爆発力により作用する荷重を想定した荷重）を掛けたときのピストンピン（２００、２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ）の楕円変形量及び撓み変形量を算出した。

図７は、ピストンピン（２００、２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ）の楕円変形量［ｍｍ］に係るシミュレーション結果を示す図である。図８は、ピストンピン（２００、２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ）の撓み変形量［ｍｍ］に係るシミュレーション結果を示す図である。

図７及び図８には、本実施形態に係るピストンピン２００、比較例１に係るピストンピン２００Ａ、比較例２に係るピストンピン２００Ｂ、及び比較例３に係るピストンピン２００Ｃそれぞれにおいて、軽量化と高剛性化の最適化を図った上での結果のみを示している。尚、本シミュレーションは、比較例１〜比較例３のピストンピン２００が、本実施形態に係るピストンピン２００と同一の素材にて形成されており、且つ、本実施形態に係るピストンピン２００と同一の直径を有するという条件のもと行われている。

図７及び図８において、横軸は、最適化したピストンピン（２００、２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ）の重量［ｋｇ］を表している。図７の縦軸のピストンピン２００の楕円変形量とは、ピストンピン２００の短手方向の切断面の形状変化量を表す。又、図８の縦軸のピストンピン２００の撓み変形量とは、コンロッドとの接触部の位置に対して、ピストンピン２００が荷重方向に撓む量を表す。

図７及び図８中の各プロットは、以下を示す。
＊：本実施形態に係るピストンピン２００
◆：比較例１に係るピストンピン２００Ａ
▲：比較例２に係るピストンピン２００Ｂ
×：比較例３に係るピストンピン２００Ｃ

図７及び図８から分かるように、本実施形態に係るピストンピン２００は、比較例１〜比較例３に係るピストンピン２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃと比較して、重量が最も小さい値であり、且つ、楕円変形量及び撓み変形量のいずれについても略最小となっている。

この理由としては、比較例１〜比較例３に係るピストンピン２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃのように、一つの大きな穴部２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃの拡径のみにて軽量化を図ろうとした場合、剛性の悪化を免れないためである。この点、本実施形態に係るピストンピン２００では、上記したように、適切に配置した複数の穴部２０２、２０３にて軽量化を図っているため、剛性の悪化も抑制することが可能である。

［効果］
以上のように、本実施形態に係るピストンピン２００によれば、高剛性を維持しながら、軽量化を図ることができる。

（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係るピストンピン２００の構成を示す図である。尚、図９は、本実施形態に係るピストンピン２００の長手方向に対して直交する切断面における断面図である。

本実施形態に係るピストンピン２００は、軽量化のための穴部２０４の形状の点で、第１の実施形態と相違する。

本実施形態に係る穴部２０４は、ピン本体２０１の長手方向に対して直交する切断面において、ピン本体２０１の中心軸側からピン本体２０１の外周側に向かって放射状に広がる略扇形状を呈している。そして、扇形状の穴部２０４が、ピン本体２０１の周方向に沿って等間隔に、複数（ここでは、４つ）配設されている。

本実施形態に係るピストンピン２００は、第１の実施形態に係るピストンピン２００とは異なって中心穴２０３を有しない。

このように、中心穴２０３を設けない構造としても、ピン本体２０１の周方向に沿って等間隔に穴部２０４を設けることで、ピストンピン２００の高剛性を維持しながら、軽量化を図ることができる。尚、本実施形態に係るピストンピン２００においては、穴部２０４の形状としては、上記したように、扇形状とすることが望ましい。

尚、上記各実施形態では、ピン本体２０１に設ける穴部（２０２、２０３、２０４）の形状の一例として、円形状又は扇形状を示した。しかしながら、当該穴部（２０２、２０３、２０４）の形状は、種々に変形可能であり、その他、菱形形状や六角形状等であってもよい。

又、上記各実施形態では、ピン本体２０１に設ける穴部（２０２、２０３、２０４）の個数の一例として、第１の実施形態では、１個の中心穴２０３と６個の周辺穴２０２を設ける態様を示し、第２の実施形態では、４個の周辺穴２０４を設ける態様を示した。しかしながら、ピン本体２０１の周方向に沿って等間隔に設ける穴部の個数は、４個以上であれば、任意の個数であってよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本開示に係るピストンピンによれば、高剛性を維持しつつ、軽量化が可能である。

１００ ピストン
１０１ 頂部
１０２ 外周面
１０３ ピストンリング溝
１１０ クラウン部
１２０ スカート部
１３０ 嵌入穴
１４０ 中空部
１５０ 燃焼室
１６０ オイルギャラリ
２００ ピストンピン
２０１ ピン本体
２０２、２０３、２０４ 穴部
３００ コンロッド
３１０ 軸部
３２０ 小端部
３３０ 小端孔

Claims (5)

1. 内燃機関のピストンを軸支するピストンピンであって、
   ピン本体を軸方向に貫通するように形成された複数の穴部を有し、
   複数の前記穴部は、前記ピン本体の周方向に沿って等間隔に配設されている、
   ピストンピン。
2. 複数の前記穴部は、
   前記ピン本体の中心軸の位置に配設された中心穴と、
   前記中心穴の周囲に、前記ピン本体の周方向に沿って等間隔に配設された複数の周辺穴と、を含む、
   請求項１に記載のピストンピン。
3. 前記穴部は、前記ピン本体の長手方向に対して直交する切断面において円形状を呈している、
   請求項２に記載のピストンピン。
4. 前記穴部は、前記ピン本体の長手方向に対して直交する切断面において、前記ピン本体の中心軸側から前記ピン本体の外周側に向かって放射状に広がる扇形状を呈している、
   請求項１に記載のピストンピン。
5. 複数の前記穴部は、前記ピン本体の周方向に沿って等間隔に配設された４つ以上の前記穴部を含む、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載のピストンピン。
   
   

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