JP2921189B2 - 断熱ピストン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、セラミック製ピスト
ンヘッドと該ピストンヘッドに固定した金属製ピストン
スカートから成る断熱ピストンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、断熱ピストンの構造としては、図
５に示すように、セラミック材或いは該セラミック材と
熱膨張係数がほぼ等しい材料で作られたピストンヘッド
１をピストンスカート２に取付け、その取付構造とし
て、ピストンヘッド１には取付軸部２３を形成し、ピス
トンスカート２の上端壁部４の中央に取付孔５を形成
し、取付軸部２３を取付孔５に嵌合して両者にわたって
金属材料から成る結合リング６を塑性変形で嵌入してピ
ストンヘッド１とピストンスカート２とは固定されてい
る。更に、場合によっては、ピストンヘッドに断熱材を
介在させてセラミック薄板を取付けたものが開示されて
いる。このような断熱ピストンとしては、例えば、特開
昭６３−３０２１６４号公報等に開示されたものがあ
る。

【０００３】図５に示すように、ピストンヘッド１をピ
ストンスカート２に取付け、ピストンヘッド１のクラウ
ン部８の下面２５とピストンスカートの上端壁部４の上
面２６との間に形成される空間部２４にリング状の断熱
部材７を介在させた断熱ピストンについては、該断熱ピ
ストンに加わる力については、ピストンヘッド１をピス
トンスカート２に取付ける場合に、ピストンスカート２
にピストンヘッド１を嵌合して組付ける時にかかる組付
力、及び組付け後にピストンスカート２の取付孔５とピ
ストンヘッド１の取付軸部２３との周方向溝部９にメタ
ルフロー金属即ち結合リング６を塑性流動で嵌入する時
にかかる結合リング６の締付力によるものである。

【０００４】ところで、図５に示す断熱ピストンでは、
ピストンヘッド１とピストンスカート２との結合力は、
取付孔５と取付軸部２３との間及び周方向溝部９にメタ
ルフロー金属を塑性流動で嵌入させることで確保してい
るが、周方向溝部９自体が周方向で短いと十分な結合力
を確保できないものである。そこで、ピストンヘッド１
とピストンスカート２との十分な結合力を確保するた
め、図３及び図４に示すような断熱ピストンが開発され
ている。この断熱ピストンは、ピストンスカート２の取
付孔５に嵌入するピストンヘッド１の取付部を環状突出
部３に形成したものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３及
び図４に示すような断熱ピストンでは、金属製のピスト
ンスカート２に断熱部材７を介在して窒化ケイ素、サー
メット等のセラミック製のピストンヘッド１を取付ける
場合に、ピストンヘッド１の環状突出部３には、メタル
フロー金属即ち結合リング６が嵌入するように、周方向
溝部９が形成されている。そこで、ピストンヘッド１の
環状突出部３をピストンスカート２の取付孔５に嵌合
し、取付孔５の壁面と環状突出部３の周方向溝部９とで
形成される空間部に金属材料である結合リング６を塑性
流動させて嵌入させると、金属部材の結合リング６によ
って半径方向内向きの締付力Ｗ即ち剪断応力が環状突出
部３に作用し、環状突出部３の周方向溝部９の下端部Ｐ
の位置が応力集中部となって圧縮力が負荷される。更
に、環状突出部３には組付力Ｆが働くので、その反力に
よる引張応力即ち主応力が環状突出部３に発生し、同様
に、環状突出部３の周方向溝部９の下端部Ｐの位置が応
力集中部となって圧縮力が負荷される。特に、上記組付
け時の反力による引張応力が原因で環状突出部３の破損
が発生している。そのため、環状突出部３の周方向溝部
９の下端部Ｐの応力集中部で割れ、クラックＣ等が発生
し、環状突出部３の破損の原因になっている。

【０００６】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、ピストンヘッドとピストンスカー
トとを連結する場合に、ピストンスカートの取付孔に嵌
合するピストンヘッドの環状突出部に生じる応力集中
を、該環状突出部の剛性を低下させることで応力集中を
緩和し、環状突出部の破損を防止し、安定した耐久性に
富んだ取付孔と環状突出部による結合部を確保する断熱
ピストンを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、次のように構成されている。即ち、
この発明は、上端壁部に取付孔を形成した金属製ピスト
ンスカート、前記取付孔に嵌合する取付部を備えたセラ
ミック製ピストンヘッド及び前記取付孔と前記取付部と
の間に塑性流動によって嵌入し且つ前記ピストンスカー
トと前記ピストンヘッドとを固定した金属製結合リング
を有する断熱ピストンにおいて、前記取付部を環状突出
部に形成し、該環状突出部の外周面に前記結合リングを
塑性流動で嵌入する周方向溝部を形成し、前記周方向溝
部に対応する位置となる部分即ち前記環状突出部の内周
面に周方向溝部を形成したことを特徴とする断熱ピスト
ンに関する。

【０００８】

【作用】この発明による断熱ピストンは、以上のように
構成されており、次のように作用する。この断熱ピスト
ンは、ピストンヘッドに設けた取付部を環状突出部に形
成し、該環状突出部の外周面に結合リングを形成する金
属部材を塑性流動で嵌入する周方向溝部を形成し、前記
周方向溝部に対応する前記環状突出部の内周面に周方向
溝部を形成したので、周方向溝部を形成した前記環状突
出部の前記結合リングが嵌入する部分即ち結合部の剛性
を低減できる。しかも、前記環状突出部に対して組付力
は半径方向内向きの分力が働き、金属材料の結合リング
の締付力は半径方向外向きの分力が働くので、両者の力
がバランスして前記環状突出部の金属部材が嵌入する部
分に発生していた応力集中が緩和され、前記環状突出部
のクラック、亀裂或いは破損が防止でき、耐久性に富ん
だ安定した結合部を確保できる。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による断熱
ピストンの実施例を説明する。図１はこの発明による断
熱ピストンの実施例を全体的に示す断面図、及び図２は
図１の断熱ピストンの一実施例を示す要部の一部拡大断
面図である。図１に示す断熱ピストンの部品は、図５に
示す断熱ピストンの部品と比較して取付部の構成が相違
する以外は同一の構成であるので、同一の部品には同一
の符号を付し、重複する説明は省略する。

【００１０】図１に示すように、この発明による断熱ピ
ストンは、主として、シリンダ内を往復運動するピスト
ンヘッド１と該ピストンヘッド１に固定したピストンス
カート２を有している。ピストンヘッド１は窒化ケイ
素、炭化ケイ素、サーメット等のセラミック材料或いは
複合材料で製作され、また、ピストンスカート２はアル
ミニウム合金等の金属材料から製作されている。ピスト
ンヘッド１は、燃焼室１０を備えたクラウン部８、該ク
ラウン部８の周囲から下方に伸びる外周リング部２０及
びクラウン部８の中央付近から下方に伸びる取付部を有
している。この取付部は、環状に形成された環状突出部
３に形成されている。ピストンスカート２の上面部は上
端壁部４に形成され、該上端壁部４の中央には取付孔５
が形成されている。この取付孔５は、連通状態の小径孔
１９と大径孔１２から構成されている。

【００１１】また、ピストンヘッド１の環状突出部３の
外周面２２には、メタルフロー金属から成る結合リング
６が嵌入するための半径方向内向きに切り込まれた周方
向溝部９が形成されている。ピストンヘッド１とピスト
ンスカート２とは、ピストンヘッド１の外周面２２とピ
ストンスカート２の大径孔１２とで形成される空間部
に、部分安定化ジルコニア等のセラミックスから成る断
熱部材１３，１４を介在してメタルフロー金属を高周波
コイル等で加熱することで塑性流動させ、該メタルフロ
ー金属を環状突出部３の周方向溝部９に嵌入し、該メタ
ルフロー金属の塑性変形で形成された結合リング６を配
置することで、ピストンヘッド１とピストンスカート２
とは互いに強固に固定されている。

【００１２】この断熱ピストンは、上記構成において、
特に環状突出部３の構造に特徴を有している。即ち、ピ
ストンヘッド１のピストンスカート２への取付けを環状
突出部３に形成し、該環状突出部３の外周面２２に結合
リング６が嵌入する周方向溝部９を形成し、該周方向溝
部９に対応する環状突出部３の内周面１５に周方向溝部
１１を形成したことである。このように、環状突出部３
の内周面１５に周方向溝部１１を形成することによっ
て、特に、環状突出部３の周方向の厚さを低減して環状
突出部３の剛性を低くし、ピストンヘッド１とピストン
スカート２との組付け時に発生する反力による引張応力
即ち主応力を低減することができ、しかも組付け時に発
生する反力は、結合リング６の熱収縮による締付け力即
ち剪断応力で発生する残留圧縮応力を負荷することによ
って、結合部に掛かる力がバランスし、結合リング６が
嵌入して環状突出部３の下端部Ｐに発生していた応力集
中を緩和し、該部分即ち結合部の強度を安定化すること
ができ、環状突出部３の強度を確保でき、亀裂、割れ、
破損等の発生を避けることができる。

【００１３】また、この断熱ピストンは、ピストンヘッ
ド１のクラウン部８の下面２５とピストンスカート２の
上端壁部４の上面２６との間に形成される空間部２４
に、部分安定化ジルコニア（マグネシア系ジルコニ
ア）、ムライトとチタン酸アルミニウムの複合材等のセ
ラミックスの低熱伝導材料から製作された断熱部材７が
介在している。断熱部材７は、ピストンヘッド１のクラ
ウン部８とシリンダ内を摺動運動するピストンスカート
２の上端壁部４との間を断熱するために配置されてい
る。

【００１４】この断熱ピストンについて、ピストンヘッ
ド１とピストンスカート２とは、次のようにして固定す
ることができる。先ず、ピストンヘッド１のクラウン部
８の下面２５とピストンスカート２の上端壁部４の上面
２６との間に断熱部材７を介在させると共に、ピストン
ヘッド１の外周リング部２０の下端面１６とピストンス
カート２の上端壁部４の周囲上端面１７との間にガスケ
ット１８及びカーボンシール２１を介在させる。次い
で、ピストンヘッド１の環状突出部３をピストンスカー
ト２の上端壁部４に形成した取付孔５に嵌合すると共
に、ピストンヘッド１のクラウン部８の周囲から下方に
伸びる外周リング部２０の下端面１６を、ピストンスカ
ート２の上端壁部４の周囲上端面１７にガスケット１８
及びカーボンシール２１を介在して対向させる。

【００１５】この状態で、ピストンヘッド１とピストン
スカート２とを、メタルフローによって互いに固定す
る。即ち、ピストンヘッド１の環状突出部３の外周面２
２とピストンスカート２の上端壁部４に形成した大径孔
１２との間に形成された穴部に、部分安定化ジルコニア
等の断熱材料から成る断熱部材１３，１４を介在させ、
次いで、メタルフロー金属即ち結合リング６を高周波コ
イル等で加熱し、該結合リング６を塑性変形させて空間
部に嵌入すると共に、環状突出部３の周方向溝部９に結
合リング６を塑性変形で嵌入させて硬化させ、ピストン
ヘッド１とピストンスカート２とを結合リング６で固定
する。この時、環状突出部３の内周面１５には、周方向
溝部１１が形成されているので、環状突出部３の下端部
Ｐでの応力集中は発生しなく、環状突出部３の強度を確
保でき、環状突出部３の割れ、クラック、破損等の発生
は避けることができ、強固な結合部を確保できる。

【００１６】

【発明の効果】この発明による断熱ピストンは、以上の
ように構成したので、次のような効果を有する。この断
熱ピストンは、ピストンスカートの取付孔に嵌合するピ
ストンヘッドの取付部を環状突出部に形成し、該環状突
出部の外周面に結合リングを塑性流動で嵌入する周方向
溝部を形成し、前記周方向溝部に対応する前記環状突出
部の内周面に周方向溝部を形成したので、周方向溝部を
形成した前記環状突出部の剛性を低減できる。しかも、
前記環状突出部に対して組付力は半径方向内向きの分力
が働き、前記結合リングの金属材料による締付力は半径
方向外向きの分力が働くので、両者の力がバランスして
前記環状突出部の前記結合リングが嵌入する部分に発生
していた応力集中が緩和され、前記環状突出部のクラッ
ク、亀裂或いは破損が防止でき、耐久性に富んだ安定し
た結合部を確保できる。従って、ピストンの往復運動、
熱負荷等による外力を受けてもピストンが破損すること
がない。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による断熱ピストンの実施例を全体的
に示す断面図である。

【図２】図１の断熱ピストンの一実施例を示す要部の一
部拡大断面図である。

【図３】先行技術である断熱ピストンの一例を全体的に
示す断面図である。

【図４】図３の断熱ピストンの要部の一部拡大断面図で
ある。

【図５】従来の断熱ピストンの一例を全体的に示す断面
図である。

【符号の説明】

１ ピストンヘッド ２ ピストンスカート ３ 環状突出部 ４ 上端壁部 ５ 取付孔 ６ 結合リング ８ クラウン部 ９ 周方向溝部（外周面） １１ 周方向溝部（内周面） １２ 大径孔 １５ 内周面 １９ 小径孔 ２２ 外周面

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02F 3/00 301 F02F 3/00 302 F02F 3/00 F02F 3/02 F02F 3/04 F02F 3/26

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上端壁部に取付孔を形成した金属製ピス
   トンスカート、前記取付孔に嵌合する取付部を備えたセ
   ラミック製ピストンヘッド及び前記取付孔と前記取付部
   との間に塑性流動によって嵌入し且つ前記ピストンスカ
   ートと前記ピストンヘッドとを固定した金属製結合リン
   グを有する断熱ピストンにおいて、前記取付部を環状突
   出部に形成し、該環状突出部の外周面に前記結合リング
   を塑性流動で嵌入する周方向溝部を形成し、前記周方向
   溝部に対応する前記環状突出部の内周面に周方向溝部を
   形成したことを特徴とする断熱ピストン。