JP4251571B2 - ピストンとコンロッドとの球面連結構造 - Google Patents

Description

本発明は、ピストンとコンロッドとの球面連結構造の改良に関するものである。

従来のピストンとコンロッドとの球面連結構造として、本出願人は、特願２００３−３８１４１６で、ピストン側とコンロッド側とを締結部材でねじ結合することで球面継手を構成するものを提案した。また他に、ピストンとコンロッドとの球面連結構造に球面継手を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
実開平３−１７３６９号公報

上記特願２００３−３８１４１６の図４（ここでは、図の下部は省いた。）を図１０で説明する。なお、符号は振り直した。
図１０は従来のピストンとコンロッドとの球面連結構造を示す第１断面図であり、ピストン２００の冠部２０１の裏面に突出部としてのカップ状支持部２０２を形成し、このカップ状支持部２０２に下向き凹部２０３、凹状半球面２０４及びめねじ２０６を形成し、凹状半球面２０４にコンロッド２０７の小端部２０８の上半部を滑り可能に嵌合させ、小端部２０８の下半部にホルダ２１１に形成した凹状の球面２１２，２１２を滑り可能に嵌合させ、締結部材２１３に形成したおねじ２１４を上記しためねじ２０６にねじ結合することで、カップ状支持部２０２にホルダ２１１を固定してピストン２００とコンロッド２０７とを連結したことを示す。

また、特許文献１の第１図を以下の図１１で説明する。なお、符号は振り直した。
図１１は従来のピストンとコンロッドとの球面連結構造を示す第２断面図であり、ピストン２２０の冠部裏面に半球状の凹部２２１を形成し、この凹部２２１にロッド２２２の略球状とした小端部２２３を当て、凹部２２１の周囲の面に小端部２２３を保持するフランジ２２４を複数のボルト２２６で取付けることでピストン２２０とロッド２２２とを連結したことを示す。

図１２は内燃機関におけるクランク角とピストンに作用する力との関係を示す第１グラフであり、縦軸はピストンに作用する力としての爆発力及び慣性力、横軸はクランク角（−３６０°〜３６０°）を示す。
爆発力は、内燃機関の燃焼室内圧力に基づいて算出した力であり、燃焼室内圧力が最大となるクランク角０°（爆発上死点）直後に最大となり、常に正の値をとるから、ピストンに常に上死点側から下死点側への方向（この方向を下向きとする。以下同じ。）の力Ｐを作用させる。

慣性力は、ピストン質量、エンジン回転数、ピストンストローク長、コンロッド長さから算出した力であり、クランク角０°（及び±３６０°）付近では負の値をとるから、ピストンには下死点側から上死点側への方向（この方向を上向きとする。以下同じ。）の慣性力Ｆ１が作用し、また、クランク角±１８０°（下死点）付近では、正の値をとるから、ピストンには下向きの慣性力Ｆ２が作用する。

図１３は内燃機関におけるクランク角とピストンに作用する力との関係を示す第２グラフであり、縦軸はピストンに作用する力として、図１２に示した慣性力と、図１２に示した爆発力と図１２に示した慣性力との合力とを示し、横軸はクランク角（−３６０°〜３６０°）を示す。

爆発力と慣性力との合力が正の値となるのは、クランク角でほぼ−３００°〜３００°の間であり、この間でピストンには合力が下向きに作用する。また、合力が負の値となるのは、クランク角でほぼ−３６０〜３００°の間と、ほぼ３００°〜３６０°の間であり、これらの間でピストンには合力が上向きに作用する。この範囲で合力が最小となるのは、±３６０°である。

以上に述べた爆発力と慣性力との合力の方向に加えて、ピストンの移動方向及び慣性力の方向を、ピストンの各行程（クランク角でほぼ９０°の範囲）毎に番号（１）〜番号（８）を付してグラフの下部に示した。合力及び慣性力の正負が入れ替わる場合は、そのクランク角を境にして別の番号を付けた。
例えば、番号（１）の行程では、ピストンの移動方向は下向き、合力の方向は上向き、慣性力の方向は上向きとなる。

図１０及び図１３において、ピストン２００がシリンダ内を移動する場合、ピストン２００、ホルダ２１１及び締結部材２１３にそれぞれ慣性力が加わる。
（Ａ）例えば、ピストン２００の番号（１）及び番号（８）の行程では、ピストン２００にそれぞれ上向きの合力Ｒ１，Ｒ２が作用する、詳しくは、おねじ２１４とめねじ２０６とのねじ結合部に上記の上向きの合力Ｒ１又は合力Ｒ２が作用し、引張応力が発生する。このとき、合力Ｒ１又は合力Ｒ２の大部分は慣性力であり、この慣性力の大部分は、おねじ２１４とめねじ２０６とのねじ結合部よりも上方のピストン２００の質量によるものであるから、このような大きな質量によってねじ結合部には大きな引張応力が発生する。

また、（Ｂ）例えば、ピストン２００の番号（２），（３），（６），（７）の各行程では、ピストン２００、詳しくは、おねじ２１４とめねじ２０６とのねじ結合部にそれぞれ下向きの慣性力Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６が作用する。これらの慣性力Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６は、ホルダ２１１及び締結部材２１３の質量によるものであるが、ホルダ２１１及び締結部材２１３の質量は小さいため、ねじ結合部に発生する引張応力は小さい。

以上より、おねじ２１４とめねじ２０６とのねじ結合部には、上記の（Ａ）及び（Ｂ）の引張応力が繰り返し作用するために、ねじ結合部の平均応力は高くなり、ねじ結合部の耐久性が低くなるという点で課題が残る。

図１１においても、（Ｃ）ピストン２２０の質量による慣性力、又は、（Ｄ）フランジ２２４及びボルト２２６の一部の質量による慣性力によって、ボルト２２６とめねじ２２７とのねじ結合部に応力が繰り返し発生する。ピストン２２０の質量はフランジ２２４の質量よりも大きいので、（Ｃ）により発生する応力が、（Ｄ）により発生する応力よりも大きくなり、平均応力が高くなって、ボルト２２６とめねじ２２７とのねじ結合部の耐久性が低くなる。

本発明の目的は、ピストンとコンロッドとの球面連結構造を改良することで、ピストンとコンロッドとを連結する連結部、即ち、ねじ結合部の疲労に対する耐久性を向上させることにある。

請求項１に係る発明は、内燃機関に組み込むピストンの冠部裏面に突出部を設け、この突出部の底に凹状の第１球面を設け、この第１球面にコンロッドに設けた球状の小端部の先端側を滑り可能に嵌合させ、小端部の大端部側に、保持部材に設けた凹状の第２球面を滑り可能に嵌合させ、突出部に第１ねじを形成し、保持部材を保持する保持締結部に第２ねじを形成し、これらの第１ねじと第２ねじとをねじ結合することで小端部を第１球面と第２球面とで保持するピストンとコンロッドとの球面連結構造であって、ピストンを、突出部を含む上部ピストンと、保持締結部を含む下部ピストンとから構成し、上部ピストンと下部ピストンとの質量差を、上部ピストンの質量又は下部ピストンの質量の１０％以内にしたことを特徴とする。

ピストンを構成する、突出部を含む上部ピストンと、保持締結部を含む下部ピストンとのそれぞれの質量をほぼ合致するように配分し、上部ピストンと下部ピストンとのそれぞれに作用する慣性力の差をより小さくして、第１ねじと第２ねじとのねじ結合部に発生する平均応力を下げる。

請求項２に係る発明は、小端部の中心を、ピストンの重心と一致させたことを特徴とする。
ピストンが小端部を中心として首振りしたときに、ピストンの慣性モーメントが小さくなり、ピストンが首振りによりシリンダ壁に衝突したときの衝撃が小さくなる。

請求項３に係る発明は、下部ピストンに、全周に形成したスカート部を備えることを特徴とする。
通常のピストンでは、スラスト側及び反スラスト側にそれぞれスカート部を備え、ピストンのスラスト−反スラスト方向に直交する部分にはスカート部が無いため、ピストンのスラスト−反スラスト方向に直交する方向のピストン移動によってピストンの剛性の高い部分がシリンダ壁と衝突し、大きなピストン打音が発生し易い構造であった。これに対して、本発明では、全周にスカート部を設け、スラスト−反スラスト方向に直交する方向へのピストンの移動によってピストンがシリンダ壁と衝突したときに、その衝撃を剛性の小さいスカート部で緩和させ、ピストン打音を低減する。

請求項１に係る発明では、ピストンを、上部ピストンと下部ピストンとから構成し、上部ピストンと下部ピストンとの質量差を、上部ピストンの質量又は下部ピストンの質量の１０％以内にしたので、上部ピストンと下部ピストンのそれぞれに作用する慣性力の差を小さくすることができ、第１ねじと第２ねじとのねじ結合部に発生する平均応力を小さくすることができる。従って、ねじ結合部の疲労による耐久性を向上させることができる。

請求項２に係る発明では、球状の小端部の中心を、ピストンの重心と一致させたので、コンロッド小端部回りのピストンの慣性モーメントを小さくすることができ、ピストンが首振りによりシリンダ壁に衝突したときの衝撃を小さくすることができる。従って、スラップ音等のピストン打音を低減することができる。

請求項３に係る発明では、下部ピストンに、全周に形成したスカート部を備えるので、スラスト−反スラスト方向に直交する方向のピストン移動によるシリンダ壁との衝突時の衝撃を剛性の小さいスカート部で緩和することができ、ピストン打音を低減することができる。また、スカート部が全周にあるためにピストン冠部側からスカート部各部に熱が均等に伝わり、スカート部の熱変形を均一にすることができる。従って、スカート部とシリンダ壁との当たりを全周に亘って均一にすることができ、焼き付き防止、フリクション低減を図ることができる。

本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係るピストンとコンロッドとの球面連結構造を採用した内燃機関の断面図であり、内燃機関１０は、シリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１に設けたシリンダボア１２に移動自在に挿入したピストン１３と、このピストン１３に球面継手１４を介して連結したコンロッド１６と、シリンダブロック１１の下部に回転自在に取付けるとともに中空のクランクピン１７でコンロッド１６をスイング自在に支持する組立式のクランクシャフト１８とを備える。

シリンダブロック１１は、上部に設けたシリンダ部２１と、このシリンダ部２１の内側に嵌合させるとともにシリンダボア１２を形成した筒状のスリーブ２２と、シリンダ部２１の下部に取付けたアッパークランクケース２３とからなる。

コンロッド１６は、ピストン１３に連結した球形状の小端部２４と、クランクピン１７に連結した大端部２５と、これらの小端部２４及び大端部２５のそれぞれを連結するロッド部２６とを一体成形した部材であり、大端部２５をクランクピン１７に滑り軸受３１を介して連結したものである。

ここで、３２はクランクシャフト１８に設けたカウンタウエイト、３３はシリンダブロック１１の上部にヘッドガスケット（不図示）を介して取付けたシリンダヘッド、３４は吸気バルブ、３６は排気バルブ、３７は燃焼室、３８はアッパークランクケース２３とでクランクケースを形成するためにアッパークランクケース２３の下部に複数のボルト４１で取付けたロワークランクケース、４２はロワークランクケース３８の下部に複数のボルト４４で取付けたオイルパンである。

図２は本発明に係るピストン、コンロッド及びクランクシャフトの組立状態を示す斜視図であり、ピストン１３にコンロッド１６をスイング自在に取付け、クランクシャフト１８にコンロッド１６をスイング自在に取付けたことを示す。

ピストン１６は、例えば、材質ＡＣ８Ａ［ＪＩＳ Ｈ ５２０２］の素材を鋳造にて製造し、熱処理としてＴ６処理を施した後に機械加工を施した部材である。
コンロッド１６としては、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、又はチタン合金製が好適である。

図３は本発明に係るピストン及びコンロッドの断面図であり、ピストン１３は、燃焼室３７（図１参照）を形成する冠部５０を備える上部ピストン５１と、コンロッド１６の小端部２４の上半球部２４ａを滑り可能に保持するために上部ピストン５１の冠部５０の裏面５３から突出させた突出部５４内に配置した上部保持部材５６と、コンロッド１６の小端部２４の下半球部２４ｂを滑り可能に保持する下部保持部材５７と、この下部保持部材５７を保持するために上部ピストン５１にねじ結合した下部ピストン５８とからなる。

上部ピストン５１は、円板状とした冠部５０と、この冠部５０の縁から下方に延ばした筒状で厚肉としたランド部６１と、このランド部６１から更に下方に延ばした筒状でランド部６１よりも薄肉とした上部スカート部６２と、前述の突出部５４とを一体成形した部材である。

冠部５０は、燃焼室３７（図１参照）に臨む冠面６４を備える。
ランド部６１は、冠面６４側から順に、トップランド６６、トップリング溝６７、セカンドランド６８、セカンドリング溝７１、サードランド７２及びオイルリング溝７３を設けた部分であり、トップリング溝６７にトップリング（不図示）を嵌め、セカンドリング溝７１にセカンドリング（不図示）を嵌め、オイルリング溝７３にオイルリング（不図示）を嵌める。

突出部５４は、上部保持部材５６をピストン１３の半径方向に移動可能に収納する凹部７５と、この凹部７５の開口部７６側の外周面７７に形成したおねじ７８とを備え、凹部７５は、底部８１に小凹部８２を形成した部分である。

上部保持部材５６は、耐熱性、耐摩耗性に優れた窒化ケイ素系セラミックス製であり、コンロッド１６の小端部２４の上半球部２４ａに滑り可能に嵌合する凹状の球面としての第１球面８５と、上部ピストン５１の小凹部８２内に位置する小凸部８６とを備え、凹部７５の内周面８７と上部保持部材５６の外周面８８とは片側にそれぞれ隙間Ｃを有し、同様に、小凹部８２と小凸部８６との間にも片側にそれぞれ隙間Ｃ（不図示）を有する。この隙間Ｃは凹部７５の内周面８７とコンロッド１６の小端部２４との間にも片側にそれぞれ有する。
上記の窒化ケイ素系セラミックスとしては、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、ＢＮ（窒化ホウ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＴｉＮ（窒化チタン）が好適である。

下部保持部材５７は、コンロッド１６の小端部２４の下半球部２４ｂに滑り可能に嵌合する凹状の球面としての第２球面９１と、下部ピストン５８に嵌合する外周面９２及びおすテーパ部９３と、上部ピストン５１の突出部５４の端面５４ａに当接する当接面９４とを備える４分割とした窒化ケイ素系セラミックス（上に上げた材料が好適である。）製の部材であり、回り止め用ピン（不図示）で上部ピストン５１の突出部５４に対して回転しないようにするとともに、コンロッド１６のロッド部２６に当てる被案内面を設けることでピストン１３をコンロッド１６に対して回転しないようにする部材でもある。なお、５７ａ〜５７ｄ（５７ｃ，５７ｄは不図示）は、下部保持部材５７を構成する４つの分割体である。

下部ピストン５８は、上部ピストン５１の突出部５４の下部及び下部保持部材５７を囲むように配置した筒部９５と、この筒部９５から放射状に延ばした複数のリブ９６と、これらのリブ９６の各先端に連結した円筒状の下部スカート部９７とを一体成形した部材であり、全周に備える下部スカート部９７の上端面９７ａを上部ピストン５１の上部スカート部６２の下端面６２ａに当てた部材である。

筒部９５は、穴部９８に、下部保持部材５７のおすテーパ部９３に密着させためすテーパ部１０１と、下部保持部材５７の外周面９２に所定の隙間を有して嵌合する内周面１０２と、上部ピストン５１のおねじ７８にねじ結合するために内周面１０２の上部に形成しためねじ１０３とを備える。

おすテーパ部９３とめすテーパ部１０１とは、嵌合させることにより筒部９５の軸線に対して下部保持部材５７の軸線を一致させることが可能な部分である。
上記した上部ピストン５１のおねじ７８及び下部ピストン５８のめねじ１０３とは、ねじ結合部１０４を構成する部分である。

上部ピストン５１と下部ピストン５８とは、それらの質量をほぼ同一とした部材であり、上部保持部材５６と下部保持部材５７との質量をほぼ同一としているから、上部ピストン５１及び上部保持部材５６からなる上部ピストン半体１０５Ａの質量と、下部ピストン５８及び下部保持部材５７からなる下部ピストン半体１０５Ｂの質量とはほぼ同一となる。

コンロッド１６は、ロッド部２６の内部に軽量化のための中空部１０６，１０７，１０８，１１０を設け、小端部２４の内部に軽量のための中空部１１０を設けた部材であり、大端部２５（図１参照）側から球面継手１４の滑り面にオイルを供給するためにオイル穴１１４，１１５を設けたものである。

上記した突出部５４、上部保持部材５６、下部保持部材５７、筒部９５及び小端部２４は、上記した球面継手１４を構成する部分である。
１１７は球状の小端部２４の中心を示す中心点であり、ピストン１３の重心でもあるが、中心点１１７をピストン１３の重心にほぼ一致させてもよい。
１１８はピストン１３の軸線である。１１９は中心点１１７を通り且つ軸線１１８に直交する平面に含まれる直線である。

図４は本発明に係るピストン及びコンロッドを示す底面図（一部断面図）であり、下部ピストン５８は、筒部９５と下部スカート部９７とを連結する複数のリブ９６を備える。ここでは、隣り合うリブ９６のなす角度θを皆等しくしたが、これに限らず、隣り合うリブ９６のなす角度を、スラスト側と反スラスト側とで異ならせてもよいし、あるいは、スラスト−反スラスト方向に直交する方向、例えば、クランクシャフトを車両前後方向に延ばした内燃機関ではフロント−リヤ方向のフロント側とリヤ側とで異ならせてもよい。また、このようなリブ９６に相当するものを上部ピストン５１（図３参照）に設けてもよく、これにより、上部ピストン５１の冠部５０（図３参照）に発生する応力を各リブへ均等に分散することができ、上部ピストン５１に発生する応力の最大値を低くすることができる。

コンロッド１６は、小端部２４（図３参照）に近いロッド部２６の側面２６ａ，２６ａに、平坦で且つコンロッド１６がスイング（揺動）する方向（図の左右方向である。）に平行な案内面２６ｂ、２６ｂをそれぞれ形成したものであり、下部保持部材５７（形状の理解を容易にするために太線で示した部分である。）は、コンロッド１６を通すために設けた矩形状開口部５７ｅに各分割体５７ａ〜５７ｄ毎に、上記の案内面２６ｂ，２６ｂに当たりながら案内される被案内面５７ｆを設けたものである。

上記したように、コンロッド１６に案内面２６ｂ、２６ｂを設け、下部保持部材５７に案内面２６ｂ，２６ｂに案内される被案内面５７ｆ、５７ｆを設けたことで、コンロッド１６に対してピストン１３のシリンダ軸回りの回転を防ぐことができる。

以上に述べたピストン１３とコンロッド１６との組立要領を図５〜図７で説明する。
図５（ａ），（ｂ）は本発明に係るピストンとコンロッドとの組立要領を示す第１作用図である。
（ａ）において、下部ピストン５８の穴部９８にコンロッド１６の小端部２４が入るように下部ピストン５８を矢印の向きに移動させ、（ｂ）に示すように、下部ピストン５８を小端部２４から離した状態で、下部保持部材５７の各分割体５７ａ〜５７ｄ（５７ａ，５７ｂのみ示す。）の各第２球面９１が小端部２４の下半球部２４ｂに密着するように矢印の向きに移動させる。

図６（ａ），（ｂ）は本発明に係るピストンとコンロッドとの組立要領を示す第２作用図である。
（ａ）において、下部保持部材５７の各分割体５７ａ〜５７ｄ（５７ａ，５７ｂのみ示す。）を小端部２４に密着させた状態で、下部ピストン５８を矢印の向きに移動させ、下部ピストン５８の内周面１０２及びめすテーパ部１０１を、それぞれ下部保持部材５７の外周面９２及びおすテーパ部９３に嵌合させる。
（ｂ）において、矢印で示すように、上部保持部材５６を小端部２４に被せ、小端部２４の上半球部２４ａと上部保持部材５６の第１球面８５とを密着させる。

図７（ａ），（ｂ）は本発明に係るピストンとコンロッドとの組立要領を示す第３作用図である。
（ａ）において、上部ピストン５１の凹部７５に上部保持部材５６が入るように上部ピストン５１を矢印の向きに移動させ、上部ピストン５１のおねじ７８を下部ピストン５８のめねじ１０３にねじ結合する。

このとき、（ｂ）に示すように、例えば、おねじ７８（又はめねじ１０３（（ａ）参照））の軸線１２０と、コンロッド１６の小端部２４の中心点１１７を通る中心線１２１（この中心線１２１は、（ａ）に示した第１球面８５及び第２球面９１の中心も通る。）とにずれ量δがあっても、上部ピストン５１の凹部７５内を上部保持部材５６及び小端部２４が矢印の向きに一体的に移動することで軸線１２０に対して中心線１２１が自動調心され（即ち、軸線１２０と中心線１２１とが一致し）、おねじ７８とめねじ１０３とのねじ結合を容易に行うことができるとともに、小端部２４と、第１球面８５及び第２球面９１との隙間をより均一に保つことができる。

図８は本発明に係るピストンの作用を示す第１作用図である。
燃焼室３７内の混合気の爆発によって、上部ピストン５１の冠部５０の温度が上昇すると、冠部５０の熱は、矢印で示すように、突出部５４に伝わるが、上部保持部材５６は冠部５０とは別部材であり、しかも、冠部５０と上部保持部材５６との間には油膜が存在するために、冠部５０から上部保持部材５６には熱が伝わり難い。従って、上部保持部材５６の第１球面８５とコンロッド１６の小端部２４との摺動部の温度を低くすることができ、摺動部の熱変形を小さくでき、油膜切れを発生し難くすることができる。

また、上部ピストン５１と下部ピストン５８とを別体としたので、上部ピストン５１から下部ピストン５８へ熱が伝わり難くなり、下部ピストン５８の温度、詳しくは、下部スカート部９７の温度を低くすることができるから、シリンダボア１２と下部スカート部９７との隙間を小さく設定することができ、ピストン１３の首振り（小端部２４を中心とした揺動運動）、並進（スラスト−反スラスト方向の移動）等のスラップ運動時のシリンダボア１２への衝突エネルギーを小さくすることができて、ピストン打音を発生し難くすることができる。

図９（ａ）〜（ｄ）は本発明に係るピストンの作用を示す第２作用図であり、（ａ），（ｂ）は実施例（本実施形態）、（ｃ），（ｄ）は比較例を示す。
（ａ）の実施例は、図１３に示した番号（７）の行程でのピストン１３に作用する力を示す。即ち、ピストン１３が上向きに移動中に、下部ピストン５８及び下部保持部材５７からなる下部ピストン半体１０５Ｂ（太線で輪郭を描いた部分である。）に下向きの慣性力Ｆ６１が作用し、この慣性力Ｆ６１がおねじとめねじとのねじ結合部１０４に引張力として作用する。

（ｂ）の実施例は、図１３に示した番号（８）の行程でのピストン１３に作用する力を示す。即ち、ピストン１３が上向きに移動中に、上部ピストン５１及び上部保持部材５６からなる上部ピストン半体１０５Ａ（太線で輪郭を描いた部分である。）に上向きの合力Ｒ２１が作用し、この合力Ｒ２１がおねじとめねじとのねじ結合部１０４に引張力として作用する。

図１３において、番号（７）の行程における慣性力の最大値（クランク角−３６０°〜３６０°の範囲の最大値でもある。）をＦ、番号（８）の行程における合力の絶対値の最大値（クランク角−３６０°〜３６０°の負側の絶対値の最大値でもある。）をＲとすると、ここでは、ＦとＲとの比は、Ｆ：Ｒ＝７：１０となる。この比は、図１２に示した内燃機関のピストンに作用する燃焼室内圧力と慣性力とによって定まる。

このことより、図９（ａ），（ｂ）において、本発明のピストン１３では、上部ピストン半体１０５Ａの質量ＭＵと下部ピストン半体１０５Ｂの質量ＭＬとの比を概ね１：１としたので、Ｆ６１とＲ２１との比は、Ｆ６１：Ｒ２１＝７：１０となり、下部ピストン半体１０５Ｂによりねじ結合部１０４に発生する応力と、上部ピストン半体１０５Ａによりねじ結合部１０４に発生する応力との比も７：１０となる。

（ｃ）の比較例は、図１３に示した番号（７）の行程でのピストン２３０（図１０に示したピストン２００に相当するものである。）に作用する力を示す。即ち、ピストン２３０が上向きに移動中に、下部ピストン半体２３０Ｂ（太線で輪郭を描いた部分である。）に下向きの慣性力Ｆ６２が作用し、この慣性力Ｆ６２がおねじとめねじとのねじ結合部２３１に引張力として作用する。

（ｄ）の比較例は、図１３に示した番号（８）の行程でのピストン２３０に作用する力を示す。即ち、ピストン２３０が上向きに移動中に、上部ピストン半体２３０Ａ（太線で輪郭を描いた部分である。）に上向きの合力Ｒ２２が作用し、この合力Ｒ２２がおねじとめねじとのねじ結合部２３１に引張力として作用する。

上記の図９（ｃ），（ｄ）に示した上部ピストン半体２３０Ａの質量ＣＭＵと下部ピストン半体２３０Ｂの質量ＣＭＬの比を、例えば、ＣＭＵ：ＣＭＬ＝８：２とすると、慣性力Ｆと合力Ｒとの比が、Ｆ：Ｒ＝７：１０であるから、Ｆ６２：Ｒ２２＝７：４０となり、下部ピストン半体２３０Ｂによりねじ結合部２３１に発生する応力と、上部ピストン半体２３０Ａによりねじ結合部２３１に発生する応力との比も７：４０となる。従って、ねじ結合部２３１には、上部ピストン半体２３０Ａによって、（ａ），（ｂ）に示した実施例のピストン１３のねじ結合部１０４よりも大きな平均応力が発生する。

本発明では、図３に戻って、ピストン１３の首振り時の慣性モーメントをより小さくするために、ピストン１３の重心とピストン１３の揺動中心であるコンロッド１６の小端部２４とをほぼ合致させるため、上部ピストン５１の質量Ｍ１と下部ピストン５８の質量Ｍ２とをほぼ同一にするとともに、上部ピストン５１と下部ピストン５２との分割位置を、小端部２４の中心点１１７を通り且つピストン１３の軸線１１８に直交する直線１１９を含む平面に近い位置とした。

以上の図３に示したように、本発明は第１に、内燃機関１０（図１参照）に組み込むピストン１３の冠部５０の裏面５３に突出部５４を設け、この突出部５４の底に凹状の第１球面８５を設け、この第１球面８５にコンロッド１６に設けた球状の小端部２４の先端側（即ち、上半球部２４ａ）を滑り可能に嵌合させ、小端部２４の大端部２５側（即ち、下半球部２４ｂ）に、保持部材としての下部保持部材５７に設けた凹状の第２球面９１を滑り可能に嵌合させ、突出部５４に第１ねじとしてのおねじ７８を形成し、下部保持部材５７を保持する保持締結部としての筒部９５に第２ねじとしてのめねじ１０３を形成し、これらのおねじ７８とめねじ１０３とをねじ結合することで小端部２４を第１球面８５と第２球面９１とで保持するピストン１３とコンロッド１６との球面連結構造であって、ピストン１３を、突出部５４を含む上部ピストン５１と、筒部９５を含む下部ピストン５８とから構成し、上部ピストン５１と下部ピストン５８のそれぞれの質量をほぼ合致するように配分したことを特徴とする。
ここで、ほぼ合致するとは、上部ピストン５１と下部ピストン５８との質量差が上部ピストン５１の質量又は下部ピストン５８の質量の１０％以内のことをいう。

ピストン１３を、上部ピストン５１と下部ピストン５８とから構成し、上部ピストン５１と下部ピストン５８のそれぞれの質量Ｍ１，Ｍ２をほぼ合致するように配分したので、上部ピストン５１と下部ピストン５８のそれぞれに作用する慣性力の差を小さくすることができ、第１ねじ７８と第２ねじ１０３とのねじ結合部１０４に発生する平均応力を小さくすることができる。従って、ねじ結合部１０４の疲労による耐久性を向上させることができる。

特に、高回転が可能な内燃機関１０では、ピストン１３に作用する慣性力が非常に大きくなるため、上部ピストン５１と下部ピストン５８とを分割してねじ結合する形式のものでは、上部ピストン５１の質量Ｍ１が下部ピストン５８の質量Ｍ２に対して大きいと、上部ピストン５１と下部ピストン５８とのねじ結合部１０４の平均応力が大きくなるため、上部ピストン５１と下部ピストン５８との質量比を１：１により近づける、好ましくは、上部ピストン５１と下部ピストン５８との質量比を７：１０により近づけることで、平均応力を低減することが望ましい。

本発明は第２に、小端部２４の中心となる中心点１１７を、ピストン１３の重心とほぼ一致させたことを特徴とする。
球状の小端部２４の中心点１１７を、ピストン１３の重心とほぼ一致させたので、コンロッド１６の小端部２４回りのピストン１３の慣性モーメントを小さくすることができ、ピストン１３が首振りによりシリンダボア１２に衝突したときの衝撃を小さくすることができる。従って、スラップ音等のピストン打音を低減することができる。

本発明は第３に、下部ピストン５８に、全周に形成したスカート部としての下部スカート部９７を備えることを特徴とする。
下部ピストン５８に、全周に形成した下部スカート部９７を備えるので、スラスト−反スラスト方向に直交する方向のピストン１３の移動によるシリンダボア１２との衝突時の衝撃を剛性の小さい下部スカート部９７で緩和することができ、ピストン打音を低減することができる。また、下部スカート部９７の熱変形を均一にすることができ、下部スカート部９７とシリンダボア１２との当たりを全周に亘って均一にすることができ、焼き付き防止、フリクション低減を図ることができる。

尚、本発明では、上部ピストンと下部ピストンのそれぞれの質量をほぼ合致するように配分したが、これに限らず、上部ピストン及び図３に示した上部保持部材５６の質量の和と、下部ピストン及び保持部材（即ち、図３に示した下部保持部材５７）の質量の和とをほぼ合致するようにしてもよい。

本発明のピストンとコンロッドとの球面連結構造は、二輪車、四輪車の内燃機関に好適である。

本発明に係るピストンとコンロッドとの球面連結構造を採用した内燃機関の断面図である。 本発明に係るピストン、コンロッド及びクランクシャフトの組立状態を示す斜視図である。 本発明に係るピストン及びコンロッドの断面図である。 本発明に係るピストン及びコンロッドを示す底面図である。 本発明に係るピストンとコンロッドとの組立要領を示す第１作用図である。 本発明に係るピストンとコンロッドとの組立要領を示す第２作用図である。 本発明に係るピストンとコンロッドとの組立要領を示す第３作用図である。 本発明に係るピストンの作用を示す第１作用図である。 本発明に係るピストンの作用を示す第２作用図である。 従来のピストンとコンロッドとの球面連結構造を示す第１断面図である。 従来のピストンとコンロッドとの球面連結構造を示す第２断面図である。 内燃機関におけるクランク角とピストンに作用する力との関係を示す第１グラフである。 内燃機関におけるクランク角とピストンに作用する力との関係を示す第２グラフである。

符号の説明

１０…内燃機関、１３…ピストン、１４…球面継手、１６…コンロッド、２４…小端部、２４ａ…上半球部、２４ｂ…下半球部、５０…冠部、５３…裏面、５４…突出部、５７…保持部材（下部保持部材）、７８…第１ねじ（おねじ）、８５…第１球面、９１…第２球面、９５…保持締結部（筒部）、９７…スカート部（下部スカート部）、１０３…第２ねじ（めねじ）、１１７…小端部の中心（中心点）、Ｍ１…上部ピストンの質量、Ｍ２…下部ピストンの質量。

Claims (3)

1. 内燃機関に組み込むピストンの冠部裏面に突出部を設け、この突出部の底に凹状の第１球面を設け、この第１球面にコンロッドに設けた球状の小端部の先端側を滑り可能に嵌合させ、前記小端部の大端部側に、保持部材に設けた凹状の第２球面を滑り可能に嵌合させ、
   前記突出部に第１ねじを形成し、前記保持部材を保持する保持締結部に第２ねじを形成し、これらの第１ねじと第２ねじとをねじ結合することで前記小端部を前記第１球面と前記第２球面とで保持するピストンとコンロッドとの球面連結構造であって、
   前記ピストンは、前記突出部を含む上部ピストンと、前記保持締結部を含む下部ピストンとからなり、
   前記上部ピストンと前記下部ピストンとの質量差が、上部ピストンの質量又は下部ピストンの質量の１０％以内であることを特徴とするピストンとコンロッドとの球面連結構造。
2. 前記小端部の中心は、前記ピストンの重心と一致することを特徴とする請求項１記載のピストンとコンロッドとの球面連結構造。
3. 前記下部ピストンは、全周に形成したスカート部を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のピストンとコンロッドとの球面連結構造。

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