JP6366807B2 - ピストン摺動部の潤滑構造 - Google Patents

Description

本発明は、ピストン摺動部の潤滑構造に関する。

図３に示す様に、自動車等における一般的なエンジンでは、シリンダ１内に収容されたピストン２がピストンピン３を介しコンロッド４の小端部４ａにより揺動自在に支持されており、該コンロッド４の大端部４ｂがクランクピン５を介しクランクシャフト６と連結されている。

そして、クランクピン５は、クランクアーム６ａによりクランクシャフト６の中心からずらした位置に支持されており、クランクピン５がクランクシャフト６の中心回りに円軌道（図３中の一点鎖線を参照）を描いて移動するようになっているので、コンロッド４がピストンピン３を中心に揺動しつつピストン２がシリンダ１内を図３中の上下に昇降することになる。

一般的に、ピストン２がアルミ製である場合には、スチール製のシリンダライナ１ａに対する熱膨張差が大きくなるため、ピストン２側が大きく熱膨張して焼付きを起こすような事態を未然に回避し得るようピストンクリアランスを多く確保する必要がある。しかし、ピストンクリアランスを多く確保してしまうと、ピストンスラップ時に打音が生じてしまうという不具合が生じてしまう。

このため、従来においては、ピストン２のスカート７（ピストン２のピストンリング装着部より下の部分）の外周面に耐焼付き性及び低摩擦特性を有する低摩擦コーティングを施してピストンクリアランスを詰め、これによりピストンスラップ時の打音低減とピストン２の摩擦低減を図るようにしている。

爆発圧力Ａにより下方に押し下げられるピストン２は、コンロッド４の傾斜によりピストン２の図中左側が強くシリンダ１の内壁に押し付けられる。以下、上死点直後に側圧（Ｓｉｄｅ−Ｔｈｒｕｓｔ）を受ける側をスラスト側と称する。

このような側圧を受けるスラスト側は、金属接触が発生する混合潤滑の状態が支配的となる。そして、反スラスト側では、油膜を挟んで摩擦面同士が離れて滑る流体潤滑の状態が支配的となる。

しかし、流体潤滑が支配的な反スラスト側にまで全域に低摩擦コーティングを施してしまうことで摺動抵抗が増し、これにより燃費の更なる向上を図り得る余地が損なわれていた。

そこで、図４（Ａ），（Ｂ）に示す様に、ピストン２のスカート７における反スラスト側の外周面に、前記ピストン２の摺動方向に向かって延びる縞模様を成すように低摩擦コーティングを施し、そのコーティング部８の相互間に前記ピストン２の摺動方向に潤滑油を逃がす非コーティング部９を残す一方、ピストン２のスカート７におけるスラスト側の外周面全域に低摩擦コーティングを施した構成を特許文献１において提案している。

このようにすれば、コーティング部８と非コーティング部９との境界にコーティング厚さ分のギャップｇ（図４（Ｂ）参照）が生じ、実質的なシリンダライナ１ａ側との潤滑面が各コーティング部８の存在する領域だけに限定され、これによりピストン２のスカート７における潤滑面積が低減されて摩擦力が大幅に減少することになる。

すなわち、各コーティング部８の相互間に残る非コーティング部９は、ピストン２の摺動方向に開放されていて潤滑油を自由に逃がし得るようになっているため、各非コーティング部９では、流体潤滑の状態にすらならず、潤滑油の粘度も殆ど影響しない非常に摩擦抵抗の少ない状態となる。このため、実質的なシリンダライナ１ａ側との潤滑面は、各コーティング部８の存在する領域だけに限定されることになる。

しかも、ピストン２のスカート７における反スラスト側では、各コーティング部８とシリンダライナ１ａとの間が、油膜を挟んで摩擦面同士が離れて滑っている状態の流体潤滑の状態となる。これに対し、各コーティング部８の存在する領域では、ピストンクリアランスが詰まってピストン２の摺動時における油膜厚さが薄くなり、これにより摩擦係数が小さく抑えられて摩擦力がより少なくなる。

すなわち、図５に縦軸を摩擦係数とし横軸を油膜厚さとしたストライベック線図で示す通り、流体潤滑の領域では、油膜厚さが薄くなるほど摩擦係数μが小さくなる。このため、各コーティング部８の存在によりピストンクリアランスが詰まって油膜厚さが薄くなれば、その摩擦係数μが小さくなって摩擦力が少なくなる。

ところが、斯かる特許文献１に開示されたコーティングパターンは、ピストン２の摺動方向と平行に延びる縦縞パターンのコーティング部８を採用していたため、該各コーティング部８がシリンダライナ１ａの内周面の同じ場所に押し付けられて摺動することになり、図６に示す様に、シリンダライナ１ａ内周面のコーティング部８が当たる位置に筋状の軽微な段差１０（表面粗さが小さくなることで生じた軽微な当たり）ができてしまい、シリンダライナ１ａの耐久性に悪影響を及ぼすおそれがあった。

そこで、図７（Ａ），（Ｂ）に示す様に、スカート７に水玉形状のコーティング部８を千鳥配列としたピストン摺動部の潤滑構造が提案されている。すなわち、各コーティング部８は、ピストン２の周方向ＣＤに沿って間隙Ｄを空けて並べられ、ピストン２の周方向ＣＤに沿った列を複数形成させるとともに隣接する列のコーティング部８を互い違いに配置している。そして、水玉の直径の大きさは、間隙Ｄと同じ大きさに形成されている。

このようなコーティングパターンが施されたピストン２は、シリンダライナ１ａの内周面に、隙間なく押し付けられて摺動することにより、シリンダライナ１ａの内周面に筋状の軽微な段差１０を生じることなく摩擦力の大幅な減少を図ることができる。

特開２０１０−１０６７２４号公報

しかしながら、コーティング部８を水玉千鳥配列にしたピストン２は、さらに改善の余地があった。

コーティング部８を水玉千鳥配列に施したピストン２は、シリンダ１内において潤滑油を介して往復動させると、潤滑油が各コーティング部８の間隙を流れる。ここで、ピストン２の周方向に沿った方向に並ぶ各コーティング部８の間隙をＤとし、コーティング部８と隣接する列の最も近いコーティング部８'との間隙をｄとすると、Ｄ＞２ｄとなっている。また、間隙Ｄを流れる潤滑油の流速をＵとし、間隙ｄを流れる分流路の潤滑油の流速をｕ１とする。

間隙Ｄを流れる潤滑油は、隣接する列のコーティング部８の円周に衝突し、二分割され間隙ｄの間を流れる。このとき、間隙Ｄを流れる潤滑油は、丸められたコーティング部８の円周に衝突するため、大きな流体摩擦を受けていた。

また、間隙ｄの大きさは、間隙Ｄの大きさと比較すると、二分の一より小さいため、間隙ｄを流れる二分割された潤滑油の流速ｕ１は、間隙Ｄを流れる潤滑油の流速Ｕよりも早くなる。すなわち、コーティング部８の間で潤滑油の流速が異なる部分が発生し、潤滑油の流体摩擦を受けていた。

そこで、本発明は、シリンダの内周面に筋状の軽微な段差を生ずることなく摩擦力の大幅な減少を図るとともに、コーティグ部の間隙を流れる潤滑油による流体摩擦も低減するピストン摺動部の潤滑構造を提供することを目的とする。

本発明は、内燃機関のシリンダ内で潤滑油を介して往復動するピストンの摺動部分における反スラスト側に、摩擦力を低減させるコーティングにより形成されたコーティング部を、前記ピストンの周方向に沿って間隙を空けて複数形成することにより、前記ピストンの周方向に沿って隣接する列の各コーティング部を互い違いに配置した複数の列を形成し、且つ、前記コーティング部における前記ピストンの周方向に沿った長さが前記間隙の大きさと同じか大きくなるように形成し、前記ピストンの往復動に伴いコーティング部間に潤滑油が流れるピストン摺動部の潤滑構造であって、前記コーティング部は、前記ピストンの軸方向にそれぞれ突出する一対の尖り部を有し全体形状が線対称な形状で対称軸が前記ピストンの軸方向に沿うように形成されるとともに、菱形から前記ピストンの周方向に突出する角が丸められた角丸部を有する形状に形成され、該角丸部は、前記コーティング部の前記尖り部を形成する四つの辺に内接する内接円の一部に一致し、前記コーティング部の重心位置は、隣接する列の前記コーティング部の重心位置と、前記ピストンの軸方向に沿った距離が前記内接円の半径の三倍、前記ピストンの周方向に沿った距離が前記内接円の半径の二倍となるように形成され、前記コーティング部の一方の尖り部と隣接する列のコーティング部における他方の尖り部とで、潤滑油が流れる分流路と、二条の分流路が合流する合流路を形成し、前記分流路は、流路幅の大きさが前記間隙の二分の一とし、前記分流路を流れた潤滑油は、前記合流路で合流し流量が倍になるとともに、前記分流路の二倍の幅を流れ、前記分流路を流れた潤滑油が、前記合流路で合流した際に流速が変動することを抑止し得るよう構成したことを特徴としている。

前記ピストン摺動部の潤滑構造において、前記ピストンの摺動部分におけるスラスト側の外周面全域にコーティングを施すことができる。

本発明のピストン摺動部の潤滑構造によれば、シリンダの内周面に筋状の軽微な段差を生ずることなく摩擦力の大幅な減少を図るとともに、コーティグ部の間隙を流れる潤滑油による流体摩擦も低減させることができる。

（Ａ）は、本発明のピストン摺動部の潤滑構造を示すピストンの側面図である。（Ｂ）は、（Ａ）のピストン摺動部の潤滑構造の一部を示す拡大図である。 本発明のピストン摺動部の潤滑構造における参考例を示す図である。 一般的なエンジンの機構を示す図である。 （Ａ）は、従来のピストン摺動部の潤滑構造を示す側面図である。（Ｂ）は、（Ａ）のＩＶ（Ｂ）−ＩＶ（Ｂ）矢視図である。 縦軸を摩擦係数とし横軸を油膜厚さとしたストライベック線図である。 シリンダライナの内周面に発生する軽微な段差を示す概略図である。 （Ａ）は、水玉形状のコーティング部を千鳥配列としたピストン摺動部の潤滑構造を示す側面図である。（Ｂ）は、水玉形状のコーティング部を千鳥配列としたピストン摺動部の潤滑構造の一部を示す拡大図である。

以下、本発明を実施するための形態を、図１を参照して説明する。図１（Ａ）は、本発明のピストン摺動部の潤滑構造を示すピストンの側面図である。図１（Ｂ）は、（Ａ）のピストン摺動部の一部を示す拡大図である。図１中、図３と同一の符号を付した部分は同一物を表わす。そして、基本的な構成は、図３に示す従来のものと同様である。

本発明は、エンジン（内燃機関）のシリンダ１内で潤滑油を介して往復動するピストン２の摺動部分における反スラスト側に、摩擦力を低減されるコーティングにより形成されたコーティング部２１が複数形成される。

このコーティング部２１は、ピストン２の周方向ＣＤに沿って間隙２Ｓを空けて複数形成することにより、ピストン２の周方向に沿って複数の列が形成される。この列は、隣り合う（隣接する）列の各コーティング部２１'が互い違いに配置されている。すなわち、コーティング部２１は、スカート７に千鳥配列で施されている。なお、説明の便宜上、隣り合う列のコーティング部を２１'で示すが同じコーティング部２１である。

コーティング部２１は、全体形状が、菱形の四個の角のうち一対の対角が丸められた形状をしている。コーティング部２１は、線対称な形状をしており、対称軸ＡＳがピストン２の軸方向ＡＤに沿うように形成される。そして、ピストン２の周方向ＣＤに沿う方向に突出する部分が丸められている。コーティング部２１は、ピストン２の軸方向ＡＤに突出する鋭角な一対の尖り部２１ａ、２１ｂと、一対の角丸部２１ｃ、２１ｃと、を有する。

コーティング部２１は、ピストン２の周方向ＣＤに沿った方向の長さ２ｒが間隙２Ｓの大きさと同じである。ここで、角丸部２１ｃは、コーティング部２１に半径ｒで内接する内接円２１ｄの一部に一致する。

本発明を実施するための形態において、コーティング部２１の重心位置は、隣接する列のコーティング部２１'の重心位置と、ピストン２の軸方向ＡＤに沿った距離Ｌが３ｒ、ピストン２の周方向ＣＤに沿った距離Ｍが２ｒとなるように形成されている。

コーティング部２１の他方の尖り部２１ｂと隣接する列のコーティング部２１'の一方の尖り部２１ａとで潤滑油が流れる分流路２２を形成する。他方の尖り部２１ｂと隣接する列のコーティング部２１'の一方の尖り部２１ａとは、一定の間隙Ｓが空けられている。よって、分流路２２は、流路幅の大きさが間隙Ｓの大きさと同じであり、隣り合うコーティング部２１，２１（２１'，２１'）間の間隙２Ｓの大きさの半分の大きさに形成されている。

本発明のピストン摺動部の潤滑構造は、ピストンの摺動部分における反スラスト側に、コーティング部２１を、ピストン２の周方向ＣＤに沿って間隙２Ｓを空けて複数形成することにより、ピストン２の周方向ＣＤに沿って隣接する列の各コーティング部２１が互い違いに配置された複数の列を形成したコーティングパターンを施し、且つ、コーティング部２１におけるピストン２の周方向ＣＤに沿った長さが間隙２Ｓの大きさと同じに形成されている。

これにより、ピストン２のシリンダ１内での往復動に伴い、コーティング部２１が施された部分がシリンダライナ１ａの内周面に摺動される範囲において、全域がそれぞれのコーティング部２１によって摺動され、シリンダライナ１ａの内面に筋状の軽微な段差が生じることを防止することができる。

また、コーティング部２１は、ピストン２の軸方向ＡＤにそれぞれ突出する一対の尖り部２１ａ、２１ｂを有している。これにより、間隙２Ｓを流れる潤滑油は、円弧に衝突して二分割されるよりも、接触する部分が小さい為に小さな流体摩擦で二分割することができる。

コーティング部２１の他方の尖り部２１ｂと隣接する列のコーティング部２１'の一方の尖り部２１ａとで潤滑油が流れる分流路２２を形成する。そして、分流路２２は、流路幅が間隙２Ｓの大きさの半分となっている。これにより、間隙２Ｓを流れる潤滑油は、尖り部２１ａ（又は、２１ｂ）によって等分されるとともに、間隔２Ｓの半分の流路幅の分流路２２を流れる。従って、間隔２Ｓを流れる潤滑油の流速と分流路２２を流れる潤滑油の流速とが同じ流速となる。

そして、分流路２２を流れた潤滑油は、二条の分流路２２が合流する合流路２３で合流し流量が倍になるとともに、分流路２２の二倍の幅を流れる。従って、合流路２３を流れる潤滑油の流速と分流路２３を流れる潤滑油の流速とが同じ流速となる。

また、前記コーティング部２１は、ピストン２の周方向ＣＤに突出する角が丸められた角丸部２１ｃを有している。これにより、二条の分流路２２を流れてきた潤滑油が合流路２３で円滑に合流する。

よって、コーティング部２１間を流れる潤滑油の流速が異なることから発生する流体摩擦を抑えることができる。
以上により更なる燃費の低減効果を得られる。

また、本発明を実施するための形態においては、ピストン２のスカート７におけるスラスト側の外周面全域に低摩擦コーティングを施している。このため、金属接触が発生する混合潤滑の状態が支配的となる前記スカート７のスラスト側において、その全域を低摩擦コーティングで被覆して従来通りの耐焼付き性及び低摩擦特性を発揮させることができる。

すなわち、図５のストライベック線図で示す通り、流体潤滑の領域においては、油膜厚さが薄くなるに従い摩擦係数μが小さくなるが、所定の油膜厚さを越えて金属接触が発生する混合潤滑に移行してしまうと、油膜厚さが薄くなるに従い摩擦係数μが急激に増加してしまう。

このため、混合潤滑が支配的なスラスト側にあっては、非コーティング部を残してしまうことによりこの非コーティング部がシリンダライナ１ａ側と金属接触を起こして焼付きや摩耗損失を招いてしまうデメリットの方が大きいと考えられ、このようなデメリットを回避することを優先している。

図２を参照して、ピストン摺動部の参考例を説明する。図２は、本発明のピストン摺動部の潤滑構造における他の実施形態を示す図である。参考例に係るピストン摺動部の潤滑構造は、コーティング部２１の重心位置と隣接する列のコーティング部２１'の重心位置との距離を除き、その基本的構成が上記実施例と同様であるため、上記実施例と同様の構成には同一符号を付し、上記実施形態の説明と重複することになる説明を省略する。

コーティング部２１の重心位置は、隣接する列のコーティング部２１'の重心位置と、ピストン２の軸方向ＡＤに沿った距離Ｌとピストン２の周方向ＣＤに沿った距離Ｌとが等しくなるように配置されている。

なお、本発明の参考例であるピストン摺動部の潤滑構造は、上述の実施例にのみ限定されるものではない。例えば、コーティング部２１は、ピストン２の周方向ＣＤに沿った方向の長さがピストン２の周方向ＣＤに沿って隣り合うコーティング部２１との間隙２Ｓの長さと同じである例を用いて説明したがこれに限定されるものではない。コーティング部２１は、ピストン２の周方向ＣＤに沿った方向の長さを、ピストン２の周方向ＣＤに沿って隣り合うコーティング部２１との間隔２Ｓの大きさよりも大きくすることができる。

また、分流路２２の流路幅は、流路幅の間隙Ｓがピストン２の周方向ＣＤに沿って隣り合うコーティング部２１との間隙２Ｓの半分で説明したがこれに限定されるものではない。分流路２２の流路幅は、流路幅の間隙Ｓがピストン２の周方向ＣＤに沿って隣り合うコーティング部２１との間隙の二分の一以上にすることができる。

また、本発明のピストン摺動部の潤滑構造は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を行うことができる。

１ シリンダ
１ａ シリンダライナ
２ ピストン
７ スカート
２１ コーティング部
２１ａ 尖り部
２１ｂ 尖り部
２１ｃ 角丸部
２２ 分流路
２Ｓ 間隙
ＡＤ 軸方向
ＣＤ 周方向
ＡＳ 対称軸

Claims (2)

1. 内燃機関のシリンダ内で潤滑油を介して往復動するピストンの摺動部分における反スラスト側に、摩擦力を低減させるコーティングにより形成されたコーティング部を、前記ピストンの周方向に沿って間隙を空けて複数形成することにより、前記ピストンの周方向に沿って隣接する列の各コーティング部を互い違いに配置した複数の列を形成し、且つ、前記コーティング部における前記ピストンの周方向に沿った長さが前記間隙の大きさと同じか大きくなるように形成し、前記ピストンの往復動に伴いコーティング部間に潤滑油が流れるピストン摺動部の潤滑構造であって、
   前記コーティング部は、前記ピストンの軸方向にそれぞれ突出する一対の尖り部を有し全体形状が線対称な形状で対称軸が前記ピストンの軸方向に沿うように形成されるとともに、菱形から前記ピストンの周方向に突出する角が丸められた角丸部を有する形状に形成され、
   該角丸部は、前記コーティング部の前記尖り部を形成する四つの辺に内接する内接円の一部に一致し、
   前記コーティング部の重心位置は、隣接する列の前記コーティング部の重心位置と、前記ピストンの軸方向に沿った距離が前記内接円の半径の三倍、前記ピストンの周方向に沿った距離が前記内接円の半径の二倍となるように形成され、
   前記コーティング部の一方の尖り部と隣接する列のコーティング部における他方の尖り部とで、潤滑油が流れる分流路と、二条の分流路が合流する合流路を形成し、
   前記分流路は、流路幅の大きさが前記間隙の二分の一とし、前記分流路を流れた潤滑油は、前記合流路で合流し流量が倍になるとともに、前記分流路の二倍の幅を流れ、前記分流路を流れた潤滑油が、前記合流路で合流した際に流速が変動することを抑止し得るよう構成したことを特徴とするピストン摺動部の潤滑構造。
2. 前記ピストンの摺動部分におけるスラスト側の外周面全域にコーティングを施したことを特徴とする請求項１に記載のピストン摺動部の潤滑構造。

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