JPH03164556A - ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ この発明は内燃機関用のピストンに係り、特に、スカー
ト部に作用する摩擦力の低減を図ったピストンに関する
ものである。

［従来の技術］ −Ｊｆ２に、ピストンがシリンダボア内を往復動すると
きピストンに生じる摩擦力を低減すると、機関出力を向
上できる。このことから、近年、この摩擦力の低減につ
いて多くの研究が行われており、シリンダボアに対して
滑り接触する摺動部の面積を減少させれば、摩擦力を低
減できることが周知となっている。しかし、実際には、
どの様に又どの程度、摺動部の面積を減少させれば、効
果的に摩擦力を低減できるかという理論的な指針がない
、そのため、従来は、試行錯誤で実験を繰り返し、命擦
力の低減を図っていた。これに関連して、ピストンのス
カート部にシリンダボアと滑り接触する複数のパッドを
付着するようにした提案が、実開昭６２−８３４７号公
報及び実開昭６２−１０２６１号公報に開示されている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述のように試行錯誤的に摺動面積を低
減してピストンの摩擦力低減を図るのでは、結果的に思
った程の効果が得られなかったり、逆にかえってＩ：２
擦力が増えたりして、なかなか実用化に漕ぎ着けること
ができない、また、実験上好結果を得たらのについては
製造上作りづらいものが多いという不都合がある。

この発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的は製造が容易でかつ効果的に摩擦力を低
減できるピストンを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明は上記目的を達成するために、ピストンのスカ
ート部に、軸方向に間隔をおいて円周方向に沿う軸受部
を突出形成し、これら軸受部の軸方向の長さの総和長を
４．９２ｎｎ〜１８．１０ｍｎに設定しものである。好
ましい形態としては、上記軸受部の外周面に、その軸受
部よりヤング率の高い材料で構成された被覆層を一体形
成する。

［作用］ ピストンがシリンダボア内を往復動するとき、各軸受部
はシリンダボアに対して滑り接触し、摩擦力を受ける。

このとき、軸受部を互いに軸方向に間隔をおいて形成し
かつそれぞれ円１５１方向に沿った形状にすると、軸受
部の形成が非常に容易である。また、軸受部に生じる摩
擦力は、軸受部の軸方向長さの総和長を４．９２１１〜
１８．１０ｍｍとなるよう形成することにより低減され
る。

なお、各軸受部の総和長が４．９２ｎｍ未満のときある
いは１８．１０ｒ６１ｙを越えるときは、軸受部の形成
は容易であるが、摩擦力が高くなる問題が発生し顕著な
効果が得られない。

各軸受部の外周面に、その軸受部よりヤング率の高い材
料から成る被覆層を形成した態様では、より摩擦力が低
減される。

Ｃ実施％Ｊ　］ 以下に、この発明の一実施例を添付図面に基づいて説明
する。

第１図にアルミニウム製のピストン１を示す。

このピストン１においては、スカート部２の外周面に複
数の軸受部３が突出形成されている。各軸受部３はピス
トンボス部４周りを除いて周方向に治って形成されると
共に、軸方向に間隔をおいて互いに同君的に形成されて
いる。第２図及び第３図に示すように、シリンダボア６
を区画する鋳鉄製ライナ７と接触する各軸受部３の滑り
接触面５には、ピストン１の上昇行程で潤滑油膜の生成
を促進し下降行程で潤滑油を掻き落としてその消費呈を
減少させるよう、軸方向に沿って僅かなデーパが形成さ
れている。

軸受部３をこのように略リング形状としたのは、通常の
工程でピストンを成型した後、スカート部２に追加工（
旋盤加工）を施すことにより、容易に軸受部３を製作で
きるからである。

このようにして、軸受部３を形成すると、ピストン１の
摺動面積が減少し、既に述べたようにスカート部２に生
じる摩擦力の低減が期待される。

そこで、このようにして形成される軸受部３の軸方向長
さの総和長が摩擦力の程度に及ばず影響について、次に
考えてみる。

まず、軸受部３及びライナ７間の相対運動を単位周長当
りについて見ると、軸受部３に生じる摩擦力の程度は、
スラスト軸受の潤滑理論を適用して便宜１求められると
考えられる。すなわち、第３図に示すように、潤滑油の
粘度を７７、ａ小膜厚をｈｏ、軸受部３の軸方向長さを
ｐｌ、ピストン■の平均速度をＵとすると、軸受部３に
作用する単位周長当りのＪ京擦力Ｆは、 Ｆ＝ｃｏ　　−７７・ｆ！＋　　−ｕ／ｈａ　　　＝１
１）で示される。また、軸受部３に作用する単位周長当
りの荷重ｗ１は、 ｗ＋＝ｃ＋　　−η−ｕ−Ｊ！＋２／ｈａ２−ｆ２）で
示される。そこで、（２）式を（１）式に代入して整理
すると、 Ｆ＝Ｃ２、／”；璽丁＝啄 となり、摩擦係数μの式、 を得る。

しかし、この（３）式によると、摩擦が何ら軸受部３の
長さ１１の影響を受けないことになっており、上記スラ
スト軸受の理論を実際的な結果を得るための理論として
適用するのは好ましくないことが判る。すなわち、上記
スラスト軸受の理論が、軸受部３及びライナ７を共に靭
体として考え、がつ潤滑油の粘度を常圧粘度として収り
扱ったものであるため、油膜の圧力によって生じる軸受
部３の弾性変形や潤滑油の高圧粘度変化の影響を考慮す
る場合の適用には不適当となるからである。このような
弾性変形や高圧粘度変化を考慮した理論にＥＨＬ理論が
あり、次に、そのＥ　ＨＬ的見解から考察してみる。な
お、Ｅ　ＨＬの本格的取り扱いを、■軸受部３及びライ
ナ７がヘルツ接触状態（静的接触状態）にあり、軸受部
３には極めて高い面圧（ヘルツ応力）が作用する。■潤
滑油の高圧粘度を考慮した場合の等価圧力ｑは油圧が高
いため一定、つまりｑ−１／α（αは粘度の圧力指数）
となる、■軸受部３及びライナ７間の潤滑油の膜１ブは
軸受部３の弾性変形のため、はぼ一定となる。

と仮定する。

今、上記仮定に基づく２円筒に関するグルービン（ＧＲ
ＵＢＩＮ）の式をダウソン・ビギンンン表示で示すと、 Ｈ−−＝１．９５（ＧＵ）”　、Ｗ”　　−１４）とな
る、ここで、Ｕ、Ｗ、Ｇはそれぞれ無次元化した速度パ
ラメータ、荷重パラメータ、材料パラメータである。各
パラメータは、各円筒の曲率Ｒ＋　、Ｒ２に対して等偏
曲率半径Ｒを、Ｒ＝Ｒ＋　　・Ｒ２／　（Ｒ＋　十Ｒ２
）各円筒のヤング率Ｅ１．Ｅ２に対して等価弾性係数Ｅ
を、 １／Ｅ　＝　（１／Ｅ　＋　＋１／Ｅ　２　）／２とし
たとき、 で示される。

なお、 弾性変形の影響のみ考慮する と、 となり、（４）式のように荷重パラメー７ｗの項が無い
ことから、これが高圧粘度変化を考慮したことによる影
響と考えられる。

上記（４）式は２円筒間の膜厚に関する近似解であるが
、ここで、ＢＬＯＣＫの考えを適用して２円筒接触モデ
ルをスラスト軸受モデルに置換して解析すると、（４）
式とヘルツの理論とによりスラスト軸受へのｊＫ開がな
される。すなわち、ヘルツの理論より軸受部３の長さＪ
２１は、 ｂ／Ｒ＝　Ｊｒ口弓／ｇ 、’、Ｊｈ　＝２ｂ＝　　３２Ｗ／ｚ・Ｒ・・・（７）
で示されるなめ、この（７）式を（４）式に代入して曲
率Ｒの項を消去すると、 １ となり、（５１、（７１式を（８）式に代入して整理す
ると、 ・・（９） となる、したがって、（９）式を（１）式に代入する・
・（１０） となり、さらに、（１０）式を（３）式と同様にｗｌで
除すと、ｒ！Ｊ擦係数μの式、 を得る。

第１図のように複数段形成された軸受部３全体に作用す
る摩擦について考えるならば、各軸受部３の長さの総和
をｊ、各軸受部３に作用する荷重の総和をＷとおいて、
（１１）式は結局、６λン　　リｊ　　−ｅ、ｄｌ　　
６ｒＪμ＝Ｃ１α　（７７ＬＪ）　　Ｂ　　ｗ　　Ｊ？
・・・（１２） となり、摩擦係数μが軸受部３の総和長１のほぼ０．１
４乗に比例して増加することが理論的に推定される。

次に、摩擦力低減効果の大きな適性範囲を定めるために
行った実験について説明する。この実験では、第４図（
ａ）に示す標準的なピストンに対して互いに軸受部の総
和長ｊを変えた４種類の供試品（第４図（ｂ）〜（Ｃ）
）を形成し、各供試品についてエンジン回転数を変えて
摩擦平均有効圧力Ｐｍｆを測定した。第５図はその実験
結果であるまた、第６図はこの結果を総和長オの０．１
４乗と摩擦平均有効圧力Ｐｍｆとの関係に置換したもの
である。今、第６図を参照するに、摩擦平均有効圧力Ｐ
ｍｆのデータはマクロ的に総和長Ｊの０．１４乗にほぼ
比例しているといえる。しかし、個々に見ると、エンジ
ン回転数１２００ｒｐｎ＋及びＩＧＯＯｒｐｎ＋時に総
和長Ａの０．１４乗が１．５１１を越えると、摩擦平均
有効圧力Ｐｍｆのデータは立ち上り、曲とは明確な差と
して表われる。一方、エンジン回転数６００ｒｐｎ時に
、総和長ｐの０．１４乗が１．２５ｎｎを超えて小さく
なると、摩擦平均有効圧力Ｐｍｆは若干上昇しており、
それ以下ではさらに上昇する傾向にあると考えられる。

したがって、この実験によると摩擦力低減効果の大きな
適性範囲として、ＪＯ，１４＝１．２５〜１．５０ｍ１
”　＋４の範囲が得られる。これより軸方向長さの総和
長Ａが４．９２ｎｎ〜１８．ｔＯｎｌの範囲となるよう
、軸受部３を複数形成すると、摩擦力を減少させること
が可能となる。

ところで、再び上記理論（（１２）式）を参照すると、
摩擦係数μはピストン１およびライナ７間の等価弾性係
数Ｅの１７２乗に逆比例している。このことから、軸受
部３の滑り接触面５を、ＷＵＩ！粍性に優れかつヤング
率の高い材質で形成すると、上記弾性係数Ｅを高め、摩
擦係数μを低減できると推定される。第７図は、第４図
（Ｃ）に示すピストンの各軸受部に、ニッケルメッキ及
びモリブデン溶射をそれぞれ施した場合について、摩擦
平均有効圧力Ｐｍｆを測定した実験データである。第８
図は、この結果をコーテイング材（Ｎｉ、Ｈａ）のヤン
グ率とＲ１擦平均有効勤王Ｐｍｆとの関係に置換したも
のであり、ニッケルメッキ並びにモリブデン溶射を施す
ことで、滑り接触面に生じる摩擦力が低減されることが
判る。したがって、上述した総和長ｊが４．９２１１１
１〜１８．１０１ｍとなる軸受部３の滑り接触面５に、
ヤング率が高くかつ耐摩耗性のある被覆層を設けると、
さらに、Ｉｓ擦力を低減させることが可ｒ７Ｒとなる。

なお、摩擦力低減効果が期待できるコーティングとして
、＠電解ニッケルメッキ、モリブデン溶射の他に、硬質
クロムメツキ、タングステン溶射、セラミック溶射等ら
採用できる。

［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば、次の如く優れた効果を発
揮する。

ピストンのスカート部に、軸方向長さの総和が４．９２
＋ｔｎ〜１ｇ、　１０ｍ１１となるよう複数の軸受部を
互いに軸方向に間隔をおいて形威しがっそれぞれ円周方
向に沿って形成したため、ピストンの製作性を損なうこ
となく、ピストンに作用する摩擦力を低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実組例に係るピストンの左半分を
正面図で右半分を側面図で示した図、第２図は一実施例
に係るピストンをシリンダライナに挿入した状態を示す
部分断面図、第３図は第２図のＡ部拡大図、第４図は標
準的なピストンと軸受部の軸方向総和長を変えた４種間
のピストンとを示す図、第５図は第４図の各ピストンに
ついてエンジン回転数と摩擦平均有効圧力との関係を示
す図、第６図は第４図の各ピストンについて軸受部の軸
方向総和長の０．１４乗と摩擦平均有効圧力との関係を
示す図、第７図は軸受部の滑り接触面にそれぞれニッケ
ルメッキ、モリブデン溶射を施した場合及び無処理の場
合についてエンジン回転数と１！ａｍ平均有効圧力との
関係を示した図、第８図は軸受部の滑り接触面ににそれ
ぞれニッケルメッキ、モリブデン溶射を施した場合及び
無処理の場合についてコーテイング材のヤング率と１：
１擦平均有効圧力との関係を示した図である。 図中、１はピストン、２はスカート部、３は軸受部、５
は滑り接触面、６はシリンダボア、７はライナである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ピストンのスカート部に、軸方向に間隔をおいて円
   周方向に沿う軸受部を突出形成し、これら軸受部の軸方
   向の長さの総和長を４．９２１１〜１８．１０ｍｍに設
   定したことを特徴とするピストン。 ２、上記軸受部の外周面に、その軸受部よりヤング率の
   高い材料で構成された被覆層を一体形成したことを特徴
   とする請求項１記載のピストン。