JPH05272639A - 繊維強化プラスチック製ピストン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 境界潤滑領域での使用に適した繊維強化プラ
スチック製摺動部材およびピストンを提供する。 【構成】 ガラス転移温度Ｔｇが１４０℃以上ないしは
液晶性のプラスチックを繊維で強化してなる繊維強化プ
ラスチック製摺動部材、ならびにピストンクラウン１２
およびピストンピンボス部１３をそなえると共にピスト
ンスカート４をそなえ、前記ピストンスカート４の摺動
部を前記繊維強化プラスチックよりなる突起６で形成し
たピストン１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、常時境界潤滑状態で使
用されるのに適する低摩擦係数でかつ耐摩耗性の優れた
繊維強化プラスチック製部分を含むピストンに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来の摺動部材としては、例えば、自動
車のレシプロエンジンに用いられるピストンがあるが、
この種のピストンにあっては瞬時において境界潤滑領域
での使用はあるものの、殆どが流体潤滑状態にて使用さ
れるものとなっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の自動車用レシプロエンジンのピストンのごと
き摺動部材にあっては、摺動部において給油を行うこと
によって流体潤滑をなすように設計されているため、オ
イルせん断による摩擦力が大きく、また、境界潤滑状態
が生じた場合にピストンの摩耗を増大させると共に焼き
付きを起す可能性があるという問題点があり、境界潤滑
状態が生じたときでも耐摩耗性に優れたものである摺動
部材を得ることができるようにすることが課題となって
いた。

【０００４】

【発明の目的】本発明は、上述した従来の課題にかんが
みてなされたものであって、境界潤滑状態が生じたとき
でも耐摩耗性に優れていて、境界潤滑領域での使用に適
した摺動部材およびこれを用いたピストンを提供するこ
とを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる繊維強化
プラスチック製摺動部材は、ガラス転移温度Ｔｇが１４
０℃以上ないしは液晶性のプラスチックを繊維で強化し
て、境界潤滑領域での使用に適するものとした構成とし
たことを特徴としている。

【０００６】また、本発明に係わるピストンは、ピスト
ンクラウンおよびピストンピンボス部をそなえると共に
ピストンスカートをそなえ、前記ピストンスカートのシ
リンダライナ等との摺動部をガラス転位温度Ｔｇが１４
０℃以上ないしは液晶性のプラスチックを繊維で強化し
た繊維強化プラスチックよりなる突起で形成して境界潤
滑領域での使用に適するものとした構成としたことを特
徴としている。

【０００７】本発明に係わる繊維強化プラスチック製摺
動部材は、ガラス転位温度Ｔｇが１４０℃以上ないしは
液晶性のプラスチックを繊維で強化してなる構成を有す
るものであるが、このような繊維強化プラスチックを構
成する強化用繊維としては、炭素（カーボン，グラファ
イト），ガラス，酸化物，窒化物，硼化物等の一般的な
繊維が用いられる。

【０００８】一方、プラスチックとしていかなるものが
好ましいかを特定するために、境界潤滑条件のもとで表
１に示すピンオンディスク摩擦試験条件による摩擦試験
を行ってピンオンディスク摩擦特性を調べた。この結果
を表２および図１０に示す。

【０００９】

【表１】

【００１０】

【表２】

【００１１】この結果、低摩擦係数で耐摩耗性に優れた
液晶ポリマー（ＬＣＰ），ポリエーテルサルホン（ＰＥ
Ｓ），ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等のい
わゆるスーパーエンジニアリングプラスチックに属する
ものを用いることができることが認められた。そしてま
た、ポリイミド（ＰＩ）のような摩擦係数の大きい樹脂
であっても二硫化モリブデンや二硫化タングステンなど
のような低フリクション剤を混入して用いることができ
ることが認められた。

【００１２】次に、摺動部材を境界潤滑領域で使用する
と温度が１４０℃から２００℃以上にもなり、プラスチ
ックはガラス転位温度Ｔｇ以上の温度で著しく物性低下
を起すことから、ここで使用するプラスチックはガラス
転位温度Ｔｇが１４０℃以上のものとすることが必要で
ある。

【００１３】このガラス転位温度Ｔｇの上限は現在のプ
ラスチック成形可能な範囲から制約される。また、ガラ
ス転位温度Ｔｇのない液晶性プラスチック（ＬＣＰ）は
低摩擦係数で且つ耐摩耗性に優れたものであり、本発明
に含まれる。

【００１４】そして、ピストンスカートの摺動部を形成
する突起は、その突起個数が４〜２，４００程度、より
好ましくは１８〜６００程度であり、３個以下の場合は
スラスト側およびアンチスラスト側のいずれかが１個と
なるため不安定である。そして、２，４００を超すと突
起が平面に近づく場合があり、摺動抵抗が増大したり、
燃料消費量が増大したりするなどの好ましくない傾向が
発生する。

【００１５】

【発明の作用】本発明に係わる繊維強化プラスチック製
摺動部材は、ガラス転移温度Ｔｇが１４０℃以上ないし
は液晶性のプラスチックを繊維で強化してなるものであ
るから、高面圧においても低摩擦係数，耐摩耗性を有す
るものとなり、境界潤滑状態が生じたときでも耐摩耗性
に優れていて、境界潤滑領域での使用に適したものとな
る。

【００１６】そして、このような高面圧において低摩擦
係数，耐摩耗性を有する繊維強化プラスチックをピスト
ンのような摺動部品に使用することによって、接触面を
小さくし、常に境界潤滑状態にて使用しうるものとな
る。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【００１８】（実施例１）図１ないし図４は、本発明の
一実施例を示すものであって、本発明に係わる繊維強化
プラスチック製摺動部材が自動車用レシプロエンジンの
ピストンの一部を構成する場合を示している。

【００１９】図１は、金属製ピストン骨格部分の背面
図、図２は図１の上方向からみた側面図であって、図
１，２に示すように、金属製ピストン骨格１１は、金属
製ピストンクラウン１２、金属製ピストンピンボス部１
３、金属製ピストンスカート骨格１４、金属製リブ骨格
１５から構成され、金属製ピストンピンボス部１３には
ピストンピン孔１６が形成してあると共に、金属製ピス
トンスカート骨格１４および金属製リブ骨格１５には成
形時にプラスチックが入り込める程度の小孔１７が多数
形成してある。また、側面には３条のピストンリング用
溝１８が形成してあり、図１に示す角度θは現行ピスト
ンの接触面積から考えると４５度以下である。

【００２０】また、図３は複合材料製ピストンの背面
図、図４は図３の上方向からみた側面図であって、図
３，４に示すように、複合材料製ピストン１は、図１お
よび図２に示した金属製ピストン骨格１１において金属
製ピストンスカート骨格１４および金属製リブ骨格１５
の上にそれぞれ表２に示したような液晶ポリマー（ＬＣ
Ｐ）＋カーボン繊維（ＣＦ）の組み合わせや、ポリエー
テルサルホン（ＰＳ）＋カーボン繊維（ＣＦ）の組み合
わせや、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）＋カ
ーボン繊維（ＣＦ）の組み合わせや、ポリイミド（Ｐ
Ｉ）＋カーボン繊維（ＣＦ）の組み合わせ（ただし、二
硫化モリブデンのような低フリクション剤を混入して使
用する。）などから選ばれる繊維強化プラスチックを被
覆した複合体ピストンスカート４および複合体リブ５を
そなえ、複合体ピストンスカート４の外周面側には繊維
強化プラスチックの半球状突起６を多数設けて、摺動部
を前記突起６で形成した構造をなしている。

【００２１】図３および図４に示したように、繊維強化
プラスチックを被覆した複合体ピストンスカート４およ
び複合体リブ５を有する複合材料製ピストン１におい
て、ピストンの往復運動は金属とプラスチックとの間で
の強固な結合が要求される。しかも、量産を考えると、
射出成形や押出成形のごとく短時間で成形可能な製法を
採用することが好ましく、したがって、接着剤の使用が
困難である。

【００２２】このような場合、図３および図４に示す複
合材料製ピストン１のピストンスカート４およびリブ５
は、図１および図２に示した金属製ピストン骨格１１の
金属製ピストンスカート骨格１４および金属製リブ骨格
１５の金属薄板を繊維強化プラスチックで挟んだサンド
イッチ構造に成形し、これら金属薄板には多数の小孔１
７を有するものとしているため、これらの小孔１７にプ
ラスチックが入り込んでいてブリッジを形成している。

【００２３】このような金属とプラスチックとの複合成
形体において、金属とプラスチックの熱膨張係数に大き
な差があると、温度変化が大きいときにプラスチックに
亀裂を生じる可能性がある。

【００２４】図９の（Ａ）（Ｂ）は、金属とプラスチッ
クの熱膨張係数の差によるプラスチックの亀裂への影響
を調べた結果を示すものであって、図９において、２１
はテストピース、２２は熱膨張係数が２．０×１０^−５
ｃｍ／ｃｍであるアルミニウム合金板、２３は熱膨張係
数が表３に示す値をもつ炭素繊維強化プラスチックであ
る。

【００２５】そして、アルミニウム合金板２２は、長さ
Ｌ＝５０ｍｍ，幅Ｗ＝１０ｍｍ，厚さＴ＝１ｍｍであ
り、一端側からＬ_１＝１０ｍｍ間隔で直径１ｍｍの小孔
２４を３個所に形成すると共に、同じく一端側からＬ_２
＝４０ｍｍのところまでプラスチック２３を厚さｔ＝１
ｍｍで被覆したテストピース２１を作製した。

【００２６】次いで、このテストピース２１を２０℃→
２００℃に加熱し、２４時間保持したあと外観の観察を
行った。

【００２７】この結果を表３に示す。

【００２８】

【表３】

【００２９】表３に示すように、金属とプラスチックの
熱膨張係数に大きな差がある場合には、小孔付近のプラ
スチックに変形や亀裂が発生することとなるので、炭素
繊維強化プラスチックの熱膨張係数は金属の熱膨張係数
に対して±３．０×１０^−５ｃｍ／ｃｍ、より好ましく
は±１．０×１０^−５ｃｍ／ｃｍとなるように設定して
おくのが望ましいことが認められた。

【００３０】したがって、金属とプラスチックの結合力
が温度変化による熱膨張係数の差によって多少低下して
も、金属薄板に形成した多数の小孔にプラスチックを侵
入させるブリッジ構造とすることによって、ピストンの
往復運動や前後左右の振動等に対して安定なものとする
ことが可能であり、プラスチックと金属は強固な結合を
保持できる。

【００３１】また、表２および図１０に示した低摩擦係
数の繊維強化プラスチックを用いることによって、接触
面を小さくし、境界潤滑領域での使用が可能となる。こ
れと同時に、オイルせん断による摩擦係数よりも前記低
摩擦係数の繊維強化プラスチックのそれは小さいため、
低フリクション化が達成できる。

【００３２】（実施例２）図５および図６は、本発明の
他の実施例を示すものであって、この場合にも本発明に
係わる繊維強化プラスチック製摺動部材が自動車用エン
ジンのピストンの一部を構成する場合を示している。

【００３３】図５は複合材料製ピストンの背面図、図６
は図５の上方向からみた側面図であって、図５，６に示
すように、金属製ピストン骨格１１において金属製ピス
トンスカート骨格１４には成形時にプラスチックが入り
込める程度の小孔１７が多数形成してあるが、金属製リ
ブ骨格１５にはこのような小孔は形成していない。そし
て、前記金属製ピストンスカート骨格１４の上に実施例
１で使用したのと同様の繊維強化プラスチックを被覆し
た複合体ピストンスカート４をそなえるものとし、複合
体ピストンスカート４の外周面側には繊維強化プラスチ
ックの半球状突起６を多数設けて摺動部を前記突起６で
形成した構造をなしている。

【００３４】前記実施例１ではピストンスカート骨格１
４およびリブ骨格１５の両方共を低摩擦係数，耐摩耗性
を有する繊維強化プラスチックで被覆した複合構造のピ
ストンスカート４およびリブ５としていたのに対して、
この実施例２では、金属製リブ（骨格）１５を複合構造
としていないところに相違がある。

【００３５】したがって、実施例２の金属製リブ１５は
実施例１の複合体リブ５と同程度の機械的強度が必要で
ある。

【００３６】（実施例３）図７および図８は、本発明の
さらに他の実施例を示すものであって、この場合にも本
発明に係わる繊維強化プラスチック製摺動部材が自動車
用エンジンのピストンの一部を構成する場合を示してい
る。

【００３７】図７は複合材料製ピストンの背面図、図８
は図７のＡ−Ａ方向の断面図であって、図７，８に示す
ように、ピストンスカート４およびリブ５は金属製骨格
を有しない主として前記実施例１で用いたのと同様の低
摩擦係数，耐摩耗性を有する繊維強化プラスチックより
なるものである。

【００３８】そして、ピストンスカート４は、ピストン
リング溝１８の下方に設けたピストンスカート離脱防止
用円周方向溝２５により係止されるものとなっており、
溝形成部分に小孔１７を形成させてプラスチックを侵入
させることにより強固な結合状態を得ることができるも
のとしている。また、ピストンピンボス部１３の外周側
に突出部２６を設けてこの突出部２６に小孔１７を形成
することによりプラスチックを侵入させると共に、ピス
トンピンボス１３の外周側および突起部２６の外周側を
凹凸形状のローレット加工面２７に形成しておくことに
よって、リブ５が強固に結合することとなるようにして
いる。

【００３９】前記実施例１では、金属製ピストンスカー
ト骨格１４および金属製リブ骨格１５に繊維強化プラス
チックを被覆し、実施例２では、金属製ピストンスカー
ト骨格１４に繊維強化プラスチックを被覆する場合を示
したが、実施例３では、金属製骨格を有しない繊維強化
プラスチックを主体とするピストンスカート４およびリ
ブ５とし、これをピストンリング溝１８の下方に設けた
ピストンスカート離脱防止用円周方向溝２５や、この溝
形成部分に設けた小孔１７や、ピストンピンボス部１３
および突起部２６の表面に形成した凹凸状のローレット
加工面２７や、突起部２６に設けた小孔１７などによっ
て強固に結合させたものとしている。

【００４０】（実施例４）実施例１〜３では、ピストン
スカート４の外周側に半球状突起６を設けて摺動部を前
記突起６により形成するものとしているが、このような
半球状突起６の代わりに、実施例４では線状を成す突起
（突条）とした。この場合の線状としては、縦線，横
線，斜め線，十字線等のいずれであってもよく、線長
は、最小が２ｍｍのものをスラスト側およびアンチスラ
スト側に各２個、最大がピストンスカート外周部を縦
線，横線，斜め線，十字線等のいずれも１ｍｍ間隔の線
状からなるものとした。

【００４１】ここで、線長が前記最小長を下回ると不安
定であり、また、前記最大長を超すと突起が平面に近づ
く場合があって、摺動抵抗の増大や燃料消費量の増大等
の傾向を生じることとなる。

【００４２】これらの突起は、実施例１〜３の場合と同
様に常時シリンダライナー等と接触しており、境界潤滑
領域にて使用するのに適しているものである。

【００４３】

【発明の効果】本発明に係わる繊維強化プラスチック製
摺動部材は、ガラス転移温度Ｔｇが１４０℃以上ないし
は液晶性のプラスチックを繊維で強化してなることを特
徴としているものであり、低摩擦係数，耐摩耗性で且つ
軽量の繊維強化プラスチックよりなるものであるから、
境界潤滑領域での使用に適したものであり、境界潤滑状
態が生じたときでも摩耗量が少ない耐摩耗性に優れた摺
動部材を提供することが可能であるという著しく優れた
効果がもたらされる。

【００４４】そして、本発明に係わる繊維強化プラスチ
ック製摺動部材をピストンの摺動部分に適用することに
よって、無潤滑状態が発生したときのピストンへのオイ
ル供給不足による異常摩耗焼付きの発生を防止すること
が可能であると共に、スラップ音の発生などをも防止す
ることが可能であり、低摩擦による燃料消費の低減なら
びに軽量化などにも有効であるという著しく優れた効果
がもたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における金属製ピストン骨格
の背面図である。

【図２】図１の上方向からみた側面図である。

【図３】本発明の一実施例における金属と繊維強化プラ
スチックとの複合材料製ピストンの背面図である。

【図４】図３の上方向からみた側面図である。

【図５】ピストンスカートのみを複合材料製としたピス
トンの背面図である。

【図６】図５の上方向からみた側面図である。

【図７】ピストンスカートおよびリブを繊維強化プラス
チック製としたピストンの背面図である。

【図８】図７のＡ−Ａ線断面図である。

【図９】金属とプラスチックとの熱膨張係数差による影
響を調べた際に用いたテストピースの平面説明図（図９
の（Ａ））および側面説明図（図９の（Ｂ））である。

【図１０】ピンオンディスクの摩擦試験によって各材料
の摩擦係数を調べた結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１ ピストンピン ４ ピストンスカート ６ 繊維強化プラスチックよりなる突起 １２ ピストンクラウン １３ ピストンピンボス部

フロントページの続き (72)発明者 佐々木 正 登 神奈川県厚木市恩名1370番地 株式会社ア ツギユニシア内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストンクラウンおよびピストンピンボ
   ス部をそなえると共にピストンスカートをそなえ、前記
   ピストンスカートの摺動部をガラス転位温度Ｔｇが１４
   ０℃以上ないしは液晶性のプラスチックを繊維で強化し
   た繊維強化プラスチックよりなる突起で形成したことを
   特徴とする境界潤滑領域での使用に適するピストン。