JPH06249063A - ピストン装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ピストンピン３による打音の低減に貢献できる
内燃機関のピストン装置を提供すること。 【構成】緩衝層４を被覆した窒化珪素製のピストンピン
３を用い、ピストン１の第１ピン孔１４とコネクチング
ロッド２の第２ピン孔２０とを互いに対面させ、その状
態で、ピストンピン３を第１ピン孔１４及び第２ピン孔
２０に嵌合し、ピストン１をコネクチングロッド２に回
転可能に軸支する。緩衝層４はフッ素樹脂を基材とす
る。緩衝層４の厚みは１０μｍ〜６００μｍ程度であ
る。ピストン１の駆動時には、ピストンピン３は、ピス
トン１の第１ピン孔１４の内周面１４ｃやコネクチング
ロッド２の第２ピン孔２０の内周面２０ｃに、緩衝層４
を介して当たる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はピストン装置に関する。
本発明は内燃機関に用いられるピストン装置に適用でき
る。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関ではピストン装置が使用されて
いる。ピストン装置では、ピストンの第１ピン孔とコネ
クチングロッドの第２ピン孔とにピストンピンが嵌合さ
れ、これによりピストンがコネクチングロッドに回動可
能に軸支されている。このピストン装置では、駆動時の
高温化により、ピストンの第１ピン孔の内周面とピスト
ンピンの外周面との間に微小隙間が形成されることがあ
る。殊に、近年、軽量化等の要請からセラミックス製の
ピストンピンが開発されているが、ピストンピンがセラ
ミックス製で、ピストンが金属製である場合には、熱膨
張係数の差の関係で上記微小隙間が大きくなる。

【０００３】ここで、図８はピストンピン１００の支持
構造の断面を模式的に示す。図８では微小隙間３００が
誇張して示されている。ピストン２００を構成するアル
ミ系合金の熱膨張係数はセラミックスよりも大きいの
で、ピストン２００の第１ピン孔２０１の半径方向にお
ける熱膨張量は大きく、セラミックス製のピストンピン
１００の半径方向における熱膨張量は小さい。従って、
図８から理解できる様に、ピストンピン１００の外周面
とピストン２００の第１ピン孔２０１の内周面との間の
微小隙間３００（例えば２０〜８０μｍ）が大きくな
る。

【０００４】この様に微小隙間３００が形成されている
と、ピストン２００の上死点や下死点付近ではピストン
ピン１００の負荷方向が変わるため、ピストンピン１０
０がピストン２００やコネクチングロッドに衝突して打
音が生じる。これにより内燃機関の振動や騒音の増大を
招く。この問題の解決のため、ピストン２００とピスト
ンピン１００との中間の熱膨張係数をもつ合金鋼からな
る硬質の中間ブッシュをピストンピン１００とピストン
２００との間に介在させ、昇温時における微小隙間の増
大を抑えるピストン装置が案出されている（実開昭６０
−１０３７６１号公報）。しかし、これだけでは微小隙
間を完全に避けることはできない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記した実情
に鑑みなされたものであり、その目的は、ピストンピン
による打音の低減に貢献できるピストン装置を提供する
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るピストン装
置は、第１ピン孔を備えたピストンと、第１ピン孔に対
面する第２ピン孔を一端部に備え、ピストンとクランク
シャフトとを連結するコネクチングロッドと、ピストン
の第１ピン孔及びコネクチングロッドの第２ピン孔に嵌
合され、嵌合によりコネクチングロッドにピストンを軸
支するセラミックスで形成されたピストンピンとで構成
され、少なくともピストンの第１ピン孔の内周面とピス
トンピンの外周面との間には、樹脂または軟質金属を基
材とする緩衝層が配置されていることを特徴とするもの
である。

【０００７】ピストン及びコネクチングロッドは、一般
的にアルミ系、鉄系、チタン系等の金属で形成されてい
る。ピストンピンは、窒化珪素、ジルコニア、炭化珪素
等のセラミックスで形成されている。緩衝層は、少なく
ともピストンの第１ピン孔の内周面とピストンピンの外
周面との間に配置されている。従って、緩衝層がピスト
ンピンの外周面のほぼ全域に形成され、コネクチングロ
ッドの第２ピン孔の内周面とピストンピンの外周面との
間に形成されていても良い。

【０００８】緩衝層は、樹脂または軟質金属を基材とす
る。緩衝層は、樹脂や軟質金属の単体で形成しても、他
の物質を併用して形成しても良い。例えば、二硫化モリ
ブデン等の固体潤滑剤と樹脂や軟質金属とを併用しても
良い。また、樹脂層を金属薄板で挟持した部材を用いて
も良い。樹脂は、ピストン装置の発生温度、樹脂のガラ
ス転移点（Ｔｇ）、融点、結晶性、耐摩耗性等の要因を
考慮して、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂から選択でき
る。樹脂は例えばビニル系、エポキシ樹脂系、フッ素樹
脂系（ＰＴＦＥ、ＥＴＦＥなど）等を採用できる。軟質
金属は軟質なアルミや銅等を採用できる。

【０００９】

【作用】本発明装置では、ピストンピンがピストンの第
１ピン孔に対して半径方向に相対変位する際には、ピス
トンピンは第１ピン孔の内周面に緩衝層を介して当た
り、衝突が緩和される。また本発明装置では、緩衝層の
基材である樹脂や軟質金属は軟らかいため、ピストンピ
ンに作用する負荷が広面積でかかる様になり、ピストン
ピンに生じる応力集中の回避に有利である。

【００１０】

【実施例】本発明に係るピストン装置の一実施例を図１
〜図６を参照して説明する。ピストン１は、ヘッド部１
０と、リング溝１１ａ〜１１ｃを区画するランド部１２
ａ〜１２ｃと、ボス部１３とを備えている。ボス部１３
には第１ピン孔１４が形成されている。ピストン１はア
ルミ系合金（ＡＣ８Ａ）で形成されている。

【００１１】コネクチングロッド２は、第２ピン孔２０
を備えた小端部２１と、クランクシャフトを嵌合するシ
ャフト孔２２を備えた大端部２３とで形成されている。
コネクチングロッド２は鉄（ＳＣＭ４４０）、またはＴ
ｉ系合金又はアルミ系合金で形成されている。ピストン
ピン３は窒化珪素セラミックスで形成されており、具体
的にはセラミックス圧粉体を高温領域で焼結したもので
ある。ピストンピン３の外周面３ｃのほぼ全域には緩衝
層４が被覆されている。

【００１２】組付に際しては、緩衝層４を被覆したセラ
ミックス製のピストンピン３を用い、ピストン１の第１
ピン孔１４とコネクチングロッド２の第２ピン孔２０と
を互いに対面させ、その状態で、ピストンピン３を第１
ピン孔１４及び第２ピン孔２０に嵌合し、これによりピ
ストン１をコネクチングロッド２に回転可能に軸支す
る。ピストンピン３の嵌合に際しては、焼きばめ等の手
段を採用することが好ましい。

【００１３】緩衝層４はフッ素樹脂を基材とする。緩衝
層４の厚みは適宜選択するが、試験で確認したところ、
一般的には、緩衝層４の厚みが厚いと、打音低減効果が
大きくなるものの、樹脂の剥がれ等の損傷度が増す傾向
にあり、一方、緩衝層４の厚みが薄いと、剥がれ等の損
傷度が小さくなるが、打音低減効果が減少する傾向にあ
る。従って、緩衝層４の厚みは１０μｍ〜６００μｍ程
度にできる。

【００１４】さて、上記したピストン装置では、内燃機
関の駆動の際にピストン１のヘッド部１０が燃焼圧を断
続的に受圧し、ピストン１がその上死点と下死点との間
で往復移動するとともに、コネクチングロッド２がピス
トン１に対して揺動する。この様な内燃機関の駆動の際
には、オイル等の影響を受けて一般的にはピストンピン
３は１６０〜２１０°Ｃ程度、コネクチングロッド２の
小端部２１は１４０〜１６０°Ｃ程度になると考えられ
ている。

【００１５】上記したピストン装置では、従来と同様
に、ピストン１の上死点や下死点付近ではピストンピン
３の負荷方向が変わる。そのため微小隙間がある場合に
は、ピストンピン３がピストン１の第１ピン孔１４やコ
ネクチングロッド２の第２ピン孔２０内で半径方向に相
対変位し、ピストンピン３が第１ピン孔１４の内周面１
４ｃや第２ピン孔２０の内周面２０ｃに衝撃的に当たり
打音が生じるおそれがある。この点本実施例では、ピス
トンピン３はピストン１の第１ピン孔１４の内周面１４
ｃに緩衝層４を介して当たる。同様に、ピストンピン３
は、コネクチングロッド２の第２ピン孔２０の内周面２
０ｃに緩衝層４を介して当たる。そのため緩衝層４によ
り打音の低減を図り得る。

【００１６】ここで、図３および図４は図２のＡ−Ａ線
にそう断面つまり第１ピン孔１４の断面の各形態を示
す。図５は図２のＢ−Ｂ線にそう断面つまり第２ピン孔
２０の断面を示す。前記した図３は、ピストンピン３の
外周面３ｃの下部３ｍが第１ピン孔１４の内周面１４ｃ
に緩衝層４を介して当たっている状態を模式的に示す。
また、図４は、ピストンピン３の外周面３ｃの上部３ｐ
が第１ピン孔１４の内周面１４ｃに緩衝層４を介して当
たっている状態を模式的に示す。図５は、ピストンピン
３の外周面３ｃの下部３ｘがコネクチングロッド２の第
２ピン孔２０の内周面２０ｃに緩衝層４を介して当たっ
ている状態を模式的に示す。なお図３〜図５において微
小隙間５は誇張して示されている。

【００１７】ところで、緩衝層４による緩衝効果を一層
向上させるには、緩衝層４がその厚み方向に強圧されて
圧縮された際に、その一部が他所に退避変形することが
好ましい。この点本実施例では、図４及び図５から理解
できる様に、第１ピン孔１４や第２ピン孔２０の微小隙
間５において緩衝層４の一部がその周方向に退避変形す
ることが期待できる。また図４及び図５の比較から理解
できる様に、ピストン１の往復駆動時において微小隙間
５が形成される領域は、第１ピン孔１４と第２ピン孔２
０とで逆になる傾向がある。即ち、微小隙間５はピスト
ン１とコネクチングロッド２とで上下逆の位置となる傾
向にある。そのため、ピストン１で圧縮された緩衝層４
の一部が軸方向側、即ちコネクチングロッド２側へ退避
変形することも期待できる。よって、緩衝層４の退避変
形が確保され、緩衝効果の発揮に有利である。

【００１８】加えて本実施例では、緩衝層４の基材であ
る樹脂は熱膨張係数がセラミックスよりも大きいので、
内燃機関の駆動に伴う高温化により緩衝層４は厚みが厚
くなる。そのため打音の要因となる微小隙間５の厚みを
小さくするのに有利であり、この意味でも打音低減に有
利である。ここで、緩衝層４を被覆したセラミックス製
のピストンピン３を装備した内燃機関を用い、内燃機関
を実際に駆動させ、緩衝層４の厚みと打音低減効果との
関係、緩衝層４の厚みと緩衝層４の表面損傷度との関係
を調べる試験した。その結果を図６に示す。図６の横軸
は緩衝層４の厚みを、縦軸は打音低減効果（デシベル）
及び表面損傷度を示す。なお縦軸の絶対値は省略する。
また特性線Ｍ１は緩衝層４の厚みと打音低減効果との関
係を示し、特性線Ｍ２は緩衝層４の厚みと表面損傷度と
の関係を示す。この試験例によれば、特性線Ｍ１とＭ２
から理解できる様に、打音低減効果及び表面損傷度を考
慮すると、フッ素樹脂系の緩衝層４の厚みは１０〜６０
０μｍ程度が適する。

【００１９】また一般的に、セラミックスは強度自体は
確保できるものの、鋼等に比較して応力集中に起因する
損傷に弱いといえる。この点本実施例では、樹脂を基材
とする緩衝層４は、内燃機関の使用温度域では金属に比
較して軟らかく、ピストンピン３に作用する負荷荷重が
広面積でかかる様になる。従って、ピストンピン３に発
生する応力集中の回避に有利であり、セラミックス製の
ピストンピン３の信頼性を向上し得る。

【００２０】またセラミックスは表面粗さを極端に小さ
くしなければ、硬度による相手攻撃性が大きい傾向にあ
る。そのため、ダイヤモンド等の研磨具による表面研磨
等を要し、しかもその研磨時間も長く、価格の高騰化を
招く。この点本実施例では、ピストンピン３の外周面３
ｃは緩衝層４で被覆されているので、ピストンピン３に
よる相手攻撃性の減少に有利であり、研磨の簡略化等を
期待でき、価格低減に有利である。

【００２１】また本実施例では、緩衝層４を被覆したセ
ラミックス製のピストンピン３を用い、ピストンピン３
を第１ピン孔１４及び第２ピン孔２０に嵌合することに
しているので、第１ピン孔１４の内周面１４ｃ及び第２
ピン孔２０の内周面２０ｃに緩衝層を被覆する場合に比
較し、緩衝層４の厚みの均一化が容易であり、製造上有
利である。

【００２２】（他の例）図７は他の実施例の要部を示
す。この例では、緩衝層６は円筒形状であり、樹脂層６
０と、樹脂層６０を挟持した金属薄板６１とで形成され
ている。この例においても緩衝層６特に樹脂層６０によ
り打音低減効果が得られる。また内燃機関では、コネク
チングロッド２の揺動の際にピストンピン３が第１ピン
孔１４及び第２ピン孔２０内で周方向に回ることがある
が、この例では、緩衝層４の金属薄板６１が第１ピン孔
１４の内周面１４ｃや第２ピン孔２０の内周面２０ｃと
摺接し、樹脂層６０は摺接しないので、樹脂層６０の保
護性が高い。

【００２３】また、ピストン１の第１ピン孔１４の内周
面１４ｃ、コネクチングロッド２の第２ピン孔２０の内
周面２０ｃに金属やセラミックスの溶射処理を施すこと
もできる。その他、本発明は上記しかつ図面に示した実
施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない
範囲内で適宜変更して実施し得るものである。

【００２４】

【発明の効果】本発明装置によれば、緩衝層により、ピ
ストンピンによる打音の低減を図り得る。また本発明装
置によれば、緩衝層により、ピストンピンの外周面に作
用する負荷荷重が広面積でかかる様になり、ピストンピ
ンの応力集中を回避するのに有利であり、セラミックス
製のピストンピンの信頼性向上に有利である。更にピス
トンピンの相手攻撃性も小さくするのにも有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ピストンとコネクチングロッドとをピストンピ
ンを介して連結した状態の断面図である。

【図２】図１の要部の拡大図である。

【図３】図２のＡ−Ａ線にそう断面の一形態を模式的に
示した拡大断面図である。

【図４】図２のＡ−Ａ線にそう断面の他の形態を模式的
に示した拡大断面図である。

【図５】図２のＢ−Ｂ線にそう断面の形態を模式的に示
した拡大断面図である。

【図６】緩衝層の厚みと打音低減効果及び表面損傷度と
の関係を示すグラフである。

【図７】他の例に係る主要部の拡大断面図である。

【図８】従来例に係るピストンピンの支持構造を示す拡
大断面図である。

【符号の説明】

図中、１はピストン、１４は第１ピン孔、２はコネクチ
ングロッド、２０は第２ピン孔、３はピストンピン、４
は緩衝層、５は微小隙間を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１ピン孔を備えたピストンと、 該第１ピン孔に対面する第２ピン孔を一端部に備え、該
   ピストンとクランクシャフトとを連結するコネクチング
   ロッドと、 該ピストンの第１ピン孔及び該コネクチングロッドの第
   ２ピン孔に嵌合され、嵌合により該コネクチングロッド
   に該ピストンを軸支するセラミックスで形成されたピス
   トンピンとで構成され、 少なくとも該ピストンの該第１ピン孔の内周面と該ピス
   トンピンの外周面との間には、樹脂または軟質金属を基
   材とする緩衝層が配置されていることを特徴とするピス
   トン装置。