JPH08270635A - ピストン支持装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アルミニウム合金から形成されたコネクティ
ングロッドを使用し、高温、高負荷に耐え得ると共に静
寂性に優れたピストン支持装置を提供する。 【構成】 アルミ製コンロッド３０と鋼製ピストンピン
３１とを固定する一方、ピストン３２と鋼製ピストンピ
ン３１とを相対的に回転自在に取り付けるピストン支持
装置であって、鋼から形成され、鋼製ピストンピン３１
が圧入されて固定されると共にコンロッド貫通穴３３内
に圧入される中間部材３４を有する。この中間部材３４
の外周面４０には、当該中間部材３４とコンロッド３０
とが相対的に回転するのを止める回転抑止手段４１とし
ての凸部４２を設けてある。また、ピストン作動時の温
度域において熱膨張量の違いからコンロッド３０と中間
部材３４との間に生じる隙間寸法に対応した圧入代で、
中間部材３４をコンロッド貫通穴３３内に圧入してあ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウム合金から
形成されたコネクティングロッドと鋼から形成されたピ
ストンピンとを固定する一方、ピストンと前記ピストン
ピンとを相対的に回転自在に取り付けるピストン支持装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関においては、シリンダ内のピス
トンの往復運動をクランク軸の回転運動に変えるため
に、ピストンとクランク軸とがコネクティングロッド
（以下、「コンロッド」とも略称する）を介して連結さ
れている。クランク軸はコンロッドの大端部に連結さ
れ、ピストンはコンロッドの小端部にピストンピンを介
して連結されている（特開平２−２６６１６２号公報お
よび特開平３−６１７１２号公報参照）。

【０００３】ピストンを支持する方式には、ピストンピ
ンとコンロッド小端部との嵌合方法の違いによって、図
６（Ａ）に示される圧入方式と、同図（Ｂ）に示される
フローティング方式とがある。なお、これらの図におい
ては、理解を容易にするために、軸受隙間を拡大して示
してある。

【０００４】圧入方式は、鋼製のコンロッドに適用され
る方式であって、図６（Ａ）に示すように、鋼製コンロ
ッド１０と鋼製ピストンピン１１とを固定する一方、ピ
ストンピン１１とピストン１２とを相対的に回転自在に
取り付けてある。ピストンピン１１とコンロッド１０と
を固定するのは、これら両者１０，１１が相対的に回転
するのを止めるためであり、ピストンピン１１をコンロ
ッド小端部１０ａの貫通穴１３に圧入することによって
両者が固定される。圧入する際の圧入代は、１６μｍか
ら３３μｍである。

【０００５】一方、フローティング方式は、二輪車用エ
ンジンや産業用エンジンなどにおいてアルミ合金製のコ
ンロッドを使用する場合に適用される方式であって、図
６（Ｂ）に示すように、ピストン１２と鋼製ピストンピ
ン１１とを固定する一方、ピストンピン１１とアルミ製
コンロッド２０とを相対的に回転自在に取り付けてあ
る。このフローティング方式にあっては、前記公報（特
開平３−６１７１２号公報）に開示されているように、
コンロッド小端部２０ａの貫通穴２３にブッシュ２４を
スキマバメし、このブッシュ２４によりアルミ素材を保
護している。アルミ製コンロッド２０を使用すれば、軽
量化が図られて、高回転型のエンジンに適するという利
点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ピスト
ン支持方式を上述したフローティング方式とすると、ブ
ッシュ２４によりアルミ素材を保護しているものの、貫
通穴２３内周面とブッシュ２４外周面との間およびブッ
シュ２４内周面とピストンピン１１外周面との間に隙間
Ｓが存在することから、高温、高負荷時におけるコンロ
ッド２０の破損を完全に防止するには十分ではなかっ
た。また、前記隙間Ｓがエンジンの振動や騒音の原因と
なることから、二輪車用エンジンなどではさほど問題と
はならないものの、静粛性が要求される乗用車のエンジ
ンに適用することは事実上できなかった。

【０００７】したがって、アルミ製コンロッド２０を乗
用車用エンジンなどで使用するためには、ピストン支持
方式を、アルミ製コンロッド２０と鋼製ピストンピン１
１とを固定した圧入方式とする必要がある。ところが、
鋼製ピストンピン１１をアルミ製コンロッド２０にその
まま圧入したのでは次のような問題が生じる。

【０００８】つまり、ピストンピン１１の素材である鋼
の熱膨張係数と、コンロッド２０の素材であるアルミニ
ウム合金の熱膨張係数との差から、エンジン稼働時の高
温域（例えば、１５０℃）において、コンロッド小端部
２０ａが拡開して、貫通穴２３内周面とピストンピン１
１外周面との間に隙間（３０μｍ）が開いてしまう。こ
の隙間は上述した振動などの原因となるので無くす必要
があるが、このためには、鋼製ピストンピン１１を圧入
する際に、大きな圧入代（５８μｍから７５μｍ）が必
要となる。この大きな圧入代を見込むことによって圧入
力が高くなり過ぎてしまい、常温域において高負荷に耐
えられなくなり、コンロッド２０の破壊を招くおそれが
ある。

【０００９】この不具合の原因は、鋼製ピストンピン
１１とアルミ製コンロッド２０との回転防止と、鋼製
ピストンピン１１とアルミ製コンロッド２０との熱膨張
量の差によって生じ得る隙間の除去とを、圧入のみによ
って解決しようとしたことにある。

【００１０】本発明者らは、アルミニウム合金から形成
されたコネクティングロッドを使用し、高温、高負荷に
耐え得ると共に静粛性に優れたピストン支持装置を提供
すべく鋭意研究した結果、上記、の問題点を圧入の
みによって解決するのではなく、上記とを別々の手
段に役割分担させればよいことを見い出して本発明を完
成するに至った。

【００１１】そこで、本発明の目的は、アルミニウム合
金から形成されたコネクティングロッドを使用し、高
温、高負荷に耐え得ると共に静粛性に優れたピストン支
持装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るピストン支持装置は、アルミニウム合
金から形成されたコネクティングロッドと鋼から形成さ
れたピストンピンとを固定する一方、ピストンと前記ピ
ストンピンとを相対的に回転自在に取り付けるピストン
支持装置であって、鋼から形成され、前記ピストンピン
が圧入されて固定されると共に前記コネクティングロッ
ドに形成した貫通穴内に圧入される中間部材を有し、当
該中間部材の外周面に、当該中間部材と前記コネクティ
ングロッドとが相対的に回転するのを止める回転抑止手
段を設け、ピストン作動時の温度域において熱膨張量の
違いから前記コネクティングロッドと前記中間部材との
間に生じる隙間寸法に対応した圧入代で、前記中間部材
を前記コネクティングロッドの前記貫通穴内に圧入して
なる。

【００１３】前記回転抑止手段は、前記中間部材の外周
面から径方向外方に突出するように形成した凸部より構
成することが好ましい。

【００１４】

【作用】本発明のピストン支持装置の構成によれば、 鋼製ピストンピンとアルミ製コネクティングロッドと
の回転防止と、 鋼製ピストンピンとアルミ製コネクティングロッドの
熱膨張量の差によって生じ得る隙間の除去と、 を、圧入のみによって解決するのではなく、上記の役
割を中間部材に設けた回転抑止手段に分担させ、上記
の役割を中間部材のコネクティングロッドへの圧入代を
所定の値にすることに分担させてある。

【００１５】ピストン作動時の温度域においては、鋼製
中間部材およびアルミ製コネクティングロッドの熱膨張
により中間部材の圧入力がほぼ零となるが、中間部材の
外周面に設けた回転抑止手段が当該中間部材とコネクテ
ィングロッドとの相対的な回転を止めている。また、ピ
ストンピンおよび中間部材はともに同じ素材から形成さ
れているため熱膨張量に差がなく、両者の間に隙間が生
じることはなく、圧入による固定状態が維持されてい
る。このようにして、鋼製中間部材を介して、アルミ製
コネクティングロッドと鋼製ピストンピンとが固定され
ている。

【００１６】ピストン不作動時の常温域においては、中
間部材をコネクティングロッド貫通穴内に圧入する際の
圧入代が所定の値に設定されていることから、中間部材
の圧入力が高くなり過ぎることはなく、許容応力振幅が
高く、高負荷にも耐えることができる。

【００１７】よって、軽量性に優れたアルミニウム合金
から形成されたコネクティングロッドを使用し、高温、
高負荷に耐え得ると共に静粛性に優れたピストン支持装
置となる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図１（Ａ）は、本発明の一実施例を示す断面
図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＢ−Ｂ線に側断面図、
図２は、図１に示されるピストンピン、中間部材および
コンロッドを示す分解斜視図である。なお、図１におい
ては、理解を容易にするために、軸受隙間を拡大して示
してある。

【００１９】図１に示すように、本実施例におけるピス
トン支持方式は圧入方式であり、コンロッド３０とピス
トンピン３１とが固定される一方、ピストンピン３１と
ピストン３２とが相対的に回転自在に取り付けられてい
る。つまり、コンロッド３０の小端部３０ａに形成され
た貫通穴３３に略円筒形状の中間部材３４が圧入され、
この中間部材３４に形成された中心穴３５にピストンピ
ン３１が圧入され、これにより、コンロッド３０とピス
トンピン３１とを中間部材３４を介して固定してある。
また、コンロッド３０に固定されたピストンピン３１
は、ピストン３２のボス部に形成されたピン穴３６に、
相対的に回転自在に取り付けられている。ピン穴３６と
ピストンピン３１との間には、８〜２５μｍの軸受隙間
を設けてある。

【００２０】コンロッド３０はアルミニウム合金から形
成され、例えば、アルミニウム合金パウダを圧縮成形し
て製作される。一方、ピストンピン３１は鋼から形成さ
れ、中間部材３４も同じく鋼から形成されている。前記
中間部材３４は、図１（Ａ）に示すように、コンロッド
貫通穴３３の軸線方向に沿う長さ寸法と同じ幅寸法を有
している。さらに、図１（Ｂ）および図２に示すよう
に、中間部材３４の外周面４０には、当該中間部材３４
とコンロッドと３０が相対的に回転するのを止め、引い
ては、当該中間部材３４に固定されたピストンピン３１
とコンロッド３０とが相対的に回転するのを止める回転
抑止手段４１が設けられている。図示する実施例では、
前記回転抑止手段４１は、中間部材３４の外周面４０か
ら径方向外方に突出するように形成した凸部４２より構
成されている。この凸部４２は、軸線方向と平行に形成
され、中間部材３４の幅寸法と同じ長手寸法を有する。

【００２１】なお、凸部４２は図示した方向ないし長さ
に限定されるものではなく、中間部材３４とコンロッド
３０とが相対的に回転するのを止める機能さえ発揮でき
れば、適宜変更可能である。例えば、軸線方向に対して
傾斜させたり、長手寸法を中間部材３４の幅寸法よりも
短くしたり、クロスハッチ状にしたりして、形成しても
よい。

【００２２】また、回転抑止手段４１は図示した断面凸
型の形状に限定されるものでもなく、断面山型、断面半
円型あるいは断面半楕円型など種々の形状とすることが
できる。鋼製中間部材３４の中心穴３５に鋼製ピストン
ピン３１を圧入する際の圧入代として、１６μｍ〜３３
μｍを設定してある。この圧入代は、鋼製コンロッド１
０に鋼製ピストンピス１１を圧入する際に従来より設定
されていた圧入代と同じである。中間部材３４の厚さ寸
法は約１ｍｍであるが、鋼製ピストンピン３１を圧入し
ても、中間部材３４は弾性範囲内にあり、破損などの支
障は何ら生じない。

【００２３】アルミ製コンロッド貫通穴３３に鋼製中間
部材３４を圧入する際の圧入代として、３０μｍを設定
してある。この圧入代は、エンジン稼働時の高温域にお
ける鋼製中間部材３４とアルミ製コンロッド３０の熱膨
張量の違いにより生じる隙間寸法に対応しており、この
隙間寸法と略同じ寸法である。貫通穴３３に圧入する際
も、中間部材３４は弾性範囲内にあり、支障は何ら生じ
ない。

【００２４】コンロッド３０、ピストンピン３１および
ピストン３２を組み立てるには、まず、鋼製中間部材３
４を、熱膨張によりできる隙間の大きさに等しい３０μ
ｍの圧入代で、アルミ製コンロッド貫通穴３３に圧入す
る。ここに、貫通穴３３の内面は平滑面に加工され、中
間部材３４に設けた凸部４２の形状に対応した凹部は形
成されていないが、中間部材３４を貫通穴３３に圧入す
ることにより、凸部４２が貫通穴３３内面に食い込むこ
とにより、中間部材３４とコンロッド３０とが相対的に
回転するのが抑止される。また、中間部材３４を圧入す
る際の圧入代（３０μｍ）には、中間部材３４とコンロ
ッド３０とが回転するのを止めるために必要な寸法が含
まれていないので、大きな圧入代を見込む必要がなく、
常温域においてコンロッド３０の破壊を招く虞もない。

【００２５】そして、コンロッド小端部３０ａをピスト
ン３２のボス部に配置した後、鋼製中間部材３４に、１
６μｍから３３μｍの圧入代で、鋼製ピストンピン３１
を圧入する。これにより、ピストンピン３１と中間部材
３４とが固定され、結果的に、鋼製ピストンピン３１と
アルミ製コンロッド３０とが中間部材３４を介して固定
されることになる。ここに、ピストンピン３１と中間部
材３４は、両者とも鋼製であるので、熱膨張量の違いに
よる隙間が発生することがなく、ピストンピンと中間部
材３４との間のガタを原因とするエンジンの振動や騒音
は生じない。

【００２６】次に、本実施例の作用を、鋼製ピストンピ
ンをアルミ製コンロッドに圧入のみによって固定するよ
うにした比較例と比較しつつ説明する。図３は、初期応
力の温度依存性を示したグラフである。常温域の２０℃
において、回転抑止手段４１を中間部材３４に設けた本
実施例の場合には、圧入により生じる応力（初期応力）
は、Ｐ₁ ＝４．４ｋｇｆ／ｍｍ ² である。このＰ₁ は熱
膨張による緩みを抑えるのに必要な圧力Ｐ_a に相当す
る。これに対し、圧入のみによって固定する比較例の場
合は、熱膨張による緩みを抑えるのに必要な圧力Ｐ
_b と、ピストンピンおよびコンロッドの相対的な回転止
めに必要な圧力Ｐ_c とを得るために圧入代を大きく取っ
ており、初期応力は、Ｐ ₂ ＝２４．６ｋｇｆ／ｍｍ² で
あった。

【００２７】本実施例の場合には、高温域の１５０℃で
の熱膨張量の違いから中間部材３４とコンロッド貫通穴
３３との間に生じる隙間寸法に対応した圧入代で、中間
部材３４をコンロッド貫通穴３３内に圧入してある。し
たがって、１５０℃において、本実施例の場合には、圧
入による初期応力はゼロとなる。このとき、回転力は、
中間部材３４に設けた回転抑止手段４１としての凸部４
２が受けている。これに対し、比較例の場合は、初期応
力が１１．０ｋｇｆ／ｍｍ² であった。

【００２８】このように、本実施例のピストン支持装置
によれば、常温域および高温域ともに初期応力が下がる
ことから、比較例に比べて、より大きい荷重に耐えるこ
とが可能となる。本実施例における耐力の温度依存性
は、図４のグラフに示すとおりである。

【００２９】エンジンが回転するためにアルミ製コンロ
ッド小端部が受ける応力（応力振幅）は、７．３ｋｇｆ
／ｍｍ² である。比較例では、７．６ｋｇｆ／ｍｍ² で
ある。以上の結果をまとめると、図５に示す耐久限度線
図のようになる。このグラフから明らかなように、圧入
のみの比較例では、常温域および高温域において破壊の
虞があるが、本実施例によれば、高温域で安全率１．５
程度、常温域で安全率２．０程度を見込むことができ
た。

【００３０】次に、回転抑止手段４１の高さの範囲につ
いて考察する。アルミ製コンロッド小端部３０ａにかか
るトルクは、(1)ピストンピン３１の慣性力に起因する
もの、(2)ピストン３２とピストンピン３１の摩擦に起
因するもの、の２つが考えられる。

【００３１】上記(1)のトルクは、コンロッド小端部３
０ａとピストンピン３１が同じ運動をするのに必要なも
のである。実施例では、７．５×１０^-4ｋｇｆ・ｍであ
る。上記(2)のトルクは、ピストンピン３１とピストン
３２が自由に動けるために必要なものである。最も大き
くかかるのは、爆発行程においてである。このとき、回
転しているピストンピン３１は、爆発力の大きさでピス
トン３２によって上から押さえ付けられている。この力
による摩擦力が、ピストンピン３１の回転を止めようと
するトルクとなる。回転抑止手段４１が、このトルクで
回転しないことが必要である。

【００３２】爆発力をＦ、動摩擦係数をμ、ピストンピ
ン半径をＲとすると、トルクＴは、 Ｔ＝Ｒ・μ・Ｆ となる。実施例では、２．２×１０^-1ｋｇｆ・ｍであ
る。(1)のトルクは、(2)のトルクに比べて無視できる大
きさである。

【００３３】コンロッド３０の厚さをｔ、回転抑止手段
４１の歯数をｎ、歯の高さをｈ、アルミ製コンロッドの
許容応力から爆発時に発生した応力を引いたものをσと
すると、 Ｒ・ｔ・ｎ・ｈ・σ≧Ｒ・μ・Ｆ となる。

【００３４】よって、歯の高さの範囲としては、 ｈ≧μ・Ｆ／（ｔ・ｎ・σ） となる。本実施例における回転抑止手段４１としての凸
部４２はスプラインではないが、スプライン（JIS B 16
01(1976)）よりもローレット目（JIS B 0951(1962)）の
方が歯の高さが低い。そこで、最も高さの低いローレッ
ト目の歯数を凸部の数として用いると、 μ・Ｆ／（ｔ・ｎ・σ）＝０．０３ ［ｍｍ］ となる。この値は、最も高さの低いローレット目の歯の
高さ０．１３２ｍｍよりも小さい値となる。

【００３５】したがって、歯の高さの上限値は、小端部
外径、材料強度によって大きくかわってくるものの、下
限値としては、ｈ≧μ・Ｆ／（ｔ・ｎ・σ） となり、
実施例の０．０３ｍｍ以上が好ましい。なお、上限値
は、スプライン（JIS B 1601(1976)）の高さ程度以下で
十分であると考えられる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のピストン
支持装置によれば、 鋼製ピストンピンとアルミ製コネクティングロッドと
の回転防止と、 鋼製ピストンピンとアルミ製コネクティングロッドの
熱膨張量の差によって生じ得る隙間の除去と、 を、圧入のみによって解決するのではなく、上記の役
割を中間部材に設けた回転抑止手段に分担させ、上記
の役割を中間部材のコネクティングロッドへの圧入代を
所定の値にすることに分担させてある。

【００３７】このため、ピストン作動温度に達したとき
には、熱膨張により中間部材の圧入力がほぼ零になると
共に回転抑止部材が回転の力を受けることになり、高
温、高負荷時の耐久性が高められ、静粛性も良好にな
る。また、ピストン不作動時の低温時には、疲労強度が
高いため、高負荷も問題とはならない。

【００３８】よって、アルミニウム合金から形成された
コネクティングロッドを使用し、高温、高負荷に耐え得
ると共に静粛性に優れ、高回転型の乗用車エンジンに好
適に適用できるピストン支持装置を提供できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１（Ａ）は、本発明の一実施例を示す断面
図、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う断面図
である。

【図２】 図２は、図１に示されるピストンピン、中間
部材およびコンロッドを示す分解斜視図である。

【図３】 図３は、本実施例の初期応力の温度依存性
を、比較例とともに示したグラフである。

【図４】 図４は、本実施例における耐力の温度依存性
を示したグラフである。

【図５】 図５は、本実施例の耐久限度線図を、比較例
とともに示したグラフである。

【図６】 図６（Ａ）は、圧入方式による一般的なピス
トン支持装置を示す断面図、図６（Ｂ）は、フローティ
ング方式による一般的なピストン支持装置を示す断面図
である。

【符号の説明】

３０…アルミ製のコネクティングロッド（コンロッド） ３１…鋼製のピストンピン ３２…ピストン ３３…貫通穴 ３４…鋼製の中間部材 ３５…中心穴 ４０…中間部材の外周面 ４１…回転抑止手段 ４２…凸部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アルミニウム合金から形成されたコネク
   ティングロッド（３０）と鋼から形成されたピストンピ
   ン（３１）とを固定する一方、ピストン（３２）と前記
   ピストンピン（３１）とを相対的に回転自在に取り付け
   るピストン支持装置であって、 鋼から形成され、前記ピストンピン（３１）が圧入され
   て固定されると共に前記コネクティングロッド（３０）
   に形成した貫通穴（３３）内に圧入される中間部材（３
   ４）を有し、 当該中間部材（３４）の外周面（４０）に、当該中間部
   材（３４）と前記コネクティングロッド（３０）とが相
   対的に回転することを止める回転抑止手段（４１）を設
   け、 ピストン作動時の温度域において熱膨張量の違いから前
   記コネクティングロッド（３０）と前記中間部材（３
   ４）との間に生じる隙間寸法に対応した圧入代で、前記
   中間部材（３４）を前記コネクティングロッド（３０）
   の前記貫通穴（３３）内に圧入してなるピストン支持装
   置。
2. 【請求項２】 前記回転抑止手段（４１）は、前記中間
   部材（３４）の外周面（４０）から径方向外方に突出す
   るように形成した凸部（４２）より構成されてなる請求
   項１に記載のピストン支持装置。