JPS5825552A

JPS5825552A - ピストン組立体

Info

Publication number: JPS5825552A
Application number: JP57117626A
Authority: JP
Inventors: ハ−バ−ト・ジヨセフ・ホ−ザ−・ジユニア−
Original assignee: Deere and Co
Current assignee: Deere and Co
Priority date: 1981-07-06
Filing date: 1982-07-06
Publication date: 1983-02-15
Also published as: US4433616A; ES513708A0; EP0069578B1; ZA824775B; BR8203867A; ES8307991A1; DE3261691D1; CA1180617A; EP0069578A1; MX154177A; DE69578T1; ATE10963T1

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】本発明はクランクシャフトを有する内燃エンジン用ピス
トン組立体に関し、詳細には断熱された成分を用いたピ
ストン組立体に関する。

現在、よシ高度の燃焼温度と圧力とにおいて作動可能な
エンジンを開発しようとする産業界の傾向がある。その
ような高い値を得る一つの手段は、例えばセラミックの
ような新規の断熱材を利用することである。セラミック
材は優れた断熱性を示すが、それらは脆くエンジンに使
用する場合、亀裂を起しやすい。このことは、ピストン
本体が主としてセラミックで構成される場合に特にいえ
ることである。ピストンにセラミックを使用とする種々
の試みも、主として金属製の支持部材に装着されるセラ
ミック製のインサートやクラウンに限定されてきた。そ
のようなことは、１９８１年１月にミツチル他（ｍｉｔ
ｃｈｅｌＬ　ｅｔ　ａｌ　）に発行された米国特許第４
．２４５．６１１号や、１９７８年９月スピード（Ｓｐ
ｅａｉｇｈｔ）に発行された米国特許第４．１１４，５
１９号に示されている。このような設計においてさえも
、ピーク応力負荷や、非対称形の応カバターンがピスト
ンの表面にわたって発生しようとする。そのような応カ
バターンは部分的には通常のピストンピンを使用するこ
とによって発生する。

本発明は、ピストンの表面にわたって対称的な応カバタ
ーンを提供し、ピストンの多くの部分がセラミック材で
構成できるようにするピストン組立体に関する。端的に
いえば、本発明はクランクシャフトを有する内燃機関用
のピストン組立体に関する。ピストン組立体は、一端で
凹形の空洞を形成したセラミックから実質的につくるこ
とが好ましいピストン体部を含む。クランクシャフトの
一端に装着された連接棒は前記ピストン体部の空洞に適
合可能な第２の球形端部を有する。この球形端部は、そ
の中心線とピストン体部の中心線とがクランクシャフト
の中心線に対して垂直の平面に来るように外面にスロッ
トを形成している。連接棒の球形端部は、前記球形端部
を囲み、かつピストン体部に装着された環状のスカート
により前記空洞中で保持されている。ピストン体部に位
置され、突出した舌部を有する保持部材が、ピストン組
立体が一緒に装着されたとき前記スロットと係合する。

前記舌部とスロットとは連接棒でのピストン体部の回転
を阻止するが一方クランク７ヤフトの回転によって生じ
る連接棒の限定された揺動は許容する。球形端部がピス
トン体部の凹状空洞に適合するため、シリンダの長手方
向軸線に沿ってピストン上で対称的な応カバターンを可
能とすることによって、セラミック材の欠陥の可能性を
減少させる。

ピストン体部はセラミックで全体を構成したり、あるい
はセラミック製クラウンのみを備えるようにもできる。

それぞれの設計に対して、セラミック材の弱点を補正す
る装着手段が説明されている。

本発明の全体的な目的は回転可能なり・ランクシャフト
を有し、応力に感受性のあざ断熱成分を利用した内燃機
関用ピストン組立体を提供することである。本発明のさ
らに詳細な目的は、ピストン体部を、例えばセラミック
のような断熱材で大きな部分を構成することを可能とす
るピストン組立体を提供することである。

本発明の別の目的は、ピストンが連接棒で回転しないよ
うにし、一方クランクシャフトの回転によって生じる連
接棒の限定された揺動を許容するピストン組立体を提供
することである。

本発明のさらに別の目的は、連接棒をピストン体部に接
続する独得の装着手段を有するピストン組立体を提供す
ることである。

さらに別の本発明の目的は、セラミックのクラウンと金
属製の支持部材とを有し、機関の作動中クラウンに対し
て作用する曲げ応力が減少されるようにクラウンが支持
部材にボルト正めされているようなピストン組立体を提
供することである。

本発明の、その他の目的や利点は以下の説明および添付
図面を検討すれば当該技術分野の専問家にはさらに明ら
かとなる。

さて第１図から第４図までを参照すれば、ピストン組立
体１０は、少なくとも１個のシリンダを有するエンジン
に使用するものとして示されている。ピストン組立体１
０はシリンダ内で往復運動するよう直接リンクにより通
常のクランクシャフトに接続されている。ピストン組立
体１０は、ピストン体部１２、連接棒１４、環状スカー
ト部１６、複数の保持部材１８、および装着装置２０と
を含む。ピストン体部１２は断熱、あるいは熱抵抗性を
有する材料から構成されている。そのような材料の例と
しては、例えばジルコニア、炭化ケイ素、９化ケイ素の
ようなセラミックや、またニッケル含有分の高い鋳鉄を
含む。ピストン体部１２は円筒形で第２図に示すように
単一形態の材料で構成するかあるいは第１図に示すよう
に断熱クラウン２２を金属製支持部材２４に取り付けた
合成構造のいづれかにできる。いづれの場合においても
、ピストン体部１２は一端に凹形の空洞２６を形成して
おり、好ましくは全て１つの平面に位置させて、外周部
に複数の円筒状のくぼみ２８を形成している。また、ピ
ストン体部１２は通常の要領でピストンリングを保持す
る作用を行う１個以上の円筒状のピストン溝３０と、第
２の端部に燃焼室８２を含むことができる。

凹形の空洞２６は連接棒１４の一端にある球形端部８４
と適合するよう設計されている。前記ピストン体部１２
と連接棒１４との間の球形面接触がピストン体部１２の
表面にわたり対称形の応カバターンを提供する。この対
称形の応カバターンがピーク応力の発生の可能性を減少
させ、通常のエンジン作動中のピストン組立体の寿命を
延す。

球形端部３４は、第２図で明瞭に示されているように、
その外周において細長い弧状のスロットを含むことがで
きる。このスロットは、その中心線とピストン体部１２
の中心線とがクランクシャフトの中心線に対して垂直の
共通平面に来るように形成されている。連接棒１４は通
常クランクシャフトに対して、垂直方向に整合するよう
、第２の端部において通常の方法によりクランクシャフ
トに装着される。このスロットの目的は以下に説明する
０連接棒の球形端部３４はピストン体部と環状スカート部
１６との間で挟持されている。スカート部１６は中空の
部材であって、連接棒１４の球形端部３４を囲み、かつ
係合する弧状の内面３８を有する。スカート部１６は、
連接棒１４が凹形空洞２６中で物理的に保持されるよう
に、保持部材１８と装着装置２０とによりピストン体部
１２に装着されている。複数個あり、３個以上が好まし
く、さらに好ましくは６個である保持部材１８はディス
ク状であって、各々ねＬ付きの開口４０を有している。

保持部材１８はピストン体部１２０円筒状のくぼみ２８
に位置されている。好ましくは保持部材１８は金属製の
ナツト状部材であって、くぼみ２８へ挿入されると、ど
のような回転運動にも抵抗するようになっており、レン
チでしっかりと保持する必要なく装着部材をねじ込むこ
とができる。この特徴がセラミックに高度の応力点をか
ける心配なくセラミック製のピストン体部１２を金属ス
カート部１６に接続させる手段を提供する。また、保持
部材１８は、軟さと温度係数の故に、ねじを極めて良好
に保持しえない、例えばアルミニウムのような軽量の金
属でピストン体部１２が構成される場合に有用である。

保持部材１８へは、環状スカート部１６とピストン体部
１２とに形成されたボルト孔４２を貫通する、例えばボ
ルトのような同数の装着手段２０がねじ込まれている。

保持部材１８と装着手段２０とは、スカート部１６を断
熱、あるいは熱抵抗性材料製のピストン体部に対し亀裂
を発生させる恐れもなくしっかりと接続できるようにす
る。また、スカート部１６の上面４４とピストン体部１
２の底面４６とは、これらの二つの部分が共に入子関係
となるようにされている。この入子関係により、ピスト
ン体部１２とスカー）１６との外周面が整合されるのを
確実にする。

第２図と第８図とを参照すれば、保持部材１８の１つが
ピストン体部１２に形成された開口５０を通過し、スロ
ット３６と係合する突出舌部４８を含んでいる。前記の
突出舌部４８はスロット３６と協働して連接棒１４の球
形端３４上でのピストン体部１２の回転運動を阻止し、
一方長手方向軸線の周りでの連接棒１４の球形端部３４
の揺動を許容する。連接棒１４上でのピストン体部１２
の回転運動の制限は、大口弁と排気弁とが燃焼室３２に
対して、ピストン体部１２の何らかの回転運動が干渉問
題を発生させるように配置されているようなシリンダに
おいては重要となる。突出舌部４８は、図示のように保
持部材１８の１つと一体にしてもよいが１．２個の個別
の部材として構成してもよい。

第２図に示すように、ピストン体部の外周と凹形空洞２
６との間を連通し、連接棒１４の球形端部３４との接続
部に潤滑を提供するよう任意の油通路５２をピストン体
部１２に形成することができる。

再び第１図を参照すれば、ピストン体部１２はディスク
状のセラミック製クラウン２２と金属製支持部材２４と
から形成されており、取付は機構５４は、エンジンの作
動中クラウン２２が支持部材２４から離れて曲りたり、
弓なり状になるのを減少させるものとして示されている
。前記取付は機構５４はクラウン２２を支持部材２４に
固定するために、クラウン２２の面に共軸線関係で形成
された円形の溝５６と、該溝５６に位置したリング５８
と、溝５６においてリング５８に隣接して位置したシム
６０と、リング５８へねじ込まれた複数のボルト６２と
を含む。前記円形溝５６は断面形状が台形であって、非
平行の第１と第２の円周面６４と６６とを備えている。

第１の円周面６４は溝５６の基部から頂部へ鋭角で上方
へ傾斜しており、−力筒２の円周面６６は溝５６の基部
に対して垂直に整合している。溝５６中に位置したリン
グ５８は、溝５６の第１の円周面と概ね平行に整合した
円周面と、円形状に位置した複数のねじ付き孔６８を含
む露出面とを有する。リング５８と溝５６の第１の円周
面６４との間には長方形断面のり×グ状シム６０が位置
している。ポルト６２がリング５８へねじ込まれるにつ
れて、リング５８は溝５６の口に向かって押圧され、シ
ム６０がその外方運動を阻止する。リング５８が溝の口
に向かってより引張られると、その取付けはよりしつか
りしたものとなる。

クラウン２２０面において３６０１度の円弧の周りで得
られるこの取付は機構５４の確実なロック効果によって
クラウンは支持部材２４の隣接面からの反りに耐えるこ
とができる。

クラウン２２と支持部材２４との間に、それらの間の断
熱障壁として作用し、かつ正確な全体長さを得るべくピ
ストン体部１２の組立てを促進するシムとしてスペーサ
７０を設けることができる。

スペーサ７０の成分は、エンジン中におけるピストン組
立体の作動温度と、またクラウン２２と支持部材２４の
成分によって変りうる。はとんどの用途に対して鋼製ス
ペーサが大体有用である。

本発明を特定の二実施例に関して説明してきたが、前述
の説明に照して、当該技術分野の専問家には多くの代替
案、修正、変更が明らかで゛ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は球形端部を有する連接棒に装着された断熱クラ
ウンと金属製支持部材を示す、ピストン組立体の一実施
例の部分断面図、第２図は連接棒′の球形端においてピストン体部・の回
転運動を阻止する保持部材を備えた断熱ピストン体部を
示すピストン組立体の第２の実施例の断面図、第３図は線８−８に沿ってみた第２図の上面図、第４図
は取付は装置の組立て要領を示すピストン組立体の部分
的に分解した斜視図である。図において、１０・・・ピストン組立体　１２・・・ピストン体部１
４・・・連接棒　１６・・・スカート部１８・・・保持
部材　２２・・・クラウン２４・・・支持部材　２６・
・・空洞　２８・・・くぼみ３０・・・溝　３６・・・
スロット　４８・・・舌部５４・・・取付は機構　５６
・・・溝　５８・・・リング６０・・・シム　６２・・
参ポルト６４．６６・・・円周壁　６８・・・開ロア０・・・ス
ペーサ

Claims

【特許請求の範囲】ｌ）クランクシャフトを有する内燃機関用ピストン組立
体において、 α）一端に形成された凹形空洞と、外面に形成された複
数のくぼみとを有するピストン体部と、ｂ）一端におい
て前記クランクシャフトに装着され、前記ピストン体部
の前記凹形空洞と適合可能の第２の球形端部を有する連
接棒と、Ｃ）前記連接棒の前記球形端部と保合可能な円弧状内面
を有する中空の環状スカート部と、ｄ）前記ピストン体
部の前記くぼみ中に位置した複数の保持部材と、ｅ）前記スカート部を前記ピストン体部に接続するもの
であって、前記スカート部を貫通し前記保持部材へ延び
る複数の装着部材を含む装着装置とを含むことを特徴と
するピストン組立体。２）　　！許請求の範囲第１項に記載のピストン組立体
において、前記保持部材がねじ付きのディスク状部材で
あって、前記くぼみが円筒状であることを特徴とするピ
ストン組立体。８）特許請求の範囲第１項に記載のピストン組立体にお
いて、前記ねじ付のディスク状部材が前記ピストン体部
の円周面の周りの平面において等間隔に位置したナツト
であることを特徴とするピストン組立体。４）特許請求の範囲第１項に記載のピストン組立体にお
いて、前記連接棒の前記球形端部が、その中心線と前記
ピストン体部の中心線とを、前記クランクシャフトの中
心線に対して垂直の共通平面に位置させて外周に形成し
たスロットを有し、前記保持部材の中の１個が前記体部
を通過する突出舌部な含み前記スロットと係合している
ことを特徴とするピストン組立体。５）特許請求の範囲第１項に記載のピストン組立体にお
いて、前記ピストン体部が完全にセラミック製であるこ
とを特徴とするピストン組立体。６）クランクシャフトを有する内燃機関用ビストン組立
体において、 α）一端に装着された断熱クラウンと、第２の端部に形
成された凹状空洞とを有するピストン体部と、ｂ）一端において前記クランクシャフトに装着され、前
記ピストン体部に形成された前記凹状空洞と適合可能な
第２の球形端部を有し、その外面にスロットを形成して
おり、そのスロットの中心線と、前記ピストン体部の中
心線とが前記クランクシャフトの中心線に対して垂直の
共通平面に位置する連接棒と、Ｃ）前記連接棒の前記球形端部の外面と接触可能な円弧
状の内面を有する、中空の環状スカート部と、ｄ）前記スカート部を前記ピストン体部に接続し、°前
記連接棒の前記球形端部な前記ピストン体部の前記凹形
空洞に保持する装着装置と、ｅ）前記連接棒の前記球形端上での前記ピストン体部の
運動を制限するもので、前記スマットと係合する突出舌
部を有し前記ピストン体部内に位置決めされた保持部材
を含む装置と、を含むことを特徴とするピストン組立体
。７）特許請求の範囲第６項に記載のピストン組立体にお
いて、前記断熱クラウンがセラミックであることを特徴
とするピストン組立体。８）特許請求の範囲第６項に記載のピストン組立体にお
いて、前記装着装置が、前記ピストン体部に形成された
くぼみに収容されるディスク状保持部材と、前記スカー
ト部と前記ピストン体部を通過し前記保持部材にねじ係
合して受入れられたボルドとを含むことを特徴とするピ
ストン組立体。９）クランクシャフトを有する内燃機関用ピストン組立
体において、 α）一端に凹状の空洞を形成したピストン体部と、ｂ）
一端で前記クランクシャフトに装着され、前記ピストン
組立体の前記凹状空洞上適合可能な第２の球形端部な有
し、該球形端部が外周面に形成されたスロ、ットを有し
、該スロットの中心線と前記ピストン体部の中心線とが
前記クランクシャフトの中心線に対して垂直の共通平面
に位置する連接棒と、Ｃ）前記連接棒の前記球形端と係合可能な円弧状内面を
有する中空の環状スカート部と、ｄ）前記スカート部を
前記ピストン体部に接続することによって前記連接棒の
前記球形端を前記凹状空洞中に保持する装着装置と、ｅ）前記スロットと係合する突出舌部を有し、前記連接
棒の球形端のその長手方向軸線の周りの回転運動を阻止
し、一方長手方向軸線の周りの前記連接棒の球形端の揺
動を許容する、前記ピスト／体部内に位置した保持部材
とを含むことを特徴とするピストン組立体。損）％許請求の範囲第９項に記載のピストン組立体にお
いて、前記ピストン体部がディスク状の断熱クラウンと
金属製の支持部材とを含むことを特徴とするピストン組
立体。Ｗ特許請求の範囲第１０項に記載のピストン組立体にお
いて、前記断熱クラウンがセラミツ゛り製であることを
特徴とするピストン組立体。抑前記ディスク状クラウンが取付は機構によって前記支
持部材に固定されている特許請求の範囲第１０項に記載
のピストン組立体において、前記取付は機構が、 α）前記ディスク状クラウンの表面に共軸線関係で形成
され、非平行の第１と第２の円周面を有する台形断面を
有する円形溝であって、前記第１の円周面が該溝め底部
から該溝の口部へ鋭角で上方に傾斜しており、前記第２
の円周面が該博の底部に対して垂直方向に整合している
円形溝と、ｂ）前記円形溝に位置され、前記溝の第１の
円周面に対して概ね平行に整合した円形面を有し、かつ
円形状に位置された複数のねじ付き開口を含む露出面を
有するリングと、と）前記溝と前記リングとの傾斜した円周面の間に位置
された、長方形断面の、リング状シムと、ｄ）前記支持
部材を通過し、前記リングの前記ねじ付き開口と係合可
能で前記クラウンと支持部材を共に固定する複数のボル
トとを含むことを特徴とするピストン組立体。匣　特許請求の範囲第１２項に記載のピストン組立体に
おいて、伝熱を許要するために前記クラウンと前記支持
部材との間にスペーサが位置されていることを特徴とす
るピストン組立体。