JPS5989864A - ピストンピン - 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】 この発明は内燃機関用のピストンに使用されるピストン
ピンに関するものである。

周知のようにピストンピンは、ピストンとコネクティン
グロッドとを連結するものであり、ピストンのビン孔と
コネクティングロッドの小端部のビン穴とのうち、いず
れか少なくとも一方に対して円周方向に摺動するように
内燃ｔｉＷａに組込まれる。したがって内燃機関の作動
時にはピストンピンの外周面に大きな摩擦力が作用する
から、ピストンピンには優れた耐摩耗性が要求される。

そこで従来のピストンピンとしては耐摩耗性や強度の優
れた合金鋼を使用するのが通常であったが、最近では内
燃機関の燃費向上のためにピストンピンとして軽量なア
ルミニウム合金等の軽合金材料を使用する傾向が強まっ
ている。しかしながらアルミニウム合金等の軽合金材料
は、合金鋼と比較すれば耐摩耗性が低く、そのため早期
に摩耗して使用不能となる問題がある。この問題を解決
するためには軽合金材料からなるピストンピンとピスト
ンもしくはコネクティングロッド小端部のビン穴との間
に耐摩耗性金属からなるブツシュを介挿する方法がある
が、この場合にはブツシュの分だけ重量が大きくなって
軽量化の目的に反し、また部品点数が多くなって内燃機
関の組立て工程が多くなる問題がある。

この発明は以上の事情に鑑みてなされたもので、耐摩耗
性を改善した軽合金材料を基材どするピストンピンを提
供することを目的とするものであり、また耐摩耗性の向
上と合せて強度、靭性の向上を図ったピストンピンを提
供することを目的とするものである。

すなわち第１発明のピストンピンは、軽合金材料を基材
とするビス１ヘンビンにおいて、・少なくとも外周面側
の表面層に耐熱性を有する短繊維もしくはボイスカーを
複合一体化して、外周面の耐摩耗性を向上させたことを
特徴とするものである。

また第２発明のピストンピンは、同じく軽合金材料を基
材とするピストンピンにおいて、内層部に耐熱性を有す
るｉｉｍを複合一体化するとともに外周面側の表面層に
短繊維もしくはボイスカーを複合一体化して、外周面の
耐摩耗性向上と強度、靭性の向上とを同時に図ったもの
である。

以下この発明のピストンピンをさらに詳細に説明する。

第１図および第２図は第１発明のピストンピンの一例を
示すものであって、このピストンピン１の全体形状は従
来のものと同様に中空円筒状に作られている。そしてビ
ン１の基材部２はアルミニウム合金もしくはマグネシウ
ム合金等の軽合金材料で構成されており、その外周面側
の表面層３は軽合金材料中に短ｌｌ１１！もしくはボイ
スカー４を埋め込んだ繊維／軽合金複合層となっている
。

前記短繊維もしくはボイスカーとしては、耐熱性を有し
しかも摩耗性向上に有効なものを用いれば良く、具体的
には、５ｉＣ（炭化珪素）ボイスカー、５ｉ２Ｎ＋（窒
化珪素）ホイスカー、＾Ｑ２０３（アルミナ）短繊維、
＾１！２０３−９ｉｎ３（アルミナ−シリカ＞　ｍｔｌ
＜Ｍ等のうちから選択して使用すれば良い。

前記表面層３における短繊維もしくはホイスカー４は、
第１図および第２図に示すように外周面に鉛直な方向に
一方向に配向させるか、あるいは第３図に示すように外
周面と平行な面内にランダムに配向させることが望まし
い。このような配向とした場合に外周面における耐摩耗
性が著しく良好となる。

また表面層３における短ＩＩＩもしくはホイスカー４の
配合比は、体積割合にして２〜５０％程度が望ましい。

２％未満では耐摩耗性を向上させる効果が充分ではなく
、逆に５０％を越えればそれ以上に耐摩耗性向上効果が
増大しないばかりでなく、工業的に軽合金材料と複合一
体化することが困難となる。

第４図には第２発明のピストンピンの一例を示す。第４
図において、外周面側の表面層３は第１発明の場合と同
様に基材の軽合金材料に対して短繊維もしくはホイスカ
ー４を複合一体化した短繊維・ボイスカー／軽合金複合
層となっている。また前記表面Ｍ３を除く部分、すなわ
ち内層部５は、基材の軽合金材料に対して長１１１ｉ６
を複合一体化した長！１ｌｌｉ／軽合金複合層となって
いる。ここで表面層３の短ｍ維もしくはボイスカー４は
第１発明の場合と同様に表面の耐摩耗性を向上させる役
割を果−たし、一方内層部５の長繊維６はピストンピン
全体の強度、剛性を向上させる役割を果たす。

前記表面層３の短繊維もしくはボイスカー４は、前記同
様に外周面に対し鉛直な方向に一方向に配向されるかま
たは外周面と平行な面内でランダムに配向されていれば
良く、またその具体的な種類としても前記同様なものを
使用することが望ましい。一方内層部５の長縁Ｈ６は、
軸線に対し所定角度斜行した状態で対称に交差積層する
か、あるいは平織物を用いてその縦糸、横糸が軸線に対
し４５°で斜行するように積層することが望ましく、ま
たこの他長縁Ｉｉ６を軸線と平行な方向に配向させるか
あるいは平織物を用いてその縦糸を軸線と平行に配向さ
せても良い。また内層部５に使用する長繊維としては、
耐熱性を有ししかも強度的に優れたものを選択すること
が望ましく、具体的には炭素繊維、アルミナ繊維、Ｓｉ
Ｃ繊維、ボロン繊維等を用いればよい。

なお表面層３の短ａｔ雑もしくはホイスカー４と内層部
５の長ｍ雑６とは、第５図に示すように表面層３と内層
部５との境界領域７において混在するように構成するこ
とが望ましい。このように構成することによって、表面
層３と内層部５との結合強度が極めて大きくなって、表
面層３が剥離したりする事態の発生を有効に防止するこ
とができる。

なおまた、以上の各発明のピストンピンにおいては表面
層３に短繊維もしく１よホイスカーが複合一体化されて
その耐摩耗性が著しく良好となっているが、その反面、
摺擦される相手方・が軟質な場合には相手方を摩耗させ
たり傷付けたりするおそれがある。一般にピストンには
比較的軟質なアルミニウム合金等の軽合金材料を用いる
ことが多く、この場合ピストンのビン穴に対してこの発
明のピストンピンが摺動する構成とすればピストンピン
穴の側が摩耗したり傷付いたりする。一方コネクティン
グ０ツドは硬質な鋼を用いるのが通常であるから、軽合
金材料製のピストンにこの発明のピストンピンを組込む
場合には、第６図に示すようにピストン８のビン孔９の
側にボルト１０等によってピストンピン１を固定し、ピ
ストンピン１とコルクティングロッド１１の小端部ビン
穴１２との間で摺動するように構成することが望ましい
。

次に前記第１発明および第２発明のピストンピンの製造
方法について説明する。

先ず第１発明のピストンピンを製造する場合には、短！
！雑もしくはボイスカーによって薄肉中空円筒状のｔｌ
ＡａＭ成形体を作成しておく。また第２発明のピストン
ピンを製造する場合には内層側に長繊維を、外層側に短
１１Ｍもしくはホイスカーをそれぞれ配した厚肉中空円
筒状の繊維成形体を作成しておく。そして必要に応じて
予熱してから第７図に示すようにその繊維成形体１３を
ピストンピン鋳造用の高圧鋳造鋳型１４内に収容し、直
ちに軽合金溶湯１５を鋳型内に注渇し、加圧プランジャ
１６によって軽合金ｍ楊に５ｏｏ〜１５ｏｏｋｇ／ｄ程
度の高圧を印加し、がっその加圧力を軽合金溶湯の凝固
まで保持する。このように加圧力を加えることによって
軽合金溶湯が繊維やホイスカーの間の隙間に含浸され、
軽合金と繊維もしくはボイスカーとが複合一体化される
。そして凝固後に鋳型から取出されたピストンピン粗形
材に対し適宜機械加工、仕上げ加工を施すことによって
各発明のピストンピンが得られる。

上述の説明において、第１発明のピストンピンを製造す
る場合には予めｔｉｌｌ成形体を作成する代りに、鋳型
内面に短ｌａ維もしくはホイスカーを塗布もしくは吹付
けておき、その状態で軽合金溶湯を鋳型内に注湯し、前
記同様に高圧鋳造を行っても良い。

また第２発明のピストンピンを製造する場合、前述のよ
うに表面層の短繊維もしくはボイスカーと内層部の長繊
維とが表面層と内層部との境界層領域におル）で混り合
った状態とすることが望ましいが、このようなピストン
ピンを製造するために・は、前記ｍ維成形体を作成する
にあたって、先ず長繊維により肉厚な一次成形体を作成
しておき、その−火成形体の上に短繊維もしくはボイス
カーの懸濁液を吹付けもしくは塗布することが望ましく
、斯くすれば短ｌ！維もしくはホイスカーが一次成形体
表面の長繊維の間の空隙に入り込んで長繊維と短繊維も
しくはホイスカーとが混在する領域（ が形成される。

次にこの発明のピストンピン、特に第２発明のピストン
ピンを製造した実施例を記す。

実施例 外径８ｍｍのロンド上にその軸線に対し２０’の角度で
直径７シｍの炭素繊維（東し製、商品名［トレカＭ４０
Ｊ　）を一層ごとに方向を変えて交互に積層巻き付けし
、外径が２１．５ｍｍの一次成形体を作成した。次いで
平均直径０．２ＪＪｌ、平均長さ１５０νｍのＳｉＣボ
イス力を前記−火成形体の外周面にスプレーして１＋１
１１１１の厚さで付着させ、これを１２０℃で２時間乾
燥させることによって表面層にＳｉ　Ｃボイスカ一層を
有ししかもその表層部と下層の炭素繊維層との境、界領
域でＳｉＣボイスカーが炭素繊維間に混入しているｔｌ
ｊ、Ｍ成形体が得られた。次いでこのａｕｉ成形体を予
熱炉中において８００”Ｃに予熱し、ピストンピン鋳造
用の高圧鋳造鋳型内に収容し、直らにΔＲ−３％ｌｊｇ
の組成のアルミニウム合金溶湯を注湯し、加圧プランジ
ャによって溶湯を１５００ｋ（１／ＣＩの加圧力で加圧
し、凝固まで保持した。得られた複合ピストンピン粗形
材に橙械加工を施して外径２２ＩＩＩＩ１１内径８Ｉｌ
１ｍ１長さ７５＋＋＋ｎ＋のビス１〜ンビン形状に仕上
げた。

上述のようにして得られたピストンピンを２゜ｏｏｃｃ
４気筒エンジンに第６図に示す如くピストン側を固定し
コネクティングロッド側で摺動させるように組込んだ。

なおコネクティングロッドの小端部ビン孔にはタフトラ
イドを施した。そしてエンジンを全負荷５６００　ｒＦ
）ｍで２００時間の耐久試験を行ったところ、充分な強
度を示すとともに充分な耐摩耗性を示すことが確認され
た。なおピストンピン断面を調べたところ、表面層のＳ
ｉ　Ｃボイスカーと内層部の炭素ｍ維とがそれらの境界
領域において混り合って、両層が極めて強固に結合され
ていることが確認された。

以上の説明で明らかなように第１発明のピストンピンは
外周側の表面層に短繊維もしくはボイスカーが複合一体
化されているため、表面の耐摩耗性が著しく良好であり
、したがってその耐用寿命が著しく長（、しかも軽合金
材料を基材としているため軽量であって内燃機関の燃費
向上に有効である。また第２発明のピストンピンは、前
記同様に外周側の表面層に短繊維もしくはボイスカーが
複合一体化されると同時に内層部に長繊維が複合一体化
されているため、表面の耐摩耗性が良好であるに加え、
強度、靭性も優れているものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はＮ１発明のピストンピンの一例を示す斜視図、
第２図は第１図のピストンピンの拡大縦断正面図、第３
図は第１発明のピストンピンの他の例を示す斜視図、第
４図は第２発明のピストンピンの縦断側面図、第５図は
第４図の要部拡大図、第６図はピストンピンを組込んだ
ピストンの一例を示す縦断面図、第７図は各発明のピス
トンピンの製造方法の一例を説明するための鋳型の略解
的な断面図である。 １・・・ピストンピン、　２・・・基材部、　３・・・
表面層、４・・・短繊維、もしくはボイスカー、　５・
・・内層部、６・・・長４１雑。 出願人　　トヨタ自動車株式会社 代理人　　弁理士　豊　１）武　久 （ほか１名） 第１図 １ ／ 第２図 第３図 第４図 第５図 乙 第６図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）軽合金材料を基材としかつ少なくとも外周面表面
   層に耐熱性を有する短ｗ４維もしくは小イスカーが複合
   一体化されていることを特徴とするピストンピン。
2. （２）前記類１雑もしくはホイスカーが外周面に対し鉛
   直な方向に配向されている特許請求の範囲第１項記載の
   ピストンピン。
3. （３）ｔｔ７起短ｓＩＮもしく幡ホイスカーが、外周面
   と平行な面内にランダムに配向されている特許請求の範
   囲第１項記載のピストンピン。
4. （４）軽合金材料を基材としっ、かつ内層部に耐熱性を
   有する長Ｉｌ維が複合一体化されるとともに外周面表面
   層に耐熱性を有する短ｓ１Ｍもしくはボイスカーが複合
   一体化されていることを特徴とするピストンピン。