JPS60261958A - 二分割ピストン - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、内燃機関のピストンに関し、特に、熱膨張率
の異なる異種部材からなる二分割ピストンに係る。

〔従来技術〕

ピストンのヘッドをセラミックスで形成して、熱損失の
低減を図り出力の向上を狙った二分割ピストンが提案さ
れている。これは、セラミックスの断熱特性を利用した
ものであるが、セラミックスは引張り強度が小さく、衝
撃にも弱いために、ピストンに利用しにくい部分があり
、実用化に向けては難しいところがあり、いろいろと問
題が生じている。

例えば、実開昭５３−１２４９０８号、特開昭５４−３
６４１３号に見られるように、セラミックスを金属で鋳
包む方法は、結合部に隙間が生じて結合関係が不安定に
なりやすい。また、セラミックスに亀裂が入ったりする
。これは、セラミックスと金属との熱膨張率の差が原因
であり、熱負荷のかかる機関運転中とか、鋳包んだ後に
発生しやすい。

また、実開昭５２−４９１０号、実開昭５４−９７６０
８号に見られるように、ボルトを使用してセラミックス
を金属に締結する方法は、熱膨張率の差が原因で上述と
同様の問題が発生しやすい。

そこで、セラミックスと金属との熱膨張率の差によって
生ずる熱応力を吸収する方法として、実開昭５６−４５
１３４号では、セラミックスと金属との結合面の一部を
収縮方向に一致させる逆円錐状のテーパ面にすることに
よって、結合部に鋳包み後の収縮応力が掛からないよう
に工夫が成されている。しかし、この方法でも、結合面
のうちフラットな面に隙間が生じ、ガタの原因となる可
能性が残っている。また、機関運転中の熱膨張に−よる
熱応力を吸収する対策は施されていない。

つぎに、結合面に上述のフラットな面をなくし、逆円錐
状のテーパ面を用いた結合方法のものが、実開昭５８−
６９４１号の第７図に見られる。こノ場合、セラミック
製ピストンヘッドと金属製ピストン本体との結合は、鉋
包みによるものではなく、これらは圧縮スプリングによ
り係止されている。これにより、セラミックスと金属と
の熱膨張率差を吸収し、熱膨張による荷重が結合面に掛
かるのを少なくしている。

しかし、この方法はピストンヘッドの慣性力に打ち勝つ
大きさのスプリング力が、ピストンヘッドに加わってい
るので、金属に比べ引張強度が小さなセラミックスにと
って好ましい荷重の掛かり方ではない。また、上記慣性
力は、繰り返しスプリングに作用するので、疲労による
スプリング力の低下が原因で結合面にガタができて、セ
ラミックスが破壊する恐れがある。このため、スプリン
グの選定に十分な吟味を要する。

さらに、スプリングの取付座面は、セラミックスと金属
にまたがって形成されているので、スプ　ｉリングの取
付座面に段差ができて、スプリング力に変化をきたす結
果になる。これは、ピストンヘッドのテーパ面に荷重が
掛かりすぎたり、隙間が生じてガタを発生したりする恐
れがある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ピストンヘッドとピストン本体との結
合面の一部に逆円錐形のテーパ面を採用し、これらをボ
ルト締結することにより、熱膨張時および組付時に、結
合面に余分な荷重ができるだけ掛からないようにするこ
とで、ピストンヘッドに使用されたセラミックスの破損
を防止するこ１とにある。

〔発明の構成〕

この目的を達成するために、本発明の二分割ピストンに
おいては、テーパ面の半径方向内側の所からピストンヘ
ッドの頂面に対して垂直に延びる円筒部と、該円筒部に
穿設される襟数の貫通孔と、該貫通孔より径が小さく、
ピストン本体に半径方向に穿設された段付状のボルト孔
と、貫通孔に遊嵌されるとともに、ボルト孔と貫通孔に
挿入されるボルトの締付力を受けて端面をピストン本体
に押圧されたカラーとから成ることを特徴とする。

〔発明の作用・効果〕

上記構成により、ピストンヘッド抜は止め用のボルトの
締め付は力がテーパ面にほぼ作用しない。

さらに、ボルトがピストン本体の熱膨張により、半径方
向の力を受けると、これにともなって、カラーは貫通孔
をスライドする。そして、ピストン本体は、ピストンヘ
ッドとともに結合面であるテーパ面に沿って移動しなが
ら熱膨張する。

これらにより、熱膨張時や、組付時に、セラミックスに
とって好ましくない余分な荷重が掛かるのが低減される
。

また、ボルトを用いた機械的な結合方式なので、鋳包み
方法のような熱収縮による引張応力の発生やガタの発生
を心配する必要はない。

〔実施例〕

以下、本考案の望ましい実施例を図面に基づいて説明す
る。

〔第１実施例〕 第１図は、セラミック類のピストンヘッド１とアルミ合
金製のピストン本体２とから成る二分割ピストンの縦断
面図を示す。

ピストンへンドｌは、ヘッドの頂面１７を形成する上部
１１と、上部１１より半径方向内側に位置して同心状の
円筒部１２とから成っている。この円筒部１２は、ヘッ
ドの頂面１７に対して垂直に延びており、上部１１の外
周面１５と円筒部１２の外周面１４が、逆円錐径のテー
パ面１３と接続されている。この逆円錐形の頂点Ｐは、
二分割ピストンの中心線ｙ上に位置する。そして、頂点
Ｐから中心線ｙに対して垂直な方向に、複数の貫通孔１
６が円筒部１２に穿設されている。

次に、ピストン本体２は、上部２１と下部２２に別けら
れる。上部２１は、圧力リング溝２３．２４そしてオイ
ルリング溝２５が形成されている。

そして、円筒部１２が挿着される開口部には、テーパ面
１３と同じ傾斜角を有する開口端面２６が−施されてい
る。そして、圧力リング溝２３．２４とオイルリング溝
２５との間に、貫通孔１６と共通の中心線Ｘを有するボ
ルト孔２７が穿設されている。このボルト孔２７は、貫
通孔１６と同数設けてあり、その径は貫通孔１６より小
さいものとする。さらに、ボルト孔２７の途中までは、
ザグリが入れてあり、ボルト孔２７は段付形状を成す。

つづいて、上述のザグリ部分にボルト３の頭部３１が係
止され、首下部３２がボルト孔２７と貫通孔１６に挿入
されている。そして、貫通孔１６と首下部３２との間に
は、カラー４がスライド可能な状態で嵌められている。

このカラー４の一部ば、円筒部１２の内周面１８より内
側に突出させてあり、ワッシャ５を介して、ナツト６が
ボルト３のネジ部３３に螺合している。このときの締付
力がカラー４に作用して、カラー４の端面４１がピスト
ン本体２の内周面２８に押圧されている。

以下、第１実施例の熱膨張率差を吸収する作用・効果に
ついて第２図に基づいて説明する。

常温状態において、ピストンヘッド１のテーパ面１３に
おける任意の点Ｃ３が、ピストン本体２の開目端面２６
における点Ｍ、と接しているとす　）る。この状態から
ピストンが熱負荷を受けて温度がΔＴ’Ｃ上昇すると、
点ＣＩと点ＭＩはそれぞれ異なった動きを示す（第２図
では、ピストンヘッド１の熱膨張率がピストン本体２よ
りも小さい場合に相当する）。すなわち、点ＣＩは点Ｃ
２へ、点Ｍ、は点Ｍ２へ移動したものとする。

ここで、第１実施例では、ピストンヘッドｌとピストン
本体２の熱膨張量は、これらを結合するボルト３の中心
線を通るχ軸と、ピストンの中心線に相当するｙ軸とを
基準にして、それぞれ、ｙ軸方向の熱膨張量ΔＹとχ軸
方向の熱膨張量ΔＸがめられる。そして、これら熱膨張
量ΔＸ、ΔＹは、熱膨張の拘束を受けない自由状態から
生じるものとする。このような仮定の基で、ピストンヘ
ッドＩとピストン本体２ば、テーパ面１３と開口端面２
６から成る結合面に沿って熱膨張することを以下に示す
。

まず、常温状態における点Ｐと点ｃ１および点Ｍ、を結
ぶ直線と、χ軸とのなす角度をθとすると、 ｔａｎθ　＝　Ｙ／Ｘ　（１１ となる。ここで、Ｘは点Ｐから点ＣＩおよび点Ｍ、まで
のχ軸方向の距離、Ｙは点Ｐから点Ｃ１および点Ｍ１ま
でのｙ軸方向の距離とする。

つぎに、ΔＴ’Ｃ上昇後のピストンヘッドＩの熱膨張量
と熱膨張方向を計算する。

点Ｃ１から点Ｃ２までのχ軸方向の熱膨張量をΔｘｃ、
ｙ軸方向の熱膨張量をΔＹｃ、ピストンヘッドｌの熱膨
張係数をα。とすると、ΔＸｃ＝Ｘ・α。・ΔＴ（２） ΔＹｃ＝　Ｙ・α　ＨΔＴ（３） となる。点ＣＩと点Ｃつを結ぶ直線と、χ軸に平行な線
ＡＢとのなす角度をθゎとすると、ｔａｎθ；Δｙｃ／
ΔＸｃ＝Ｙ／Ｘ　（４１となる。

同様に、ΔＴ”Ｃ上昇後のピストン本体２の熱膨張量と
熱膨張方向を計算する。

点Ｍ、から点Ｍ２までのχ軸方向の熱膨張量をΔＸＭ、
ｙ軸方向の熱膨張量をΔＹ誠、ピストン本体２の熱膨張
係数を特徴とする特許 ΔＸＭ　÷　Ｘ・α、　・ΔＴ（５） Δｙ、＝Ｙ　・　α９　・ΔＴ（６） となる。点Ｍｌと点Ｍ２を結ぶ直線と、線ＡＢとのなす
角度をθ９とすると、 ｔａｎｏＨ＝ΔＹＭ／ΔＸＭ　＝Ｙ／Ｘ　（７）となる
。

以上、式（１１、（４）、（７）の結果から、θ　＝　
θ、＝　０Ｍ（８） となり、ピストンヘッド１とピストン本体２の熱膨張方
向は一致することになる。よって、ピストンヘッドｌと
ピストン本体２の熱膨張量すなわち熱膨張係数が異なっ
ても、両者の熱膨張方向が同一角度になり、テーパ面Ｉ
６と開口端面２６との間にクリアランスや曲げ荷重が発
生しない。また、上記結果はピストンヘッドＩとピスト
ン本体２の温度が異なる場合でも成立する。

ところで、ピストン本体２は、組付後に、熱膨張を拘束
されないように、ボルト３の締結方法に工夫が凝らされ
ている。

−すなわち、ピストン本体２が半径方向に膨張して変位
が生ずるとき、これに応じて、カラー４が貫通孔１６を
スライドするので、ピストンヘッドＩに対して固定され
ない状態にピストン本体２はある。この結果、ピストン
ヘッド１とピストン本体２はボルト３により結合されて
いても、熱膨張の拘束を受けない自由状態に近い状態で
組付けられることになり、上述の理論計算に基づいた理
想に近い熱膨張が果たされる。

一方、熱膨張率の差によって、ピストンヘッド１の外周
面１４とピストン本体２の内周面２８との間に隙間ＣＸ
が生じるが、点Ｐを中心にして放射状に配設されている
複数のポルト３等から成る支持により、ピストンへソド
１がピストン本体２に対して不安定になることはない。

なお、カラー４はボルト３の片当りによって貫通孔１６
に周辺に発生する応力集中を防止するために設けられて
いる。

以上述べたように、構成上組付時のボルト３の締付力が
テーパ面１３に作用しないとともに、熱膨張時、テーパ
面１３に熱膨張差により、隙間が　：原因でガタが生じ
たり、熱応力が作用することはない。このようにして、
セラミックスの破壊の原因になる余分な荷重が、テーパ
面１３に掛かりにくくなっている。

〔第２実施例〕 第３図は、本発明の第２実施例によるピストンの縦断面
図を示す。

第１実施例と異なる点は、第４図に示すように、組付ポ
ルト７の首下部７２の中心軸χ、２が、頭部７１の中心
軸χ７１に対して偏心した形状を成していることである
。なお、第１実施例と同じ構成部分については同一の符
号が記しである。

これは、加工公差などによって、ピストンヘッド１の貫
通孔１６の中心軸χ１６や、ピストン本体２のボルト孔
２７の中心軸χ２７が正規のχ軸に対してずれた場合、
第１実施例のような偏心ゼロのボルト３を使用すると、
逆に締め代が生じたりして、本来の目的が達成できなく
なるためである。

さらに、第５図に示すように、テーパ面１３と開口端面
２６との間に隙間Ｃｙが生じると、ピストンヘッド１の
頂面に作用するシリンダ内圧Ｐｇにより、テーパ面１３
の付は根や偏心ゼロのボルト３の首下部３２に曲げモー
メントＭ　１３、Ｍ３ｔが作用して、余り好ましくない
。

〔第３実施例〕 第６図は、本発明の第３実施例によるピストンの縦断面
図を示す。

第１実施例と異なる点は、テーパ面１３と開口端面２６
との間に緩衝材８を介在した点にある。

この緩衝材８によって、加工誤差のために生じる隙間を
吸収し、第２実施例で述べた曲げモーメントＭ＋ｚ、Ｍ
５ｚを減少させる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例による二分割ピストンの
縦断面図、 第２図は、第１実施例のピストンの作用説明図、第３図
は、本発明の第２実施例による二分割ピストンの縦断面
図、 第４図は、第２実施例に用いられたボルトの側面図、 第５図は、加工誤差によって生じる曲げモーメントの説
明図、 第６図は、本発明の第３実施例による二分割ピストンの
縦断面図である。 １−−−−−・−ピストンヘッド ２・−・−・−ピストン本体 ３、？−−−−−−・・ボルト ４−−−−−−一カラー １２−−−−−−一円筒部 １３−−−−一・・テーバ面 １６−−−−−−・−貫通孔 ２６−−−−−開口端面 ２７−−−−−−−ボルト孔 第１図 第２図 第３図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）逆円錐形のテーパ面を結合面として備えるセラミ
   ック製のピストンヘッドと、該ピストンヘッドより熱膨
   張率の大きい部材で形成され、前記結合面と装着する開
   口端面を有するピストン本体とから成る二分割ピストン
   において、前記テーパ面の半径方向内側の所からピスト
   ンヘッドの頂面に対して垂直に延びる円筒、部と、該円
   筒部に穿設される複数の貫通孔と、該貫通孔より径が小
   さく、前記ピストン本体に半径方向に穿設された段付状
   のボルト孔と、前記貫通孔に遊嵌されるとともに、前記
   ボルト孔と前記貫通孔に挿入されるボルトの締付力を受
   けて端面をピストン本体に押圧されたカラーとから成る
   ことを特徴とする二分割ピストン。
2. （２）前記ボルトの首下部の中心軸が頭部の中心軸に対
   して偏心した形状とすることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の二分割ピストン。
3. （３）前記結合面と前記開口端面の間に緩衝材を介在さ
   せることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の二分
   割ピストン。