JPS61218751A - 内燃機関用軽合金製ピストン - Google Patents

内燃機関用軽合金製ピストン

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JPS61218751A
JPS61218751A JP5941485A JP5941485A JPS61218751A JP S61218751 A JPS61218751 A JP S61218751A JP 5941485 A JP5941485 A JP 5941485A JP 5941485 A JP5941485 A JP 5941485A JP S61218751 A JPS61218751 A JP S61218751A
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piston
fibers
fiber
thermal
light alloy
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JP5941485A
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Atsuo Tanaka
淳夫 田中
Yoshiaki Tatematsu
立松 義明
Yorishige Maeda
前田 頼成
Shiro Machida
史郎 町田
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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Publication date
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00Pistons 
    • F02F3/02Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion
    • F02F3/04Pistons  having means for accommodating or controlling heat expansion having expansion-controlling inserts
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02FCYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00Casings, e.g. crankcases or frames
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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〕 本発明は軽合金製の内燃機関用ピストンに関する。
C従来技術〕 ピストンを軽量化するためアルミニウム合金の様な軽合
金でピストンを鋳造することは周知である。
軽合金は鋳鉄に較べ熱膨脹係数が大きいので、軽合金製
ピストンは機関冷間時と暖機時との間でスカート部の熱
変形が著しい。冷間時におけるスカート部外周とシリン
ダライナー内周との間のクリアランスを小さく設定する
と、暖機時にはスカート部の熱膨脹によりスカート部が
シリンダに焼付き易い。反対に、焼付きを防止するため
前記クリアランスを大きくすると、暖機前のピストンス
ラップが激しくなる。焼付きとピストンスラップの双方
の問題を同時に解決するためには、スカート部の熱膨脹
を防止する必要がある。そこで、従来技術においては、
ピストンスカート部にサーマルストラットと称する鋼鉄
製抗張力リングを設ける方法が知られている。
鋼鉄製サーマルストラットは重量が大きく、ピストン軽
量化に限界がある。そこで、鋼鉄製サーマルストラット
に代え、炭素繊維等の高抗張力繊維材料から成るサーマ
ルストラットを用いることが提案されている(特願昭5
8−103637号、特願昭58−103638号、実
願昭58−104330号、実願昭58−121194
号、実願昭58−121195号、実願昭58−121
196号、特願昭59−220443号)。この様な高
抗張力繊維はスカート肩部においてピストン母材中に鋳
ぐるみ鋳造される。
〔発明が解決しようとする問題点〕
炭素繊維の特質は、熱膨脹しないこと(むしろ一般に、
熱膨脹係数は負の値を示す)、および、抗張力が極めて
高いことである。このため、ピストンのサーマルストラ
ットに用いるのに適している。しかし、炭素繊維は、一
般に、繊維の長さ方向にポリマー分子が高度に配向され
たアクリル繊維等を炭化することにより製造されるので
、長さ方向に関しては優れた高抗張力を呈するが、横断
方向に関する強度が極めて小さいという特性がある。こ
のため、エンジン停止と再始動の反覆によりピストンが
冷熱サイクルを受けてスカート肩部の軽合金母材の膨張
収縮により炭素繊維に横断方向応力が繰り返し作用する
際、ならびに、エンジン作動中の爆発パルスに応じピス
トン各部位に加わる機械的応力により炭素繊維に横断方
向応力が反覆作用する際には、炭素繊維が破断し、スカ
ート肩部に亀裂が生じたり炭素繊維が軽合金母材から剥
離してピストンの耐久性を低下させることがあった。こ
の不具合を解消するため種々検討がなされて来たが、従
来技術においては未だ満足すべき成果が得られていない
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の発明者は、鋭意研究の結果、サーマルストラッ
トを、炭素繊維と、それよりも横断方向強度に優れる他
の長繊維との混成構造にすることによって上記不具合を
解消し得るこ、とを見出したものである。
好ましくは、他の長繊維はアルミナ繊維、アルミナ−シ
リカ繊維、炭化ケイ素繊維、ホウ素繊維、および鋼繊維
から成るグループより選ばれた一以上の繊維から成る。
亦、サーマルストラットの各部位の要求特性に合せて、
サーマルストラットのうち直径方向内側の領域に炭素繊
維を配置し、直径方向外側領域に他の長繊維を配置すれ
ば一層望ましい結果が得られる。
〔実施例〕
次に、図面を参照して本発明の詳細な説明する。
第1図は本発明のピストンの縦断面図で、ピストン10
はアルミニウム合金の様な軽合金を高圧鋳造して成る。
ピストンlOはヘッド部12と、トップランド部14と
、リングベルト部16と、スカート部18と、ピストン
ピンボス部20とを備えている。周知の様に、リングベ
ルト部16にはコンブレラシランリングを嵌合するため
の第1および第2リング溝22.24が設けであると共
に、オイルコントロールリングを嵌合するための第3リ
ング溝26が設けである。第3リング溝26は半径方向
スリット28を介してピストン内側に連通しており、オ
イルコントロールリングで掻き取ったオイルをピストン
内側に導く様になっている。第3リング溝26の下部側
壁はスカート部18の肩部30を画定している。肩部3
0の軽合金母材にはサーマルストラット32が鋳ぐるみ
鋳造により鋳込まれている。
第2図は第1図の円A内部分の拡大図である。
第2図には模式的に示したが、サーマルストラット32
は、熱膨脹係数が−1,2xlO−’/’tl:程度の
高抗張力を持った連続状炭素繊維と、熱膨脹係数は炭素
繊維よりやや大きいが横断方向強度に優れる連続状アル
ミナ繊維との二種類の繊維で構成される。アルミナ繊維
に代えて、アルミナシリカ繊維、炭化ケイ素繊維、ホウ
素繊維、等の無機質繊維や、鋼繊維を用いることができ
る。炭素繊維の直径は約5〜10μm、アルミナ繊維の
それは10〜20μmが一般的である。夫々の種類の連
続繊維を約数千木用いて1本のヤーンを形成し、炭素繊
維ヤーン(炭素繊維の体積率60〜65%)34とアル
ミナ繊維ヤーン(アルミナ繊維の体積率40〜50%)
36を夫々混ぜ合せながら約10〜20回にわたり、炭
素繊維:アルミナ繊維=1.5:1で巻回してサーマル
ストラット32が構成される。
この様にヤーン34,36を巻回した状態ではヤーンは
自己支持性が無く鋳ぐるみ鋳造に適さない。そこで、実
際には、アルミナシリカ短繊維等をコロイダルシリカの
様な無機結合剤を用いて体積率7%程度で成形して成る
第3図に示す様な溝付きリング状ホルダー38の溝内に
夫々のヤーン34.36を巻回した上で鋳型内に配置し
、鋳造を行うのが好ましい。軽合金母溶湯の高圧注入に
より母材は炭素繊維およびアルミナ繊維の繊維間隙に緊
密に含浸する。
第4図に示した好ましい実施例では、ホルダー38の溝
に先ず炭素繊維ヤーン34を巻き付けた後、その外側に
アルミナ繊維ヤーン36が巻き付けられている。従って
、炭素繊維とアルミナ繊維は夫々層を成しており、アル
ミナ繊維層がサーマルストラフ)の外側部位に位置して
いる。
叉竣斑上 アルミナシリカ系短繊維(イソライトバブコック社製、
商品名カオウール)を成形し、外径72.5鶴、内径6
5.5鶴、厚さ6日、溝寸法3顛×2鶴の第3図に示す
様なリング状ホルダーを製作した。
このホルダーに炭素繊維ヤーン(東し製、商標名トレカ
M40.1ヤーン= 6000フイラメント)とアルミ
ナ繊維ヤーン(住友化学製)を第2図に示す様に混在さ
せなからtS:tの割合で巻き付け、ホルダー/繊維組
立体とした。この組立体を750℃に予熱し、高圧鋳造
用鋳型にセットして、740℃のアルミニウム合金(J
IS AC8A )の溶湯を注入し、プランジャーで加
圧してピストン鋳造体を得た。この鋳造体を機械加工し
て、第1図に示す様なピストンを得た。
このピストンを6気筒、排気量2000ccのガソリン
エンジンに装着し、冷間時始動テストを行ったところ、
比較のため製作したサーマルストラット無しのピストン
を使用したエンジンに比べ3dBの騒音低下が認められ
た。
次に、比較例としてサーマルストラットにすべて炭素繊
維を使用したピストンを製作し、実験例のピストンと共
に電気炉中で350℃に加熱した後水中に投じて急冷す
る熱衝撃試験を行った。比較例のピストンでは25回で
スカート肩部に微細な亀裂が発生したが、実験例のピス
トンでは全く亀裂の発生は認られなかった。これは、炭
素繊維と共にアルミナ繊維を混在させたので、サーマル
ストラットの横断方向強度が炭素繊維だけの場合よりは
るかに大きくなったことによるものと推測される。
スU影 実験例1と同寸法のホルダーを用意し、これに先ず実験
例1と同様の炭素繊維ヤーンを全厚さの約273まで巻
き付けた。次に、この炭素繊維層の外側に炭化ケイ素繊
維(日本カーボン製、商標名ニカロン)のヤーンを残り
1/3の厚さで巻きつけ、ホルダー/繊維組立体とした
。この組立体を実験例1と全く同様に鋳ぐるみ鋳造して
機械加工し、第4図に示す様なサーマルストラットを備
えたピストンを製作した。
比較のためサーマルストラットがすべて炭素繊維から成
るピストンを製作し、第5図に示す様にチャック40で
固定して圧子42で加圧するピストン破壊試験を行った
ところ、比較例のピストンに較べ本実験例のピストンの
方が破壊荷重が約50%高く、良好な機械的強度を有す
ることが確認された。
〔発明の効果〕
本発明の効果は次のとおりである。
(イ) サーマルストラットを炭素繊維と横断方向強度
に優れた他の長繊維とで混成することにより、スカート
肩部の熱膨脹を抑制するに十分な抗張力を有しながら同
時に横断方向強度の向上したサーマルストラットが得ら
れる。その結果、冷熱サイクルに因る熱的応力や爆発パ
ルスに因る機械的応力を横断方向に受けても炭素繊維が
破断を生じることが無い。このため、スカート肩部に亀
裂が発生したり炭素繊維が軽合金母材から剥離すること
が無く、ピストンの耐久性が著しく向上する。
(0)また、第4図に示した如く、内側に炭素繊維層を
配し外側に他の繊維層を配した実施例では、鋳造前のホ
ルダー/繊維組立体の予熱時に炭素繊維層が空気に触れ
ることが少なくなり、炭素繊維層はN2リッチの雰囲気
中に保持されるので、炭素繊維の酸化消耗の程度が著し
く減少する。その結果、サーマルストラット全体の抗張
力性能も良好に保持される。
(I→ 更に、第4図の実施例では、細い炭素繊維に較
べ太く自己支持性の高いアルミナ繊維が外側に配置され
るので、鋳造に際して軽合金溶湯が各種繊維を乱すこと
無く繊維間に含浸する。このため、溶湯の含浸性が改善
され、軽合金母材はサーマルストラフトの構成繊維によ
り強固に補強される。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1実施例に係るピストンの縦断面図
、第2図は第1図の円A内部分の拡大図、第3図はホル
ダーの斜視図、第4図は第2図同様の図で第2実施例を
示し、第5図は破壊試験の要領を示す図である。 10・・・ピストン、 32・・・サーマルストラット、 34・・・炭素繊維ヤーン、 36・・・アルミナ繊維ヤーン、 38・・・ホルダー。 第1図 第2図   第3図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、ピストンスカート部の肩部の熱膨脹を抑制するため
    熱膨脹係数が小さな又は負の高抗張力繊維から成る円環
    状サーマルストラットをスカート肩部に沿って軽合金母
    材中に鋳ぐるみ鋳造して成る内燃機関用軽合金製ピスト
    ンにおいて、 前記高抗張力繊維は二種以上の長繊維を包含して成り、
    一方の長繊維は炭素繊維であり、他方の長繊維は繊維の
    横断方向に関する強度が炭素繊維よりも優れた繊維であ
    ることを特徴とする内燃機関用軽合金製ピストン。 2、横断方向強度に優れた前記他方の長繊維はアルミナ
    繊維、アルミナ−シリカ繊維、炭化ケイ素繊維、ホウ素
    繊維、および鋼繊維から成るグループより選ばれた一以
    上の繊維から成る特許請求の範囲第1項記載のピストン
    。 3、前記炭素繊維はサーマルストラットのうち直径方向
    内側に配置され、他方の長繊維は直径方向外側に配置さ
    れている特許請求の範囲第2項記載のピストン。
JP5941485A 1985-03-26 1985-03-26 内燃機関用軽合金製ピストン Pending JPS61218751A (ja)

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US06/843,626 US4669367A (en) 1985-03-26 1986-03-25 Light metal alloy piston
EP86104115A EP0196076B1 (en) 1985-03-26 1986-03-25 Light metal alloy piston
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63108549U (ja) * 1987-01-07 1988-07-13

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63108549U (ja) * 1987-01-07 1988-07-13
JPH0424121Y2 (ja) * 1987-01-07 1992-06-05

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