JPS61218753A - 内燃機関用軽合金製ピストン - 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〕 本発明は軽合金製の内燃機関用ピストンに関する。

〔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０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
ランプが激しくなる。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。また、ピ
ストンヘッドとスカート部との間においてピストン軸線
に垂直に複数のスリットを設け（これらのスリットは一
般にオイルリング溝に連通しており、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排出する
役割も受持つ）、スカート部をピストンヘッドから断熱
することも有効である。

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、炭化ケイ素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５８−１０３６３７号、特願昭５８−１０３
６３８号、実願昭５８−１０４３３０号、実願昭５８−
１２１１９４号、実願昭５８−１２１１９５号、実願昭
５８−１２１１９６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。

（従来技術の問題点〕 吸気過給や機関回転数増加による機関の高出力化に伴い
、ピストンが受ける熱負荷は益々苛酷なものとなる傾向
にある。燃焼室からピストンクラウンに伝った熱の大部
分は一般にピストンリングを介してシリンダに放熱され
るのであるが、高出力機関においては更にピストンスカ
ート部からも放熱することが望ましい。このため、ピス
トンヘッドとスカート部との間の前述した断熱用スリッ
トは廃止されるか、その面積が減少せられる傾向にある
。その結果、高出力機関のピストンにおいては、従来の
機関に較べ、スカート部の温度は約３０〜４０℃も上昇
し、スカート部は大きな熱変形を受ける。

サーマルストラットとして炭素繊維の様な無機質高抗張
力繊維を用いる場合には、アルミニウム合金の熱膨脹係
数が２０Ｘ１０−’／’Ｃ程度であるのに対して、炭素
繊維では−１，２Ｘ　１０−’／　’Ｃ程度である。こ
のため、機関の使用中にピストンが繰り返し冷熱サイク
ルを受けると、熱膨脹の差によりアルミニウム合金母材
と繊維強化領域（サーマルスト９７１Ｍ域）境界近傍に
亀裂が生じ、ピストンが破壊することがある。この傾向
は前述した様に高出力機関において特に著しい。

（発明の目的〕 本発明の目的は、高抗張力繊維から成るサーマルストラ
ットを備えた軽合金製ピストンの耐熱衝撃性を改善し、
破壊性亀裂の発生することの無い耐久性に優れた軽合金
製ピストンを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前記亀裂は熱膨脹によりピストンの各部位に応力が作用
した時に夫々の高抗張力繊維と軽合金母材との間の結合
が破れて両者の界面に沿って剥離が生じることに起因す
るものと考えられるのであるが、本発明は、この剥離に
より生じた微小亀裂が互いに併合連絡して大きな亀裂に
進展するのを防止するという考えに立脚するものである
。

このため、本発明は、サーマルストラットを構成する高
抗張力繊維に所定の撚りを与えることにより、互いに隣
接する２本の繊維に接する仮想面を繊維の長さ方向に沿
って螺旋状に捻回させ、もって、成る位置で生じた微小
亀裂の面とその近傍で生じた他の微小亀裂の面とが食い
違う様に構成し、もって、亀裂の発展を防止しようとす
るものである。

炭素繊維の様な高抗張力繊維は繊維長さ方向に関しては
極めて高い抗張力を呈するが曲げ応力に対する強度は劣
る。従って、繊維の撚りは１ｍ当り約１０〜３０回程度
にするのが好ましい。

サーマルストラットは、例えば、撚りを与えた数千本の
高抗張力繊維で１本のヤーンを形成し、このヤーンの複
数本を撚りを与えながら１本の素線に形成し、この素線
を複数回にわたり巻回して構成することができる。また
、微小亀裂の相互連絡を阻止するためには、撚りは普通
撚りの方向（即ち、素線の撚りが繊維の撚りと異なる方
向）にする必要がある。

〔実施例〕

次に、添附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（例えば、ＪＩＳ　ＡＣ８＾）の様
な軽合金を高圧鋳造して成り、ピストンヘッド部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、コンプレッシ
ョンリング嵌合用の第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を介してピストンの内側
空洞に連通しており、オイルコントロールリングで掻き
取ったオイルを内側空洞に排出し得る様になっている。

第３リング溝２６の下部側壁はスカート部１８の肩部３
０を画定している。

第２図の拡大図から分る様に、スカート肩部には本発明
に従い構成された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。

サーマルス［・ラット３２は、小さなまたは負の熱膨脹
係数をもった高抗張力繊維、例えば、炭素繊維（熱膨脹
係数は−１，２Ｘｌ０−ｂ／ｌ）　、炭化ケイ素繊維、
アルミナ繊維、アルミナシリカ繊維、等で構成すること
ができる。

斯る高抗張力繊維は腰が弱く、即ち自己支持性に乏しく
、軽合金母材溶湯注入に際し所望形状を保持し得ないの
で鋳ぐるみ鋳造に適さない。そこで、実際には、アルミ
ナシリカの短繊維等をコロイダルシリカの様な無機結合
剤により非常に小さな体積率（例えば、約７％）で成形
して成る第３図に示す様な溝付きリング状のホルダー３
４を予め製作し、このホルダー３４の溝に高抗張力繊維
を巻き付けてホルダー／繊維組立体とし、この組立体を
鋳型内にセントして高圧鋳造を行うのが好ましい。

本発明に従い、高抗張力繊維は撚りを与えながらホルダ
ー３４に巻き付けられる。このためには、数千本の高抗
張力繊維に１０〜３０回／ｍ当りの撚りを与えながら所
定体積率（例えば、６０％）の１本のヤーンを形成し、
このヤーン３６を１０〜３０回にわたってホルダー３４
に巻き付けてホルダー／繊維組立体を形成することがで
きる。

好ましい実施態様においては、数千本の繊維で形成され
たヤーンを複数本用いてそれらに普通撚り方向に撚りを
加えながら素線を形成し、この素線をホルダー３４にぐ
るぐると巻き付けて組立体を得る。第４図にはこの様に
形成した組立体を模式的に示した。

斯く準備したホルダー／繊維組立体を鋳型内にセットし
て高圧鋳造を行えば、軽合金溶湯は繊維間に含浸して、
繊維強化軽合金の領域が形成される。ホルダーの短繊維
の体積率は７％と極めて小さいので、ホルダー３４の短
繊維間に溶湯が含浸すればこ領域は実質的に軽合金母材
で構成されることとなる。

実験例１ 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鮪、内径６
５．５ｍ、厚さ６ｆｌ、溝寸法３鶴×２鶴の第３図に示
す様なホルダーを製作した。このホルダーの溝に１ｍ当
り１５回の撚りを与えた炭素繊維ヤーン（１ヤーン＝　
６０００フイラメント、東し社製、商標名トレカＭ４０
）を体積率が約６０％になる様に約２０回巻き付けてホ
ルダー／繊維組立体とした。この組立体を７５０℃に予
熱した後、高圧鋳造用鋳型にセットし、７４０℃のアル
ミニウム合金（ＪＩＳ　ＡＣ８Ａ　）の溶湯を注入し、
プランジャーで加圧し冷却してピストン鋳造体を得た。

この鋳造体を機械加工、熱処理して第１図に示す様なピ
ストンを得た。

また、比較例として、撚りの全くない同一種の炭素繊維
ヤーンを使用し、上記と同様にしてピストンを製作した
。

上記２種のピストンを電気炉中で３５０’Ｃに加熱し、
水中で急冷する熱衝撃試験を行ったところ、比較例のピ
ストンでは１２回の急冷で軽合金母材と炭素繊維強化軽
合金領域との境界（第２図に鎖線３日で示した）に沿っ
て円柱面状の亀裂が生じたが、本実験例のピストンでは
２５回まで亀裂の発生は認められなかった。

また、これら２種のピストンを６気筒、排気量２０００
ｃｃのガソリンエンジンに装着し、冷間始動時の騒音低
減効果を比較したところ、両者に差はなかった。

次ｆｌ先 実験例１と同様のホルダーを用意した。次に、実験例１
と同様の撚りを与えた炭素繊維ヤーン（１ヤーン−６０
００フイラメント）を３本用いて炭素繊維の撚り方向は
反対方向に組みながら１本の普通撚り素線を形成し、こ
の素線をホルダーの溝にぐるぐると数回巻き付けてホル
ダー／繊維組立体とした。この組立体を用いて実験例１
と全く同様にしてピストンを製作した。このピストンを
同様にして熱衝撃試験したところ、３５回まで亀裂の発
生は認められなかった。

〔発明の効果〕

本発明のピストンでは、サーマルストラットを構成する
夫々の高抗張力繊維に撚りを加えて螺旋状に延長させで
あるので、仮え繊維と軽合金母材との界面において微小
亀裂が発生してもその微小亀裂が隣りの微小亀裂につな
がることが無い。従って、ピストンを破壊する様な大き
な亀裂に微小亀裂が成長するのを効果的に阻止すること
ができ、ピストンの耐熱衝撃特性を著しく向上させるこ
とができる。

また、撚りの方向を普通撚りとした場合には、素線の表
面と高抗張力繊維の表面との接面が減少し、亀裂発展防
止効果が一層顕著となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の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実施例に係るサーマルストラットの斜視図で
ホルダーの一部を切り欠いて示したものである。 １０・・・ピストン、 １８・・・スカート部、 ３０・・・スカート肩部、 ３２・・・サーマルストラット、 ３４・・・ホルダー、 ３６・・・高抗張力繊維のヤーン。

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
   、小さな又は負の熱膨脹係数をもった高・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
   て軽合金母材内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所定の撚り
   を有することを特徴とする内燃機関用軽合金製ピストン
   。 ２、撚りを持った多数本の高抗張力繊維で１本のヤーン
   が形成され、前記ヤーンの複数本を撚りを加えながら組
   成して１本の素線が形成され、前記素線を撚りを加えな
   がら複数回にわたり巻回して前記サーマルストラットが
   構成されている特許請求の範囲第１項記載の軽合金製ピ
   ストン。 ３、前記撚りは普通撚りである特許請求の範囲第２項記
   載の軽合金製ピストン。