JP5543908B2 - エンジン用のピストン - Google Patents

Description

本発明は，天井部，並びにこの天井部の外周部に連なる厚肉円筒部よりなるヘッド部と，前記天井部の下面に突設されてピストン中心軸線を挟んで互いに同軸上に並ぶ一対のピンボス部と，前記厚肉円筒部の下端より延出して前記両ピンボス部間を連結する，肉厚を前記厚肉円筒部より小とした一対のスカート部とよりなる，エンジン用のピストンの改良に関する。

かゝるエンジン用のピストンは，例えば下記特許文献１に開示されるように，既に知られている。

特表２００９−５３１５８３号公報

従来のかゝるピストンでは，エンジンのシリンダ内壁からのスラスト荷重に対する耐久性を確保するために，スカート部の下端部からヘッド部の天井部に達する補強リブをピストンの内面に突設している。

しかしながら，そのようなピストンでは，エンジンの膨張行程時，スカート部がシリンダ内壁から強力なスラスト荷重を受けると，その荷重が前記補強リブを介してヘッド部に伝達し，ヘッド部の耐久性を損じかねない。またヘッド部がエンジンの燃焼圧力を受けると，その圧力に伴う荷重が前記補強リブを介してスカート部に伝達し，スカート部の耐久性を損じかねない。

本発明は，かゝる事情に鑑みてなされたもので，ヘッド部の耐久性に影響を及ぼすことなく，スカート部のスラスト荷重に対する耐久性を効果的に向上させ得る，エンジン用のピストンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために，本発明は，天井部，並びにこの天井部の外周部に連なる厚肉円筒部よりなるヘッド部と，前記天井部の下面に突設されてピストン中心軸線を挟んで互いに同軸上に並ぶ一対のピンボス部と，前記厚肉円筒部の下端より延出して前記両ピンボス部間を連結する，肉厚を前記厚肉円筒部より小とした一対のスカート部とよりなる，エンジン用のピストンにおいて，少なくともエンジンの膨張行程時，シリンダ内周壁からスラスト荷重を受ける側の前記スカート部内周面の周方向中央部に，前記厚肉円筒部の下端から該スカート部の下端部までピストン中心軸線に沿って延び，且つ横幅が前記厚肉円筒部に向かって増加する補強リブを形成したことを第１の特徴とする。

また本発明は，第１の特徴に加えて，前記補強リブの頂面を前記厚肉円筒部の内周面より後退させたことを第２の特徴とする。

本発明の第１の特徴によれば，エンジンの膨張行程時，ピストンのスラスト側スカート部がエンジンのシリンダ内周壁からスラスト荷重を受けると，スラスト側スカート部は半径方向内方へ撓み変形するが，このとき，スカート部の周方向中央部は，厚肉円筒部の下端からスカート部の下端部までピストン中心軸線に沿って延びる補強リブにより補強されているので，スカート部の上記撓み変形を効果的に抑えることができる。

しかも，補強リブは，ヘッド部の厚肉円筒部の下端より始まっているので，スカート部に作用するスラスト荷重が補強リブを介してヘッド部に伝達すること，並びにヘッド部に作用する燃焼圧力による荷重が補強リブを介してスカート部に伝達することを防ぐことができ，ヘッド部及びスカート部の耐久性を確保し得る。

さらに，補強リブは，横幅が前記厚肉円筒部に向かって増加するように形成されるので，スカート部の補強を厚肉円筒部側に行く程，強化することになり，スカート部の各部に生じる撓みモーメントに対応し，スカート部をその全長に亙り効果的に補強することが可能となる。その結果，スカート部は，その外周面の略全面がエンジンのシリンダ内周壁と摺接することになり，スカート部の偏摩耗を防ぎ，ピストンの耐久性向上に寄与し得る。

さらにまた上記補強リブは，鋳造時もしくは鍛造時，離型が容易な形状であるので，ピストンの鋳造性もしくは鍛造性を良好すると共に，金型の耐用寿命を延ばすことができる。

本発明の第２の特徴によれば，補強リブによるスカート部及び厚肉円筒部間の荷重伝達をより効果的に防ぐことができ，ピストンの耐久性の向上を一層図ることができる。

本発明の一実施形態係るエンジン用のピストンの縦断側面図。 図１の２−２線断面図。 図１の３−３線断面図。 図１の４矢視図。 エンジンの膨張行程でのピストンの挙動を示す側面図。 本発明に係るピストンと比較例ピストン（前記特許文献１に開示された形状を反映したピストン）とを，スカート部の撓み変形特性で比較した線図。 別の実施形態をを示す，図３との対応図。

本発明の実施の形態を，添付図面に基づいて以下に説明する。

先ず，図１〜図３において，エンジン用のピストンＰはＡｌ合金製であって，ヘッド部１と，一対のピンボス部２，２と，一対のスカート部３，４とよりよりなっている。ヘッド部１は，エンジンの燃焼室に臨む天井部１ａ，並びにその外周部に連なる厚肉円筒部１ｂで構成され，厚肉円筒部１ｂは，エンジンのシリンダ内周壁５（図５参照）に摺接する複数のピストンリング６を装着する複数条のリング溝７をその外周に備える。

一対のピンボス部２，２は，ピストンピン１３の両端部を支持すべく前記天井部１ａの下面に一体に突設される。したがって，両ピンボス部２，２は，ピストン中心軸線Ｙを挟んで互いに同軸上に配置される。これらピンボス部２，２と前記厚肉円筒部１ｂとの間には肉抜き凹部８が設けられ，ヘッド部１の強度を損なうことなく，ピストンＰの軽量化が図られる。而して，ピンボス部２，２は，図５に示すように，ピストンピン１３及びコンロッド１４を介してエンジンのクランク軸１５に連結される。

再び図１〜図３において，一対のスカート部３，４は，ピンボス部中心軸線Ｘを挟んで配置されるもので，何れも前記厚肉円筒部１ｂの下端より延出して一対のピンボス部２，２の配列方向に円弧状に延びてエンジンのシリンダ内周壁５に摺接するスカート部本体１０と，前記ヘッド部１の下端面より延出して，スカート部３，４の各両端部を前記一対のピンボス部２，２の一側部に一体に連結の一対の側壁１１，１１とで構成される。その際，一対の側壁１１，１１は，その間の間隔がピンボス部２，２に向かって減少するように配置される。またスカート本体１０の下端部には，それより薄肉で短く且つ外周面をスカート部本体１０に連続させる薄肉延長部１６が一体に連設される。この薄肉延長部１６は，ピストンＰの仕上げ加工時，その内周面が加工基準治具の装着に使用される。

ピンボス部中心軸線Ｘは，ピストン中心軸線Ｙに対して，その一側方に一定量ｅオフセットしてある。これは，図５に示すように，エンジンの膨張行程時，ピストンＰがオフセットｅ方向と反対側を下向きにするよう一定方向に傾動させて，首振り振動によるピストンスラップを低減させるためであり，このときオフセットｅ側のスカート部３にエンジンのシリンダ内周壁５からスラスト荷重Ｆが作用することになる。そこで，以下，オフセットｅ側のスカート部３をスラスト側スカート部３，オフセットｅと反対側のスカート部４を反スラスト側スカート部４と呼ぶことにする。

図１〜図３に示すように，上記両スカート部３，４において，各スカート部本体１０の内周面の周方向中央部には，前記厚肉円筒部１ｂの下端からスカート部本体１０の下端部まで（即ち，薄肉延長部１６の手前まで）ピストン中心軸線Ｙに沿って延びる補強リブ１２が一体に隆起形成される。

その際，この補強リブ１２の隆起高さＨは，その隆起頂面が前記厚肉円筒部１ｂの内周面より後退した位置を占めるようにして，ピストン中心軸線Ｙに沿う全長に亙り略一定に設定される。換言すれば，スカート部本体１０の肉厚Ｔ２に補強リブ１２の隆起高さＨを加えた総合肉厚Ｔ３は，前記厚肉円筒部１ｂの肉厚Ｔ１より小さく設定される。

またこの補強リブ１２は，側面視で逆台形をなしている。即ち補強リブ１２は，その横幅Ｗが厚肉円筒部１ｂに向かって増加する形状をなす。また補強リブ１２の頂面は，図３では平坦面に形成される。

次に，この実施形態の作用について説明する。

エンジンの膨張行程時，ピストンＰのスラスト側スカート部３がエンジンのシリンダ内周壁５（図５参照）からスラスト荷重Ｆを受けると，特にスラスト側スカート部３のスカート部本体１０は，ヘッド部１の厚肉円筒部１ｂに連なる根元周りに半径方向内方へ撓み変形する。このとき，スカート部本体１０の周方向両端部は，一対の側壁１１，１１を介して一対のピンボス部２，２の一側部に一体に連結されて補強され，またスカート部本体１０の周方向中央部は，厚肉円筒部１ｂの下端からスカート部本体１０の下端部までピストン中心軸線Ｙに沿って延びる補強リブ１２により補強されるので，スカート部本体１０の上記撓み変形を効果的に抑えることができる。その際，スカート部本体１０の周方向両端部を一対のピンボス部２，２の一側部に一体に連結する一対の側壁１１，１１は，その間の間隔がピンボス部２，２に向かって減少するように配置されることで，スカート部本体１０にかかるスラスト荷重Ｆを一対の側壁１１，１１を介してピンボス部２，２に効率よく伝達，支承せしめることができ，スカート部本体１０を効果的に補強し得る。

一方，補強リブ１２は，ヘッド部１の厚肉円筒部１ｂの下端より始まっているので，スカート部３に作用するスラスト荷重Ｆが補強リブ１２を介してヘッド部１に伝達することを防ぐことができ，ヘッド部１の耐久性に影響を与えない。その際，補強リブ１２が，その頂面をヘッド部１の厚肉円筒部１ｂの内周面より後退させていることは，スカート部本体１０から厚肉円筒部１ｂへの補強リブ１２によるスラスト荷重Ｆの伝達を効果的に防ぐ上に有効である。こうしたことは，エンジンの燃焼圧力がヘッド部１に作用したとき，その燃焼圧力に伴う荷重が補強リブ１２を介してスカート部３に伝達することを抑え，スカート部３の耐久性を確保し得ることを意味する。特に，補強リブ１２を，その頂面がヘッド部１の厚肉円筒部１ｂ内周面より後退するように低く形成するときは，補強リブ１２によるスカート部本体１０及び厚肉円筒部１ｂ間の荷重伝達をより効果的防ぐことができる。

さらに，補強リブ１２は，隆起高さＨがその全長に亙り略一定であるにも拘らず，側面視で逆台形をなしているので，スカート部本体１０の補強を厚肉円筒部１ｂ側に行く程，強化することになり，スカート部本体１０の各部に生じる撓みモーメントに対応し，スカート部本体１０をその全長に亙り効果的に補強することが可能となる。その結果，スカート部本体１０は，その外周面の略全面がエンジンのシリンダ内周壁５と摺接することになり，スカート部本体１０の偏摩耗を防ぎ，ピストンＰの耐久性向上に寄与し得る。

図６は，本発明に係るピストンＰと比較例ピストン（前記特許文献１に開示された形状を反映したピストン）について，エンジンの膨張行程時，スラスト側スカート部３のスカート部本体１０の中央部Ａに生じる撓み変形量と，その中央部Ａから一定距離離れた該スカート部本体１０の側部Ｂに生じる撓み変形量との差を，該スカート部本体１０の軸方向に沿った各部毎に算出し，グラフ化したもので，これより明らかなように，撓み変形量の差は，前記比較例ピストンより本発明に係るピストンＰの方が小さい。この結果は，スカート部本体１０外周面の略全面がエンジンのシリンダ内周壁５と摺接することを裏付けるものである。

ところで，図４に示すように，補強リブ１２は，ピストン中心軸線Ｙを含み，且つピンボス部中心軸線Ｘに平行する平面Ｌ（図１参照）に，スカート部本体１０及び補強リブ１２を投影したとき，補強リブ１２の投影面積Ｓ２が，両側壁１１，１１間のスカート部本体１０の投影面積Ｓ１の２０〜５０％となるように形成されることが望ましい。それが２０％未満となると，補強リブ１２の補強効果が無くなり，５０％を超えると，補強リブ１２に補強効果が強くなり過ぎ，スカート部本体１０の中央部に偏摩耗が生じ易くなる。

また上記のように，補強リブ１２が，その頂面がヘッド部１の厚肉円筒部１ｂ内周面より後退するように低く，且つ側面視で逆台形をなすように形成されることは，ピストンＰの鋳造時もしくは鍛造時，補強リブ１２から離型を容易にするので，金型の耐用寿命の延長に貢献することにもなる。

エンジンの吸気行程時には，ピストンＰのヘッド部１に燃焼室側から負圧を作用するので，ピストンＰは膨張行程時とは反対方向に傾動して，反スラスト側スカート部４がシリンダの内周壁５からスラスト荷重を受けることになるが，そのスラスト荷重は，膨張行程時のスラスト荷重より遥かに小さいから，反スラスト側スカート部４の補強リブ１２は，これを省略するか，もしくは補強リブ１２の高さを，スラスト側スカート部３のものより低くすることができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば，補強リブ１２の頂面は，図７に示すように凸曲面に，もしくは凹曲面に形成することもできる。またスカート部本体１０の下端に連なる薄肉延長部１６は，これを削除することもできる。

Ｐ・・・・・ピストン
Ｙ・・・・・ピストン中心軸線
１・・・・・ヘッド部
１ａ・・・・天井部
１ｂ・・・・厚肉円筒部
２・・・・・ピンボス部
３・・・・・スラスト側のスカート部
４・・・・・反スラスト側のスカート部
５・・・・・シリンダ内周壁
８・・・・・肉抜き凹部
１０・・・・スカート部本体
１１・・・・側壁
１２・・・・補強リブ

Claims (2)

1. 天井部（１ａ），並びにこの天井部（１ａ）の外周部に連なる厚肉円筒部（１ｂ）よりなるヘッド部（１）と，前記天井部（１ａ）の下面に突設されてピストン中心軸線（Ｙ）を挟んで互いに同軸上に並ぶ一対のピンボス部（２，２）と，前記厚肉円筒部（１ｂ）の下端より延出して前記両ピンボス部（２，２）間を連結する，肉厚を前記厚肉円筒部（１ｂ）より小とした一対のスカート部（３，４）とよりなる，エンジン用のピストンにおいて，
   少なくともエンジンの膨張行程時，シリンダ内周壁（５）からスラスト荷重（Ｆ）を受ける側の前記スカート部（３）内周面の周方向中央部に，前記厚肉円筒部（１ｂ）の下端から該スカート部（３）の下端部までピストン中心軸線（Ｙ）に沿って延び，且つ横幅（Ｗ）が前記厚肉円筒部（１ｂ）に向かって増加する補強リブ（１２）を形成したことを特徴とする，エンジン用のピストン。
2. 請求項１記載のエンジン用のピストンにおいて，
   前記補強リブ（１２）の頂面を前記厚肉円筒部（１ｂ）の内周面より後退させたことを特徴とする，エンジン用のピストン。

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