JPH02218849A - 内燃機関用ピストン及びその製造方法 - 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】 ａ、　産業上の利用分野 本発明は、ピストンボス部（ＩＩ肉部）に形成されたピ
ン穴内にピストンピンを嵌入し、このピストンピンにコ
ンロッドを連結して成る内燃機関用ピストンに関するも
のである。

ｂ、　従来の技術 第１２図は、従来の内燃機関用ピストン３０を示すもの
であって、同図において、３１はピストン本体、３２ａ
、　３２ｂはピストン本体３１に形成された厚内状のピ
ストンボス部、３３ａ、　３３ｂはピストンボス部３２
ａ。

３２ｂに形成されたピン穴、３４は両端部分がピン穴３
３ａ、　３３ｂにそれぞれ嵌入されたピストンピン、３
５はこのピストンピン３４を介してピストン本体３１に
連結されたコンロッド、３６はピストン本体３１のヘッ
ド部３１ａに形成されたピストンリング嵌着用のリング
溝である。しかして、このピストン３０は図外のシリン
ダ内に摺動自在に嵌装され、シリンダ内に生ぜしめられ
る爆発力によってシリンダ内で往復作動されるのに伴い
、ピストン３０の往復運動がコンロッド３５を介して図
外のクランクシャフトに伝達されるように構成されてい
る。

Ｃ９発明が解決しようとする課題 しかしながら、上述の如き従来のピストン３０には次の
ような問題点があった。すなわち、シリンダ内における
燃焼爆発時にピストン本体３１のヘッド部３１ａに爆発
力が作用すると、この爆発力はピストン本体３１、ピス
トンボス部３２ａ、　３２ｂ及びピストンピン３４を順
次介してコンロッド３５に伝わるが、爆発の瞬間にピス
トンピン３４は第１３図において−点鎖線で示すように
上方に湾曲して撓められる方向の力を受ける。この際の
作用力によってピストンピン３４が上述の如く撓んでし
まうと、ピストンボス部３２ａ、　３２ｂに偏摩耗が発
生し、エンジン破損に至るおそれがある。

そのため従来では、ピストンピン３４の撓みを防止する
ために、ピン穴３３ａ、　３３ｂ及びピストンピン３４
の直径の寸法公差や仕上げ精度を厳密に設定してこれら
を精密加工するようにしているのが実状である。

従って、従来のピストン３０では、ピン穴３３ａ、３３
ｂ及びピストンピン３４の精密加工に高いコストを要す
る上に、加工を高精度にすればするほどピストンピン３
４をピン穴３３ａ、　３３ｂに挿入するのが難しくなる
ため、ピストン３０とコンロッド３５との組付は作業性
が悪いといった不都合があった。また、ピストンピン３
４をピン穴３３ａ、　３３ｂ内に嵌入配置する際に、撓
み防止のためにガタッキなく密着状態でしかもその軸心
方向に摺動可能な状態で嵌入配置しなければならないが
、これら両部材の加工精度には限界があり、このためピ
ストンピン３４の撓み防止並びに摺動の確保を共に満足
し得るような高精度加工を行ない難いのが現状である。

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであっ
て、その目的は、ピン穴及びピストンピンを高精度で精
密加工する必要がなく、安価でありながら、ピストンピ
ンの撓みによる応力や摺動による摩擦力を受けてもピン
穴の周面の損耗防止を図り得ると共に、ピストンピンの
組付は作業を容易に行ない得るような内燃機関用ピスト
ンを提供することにある。

ｄ、　課題を解決するための手段 上述の目的を達成するために、本発明においては、冒頭
に述べた内燃機関用ピストンにおいて、ピストンピンが
摺動するピン穴の周面に高硬度の溶射皮膜を形成するよ
うにしている。

以下、本発明を自動車用エンジンのピストンに適用した
実施例に付き、第１図〜第１１図を参照して説明する。

まず、第１図〜第８図は本発明の第１実施例を説明する
ためのものであって、本例の内燃機関用ピストン１は第
１図及び第２図に示すように、ヘッド部２ａ及びスカー
ト部２ｂを一体成形して成るピストン本体２を具備して
いる。このピストン本体２のヘッド部２ａにはピストン
リング　（図示せず）が嵌着されるリング溝３が形成さ
れ、そのスカート部２ｂには互いに対向する一対のピス
トンボス部４ａ、　４ｂ及び切欠き部５ａ、　５ｂが形
成されている。そしてピストンボス部４ａ、　４ｂには
同一の直線を軸とする断面円形のピン穴６ａ、　６ｂが
それぞれ互、いに対向して形成されており、これらのピ
ン穴６ａ、　６ｂにはピストンピン９の両端が嵌入配置
され、このピストンピン９にコンロッド（図示せず）が
連結されるようになっている。

また、第１図及び第４図に示すように、上述のピン穴６
ａ、　６ｂの周面のうちヘッド部２ａの側には、ピスト
ン本体２の外周側から内周側に向かうにつれて徐々にヘ
ッド部２ａの側に傾斜し、かつ、ヘッド部２ａの側に向
けて湾曲された円錐面形状のテーパー面７ａ、　７ｂが
設けられており、このテーパー面７ａ、　７ｂに溶射皮
膜８が形成されている。なお、この溶射皮膜８は、ピス
トン本体２の材質よりも高硬度でかつより高い耐摩耗性
を備えた皮膜であり、例えば、シリコン、モリブデン、
セラミックス或いはこれらを含存する金属から成る皮膜
である。

溶射皮膜８を形成するには、通常、第３図に示すように
ピン穴６ａ　（又は６ｂ）に対し溶射ノズルＮを前記テ
ーパー面７ａ　（又は７ｂ）に対して角度ψだけ傾斜さ
せた状態で設定し、この溶射ノズルＮから皮膜材料を溶
射する。上記角度ψを溶射角度とすると、溶射皮膜８の
膜厚は、第６図に示すように（なお、第６図では溶射角
度ψ＝９０６のときの溶射皮膜８の膜厚を１００　とし
たときの各溶射角度と溶射皮膜厚との関係を示している
）、ψ−４５゜前後を境にし、これを越えると急激に増
加し、溶射効率が上昇する。一方、溶射粒子は、第７図
にθ 示すように、溶射ノズルＮの軸線ｌＯを境にして。

の幅（但し、θく５°）をもって溶射される。

一方、第１図に示すように、ピン穴６ａのテーパー面７
ａの最奥端１１及びピストンボス部４ｂの最先端１２を
互いに結ぶ直線１３と、前記テーパー面７ａとのなす角
度をαとし、前記テーパー面７ａの最奥端１１及び切欠
き部５ｂの周端１４を互いに結ぶ直線１５と、前記テー
パー面７ａとのなす角度をβとすれば、これら両者のう
ち角度の大きなαが約４０”以上（すなわちβ≦α、か
つ、４０°≦α）となるように構成される。これが、ピ
ストン１の軸方向において前記テーパー面７ａ　（又は
７ｂ）を好適に溶射するための条件である。

また、ピストン１の直径方向において前記テーパー面７
ａ　（又は７ｂ）に好適な溶射を行なうためには、第２
図に示すように、スカート部２ｂの一対の切欠き部５ａ
、　５ｂの開口幅ｊ２．がピン穴６ａ、　６ｂの直径ｆ
、以上（すなわち１１≧ｌ１ｔ）となるように構成され
る必要がある。

以上のようなピストン１の軸方向及び直径方向の両条件
を満たせば、溶射ノズルＮから噴射される溶射粒子がス
カート部２ｂの切欠き部５ｂを通って、この切欠き部５
ｂとは反対側のヘッド部２ａの側のチー　バー面７ａに
吹き付けられてこのテーパー面７ａに溶射皮ｌＩ！８が
形成されることとなる。なお、この際、前述の溶射効率
の観点から、溶射角度ψは４５゜以上となるように溶射
ノズルＮが位置決めされる。

また、これと同様に、もう一方のテーパー面７ｂには切
欠き部５ｂを通して溶射粒子が吹き付けられ、テーパー
面７ｂに溶射皮膜８が形成される。

このようにしてテーパー面７ａ、　？ｂ上に得られた溶
射皮膜８は、方向性のある成膜方法である溶射によるた
め、ピストン１の直径方向ひいてはピン穴６ａ、　６ｂ
の軸方向においては第４図に示す如くテーパー面７ａ、
　７ｂの最奥端１１に近づけば近づくほど徐々に膜厚が
厚くなり、またピン穴６ａ、　６ｂの周方向においては
第５図に示す如く、前記最奥端１１に近づけば近づ（は
ど徐々に膜厚が厚くなる。

上述の如き溶射皮Ｒ８がピン穴６ａ、　６ｂに形成され
たピストン１によれば、ピン穴６ａ、　６ｂのテーパー
面７ａ、　７ｂが溶射皮膜８にて強化されるため、こレ
ラノテーパー面７ａ、　７ｂがピストンピン９の撓みに
よる応力を受けても、また、ピストンピン９の摺動によ
る摩擦力を受けても、これらのテーパー面７ａ、　７ｂ
の損耗を防止でき、ピストン１の耐久性を向上させるこ
とができる。

更に詳述すると、第８図（Ａ）に示すように、ピストン
本体２にピストンピン９及びコンロッド３５を組付けて
ＦＥＭ解析を行なったところ、第８図（Ｂ）に示す如き
結果が得られた。第８図（Ｂ）　はエンジンの燃焼爆発
時の応力分布を示しており、図中において白色部分が応
力集中箇所であり、この図よリテーパー面７ａ、　７ｂ
の最奥端１１を中心にピン穴６ａ。

６ｂの円周方向と軸方向とに応力集中が分布しているこ
とがわかる。従って、既述の如く溶射皮膜８は溶射によ
り形成された皮膜であるため応力集中の高い部分すなわ
ち前記最奥端１１に近い部分はど厚くかつ広範囲に形成
されることとなり、換言すれば、応力分布は溶射皮膜８
の膜厚分布と一致し、最も激しく損耗するであろう部分
に厚い溶射皮膜８が形成されると共に損耗があまり激し
く生じない部分には比較的薄い溶射皮膜８が形成される
。

その結果、効率の良い低コス］・の溶射によって損耗防
止に最適な溶射皮膜８を形成でき、ひいてはピストンＩ
の耐久性の向上を図ることができる。

さらに、溶射皮膜８は損耗防止の効果に加えてピストン
ピン９の撓みの規制効果を奏することとなるため、ピン
穴６ａ、　６ｂの精密加工が不要となるのみならず、ピ
ン穴６ａ、　６ｂの直径の寸法公差を大きくしても何ら
支障を生じない。従って、上述の寸法公差を太き（とる
ことによって、ピン穴６ａ、　６ｂへのピストンピン９
の挿入が容易となり、組付は作業性の向上を図ることが
可能となる。

以上、本発明の一実施例に付き述べたが、本発明は既述
の実施例に限定されるものではな（、本発明の技術的思
想に基いて各種の変形及び変更が可能である。

例えば、既述の実施例の場合とは異なる形状のピストン
ボス部４ａ、　４ｂを有するピストン本体の場合にも本
発明を適用し得る。

すなわち、既述の実施例では、テーパー面７ａのＲ奥端
１１及びピストンボス部４ｂの最先端１２とを互いに結
ぶ直線１３と、テーパー面７ａとのなす角度αが、前記
最奥端！Ｉとテーパー面６ａとのなす角度βよりも大き
く構成されているが、第９図に示すように前記角度αが
前記角度βよりも小さい場合には、前記角度βを約４０
°以上（すなわちβ≧αかつ４０°≦β）に設定すれば
よい。

また、既述の実施例では、ピストンボス部４ａ＋４ｂの
対向面が互いに平行でかつ平坦であり、この平坦面とテ
ーパー面７ａとのなす角度γ　（第１図参〇　　　　　
　　　　　　　　〇 照）はＩＲ−Ｔ−≦γ≦／ｈ＋　Ｔであるが、第１０図
或いは第１１図に示すようにピストンボス部７ａの対向
面が傾斜面である場合（第１０図では７＜ＺＲ−≦αに
設定すればよい、また、第１１図の場合には、テーパー
面７ａに垂直であってかつピン穴６ａの最先端１８を通
る直ｇ１９とテーパー面７ａとの交点２０を設定し、こ
の交点２０及びピストンボス部４ｂの最先端一１２を結
ぶ直線２１とテーパー面７ａとのなす角度α′並びに、
交点２０及び切欠き部５ｂの周端１４を結ぶ直線２２と
テーパー面７ａとのなす角度β′の関係がβ′≦α′で
ある場合には４０１≦α′　β′≧α′の場合には４０
＠≦β′に設定すればよい。

また、ピン穴６ａ、　６ｂの両方に溶射皮膜８を形成す
る必要は必ずしもなく、例えば第１０図及び第１１図に
示すように、これらのうちの何れか一方のピン穴６ａに
形成されたテーパー面７ａにのみに溶射皮膜８を形成す
るようにし、他方のピン穴〇ｂには溶射皮ａａを形成し
な（でもよい。

また、本発明は自動車（自動二輪車や四輪乗用車等）用
エンジンのピストン１に限らず、船外機やコンプレッサ
等の各種の内燃機関用ピストンにも適用可能であること
は言う迄もない。

ｅ、　発明の効果 以上の如（、本発明は、ピストンピンが摺接するピスト
ンボス部のピン穴の周面に高硬度の溶射皮膜を形成する
ようにしたものであるから、この溶射皮膜の存在により
、ピン穴の周面が強化されピストンピンの撓みによる応
力や摺動による摩擦力を受けてもピン穴の周面の損耗を
防止することができる。従って、ピン穴を高精度で加工
する必要がなく、ピン穴の直径の寸法公差を大きくとる
ことができることとなるため、ピン穴へのピストンピン
の挿入作業を容易に行なうことが可能となり、ピストン
とコンロッドとの組付は作業性の向上を図ることが可能
となる。さらに、比較的間車な操作にて効果的で効率的
な薄膜を形成できるので、低コストにて本発明に係る内
燃機関用ピストンを得ることができ、コストパーフォー
マンス（費用対性能比率）が高いといった利点を有する
。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は本発明の一実施例を示すものであって
、第１図は内燃機関用ピストンのピストン本体の断面図
、第２図は同上の側面図、第３図はピン穴のテーパー面
に溶射皮膜を形成している状況を示す説明図、第４図は
ピン穴のテーパー面に形成された溶射皮膜を示す要部拡
大断面図、第５図は前記溶射皮膜の斜視図、第６図は溶
射角度ψと溶射皮膜の膜厚との関係を示すグラフ、第７
図は溶射ノズルから噴射される溶射材料の溶射角度を示
す説明図、第８図（Ａ）　はピストン本体とコンロッド
とピストンピンとの配置関係を示す分解斜視図、第８図
（８）はピストン本体に加わる応力の分布を示す斜視図
、第９図、第１θ図及び第１１図は本発明の他の実施例
をそれぞれ示す第１図と同様の断面図、第１２図及び第
１３図は従来例を示すものであって、第１２図は内燃機
関用ピストンの断面図、第１３図は燃焼爆発時における
ピストンピンの撓み状態を示す断面図である。 ｌ・・・内燃機関用ピストン、 ２・・・ピストン本体、　２ａ・・・ヘッド部、２ｂ・
・・スカート部、　　４ａ、　４ｂ・・・ピストンボス
部、５ａ、　５ｂ・・・切欠き部、　６ａ、　６ｂ・・
・ピン穴、？ａ、　７ｂ・・・テーパー面、８・・・溶
射皮膜、９・・・ピストンピン、３５・・・コンロッド
。 特許出願人　　鈴木自動車工業株式会社（ほか２名） 第１図 第６図 第７図 第４図 第５図 第９図 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ピストンボス部に形成されたピン穴内にピストンピンを
   嵌入し、このピストンピンにコンロッドを連結して成る
   内燃機関用ピストンにおいて、前記ピストンピンが摺接
   する前記ピン穴の周面に高硬度の溶射皮膜を形成したこ
   とを特徴とする内燃機関用ピストン。