JPH0357302B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〓産業上の利用分野〓 本発明は内燃機関用ピストンに係り、特にピン
穴の部分を補強材によつて複合強化するようにし
た内燃機関用ピストンに関する。

〓発明の概要〓 本発明は、ピン穴の部分を複合強化するための
強化材による複合部分がボス間面に露出しない構
造となし、ピストンピンと結合された場合に、無
負荷の状態でピン穴のボス間面側の非複合部およ
び非複合部と複合部との境界部がピストンピンと
接触しないようにしたものであつて、これによつ
て複合不良を防止するとともに、ピン穴の一部に
局部的に大きな応力が発生するのを防止するよう
にしたものである。

〓従来の技術〓 内燃機関の高出力化および軽量化、ならびに排
気ガス対策等の様々な要因によつて、ピストンに
対する機械的あるいは熱的負荷が高くなり、特に
ピストンピン穴においては、機械的応力がきわめ
て高くなつている。この対策として、ピストンピ
ンの直径を大きくし、ボス間にテーパその他の剛
性を向上させる対策を講じるようにしている。一
方で高い強度と剛性を持つ複合材の利用が種々試
されている。しかしピストン全体を複合材料で製
作することは、大幅なコストの増加や技術的困難
のために、ピン穴の強化の場合には、この部分だ
けに限定して複合強化する、いわゆる部分複合が
一般に考えられている。ピン穴を複合強化する場
合には、性能および生産性のバランスが良いこと
から、溶湯鍛造による方法が有望である。

〓発明が解決しようとする問題点〓 しかし溶湯鍛造による場合には、複合部が金型
等の鋳型に接する部分において接合不良が生じ易
く、さらに複合部と非複合部との境界の一部が鋳
型面に接する状態のときには、その境界部の接合
強度が低下してしまう現象があり、ピン穴部の複
合では双方の問題が同時に存在することになる。
この問題の対策のために、ボス間面に余肉を付け
てピストンを成形した後に複合の不完全な部分を
切削加工によつて削除する方法や、鋳型にガス抜
きの穴や細溝を設け、さらにはこれを吸引装置に
つないで複合を助ける方法がある。さらには鋳型
の断熱化を図り、鋳型面に接する複合部となる個
所の温度低下を防止して複合を助ける方法等が講
じられている。

さらには上記の組合せやセラミツクを利用した
鋳型等も考えられているが、これらの方法はいず
れも材料の無駄につながり、鋳造設備費が増加
し、鋳型の保守点検の回数が増加し、あるいはそ
の他の生産技術的な困難さを伴なうことになる。
またあらかじめ製作しておいた複合材をピン穴部
に重力鋳造法や溶湯鍛造法で鋳込んだりあるいは
接合する場合においても、同様の問題が存在する
ことが容易に理解されるところである。さらに複
合材をアルミニウム合金製のピストン本体に電子
ビーム等を用いて溶接する場合においても、溶接
はピストンの外周側から入熱して行なわれるのが
一般的であり、この場合もボス間面側が溶接深さ
方向の終端となるため、ボス間面側に溶接欠陥が
残存し、ピンボス強度が低下するので、ボス間面
側に余肉を付ける必要があるという問題を生ずる
ことになる。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたも
のであつて、ピン穴の部分を強化材によつて部分
的に複合強化する場合に生ずる接合不良や境界部
の接合強度の低下の問題を効果的に解消するよう
にした内燃機関用ピストンを提供することを目的
とするものである。

〓問題点を解決するための手段〓 本発明は、ピン穴の部分を強化材によつて複合
強化するようにしたピストンにおいて、複合部が
ボス間面に露出しない構造とし、ピストンピンと
結合された場合に、無負荷の状態でピン穴のボス
間面側の非複合部および非複合部と複合部との境
界部が前記ピストンピンと接触しないようにピン
穴の形状またはピストンピンの形状を構成したも
のである。

〓作用〓 従つて本発明によれば、複合部が金型等の鋳型
に接することがなくなるとともに、境界部の結合
強度の低下の問題を解消でき、もつとも高い応力
が発生する部分が複合部に位置することになり、
これによつてピン穴の強化をより効果的に行なう
ことが可能になる。

〓実施例〓 以下本発明を図示の一実施例につき説明する。
本実施例に係るピストン１０は、第１図および第
２図に示すように、そのピン穴１１およびピンボ
ス１２の部分を、無機繊維、多孔質金属、各種ウ
イスカ、無機粉末体等で複合強化する場合に、従
来技術の欠点を解消するようにしたものであつ
て、材料強度面と構造設計面の双方から十分な検
討を加え、ピストンピン穴１１およびピンボス部
分１２を材料コスト、生産性、品質安定性を犠牲
にすることなく効果的に補強するようにしたもの
である。

さらに詳細に説明すると、第１図に示すよう
に、ピン穴１１およびピンボス１２の部分を、強
化材１４を用いて複合強化する際に、ボス間面１
３から一定の距離を置いて複合部１４を設けるよ
うにしている。このときに溶湯鍛造によつてピス
トン１０の成形と同時に部分複合を行なうときに
は、強化材１４を鋳型面から１mm以上、好ましく
は２〜５mm以上ピストン１０の外周側に入つた位
置にセツトすることによつて十分な複合を得るこ
とができる。またあらかじめ複合しておいた補強
材１４を鋳包む場合には、溶湯鍛造で２mm以上、
重力鋳造で４mm以上それぞれボス間面13から距離
を置くことが好ましい。鋳包まれる材料は、その
表面粗度を10μ以上、好ましくは35μ以上とし、
さらにSn、Sb、As等の低融点金属およびこれら
を含む易融合金を溶射、浸漬等の方法でコーテイ
ングしたり、Ni−Ｐ等のメツキを施して鋳包み
時の結合力を向上させる手段が好結果を生むこと
になる。

一般にピストンピン穴１１の回りの応力は、第
３図において矢印で示すような分布になり、ボス
間面１３とピン穴１１とのエツジ部分Ａの応力が
最大となる。従つてこのようなピストン１０は、
ピン穴１１の最も奥の部分から破壊を生ずること
になる。そこで本実施例に係るピストン１０にお
いては、第１図に示すように、ピン穴面１１とボ
ス間面１３との交わる部分に傾斜面あるいはテー
パ穴１５を形成し、これらの傾斜面あるいはテー
パ穴１５とピン穴１１の面との交点が複合部分に
位置するようにしている。これによつて複合部と
非複合部との境界部分の接合強度の低下の問題を
回避し、最大応力が発生する位置が第１図におい
てＢの点となるようにし、十分な安全が確保でき
るようにしている。

このような構成によつて、ピン穴１１の複合強
化は十分に達成可能であるが、より以上の効果を
上げるために、ピン穴１１のボス間面１３側の部
分をテーパ部とし、このテーパ部１５のピン穴１
１の直線部分の交わる部分を複合部に位置するよ
うにし、ピストン１０が軽負荷の状態で運転され
ているときには、ピン穴１１のテーパ部１５とピ
ストンピンとは接触せず、最大負荷運転時におい
てピストンピンがピン穴１１のテーパ部１５とわ
ずかに接触し、ピン穴１１およびピストンピンに
かかる応力を分担するようにしている。なおテー
パ部１５に生ずる応力は、非複合部の許容限度を
下回るような形状にすることが望ましい。このよ
うにピン穴１１と一部をテーパ部１５とする場合
には、このテーパ部１５のピストンピンの軸線方
向の長さを、ピン穴１１の全長の２分の１〜10分
の１とするとともに、テーパの角度を５〜30分の
範囲とするものが好ましい。

そしてこのようにピン穴１１の一部分がボス間
面１３側でピストンピンと接触しない構造とする
と、ピストン１０の頂部側の応力が変化し、特に
直接噴射式デイーゼルエンジンにおける凹部１８
から成る燃焼室のエツジの部分は、ピン穴１１の
方向で引張り応力が、またこれに対して直角方向
で圧縮応力が増加することが確認されている。従
つてこのような応力による破壊を防止するため
に、ピストンの頂部の部分を強化材１９によつて
複合強化するようにしている。なおこの複合強化
は、強化材１９が上側の２つのリング溝１９，２
０の補強をも兼ねるように行なわれている。

つぎに上記実施例の変形例を第４図につき説明
する。ピン穴１１の複合部の非複合部との境界が
ボス間面１３より大きく離れた場合には、第４図
に示すように、ボス間面１３側の穴径を大きくし
て大径部２４を形成するようにすればよい。この
大径部２４と正規の穴径の交点２５を強化材１４
による複合部に位置するようにする。この場合に
ピストン１０が静止状態、あるいは無負荷状態で
は非複合部および非複合部と複合部との境界にピ
ストンピンが接触しない構造となる。そして運転
中においても、ピントンピンとピン穴１１の非複
合部が接触しないだけの隙間を保つように大径部
２４の直径を設定するのが好ましい。またこの変
形例においては、ピストン１０の頂部の燃焼室１
８のエツジの部分にのみ強化材１９を配するよう
にしており、リング溝２１，２２については特に
複合強化を行なつていない。

つぎに複合材を溶接によつて固定するようにし
た変形例について述べると、例えば第５図に示す
ように、アルミニウム合金製のピストン１０のピ
ンボス部１２およびピン穴１１に溶接によつて複
合材１４を固定する場合には、ボス間面１３から
２〜５mmピストン１０の外周側に入つた位置に複
合材１４をセツトする。そして外周側から溶接部
分２８を電子ビーム溶接によつて固定するととも
に、ピン穴１１の部分から溶接部２９を電子ビー
ム溶接によつて固定する。またこの変形例におい
ては、ピン穴１１のボス間面１３側に面取り３０
を施すようにしており、これによつて非複合部と
複合部との境界部がピストンピンと接触しないよ
うにしている。

溶接の方法をより単純化するためには、第６図
に示すような構造とすればよい。この場合には、
断面が直角三角形となるような強化材１４を用い
てピン穴１１の部分を複合強化するようにしてい
る。そしてピストン１０の外周側から、斜めに溶
接部３１の部分を溶接することによつてこの強化
材１４の固定を行なうようにしている。従つてこ
の場合には、ピン穴１１の部分からの溶接が不要
になり、溶接の工程が単純化される。さらにこの
変形例においては、ピン穴１１の内周面であつて
ボス間面１３側の部分に曲面加工３２を施すよう
にしており、これによつて複合部と非複合部との
境界部がピストンピンと接触しない構造にしてい
る。このような構造または摩擦溶接法にも好適と
なる。

ピン穴１１の複合部の非複合部との境界部がピ
ストンピンと接触しないような構造を採用するた
めに、ピン穴１１の内周面のボス間面１３側の形
状を工夫する代わりに、第７図に示すように、ピ
ストンピン３５の形状を工夫してもよい。すなわ
ちこの変形例においては、ピストンピン３５の外
周面に局部的にテーパ部３６を形成するようにし
ており、このテーパ部３６がピン穴１１のボス間
面１３側のエツジおよび強化材１４の複合部と非
複合部との境界部に対応するようにしている。従
つてこのような構成によれば、ピン穴１１をスト
レートな形状としても、非複合部と複合部との境
界部がピストンピンと接触することがなくなる。

つぎに上記実施例に係るピストン１０について
複合強化の効果を調べる実験を行なつた結果につ
いて説明する。直径が100mmの直接噴射型デイー
ゼルエンジン用ピストンを溶湯鍛造の方法を用い
て製造した。そして第１図に示すように、ピン穴
１１の回りおよび燃焼室１８のエツジの部分から
リング溝２１の部分までを容積比が15％の炭化珪
素ウイスカ（Si CW）成形体でそれぞれ複合強
化した。このようなピストン１０のピン穴１１の
複合部分は、ボス間面１３からピストン１０の外
周側に2.5mm入つた位置を内側の非複合部分との
境界とし、外周側については、リテーナリング溝
１６の中心を境界部分としている。そしてピン穴
１１の直径方向の複合部分の厚さを５mmとし、ピ
ン穴１１の周囲全体を取巻くようにした。またピ
ン穴１１のプロフイルは、テーパ部１５の長さを
７mm、角度を12分に仕上げた。また頂面側の強化
材１９の厚さは10mmとしている。

このようなピストン１０を第８図に示す疲れ試
験装置を用いて評価を行なつた。この疲れ試験装
置はベース４０のケーシング４１とからなり、ケ
ーシング４１内にピストン１０を配するようにし
ている。そしてピストン１０の外周側をシールす
るために、ケーシング４１とピストン１０との間
にはシールリング４２が装着されるようになつて
いる。またベース４０の突部４３に形成された横
孔４４にピストンピン４５が嵌合されており、こ
のピストンピン４５がピストン１０のピン穴１１
に嵌合されてピストン１０とベース４０とを結合
している。

このような装置にサーボバルブ４６，４７を介
して、オイルポンプ４８で加圧されたオイルを供
給することによつて、ピストン１０の上側と下側
とにそれぞれ第９図において実線および点線で示
す圧力を加えるようにした。まず複合強化を行な
わないピストンの場合には、＋210Kg／cm²と−20
Kg／cm²の圧力を所定のサイクルで加えた場合が限
界であつた。また従来の方法でピン穴の部分の複
合強化を施こしたピストンにおいては、ボス間面
に染色深傷でわずかに認められる複合不良部分を
有している。これを240Kg／cm²で試験した結果、
ピン穴やボスの亀裂は認められないが、複合不良
部分の一部が欠落寸前であり、試験装置の油圧系
統が破損する危険があるために、試験を中止し
た。実際にエンジンに組込んだ場合にはトラブル
が予想されることになる。

これに対して上記実施例による試作のピストン
１０では、260Kg／cm²で所定サイクルの試験後ま
つたく異常が認められなかつた。またこの試作ピ
ストン１０では、ピン穴１１のテーパ加工の影響
で、燃焼室１８のエツジのピン穴１１の直角方向
の最大圧縮応力が標準品の−2.5Kgｆ／mm²から−
3.8Kgｆ／mm²増加している。しかし炭化珪素ウイ
スカを用いた強化材１９による複合強化によつ
て、このような応力は十分にカバーすることがで
き、全く問題がないことが確認されている。

以上本発明を図示の一実施例およびその変形例
につき述べたが、本発明はこれらの実施例や変形
例によつて限定されることなく、本発明の技術的
思想に基いて各種の変更が可能である。例えば本
発明を実施するにあたつて、その複合部分を特に
応力の高いピン穴上部のみに設けたり、応力の変
化に大じて変化させたりすることが可能である。
またピストンピンと非接触部をピン穴上面のみと
したり、それぞれの組合せを行なうことが容易に
考えられる。また本発明の形状において、ピスト
ンピンとヒン穴の非接触部を潤滑油の補給経路の
一部または全部として利用することや、ピストン
ピンとピン穴の非接触部と接触部との境界部分の
みを複合強化することも本発明の変形として考え
られることになる。またピストンピン穴の潤滑や
ピンの変形に対応する手段、例えばサイドカツ
ト、油孔、油溝等を組合せるのを妨げることがな
い。

〓発明の効果〓 以上のように本発明は、複合部分がボス間面に
露出しない構造とし、ピストンピンと結合された
場合に、無負荷の状態でピン穴のボス間面側の非
複合部および非複合部と複合部との境界部がピス
トンピンと接触しないようにピン穴の形状または
ピストンピンの形状を構成したものである。従つ
てこのような構造によれば、強化材の接合不良を
防止し、あるいは複合部と非複合部との境界部の
接合強度の低下に伴う問題を解消して複合強化の
効果を最大限に発揮し得る。また、ピン穴の一部
に局部的に大きた応力が発生するのを防止するこ
とが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る内燃機関用ピ
ストンの一部を拡大して示す要部縦断面図、第２
図は同ピンボス部の正面図、第３図〜第７図は変
形例に係るピストンの要部拡大縦断面図、第８図
はピストンの疲れ試験装置を示す縦断面図、第９
図はこの疲れ試験装置に加えられる圧力の変化を
示すグラフである。 なお図面に用いた符号において、１０……ピス
トン、１１……ピン穴、１２……ピンボス、１３
……ボス間面、１４……強化材、１５……テーパ
部、１８……凹部（燃焼室）、１９……強化材、
２０，２１……リング溝である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ピン穴の部分を強化材によつて複合強化する
   ようにしたピストンにおいて、複合部がボス間面
   に露出しない構造とし、ピストンピンと結合され
   た場合に、無負荷の状態でピン穴のボス間面側の
   非複合部および非複合部と複合部との境界部が前
   記ピストンピンと接触しないようにピン穴の形状
   またはピストンピンの形状を構成したことを特徴
   とする内燃機関用ピストン。 ２ 前記ピン穴のボス間面側をテーパ状に構成
   し、前記テーパ状の部分と前記ピン穴の直線部分
   の交わる部分が強化材による複合部に位置するよ
   うにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の内燃機関用ピストン。 ３ ボス間面側のピン穴の直径をピストンピンの
   直径よりも大きく構成し、ピストンピンと嵌合さ
   れるピン穴の直径の部分と交わる部分が強化材に
   よる複合部に位置するようにしたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の内燃機関用ピス
   トン。 ４ ピン穴とともにピストン頂部が複合強化され
   るようにしたことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項〜第３項の何れかに記載の内燃機関用ピスト
   ン。 ５ このピストンが溶湯鍛造、鋳包み、溶接の何
   れかの方法で製造されることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項〜第３項の何れかに記載の内燃機
   関用ピストン。