JPH07119830A

JPH07119830A - ピストンピン及びその製造方法

Info

Publication number: JPH07119830A
Application number: JP26720093A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Suzuki; 秀之鈴木; Keiji Kawasaki; 啓治川崎
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1993-10-26
Filing date: 1993-10-26
Publication date: 1995-05-12
Anticipated expiration: 2014-07-05
Also published as: JP2915763B2

Abstract

(57)【要約】【構成】セラミックス製のピストンピンであって、ピ
ストンピンの外側面の表面形状が、巨視的粗さであるう
ねりと、微視的粗さとの結合であって、うねりは、外側
面と垂直な方向に凹凸の形状となり、うねりの凹凸差
は、外側面の微視的粗さの凹凸差より大きく、うねりの
凸と凸との平均間隔が１，５００μｍ以下であるピスト
ンピン。【効果】ピストンピンの焼付きが防止され、ピストン
ボス又はコンロッド小端部の摩耗が著しく低減した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関のピストンに
用いることができるセラミックス製ピストンピンに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ピストンはシリンダー内部で往復運動を
繰り返す。ピストンの材質は、アルミニウム又はアルミ
ニウム合金が用いられる。アルミニウムは、鋳鉄より軽
く、また、熱伝導率が鋳鉄より、高いからである。アル
ミニウム合金は、熱膨張率が小さいので、特に好まし
い。ピストンは、ピストンピンの軸受となるピストンボ
スを有する。

【０００３】図４（ａ）で、ピストンピン４１は、ピス
トン４３とコンロッド４５とを連結するものである。ピ
ストンピンの形状は、通常は、円筒であり、軸方向を貫
通する孔がある。しかし、ピストンピンは、中実の円柱
体のときもある。また、ピストン又はコンロッド小端部
にピストンピンをボルト、スクリュー等の締結具で連結
するため、ピストンピンは、締結具を用いるための孔を
備えていることがある。

【０００４】コンロッド４５は、ピストン側の小端部４
５ｓとクランク側の大端部４５ｌとを有する棒である。
コンロッド４５は、ピストン４３と図示していないクラ
ンクシャフトを連結する。小端部にピストンピンの軸受
となる軸受部を有する。ピストンピンは軸受部に貫通す
るように挿入され、ピストンピンが軸受部と接触して回
転できるようになっている。従って、軸受部は、ラジア
ルすべり軸受けとなるような、貫通孔であってもよい。
また、軸受部として、軟質金属製のスリーブが小端部を
貫通して挿入されているときがある。なお、図４（ａ）
では、ホワイトメタル４６がコンロッド４５の大端部４
５ｌのスリーブとなる。コンロッドの材質は、一般に炭
素鋼であり、引張り強度が９０ｋｇｆ／ｍｍ²以上であ
る。また、図４（ｂ）では、ピストンピン４２が軸受と
なるコンロッドの小端部４５ｔを貫通する。

【０００５】ピストンピンの材質は、従来、炭素鋼が用
いられてきた。その表面硬度は、ＨRＣで６０、表面粗
度Ｒaは０．１５μｍ程度であった。ピストンピンを軽
量にするため、ピストンピンの材質を金属からセラミッ
クに変更する試みがされている。実開昭６３−１１９９
６３号公報は、ピストンピンとピストンボスとの摩耗、
及び、ピストンピンとコンロッドの軸受部との摩耗を減
少させ、ピストン及びコンロッドの耐久性を向上するた
め、平均表面粗度Ｒaを０．１μｍ以下としたセラミッ
クス製ピストンピンを開示する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このように表
面粗度が小さいセラミックス製のピストンピンをアルミ
ニウム合金製のピストンに用いると、使用開始直後は確
かに摩耗が少ないが、使用するうちに、ピストンピンが
焼付き、ピストンピンとピストンボスとのすべりが悪く
なるため、ピストンボスが摩耗するという問題があっ
た。焼付きとは、軸と軸受などのすべり面において、摩
擦のため熱せられて金属の一部が溶融し、相手の表面に
溶着することをいうが、この場合は、ピストンボスのア
ルミニウム合金又はコンロッド小端部の炭素鋼が溶融
し、ピストンピンの表面に溶着することである。そこ
で、本発明では、セラミックス製ピストンピンにおい
て、ピストンピンの焼付きを防ぎ、ピストンボス又はコ
ンロッド軸受部の摩耗を減少させ、ピストン又はコンロ
ッドの耐久性を向上することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、ピ
ストンピンの外側面における表面形状を、巨視的粗さで
あるうねりと、微視的粗さとの結合とする。この外側面
は、ピストンピンがコンロッド小端部の軸受部及びピス
トンボスに挿入されたとき、コンロッド小端部の軸受部
又はピストンボスに接触する部位である。従って、巨視
的粗さであるうねりにより、ピストンピンがコンロッド
小端部の軸受部又はピストンボスに接触する面積を減少
させ、焼付きを低減させる。なお、実開昭６３−１１９
９６３号公報では、微視的粗さが規定されるが、巨視的
粗さに付いての記載はない。

【０００８】本発明によれば、素材が実質的にセラミッ
クスであるピストンピンであって、ピストンピンの外側
面の表面形状が、巨視的粗さであるうねりと、微視的粗
さとの結合であって、うねりは、外側面と垂直な方向に
凹凸の形状となり、うねりの凹凸差は、外側面の微視的
粗さより大きく、うねりの凸と凸との平均間隔が１，５
００μｍ以下であることを特徴とするピストンピンが提
供される。うねりの凸と凸との平均間隔が１００〜１，
０００μｍであることが好ましい。本発明では、外側面
の直線方向において、基準長さが２．５ｍｍであるとき
の十点平均粗さが、０．４〜３μｍであることが好まし
く、０．６〜２．５μｍであることが更に好ましい。基
準長さが２．５ｍｍであるときの十点平均粗さが、うね
りの凹凸差の平均の目安である。また、本発明では、当
該外側面の当該直線方向において、基準長さが０．２５
ｍｍであるときの十点平均粗さが０．３μｍ以下である
ことが好ましく、０．２μｍ以下であることが更に好ま
しい。基準長さが０．２５ｍｍであるときの十点平均粗
さが、微視的粗さの凹凸差の平均の目安である。また、
本発明によれば、素材が実質的にセラミックスであるピ
ストンピン焼結体を、バレル研磨することを特徴とする
ピストンピンの製造方法が提供される。ピストンピン焼
結体を研削し、次いで、バレル研磨をしてもよい。ま
た、ピストンピン焼結体を研削することなく、バレル研
磨をしてもよい。更に、本発明によれば、ピストンピン
が、ピストンボスに挿入されたことを特徴とするピスト
ンが提供される。

【０００９】

【作用】ピストンピンは、例えば、図５に示すように、
円筒形状をしている。本発明では、ピストンピン５１、
５２の円筒の外側面５１ａ、５２ａの形状に特徴があ
る。この外側面は、ピストンピンがコンロッド小端部の
軸受部及びピストンボスに挿入されたとき、コンロッド
小端部の軸受部又はピストンボスに接触する部位であ
る。従って、ピストンピン５１、５２の端部表面５１
ｂ、５２ｂには、うねり形状があってもよいが、うねり
形状がなくてもよい。なお、ピストン５２は、円筒の内
側で、円筒内部に向かって、隆起する隆起部５２ｃがあ
る。ピストンピンをコンロッドにとまりばめ又はしまり
ばめするとき、ピストンピンがコンロッドで保持される
部位の機械強度を高めるためである。

【００１０】本発明のピストンピンでは、外側面の表面
形状が、巨視的粗さであるうねりと微視的粗さとの結合
である。巨視的、微視的とは、互いに比較し合っての概
念であって、巨視的粗さは、微視的粗さと比較するもの
である。巨視的といっても、ピストンピン自体の大きさ
と比較して巨視的ではない。巨視的粗さも、ビストンピ
ン自体の大きさより遥かに小さいものである。図１は、
円筒形状のピストンピンの外側面において、円筒軸と平
行な方向を横軸に取ったとき、即ち、外側面が曲線では
なく直線となるような表面形状を示し、その表面形状を
粗さ曲線１０で概念的に示した説明図である。従って、
縦軸は、表面形状の凹凸を示す。うねりの凸と凸との間
隔は、例えば、１１ａ及び１１ｂであり、うねりの凹凸
差は、例えば、１２ａ、１２ｂである。図１では、この
ような巨視的粗さのほかに、粗さ曲線１０に細かい凹凸
があり、この細かい凹凸が微視的粗さである。図１は、
表面形状のモデルに過ぎず、本発明のピストンピンで
は、微視的粗さの凹凸は、図１よりも小さいことが多
い。本発明では、ピストンピンの外側面に、外側面と垂
直な方向に凹凸の形状となるうねりを有するので、ピス
トンピンの動摩擦係数を低減させ、ピストンピンが焼付
き難くなる。

【００１１】本発明では、うねりの凸と凸との平均間隔
が１，５００μｍ以下である。平均間隔が１，５００μ
ｍより大きいと、うねりがなだらかになり過ぎ、うねり
があると認め難くなるからである。また、うねりの凹と
凹の平均間隔ではなく、凸と凸の平均間隔を規定したの
は、ピストンピンの表面を研磨しても研磨材が中に入ら
ないような鋭い粗さがある場合があるので、凹と凹との
平均間隔は、巨視的粗さを規定するのには適さない場合
があるからである。また、うねりの凸と凸との平均間隔
が１００〜１，０００μｍであることが好ましい。平均
間隔が２００μｍより大きいことが更に好ましい。この
平均間隔が１００μｍ以上の方が動摩擦係数を低下させ
ると考えられるからである。基準長さが２．５ｍｍであ
るときの十点平均粗さが、うねりの凹凸差の平均の目安
である。また、基準長さが０．２５ｍｍであるときの十
点平均粗さが、微視的粗さの凹凸差の平均の目安であ
る。うねりの凸と凸との平均間隔、即ち、いわばうねり
周期の平均は、例えば、１００〜１０００μｍであるの
で、０．２５μｍの基準長さで、うねりの寄与をほぼ無
視できるからである。十点平均粗さ（Ｒｚ）の測定方法
は、図２に示すように、ＪＩＳＢ０６０１で規定され
ている。十点平均粗さ（Ｒｚ）は、表面断面の形状を表
す粗さ曲線２１において、ある基準長さ（Ｌ）の領域
で、５つの最大値の平均と、５つの最小値の平均との差
である。図２で、ｍは平均線である。

【００１２】外側面の直線方向において、基準長さが２．５ｍｍであ
るときの十点平均粗さが、０．４〜３μｍであることが
好ましい。このときの十点平均粗さが３μｍより大きい
と、ピストンピンの動摩擦係数が却って増加するからで
ある。一方、このときの十点平均粗さが０．４μｍより
小さいと、うねりの凹凸差が小さくて、巨視的粗さと微
視的粗さとの区別が困難だからである。このときの十点
平均粗さは０．６〜２．５μｍであることが更に好まし
く、０．８〜２μｍであることが更になお好ましい。外
側面の直線方向において、微視的粗さにおいて、凹凸差
の平均が、即ち、基準長さが０．２５ｍｍであるときの
十点平均粗さが０．３μｍ以下であることが好ましく、
０．２μｍ以下であることが更に好ましい。微視的粗さ
が小さい方が、ピストンピンの動摩擦係数を低減させ、
ピストンピンの焼付きが起こり難くなるからである。

【００１３】ピストンピンの素材は実質的にセラミック
スである。「実質的に」とは、バインダー、可塑剤等の
有機化合物、又は、これらの分解物等が含有してもよい
からである。セラミックスは、ピストンが使用される温
度、例えば、ピストンヘッドで３００〜５００℃の温度
であっても、機械強度が長時間に渡って保たれるもので
あることが好ましい。具体的には、セラミックスが主成
分として、酸化アルミニウム、部分安定化ジルコニア、
サイアロン、窒化珪素、炭化珪素等を含有することが好
ましい。例えば、セラミックスの８０重量％以上が、窒
化珪素又は炭化珪素であることが好ましく、また、セラ
ミックスの８５重量％以上が、窒化珪素又は炭化珪素で
あることが更に好ましい。本発明の表面形状をしたセラ
ミックス製ピストンピンは、バレル研磨で得られる。バ
レル研磨とは、砥粒の研磨材とともに、被研磨品を容器
に入れ、容器を回転させ、又は振動させ、被研磨品の表
面を研磨する砥粒加工をいう。容器は、八角柱又は円筒
形のバレルを用いることが多い。研磨材として、酸化ア
ルミニウム、酸化ジルコニウム等の人工研磨材が用いら
れる。また、金属小球、鋳鉄粉、ガラス粉、プラスチッ
ク粉等を、被研磨品相互の接触を防止するため、研磨材
の担体となるメディアとして用いてもよい。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて更に詳細に
説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるもの
ではない。（実施例１〜３、比較例）平均粒径が０．６μｍの窒化
珪素粉末、１００重量部と、１．５重量部のＳｒＣＯ₃
粉末、４．４重量部のＭｇＯ粉末、５．５重量部のＣｅ
Ｏ₂と調合した。この調合粉末１００重量部に対して、
結合剤としてポリビニルアルコール２重量部を混合し、
次いで、噴霧乾燥により、平均粒径が５０μｍの粉体と
した。この粉体を金型プレスにより円柱形状に成形し、
次いで、６，０００kgf/cm₂の圧力でコールドアイソス
タティックプレス（ＣＩＰ）を行った。この成形体を所
定の寸法に白加工した。また、このとき、成形体を研削
し、円柱形状から円筒形状に加工した。ポリビニルアル
コールを除去するため、窒素５０重量％及び空気５０重
量％からなる雰囲気で、５００℃で１０時間、この成形
体を脱脂した。次いで、９．５気圧の窒素雰囲気中で、
１７００℃で３時間、焼結した。以上の焼結工程まで
は、実施例１〜３及び比較例で同じであった。実施例１
及び２は、焼結体の外側面を租研削し、次いで、バレル
研磨をした。実施例３では、焼結体を租研削することな
く、バレル研磨をした。バレル研磨では、直径が５ｍｍ
のアルミナ製の玉を研磨材に用いた。また、比較例で
は、租研削をした後、円筒研削板と砥石を用いて精密
研磨した。

【００１５】バレル研磨前及びバレル研磨後で、触針式
表面粗さ測定器を用いて、表面形状を測定した。外側面
の表面形状を円筒軸と平行な方向に沿って、ドライブ・
スピードを１秒当たり０．１ｍｍで、この測定器の触針
を動かした。この触針の先端部の曲率は２μｍであっ
て、触針はダイヤモンド製である。基準長さ（Ｌ）が
２．５ｍｍのとき、巨視的粗さが分かり、このとき、
０．８ｍｍをカットオフ値とした。また、基準長さ
（Ｌ）が０．２５ｍｍのとき、微視的粗さが分かり、こ
のとき、０．０８ｍｍをカットオフ値とした。その測定
結果の表面形状を図３（ａ）〜（ｅ）に示す。図３
（ｅ）は、実施例２において、租研削をした後であっ
て、バレル研削前の表面形状を参考例として示した。図
３（ａ）−（ｅ）は、何れも、横軸が円筒軸と平行な方
向であり、また、その方向では、５０倍に拡大した。ま
た、縦軸方向は、５０００倍に拡大した。この表面形状
を基にデータ処理をして、十点平均粗さを求めた。ま
た、うねりの凸と凸との平均間隔を測定した。これらの
結果を表１に示す。

【００１６】

【表１】

【００１７】（モータリング試験）実施例１〜３及び比
較例のセラミックス製ピストンピンを用いて、図４に示
すように、ピストンとコンロッドとを連結した。即ち、
ピストンピンをピストンボス及びコンロッド小端部に挿
入した。ピストンの素材は、アルミニウム合金であり、
コンロッドの素材は炭素鋼であった。排気量２０００ｃ
ｃのエンジンで、エンジンを１分に４０００回転させ、
ピストンに荷重がかかる条件で、ピストンを５０万回往
復させた。実施例１〜３のピストンピンでは、試験中、
ピストンピンは焼き付かなかった。一方、比較例のピス
トンピンは、ピストンが７４０００回往復したときに、
焼付き、アルミニウム合金が付着した。

【００１８】

【発明の効果】セラミックス製ピストンピンの焼付きが
防止され、ピストンボス又はコンロッド小端部の摩耗が
著しく低減した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るピストンピンにおける外側面形状
の説明図である。

【図２】十点平均粗さ（Ｒｚ）の説明図である。

【図３】ピストンピンの外側面における表面形状を測定
した図である。（ａ）実施例１、（ｂ）実施例２、
（ｃ）実施例３、（ｄ）比較例、及び（ｅ）参考例であ
る。

【図４】ピストンピン、ピストン、及びコンロッドの説
明図である。

【図５】ピストンピン断面の説明図である。

【符号の説明】

１０・・・粗さ曲線、１１ａ、１１ｂ・・・うねりの凸と凸と
の間隔、１２ａ、１２ｂ・・・うねりの凹凸差、１５・・・外
側面で軸と平行な方向、１６・・・軸と直交する方向、２
１・・・粗さ曲線、３１・・・外側面で軸と平行な方向、３２
・・・軸と直交する方向、４１・・・ピストンピン、４２・・・
ピストンピン、４３・・・ピストン、４５・・・コンロッド、
４５ｌ・・・大端部、４５ｓ・・・小端部、４５ｔ・・・小端
部、４６・・・ホワイトメタル、５１・・・ピストンピン、５
１ａ・・・外側面、５１ｂ・・・端部表面、５２・・・ピストン
ピン、５２ａ・・・外側面、５２ｂ・・・端部表面、５２ｃ・・
・隆起部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】素材が実質的にセラミックスであるピスト
ンピンであって、当該ピストンピンの外側面の表面形状
が、巨視的粗さであるうねりと、微視的粗さとの結合で
あって、当該うねりは、当該外側面と垂直な方向に凹凸
の形状となり、当該うねりの凹凸差は、当該外側面の微
視的粗さの凹凸差より大きく、当該うねりの凸と凸との
平均間隔が１，５００μｍ以下であることを特徴とする
ピストンピン。
【請求項２】当該うねりの凸と凸との当該平均間隔が１
００〜１，０００μｍであることを特徴とする請求項１
に記載のピストンピン。
【請求項３】当該外側面の直線方向において、基準長さ
が２．５ｍｍであるときの十点平均粗さが、０．４〜３
μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のピ
ストンピン。
【請求項４】当該外側面の当該直線方向において、基準
長さが２．５ｍｍであるときの十点平均粗さが、０．６
〜２．５μｍであることを特徴とする請求項３に記載の
ピストンピン。
【請求項５】当該外側面の当該直線方向において、基準
長さが０．２５ｍｍであるときの十点平均粗さが０．３
μｍ以下であることを特徴とする上記請求項のいずれか
に記載のピストンピン。
【請求項６】当該外側面の当該直線方向において、基準
長さが０．２５ｍｍであるときの十点平均粗さが０．２
μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載のピス
トンピン。
【請求項７】当該ピストンピンの当該外側面が、実質的
に円柱側面の形状をしていることを特徴とする上記請求
項のいずれかに記載のピストンピン。
【請求項８】当該セラミックスの８０重量％以上が、窒
化珪素又は炭化珪素であることを特徴とする上記請求項
のいずれかに記載のピストンピン。
【請求項９】素材が実質的にセラミックスであるピスト
ンピン焼結体を、バレル研磨することを特徴とするピス
トンピンの製造方法。
【請求項１０】当該ピストンピン焼結体を研削し、次い
で、当該バレル研磨をすることを特徴とする請求項９に
記載のピストンピンの製造方法。
【請求項１１】請求項１〜８のいずれかのピストンピン
が、ピストンボスに挿入されたことを特徴とするピスト
ン。