JPS586098B2 - ピストンピン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は特許請求の範四第１項に上位概念として記載し
たようなピストンピンに係わる。

内燃機関、特にオットー機関及びディーゼル機関ではピ
ストン及び連接棒をピストンピンによって互いに連結す
る。

このピストンピンは燃焼力、圧縮力及び駆動力をピスト
ンから連接棒へ伝達しピストンの透孔内に回転自在に挿
着され、例えば止め輪のような適当な手段によって軸線
方向のずれを防止される。

ピストンピンに作用する力はこのピストンピンを変形さ
せ、ピストンピン軸線を彎曲させると共にピストンピン
断面を楕円形にし、これに剪断ひずみを発生させる。

このような変形はできるだけ小さくなければならない。

このためにピストンピンの壁厚が種々の単位面積圧力に
対応できるように可変壁厚式の鋼製中空ピストンピンを
採用することは公知である（ドイツ公開公報第２４ ５
５ ７５０号）。

気体力は主として部分球面として形成された連接棒ヘッ
ドを介して伝達されることを考慮してピストンピンの力
学的負荷を軽減するため比較的寸法が小さく、しかも遠
心力だけは伝達する中空のピストンピンを採用すること
も公知である（ドイツ公開公報第２７ ３７ ５９
６号）。

公知の構成では例外なくビストンビンを金属、特に鋼で
形成しなければならなかった。

その結果、必然的に例えば連接／クランク軸に作用する
高い力学的負荷を発生させる高質量のピストンピンとな
らざるを得なかった。

公知のピストンピン構成（英国特許第９０５６３８号）
ではピストン負荷の緩衝に寄与する弾性層でピストンピ
ンを囲む。

ピストンピン自体は公知の態様で全長に亘って一定壁厚
の金属製中空円筒から成る。

従ってこの公知ピストンピンの場合にも上記剛性問題を
免れない。

軽金属製ピストンピンに軸線と平行なスチール・ワイヤ
ーを埋込むことも公知である（フランス特許第５４０
５１４号）。

これによってピストンピンの剛性は確かに高められるが
、応力の最も強い領池、即ち、ピストンピンから連接棒
への過渡域に材料破壊が起こると云う問題が発生する。

なぜなら、この領域に於いてはスチール・ワイヤーＫよ
る軸線方向の材料補強がビストンピンの剛性を期待通り
に補強できないからである。

本発明の目的は質量は小さくても公知ピストンピンに劣
らぬ剛性が得られるように頭書のようなピストンピンを
改良することにある。

この目的を本発明では頭書のようなピストンピンに、特
許請求の範囲第１項に特徴として記載した構成要件を組
込むことにより解決する。

方向の異なる補強繊維を配列すぎことにより、ピストン
ピンの彎曲が防止されるだけでなく、ピストンビンの楕
円形化も壁けられる。

機械的変形が最大となる領域に於いてすべり軸受層にも
切れ目を設けたからすべり軸受層の過剰応力、従ってそ
の破壊を防止できる。

ピストンピンの剛性は主として方向の異なる繊維層によ
って与えられているからすべて軸受層にピストンピンの
剛性にほとんど寄与せず、従ってすべり軸受層を分断し
ても問題はない。

例えばブレーキ・シューや継手２イニングなどに於ける
織物状材料の埋込みはそれ自体公知である（ドイツ特許
第９８ ５６８号及びドイツ公告第１ ６００ ０４３
号）。

これらの公知例では摩耗を軽減するため主として摩耗の
はげしい部分に織物状補強材の埋込みが行われるが、本
発明のピストンピンではピストンピンの変形抵抗を高め
ること、特に楕円形化や彎曲を軽減することが繊維埋込
みの目的である。

好ましい実施態様では特に硬化エポキシド、ポリエステ
ルまたはポリイミドを変性させた耐高温プラスチック、
またはポリカーボネートやポリスルホンのような耐高温
熱可塑プラスチックのようなプラスチック材に繊維を埋
込む。

すべり軸受層を形成するためにはピストンピンを金属被
覆するのが好ましい。

ピストンピンに於いて、すべり箇所に周期系の３〜６族
に属する金属の硬質窒化物、硼化物及び／または珪化物
から成る被覆を施すことに既に公知である（公告された
ドイツ特許出願第 Ｍ ２０ ８１３号）。

特に好ましい実施態様ではすべり軸受層を中間円筒プッ
シュとこれを両側から挾む２つの円筒状キャップで愕成
し、前記キャップにより繊維補強ピストンピンの少くと
も端面側を被覆する。

結合材中に互いに方向の異なる複数の繊維層を配列する
。

特に好ましい構成としては、繊維をピストンピン軸線と
平行に配列してある繊維層と繊維をピストン軸線と直角
に円周方向に配列してある繊維層とを交互に重ねる。

ピストンピン軸線と平行な繊維がピストンの彎曲を軽減
するのに対し、円周方向の繊維はピストンビンの楕円形
化を軽減する。

ピストンピンを構成する上で特に好適な繊維は、カーボ
ン繊維、ガラス繊維、合成繊維（アラミド繊維）、硼素
繊維、酸化アルミニウム繊維または炭化珪素繊維である
。

硼素繊維を炭化珪素または炭化硼素で被覆しても同様な
．成果が得られる。

本発明の第１実施例では繊維をアルミニウムやチタンの
ような軽金属に埋込む。

他の好ましい実施態様では繊維を特に硬化エポキシド、
ポリエステルまたはポリイミドを変性した耐高温プラス
チック、またはポリカーボネートまたはポリスルホンの
ような耐高温熱可塑プラスチックのようなプラスチック
材に埋込む。

繊維補強結合材の外面に円筒状の外面を有する金属から
成るすべり軸受層を設けることが好ましい。

このすべり軸受層はピストン孔内の対応する軸受メタル
と共にピストンのすべり軸受を形成する。

材料の選択は従来すべり軸受に関して行われているのと
同様に行われる。

即ち、原則として一方の層が軟質金属なら，他方の層を
硬質金属で形成する。

本発明のピストンピンの剛性は繊維補強結合材によって
決定されるから、ピストンピンのすべり軸受層も軟質金
属で形成することができる。

即ち、すべり軸受層材料の選択に際してこの材料は鋼な
どから成る公知ピストンピンの場合のようにピストンピ
ンの剛性を増大させる性質を具えなくてもよい。

従って、特に結合材構成を変えることにより繊維補強結
合材の熱膨脹係数を例えばすべり軸受材料の熱膨張係数
に適応させることができるから、軸受に最適な材料組合
わせを選択することができる。

軸受層は繊維補強結合材を外側から囲む金属製の円筒状
軸受プッシュとして構成してもよいが、例えばメッキま
たは蒸着で結合材を金属被覆してもよい。

ピストンから連接棒への過渡域ですべり軸受層を分断し
てある。

この過渡域では結合材と軸受層の機械的変形に最も大き
い差が現われる。

この領域に於いてすべり軸受層を分断することで過剰応
力が防止される。

すべり軸受層自体はピストンピンの剛性にほとんど寄与
しないから、この分断はピストンピンの機械的性質にほ
とんど影響しない。

繊維補強結合材がすべり軸受層の内部空間を満たすよう
に構成してもよいが、好ましくは結合材がピストンピン
軸線と同軸の中空円筒層を形成するように構成する。

繊維補強結合材を周囲の有害媒質から保護するためには
結合材の内部空間に面する内面ないしは端面に概ね不透
過性の層を設けることが好ましい。

この不透過層はプラスチックまたは金属で形成するのが
好ましい。

例えばピストンビンの内側に管状プッシュから成る不透
過層を形成することができる。

本発明の好ましい実施例では管状プッシュの１端に結合
材層の端面を被覆するフランジを設け、円筒状軸受層に
もピストンピンの反対端にピストンピンの反対端面を被
覆する対応フランジを設りる。

軸受層を中間円筒プッシュとこれを両側から撲む２つの
円筒状キャップとで構成し、前記キャップにより繊維補
強ピストンピンの少くとも端面を被覆するのが好ましい
。

キャップは環状端面壁を介して互いに接続された２つの
同軸円筒体で構成し、両円筒体の間に繊維補強結合材を
配置するのが好ましい。

結合材中の繊維含有率が少くとも６０容積％であること
が特に好ましい。

結合材として使用される材料の密度が小さいから、公知
の鋼製ピストンピンよりも約５０％低い質量で高い機械
インピータンスないしは剛性を維持できる。

ピストンピンの質量が低いことから連接棒／クランク軸
にかかる力学的負荷が軽減される。

従ってこれらの構成部分をそれだけ軽量に構成できるか
ら、機関の総質量が著しく軽減されるまた、繊維補強結
合材は負荷容量にすぐれ、ひび割れ進行速度が低く、切
欠き効果も小さい。

繊維補強結合材の緩衝効果が著しく高いから機関の動作
に伴なう騒音は著しく軽減される。

以下添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施例を
詳述する。

第１図に一部だけを図示したピストン１内の透孔２でピ
ストンピン３を回転自在に支持する。

ピストンピンの軸線方向移動を防ぐためピストンピンの
両端に波動防止リング４を設け、透孔２内の対応溝に嵌
入させる。

ピストンピン３は第１図には一部だけを示す連接棒８の
ヘッドに形成してある孔５を貫通し、前記ヘッドをピス
トン１の中空内室６内に支持する。

ピストンピン３は、補強繊維１０を埋込んだ円筒状の結
合材ケース９から成り、補強繊維埋込みは第２図に拡大
して示すような構成で埋込まれる。

即ち、各層に埋込まれた繊維１０が互いに直交関％とな
るように層１１，１２．１３を順次重ねてある。

第１図から明らかなように，１つの層の繊維１０はピス
トンピンの軸線と平行であり、この層と隣接する２つの
層の繊維１０は前記軸線と直交関％にある。

結合材ケース９はその外面に金属製のすべり軸受層１４
を具備し、このすべり軸受層はメッキまたは蒸着するか
、または結合材ケース９に被せたすべり軸受プッシュと
して形成する。

すべり軸受層は順次横に並ぶ３つのセグメントに分割さ
れている。

分割線はピストン内壁と連接棒ヘッドとの間に位置する
。

すべり軸受層１４の形成には好ましいすべり軸受特性を
有する種々の金属を使用でき、透孔２の内壁の金属性質
に応じて選択する。

この内壁が硬質であればすべり軸受層として軟質の材料
を使用し、内壁が軟質の材料から成る場合には硬質金属
から成るすべり軸受層を採用する。

第１図に示すピストンピンでは正面からも内面からも結
合材ケース９に接近自在である。

即ち、潤滑油と直接接触する。

第３図に示すピストンピンは第１図に図示のものと同様
に構成されている。

交差する繊維層を含む円筒状結合材ケース９はその外面
にすべり軸受層１４を有し、第１図の実施例と同様にす
べり軸受層１４はピストン内壁と連接棒ヘッドとの間の
領域２６に於いて分断され、従って繊維補強された円筒
状結合材心体上に３つの円筒セグメント１５．１６及び
１７が順次形成される。

作動に際しては領域２６に於いて結合材とすべり軸受層
とが異なる変形を呈するから、もしすべり軸受層を連続
的に形成すればすべり軸受層が損傷されるおそれがある
。

そこでピストンと連接棒ヘッドとの間の領域２６に於い
てすべり軸受層を分断することでこのような損傷が回避
される。

第３図の実施例では円筒状結合材心体の内壁面に金属ま
たは適当な耐温耐油性プラスチック材から成る不透過層
１８を設ける。

この不透過層として例えば結合材心体の内部にポリテト
ラフルオルエチレンから成るプッシュまたは層を挿入す
ればよい。

第４図には第３図のピストンピンに対する２つの変更例
を示す。

すべり軸受層１４の左端セグメント１５ａぱ環状端面壁
２１を介して互いに接続された２つの同心円筒１９及び
２０から成るキャップとして構成されている。

このキヤツプ１５ａは両側から結合材心体に被せられ、
外側円筒１９がすべり軸受層を形成し、内側円筒２０及
び端面壁２１が繊維補強結合材を被覆して潤滑油から遮
断する。

第３図のピストンピンと同様に、２つのキャップ１５ａ
に挾まれた領域に結合材心体の円筒状すべり軸受セグメ
ント１６があり、このセグメントは内面に円筒状の不透
過層１８ａを具備する。

第４図の右側に示す実施例が左側に図示する実施例と異
なるのは、キャップ１７ａが円筒セグメント１７及び結
合材心体の端面を被覆する端面壁２２から成り、結合材
心体の内壁全体がその全長にまたがる不透過層１８によ
って被覆されていることだけである。

好ましくは以上に述べた実施例と同様に結合材心体を構
成した第５図の実施例では、すべり軸受層１４が結合材
心体の端面を被覆する端面壁２３を具備し、非透過層１
８が反対側に結合材心体の反対端面を被覆する環状フラ
ンジ２４を具備する。

この実施例でも第３及び４図に示したのと同様にすべり
軸受層１４が分断されている。

以上に述べたピストンピンはいずれもその内部に透孔を
具備するが、第６図に示すピストンピンは内実式に構成
されている。

このピストンビンではピストンピン軸線と平行な繊維を
有する層と、ピストンピン軸線と直交し且つ円周方向に
走る繊維を有する層とが半径方向に交互に重ねられてい
る。

先に述べたピストンピンと同様にこの内実式ピストンピ
ンはその外面に分断されたすべり軸受層を具備する。

以上に述べたどの実施例でも種々の性質の補強繊維を利
用することができ、特に、ガラス繊維、カーボン繊維、
合成繊維（アラミド繊維）、酸化アルミニウム繊維、炭
化珪素繊維及び硼素繊維を使用するのが好ましく、金属
を埋込む際には炭化珪素または炭化硼素または炭化硼素
で被覆するのが好ましい。

ガラス繊維なら約１０μ、硼素繊維及び炭化珪素繊維な
ら原則として１００μ以上の直径とする。

上記の繊維は種々の材料、例えばアルミニウム、チタン
のような軽金属、例えば硬化エポキシト、ポリエステル
またはポリイミドの耐高温変性樹脂、またはポリカーボ
ネートまたはポリスルホンのような耐高温熱可塑材に埋
込むことができる。

硼素繊維または炭化珪素繊維をアルミニウム中に埋込む
か、カーボン繊維をプラスチックに埋込は特に好ましい
組合わせが得られる。

結合材中の繊維量は少くとも６０容積％であることが好
ましい。

例えば繊維補強軽金属を使用する場合のように結合材が
潤滑油やこれに含まれる汚染物質のような有害物質に対
して耐性を有する場合には結合材の内面ないしは端面に
不透過保護層を設ける必要がない。

上記のように結合材を組合わせた場合、密度が１． ５
〜２． ７ｇ／ｃｍ３、繊維含有率が約６０容量％の
繊維補強材料を使用すれば従来の鋼構造に比較して質量
が５０％以上小さくなるから、連接棒／クランク軸に作
用する力学的負荷を軽減することができる。

尚、ピストンピンを繊維補強材料から製造するのに必要
な製造技術自体は公知であるから詳述しない。

【図面の簡単な説明】

第１図は連接棒とピストンを接続するピストンピンの縦
断面図、第２図は第１図のピストンピンに於ける繊維配
列の拡大図、第３図は別のピストンビン実施例の縦断面
図、第４図は他の２つのピストンビン実施例の縦断面図
、第５図は更に別のピストンピン実施例の縦断面図、第
６図は更にまた別のピストンピンの縦断面図である。 １…ピストン、３…ピストンピン、８…連接棒、９…結
合材ケース、１０…繊維、１１，１２，１３…繊維層、
１４…すべり軸受層、１５，１６，１７…円筒セグメン
ト、１８…不透過層、２６…過渡域。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少くとも一部が繊維補強結合材から成り、繊維補強
   結合材の外面に外面が円筒状の金属すべり軸受層を具備
   し、内燃機関のピストンを連接棒と接続するためのピス
   トンピンであって、結合材中に方向の異なる複数の繊維
   層１１，１２．１３を配列させたことと、ピストン１か
   ら連接棒８への過渡域２６に於いてすべり軸受層１４を
   分断したことを特徴とするビストンピン。 ２ 繊維１０が少くとも結合材の一部に於いてピストン
   ピンの軸線と平行であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載のピストンピン。 ３ 繊維層１１，１２，１３は、繊維１０かピストンピ
   ン軸線と平行に配列されている繊維層と、繊維がピスト
   ンピン軸線と直角に円周方向に配列されている繊維層と
   が交互に重なっていることを特徴とする特許請求の範囲
   第２項に記載のビストンビン。 ４ 繊維１０がカーボン繊維、ガラス繊維、合成繊維、
   硼素繊維、酸化アルミニウム繊維または炭化珪素繊維で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項から第３項
   までのいずれか１項に記載のピストンピン。 ５ 硼素繊維を炭化珪素または炭化硼素で被覆したこと
   を特徴とする特許請求の範囲第４項に記載のピストンピ
   ン。 ６ 繊維１０をアルミニウムやチタンのような軽金属中
   に埋込んだことを特徴とする特許請求の範囲第１項から
   第５項までのいずれか１項に記載のビストンピン。 ７ 繊維１０をプラスチック材、特に硬質エポキシド、
   ポリエステルまたはポリイミドを変性させた耐高温プラ
   スチックか、またはポリカーボネートやポリスルホンの
   ような耐高温熱可塑材に埋込んだことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項に記載
   のピストンピン。 ８ 結合材中の繊維含有率が少くとも６．０容積係であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項から第７項ま
   でのいずれか１項に記載のピストンピン。 ９ 金属被覆したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項から第８項までのいずれか１項に記載のピストンピン
   。 １０ 繊維補強結合材がすべり軸受層１４の内部空間全
   部を満たしていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項から第９項までのいずれか１項に記載のピストンピン
   。 １１ 結合材がピストンビン軸線と同軸の円筒状ケース
   ９を形成し、貫通している内部空間を囲むことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項から第９項までのいずれか１
   項に記載のピストンピン。 １２ 結合材の内部空間に面する内面ないしは端面に概
   ね不透過性の層１８，１８ａ，２０，２５を設けたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１１項に記載のピストン
   ピン。 Ｂ 不透過層１８．１８ａがプラスチックまたは金属か
   ら成ることを特徴とする特許請求の範囲第１２項に記載
   のピストンピン。 １４不透過層１８が管状プッシュから成ることを特徴と
   する特許請求の範囲第１２項または第１３項に記載のピ
   ストンピン。 １５ 管状プッシュがその一端に結合材ケースの端面を
   被覆するフランジ２４を具備することと、円筒状すべり
   軸受層１４がピストンピンの反対端にこれと対応するピ
   ストンピンの反対端面を被覆する端面壁２３を具備する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１４項に記載のピス
   トンピン。 １６すべり軸受層１４が中間円筒状プッシュ１６と、こ
   の中一円筒状プッシュをその両側から挾み少くとも繊維
   補強ピストンピンの端面を被覆する円筒状キャップ１５
   ａ；１７ａとから成ることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項から第１５項までのいずれか１項に記載のピスト
   ンビン。 １７キャップ１５ａが環状端面壁２１を介して互いに接
   続された２つの同軸円筒１９，２０から成ることと、円
   筒１９．２０の間の環状スペース内に繊維補強結合材を
   配置したことを特徴とする特許請求の範囲第１６項に記
   載のピストンピン。