JPS6124763Y2

JPS6124763Y2 -

Info

Publication number: JPS6124763Y2
Application number: JP1980028254U
Authority: JP
Priority date: 1980-03-06
Filing date: 1980-03-06
Publication date: 1986-07-25
Also published as: JPS56132347U

Description

【考案の詳細な説明】本考案は炭素繊維強化プラスチツク等により軽
量化を図つたピストンピンに関する。

ピストンピンは、繰返し曲げを受け、しかも高
面圧に耐える必要があり、従来は肌焼鋼に浸炭焼
入を施したり、あるいは高炭素鋼に高周波焼入等
を施していた。しかし、これら鋼系の材料を用い
たピストンピンは重量が重く、そのためエンジン
運動時の慣性力が大きくなり、これに伴つてクラ
ンクシヤフト等の重量も大きくせざるを得なかつ
た。ピストンピンの軽量化はクランクシヤフト等
の関連部材の軽量化にもつながり、自動車全体と
しての軽量化の波乃効果を大きい。また、ピスト
ンピン等の運動部品の軽量化による、加速応答性
が向上したり、あるいは燃費の向上を図ることが
できる。

そこで、エンジン軽量化の一環として、炭素繊
維強化プラスチツクをピストンピンの材料として
用いることが最近注目されてきている。炭素繊維
強化プラスチツク（以下CFRPと呼ぶ）はプラス
チツク強化のために埋設される炭素繊維の方向に
対しては、縦弾性係数が鋼とほぼ同等であり、引
張強度においては鋼以上のものが得られ、かつ比
重が約1.5程度で比強度が鋼より優れているの
で、CFRPを用いることにより、従来より大幅に
軽量化したピストンピンを得ることができる。し
かしピストンピン全体をCFRPで形成すると、摺
動面となるその外周部の耐摩耗性に問題がある。
また、せん断力によるたわみ量が大きくなり、
種々の問題が生ずる。換言すると、金属製のピス
トンピンの場合には、ピストンピンに生ずるたわ
みはほとんど曲げモーメントによるものであり、
せん断力によるたわみは考慮する必要がなかつた
が、CFRPの横弾性係数は500Kg／mm²程度であ
り、8300Kg／mm²程度の横弾性係数を有する鋼の約
1/16しかなく、従つて、CFRPを用いたピストン
ピンにおいてはせん断力によるたわみ量が大きき
くなるという問題点がある。

ここで、筒がたわんだとき、その最大および最
小内、外径をa₁，a₂およびb₁，b₂とすると、最大
せん断応力τ_naxは中心部に発生し、その値は次
のように求められる。

τ_nax＝４（ａ_２ ^２ｂ_２−ａ_１ ^２ｂ_１）（ａ_２ｂ_２−
ａ_１ｂ_１）／３（ａ_２ ^３ｂ_２−ａ_１ ^３ｂ_１）（ｂ_２−ｂ
_２）×Ｆ／Ａここで、Ｆはピストンにかかる力、Ａは筒の断
面積である。

この式において、分母にはａの３乗項、分子に
はａの２乗項があり、同じ断面積Ａであれば、
b₁，b₂よりa₁，a₂大きいほど、τ_naxは小さくなる
から、せん断力は減少する。また、せん断力によ
るたわみは、横弾性率とせん断力により決まるか
ら、せん断力が小さい方がたわみ量は減少する。

しかして、ピストンピンのたわみが大きいと、
ピストンのピストンピン軸受部に強い繰返し荷重
が働き、この部分の疲労強度が低下し、また焼付
の原因となる。

そこでこのような問題点を解決するために第１
図ＡおよびＢに示すようなピストンピンが考えら
れる。ここで、１はピストンであり、ピストンピ
ン１は金属外筒部２と炭素繊維強化プラスチツク
により形成された内筒部３とで構成される。この
ような構造のCFRPを用いたピストンピン１は次
のようにして作ることができる。先ず円筒形の金
属製外筒２を鋼材料より形成する。一方、炭素繊
維を所定の方向に揃えて配置して、これにエポキ
シあるいはイミドなどの樹脂を含浸させてプリプ
レグシートを作る。このプリプレグシートを、炭
素繊維の方向がピストンピンの軸方向となるよう
に筒状に巻き、前述した金属外筒２に挿入する。
しかして、プリプレグシートの内面側から５Kg／
mm²前後の圧力をかけると共に、エポキシ樹脂を含
浸させた場合は、約150℃の温度で30分間程度加
熱することにより硬化させた内筒部を形成するこ
とができ、また、ポリイミド樹脂を含浸させた場
合は、同様にして５Kg／mm²前後の圧力をかけなが
ら、約200℃の温度で１時間程度加熱することに
よつて硬化させた内筒部が得られる。これによ
り、密度が高く強度の大きいCFRPによる内筒３
が金属外筒２に強固に圧着される。

ここで、プリプレグシートに対してその内面よ
り圧力をかける方法としては、このプリプレグシ
ートを筒状に巻回したものを外筒２内に挿入して
から、その筒状シートの内側にゴム管等のチユー
ブを挿入し、このチユープ内に必要な加圧流体
（たとえば、気体、液体）を流す方法を採用でき
る。

しかしながら、このようなピストンピン１にあ
つては、なお、金属製外筒の断面積が中空円筒形
に形成されているため、せん断力によるたわみ量
を所望の値にまで減少させるには、金属製外筒２
の肉厚を厚くしなければならず、CFRPを用いて
軽量化を図ろうとしても軽量化の効果が減殺され
るという問題点があつた。

本考案は、このような従来の問題点に着目して
なされたもので、CFRPを用いたピストンピンの
金属製外筒２の横断面形状を、楕円形状や卵形状
等、シリンダの上下方向に細長く、かつその上下
両端部にわん曲をもたせ、以てその横断面の長軸
方向をピストンピンにかかる最大荷重の方向と一
致するようにして、せん断力によるたわみ量を減
少させることにより、上記問題点を解決すること
を目的としている。

以下に図面に基づいて本考案を説明する。

第２図は本考案ピストンピンの一実施例を示
し、図中、１０はピストンピンであり、１２は中
空楕円形状の断面を有し、その径方向の厚みを一
様にした金属製外筒である。１３はCFRP製の内
筒部であり、前述したと同様の工程によつて金属
製外筒１２の内側に圧着される。ここで、楕円形
状の金属製外筒１２は鋼による丸棒等の外周を
NCグラインダ等で切削し、内側はブローチ等を
使つて削り出す。また、矢印Ｆ１，Ｆ２はピスト
ンピン１０に働く荷重方向を示している。

第３図は第２図に示したピストンピン１０の使
用状態を示し、ここで１４はピストンであり、ピ
ストン１４には円形断面のピンボス部１５を左右
に形成しておき、第４図に示す形状のブシユ１６
をピンボス部１５に嵌合しておく。１７はコンロ
ツドであり、コンロツド１７の小端部１８にあけ
たピストン孔１９は、第２図示のピストンピン外
形と同様の形状に形成する。ピストンピン１０を
ピストン１４の左右のピンボス部１５およびコン
ロツド１７のピストン孔１９に嵌合して、コンロ
ツド１７とピストン１４とを連結する。なお、ピ
ストンピン１０はその断面の楕円形の長軸方向が
ピストンピン１０にかかる荷重方向と一致するよ
うにしておく。すなわち、ピストンピン１０は金
属製外筒１２を、その断面の楕円形の長軸が荷重
の働く方向と同一方向になるように配置すれば、
例えば、この外筒１２の断面積および肉厚が、第
１図ＡおよびＢに示した円筒断面を有する外筒２
の断面積および肉厚にそれぞれ等しいとすると、
同じ荷重に対しては、外筒１２に生ずる最大せん
断応力の方が従来の外筒２に生ずる最大せん断応
力より小さくなり、従つてせん断力によるたわみ
量を小さくすることができる。なお、第２図示の
ピストンピン１０においては、金属製外筒１２は
半径方向に一様の厚みを有しており、最大せん断
応力が発生するのは断面の楕円形の短軸方向、す
なわち第２図においてはほぼＡ，Ｂ部である。

ここで、ブシユ１６を第４図示の形状にするの
は、ピストンピン１０がピストンピンボス部１５
で摺動できるようにするためである。また、ブシ
ユ１６は軽量化のために比重の小さいアルミニウ
ム等で形成するが、ピストン１４がアルミニウム
から形成されているため、焼付きを起すおそれが
ある。そこでブシユ１６の外周面には、鉄をめつ
きや溶射等により被着しておくのが好適である。

なお、前述の実施例では外筒部の横断面が楕円
形状の場合について述べたが、楕円形状に限らず
シリンダのほぼ上下方向に細長く、その上下両端
部にわん曲部を有する横断面形状ならいかなるも
のでもよいことは勿論であり、例えば、長方形の
両短辺を半円形状や半楕円形状等のわん曲部で置
き換え、同両長辺をシリンダの上下方向に揃えた
ような横断面形状あるいは卵形状の横断面とする
こともできる。また、ピストンピン１０のたわみ
に影響をおよぼす荷重は、エンジンの通常使用領
域では慣性力よりも爆発力の方が大きいので、ピ
ストンピン１０の断面の楕円形の長軸方向を爆発
荷重が最大となるクランク角15度前後の時の荷重
方向と一致させるのが好適である。更にまた、高
速回転エンジンにおいては慣性力の方が大きくな
るので、ピストンピン１０の断面の楕円形長軸方
向を、慣性力が最大となるクランク角０度の時の
荷重方向と一致させてもよい。

第５図は本考案の他の実施例を示す。第５図に
おいて、２０はピストンピンであり、２２はピス
トンピン２０の金属製外筒、２３はCFRP製の内
筒であり、この内筒２３を前述したと同様の方法
で外筒に圧着してピストンピン２０が構成され
る。この外筒２２もまた、第２図示のピストンピ
ン１０と同様に楕円形状であるが、ここでは、そ
の肉厚をピストンピン２０の断面の長軸方向が薄
く、短軸方向が厚くなるように形成する。また、
上述したと同様に、ピストンピン２０に働く最大
荷重方向Ｆ１，Ｆ２にピストンピン２０の断面の
楕円形長軸がくるようにピストンピン２０を配設
する。本例によれば、ピストンピン２０の最大せ
ん断応力発生部位Ａ，Ｂの厚みは、第２図示のピ
ストンピン２０に比して大きく、従つて、ピスト
ンピン２０に生じる最大せん断応力を低減して最
大荷重時のたわみを小さくすることができる。

第６図は本考案の更に他の実施例を示す。ここ
で３０はピストンピン、３２は金属製外筒であ
り、３３は外筒３２の内側に圧着されたCFRP製
の内筒である。外筒３２はその外周形状を円形と
し、内周形状を楕円形状として、この楕円の長軸
方向の肉厚により短軸方向の肉厚が厚くなるよう
に形成したものである。本例においても、長軸方
向をピストンピン３０に働く最大荷重の方向Ｆ
１，Ｆ２と一致させることにより、他の実施例と
同様にピストンピン３０のたわみを小さくするこ
とができる。この実施例によるピストンピン３０
の場合には、第３図において、コンロツド１７の
小端部１８に設けたピン孔１９にピストンピン３
０を圧入する際、予め外筒の内面の楕円形の長軸
を最大荷重の働く方向と一致させて固着する。ま
た、本例ではピストンピン３０の外周が円形に形
成されているので、第２図および第５図に示した
ピストンピン１０，２０のように、ピンボス部１
５に第４図に示す断面形状を有するブシユ１６を
必要としない利点がある。

以上説明してきたように本考案によれば、炭素
繊維強化プラスチツクを用いたピストンピンの金
属製外筒を、その横断面の内周およびまたは外周
を楕円形状や卵形状等、シリンダのほぼ上下方向
に細長く、かつその上下両端部にわん曲部をもつ
断面形状に形成し、ピストンピンの使用にあたつ
ては、これら楕円形状や卵形状の長軸方向とピス
トンピンに働く最大荷重の方向とが一致するよう
にしたので、従来と同じたわみ量を許容値とすれ
ば従来のピストンピンに比して軽量化を達成する
ことができる。

また、楕円形状や卵形状の横断面をもつ金属製
外筒の断面積を一定とした場合、金属製外筒の短
軸方向の肉厚を長軸方向の肉厚より厚くすること
により、たわみ量を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａは金属製外筒とCFRP製内筒からなる
従来のピストンピンの一例を示す縦断面図、第１
図Ｂはその横断面図、第２図は本考案ピストンピ
ンの一例を示す横断面図、第３図はピストンとピ
ストンピンおよびコンロツドの相対位置を示す線
図、第４図は第２図示のピストンピンと共に使用
するブシユの一例を示す横断面図、第５図および
第６図はそれぞれ本考案ピストンピンの他の実施
例を示す横断面図である。１…ピストンピン、２…外筒、３…内筒、１０
…ピストンピン、１２…外筒、１３…内筒、１４
…ピストン、１５…ピンボス部、１６…ブシユ、
１７…コンロツド、１８…小端部、１９…ピスト
ンピン孔、２０…ピストンピン、２２…外筒、２
３…内筒、３０…ピストンピン、３２…外筒、３
３…内筒、Ｆ１，Ｆ２…荷重方向。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

金属外筒と該金属外筒の内側に配置した炭素繊
維強化プラスチツク製の中空内筒とを有し、前記
金属外筒の外周および内周の横断面のうち、少な
くともその内周面の横断面を、シリンダのほぼ上
下方向に細長い長円形または楕円形の形状となし
て、当該金属外筒の短軸方向の厚さを少なくとも
長軸方向の厚さ以上としたことを特徴とするピス
トンピン。