JPS6298069A - ころがり軸受を有するピストン - 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】 この発明は、ピストン・クランク機構を有する装置（た
とえばレシプロエンジン、レシプロコンプレッサ等。以
下「装置」と呼ぶ。）のピストンの摺動部（すなわち、
ライナ壁面と接する部分）に、ころがり軸受を採用する
ことを、特長とするものである。

従来のピストンとライナは、ピストン外面とライナ内面
間の「すべり接触」によって接触していたが、今後の技
術革新に際しては、以下の問題点を有している。

（Ａ）摩擦損失低減に際しての問題点 ピストンとライナの「すべり接触」は、激しい速度変化
と方向変化を伴う運動であること、また特にレシプロエ
ンジンの場合は高温状態下での運動であることから、潤
滑条件が非常に厳しい。このため、その「すべり接触」
による摩擦損失はかなり大きなもので、今後、装置の効
率を高めていく上での重大な壁となっている。

（Ｂ）装置の無潤滑化に際しての問題点近年、特にレシ
プロエンジンの分野では、新材料開発（たとえばセラミ
ックスの開発）に伴って、装置の無潤滑化・無冷却化が
模索されている。すなわち新材料を装置各部の１動部分
に導入して、無潤滑・無冷却の運転を可能にしようとし
ている。

そのねらいは、潤滑油・冷却水を不要とすることで、そ
の供給のための補機を省き機械効率向上を図ることにあ
る。また、燃焼エネルギーが潤滑油・冷却水に逃げるの
を防ぎ、熱効率向上を図ることにある。

具体的には、各ジャーナルの「すべり軸受」にかえて、
セラミックのローラやボールを用いた「ころがり軸受」
を多用することで、無潤滑化に挑んでいる。しかし、ピ
ストンについては、その運動がライナの円筒面内を軸方
向にすべるものであるため、従来の「ころがり軸受」は
使用できない。よって、新材料そのものの耐焼付性・ｉ
′１ｉｌＦｉ摩耗性に頼り、無潤滑条件下での「すべり
接触」の信頼性を増そうとしている。

しかし、条件は非常に苛酷で、新材料といえども信頼性
要求を満足できず、大きな壁に直面している。

（Ｃ）騒音低減に際しての問題点 ピストンとライナ間の良好な「すべり接触」を可能にす
る為には、両者の間に適切なオイルクリアランスを設け
る必要がある。しかし、ピストンや連接棒が激しく運動
方向を変える際、またレシプロエンジンでは爆発イテ哩
に於いて、オイルクリアランス分が原因となり、ピスト
ンが激しくライナ壁に打ちつけられて打音を発する。　
（ピストンスラップ音と呼ばれているもの。）　このス
ラップ音は、装置全体の騒音に於いて大きな位置を占め
、騒音低減の壁になっている。

また、レシプロディーゼルエンジンに於いては、始動直
後や部分負荷時のスラップ音がしばしば問題となる。　
（これは、全負荷時のオイルクリアランスを最適に設計
すると、始動直後や部分負荷時にはピストンの熱収縮系
がシリンダの熱収縮率を上回り、オイルクリアランスは
増加し、スラップ音が大きくなるためである。） 以上、従来技術の問題点を説明した。

これらの問題を克服する手段として、「すべり接触」に
かわる「ころがり接触」を后うピストンを発明した。

以下、その構造例を順次説明する。すなわち、代表的な
例として、レシプロディーゼルエンジン用の構造Ａ１構
造Ｂ１構造Ｃのピストンを説明する。

ｆｆ造Ａ　：　　レシプロディーゼルエンジン用「ころ
がり軸受を有するピストン」 ねらい：摩擦損失・低減 第１図〜第５図参照 （イ）ピストン１とライナ２は、ランド部３に於いては
接触しておらず、適当なりリアランスを有している。

（ロ）ピストン１とライナ２は、ローラ４を介して「こ
ろがり接触」をしている。

（ハ）ピストンｌは、ローラ４を合計４個有しており、
この４個で往復連間を保持し、チルト運動を抑制してい
る。

（ニ）ローラ４は、その外周面がライナ２の内面に習う
べく、ライナ２の内面半径とほぼ同一の半径を有してい
る。

（ホ）ローラ４はニードルベアリング５を介してシャフ
ト６により保持されている。

くべ）シャフト６は、ピストン１のピンポス部分８から
突き出した支持壁７に設けられた穴に差し込まれて、保
持されている。

（ト）ピストン１には、コンプレッションリング９．１
０ならびにオイルミスト１１が組込まれており、それぞ
れ燃焼ガスのシール、潤滑油のシールをつかさどる。

構造Ａでは、「ころがり軸受」をピストンに使用するこ
と以外には、従来のレシプロディーゼルエンジンと変わ
るところはない。

潤滑油の使用方法も従来通りである。すなわち、ニード
ルベアリング５ならびにローラ４の外周面の潤滑は、ば
ねかけのオイル、装置内のオイルミスト、もしくはピス
トンクーリングノズルからの噴油による。

よって、ローラ４．ニードルベアリング５．シャフト６
の材質は一般的な鉄またはアルミニウム系で信頼性が確
保される。また耐摩耗性向上の観点から、セラミック系
の採用も考えられる。

コンプレッションリング９，１０ならびにオイルリング
１１についても、従来の設計・材質で信頼性が確保きれ
る。ピストン１の材質は、鋳鉄系およびアルミニウム系
のいずれでも可能であるが、第１図〜第５図は、一応鋳
鉄系の設計にて表示しである。

構造Ａを有するピストンの利点は、以下の通りである。

（イ）ピストンの摺動部に「ころがり軸受」を採用して
いることにより、「すべり接触（高温条件下での激しい
速度変化・方向変化を伴う運動で、あるタイミングに於
いては、潤滑油を介さないすべりも発生しているもの）
」に比べて大喝な摩擦損失低減が可能である。

（ロ）高速運転時の油膜ぎれを主因とするピストン・ラ
イナ間の焼付に対しての信頼性が増す。

（ハ）従来、ピストンが「すべり接触」であった為、大
きなすべり面を必要としていたのに対して、「ころがり
軸受」を採用したため、非常に＠量・コンパクトな設計
が可能となる。参考として、従来のピストンとの寸法・
重量の比較を表１に示す。

表１各ピストンの重量・寸法の比較 ・数値は、アルミピストンを１００とする指数・コンプ
レッションハイトとは、ピン中心から頂面まで。

構造Ｂ：　レシプロディーゼルエンジン用「ころがり軸
受を有するピストン」 ねらい：無潤滑化 第６図参照 構造Ｂは、前述の構造Ａを基本としている。ただし、潤
滑油照しての運転を前提としており、ピストシリングの
講成と各部材質が異なるので、この点のみを説明する。

説明を首略した箇所は構造Ａと同一である。

（イ）ピストン１０１には、コンプレッションリング１
０９，１１０のみが組込まれており、燃焼ガスのシール
をつかさどる。

（ロ）潤滑油がないので、オイルリングは不要である。

（ハ）ライナ１０２の内面、コンプレッションリング１
０９，１１０の外周面は、セラミック系の材料で被覆さ
れており、無潤滑運転を可能にしている。

（ニ）ローラ１０４．ニードルベアリング１０５．シャ
フト１０６は、それら自体がセラミック系であるか、ま
たは、セラミック系材料で被覆されており、無潤滑運転
を可能にしている。

構造Ｂでは、セラミック系等の／１′７料を用いた「こ
ろがり軸受」をピストン摺ｍ部に採用することで、装置
の無潤滑運転を可能にした。

構造Ｂを有するピストンの利点は、以下の通りである。

（イ）無潤滑運転を可能にしたことで、オイルポンプは
不要となり、機械効率向上を図ることができる。

（ロ）燃焼エネルギーカ貌閏滑油に逃げるのを防ぎ、熱
効率向上を図ることができる。

（ハ）加えて、前述の構造Ａの利点をそのまま受は継い
でいる。特に、摩擦損失低減に於いては、構造Ａにまさ
る効果がある。それはピストンリングの中で最も摩擦損
失の大きなオイルリングが無い為である。

構造Ｃ：レシプロディーゼルエンジン用「ころがり軸受
を有するピストン」 ねらい：騒音低減 第７図〜第１０図参照 構造Ｃは、前述の構造Ａを基本としている。潤滑油は、
従来のレシプロディーゼルエンジンと変わらす、オイル
ポンプによって供給される。

ただし、潤滑油圧を利用してローラをライナ内面に挿し
つけて、ピストンスラップ音をなくす点が、構造Ａと異
なるので、この点を説明する。

説明を省略した箇所は、構造Ａと同一である。

（イ）潤滑油は、連接棒２１２の内部に設けられた連接
棒内油穴２１４によって、小端ブシュまで導かれる。

（ロ）小端ブシュには、／ＩＸ端ブシブシュ油溝２１５
けられている。

（ハ）潤滑油は、小端ブシュ油溝２１５から、ピストン
ピン２１３に設けられたピストンピン内油穴２１６を経
て、ピストンピンまわり止め２１７に導かれる。

（ニ）ピストンピンまわり止め２１７を経て、潤滑油は
、油室２１８を通り、ポールバルブ２１９を押し上げ油
圧室２２１に貯えられる。

（ホ）油圧室２２１では、スプリング２２０とポールバ
ルブ２１９の逆止弁としての働きによって、内部に一定
油圧が保持されている。

（へ）この一定油圧は、プランジャ２２２を介してシャ
フト２０６のシャフト両端平坦部２２３に作用し、シャ
フト２０６を常に外側に押し出そうとしている。

（ト）この結果、片側の２つのローラ２０４は、常にラ
イナ２０２の内面に拝しつけられている。

（チ）これにより、ローラ２０４とライナ２０２のクリ
アランスは、いかなる運転条件でもゼロとなる。また、
長時間運転後、摩耗が進后した時点でも、クリアランス
はゼロとなる。

（１月なお、支持壁２０７に設けられたシャフト２０６
固定用の穴は、長円形をしており、シャフト２０６の左
右方向の位置移励を可能にしている。

構造Ｃでは、潤滑油圧を利用して、「ころがり軸受」の
ローラを常にライナ内面に押しつけて運転することを、
可能にした。

構造Ｃを有するピストンの利点は、以下の通りである。

（イ）ピストンスラップ音をゼロにすることができ、装
置の大喝な騒音低減が可能である。

また、長時間稼動後も、騒音の増大はない。

（ロ）゛・ライナの振励を低く抑えることができ、ライ
ナ外壁のキャビテーシミンピッチングを防ぐことができ
る。

（ハ）加えて、前述の構造Ａの利点を、そのまま受は継
いでいる。

【図面の簡単な説明】

第１刃は、摩擦損失低減をねらいとした、レシプロディ
ーゼルエンジン用「こ ろがり軸受を有するピストン」 （以下、構造Ａという）の正面図。 第２図は、構造Ａ、第１図のＩ−Ｉ断面図。 第３図は、構造Ａの側面図。 第４図は、構造Ａ、第１図のｎ−ｎ断面Ｚ。 第５図は、構造Ａ、第３図のＭ−Ｉ［Ｉ断面図。 第６図は、無潤滑化をねらいとした、レシプロディーゼ
ルエンジン用「ころが り軸受を有するピストン」　（構造 Ｂという）の正面図。 第７図は、騒音低減をねらいとした、レシプロディーゼ
ルエンジン用「ころが り軸受を有するピストン」　（以下、 構造Ｃという。）の正面図。 第８図は、構造Ｃ２第７図のＩＶ−ＩＶ断面図。 第９図は、構造Ｃの、連接棒からピストンピンを経てピ
ストンに至る油路を、 説明する斜視図。 第１０図は、構造Ｃの、「ころがり軸受」のシャフト保
持部油圧室の、構成部８斜 親図。 １は、ピストン ２は、ライナ ３は、ランド部 ４は、ローラ ５は、ニードルベアリング ６は、シャフト ７は、支持壁 ８は、ピンポス部分 ９は、コンプレッションリング（トップ）１０は、コン
プレッションリング（セカンド）１１は、オイルリング １０１は、ピストン １０２は、ライナ １０４は、ローラ １０５は、ニードルベアリング １０６は、シャフト １０９は、コンプレッションリング（トップ）１１０は
、コンプレッションリング（セカンド）２０２は、ライ
ナ ２０４は、ローラ ２０６は、シャフト ２０７は、支持壁 ２１２は、連接棒 ２１３は、ピストンピン ２１４は、連接棒内油穴 ２１５は、小端ブシュ油溝 ２１６は、ピストンピン内油穴 ２１７は、ピストンピンまわり止め ２１８は、油室 ２１９は、ポールバルブ ２２０は、スプリング ２２１は、油圧室 ２２２は、プランジャ ２２３は、シャフト両端平坦部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ピストン・クランク機構を有する装置に於いて、そのピ
   ストンの摺動部にころがり軸受を採用すること。