(57)【要約】【課題】クランクシャフト１にコンロッド２を介してピストン３を支持する構造において、支持構造全体（特にピストン３、ピストンピン５ならびにコンロッド２小端部２２）の軽量化と強度強化とをバランス良く両立する。【解決手段】ピストン３とピストンピン５との間、およびピストン３の冠部３１内面とコンロッド２の小端部２２外面との間に、摺接面が設けられている。コンロッド２の小端部２２においてエンジン燃焼に伴い発生する圧縮力が通過する断面領域の肉厚（径方向寸法）Ｑに対するコンロッド２の小端部２２の外半径Ｒの比で表される形状係数ｋ（Ｑ／Ｒ）が、０．５±０．２の範囲であるとともに、コンロッド２の小端部２２側の摺接面の片側開き角θが、６０度以上である。【選択図】図１
2014052021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンのクランクシャフトにコンロッドを介してピストンを支持する構造であって、
前記ピストンと当該ピストンを前記コンロッドに連結するためのピストンピンとの間、および前記ピストンの冠部内面と前記コンロッドの小端部との間に、摺接面が設けられており、
前記コンロッドの小端部において前記エンジン燃焼に伴い発生する圧縮力が通過する断面領域の肉厚Ｑに対する前記コンロッドの小端部の外半径Ｒの比で表される形状係数ｋ（Ｑ／Ｒ）が、０．５±０．２の範囲であるとともに、前記コンロッドの小端部側の摺接面の片側開き角θが、６０度以上である、ことを特徴とするピストン支持構造。
【請求項２】
請求項１に記載のピストン支持構造において、
前記コンロッドには、前記クランクシャフト側に供給される潤滑油を、前記ピストンの冠部内面と前記コンロッドの小端部との摺接面に導くための油導入経路が設けられている、ことを特徴とするピストン支持構造。
【請求項３】
請求項１または２に記載のピストン支持構造において、
前記ピストンの冠部内面には、前記コンロッドの小端部が摺接される凹状部が遠ざかる向きに張り出すように設けられており、この凹状部の付け根側の幅が、当該凹状部の開き幅よりも小さく設定されている、ことを特徴とするピストン支持構造。
【請求項４】
請求項３に記載のピストン支持構造において、
前記凹状部の片側開き角θｐは、８０〜９０度である、ことを特徴とするピストン支持構造。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載のピストン支持構造において、
前記ピストンの冠部内面には、前記ピストンピンを支持するための一対のピンボス部が遠ざかる向きに突出するように設けられている、ことを特徴とするピストン支持構造。
【請求項６】
請求項５に記載のピストン支持構造において、
前記凹状部は、前記一対のピンボス部の間の領域に設けられており、
前記ピストンの冠部内面および前記ピストンスカートの内周面から前記凹状部において付け根側より張り出す領域に向けて補強リブが設けられており、
この補強リブは、前記冠部内面において前記凹状部の開き方向に沿う板状壁部とされている、ことを特徴とするピストン支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンをコンロッドを介してクランクシャフトに支持する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に搭載される一般的なエンジンでは、シリンダ内に収容されたピストンがコネクティングロッド（コンロッド）を介してクランクシャフトに支持されている。コンロッドの小端部がピストンピンを介してピストンに連結されており、コンロッドの大端部がクランクシャフトのクランクピンに連結されている。
【０００３】
近年におけるエンジンの燃焼圧の上昇に伴いピストンをクランクシャフト方向に押し付ける圧縮力が増加している。一般に、前記圧縮力はピストンからピストンピンへ伝達されてから、このピストンピンからコンロッドへと伝達されるようになっている。
【０００４】
これに対して、例えば特許文献１には、ピストンの冠部内面とコンロッド小端部とを摺接させる構成を追加し、前記圧縮力を主としてピストンからコンロッドへと直接的に伝達させて、ピストンの慣性力をピストンのピンボス部とピストンピンとの摺接面に負担させるようにすることが記載されている。この特許文献１には、前記構成により、ピストンのピンボス部およびピストンピンの径をそれぞれ小さくできて軽量化が可能になると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭６１−５８６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１には、ピストンの冠部内面とコンロッド小端部との摺接部分の形状を工夫して軽量化と強度強化とをバランス良く両立するという技術思想を窺い知ることはできない。
【０００７】
このような事情に鑑み、本発明は、ピストンをコンロッドを介してクランクシャフトに支持する構造において、ピストンの冠部内面とコンロッド小端部との摺接部分の形状を工夫することにより、支持構造全体の軽量化と強度強化とをバランス良く両立することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、エンジンのクランクシャフトにコンロッドを介してピストンを支持する構造であって、前記ピストンと当該ピストンを前記コンロッドに連結するためのピストンピンとの間、および前記ピストンの冠部内面と前記コンロッドの小端部との間に、摺接面が設けられており、前記コンロッドの小端部において前記エンジン燃焼に伴い発生する圧縮力が通過する断面領域の肉厚Ｑに対する前記コンロッドの小端部の外半径Ｒの比で表される形状係数ｋ（Ｑ／Ｒ）が、０．５±０．２の範囲であるとともに、前記コンロッドの小端部側の摺接面の片側開き角θが、６０度以上である、ことを特徴としている。
【０００９】
本発明では、エンジンの爆発力（圧縮力）を、ピストンの冠部内面とコンロッドの小端部との摺接部分およびピストンとピストンピンとの摺接部分に分担させる形態を前提にしている。
【００１０】
このような形態の場合、前記爆発力をピストンとピストンピンとの摺接部分のみで負担させている場合に比べると、ピストンとピストンピンとの摺接部分における摺接幅を小さくすることが可能になるので、ピストンの軽量化が可能になる。
【００１１】
しかも、ピストンの冠部内面とコンロッドの小端部との摺接部分の形状を前記数値で規定すれば、下記実施形態で詳細に説明しているように、ピストン支持構造（特にコンロッドの小端部、ピストンならびにピストンピン）の軽量化と強度強化とをバランス良く両立することが可能になる。
【００１２】
好ましくは、前記コンロッドには、前記クランクシャフト側に供給される潤滑油を、前記ピストンの冠部内面と前記コンロッドの小端部との摺接面に導くための油導入経路を設けることが可能である。
【００１３】
この構成では、潤滑油がピストンピンとピンボス部との摺接部分に供給され、この後、凹状部とコンロッド小端部との摺接部分に供給されることになる。これにより、前記各摺接部分を良好に潤滑できるようになって、その動きを円滑化することが可能になる。
【００１４】
好ましくは、前記ピストンの冠部内面には、前記コンロッドの小端部が摺接される凹状部を遠ざける向きに張り出すように設け、この凹状部の付け根側の幅を、当該凹状部の開き幅よりも小さく設定する、ことが可能である。
【００１５】
ここでは、凹状部をピストンの冠部から遠ざける向きに張り出すように設置しながら、その肉部を可及的に少なくして質量を軽減可能にするようにしている。
【００１６】
好ましくは、前記凹状部の片側開き角θｐは、８０〜９０度であるという構成にすることができる。
【００１７】
ここで、前記凹状部の片側開き角θｐを９０度より大きくすると、凹状部にコンロッド小端部を嵌め合わせることが物理的に不可能になるので、θｐの上限値を９０度にしている。そして、前記凹状部の片側開き角θｐを８０度より小さくすると、凹状部に対してコンロッド小端部の接触がエッジ当たりになりやすくて、好ましくないので、片側開き角θｐの下限側の許容値を８０度にしている。
【００１８】
このような理由を根拠として前記θｐの上限値および下限値を特定すれば、前記凹状部にコンロッド小端部を嵌め合わせることが可能になって、しかも前記凹状部に対してコンロッド小端部をエッジ当たりさせにくくすることが可能になる。
【００１９】
好ましくは、前記ピストンの冠部内面には、前記ピストンピンを支持するための一対のピンボス部を遠ざける向きに突出させるように設ける、ことが可能である。
【００２０】
ここで、仮に、コンロッドの小端部の軸方向長さを短くする場合、一対のピンボス部の対向間隔を小さくできる。従来例のようにピストンスカートに設置する場合において前記対向間隔を小さくするにはピンボス部の軸方向長さを長くする必要がある。それに対して、本発明の前記構成の場合において前記対向間隔を小さくするには、一対のピンボス部を接近して設置すればよくなる。そのため、本発明の前記構成の場合、前記従来例に比べてピンボス部を薄肉、軽量化することが可能になる点で有利であると言える。
【００２１】
好ましくは、前記凹状部は、前記一対のピンボス部の間の領域に設けられており、前記ピストンの冠部内面および前記ピストンスカートの内周面から前記凹状部において付け根側より張り出す領域に向けて補強リブが設けられており、この補強リブは、前記冠部内面において前記凹状部の開き方向に沿う板状壁部とされている、構成とすることができる。
【００２２】
この構成では、ピストンの凹状部の質量の増加を抑制しながら凹状部の付け根側の剛性を確保することが可能になる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、ピストンをコンロッドを介してクランクシャフトに支持する構造において、支持構造全体の軽量化と強度強化とをバランス良く両立することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係るピストン支持構造の一実施形態で、図２の（１）−（１）線断面の矢視図である。
【図２】本発明に係るピストン支持構造の一実施形態で、一部を断面にして示す側面図である。
【図３】図１のコンロッドの傾きが最大になる状態を示す図である。
【図４】図１のピストンが下死点に位置する状態を示す図である。
【図５】図１のピストン単体を下から見た図である。
【図６】図５の（６）−（６）線断面の矢視図である。
【図７】図２においてピストンとコンロッドとの連結部分を拡大した図であり、ピストンおよびピストンピンを軽量化する部分の説明に用いる図である。
【図８】コンロッドの小端部を拡大して示す図であり、小端部外面の片側開き角θの説明に用いる図である。
【図９】コンロッドの小端部の中心軸線に沿って横方向（コンロッド長手方向と直交する方向）に断面にした状態の斜視図であり、形状係数ｋの説明に用いる図である。
【図１０】コンロッド小端部の質量Ｍの計算式の説明に関係する図である。
【図１１】ピストンピンの曲げ強度（断面２次モーメントＩ）の計算式の説明に関係する図である。
【図１２】形状係数ｋと片側開き角θとを適宜に設定したいろいろなコンロッド小端部の正面形状を示す図である。
【図１３】本発明で規定するパラメータ（形状係数ｋ、コンロッド小端部の片側開き角θ）に対するコンロッド小端部の質量Ｍの関係を示すグラフである。
【図１４】本発明で規定するパラメータ（形状係数ｋ、コンロッド小端部の片側開き角θ）に対するピストンピンの曲げ強度（断面２次モーメントＩ）の関係を示すグラフである。
【図１５】形状係数ｋに対するコンロッド２の小端部２２の質量Ｍの変化および質量比（Ｍ／Ｍ0）の変化を示すグラフである。
【図１６】ピストンとコンロッドとの摺接部分の形状を本発明の規定範囲外に設定した場合（図１２の試料Ｙ１に相当）について、コンロッドの傾きが最大になる状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
図１から図４に示すように、図示していないエンジンのクランクシャフト１にはコンロッド２を介してピストン３が支持されている。ピストン３は、シリンダブロック４（図２にのみ記載）のシリンダボア４１内にスライド可能に収納されている。
【００２７】
クランクシャフト１は、シリンダブロック４に回転自在に支持されるクランクジャーナル１１と、コンロッド２の大端部２１が回転自在に支持されるクランクピン１２とを備えている。コンロッド２の小端部２２は、ピストンピン５を介してピストン３に連結されている。
【００２８】
クランクジャーナル１１とシリンダブロック４との間、およびクランクピン１２とコンロッド２の大端部２１との間には、それぞれ２つ割りのベアリング６Ａ，６Ｂ，７Ａ，７Ｂが介在されている。
【００２９】
図２および図５に示すように、ピストン３の冠部３１内面には、ピストンピン５の軸方向両端を支持するための一対のピンボス部３２，３３が設けられている。
【００３０】
このピンボス部３２，３３は、ピストン３の冠部３１内面から遠ざかる方向（ピストンスカート３４の先端側に向かう方向）に突出される板状壁部とされている。この両板状壁部は、互いに平行に対向されており、当該両板状壁部の板厚方向にはそれぞれ同軸となるようにピストンピン５挿入用の貫通孔が設けられている。
【００３１】
また、ピストン３の冠部３１内面において前記一対のピンボス部３２，３３の対向間には、コンロッド２の小端部２２に摺接される凹状部３５が設けられている。
【００３２】
この実施形態では、エンジンの爆発力（エンジンの燃焼に伴いピストン３をクランクシャフト１方向に押し付ける圧縮力）Ｆｐを、ピストン３の冠部３１の内面（凹状部３５）とコンロッド２の小端部２２との摺接部分およびピストン３とピストンピン５との摺接部分に分担させるような形態になっている。
【００３３】
このような形態の場合、従来例（前記圧縮力Ｆｐをピストン３とピストンピン５との摺接部分のみで負担させてピストン３の冠部３１の内面（凹状部３５）とコンロッド２の小端部２２との摺接部分に負担させていないもの）の場合に比べると、ピストン３とピストンピン５との摺接部分における摺接幅、ピストンピン５の軸方向寸法（長さ）および内径寸法を小さくすることが可能になるので、ピストン３およびピストンピン５を軽量化するうえで有利となる。
【００３４】
詳しくは、例えば図７において、ピンボス部３２，３３およびピストンピン５においてクロスハッチングを付している領域を削除できる。
【００３５】
ここで、従来例でのピンボス部の質量をＷ０、本実施形態でのピンボス部３２，３３の質量をＷ、前記従来例の摺接部分の面積をＡＡ０、本実施形態におけるピストン３とピストンピン５との摺接部分の面積をＡＡ１、本実施形態におけるピストン３の冠部３１の内面（凹状部３５）とコンロッド２の小端部２２との摺接部分の面積をＡＡ２とする。
【００３６】
前記従来例とは、前記圧縮力Ｆｐをピストン３とピストンピン５との摺接部分のみで負担させて、ピストン３の冠部３１の内面（凹状部３５）とコンロッド２の小端部２２との摺接部分に負担させていないものとする。
【００３７】
前記摺動部の面積比（ＡＡ２／ＡＡ１）＝β・・・(1)とすると、
前記従来例のピンボス部の質量Ｗ０を係数αを用いて比例関係を表すと、
Ｗ０＝α×ＡＡ０・・・(2)
本実施形態では、圧縮力Ｆｐを摺動部分ＡＡ１，ＡＡ２で分担するので、
ＡＡ０＝（ＡＡ１＋ＡＡ２）・・・(3)
コンロッド２の小端部２２の摺動部分の面積ＡＡ２は、ピンボス部３２，３３の質量Ｗをほぼ含まない。
【００３８】
Ｗ＝α×ＡＡ１・・・(4)
式(1)、(2)、(3)より、
Ｗ０＝α×ＡＡ０＝α（ＡＡ１＋ＡＡ２）＝α×ＡＡ１（１＋ＡＡ２／ＡＡ１）
＝α×ＡＡ１（１＋β）・・・(2)´
式(4)より、
Ｗ０＝α×ＡＡ１（１＋β）＝Ｗ×（１＋β）・・・(2)´´
従って、
Ｗ＝Ｗ０／（１＋β）・・・(5)
すなわち、コンロッド２の小端部２２の摺動部分の面積ＡＡ２が増加するほどβが増加し、ピストン３のピンボス部３２，３３の質量Ｗは反比例して減少する。
【００３９】
このようなことから、この実施形態のように、圧縮力Ｆｐを、ピストン３の冠部３１の内面（凹状部３５）とコンロッド２の小端部２２との摺接部分およびピストン３とピストンピン５との摺接部分に分担させるような形態を採用すれば、ピストン３およびピストンピン５を軽量化できることが判る。
【００４０】
そして、この実施形態では、前記したような形態を前提として、ピストン３の冠部３１とコンロッド２の小端部２２との摺接部分の形状を工夫することにより、ピストン３の支持構造全体の軽量化と強度強化とをバランス良く両立させることを可能にしている。以下で、詳細に説明する。
【００４１】
前記摺接部分の形状を決めるためのパラメータとして、コンロッド２の小端部２２の形状係数ｋと、小端部２２の外径側摺接面の片側開き角θとを挙げている。
【００４２】
そして、形状係数ｋを０．５±０．２の範囲、好ましくは０．３、０．４、０．５、０．６、０．７のいずれかにしたうえで、片側開き角θを６０度以上、９０度以下にしている。
【００４３】
なお、ピストン３の凹状部３５の片側開き角θｐについては、８０〜９０度にすることが好ましい。このθｐを９０度より大きくすると、凹状部３５にコンロッド２の小端部２２を嵌め合わせることが物理的に不可能になる。このことから、θｐの上限値を９０度にしている。このθｐを９０度から小さくするほど、凹状部３５とコンロッド２の小端部２２との接触面積が小さくなる。そこで、θｐの下限値つまり下限側の許容値については、コンロッド２の小端部２２の片側開き角θを下限値である６０度にした場合に凹状部３５に対する小端部２２の接触面積を可及的に大きくすることを狙って８０度にしている。
【００４４】
以下、図８から図１４を参照して、前記形状係数ｋおよび片側開き角θの数値を特定した根拠を詳細に説明する。
【００４５】
なお、図８から図１１には、コンロッド２の小端部２２の形状係数ｋ＝０．３、片側開き角θを６３度とする場合の形状を示している。この場合の形状は、小端部２２の上半分が円筒形ではなく、小端部２２の上半分の両側寄りの外径側が垂直下方に切り欠かれている。
【００４６】
まず、形状係数ｋは、図８および図９に示すように、コンロッド２の小端部２２において圧縮力Ｆｐが通過する断面領域（図９の符号２２１，２２２）の肉厚Ｑに対するコンロッド２の小端部２２の外半径Ｒの比（Ｑ／Ｒ）で表される。
【００４７】
前記断面領域２２１，２２２は、図９に示すように、小端部２２を中心軸線１２０に沿って横方向に断面にした領域（ハッチング参照）のことである。前記横方向とは、図３および図８に示すように、コンロッド２の長手方向（大端部２１中心と小端部２２中心とを通る直線に沿う方向）１００と直交する方向１１０のことである。
【００４８】
この断面領域２２１，２２２の面積（断面積）Ｓｃは、コンロッド２の小端部２２の長さ（軸方向寸法）をＨとすると、Ｑ×Ｈ×２で求められる。ここでは、形状変化を把握しやすくするために、断面積Ｓｃ＝Ｑ×Ｈ×２＝一定＝１として正規化する。つまり、断面積Ｓｃを一定にするので、肉厚Ｑを大きくすると長さＨが小さくなり、反対に肉厚Ｑを小さくすると長さＨが大きくなる。
【００４９】
また、片側開き角θとは、コンロッド２の小端部２２の上半分において圧縮力Ｆｐを受ける領域（荷重負荷圏）の片半分領域の角度のことである。したがって、この片側開き角θは９０度が最大値となるので、この片側開き角θの上限値を９０度にしている。
【００５０】
具体的に、前記形状係数ｋおよび片側開き角θの数値を特定するにあたって、コンロッド２の小端部２２の質量Ｍと、ピストンピン５の曲げ強度（断面２次モーメントＩ）とのバランスを考慮しているので、図１２から図１４を参照して説明する。
【００５１】
図１２には、形状係数ｋと片側開き角θとを適宜に特定した場合のコンロッド２の小端部２２の正面形状を示している。
【００５２】
この図１２に示す試料Ｘ１〜Ｘ９、Ｙ１〜Ｙ５は、小端部２２の正面形状の下半分領域を単純に半円筒形にしている。一点鎖線で囲んでいる試料Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４、Ｘ５、Ｘ６、Ｘ７、Ｘ８、Ｘ９は、本発明の数値範囲内に含まれるものであって、本発明の実施形態に相当する。それ以外の試料Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４、Ｙ５は、本発明の数値範囲内に含まれないものであって、本発明の比較例に相当する。
【００５３】
図１２の試料Ｘ１、Ｘ３、Ｘ５、Ｘ７、Ｙ２、Ｙ３に示すように、片側開き角θを９０度とする場合には、形状係数ｋに関係なく、小端部２２の上半分領域の正面形状が半円筒形になり、小端部２２の上半分領域における肉厚が一定になる。
【００５４】
しかし、図１２の試料Ｘ２、Ｘ４、Ｘ６、Ｘ８、Ｙ４、Ｙ５に示すように、片側開き角θを６０度とする場合には、形状係数ｋに関係なく、小端部２２の上半分領域の正面形状は半円筒形にならず、小端部２２の上半分領域における両側寄りの外径側が垂直下方に切り欠かれた形状になる。
【００５５】
参考までに、片側開き角θを９０度未満６０度以上とする場合も６０度とする場合と同様である。なお、試料Ｘ９は、形状係数ｋを０．３、片側開き角θを６３度にしており、試料Ｙ１は、形状係数ｋを０．３、片側開き角θを３７度にしている。
【００５６】
そして、図１２から、形状係数ｋを小さくするほど、小端部２２の内孔の内径寸法が大きくなり、小端部２２の上半分の肉厚が小さくなることが判る。この場合、前記しているように、断面積Ｓｃ＝Ｑ×Ｈ×２＝一定＝１として正規化しているので、図示していないが、小端部２２の軸方向長さＨが大きくなることは言うまでもない。
【００５７】
一方、形状係数ｋを大きくするほど、小端部２２の内孔の内径寸法が小さくなり、小端部２２の上半分の肉厚が大きくなることが判る。この場合、前記しているように、断面積Ｓｃ＝Ｑ×Ｈ×２＝一定＝１として正規化しているので、図示していないが、小端部２２の軸方向長さＨが小さくなることは言うまでもない。
【００５８】
図１３には、形状係数ｋおよび片側開き角θに対するコンロッド２の小端部２２の質量Ｍの関係を示し、図１４には、形状係数ｋおよび片側開き角θに対するピストンピン５の曲げ強度（断面２次モーメントＩ）の関係を示している。
【００５９】
なお、図１３中に記載しているＺ１，Ｚ２は、従来例に係る特許文献１の図１（ｂ）、図２（ｂ）に記載している図形から形状係数ｋと片側開き角θとを読み取ったデータを有する試料である。試料Ｚ１は、ｋ＝０．１８、θ＝２３度であり、試料Ｚ２は、ｋ＝０．１８８、θ＝５２度であった。
【００６０】
図１３から判るように、形状係数ｋが大きくなるほどコンロッド２の小端部２２の質量Ｍが小さくなり、有利である。しかしながら、ピストンピン５の曲げ強度（断面２次モーメントＩ）は形状係数ｋの２乗に反比例するので、図１４から判るように、形状係数ｋが大きくなるほどピストンピン５の曲げ強度Ｉが極端に低下し、不利である。
【００６１】
また、図１３に示すように、形状係数ｋが０．５よりも小さい側だと質量Ｍが片側開き角θに対し凸曲線となるが、形状係数ｋが０．５以上だと質量Ｍが片側開き角θに対し単調に増加する曲線となって、かつ片側開き角θが９０度のときに質量Ｍの変化がゼロになる。したがって、形状係数ｋが０．５の近傍であると、片側開き角θが９０度から６０度までの範囲で質量Ｍの変化が緩やかになり、製造時の精度公差を緩く設定できるようになるなど、有利である。
【００６２】
また、形状係数ｋが０．５未満における凸曲線の両側でコンロッド２の小端部２２の質量Ｍが小さくなるが、凸曲線の左側（θが０近傍側）は片側開き角θが小さいため、ピストン３の凹状部３５の中心寄りにコンロッド２の小端部２２の外面における切り欠き部のエッジ（図８、図９参照）が当接して、当該当接部位が応力集中により破損するおそれがあるなど、不利である。つまり、エッジ当たりは、本発明範囲外の試料Ｙ１（ｋ＝０．３、θ＝３７度、図１６参照）のように片側開き角θが小さいほど発生しやすくなる。
【００６３】
要するに、形状係数ｋが０．５より小さくなると、ピストンピン５の強度（断面２次モーメントＩ）が大きくなるものの、コンロッド２の小端部２２の質量Ｍが増加する。一方、形状係数ｋが０．５より大きくなると、コンロッド２の小端部２２の質量Ｍが小さくなるものの、ピストンピン５の曲げ強度Ｉが低下する。
【００６４】
これらのことから、質量Ｍと曲げ強度Ｉとをバランス良く両立できる最適値が、ｋ＝０．５、θ＝９０度であることが判った。
【００６５】
この最適値からの許容範囲について検討する。図１４において、θ＝９０度の線上で、前記最適な形状係数ｋ＝０．５のピストンピン５の曲げ強度（断面２次モーメントＩ）に対し、２倍の強度がｋ＝０．３であり、１／２の強度がｋ＝０．７である。
【００６６】
そして、前記最適値とする場合における質量Ｍ０を「１」とすると、図１３に示すように、ｋ＝０．３、θ＝９０度の場合における質量Ｍ１は「１．１３」、つまり前記最適値における質量Ｍ０に対して１３％アップとなり、また、ｋ＝０．７、θ＝９０度の場合における質量Ｍ２は「０．８７」、つまり前記最適値における質量Ｍ０に対して１３％ダウンとなる。
【００６７】
これらの質量Ｍと強度Ｉとに基づいて、形状係数ｋの下限値つまり下限側の許容値を０．３にし、上限値つまり上限側の許容値を０．７にした。
【００６８】
次に、片側開き角θの下限値については、図１３において、ｋ＝０．３のとき、質量Ｍが最大となる凸極の位置（θ＝６３度）からθが大側（前記凸極の右側）になると、質量Ｍが緩やかに減少することになる。このことから、θの下限値については、前記質量Ｍが最大となる前記凸極の位置であるθ＝６３度に適宜のマージンを加味して、６０度にした。
【００６９】
そして、形状係数ｋが０．３以上、０．７以下で、かつ片側開き角θが６０度以上の場合に、図１３にハッチングで示すように、コンロッド２の小端部２２の質量Ｍの変化が可及的に小さくなり、しかも、図１４にハッチングで示すように、ピストンピン５の曲げ強度（断面２次モーメントＩ）の低下度合い（落ち込み）が小さくなることが判る。つまり、図１３および図１４においてハッチングで示す範囲が、本発明で規定する数値範囲になっている。
【００７０】
ここで、前記コンロッド２の小端部２２の質量Ｍの計算式を説明する。図１０に示すように、コンロッド２の小端部２２の正面積をＡとする。
【００７１】
Ｑ＝Ｒ×sinθ−Ｒｐ・・・(1)
従って、Ｒｐ＝Ｒ×sinθ−Ｑ・・・(1)´
このとき、コンロッド２の小端部２２の正面積Ａは、以下のように求められる。
【００７２】
Ａ＝Ａ１＋Ａ２＋Ａ３−Ａ４
Ａ１＝πＲ2×（２×θ）／（２×π）
Ａ２＝Ｒsinθ×Ｒcosθ
Ａ３＝π／２×（Ｒsinθ）2
Ａ４＝π×Ｒｐ2
したがって、
Ａ＝Ｒ2×θ＋Ｒ2×sinθ×cosθ
＋π／２×（Ｒsinθ）2−π（Ｒsinθ−Ｑ）2
＝Ｒ2×θ＋Ｒ2／２×sin（２×θ）
＋Ｒ2×π／２×sin2θ−π（Ｒsinθ−Ｑ）2・・・(2)
小端部２２の質量Ｍは、Ｍ＝Ａ×Ｈで求められる。また、前記しているように、断面積Ｓｃ＝Ｑ×Ｈ×２＝１で正規化しているので、
Ｍ＝Ａ×Ｈ＝Ａ／（２×Ｑ）・・・(3)
また、Ｒ＝１で更に正規化し、Ｑ＝ｋ×Ｒ＝ｋ・・・(4)
式(3)および(4)より、質量Ｍを変数θと形状係数ｋで表したグラフが、図１３に示すようになる（但し、Ｒ＝１）。
【００７３】
次に、前記ピストンピン５の曲げ強度（断面２次モーメントＩ）の計算式を説明する。図１１に示すように、ピストンピン５の外半径をＲｐ、内半径をＲｉとする。
【００７４】
ピストンピン５の断面２次モーメントＩ＝（Ｒｐ4−Ｒｉ4）×π／４・・・(1)
ピストンピン５のせん断面積Ｓｐ＝（Ｒｐ2−Ｒｉ2）×π・・・(2)
式(2)より、Ｒｉ2＝Ｒｐ2−Ｓｐ／π
両辺を２乗して、
Ｒｉ4＝Ｒｐ4−２×Ｒｐ2×Ｓｐ／π＋（Ｓｐ／π）2・・・(2)´
式(1)に式(2)´を代入して断面２次モーメントＩをＳｐでまとめると、
Ｉ＝（２×Ｒｐ2×Ｓｐ／π−（Ｓｐ／π）2）×（π／４）
＝（Ｓｐ／４）×（２×Ｒｐ2−Ｓｐ／π）・・・(3)
従って、ピストンピン５のせん断面積Ｓｐが一定（せん断強度、質量一定量を確保する）の場合、
ピストンピン５の曲げ強度（Ｉ）∝断面２次モーメントＩは、ピストンピン５の外半径Ｒｐの２乗に比例する。
【００７５】
形状係数ｋ＝Ｑ／Ｒ＝（Ｒ×sinθ−Ｒｐ）／Ｒ・・・(4)より、
Ｒｐ＝Ｒ×（sinθ−ｋ）・・・(4)´
式(3)に式(4)´を代入して、
断面２次モーメントＩ∝Ｒｐ2＝（Ｒ×（sinθ−ｋ））2・・・(5)
式(5)より、（Ｉ∝）Ｒｐ2を変数θと形状係数ｋで表したグラフが、図１４に示すようになる（但し、Ｒ＝１）。
【００７６】
ところで、コンロッド２の小端部２２の外半径Ｒと、小端部２２の断面領域２２１，２２２の断面積Ｓｃとを一意的に決めると、図１３および図１５のグラフに示されているように、形状係数ｋが大きくなるにつれて小端部２２の質量Ｍが単調に減少するようになる。そのことについて、小端部２２の片側開き角θを９０度とする場合（小端部２２の上半分領域における肉厚が一定）を例に挙げて説明する。
【００７７】
ここで、形状係数ｋの呼び番をｉ，ｊとする。
【００７８】
形状係数ｋｉ＝（Ｒ−Ｒｐｉ）／Ｒ
＝Ｑｉ／Ｒ
＝（１−Ｒｐｉ／Ｒ）＞０・・・(1)
肉厚Ｑ＝Ｒ×sinθ−Ｒｐであるから、θ＝９０度とすると、Ｑｉ＝（Ｒ−Ｒｐｉ）となる。
【００７９】
断面積Ｓｃ＝Ｑｉ×Ｈｉ×２＝ｋｉ×Ｒ×Ｈｉ×２＝一定量とし、・・・(2)
形状係数ｋｉに関わらず破断強度を確保する。
【００８０】
そして、形状係数ｋｉとｋｊとの大小関係を、ｋｉ＜ｋｊとした場合、形状係数の比ｅは、ｅ＝ｋｉ／ｋｊ＜１とする。・・・(3)
ｋｊ＝ｋｉ／ｅ・・・(3)´
質量Ｍｉは、
Ｍｉ＝Ｒ2×π×Ｈｉ−Ｒｐｉ2×π×Ｈｉ
＝（Ｒ2−Ｒｐｉ2）×π×Ｈｉ
＝（Ｒ−Ｒｐｉ）×（Ｒ＋Ｒｐｉ）×π×Ｈｉ
＝Ｑｉ×（Ｒ＋Ｒｐｉ）×π×Ｈｉ・・・(4)
同様に質量Ｍｊは、
Ｍｊ＝Ｑｊ×（Ｒ＋Ｒｐｊ）×π×Ｈｊ・・・(4)´
従って、質量の比Ｍｉ／Ｍｊは、式(4)、(4)´より、
Ｍｉ／Ｍｊ＝（Ｑｉ×（Ｒ＋Ｒｐｉ）×π×Ｈｉ）／（Ｑｊ×（Ｒ＋Ｒｐｊ）×π×Ｈｊ）・・・(5)
一方、断面積Ｓｃは、形状係数ｋｉ、ｋｊに依らず一定量を確保するので、
Ｓｃ＝Ｑｉ×Ｈｉ×２＝Ｑｊ×Ｈｊ×２＝一定・・・(2)´
従って、Ｑｉ×Ｈｉ＝Ｑｊ×Ｈｊ・・・(2)´´
式(2)´´を式(5)に代入して、
Ｍｉ／Ｍｊ＝（Ｒ＋Ｒｐｉ）／（Ｒ＋Ｒｐｊ）・・・(5)´
＝（１＋Ｒｐｉ／Ｒ）／（１＋Ｒｐｊ／Ｒ）
ここで、式(1)の形状係数ｋｉ＝（１−Ｒｐｉ／Ｒ）から、Ｒｐｉ／Ｒ＝１−ｋｉ、Ｒｐｊ／Ｒ＝１−ｋｊ・・・(1)´とすると、
＝（１＋１−ｋｉ）／（１＋１−ｋｊ）
＝（２−ｋｉ）／（２−ｋｊ）
ここで、式(3)´よりｋｊ＝ｋｉ／ｅであるから、
＝（２−ｋｉ）／（２−ｋｉ／ｅ）・・・(5)´´
式(1)でｋｉ＞０、式(3)で（０＜）ｅ＝ｋｉ／ｋｊ＜１としたので、１＜１／ｅとなる。
【００８１】
従って、１／ｅ−１＞０・・・(6)
（２−ｋｉ）−（２−ｋｉ／ｅ）＝ｋｉ×（１／ｅ−１）＞０・・・(7)
従って、（２−ｋｉ）＞（２−ｋｉ／ｅ）
（２−ｋｉ）／（２−ｋｉ／ｅ）＞１・・・(6)´
式(6)´を式(5)´´に代入すると、
Ｍｉ／Ｍｊ＝（２−ｋｉ）／（２−ｋｉ／ｅ）＞１・・・(5)´´´
Ｍｉ＞Ｍｊ・・・(7)が示される。
【００８２】
前記しているように形状係数ｋｉとｋｊとの大小関係がｋｉ＜ｋｊであるので、形状係数ｋｉの値が小さいほど、式(7)よりコンロッド２の小端部２２の質量Ｍｉが大きくなることが示された。このことに関連して、形状係数ｋに対するコンロッド２の小端部２２の質量Ｍの変化を図１５に示している。
【００８３】
つまり、形状係数ｋｉの値が小さく、小端部２２の肉厚Ｑｉが小さくなると、強度に必要な断面Ｓｃを得るため、小端部２２の軸方向長さＨｉが長くなり、その結果、小端部２２の質量Ｍｉが大きくなる。
【００８４】
特に、小端部２２にピストンピン挿通用の孔が無い場合（中実円形、すなわち、肉厚Ｑ0＝Ｒ、小端部２２の内半径Ｒｐ0＝０）の質量Ｍ0を考えると、
（ｋｉ＜）ｋ0＝（Ｒ−Ｒｐ0）／Ｒ＝（Ｒ−０）／Ｒ＝１・・・(1)´
Ｍｉ／Ｍ0＝（２−ｋｉ）／（２−ｋ0）
＝（２−ｋｉ）／（２−１）
＝（２−ｋｉ）・・・(5)´´´´
一意的に、Ｒ＝１，Ｓｃ＝１としたときの形状係数ｋに対する質量比（Ｍ／Ｍ0）の変化を図１５に示している。図１５から明らかなように、Ｒ、Ｓｃを一意的に決めると、形状係数ｋに対して小端部２２の質量Ｍが単調に減少するようになることが判る。
【００８５】
以上説明したように本発明を適用した実施形態では、ピストン３の冠部３１内面とコンロッド２の小端部２２との摺接部分の形状を工夫することにより、ピストン３の支持構造全体の軽量化と強度強化とをバランス良く両立させることを可能にしている。
【００８６】
この実施形態では、上記した構成の他に、以下で説明するような構成（Ａ１）〜（Ａ３）を採用している。
【００８７】
（Ａ１）コンロッド２の小端部２２の下半分領域の形状は、例えば図３に示すようなコンロッド２の最大傾き時（コンロッド２の長手方向に沿う直線１００と、クランクシャフト１のクランクジャーナル１１の中心とクランクピン１２の中心とを通る直線１３０とが直交するとき）に小端部２２が凹状部３５の端縁に干渉することを防止するために、小端部２２の下半分の形状を半円筒形にしたうえで、コンロッド２において小端部２２の付け根側を小端部２２よりも幅狭にくびれた形状にしている。なお、コンロッド２の小端部２２の付け根側の幅は、要求強度を確保するように所定値以上に設定される。
【００８８】
但し、コンロッド２の最大傾き時に小端部２２を凹状部３５の端縁に干渉させないようにするためには、小端部２２の下半分領域の幅を凹状部３５の最大幅よりも小さく設定すればよいので、小端部２２の下半分領域の形状を半円筒形にする場合の他に、例えば小端部２２を端面から見た形状を、小端部２２の付け根側へ向けて徐々に幅狭となるような逆さ台形形状などとすることが可能である。
【００８９】
（Ａ２）凹状部３５をピストン３の冠部３１内面に、当該内面から遠ざける向きに張り出すように設置している。この設置形態では、質量が増加する傾向となるので、凹状部３５の肉部を可及的に少なくして質量を軽減するために、ピストン３において凹状部３５の付け根３６側を幅狭にくびれた形状にしている。
【００９０】
具体的に、図６に示すように、凹状部３５の付け根３６側の幅Ｌ１は、当該凹状部３５の開き幅Ｌ２よりも小さく設定されている。しかも、ピストン３の凹状部３５の付け根３６側の剛性を確保するために、図１および図６に示すように、ピストン３の冠部３１内面に補強リブ３７，３８を設けるようにしている。
【００９１】
この補強リブ３７，３８は、ピストン３の冠部３１内面およびピストンスカート３４の内周面から凹状部３５において付け根３６側より張り出す領域に向けて設けられている。
【００９２】
この補強リブ３７，３８は、それぞれ板状壁部とされており、ピストン３の冠部３１内面において凹状部３５の開き方向に沿って設けられている。この補強リブ３７，３８は、図１および図６に示すように、凹状部３５の付け根３６部分を中心として左側領域と右側領域とに設けられているが、下記する理由により左側の補強リブ３７の方が右側の補強リブ３８よりもピストン３の中心軸線に沿う方向の寸法（例えば垂下寸法）を大きくすることにより剛性を高めるようにしている。
【００９３】
つまり、エンジン燃焼に伴いピストン３がクランクシャフト１側へ押されてコンロッド２が図３に示すような最大傾き角になると、ピストン３のスカート３４の円周方向所定領域（図３の左側領域）がシリンダボア４１に図３中の矢印で示す方向に押圧されることが知られている。ちなみに、前記押圧される側がスラスト側と言われ、反対側が反スラスト側と言われている。このことを考慮し、前記のようにピストン３のスカート３４において図３の左側領域の剛性を高めるために、左側の補強リブ３７の方の垂下寸法を右側の補強リブ３８の垂下寸法よりも大きく設定するようにしている。
【００９４】
（Ａ３）コンロッド２に、シリンダブロック４のメインギャラリ４２に圧送される潤滑油をピストン３の凹状部３５とコンロッド２の小端部２２との摺接部分に導くための油導入経路を設けている。
【００９５】
具体的に、この油導入経路は、図１および図２に示すように、５つの通路６１〜６５を含んで構成されている。
【００９６】
第１通路６１は、メインギャラリ４２からクランクジャーナル１１の支持部（クランクジャーナル１１とシリンダブロック４との対向空間）に潤滑油を導くものである。
【００９７】
第２通路６２は、クランクジャーナル１１に径方向に貫通形成されており、クランクジャーナル１１の前記支持部から第３通路６３の上流端に潤滑油を導くものである。
【００９８】
第３通路６３は、クランクジャーナル１１からクランクピン１２に貫通形成されており、第２通路６２からクランクピン１２の支持部（クランクピン１２とコンロッド２の大端部２１との対向空間）に潤滑油を導くものである。
【００９９】
第４通路６４は、コンロッド２の胴部に長手方向に沿って貫通形成されており、コンロッド２の大端部２１の内孔から小端部２２の内孔に潤滑油を導くものである。
【０１００】
第５通路６５は、小端部２２の所定角度領域に径方向に貫通形成されており、ピストンピン５の支持部（小端部２２の内孔とピストンピン５との嵌め合い部分）から凹状部３５とコンロッド２の小端部２２との摺接部分に潤滑油を導くものである。
【０１０１】
つまり、シリンダブロック４のメインギャラリ４２に圧送された潤滑油は、第１通路６１を経てクランクジャーナル１１の支持部に導入され、さらに第２通路６２および第３通路６３を経てクランクピン１２の支持部に導入され、さらに第４通路６４を経てピストンピン５の支持部に導入され、さらに第５通路６５を経て凹状部３５とコンロッド２の小端部２２との摺接部分に導入されるようになっている。このように、エンジン内の潤滑油をピストンピン５とコンロッド２の小端部２２との摺接部分およびピストン３の凹状部３５とコンロッド２の小端部２２との摺接部分に圧送させるようにしているから、前記各摺接部分を良好に潤滑できるようになって、その動きを円滑化することが可能になる。
【０１０２】
なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲内で適宜に変更することが可能である。
【０１０３】
（１）上記実施形態では、前記構成（Ａ１）〜（Ａ３）を備える場合を例に挙げているが、本発明はこれに限定されるものではなく、前記構成（Ａ１）〜（Ａ３）のうちのいずれか一つを備えていない場合も本発明の実施形態として含まれる。
【０１０４】
（２）上記実施形態において、ピストン３の凹状部３５の内面（コンロッド小端部２２との摺接部分）を、ピストン３と異なる材料で形成することが可能である。
【０１０５】
このように、ピストン３の凹状部３５の内面を土台部分と異種材料にする場合、例えば前記凹状部３５の内面を、コンロッド２と同等の熱変形特性を有する材料（例えば炭素鋼など）にすることが可能になるなど、前記摺接面に必要に応じた特性を持たせることが比較的簡易に行えるようになる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明は、エンジンのクランクシャフトにコンロッドを介してピストンを支持する構造に好適に利用することが可能である。
【符号の説明】
【０１０７】
１      クランクシャフト
２      コンロッド
２２      コンロッドの小端部
３      ピストン
３１      ピストンの冠部
３２，３３      ピストンのピンボス部
３４      ピストンのスカート
３５      凹状部
３６      凹状部の付け根
３７      補強リブ
４      シリンダブロック
４１      シリンダボア
５      ピストンピン
６１      第１通路（油導入経路）
６２      第２通路（油導入経路）
６３      第３通路（油導入経路）
６４      第４通路（油導入経路）
６５      第５通路（油導入経路）
【図１】
2014052021.tif 000003
【図２】
2014052021.tif 000004
【図３】
2014052021.tif 000005
【図４】
2014052021.tif 000006
【図５】
2014052021.tif 000007
【図６】
2014052021.tif 000008
【図７】
2014052021.tif 000009
【図８】
2014052021.tif 000010
【図９】
2014052021.tif 000011
【図１０】
2014052021.tif 000012
【図１１】
2014052021.tif 000013
【図１２】
2014052021.tif 000014
【図１３】
2014052021.tif 000015
【図１４】
2014052021.tif 000016
【図１５】
2014052021.tif 000017
【図１６】
2014052021.tif 000018