(57)【要約】【課題】  生産性に優れるとともに、シリンダ内で安定した姿勢で摺動するピストンおよびその製造方法を提供する。【解決手段】  ピストンは、内燃機関の燃焼室で発生した圧力を受けることによって、シリンダ内を所定の方向に摺動する。ピストンは、シリンダとの摺動部をなす外周面４ａを有し、金属を含むスカート部４と、所定のプロフィール形状が形成された表面１２ａを有し、外周面４ａに固着された樹脂コーティング部１２とを備える。外周面４ａは、燃焼室からの距離にかかわらずほぼ一定の直径Ｄを有する。外周面４ａから表面１２ａまでの距離ｔは、燃焼室から離れるに従って大きくなり、燃焼室からさらに離れるに従って小さくなる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室で発生した圧力を受けることによって、シリンダ内を所定の方向に摺動するピストンであって、
前記シリンダとの摺動部をなす外周面を有し、金属を含むスカート部と、
所定のプロフィール形状が形成された表面を有し、前記外周面に固着された樹脂部材とを備え、
前記外周面は、前記燃焼室からの距離にかかわらずほぼ一定の直径を有し、
前記外周面から前記表面までの距離が、前記燃焼室から離れるに従って大きくなり、前記燃焼室からさらに離れるに従って小さくなる、ピストン。
【請求項２】
前記所定の方向に直交する平面で前記スカート部および前記樹脂部材を切断した場合に、前記外周面を規定する曲線は、略真円を描く軌跡上に延びており、前記表面を規定する曲線は、略楕円を描く軌跡上に延びている、請求項１に記載のピストン。
【請求項３】
内燃機関の燃焼室で発生した圧力を受けることによって、シリンダ内を所定の方向に摺動するピストンであって、
前記シリンダとの摺動部をなす外周面を有し、金属を含むスカート部と、
所定のプロフィール形状が形成された表面を有し、前記外周面に固着された樹脂部材とを備え、
前記所定の方向に直交する平面で前記スカート部および前記樹脂部材を切断した場合に、前記外周面を規定する曲線は、略真円を描く軌跡上に延びており、前記表面を規定する曲線は、略楕円を描く軌跡上に延びている、ピストン。
【請求項４】
内燃機関の燃焼室で発生した圧力を受けることによって、シリンダ内を所定の方向に摺動するピストンの製造方法であって、
金属を含むスカート部を機械加工して、前記スカート部に円筒形状を有する外周面を形成する工程と、
樹脂を成形して、表面に前記シリンダとの摺動面をなす所定のプロフィール形状が形成された樹脂部材を形成する工程と、
前記外周面に前記樹脂部材を接合する工程とを備える、ピストンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には、ピストンおよびその製造方法に関し、より特定的には、シリンダとの摺動面が樹脂コーティングされたピストンおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリンダとの摺動面が樹脂コーティングされた従来のピストンに関して、たとえば特開平５−３４０４７２号公報には、剛性強度を低下させずにスカート部の潤滑摺動特性を向上させることを目的とした内燃機関のピストンが開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示されたピストンでは、スカート部の外周壁に周方向に延びる溝が形成されている。その溝には、耐熱性樹脂製の２つの摺動部材が装着されている。摺動部材は、ピストン冠面側に位置する上部肉厚が下部肉厚よりも薄くなるように形成されている。
【０００３】
また、特開平５−１６２０号公報には、シリンダとの摩擦抵抗を低減することを目的としたピストンが開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示されたピストンのスカートには、ポリエーテルニトリルが固着されている。このピストンを作製する場合、まず、ポリエーテルニトリルを略筒状に形成し、接着剤を用いてスカート部に固着する。その後、ポリエーテルニトリルを機械加工してピストンの全体形状に仕上げる。
【特許文献１】特開平５−３４０４７２号公報
【特許文献２】特開平５−１６２０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ピストンのスカート部には、シリンダ内での姿勢を安定に保つため、複雑なプロフィール形状が形成される。しかし、一般的にピストンは、アルミニウム合金や鋼鉄（スチール）から形成されている。これらの材料は、剛性や耐摩耗性に優れているものの、その高強度ゆえに加工が容易でない。このため、ピストンのスカート部にプロフィール形状を加工しようとすると、加工に長時間を要したり、その形状を実現できなかったりする。一方、上記の特許文献１および２に開示されたピストンでは、スカート部にそのプロフィール形状が形成されていない。
【０００５】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、生産性に優れるとともに、シリンダ内で安定した姿勢で摺動するピストンおよびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の１つの局面に従ったピストンは、内燃機関の燃焼室で発生した圧力を受けることによって、シリンダ内を所定の方向に摺動するピストンである。ピストンは、シリンダとの摺動部をなす外周面を有し、金属を含むスカート部と、所定のプロフィール形状が形成された表面を有し、外周面に固着された樹脂部材とを備える。外周面は、燃焼室からの距離にかかわらずほぼ一定の直径を有する。外周面から表面までの距離は、燃焼室から離れるに従って大きくなり、燃焼室からさらに離れるに従って小さくなる。
【０００７】
このように構成されたピストンによれば、所定のプロフィール形状が樹脂部材の表面に形成されている。樹脂部材を形成する樹脂は、スカート部に含まれる金属と比較して成形性に優れるため、複雑なプロフィール形状であっても容易に実現することができる。これにより、シリンダ内で摺動する際、上死点、下死点または燃焼圧を受けた時に、主にその摺動する方向に沿って姿勢が安定するピストンを得ることができる。このため、低騒音化、オイル消費の抑制、ならびにピストン摩耗およびシリンダ摩耗の一層の低減を図ることができる。また、樹脂部材の表面にプロフィール形状を形成する一方で、一定の直径を有するスカート部の外周面には、そのプロフィール形状が形成されていない。このため、加工が容易でないスカート部に、長時間かけてプロフィール形状を形成する必要がなく、ピストンの生産性を向上させることができる。
【０００８】
また好ましくは、ピストンがシリンダ内で摺動する所定の方向に直交する平面で、スカート部および樹脂部材を切断した場合に、外周面を規定する曲線は、略真円を描く軌跡上に延びており、表面を規定する曲線は、略楕円を描く軌跡上に延びている。このように構成されたピストンによれば、ピストンがシリンダ内で摺動する際、上死点、下死点または燃焼圧を受けた時に、さらに、その摺動方向に直交する方向に沿ってピストンの姿勢を安定させることができる。
【０００９】
この発明の別の局面に従ったピストンは、内燃機関の燃焼室で発生した圧力を受けることによって、シリンダ内を所定の方向に摺動するピストンである。ピストンは、シリンダとの摺動部をなす外周面を有し、金属を含むスカート部と、所定のプロフィール形状が形成された表面を有し、外周面に固着された樹脂部材とを備える。ピストンがシリンダ内で摺動する所定の方向に直交する平面で、スカート部および樹脂部材を切断した場合に、外周面を規定する曲線は、略真円を描く軌跡上に延びており、表面を規定する曲線は、略楕円を描く軌跡上に延びている。
【００１０】
このように構成されたピストンによれば、所定のプロフィール形状が樹脂部材の表面に形成されている。樹脂部材を形成する樹脂は、スカート部に含まれる金属と比較して成形性に優れるため、複雑なプロフィール形状であっても容易に実現することができる。これにより、シリンダ内で摺動する際、上死点、下死点または燃焼圧を受けた時に、主にその摺動方向に直交する方向に沿って姿勢が安定するピストンを得ることができる。このため、低騒音化、オイル消費の抑制、ならびにピストン摩耗およびシリンダ摩耗の一層の低減を図ることができる。また、樹脂部材の表面にプロフィール形状を形成する一方で、略真円状の断面を有するスカート部の外周面には、そのプロフィール形状が形成されていない。このため、加工が容易でないスカート部に、長時間かけてプロフィール形状を形成する必要がなく、ピストンの生産性を向上させることができる。
【００１１】
この発明に従ったピストンの製造方法は、内燃機関の燃焼室で発生した圧力を受けることによって、シリンダ内を所定の方向に摺動するピストンの製造方法である。ピストンの製造方法は、金属を含むスカート部を機械加工して、スカート部に円筒形状を有する外周面を形成する工程と、樹脂を成形して、表面にシリンダとの摺動面をなす所定のプロフィール形状が形成された樹脂部材を形成する工程と、スカート部の外周面に樹脂部材を接合する工程とを備える。
【００１２】
このように構成されたピストンの製造方法によれば、樹脂部材を外周面に接合する前、成形によって樹脂部材の表面に所定のプロフィール形状を形成している。このため、形成するプロフィール形状が非常に複雑な場合であっても、樹脂部材の表面にその形状を正確に再現することができる。また、スカート部の外周面を円筒形状に加工すれば良いため、スカート部に実施する機械加工を容易かつ短時間で行なうことができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、この発明に従えば、生産性に優れるとともに、シリンダ内で安定した姿勢で摺動するピストンおよびその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、この発明の実施の形態におけるピストンを示す側面図である。図１中には、スラスト側から見たピストンの側面図が示されている。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿ったピストンを示す断面図である。図１および図２中には、内燃機関としての車両用エンジンを構成するピストンおよびシリンダが示されている。
【００１６】
図１および図２を参照して、エンジンは、円筒状に延在するシリンダ壁２ａを有するシリンダ２と、そのシリンダ壁２ａに囲まれた空間に封入されたピストン１とを備える。ピストン１は、たとえば、アルミニウム合金や鋼鉄（スチール）などの金属から形成されており、シリンダ２は、たとえば、鋳鉄から形成されている。ピストン１に隣り合った位置には、ピストン１、シリンダ壁２ａおよび図示しないシリンダヘッド等によって構成された燃焼室６が形成されている。燃焼室６で発生した燃焼圧を受けることによって、ピストン１は、シリンダ２内を矢印５に示す方向に往復運動する。
【００１７】
ピストン１は、燃焼室６の一部を構成するヘッド部３と、ヘッド部３に連なり、ピストンボス部７から連接しているスカート部４とから構成されている。ピストンボス部７は、ピストン１と、図示しないコネクティングロッドとを接続するピストンピンを支軸する。シリンダ壁２ａに向い合うヘッド部３の表面には、環状に延びるリング溝６１および６２ならびにオイルリング溝６３が、所定の間隔を隔てて形成されている。リング溝６１および６２には、上部ピストンリング６４および下部ピストンリング６５がそれぞれ嵌め合わされている。オイルリング溝６３には、オイルリング６６が嵌め合わされている。なお、リングは、１本構成であっても良いし、２本構成であっても良い。
【００１８】
スカート部４は、シリンダ壁２ａに対して摺動部をなす外周面４ａを、スラスト側および反スラスト側にそれぞれ有する。外周面４ａは、シリンダ壁２ａと摺接する樹脂コーティング部１２によって覆われている。樹脂コーティング部１２は、ピストン１とシリンダ２との間のフリクションを低減させる役割を果たす。
【００１９】
樹脂コーティング部１２は、たとえば、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリアミド、エポキシ、ポリエステル、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはフッ素系樹脂などの樹脂材料から形成されている。樹脂コーティング部１２は、これらに挙げた樹脂材料を複数含んで形成されていても良い。また、シリンダとのフリクションをさらに低減させるため、これらの樹脂材料に二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、タングステン（Ｗ）またはグラファイトが添加されていても良い。さらに、耐磨耗性を向上させるため、樹脂材料に適当な金属粉末が添加されていても良い。
【００２０】
図３は、図２中のスカート部および樹脂コーティング部の形状を示す断面図である。図３を参照して、図中では、樹脂コーティング部１２の形状が明確に把握できるように、その形状が誇張して表わされている。また、本実施の形態では、ピストン１のスラスト側に形成された樹脂コーティング部１２について説明を行なうが、反スラスト側に関しても、同様の形状で樹脂コーティング部１２が形成されている。
【００２１】
スカート部４の外周面４ａは、図２中の燃焼室６からの距離にかかわらず、一定の直径Ｄを有する。つまり、スカート部４は、ピストン１の運動方向（図１中の矢印５に沿った方向）の位置にかかわらず一定の直径Ｄを有する円筒状に加工されている。スカート部４の長さは、たとえば、５０ｍｍである。
【００２２】
樹脂コーティング部１２は、シリンダ壁２ａと摺接する表面１２ａを有する。樹脂コーティング部１２は、樽型形状を有し、表面１２ａには、連続した曲面からなるプロフィール形状が形成されている。すなわち、樹脂コーティング部１２は、スカート部４の外周面４ａから表面１２ａまでの距離ｔ（以下、樹脂コーティング部１２の厚みｔとも呼ぶ）が、図２中の燃焼室６から離れるに従って大きくなり、さらに離れるに従って小さくなるように形成されている。樹脂コーティング部１２の厚みｔは、スカート部４の中程よりやや燃焼室６の反対側に寄った位置において、最大厚みＴとなる。
【００２３】
樹脂コーティング部１２の最大厚みＴは、たとえば、５００μｍ以下である。表面１２ａの曲線度Ｓ（樹脂コーティング部１２の厚みｔの最大値と最小値との差）は、たとえば、１００μｍ以上３００μｍ以下である。
【００２４】
図４は、図２中のＩＶ−ＩＶ線上に沿ったスカート部および樹脂コーティング部の形状を示す断面図である。図４を参照して、図中では、樹脂コーティング部１２の形状が明確に把握できるように、その形状が誇張して表わされている。また、図３において、樹脂コーティング部１２の厚みｔが最大厚みＴとなる位置の断面が表わされている。
【００２５】
スカート部４の外周面４ａを規定する曲線は、半径Ｒ（＝Ｄ／２）を有する真円２１の一部によって構成されている。樹脂コーティング部１２の表面１２ａを規定する曲線は、半径Ｒ＋Ｔの長軸と、半径ｒ（＜Ｒ＋Ｔ）の短軸とを有する楕円２２の一部によって構成されている。すなわち、樹脂コーティング部１２は、樹脂コーティング部１２の厚みｔが、ピストン１のスラスト側および反スラスト側の中心位置で最大厚みＴとなり、その中心位置から離れるに従って小さくなるように形成されている。なお、楕円２２は、幾何学的に定義された厳密な意味での楕円である必要はなく、相対的に長い径と相対的に短い径とが特定される円形であればよい。
【００２６】
表面１２ａの楕円度Ｃ（半径Ｒ＋Ｔを有する真円２３を規定した場合に、その真円２３と表面１２ａとの間の距離が最大となる値）は、たとえば、０を超え３００μｍ以下である。
【００２７】
図２から図４を参照して、燃焼室６で発生し、ピストン１のヘッド部３に加わる燃焼圧は、ヘッド部冠面の位置によって異なる。また、ピストン１とシリンダ２との間に供給される潤滑油の量やピストンリングの摩耗状態も、両者の接触位置によって異なる。このため、ピストン１はシリンダ２内でその姿勢を変えながら往復運動する。
【００２８】
一方、図３および図４を用いて説明したように樹脂コーティング部１２が樽型または楕円状に形成されている場合、樹脂コーティング部１２とシリンダ壁２ａとは、樹脂コーティング部１２の厚みが最大となる位置で接触し、これによってピストン１がシリンダ２内に支持される。そして、ピストン１が姿勢を変えると、これに対応して樹脂コーティング部１２とシリンダ壁２ａとの接触位置が変化し、これによってピストン１がシリンダ２内に支持され続ける。この際、樹脂コーティング部１２の表面１２ａは、連続した曲面によって構成されているため、樹脂コーティング部１２とシリンダ壁２ａとの接触位置を滑らかに変化させることができる。これにより、本実施の形態では、ピストン１のシリンダ２内における姿勢を安定に保つことができる。
【００２９】
また加えて、樹脂コーティング部１２を樽型に形成すると、樹脂コーティング部１２の厚みｔが小さくなった位置で、表面１２ａとシリンダ壁２ａとの間により多くの潤滑油を介在させることができる。これによって、両者の間のフリクションを低減させ、良好な摺動状態を得ることができる。
【００３０】
なお、樹脂コーティング部１２の表面１２ａは、鏡面状に形成されており、表面１２ａの最大高さＲｚが、５μｍ以下であることが好ましい。表面１２ａの最大高さＲｚは、たとえば、ピストン１の運動方向に沿った方向の粗さ曲線を測定し、その測定結果からＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１の規定に準じて求めると良い。表面１２ａをこのような鏡面状に仕上げることで、ピストンとシリンダとの間のフリクションを十分に低減させることができる。
【００３１】
この発明の実施の形態におけるピストン１は、内燃機関の燃焼室６で発生した圧力を受けることによって、シリンダ２内を所定の方向に摺動するピストンである。ピストン１は、シリンダ２との摺動部をなす外周面４ａを有し、金属を含むスカート部４と、所定のプロフィール形状が形成された表面１２ａを有し、外周面４ａに固着された樹脂部材としての樹脂コーティング部１２とを備える。外周面４ａは、燃焼室６からの距離にかかわらずほぼ一定の直径Ｄを有する。外周面４ａから表面１２ａまでの距離ｔは、燃焼室６から離れるに従って大きくなり、燃焼室６からさらに離れるに従って小さくなる。
【００３２】
ピストン１がシリンダ２内で摺動する所定の方向に直交する平面で、スカート部４および樹脂コーティング部１２を切断した場合に、外周面４ａを規定する曲線は、略真円２１を描く軌跡上に延びており、表面１２ａを規定する曲線は、略楕円２２を描く軌跡上に延びている。
【００３３】
なお、本実施の形態では、樹脂コーティング部１２が樽型かつ楕円状に形成されている場合について説明したが、樹脂コーティング部１２が樽型および楕円状のいずれかの形状に形成されていれば、ピストン１の姿勢を安定させることに関して、一定の効果を得ることができる。
【００３４】
図５は、図１中のピストンの製造方法の工程を示すフローチャート図である。続いて、図１中に示すピストンの製造方法について説明を行なう。図５を参照して、まず、所定形状のキャビティを有する鋳型を準備し、その鋳型内に溶融金属を注入することで鋳造ピストンを得る（Ｓ１０１）。次に、得られた鋳造ピストンに、必要な切削加工を実施する（Ｓ１０２）。この際、図３および図４を用いて説明したように、スカート部４を一定の直径Ｄを有する円筒状に仕上げる。
【００３５】
一方、上述のＳ１０１およびＳ１０２の工程とは別に、射出成形を実施して、所定のプロフィール形状が形成された表面１２ａを有する樹脂コーティング部１２を作製する（Ｓ１０３）。Ｓ１０２の工程で得られたスカート部４の外周面４ａに、樹脂コーティング部１２を接合する（Ｓ１０４）。この際、適当な接着剤を用いて樹脂コーティング部１２を外周面４ａに貼り付けても良いし、外周面４ａに接触させた状態で、樹脂コーティング部１２を加熱、冷却することで、両者を直接、接合しても良い。
【００３６】
本実施の形態では、スカート部４の外周面４ａに樹脂を接合した後、その樹脂の表面を切削加工して所定のプロフィール形状を形成するのではなく、射出成形によって予め樹脂の表面にプロフィール形状を形成し、その後、その樹脂を外周面４ａに接合している。樹脂の表面を切削加工した場合、切削熱によって樹脂が垂れたり、切削工具から受ける反力によって加工面の位置がぶれたりするため、精度良く加工を行なうことができない。これに対して、射出成形によれば、形状精度に優れた所望のプロフィール形状を容易に得ることができる。
【００３７】
この発明の実施の形態におけるピストン１の製造方法は、金属を含むスカート部４を機械加工して、スカート部４に円筒形状を有する外周面４ａを形成する工程と、樹脂を成形して、表面１２ａにシリンダ２との摺動面をなす所定のプロフィール形状が形成された樹脂部材としての樹脂コーティング部１２を形成する工程と、外周面４ａに樹脂コーティング部１２を接合する工程とを備える。
【００３８】
このように構成された、この発明の実施の形態におけるピストン１およびその製造方法によれば、アルミニウム合金や鋼鉄からなるスカート部４と比較して、成形性に優れた樹脂コーティング部１２にプロフィール形状を形成している。このため、複雑なそのプロフィール形状を容易かつ精度良く形成することができる。また、スカート部４にプロフィール形状を加工する必要がないため、スカート部４の加工時間を短縮化することができる。
【００３９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の実施の形態におけるピストンを示す側面図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線上に沿ったピストンを示す断面図である。
【図３】図２中のスカート部および樹脂コーティング部の形状を示す断面図である。
【図４】図２中のＩＶ−ＩＶ線上に沿ったスカート部および樹脂コーティング部の形状を示す断面図である。
【図５】図１中のピストンの製造方法の工程を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  ピストン、２  シリンダ、４  スカート部、４ａ  外周面、１２  樹脂コーティング部、１２ａ  表面、２１  真円、２２  楕円。
【図１】
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【図２】
2005337468.tif 000004
【図３】
2005337468.tif 000005
【図４】
2005337468.tif 000006
【図５】
2005337468.tif 000007