(57)【要約】【課題】  内燃機関用ピストンにおいて、特に、ピストン冠部の応力集中を緩和するとともに軽量化を図り、更にピストン温度を低減することにある。【解決手段】  冠部６５と、この冠部６５の縁から筒状に延ばしたランド部７４及びスカート部７５と、冠部６５の裏面７７から突出させるとともにコンロッド１６に設けた球状の小端部６６とで球面継手１４を形成するための凹状半球面７６を形成したカップ状支持部７８とを備えた内燃機関用ピストン１３において、ランド部７４の内面７４ｇとカップ状支持部７８の外面７８ａとを放射状に延びるリブ８１で連結した。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冠部と、この冠部の縁から筒状に延ばした筒状壁と、前記冠部の裏面から突出させるとともにコンロッドに設けた球状小端部とで球面継手を形成するための凹状球面を形成した球面継手用カップ部とを備えた内燃機関用ピストンにおいて、
前記筒状壁と前記球面継手用カップ部とを放射状に延びるリブで連結したことを特徴とする内燃機関用ピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関用ピストンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の内燃機関用ピストンとして、コンロッドと球面継手で連結したものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開平９−１４４８７９号公報
【特許文献２】特開２０００−２１３６４６公報
【０００３】
特許文献１の図１を以下の図９で説明する。なお、符号は振り直した。
図９は従来の内燃機関用ピストンを示す第１断面図であり、ピストン２００は、クラウン部２０１の裏面に、凹球面２０２を形成した凹球座金２０３を外れ止め具２０４と共に取付けることで、コンロッド２０６の小端部２０７に設けた凸球面２０８を凹球面２０２に滑り自在に嵌合させた部材である。
【０００４】
上記したピストン２００では、クラウン部２０１の裏面に凹球座金２０３及び外れ止め具２０４を取付けることで重量が増加する。更に、これらの凹球座金２０３、外れ止め具２０４及びボルト２１１、ナット２１２がクラウン部２０１の下方のスペースを占有するため、クラウン部２０１の肉を落とすことも出来ず、軽量化が難しい。
【０００５】
また、アルミニウム合金製のピストン２００に対して凹球座金２０３は鉄系材料であるため、凹球座金２０３の熱伝導が小さく、クラウン部２０１から熱が、例えば、コンロッド２０６に伝わりにくい。従って、クラウン部２０１の温度が高くなり、このクラウン部２０１に近接するリング溝近傍のランド部２１４及びスカート部２１５の温度も高くなって、これらのランド部２１４及びスカート部２１５の熱膨張量が大きくなる。これでは、ピストン２００と、このピストン２００が移動するシリンダボアとの間に所定のクリアランスを確保することができなくなる。
【０００６】
特許文献２の図２（ｂ）を以下の図１０で説明する。なお、符号は振り直した。
図１０は従来の内燃機関用ピストンを示す第２断面図であり、ピストン２２０の冠部２２０ａの裏面に球面状の凹部２２１を設け、この凹部２２１にコンロッド２２２の球面状の上端部２２３を当てるとともに、その上端部２２３の下部を固定板２２４の球面状の内周面２２６で滑り自在に支持し、固定板２２４をピストン２２０の冠部２２０ａの裏面にボルト２２７，２２７で取付けたことを示す。
【０００７】
上記のピストン２２０は、固定板２２４を取付けるために、冠部２２０ａの裏面位置をコンロッド２２２の上端部２２３のほぼ中心位置まで下げたものであり、冠部２２０ａの肉厚は大きい。例えば、冠部２２０ａの肉厚を小さくできれば、軽量化が図れる。この場合、ピストン２２０に作用する燃焼圧力や慣性力による冠部２２０ａの応力集中を防ぐ必要がある。
【０００８】
また、冠部２２０ａの運転時の温度が高ければ、潤滑油の粘度が低下し、ピストン２２０の凹部２２１とコンロッド２２２の上端部２２３との間の油膜切れが発生することが考えられる。更に、特許文献１と同様な理由で、ピストン２２０とシリンダとのクリアランスが確保できなくなる。
冠部２２０ａの放熱性が高められれば、ピストン２２０とコンロッド２２２との連結及びピストン２２０とシリンダとの摺動をより滑らかに行うことが可能になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、内燃機関用ピストンにおいて、特に、ピストン冠部の応力集中を緩和するとともに軽量化を図り、更にピストン温度を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係る発明は、冠部と、この冠部の縁から筒状に延ばした筒状壁と、冠部の裏面から突出させるとともにコンロッドに設けた球状小端部とで球面継手を形成するための凹状球面を形成した球面継手用カップ部とを備えた内燃機関用ピストンにおいて、筒状壁と球面継手用カップ部とを放射状に延びるリブで連結したことを特徴とする。
【００１１】
内燃機関用ピストンに燃焼圧力又は慣性力が作用したときに、冠部及び球面継手用カップ部に発生する応力を放射状のリブで分散させ、これにより、冠部の肉厚を小さくしてピストンをより軽量にする。
また、放射状のリブで冷却フィンの役割を果たす。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に係る発明では、筒状壁の内面と球面継手用カップ部の外面とを放射状に延びるリブで連結したので、内燃機関用ピストンに燃焼圧力又は慣性力が作用したときに、冠部及び球面継手用カップ部に発生する応力を放射状のリブで分散させることができ、例えば、冠部の肉厚を大きくすることで応力集中を防ぐのに比べて、本発明ではリブを形成することで冠部の肉厚を小さくすることができ、ピストンをより軽量にすることができる。
従って、ピストンの慣性力が小さくなり、ピストンの支持部、即ち球面継手への負荷が軽減でき、内燃機関の高回転化による高出力化が図れる。
【００１３】
また、放射状のリブは冷却フィンの役割も果たすため、リブによって、冠部から効率良く放熱することができ、冠部の温度を下げることができる。従って、球面継手用カップ部及び筒状壁に伝わる熱を減少させることができて、球面継手用カップ部及び筒状部の温度を下げることができる。この結果、球面継手の滑り部分に介在する潤滑油の油膜切れを防ぐことができ、また、筒状壁の熱膨張量を小さくできて筒状壁とシリンダとのクリアランスを適正に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係るピストンを組み込んだ内燃機関の断面図であり、内燃機関１０は、シリンダブロック１１と、このシリンダブロック１１に設けたシリンダボア１２に移動自在に挿入したピストン１３と、このピストン１３に球面継手１４を介して連結したコンロッド１６と、シリンダブロック１１の下部に回転自在に取付けるとともに中空のクランクピン１７でコンロッド１６をスイング自在に支持するクランクシャフト１８とを備える。
【００１５】
シリンダブロック１１は、上部に設けたシリンダ部２１と、このシリンダ部２１の内側に嵌合させるとともにシリンダボア１２を形成した筒状のスリーブ２２と、シリンダ部２１の下部に取付けたスカート部２３とからなる。
【００１６】
ここで、３１はコンロッド１６の大端部２５とクランクピン１７との間に介在させた滑り軸受、３２はクランクシャフト１８に設けたカウンタウエイト、３３はシリンダブロック１１の上部にヘッドガスケット（不図示）を介して取付けたシリンダヘッド、３４は吸気バルブ、３６は排気バルブ、３７は燃焼室、３８はスカート部２３とでクランクケースを形成するためにスカート部２３の下部にボルト４１・・・（・・・は複数個を示す。以下同じ。）で取付けたアンダスカート部、４２はアンダスカート部３８の下部にアンダケース４３を介してボルト４４・・・で取付けたオイルパンである。
【００１７】
図２は本発明に係るピストン、コンロッド及びクランクシャフトの組立状態を示す斜視図であり、ピストン１３にコンロッド１６をスイング自在に取付け、クランクシャフト１８にコンロッド１６をスイング自在に取付けたことを示す。
【００１８】
ピストン１６は、例えば、材質ＡＣ８Ａ［ＪＩＳ  Ｈ  ５２０２］の素材を鋳造にて製造し、熱処理としてＴ６処理を施した後に機械加工を施した部材である。
コンロッド１６としては、クロム鋼、クロムモリブデン鋼、又はチタン合金製が好適である。
【００１９】
図３は本発明に係るピストンとコンロッドとの連結構造を示す分解斜視図であり、ピストン１３の冠部６５の裏面側（詳細は後述する。）にコンロッド１６の球状とした小端部６６の上部を当て、この小端部６６の下部を凹状の球面６７，６７（一方の符号６７のみ示す。）を備える２つ割りのホルダ６８で保持し、このホルダ６８をナット部材７１でピストン１３の冠部６５の裏面側に取付ける構造を示す。６９は小端部６６の球面である。
【００２０】
コンロッド１６は、上記した小端部６６と、環状とした大端部２５と、これらの小端部６６及び大端部２５のそれぞれを一体に連結するロッド部７３とからなる。
ホルダ６８は、２つのホルダ半体６８ａ，６８ａからなる。なお、６８ｂ、６８ｂは２つのホルダ半体６８ａ，６８ａを合わせる合わせ面である。
ホルダ６８及びナット部材７１は、球面継手１４の一部を構成する部材である。
【００２１】
図４は本発明に係るピストン及びコンロッドの断面図であり、ピストン１３は、円板状とした冠部６５と、この冠部６５の縁から下方に延ばした筒状で厚肉とした筒状壁としてのランド部７４と、このランド部７４から更に下方に延ばした筒状でランド部７４よりも薄肉とした筒状壁としてのスカート部７５，７５と、コンロッド１６の小端部６６と滑り自在に嵌合する凹状半球面７６を形成するために冠部６５の裏面７７に形成した球面継手用カップ部としてのカップ状支持部７８と、これらのランド部７４及びカップ状支持部７８のそれぞれに渡すとともに冠部６５の裏面７７から下方に延ばしたリブ８１・・・とを一体成形した部材である。
【００２２】
冠部６５は、燃焼室３７（図１参照）の一部を形成する冠面８３を備える。
ランド部７４は、冠部６５の縁に、冠面８３側から順に、トップランド７４ａ、トップリング溝７４ｂ、セカンドランド７４ｃ、セカンドリング溝７４ｄ、サードランド７４ｅ及びオイルリング溝７４ｆを設けた部分であり、トップリング溝７４ｂにトップリングを嵌め、セカンドリング溝７４ｄにセカンドリングを嵌め、オイルリング溝７４ｆにオイルリングを嵌める。
【００２３】
カップ状支持部７８は、下向きに開口する下向き凹部９１と、この下向き凹部９１の底面９２に形成した前述の凹状半球面７６と、下向き凹部９１の内周面９３に形成しためねじ９４とを備え、凹状半球面７６に当てたコンロッド１６の小端部６６を、下向き凹部９１内に挿入したホルダ６８の球面６７，６７で保持した後に、ナット部材７１に設けたおねじ９５をカップ状支持部７８のめねじ９４にねじ込むことで、ピストン１３にコンロッド１６をスイング自在に取付ける。
【００２４】
上記したカップ状支持部７８、ホルダ６８、ナット部材７１及び小端部６６は、前述の球面継手１４を構成するものである。
【００２５】
ホルダ６８は、回り止め用ピン（不図示）でカップ状支持部７８に対して回転しないようにするとともに、ロッド７３に当てる案内面（不図示）を設けることでピストン１３をコンロッド１６に対して回転しないようにする部材である。
【００２６】
ホルダ半体６８ａは、段部６８ｃを備え、この段部６８ｃにナット部材７１の先端を当てることでホルダ半体６８ａを固定する。
ナット部材７１は、前述のおねじ９５と、端部外周面に工具を掛けて回すための係合凹部７１ａ・・・とを備える。
【００２７】
コンロッド１６は、大端部２５及びロッド部７３の内部に軽量化のために中空部９６，９７，９８，９９，１００・・・を設け、小端部６６の内部に軽量のための中空部１０１を設けた部材であり、大端部２５に設けた取付穴１０２側から球面継手１４の滑り面にオイルを供給するためにオイル穴１０３，１０４，１０５を設けたものである。
【００２８】
図５は本発明に係るピストンの斜視図であり、ピストン１３における冠部６５（図４参照）の裏面７７にランド部７４とカップ状支持部７８とを繋ぐ複数のリブ８１・・・を形成したことを示す。
【００２９】
このようなリブ８１・・・を設けることで、ランド部７４とカップ状支持部７８とを強固に連結することができ、ピストン１３の上部の剛性を高めることができる。また、それぞれのリブ８１を薄肉とすることで、リブ８１を形成することによる重量増を抑えることができる。
【００３０】
図６は本発明に係るピストンの裏面を示す底面図であり、ピストン１３におけるランド部７４の内面７４ｇとカップ状支持部７８の外面７８ａとの間にリブ８１・・・を放射状に設けたことを示す。
図では隣り合うリブ８１，８１のなす角度θを３６°として１０ヶ所のリブ８１を設けた。
【００３１】
以上に述べたリブ８１の作用を次に説明する。
図７は本発明に係るリブの作用を示す第１作用図である。
燃焼室３７内で混合気が爆発して燃焼圧力が白抜き矢印で示すようにピストン１３の冠部６５に作用すると、冠部６５で発生する応力は複数のリブ８１・・・によって分散するため、冠部６５の一部あるいはカップ状支持部７８の一部（例えば、カップ状支持部７８の付根）に応力が集中しない。従って、冠部６５の肉厚を小さくしても応力が大きくならず、ピストン１３の重量を軽減することができる。
【００３２】
また、燃焼室３７内の爆発によって、冠部６５の温度が上昇すると、冠部６５の熱は、矢印で示すように冠部６５から直接にリブ８１を介してシリンダ部２１内に逃げる、あるいは冠部６５からカップ状支持部７８を通ってリブ８１から放熱する、更には、冠部６５からランド部７４を通ってリブ８１から放熱する。
【００３３】
図８は本発明に係るリブの作用を示す第２作用図である。
リブ８１は、冠部６５（図７参照）の裏面７７に周方向に等間隔で且つ放射状に設けたものであるから、冠部６５に発生する応力を各リブ８１へ均等に分散することができ、応力の最大値を低くすることができる。
【００３４】
また、矢印で示すように、複数のリブ８１から熱が逃げるために放熱効果を高めることができ、ピストン１３の各部の温度を低減することができる。従って、図７において、球面継手１４の温度、詳しくはカップ状支持部７８の凹状半球面７６の温度を下げることができ、凹状半球面７６とコンロッド１６の小端部６６との間に介在する油膜が切れるのを防止することができる。
【００３５】
更に、ランド部７４及びスカート部７５の熱膨張量を小さくすることができ、シリンダボア１２とランド部７４とのクリアランス、及びシリンダボア１２とスカート部７５とのクリアランスを所定範囲内に確保することができる。
【００３６】
以上の図４及び図６で説明したように、本発明は、冠部６５と、この冠部６５の縁から筒状に延ばしたランド部７４及びスカート部７５と、冠部６５の裏面７７から突出させるとともにコンロッド１６に設けた球状の小端部６６とで球面継手１４を形成するための凹状半球面７６を形成したカップ状支持部７８とを備えた内燃機関用ピストン１３において、ランド部７４の内面７４ｇとカップ状支持部７８の外面７８ａとを放射状に延びるリブ８１・・・で連結したことを特徴とする。
【００３７】
ランド部７４の内面７４ｇとカップ状支持部７８の外面７８ａとを放射状に延びるリブ８１・・・で連結したので、ピストン１３に燃焼圧力又は慣性力が作用したときに、冠部６５及びカップ状支持部７８に発生する応力を放射状のリブ８１・・・で分散させることができ、例えば、冠部の肉厚を大きくすることで応力集中を防ぐのに比べて、本発明ではリブ８１を形成することで冠部６５の肉厚を小さくすることができる。従って、ピストン１３をより軽量にすることができて、ピストン１３の支持部、即ち球面継手１４への負荷を軽減し、内燃機関１０の高回転化による高出力化が図れる。
【００３８】
また、放射状のリブ８１・・・は冷却フィンの役割も果たすため、リブ８１・・・によって、冠部６５から効率良く放熱することができ、冠部６５の温度を下げることができる。従って、カップ状支持部７８及びランド部７４に伝わる熱を減少させることができて、カップ状支持部７８及びランド部７４の温度を下げることができる。この結果、球面継手１４の滑り部分に介在する潤滑油の油膜切れを防ぐことができ、また、ランド部７４及びスカート部７５の熱膨張量を小さくできてランド部７４及びスカート部７５とシリンダボア１２（図７参照）とのクリアランスを適正に保つことができる。
【００３９】
尚、本実施形態では、図４において、リブ８１を冠部６５の裏面７７、カップ状支持部７８及びランド部７４に一体成形したが、これに限らず、これらのうちの冠部６５の裏面７７には、リブ８１を全く連結しないか、リブ８１の一部を連結してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明のピストンは、二輪車、四輪車用内燃機関に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係るピストンを組み込んだ内燃機関の断面図である。
【図２】本発明に係るピストン、コンロッド及びクランクシャフトの組立状態を示す斜視図である。
【図３】本発明に係るピストンとコンロッドとの連結構造を示す斜視図である。
【図４】本発明に係るピストン及びコンロッドの断面図である。
【図５】本発明に係るピストンの斜視図である。
【図６】本発明に係るピストンの裏面を示す底面図である。
【図７】本発明に係るリブの作用を示す第１作用図である。
【図８】本発明に係るリブの作用を示す第２作用図である。
【図９】従来の内燃機関用ピストンを示す第１断面図である。
【図１０】従来の内燃機関用ピストンを示す第２断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０…内燃機関、１３…ピストン、１４…球面継手、２１…シリンダ部、６５…冠部、６６…小端部、７４，７５…筒状壁（ランド部、スカート部）、７６…凹状半球面、７７…裏面、７８…球面継手用カップ部（カップ状支持部）、８１…リブ。
【図１】
2005133613.tif 000003
【図２】
2005133613.tif 000004
【図３】
2005133613.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005133613.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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